[发明专利]基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管芯片技术领域，具体涉及一种基于衬底图案化、Al_1-xGa_xN三元化合物Al/Ga组分控制技术和Ш－Ⅴ族化合物材料外延技术相结合的基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片。

背景技术

近年来，随着GaN材料制备技术、p型掺杂技术的完善，GaN基发光二极管（LED）得到了大力发展。目前获得高质量GaN基外延材料主要通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在绝缘的蓝宝石衬底上外延生长。由于蓝宝石不导电,因此不能在其表面上制作LED电极。利用倒装焊技术，将以蓝宝石为衬底的LED芯片转移到导热、导电性能更好的基底材料（例如硅、铜等）上，大大降低了电极制作难度，提高了器件的散热性能，增加了出光面积，在大功率器件应用上有重要意义。目前，市场上销售的尺寸为40mil左右的大功率LED芯片大部分为采用倒装焊技术的倒装GaN基芯片，在光强、功率方面较正装芯片有非常明显的优势。

LED发光效率是LED组件外部可量测到光子与外部注入LED电子数的比值，它由LED的内部光电转换效率（内量子效率）、出光效率和电注入效率决定，反映了LED的光通量输出以及耗能特性。由于没有发射出去的光会被LED吸收，并转换成热量引起LED结温升高，因此，提高LED发光效率，是发展大功率、低能耗、高可靠性、长寿命LED的根本途径。

近年来，人们通过改善GaN基LED芯片的外延质量、出光方式、电极结构、制备工艺、封装等多种方法，不断提高LED的光输出功率，使其能够早日替代传统的室内照明光源，但现有的倒装GaN基LED芯片在发光效率上仍有较大的提升空间。倒装GaN基LED芯片是在蓝宝石衬底上直接异质外延n型GaN层，其中蓝宝石衬底与n－GaN之间的折射率差异较大（GaN的折射率为2.5，蓝宝石为1.76），光在出射表面会产生较强的内反射（菲涅尔损耗）和全反射（临界角损耗），导致只有部分角度的光能够从器件中出射出来，其他角度较大的光被反射回芯片内部无法提取出来。光出射界面的全反射损耗成为影响这种芯片光出射效率的主要因素之一。同时，蓝宝石衬底和n－GaN的晶格常数也差异较大，在异质外延过程中会在n－GaN外延层界面产生较大的生长应力和位错缺陷，它们充当非辐射复合中心，削减了有效的辐射复合速率，从而不利于LED内量子效率的提高。

发明内容

针对现有蓝宝石衬底与GaN发射层晶格不匹配以及界面特性不够理想的现状，本发明提供了一种基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片。

本发明提供的基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片，该LED芯片自上而下由蓝宝石衬底、Al_xGa_1-xN组分渐变缓冲层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱、p型GaN层、透明ITO导电薄膜、倒装焊电极以及导电性良好的硅衬底组成；所述蓝宝石衬底的上表面均布设有m个凹孔Ⅰ，10²≤m≤10⁴，下表面均布设有n个凹孔Ⅱ，10²≤n≤10⁴；所述Al_xGa_1-xN组分渐变缓冲层由k个非掺杂Al_xGa_1-xN外延材料构成的单元层组成，3≤k≤10，k个单元层由上向下各层中Al组分满足：1≥x1>x2>……xn≥0。

进一步，所述蓝宝石衬底上的凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ为倒锥V形、倒锥金字塔形、圆桶形、半圆球形中的任一种结构；

进一步，所述凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ的横向最大尺寸在0.5～5μm之间，凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ的深度在0.5～2μm之间，相邻凹孔Ⅰ之间的间距以及相邻凹孔Ⅱ之间的间距在0.5～5μm。

再进一步，所述Al_xGa_1-xN组分渐变缓冲层的每个单元层厚度在0.5～1.5μm；Al_xGa_1-xN组分渐变缓冲层的总厚度在1.5～4.5μm。

与现有技术相比，基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片具有如下优点：