專利名稱：一種高亮度發(fā)光二極管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高亮度發(fā)光二極管及其制備方法，屬于發(fā)光二極管領域。
背景技術：
半導體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)是半導體材料所制成為一種通電時可發(fā)光的電子發(fā)光組件，主要材料的有II1-V三五族化學元素(如:磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等),經(jīng)過改變材料特性使之層曼;即得到嘉晶結構(Epitaxy),經(jīng)過化學、黃光、熱處理、減薄、切割、測試、分選，等半導體制程，可得到LED的芯片，LED其發(fā)光原理為；當化合物半導體P型材料(電洞)及N型材料(電子)通入順向電壓，電子與電洞于PN接面結合，電能會直接轉(zhuǎn)換以光能的形式釋出，達成發(fā)光的效果，屬于冷性發(fā)光，壽命長達十萬小時以上。LED發(fā)展自1960年至今，其紅、黃、綠光色的LED芯片在亮度達到市場需求水平和成熟量產(chǎn)提早了藍光二極管，原因 為藍光之磊晶技術和材料匹配性低的因素，使得藍光二極管直到在1991年才有了突破發(fā)展，展開了藍光LED的歷史，藍光LED其推行的動力最主要是在RGB (紅綠藍)顯示屏全色彩化的應用，以及藍光LED加上黃色熒光粉以膠料封裝后可得白光LED，其白光LED可用于各類照明，應用更加廣泛并更貼近人類生活，加上LED節(jié)省電力、提高環(huán)境保護、反應速度快、體積小、壽命高，其前瞻性廣大使得藍光LED受到現(xiàn)今各國的重視，基于現(xiàn)代經(jīng)濟急速發(fā)展對能源的需求變得越來越龐大，2007年，全年中國發(fā)電量達到32，559億度，照明用電3800億度。估計到2020年，中國發(fā)電量將達到6.5萬億度，是2007年的兩倍，照明用電將達到約8000億度，如果現(xiàn)今中國1/3的白熾燈被LED取代，每年就可節(jié)省用電1000億度；為了要解決能源需求的迫切，世界各國在21世紀里也更加積極開發(fā)能取代傳統(tǒng)的新能源，LED也成為了取代傳統(tǒng)光源的最佳半導體產(chǎn)品。所以積極研究開發(fā)發(fā)光二極管LED，提高LED的發(fā)光效率，減少相同照明效果下的用電量，在未來光源世界的趨勢與節(jié)能環(huán)保具有非常重大的影響。持續(xù)的技術開發(fā)使得發(fā)光效率更加速的成長，目的皆是為了讓LED能更省電、獲得更高的亮度。為了得到更多的出光量，將芯片的出光面積放大是最直接的方法，但放大導電層的面積需注入更大的電流，以增加更多的電子電洞能到半導體磊晶多量子井結構(Multiple Quantum Well, MQff)中福射發(fā)光，常稱為內(nèi)部量子效率(Internal QuantumEfficiency, IQE)，即是可產(chǎn)生電子電洞到量子井結構中輻射發(fā)光之二極管電流的比例，但只有少數(shù)比例由PN接面產(chǎn)生的光子會離開芯片，這是因為用來制造發(fā)光二極管的半導體材料具有很大的折射率，所以只有在角度17度輻射發(fā)射出的光子可以離開芯片的前端表面。其他的光子能量則會因為內(nèi)部全反射而減弱，而且未結合的電子電洞對會產(chǎn)生熱能，最后熱能會被材料吸收并不是光出。大部份的電流會轉(zhuǎn)換成熱能(焦耳)，也意指發(fā)光面積愈大，電流愈大，其產(chǎn)生的熱能愈高，尤其基板材料是熱傳導系數(shù)(46 W/mOK)低的藍寶石基板，更嚴重地影響LED的內(nèi)部量子效率(Internal Quantum Eff iciency, IQE),過高的熱能聚集無法散出容易影響或改變了材料之特性，使得芯片可靠度大幅降低。在LED的外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)所指的是內(nèi)部主動層產(chǎn)生的光子，從半導體中實際發(fā)出光源的比例，會受限于電流設計不良而電流分布不均勻、全反射角臨界損失、費涅爾損失(Fresnel Loss)等等其他因素，而降低了芯片出光效率。一個質(zhì)量良好的磊晶結構，其內(nèi)部量子效率已可達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進步空間。目前已知芯片制程技術開發(fā)的歷程里，有金線鍵合芯片結構Wire-bonding (P> N電極同邊)、倒裝芯片結構Flip-chip (FC, P、N電極同邊)和薄膜倒裝芯片Thin-film Flip-chip (TFFC，P、N電極不同邊)，其三種芯片制程技術結構示意圖如圖1-3所示。此三種芯片制程技術結構在目前的市場中，最為常見的是金線鍵合芯片結構(Wire-bonding),此種結構發(fā)展的歷史最久，技術成熟，在制造的成本上最低，也是目前業(yè)界量產(chǎn)水平中良率最高的一種芯片結構，其他兩種結構的芯片制程因工序復雜和技術門坎與制造之設備的成本較高，目前并未達到普及化的量產(chǎn)，對應經(jīng)濟效應的考慮，所以此項發(fā)明搭配金線鍵合芯片結構，在設備需求和工藝技術上，在現(xiàn)今普及的發(fā)光二極管制程中可以得到實現(xiàn)，使發(fā)光二極管更容易得到顯著的改善外部量子效率之光出效率及芯片散熱方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目 的之一公開了一種高亮度發(fā)光二極管，其藍寶石基板磊晶面及背面均進行了圖形化處理，并在背面上鍍有鏡面反射層。本發(fā)明的目的之二公開了上述高亮度發(fā)光二極管的特殊的制備工藝流程。本發(fā)明在藍寶石基板磊晶之前，對磊晶面進行圖形化處理，通過微米圖形化(Pattern Sapphire Substrate, PSS)其功能為增強光萃取效率，因為可以借由基板上的幾何圖形改變散射機制或是將散射光導至LED內(nèi)部由逃逸角錐中穿出。微米圖形優(yōu)選金字塔形、半圓形、子彈形、六角形柱形、三角平臺形等。在藍寶石基板圖形化面進行磊晶，磊晶完后對藍寶石基板背面進行減薄、拋光處理，在對基板進行研磨減薄后，再進行拋光處理以減低基板的粗糙度，所述拋光包括:第一道，以粒徑5um的鉆石拋光液進行拋光處理、第二道，以粒徑Ium的鉆石拋光液進行拋光處理，通過粒徑Ium的氧化鋁拋光液進行細拋光，經(jīng)過上述精密拋光，再對基板用粒徑50nm 二氧化硅拋光液進行最后拋光，對表面刮痕進行微型化處理。對研磨拋光后的芯片表面用電漿輔助化學氣相積法(PECVD) 積二氧化硅(Si02)層，積完二氧化硅(Si02)對芯片的磊晶面進行激光切割(為后續(xù)芯粒切割準備)，切割深度為芯片總厚度的1/3左右。對芯片背面的藍寶石基板利用光刻微影技術(Photolithography)定義圓弧鏡面(Round mirror)圖形，優(yōu)選直徑為3 μ m,圓與圓之間的距離為3 μ m，以感應耦合電漿離子蝕刻機干式蝕刻無蝕刻屏蔽的基板區(qū)域，蝕刻深度為1.7μπι左右，整個芯片以加熱(260°C左右)的高濃度硫酸與磷酸(3:1)混合液濕式蝕刻15min左右，蝕刻深度為1.3μπι左右，藍寶石基板上得到數(shù)組式圓鏡狀(Round mirror)圖形如圖5所示，同時通過蝕刻去除了磊晶面因激光切割后側(cè)壁上殘留的碳化物。去除蝕刻屏蔽層，對蝕刻后的基板面再進行拋光處理，以粒徑40nm 二氧化硅拋光液進行拋光。對磊晶面沉積ITOjMt P型電極、N型電極(磊晶面前工藝)。
在圓弧鏡面基板面利用物理氣相沉積法制備金屬氧化物的高反射膜層(制備DBR膜層)。選擇的金屬氧化物必須折射率差異大，因為二個材料折射率差愈大，其所需的迭加的層數(shù)就愈少，在成長金屬氧化物高反射膜層時，即可用最少的層數(shù)來達到高反射率。同理得知，如材料折射率差愈小則需要更多層的膜來達到高反射率，愈多的膜層會有二個缺點:第一、制備多層膜時，在物理氣相沉積法中非常耗時。第二、因為晶格常數(shù)的不匹配，在迭多層膜堆時，會有裂痕產(chǎn)生。所以必須使用折射率差大的材料。所以本發(fā)明所述的金屬氧化物主要為五氧化三鈦(Ti305)與氧化鋁(A1203)和二氧化硅(Si02)，在高折射率材料選用上是五氧化三鈦(Ti305)，五氧化三鈦在蒸鍍過程中不易缺氧，材料特性穩(wěn)定，且蒸鍍溫度比二氧化鈦(Ti02)低，在蒸鍍時可減少粒子噴濺，在金屬氧化物高反射膜層最后一層為氧化鋁(A1203)，主要為防止水氣和過度氧化。故使用五氧化三鈦(Ti305)，此項材料以下用H層示意，和二氧化硅(Si02)以下用L層示意， 金屬氧化物高反射膜層最后一層為氧化鋁(A1203)，主要功能為防止水氣和過度氧化。通過本發(fā)明發(fā)明人試驗，得到最少的鍍膜層數(shù)為七層，從里到外分別為L層/H層/L層/H層/L層/H層/ A1203層，各層厚度介于40 700nm，優(yōu)選 L 層 500-700 nm /H 層 50-150 nm /L 層 50-150 nm /H 層 50-100 nm /L 層50-100 nm /H 層 40-80 nm / A1203 層 50-100 nm，在波長 45(T460nm 最高反射率可達 97%。當鍍膜層在此基礎上再增加層數(shù)不會降低反射率。在金屬氧化物高反射膜層外加上金屬散熱反射層，其厚度> 0.7μπι，其材料選之金、銀、銅、鋁、銠等中的一種或兩種或兩種以上的組合。本發(fā)明的制程流程圖如圖4所示
本發(fā)明在通過減薄藍寶石基板的厚度，并對藍寶石基板磊晶面和背面進行圖形化處理，藍寶石背面加上圓弧鏡面(Round mirror)反射結構層,增加半導體內(nèi)部光線的反射比例，可提升光萃取效率。同時減少藍寶石基板的厚度、圖形化后的襯底，使襯底與金屬氧化層的接觸面積及金屬氧化層與金屬散熱層的接觸面積增大，可達到傳統(tǒng)基板面積的兩倍左右，增強芯片散熱能力，同時改善外部與內(nèi)部量子效應，達到大面積芯片更佳的可靠度和發(fā)光二極管高出光效率的目的。


本發(fā)明中附圖僅為了對本發(fā)明進一步解釋，不得作為本發(fā)明發(fā)明范圍的限制。附圖1 Wire-bonding金線鍵合芯片結構示意圖 附圖2 Flip Chip倒裝芯片結構示意圖
附圖3 Thin Flip-Chip薄膜倒裝芯片結構示意圖
附圖4本發(fā)明制程流程圖
附圖5本發(fā)明產(chǎn)品的剖面結構示意圖1、反射層，I’金屬反射散熱層，I”金屬氧化反射層；2、N型磊晶層；3、多量子井；4、P型磊晶層；5、IT0電流擴散層；6、Ρ-電極；7、Ν-電極；8、焊線；9、焊接(金屬);10、焊盤；11、奧姆接觸層；12、反射層
Α、藍寶石基板圖形化后的磊晶面；Β、藍寶石基板圖形化后非磊晶面；
具體實施例方式本發(fā)明的實施例僅為對本發(fā)明進行解釋，便于本領域普通技術人員能根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容能實施本發(fā)明，不得作為本發(fā)明發(fā)明范圍的限制。
實施例A、準備藍寶石基板，對準備磊晶的面進行微米圖形化處理，對圖形化后的藍寶石基板進行嘉晶。B、磊晶完后對藍寶石基板背面進行減薄、拋光處理，在對基板進行研磨減薄后，再進行拋光處理以減低基板的粗糙度，所述拋光包括:第一道，以粒徑5um的鉆石拋光液進行拋光處理、第二道，以粒徑Ium的鉆石拋光液進行拋光處理，通過粒徑Ium的氧化鋁拋光液進行細拋光，經(jīng)過上述精密拋光，再對基板用粒徑50nm 二氧化硅拋光液進行最后拋光，對表面刮痕進行微型化處理。C、對研磨拋光后的芯片表面用電漿輔助化學氣相積法(PECVD) 積二氧化硅(Si02)層，積完二氧化硅(Si02)對芯片的磊晶面進行激光切割(為后續(xù)芯粒切割準備)，切割深度為芯片總厚 度的1/3左右。對芯片背面的藍寶石基板利用光刻微影技術(Photolithography)定 義圓弧鏡面(Round mirror)圖形，優(yōu)選直徑為3 μ m,圓與圓之間的距離為3 μ m，以感應耦合電漿離子蝕刻機干式蝕刻無蝕刻屏蔽的基板區(qū)域，蝕刻深度為1.711111，整個芯片以加熱(260°0的高濃度硫酸與磷酸含量比為3:1的混合液濕式蝕刻15min,蝕刻深度為1.3 μ m,藍寶石基板上得到數(shù)組式圓鏡狀(Round mirror)圖形如圖5所示，同時通過蝕刻去除了磊晶面因激光切割后側(cè)壁上殘留的碳化物。D、去除蝕刻屏蔽層，對蝕刻后的基板面再進行拋光處理，以粒徑40nm 二氧化硅拋光液進行拋光。E、對磊晶面沉積ΙΤ0，制作P型電極、N型電極(磊晶面前工藝:以感應耦合電漿離子蝕刻機干式蝕刻無干式蝕刻阻擋層的芯片區(qū)域，深度至半導體N型磊晶層(N-GaN)，可得到圖形化的同一面高、低兩個區(qū)域的平臺，高臺的最頂層為半導體P型磊晶層(P-GaN)和低平臺的半導體N型磊晶層(N-GaN)，去除干式蝕刻阻擋層；在半導體P型磊晶層(P-GaN)接觸平臺上涂布負型光阻，經(jīng)過曝光顯影后定義出電極圖形；其金屬P型電極(P-Pad)和金屬N型電極(N-Pad)的金屬電極電流傳導線，為平行或曲線型式交叉。)
F、在圓弧鏡面藍寶石基板面利用物理氣相沉積法制備金屬氧化物的高反射膜層(制備DBR膜層，即金屬氧化反射層)，從里到外分別為:Si02層680 nm、Ti305層100 nm、Si02層100nm、Τ 305 層 75 nm、Si02 層 80nm、Τ 305 層 45 nm、A1203 層 55 nm。G、在金屬氧化物高反射膜層外鍍上銅散熱反射層0.7 μ m。H、芯片測試、成型、分選。1、隨機取本發(fā)明的芯粒1020-P24，350粒，按35粒一組進行COB封裝測量光通量。同時隨機取一般Wire-bonding金線鍵合的芯粒1020-P24，350粒，按35粒一組也進行COB封裝測量光通量。具體數(shù)據(jù)見下表。光通量Φ值(流明Im)對比表
權利要求
1.一種高亮度發(fā)光二極管，其特征在于藍寶石基板的磊晶面與背面均經(jīng)微米圖形化處理，并且圖形化的背面鍍有金屬氧化反射層及金屬反射散熱層。
2.權利要求1所述的二極管，其特征在于藍寶石基板的背面圖形為圓弧圖形。
3.權利要求1所述的二極管，其特征在于所述的金屬氧化反射層有7層或7層以上膜層組成。
4.權利要求3所述的二極管，其特征在于所述7層膜層中最外一層為A1203層。
5.權利要求3所述的二極管，其特征在于所述7層膜層從里到外分別為:Si02層、Ti305 層、Si02 層、Ti305 層、Si02 層、Ti305 層、A1203 層。
6.權利要求3所述的二極管，其特征在于所述7層膜層從里到外各層厚度分別為:Si02 層 500-700 nm、Ti305 層 50-150 nm、Si02 層 50-150 nm、Ti305 層 50-100 nm、Si02 層50-100 nm、Ti305 層 40-80 nm、A1203 層 50-100 nm。
7.權利要求1所述的二極管，其特征在于所述的金屬反射散熱層因藍寶石基板的背面經(jīng)微米圖形化處理，使鍍在其上的金屬散熱層與金屬氧化反射層的熱接觸傳導面積是藍寶石基板的背面未經(jīng)圖形化處理的熱接觸傳導面積2倍左右。
8.權利要求1-7所述的二極管的制備工藝，如下: 準備藍寶石基板，對藍寶石基板待磊晶面進行微米圖形化處理； 對圖形化后的藍寶石基板進行磊晶； 對磊晶完的芯片的 藍寶石基板進行研磨、拋光； 對進行研磨、拋光后的芯片積二氧化硅、磊晶面進行三分之一深度的激光切割、藍寶石基板進行定義圓弧鏡面圖形，進行蝕刻； 對圖形化后的基板進行第二次研磨拋光； 對磊晶面制備電流擴散層、沉積二氧化硅層、蝕刻出N極，制備P極及N極； 對圖形化的藍寶石基板鍍金屬氧化反射層； 在金屬氧化反射層外度金屬散熱層； 芯片測試、劈裂成芯粒、分選。
9.權利要求8所述的二極管的制備工藝，其特征在于C中拋光包括:第一道，以粒徑5um的鉆石拋光液進行拋光處理、第二道，以粒徑Ium的鉆石拋光液進行拋光處理，通過粒徑Ium的氧化鋁拋光液進行細拋光，經(jīng)過上述精密拋光，再對基板用粒徑50nm 二氧化硅拋光液進行最后拋光，對表面刮痕進行微型化處理。
10.權利要求8所述的二極管的制備工藝，其特征在于D中芯片沉積完二氧化硅后，對磊晶面進行激光切割，而后進行蝕刻。
11.權利要求8所述的二極管的制備工藝，其特征在于D中所述的蝕刻，先對定義圖形的藍寶石基板進行干法蝕刻，再對整個芯片以加熱的高濃度硫酸與磷酸混合液進行濕式蝕亥IJ，得到數(shù)組式圓鏡狀的基板圖形，同時去除激光切割走道偵彳壁造成的碳化物。
12.權利要求8所述的二極管的制備工藝，其特征在于G中金屬氧化反射層為7層，分別為 Si02 層 500-700 nm、Ti305 層 50-150 nm、Si02 層 50-150 nm、Ti305 層 50-100 nm、Si02 層 50-100 nm、Ti305 層 40-80 nm、A1203 層 50-100 nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高亮度發(fā)光二極管及其制備方法，對發(fā)光二級管及其制備工藝進行了改進，通過減薄藍寶石基板的厚度，并對藍寶石基板磊晶面和背面進行圖形化處理，藍寶石背面為圓弧鏡面(Roundmirror)反射結構層，增加半導體內(nèi)部光線的反射比例，可提升光萃取效率。同時減少藍寶石基板的厚度，圖形化后的襯底增加了其與金屬氧化層的接觸面積，可增強芯片散熱能力，同時改善外部與內(nèi)部量子效應，達到大面積芯片更佳的可靠度和發(fā)光二極管高出光效率的目的。
文檔編號H01L33/64GK103219440SQ201210128530
公開日2013年7月24日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2012年4月28日
發(fā)明者羅文欣, 孫明, 莊文榮, 林志強, 鐘馨葦, 張奇夫 申請人:江蘇漢萊科技有限公司