專利名稱：垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體hb-led芯片及制造方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片及制造方法與應(yīng)用， 屬半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高亮度發(fā)光二極管(High Brightness LED, HB-LED)作為第四代光源(半導(dǎo)體固 態(tài)照明，Solid State Lighting, SSL)的主體，它具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、重量輕、 抗震、安全性好(低電壓驅(qū)動(dòng))，響應(yīng)時(shí)間短、冷光源、色彩豐富、應(yīng)用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，目 前HB-LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于LCD背光照明光源、汽車照明、室內(nèi)外通用照明、顯示屏、交通信 號(hào)燈、景觀照明、微型投影機(jī)等眾多領(lǐng)域。隨著亮度的增加、功率的提高和成本的進(jìn)一步降 低，它已經(jīng)展現(xiàn)出越來越廣泛的應(yīng)用前景。2009年高亮度LED的產(chǎn)值接近60億美元，2012 年預(yù)計(jì)將逼近100億美元，2020年將達(dá)到1000億美元。目前HB-LED已經(jīng)呈現(xiàn)出爆炸性增 長。但是目前HB-LED面臨兩個(gè)極具挑戰(zhàn)性問題和技術(shù)瓶頸(1)發(fā)光效率低；(2)成本高， 這嚴(yán)重影響和制約HB-LED進(jìn)入通用照明和更加廣泛的應(yīng)用和市場的推廣和普及。因此，增 加發(fā)光效率，提高亮度和功率，降低成本已經(jīng)成為目前HB-LED迫切亟需解決和克服的技術(shù) 難題。LED的發(fā)光效率一般稱為組件的外部量子效率，為組件的內(nèi)部量子效率與組件光 提取效率的乘積。內(nèi)部量子效率主要與組件本身的特性，如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)及 組件的磊晶組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。由于HB-LED通常采用MOCVD的外延生長技術(shù)和多量子阱 結(jié)構(gòu)，在精確控制生長和摻雜，以及減少缺陷等方面已取得突破性進(jìn)展，其外延片的內(nèi)部量 子效率已經(jīng)接近理論內(nèi)部量子效率的極限。因此，通過提升內(nèi)部量子效率來提高LED發(fā)光 效率的空間已經(jīng)不大，目前工業(yè)界主要通過增加光提取效率的方法提高LED的發(fā)光效率。目前學(xué)術(shù)業(yè)界和工業(yè)界已經(jīng)提出多種提高光提取效率的方法倒裝(FlipChip)、 反射層(金屬反射層、分布布拉格反射層、全反射層)、圖形化襯底、表面粗化(Surface Roughening)、光子晶體、透明襯底(Transparent Substrate, TS)、三維垂直結(jié)構(gòu)、激光剝離 (Laser Lifi_off，LL0)、歐姆電極形狀的優(yōu)化、芯片形狀幾何化結(jié)構(gòu)(拋物線、半球形、三角 形等)、襯底轉(zhuǎn)移、工藝方面的改進(jìn)(封裝、散熱、對(duì)于白光考慮熒光粉的選擇)等。但是，根 據(jù)美國光電產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(OIDA)的研究報(bào)告，只有當(dāng)單個(gè)封裝的大功率高HB-LED器件的功率 達(dá)到7. 5W以上，發(fā)光效率超過2001m/W，LED才有可能完全替代現(xiàn)有的各種照明光源，成為 通用照明的主要光源。盡管工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)開展了大量的研究，但目前HB-LED遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒 有達(dá)到該技術(shù)要求，HB-LED仍然面臨進(jìn)一步提高亮度的要求。此外，與現(xiàn)有的第二代和三 代光源相比，HB-LED目前其價(jià)格過高，同時(shí)也是目前制約HB-LED進(jìn)入通用照明領(lǐng)域最大的 障礙。因此，發(fā)光效率低和成本高是當(dāng)前HB-LED所面臨最大的挑戰(zhàn)性問題，也是亟待解決 和突破的核心問題。光子晶體LED目前被業(yè)界認(rèn)為是提高取光效率，實(shí)現(xiàn)超高亮度LED最有效的技術(shù)手段之一。理論研究顯示指出，通過合理設(shè)計(jì)光子晶體的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(形狀、周期、高度、 占空比等參數(shù))，即使采用常規(guī)芯片結(jié)構(gòu)，并保持原有的襯底，采用表面光子晶體其出光效 率也可以達(dá)到40%。Philips Lumileds研究人員2009年開發(fā)出光提取效率達(dá)到73%的 光子晶體LED (該小組的最佳組件具有厚700nm的氮化鎵膜，并以干法刻蝕方式制作250nm 深的光子晶體圖形，以便讓光繞射離開LED。最理想的光子晶體具有A13晶格，它是單位晶 胞由13個(gè)孔洞組成的三角圖形，晶格常數(shù)為450nm)，其最高亮度是目前一般LED的2倍 (Nature, Photonics, Vol. 3，ρ· 163,2009. )。Luminus Devices 較早的采用 了光子晶體，2008 年年底獲得了 1071m/W的光子晶體LED，成為該器件新的性能標(biāo)志。該公司已將開發(fā)出高亮 度光子晶體PhatLight LED應(yīng)用在一些高端電視中(例如三星56寸背投電視)和微型投 影機(jī)。Cree在2008年底獲得了 1071m/W的光子晶體LED，成為該組件新的性能標(biāo)志。 與光子晶體LED相比，準(zhǔn)光子晶體(光子準(zhǔn)晶)結(jié)構(gòu)LED表現(xiàn)出更好的光學(xué)特性。 準(zhǔn)晶光子晶體(Photonic Quasi-crystals, PQCs)是一種介電材料呈準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)排列的光子 帶隙材料，它具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和長程指向性，但沒有平移對(duì)稱性(周期性)，并表現(xiàn)出短程 無序性而長程有序性的特性。準(zhǔn)光子晶體與光子晶體的顯著不同點(diǎn)在于，光子晶體的介電 常數(shù)按周期晶格分布，而光子準(zhǔn)晶的介電常數(shù)按照準(zhǔn)晶格子結(jié)構(gòu)分布。準(zhǔn)光子晶體具有產(chǎn) 生完全帶隙的折射率閾值低、光子帶隙與入射方向無關(guān)、產(chǎn)生局域態(tài)無需缺陷等優(yōu)于周期 性光子晶體的性能。此外，周期結(jié)構(gòu)光子晶體遠(yuǎn)場發(fā)射僅局限于布拉格頂點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場 的照度均勻性(uniform illumination of far-field)。限制了光子晶體LED在許多領(lǐng)域 的應(yīng)用。而準(zhǔn)光子晶體可以獲得均勻一致理想的遠(yuǎn)場照明。此外，對(duì)二維光于晶體而言，因 為三角形晶格具有較高的對(duì)稱性，光子晶體LED通常采用該結(jié)構(gòu)。但對(duì)準(zhǔn)光子晶體而言，它 的排列變化較多，其中有些甚而可形成8、9、10、12重(fold)等的高旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這樣的 對(duì)稱性使得在反晶格的高對(duì)稱點(diǎn)上出現(xiàn)能階簡并(degeneracy)，而有更大的可能性出現(xiàn)寬 帶隙。所以，二維準(zhǔn)光子晶體由于它可以具有比二維光子晶體更高的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因而它的 頻帶特性對(duì)光的入射方向的影響不大，所以更容易形成完全光子帶隙。將準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于LED，并結(jié)合其它高取光效率的方法(例如反射層、電流 阻擋和擴(kuò)散層、垂直結(jié)構(gòu)、金屬襯底等)，可以進(jìn)一步提升HB-LED的出光效率，有效的提升 了發(fā)光二極管的亮度和功率。為實(shí)現(xiàn)功率型高亮度和超高亮度LED的開發(fā)提供一種全新的 思路和方法。納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)是一種新的納米結(jié)構(gòu)制造方法， 它具有高分辯率、超低成本(國際權(quán)威機(jī)構(gòu)評(píng)估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻 至少低一個(gè)數(shù)量級(jí))和高生產(chǎn)率等特點(diǎn)，而且它最顯著的優(yōu)勢在于大面積和復(fù)雜三維微納 結(jié)構(gòu)制造的能力(尤其對(duì)于軟UV-NIL)。此外，NIL是通過抗蝕劑的受力變形實(shí)現(xiàn)其圖形 化，不涉及各種高能束的使用，對(duì)于襯底的損傷小。而且還具有整片晶圓壓印的能力。目前 SUSS、MII和Obducat等公司均已經(jīng)開發(fā)出用于制造光子晶體LED的納米壓印設(shè)備，納米壓 印光刻在低成本、規(guī)?；圃旃庾泳w和準(zhǔn)光子晶體LED方面已經(jīng)顯示了巨大的潛能。與 電子束光刻、全息光刻、陽極氧化鋁模板(AAO)、干法刻蝕等微納米制造方法制造光子晶體 和準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)相比較，NIL具有成本低、生產(chǎn)率高、可制造晶圓尺寸大的優(yōu)點(diǎn)，以及可在 不平整晶圓上制造光子晶體和準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)勢。為大面積、低成本光子晶體和準(zhǔn) 光子晶體結(jié)構(gòu)和器件的制造提供了一種理想的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種垂 直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，本發(fā)明 的另一目的就是提供一種基于納米壓印光刻實(shí)現(xiàn)低成本、高效、大批量制造該芯片的制作 方法及其應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，包括一個(gè)金屬襯底，在金屬襯 底之上設(shè)有外延片，所述外延片兩側(cè)設(shè)有鈍化保護(hù)層；所述的外延片自下向上依次為金 屬鍵合層、金屬反射層、電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層、P型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、N型半導(dǎo)體層、 電流阻擋層、具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層和N型電極；所述鈍化保護(hù)層位于金屬襯 底之上外延片兩側(cè)。所述的透明導(dǎo)電層材料為氧化銦錫ITO或者氧化鋅ZnO層，其厚度是 300nm-800nm ；采用8重或12重二維準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)200-900nm，光子晶體的高 度 50nm-300nmo所述金屬襯底包括最下層的P型電極、中間的襯底層以及襯底層之上的金屬鍵合 層；襯底層為銅、銅合金、鋁合金、銀、鎳或鎳/銅中的一種；或采用硅襯底；P型電極為Ti/ Au、Ni/Au 或 Cr/Au，厚度 100nm_400nm。所述金屬鍵合層為金屬襯底和外延片共用，為Ni/Au、Ti/Cu、Ti/Au或Au/Sn中的 一種或者任意兩種的組合。所述發(fā)光層包括多層量子阱結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)或多層量子線； 所述電流阻擋層的厚度是100mm-200nm ；所述N 型電極為 Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au 或 Ti/AI/Ti/Au，厚度 100_400nm。所述鈍化保護(hù)層為二氧化硅SiO2或氮化硅Si3N4，厚度是100nm-600nm。它適用于III-V族、II-IV族、III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光材料體系發(fā)光二極管的制
造它用于GaN基發(fā)光二極管的制造。一種垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片制造方法，包括如下工藝步驟 (1)外延片制造；(2)金屬襯底制造；(3)外延片和金屬襯底的鍵合；(4)剝離外延片上原有 的襯底；(5)電流阻擋層制造；(6)具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層制造；(7)N型和P型歐 姆電極的制作；(8)鈍化保護(hù)層制作。所述外延片制造方法首先采用金屬有機(jī)化學(xué)沉積外延工藝在襯底上依次生長 成核層、緩沖層、N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、P型半導(dǎo)體層；隨后，采用電子束蒸發(fā)工藝在P型半 導(dǎo)體層之上沉積電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層以及金屬反射層；最后，通過磁控濺射在金屬 反射層上濺射金屬鍵合層。所述具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層的制造方法首先采用電子束蒸發(fā)工藝在N 型半導(dǎo)體和電流阻擋層之上蒸鍍透明導(dǎo)電層；隨后，采用軟紫外納米壓印和等離子體刻蝕 工藝在透明導(dǎo)電層上制作出準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，1)外延片制造
外延片以藍(lán)寶石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)等為襯底，采 用金屬有機(jī)化學(xué)沉積(MOCVD)外延工藝依次生長成核層、緩沖層、N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、 P型半導(dǎo)體層；隨后，采用電子束蒸發(fā)工藝在P型半導(dǎo)體層之上沉積電流擴(kuò)展和P型歐姆接 觸層以及金屬反射層；最后，通過磁控濺射在金屬反射層之上濺射金屬鍵合層。2)金屬襯底的制造以金屬或者金屬合金為轉(zhuǎn)移襯底，在其上濺射金屬鍵合層。3)外延片和金屬襯底的鍵合采用金屬鍵合工藝將外延片轉(zhuǎn)移到金屬襯底上。
4)剝離外延片上原有的襯底采用激光剝離工藝(Laser Lift-Off，LL0)去除外延片上原有的襯底。5)電流阻擋層制造在N型半導(dǎo)體層上沉積SiO2，采用光刻和刻蝕工藝制造電流阻擋層。6)具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層制造首先采用電子束蒸發(fā)工藝在N型半導(dǎo)體和電流阻擋層之上蒸鍍透明導(dǎo)電層；隨 后，采用軟紫外納米壓印和等離子體刻蝕工藝(ICP)在透明導(dǎo)電層上制作出準(zhǔn)光子晶體結(jié) 構(gòu)。7) N型和P型歐姆電極的制作采用光刻和電子束蒸發(fā)制作N型和P型歐姆電極。8)鈍化保護(hù)層制作在襯底之上外延片兩側(cè)沉積鈍化保護(hù)層。為了提高HB-LED的發(fā)光效率和功率，本發(fā)明綜合采用以下技術(shù)方案(1)提高光提取效率通過采用準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)和反射層直接提高取光效率；(2) 改善電流分布通過采用垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電流擴(kuò)展層和電流阻擋層實(shí)現(xiàn)電流均勻分布，減少 電流擁塞現(xiàn)象，間接提高取光效率；(3)提高散熱性能通過采用金屬或者金屬合金襯底， 降低熱阻，有效改善散熱特性，間接提高取光效率并提高其功率。為了降低HB-LED的生產(chǎn)成本，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案(1)采用軟紫外納米壓印光刻制作準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其大面積、低成本和大規(guī) ?；圃欤?2)通過采用金屬鍵合工藝和激光剝離實(shí)現(xiàn)將外延片轉(zhuǎn)移到金屬襯底上，并剝 離外延片原有的襯底。本發(fā)明外延片在制備過程中使用的襯底材料包括藍(lán)寶石、碳化硅(SiC)、硅 (Si)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)。本發(fā)明發(fā)光層(有源層)包括量子阱結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)或量子線。本發(fā)明外延片沉積的電流擴(kuò)展層和P型歐姆接觸層包括Ni/Au、IT0或ZnO ；金屬 反射層包括Ni/Ag或Ag/Cu。本發(fā)明采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)良的金屬或者金屬合金為襯底，包括金屬銅、銅合 金、鋁合金、銀、鎳或鎳/銅。也可以采用硅襯底，襯底其厚度是10 μ m-400 μ m。本發(fā)明金屬襯底和外延片上的金屬鍵合層包括Ni/Au、Ti/Cu、Ti/Au或Au/Sn，或 者任意兩者的組合。本發(fā)明透明導(dǎo)電層材料包括氧化銦錫(ITO)和氧化鋅(ZnO)，其厚度是300nm-800nm。
本發(fā)明電流阻擋層的厚度是100mm-200nm。本發(fā)明采用8重或12重二維準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)200-900nm，光子晶體的高 度 50nm-300nmo本發(fā)明二維準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)具有長程有序性但短程無序性。通過優(yōu)化準(zhǔn)光子晶體 結(jié)構(gòu)最鄰近圖形的距離、圖形的大小、和深度(高度)，可以進(jìn)一步提升光提取效率。本發(fā)明N 型電極包括 Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au 或 Ti/AI/Ti/Au ；P 型電極包括 Ti/Au、 Ni/Au 或 Cr/Au。本發(fā)明鈍化保護(hù)層包括二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。其厚度是 100nm-600nm。本發(fā)明適用于III-V族、II-IV族、III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光材料體系發(fā)光二極管 的制造，尤其適合GaN基發(fā)光二極管的制造。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)充分結(jié)合準(zhǔn)光子晶體、金屬反射層、電流擴(kuò)展層和電流阻擋層、金屬襯底和垂直 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，極大的提高了出光效率、實(shí)現(xiàn)電流均勻分布，降低熱阻，有效改善散熱性 能，提供了一種實(shí)現(xiàn)高亮度、大功率LED芯片的方法。2)本發(fā)明提供制造該高亮度準(zhǔn)光子晶體工藝，具有生產(chǎn)成本低、高效、適合大規(guī)模 化制造的特點(diǎn)。3)本發(fā)明制作的發(fā)光二極管具有亮度高、功率大、遠(yuǎn)場照度均勻、發(fā)光均勻一致、 出光效率高、散熱性能好(熱阻低)、制造成本低的顯著特點(diǎn)。4)本發(fā)明不僅適用于GaN基藍(lán)光、綠光和白光HB-LED，還適用于其它波長、其它材 料體系(III-V、II-IV)發(fā)光二極管及有機(jī)發(fā)光二極管的制造。5)本發(fā)明可以同時(shí)有效地解決LED芯片的散熱問題和提高取光效率。為功率型高 亮度LED的開發(fā)提供一種有效解決方案。


圖1是本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片制造工藝步驟圖。圖3是本發(fā)明的實(shí)施例1垂直結(jié)構(gòu)GaN基準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)示意 圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1垂直結(jié)構(gòu)準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片制造工藝示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制造的外延片結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例1采用軟紫外納米壓印和等離子體刻蝕(ICP)工藝在透明導(dǎo) 電層上制作出準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例1準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例2準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依本發(fā)明的技術(shù)方案給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的 詳細(xì)描述。垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1，主要由金屬 襯底1，金屬襯底1之上的外延片2，外延片2兩側(cè)的鈍化保護(hù)層3三部分組成。金屬襯底 1包括最下層的P型電極101、中間的襯底102，以及襯底102之上的金屬鍵合層103(該層 與外延片2的金屬鍵合層201是共用關(guān)系)。金屬襯底1之上的外延片2自下向上依次為 金屬鍵合層201、金屬反射層202 ；電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層203 ；P型半導(dǎo)體層204 ；發(fā)光 層205 ；N型半導(dǎo)體層206 ；電流阻擋層207 ；具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層208 ；N型電 極209。鈍化保護(hù)層3位于金屬襯底1之上外延片2的兩側(cè)。垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片制造工藝步驟參見圖2，包括(1) 外延片制造；(2)金屬襯底制造；(3)外延片和金屬襯底的鍵合；(4)剝離外延片上原有的 襯底；(5)電流阻擋層制造；(6)具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層制造；(7)N型和P型歐姆 電極的制作；(8)鈍化保護(hù)層制作。實(shí)施例1 以金屬銅(Cu)為襯底，垂直結(jié)構(gòu)GaN基準(zhǔn)光子晶體LED為實(shí)施例1，其具體的結(jié)構(gòu) 示意圖如圖3所示。包括垂直結(jié)構(gòu)GaN基準(zhǔn)光子晶體LED自下而上依次為Ti/Au的P型 電極101 ；金屬Cu襯底102 ；Ti/Cu材料金屬鍵合層103、201 ；Ni/Ag的金屬反射層202 ；Ni/ Au的電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層203 ；P-GaN的P型半導(dǎo)體層204 ；5層InGaN/GaN多量子 阱(MQW)發(fā)光層205 ；N-GaN的N型半導(dǎo)體層206 ；SiO2電流阻擋層207 ； ITO的具有準(zhǔn)光子 晶體結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層208 ；Cr/Au的N型電極209 ；SiO2鈍化保護(hù)層3。本實(shí)施例1具體制造的方法圖4是本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)準(zhǔn)光子晶體發(fā)光二極管芯片制造工藝示意圖，具體工藝 步驟如下1)外延片制造外延片的制造如圖4A到圖4D所示。采用金屬有機(jī)化學(xué)沉積(MOCVD)外延工藝，在藍(lán)寶石襯底213上生長50nm GaN成 核層212，在成核層212之上生長未摻雜2μπι GaN緩沖層211 ；接著依次生長3 μ m N-GaN 的N型半導(dǎo)體層206、5層共IOOnm的量子阱發(fā)光層205、200nm的P-GaN的P型半導(dǎo)體層 204(如圖4A)；隨后，采用電子束蒸發(fā)工藝在P型半導(dǎo)體層之上沉積50nm Ni/Au電流擴(kuò)展 和P型歐姆接觸層203 (如圖4B)、100nmNi/Ag的金屬反射層202 (如圖4C)，最后，通過磁控 濺射在金屬反射層上濺射20nm Ti和200nm Au的金屬鍵合層201 (如圖4D)。圖5是工藝步驟1制作完成的外延片結(jié)構(gòu)示意圖，外延片自上向下依次為藍(lán)寶石 襯底213 ；成核層212 ；緩沖層211 ；N型半導(dǎo)體層206 ；發(fā)光層205 ；P型半導(dǎo)體層204 ；電流 擴(kuò)展和P型歐姆接觸層203 ；金屬反射層202 ；金屬鍵合層201。2)金屬襯底的制造以銅(Cu)為襯底102，采用磁控濺射工藝在其上濺射20nm/200nm的Ti/Au金屬鍵 合層103。3)外延片和金屬襯底的鍵合
采用金屬熔融鍵合工藝，將外延片轉(zhuǎn)移到金屬襯底上。分別以外延片上的Ti/Au 金屬鍵合層201和Cu襯底上的Ti/Au金屬鍵合層103為鍵合界面。如圖4E所示。4)剝離外延片上的藍(lán)寶石襯底采用激光剝離工藝(Laser Lift-Off，LL0)去除外延片的藍(lán)寶石襯底213、GaN成 核層212和緩沖層211。如圖4F所示。5)電流阻擋層的制造 首先采用等離子增強(qiáng)化學(xué)蒸發(fā)沉積(Plasma-enhanced chemical vapord印osition，PECVD)工藝在N-GaN的N型半導(dǎo)體層206之上沉積50nm厚的SiO2電流 阻擋層207;隨后，采用光刻和刻蝕工藝制造出凸的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(ΙΟΟμπιΧ ΙΟΟμπι)，電流阻擋層 207的大小應(yīng)與N型電極209的大小一致，并位于N型電極209的正下方。如圖4G所示。6)具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層的制造 首先采用電子束蒸發(fā)工藝在N-GaN的N型半導(dǎo)體層206和SiO2電流阻擋層207之 上蒸鍍200nmIT0透明導(dǎo)電層208，如圖4H所示；隨后，采用軟紫外納米壓印和等離子體刻 蝕(ICP)工藝在ITO透明導(dǎo)電層208上制作出準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)。如圖41所示。圖6是采用軟紫外納米壓印和等離子體刻蝕(ICP)工藝在ITO透明導(dǎo)電層208 上制作出準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)工藝示意圖。圖A為在ITO透明導(dǎo)電層208之上沉積30nmCr層 501，然后在Cr層501表面上再均勻旋轉(zhuǎn)涂鋪200nmUV納米壓印所用的抗蝕劑502 ；圖B具 有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)的模具與襯底和外延片對(duì)正后，壓向抗蝕劑，實(shí)現(xiàn)模具上的準(zhǔn)光子晶體 結(jié)構(gòu)到抗蝕劑特征圖形的轉(zhuǎn)移；隨后，采用紫外光從模具背面照射抗蝕劑材料，曝光固化成 型后，脫模，顯影、堅(jiān)膜后在抗蝕劑502上復(fù)制出模具準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)511 ；圖C為使用反應(yīng) 離子刻蝕RIE(Reactive Ion Etching)去除殘留層的光刻膠514，在抗蝕劑材料上復(fù)制出模 具準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)511 ；圖D為采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)工藝以抗蝕劑上的圖形 為掩模，刻蝕Cr層501 ；圖E為以Cr層501上的圖形為掩模，刻蝕ITO透明導(dǎo)電層208，將 抗蝕劑上的準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)511轉(zhuǎn)移到ITO透明導(dǎo)電層208 ；圖F為去除抗蝕劑502和Cr 層501，在ITO透明導(dǎo)電層208上制作出準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)511。轉(zhuǎn)移到ITO透明導(dǎo)電層208 上的特征結(jié)構(gòu)為12重二維準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)511，孔的直徑lOOnm，填充因子26%，準(zhǔn)光子晶 體的高度IOOnm(如圖7所示)。7) N型和P型歐姆電極的制作以Cr/Au為N型電極209，Ti/Au為P型電極101。采用電子束蒸發(fā)的方法制作N 型電極209，電極厚度400nm。采用光刻和電子束蒸發(fā)的方法制作P型電極101，電極厚度 200nm。如圖4J所示。8)鈍化保護(hù)層制作以SiO2為鈍化保護(hù)層材料，利用等離子體化學(xué)氣相沉積在襯底之上外延片兩側(cè)沉 積200nm鈍化保護(hù)層3。如圖4K所示。實(shí)施例2如圖8所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1相似，其區(qū)別在于襯底102是銅合金；ITO的 電流擴(kuò)展層和P型歐姆接觸層203 ；Ag/Cu的金屬反射層202 ；氧化鋅(ZnO)的透明導(dǎo)電層 208 ；氮化硅(Si3N4)的鈍化保護(hù)層3。ZnO的透明導(dǎo)電層208上的特征結(jié)構(gòu)為12重向日葵型 二維準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)511，空氣孔的平均直徑80nm，最鄰近空氣孔的孔心距離約為200nm，準(zhǔn)光子晶體的高度120nm(如圖9所示)。本發(fā)明在透明導(dǎo)電層上制作準(zhǔn) 光子晶體結(jié)構(gòu)，避免對(duì)有源層產(chǎn)生較大損傷，影響 LED發(fā)光效率。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化。當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精 神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB LED芯片，其特征在于，包括一個(gè)金屬襯底，在金屬襯底之上設(shè)有外延片，所述外延片兩側(cè)設(shè)有鈍化保護(hù)層；所述的外延片自下向上依次為金屬鍵合層、金屬反射層、電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層、P型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、N型半導(dǎo)體層、電流阻擋層、具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層和N型電極；所述鈍化保護(hù)層位于金屬襯底之上外延片兩側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，所述 的透明導(dǎo)電層材料為氧化銦錫ITO或者氧化鋅ZnO層，其厚度是300歷-800歷；采用8重或 12重二維準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)200-900nm，光子晶體的高度50nm-300nm。
3.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，所述 金屬襯底包括最下層的P型電極、中間的襯底層以及襯底層之上的金屬鍵合層；襯底層為 銅、銅合金、鋁合金、銀、鎳或鎳/銅中的一種；或采用硅襯底；P型電極為Ti/Au、Ni/Au或 Cr/Au，厚度 100nm-400nm。
4.如權(quán)利要求1或3所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于， 所述金屬鍵合層為金屬襯底和外延片共用，為Ni/Au、Ti/Cu、Ti/Au或Au/Sn中的一種或者 任意兩種的組合。
5.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，所述 發(fā)光層包括多層量子阱結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)或多層量子線；所述電流阻擋 層的厚度是100mm-200nm。
6.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，所述 N 型電極為 Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au 或 Ti/AI/Ti/Au，厚度 100_400nm。
7.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，所述 鈍化保護(hù)層為二氧化硅SiO2或氮化硅Si3N4，厚度是100nm-600nm。
8.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，它適 用于III-V族、H-IV族、III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光材料體系發(fā)光二極管的制造。
9.如權(quán)利要求1所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片，其特征在于，它用 于GaN基發(fā)光二極管的制造。
10.一種垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片制造方法，其特征在于，包括如下 工藝步驟(1)外延片制造；(2)金屬襯底制造；(3)外延片和金屬襯底的鍵合；(4)剝離外 延片上原有的襯底；(5)電流阻擋層制造；(6)具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層制造；(7)N 型和P型歐姆電極的制作；(8)鈍化保護(hù)層制作。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片制造方法，其 特征在于，所述外延片制造方法首先采用金屬有機(jī)化學(xué)沉積外延工藝在襯底上依次生長 成核層、緩沖層、N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、P型半導(dǎo)體層；隨后，采用電子束蒸發(fā)工藝在P型半 導(dǎo)體層之上沉積電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層以及金屬反射層；最后，通過磁控濺射在金屬 反射層上濺射金屬鍵合層。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片制造方法，其特 征在于，所述具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電層的制造方法首先采用電子束蒸發(fā)工藝在N 型半導(dǎo)體和電流阻擋層之上蒸鍍透明導(dǎo)電層；隨后，采用軟紫外納米壓印和等離子體刻蝕 工藝在透明導(dǎo)電層上制作準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種垂直結(jié)構(gòu)金屬襯底準(zhǔn)光子晶體HB-LED芯片及制造方法與應(yīng)用。包括一個(gè)金屬襯底，在金屬襯底之上設(shè)有外延片，所述外延片兩側(cè)設(shè)有鈍化保護(hù)層；所述的外延片自下向上依次為金屬鍵合層、金屬反射層、電流擴(kuò)展和P型歐姆接觸層、P型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、N型半導(dǎo)體層、電流阻擋層、具有準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層和N型電極；所述鈍化保護(hù)層位于金屬襯底之上外延片兩側(cè)。提高了出光效率、實(shí)現(xiàn)電流均勻分布，降低熱阻，有效改善散熱性能。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101969092SQ20101028383
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者丁玉成, 蘭紅波 申請(qǐng)人:蘭紅波