基于《半导体制造技术》工艺提高发光二极管（LED）效率的关键技术探讨

郝惠莲 李文尧

【摘要】本文主要介绍了发光二极管的一种倒装高反射层芯片结构及其制作方法。该芯片结构及制备技术能够改善反光层的光吸收问题，提高倒装LED芯片的光子提取效率，从而提高发光二极管的发光效率。

【关键词】发光二极管 倒装芯片 高反射层 发光效率

【基金项目】《半导体制造技术》课程建设项目，编号为：k201605006，《半导体物理导论》课程建设项目，编号为：Z201405004。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）04-0232-01

发光二极管（LED）具有省电、寿命长、及响应速度快等优点，自二十世纪六十年代以来迅速发展。随着技术的进步，目前LED已经被广泛应用于车灯，办公室、商场和影院等场所的照明以及一些电子产品的背光指示灯。发光LED的常见材料有第IV主族如碳化硅，III-VI族如氮化镓（GaN）、砷化镓及磷化镓等。研究发现，与传统光源相比，GaN二极管具有寿命长，可靠性高，体积小，功耗低，响应速度快等优点，是替代传统照明的新型固体光源。

目前，LED芯片主要是正装结构，两个电极都位于芯片的出光面，而电极和焊点都会吸收部分光，从而导致了出光效率的降低，而且这种结构芯片的p-n结的热量，通过蓝宝石衬底传导出去，导热路径较长，芯片热阻较大。同时，这种结构的电极引线也会挡住部分光进入器件封装，导致出光效率的降低。因此，正装芯片虽然工艺相对简单成熟，但无论是功率、出光效率还是热性能都不可能是最优的。

为了提高传统LED的发光效率，1998年，Lumileds Lighting公司首先提出了倒装芯片的概念。所谓倒装芯片，即是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互联到基板、载体或者电路板上，芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上，整个芯片称为倒装芯片（FC）。在氮化镓二极管的FC结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出，同时这种结构还可以将P-n结的热量直接通过金属层导出，散热效果更好；而且在p-n结与p电极之间增加了一个反光层，消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。倒装芯片中反光层的设计，一方面要考虑到反光层与GaN的粘附性要牢，同时还要考虑到高的反射率以及优良的电流扩展性，这样才能有效地提升光子提取效率。目前倒装芯片都采用金属作为反光层，但金属的反射率有限，不能完全充分地将光子反射出去，影响了倒装芯片的光子提取效率。

本论文为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高反射层倒装LED芯片结构及其制作方法，该技术能够解决反光层的光吸收问题，提高倒装LED芯片的光子提取效率。该结构可以通过以下技术方案来实现：一种高反射层倒装LED芯片结构，包括蓝宝石衬底、外延结构层、反光层、绝缘层和接触金属层，所述蓝宝石衬底上表面生长有外延结构层，由下至上依次包括N-GaN层和P-GaN层，该P-GaN层上蚀刻有延伸至N-GaN层的N区电极槽，反光层和绝缘层覆盖于P-GaN层上，并使P-GaN层上部分区域裸露，形成P区电极槽，接触金属层包括互不接触的P区接触金属和N区接触金属。透光导电层主要为TiO薄膜，其厚度为10～100微米，能够达到较好的透光效果，同时又能保证电流的扩展作用。如果厚度太厚，会降低透光性，如果厚度太薄，电流扩展作用就会变差。

反射层为由至少一对SiO2和Ti3O5相互间隔形成周期性结构层，每层SiO2的厚度小于等于1微米，每层Ti3O5的厚度小于等于1微米，每一层SiO2和Ti3O5的厚度可以有差别，反射层中SiO2的总厚度最好控制在1000微米，Ti3O5的总厚度控制在400微米。N区电极槽的底部距离P-GaN层上表面的距离为1-2微米。接触金属层的P区接触金属和N区接触金属需采用强导电性的金属，最好选用分层设置的Cr/Al/V/Ti/Ag，每层厚度分别为1nm/100nm/3nm/50nm/2000nm。

所述绝缘层可以为SiO2或者SiN，厚度为1微米，绝缘层还覆盖N区电极槽和P区电极槽的侧壁。

高反射层倒装LED芯片结构的制备方法主要包括以下步骤：

1）在蓝宝石衬底上依次生长出包括N-GaN层和P-GaN层的外延结构层，并蚀刻出N区电极槽。

2）在P-GaN层的表面蒸镀一层导电层以及一层留有空白区域的反射层，形成P区电极槽。

3）在所述P区电极槽和N区电极槽内分别设置互不接触的P区接触金属和N区接触金属，形成接触金属层。

透光导电层采用可以采用ITO薄膜，保证电流的充分扩散。反射层是由两种不同折射率的材料交替排列组成的周期性结构，每层材料的光学厚度约为中心反射波长的四分之一，相当于简单的一组光子晶体。由于频率落在能隙范围内的光子无法穿透，故反射层的反射率可达99%以上，大大减弱了金属作为反射镜时的光吸收问题，从而有效提高LED的光吸收效率。

参考文献：

[1]吴伟兴，朱素爱.《LED封装工艺与设备技术》，科学出版社，2015.

[2]战瑛.《半导体光电器件封装工艺》，电子工业出版社，2011.

作者简介：

郝惠莲（1980年5月-），女，博士，讲师，河南商丘人，主要从事半导体制造及应用方面的研究。