一種高光效可勻斑藍(lán)寶石襯底led芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高光效可勻斑藍(lán)寶石襯底的LED芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于LED發(fā)光技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]LED的出現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)光源是一場(chǎng)革命，LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。目前LED應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊，LED產(chǎn)品主要應(yīng)用于背光源、彩屏、室內(nèi)照明三大領(lǐng)域。隨著行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，技術(shù)的飛躍突破，應(yīng)用的大力推廣，LED的光效也在不斷提高，但同時(shí)LED的發(fā)展也存在著一些瓶頸，如光效仍然不夠，出射光斑不均等問題。因而，人們通過不斷的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的成效。
[0003]微透鏡陣列是指由一系列直徑在10-100μπι之間的微型透鏡，按一定的方式排列而成的陣列。微透鏡具有分光、光束勻化、并行光刻等用途，自20世紀(jì)80年代誕生以來，利用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束的發(fā)射、聚焦、偏折、分割、復(fù)合、開關(guān)、耦合和接收等，具有重量輕、體積小、設(shè)計(jì)靈活、可陣列化、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。微透鏡技術(shù)的制備多以光刻加干法刻蝕或濕法腐蝕法來獲取，另外也有借助庫侖爆炸作用機(jī)理實(shí)現(xiàn)微透鏡制備的重要技術(shù)，如飛秒激光光刻技術(shù)。
[0004]光子學(xué)報(bào)第38卷第3期《飛秒激光和酸刻蝕方法制作凹面微透鏡陣列》，利用超短脈沖激光與透明介質(zhì)作用時(shí)的庫侖爆炸機(jī)理，在Κ9光學(xué)玻璃上制備微透鏡點(diǎn)陣，形成圓形的微爆坑，中間深、邊沿淺，然后利用氫氟酸對(duì)光學(xué)玻璃刻蝕的特點(diǎn)，對(duì)微爆坑表面進(jìn)行蝕刻拋光，從而獲得比較光滑整齊的表面界面。通過對(duì)該文的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)到飛秒激光的庫侖爆炸作用機(jī)理，順應(yīng)迀移到在LED藍(lán)寶石襯底上采用該應(yīng)用進(jìn)行光的分光、光束勻化。
[0005]半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第28卷增刊《倒裝GaN基發(fā)光二極管陣列微透鏡的粗化技術(shù)》，采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)干法刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石表面制備陣列微透鏡，實(shí)現(xiàn)倒裝結(jié)構(gòu)GaN基LED出光面粗化。相對(duì)于普通倒裝結(jié)構(gòu)，陣列微透鏡表面粗化可以使LED提取效率提高約50%。該文在藍(lán)寶石表面制備光刻圖形，通過光刻膠熱阻回流制備獲得呈半球形的微透鏡陣列，提高了光效，但是不能起到擴(kuò)大發(fā)光角、使LED光斑勻化的效果。
[0006]發(fā)光學(xué)報(bào)第30卷第I期《基于微透鏡陣列的LED光學(xué)性能》，建立了一種大功率LED的封裝結(jié)構(gòu)，在二次光學(xué)設(shè)計(jì)上采用微透鏡陣列技術(shù)，運(yùn)用光線追蹤法研究了這種封裝結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。分析結(jié)果表明:利用微透鏡陣列技術(shù)能顯著改善LED的光學(xué)性能，提高取光效率，能將LED的亮度衰減降低12%以上，得到了較好的效果。該方法在LED封裝結(jié)構(gòu)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)上引入微透鏡陣列技術(shù)，可有效降低亮度衰減，但是對(duì)于發(fā)光芯片本身發(fā)光效率及光斑配光不能起到有效作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有LED芯片發(fā)光效率仍然不夠高，封裝后出射光光斑分布不均勻的問題，本發(fā)明提供一種高光效可勻斑藍(lán)寶石襯底LED芯片，同時(shí)提供一種該LED芯片的制備方法。
[0008]本發(fā)明的高光效可勻斑藍(lán)寶石襯底LED芯片，采用以下技術(shù)方案:
[0009]該LED芯片，自上而下依次包括藍(lán)寶石襯底層、N型GaN層、多量子阱發(fā)光層、P型GaN層和電流擴(kuò)展層，電流擴(kuò)展層和N型GaN層上分別設(shè)置有P金屬電極和N金屬電極，藍(lán)寶石襯底層上設(shè)置有內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)。
[0010]所述內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)中的各個(gè)內(nèi)凹微透鏡呈陣列排布。
[0011 ]所述內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)中單個(gè)內(nèi)凹微透鏡的水平方向直徑為20-50μπι，垂直方向深度為 3-10μηι。
[0012]上述高光效可勻斑藍(lán)寶石襯底LED芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)外延層，所述外延層依次包括N型GaN層、多量子阱發(fā)光層和P型GaN層；
[0014](2)將具有上述外延層的晶圓倒置(這里的晶圓是指包括襯底以及外延層的整個(gè)結(jié)構(gòu))，在藍(lán)寶石襯底面上通過飛秒激光脈沖沖擊獲得呈陣列排布的內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)；
[0015](3)通過對(duì)內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)蝕刻，對(duì)飛秒激光脈沖沖擊后的藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行拋光；
[0016](4)將制備有內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)的晶圓正置，通過電子束蒸鍍?cè)谕庋訉拥腜型GaN層上制備電流擴(kuò)展層；
[0017](5)在制備了電流擴(kuò)展層的晶圓上進(jìn)行電極刻蝕，由電流擴(kuò)展層刻蝕至N型GaN層，然后在獲得的P電極臺(tái)面和N電極臺(tái)面上分別制備出P金屬電極和N金屬電極。
[0018]所述步驟(2)中的飛秒激光的單脈沖能量為80yJ-120yJ，脈寬為80fs-120fs。
[0019]由于飛秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間只有飛秒量級(jí)，遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過聲子將能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等形式的釋放時(shí)間，從而避免了熱擴(kuò)散的影響，在加工過程中限制了熱影響區(qū)，避免了熱熔化的存在，因此飛秒激光光刻孔周圍的區(qū)域?qū)⒉粫?huì)受到熱影響，而且孔的邊緣不會(huì)出現(xiàn)大量的熔化物質(zhì)。
[0020]所述步驟(3)中的化學(xué)蝕刻，是將硫酸和磷酸按體積比3:1混合成混合液，加熱至250°C_280°C，將整個(gè)晶圓浸泡在混合液中，浸泡在混合液內(nèi)4小時(shí)-8小時(shí)，然后用清水沖洗干凈。
[0021]所述步驟(5)中P金屬電極和N金屬電極均包括反射電極層和金屬鍵合層。
[0022]本發(fā)明采用倒裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)庫侖爆炸原理采用飛秒激光脈沖沖擊在藍(lán)寶石襯底表面(出光面)制備一系列內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)，并通過化學(xué)蝕刻的方法對(duì)內(nèi)凹微透鏡陣列表面做拋光，使得LED芯片的出光效率獲得顯著提高，并具有擴(kuò)大發(fā)光角、勻化LED發(fā)射光束、使光斑均勻擴(kuò)散的效果，該類芯片可廣泛應(yīng)用于SMD封裝、COB封裝等器件結(jié)構(gòu)中。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明步驟(I)中生長(zhǎng)的外延層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明步驟(2)中得到的內(nèi)凹微透鏡結(jié)構(gòu)的俯視