[发明专利]一种高亮度发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高亮度发光二极管及其制备方法，属于发光二极管领域。

背景技术

半导体发光二极管(Light Emitting Diode, LED) 是半导体材料所制成为一种通电时可发光的电子发光组件，主要材料的有III-V 三五族化学元素（如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等），经过改变材料特性使之层疉;即得到磊晶结构(Epitaxy)，经过化学、黄光、热处理、减薄、切割、测试、分选，等半导体制程，可得到LED的芯片，LED其发光原理为;当化合物半导体P型材料(电洞)及N型材料(电子)通入顺向电压，电子与电洞于PN接面结合，电能会直接转换以光能的形式释出，达成发光的效果，属于冷性发光，寿命长达十万小时以上。

LED发展自1960年至今，其红、黄、绿光色的LED芯片在亮度达到市场需求水平和成熟量产提早了蓝光二极管，原因为蓝光之磊晶技术和材料匹配性低的因素，使得蓝光二极管直到在1991年才有了突破发展，展开了蓝光LED的历史，蓝光LED其推行的动力最主要是在RGB(红绿蓝)显示屏全色彩化的应用，以及蓝光LED加上黄色荧光粉以胶料封装后可得白光LED，其白光LED可用于各类照明，应用更加广泛并更贴近人类生活，加上LED节省电力、提高环境保护、反应速度快、体积小、寿命高，其前瞻性广大使得蓝光LED受到现今各国的重视，基于现代经济急速发展对能源的需求变得越来越庞大，2007年，全年中国发电量达到32,559亿度，照明用电3800亿度。估计到2020年，中国发电量将达到6.5万亿度，是2007年的两倍，照明用电将达到约8000亿度，如果现今中国1/3的白炽灯被LED取代，每年就可节省用电1000亿度；为了要解决能源需求的迫切，世界各国在21世纪里也更加积极开发能取代传统的新能源，LED也成为了取代传统光源的最佳半导体产品。所以积极研究开发发光二极管LED，提高LED的发光效率，减少相同照明效果下的用电量，在未来光源世界的趋势与节能环保具有非常重大的影响。持续的技术开发使得发光效率更加速的成长，目的皆是为了让LED能更省电、获得更高的亮度。

为了得到更多的出光量，将芯片的出光面积放大是最直接的方法，但放大导电层的面积需注入更大的电流，以增加更多的电子电洞能到半导体磊晶多量子井结构(Multiple Quantum Well, MQW)中辐射发光，常称为内部量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE)，即是可产生电子电洞到量子井结构中辐射发光之二极管电流的比例，但只有少数比例由PN接面产生的光子会离开芯片，这是因为用来制造发光二极管的半导体材料具有很大的折射率，所以只有在角度17度辐射发射出的光子可以离开芯片的前端表面。其他的光子能量则会因为内部全反射而减弱，而且未结合的电子电洞对会产生热能，最后热能会被材料吸收并不是光出。大部份的电流会转换成热能(焦耳)，也意指发光面积愈大，电流愈大，其产生的热能愈高，尤其基板材料是热传导系数(46 W/m0K)低的蓝宝石基板，更严重地影响LED的内部量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE)，过高的热能聚集无法散出容易影响或改变了材料之特性，使得芯片可靠度大幅降低。在LED的外部量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)所指的是内部主动层产生的光子，从半导体中实际发出光源的比例，会受限于电流设计不良而电流分布不均匀、全反射角临界损失、 费涅尔损失(Fresnel Loss)等等其他因素，而降低了芯片出光效率。一个质量良好的磊晶结构，其内部量子效率已可达90%之上，然而外部量子效率受限于如上述之因素而仍有很大的进步空间。目前已知芯片制程技术开发的历程里，有金线键合芯片结构Wire-bonding(P、N电极同边)、倒装芯片结构 Flip-chip (FC，P、N电极同边)和薄膜倒装芯片Thin-film Flip-chip(TFFC，P、N电极不同边)，其三种芯片制程技术结构示意图如图1-3所示。此三种芯片制程技术结构在目前的市场中，最为常见的是金线键合芯片结构(Wire-bonding)，此种结构发展的历史最久，技术成熟，在制造的成本上最低，也是目前业界量产水平中良率最高的一种芯片结构，其他两种结构的芯片制程因工序复杂和技术门坎与制造之设备的成本较高，目前并未达到普及化的量产，对应经济效应的考虑，所以此项发明搭配金线键合芯片结构，在设备需求和工艺技术上，在现今普及的发光二极管制程中可以得到实现，使发光二极管更容易得到显著的改善外部量子效率之光出效率及芯片散热方式。

发明内容