垂直結(jié)構(gòu)超高亮度LED芯片研制解析

一、引言

目前，AlGaInP四元系發(fā)光二極管一般使用GaAs襯底，由于GaAs襯底的禁帶寬度比AlGaInP窄，有源區(qū)所產(chǎn)生的往下發(fā)射的光子將會(huì)被吸收掉，使得發(fā)光效率大幅度降低。為避免襯底吸光，通常在襯底與有源層之間加入一層分布布 拉格反射層（DBR） ，以反射射向襯底的光，減少GaAs的吸收。由于DBR反射層只對(duì)法線(xiàn)方向較小角度內(nèi)（通常qDBR＜20°）的光線(xiàn)能有效反射，其它遠(yuǎn)離法向入射的光線(xiàn)絕大部分都被GaAs襯底吸收，因而提升光效的效果有限。

為了提高發(fā)光效率，人們開(kāi)始進(jìn)行其它襯底代替GaAs吸收襯底的研究。其中一種方法就是用對(duì)可見(jiàn)光透明的GaP襯底取代GaAs襯底（TS） ，即用鍵合技術(shù)將長(zhǎng)有厚GaP窗口層的外延層結(jié)構(gòu)粘接在GaP襯底上，并腐蝕掉GaAs襯底，其發(fā)光效率可提高一倍以上，同時(shí)GaP的透明特性使得發(fā)光面積大增。然而，該工藝存在合格率低、使用設(shè)備復(fù)雜、制造成本高的缺點(diǎn)。近年來(lái)，臺(tái)灣開(kāi)始進(jìn)行了 倒裝襯底AlGaInP紅光芯片的制作研究，由于工藝適于批量化生產(chǎn)，且制造成本低，引起人們的廣泛興趣。

二、垂直芯片結(jié)構(gòu)及工藝

本文介紹了我公司進(jìn)行的AlGaInP紅光垂直結(jié)構(gòu)超高亮度LED芯片制作方法。首先進(jìn)行MOCVD外延，再以高熱導(dǎo)率Si、SiC、金屬等材料作為襯底，將LED外延層粘接在其上并制成芯片。其結(jié)構(gòu)為:工藝制作先在高熱導(dǎo)率材料表面上蒸鍍Au層作為反射鏡面和粘接層， 并通過(guò)加熱加壓將LED外延層與高熱導(dǎo)率襯底材料粘在一起， 再用選擇腐蝕的方法將原GaAs襯底腐蝕剝離掉，再經(jīng)蒸鍍、刻蝕、表面粗化等工藝制成以高熱導(dǎo)率材料為襯底的LED芯片。由于Au薄膜對(duì)紅光、對(duì)黃光有非常高的反射率，并且可反射所有入射角度的光（q a90°） ，因而可使出光效率提高接近3倍。DBR 及金屬反射層的反射率計(jì)算和測(cè)試結(jié)果 (a)DBR 結(jié)構(gòu)計(jì)算的法向反射譜
（q=0°）(b)金屬反射層反射譜（q=0°~90°）

三、LED 性能測(cè)試結(jié)果

表1：相同有源區(qū)結(jié)構(gòu)不同襯底12mil紅光LED芯片參數(shù)比較（I＝20mA條件下測(cè)量）

表1為12mil尺寸管芯，不同襯底紅光LED芯片的光電性能測(cè)試結(jié)果。從表中可以看到20mA測(cè)試電流下，雖然鏡面襯底LED芯片電壓略有所提升，從 1.9V升至1.92V（如圖3） ，但是其亮度提高了3倍，其主要原因是鏡面襯底自身高的反射率且可反射各個(gè)角度入射的光，另外表面粗化有效的減弱光在材料內(nèi)部的多次反射，折射及吸收，給光子提供了更多的出射機(jī)會(huì)；而鏡面襯底LED電壓的提高主要是由于粗化后芯片表面粗糙度增大，影響電流的傳輸，同時(shí)粘接層也使電 壓有所上升。

圖3不同襯底紅光 LED 伏安特性曲線(xiàn) 20mA下測(cè)試12mil不同襯底LED芯片的晶圓圖如圖4所示，鏡面襯底紅光LED 亮度、波長(zhǎng)分布非常均勻。如圖 5 所示，20mA 電流下，中心波長(zhǎng)為 623nm的12mil鏡面襯底紅光LED光效可達(dá)50lm/W，光效約是普通襯底LED的2.5倍以上。

圖4不同襯底 LED 亮度、波長(zhǎng)晶圓圖（a）普通襯底 LED 亮度晶圓圖（b）普通襯底 LED 波長(zhǎng)晶圓圖（c）鏡面襯底 LED亮度晶圓圖(d) 鏡面襯底 LED 波長(zhǎng)晶圓圖

四、結(jié)論：

本項(xiàng)目研發(fā)的金屬反射垂直結(jié)構(gòu)超高亮度AlGaInP紅光LED芯片大大提高了LED芯片的發(fā)光亮度，而且由于高熱導(dǎo)率襯底材料機(jī)械強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率高，可 大幅度改善產(chǎn)品的高溫特性，提高產(chǎn)品可靠性，在大功率應(yīng)用方面存在著其它 類(lèi)型LED無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。另外，由于鏡面結(jié)構(gòu)不需要較厚的GaP窗口層和DBR 層，可大幅度降低外延材料消耗，外延成本比普通GaAs襯底降低。高熱導(dǎo)率鏡面襯底高亮度LED的研制成功和規(guī)模化生產(chǎn)，是一條獲得低成本、高穩(wěn)定性，可在大功率應(yīng)用中發(fā)揮重要作用的有效途徑。