基于《半導(dǎo)體制造技術(shù)》工藝提高發(fā)光二極管（LED）效率的關(guān)鍵技術(shù)探討

郝惠蓮 李文堯

【摘要】本文主要介紹了發(fā)光二極管的一種倒裝高反射層芯片結(jié)構(gòu)及其制作方法。該芯片結(jié)構(gòu)及制備技術(shù)能夠改善反光層的光吸收問題，提高倒裝LED芯片的光子提取效率，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

【關(guān)鍵詞】發(fā)光二極管 倒裝芯片 高反射層 發(fā)光效率

【基金項(xiàng)目】《半導(dǎo)體制造技術(shù)》課程建設(shè)項(xiàng)目，編號(hào)為：k201605006，《半導(dǎo)體物理導(dǎo)論》課程建設(shè)項(xiàng)目，編號(hào)為：Z201405004。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）04-0232-01

發(fā)光二極管（LED）具有省電、壽命長、及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，自二十世紀(jì)六十年代以來迅速發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前LED已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于車燈，辦公室、商場和影院等場所的照明以及一些電子產(chǎn)品的背光指示燈。發(fā)光LED的常見材料有第IV主族如碳化硅，III-VI族如氮化鎵（GaN）、砷化鎵及磷化鎵等。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)光源相比，GaN二極管具有壽命長，可靠性高，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是替代傳統(tǒng)照明的新型固體光源。

目前，LED芯片主要是正裝結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電極都位于芯片的出光面，而電極和焊點(diǎn)都會(huì)吸收部分光，從而導(dǎo)致了出光效率的降低，而且這種結(jié)構(gòu)芯片的p-n結(jié)的熱量，通過藍(lán)寶石襯底傳導(dǎo)出去，導(dǎo)熱路徑較長，芯片熱阻較大。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的電極引線也會(huì)擋住部分光進(jìn)入器件封裝，導(dǎo)致出光效率的降低。因此，正裝芯片雖然工藝相對(duì)簡單成熟，但無論是功率、出光效率還是熱性能都不可能是最優(yōu)的。

為了提高傳統(tǒng)LED的發(fā)光效率，1998年，Lumileds Lighting公司首先提出了倒裝芯片的概念。所謂倒裝芯片，即是通過芯片上的凸點(diǎn)直接將元器件朝下互聯(lián)到基板、載體或者電路板上，芯片直接通過凸點(diǎn)直接連接基板和載體上，整個(gè)芯片稱為倒裝芯片（FC）。在氮化鎵二極管的FC結(jié)構(gòu)中，光從藍(lán)寶石襯底取出，不必從電流擴(kuò)散層取出，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)還可以將P-n結(jié)的熱量直接通過金屬層導(dǎo)出，散熱效果更好；而且在p-n結(jié)與p電極之間增加了一個(gè)反光層，消除了電極和引線的擋光，因此這種結(jié)構(gòu)具有電、光、熱等方面較優(yōu)的特性。倒裝芯片中反光層的設(shè)計(jì)，一方面要考慮到反光層與GaN的粘附性要牢，同時(shí)還要考慮到高的反射率以及優(yōu)良的電流擴(kuò)展性，這樣才能有效地提升光子提取效率。目前倒裝芯片都采用金屬作為反光層，但金屬的反射率有限，不能完全充分地將光子反射出去，影響了倒裝芯片的光子提取效率。

本論文為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種高反射層倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)及其制作方法，該技術(shù)能夠解決反光層的光吸收問題，提高倒裝LED芯片的光子提取效率。該結(jié)構(gòu)可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種高反射層倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)寶石襯底、外延結(jié)構(gòu)層、反光層、絕緣層和接觸金屬層，所述藍(lán)寶石襯底上表面生長有外延結(jié)構(gòu)層，由下至上依次包括N-GaN層和P-GaN層，該P(yáng)-GaN層上蝕刻有延伸至N-GaN層的N區(qū)電極槽，反光層和絕緣層覆蓋于P-GaN層上，并使P-GaN層上部分區(qū)域裸露，形成P區(qū)電極槽，接觸金屬層包括互不接觸的P區(qū)接觸金屬和N區(qū)接觸金屬。透光導(dǎo)電層主要為TiO薄膜，其厚度為10～100微米，能夠達(dá)到較好的透光效果，同時(shí)又能保證電流的擴(kuò)展作用。如果厚度太厚，會(huì)降低透光性，如果厚度太薄，電流擴(kuò)展作用就會(huì)變差。

反射層為由至少一對(duì)SiO2和Ti3O5相互間隔形成周期性結(jié)構(gòu)層，每層SiO2的厚度小于等于1微米，每層Ti3O5的厚度小于等于1微米，每一層SiO2和Ti3O5的厚度可以有差別，反射層中SiO2的總厚度最好控制在1000微米，Ti3O5的總厚度控制在400微米。N區(qū)電極槽的底部距離P-GaN層上表面的距離為1-2微米。接觸金屬層的P區(qū)接觸金屬和N區(qū)接觸金屬需采用強(qiáng)導(dǎo)電性的金屬，最好選用分層設(shè)置的Cr/Al/V/Ti/Ag，每層厚度分別為1nm/100nm/3nm/50nm/2000nm。

所述絕緣層可以為SiO2或者SiN，厚度為1微米，絕緣層還覆蓋N區(qū)電極槽和P區(qū)電極槽的側(cè)壁。

高反射層倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)的制備方法主要包括以下步驟：

1）在藍(lán)寶石襯底上依次生長出包括N-GaN層和P-GaN層的外延結(jié)構(gòu)層，并蝕刻出N區(qū)電極槽。

2）在P-GaN層的表面蒸鍍一層導(dǎo)電層以及一層留有空白區(qū)域的反射層，形成P區(qū)電極槽。

3）在所述P區(qū)電極槽和N區(qū)電極槽內(nèi)分別設(shè)置互不接觸的P區(qū)接觸金屬和N區(qū)接觸金屬，形成接觸金屬層。

透光導(dǎo)電層采用可以采用ITO薄膜，保證電流的充分?jǐn)U散。反射層是由兩種不同折射率的材料交替排列組成的周期性結(jié)構(gòu)，每層材料的光學(xué)厚度約為中心反射波長的四分之一，相當(dāng)于簡單的一組光子晶體。由于頻率落在能隙范圍內(nèi)的光子無法穿透，故反射層的反射率可達(dá)99%以上，大大減弱了金屬作為反射鏡時(shí)的光吸收問題，從而有效提高LED的光吸收效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳偉興，朱素愛.《LED封裝工藝與設(shè)備技術(shù)》，科學(xué)出版社，2015.

[2]戰(zhàn)瑛.《半導(dǎo)體光電器件封裝工藝》，電子工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：

郝惠蓮（1980年5月-），女，博士，講師，河南商丘人，主要從事半導(dǎo)體制造及應(yīng)用方面的研究。