AlGaInP红光垂直结构超高亮度LED芯片研制

一、引言  

　　目前，AlGaInP四元系发光二极管一般使用GaAs衬底，由于GaAs衬底的禁带宽度比AlGaInP窄，有源区所产生的往下发射的光子将会被吸收掉，使得发光效率大幅度降低。为避免衬底吸光，通常在衬底与有源层之间加入一层分布布拉格反射层（DBR），以反射射向衬底的光，减少GaAs的吸收。由于DBR反射层只对法线方向较小角度内（通常qDBR＜20°）的光线能有效反射，其它远离法向入射的光线绝大部分都被GaAs衬底吸收，因而提升光效的效果有限。  

　　为了提高发光效率，人们开始进行其它衬底代替GaAs吸收衬底的研究。其中一种方法就是用对可见光透明的GaP衬底取代GaAs衬底（TS），即用键合技术将长有厚GaP窗口层的外延层结构粘接在GaP衬底上，并腐蚀掉GaAs衬底，其发光效率可提高一倍以上，同时GaP的透明特性使得发光面积大增。然而，该工艺存在合格率低、使用设备复杂、制造成本高的缺点。近年来，台湾开始进行了倒装衬底AlGaInP红光芯片的制作研究，由于工艺适于批量化生产，且制造成本低，引起人们的广泛兴趣。

二、垂直芯片结构及工艺  

　　本文介绍了我公司进行的AlGaInP红光垂直结构超高亮度LED芯片制作方法。首先进行MOCVD外延，再以高热导率Si、SiC、金属等材料作为衬底，将LED外延层粘接在其上并制成芯片。其结构为：  

　　图1：高热导率镜面衬底高亮度LED结构

      工艺制作先在高热导率材料表面上蒸镀Au层作为反射镜面和粘接层，并通过加热加压将LED外延层与高热导率衬底材料粘在一起，再用选择腐蚀的方法将原GaAs衬底腐蚀剥离掉，再经蒸镀、刻蚀、表面粗化等工艺制成以高热导率材料为衬底的LED芯片。由于Au薄膜对红光、对黄光有非常高的反射率，并且可反射所有入射角度的光（q »90°），因而可使出光效率提高接近3倍。 

图2   DBR及金属反射层的反射率计算和测试结果 (a)DBR结构计算的法向反射谱 （q=0°）(b)金属反射层反射谱（q=0°~90°）

三、LED 性能测试结果

表1：相同有源区结构不同衬底12mil红光LED芯片参数比较（I＝20mA条件下测量）

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      表1为12mil尺寸管芯，不同衬底红光LED芯片的光电性能测试结果。从表中可以看到20mA测试电流下，虽然镜面衬底LED芯片电压略有所提升，从1.9V升至1.92V（如图3），但是其亮度提高了3倍，其主要原因是镜面衬底自身高的反射率且可反射各个角度入射的光，另外表面粗化有效的减弱光在材料内部的多次反射，折射及吸收，给光子提供了更多的出射机会；而镜面衬底LED电压的提高主要是由于粗化后芯片表面粗糙度增大，影响电流的传输，同时粘接层也使电压有所上升。

图3 不同衬底红光LED伏安特性曲线

　　20mA下测试12mil不同衬底LED芯片的晶圆图如图4所示，镜面衬底红光LED亮度、波长分布非常均匀。如图5所示，20mA电流下，中心波长为623nm的12mil镜面衬底红光LED光效可达50lm/W，光效约是普通衬底LED的2.5倍以上。

图4  不同衬底LED亮度、波长晶圆图（a）普通衬底LED亮度晶圆图（b）普通衬底LED波长晶圆图（c）镜面衬底LED亮度晶圆图(d) 镜面衬底LED波长晶圆图

图5  12mil不同衬底红光LED光效曲线

四、结论：

　　本项目研发的金属反射垂直结构超高亮度AlGaInP红光LED芯片大大提高了LED芯片的发光亮度，而且由于高热导率衬底材料机械强度高，热导率高，可大幅度改善产品的高温特性，提高产品可靠性，在大功率应用方面存在着其它类型LED无法比拟的优势。另外，由于镜面结构不需要较厚的GaP窗口层和DBR层，可大幅度降低外延材料消耗，外延成本比普通GaAs衬底降低。高热导率镜面衬底高亮度LED的研制成功和规模化生产，是一条获得低成本、高稳定性，可在大功率应用中发挥重要作用的有效途径。