專利名稱：一種具有新型發(fā)光單元結(jié)構(gòu)的大尺寸led芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED芯片領(lǐng)域，特別是涉及一種提高大尺寸LED芯片發(fā)光效率的新型結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
雖然LED芯片及器件已經(jīng)開始商品化，但是限制其廣泛應(yīng)用的主要問題仍然是高成本與低發(fā)光效率，單位流明/瓦的價格偏高。提高LED發(fā)光效率的途徑是提高其內(nèi)量子效率和光提取效率。由于工藝進(jìn)步及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，LED芯片的內(nèi)量子效率達(dá)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(tǒng)LED芯片的光提取效率很低，成為高能效LED的主要瓶頸。例如，在藍(lán)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(nèi)部的光線，經(jīng)不同材料的分界面多次反射后，最終被有源層、金屬電極、焊點以及襯底吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。因此，設(shè)計新的芯片結(jié)構(gòu)改善光提取效率是提高LED發(fā)光效率的主要途徑。一般的LED芯片外形都是長方體，光線從折射率較高的半導(dǎo)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(qū)域。為了增強(qiáng)側(cè)向傳播的光線的出光效率，已有文獻(xiàn)報道異型結(jié)構(gòu)的單個LED芯片，包括倒金字塔結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)(Wang, X. H. , et al. (2010). Journal of Applied Physics 108(2): 023110)和圓柱形結(jié)構(gòu)(Wang, X. Η. , et al. (2009). Opt. Express 17(25) : 22311-22319)。但是，由于藍(lán)寶石襯底的硬度很高，倒金字塔結(jié)構(gòu)的加工難度大、成本高。對于傳統(tǒng)的長方體結(jié)構(gòu)，工業(yè)上的芯片切割工藝只需多次橫向切割和縱向切割即可完成；而對于大部分的多邊形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)，切割工藝復(fù)雜，良率也低。為便于工業(yè)上的芯片切割，可保持襯底為長方體。僅對外延層進(jìn)行塑形，也可增強(qiáng)側(cè)面?zhèn)鞑サ墓饩€的出光效率，已有文獻(xiàn)報道包括倒金字塔結(jié)構(gòu)(Chih-Chiang，K.， et al. (2005). Photonics Technology Letters, IEEE 17(1): 19-21)和正圓臺結(jié)構(gòu)(Jae-Soong, L. , et al. (2006). Photonics Technology Letters, IEEE 18(15):1588-1590)。此外，在傳統(tǒng)小尺寸LED芯片上的側(cè)面粗化技術(shù)(Chang, C. S. , et al. (2004).Photonics Technology Letters, IEEE 16(3): 750-752)可進(jìn)一步增強(qiáng)側(cè)面?zhèn)鞑サ墓饩€的
出光效率。芯片塑形技術(shù)和側(cè)面粗化技術(shù)對小尺寸的芯片具有較好的效果。但由于半導(dǎo)體材料的吸收，對于大尺寸的LED芯片，這兩種技術(shù)僅對芯片邊緣的光線有效。為提高大尺寸LED芯片的發(fā)光效率，一個辦法就是將大尺寸的LED芯片劃分為多個小尺寸的發(fā)光單元，以減少光線的逃逸路徑。對每個發(fā)光單元應(yīng)用塑形技術(shù)和側(cè)面粗化技術(shù)，可有效地增強(qiáng)大尺寸LED芯片的光提取效率。
對于具備多個發(fā)光單元的大尺寸LED芯片，包括大功率的高壓LED芯片，芯片與芯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(fā)光單元與發(fā)光單元的分割只需要經(jīng)過光刻工藝和刻蝕工藝，所以發(fā)光單元可為任意的形狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供具有新型發(fā)光單元結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
一種具有新型發(fā)光單元結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片，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(fā)光單元，發(fā)光單元的側(cè)壁具有微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步改進(jìn)的,所述發(fā)光單元的橫截面中最大寬度為100μπι-500μπι，各發(fā)光單元的橫截面的尺寸相同或者不同，發(fā)光單元的排列呈隨機(jī)分布或周期分布。進(jìn)一步改進(jìn)的，所述發(fā)光單元的側(cè)壁具有的微結(jié)構(gòu)的橫截面形狀包括但不限于三角形、矩形、半圓形、拋物線型、正弦形，微結(jié)構(gòu)的橫截面中最大寬度為O. 15 μ m- ο μ m,微結(jié)構(gòu)在發(fā)光單元側(cè)壁的排列呈隨機(jī)分布或周期分布。進(jìn)一步改進(jìn)的，所述發(fā)光單元的電極形狀包括但不限于圓盤形、圓環(huán)形、矩形、十字形、目字形或田字形，發(fā)光單元通過電極連接橋并聯(lián)或者串聯(lián)。進(jìn)一步改進(jìn)的，所述襯底為導(dǎo)電型襯底(如碳化硅、磷化鎵、砷化鎵、氮化鎵等導(dǎo)電型襯底)，所述發(fā)光單元為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發(fā)光單元以并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。進(jìn)一步改進(jìn)的，所述襯底為絕緣型襯底(如藍(lán)寶石襯底)，所述發(fā)光單元為臺形結(jié)構(gòu)，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(fā)光單元以串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。進(jìn)一步改進(jìn)的，所述正圓臺形和倒圓臺形的側(cè)壁與垂直方向的夾角為0° -60°。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)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(fā)光單元，既使得芯片與芯片之間的切割工藝較為簡單，又能增強(qiáng)各發(fā)光單元側(cè)面?zhèn)鞑サ墓饩€的出光效率；
2、本發(fā)明發(fā)光單元的側(cè)壁制備有微結(jié)構(gòu)，這種側(cè)面粗化的微結(jié)構(gòu)在發(fā)光單元和臺形結(jié)構(gòu)的制程中一并制作完成，既不增加芯片制作的工序，又能有效地提高發(fā)光單元的出光效率；
3、本發(fā)明發(fā)光單元的尺寸較小，且電極單獨設(shè)計，電流分布更均勻，能有效地提高發(fā)光單元的電注入效率，從而增強(qiáng)發(fā)光單元的發(fā)光效率。


圖1導(dǎo)電型襯底，發(fā)光單元為圓柱形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖2導(dǎo)電型襯底，發(fā)光單元為圓柱形的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖3導(dǎo)電型襯底，圓柱形發(fā)光單元有半圓形側(cè)面微結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意
圖；圖4導(dǎo)電型襯底,發(fā)光單元為正圓臺形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖5導(dǎo)電型襯底，發(fā)光單元為倒圓臺形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖6導(dǎo)電型襯底，圓柱形發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的俯視 圖7導(dǎo)電型襯底，圓柱形發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8絕緣型襯底，發(fā)光單元臺基和臺面均為圓柱形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖9絕緣型襯底，發(fā)光單元臺基和臺面均為圓柱形的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖10絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元有半圓形側(cè)面微結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖11絕緣型襯底，發(fā)光單元臺基為正圓臺形且臺面為圓柱形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖12絕緣型襯底，發(fā)光單元臺基為倒圓臺形且臺面為圓柱形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖13絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元串聯(lián)的大尺寸LED芯片的俯視
圖14絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元串聯(lián)的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖15絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的俯視
圖16絕緣型襯底，臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實施和保護(hù)范圍不限于此。以4X4周期分布的發(fā)光單元陣列為例，對于碳化硅、磷化鎵、砷化鎵、氮化鎵等導(dǎo)電型襯底的大尺寸LED芯片，如圖1是發(fā)光單元為圓柱形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)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(fā)光單元2。如圖2是發(fā)光單元為圓柱形的大尺寸LED芯片橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。每個發(fā)光單元由緩沖層5、n型半導(dǎo)體材料6和7、多量子阱發(fā)光層8、p型半導(dǎo)體材料9、電流擴(kuò)展層10組成。在所述發(fā)光單元的光刻工藝中，可修改掩模版，在發(fā)光單元的邊緣處設(shè)計周期分布的半圓形微結(jié)構(gòu)，并通過刻蝕工藝與發(fā)光單元一并制作完成。如圖3所示，是圓柱形發(fā)光單元有半圓形側(cè)面微結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。導(dǎo)電型襯底的大尺寸LED芯片的發(fā)光單元還可以是其它形狀。如圖4所示，發(fā)光單元為正圓臺形。如圖5所示,發(fā)光單元為倒圓臺形。對于導(dǎo)電型襯底的大尺寸LED芯片，發(fā)光單元以并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。每個發(fā)光單元都工作在小電流小電壓狀態(tài)，如20mA、3. 2V ;而整個LED芯片工作在大電流小電壓狀態(tài)，如320mA、3. 2V。如圖6所示，是圓柱形發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的俯視圖。每個發(fā)光單元的P型電極11設(shè)計為圓盤形或圓環(huán)形。芯片邊緣處的其中兩個發(fā)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(fā)光單元的P型電極為圓環(huán)形，以減少對出射光的反射和吸收。發(fā)光單元的P型電極11之間采用電極連接橋12連接。如圖7所示，是圓柱形發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。電極連接橋12分布在二氧化硅絕緣隔離層14的表面。二氧化硅絕緣隔離層的制備方法是，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積二氧化硅，并采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，使得二氧化硅的表面與發(fā)光單元的表面齊平。由于襯底導(dǎo)電，在襯底的底部制備η型電極13。單個大尺寸LED芯片制備一個η型電極，其形狀為目字形。對于藍(lán)寶石等絕緣型襯底的大尺寸LED芯片，在制備出相互隔離的發(fā)光單元之后，還需經(jīng)過光刻和刻蝕工藝制備出臺形(Mesa)結(jié)構(gòu)，以暴露出η型半導(dǎo)體材料6,進(jìn)行η型電極設(shè)計。如圖8所示，發(fā)光單元2制備出臺形結(jié)構(gòu)后，外延層臺形結(jié)構(gòu)的臺基部分3和臺面部分4均為圓柱形的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。如圖9是發(fā)光單元臺基和臺面均為 圓柱形的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。每個發(fā)光單元由緩沖層5、臺基部分的η型半導(dǎo)體材料6、臺面部分的η型半導(dǎo)體材料7、多量子阱發(fā)光層8、ρ型半導(dǎo)體材料9、電流擴(kuò)展層10組成。在所述發(fā)光單元和臺形結(jié)構(gòu)的光刻工藝中，可修改掩模版，在發(fā)光單元臺形結(jié)構(gòu)的臺基和臺面的邊緣處設(shè)計周期分布的半圓形微結(jié)構(gòu)，并通過刻蝕工藝與發(fā)光單元或臺形結(jié)構(gòu)一并制作完成。如圖10所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元有半圓形側(cè)面微結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。絕緣型襯底的大尺寸LED芯片的發(fā)光單元的臺形結(jié)構(gòu)還可以是其它形狀。如圖11所示，發(fā)光單元的臺基為正圓臺形，臺面為圓柱形。如圖12所示，發(fā)光單元的臺基為倒圓臺形，臺面為圓柱形。對于絕緣型襯底的大尺寸LED芯片，發(fā)光單元以串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。發(fā)光單元串聯(lián)時，每個發(fā)光單元都工作在小電流小電壓狀態(tài)，如20mA、3. 2V ；而整個LED芯片工作在小電流大電壓狀態(tài)，如20mA、51. 2V。如圖13所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元串聯(lián)的大尺寸LED芯片的俯視圖。每個發(fā)光單元的P型電極11設(shè)計為圓盤形或圓環(huán)形。第一個發(fā)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(fā)光單元的P型電極為圓環(huán)形，以減少對出射光的反射和吸收。第一個發(fā)光單元的η型電極13與第二個發(fā)光單元的P型電極11采用電極連接橋12連接，第二個發(fā)光單元的η型電極13與第三個發(fā)光單元的P型電極11采用電極連接橋12連接，所有發(fā)光單元都以此規(guī)則按照順序依次相連。每個發(fā)光單元的η型電極設(shè)計為圓盤形或圓環(huán)形，但在電極連接橋處留有缺口。最后一個發(fā)光單元的η型電極為圓環(huán)與圓盤的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中圓盤作為器件封裝中焊線工藝的焊盤；這個發(fā)光單元的臺形結(jié)構(gòu)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(fā)光單元串聯(lián)的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。由于前一個發(fā)光單元的η型電極和后一個發(fā)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。先采用PECVD工藝和CMP工藝使得發(fā)光單元間的二氧化硅絕緣隔離層14的表面與發(fā)光單元的表面齊平，再經(jīng)過刻蝕工藝制備通向η型電極的孔洞，然后采用電子束蒸發(fā)工藝制備電極連接橋12。發(fā)光單元并聯(lián)時，每個發(fā)光單元都工作在小電流小電壓狀態(tài)，如20mA、3. 2V ;而整個LED芯片工作在大電流小電壓狀態(tài)，如320mA、3. 2V。如圖15所示，是臺基和臺面均為圓柱形的發(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的俯視圖。每個發(fā)光單元的p型電極11設(shè)計為圓盤形或圓環(huán)形。芯片邊緣處的其中一個發(fā)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(fā)光單元的P型電極為圓環(huán)形，以減少對出射光的反射和吸收。發(fā)光單元的P型電極11之間采用電極連接橋12連接，η型電極13之間也采用電極連接橋12連接。每個發(fā)光單元的η型電極13設(shè)計為圓盤形或圓環(huán)形。芯片邊緣處的其中一個發(fā)光單元的η型電極為圓環(huán)與圓盤的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中圓盤作為器件封裝中焊線工藝的焊盤，這個發(fā)光單元的臺形結(jié)構(gòu)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(fā)光單元并聯(lián)的大尺寸LED芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。P型電極11位于發(fā)光單元臺形結(jié)構(gòu)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硅絕緣隔離層14的表面。η型電極13位于發(fā)光單元臺形結(jié)構(gòu)臺基3的表面，因此，先采用PECVD工藝和CMP工藝使得發(fā)光單元間的二氧化硅絕緣隔離層14的表面與發(fā)光單元臺形結(jié)構(gòu)臺面 4的表面齊平，再經(jīng)過刻蝕工藝制備通向η型電極的孔洞，然后采用電子束蒸發(fā)工藝制備電極連接橋12，則η型電極之間的電極連接橋也分布在二氧化硅絕緣隔離層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(quán)利要求
1.一種具有新型發(fā)光單元結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片，包括襯底和外延層，其特征在于所述襯底為長方體，所述外延層分割成多個發(fā)光單元，發(fā)光單元的側(cè)壁具有微結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述發(fā)光單元的橫截面中最大寬度為100 μ m-500 μ m,各發(fā)光單元的橫截面的尺寸相同或者不同，發(fā)光單元的排列呈隨機(jī)分布或周期分布。
3.如權(quán)利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述發(fā)光單元的側(cè)壁具有的微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的橫截面中最大寬度為O. 15 μ m- ο μ m，微結(jié)構(gòu)在發(fā)光單元側(cè)壁的排列呈隨機(jī)分布或周期分布。
4.如權(quán)利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述發(fā)光單元的電極為圓盤形、圓環(huán)形、矩形、十字形、目字形或田字形，發(fā)光單元通過電極連接橋并聯(lián)或者串聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述襯底為導(dǎo)電型襯底，所述發(fā)光單元為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發(fā)光單元以并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。
6.如權(quán)利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述襯底為絕緣型襯底，所述發(fā)光單元為臺形結(jié)構(gòu)，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(fā)光單元以串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。
7.如權(quán)利要求5或6所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述正圓臺形和倒圓臺形的側(cè)壁與垂直方向的夾角為0° -60°。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有新型發(fā)光單元結(jié)構(gòu)的大尺寸LED芯片，其襯底為長方體，而外延層分割成多個發(fā)光單元，發(fā)光單元側(cè)壁制備有微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)呈隨機(jī)分布或周期分布。對于導(dǎo)電型襯底，所述發(fā)光單元為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發(fā)光單元以并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片；對于絕緣型襯底的大尺寸LED芯片，所述發(fā)光單元臺形結(jié)構(gòu)的臺基和臺面分別為圓柱形、正圓臺形或倒圓臺形，發(fā)光單元以串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成單個的大功率LED芯片。本發(fā)明保持簡單的芯片切割工藝，而對芯片內(nèi)部的發(fā)光單元應(yīng)用塑形技術(shù)和側(cè)面粗化技術(shù)，并對電極優(yōu)化設(shè)計，增強(qiáng)各發(fā)光單元的光提取效率和電注入效率，從而提高大尺寸LED芯片的發(fā)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(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者黃華茂, 王洪, 楊潔, 耿魁偉 申請人:華南理工大學(xué)