[发明专利]侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于发光器件制造领域，尤其涉及一种侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法。

背景技术

随着半导体集成技术的高速发展及电光效率的提高，以III族氮化物为材料的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为一种新型光源，应用越来越广，已经广泛运用于交通信号灯、全彩显示屏、液晶屏的背光源、以及汽车前后灯等，这种新型光源具有节能、环保、寿命长等诸多优点，并有望成为新一代绿色环保固态照明的发展方向。

然而，LED的制造成本和电光效率是制约其替代传统光源应用于照明行业的速度的主要因素。单颗LED晶粒电光效率低下，那么大功率LED照明灯具必须由更多颗LED晶粒串并联组成，这直接导致大功率LED照明灯具的成本增加，而且电能转化为光出射的效率越低，根据能量守恒芯片材料内储存的热能就越多、器件结温上升，灯具在散热系统的材料选择、设计会导致LED产业链中的各种成本的增加。显然，若单颗LED的电光效率提高，同样条件下光出射的数量增多，则相同的大功率LED照明灯具可少配置一些LED晶粒，由电能转化的热能更少，灯具在散热系统的材料选择、设计方面会减少成本的投入。所以，LED电光效率决定产品的制造成本，两者成反比例关系。

LED电光效率主要由电流注入效率、内量子效率与取光效率的乘积决定。其中，芯片的电极设计和欧姆接触电阻影响电流注入效率，一般较好的芯片的电流注入效率可达90％以上。内量子效率主要由外延生长技术、材料特性与能隙结构设计所决定，当前面临的挑战主要存在着缺乏合适的衬底材料、高质量、高空穴浓度的p-GaN(P型氮化镓)掺杂困难、有源层材料InGaN(氮化镓铟)的位错密度高等问题，尽管如此，目前GaN(氮化镓)外延片一般能达到70％以上的内量子效率，并随着技术的发展还在逐年提高。相比前两者，取光效率是影响LED电光效率低下的实质性原因。由于LED照明灯具在有源区发出的光大部分从P型区的顶部出射，而半导体材料与空气的折射率差异比较大，例如GaN材料折射率为2.5，空气折射率为1.0，会导致光从折射率大的半导体材料到折射率小的空气时，在两者的界面处存在全反射，全反射的角度约为23°，因此，大多数光由于全发射而被限制在芯片；同时，光在芯片中横向传输的现象很明显，又由于半导体材料对光存在一定的吸收，各界面处也对光有一定的损耗，当光在芯片中多次来回传输时，会不断被吸收而损耗掉，未经处理的LED的有源层上产生的光仅有少部分能出射出去。所以，最后导致整个芯片的取光效率较低。

目前，常用的通过提高LED取光效率来提高LED光源芯片的电光效率的工艺包括芯片表面粗化工艺和微透镜技术。芯片表面粗化技术通常是利用干法或湿化学刻蚀、淀积等方法使原本平整的界面变得有周期性规则(如光子晶体)或随机的纹理结构，改变某些从有源区发出或在芯片内经反射后的光到达有源区与空气界面时的入射角，若此时入射角小于23°，光线可有望从圆形光锥内出射，提高取光效率。现有技术中针对芯片表面粗化工艺而进行的一种在p-GaN面湿化学腐蚀粗化提高光效的方法。众所周知，一般情况下生长于蓝宝石衬底的GaN晶体，朝外的晶面是抗腐蚀性很强的Ga原子面，常规的腐蚀条件很难对表面粗化。基于这种思想，该方法通过对p-GaN表面再生长一Mg(镁)高掺杂(10²⁰atoms/cm³)的p-GaN层，因为p-GaN层进行Mg高掺杂后，其Ga面与N(氮)面可实现反转使易腐蚀的N原子面朝外，然后运用热碱KOH(氢氧化钾)溶液可实现表面粗化。即便如此，由于高Mg掺杂的p-GaN层的导电性较差，若太厚势必会引起正向电压增大，反之太薄也不利于粗化。所以，该技术存在工艺的复杂性与稳定性问题。