[发明专利]一种发光二极管外延片和其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种发光二极管外延片和其制造方法。

背景技术

目前，发光二极管(light emitting diode，LED)外延片的主要结构包括：衬底、缓冲层、n型半导体层、有源区发光层和p型半导体层。作为LED外延片核心的有源区发光层介于n型半导体层与p型半导体层之间，是p型和n型半导体层的界面构成的PN结。随着双异质结与多量子阱结构在有源区发光层中的应用和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术的进步，在蓝宝石(Al₂O₃)材料的衬底上成功生长了氮化镓基发光二极管(GaN basedLED)外延片，制造出蓝光LED和绿光LED。

为了在LED外延片上施加驱动电流，还需在p型半导体层制作p电极，在N型半导体层制作n电极，并在p电极和n电极引出导线，以导线连接电路基板的对应电极。制作完成的LED外延片切割成LED芯片后，还必须固定在支架上。上述制作电极、引出导线到电路基板以及切割、固定的过程称为封装，封装之后的LED芯片称为管芯。根据封装后出光面的不同LED分为正装(Normal)结构和倒装(Flip Chip)结构。其中，正装结构的出光面是p型半导体层，非出光面是衬底，倒装结构的出光面是衬底，非出光面是p型半导体层上的电流扩散层。封装之后的LED外延片称为管芯。

以波长范围是470纳米到430纳米波段的蓝光LED为例，蓝宝石衬底氮化镓基LED正装结构剖面图如图1所示，在蓝宝石衬底101器件生长面即正面依次具有缓冲层102、n型氮化镓层103作为n型半导体层、有源区发光层104和p型氮化镓层105作为p型半导体层，因为p型氮化镓层的高p型掺杂困难使p型氮化镓层电导率很有限。为了电流的分布均匀要求在p型氮化镓层表面再沉积电流扩散层106，通常由镍和金组成。由于蓝宝石衬底的非导电性，电极无法在衬底上制作，通常采用刻蚀方法去除一小部分电流扩散层106、p型半导体105和有源区发光层104暴露出n型半导体层，然后分别将p电极107和n电极108放置在电流扩散层106和n型半导体层103上。正装结构封装中，有源区发光层出射的光从最上面的p型氮化镓层取出，蓝宝石衬底背面和支架相连。虽然电流扩散层提高了有源区发光层的发光效率，但会吸收部分光，降低出光效率。为了减少出射光的吸收，电流扩散层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少又反过来限制了电流扩散层在p型氮化镓层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。同时，LED的热量主要产生于很薄的有源区发光层中，而封装完成后的器件，其热量则主要依靠蓝宝石衬底向支架的热传导来散开。蓝宝石衬底的导热系数很小，因此LED正装结构会使支架与有源区发光层间产生很大的温差，导致管芯温度上升，从而影响器件的性能。此外，这种结构的p电极和p电极引出的导线也会挡住部分出射光，所以，这种LED正装结构的管芯器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。

为了克服蓝光LED正装结构的不足，提出了以蓝宝石衬底101作为出光面，p型氮化镓层105上的电流扩散层106为非出光面的LED倒装结构。在蓝宝石衬底的氮化镓基LED外延片生长完成后制作p电极107和n电极108，外延片生长和电极制作方法和正装结构相同，使蓝宝石衬底的器件生长面通过导热基板209与支架相连，完成封装，得到如图2所示的蓝宝石衬底的氮化镓基LED的倒装结构剖面图(支架未画出)。由于蓝宝石衬底是透明，倒装后的蓝宝石衬底朝上成为出光面，同时p电极和n电极倒装在下面，不会遮挡从蓝宝石衬底出光面出射的光，因而提高了出光效率。采用倒装焊外延片结构后，因为硅是热的良导体，利用其作为散热的导热基板，其散热效果也要远好于LED正装结构。

LED的出光效率是由发光效率和提取效率共同决定的，因此，如何提高LED的提取效率成为进一步提高LED发光效率的一个重要方面。众所周知，LED有源区发光层发出的光子是自发辐射产生的，其方向各相同性。因此，当LED封装之后，不论正装还是倒装结构，有源区发光层发出的射向支架的大部分出射光会被连接支架和外延片的导热胶吸收，降低了LED的提取效率。同时，由于导热胶的散热效果并不理想，会聚集大量的热量，进一步降低了LED的出光效率和可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的是提高发光二极管的出光效率和可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供一种发光二极管外延片的制造方法，该方法包括：