基于《半導體制造技術》工藝提高發光二極管（LED）效率的關鍵技術探討

郝惠蓮 李文堯

【摘要】本文主要介紹了發光二極管的一種倒裝高反射層芯片結構及其制作方法。該芯片結構及制備技術能夠改善反光層的光吸收問題，提高倒裝LED芯片的光子提取效率，從而提高發光二極管的發光效率。

【關鍵詞】發光二極管 倒裝芯片 高反射層 發光效率

【基金項目】《半導體制造技術》課程建設項目，編號為：k201605006，《半導體物理導論》課程建設項目，編號為：Z201405004。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0232-01

發光二極管（LED）具有省電、壽命長、及響應速度快等優點，自二十世紀六十年代以來迅速發展。隨著技術的進步，目前LED已經被廣泛應用于車燈，辦公室、商場和影院等場所的照明以及一些電子產品的背光指示燈。發光LED的常見材料有第IV主族如碳化硅，III-VI族如氮化鎵（GaN）、砷化鎵及磷化鎵等。研究發現，與傳統光源相比，GaN二極管具有壽命長，可靠性高，體積小，功耗低，響應速度快等優點，是替代傳統照明的新型固體光源。

目前，LED芯片主要是正裝結構，兩個電極都位于芯片的出光面，而電極和焊點都會吸收部分光，從而導致了出光效率的降低，而且這種結構芯片的p-n結的熱量，通過藍寶石襯底傳導出去，導熱路徑較長，芯片熱阻較大。同時，這種結構的電極引線也會擋住部分光進入器件封裝，導致出光效率的降低。因此，正裝芯片雖然工藝相對簡單成熟，但無論是功率、出光效率還是熱性能都不可能是最優的。

為了提高傳統LED的發光效率，1998年，Lumileds Lighting公司首先提出了倒裝芯片的概念。所謂倒裝芯片，即是通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互聯到基板、載體或者電路板上，芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上，整個芯片稱為倒裝芯片（FC）。在氮化鎵二極管的FC結構中，光從藍寶石襯底取出，不必從電流擴散層取出，同時這種結構還可以將P-n結的熱量直接通過金屬層導出，散熱效果更好；而且在p-n結與p電極之間增加了一個反光層，消除了電極和引線的擋光，因此這種結構具有電、光、熱等方面較優的特性。倒裝芯片中反光層的設計，一方面要考慮到反光層與GaN的粘附性要牢，同時還要考慮到高的反射率以及優良的電流擴展性，這樣才能有效地提升光子提取效率。目前倒裝芯片都采用金屬作為反光層，但金屬的反射率有限，不能完全充分地將光子反射出去，影響了倒裝芯片的光子提取效率。

本論文為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高反射層倒裝LED芯片結構及其制作方法，該技術能夠解決反光層的光吸收問題，提高倒裝LED芯片的光子提取效率。該結構可以通過以下技術方案來實現：一種高反射層倒裝LED芯片結構，包括藍寶石襯底、外延結構層、反光層、絕緣層和接觸金屬層，所述藍寶石襯底上表面生長有外延結構層，由下至上依次包括N-GaN層和P-GaN層，該P-GaN層上蝕刻有延伸至N-GaN層的N區電極槽，反光層和絕緣層覆蓋于P-GaN層上，并使P-GaN層上部分區域裸露，形成P區電極槽，接觸金屬層包括互不接觸的P區接觸金屬和N區接觸金屬。透光導電層主要為TiO薄膜，其厚度為10～100微米，能夠達到較好的透光效果，同時又能保證電流的擴展作用。如果厚度太厚，會降低透光性，如果厚度太薄，電流擴展作用就會變差。

反射層為由至少一對SiO2和Ti3O5相互間隔形成周期性結構層，每層SiO2的厚度小于等于1微米，每層Ti3O5的厚度小于等于1微米，每一層SiO2和Ti3O5的厚度可以有差別，反射層中SiO2的總厚度最好控制在1000微米，Ti3O5的總厚度控制在400微米。N區電極槽的底部距離P-GaN層上表面的距離為1-2微米。接觸金屬層的P區接觸金屬和N區接觸金屬需采用強導電性的金屬，最好選用分層設置的Cr/Al/V/Ti/Ag，每層厚度分別為1nm/100nm/3nm/50nm/2000nm。

所述絕緣層可以為SiO2或者SiN，厚度為1微米，絕緣層還覆蓋N區電極槽和P區電極槽的側壁。

高反射層倒裝LED芯片結構的制備方法主要包括以下步驟：

1）在藍寶石襯底上依次生長出包括N-GaN層和P-GaN層的外延結構層，并蝕刻出N區電極槽。

2）在P-GaN層的表面蒸鍍一層導電層以及一層留有空白區域的反射層，形成P區電極槽。

3）在所述P區電極槽和N區電極槽內分別設置互不接觸的P區接觸金屬和N區接觸金屬，形成接觸金屬層。

透光導電層采用可以采用ITO薄膜，保證電流的充分擴散。反射層是由兩種不同折射率的材料交替排列組成的周期性結構，每層材料的光學厚度約為中心反射波長的四分之一，相當于簡單的一組光子晶體。由于頻率落在能隙范圍內的光子無法穿透，故反射層的反射率可達99%以上，大大減弱了金屬作為反射鏡時的光吸收問題，從而有效提高LED的光吸收效率。

參考文獻：

[1]吳偉興，朱素愛.《LED封裝工藝與設備技術》，科學出版社，2015.

[2]戰瑛.《半導體光電器件封裝工藝》，電子工業出版社，2011.

作者簡介：

郝惠蓮（1980年5月-），女，博士，講師，河南商丘人，主要從事半導體制造及應用方面的研究。