CN85100503A - 半导体发光器件的反射腔及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是半导体发光器件的反射腔及其工艺，属于半导体光电器件，特别是半导体发光器件的领域，它是利用单晶硅的各向异性腐蚀特性在单晶硅的(100)晶面上形成各种立方或长方锥形反射腔，再镀上一层金属(如Au，Ag或Al等)作为金属镜面，从而可制得各种LED指示灯，数码管，5×7字符显示或LED列阵等。本发明的反射腔工艺与通常的半导体器件工艺相容，用这种反射腔制得的LED器件，可使输出光强增加，提高发光效率。

Description

本发明涉及到半导体光电器件，特别是半导体发光器件的反射腔。可用于发光二极管（以下简称LED）以及由LED所构成的LED数码管，LED字符显示和LED列阵图形显示。

LED已经广泛地用作各种仪器仪表上的指示灯，数字化仪器仪表上的数码管和字符显示。近年来，砷化镓-镓铝砷双异质结LED的亮度已经达到3～6烛光，不久在某些方面应用上有希望代替照明用灯。然而，一般的LED管芯均很小，约0.1mm²大小，为了增大LED发光管的表观发光面积，提高发光管的发光强度，增加视感度，已经有人设计了各种反射腔，这些反射腔有的是用金属支架（如用可伐合金）冲压而成（如各种仪器仪表用指示灯），有的是用白塑料形成的各种尺寸的反射腔（如数字化仪器仪表用的数码显示器）。这些在世界上一些国家的专利上已有报导，例如：（1）U.S.3820237（1974），（2）DE 3137685（1983），（3）特开昭52-126187（1977），（4）特开昭58-66372（1983）。

然而上述的一些方法在制作LED的反射腔时存在一些不足之处：当冲压金属支架形成反射腔时，对模具的材料和开模的精度都有很高的要求，所以成本很高，经过试验来确定合理的尺寸，需要多次改模，同时即使器件形状尺寸稍有不同就得有各种不同的模具，这些都增加了成本。对于用白塑料反射腔作成的LED数码管或字符显示器件，按照H.P公司的R.H.Heite的分析（R.H.Heite“Trende    in    LED    Display    Technology”Proc.1974，24th    Electronic    Components    Conferences，p.2）出光效率是不高的，仅有30～40%的光从腔体的出光面发光，这主要由于腔体内存在一些明显的吸收损失：大面积的塑料反射腔表面引起的吸收损失，塑料和支架间的狭缝引起的吸收损失，正负电极引线间的狭缝引起的吸收损失等。

本发明提出一种新的LED反射腔及其工艺，这种反射腔有很好的镜面反光特性，工艺上能与传统的半导体器件工艺兼容，不需要模具，使用这种反射腔，可提高发光器件的亮度，降低功耗。

本发明是基于半导体单晶材料硅的各向异性腐蚀特性。由于硅单晶在有些各向异性腐蚀液中不同晶向的晶面的腐蚀速率有很大的差别，按照实验的结果：在氢氧化钾水溶液里硅单晶的（100）面和（111）面的腐蚀速率之差高达400∶1，（K.E.Petersen，Proc.I.E.E.E.70（1982）420）而且（100）面和（111）面的晶面夹角为54.74°。这样经腐蚀后，就能形成由4个（111）晶面与（100）底面所构成的正方形或长方形凹槽，若再在上面蒸镀（或电镀）一层金属，就形成一种有金属镜面反射特性的反射腔。在硅的半导体器件工艺中很容易通过氧化、光刻等工艺在（100）Si片上形成所需要的各种正方形和长方形图形，经腐蚀后就能在硅的（100）晶面上形成不同形状大小的镜面反射腔。若把LED管芯装在这样的反射腔内就可形成各种LED产品，如指示灯，数码管，字符显示和各种LED列阵。

这种反射腔是由腐蚀的硅片表面镀以金属镜面构成。自然具有良好的镜面反光特性，它能使LED管芯侧面发出的光，通过反射腔的反射而使正法线方向的光强明显增加，增大了LED的表观发光面积，大大增加了视感度。

这种反射腔尺寸改变相当灵活，不需要开模和改模所需的昂贵成本，不同的器件的形成也很方便，本法与通常的硅半导体器件工艺相容，因而可以用该法在硅片上形成集成的反射腔，从而获得LED数码管，5×7字符，16×16字符或图形显示等各种器件。该法对选用的硅单晶材料也无特殊要求。按该工艺制得的反射腔所制成的字高为0.3吋（约7.6mm）的LED数码管比一般的用塑料反射腔作成的LED数码管，在大约5mA的正向电流使整个“

”全亮状态下，亮度要提高一倍以上。

本专利列出的附图说明如下：

图1示出（100）Si的各向异性腐蚀特性;图中1为硅单晶片。2为生长的一层SiO₂，且开了一方形腐蚀窗口。图中α＝54.74°。

图2a示出（100）Si和该面上的<110>取向。

图2b示出（100）Si上生长的SiO₂光刻开窗;图中1为硅单晶片，2为SiO₂，3为开窗处。

图2c为带有反射腔的LED。图中1为硅单晶片，2为蒸镀的金属镜面，3为LED管芯。

图2d为带有反射腔的LED指示灯。图中1为管座，2为Si反射腔，3为金属镀层，4为LED管芯，5为引线。

图3为Si（100）面上的反射腔构成的数码管。

图4为Si（100）面上的反射腔构成的5×7字符。

图5为按本专利形成的0.3吋数码管与国内外样管的比较。横座标I_F为正向电流，纵座标P_f为相对的输出光功率。所用管芯为GaP红色LED管芯，性能基本一致。曲线1为按本专利制得数码管的光功率输出与正向电流的关系曲线，曲线2为进口的红色GaP LED数码管，曲线3为HDR-10红色GaP LED数码管。（管芯进口，国内生产）由图可见，在同样电流下，用本专利的反射腔构成的LED，发光效率可提高50%至一倍以上。

下面指出一种实施方法：图2a是一中阻（100）Si单晶（例如电阻率为几个欧姆厘米），按照常规的硅片的切（片）、磨（片）、抛（光）工艺，得到一镜面抛光（100）Si单晶衬底片其厚度以能保证足够的机械强度为准。图2a还给出了在（100）面上沿<110>晶向所作的基准线，然后在硅片上生长一层氧化层（如硅的自氧化形成的二氧化硅或沉积一层氮化硅），作为腐蚀的保护层，光刻形成正方形窗孔，窗口尺寸为1.2×1.2mm²，并使正方形的一边与<110>基准线平行（或垂直）。光刻窗口后的图形如图2b所示，用例如KOH的水溶液，选取的配比为44克氢氧化钾+100cc去离子水，在室温到80℃范围内腐蚀（K.E.Petevsen，Proc.I.E.E.E.70（1982）420）腐蚀深度以比LED管芯厚度略厚一些为好，同时也避免反射腔腐蚀得太深，这一方面会不必要地增加硅片的厚度，也即增加成本，同时深腔会使测面发出的光经反射腔多次反射而引起损失。腐蚀得到的硅反射腔，经常规的Si片清洗处理：即1份氨水加1份双氧水加5份去离子水煮沸数分钟，再经1份双氧水加1份盐酸加6份去离子水煮沸数分钟，去离子水冲洗净，吹干后用蒸镀的方法，蒸镀一层金属（如金、银或铝等），即形成了有良好镜面反光特性的反射腔，把LED管芯用导电胶粘结在这种反射腔内，图2c为装上LED管芯的反射腔结构，图2d为带有反射腔的LED指示灯。按需要一般再经环氧封装。按此工艺可部分整体地形成LED数码管（如图3所示就是Si（100）面上的集成的反射腔装上LED管芯构成的数码管）。也可以形成5×7的LED字符显示器件（如图4所示）或16×16的LED列阵显示器件等。

Claims (4)

1、一种半导体发光器件的反射腔的制作工艺，其特征是在硅单晶片上生长腐蚀保护层后经光刻、腐蚀，镀上反光层而形成的。

2、按权利要求1所说的反射腔的制作方法，其特征是所用的硅片为〈100〉晶向，光刻窗孔为方形或长方形，且其一边与〈110〉晶向平行。

3、按权利要求1或2所说的反射腔制作方法，其特征是反光镀层采用金、银或铝。

4、一种半导体发光器件的反射腔，其特征是以硅片为基体，以四个Si的（111）面为棱锥体侧面，以Si的（100）面为底面构成的各种正方形或长方形凹槽，镀以反光镀层所组成。