[发明专利]垂直结构金属衬底准光子晶体HB-LED芯片及制造方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直结构金属衬底准光子晶体HB-LED芯片及制造方法与应用，属半导体光电子器件领域。

背景技术

高亮度发光二极管(High Brightness LED，HB-LED)作为第四代光源(半导体固态照明，Solid State Lighting，SSL)的主体，它具有节能、环保、寿命长、体积小、重量轻、抗震、安全性好(低电压驱动)，响应时间短、冷光源、色彩丰富、应用范围广等众多优点，目前HB-LED已经广泛应用于LCD背光照明光源、汽车照明、室内外通用照明、显示屏、交通信号灯、景观照明、微型投影机等众多领域。随着亮度的增加、功率的提高和成本的进一步降低，它已经展现出越来越广泛的应用前景。2009年高亮度LED的产值接近60亿美元，2012年预计将逼近100亿美元，2020年将达到1000亿美元。目前HB-LED已经呈现出爆炸性增长。但是目前HB-LED面临两个极具挑战性问题和技术瓶颈：(1)发光效率低；(2)成本高，这严重影响和制约HB-LED进入通用照明和更加广泛的应用和市场的推广和普及。因此，增加发光效率，提高亮度和功率，降低成本已经成为目前HB-LED迫切亟需解决和克服的技术难题。

LED的发光效率一般称为组件的外部量子效率，为组件的内部量子效率与组件光提取效率的乘积。内部量子效率主要与组件本身的特性，如组件材料的能带、缺陷、杂质及组件的磊晶组成及结构等相关。由于HB-LED通常采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，在精确控制生长和掺杂，以及减少缺陷等方面已取得突破性进展，其外延片的内部量子效率已经接近理论内部量子效率的极限。因此，通过提升内部量子效率来提高LED发光效率的空间已经不大，目前工业界主要通过增加光提取效率的方法提高LED的发光效率。

目前学术业界和工业界已经提出多种提高光提取效率的方法：倒装(FlipChip)、反射层(金属反射层、分布布拉格反射层、全反射层)、图形化衬底、表面粗化(Surface Roughening)、光子晶体、透明衬底(Transparent Substrate，TS)、三维垂直结构、激光剥离(Laser Lifi-off，LLO)、欧姆电极形状的优化、芯片形状几何化结构(抛物线、半球形、三角形等)、衬底转移、工艺方面的改进(封装、散热、对于白光考虑荧光粉的选择)等。但是，根据美国光电产业协会(OIDA)的研究报告，只有当单个封装的大功率高HB-LED器件的功率达到7.5W以上，发光效率超过200lm/W，LED才有可能完全替代现有的各种照明光源，成为通用照明的主要光源。尽管工业界和学术界已经开展了大量的研究，但目前HB-LED远远没有达到该技术要求，HB-LED仍然面临进一步提高亮度的要求。此外，与现有的第二代和三代光源相比，HB-LED目前其价格过高，同时也是目前制约HB-LED进入通用照明领域最大的障碍。因此，发光效率低和成本高是当前HB-LED所面临最大的挑战性问题，也是亟待解决和突破的核心问题。

光子晶体LED目前被业界认为是提高取光效率，实现超高亮度LED最有效的技术手段之一。理论研究显示指出，通过合理设计光子晶体的几何结构参数(形状、周期、高度、占空比等参数)，即使采用常规芯片结构，并保持原有的衬底，采用表面光子晶体其出光效率也可以达到40％。Philips Lumileds研究人员2009年开发出光提取效率达到73％的光子晶体LED(该小组的最佳组件具有厚700nm的氮化镓膜，并以干法刻蚀方式制作250nm深的光子晶体图形，以便让光绕射离开LED。最理想的光子晶体具有A13晶格，它是单位晶胞由13个孔洞组成的三角图形，晶格常数为450nm)，其最高亮度是目前一般LED的2倍(Nature，Photonics，Vol.3，p.163，2009.)。Luminus Devices较早的采用了光子晶体，2008年年底获得了107lm/W的光子晶体LED，成为该器件新的性能标志。该公司已将开发出高亮度光子晶体PhatLight LED应用在一些高端电视中(例如三星56寸背投电视)和微型投影机。Cree在2008年底获得了107lm/W的光子晶体LED，成为该组件新的性能标志。