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垂直结构超高亮度LED芯片研制

发布者:topday   发布时间: 2010-01-11 10:28 浏览次数: :

一、引言
       目前,AlGaInP四元系发光二极管一般使用GaAs衬底,由于GaAs衬底的禁带宽度比AlGaInP窄,有源区所产生的往下发射的光子将会被吸收掉,使得发光效率大幅度降低。为避免衬底吸光,通常在衬底与有源层之间加入一层分布布 拉格反射层(DBR) ,以反射射向衬底的光,减少GaAs的吸收。由于DBR反射层只对法线方向较小角度内(通常qDBR<20°)的光线能有效反射,其它远离法向入射的光线绝大部分都被GaAs衬底吸收,因而提升光效的效果有限。

 

       为了提高发光效率,人们开始进行其它衬底代替GaAs吸收衬底的研究。其中一种方法就是用对可见光透明的GaP衬底取代GaAs衬底(TS) ,即用键合技术将长有厚GaP窗口层的外延层结构粘接在GaP衬底上,并腐蚀掉GaAs衬底,其发光效率可提高一倍以上,同时GaP的透明特性使得发光面积大增。然而,该工艺存在合格率低、使用设备复杂、制造成本高的缺点。近年来,台湾开始进行了 倒装衬底AlGaInP红光芯片的制作研究,由于工艺适于批量化生产,且制造成本低,引起人们的广泛兴趣

 

二、垂直芯片结构及工艺
       本文介绍了我公司进行的AlGaInP红光垂直结构超高亮度LED芯片制作方法。首先进行MOCVD外延,再以高热导率Si、SiC、金属等材料作为衬底,将LED外延层粘接在其上并制成芯片。其结构为:工艺制作先在高热导率材料表面上蒸镀Au层作为反射镜面和粘接层,  并通过加热加压将LED外延层与高热导率衬底材料粘在一起,  再用选择腐蚀的方法将原GaAs衬底腐蚀剥离掉,再经蒸镀、刻蚀、表面粗化等工艺制成以高热导率材料为衬底的LED芯片。由于Au薄膜对红光、对黄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  及金属反射层的反射率计算和测试结果  (a)DBR  结构计算的法向反射谱
(q=0°)(b)金属反射层反射谱(q=0°~90°)
 

三、LED 性能测试结果 


表1:相同有源区结构不同衬底12mil红光LED芯片参数比较(I=20mA条件下测量)

        表1为12mil尺寸管芯,不同衬底红光LED芯片的光电性能测试结果。从表中可以看到20mA测试电流下,虽然镜面衬底LED芯片电压略有所提升,从1.9V升至1.92V(如图3) ,但是其亮度提高了3倍,其主要原因是镜面衬底自身高的反射率且可反射各个角度入射的光,另外表面粗化有效的减弱光在材料内部的多次反射,折射及吸收,给光子提供了更多的出射机会;而镜面衬底LED电压的提高主要是由于粗化后芯片表面粗糙度增大,影响电流的传输,同时粘接层也使电 压有所上升。

 

 

 

       图  3 不同衬底红光 LED 伏安特性曲线 20mA下测试12mil不同衬底LED芯片的晶圆图如图4所示,镜面衬底红光LED 亮度、波长分布非常均匀。如图  5 所示,20mA 电流下,中心波长为  623nm的12mil镜面衬底红光LED光效可达50lm/W,光效约是普通衬底LED的2.5倍以上。

       图  4  不同衬底  LED 亮度、波长晶圆图(a)普通衬底  LED 亮度晶圆图(b)普通衬底  LED 波长晶圆图(c)镜面衬底  LED亮度晶圆图(d) 镜面衬底  LED  波长晶圆图

 

四、结论:
       本项目研发的金属反射垂直结构超高亮度AlGaInP红光LED芯片大大提高了LED芯片的发光亮度,而且由于高热导率衬底材料机械强度高,热导率高,可 大幅度改善产品的高温特性,提高产品可靠性,在大功率应用方面存在着其它 类型LED无法比拟的优势。另外,由于镜面结构不需要较厚的GaP窗口层和DBR 层,可大幅度降低外延材料消耗,外延成本比普通GaAs衬底降低。高热导率镜面衬底高亮度LED的研制成功和规模化生产,是一条获得低成本、高稳定性,可在大功率应用中发挥重要作用的有效途径。

 

本文链接:http://www.leddianyuan.com/jishuzixun/2010/0111/262.html

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