专利名称：一种大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及一类GaN基发光管及 其制备方法。
背景技术：
随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体 技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯 将逐步替代白炽灯和荧光灯。由于半导体照明(亦称固态照明)具有节能、长寿命、免维护、 环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧 光灯，也是科学技术发展的必然和大势所趋。目前用于半导体照明的发光管(LED)主要是 GaN材料系，大多数的GaNLED是在Al2O3单晶衬底上外延生长多层GaN系材料薄膜制备的。 但是由于Al2O3单晶不导电，所以这种LED只能作成同面电极结构，即正负电极都在外延层 一面，电流是在n-GaN薄层中横向流动的，电流密度大，会产生热量，而Al2O3单晶衬底的导 热特性也不好，这样这种同面电极Al2O3单晶衬底结构LED很难获得大功率输出。于是人 们提出制备垂直结构LED。X. A. Cao等人在文献“APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 85， NUMBER 18，2004，p3971”就报道了研制的一种垂直结构发光管。这种器件如图1所示，由η 型GaN单晶衬底1，衬底1上外延生长的η型GaN缓冲层和下限制层2，下限制层2上制备 的GaN材料系多量子阱发光层3，发光层3上制备的ρ型GaN上限制层4，上限制层4上面 制备的InGaN盖层5，盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7等部件构成。由于目前制备的GaN单晶衬底价格昂贵，且没有大批量产业化，造成制备的LED成 本高。人们又把目光投向到单晶衬底制备技术比较成熟，已经有大批量产业化产品的SiC 单晶衬底上，制备了一些SiC衬底发光管。SiC衬底价格适中，同时SiC晶格和GaN匹配较好，且SiC单晶衬底导电和导热性 能都比较好。可是，由于SiC材料折射率较大，有源区发出的光大部分被衬底吸收，因而出 光率低。为了克服上述GaN基发光管产业化制备的这一困难，本发明提出一种新型大功率 SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述GaN基发光管的这一问题，利用SiC衬底晶格和GaN 匹配较好，导电和导热性能都比较好，且制备技术比较成熟，已经有大批量产业化的产品， 同时价格适中的优点，提供一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。本发明的技术方案是本发明所设计的一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管(见附图2和附图说 明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备 的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的ρ型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的P型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其 特征在于衬底1是η型SiC单晶衬底，其80% 95%面积的衬底面(即出光面)被喷砂 打毛粗化，电极7被制备在其余5% 20%面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上 面，并制备成兼有反射镜功能。该种发光管为倒装(即外延层面向下，装配焊接在支架或热沉上)，衬底出光结 构，出光方向如箭头9所示。。进一步地为了使器件工艺重复性好，本发明又提出一种图形衬底新型大功率SiC 衬底垂直结构发光管(见附图3和
)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN 缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备 的ρ型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的ρ型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电 极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于衬底1是η型SiC单晶衬底，其80% 95%面积的衬底面(即出光面)被制备成图形化衬底，电极7被制备在其余5% 20%面 积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。进一步地为了减缓SiC材料折射率较大影响出光率问题，本发明又提出一种衬底 涂覆透明介质薄膜新型大功率SiC衬底垂直结构发光管(见附图4和
)，依次由 衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料 系多量子阱发光层3、发光层3上制备的ρ型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的ρ型 InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于 衬底1是η型SiC单晶衬底，其80% 95%面积的衬底面(即出光面)被喷砂打毛粗化或 被制备成图形化衬底，再在喷砂打毛粗化或图形化衬底的表面涂覆一层折射率介于SiC材 料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜8，其厚度为50纳米 3微米，或涂覆一层掺有 黄光荧光粉(掺杂的质量浓度为2 30% )的透明介质薄膜8，电极7被制备在其余5% 20%面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。前面所述的发光管的制备方法，其步骤如下Α、采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底1上依次制备η型GaN缓冲层和下限 制层2、GaN材料系多量子阱发光层3、ρ型GaN上限制层4、ρ型InGaN盖层5 ；各层材料的 厚度、掺杂粒子的种类及掺杂粒子的浓度均可采用常规技术；B、在ρ型InGaN盖层5的上面制备上电极6，上电极6的材料为Au、Ni_Au、Ti_Au、 Zn-Au, Pt-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Au或Ni_Pt_Au，上电极6采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控 激射方法制备；C、将衬底1减薄至80 150微米，接着对衬底1的衬底面采用喷砂机喷砂打毛的 方法进行粗化，或将衬底面制备成图形化衬底；衬底的图形化可采用光刻以及感应离子刻 蚀机进行干法刻蚀制备，其图形可以是凸出的三棱锥形(见图幻、三棱台形(见图6)、四棱 锥形(见图7)、四棱台形(见图8)、圆锥形(见图9)、圆台形(见图10)或半球形(见图 11)，其图形也可以是与前面结构互补的、凹下的三棱锥形、三棱台形、四棱锥形、四棱台形、 圆锥形、圆台形或半球形结构；D、采用热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积(CVD)、磁控激射或涂覆的方法在粗化 或图形化的衬底1上制备一层透明介质薄膜8，透明介质薄膜8的材料可以是Si02、ZrO2, Ti02、Ta205、Hf02等介质薄膜；进一步为掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜8，衬底发出的蓝光
5就可以直接激发荧光粉产生白光了；E、采用光刻工艺刻蚀去掉衬底5 20%面积上的透明介质薄膜8，从而露出衬 底1，再在这一露出的衬底1上采用光刻胶剥离工艺蒸镀下电极7，下电极7材料可用Au、 Ni-Au、Ti-Au、Si-Au 或 Pt-Au 等二元合金材料，也可以用 Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au 或 Ni-Pt-Au 等三元合金材料，蒸镀下电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备；F、最后，进行划片，制备成边长200微米 3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即 将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。本发明的效果和益处本发明可以克服Al2O3单晶不导电，散热不好的缺点；可以规避GaN单晶衬底价格 昂贵问题；同时可以克服SiC材料折射率较大，有源区发出的光大部分被衬底吸收，出光率 低的问题，提高发光管的输出功率和亮度。
图1 :GaN单晶衬底GaN基垂直结构发光管结构示意图；图2 新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；图3 图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；图4 衬底涂覆透明介质薄膜新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；图5 三棱锥形衬底结构示意图；图6 三棱台形衬底结构示意图；图7 四棱锥形衬底结构示意图；图8 四棱台形衬底结构示意图；图9 圆锥形衬底结构示意图；图10 圆台形衬底结构示意图；图11 半球形衬底结构示意图。图中部件1为衬底，2为η型GaN缓冲层和下限制层，3为GaN材料系多量子阱发 光层，4为ρ型GaN上限制层，5为ρ型InGaN盖层，6为上电极，7为下电极，8为透明介质薄 膜，9为出光方向箭头。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例和实施工艺。实施例1 新型大功率SiC衬底垂直结构发光管。这种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管 结构见附图2，依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层 2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的ρ型GaN上限制层4、上限制 层4上面制备的ρ型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极 7构成，其特征在于衬底1是其衬底面即出光面的80 95%面积被喷砂打毛粗化的SiC 单晶衬底，电极7只是覆盖在其余5% 20%面积的衬底面上，上电极6全部覆盖在盖层5 上面，并制备成兼有反射镜功能。其制备过程为，以η型SiC单晶片为衬底1，厚度一般为300 500微米，用目前成熟的常规MOCVD工艺在衬底1上生长1 10微米的η型(如掺Si) GaN缓冲层和下限制 层2，载流子浓度为IOw 102°/cm3，然后生长非掺杂的GaN材料系多量子阱发光层3，其厚 度和结构采用常规技术，再生长0. 2 2微米的ρ型GaN上限制层4，载流子浓度为IO17 IO1Vcm3,再生长0. 02 0. 5微米的ρ型InGaN盖层5 ；外延片制备好后，蒸镀上电极6，蒸镀 的金属选用Ni-Au，由于金属Ni具有较好的反光特性，上电极6又可以起到反射镜的作用； 然后将衬底1减薄至80 150微米，再将衬底用干式喷砂机喷砂打毛，干式喷砂机选用的 是上海施勇机械设备有限公司生产的SY-6050E型喷砂机，喷砂的磨料选用180 320目的 金刚砂磨料；喷砂打毛后蒸镀下电极7，用光刻或光刻胶剥离工艺将下电极7大部分去掉， 以便出光，下电极7保留衬底的5 20%的区域即可，下电极7用Ti-Ni-Au三元合金材料 或分三层蒸镀。然后划片，制备成边长200微米 3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即 将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。实施例2 图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管。这种图形衬底新型大功率SiC衬 底垂直结构发光管结构见附图3，其特征在于衬底1是其衬底面即出光面的80 95%的 面积被制备成图形化衬底的SiC单晶衬底，电极7只是覆盖其余5% 20%面积的衬底面 上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。其制备过程中的外延片生长，上电极6的制备，衬底减薄工艺及其下电极7制备工 艺同实施例1 ；同实施例1不同的工艺是衬底减薄后用常规光刻和感应离子刻蚀工艺进行 干法刻蚀出图形结构，初步实验所用采用的光刻胶为BP212正性光刻胶，所用光刻胶为劳 动二型光刻机，采用的感应离子刻蚀设备的型号为oxford plasma IablOO ICP，采用的的 图形是如图8所示的四棱台形，图形的尺寸为底边长2 5微米，刻蚀深度为0. 2 1微米。 然后划片，制备成边长200微米 3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即将上电极6焊接 在热沉或支架上，便制备得到发光管。
权利要求
1.一种大功率SiC衬底垂直结构发光管，依次由衬底(1)、衬底(1)上外延生长的η型 GaN缓冲层和下限制层O)、下限制层( 上制备的GaN材料系多量子阱发光层(3)、发光 层(3)上制备的ρ型GaN上限制层(4)、上限制层(4)上面制备的ρ型InGaN盖层(5)、盖 层(5)上面制备的上电极(6)、衬底(1)下面制备的下电极(7)构成，其特征在于衬底(1) 是η型SiC单晶衬底，其80% 95%面积的衬底面被喷砂打毛粗化，电极(7)被制备在其 余5% 20%面积的衬底(1)上，上电极(6)全部覆盖在盖层( 上面，并制备成兼有反射 镜功能。
2.如权利要求1所述的一种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管，其特征在 于再在喷砂打毛粗化的衬底表面涂覆一层折射率介于SiC材料折射率和空气折射率之间 的透明介质薄膜(8)，其厚度为50纳米 3微米，或在喷砂打毛粗化的衬底表面涂覆一层掺 杂的质量浓度为2 30%的掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜(8)，透明介质薄膜8的材料 是 SiO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5 或 HfO2。
3.一种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管，依次由衬底(1)、衬底(1)上外 延生长的η型GaN缓冲层和下限制层O)、下限制层( 上制备的GaN材料系多量子阱发光 层(3)、发光层( 上制备的ρ型GaN上限制层0)、上限制层(4)上面制备的ρ型hGaN 盖层(5)、盖层( 上面制备的上电极(6)、衬底(1)下面制备的下电极(7)构成，其特征在 于衬底(1)是η型SiC单晶衬底，其80% 95%面积的衬底面被制备成图形化衬底，电极 (7)被制备在其余5% 20%面积的衬底(1)上，上电极(6)全部覆盖在盖层( 上面，并 制备成兼有反射镜功能。
4.如权利要求3所述的一种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管，其特征在 于再在图形化的衬底表面涂覆一层折射率介于SiC材料折射率和空气折射率之间的透明 介质薄膜(8)，其厚度为50纳米 3微米，或在图形化的衬底表面涂覆一层掺杂的质量浓度 为2 30%的掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜(8)，透明介质薄膜8的材料是Si02、ZrO2, T i O2、Tei2O5 或 HfO2。
5.如权利要求3或4所述的一种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管，其特 征在于图形化的衬底其图形是凸出的三棱锥形、三棱台形、四棱锥形、四棱台形、圆锥形、 圆台形或半球形。
6.如权利要求3或4所述的一种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管，其特 征在于图形化的衬底其图形是凹下的三棱锥形、三棱台形、四棱锥形、四棱台形、圆锥形、 圆台形或半球形。
7.权利要求1 4任何一项所述的一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管制备方 法，其步骤如下A.采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底(1)上依次制备η型GaN缓冲层和下限制 层⑵、GaN材料系多量子阱发光层(3)、ρ型GaN上限制层、ρ型InGaN盖层(5)；B.在ρ型^iGaN盖层(5)的上面制备上电极(6)，上电极(6)的材料为Au、Ni_Au、 Ti-Au, Zn-Au, Pt-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Au 或 Ni_Pt_Au，上电极(6)采用热蒸镀、电子束蒸 镀或磁控激射方法制备；C.将衬底(1)减薄至80 150微米，接着对衬底(1)的衬底面采用喷砂机喷砂打毛 的方法进行粗化，或将衬底面制备成图形化衬底，其图形是凸出的三棱锥形、凸出的三棱台形、凸出的四棱锥形、凸出的四棱台形、凸出的圆锥形、凸出的圆台形、凸出的半球形、凹下 的三棱锥形、凹下的三棱台形、凹下的四棱锥形、凹下的四棱台形、凹下的圆锥形、凹下的圆 台形或凹下的半球形结构；D.采用热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积、磁控激射或涂覆的方法在粗化或图形化的 衬底(1)上制备一层透明介质薄膜(8)或是掺杂的质量浓度为2 30%的掺有黄光荧光粉 的透明介质薄膜⑶，透明介质薄膜8的材料是Si02、ZrO2, TiO2, Ta2O5或HfO2 ；E.采用光刻工艺刻蚀去掉衬底5 20%面积上的透明介质薄膜(8)，从而露出衬底 (1)，再在这一露出的衬底(1)上采用光刻胶剥离工艺蒸镀下电极(7)，下电极(7)的材料是 Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-AuPt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au 或 Ni-Pt-Au，蒸镀下电极的方法是热蒸 镀、电子束蒸镀或磁控激射方法；F.最后，进行划片，制备成边长200微米 3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即将上 电极(6)焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。
全文摘要
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及一类GaN基发光管及其制备方法。器件由衬底、衬底上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、GaN材料系多量子阱发光层3、p型GaN上限制层4、p型InGaN盖层5、上电极6、下电极7构成，特征在于衬底是n型SiC单晶衬底，其80％～95％面积的衬底面即出光面被打毛粗化或图形化，电极7被制备在其余5％～20％面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。本发明利用SiC衬底晶格和GaN匹配较好，导电和导热性能都比较好，价格适中的优点，提供一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。
文档编号H01L33/36GK102064251SQ20101055508
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者李国兴, 杜国同, 梁红伟 申请人:吉林大学