一种SiC衬底倒装LED芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种SiC衬底倒装LED芯片及其制备方法，包括由上而下设置的SiC衬底和GaN外延层，在所述的GaN外延层下分别设置有P电极和N电极，在所述SiC衬底的出光面上设置有规则排布的凸起结构体或规则排布的凹陷结构体。本发明通过在SiC衬底表面制有周期性规则图形，提高了LED芯片的出光效率，且该发明发光效率更优，制备工艺简单易实现，适合批量规模生产。
【专利说明】 一种SiC衬底倒装LED芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种SiC衬底倒装LED芯片及其制备方法，属于半导体发光【技术领域】。
【背景技术】
[0002]发光二极管(简称“LED”)是一种半导体固体发光器件，它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合，是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度，发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。
[0003]氮化物发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及体积小等优点在世界范围内得到广泛发展。发光波长在210?365nm的紫外发光二极管，因其调制频率高、体积小、无汞环保以及高杀菌潜力等优点，在杀菌消毒、生物医药、照明、存储和通信等领域有广泛的应用前景；发光波长在440?470nm的蓝光发光二极管因其能耗低、寿命长以及环保等优点，在照明、亮化以及显示领域有巨大的应用前景；发光波长在500?550nm的绿光发光二极管，在亮化和显示以及三基色照明领域也有非常好的应用前景。
[0004]目前最为成熟的工艺是在蓝宝石衬底上生长氮化镓(GaN)缓冲层，然后生长多量子阱和P型掺杂层。而蓝宝石衬底与氮化镓的晶格适配度高达16%，导致异质外延中产生大量失配位错，严重影响LED器件的性能和可靠性。另外蓝宝石衬底热导率仅为35mW/m.K，散热性很差，LED的结温较高，导致LED的发光效率下降，使用寿命变短。
[0005]碳化硅(SiC)作为GaN外延生长的衬底具有很大的优势。首先SiC与GaN的晶格失配度很小，仅为3.4%，这会明显减少GaN缓冲层的失配位错，提高GaN的晶体质量，进而提高LED的发光效率和可靠性。另外SiC衬底的热导率高达490mW/m.Κ，散热性能优良，适合于大功率LED的制备。目前SiC衬底LED有多种制备方法。美国科锐公司在中国申请的专利CN1413362A公开了一种SiC垂直结构LED。在η型导电SiC衬底上生长GaN外延层，可以直接得到垂直结构LED。这种LED电流垂直于芯片表面输运，不存在横向扩展导致的电流拥堵问题，但是这种方法要求SiC衬底为导电衬底。为实现衬底导电，SiC衬底需要进行掺杂，掺杂厚度衬底在蓝绿波段和紫外波段都有很强的光吸收，降低了 LED的发光效率。
[0006]另一种SiC衬底LED的制备方法是在不导电透明的SiC衬底上生长GaN外延层，然后通过晶片键合技术将外延层转移到其他衬底上，最后将SiC衬底去除，然后在氮面的GaN进行电极制作，得到垂直结构的LED。这种垂直结构LED通过表面粗化技术亮度可以大大提高，另外在衬底转移之前制备了反射镜，不存在吸光问题，发光效率可以明显提高。但是氮面的GaN欧姆接触工艺很难制备,稳定性也较差,导致LED的可靠性和寿命都存在较大问题。中国专利CN102034925A公开了一种倒装焊芯片的制备方法。GaN基芯片P电极和N电极在芯片的同一面，电极朝下，LED多量子阱发出的光透过衬底发射到空气中。这种方法电极和热沉直接接触，热阻小，LED的可靠性和寿命大大增加。另外上表面没有电极挡光，发光效率也大大增加。但是SiC衬底的折射率高达2.6左右，全反射临界角仅22°左右。多量子阱发射的光入射到SiC衬底后大部分由于全反射被限制在衬底内部，难以出射到空气中，发光效率大大降低。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提供一种SiC衬底倒装LED芯片。
[0008]本发明还提供上述SiC衬底倒装LED芯片的制备方法。
[0009]本发明的技术方案如下:
[0010]一种SiC衬底倒装LED芯片，包括由上而下设置的SiC衬底和GaN外延层，在所述的GaN外延层下分别设置有P电极和N电极，在所述SiC衬底的出光面上设置有规则排布的凸起结构体或规则排布的凹陷结构体。
[0011]根据本发明优选的，所述GaN外延层由下而上依次包含P型GaN导电层、多量子阱发光层、N型GaN导电层和缓冲层。
[0012]根据本发明优选的，所述相邻排布的凸起结构体为圆柱形、圆台形、半球形、六角棱柱形或六角棱台形。
[0013]根据本发明优选的，所述相邻排布的凸起结构体的周期为0.01-100 μ m，所述凸起结构体的高度为0.1-100 μ m。
[0014]根据本发明优选的，所述相邻排布的凹陷结构体为圆柱形、圆台形、半球形、六角棱柱形或六角棱台形。
[0015]根据本发明优选的，所述相邻排布的凹陷结构体的周期为0.01-100 μ m，所述凹陷结构体的深度为0.1-100 μ m。
[0016]根据本发明优选的，所述的SiC衬底倒装LED芯片是同面电极结构的发光二极管，在所述GaN外延层和N电极、P电极之间，由上而下依次设置有Ag反射镜和PN电极绝缘层。多量子阱发光层发出的光经过SiC衬底后出射到空气中；SiC衬底背面制备出有规则排布的凸起结构体或规则排布的凹陷结构体，以提高光提取效率。
[0017]一种SiC衬底倒装LED芯片的制备方法，包括以下步骤:
[0018](I)按照现有技术在SiC衬底的娃面一侧上依次生长缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱发光层和P型GaN导电层；
[0019](2)在SiC衬底的碳面一侧蒸镀刻蚀掩膜，然后甩胶、抛光、显影，再通过腐蚀或等离子刻蚀方法，将所述刻蚀掩膜制备成规则排列的几何图形，所述规则排列的几何图形与要在SiC衬底的碳面上刻蚀形成的凸起结构体相匹配，或所述规则排列的几何图形与要在SiC衬底的碳面上刻蚀形成的凹陷结构体相对应，去掉光刻胶；
[0020](3)将步骤(2)制备后的SiC衬底放入感应耦合等离子刻蚀设备腔室内，向腔室内通入氟气和六氟化硫气体，进行SiC衬底的碳面刻蚀，刻蚀后得到规则排布的凸起结构体或凹陷结构体；
[0021](4)通过腐蚀或等离子刻蚀的方法将SiC衬底碳面的刻蚀掩膜去除；
[0022](5)通过常规的倒装工艺制成SiC衬底倒装LED芯片。
[0023]根据本发明优选的，所述的刻蚀掩膜是氧化铟锡或氧化硅。
[0024]本发明的有益效果在于:
[0025]本发明通过在SiC衬底的碳面制备有周期性规则排布的凸起或凹陷结构体，增加了 SiC衬底碳面的粗糙度，有效克服了碳面的全反射现象，提高了 SiC衬底倒装芯片的出光效率，进入SiC衬底内部的光通过反射出射到空气当中，进而提高LED总的发光效率，该发明发光效率更优，工艺简单易实现，适合批量规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的剖面结构示意图。
[0027]图2为本发明SiC衬底碳面几何体图形的实际效果图。
[0028]图3为本发明SiC衬底碳面几何体图形结构的平面示意图；其中，10是规则排列的凸起结构体或凹陷结构体；11是规则排列的周期；
[0029]图4为本发明SiC衬底倒装LED芯片和传统平面衬底倒装LED芯片光功率随电流变化的曲线图，其中，12是本发明SiC衬底倒装LED芯片的电流功率曲线，13是现有平面衬底的电流功率曲线。
[0030]其中:1是P电极，2是N电极，3是PN电极绝缘层，4是Ag反射镜，5是P型GaN导电层，6是多量子阱发光层，7是N型GaN导电层，8是缓冲层，9是SiC衬底。14、圆台形的凸起结构体；15、六角棱台形的凸起结构体。
【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0032]实施例1、
[0033]如图1所示。一种SiC衬底倒装LED芯片，包括由上而下设置的SiC衬底9和GaN外延层，在所述的GaN外延层下分别设置有P电极I和N电极2，在所述SiC衬底9的出光面上设置有规则排布的凸起结构体10。所述凸起结构体10为圆台形。圆台形凸起结构体14的直径为I μ m,相邻圆台形凸起结构体14圆中心间距为1.1 μ m,所述圆台形凸起结构体14的高度为2.02 μ m。如图2所示。
[0034]所述GaN外延层由下而上依次包含P型GaN导电层5、多量子阱发光层6、N型GaN导电层7和缓冲层8。
[0035]所述的SiC衬底倒装LED芯片是同面电极结构的发光二极管，在所述GaN外延层和N电极2、P电极I之间，由上而下依次设置有Ag反射镜4和PN电极绝缘层3。
[0036]实施例2、
[0037]一种如实施例1所述SiC衬底倒装LED芯片的制备方法，包括以下步骤:
[0038](I)按照现有技术在SiC衬底的娃面一侧上依次生长缓冲层8、N型GaN导电层7、多量子阱发光层6和P型GaN导电层5 ;
[0039](2)在SiC衬底9的碳面一侧蒸镀刻蚀掩膜，然后甩胶、抛光、显影，再通过腐蚀或等离子刻蚀方法，将所述刻蚀掩膜制备成规则排列的几何图形，所述规则排列的几何图形与要在SiC衬底的碳面上刻蚀形成的圆台形凸起结构体14相匹配，去掉光刻胶；所述的刻蚀掩膜为氧化硅；
[0040](3)将步骤(2)制备后的SiC衬底9放入感应耦合等离子刻蚀设备腔室内，向腔室内通入氟气和六氟化硫气体，进行SiC衬底9的碳面刻蚀，刻蚀深度2.02 μ m，刻蚀后得到规则排布的圆台形凸起结构体14 ；
[0041](4)通过腐蚀或等离子刻蚀的方法将SiC衬底9碳面的刻蚀掩膜去除；如图2所示；
[0042](5)通过常规的倒装工艺制成SiC衬底倒装LED芯片，制备好的LED芯片截面结构如图1所示，与普通的倒装LED相比，光功率明显上升，电流-功率曲线如图4所示。
[0043]实施例3、
[0044]如实施例1所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述相邻排布的凹陷结构体为六角棱台形。如图3所示，六角棱台形顶边长50 μ m，所述相邻排布的六角棱台形凹陷结构体15的周期为100 μ m;六角棱台形凹陷结构体15的深度为50 μ m。
[0045]实施例4、
[0046]一种如实施例3所述SiC衬底倒装LED芯片的制备方法，包括以下步骤:
[0047](I)按照现有技术在SiC衬底的娃面一侧上依次生长缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱发光层和P型GaN导电层；
[0048](2)在SiC衬底的碳面一侧蒸镀刻蚀掩膜，然后甩胶、抛光、显影，再通过腐蚀或等离子刻蚀方法，将所述刻蚀掩膜制备成规则排列的几何图形，所述规则排列的几何图形与要在SiC衬底的碳面上刻蚀形成的六角棱台形的凹陷结构体15相对应，去掉光刻胶；所述的刻蚀掩膜为氧化铟锡；
[0049](3)将步骤(2)制备后的SiC衬底放入感应耦合等离子刻蚀设备腔室内，向腔室内通入氟气和六氟化硫气体，进行SiC衬底的碳面刻蚀，刻蚀后得到规则排布的六角棱台形的凹陷结构体15 ；
[0050](4)通过腐蚀或等离子刻蚀的方法将SiC衬底碳面的刻蚀掩膜去除；
[0051](5)通过常规的倒装工艺制成SiC衬底倒装LED芯片。
【权利要求】
1.一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述SiC衬底倒装LED芯片包括由上而下设置的SiC衬底和GaN外延层，在所述的GaN外延层下分别设置有P电极和N电极，在所述SiC衬底的出光面上设置有规则排布的凸起结构体或规则排布的凹陷结构体。
2.根据权利要求1所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述GaN外延层由下而上依次包含P型GaN导电层、多量子阱发光层、N型GaN导电层和缓冲层。
3.根据权利要求1所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述相邻排布的凸起结构体为圆柱形、圆台形、半球形、六角棱柱形或六角棱台形。
4.根据权利要求1所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述相邻排布的凸起结构体的周期为0.01-100 μ m,所述凸起结构体的高度为0.1-100 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述相邻排布的凹陷结构体为圆柱形、圆台形、半球形、六角棱柱形或六角棱台形。
6.根据权利要求5所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述相邻排布的凹陷结构体的周期为0.01-100 μ m，所述凹陷结构体的深度为0.1-100 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种SiC衬底倒装LED芯片，其特征在于，所述的SiC衬底倒装LED芯片是同面电极结构的发光二极管，在所述GaN外延层和N电极、P电极之间，由上而下依次设置有Ag反射镜和PN电极绝缘层。
8.—种如权利要求7所述的SiC衬底倒装LED芯片的制备方法，包括以下步骤: (O按照现有技术在SiC衬底的硅面一侧上依次生长缓冲层、N型GaN导电层、多量子讲发光层和P型GaN导电层； (2)在SiC衬底的碳面一侧蒸镀刻蚀掩膜，然后甩胶、抛光、显影，再通过腐蚀或等离子刻蚀方法，将所述刻蚀掩膜制备成规则排列的几何图形，所述规则排列的几何图形与要在SiC衬底的碳面上刻蚀形成的凸起结构体相匹配，或所述规则排列的几何图形与要在SiC衬底的碳面上刻蚀形成的凹陷结构体相对应，去掉光刻胶； (3)将步骤(2)制备后的SiC衬底放入感应耦合等离子刻蚀设备腔室内，向腔室内通入氟气和六氟化硫气体，进行SiC衬底的碳面刻蚀，刻蚀后得到规则排布的凸起结构体或凹陷结构体； (4)通过腐蚀或等离子刻蚀的方法将SiC衬底碳面的刻蚀掩膜去除； (5)通过常规的倒装工艺制成SiC衬底倒装LED芯片。
9.根据权利要求8所述的SiC衬底倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，所述的刻蚀掩膜是氧化铟锡或氧化硅。
【文档编号】H01L33/22GK104425667SQ201310390157
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】徐明升, 徐化勇, 沈燕, 徐现刚, 李树强 申请人:山东华光光电子有限公司