一種具有新型發光單元結構的大尺寸led晶片的製作方法
2023-10-17 21:57:54
專利名稱：一種具有新型發光單元結構的大尺寸led晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及LED晶片領域，特別是涉及一種提高大尺寸LED晶片發光效率的新型結構。
背景技術：
雖然LED晶片及器件已經開始商品化，但是限制其廣泛應用的主要問題仍然是高成本與低發光效率，單位流明/瓦的價格偏高。提高LED發光效率的途徑是提高其內量子效率和光提取效率。由於工藝進步及結構優化，LED晶片的內量子效率達到80%以上，已沒有太大的提升空間。而受全反射作用的限制，傳統LED晶片的光提取效率很低，成為高能效LED的主要瓶頸。例如，在藍光440nm波長處，GaN浙射率np. 5)和空氣浙射率n2=l)分界面的全反射角為Θ = arcsinOv^) = 23.6° ,大約只有4%的光能夠從該界面透射出去。留在器件內部的光線，經不同材料的分界面多次反射後，最終被有源層、金屬電極、焊點以及襯底吸收，轉化為熱能。因此，設計新的晶片結構改善光提取效率是提高LED發光效率的主要途徑。一般的LED晶片外形都是長方體，光線從折射率較高的半導體材料向折射率較低的空氣出射，在六個面都有受全反射角限制的可透射區域。為了增強側向傳播的光線的出光效率，已有文獻報導異型結構的單個LED晶片，包括倒金字塔結構(Krames，M. R., etal. (1999). Applied Physics Letters 75(16) : 2365-2367)、從三角形到七邊形的多邊形結構(Wang, X. H. , et al. (2010). Journal of Applied Physics 108(2): 023110)和圓柱形結構(Wang, X. Η. , et al. (2009). Opt. Express 17(25) : 22311-22319)。但是，由於藍寶石襯底的硬度很高，倒金字塔結構的加工難度大、成本高。對於傳統的長方體結構，工業上的晶片切割工藝只需多次橫向切割和縱向切割即可完成；而對於大部分的多邊形結構和圓柱形結構，切割工藝複雜，良率也低。為便於工業上的晶片切割，可保持襯底為長方體。僅對外延層進行塑形，也可增強側面傳播的光線的出光效率，已有文獻報導包括倒金字塔結構(Chih-Chiang，K.， et al. (2005). Photonics Technology Letters, IEEE 17(1): 19-21)和正圓臺結構(Jae-Soong, L. , et al. (2006). Photonics Technology Letters, IEEE 18(15):1588-1590)。此外，在傳統小尺寸LED晶片上的側面粗化技術(Chang, C. S. , et al. (2004).Photonics Technology Letters, IEEE 16(3): 750-752)可進一步增強側面傳播的光線的
出光效率。晶片塑形技術和側面粗化技術對小尺寸的晶片具有較好的效果。但由於半導體材料的吸收，對於大尺寸的LED晶片，這兩種技術僅對晶片邊緣的光線有效。為提高大尺寸LED晶片的發光效率，一個辦法就是將大尺寸的LED晶片劃分為多個小尺寸的發光單元，以減少光線的逃逸路徑。對每個發光單元應用塑形技術和側面粗化技術，可有效地增強大尺寸LED晶片的光提取效率。
對於具備多個發光單元的大尺寸LED晶片，包括大功率的高壓LED晶片，晶片與晶片之間的分割需要考慮襯底的切割問題，故可保持襯底為長方體；但發光單元與發光單元的分割只需要經過光刻工藝和刻蝕工藝，所以發光單元可為任意的形狀。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的上述不足，提供具有新型發光單元結構的大尺寸LED晶片。為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下
一種具有新型發光單元結構的大尺寸LED晶片，包括襯底和外延層，所述襯底為長方體，所述外延層分割成多個發光單元，發光單元的側壁具有微結構。進一步改進的,所述發光單元的橫截面中最大寬度為100μπι-500μπι，各發光單元的橫截面的尺寸相同或者不同，發光單元的排列呈隨機分布或周期分布。進一步改進的，所述發光單元的側壁具有的微結構的橫截面形狀包括但不限於三角形、矩形、半圓形、拋物線型、正弦形，微結構的橫截面中最大寬度為O. 15 μ m- ο μ m,微結構在發光單元側壁的排列呈隨機分布或周期分布。進一步改進的，所述發光單元的電極形狀包括但不限於圓盤形、圓環形、矩形、十字形、目字形或田字形，發光單元通過電極連接橋並聯或者串聯。進一步改進的，所述襯底為導電型襯底(如碳化矽、磷化鎵、砷化鎵、氮化鎵等導電型襯底)，所述發光單元為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發光單元以並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。進一步改進的，所述襯底為絕緣型襯底(如藍寶石襯底)，所述發光單元為臺形結構，臺形的臺基為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形中的一種，臺面為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形中的一種，發光單元以串聯或並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。進一步改進的，所述正圓臺形和倒圓臺形的側壁與垂直方向的夾角為0° -60°。與現有技術相比，本發明的有益效果是
1、本發明保持襯底為長方體，而外延層分割成多個小尺寸的圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形發光單元，既使得晶片與晶片之間的切割工藝較為簡單，又能增強各發光單元側面傳播的光線的出光效率；
2、本發明發光單元的側壁製備有微結構，這種側面粗化的微結構在發光單元和臺形結構的製程中一併製作完成，既不增加晶片製作的工序，又能有效地提高發光單元的出光效率；
3、本發明發光單元的尺寸較小，且電極單獨設計，電流分布更均勻，能有效地提高發光單元的電注入效率，從而增強發光單元的發光效率。
圖1導電型襯底，發光單元為圓柱形的大尺寸LED晶片結構示意 圖2導電型襯底，發光單元為圓柱形的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意 圖3導電型襯底，圓柱形發光單元有半圓形側面微結構的大尺寸LED晶片結構示意
圖；圖4導電型襯底,發光單元為正圓臺形的大尺寸LED晶片結構示意 圖5導電型襯底，發光單元為倒圓臺形的大尺寸LED晶片結構示意 圖6導電型襯底，圓柱形發光單元並聯的大尺寸LED晶片的俯視 圖7導電型襯底，圓柱形發光單元並聯的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意圖。圖8絕緣型襯底，發光單元臺基和臺面均為圓柱形的大尺寸LED晶片結構示意 圖9絕緣型襯底，發光單元臺基和臺面均為圓柱形的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意 圖10絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發光單元有半圓形側面微結構的大尺寸LED晶片結構示意圖；
圖11絕緣型襯底，發光單元臺基為正圓臺形且臺面為圓柱形的大尺寸LED晶片結構示意 圖12絕緣型襯底，發光單元臺基為倒圓臺形且臺面為圓柱形的大尺寸LED晶片結構示意 圖13絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發光單元串聯的大尺寸LED晶片的俯視
圖14絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發光單元串聯的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意 圖15絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發光單元並聯的大尺寸LED晶片的俯視
圖16絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發光單元並聯的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施作進一步說明，但本發明的實施和保護範圍不限於此。以4X4周期分布的發光單元陣列為例，對於碳化矽、磷化鎵、砷化鎵、氮化鎵等導電型襯底的大尺寸LED晶片，如圖1是發光單元為圓柱形的大尺寸LED晶片結構示意圖。襯底I是長方體，外延層通過光刻和刻蝕工藝形成圓柱形發光單元2。如圖2是發光單元為圓柱形的大尺寸LED晶片橫截面結構示意圖。每個發光單元由緩衝層5、n型半導體材料6和7、多量子阱發光層8、p型半導體材料9、電流擴展層10組成。在所述發光單元的光刻工藝中，可修改掩模版，在發光單元的邊緣處設計周期分布的半圓形微結構，並通過刻蝕工藝與發光單元一併製作完成。如圖3所示，是圓柱形發光單元有半圓形側面微結構的大尺寸LED晶片結構示意圖。導電型襯底的大尺寸LED晶片的發光單元還可以是其它形狀。如圖4所示，發光單元為正圓臺形。如圖5所示,發光單元為倒圓臺形。對於導電型襯底的大尺寸LED晶片，發光單元以並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。每個發光單元都工作在小電流小電壓狀態，如20mA、3. 2V ;而整個LED晶片工作在大電流小電壓狀態，如320mA、3. 2V。如圖6所示，是圓柱形發光單元並聯的大尺寸LED晶片的俯視圖。每個發光單元的P型電極11設計為圓盤形或圓環形。晶片邊緣處的其中兩個發光單元的P型電極為圓盤形，作為器件封裝中焊線工藝的焊盤；其它發光單元的P型電極為圓環形，以減少對出射光的反射和吸收。發光單元的P型電極11之間採用電極連接橋12連接。如圖7所示，是圓柱形發光單元並聯的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意圖。電極連接橋12分布在二氧化矽絕緣隔離層14的表面。二氧化矽絕緣隔離層的製備方法是，採用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積二氧化矽，並採用化學機械拋光(CMP)，使得二氧化矽的表面與發光單元的表面齊平。由於襯底導電，在襯底的底部製備η型電極13。單個大尺寸LED晶片製備一個η型電極，其形狀為目字形。對於藍寶石等絕緣型襯底的大尺寸LED晶片，在製備出相互隔離的發光單元之後，還需經過光刻和刻蝕工藝製備出臺形(Mesa)結構，以暴露出η型半導體材料6,進行η型電極設計。如圖8所示，發光單元2製備出臺形結構後，外延層臺形結構的臺基部分3和臺面部分4均為圓柱形的大尺寸LED晶片結構示意圖。如圖9是發光單元臺基和臺面均為 圓柱形的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意圖。每個發光單元由緩衝層5、臺基部分的η型半導體材料6、臺面部分的η型半導體材料7、多量子阱發光層8、ρ型半導體材料9、電流擴展層10組成。在所述發光單元和臺形結構的光刻工藝中，可修改掩模版，在發光單元臺形結構的臺基和臺面的邊緣處設計周期分布的半圓形微結構，並通過刻蝕工藝與發光單元或臺形結構一併製作完成。如圖10所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發光單元有半圓形側面微結構的大尺寸LED晶片結構示意圖。絕緣型襯底的大尺寸LED晶片的發光單元的臺形結構還可以是其它形狀。如圖11所示，發光單元的臺基為正圓臺形，臺面為圓柱形。如圖12所示，發光單元的臺基為倒圓臺形，臺面為圓柱形。對於絕緣型襯底的大尺寸LED晶片，發光單元以串聯或並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。發光單元串聯時，每個發光單元都工作在小電流小電壓狀態，如20mA、3. 2V ；而整個LED晶片工作在小電流大電壓狀態，如20mA、51. 2V。如圖13所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發光單元串聯的大尺寸LED晶片的俯視圖。每個發光單元的P型電極11設計為圓盤形或圓環形。第一個發光單元的P型電極為圓盤形，作為器件封裝中焊線工藝的焊盤；其它發光單元的P型電極為圓環形，以減少對出射光的反射和吸收。第一個發光單元的η型電極13與第二個發光單元的P型電極11採用電極連接橋12連接，第二個發光單元的η型電極13與第三個發光單元的P型電極11採用電極連接橋12連接，所有發光單元都以此規則按照順序依次相連。每個發光單元的η型電極設計為圓盤形或圓環形，但在電極連接橋處留有缺口。最後一個發光單元的η型電極為圓環與圓盤的複合結構，其中圓盤作為器件封裝中焊線工藝的焊盤；這個發光單元的臺形結構也因此在η型電極附近有一個圓形缺口。如圖14所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發光單元串聯的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意圖。由於前一個發光單元的η型電極和後一個發光單元的P型電極不在同一水平面上，電極需要在垂直方向上連接。先採用PECVD工藝和CMP工藝使得發光單元間的二氧化矽絕緣隔離層14的表面與發光單元的表面齊平，再經過刻蝕工藝製備通向η型電極的孔洞，然後採用電子束蒸發工藝製備電極連接橋12。發光單元並聯時，每個發光單元都工作在小電流小電壓狀態，如20mA、3. 2V ;而整個LED晶片工作在大電流小電壓狀態，如320mA、3. 2V。如圖15所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發光單元並聯的大尺寸LED晶片的俯視圖。每個發光單元的p型電極11設計為圓盤形或圓環形。晶片邊緣處的其中一個發光單元的P型電極為圓盤形，作為器件封裝中焊線工藝的焊盤；其它發光單元的P型電極為圓環形，以減少對出射光的反射和吸收。發光單元的P型電極11之間採用電極連接橋12連接，η型電極13之間也採用電極連接橋12連接。每個發光單元的η型電極13設計為圓盤形或圓環形。晶片邊緣處的其中一個發光單元的η型電極為圓環與圓盤的複合結構，其中圓盤作為器件封裝中焊線工藝的焊盤，這個發光單元的臺形結構也因此在η型電極附近有一個圓形缺口。如圖16所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發光單元並聯的大尺寸LED晶片的橫截面結構示意圖。P型電極11位於發光單元臺形結構的臺面部分4的表面，因此P型電極之間的電極連接橋就分布在二氧化矽絕緣隔離層14的表面。η型電極13位於發光單元臺形結構臺基3的表面，因此，先採用PECVD工藝和CMP工藝使得發光單元間的二氧化矽絕緣隔離層14的表面與發光單元臺形結構臺面 4的表面齊平，再經過刻蝕工藝製備通向η型電極的孔洞，然後採用電子束蒸發工藝製備電極連接橋12，則η型電極之間的電極連接橋也分布在二氧化矽絕緣隔離層14的表面。P型電極之間的電極連接橋與η型電極之間的電極連接橋要相互錯開，避免短路。
權利要求
1.一種具有新型發光單元結構的大尺寸LED晶片，包括襯底和外延層，其特徵在於所述襯底為長方體，所述外延層分割成多個發光單元，發光單元的側壁具有微結構。
2.如權利要求1所述的大尺寸LED晶片，其特徵在於所述發光單元的橫截面中最大寬度為100 μ m-500 μ m,各發光單元的橫截面的尺寸相同或者不同，發光單元的排列呈隨機分布或周期分布。
3.如權利要求1所述的大尺寸LED晶片，其特徵在於所述發光單元的側壁具有的微結構的橫截面形狀為三角形、矩形、半圓形、拋物線型、正弦形中的一種以上，微結構的橫截面中最大寬度為O. 15 μ m- ο μ m，微結構在發光單元側壁的排列呈隨機分布或周期分布。
4.如權利要求1所述的大尺寸LED晶片，其特徵在於所述發光單元的電極為圓盤形、圓環形、矩形、十字形、目字形或田字形，發光單元通過電極連接橋並聯或者串聯。
5.如權利要求1所述的大尺寸LED晶片，其特徵在於所述襯底為導電型襯底，所述發光單元為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發光單元以並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。
6.如權利要求1所述的大尺寸LED晶片，其特徵在於所述襯底為絕緣型襯底，所述發光單元為臺形結構，臺形的臺基為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形中的一種，臺面為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形中的一種，發光單元以串聯或並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。
7.如權利要求5或6所述的大尺寸LED晶片，其特徵在於所述正圓臺形和倒圓臺形的側壁與垂直方向的夾角為0° -60°。
全文摘要
本發明公開一種具有新型發光單元結構的大尺寸LED晶片，其襯底為長方體，而外延層分割成多個發光單元，發光單元側壁製備有微結構，微結構呈隨機分布或周期分布。對於導電型襯底，所述發光單元為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發光單元以並聯的形式組成單個的大功率LED晶片；對於絕緣型襯底的大尺寸LED晶片，所述發光單元臺形結構的臺基和臺面分別為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發光單元以串聯或並聯的形式組成單個的大功率LED晶片。本發明保持簡單的晶片切割工藝，而對晶片內部的發光單元應用塑形技術和側面粗化技術，並對電極優化設計，增強各發光單元的光提取效率和電注入效率，從而提高大尺寸LED晶片的發光效率。
文檔編號H01L27/15GK103022070SQ201210476298
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者黃華茂, 王洪, 楊潔, 耿魁偉 申請人:華南理工大學