CN103219440B - 一种高亮度发光二极管及其制备方法 - Google Patents

一种高亮度发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高亮度发光二极管及其制备方法，对发光二级管及其制备工艺进行了改进，通过减薄蓝宝石基板的厚度，并对蓝宝石基板磊晶面和背面进行图形化处理，蓝宝石背面为圆弧镜面(Round？mirror)反射结构层，增加半导体内部光线的反射比例，可提升光萃取效率。同时减少蓝宝石基板的厚度，图形化后的衬底增加了其与金属氧化层的接触面积，可增强芯片散热能力，同时改善外部与内部量子效应，达到大面积芯片更佳的可靠度和发光二极管高出光效率的目的。

Description

一种高亮度发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高亮度发光二极管及其制备方法，属于发光二极管领域。
背景技术
半导体发光二极管(LightEmittingDiode,LED)是半导体材料所制成为一种通电时可发光的电子发光组件，主要材料的有III-V三五族化学元素（如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等），经过改变材料特性使之层疉;即得到磊晶结构(Epitaxy)，经过化学、黄光、热处理、减薄、切割、测试、分选，等半导体制程，可得到LED的芯片，LED其发光原理为;当化合物半导体P型材料(电洞)及N型材料(电子)通入顺向电压，电子与电洞于PN接面结合，电能会直接转换以光能的形式释出，达成发光的效果，属于冷性发光，寿命长达十万小时以上。
LED发展自1960年至今，其红、黄、绿光色的LED芯片在亮度达到市场需求水平和成熟量产提早了蓝光二极管，原因为蓝光之磊晶技术和材料匹配性低的因素，使得蓝光二极管直到在1991年才有了突破发展，展开了蓝光LED的历史，蓝光LED其推行的动力最主要是在RGB(红绿蓝)显示屏全色彩化的应用，以及蓝光LED加上黄色荧光粉以胶料封装后可得白光LED，其白光LED可用于各类照明，应用更加广泛并更贴近人类生活，加上LED节省电力、提高环境保护、反应速度快、体积小、寿命高，其前瞻性广大使得蓝光LED受到现今各国的重视，基于现代经济急速发展对能源的需求变得越来越庞大，2007年，全年中国发电量达到32,559亿度，照明用电3800亿度。估计到2020年，中国发电量将达到6.5万亿度，是2007年的两倍，照明用电将达到约8000亿度，如果现今中国1/3的白炽灯被LED取代，每年就可节省用电1000亿度；为了要解决能源需求的迫切，世界各国在21世纪里也更加积极开发能取代传统的新能源，LED也成为了取代传统光源的最佳半导体产品。所以积极研究开发发光二极管LED，提高LED的发光效率，减少相同照明效果下的用电量，在未来光源世界的趋势与节能环保具有非常重大的影响。持续的技术开发使得发光效率更加速的成长，目的皆是为了让LED能更省电、获得更高的亮度。
为了得到更多的出光量，将芯片的出光面积放大是最直接的方法，但放大导电层的面积需注入更大的电流，以增加更多的电子电洞能到半导体磊晶多量子井结构(MultipleQuantumWell,MQW)中辐射发光，常称为内部量子效率(InternalQuantumEfficiency,IQE)，即是可产生电子电洞到量子井结构中辐射发光之二极管电流的比例，但只有少数比例由PN接面产生的光子会离开芯片，这是因为用来制造发光二极管的半导体材料具有很大的折射率，所以只有在角度17度辐射发射出的光子可以离开芯片的前端表面。其他的光子能量则会因为内部全反射而减弱，而且未结合的电子电洞对会产生热能，最后热能会被材料吸收并不是光出。大部份的电流会转换成热能(焦耳)，也意指发光面积愈大，电流愈大，其产生的热能愈高，尤其基板材料是热传导系数(46W/m0K)低的蓝宝石基板，更严重地影响LED的内部量子效率(InternalQuantumEfficiency,IQE)，过高的热能聚集无法散出容易影响或改变了材料之特性，使得芯片可靠度大幅降低。在LED的外部量子效率(ExternalQuantumEfficiency,EQE)所指的是内部主动层产生的光子，从半导体中实际发出光源的比例，会受限于电流设计不良而电流分布不均匀、全反射角临界损失、费涅尔损失(FresnelLoss)等等其他因素，而降低了芯片出光效率。一个质量良好的磊晶结构，其内部量子效率已可达90%之上，然而外部量子效率受限于如上述之因素而仍有很大的进步空间。目前已知芯片制程技术开发的历程里，有金线键合芯片结构Wire-bonding(P、N电极同边)、倒装芯片结构Flip-chip(FC，P、N电极同边)和薄膜倒装芯片Thin-filmFlip-chip(TFFC，P、N电极不同边)，其三种芯片制程技术结构示意图如图1-3所示。此三种芯片制程技术结构在目前的市场中，最为常见的是金线键合芯片结构(Wire-bonding)，此种结构发展的历史最久，技术成熟，在制造的成本上最低，也是目前业界量产水平中良率最高的一种芯片结构，其他两种结构的芯片制程因工序复杂和技术门坎与制造之设备的成本较高，目前并未达到普及化的量产，对应经济效应的考虑，所以此项发明搭配金线键合芯片结构，在设备需求和工艺技术上，在现今普及的发光二极管制程中可以得到实现，使发光二极管更容易得到显著的改善外部量子效率之光出效率及芯片散热方式。
发明内容
本发明的目的之一公开了一种高亮度发光二极管，其蓝宝石基板磊晶面及背面均进行了图形化处理，并在背面上镀有镜面反射层。
本发明的目的之二公开了上述高亮度发光二极管的特殊的制备工艺流程。
本发明在蓝宝石基板磊晶之前，对磊晶面进行图形化处理，通过微米图形化(PatternSapphireSubstrate,PSS)其功能为增强光萃取效率，因为可以借由基板上的几何图形改变散射机制或是将散射光导至LED内部由逃逸角锥中穿出。微米图形优选金字塔形、半圆形、子弹形、六角形柱形、三角平台形等。
在蓝宝石基板图形化面进行磊晶，磊晶完后对蓝宝石基板背面进行减薄、抛光处理，在对基板进行研磨减薄后，再进行抛光处理以减低基板的粗糙度，所述抛光包括：第一道，以粒径5um的钻石抛光液进行抛光处理、第二道，以粒径1um的钻石抛光液进行抛光处理，通过粒径1um的氧化铝抛光液进行细抛光，经过上述精密抛光，再对基板用粒径50nm二氧化硅抛光液进行最后抛光，对表面刮痕进行微型化处理。
对研磨抛光后的芯片表面用电浆辅助化学气相沈积法(PECVD)沈积二氧化硅(SiO2)层，沈积完二氧化硅(SiO2)对芯片的磊晶面进行激光切割（为后续芯粒切割准备），切割深度为芯片总厚度的1/3左右。对芯片背面的蓝宝石基板利用光刻微影技术(Photolithography)定义圆弧镜面(Roundmirror)图形，优选直径为3μm，圆与圆之间的距离为3μm，以感应耦合电浆离子蚀刻机干式蚀刻无蚀刻屏蔽的基板区域，蚀刻深度为1.7μm左右，整个芯片以加热（260℃左右）的高浓度硫酸与磷酸（3:1）混合液湿式蚀刻15min左右，蚀刻深度为1.3μm左右，蓝宝石基板上得到数组式圆镜状(Roundmirror)图形如图5所示，同时通过蚀刻去除了磊晶面因激光切割后侧壁上残留的碳化物。
去除蚀刻屏蔽层，对蚀刻后的基板面再进行抛光处理，以粒径40nm二氧化硅抛光液进行抛光。
对磊晶面沉积ITO，制作P型电极、N型电极（磊晶面前工艺）。
在圆弧镜面基板面利用物理气相沉积法制备金属氧化物的高反射膜层（制备DBR膜层）。选择的金属氧化物必须折射率差异大，因为二个材料折射率差愈大，其所需的迭加的层数就愈少，在成长金属氧化物高反射膜层时，即可用最少的层数来达到高反射率。同理得知，如材料折射率差愈小则需要更多层的膜来达到高反射率，愈多的膜层会有二个缺点：第一、制备多层膜时，在物理气相沉积法中非常耗时。第二、因为晶格常数的不匹配，在迭多层膜堆时，会有裂痕产生。所以必须使用折射率差大的材料。所以本发明所述的金属氧化物主要为五氧化三钛(Ti3O5)与氧化铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)，在高折射率材料选用上是五氧化三钛(Ti3O5)，五氧化三钛在蒸镀过程中不易缺氧，材料特性稳定，且蒸镀温度比二氧化钛(TiO2)低，在蒸镀时可减少粒子喷溅，在金属氧化物高反射膜层最后一层为氧化铝(Al2O3)，主要为防止水气和过度氧化。故使用五氧化三钛(Ti3O5)，此项材料以下用H层示意，和二氧化硅(SiO2)以下用L层示意，金属氧化物高反射膜层最后一层为氧化铝(Al2O3)，主要功能为防止水气和过度氧化。通过本发明发明人试验，得到最少的镀膜层数为七层，从里到外分别为L层/H层/L层/H层/L层/H层/Al2O3层，各层厚度介于40~700nm，优选L层500-700nm/H层50-150nm/L层50-150nm/H层50-100nm/L层50-100nm/H层40-80nm/Al2O3层50-100nm，在波长450~460nm最高反射率可达97%。当镀膜层在此基础上再增加层数不会降低反射率。在金属氧化物高反射膜层外加上金属散热反射层，其厚度≥0.7μm，其材料选之金、银、铜、铝、铑等中的一种或两种或两种以上的组合。
本发明的制程流程图如图4所示
本发明在通过减薄蓝宝石基板的厚度，并对蓝宝石基板磊晶面和背面进行图形化处理，蓝宝石背面加上圆弧镜面(Roundmirror)反射结构层，增加半导体内部光线的反射比例，可提升光萃取效率。同时减少蓝宝石基板的厚度、图形化后的衬底，使衬底与金属氧化层的接触面积及金属氧化层与金属散热层的接触面积增大，可达到传统基板面积的两倍左右，增强芯片散热能力，同时改善外部与内部量子效应，达到大面积芯片更佳的可靠度和发光二极管高出光效率的目的。
附图说明
本发明中附图仅为了对本发明进一步解释，不得作为本发明发明范围的限制。
图1Wire-bonding金线键合芯片结构示意图
图2FlipChip倒装芯片结构示意图
图3ThinFlip-Chip薄膜倒装芯片结构示意图
图4本发明制程流程图
图5本发明产品的剖面结构示意图
1、反射层,1’金属反射散热层，1”金属氧化反射层；2、N型磊晶层；3、多量子井；4、P型磊晶层；5、ITO电流扩散层；6、P-电极；7、N-电极；8、焊线；9、焊接(金属)；10、焊盘；11、奥姆接触层；12、反射层
A、蓝宝石基板图形化后的磊晶面；B、蓝宝石基板图形化后非磊晶面；
具体实施方式
本发明的实施例仅为对本发明进行解释，便于本领域普通技术人员能根据本发明内容能实施本发明，不得作为本发明发明范围的限制。
实施例
A、准备蓝宝石基板，对准备磊晶的面进行微米图形化处理，对图形化后的蓝宝石基板进行磊晶。
B、磊晶完后对蓝宝石基板背面进行减薄、抛光处理，在对基板进行研磨减薄后，再进行抛光处理以减低基板的粗糙度，所述抛光包括：第一道，以粒径5um的钻石抛光液进行抛光处理、第二道，以粒径1um的钻石抛光液进行抛光处理，通过粒径1um的氧化铝抛光液进行细抛光，经过上述精密抛光，再对基板用粒径50nm二氧化硅抛光液进行最后抛光，对表面刮痕进行微型化处理。
C、对研磨抛光后的芯片表面用电浆辅助化学气相沈积法(PECVD)沈积二氧化硅(SiO2)层，沈积完二氧化硅(SiO2)对芯片的磊晶面进行激光切割（为后续芯粒切割准备），切割深度为芯片总厚度的1/3左右。对芯片背面的蓝宝石基板利用光刻微影技术(Photolithography)定义圆弧镜面(Roundmirror)图形，优选直径为3μm，圆与圆之间的距离为3μm，以感应耦合电浆离子蚀刻机干式蚀刻无蚀刻屏蔽的基板区域，蚀刻深度为1.7μm，整个芯片以加热（260℃）的高浓度硫酸与磷酸含量比为3:1的混合液湿式蚀刻15min，蚀刻深度为1.3μm，蓝宝石基板上得到数组式圆镜状(Roundmirror)图形如图5所示，同时通过蚀刻去除了磊晶面因激光切割后侧壁上残留的碳化物。
D、去除蚀刻屏蔽层，对蚀刻后的基板面再进行抛光处理，以粒径40nm二氧化硅抛光液进行抛光。
E、对磊晶面沉积ITO，制作P型电极、N型电极（磊晶面前工艺：以感应耦合电浆离子蚀刻机干式蚀刻无干式蚀刻阻挡层的芯片区域，深度至半导体N型磊晶层(N-GaN)，可得到图形化的同一面高、低两个区域的平台，高台的最顶层为半导体P型磊晶层(P-GaN)和低平台的半导体N型磊晶层(N-GaN)，去除干式蚀刻阻挡层；在半导体P型磊晶层(P-GaN)接触平台上涂布负型光阻，经过曝光显影后定义出电极图形；其金属P型电极(P-Pad)和金属N型电极(N-Pad)的金属电极电流传导线，为平行或曲线型式交叉。）
F、在圆弧镜面蓝宝石基板面利用物理气相沉积法制备金属氧化物的高反射膜层（制备DBR膜层，即金属氧化反射层），从里到外分别为：SiO2层680nm、Ti3O5层100nm、SiO2层100nm、Ti3O5层75nm、SiO2层80nm、Ti3O5层45nm、Al2O3层55nm。
G、在金属氧化物高反射膜层外镀上铜散热反射层0.7μm。
H、芯片测试、成型、分选。
I、随机取本发明的芯粒1020-P24，350粒，按35粒一组进行COB封装测量光通量。同时随机取一般Wire-bonding金线键合的芯粒1020-P24，350粒，按35粒一组也进行COB封装测量光通量。具体数据见下表。
光通量Φ值（流明lm）对比表
序号 一般产品 本发明产品
1 387lm 503lm
2 395lm 497lm
3 393lm 486lm4 -->
4 394lm 490lm
5 397lm 502lm
6 396lm 507lm
7 393lm 494lm
8 391lm 489lm
9 385lm 487lm
10 399lm 493lm
平均值 393lm 494.8m
通过上表可知，本发明产品的光通量提高了25.9%。本发明对蓝宝石基板背面干法时候后，有进行湿法蚀刻，同时湿法蚀刻磊晶面的激光切割线，减少因激光切割造成的碳化物，从而减少芯片侧面出光的遮蔽，另外由蓝宝石基板背面微米图形化精密抛光处理，加上圆弧镜面(Roundmirror)反射结构层，大幅增加了芯片中未由逃逸角锥中穿出的光子再经过二次折射光子辅射出光的机率，有效的提升光萃取效率，同时蓝宝石基板图形化后，减少基板的厚度，同时使衬底与金属氧化层的接触面积及金属氧化层与金属散热层的接触面积增大，可达到传统基板面积的两倍左右，增强芯片散热能力，同时改善外部与内部量子效应。

Claims (5)

1.一种高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：步骤如下：
A、准备蓝宝石基板，对蓝宝石基板待磊晶面进行微米图形化处理；对图形化后的蓝宝石基板进行磊晶；
B、对磊晶完的芯片的蓝宝石基板进行研磨、抛光；
C、对进行研磨、抛光后的芯片积二氧化硅、磊晶面进行三分之一深度的激光切割、蓝宝石基板进行定义圆弧镜面图形，进行蚀刻；
D、对图形化后的基板进行第二次研磨抛光；
E、对磊晶面制备电流扩散层、沉积二氧化硅层、蚀刻出N极，制备P极及N极；
F、对图形化的蓝宝石基板上镀金属氧化反射层；
G、在金属氧化反射层外镀金属散热层；
H、芯片测试、劈裂成芯粒、分选。
2.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于C中抛光包括：第一道，以粒径5um的钻石抛光液进行抛光处理、第二道，以粒径1um的钻石抛光液进行抛光处理，通过粒径1um的氧化铝抛光液进行细抛光，经过上述抛光，再对基板用粒径50nm二氧化硅抛光液进行最后抛光，对表面刮痕进行微型化处理。
3.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于D中芯片沉积完二氧化硅后，对磊晶面进行激光切割，而后进行蚀刻。
4.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于D中所述的蚀刻，先对定义图形的蓝宝石基板进行干法蚀刻，再对整个芯片以加热的高浓度硫酸与磷酸混合液进行湿式蚀刻，得到数组式圆镜状的基板图形，同时去除激光切割走道侧壁造成的碳化物。
5.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于G中金属氧化反射层为7层，分别为SiO2层500-700nm、Ti3O5层50-150nm、SiO2层50-150nm、Ti3O5层50-100nm、SiO2层50-100nm、Ti3O5层40-80nm、Al2O3层50-100nm。
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