CN102148324B

CN102148324B - 一种带有衬底聚光反射镜的led芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN102148324B
Application number: CN2011100246506A
Authority: CN
Inventors: 刘凯; 孙夕庆; 张彦伟; 单志辉; 孙卜序
Original assignee: ADVANCED OPTRONIC DEVICES (WEIFANG) Co Ltd
Current assignee: ADVANCED OPTRONIC DEVICES (CHINA) Co.,Ltd.
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: CN102148324A

Abstract

本发明公开了一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括芯片上表面和芯片下表面，所述芯片下表面上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列，其制作方法是通过金刚石切割刀或激光切割在芯片下表面进行切割制成纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵列，或是通过光刻在芯片下表面上制作若干个圆形保护膜，然后采用磷酸系列的混合腐蚀液或等离子体刻蚀设备对芯片下表面上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，由此制作出聚光反射镜阵列，本发明LED芯片能够获得更高的光效，同时，通过衬底聚光反射镜阵列的制作也可以增加一部分器件的散热面积，从而进一步提升器件的性能。

Description

一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种LED芯片及其制作方法，具体的说涉及一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片及其制作方法，属于LED芯片制造及LED照明领域。

背景技术

近几年随着世界范围内的节能环保概念兴起，LED芯片技术得到迅猛发展，氮化物半导体LED芯片发光效率提高很快，以蓝光LED芯片作为激发源的白光LED单灯光源效率已达到130流明/瓦以上，远远超过了普通节能灯的光效，LED技术已开始全面进入通用照明市场。随着LED应用范围的进一步扩大，对LED器件发光效率的要求也越来越高。

如附图1所示，现有的蓝光LED芯片结构包括衬底1，所述衬底1由Al₂O₃晶体材质的蓝宝石、SiC、Si或GaN晶体材料构成，GaN半导体缓冲层2，n型Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)材料的半导体结构3，GaN/In_yGa_1-yN(0≤y≤1)量子阱结构的光发射结构4及p型Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)材料的半导体结构5，其中衬底1的厚度为20-450微米，n型半导体结构3可以由一层Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)材料层或多层不同组份的Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)材料层构成，光发射结构4可以由一对或多对量子阱结构成，p型的半导体结构5可以由一层Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)材料层或多层不同组份的Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)材料层构成，p型的半导体结构5、光发射结构4和n型的半导体结构3的总共厚度为1～10微米。

LED芯片中发光结构4中所发出的光在芯片各个方向上，包括LED芯片的表面、底面和侧面，其中射向芯片上表面6和芯片下表面7的出射光占了整体发光的75％以上。由于目前的LED芯片制造、封装技术中所采用的方式都是将LED芯片平行封装在封装平台上。

如附图2所示，芯片的下表面7与封装平台10的表面贴合，因而在这种情况下，射向芯片衬底下表面7与封装平台10交界面的光将无法获得有效地利用而造成光损失。为有效利用LED光发射结构4的出射光，目前常用方法是在衬底的下表面7制作一层高反射率的反射镜将射向衬底下表面7的出射光反射到别的方向，其中大部分的反射光是回到芯片上表面6出射，但是由于全反射角的限制，这一部分光中只有在全反射角内的部分才能够从LED中真正出射。

因而如果我们能够将从LED芯片下表面7反射的光尽可能的汇聚到此全反射角内，就能够使得芯片的出光效率获得极大的提升，所以问题就归结到了如何汇聚LED芯片下表面7的反射光，这就促进了本发明的提出。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，能够最有效的汇聚LED衬底下表面的反射光，使这些反射光汇聚到LED上表面的全反射角内，从而最大限度的提升芯片的出光效率。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括芯片上表面和芯片下表面，所述芯片下表面上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列。

以下是本发明对上述方案的进一步改进：

所述聚光反射镜阵列包括若干个同一类型的聚光反射镜。

进一步改进：

所述聚光反射镜阵列为矩形阵列。

进一步改进：

所述聚光反射镜的横向截面为矩形、纵向剖面为倒梯型。

所述聚光反射镜阵列包括若干个纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜。

进一步改进：

所述切割道的间距为0.06～0.4mm×0.06～0.4mm，切割道深度为5～30μm。

另一种改进：

所述聚光反射镜的横向截面为圆形、纵向剖面为倒梯型。

进一步改进：

所述聚光反射镜位于芯片下表面上的直径为50μm，其深度为10μm，相邻的聚光反射镜之间的间距为50μm。

另一种改进：

所述聚光反射镜阵列包括若干个不同类型的聚光反射镜。

进一步改进：

所述若干个聚光反射镜的纵向截面是倒锥型、半球型、双曲型、倒梯型或折面型中的其中至少任两种的组合。

另一种改进：

所述聚光反射镜的外壁上蒸镀有高反射率光学反射膜。

进一步改进：

所述高反射率光学反射膜由高反射率金属材料制成，所述高反射率金属材料为Al或Ag。

另一种改进：

所述高反射率光学反射膜由介质材料SiO2、Si、TiO2、MgF2、Al2O3其中至少任两种组合组成的分布布拉格反射镜构成。

本发明还提供一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：首先采用金刚石切割刀对芯片下表面进行切割制成纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵列。

本发明还提供另一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：首先采用激光切割对芯片下表面进行切割制成纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵列。

本发明还提供第三种带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：包括以下步骤：首先通过光刻在芯片下表面上制作若干个直径为50微米的圆形保护膜，然后应用磷酸系列的混合腐蚀液在250摄氏度的温度下对芯片下表面上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，刻蚀深度10微米，由此制作出聚光反射镜阵列。

本发明还提供第四种带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：包括以下步骤，首先通过光刻在芯片下表面上制作若干个直径为50微米的圆形保护膜，然后采用等离子体刻蚀设备对芯片下表面上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，刻蚀深度10微米，由此制作出聚光反射镜阵列。

本发明采取以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：

LED芯片发光结构发出的光经衬底下表面的聚光反射镜反射后会有更多的光汇聚到芯片上表面的全反射角内从芯片内出射，从而提高了LED芯片的出光效率，通过试验证明，45mil尺寸芯片的出光效率可以获得8％以上的提升，而55mil尺寸芯片的出光效率可以获得13％以上的提升。

因而本发明所制作的LED芯片将比一般的没有本发明所使用的衬底聚光反射镜的LED芯片获得更高的光效。同时，通过衬底聚光反射镜阵列的制作也可以增加一部分器件的散热面积，从而进一步提升器件的性能。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

附图1是本发明背景技术中传统蓝光LED芯片的结构示意图；

附图2是本发明背景技术中传统蓝光LED芯片安装在封装平台上的结构示意图；

附图3是本发明实施例中带有衬底聚光反射镜阵列的蓝光LED芯片的结构示意图；

附图4是本发明实施例1中采用的金刚石切割刀楔形刀头的结构示意图；

附图5是本发明实施例1中LED芯片下表面上切割道的结构示意图；

附图6是本发明实施例1和2中聚光反射镜阵列的结构示意图；

附图7是本发明实施例3和4中聚光反射镜阵列的结构示意图。

图中：1-衬底；2-GaN半导体缓冲层；3-半导体结构；4-光发射结构；5-半导体结构；6-芯片上表面；7-芯片下表面；8-聚光反射镜阵列；9-高反射率光学反射膜；10-封装平台。

具体实施方式

实施例1，如图3所示，一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括衬底1，所述衬底1的上侧依次固接有GaN半导体缓冲层2，半导体结构3和光发射结构4及半导体结构5，半导体结构5的上侧为芯片上表面6，衬底1的下侧为芯片下表面7，所述芯片下表面7上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列8，所述聚光反射镜阵列8为矩形阵列。

所述聚光反射镜阵列8包括若干个同一类型的聚光反射镜，所述聚光反射镜的横向截面为矩形、纵向剖面为倒梯型，所述聚光反射镜的外壁上蒸镀有高反射率光学反射膜9。

上述LED芯片的制作方法是：

首先利用金刚石切割刀如附图4所示的楔形刀头剖面，通过它在LED芯片衬底下表面7上切割出如附图5所示的纵横交错的切割道，这样相邻交叉的切割道之间就构成了如附图6所示的形成聚光反射镜组成聚光反射镜阵列8。

然后在聚光反射镜的外表面蒸镀高反射率金属材料Al的高反射光学反射膜9，进一步提升聚光反射镜阵列的反射效果，通过调整切割道的间距以及切割道的深度，我们制作了三种不同的倒梯形聚光反射镜阵列，如下所述：

I型：切割道间距0.1mm×0.1mm，切割道深度10微米；

II型：切割道间距0.06mm×0.06mm，切割道深度5微米；

III型：切割道间距0.06mm×0.06mm，切割道深度10微米；

IV型：切割道间距0.4mm×0.4mm，切割道深度30微米；同时，为了验证聚光反射镜阵列对不同尺寸的LED芯片的影响差异，我们将上述三种类型的倒梯形聚光反射镜阵列制作到45mil尺寸和55mil尺寸的芯片上，具体测试结果如表1所示：

表1

从表1的结果我们可以看到，II型倒梯形聚光反射镜阵列具有最佳的LED芯片出光效率提升效果，对于45mil尺寸的芯片可以提升出光效率8.8％，而对于55mil尺寸的芯片可以提升出光效率13.9％。

此外，通过选择不同刀头形状的切割刀进行切割，我们还可以获得纵向剖面是倒锥型、半球型、双曲型、折面型等其它各种形式的聚光反射镜阵列，理论分析表明这些聚光反射镜阵列可以获得如实施例1一样的LED芯片出光效率提升效果。

上述实施例1中，所述高反射率光学反射膜9还可以采用Ag材料制成。

上述实施例1中，所述高反射率光学反射膜9还可以采用由介质材料SiO2、Si、TiO2、MgF2、Al2O3其中一种或任两种组合组成的布拉格反射镜构成。

实施例2，所述LED芯片的结构同实施例1，只是切割道由激光加工制作，具体测试结果如表2所示：

表2

从表2的结果可以看到，聚光反射镜阵列提升了LED芯片的出光效率，而且仍旧是II型整列获得了最佳的效果。

实施例3，如图3所示，一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括衬底1，所述衬底1的上侧依次固接有GaN半导体缓冲层2，半导体结构3和光发射结构4及半导体结构5，半导体结构5的上侧为芯片上表面6，衬底1的下侧为芯片下表面7，所述芯片下表面7上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列8，所述聚光反射镜阵列8为矩形阵列。

所述聚光反射镜阵列8包括若干个同一类型的聚光反射镜。

如附图7所示，所述聚光反射镜的横向截面为圆形、纵向剖面为倒梯型，所述聚光反射镜位于芯片下表面7上的直径为50μm，其深度为10μm，相邻的聚光反射镜之间的间距为50μm，所述聚光反射镜的外壁上蒸镀有高反射率光学反射膜9。

上述LED芯片的制作方法是：

首先通过光刻在芯片下表面7上制作若干个直径为50微米的圆形保护膜，然后应用磷酸系列的混合腐蚀液即H₃PO₄∶HCl∶H₂O＝5∶1∶10，在250摄氏度的温度下对芯片下表面7上圆形保护膜以外的区域进行腐蚀，腐蚀深度10微米，由此制作出聚光反射镜阵列8。

然后在聚光反射镜的外表面蒸镀有高反射率金属材料Al制成的高反射率光学反射膜9，提升聚光反射镜阵列的反射效果。

器件测试结果如表3所示：

表3

相关聚光反射镜阵列的使用使得LED芯片的出光效率提升了3～6％。

腐蚀掩膜除了本实施例应用的圆形阵列外，还可以是其它形状如方形、椭圆形、三角形、六边形阵列等等，理论分析表明图形的变化对最终的LED芯片出光效率提升方面会产生一定的影响，但是差别不会很大，而主要影响因素在于图形的尺寸、间距以及腐蚀的深度。此外，在腐蚀过程中通过控制掩膜下腐蚀液的侧刻效果，还可以实现倒锥型的聚光反射镜阵列。

上述实施例3中，所述磷酸系列混合腐蚀液的配比也可以采用H₃PO₄∶HCL∶H₂O为1∶1∶5或10∶2∶3或5∶4∶6等配比，制作出来的聚光反射镜阵列对器件出光效率的影响与表3所示数据相比没有大的差异。

所述H₃PO₄的摩尔浓度为80％，HCL的摩尔浓度为37％。

上述实施例3中，所述磷酸系列混合腐蚀液的配比还可以采用H3PO4∶HCL为1∶1或5∶1或3∶1或1∶7等配比，制作出来的聚光反射镜阵列对器件出光效率的影响与表3所示数据相比没有大的差异。

上述实施例3中，所述高反射率光学反射膜9还可以采用高反射率金属材料Ag制成。

上述实施例3中，所述高反射率光学反射膜9还可以采用由介质材料SiO2、Si、TiO2、MgF2、Al2O3中的其中至少任两种的组合组成的布拉格反射镜构成。

实施例4，一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括衬底1，所述衬底1的上侧依次固接有GaN半导体缓冲层2，半导体结构3和光发射结构4及半导体结构5，半导体结构5的上侧为芯片上表面6，衬底1的下侧为芯片下表面7，所述芯片下表面7上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列8，所述聚光反射镜阵列8为矩形阵列。

所述聚光反射镜阵列8包括若干个同一类型的聚光反射镜，

如附图7所示，所述聚光反射镜的横向截面为圆形、纵向剖面为倒梯型，所述聚光反射镜的位于芯片下表面7上的直径为50μm，其深度为10μm，相邻的聚光反射镜之间的间距为50μm，所述聚光反射镜的外壁上蒸镀有高反射率光学反射膜9。

上述LED芯片的制作方法是：

首先通过光刻在芯片下表面7上制作若干个直径为50微米的圆形保护膜，然后采用等离子体刻蚀设备对芯片下表面7上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，刻蚀深度10微米，由此制作出聚光反射镜阵列8，然后在聚光反射镜的外表面蒸镀有由介质材料SiO2、Si、TiO2、MgF2、Al2O3中的其中至少任两种的组合组成的布拉格反射镜构成的高反射率光学反射膜9。

本实施例中是应用ICP刻蚀设备在Cl2、BCL3、SiCL4和Ar的混合等离子体环境下进行刻蚀，通过调节反应气体流量、配比及射频功率的调整形成需要的聚光反射镜阵列。

具体测试结果如4表所示：

表4

聚光反射镜阵列的应用使得LED芯片的出光效率获得了5～10％的提升。，表4的结果为采用ICP刻蚀，具体条件如下：

ICP功率＝1800W，RF功率＝300W，腔压＝50mtorr，Cl2流量＝30sccm，Ar流量＝15sccm，BCL3流量＝50sccm。

另外，相应等离子体刻蚀还可以应用如下条件，结果与表4所示结果基本一致。

ICP功率＝1400W，RF功率＝150W，腔压＝80mtorr，Cl2流量＝50sccm，Ar流量＝10sccm，BCL3流量＝20sccm；

ICP功率＝1000W，RF功率＝200W，腔压＝100mtorr，Cl2流量＝60sccm，Ar流量＝25sccm，BCL3流量＝20sccm。

以上所述的H3PO4溶液刻蚀方法和等离子体刻蚀方法也可以用于实施例1中所述的切割道的制作，来实现相应的聚光反射镜阵列。

上述实施例4中，还可以采用RIE、ECR等等离子体刻蚀设备制作。

上述实施例1-4中，所述聚光反射镜阵列8还可以包括若干个不同类型的聚光反射镜，所述若干个聚光反射镜的纵向截面是倒锥型、半球型、双曲型、倒梯型或折面型中的其中至少任两种组合，同样能够达到提高芯片的出光效率的效果。

Claims

1.一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括芯片上表面(6)和芯片下表面(7)，其特征在于：所述芯片下表面(7)上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列(8)；所述聚光反射镜阵列(8)包括若干个同一类型的聚光反射镜；所述聚光反射镜阵列(8)为矩形阵列；所述聚光反射镜阵列(8)包括若干个纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜；所述切割道的间距为0.06～0.4mm×0.06～0.4mm，切割道深度为5～30μm。

2.如权利要求1所述的一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，其特征在于：所述聚光反射镜的横向截面为矩形、纵向剖面为倒梯型。

3.一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括芯片上表面(6)和芯片下表面(7)，其特征在于：所述芯片下表面(7)上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列；所述聚光反射镜阵列(8)包括若干个同一类型的聚光反射镜；所述聚光反射镜阵列(8)为矩形阵列；所述聚光反射镜的横向截面为圆形、纵向剖面为倒梯型；所述聚光反射镜位于芯片下表面(7)上，所述聚光反射镜直径为50μm，其深度为10μm，相邻的聚光反射镜之间的间距为50μm。

4.如权利要求1-3其中之一所述的一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，其特征在于：所述聚光反射镜的外壁上蒸镀有高反射率光学反射膜(9)。

5.如权利要求4所述的一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，其特征在于：所述高反射率光学反射膜(9)由高反射率金属材料制成。

6.如权利要求5所述的一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，其特征在于：所述高反射率金属材料为Al或Ag。

7.如权利要求4所述的一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，其特征在于：所述高反射率光学反射膜(9)由介质材料SiO₂、Si、TiO₂、MgF₂、Al₂O₃中的至少任两种组合组成的分布布拉格反射镜构成。

8.一种如权利要求1所述的带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：首先采用金刚石切割刀对芯片下表面(7)进行切割制成纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵列(8)。

9.一种如权利要求1所述的带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：首先采用激光对芯片下表面(7)进行切割制成纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵列(8)。

10.一种如权利要求3所述的带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：首先通过光刻在芯片下表面(7)上制作若干个直径为50微米的圆形保护膜，然后应用磷酸系列的混合腐蚀液在250摄氏度的温度下对芯片下表面(7)上圆形保护膜以外的区域进行腐蚀，腐蚀深度10微米，由此制作出聚光反射镜阵列(8)。

11.一种如权利要求3所述的带有衬底聚光反射镜的LED芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，首先通过光刻在芯片下表面(7)上制作若干个直径为50微米的圆形保护膜，然后采用等离子体刻蚀设备对芯片下表面(7)上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，刻蚀深度10微米，由此制作出聚光反射镜阵列(8)。