CN108346723A - 一种GaAs基AlGaInP单面双电极高亮四元发光二极管灯丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝及其制备方法。包括GaAs基AlGaInP四元发光二极管芯片，在芯片的每个周期单元两端均刻蚀形成端台面，并在该端台面上制作有金属引线电极；在每个周期单元内沿芯片单元一侧，经刻蚀形成对芯片单元的水平环切，并在GaAs衬底上芯片单元之间形成缝隙；对DBR层进行氧化使之成为绝缘层；裂片后以GaAs衬底为基板，周期单元内的相邻芯片单元之间P电极与N电极导线连通，有荧光胶包覆层将各芯片单元及基板完全包覆，引脚线部分露出荧光胶包覆层外。本发明突破了LED封装难题，使外延芯片至LED灯丝的整体成本降低55％以上，可直接进行封装，提高封装产出率。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaAs基AlGaInP单面双电极高亮四元发光二极管灯丝及其制备方法，属于LED灯丝制备技术领域。
背景技术
目前在LED照明市场上，一方面，国家对LED产业全力扶持；另一方面，因为LED照明灯具的生产成本居高不下，LED照明产品的零售价格过高，还难以使LED照明灯具走进千家万户。LED灯丝发明问世解决了这种矛盾，其独特的造型和极高的性价比受到广泛欢迎。从另一方面说，LED灯丝灯降低了传统灯具厂商向LED照明领域转型的壁垒。现在LED灯丝灯主要由LED灯丝、驱动电源、玻璃灯柱支架、玻璃泡、以及灯头五金件几部分组成。这些成品组件除了LED灯丝外其它材料价格并不高，根据封装厂统计LED灯丝占据成品BOM(物料清单)成本的81％左右。但是，目前LED灯丝的生产还存在工艺复杂,切割成本高，自动化程度低,生产效率不高，导致其生产成本始终较高。例如，CN104319342A公开的一种LED灯丝，该类LED灯丝需要散热好的基板，且存在着荧光粉与基板受热易剥离等问题，此外，现行封装工艺也难避免共有的点胶异常、芯片摆歪、芯片塌陷等问题。CN 205355072U公开了一种发光二极管灯丝芯片及发光二极管灯丝，LED灯丝芯片上设有用于将LED灯丝芯片分成至少两个子芯片的隔离槽，隔离槽从透明导电层延伸至透明基板层，隔离槽内铺设有绝缘层，绝缘层上铺设有电气连接结构，至少两个子芯片通过电气连接结构电连接。
CN104979437A提供了一种基于芯片工艺制程的LED灯丝制备方法，其主要是基于GaN系LED芯片制程制作LED灯丝，所制作的LED灯丝灯仅是以蓝光芯片为基础进行封白而用于照明。该发明的GaN系LED芯片是在蓝宝石衬底上外延GaN层、N型GaN层、量子阱有源区、P型GaN层和透明导电层，该芯片无法将向下发射的光全部向上反射回去，出光效率有待提高。提高二极管的发光效率一直是LED技术追求的目标，提高优品率及良率，降低生产成本也是市场目标。另外，LED灯丝灯最大问题还在于散热，若能将热散发出来，可减少许多成本，而对于散热起关键作用的就是基板，即对于基板的传导散热功能提出更高的要求。蓝宝石的导热性能不是很好(在100℃约为25W/(m·K))，作为基板其散热功能也不理想。另外，蓝宝石衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石的硬度非常高，在LED器件的制作过程中却减薄和切割的成本较高。此外，提升光色一致性、抗冷热冲击性能、寿命等等技术参数也是LED灯丝改进的技术目标。由于工艺上的差异，对材料的要求各异，这也导致相关的材料厂商难以满足LED灯丝制作工艺的技术需求。物料成本、人工成本、生产效率、良率等都是制约LED灯丝灯生产的瓶颈。
由于GaAs衬底的AlGaInP四元红黄光系列为异面电极,即把GaAs衬底的AlGaInP四元红黄光系列的芯片制程用于LED灯丝灯的制作存在相当的技术难度，即未见有GaAs衬底的AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管的LED灯丝及制备工艺的报道。
发明内容
针对现有以上的技术不足，本发明提供了一种低成本、高产出率的LED灯丝的制备方法，特别是一种基于GaAs衬底的AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管的LED灯丝制备的方法。
术语说明：
LED：发光二极管；
DBR层：布拉格反射镜层；
GaP层：电流扩展层
MOCVD：有机金属化学气相沉积；
ICP刻蚀：等离子体刻蚀。
本发明的技术方案如下：
一种基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝，包括GaAs基AlGaInP四元发光二极管芯片，该芯片是在GaAs衬底上依次外延有GaAs层、布拉格反射镜层、N型AlGaInP层、量子阱有源区、P型AlGaIn层、GaP层，在GaP层上制作有P电极，在N型AlGaInP层上制有台面I并在该台面上制有N电极，形成有若干个周期单元的LED芯片；
在所述的LED芯片的每个周期单元两端均刻蚀到GaAs衬底上表面形成端台面并在该端台面上制作有金属引线电极；
在每个周期单元内沿芯片单元一侧，由GaP层一直刻蚀到N型AlGaInP层，沿N型AlGaInP层的上表层进行半切，形成对芯片单元的水平环切，并在GaAs衬底上芯片单元之间形成缝隙；
所述布拉格反射镜层(DBR层)被氧化成为绝缘层；
沿每个周期单元端台面裂片，GaAs衬底为基板，所得周期单元内的相邻芯片单元之间P电极与N电极导线连通，由所述端台面II上的金属引线电极接出引脚线，有荧光胶包覆层将各芯片单元及基板完全包覆，引脚线部分露出荧光胶包覆层外。
根据本发明优选的，所述的LED灯丝芯片的每个周期单元有2-10个芯片单元。
根据本发明优选的，所述的DBR层为5-25个周期的N型AlGaAs/AlAs体系；进一步优选，DBR层的周期为16-20个；最优选DBR层的周期为18个。进一步优选的，所述N型AlGaAs/AlAs体系材料选自Al0.6Ga0.4As/AlAs、Al0.5Ga0.5As/AlAs或者Al0.4Ga0.6As/AlAs。
根据本发明优选的，所述量子阱有源区为AlGaInP多量子阱有源层，厚度为0.2-0.5μm。
根据本发明优选的，所述布拉格反射镜层用滴水氧化方式被氧化成为绝缘层。
一种基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD工艺在GaAs衬底上依次外延生长GaAs层、布拉格反射镜层、N型AlGaIn层、量子阱有源区、P型AlGaIn层、GaP层，在GaP层上制作P电极，沿LED芯片一侧，从上而下由GaP层刻蚀到N型AlGaInP层制作台面I，刻蚀深度为40μm-55μm，形成有若干个周期单元的LED芯片；衬底减薄；
(2)在所述的LED芯片的每个周期单元两端(外侧芯片单元)均刻蚀到GaAs衬底上表面形成端台面，该端台面上制作有金属引线电极；
(3)将上述的LED芯片沿N型AlGaInP层的上表层进行半切，到达GaAs衬底上表面的半切深度为70-90μm；实现对所述发光二极管的水平环切，在GaAs衬底上芯片单元之间形成隔断缝隙；
(4)用滴水氧化方式对布拉格反射镜层(DBR层)进行氧化使之成为绝缘层；
(5)沿按每个周期单元刻蚀出的端台面进行裂片，使发光二极管芯片成为独立的周期单元，周期单元内未切开的衬底成为承载各个芯片单元的基板；所述基板厚度为60-80μm；
(6)将相邻单元芯片之间P电极与N电极进行导线连接；两个端台面上的金属引线电极接出引脚线；
(7)在各个单元芯片上制作荧光胶包覆层，将各个单元芯片及基板完全包覆；两端引脚线部分露出荧光胶包覆层外。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中台面I的刻蚀深度为40-55μm；
根据本发明优选的，所述步骤(3)中半切深度为80-85μm；
根据本发明优选的，所述步骤(4)所述的滴水氧化方式是在氧化炉内进行氧化：将芯片放置于350-520℃氧化炉内，从氧化炉一端口按照15-18mL/min的流速注入纯水,使水在高温下汽化,流过芯片表面，布拉格反射镜层中的AlAs和H2O反应生成致密的氧化层，所述氧化炉内的湿度≥75％RH。
根据本发明优选的，步骤(2)、步骤(5)中所述每个周期单元包含5-15个单元芯片。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述的缝隙宽度为2-3微米。
根据本发明优选的，所述步骤(5)中基板的厚度为70-75μm。
根据本发明优选的，所述步骤(1)、(2)的刻蚀采用ICP刻蚀。
根据本发明优选的，所述步骤(3)的半切是采用切割设备按照设定切割深度进行锯片。
本发明以上制备方法中，有关GaAs基AlGaInP四元发光二极管芯片的制备，凡未做特别限定的，均可参照现有技术进行。例如衬底减薄、刻蚀、环切、荧光胶包覆等制作工艺均按现有技术。
本发明的优良效果：
本发明提供了一种全新的GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝芯片，并由此制得GaAs基AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管的LED灯丝，实现GaAs衬底的AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管的LED芯片制程技术与封装技术进行融合。在制备GaAs基AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管芯片步骤中通过氧化工艺使布拉格反射镜层氧化成为绝缘层，彻底消除光的损失，使向下发射的光全部向上反射回去，提升了光的出光效率。芯片大小8mil测试电流20mA时，最大亮度超过320mcd。
本发明涉及单面双电极的四元LED芯片，可在每个周期单元两端均刻蚀出台面，在刻蚀出的台面上制作金属引线电极，十分方便。生产效率提升30％以上。
本发明利用GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝芯片制作出红光灯丝,突破了LED封装技术难以解决的难题，既解决了LED灯丝制程中对散热基板选择以及荧光粉与基板剥离等问题，又使从外延、芯片至LED灯丝的整体成本降低55％，可直接进行封装，无需进行点胶、固晶等操作，提高封装产出率。另外,本发明方法制作的单面双电极的四元LED芯片封装良率由87％提升到98％,封装生产成本降低55％以上。
附图说明
图1是本发明中制备的LED灯丝芯片的结构示意图。
图2是本发明基于芯片工艺制程制备的LED灯丝的结构示意图。其中，
110、P电极，111、GaP层，112、P型AlGaInP层，113、量子阱有源区，114、N型AlGaInP层，115、DBR层，116、GaAs层，117、GaAs衬底，118、N电极，119透明导电薄膜，210、隔断间隙，211、金属引线电极，212、端台面、213、芯片台面I，311、荧光胶包覆层，312、芯片单元，313、引脚。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1:
一种基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制作方法，基于芯片工艺制程，包括在LED芯片的外延生长、电极制作步骤完成后，对芯片进行逐颗半切，然后按照固定的周期进行裂片，包括步骤如下：
(1)采用MOCVD工艺依次在GaAs衬底117上制备GaAs层116、DBR层(布拉格反射层)115、N型AlGaInP层114、量子阱有源区113、P型AlGaInP层112和GaP层111。在GaP层111上制作P电极110，在N型AlGaInP层114上制作台面213，在该台面上制作N电极118，制成LED芯片。结构如图1所示；制成的LED芯片沿管芯一侧，从上而下由GaP层112刻蚀到N型AlGaInP层114制作台面213，刻蚀深度为45μm；
所述的DBR层为18个周期的N型Al0.6Ga0.4As/AlAs体系；
所述量子阱有源区为AlGaInP多量子阱有源层，厚度为0.3μm；
GaAs衬底厚度为200μm，GaAs层116厚度为7μm，N型AlGaInP层114厚度为0.6μm，P型AlGaInP层112厚度为0.6μm，GaP层111厚度为5μm。
制成芯片时将GaAs衬底减薄至75μm。
(2)在所述的LED芯片的每个周期单元两端均刻蚀到GaAs衬底上表面形成端台面212，在刻蚀出的台面212上制作金属引线电极211；每个周期单元包含8个单元芯片。
(3)将LED芯片沿N型AlGaInP层114的上表层进行半切，实现了对所述发光二极管的水平环切，在砷化镓衬底上形成隔断缝隙,缝隙宽度2微米，到达GaAs衬底上表面刻蚀深度为85μm；
(4)用滴水氧化方式对DBR层进行氧化使之成为绝缘层；
芯片在高温氧化炉内,从氧化炉一端口按照18mL/min的流速注入纯水,使水在高温下汽化,流过芯片表面，AlAs和H2O反应生成致密的氧化层,所述氧化炉内的温度为400℃；所述氧化炉内的湿度≥75％RH；
(5)沿按固定周期刻蚀出的端台面212进行裂片，使发光二极管芯片成为独立的芯片单元，芯片单元为多个8mil的芯片构成；未切开的衬底成为承载各个芯片单元的基板；所述基板厚度为75μm。如图1所示。
(6)对裂片后的单元芯片，通过金属导线电性对单元芯片连接形成通路，在LED芯片单元上制作荧光胶包覆层，完全包覆LED芯片单元及基板。具体步骤如下：
i.将相邻芯片单元313之间进行连线导通，并由外侧芯片单元上ICP刻蚀出的端台面212上的金属引线电极211接出引脚312。参见图1。
ii.在各个芯片单元313上通过物理、化学等方式形成荧光胶包覆层311，将各个芯片单元313及基板完全包覆，引脚312露出包覆层311外面。最终制成如图2所示结构的LED灯丝。
LED灯丝的测试结果参数对比结果如下：
普通AlGaInP四元红光LED芯片大小为8mil，测试电流20mA，其亮度最大值在200mcd以下。封装良率87％左右。
本发明实施例1的方法制作的GaAs基AlGaInP四元红光LED灯丝芯片，芯片大小同样为8mil，测试电流20mA，最大亮度超过350mcd。
另外,本实施例1的封装实验表明，封装良率由87％提升到98％,生产效率提升30％,封装生产成本降低55％以上。
实施例2:
一种基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制作方法，其中，在LED芯片的外延生长、电极制作步骤完成后，对芯片进行逐颗半切，然后按照固定的周期进行裂片，等步骤如实施例1所述，所不同的是：
步骤(1)中，制成的LED芯片沿管芯一侧，从上而下由GaP层112刻蚀到N型AlGaInP层114制作台面213，刻蚀深度为50μm；所述的DBR层为12个周期的N型Al0.5Ga0.5As/AlAs体系。所述量子阱有源区为AlGaInP多量子阱有源层，厚度为0.4μm；
GaAs衬底厚度为180μm，GaAs层116厚度为8μm，N型AlGaInP层114厚度为0.8μm，P型AlGaInP层112厚度为0.8μm，GaP层111厚度为6μm。制成芯片时将GaAs衬底减薄至70μm。
步骤(2)中，每个周期单元包含10个单元芯片。
步骤(3)中，半切刻蚀深度为80μm；
步骤(5)中，所述基板厚度为70μm。
LED灯丝的测试结果参数对比结果如下：
对比例：普通AlGaInP四元红光LED芯片大小为8mil，测试电流20mA，其亮度最大值在200mcd以下。封装良率87％左右。
本发明实施例2的方法制作的GaAs基AlGaInP四元红光LED灯丝芯片，芯片大小同样为8mil，测试电流20mA，最大亮度超过320mcd。另外,本实施例2的产品封装实验表明，封装良率提升到97％,生产效率提升30％。
Claims (9)
1.一种基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝，包括GaAs基AlGaInP四元发光二极管芯片，该芯片是在GaAs衬底上依次外延有GaAs层、布拉格反射镜层、N型AlGaInP层、量子阱有源区、P型AlGaIn层、GaP层，在GaP层上制作有P电极，在N型AlGaInP层上制有台面I并在该台面上制有N电极，形成有若干个周期单元的LED芯片；
在所述的LED芯片的每个周期单元两端均刻蚀到GaAs衬底上表面形成端台面并在该端台面上制作有金属引线电极；
在每个周期单元内沿芯片单元一侧，由GaP层一直刻蚀到N型AlGaInP层，沿N型AlGaInP层的上表层进行半切，形成对芯片单元的水平环切，并在GaAs衬底上芯片单元之间形成缝隙；
所述布拉格反射镜层被氧化成为绝缘层；
沿每个周期单元端台面裂片，GaAs衬底为基板，所得周期单元内的相邻芯片单元之间P电极与N电极导线连通，由所述端台面II上的金属引线电极接出引脚线，有荧光胶包覆层将各芯片单元及基板完全包覆，引脚线部分露出荧光胶包覆层外。
2.如权利要求1所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝，其特征在于所述的LED灯丝芯片的每个周期单元有2-10个芯片单元。
3.如权利要求1所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝，其特征在于，所述的DBR层为5-25个周期的N型AlGaAs/AlAs体系；优选所述N型AlGaAs/AlAs体系材料选自Al0.6Ga0.4As/AlAs、Al0.5Ga0.5As/AlAs或者Al0.4Ga0.6As/AlAs。
4.如权利要求1所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝，其特征在于，所述量子阱有源区为AlGaInP多量子阱有源层，厚度为0.2-0.5μm。
5.一种基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD工艺在GaAs衬底上依次外延生长GaAs层、布拉格反射镜层、N型AlGaIn层、量子阱有源区、P型AlGaIn层、GaP层，在GaP层上制作P电极，沿LED芯片一侧，从上而下由GaP层刻蚀到N型AlGaInP层制作台面I，刻蚀深度为40μm-55μm，形成有若干个周期单元的LED芯片；
(2)在所述的LED芯片的每个周期单元两端均刻蚀到GaAs衬底上表面形成端台面，该端台面上制作有金属引线电极；
(3)将上述的LED芯片沿N型AlGaInP层的上表层进行半切，到达GaAs衬底上表面的半切深度为70-90μm；实现对所述发光二极管的水平环切，在GaAs衬底上芯片单元之间形成隔断缝隙；
(4)用滴水氧化方式对布拉格反射镜层进行氧化使之成为绝缘层；
(5)沿按每个周期单元刻蚀出的端台面进行裂片，使发光二极管芯片成为独立的周期单元，周期单元内未切开的衬底成为承载各个芯片单元的基板；所述基板厚度为60-80μm；
(6)将相邻单元芯片之间P电极与N电极进行导线连接；两个端台面上的金属引线电极接出引脚线；
(7)在各个单元芯片上制作荧光胶包覆层，将各个单元芯片及基板完全包覆；两端引脚线部分露出荧光胶包覆层外。
6.如权利要求5所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中台面I的刻蚀深度为40-55μm；优选的，所述步骤(3)中半切深度为80-85μm。
7.如权利要求5所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)所述的滴水氧化方式是在氧化炉内进行氧化：将芯片放置于350-520℃氧化炉内，从氧化炉一端口按照15-18mL/min的流速注入纯水,使水在高温下汽化,流过芯片表面，布拉格反射镜层中的AlAs和H2O反应生成致密的氧化层，所述氧化炉内的湿度≥75％RH。
8.如权利要求5所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的缝隙宽度为2-3微米。
9.如权利要求5所述的基于GaAs基AlGaInP四元发光二极管灯丝的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中基板的厚度为70-75μm。
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