CN203288594U - 一种具有微结构增透膜的高压led芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体发光器件制造领域，具体涉及一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其结构包括蓝宝石衬底、缓冲层、N型层、量子阱层、P型层、P型层上的电极、N型层上的电极、连接桥、ITO层以及覆盖在ITO层上的带有圆柱状微结构的增透膜。本实用新型能有效减少LED出光时的反射损耗，同时通过微结构减少由芯片到空气中的光线全反射。同时增透膜本身能抑制芯片本身潮气和杂质的扩散，起到最终的保护作用。

Description

一种具有微结构增透膜的高压LED芯片

技术领域

本实用新型属于半导体发光器件制造领域，具体涉及具有微结构增透膜的高压LED芯片。

背景技术

LED是一种节能、环保和长寿命、无污染的发光器件。它的能耗仅为白炽灯的10%，荧光灯的50%。现有公知的大功率LED的光效已经能达到160lm/w，稳定工作环境为直流350mA的电流，工作电压一般为3V，无法使用市电直接驱动。为了克服上述技术难题，高压LED作为一种新型结构的LED应运而生。高压LED的驱动电流一般为20mA，工作电压一般为45-50V，一般将4颗高压LED直接串联，便可以达到市电的工作电压220V，便于实现市电的直接驱动。现有公知的高压LED一般由蓝宝石衬底、缓冲层、N型层、量子阱层、P型层、P层以及N层上的电极，连接桥、ITO层等构成。由于ITO层的折射率较大，大量的光线因全内反射而转换为热量损耗掉。同时，由于界面折射率的突变引起光线的反射损耗，从而对高压的LED的出光效率造成不良影响。

现在公知的普通工艺高压LED芯片的结构均为阵列结构，它在一个外延片上，将一颗45*45mil的芯粒划分为若干个小芯片颗粒（一般为15-17颗）。主要结构包括：蓝宝石衬底、缓冲层、N型层、量子阱层、P型层、P层以及N层上的电极、连接桥、ITO层。在不考虑材料的光吸收的前提下，当有源层发光，光子到达芯片与空气的分界面的时候，由于折射率的变化，导致大量的光能量被反射回芯片内部最终化为热量散发出去。同时，界面之间折射率的变化，光从芯片射向外界的时候，全反射的发生导致光效进一步减少。直接导致其外量子效应低下。

目前常用的增透膜材料主要有氮化硅（SiN_x）、二氧化硅（SiO₂）、氮氧化硅(SiON_x)几种,也有使用金属氧化膜的。其中，二氧化硅薄膜的成本最低，但是结构较为疏松，真空密度较高，防潮抗金属离子玷污能力相对较差。氮化硅（一般为Si₃N₄）薄膜相比二氧化硅在抗杂质扩散和水汽渗透方面有明显的优势，但是氮化硅薄膜与芯片界面之间存在大量的界面电荷和缺陷，导致对器件的电学性质产生了严重的影响（参见刘宝峰，李洪峰，金立国．《半导体器件钝化层Si₃N₄薄膜的制备与特性研究》[J]．哈尔滨理工大学学报，2003，8(6)：10）。并且二氧化硅和氮化硅的折射率分别为1.45和2.0，而最好的增透膜材料的折射率应尽量接近1.58。因而前面两者并非具有较佳的透射性能的增透膜材料。而SiON的折射率可以实现1.6-1.7的范围内可调（一般为1.58-1.71）。因此，SiON是目前最为优秀的增透膜材料，可以实现较好的反反射性能。

实用新型内容

为了克服普通工艺高压LED的内全反射以及反射损耗，提高出光效率，本实用新型提供一种具有微结构增透膜的高压LED芯片。所述增透膜能有效降低由折射率突变引起的反射损耗。而其表面微结构可以有效降低光线的全内反射，从而提高出光效率。

本实用新型的技术方案包括：

一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，包括多个发光单元，每个发光单元从下至上依次包括宝石衬底1、缓冲层2、N型层3、量子阱层4、P型层5和ITO层6，每个发光单元还包括P型层上的电极7和N型层上的电极8，相邻发光单元之间的电极通过连接桥9连接，每个发光单元还包括覆盖在ITO层上的增透膜10，位于ITO层6上方的增透膜顶面具有圆柱状微结构。

进一步优化的，增透膜所对应的增透波长与芯片有源层发光波长一致。目前高压芯片均以蓝光为主，发光波长约为455nm。选用SiON作为膜层材料，其折射率在1.6-1.7的范围内可调（一般为1.58-1.71)。

进一步优化的，所述增透膜厚度为LED发光波长的四分之一。

进一步优化的，所述微结构的厚度为增透膜厚度的1/10。

进一步优化的，所述增透膜除覆盖ITO层上方外，还覆盖ITO层上表面至N型层上的电极8之间的侧面，且只有ITO层上方的增透膜具有圆柱状微结构。

进一步优化的，所述增透覆盖芯片的ITO层整个外表面。

进一步优化的，所述的圆柱状微结构的圆柱底面半径为1.5um，高为100埃。

进一步优化的，所述圆柱状微结构的相邻圆柱底面圆心距离为4um～6um。

进一步优化的，所述增透膜采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）沉积SiON薄膜形成，并由ICP(Inductively Coupled Plasma–电感耦合等离子体)蚀刻出圆柱状微结构。

进一步优化的，利用SiH₄和N₂O、NH₃反应淀积SiON膜，SiON膜的折射率为1.58～1.71。

目前已有的方案中，有使用SiO₂作为增透膜的，其成本虽低，但是致密性差，防潮抗金属离子玷污能力相对较差。有使用SiON作为增透膜材料的，但是其表面不具有微结构，虽然能有效减少反射能量，从而增加透射，但是由于全反射角的存在，促使出射能量只有原来的39.1%，并不能真正有效的提高出光效率。也有使用随机钝化的金属氧化膜作为增透膜材料的，其使用氧化锡、氧化铝、氧化镁、氧化锌铝、氧化铟、二氧化锡、氧化铟锡、三氧化二锑、三氧化二铋几种材料中的一种来作为抗反射增透膜。但是，金属材料成本高，且折射率不好控制，并不能真正达到增透的效果。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：

（1）相比普通工艺的高压LED，能有效减少芯片内部的反射损耗，提升出光效率；

（2）通过表面的微结构，可以有效破坏芯片内全反射，有效提高出射能量；

（3）微结构采用圆柱状且高度不超过100埃，能保持上出光表面的平整性，从而保证了增透膜的有效性。

附图说明

图1是高压LED芯片结构的剖面示意图。图中，1-蓝宝石衬底、2-缓冲层、3-N型层、4-量子阱层、5-P型层、7,8-P层以及N层上的电极、9-连接桥、6-ITO层、10-增透膜。

具体实施方式

以下结合附图和实例，对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。

请参见图1，一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，包括多个发光单元，每个发光单元从下至上依次包括宝石衬底1、缓冲层2、N型层3、量子阱层4、P型层5和ITO层6，每个发光单元还包括P型层上的电极7和N型层上的电极8，相邻发光单元之间的电极通过连接桥9连接，每个发光单元还包括覆盖在ITO层上的增透膜10，位于ITO层6上方的增透膜顶面具有圆柱状微结构。

一般蓝光芯片的主要发光波长为455nm，则增透膜厚度为1140埃左右，实际制程时，应大于1140埃，以便在增透膜上表面蚀刻微结构。

增透膜膜层厚度应为主要出光波长的1/4。当光从芯片进入薄膜的时候，发生一次反射，设为反射光线A。紧接着光将在薄膜与外界之间产生第二次反射，反射光线B。以直射光线为例，光线B相比光线A多走2倍于薄膜厚度的路程，而当光线A与光线B发生相消干涉的时候，增透膜的增透效果达到最大值。则薄膜厚度d满足公式：

$2d=\mathrm{k\λ}+\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

一般取k=0，则薄膜厚度为

如果芯片的光直接出射，由菲涅耳反射率公式：

$R={\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)}^2$

光从芯片内部出射到空气当中，n₁=1（空气折射率），n₂=2.54（GaN的折射率），计算结果反射损耗将近19%。增加了增透膜的情况下，光从芯片到达增透膜，再有增透膜射出去。

当光从芯片到达增透膜的时候，由于氮氧化硅的折射率约为1.6，此时n₁=1.6，由菲涅耳反射率可以计算得到反射损耗为5.1%。即有t₁=94.9%的能量到达增透膜。而当光从增透膜出射的时候，反射损耗计算可得5.3%，透射能量t₂=94.7%。则总出射能量为t=t₁*t₂=89.9%。相比之下,光直接从芯片入射到空气中，反射损耗为19%，出射能量t₀为原来的81%，则出光效率提高了(t-t₀)/t₀=11%。

另一方面，在没有微结构的情况下，光从氮氧化硅的表面出射的时候，会发生内全反射。由全反射公式：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{all}}=\frac{n_1}{n_2}$

其中，n₁=1，n₂=1.6，计算可得θ_all=38.7°。由公式：

则计算可得到，芯片正面出射能量只有芯片与空气分界面以上2π立体角范围内的能量的39.1%。增加了圆柱状表面微结构之后，将会破坏原有的内全反射,从而提高其出射能量。

本实用新型公开上述结构的一种制作工艺。增透膜材料选取SiON，其镀膜厚度为主要出光波长的1/4，约1100埃，具体工艺包括：

（1）将完成了其他工艺步骤的芯片通过QDR清洗制程清洗干净；

（2）将芯片放入PECVD，并放置镀膜材料；

（3）按照设定程序进行镀膜制程；

（4）镀膜完成后，检查其镀膜厚度，镀膜厚度应大于1100埃，以便在膜层表面蚀刻微结构；

（5）使用ICP蚀刻制程，在膜层表面蚀刻出圆柱状微结构；

（6）清洗蚀刻完成的芯片，并在光学显微镜下检查蚀刻质量。

本实用新型对高压LED芯片的出光效率的提高超过11%。以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并非用以限定本实用新型的保护范围，凡是其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本实用新型的范围内。

Claims (8)

1.一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，包括多个发光单元，每个发光单元从下至上依次包括宝石衬底(1)、缓冲层(2)、N型层(3)、量子阱层(4)、P型层(5)和ITO层(6)，每个发光单元还包括P型层上的电极(7)和N型层上的电极(8)，相邻发光单元之间的电极通过连接桥(9)连接，其特征在于每个发光单元还包括覆盖在ITO层上的增透膜(10)，位于ITO层(6)上方的增透膜顶面具有圆柱状微结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述增透膜采用SiON材料。

3.根据权利要求1所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述增透膜厚度为LED发光波长的四分之一。

4.根据权利要求3所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述微结构的厚度为增透膜厚度的1/10。

5.根据权利要求1所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述增透膜除覆盖ITO层上方外，还覆盖ITO层上表面至N型层上的电极(8)之间的侧面，且只有ITO层上方的增透膜具有圆柱状微结构。

6.根据权利要求1所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述增透覆盖芯片的ITO层整个外表面。

7.根据权利要求1所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述的圆柱状微结构的圆柱底面半径为1.5um，高为100埃。

8.根据权利要求1所述的一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，其特征在于所述圆柱状微结构的相邻圆柱底面圆心距离为4um~6um。

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