專利名稱:半導(dǎo)體發(fā)光器件的反射腔及其工藝的制作方法
本發(fā)明涉及到半導(dǎo)體光電器件，特別是半導(dǎo)體發(fā)光器件的反射腔?？捎糜诎l(fā)光二極管(以下簡(jiǎn)稱LED)以及由LED所構(gòu)成的LED數(shù)碼管，LED字符顯示和LED列陣圖形顯示。
LED已經(jīng)廣泛地用作各種儀器儀表上的指示燈，數(shù)字化儀器儀表上的數(shù)碼管和字符顯示。近年來(lái)，砷化鎵-鎵鋁砷雙異質(zhì)結(jié)LED的亮度已經(jīng)達(dá)到3～6燭光，不久在某些方面應(yīng)用上有希望代替照明用燈。然而，一般的LED管芯均很小，約0.1mm2大小，為了增大LED發(fā)光管的表觀發(fā)光面積，提高發(fā)光管的發(fā)光強(qiáng)度，增加視感度，已經(jīng)有人設(shè)計(jì)了各種反射腔，這些反射腔有的是用金屬支架(如用可伐合金)沖壓而成(如各種儀器儀表用指示燈)，有的是用白塑料形成的各種尺寸的反射腔(如數(shù)字化儀器儀表用的數(shù)碼顯示器)。這些在世界上一些國(guó)家的專利上已有報(bào)導(dǎo)，例如(1)U.S.3820237(1974)，(2)DE 3137685(1983)，(3)特開昭52-126187(1977)，(4)特開昭58-66372(1983)。
然而上述的一些方法在制作LED的反射腔時(shí)存在一些不足之處當(dāng)沖壓金屬支架形成反射腔時(shí)，對(duì)模具的材料和開模的精度都有很高的要求，所以成本很高，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定合理的尺寸，需要多次改模，同時(shí)即使器件形狀尺寸稍有不同就得有各種不同的模具，這些都增加了成本。對(duì)于用白塑料反射腔作成的LED數(shù)碼管或字符顯示器件，按照H.P公司的R.H.Heite的分析(R.H.Heite“Trende in LED Display Technology”Proc.1974，24th Electronic Components Conferences，p.2)出光效率是不高的，僅有30～40%的光從腔體的出光面發(fā)光，這主要由于腔體內(nèi)存在一些明顯的吸收損失大面積的塑料反射腔表面引起的吸收損失，塑料和支架間的狹縫引起的吸收損失，正負(fù)電極引線間的狹縫引起的吸收損失等。
本發(fā)明提出一種新的LED反射腔及其工藝，這種反射腔有很好的鏡面反光特性，工藝上能與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件工藝兼容，不需要模具，使用這種反射腔，可提高發(fā)光器件的亮度，降低功耗。
本發(fā)明是基于半導(dǎo)體單晶材料硅的各向異性腐蝕特性。由于硅單晶在有些各向異性腐蝕液中不同晶向的晶面的腐蝕速率有很大的差別，按照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在氫氧化鉀水溶液里硅單晶的(100)面和(111)面的腐蝕速率之差高達(dá)400∶1，(K.E.Petersen，Proc.I.E.E.E.70(1982)420)而且(100)面和(111)面的晶面夾角為54.74°。這樣經(jīng)腐蝕后，就能形成由4個(gè)(111)晶面與(100)底面所構(gòu)成的正方形或長(zhǎng)方形凹槽，若再在上面蒸鍍(或電鍍)一層金屬，就形成一種有金屬鏡面反射特性的反射腔。在硅的半導(dǎo)體器件工藝中很容易通過(guò)氧化、光刻等工藝在(100)Si片上形成所需要的各種正方形和長(zhǎng)方形圖形，經(jīng)腐蝕后就能在硅的(100)晶面上形成不同形狀大小的鏡面反射腔。若把LED管芯裝在這樣的反射腔內(nèi)就可形成各種LED產(chǎn)品，如指示燈，數(shù)碼管，字符顯示和各種LED列陣。
這種反射腔是由腐蝕的硅片表面鍍以金屬鏡面構(gòu)成。自然具有良好的鏡面反光特性，它能使LED管芯側(cè)面發(fā)出的光，通過(guò)反射腔的反射而使正法線方向的光強(qiáng)明顯增加，增大了LED的表觀發(fā)光面積，大大增加了視感度。
這種反射腔尺寸改變相當(dāng)靈活，不需要開模和改模所需的昂貴成本，不同的器件的形成也很方便，本法與通常的硅半導(dǎo)體器件工藝相容，因而可以用該法在硅片上形成集成的反射腔，從而獲得LED數(shù)碼管，5×7字符，16×16字符或圖形顯示等各種器件。該法對(duì)選用的硅單晶材料也無(wú)特殊要求。按該工藝制得的反射腔所制成的字高為0.3吋(約7.6mm)的LED數(shù)碼管比一般的用塑料反射腔作成的LED數(shù)碼管，在大約5mA的正向電流使整個(gè)“
”全亮狀態(tài)下，亮度要提高一倍以上。
本專利列出的如下圖1示出(100)Si的各向異性腐蝕特性;圖中1為硅單晶片。2為生長(zhǎng)的一層SiO2，且開了一方形腐蝕窗口。圖中α＝54.74°。
圖2a示出(100)Si和該面上的<110>取向。
圖2b示出(100)Si上生長(zhǎng)的SiO2光刻開窗;圖中1為硅單晶片，2為SiO2，3為開窗處。
圖2c為帶有反射腔的LED。圖中1為硅單晶片，2為蒸鍍的金屬鏡面，3為L(zhǎng)ED管芯。
圖2d為帶有反射腔的LED指示燈。圖中1為管座，2為Si反射腔，3為金屬鍍層，4為L(zhǎng)ED管芯，5為引線。
圖3為Si(100)面上的反射腔構(gòu)成的數(shù)碼管。
圖4為Si(100)面上的反射腔構(gòu)成的5×7字符。
圖5為按本專利形成的0.3吋數(shù)碼管與國(guó)內(nèi)外樣管的比較。橫座標(biāo)IF為正向電流，縱座標(biāo)Pf為相對(duì)的輸出光功率。所用管芯為GaP紅色LED管芯，性能基本一致。曲線1為按本專利制得數(shù)碼管的光功率輸出與正向電流的關(guān)系曲線，曲線2為進(jìn)口的紅色GaP LED數(shù)碼管，曲線3為HDR-10紅色GaP LED數(shù)碼管。(管芯進(jìn)口，國(guó)內(nèi)生產(chǎn))由圖可見(jiàn)，在同樣電流下，用本專利的反射腔構(gòu)成的LED，發(fā)光效率可提高50%至一倍以上。
下面指出一種實(shí)施方法圖2a是一中阻(100)Si單晶(例如電阻率為幾個(gè)歐姆厘米)，按照常規(guī)的硅片的切(片)、磨(片)、拋(光)工藝，得到一鏡面拋光(100)Si單晶襯底片其厚度以能保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度為準(zhǔn)。圖2a還給出了在(100)面上沿<110>晶向所作的基準(zhǔn)線，然后在硅片上生長(zhǎng)一層氧化層(如硅的自氧化形成的二氧化硅或沉積一層氮化硅)，作為腐蝕的保護(hù)層，光刻形成正方形窗孔，窗口尺寸為1.2×1.2mm2，并使正方形的一邊與<110>基準(zhǔn)線平行(或垂直)。光刻窗口后的圖形如圖2b所示，用例如KOH的水溶液，選取的配比為44克氫氧化鉀+100cc去離子水，在室溫到80℃范圍內(nèi)腐蝕(K.E.Petevsen，Proc.I.E.E.E.70(1982)420)腐蝕深度以比LED管芯厚度略厚一些為好，同時(shí)也避免反射腔腐蝕得太深，這一方面會(huì)不必要地增加硅片的厚度，也即增加成本，同時(shí)深腔會(huì)使測(cè)面發(fā)出的光經(jīng)反射腔多次反射而引起損失。腐蝕得到的硅反射腔，經(jīng)常規(guī)的Si片清洗處理即1份氨水加1份雙氧水加5份去離子水煮沸數(shù)分鐘，再經(jīng)1份雙氧水加1份鹽酸加6份去離子水煮沸數(shù)分鐘，去離子水沖洗凈，吹干后用蒸鍍的方法，蒸鍍一層金屬(如金、銀或鋁等)，即形成了有良好鏡面反光特性的反射腔，把LED管芯用導(dǎo)電膠粘結(jié)在這種反射腔內(nèi)，圖2c為裝上LED管芯的反射腔結(jié)構(gòu)，圖2d為帶有反射腔的LED指示燈。按需要一般再經(jīng)環(huán)氧封裝。按此工藝可部分整體地形成LED數(shù)碼管(如圖3所示就是Si(100)面上的集成的反射腔裝上LED管芯構(gòu)成的數(shù)碼管)。也可以形成5×7的LED字符顯示器件(如圖4所示)或16×16的LED列陣顯示器件等。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的反射腔的制作工藝，其特征是在硅單晶片上生長(zhǎng)腐蝕保護(hù)層后經(jīng)光刻、腐蝕，鍍上反光層而形成的。
2.按權(quán)利要求
1所說(shuō)的反射腔的制作方法，其特征是所用的硅片為〈100〉晶向，光刻窗孔為方形或長(zhǎng)方形，且其一邊與〈110〉晶向平行。
3.按權(quán)利要求
1或2所說(shuō)的反射腔制作方法，其特征是反光鍍層采用金、銀或鋁。
4.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的反射腔，其特征是以硅片為基體，以四個(gè)Si的(111)面為棱錐體側(cè)面，以Si的(100)面為底面構(gòu)成的各種正方形或長(zhǎng)方形凹槽，鍍以反光鍍層所組成。
專利摘要
本發(fā)明是半導(dǎo)體發(fā)光器件的反射腔及其工藝，屬于半導(dǎo)體光電器件，特別是半導(dǎo)體發(fā)光器件的領(lǐng)域，它是利用單晶硅的各向異性腐蝕特性在單晶硅的(100)晶面上形成各種立方或長(zhǎng)方錐形反射腔，再鍍上一層金屬(如Au，Ag或Al等)作為金屬鏡面，從而可制得各種LED指示燈，數(shù)碼管，5×7字符顯示或LED列陣等。本發(fā)明的反射腔工藝與通常的半導(dǎo)體器件工藝相容，用這種反射腔制得的LED器件，可使輸出光強(qiáng)增加，提高發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK85100503SQ85100503
公開日1986年9月17日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者孫體忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan