CN201490223U - 一种增加出光率的led芯片垂直结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种增加出光效率的LED芯片垂直结构，其包括蓝宝石基座、衬底、外延层和欧姆电极，所述的外延层上设置有一具有球面的微透镜；本实用新型通过在外延层上设置微透镜结构，解决大功率LED芯片在高电流密度小所遇到的提高发光效率的问题；由于现有的平面LED器件所发出的光因为临界角被限制而不易射出，导致LED的出光效率很低，而本实用新型带有球面微透镜结构的LED器件的出光则不受临界角的限制，据此作出的LED器件的光输出功率要比平面结构高很多。

Description

一种增加出光率的LED芯片垂直结构

技术领域

本实用新型涉及化合物半导体器件领域，尤其是涉及一种增加出光效率的LED芯片垂直结构。

背景技术

目前，蓝光、绿光发光二极管(LED)的基本结构是在蓝宝石衬底上外延生长InGaN/GaN发光半导体材料，然后在外延层的上表面制作正/负电极用于注入电流使之将电能转换成光能。图-1所示的是典型的蓝光LED芯片的剖面结构示意图，该芯片主要由三部分组成，蓝宝石衬底11，外延层12，以及欧姆电极13(包含p、n两个电极)，正极欧姆电极是制作在p型GaN层上，为了改善电流注入的均匀性，通常需要在p型GaN层上先沉积一层透明导电接触层。负极欧姆电极是制作在n型GaN层上，这需要将部分p型GaN层刻蚀去除。这种将两个电极制作在同一侧的器件结构是因为蓝宝石衬底不导电。但是这种结构同时也局限了芯片表面发光区的面积，降低了芯片的发光效率，此外，蓝宝石衬底的低导热性使之作为芯片与外界的散热通道限制了芯片在大电流下的可靠性能，这是因为蓝宝石衬底的导热系数只有0.4W/K.cm，垂直结构LED通过去除蓝宝石衬底以及键合高导热导电基座，克服了蓝宝石衬底不导热导电的缺点，实现了LED结构中电流的垂直传导，降低电阻和提高电流分布的均匀性.垂直结构LED芯片的优点还包括：高效率，芯片面积容易改变，接近Lambetian光源，衬底成本低，适合白光封装等.是大功率LED芯片制造，尤其是用于半导体照明的LED芯片制造的重要途径；但是，研究也表明，一般的平面LED因临界角被限制而不易射出，使得LED器件的发光效率很低。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中的LED芯片垂直结构出光率低的问题，提供一种增加出光率的LED芯片垂直结构。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：提供一种增加出光效率的LED芯片垂直结构，其包括蓝宝石基座、衬底、外延层和欧姆电极，其中：所述的外延层上设置有一具有球面的微透镜。

本实用新型更进一步的实施方案是，所述的具有球面的微透镜是一半圆形。

本实用新型更进一步的实施方案是，所述的半圆形球面的圆弧直径是100-200微米。

本实用新型更进一步的实施方案是，所述的蓝宝石基座是Cu、CuW合金、AuAl、Si、GaAs、InP、AlN、金刚石、镍铁合金或镍制成的高导电导热基座。

本实用新型更进一步的实施方案是，所述的高导电导热基座的厚度为50-500微米。

与现有技术相比，通过在外延层上设置微透镜结构，解决大功率LED芯片在高电流密度小所遇到的提高发光效率的问题；采用本实用新型的这种结构的芯片有以下优点：

1.一般的平面LED器件所发出的光因为临界角被限制而不易射出，导致LED的出光效率很低.而带有球面微透镜结构的LED器件的出光则不受临界角的限制，据此作出的LED器件的光输出功率要比平面结构高很多。

2.本实用新型通过高散热层键合LED使得芯片散热能力显著改善，由于量子阱的电-光转换效率是随着温度的增加而降低，本实用新型的LED芯片在散热性能上的改善使得芯片可以在大电流下仍然维持较高的电-光转换效率，实现大功率高亮度。

3.其余垂直结构LED芯片优点包括高效率，低电阻，芯片面积容易改变，接近Lambetian光源，衬底成本低，适合白光封装等。

附图说明

图1是现有技术中LED芯片的剖面示意图；

图2是本实用新型的带微透镜LED垂直结构芯片的剖面示意图；

图2a-2f本实用新型的微透镜LED垂直结构芯片的制作过程中剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，本实用新型实施例提供一种增加出光效率的LED芯片垂直结构，其包括蓝宝石基座26、外延层23和欧姆电极21和24，其中：所述的外延层23上设置有一具有球面的微透镜22。本实用新型实施例所述的欧姆电极包括n电极21和透明电极层24；该芯片垂直结构还包括焊料及反射层25和背金层27。所述的蓝宝石基座26是Cu、CuW合金、AuAl、Si、GaAs、InP、AlN、金刚石、镍铁合金或镍制成的高导电导热基座。

本实用新型实施例

如图2所示的LED芯片结构包含：1)背金层27，它可以是Au，Ag，Al，GeAu，AuBe等金属或合金；2)高导热基座26，它可以是金属Cu，CuW合金，AuAl，Si，GaAs，InP，AlN，金刚石，镍铁合金，镍，它的厚度范围是在50-500微米内；3)焊料反射层25，它可以是Ag，Al，Ag合金，Al合金，铟(In)，铟合金，Cu，金锡焊料，铅锡焊料，银浆，导电胶，包括但不局限于以上所述材料或是以上所述材料的任意组合；4)p型透明电极层24，采用Ni/Au，Pt，WSi，W，ITO等等透明导电结构；5)微透镜22，可以是有机材料例如环氧树脂，光刻胶，SOG等，也可以是无机材料SiO₂，Si₃N₄，SiN_yO_x等6)LED芯片n电极21，它可以是Ti/Al/Ti/Au，Cr/Ni/Al，Cr/Ni/Au等等多层金属结构。本实用新型上述结构中所使用的材料包括但不局限于以上所述材料。

如图2a-2f所示的是本实用新型LED芯片的制作过程的结构剖面示意图，主要包括：

1)p型透明电极层制备：采用蒸发，溅射，等离子体化学反应，涂布等薄膜制备方法.包括但不局限于以上所述方法.此时LED圆片包含透明电极层24，外延层23，蓝宝石衬底28，如图2a。

2)焊料层或反射层制备：采用蒸发，溅射，电镀，刷涂或其他薄膜制备方法.包括但不局限于以上所述方法.此时LED圆片包含透明电极层24，焊料及反射层25，外延层23，蓝宝石衬底28，如图2b。

3))高导电导热基座制备：采用蒸发，溅射，电镀，刷涂，键合或其他薄膜制备方法.此时LED圆片包含透明电极层24，焊料及反射层25，高导电导热基座26，外延层23，蓝宝石衬底28，，如图2c。

4)背金层制备：采用蒸发，溅射，电镀，刷涂或其他薄膜制备方法.此时LED圆片包含透明电极层24，焊料及反射层25，高导电导热基座26，背金层27，外延层23，蓝宝石衬底28，，如图2d。

5)蓝宝石移除：采用化学机械研磨(CMP)或激光剥离(LLO)等方法去除蓝宝石衬底.此时LED圆片包含外延层23，透明电极层24，焊料及反射层25，高导电导热基座26，背金层27，如图2e。

6)微透镜之制备：1)在外延层上沉积一层有机或无机的透明薄膜，沉积方式包括但不限于涂布(spin coating)，蒸发，溅射，PECVD等薄膜工艺方法2)在特定区域，采用回流(re-flow)，选择性刻蚀(干法或湿法)等制作微透镜结构，此时LED圆片包含微透镜22，外延层23，透明电极层24，焊料及反射层25，高导电导热基座26，背金层27，如图2f，所述的具有球面的微透镜22是一半圆形，其圆弧直径是100-200微米，该带有球面微透镜22结构的LED器件的出光不会受临界角的限制，LED器件的光输出功率要比平面结构高很多。

7)n电极制备：采用蒸发，溅射，等离子体化学反应，涂布等薄膜制备方法.包括但不局限于以上所述方法.此时LED圆片包含n电极21，微透镜22，外延层23，透明电极层24，焊料及反射层25，高导电导热基座26，背金层27，如图2所示。

至此，本实用新型的带微透镜垂直LED芯片结构制作完成。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种增加出光效率的LED芯片垂直结构，其包括蓝宝石基座、衬底、外延层和欧姆电极，其特征在于：所述的外延层上设置有一具有球面的微透镜。

2.根据权利要求1所述的增加出光效率的LED芯片垂直结构，其特征在于：所述的具有球面的微透镜是一半圆形。

3.根据权利要求2所述的增加出光效率的LED芯片垂直结构，其特征在于：所述的半圆形球面的圆弧直径是100-200微米。

4.根据权利要求1所述的增加出光效率的LED芯片垂直结构，其特征在于：所述的蓝宝石基座是Cu、CuW合金、AuAl、Si、GaAs、InP、AlN、金刚石、镍铁合金或镍制成的高导电导热基座。

5.根据权利要求4所述的增加出光效率的LED芯片垂直结构，其特征在于：所述的高导电导热基座的厚度为50-500微米。

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