CN103325910A

CN103325910A - 基于微切削的led表面强化出光结构的制作方法及多齿刀具

Info

Publication number: CN103325910A
Application number: CN2013102443442A
Authority: CN
Inventors: 汤勇; 万珍平; 陆龙生; 袁伟; 袁冬; 夏宏荣; 李宗涛
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法及多齿刀具，制作方法包括下述步骤：步骤1：取一已剥离转移衬底的倒装LED芯片，所述倒装LED芯片，从下至上分别为衬底、p型半导体层、有源层和n型半导体层；步骤2：利用多齿刀具在n型半导体层表面微切削形成微沟槽强化出光结构；步骤3：将LED芯片旋转一定角度，利用多齿刀具在n型半导体层表面再次切削，形成锥状强化出光微结构；多齿刀具具有多个使用聚焦等离子束加工而成的刀齿，且每个刀齿具有相同的前角、后角和切削角。本发明工艺更加简单，且加工表面微结构密度和形状可控，在同等工艺操作的情况下，更有利于提高发光二极管的出光效率。

Description

基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法及多齿刀具

技术领域

本发明涉及芯片表面结构的制造工业，特别涉及一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法及多齿刀具。

背景技术

面对严峻的能源、环境压力，加快资源节约型和环境友好型社会的建设已成为国家经济和社会发展的战略性抉择。LED（Light Emitting Diode）具有节能、环保、长寿命三大优势，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代绿色光源。据统计，目前照明用电占全球总用电量的19%，利用现有的LED高效照明解决方案至少可节约40%的能耗，每年可少排放5.55亿吨二氧化碳。我国在《国家科学和技术发展中长期规划纲要》中将“高效节能、长寿命的半导体照明产品”列为“重点领域及其优先主题”，并且已经把LED光源技术在城市照明、城市景观、交通照明和居民照明工程中的应用作为重大科技节能专项来推广，并列为“十二五”战略性新兴产业。

LED芯片的发光效率依赖于内量子效率和外量子效率（即出光效率）的乘积。随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，LED芯片的内量子效率已接近100%。然而，由于外延材料的折射率远大于空气折射率，使有源区产生的光由于全内反射不能从LED中有效地发射出去，从而导致LED的外量子效率很低。如对于目前应用广泛的GaN基LED，GaN的折射率为2.5，临界角为23.6°，只有一小部分光线即只有入射角小于23.6°的光子能逃逸出LED，其余光子在芯片内部发生全反射最终被LED吸收，从而转化为热量聚集在LED芯片内部，已有大量研究表明，随着LED芯片结温的升高，光衰，色漂移，热聚集等一系列问题将会发生，甚至会导致光源器件最终的失效。因此，如何提高功率LED芯片的出光效率是LED用于普通照明必须解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种给予微切削的LED表面强化出光结构的制作方法。

本发明的另一目的在于，提供一种上述制作方法中微切削用的多齿刀具。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

本发明基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，包括下述步骤：

步骤1：取一已剥离转移衬底的倒装LED芯片，所述倒装LED芯片，从下至上分别为衬底、p型半导体层、有源层和n型半导体层；

步骤2：利用多齿刀具在n型半导体层表面微切削形成微沟槽强化出光结构；

步骤3：将LED芯片旋转一定角度，利用多齿刀具在n型半导体层表面再次切削，形成锥状强化出光微结构。

优选的，所述步骤1中，LED芯片原衬底通过激光剥离技术剥离，LED芯片已倒装转嫁到铜、硅、碳化硅、铝、金锡合金或氮化铝材料的高导热率衬底上。

优选的，步骤2和步骤3中，微切削成型加工用的多齿刀具为蓝宝石或金刚石材料的多齿刀具。

优选的，所述微切削成型加工用多齿刀具的刀尖圆弧半径为0.1～1μm，刀具角度为60～120°。

优选的，步骤3中，刀具交错切削路径夹角可为30°～90°。

优选的，步骤3中，所述锥状强化出光微结构的高度为0.5～3μm，相邻锥状强化出光微结构的距离是1～5μm。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

本发明加工LED表面强化出光结构的多齿刀具，所述多齿刀具具有多个使用聚焦等离子束加工而成的刀齿，且每个刀齿具有相同的前角、后角和切削角：其中，前角γ为0°～-60°，后角α为0°～+15°，切削角θ为30°～150°。

优选的，所述刀齿的齿宽大于或等于LED表面强化出光结构的宽度，所述刀齿的齿高大于或等于LED表面强化出光结构的高度。

优选的，所述LED表面强化出光结构微切削刀具材料为蓝宝石、金刚石其中之一。

优选的，所述强化出光微结构的高度为0.5～3μm，相邻锥状强化出光微结构的距离是1～5μm。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明专利所提到的一种基于微切削的LED表面强化出光微结构的制作方法尚未有技术涉及，同时相对而言本方法工艺更加简单，且加工表面微结构密度和形状可控，在同等工艺操作的情况下，更有利于提高发光二极管的出光效率。

（2）本发明基于微切削的LED表面强化出光微结构的制作方法可用于强化出光GaN基、GaAs基、GaP基等LED，提升了LED的光提取效率，简化了生产工艺。

（3）本发明基于微切削的LED表面强化出光微结构的制作设备及使用成本低廉，避免了传统昂贵的ICP蚀刻的工艺，且一次成型，无需曝光、掩膜即可加工多种表面结构。

（4）强化出光微结构灵活多样，通过调节刀具交错切削的路径即可加工出不同的表面微结构。

（5）切削深度可控性高。在设备精度达到要求的前提下，利用本发明所加工的表面微结构深度的控制精度与设备精度基本一致，如若加工设备的步进量为10nm，深度控制精度也可达10nm。

（6）强化出光效果好。经过此方法强化出光的LED芯片光提取效率可得到大幅提升。

（7）本加工方法通用性强，可推广应用于其他半导体材料的精密加工领域。

附图说明

图1是本发明实施例倒装型LED示意图；

图2是本发明实施例微切削用多齿刀具的示意图；

图3是图2中多齿刀具的侧面示意图；

图4是图2中多齿刀具的正面示意图；

图5是本发明实施例多齿刀具切削LED表面过程示意图；

图6是本发明实施例加工出表面强化出光微结构后的示意图；

图7是本发明实施例发光二极管的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明提供的一种基于微切削的LED表面强化出光微结构的制作方法，最大程度降低芯片表面对光的反射，提高器件的出光效率。

请参阅图1至图7所示，本发明是一种基于微切削的LED表面强化出光微结构的制作方法，实施例的发光二极管元件的制造方法包括：

步骤1：如图1所示，取一已剥离转移衬底的倒装LED芯片；所述衬底为铜、硅、碳化硅、铝、金锡合金、氮化铝其中之一；

步骤2：利用多齿刀具在n型半导体层表面微切削形成微沟槽；所述微切削成型加工用刀具材料为蓝宝石、金刚石其中之一，刀尖圆弧半径为0.1～1μm，切削角度为60～120°，如图2所示；

步骤3：如图5所示，将LED芯片旋转一定角度，利用多齿刀具在n型半导体层表面再次切削，形成锥状强化出光微结构；所述刀具交错切削路径夹角可为30°、60°、90°或其他任意夹角，该旋转角度可以根据实际的情况自由选择，如图6所示，所述锥状强化出光微结构的高度为0.5～3μm，相邻锥状强化出光微结构的距离是1～5μm。

下面结合附图及实施例对具体的工作过程做进一步的描述：

实施例：参见图1-图7所示。取一已剥离转移衬底的倒装型LED芯片，从下至上分别为衬底1、p型半导体层2、有源层3和n型半导体层4，其中所述衬底1为铜衬底；所述p型半导体层2为p型GaN材料，厚度为150nm；所述有源层3为In0.1Ga0.9N/GaN多量子阱结构，厚度为60nm；n型半导体层4为n型GaN外延层，厚度为3000nm；然后利用微切削用多齿刀具8（如图2所示）在n型半导体层4表面交错切削形成锥状强化出光微结构7，所述刀具材料为金刚石，刀具宽5mm、高5mm、长15mm，刀具各齿角度为60°；所述锥状强化出光微结构7高度为0.5μm，周长为5μm；然后再作电极5、6，使p型GaN与p型欧姆接触电极5电性连接，使n型GaN与n型欧姆接触电极6电性连接，用以提供顺向电压，最终获得具有锥状强化出光微结构7的LED如图7所示。

如图2所示，本实施例中加工上述微切削LED表面强化出光结构的多齿刀具，包括有多个使用聚焦等离子束加工而成的刀齿9，且每个刀齿具有相同的前角、后角和切削角：如图3和图4所示，其中，前角γ为0°～-60°，后角α为0°～+15°，切削角θ为30°～150°。

为了更好的制作LED表面强化出光结构，所述刀齿的齿宽大于或等于LED表面强化出光结构的宽度，所述刀齿的齿高大于或等于LED表面强化出光结构的高度。

为了使多齿刀具耐用且切削的结构符合要求，所述LED表面强化出光结构微切削刀具材料为蓝宝石、金刚石其中之一。

经过上述多齿刀具切削之后，所述强化出光微结构的高度为0.5～3μm，相邻锥状强化出光微结构的距离是1～5μm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，LED芯片原衬底通过激光剥离技术剥离，LED芯片已倒装转嫁到铜、硅、碳化硅、铝、金锡合金或氮化铝材料的高导热率衬底上。

3.根据权利要求1所述的一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，微切削成型加工用的多齿刀具为蓝宝石或金刚石材料的多齿刀具。

4.根据权利要求3所述的一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，其特征在于，所述微切削成型加工用多齿刀具的刀尖圆弧半径为0.1～1μm，刀具角度为60～120°。

5.根据权利要求1所述的一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，其特征在于，步骤3中，刀具交错切削路径夹角可为30°～90°。

6.根据权利要求1所述的一种基于微切削的LED表面强化出光结构的制作方法，其特征在于，步骤3中，所述锥状强化出光微结构的高度为0.5～3μm，相邻锥状强化出光微结构的距离是1～5μm。

7.一种加工LED表面强化出光结构的多齿刀具，其特征在于，所述多齿刀具具有多个使用聚焦等离子束加工而成的刀齿，且每个刀齿具有相同的前角、后角和切削角：其中，前角γ为0°～-60°，后角α为0°～+15°，切削角θ为30°～150°。

8.根据权利要求7所述的一种微切削加工成型用的多齿刀具，其特征在于，所述刀齿的齿宽大于或等于LED表面强化出光结构的宽度，所述刀齿的齿高大于或等于LED表面强化出光结构的高度。

9.根据权利要求7所述的一种微切削加工成型用的多齿刀具，其特征在于，所述LED表面强化出光结构微切削刀具材料为蓝宝石、金刚石其中之一。

10.根据权利要求7所述的一种微切削加工成型用的多齿刀具，其特征在于，所述强化出光微结构的高度为0.5～3μm，相邻锥状强化出光微结构的距离是1～5μm。