一种高光效可匀斑蓝宝石衬底led芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高光效可匀斑蓝宝石衬底的LED芯片结构及其制备方法，属于LED发光技术领域。
【背景技术】
[0002]LED的出现对于传统光源是一场革命，LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。目前LED应用市场前景广阔，LED产品主要应用于背光源、彩屏、室内照明三大领域。随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，但同时LED的发展也存在着一些瓶颈，如光效仍然不够，出射光斑不均等问题。因而，人们通过不断的实验研究，取得了一定的成效。
[0003]微透镜阵列是指由一系列直径在10-100μπι之间的微型透镜，按一定的方式排列而成的阵列。微透镜具有分光、光束匀化、并行光刻等用途，自20世纪80年代诞生以来，利用微透镜阵列实现光束的发射、聚焦、偏折、分割、复合、开关、耦合和接收等，具有重量轻、体积小、设计灵活、可阵列化、易于集成等优点。微透镜技术的制备多以光刻加干法刻蚀或湿法腐蚀法来获取，另外也有借助库仑爆炸作用机理实现微透镜制备的重要技术，如飞秒激光光刻技术。
[0004]光子学报第38卷第3期《飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列》，利用超短脉冲激光与透明介质作用时的库仑爆炸机理，在Κ9光学玻璃上制备微透镜点阵，形成圆形的微爆坑，中间深、边沿浅，然后利用氢氟酸对光学玻璃刻蚀的特点，对微爆坑表面进行蚀刻抛光，从而获得比较光滑整齐的表面界面。通过对该文的学习认识到飞秒激光的库仑爆炸作用机理，顺应迀移到在LED蓝宝石衬底上采用该应用进行光的分光、光束匀化。
[0005]半导体学报第28卷增刊《倒装GaN基发光二极管阵列微透镜的粗化技术》，采用感应耦合等离子(ICP)干法刻蚀技术在蓝宝石表面制备阵列微透镜，实现倒装结构GaN基LED出光面粗化。相对于普通倒装结构，阵列微透镜表面粗化可以使LED提取效率提高约50%。该文在蓝宝石表面制备光刻图形，通过光刻胶热阻回流制备获得呈半球形的微透镜阵列，提高了光效，但是不能起到扩大发光角、使LED光斑匀化的效果。
[0006]发光学报第30卷第I期《基于微透镜阵列的LED光学性能》，建立了一种大功率LED的封装结构，在二次光学设计上采用微透镜阵列技术，运用光线追踪法研究了这种封装结构的光学性能。分析结果表明:利用微透镜阵列技术能显著改善LED的光学性能，提高取光效率，能将LED的亮度衰减降低12%以上，得到了较好的效果。该方法在LED封装结构的二次光学设计上引入微透镜阵列技术，可有效降低亮度衰减，但是对于发光芯片本身发光效率及光斑配光不能起到有效作用。
【发明内容】
[0007]针对现有LED芯片发光效率仍然不够高，封装后出射光光斑分布不均匀的问题，本发明提供一种高光效可匀斑蓝宝石衬底LED芯片，同时提供一种该LED芯片的制备方法。
[0008]本发明的高光效可匀斑蓝宝石衬底LED芯片，采用以下技术方案:
[0009]该LED芯片，自上而下依次包括蓝宝石衬底层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层和电流扩展层，电流扩展层和N型GaN层上分别设置有P金属电极和N金属电极，蓝宝石衬底层上设置有内凹微透镜结构。
[0010]所述内凹微透镜结构中的各个内凹微透镜呈阵列排布。
[0011 ]所述内凹微透镜结构中单个内凹微透镜的水平方向直径为20-50μπι，垂直方向深度为 3-10μηι。
[0012]上述高光效可匀斑蓝宝石衬底LED芯片的制备方法，包括以下步骤:
[0013](I)在蓝宝石衬底上生长外延层，所述外延层依次包括N型GaN层、多量子阱发光层和P型GaN层；
[0014](2)将具有上述外延层的晶圆倒置(这里的晶圆是指包括衬底以及外延层的整个结构)，在蓝宝石衬底面上通过飞秒激光脉冲冲击获得呈阵列排布的内凹微透镜结构；
[0015](3)通过对内凹微透镜结构进行化学蚀刻，对飞秒激光脉冲冲击后的蓝宝石衬底表面进行抛光；
[0016](4)将制备有内凹微透镜结构的晶圆正置，通过电子束蒸镀在外延层的P型GaN层上制备电流扩展层；
[0017](5)在制备了电流扩展层的晶圆上进行电极刻蚀，由电流扩展层刻蚀至N型GaN层，然后在获得的P电极台面和N电极台面上分别制备出P金属电极和N金属电极。
[0018]所述步骤(2)中的飞秒激光的单脉冲能量为80yJ-120yJ，脉宽为80fs-120fs。
[0019]由于飞秒激光脉冲持续时间只有飞秒量级，远小于材料中受激电子通过声子将能量转移、转化等形式的释放时间，从而避免了热扩散的影响，在加工过程中限制了热影响区，避免了热熔化的存在，因此飞秒激光光刻孔周围的区域将不会受到热影响，而且孔的边缘不会出现大量的熔化物质。
[0020]所述步骤(3)中的化学蚀刻，是将硫酸和磷酸按体积比3:1混合成混合液，加热至250°C_280°C，将整个晶圆浸泡在混合液中，浸泡在混合液内4小时-8小时，然后用清水冲洗干净。
[0021]所述步骤(5)中P金属电极和N金属电极均包括反射电极层和金属键合层。
[0022]本发明采用倒装结构，根据库仑爆炸原理采用飞秒激光脉冲冲击在蓝宝石衬底表面(出光面)制备一系列内凹微透镜结构，并通过化学蚀刻的方法对内凹微透镜阵列表面做抛光，使得LED芯片的出光效率获得显著提高，并具有扩大发光角、匀化LED发射光束、使光斑均匀扩散的效果，该类芯片可广泛应用于SMD封装、COB封装等器件结构中。
【附图说明】
[0023]图1是本发明步骤(I)中生长的外延层结构示意图。
[0024]图2是本发明步骤(2)中得到的内凹微透镜结构的俯视