專利名稱：提高發(fā)光二極管量子效率的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種大功率發(fā)光二極管，特別涉及一種提高發(fā)光二極管量子 效率的方法。
背景技術：
隨著發(fā)光二極管(LED)技術的進步，LED朝著高亮度，全色化，低成本， 長壽命的方向發(fā)展，高亮度一直是人們所追求的目標，亮度取決于它的發(fā)光 效率。傳統(tǒng)光源中，日光燈的發(fā)光效率為60 1001m/W，高壓鈉燈的發(fā)光效 率為60 1201m/W，而大功率GaN基白光LED的發(fā)光效率目前最高也只有 近1001m/W， 一般只有30 50 lm/W。因此，LED要取代傳統(tǒng)光源，還需要 進一步提高其發(fā)光效率。
LED的發(fā)光效率由內(nèi)量子效率和外量子效率共同決定。目前，多數(shù)LED 的內(nèi)量子效率可達90%以上，GaAs紅光LED的內(nèi)量子效率高達99X，幾 乎接近100%，但它的外量子效率卻非常有限，這主要是由于它的光提取效 率很低。由于半導體材料和空氣的折射率相差較大，光在界面處存在全反射 和菲涅爾衍射等光學損耗，在LED發(fā)光表面只有極少一部分光能夠出射(如 GaAs的折射率約為2.4，全反射角為23°，出光效率不到15%)。另外，晶 格缺陷對光的吸收、襯底對光的吸收、金屬接觸處對光的吸收以及有源層對 光的吸收等均是是造成光提取效率不高的原因。因此，人們用各種辦法來減 少和消除這些因素的影響。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對已有技術中存在的缺陷，提供一種提高發(fā)光二極管 量子效率的方法，本發(fā)明主要包括圖形襯底上生長外延層、在發(fā)光二極管 外延片上淀積一層透明的電流擴展層、分割外延層、制作微單元的表面微結 構、沉積金屬電極、剝離更換襯底，其特征在于將正裝或垂直結構的發(fā)光二 極管芯片外延層加工成微單元陣列，并在微單元表面上加工一個導光層并在 導光層上制作微結構，或直接在微單元表面制作微結構，以減小光傳播過程 中水平方向的光損失，增加光在垂直表面的出射能量，進一步提高光從表面
透射的效率。無論正裝或垂直結構的LED芯片，可采用半導體刻蝕工藝在外
延層上形成一定結構的微單元陣列，參見圖1，或在襯底上首先形成微單元 陣列結構，然后進行外延生長，生長完成后，外延層可自然形成一定結構的
單元陣列，參見圖2，或首先在襯底上沉積一不同折射率材料的新膜層，在 膜層上形成單元陣列結構，然后進行外延生長，生長完成后，外延層可自然 形成一定結構的單元陣列，參見圖3 。無論正裝或垂直結構LED芯片，可 將外延層分割成或倒梯形臺或正梯形臺或長方體或正方體陣列，對于不同的 外延片的結構以及芯片工藝，可以通過設計優(yōu)化出一種最有效的微單元陣列。 無論正裝或垂直結構LED芯片，外延層分割后，采用半導體制造工藝在芯片 表面加工一個微米級厚度的導光層，并在導光層上制作三維微結構，參見圖 4，或直接在外延層上制作三維微結構，參見圖5 。芯片表面上的三維微結 構可以進一步提高光提取效率，表面結構可為凹圓或凹槽或凹錐形或凹環(huán)形 或球冠微透鏡，但不限于上述幾種結構，可以根據(jù)分離的微單元結構不同對 表面結構進行優(yōu)化，選擇光提取效率合適的結構。無論正裝或垂直結構LED 芯片，可通過改變分割單元側(cè)壁的角度與形狀，盡量形成側(cè)壁上光的全反射，以達到最好的頂面出光效果；或在側(cè)壁通過半導體制造工藝沉積反射膜，增 加光的表面出射，參見圖6，或在每個微單元周圍填充較低折射率的材料， 增加光的表面出射，參見圖7 。
本發(fā)明的優(yōu)點是采用分割LED芯片外延層的方法提高了發(fā)光二極管的 量子效率，增加發(fā)光二極管的散熱效率，通過在分割后的外延層或引入的導 光層上加工微結構，更加有效地提高了發(fā)光二極管的量子效率，使LED照 明光源更加節(jié)能。
圖1 外延層直接分割成微單元陣列的結構示意圖2 襯底圖形形成外延層微單元陣列的結構示意圖3 引入新膜層圖形結構形成外延層微單元陣列的結構示意圖4 導光層上加工三維微結構的結構示意圖5 外延層表面加工三維微結構的結構示意圖6 微單元側(cè)壁沉積反光膜的結構示意圖7 微單元周圍填充其他材料的結構示意屈8正裝結構GaN基LED直接分割外延層并加工有導光層的工藝過程示 意圖9a正裝結構LED外延層刻蝕成正梯形臺工藝過程中的掩膜示意圖； 圖9b正裝結構LED外延層刻蝕成正梯形臺工藝過程中的掩膜示意圖； 圖9c正裝結構LED外延層刻蝕成正梯形臺工藝過程中的掩膜示意圖； 圖9d正裝結構LED外延層刻蝕成正梯形臺工藝過程中的掩膜示意圖； 圖10a外延層刻蝕成正梯形臺的正裝LED結構的俯視示意圖；圖10b外延層刻蝕成正梯形臺的正裝LED結構的橫截面示意圖； 圖ll倒裝結構LED的橫截面示意圖12外延層刻蝕成微金字塔陣列后表面加工微結構的垂直結構LED的制
作工藝過程示意圖； 圖13a外延層刻蝕成微金字塔陣列后表面加工微結構的垂直結構LED制作
工藝過程中所用的掩膜示意圖； 圖13b外延層刻蝕成微金字塔陣列后表面加工微結構的垂直結構LED制作
工藝過程中所用的掩膜示意圖； 圖13c外延層刻蝕成微金字塔陣列后表面加工微結構的垂直結構LED制作
工藝過程中所用的掩膜示意圖； 圖13d外延層刻蝕成微金字塔陣列后表面加工微結構的垂直結構LED制作
工藝過程中所用的掩膜示意圖； 圖14外延層刻蝕成微金字塔陣列后表面加工微結構的垂直結構LED橫截
面示意圖。
圖15新材料鑲嵌分割外延層結構LED的橫截面圖。
1 P型GaN層、2 N型GaN層、3有源層、4本征GaN層、5襯底、
6導光層、7 p型電極、8 n型電極、9 p型電流擴展層、10外延層、11
新襯底、12保護膜、13反光膜、14新材料層
具體實施實例
實施例一
參見圖8，圖9a，圖9b，圖9c，圖9d，圖10a，圖10b。 對于正裝結構LED芯片，可用刻蝕的方法將外延層直接分割成或正梯形臺或倒梯形臺或長方體或正方體或四面體陣列，但不限于上述幾種結構。
通過改變側(cè)壁的傾角，LED出光效率有不同程度的改變。為進一步提高表面 的出光效率，可在表層制作微結構，減少界面處的全反射。由于P型GaN 層l較薄，只有0.2微米左右，其上不容易制作三維微結構，可采用薄膜淀 積工藝在芯片表面加工一個微米級厚度的導光層6，導光層6的材料折射率 近i以或大于GaN并且易于進行微結構加工。在導光層6上，用刻蝕的方法 制作三維微結構，三維微結構為凹圓或凹槽或凹錐形或凹環(huán)形或球冠微透鏡 或上述結構的組合，但不限于上述幾種結構。在導光層6上制作微米級的微 結構陣列， 一方面可以通過設計微結構表面的曲率函數(shù)，減小大部分從有源 層3發(fā)出的光在界面處的入射角，從根本上破壞出光界面處的全反射條件， 大大提高出光效率。另一方面，微米級的微結構與納米級的相比，便于設計、 計算預測與工藝實現(xiàn)。其工藝過程參見圖8。
1. 蒸鍍ITO電極為增大P型GaN層l的橫向電流擴展，提高電流注入效 率，首先在LED外延片上淀積一層透明的電流擴展層， 一般蒸發(fā)沉積ITO 電極，采用圖9a所示的圖形做掩膜進行正性光刻(陰影部分不透光)，然 后采用干法刻蝕工藝去除多余的ITO電極；
2. 分割外延層采用圖9b所示圖形做掩膜光刻，然后采用干法刻蝕工藝把 外延層IO刻蝕成正梯形臺微單元，其中側(cè)壁的角度以及刻蝕深度由刻蝕 采用的氣體配比、電位偏置及刻蝕時間等具體工藝參數(shù)決定；
3. 暴露做電極區(qū)域的N型GaN層2:采用圖9c所示圖形做掩膜光刻，采用 干法刻蝕工藝刻蝕至N型GaN層2，暴露出鍍金屬電極的N型GaN區(qū)域；
4. ^:積金屬電極采用圖9d所示圖形做掩膜進行光刻，采用電子束蒸發(fā)等薄膜淀積工藝將金屬電極沉積到N型GaN層2和P型GaN層1上，形
成n型電極8、 p型電極7。 制成的LED芯片的俯視圖及橫截面示意圖分別如圖10a及圖10b。 實施例二
參見圖11，與實施例一相同,所不同的是實施例一中的正裝結構LED芯 片制作完成后，通過倒裝焊接工藝將LED芯片焊接到新襯底11上， 一般采 用Si襯底，然后將原來的藍寶石襯底5剝離，制成倒裝結構的LED芯片。
制成的倒裝結構LED芯片橫截面示意圖參見圖11。 實施例三
參見圖12，圖13a，圖13b，圖13c，圖13d，圖14。
與實施例一相同，所不同的是LED芯片采用垂直結構，對于倒裝結構LED 芯片根據(jù)本發(fā)明的方法，首先將芯片外延層10分割，把芯片鍵合到新的襯 底11上，然后剝離藍寶石襯底5，露出本征GaN4。由于本征GaN層4和 N型GaN層2較厚， 一共有4微米左右，可在其上直接制作三維微結構， 該三維微結構可大大減少光在導光層與外界物質(zhì)界面處的全反射，提高出光 效率。為最大限度的提高單個微單元的出光效率，可在微單元側(cè)壁淀積一層 金屬反光膜13或在微單元周圍沉積一種低折射率的介質(zhì)材料，促使側(cè)壁形 成反射。工藝過程參見圖12。
下面具體說明將外延層IO切割成金字塔陣列的實施方案。具體工藝過程 如下
1.分割外延層10:采用圖13a所示圖形做掩膜進行光刻，然后采用干法刻 蝕工藝將外延層IO刻蝕成微金字塔陣列，其中側(cè)壁的角度根據(jù)微單元的大小不同采用不同的優(yōu)化角度，由工藝上刻蝕采用的氣體配比、片子電位
及刻蝕時間等具體工藝參數(shù)決定；
2. 沉積保護膜與金屬反光膜在微陣列的側(cè)壁沉積保護膜12后，濺射或蒸 發(fā)沉積金屬反光膜13;
3. 將外延層10分割后的LED鍵合到新襯底11上，通常將Si或SiC或金屬 導熱襯底做為新襯底ll，然后剝離藍寶石襯底5，露出本征GaN4及N 型GaN層2;
4. 制作微單元的表面微結構圖13b所示為單個微金字塔單元表面微結構的 掩膜示意圖，采用圖示圖形做掩膜光刻，然后采用濕法或干法刻蝕工藝在 本征GaN 4及N型GaN層2上制作凹圓環(huán)形或凹圓形等三維微結構；
5. 暴露做電極區(qū)域的N型GaN層采用圖13c所示圖形做掩膜進行光刻， 采用干法刻蝕工藝刻蝕至N型GaN層2，暴露出鍍金屬電極的N型GaN 區(qū)域；
6. 沉積金屬電極采用圖13d所示圖形做掩膜光刻，采用電子束蒸發(fā)等薄膜 淀積工藝將金屬電極沉積到N型GaN層2上。
制成后的垂直結構LED橫截面示意圖參見圖14。 實施例四
實施例四與實施例一相同，所不同的是實施例四采用不同折射率的材料平面 鑲嵌使外延層分割形成微單元結構的陣列，其工藝過程為首先在襯底上沉積 一新材料14，采用刻蝕工藝使之形成分離的微單元結構，然后生長外延層 10，使外延層10自然形成分離的微單元結構。 制成后的LED芯片橫截面示意圖參加圖15。
權利要求
1. 一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，主要包括圖形襯底上生長外延層、在發(fā)光二極管外延片上淀積一層透明的電流擴展層、刻蝕外延層為微單元陣列、制作微單元的表面微結構、沉積金屬電極、剝離更換襯底，其特征在于將正裝或垂直結構的發(fā)光二極管芯片外延層加工成微單元陣列，并在微單元表面上加工一個導光層并在導光層上制作微結構，或直接在微單元表面制作微結構。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 于所述將發(fā)光二極管芯片外延層加工成微單元陣列是直接將外延層刻蝕 或先把襯底加工成圖形襯底，通過該襯底圖形或通過襯底上的膜層圖形 結構把外延層加工成微單元陣列。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 于將外延層刻蝕分離為微單元陣列，分離外延層的加工深度可以是為外 延層的厚度即完全分割，或外延層的部分厚度即不完全分割。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在于所述無論正裝或垂直結構發(fā)光二極管芯片，分離的外延層微單元結構 形狀為或倒梯形臺或正梯形臺或長方體或正方體陣列。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 于所述微單元表面上的三維微結構為凹圓或凹槽或凹錐形或凹環(huán)形或球 冠微透鏡。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法,其特征在 于將所述正裝結構的發(fā)光二極管芯片外延層加工成微單元陣列，采用薄膜淀積工藝在芯片表面加工一個1.5微米到10微米厚度的導光層，并在 導光層上制作三維微結構，其工藝依序為在外延片上沉積導光層、加工 微單元陣列、導光層上做三維微結構或者是將外延片加工成微單元陣列、 微單元上沉積導光層、在導光層制作三維微結構。
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 于所述垂直結構發(fā)光二極管芯片在外延生長完成后，將發(fā)光二極管芯片 外延層加工成微單元陣列，然后剝離更換襯底，在微單元外延層上直接 制作三維微結構。
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 于所述垂直結構發(fā)光二極管芯片在外延生長完成后，將發(fā)光二極管芯片 外延層加工成微單元陣列，然后剝離更換襯底，采用薄膜淀積工藝在微 單元外延層表面加工一個微米級厚度的導光層，并在導光層上制作三維 微結構。
9. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 于微單元的側(cè)壁沉積一層反光膜或微單元側(cè)壁形狀設置成全反射角或接 近全反射，側(cè)壁與垂直線典型夾角為10°到50°，或微單元之間填充不同 折射率材料。
10. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高發(fā)光二極管量子效率的方法，其特征在 將所述正裝結構的發(fā)光二極管芯片外延層加工成微單元陣列，將發(fā)光二 極管芯片倒裝焊接在其它襯底上，并剝離原來的襯底，并在芯片表面直 接加工微結構。
全文摘要
提高發(fā)光二極管量子效率的方法，主要包括圖形襯底上生長外延層、在發(fā)光二極管外延片上淀積一層透明的電流擴展層、分割外延層、制作微單元的表面微結構、沉積金屬電極、剝離更換襯底，其特征在于將正裝或垂直結構的發(fā)光二極管芯片外延層加工成微單元陣列，并在微單元表面上加工一個導光層并在導光層上制作微結構，或直接在微單元表面制作微結構，以減小光傳播過程中水平方向的光損失，增加光在垂直表面的出射能量，進一步提高光從表面透射的效率。本發(fā)明的優(yōu)點是采用分割LED芯片外延層的方法提高了發(fā)光二極管的量子效率，增加發(fā)光二極管的散熱效率，使LED照明光源更加節(jié)能。
文檔編號H01L33/00GK101419999SQ20071004745
公開日2009年4月29日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權日2007年10月26日
發(fā)明者勝 劉, 沛 汪, 愷 王, 甘志銀 申請人:甘志銀;劉 勝