一種易于粗化的紅光led芯片結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種易于粗化的紅光LED芯片結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于發(fā)光二極管的技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光是人類文明活動(dòng)的源動(dòng)力。自古以來太陽以光的形式撫育大地，地球上可以采 集的能源中有99. 98%是來源于太陽光。在人類文明的發(fā)展過程中，對(duì)光的追求經(jīng)歷了從太 陽光到火光源，又從火光源到電光源的巨大轉(zhuǎn)變。一八七九年十月十九日愛迪生制成世界 上第一只白熾燈，標(biāo)志著人類進(jìn)入了電光源時(shí)代。一百多年來，又先后誕生了氣體放電熒光 燈和高壓氣體放電燈。最近三十年，電光源產(chǎn)品又跨出了三大步：六十年代，高壓汞燈、鹵 鎢燈和長(zhǎng)弧汞燈得到突破，被稱為第二代電光源；七十年代，第三代電光源高壓鈉燈低壓鈉 燈、金屬鹵化物燈以及高頻放電燈出現(xiàn)，其中高壓鈉燈是高強(qiáng)度氣體放電燈的一種，其光效 是自熾燈的7倍。在各種照明領(lǐng)域廣泛使用。如今據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，二十一世紀(jì)將進(jìn) 入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代，被稱為第四代新光源。
[0003] 半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了發(fā)光LED的產(chǎn)生與發(fā)展。
[0004] LED的發(fā)展其實(shí)可追溯到上世紀(jì)二十年代，法國(guó)科學(xué)0· W. Losses在研究SiC檢波 器時(shí)，首先觀察到了這種發(fā)光現(xiàn)象。由于當(dāng)時(shí)在材料制備、器件工藝技術(shù)上的限制，這一重 要發(fā)現(xiàn)沒有被迅速利用。直至20世紀(jì)60年代初，隨著III - V族材料與器件工藝的進(jìn)步，人 們終于研制成功了具有實(shí)用價(jià)值的發(fā)射紅光的GaAsP發(fā)光二極管，并被GE公司大量生產(chǎn)用 作儀器表指示。此后由于GaAs、GaP等材料研究與器件工藝的進(jìn)一步發(fā)展，除深紅色的LED 外，包括橙、黃、黃綠等各種色光的LED器件也大量涌現(xiàn)于市場(chǎng)。出于多種原因，GaP、GaAsP 等LED器件的發(fā)光效率很低，光強(qiáng)通常在IOmcd以下，只能用作室內(nèi)顯示之用。
[0005] 跟隨著半導(dǎo)體材料及器件工藝的進(jìn)步，特別是MOCVD等外延工藝的日益成熟，至 上世紀(jì)九十年代初，日本日亞化學(xué)公司（Nichia)與美國(guó)的克雷（Cree)公司通過MOCVD技術(shù) 分別在藍(lán)寶石與SiC襯底上成功生長(zhǎng)了具有器件結(jié)構(gòu)的GaN基LED外延片，并制造了亮度 很高的藍(lán)、綠及紫光LED器件。超高亮LED的第二個(gè)特征是發(fā)光波長(zhǎng)的擴(kuò)展，InGaAlP器件 的出現(xiàn)使發(fā)光波段向短波擴(kuò)展到570nm的黃綠光區(qū)域，而GaN基器件更使發(fā)光長(zhǎng)短擴(kuò)至綠、 藍(lán)、紫波段，并逐步向?qū)挷ǘ蔚墓馍珨U(kuò)展。
[0006] LED的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途 以及不可替代的優(yōu)勢(shì)：一、體積小，LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面， 所以它非常的小，非常的輕；二、耗電量低，LED耗電相當(dāng)?shù)?，一般來說LED的工作電壓是 2-3. 6V，工作電流是0. 02-0. 03A，這就是說，它消耗的電能不超過0.1 W ;三、使用壽命長(zhǎng)， LED光源固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉 積、光衰等缺點(diǎn)，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，使用壽命可達(dá)6萬到10萬小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命 長(zhǎng)10倍以上；四、高亮度、低熱量，LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多；五、 環(huán)保，環(huán)保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，而且 廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源LED 是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí)LED也可以回收再利用；六、堅(jiān) 固耐用，LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。燈體內(nèi)也沒有 松動(dòng)的部分，這些特點(diǎn)使得LED可以說是不易損壞的；七、高節(jié)能：節(jié)能能源無污染即為環(huán) 保，直流驅(qū)動(dòng)，超低功耗(單管〇. 03-0. 06瓦）電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，相同照明效果比傳統(tǒng) 光源節(jié)能80%以上；八、多變幻，LED光源可利用紅、綠、藍(lán)三基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下 使三種顏色具有256級(jí)灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256X256X256 = 16777216種顏色，形 成不同光色的組合變化多端，實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。
[0007] 雖然LED具有以上這么多的優(yōu)點(diǎn)，并在技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)下，越來越受到人們的青 睞，但是，受現(xiàn)有技術(shù)的影響，LED還有不可忽視的缺點(diǎn)存在。首先，對(duì)其制約最大的就是成 本問題，任何新興事物在發(fā)展的最初階段都會(huì)因?yàn)閮r(jià)格的昂貴而受到制約，高昂的成本也 決定了其在市場(chǎng)上的高端地位，而使人們望而卻步；其次，受現(xiàn)有技術(shù)的影響，內(nèi)外量子效 率不高也成為制約發(fā)光亮度的一個(gè)重要因素。但是這些因素在任何事物的發(fā)展初期都會(huì)出 現(xiàn)，隨著技術(shù)的成熟，這些問題都會(huì)迎刃而解。
[0008] LED具有如此廣泛的波長(zhǎng)范圍，又有如此強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，如何在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)不斷成熟 的基礎(chǔ)上不斷的提高LED的發(fā)光效率成為了現(xiàn)階段工作的重點(diǎn)?，F(xiàn)有的LED結(jié)構(gòu)主要是在 GaAs襯底上生長(zhǎng)AlGaInP材料，來獲得高效量子效率，來獲得高亮度LED。盡管AlGaInP紅 光LED的研究已經(jīng)取得很大的進(jìn)展，內(nèi)量子效率已經(jīng)可以達(dá)到90%以上，但是還有許多問題 有待進(jìn)一步研究探索。以GaP為出光窗口層的的AlGaInP紅光LED由于受到自身材料特性 的限制，空氣和GaP的折射率差異導(dǎo)致界面對(duì)光線的全反射作用使很多的光線無法全部逸 出器件，又由于器件的P電極是不透明的金屬電極，會(huì)將射向電極的光反射回LED內(nèi)部。而 反射回內(nèi)部的光被重新熱吸收掉又會(huì)引起器件溫度上升導(dǎo)致內(nèi)量子效率降低等等問題。所 以器件的電流擴(kuò)展和P電極分布對(duì)器件的發(fā)光又起著關(guān)鍵作用。由于目前的LED結(jié)構(gòu)已經(jīng) 逐漸完善，也就導(dǎo)致了現(xiàn)有的LED內(nèi)量子效率在逐步提高的基礎(chǔ)上已經(jīng)很難再做出很大的 改進(jìn)，主要的工作重心就是在管芯工藝的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，并主要利用后期的粗化工藝對(duì) 亮度進(jìn)行進(jìn)一步的提升。目前應(yīng)用較廣的粗化方法主要是利用電化學(xué)的方法對(duì)表面的GaP 層進(jìn)行腐蝕，來擴(kuò)大表面的面積，從而提高亮度。
[0009] 中國(guó)專利CN101656284公開了一種利用ITO顆粒掩膜粗化紅光發(fā)光二極管的方 法。該方法包括以下步驟：（1)按常規(guī)利用MOCVD的方法在GaAs襯底上依次外延生長(zhǎng)N型 接觸層、多量子阱有源區(qū)和P型接觸層；（2)在外延生長(zhǎng)的P型接觸層上用電子束濺射一層 厚260nm的ITO薄膜；（3)將覆蓋有ITO的外延片浸入濃鹽酸中1分鐘，腐蝕掉部分ΙΤ0,殘 留的為顆粒狀的ITO ; (4)用殘留的ITO顆粒作掩膜，干法刻蝕P型接觸層，形成粗化表面； (5)用濃鹽酸腐蝕掉殘留的ΙΤ0。采用此方法可比普通制作方法提高發(fā)光效率30%以上，但 是此方法需要兩次蒸鍍ITO電流擴(kuò)展層，成本方面較常規(guī)LED工藝明顯提高。此外，也沒有 避免ICP刻蝕工藝對(duì)于LED器件的電學(xué)性能的破壞，并且此方法需要使用濃鹽酸，由于濃鹽 酸具有強(qiáng)腐蝕性及強(qiáng)揮發(fā)性，可能會(huì)對(duì)其他精密設(shè)備及操作人員造成一定損害，并且對(duì)技 術(shù)操作人員有一定的要求。
[0010] 中國(guó)專利CN101656285,名稱：利用PS球作模板制作發(fā)光二極管粗化表面的方法。 包括以下步驟：（1)按常規(guī)外延生長(zhǎng)外延片；（2)在外延生長(zhǎng)的P型接觸層上鋪設(shè)一層由 PS球緊密排布組成的單層膜；（3)以硅酸四乙酯、金屬的氯化物或硝酸鹽為前軀體，將前軀 體、乙醇和水混合后填充在單層膜的PS球與P型接觸層之間的間隙中，室溫靜置并加熱分 解為相應(yīng)的氧化物；(4)將外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉P S球，在PS球 與P型接觸層之間的間隙中形成的氧化物按碗狀周期排列結(jié)構(gòu)保留在P型接觸層上；(5) 用形成的氧化物作掩膜，干法刻蝕P型接觸層，形成粗化表面；(6)腐蝕掉殘留的氧化物。采 用此方法也可以大大提高發(fā)光亮度30%以上，并且比起第一種方法危險(xiǎn)性減小，但是需要 利用PS微球作為掩膜，步驟較一般的粗化方法繁瑣，成本較高且難以保證獲得較大面積的 均勻粗化結(jié)構(gòu)，重復(fù)可靠性不高。
[0011] 中國(guó)專利CN102280536A，名稱：一種光輔助紅光LED的磷化鎵窗口層濕法粗化的 方法。該方法利用氫氟酸與氧化劑的混合溶液借助光輻照，無需掩膜即可腐蝕磷化鎵窗口 層并得到錐狀結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)紅光LED的表面粗化。腐蝕產(chǎn)生的錐狀結(jié)構(gòu)尺寸與高度可以 通過控制腐蝕時(shí)間以及腐蝕液的濃度進(jìn)行控制。本發(fā)明可有效提高紅光LED芯片光提取效 率一倍以上，但是GaP腐蝕存在一定難度，對(duì)腐蝕液有一定要求，并且在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上腐 蝕對(duì)操作人員具有提出了更高的要求，難免對(duì)器件產(chǎn)生一定程度上的影響。
[0012] 綜上所述，在現(xiàn)有的紅光LED結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)打粗化而提1? LED發(fā)光效率的方法 基本都是在后期的管芯工藝方面不斷進(jìn)行優(yōu)化，工藝復(fù)雜，對(duì)管芯制作工藝的要求較高，而 且會(huì)隨管芯工藝參數(shù)的變化而變化，從而再次影響了粗化后的發(fā)光效率，也導(dǎo)致了亮度波 動(dòng)較大，對(duì)產(chǎn)品性能以及產(chǎn)品的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的影響。伴隨著LED行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì) 成本控制以及工藝簡(jiǎn)單可靠性提出了更高的要求，且易于與現(xiàn)代LED工藝結(jié)合，對(duì)產(chǎn)品性 能無影響，以上發(fā)明均在一定程度上受到了一定的限制。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在正常外延結(jié)構(gòu)基 礎(chǔ)上，如對(duì)GaP層進(jìn)行粗化腐蝕，容易對(duì)外延結(jié)構(gòu)本身性質(zhì)造成影響，且會(huì)減弱GaP的厚度， 從而在一定程度上減弱了管芯的亮度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種易于粗化的紅光LED芯片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明根 據(jù)GaAsP/GaAs的固有性質(zhì)，對(duì)比GaP層的耐腐蝕性，提出了優(yōu)化生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，利用GaAs 保護(hù)層，從而很好的保護(hù)了 GaP的基本厚度與特性，不會(huì)對(duì)外延片的初始性質(zhì)造成影響，最 大程度的保護(hù)了外延片，從而提高亮度達(dá)到30%以上。
[0014] 本發(fā)明還提供一種易于粗化的紅光LED芯片結(jié)構(gòu)的制備方法。利用該方法所制備 出的紅光LED外延結(jié)構(gòu)，規(guī)避了以現(xiàn)有制備方法提出的一系列缺點(diǎn)，更為重要的是，利用該 方法所粗化出的紅光LED外延結(jié)構(gòu)使得光轉(zhuǎn)化效率提升30%以上。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0016] 本發(fā)明提供一種易于粗化的紅光LED芯片結(jié)構(gòu)，包