[发明专利]一种高发光效率的垂直结构LED芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于LED的技术领域，涉及一种高发光效率的垂直结构LED芯片及提高该垂直结构LED芯片发光效率的制备方法，特别涉及使用ZnO纳米柱提高垂直结构LED芯片发光效率的制备方法。

背景技术

GaN基LED以其更低能耗、更长寿命、更高发光效率逐步取代了传统照明器件。传统的LED是在蓝宝石衬底上制备的水平结构LED器件，其电流在电极间横向传输。由于蓝宝石衬底不导电，因此LED电极处在芯片的同侧，这样不仅需要刻蚀部分GaN薄膜制备p电极，而且金属电极沉积在芯片发光面上，会导致电极遮光现象。另外，蓝宝石衬底热导率较低，也限制了LED芯片在大功率领域的应用。为了解决上述问题，研究人员采用转移衬底技术，将原有LED外延片通过电镀、键合等方式转移至Si、金属等导电衬底上，使得电流在垂直方向上传输，即垂直结构LED芯片。这样不仅可以使芯片电极分布在上下两个表面，而且有效增加LED芯片的热导率，使之适应大功率领域的应用。

虽然垂直结构设计大幅提高了LED芯片的寿命和应用范围，但由于GaN与空气的折射率差较大，使得LED内部发出的光会在界面处发生严重的全反射效应，大部分的光最终会以热辐射的方式浪费掉，只有少数光可以射出芯片表面，从而导致LED芯片光提取效率较低。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种高发光效率垂直结构LED芯片，该芯片的表面生长有ZnO纳米柱。ZnO纳米柱提高了垂直结构LED芯片的发光效率。

本发明的另一目的在于提供上述高发光效率垂直结构LED芯片的制备方法。本发明在垂直结构LED芯片表面制备ZnO纳米柱，提高了垂直结构LED芯片的光提取效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高发光效率的垂直结构LED芯片，自下而上依次包括导电衬底、金属键合层、金属反射层、p型GaN层、InGaN/GaN量子阱层和n型GaN层，所述n型GaN层上设有n电极，未被n电极覆盖的n型GaN层上设有ZnO纳米柱层。

所述导电衬底为Si(100)衬底层，所述金属键合层为Sn/Au键合层且Au层靠近导电衬底，所述金属反射层为Ni/Ag/Ni/Au反射层且Au层靠近金属键合层，所述n电极为Cr/Pt/Au电极层且Cr层靠近n型GaN层。

所述金属反射层为Ni/Ag/Ni/Au反射层，其中Ni层的厚度都为0.1～10nm，Ag层的厚度为10～200nm，Au层的厚度为10～200nm；

所述金属键合层为Sn/Au键合层，其中Sn层的厚度为0.1～3μm，Au层的厚度为10～200nm。

所述n型GaN层的厚度为1～5μm；所述InGaN/GaN量子阱层为5～15个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为1～5nm；GaN垒层的厚度为1～20nm；所述p型GaN层的厚度为100～350nm。

所述n电极金属为Cr/Pt/Au层，其中Cr层的厚度为10～200nm，Pt层的厚度为5～100nm，Au层厚度为10～100nm。

所述导电衬底中未被金属键合层覆盖的表面设有保护层，所述保护层为Pt；其厚度为20～300nm。

所述高发光效率的垂直结构LED芯片的制备方法(即ZnO纳米柱提高垂直结构LED芯片的制备方法)，包括以下步骤：

(1)在Si衬底上外延生长LED外延片，包括生长在Si衬底上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型GaN层，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型GaN层；所述Si衬底以(111)面((111)是指Si的晶面)为外延面；所述非掺杂GaN层的厚度为100～300nm；所述n型GaN层(n型掺杂GaN薄膜)的厚度为1～5μm；所述InGaN/GaN量子阱为5～15个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为1～5nm；GaN垒层的厚度为1～20nm；所述p型GaN层(p型掺杂GaN薄膜)的厚度为100～350nm；