專利名稱：發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(也叫LED，即Light Emitting Diode)管芯的發(fā)光部分是設(shè)置在p型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層之間的活動(dòng)層。當(dāng)注入活動(dòng)層中的非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)以輻射光子的形式將多余的能量以光能的形式釋放出來(lái)。但是活動(dòng)層發(fā)出的光是非定向的，即向各個(gè)方向有相同的發(fā)射幾率。一般的半導(dǎo)體材料與周圍空氣或者封裝材料相比較而言，具有較高的折射系數(shù)(典型的半導(dǎo)體材料的折射系數(shù)n＝2.2～3.8)。因此部分光將會(huì)在芯片中的發(fā)射表面發(fā)生全反射，且有部分全反射光持續(xù)在發(fā)光二極管中反射，被晶體和其它材料轉(zhuǎn)換成熱能的形式吸收，本文中將這種現(xiàn)象稱為全反射損失；另外有部分光從不同于發(fā)射表面的其它方向漏出，本文中將這種現(xiàn)象稱為漏出損失。由于全反射損失和漏出損失，發(fā)光二極管的活動(dòng)層中產(chǎn)生的光不會(huì)全部從發(fā)射表面發(fā)出，降低了發(fā)光效率(Luminous Efficiency)；且在光被二極管中的材料吸收的同時(shí)也帶來(lái)了發(fā)光二極管溫度增高的問(wèn)題，增大了提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的難度。
現(xiàn)有技術(shù)中為了減少發(fā)光二極管管芯的漏出損失和全反射損失，一種方法是在襯底和活動(dòng)層之間設(shè)置布拉格反射層，布拉格反射層的優(yōu)點(diǎn)是反射率高，但是由于其必須為多層化結(jié)構(gòu)，且一般都為10～20層的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其制作工藝復(fù)雜，成本較高。另一種方法是在發(fā)光二極管管芯的與光的發(fā)射面相對(duì)的另一側(cè)的管芯表面上，設(shè)置一層金屬反射層，該金屬反射層也可以減少漏出損失和全反射損失，但是效果不佳，因?yàn)榛顒?dòng)層發(fā)出的照射到金屬反射層而被金屬反射層反射到發(fā)射表面的光，要經(jīng)歷兩次被管芯材料吸收的過(guò)程。
半導(dǎo)體光電器件工藝主要包括外延、光刻、刻蝕、濺射、合金、淀積絕緣膜和光學(xué)鍍膜等工藝。
半導(dǎo)體以晶體形態(tài)在晶格常數(shù)基本匹配的襯底上沉積或生長(zhǎng)的過(guò)程叫做外延生長(zhǎng)。它與普通的光學(xué)鍍膜不同，沉積的原子會(huì)在生長(zhǎng)表面自動(dòng)排列整齊并與下方襯底原子鍵合，是單晶襯底原子排列的直接延續(xù)。主要的外延方法有分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延(MOCVD)和液相外延(LPE)等類型。最早發(fā)展起來(lái)的是液相外延技術(shù)，它利用過(guò)飽和溶液析出結(jié)晶來(lái)進(jìn)行材料生長(zhǎng)，因其生長(zhǎng)速度過(guò)快，材料組分比較難控制和調(diào)整，已經(jīng)逐漸被金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延方法和分子束外延方法所取代；金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延方法利用金屬有機(jī)化合物氣體和相應(yīng)烷類氣體的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行外延，控制生長(zhǎng)厚度的精度達(dá)1微米，正是因?yàn)榻饘儆袡C(jī)物化學(xué)氣相沉積外延方法的出現(xiàn)，才使得多重量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)技術(shù)實(shí)用化，并廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體激光器等產(chǎn)品上；分子束外延方法借助分子束掃描進(jìn)行外延生長(zhǎng)，與金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延方法技術(shù)相比，生長(zhǎng)速率慢，但可以更精確的控制外延層的厚度和組分，所以金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延技術(shù)更多的用于生產(chǎn)，分子束外延技術(shù)則更多的用于科研。
光刻工藝是把設(shè)計(jì)好的幾何圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶片表面的對(duì)光照敏感的一薄層材料(也叫光致抗蝕劑、光刻膠)上去的工藝過(guò)程。
刻蝕是把光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下面的半導(dǎo)體材料薄層上去的工藝過(guò)程。半導(dǎo)體材料的刻蝕工藝主要分為濕法刻蝕和干法兩種。濕法刻蝕使用液態(tài)化學(xué)試劑進(jìn)行腐蝕，損傷小，但對(duì)環(huán)境比較敏感，加工精度低；干法刻蝕使用氣態(tài)的化學(xué)試劑在微波和等離子體的共同作用下對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行刻蝕，主要的技術(shù)有反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)和等離子體微波耦合刻蝕技術(shù)(ICP)兩種，干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，大面積刻蝕均勻性好，利用等離子體微波耦合刻蝕技術(shù)還可以刻蝕垂直度和光潔度都非常好的鏡面；實(shí)際加工中，往往兩種刻蝕方法配合使用。
半導(dǎo)體光電器件工藝中還包括濺射、合金、淀積絕緣膜和光學(xué)鍍膜等工藝，這些工藝也非常重要。濺射和合金的主要功能是制作良好的金屬與半導(dǎo)體接觸；淀積絕緣膜也可稱為掩模層，主要用來(lái)做刻蝕掩膜和控制器件電流注入的區(qū)域，常見的絕緣材料是SiO2及Si3N4，使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)的方法淀積，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是膜層致密，折射率和厚度可以控制得很好；光學(xué)鍍膜的功能是調(diào)節(jié)器件的光電特性，在半導(dǎo)體光放大器和超輻射發(fā)光二極管的制作中是主要的工藝難點(diǎn)之一。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，當(dāng)采用這種基底結(jié)構(gòu)體的發(fā)光二極管管芯用于制造發(fā)光二極管后，可以在工作時(shí)較好地減少漏出損失和全反射損失從而提高發(fā)光效率。
本實(shí)用新型的總的技術(shù)構(gòu)思是在襯底層上設(shè)置專門的金屬反射鏡層而制得發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，從而當(dāng)采用這種基底結(jié)構(gòu)體的發(fā)光二極管管芯用于制造發(fā)光二極管后，該發(fā)光二極管在工作時(shí)可以由該反射鏡層來(lái)反射發(fā)光二極管管芯的活動(dòng)層發(fā)射至反射鏡層的光，以減少漏出損失和全反射損失從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是本基底結(jié)構(gòu)體具有襯底和設(shè)置在襯底上的緩沖層；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是還具有反射鏡層，反射鏡層設(shè)置在緩沖層上；反射鏡層由具有微孔陣列的金屬基底層和沉積在金屬基底層的表面上及微孔陣列的微孔中的金屬反射層組成。
上述襯底為藍(lán)寶石或硅或者碳化硅；緩沖層為氮化鎵，緩沖層的厚度為1.0～2.0μm。反射鏡層的金屬基底層的金屬為銀或銅，金屬基底層的厚度為1.5μm～3μm。金屬反射層的金屬為銀或鋁，金屬反射層的厚度為0.05μm～0.08μm。
上述金屬基底層的微孔陣列中的微孔均勻排布，且行與行之間錯(cuò)開；微孔陣列中每個(gè)微孔的形狀都相同，且為圓形或正多邊形。金屬基底層的微孔陣列中的相鄰的微孔之間的間距為2.8μm～3μm；每個(gè)微孔的孔徑為1.3μm～2.6μm，每個(gè)微孔的深度為0.8μm～1.2μm。
本實(shí)用新型具有積極的效果(1)本實(shí)用新型的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體在用于發(fā)光二極管后，其中反射光波的是反射鏡層，其中的金屬反射層采用的金屬優(yōu)選鋁或銀，在理論上，表面平滑的鋁金屬反射層對(duì)波長(zhǎng)在400nm到800nm之間的光的平均反射率大于90％，而表面平滑的銀金屬反射層對(duì)波長(zhǎng)在400nm到20000nm之間的光的平均反射率則大于95％，所以本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體中的反射鏡層具有良好的反射效果。(2)本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體中的反射鏡層的金屬基底層中具有微孔陣列，該微孔中沉積的的金屬薄層與位于金屬基底層表面上的金屬薄層連接成一個(gè)整體，形成一個(gè)連續(xù)的金屬反射層；這種具有凹孔形狀的金屬反射層可以較好的定向反射活動(dòng)層發(fā)射至反射鏡層的光，可以有效減少發(fā)光二極管管芯中光的漏出損失和全反射損失，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。(3)本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體中的反射鏡層的制造工藝與布拉格反射層的制造工藝相比，具有較簡(jiǎn)單的制造工藝、較低的制造成本；與設(shè)置在管芯表面處的金屬反射層相比，則在減少漏出損失和全反射損失的性能上大大超過(guò)后者。


圖1是本實(shí)用新型的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中反射鏡層的金屬基底層的微孔陣列的示意圖。
圖3是實(shí)施例1中制造發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體的過(guò)程中掩模層的位置示意圖。
圖4是本實(shí)用新型制造發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體的流程示意圖。
圖5是傳統(tǒng)的發(fā)光二極管管芯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是為采用圖1所示結(jié)構(gòu)的基底結(jié)構(gòu)體的發(fā)光二極管管芯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是具有圖5結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的相對(duì)光強(qiáng)度——波長(zhǎng)圖。
圖8是具有圖6結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的相對(duì)光強(qiáng)度——波長(zhǎng)圖。
具體實(shí)施方式
(實(shí)施例1)見圖1，本實(shí)施例的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體具有襯底1、緩沖層2和反射鏡層3；緩沖層2設(shè)置在襯底1上，反射鏡層3由具有微孔陣列的金屬基底層31和沉積在金屬基底層31的表面上及微孔31-1中的金屬反射層32組成。
其中襯底1采用的材料為藍(lán)寶石；緩沖層2為氮化鎵(GaN)，緩沖層2的厚度為1.85μm；金屬基底層31的金屬為銅，金屬基底層31的厚度為2.3μm；金屬反射層32的金屬為銀，金屬反射層32的厚度為0.08μm。
見圖2，金屬基底層31具有微孔陣列，微孔陣列中的微孔31-1的形狀為圓形；微孔均勻分布在金屬基底層31中，且行與行之間錯(cuò)開；相鄰的微孔31-1之間的間距(兩個(gè)相鄰微孔的微孔中心的距離)為2.8μm；每個(gè)微孔31-1的孔徑(當(dāng)微孔形狀為正多邊形時(shí)，為正多邊形外接圓的直徑，此處的正多邊形可以是正四邊形、正五邊形或正六邊形)為1.3μm，每個(gè)微孔31-1的深度為0.8μm，金屬反射層32位于金屬基底層32的表面或者微孔31-1中，呈連續(xù)的反射鏡面。
見圖3和圖4，本實(shí)施例的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體的制造方法具有以下步驟①在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(美國(guó)EMCORE公司GS3200型)中，以藍(lán)寶石作為襯底1(圖4a)，以國(guó)產(chǎn)高純TMGa及NH3作為源材料，以H2作為MO(即金屬有機(jī)化合物，下同)源的攜帶氣體，以高純N2作為生長(zhǎng)區(qū)的調(diào)節(jié)氣體，在藍(lán)寶石襯底1上生長(zhǎng)一層氮化鎵(GaN)晶體作為緩沖層2；相關(guān)生長(zhǎng)工藝參數(shù)生長(zhǎng)溫度為560℃，NH3加入速率為3.1L/min；TMGa加入速率為20μmol/min；N2加入速率為3.8L/min；H2加入速率為2.0L/min；生長(zhǎng)時(shí)間為2min；最后得到厚1.85μm的氮化鎵晶體緩沖層2(圖4b)。
②在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(美國(guó)EMCORE公司GS3200型)中，以Cu-TMOD作為源材料，以H2作為MO源的攜帶氣體，以高純CO2作為生長(zhǎng)區(qū)的調(diào)節(jié)氣體，在緩沖層2上生長(zhǎng)金屬介質(zhì)層30；相關(guān)工藝參數(shù)生長(zhǎng)溫度為380℃，CO2加入速率為2.8L/min；Cu-TMOD加入速率為65μmol/min；H2加入速率為2.0L/min；生長(zhǎng)時(shí)間為10min；最后得到厚2.3μm的銅金屬介質(zhì)層30(圖4c)。
③在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(英國(guó)CEVP公司PECVD 1000C)中，在金屬介質(zhì)層30上沉積氮化硅作為掩膜層33；沉積條件射頻功率為80W；沉積溫度為280℃；He的加入速率為50sccm(ml/min，20℃標(biāo)準(zhǔn)溫度，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下)；SiH1的加入速率為1sccm；NH3的加入速率為30sccm；沉積時(shí)間為20min；最后得到厚0.025μm的氮化硅掩膜層33。
④在掩膜層33上涂覆厚度為0.8μm的光刻膠(型號(hào)為Shipley 6112)，然后在光刻系統(tǒng)(德國(guó)Karl Suss公司MA6)采用單面接觸式對(duì)準(zhǔn)光刻方式在光刻膠層上經(jīng)曝光、顯影刻出均勻排列的圓孔陣列圖形，然后洗去經(jīng)光照反應(yīng)后的部分光刻膠；接著在離子刻蝕系統(tǒng)(法國(guó)Alcatel公司Nextral 100)中，以SF6和O2作為刻蝕氣體，在氮化硅掩膜層上刻蝕圖形；刻蝕的工藝參數(shù)反應(yīng)室壓力為1.0Pa；射頻功率為500W；偏壓為80V；SF6加入速率為50cm3/s；O2加入速率為80cm3/s；刻蝕速率為5nm/min；刻蝕時(shí)間為20min；微孔陣列刻蝕好后，接著用丙酮?jiǎng)冸x殘留的部分光刻膠，再用KOH腐蝕液洗去殘留的部分氮化硅掩模層33，得到具有微孔陣列的金屬基底層31。微孔陣列中的微孔31-1均勻排布在金屬基底層31中，且行與行之間錯(cuò)開；微孔31-1為圓形，相鄰的微孔31-1之間的間距為2.8μm；每個(gè)微孔31-1的直徑為1.3μm，每個(gè)微孔31-1的深度為0.8μm。
⑤在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(美國(guó)EMCORE公司GS3200型)中，以Ag-TMOD作為源材料，以H2作為MO源的攜帶氣體，以高純CO2作為生長(zhǎng)區(qū)的調(diào)節(jié)氣體，在金屬基底層31的微孔陣列上沉積金屬銀以形成金屬反射層32；沉積工藝參數(shù)沉積溫度為320℃，CO2加入速率為3.2L/min，H2加入速率為2.5L/min，Ag-TMOD加入速率為25μmol/min生長(zhǎng)時(shí)間為10min，最后得到厚度為0.08μm的銀金屬反射層32，從而使金屬基底層31和金屬反射層32形成了反射鏡層3(圖4d)。
(實(shí)施例2)其余與實(shí)施例1相同，不同之處在于緩沖層2的厚度為1.80μm；金屬基底層31的厚度為2.2μm。
微孔陣列的圓形微孔的深度為1.0μm，直徑為2.6μm，相鄰的微孔31-1之間的間距為3μm。
本實(shí)施例的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體的制造方法，其余與實(shí)施例2相同，不同之處在于步驟①中，生長(zhǎng)溫度為545℃，NH3的加入速率為2.9L/min，N2的加入速率為3.9L/min；最后得到的氮化鎵晶體緩沖層2的厚度為1.80μm。步驟②中，生長(zhǎng)溫度為390℃，CO2的加入速率為2.9L/min；最后得到的金屬介質(zhì)層30的厚度為2.2μm。步驟③中，沉積溫度為270℃。步驟④中，控制圓形微孔31-1的直徑為2.6μm，微孔31-1的深度為1.2μm，相鄰的微孔31-1之間的間距為3μm。步驟⑤中，生長(zhǎng)溫度為300℃，CO2加入速率為3.0L/min。
(試驗(yàn)例1)圖5所示為一種傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的管芯結(jié)構(gòu)，其基底結(jié)構(gòu)體的襯底為藍(lán)寶石，緩沖層為氮化鎵。
圖6所示為采用實(shí)施例1的基底結(jié)構(gòu)體的發(fā)光二極管的管芯結(jié)構(gòu)，在得到實(shí)施例1的基底結(jié)構(gòu)體后采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延或分子束外延方法生成多量子阱活性層(MQW)作為第二緩沖層；在第二緩沖層上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延或分子束外延方法依次外延生成N型氮化鎵半導(dǎo)體層、InGaN/GaN多重量子阱的活性層和P型氮化鎵半導(dǎo)體層；接著采用濺鍍的方法在P型半導(dǎo)體層上生成P極電極，然后在P極電極層上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積外延或分子束外延方法生成掩模層，接著采用蝕刻的方法去除部分的掩模層、P型半導(dǎo)體層、活性層和N型半導(dǎo)體層，使N型半導(dǎo)體層暴露出來(lái)，接著在暴露出來(lái)的部分N型半導(dǎo)體層上采用濺鍍的方法在N型半導(dǎo)體層上生成N極電極，從而得到發(fā)光二極管芯片；最后用切割法或劃片法沿設(shè)計(jì)好的發(fā)光二極管芯片的分割道將芯片分割成單個(gè)管芯。
這兩種發(fā)光二極管的管芯除了基底結(jié)構(gòu)體不同外，其它部分完全相同。
對(duì)圖5所示的發(fā)光二極管管芯得到的發(fā)光二極管進(jìn)行測(cè)試，所用設(shè)備為L(zhǎng)ED全光譜光電色綜合性能測(cè)試系統(tǒng)(臺(tái)灣儀嘉科技公司)，測(cè)試電壓為3.3V，測(cè)試電流為20mA；得到圖7所示的相對(duì)光強(qiáng)度——波長(zhǎng)圖。
對(duì)圖6所示的發(fā)光二極管管芯得到的發(fā)光二極管進(jìn)行測(cè)試，所用設(shè)備為L(zhǎng)ED全光譜光電色綜合性能測(cè)試系統(tǒng)(臺(tái)灣儀嘉科技公司)，測(cè)試電壓為3.3V，測(cè)試電流為20mA；得到圖8所示的相對(duì)光強(qiáng)度——波長(zhǎng)圖。
從圖7和圖8可以得知具有本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體的發(fā)光二極管，其發(fā)光強(qiáng)度明顯增加，證明了本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體能夠在工作時(shí)較好地減少漏出損失和全反射損失從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
權(quán)利要求1.一種發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，具有襯底(1)和設(shè)置在襯底(1)上的緩沖層(2)；其特征在于還具有反射鏡層(3)，反射鏡層(3)設(shè)置在緩沖層(2)上；反射鏡層(3)由具有微孔陣列的金屬基底層(31)和沉積在金屬基底層(31)的表面上及微孔陣列的微孔(31-1)中的金屬反射層(32)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，其特征在于襯底(1)為藍(lán)寶石或硅或碳化硅；緩沖層(2)所用材料為氮化鎵，緩沖層(2)的厚度為1.0～2.0μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，其特征在于反射鏡層(3)的金屬基底層(31)的金屬為銀或銅，金屬基底層(31)的厚度為1.5μm～3μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，其特征在于金屬反射層(32)的金屬為銀或鋁，金屬反射層(32)的厚度為0.05μm～0.08μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，其特征在于金屬基底層(31)的微孔陣列中的微孔(31-1)均勻排布，且行與行之間錯(cuò)開；微孔陣列中每個(gè)微孔(31-1)的形狀都相同，且為圓形或正多邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體，其特征在于金屬基底層(31)的微孔陣列中的相鄰的微孔(31-1)之間的間距為2.8μm～3μm；每個(gè)微孔(31-1)的孔徑為1.3μm～2.6μm，每個(gè)微孔(31-1)的深度為0.8μm～1.2μm。
專利摘要本實(shí)用新型屬發(fā)光二極管管芯的基底結(jié)構(gòu)體。本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體具有襯底、緩沖層和反射鏡層，緩沖層設(shè)置在襯底上，反射鏡層設(shè)置在緩沖層上；反射鏡層由具有微孔陣列的金屬基底層和沉積在金屬基底層的表面上及微孔陣列的微孔中的金屬反射層組成。本實(shí)用新型的基底結(jié)構(gòu)體制成的發(fā)光二極管在工作時(shí)漏出損失和全反射損失較少，而使發(fā)光二極管的發(fā)光效率較高。
文檔編號(hào)H01L33/00GK2762356SQ200520005200
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2005年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月18日
發(fā)明者胡家琪, 駱錦嘉, 邊樹仁 申請(qǐng)人:樂清市億昊科技發(fā)展有限公司