專利名稱：一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管芯片及其制造方法，尤其是指在芯片背面鍍有反射鏡，可 提高芯片出光效率的發(fā)光二極管芯片及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在交通指示、戶外全色顯示等領(lǐng) 域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管可能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體固態(tài)照明，引起人類照 明史的革命，從而逐漸成為目前電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通常發(fā)光二極管的芯片為在藍(lán)寶石等襯底上依次層疊了 η型半導(dǎo)體層、有源層、P 型半導(dǎo)體層的構(gòu)造。另外，在P型半導(dǎo)體層上配置有P電極，在η型半導(dǎo)體層上配置有η電 極，如圖1所示。為了獲得高亮度的LED，關(guān)鍵需要提高器件的內(nèi)量子效率和外量子效率，而芯片 光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，主要原因是外延材料、襯底材料以及空氣 之間的折射率差別較大，導(dǎo)致有源區(qū)產(chǎn)生的光在不同折射率材料界面發(fā)生全反射而不能導(dǎo) 出芯片?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了幾種提高芯片光提取效率的方法，包括1)采用諸如倒金 字塔等的結(jié)構(gòu)改變芯片的幾何外形，減少光在芯片內(nèi)部的傳播路程，降低光的吸收損耗；2) 采用諸如諧振腔或光子晶體等結(jié)構(gòu)控制和改變自發(fā)輻射；幻采用表面粗化方法，使光在粗 化的半導(dǎo)體和空氣界面發(fā)生漫射，增加其投射的機(jī)會(huì)；4)利用倒轉(zhuǎn)焊技術(shù)等技術(shù)手段。其 中，現(xiàn)有粗化技術(shù)大多是僅針對(duì)N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體表面或邊側(cè)，以及通過(guò)背面蒸鍍金 屬反射鏡層來(lái)提高發(fā)光效率。由單純的金屬組成的反射鏡對(duì)亮度的提升很有限，有研究采用了由SiO2薄膜層及 金屬膜層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)金屬反射鏡，這種雙層金屬反射鏡在一定程度上使LED的出光率 得到了提升。然而，在制備這種反射鏡時(shí)，直接在S^2上鍍金屬層，往往會(huì)遇到金屬層容易 脫落的問(wèn)題，并且在金屬層后序的打線工藝中由于加熱容易產(chǎn)生金屬團(tuán)簇的現(xiàn)象，這些問(wèn) 題使反射鏡反射效率大大降低。因此，如何突破現(xiàn)有技術(shù)提高出光率實(shí)已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法，提高芯片 的出光效率。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種發(fā)光二極管芯片，依次包括藍(lán)寶石襯底、半導(dǎo)體外延層，所述半導(dǎo)體外延層至 少包括η型半導(dǎo)體層、位于η型半導(dǎo)體層上的有源層、以及位于有源層上的P型半導(dǎo)體層， 在所述η型半導(dǎo)體層上設(shè)有η電極，在ρ型半導(dǎo)體層上設(shè)有透明導(dǎo)電層和ρ電極，其特征在 于在襯底背面制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡自襯底向下依次為電介質(zhì)層、Al膜層及第二金屬層，所述電介質(zhì)層的折射率為1. 1-1. 6。進(jìn)一步地，所述電介質(zhì)層厚度為10-10000A,所述Al膜層厚度為10-20000 A,所 述第二金屬層厚度為10-20000 L進(jìn)一步地，所述電介質(zhì)層為SiO2層或ITO(銦錫氧化物)層。較佳的，所述SiO2層厚度為100-5000A，所述Al膜層厚度為100-10000 L進(jìn)一步地，所述第二金屬層為Ag膜層。較佳的，所述Ag膜層厚度為100-10000 A0較佳的，所述Ag膜層和Al膜層的厚度比大于45作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡表面還包括一層保護(hù)層， 所述保護(hù)層為SiO2、Ti、Cr或Au膜層中的一種。本發(fā)明還提供一種發(fā)光二極管芯片的制造方法，包括以下步驟步驟A、在藍(lán)寶石襯底一表面上制備半導(dǎo)體外延層，該層至少包括η型半導(dǎo)體層、 位于η型半導(dǎo)體層上的有源層、以及位于有源層上的P型半導(dǎo)體層；并制作處于所述η型半 導(dǎo)體層表面的η電極及處于所述ρ型半導(dǎo)體層表面的透明導(dǎo)電層和P電極；步驟B、在所述藍(lán)寶石襯底經(jīng)研磨拋光后在藍(lán)寶石的另一表面制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的 反射鏡，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡自襯底向下依次為電介質(zhì)層、Al膜層及第二金屬層，其中， 所述反射鏡的制造方法為采用涂敷、電子束蒸鍍或PECVD (等離子體化學(xué)氣相沉積法)工 藝在所述藍(lán)寶石襯底的另一表面制備一層厚度為ι ο-ι οοοοΑ的電介質(zhì)層，再采用電子束蒸 鍍方式或?yàn)R射方式在所述電介質(zhì)層表面制備一層厚度為10-20000 A的Al膜層，最后在所 述Al膜層表面制備一層厚度為10-20000 A的第二金屬層。進(jìn)一步地，所述第二金屬層為Ag膜層。較佳的，所述Ag膜層厚度為100-10000 L進(jìn)一步地，所述電介質(zhì)層為SW2層或ITO層。較佳的，所述SiO2層厚度為100-5000Α，所述A1膜層厚度為100-10000 A。較佳的，在制備所述Ag膜層和Al膜層時(shí)，使它們的厚度比大于45。較佳的，在步驟B之前還包括將藍(lán)寶石襯底另一表面減薄、拋光的步驟。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，在步驟B之后還包括采用涂敷、電子束蒸鍍或PECVD 工藝在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡表面制備一層保護(hù)層，所述保護(hù)層為Si02、Ti、Cr或Au膜層 中的一種。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提供的發(fā)光二極管芯片及其制造方法，在芯片襯底的背面制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的 金屬反射鏡，由于金屬反射鏡采用了 Si02/Al/Ag的復(fù)合結(jié)構(gòu)，解決了在SW2上直接鍍Ag， 造成Ag極易脫落的問(wèn)題，并克服了 Ag膜層在后序的打線工藝中由于加熱容易產(chǎn)生金屬團(tuán) 簇的現(xiàn)象，而相對(duì)于布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)而言，DBR的 反射率會(huì)受到入射角度的影響.而ODR反射率對(duì)入射角的要求便沒有那么苛刻，它在0° 85°的范圍內(nèi)反射率都很高，而且該反射鏡技術(shù)可以選擇電解質(zhì)，金屬的種類較多，使金屬 反射鏡的反射效率得到提高。本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過(guò)優(yōu)化各膜層厚度，能提高芯片整體的出光效率，使芯片的亮度和毫瓦數(shù)均比常規(guī)工藝芯片提升25%以上。


圖1是常規(guī)的發(fā)光二極管芯片的剖面示意圖；圖2是本發(fā)明所述發(fā)光二極管芯片的剖面示意圖。圖中標(biāo)記說(shuō)明10藍(lán)寶石襯底11電介質(zhì)層12 Al 膜層13第二金屬層21 η型半導(dǎo)體層22有源層23ρ型半導(dǎo)體層30透明導(dǎo)電層40 η 電極50 ρ 電極
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施步驟，為了示出的方便附圖并未按照 比例繪制。請(qǐng)參看圖2，一種發(fā)光二極管芯片，依次包括藍(lán)寶石襯底10、半導(dǎo)體外延層，所述 半導(dǎo)體外延層至少包括η型半導(dǎo)體層21、位于η型半導(dǎo)體層21上的有源層22、以及位于有 源層22上的ρ型半導(dǎo)體層23，在所述η型半導(dǎo)體層21上設(shè)有η電極40，在ρ型半導(dǎo)體層 23上設(shè)有透明導(dǎo)電層30 (ΙΤ0層或Ni/Au層)和ρ電極50，其特征在于在襯底10背面制 備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡自襯底向下依次為電介質(zhì)層11、Α1膜層12 及第二金屬層13。所述電介質(zhì)層厚度為10-10000Α，所述Al膜層厚度為10-20000 Α,所 述第二金屬層厚度為10-20000 L其中，所述第二金屬層13的材料可以為復(fù)折射率的金屬Ag、Au等，本實(shí)施例中，所 述第二金屬層13優(yōu)選為Ag膜層，厚度為100-10000 L所述電介質(zhì)層11可以采用Si02、ITO或其他低折射率的電介質(zhì)材料，其折射率的 范圍應(yīng)為1.1-1.6。本實(shí)施例中，電介質(zhì)層Ii優(yōu)選為SiO2層，其厚度為100-5000A,所述Al 膜層12的厚度優(yōu)選為100-10000 A0其中，性能較佳的芯片，所述Ag膜層13和Al膜層12的厚度比大于45。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡的表面還可以加一層保護(hù)層， 如SiA或其他不易氧化的金屬層(如Ti、Cr或Au等等)，可以用來(lái)防止反射鏡層劃傷、氧 化或脫落。制造上述發(fā)光二極管芯片的方法包括以下步驟步驟A、在藍(lán)寶石襯底10—表面上制備半導(dǎo)體層，該層至少包括η型半導(dǎo)體層21、有源層22、ρ型半導(dǎo)體層23。其中，制備半導(dǎo)體層時(shí)，可采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體 化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)等方法。本 實(shí)施例優(yōu)選為利用有機(jī)金屬氣相沉積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底10上依次生長(zhǎng)η型氮化物半導(dǎo)體 層21、有源層22 (即發(fā)光區(qū))、ρ型氮化物半導(dǎo)體層23。所述η型氮化物半導(dǎo)體層21為η 型氮化鎵(GaN)層，所述ρ型氮化物半導(dǎo)體層23為ρ型氮化鎵(GaN)層。然后，制作處于所述η型半導(dǎo)體層21表面的η電極40及處于所述ρ型半導(dǎo)體層 23表面的透明導(dǎo)電層30和ρ電極50。具體為，利用鍍膜技術(shù)，可利用濺射法、蒸發(fā)法等，在 所述P型半導(dǎo)體層23上鍍一層透明導(dǎo)電層30。所述透明導(dǎo)電層30為ΙΤ0、Ni/Au等透明 導(dǎo)電且能與P層形成良好歐姆接觸的材料，優(yōu)選為ITO層。利用光刻及蒸發(fā)法鍍膜技術(shù)，在 η型氮化物半導(dǎo)體層21上制備η電極40，在ρ型氮化物半導(dǎo)體層23上制備ρ電極50。另外，還可以利用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在步驟A所得的結(jié)構(gòu)上表面制備 保護(hù)膜。保護(hù)膜材料為SiO2,只露出η電極40及P電極50。步驟B、在所述藍(lán)寶石襯底10的另一表面制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，所述復(fù)合結(jié) 構(gòu)的反射鏡自襯底10向下依次為電介質(zhì)層11、Al膜層12及第二金屬層13，其中，所述反 射鏡的制造方法為采用涂敷、電子束蒸鍍或PECVD工藝在所述藍(lán)寶石襯底10的另一表面 (即襯底背面)生長(zhǎng)一層厚度為10-10000Α的電介質(zhì)層11，再采用電子束蒸鍍方式或?yàn)R射 方式在所述電介質(zhì)層11表面制備一層厚度為10-20000 A的Al膜層12，最后在所述Al膜 層12表面制備一層厚度為10-20000 A的第二金屬層13。較佳的，所述第二金屬層13為Ag膜層，厚度為100-10000 L所述電介質(zhì)層11為SiO2層或ITO層，本實(shí)施例中，電介質(zhì)層11優(yōu)選為SiO2層，其 厚度為100-5000Α，所述Al膜層12的厚度優(yōu)選為100-10000 A0在制備所述Ag膜層13和Al膜層12時(shí)，調(diào)整它們的厚度，使厚度比大于45可得 到性能更佳的發(fā)光二極管芯片。較佳的，在步驟B之前還包括將藍(lán)寶石襯底10另一表面減薄、拋光的步驟。最后得到的結(jié)構(gòu)經(jīng)切割、封裝等后續(xù)工藝，可得到出光率較高的發(fā)光二極管。另外，在步驟B之后還可以采用涂敷、電子束蒸鍍或PECVD等工藝在所述復(fù)合結(jié)構(gòu) 的反射鏡表面制備一層保護(hù)層，所述保護(hù)層為Si02、Ti、Cr或Au膜層。本發(fā)明中涉及的其他工藝條件為常規(guī)工藝條件，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范 疇，在此不再贅述。本發(fā)明提供的發(fā)光二極管芯片，由于采用了 Si02/Al/Ag的復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，解 決了在SiA上直接鍍Ag，造成Ag極易脫落的問(wèn)題，并克服了 Ag膜層在后序的打線工藝中 由于加熱容易產(chǎn)生金屬團(tuán)簇的現(xiàn)象，使芯片的出光效率得到提高。下表為本發(fā)明的反射鏡 工藝與現(xiàn)有反射鏡工藝的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1本發(fā)明的反射鏡工藝與現(xiàn)有反射鏡工藝的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管芯片，依次包括藍(lán)寶石襯底、半導(dǎo)體外延層，所述半導(dǎo)體外延層至少 包括η型半導(dǎo)體層、位于η型半導(dǎo)體層上的有源層、以及位于有源層上的ρ型半導(dǎo)體層，在 所述η型半導(dǎo)體層上設(shè)有η電極，在ρ型半導(dǎo)體層上設(shè)有透明導(dǎo)電層和ρ電極，其特征在 于在襯底背面制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡自襯底向下依次為電介 質(zhì)層、Al膜層及第二金屬層，所述電介質(zhì)層的折射率為1. 1-1. 6。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于所述電介質(zhì)層厚度為 10-10000Α,所述Al膜層厚度為10-20000 Α，所述第二金屬層厚度為10-20000 Α。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于所述電介質(zhì)層為SiO2層或ITO層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于所述SiO2層厚度為 100-5000Α,所述A1 膜層厚度為 100-10000 Ao
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于所述第二金屬層為Ag膜層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于所述Ag膜層厚度為100-10000 A0
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于所述Ag膜層和Al膜層 的厚度比大于45。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管芯片，其特征在于在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡表 面還包括一層保護(hù)層，所述保護(hù)層為SiO2、Ti、Cr或Au等膜層中的一種。
9.一種發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟A、在藍(lán)寶石襯底一表面上制備半導(dǎo)體外延層，該層至少包括η型半導(dǎo)體層、位于η 型半導(dǎo)體層上的有源層、以及位于有源層上的P型半導(dǎo)體層；并制作處于所述η型半導(dǎo)體層 表面的η電極及處于所述ρ型半導(dǎo)體層表面的透明導(dǎo)電層和ρ電極；步驟B、在所述藍(lán)寶石襯底經(jīng)研磨拋光后在藍(lán)寶石的另一表面制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射 鏡，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡自襯底向下依次為電介質(zhì)層、Al膜層及第二金屬層，其中，所述 反射鏡的制造方法為采用涂敷、電子束蒸鍍或PECVD工藝在所述藍(lán)寶石襯底的另一表面 制備一層厚度為10-10000Α的電介質(zhì)層，再采用電子束蒸鍍方式或?yàn)R射方式在所述電介質(zhì) 層表面制備一層厚度為10-20000 A的Al膜層，最后在所述Al膜層表面制備一層厚度為 10-20000 A的第二金屬層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述第二金屬 層為Ag膜層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述^Vg膜層 厚度為 100-10000 A。
12.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述電介質(zhì)層 為SiO2層或ITO層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述SiA層 厚度為100-5000Α,所述Al膜層厚度為100-10000 A0
14.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述^Vg膜層 和Al膜層的厚度比大于45。
15.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于在步驟B之前 還包括將藍(lán)寶石襯底另一表面減薄、拋光的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于在步驟B之 后還包括采用涂敷、電子束蒸鍍或PECVD工藝在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡表面制備一層保護(hù) 層，所述保護(hù)層為Si02、Ti、Cr或Au等膜層中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法，所述發(fā)光二極管芯片的特征在于在襯底背面制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡自襯底向下依次為折射率為1.1-1.6的電介質(zhì)層、Al膜層及第二金屬層，第二金屬層優(yōu)選為Ag膜層，該反射鏡可采用涂敷、PECVD、電子束蒸鍍或?yàn)R射的方法制備。本發(fā)明由于采用了SiO2/Al/Ag復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射鏡，解決了在SiO2上直接鍍Ag，造成Ag極易脫落的問(wèn)題，并克服了Ag膜層在后序的打線工藝中由于加熱容易產(chǎn)生金屬團(tuán)簇的現(xiàn)象，使芯片的出光效率提升25％以上。
文檔編號(hào)H01L33/10GK102082216SQ20091019940
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者張國(guó)義, 張楠, 朱廣敏, 潘堯波, 郝茂盛, 陳志忠, 齊勝利 申請(qǐng)人:上海藍(lán)光科技有限公司, 北京大學(xué), 彩虹集團(tuán)公司