垂直結構超高亮度LED芯片研制解析

一、引言

目前，AlGaInP四元系發光二極管一般使用GaAs襯底，由于GaAs襯底的禁帶寬度比AlGaInP窄，有源區所產生的往下發射的光子將會被吸收掉，使得發光效率大幅度降低。為避免襯底吸光，通常在襯底與有源層之間加入一層分布布 拉格反射層（DBR） ，以反射射向襯底的光，減少GaAs的吸收。由于DBR反射層只對法線方向較小角度內（通常qDBR＜20°）的光線能有效反射，其它遠離法向入射的光線絕大部分都被GaAs襯底吸收，因而提升光效的效果有限。

為了提高發光效率，人們開始進行其它襯底代替GaAs吸收襯底的研究。其中一種方法就是用對可見光透明的GaP襯底取代GaAs襯底（TS） ，即用鍵合技術將長有厚GaP窗口層的外延層結構粘接在GaP襯底上，并腐蝕掉GaAs襯底，其發光效率可提高一倍以上，同時GaP的透明特性使得發光面積大增。然而，該工藝存在合格率低、使用設備復雜、制造成本高的缺點。近年來，臺灣開始進行了 倒裝襯底AlGaInP紅光芯片的制作研究，由于工藝適于批量化生產，且制造成本低，引起人們的廣泛興趣。

二、垂直芯片結構及工藝

本文介紹了我公司進行的AlGaInP紅光垂直結構超高亮度LED芯片制作方法。首先進行MOCVD外延，再以高熱導率Si、SiC、金屬等材料作為襯底，將LED外延層粘接在其上并制成芯片。其結構為:工藝制作先在高熱導率材料表面上蒸鍍Au層作為反射鏡面和粘接層， 并通過加熱加壓將LED外延層與高熱導率襯底材料粘在一起， 再用選擇腐蝕的方法將原GaAs襯底腐蝕剝離掉，再經蒸鍍、刻蝕、表面粗化等工藝制成以高熱導率材料為襯底的LED芯片。由于Au薄膜對紅光、對黃光有非常高的反射率，并且可反射所有入射角度的光（q a90°） ，因而可使出光效率提高接近3倍。DBR 及金屬反射層的反射率計算和測試結果 (a)DBR 結構計算的法向反射譜
（q=0°）(b)金屬反射層反射譜（q=0°~90°）

三、LED 性能測試結果

表1：相同有源區結構不同襯底12mil紅光LED芯片參數比較（I＝20mA條件下測量）

表1為12mil尺寸管芯，不同襯底紅光LED芯片的光電性能測試結果。從表中可以看到20mA測試電流下，雖然鏡面襯底LED芯片電壓略有所提升，從 1.9V升至1.92V（如圖3） ，但是其亮度提高了3倍，其主要原因是鏡面襯底自身高的反射率且可反射各個角度入射的光，另外表面粗化有效的減弱光在材料內部的多次反射，折射及吸收，給光子提供了更多的出射機會；而鏡面襯底LED電壓的提高主要是由于粗化后芯片表面粗糙度增大，影響電流的傳輸，同時粘接層也使電 壓有所上升。

圖3不同襯底紅光 LED 伏安特性曲線 20mA下測試12mil不同襯底LED芯片的晶圓圖如圖4所示，鏡面襯底紅光LED 亮度、波長分布非常均勻。如圖 5 所示，20mA 電流下，中心波長為 623nm的12mil鏡面襯底紅光LED光效可達50lm/W，光效約是普通襯底LED的2.5倍以上。

圖4不同襯底 LED 亮度、波長晶圓圖（a）普通襯底 LED 亮度晶圓圖（b）普通襯底 LED 波長晶圓圖（c）鏡面襯底 LED亮度晶圓圖(d) 鏡面襯底 LED 波長晶圓圖

四、結論：

本項目研發的金屬反射垂直結構超高亮度AlGaInP紅光LED芯片大大提高了LED芯片的發光亮度，而且由于高熱導率襯底材料機械強度高，熱導率高，可 大幅度改善產品的高溫特性，提高產品可靠性，在大功率應用方面存在著其它 類型LED無法比擬的優勢。另外，由于鏡面結構不需要較厚的GaP窗口層和DBR 層，可大幅度降低外延材料消耗，外延成本比普通GaAs襯底降低。高熱導率鏡面襯底高亮度LED的研制成功和規模化生產，是一條獲得低成本、高穩定性，可在大功率應用中發揮重要作用的有效途徑。