專利名稱：光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高led出光效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高發(fā)光二極管(LED)出光效率的方法，尤其涉及一種織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高半導(dǎo)體發(fā)光二極管出光效率的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管是(LED)是一種小型便捷、低成本長壽命的固態(tài)發(fā)光光源，特別是可見光波段的半導(dǎo)體發(fā)光二極管在室內(nèi)照明、平板顯示、短程通信到計(jì)算機(jī)內(nèi)光互連等各方面具有廣泛的應(yīng)用，是節(jié)約能源、利于環(huán)保和實(shí)現(xiàn)人類固態(tài)照明革命的關(guān)鍵性光源。因此發(fā)展高效高亮度的發(fā)光二極管已列入各國的國家級研究發(fā)展計(jì)劃。
近十年來，在改善發(fā)光二極管出光效率方面提出了各種辦法，比如對器件進(jìn)行出光表面粗糙化、管芯截面整形、倒裝焊、透明襯底、光子再循環(huán)、相干散射、微腔與光子晶體等等，取得有效的改善和不同程度的提高。但是上述辦法有的要在LED芯片研制工藝中進(jìn)行微細(xì)加工，工藝技術(shù)復(fù)雜，不僅要增加工藝流程，有的還需要特殊的加工設(shè)備從而增加了成本。
半導(dǎo)體發(fā)光二極管是推動(dòng)人類照明革命，實(shí)現(xiàn)固態(tài)照明的關(guān)鍵性光源，雖具有很高的電光轉(zhuǎn)換和內(nèi)部發(fā)光效率，但因發(fā)光材料的折射率高于空氣，內(nèi)部發(fā)出的大部分光因受光的全反射原理而被禁錮在器件管芯內(nèi)部，成為人們面臨的一個(gè)共同的難題和挑戰(zhàn)。為此，本項(xiàng)目提出一種基于光子晶體和微結(jié)構(gòu)光子學(xué)概念的新的而且簡單易行的新方法，即采用一種微納米圖形轉(zhuǎn)印與織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)貼相結(jié)合的高新技術(shù)，成為用于改進(jìn)發(fā)光二極管表面出光效率的一種有效的方法。使LED的出光效率在至少提高至原有發(fā)光二極管芯片的1.5倍。
本發(fā)明是在發(fā)光二極管芯片研制工藝完成的基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)，因此克服了上述缺點(diǎn)又以簡單可行的方法改進(jìn)了性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種改進(jìn)表面出光效率的新型發(fā)光二極管簡單易行的制備方法。即以光子晶體和微結(jié)構(gòu)光子學(xué)的概念為物理基礎(chǔ)，提出一類將表面織構(gòu)化、折射率過渡的封裝一體化的新方法，以微納米圖形轉(zhuǎn)印的高新技術(shù)為實(shí)施方法，實(shí)驗(yàn)證實(shí)本發(fā)明發(fā)光二極管的出光效率得到明顯提高。
根據(jù)本發(fā)明的織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高半導(dǎo)體發(fā)光二極管出光效率的方法，具體包括以下步驟1)研制出傳統(tǒng)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片；2)將半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯倒裝焊；3)設(shè)計(jì)微納米圖形和制作織構(gòu)化薄膜；織構(gòu)化薄膜可以通過以下方法制作用設(shè)計(jì)好的版圖制作微納米圖形的模板；選用和配制適當(dāng)比例的一種預(yù)聚物，利用微納米壓印技術(shù)將模板上的微納米圖形壓印到預(yù)聚物膠體上；使預(yù)聚物膠體固化為織構(gòu)化的聚合物薄膜；固化方法根據(jù)預(yù)聚物膠性質(zhì)的不同確定，可以通過加溫或者光固化來實(shí)現(xiàn)；4)將織構(gòu)化聚合物薄膜轉(zhuǎn)印到發(fā)光二極管芯片或管芯上?？梢酝ㄟ^步驟3)直接在LED管芯上壓印得到織構(gòu)化聚合物薄膜，也可以通過轉(zhuǎn)貼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
其中轉(zhuǎn)貼織構(gòu)化薄膜可通過以下步驟實(shí)現(xiàn)將透明的折射率匹配的粘合膠涂在發(fā)光二極管襯底上；小心地將步驟3)中形成微納米圖形的織構(gòu)化聚合物薄膜從模板上剝離下來，將帶圖形的一面向上直接壓貼在管芯上；使透明的粘合膠固化，從而完成本項(xiàng)發(fā)明全部制作過程。
其中步驟2)也可以在步驟4)后完成。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光二極管采用倒裝焊型半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯或芯片。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片所用的外延結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)P-N結(jié)構(gòu)，由金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長而成。其發(fā)光的有源層由多量子阱組成，有源層依次夾在上下分別為P型和N型層的中間。通過常規(guī)的微加工工藝將金屬電極與芯片的P型和N型區(qū)形成歐姆接觸和倒裝焊突點(diǎn)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光二極管是用倒裝焊的方法將管芯焊接在二極管管座上。
本發(fā)明所述微納米圖形轉(zhuǎn)印方法是利用預(yù)先設(shè)計(jì)和加工好的光子晶體或微結(jié)構(gòu)的微納米圖形模板通過轉(zhuǎn)印方法轉(zhuǎn)移到有聚合物薄膜上，形成透明的織構(gòu)化介質(zhì)膜。
本發(fā)明所述織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)貼技術(shù)是將已制成的透明的織構(gòu)化介質(zhì)膜有圖形的一面向上，通過一種折射率匹配的粘合膠轉(zhuǎn)貼到發(fā)光二極管管芯頂部。待粘合膠固化，即完成本項(xiàng)發(fā)明，使發(fā)光二極管的出光效率得到提高。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說明圖1現(xiàn)有常規(guī)的倒裝焊發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖3為本發(fā)明微納米圖形轉(zhuǎn)印與織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)貼制造過程中結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)記內(nèi)容如下1-藍(lán)寶石襯底；2-n-型GaN；3-多量子阱有源層；4-p-型GaN；5-p-型歐姆接觸層；6-n-型歐姆接觸層；7-倒裝焊突點(diǎn)；8-連接金屬；9高熱導(dǎo)率襯底；10-粘合膠；11-織構(gòu)化介質(zhì)膜；12-模板。
具體實(shí)施例方式
下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
本實(shí)施方式中優(yōu)選本發(fā)明的最佳實(shí)施例。本實(shí)施例提出了一種改進(jìn)表面出光效率的新型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的簡單易行的制備方法。直接運(yùn)用于提高氮化鎵基發(fā)光二極管的表面出光效率。其具體步驟包括1)首先可先按常規(guī)半導(dǎo)體微加工技術(shù)研制出傳統(tǒng)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片，其步驟包括a)生長出發(fā)光二極管外延基片；b)在基片上進(jìn)行p電極歐姆接觸多層膜淀積；c)按照光刻版圖進(jìn)行光刻；d)干法刻蝕P區(qū)臺面；刻蝕深度達(dá)到n型區(qū)；e)SiO2薄膜淀積；f)n電極的光刻，開電極接觸窗口；g)電極多層膜淀積，可根據(jù)需要進(jìn)行n電極多層膜淀積或剝離法n電極多層膜淀積；h)合金化，形成歐姆接觸，得到半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)；i)分別在P和n電極上制作倒裝焊突點(diǎn)，完成倒裝焊用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的芯片制作全過程。
2)半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯的倒裝焊。
a)將芯片進(jìn)行常規(guī)的磨片減薄和分割，得到分立的半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯；b)將管芯倒裝焊到管座上。
3)微納米圖形轉(zhuǎn)印和織構(gòu)化薄膜的制作。如圖3所示，步驟如下a)用設(shè)計(jì)好的圖形制作帶有光子晶體或微結(jié)構(gòu)的模板12(可用Si片做成模板)；b)選用和配制適當(dāng)比例的一種預(yù)聚物，利用微納米壓印技術(shù)將模板12上的微納米結(jié)構(gòu)圖形壓印到預(yù)聚物膠體上；c)使預(yù)聚物膠體固化為織構(gòu)化薄膜；固化方法根據(jù)預(yù)聚物膠性質(zhì)的不同確定，可以通過加溫或者光固化來實(shí)現(xiàn)；4)織構(gòu)化薄膜的轉(zhuǎn)印(以轉(zhuǎn)貼技術(shù)為例)a)將透明粘合膠10涂在發(fā)光二極管襯底上；b)小心地將形成微納米結(jié)構(gòu)圖形的聚合物織構(gòu)化薄膜從模板上剝離下來；c)將剝離下來的織構(gòu)化薄膜帶圖形11的一面向上直接壓貼在管芯上(如圖2所示)；d)使透明的粘合膠固化，從而完成本項(xiàng)發(fā)明全部制作過程。
本發(fā)明提出的制備新型發(fā)光二極管的方法，是一種將發(fā)光二極管倒裝焊、過度透明介質(zhì)膜和出光表面粗糙化相結(jié)合的提高出光效率的方案。采用了倒裝焊封裝，可使發(fā)光二極管發(fā)出的光不受高吸收性金屬電極的遮檔，從而出光表面得到最大程度的利用?！暗寡b焊”使出光表面與空氣的折射率之差(Δn)較“正裝”時(shí)為小，再加上一層轉(zhuǎn)貼的透明介質(zhì)膜，進(jìn)一步減小Δn；而轉(zhuǎn)貼的透明介質(zhì)膜進(jìn)一步通過圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)實(shí)現(xiàn)表面織構(gòu)化，使表面出光進(jìn)一步提高。
因此上述方法和實(shí)施方案充分體現(xiàn)了本發(fā)明的先進(jìn)性、新穎性和創(chuàng)造性1.在基本原理上具有前瞻性。它是基于光子晶體和微結(jié)構(gòu)光子學(xué)的概念提出的一種創(chuàng)新的方法，用以解決發(fā)光二極管出光效率低下的固有難點(diǎn)；2.在工藝技術(shù)上具有先進(jìn)性。國際上近幾年剛發(fā)展起來的微米、納米圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)是一項(xiàng)前沿性高新技術(shù)，在國內(nèi)尚處于剛剛起步階段就運(yùn)用于本項(xiàng)發(fā)明，更具有先進(jìn)性和新穎性。并已經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其可行性和重復(fù)性。
3.技術(shù)方法簡單易行。盡管工藝加工的尺度可達(dá)亞微米或深亞微米數(shù)量級，但是只要根據(jù)要求設(shè)計(jì)加工好一定圖形的轉(zhuǎn)印模板，便可采用本項(xiàng)發(fā)明運(yùn)用于已有的發(fā)光二極管管芯。
4.本發(fā)明所用的織構(gòu)化轉(zhuǎn)貼膜可直接替代傳統(tǒng)二極管管芯封裝中的環(huán)氧樹酯封裝工藝。不僅簡化了工藝，還改善了發(fā)光二極管的熱導(dǎo)特性，使發(fā)光二極管在光功率輸出的效率和飽和工作點(diǎn)得到進(jìn)一步提高。
因此本發(fā)明為研制發(fā)展半導(dǎo)體發(fā)光二極管開辟了新的思路，提出了一種工藝步驟簡單的改善發(fā)光二極管的新方法，可應(yīng)用于各種發(fā)光二極管，促進(jìn)基于發(fā)光二極管的固態(tài)照明工程的發(fā)展。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的具體實(shí)施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，具體包括以下步驟1)研制出傳統(tǒng)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片；2)將半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯倒裝焊；3)設(shè)計(jì)微納米圖形和制作織構(gòu)化薄膜；4)將織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印到發(fā)光二極管芯片或管芯上；其中步驟2)也可以在步驟4)后完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，其特征在于，用設(shè)計(jì)好的微納米圖形轉(zhuǎn)印織構(gòu)化薄膜具體步驟如下1)用設(shè)計(jì)好的光子晶體或微結(jié)構(gòu)的版圖制作微納米圖形的模板；2)選用和配制適當(dāng)比例的一種預(yù)聚物，利用微納米壓印技術(shù)將模板上的微納米結(jié)構(gòu)圖形壓印到預(yù)聚物膠體上；3)使預(yù)聚物膠體固化為織構(gòu)化的聚合物薄膜；固化方法根據(jù)預(yù)聚物膠性質(zhì)的不同確定，可以通過加溫或者光固化來實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，其特征在于，轉(zhuǎn)貼織構(gòu)化薄膜通過以下步驟實(shí)現(xiàn)1)將透明的粘合膠涂在發(fā)光二極管襯底上；2)將織構(gòu)化的聚合物薄膜從模板上剝離下來；3)將剝離下來的織構(gòu)化薄膜帶圖形的一面向上直接壓貼在管芯上；4)使透明的粘合膠固化，從而完成本項(xiàng)發(fā)明全部制作過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，其特征在于，將半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯倒裝焊的步驟為1)將芯片進(jìn)行常規(guī)的磨片減薄和分割，得到分立的半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯；2)將管芯倒裝焊到管座上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，其特征在于所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片所用的外延結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)P-N結(jié)構(gòu)，由金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，其特征在于所述半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光的有源層由多量子阱組成，有源層依次夾在上下分別為P型和N型層的中間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體和織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高LED出光效率的方法，其特征在于將織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印到發(fā)光二極管芯片或管芯上的方法，包括直接壓印和轉(zhuǎn)貼技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種織構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)印提高半導(dǎo)體發(fā)光二極管出光效率的方法，具體包括以下步驟研制出傳統(tǒng)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管；將半導(dǎo)體發(fā)光二極管管芯倒裝焊；制作微納米圖形轉(zhuǎn)印和織構(gòu)化薄膜用設(shè)計(jì)好的光刻版圖制作微納米圖形的模板；選用和配制適當(dāng)比例的一種預(yù)聚物，利用微納米壓印技術(shù)將模板上的微結(jié)構(gòu)圖形壓印到預(yù)聚物膠體上；使預(yù)聚物膠體膜固化；小心地將形成微結(jié)構(gòu)圖形的聚合物薄膜從模板上剝離下來即成織構(gòu)化介質(zhì)膜。轉(zhuǎn)貼織構(gòu)化薄膜將透明的PMMA膠涂在發(fā)光二極管襯底上；將織構(gòu)化薄膜帶圖形的一面向上直接壓貼在管芯上；將剝離下來的織構(gòu)化薄膜帶圖形的一面向上直接壓貼在管芯上；適當(dāng)加溫使透明的粘合膠固化。
文檔編號H01L21/50GK1983649SQ200510126470
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者章蓓, 包魁, 羅春雄, 陳志忠, 季航, 陳勇 申請人:北京大學(xué)