[发明专利]一种倒装焊LED芯片结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管芯片技术领域，尤其是涉及一种倒装焊接的LED芯片结构及其制作方法。

 

背景技术

 在全球能源危机的催生下，各种节能的光电器件应运而生，发光二极管（LED）依靠其低能耗、无污染、寿命长等特性，逐渐成为继白炽灯，荧光灯之后的第三代光源。白光 LED 照明耗电量低，耗电量是同等照明亮度的白炽灯的 20%，日光灯的 50%，具有节能、环保和绿色照明等独特优点。

尽管LED芯片已经商业化，但是LED芯片出光效率低的问题至今没有得到很好的解决。目前商业化的白光LED在室温20mA电流注入下光效是25 lm/W，而日常普遍使用的日光灯的光效是75 lm/W。LED这种低光效直接导致其在发光功率、散热以及可靠性等方面还与传统的荧光灯等光源存在一定差距，还无法替代传统光源而广泛应用于普通照明中。因此，提高LED的出光效率成为LED固态照明发展道路中需要迫切解决的问题之一。

LED芯片有两个重要指标参量：内量子效率和外量子效率。内量子效率是指多量子阱MQWs（Multi Quantum Wells）内产生的光子与注入电子的比值。内量子效率的提高主要靠优化材料的质量（晶体的缺陷的降低，掺杂浓度的调配，欧姆接触提高）、外延层的结构优化来达到。在目前成熟的外延技术条件下,LED的内量子效率均很高,甚至可以达到99%,可继续提升的空间不大。

外量子效率是指外量子效率是指在一定时间内向外部辐射出的光子数与产生的光子数之比 。氮化物外延层（ITO、GaN）和空气的反射系数差异较大,光能够传播出去的临界角约为23度，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率。不能出射的光在LED结区转换为热能，提高了结温，使晶格振动加剧，影响了内部量子效率，并使LED的寿命受到较大影响。因此，在提高LED出光效率时需要面对的一个重要的问题就是内部全反射TIR (Total internal reflection) 。所以在芯片结构层次做改进，大力提高LED的外量子效率成为现在的主要工作。  

　　同侧结构LED芯片选用蓝宝石做衬底，外延生长缓冲层、n型GaN（n-GaN）层，多量子阱层（MQWs），p型GaN（p-GaN）层。由于蓝宝石不导电，所以电极必须做成同侧的结构，将p-GaN表面涂上光刻胶，利用光刻技术，刻蚀到n-GaN层，刻蚀出n型电极槽。然后在沉积一层氧化铟锡（ITO），由于其导电透明的特性可以在其上面直接制作电极。对ITO表面进行粗化处理，因为可以提高其与外界的接触面积，因此可以提高光出射的效率。

本方法存在以下几个问题：虽然ITO透明，但它也存在一定的反射；由于电极做在光出射的面上，而使光的出射面积减小；n型电极的制作需要刻蚀掉一定面积的多量子阱层，使产生光的面积减小，总体使光的出射效率受到影响，接近将粗化所产生的出光效果抵消。

　　现在工业界普遍采用倒装焊结构，将芯片倒置，电极采用压焊的方法焊接在垫块上，让光从从衬底表面出射。此方法虽然虽然提高了光的出射面积，但在大幅度提高光出射方面遭遇瓶颈。

　　以上两种方法也存在横向分压这一缺点，加在p型电极与n型电极上的电压并未完全加在能够起到发光作用的p-GaN与n-GaN上。

　　原衬底剥离技术就是在Si衬底上外延生长缓冲层（Buffer layer）、n型GaN（n-GaN），多量子阱层（MQWs）p型GaN（p-GaN），然后采用粘结的方法将p-GaN层粘结到Cu衬底上，然后将原Si衬底剥离，得到原衬底剥离的芯片。接下来做欧姆接触，制作阴阳电极。

　　此种方法存在以下问题：剥离时可能对外延层结构造成损伤；此种剥离方法对设备的精度要求比较高；以上结构，要求电极必须做在n-GaN表面，这造成了出光面积的减小；由于光从n-GaN表面出射，将有一部分光入射到p-GaN层，造成出光损失比较严重。

发明内容

针对现有技术存在上述不足，本发明的目的是提供一种能够提高外量子效率、提高电能利用率的新型倒装焊LED芯片结构。

本发明的另一目的是提供制作所述倒装焊LED芯片结构的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种倒装焊LED芯片结构，其特征在于，所述LED芯片包括以蓝宝石为衬底的外延层和以SiO₂/Si为衬底的电极层；所述蓝宝石衬底的正面刻蚀有周期性结构的孔，背面刻蚀有随机图案；

所述刻蚀有孔的蓝宝石衬底正面上生长有外延层，所述外延层的结构依次为：缓冲层buffer layer、n型GaN层n-GaN、多量子阱层MQWs和p型GaN层p-GaN；