一种LED芯片的图形化基板结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制备技术领域，尤其是涉及一种LED芯片的图形化基板结构及其制备方法。

背景技术：

LED是一种在p-n结两端施以适当的正向偏压时发出红外、可见和紫外的半导体发光器件。继第一代硅(Si)、锗(Ge)半导体和第二代砷化镓(GaAs)半导体之后，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和金刚石为代表的第三代半导体材料拥有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场高、导热性好(热导率和Si相当，比GaAs高三倍)、化合稳定性优良等特性，因此采用第三代半导体材料制备的LED具有节能、环保、便携、寿命长、波长可调等众多的优势，在全色动态信息平板显示、固体照明光源、信号指示灯、背光照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，是真正面向可持续发展的绿色工业技术。

LED的发光效率由内量子效率和光提取效率共同决定。随着材料生长技术以及器件结构设计的进步，黄绿红光LED的内量子效率接近100％，蓝紫光LED的内量子效率也已达80％左右。然而受芯片材料层和金属电极层对有源区发出的光的强烈吸收，以及外延层、封装介质和空气界面之间的全反射临界角等因素的影响，LED的光提取效率通常低于30％，仍有较大的提升空间。

对于LED芯片，有源层内发出的光子会由于全内反射而被限制在外延层中，无法从器件内部出射出来，光提取效率受到很大的限制，严重影响LED发光效率的提高，限制了LED的发展。Aurélien David模拟表明，大部分从LED有源区辐射出的光被限制为波导模式，约66％的光被限制在外延层中，这意味着相当一部分的光会从有源区的水平方向或与水平方向较小夹角的方向射出。无论是对于LED芯片的正装、倒装或垂直的器件结构，这部分光均很容易被常规采用的平面基板上的电极、封装介质等吸收，不利于出光效率的提高。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

大部分从LED有源区辐射出的光被限制为波导模式，约66％的光被限制在外延层中，这意味着相当一部分的光会从有源区的水平方向或与水平方向较小夹角的方向射出。无论是对于LED芯片的正装、倒装或垂直的器件结构，这部分光均很易被常规采用的平面基板上的电极、封装介质等吸收，严重影响了出光效率，如何降低光损耗、提高LED的光提取效率是LED芯片发光效率提升的研究关键。

(二)技术方案

针对以上问题，本发明提出了一种LED芯片的图形化基板结构，包括第一区域(A)和第二区域(B)，第一区域(A)位于图形化基板结构的正中位置，用于放置LED芯片；

第二区域(B)环绕着第一区域(A)，其中分布有凹坑群，凹坑群由多个凹坑结构组成，凹坑结构内表面覆盖有反射层，用于反射LED芯片有源区的出射光线。

优选地，基板为硅基板、氮化铝基板或PCB基板。

优选地，凹坑结构的俯视形状为矩形、圆形或多边形。

优选地，凹坑结构的为倒锥台结构或倒锥体结构。

优选地，倒锥体结构是底部边长为x，锥高为的倒金字塔型结构。

凹坑结构的内表面和反射层之间还包括一层绝缘层。

另外，基于上述LED芯片的图形化基板结构，本发明提出了一种LED芯片的图形化基板结构的制备方法，包括以下步骤：

S1、在基板正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，进行图形化处理；

S2、使用湿法化学腐蚀在图形化处理的基板上制备凹坑结构；

S3、在凹坑结构内表面依次制备绝缘层、反射层。

(三)有益效果

本发明提出的一种LED芯片的图形化基板结构及通过图形化处理在基板上形成具有反射层的凹坑群，其剖面结构的侧边与水平方向形成一定的角度，以对LED芯片端面出射光线进行反射来改变其传播方向，减少光的吸收与损耗，有效提高了LED的出光效率。同时，本发明提出了其相应的制备方法，能够清晰、明确地制备得到该种图形化基板。

附图说明

图1为本发明提出的具体实施例1中LED倒装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图和俯视示意图；

图2为本发明提出的具体实施例1中LED倒装芯片的图形化硅基板结构剖面示意图和俯视示意图；

图3为本发明提出的LED芯片的图形化基板制备方法流程示意图；

图4为本发明提出的具体实施例2中正面、背面覆有保护层的硅片的剖面示意图；

图5为本发明提出的具体实施例2中完成正面光刻后的硅片剖面示意图；

图6为本发明提出的具体实施例2中正面保护层图形化处理的硅片剖面示意图；

图7为本发明提出的具体实施例2中去除光刻胶后的硅片剖面示意图；

图8为本发明提出的具体实施例2中完成湿法腐蚀的硅片剖面示意图；

图9为本发明提出的具体实施例2中图形区掩膜正好被腐蚀完毕的硅片剖面示意图；

图10为本发明提出的具体实施例2中去除正面、背面保护层的硅片的剖面示意图和俯视示意图；

图11为本发明提出的具体实施例2中覆盖了绝缘层的硅片的剖面示意图；

图12为本发明提出的具体实施例2中绝缘层上具备隔离沟的硅片剖面示意图；

图13为本发明提出的具体实施例2中制作完成高反射率金属层和金属键合电极的硅片剖面示意图和俯视示意图；

图14为本发明提出的具体实施例2中LED倒装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图和俯视示意图；

图15为本发明提出的具体实施例2中LED倒装芯片的出射光线传播路径示意图；

图16为本发明提出的具体实施例3中LED正装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图和俯视示意图；

图17为本发明提出的具体实施例4中LED垂直芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图和俯视示意图。

附图标记说明：

A是第一区域，B是第二区域；

11是衬底；12是n型层；13是n型电极；14是有源区；15是p型层；16是p型电极；17是键合基板。

21是硅片；22是正面保护层；23是背面保护层；24是图形化光刻胶层；25是绝缘层；26是反射层；27是第一金属键合电极；28是第二金属键合电极；29是粘结层。

31是硅片的(100)面；32是硅片的(111)面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于本本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

图1为本发明提出的具体实施例1中LED倒装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图和俯视示意图。如附图1所示，上部分为整体剖面示意图，下部分为俯视示意图。可见，LED倒装芯片包括衬底11、n型层12、n型电极13、有源区14、p型层15、p型电极16。LED倒装芯片的形状、尺寸可根据应用场合而定，此实施例1中优选LED倒装芯片的尺寸是长宽都是500微米、高度是100-300微米。该实施例1的图形化基板完全可以应用于LED倒装芯片，改变其端面出射光线的传播路径，从而减少光的吸收与损耗。

附图2为本发明提出的具体实施例1的LED倒装芯片的图形化硅基板结构剖面示意图和俯视示意图，同样，上部分为整体剖面示意图，下部分为俯视示意图。如图2所示，图形化基板包括硅片基板21、绝缘层25、反射层26、第一金属键合电极27、第二金属键合电极28。硅片基板21可以替换为氮化铝基板或PCB基板。

如图1和图2所示，硅片基板21表面包括用于放置LED倒装芯片的区域的第一区域和第一区域A以外的第二区域B，第二区域B包括有规律分布的多个凹坑结构以形成围绕第一区域A的凹坑群，第一区域A和第二区域B与对应的安置在第一区域A上的LED倒装芯片组成一个倒装单元，一个硅片上可以做N多个倒装单元，对应可以倒装N多个LED倒装芯片。本发明所述的具体实施例1中，每个凹坑的长宽均是80微米，深度是56.5微米，相邻凹坑之间的最近间距是50微米，即每个倒装单元共有112个凹坑在第二区域B上形成环绕第一区域A的凹坑群。基板硅片21的单个倒装单元俯视为边长1500微米的正方形，硅片21表面第二区域B上规律分布凹坑群，每个凹坑结构的俯视形状可为矩形、圆形或其他形状，优选俯视为正方形；凹坑的剖面形状可为倒梯形或倒三角形，优选倒三角形，即凹坑结构为倒金字塔型，且其斜边与水平面的夹角为54.7度；凹坑的上表面尺寸可为纳米级或微米级。

图1和图2的上部分均显示了凹坑的剖面图，凹坑的内表面覆盖有一层绝缘层25，绝缘层的厚度约200纳米至1微米，优选400纳米，用于与绝缘层25上的反射层26和基板硅片21进行电隔离。

反射层26厚度为400纳米至1微米，优选500纳米，反射层26采用具有高反射率金属材料或具有相同特性的多层介质层，优选为银、铝等金属材料，若所述高反射率的反射层26是多层介质层，且表面漏电流很小，那么可以不使用绝缘层25。

金属键合电极层位于第一区域A上，是边长500微米的正方形，厚度是1-4微米，优选1.5微米，与金属反射层26形成电互联。同时，在金属键合电极层中间，包括一条平行于该侧边、宽为20-100微米的隔离沟(优选20微米)，其底部为绝缘层25上表面或基板硅片21上表面，优选底部为绝缘层25上表面，深度为金属键合电极层和反射层26的厚度之和，用以将金属键合电极层分为第一金属键合电极27和第二金属键合电极28，同时将反射层26分为第一反射层和第二反射层。

其中，所述硅片21表面的绝缘层25可能存在表面漏电流，根据实际应用场景对漏电流的要求，对绝缘层25做隔离刻蚀或者不做隔离刻蚀。

以上为本发明所提出的针对所述LED倒装芯片的图形化硅基板结构的具体实施例1，根据上述内容，可以完整地体现本发明所述的技术方案，并根据此技术方案能够达到所述的有益效果。

附图3所示为LED芯片的图形化基板制备方法流程示意图，提出了其相应的制备方法具体包括以下步骤：

S1、在基板正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，进行图形化处理；

S2、使用湿法化学腐蚀在图形化处理的基板上制备凹坑结构；

S3、在凹坑结构内表面依次制备绝缘层、反射层。

其中，步骤S2中，采用湿化学腐蚀法利用碱性溶液在图形化的基板正面进行腐蚀形成凹坑结构；步骤S3中，采用热氧化或化学沉积法等方法制备绝缘层，采用沉积法或电子束蒸发法等方法制备反射层。

因硅片21表面的绝缘层25可能存在表面漏电流，根据实际应用场景对漏电流的要求，可以对绝缘层25做隔离刻蚀，即以隔离沟底部达到硅片21上表面为标准，基于上述LED芯片的图形化基板制备方法步骤，本发明根据具体实施例1的LED倒装芯片的图形化硅基板结构的技术方案，相应地，针对具体实施例1中LED倒装芯片的图形化硅基板结构，以隔离沟底部达到硅片21表面为标准。

本发明提出了具体实施例2以完整、清晰地描述LED倒装芯片的图形化硅基板结构的制备方法如下：

步骤S1、在基板正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，进行图形化处理。

提供一表面为(100)面的硅片21，单个倒装单元的边长优选为1500微米的正方形，此处选择厚度为200-500微米的硅片，优选400微米。对所述硅片21做RCA标准清洗后，使用等离子体增强化学气相沉积法，分别在硅片的正面和背面沉积氧化硅作为正面保护层22和背面保护层23；保护层厚度大于100纳米；保护层亦可为氮化硅、氧化铝等介质层，二者可为相同或不同的介质和厚度；保护层也可使用热氧化法或其他沉积法制作。请参照图4。

步骤S2、使用湿法化学腐蚀在图形化处理的基板上制备凹坑结构。

步骤S2.1：在所述正面保护层22上旋涂正性光刻胶24，经过前烘、曝光、显影、后烘后，所述光刻胶24上形成图形化窗口；图形化窗口是如图5所示的光刻胶24上形成的镂空凹槽，其相当于步骤S2.2中如图6所示正面保护层22的窗口。窗口的图形可以为矩形、圆形或其他形状；窗口的尺寸可以为纳米级或微米级；窗口应设在用于安置LED芯片的第一区域A以外的区域，如图5。为了避免步骤4中腐蚀溶液对正面保护层22的横向腐蚀过重使硅片21进入无掩膜腐蚀阶段，相邻窗口的间距应大于或等于步骤4中腐蚀溶液对正面保护层22的横向腐蚀长度。

步骤S2.2：以图形化的光刻胶24为掩膜，干法刻蚀所述正面保护层22，使所述光刻胶24的图形转移到所述正面保护层22上，此时窗口区暴露出硅片21的表面。这里的图形转移也可湿法刻蚀，如使用BOE溶液等腐蚀溶液，但应注意保护背面保护层22不被刻蚀。请参照图6。

步骤S2.3：使用去膜剂、丙酮等有机溶剂去除残留的所述光刻胶24，请参照图7。以所述图形化的正面保护层22为掩膜，使用腐蚀溶液对步骤S2.2中的硅片21(100)表面做一定时间的湿法腐蚀，直至形成形状、尺寸符合要求的凹坑群，即第二区域B。其中凹坑满足：上表面形状为矩形、圆形或其他形状；剖面形状为倒梯形或倒金字塔形；上表面尺寸为纳米级或微米级。这里的腐蚀溶液为碱性溶液，可为KOH溶液、TMAH溶液等；碱液对硅片有各向异性腐蚀的效果，硅(100)的腐蚀速率要比硅(111)的腐蚀速率大得多，在腐蚀过程中硅(111)面32逐渐暴露，与(100)面31形成54.7°的夹角，因此腐蚀得到的形貌是一个个倒梯形或倒金字塔形凹坑，梯形或金字塔的斜面即为硅(111)面32；碱性溶液中可加入异丙醇等表面活性剂以控制速率与表面形貌，加入表面活性剂后可以促进碱性溶液腐蚀过程中产生的氢气脱离硅片表面，得到较平整的腐蚀结构，但表面活性剂量过大时腐蚀速率会下降，且(100)/(111)晶片的腐蚀速率之比会下降。这里步骤S2.1中的窗口间距大于本步骤中腐蚀溶液对正面保护层22的横向腐蚀长度，请参照图8。若步骤S2.1中的窗口间距等于本步骤中腐蚀溶液对正面保护层22的横向腐蚀长度，则图形区掩膜正好被腐蚀完毕，请参照图9。

步骤S3、在凹坑结构内表面依次制备绝缘层、反射层。

步骤S3.1：使用BOE等溶液去除正面保护层22和背面保护层23。此处应注意不损伤硅片21的表面。此时即已形成用于安置LED芯片的第一区域A和用于规律分布凹坑群的第二区域B，请参照图10。

步骤S3.2：对所述硅片21做RCA标准清洗后，使用等离子体增强化学气相沉积法，在所述硅片21的正面沉积氧化硅作为绝缘层25；这里的绝缘层亦可为氮化硅、氧化铝等介质层；也可使用热氧化法或其他沉积法制作。请参照图11。若应用场景对芯片漏电流有较高的要求，则需要对绝缘层25做隔离；可使用光刻胶或其他掩膜进行干法刻蚀或湿法刻蚀来实现隔离；刻蚀隔离沟的深度应达到硅片上表面。请参照图12。

步骤S3.3：在所述硅片21的正面绝缘层25上制备具有表面高反射率效果的反射层26，并在第一区域A的反射层26上制备用于LED倒装芯片的金属键合电极层。这里的反射层采用具有高反射率金属材料或具有相同特性的多层介质层，优选为银、铝等金属材料。以步骤S3.2中形成的隔离沟为界线，隔离层上的反射层26分为第一反射层和第二反射层，金属键合电极分为第一金属键合电极27和第二金属键合电极28，从而实现电隔离。请参照图13。最后即可将LED倒装芯片键合在具有高反射率金属层的图形化硅基板上，请参照图14。通过金线或基板底部挖孔填塞金属等方式形成电互联后，可电注入使用倒装LED芯片。如图15所示，通过硅基板上的凹坑结构对LED倒装芯片端面出射的光的反射来改变其传播方向，从而向上出射，增大了光直接出射的机会。

至此，依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种LED芯片的图形化基板的制备方法有了清楚的认识。综上所述，本发明提出一种LED芯片的图形化基板结构及其制备方法，制备得到了表面具有凹坑结构的图形化基板，并通过基板上的凹坑结构对LED芯片端面出射的光的反射来改变其传播方向，从而向上出射，增大了光直接出射的机会，而减少了其在传播过程中的损失，从而提高了LED的光提取效率。

另外，为了进一步清晰、明确的证明本发明所提出的LED芯片的图形化基板及其制备方法的有益效果，基于上述LED倒装芯片的图形化硅基板结构和制备方法，亦可将其相应地应用到LED正装芯片的发光结构中，为此，本发明提出了具体实施例3，如图16所示。该实施例是LED正装芯片及其图形化硅基板，图16的上部分和下部分分别是整体剖面示意图和俯视示意图。LED正装芯片基本结构组成与LED倒装芯片一致，包括衬底11、n型层12、n型电极13、有源区14、p型层15、p型电极16，其主要区别在于，LED正装芯片的衬底11位于芯片底部，n型电极13和p型电极16位于芯片顶部，即在结构形式上，将LED倒装芯片的结构组成整体上反向朝上即可。

针对此类LED正装芯片，因其图形化硅基板n型电极13和p型电极16朝上，所以该图形化硅基板只需要制备绝缘层25和反射层26，其相应的制备材料、制备厚度、制备工艺均与具体实施例1或2的类似或一致；而为了将其固定在图形化硅基板上，在反射层上引入一层粘结层29即可。

至此，已通过具体实施例3对本发明所述的LED倒装芯片的图形化硅基板及其制备方法的推广和适用进行了完整、清晰的描述，并且通过本实施例3，本领域技术人员应当对本发明一种LED芯片的图形化基板及其制备方法有了更加清晰、确定的认识。

同样的，基于具体实施例3所述的LED正装芯片的图形化硅基板结构，将其相应地应用到LED垂直芯片的发光结构中，为此，本发明提出了具体实施例4，如图17所示LED垂直芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图和俯视示意图，LED垂直芯片基本结构组成与LED倒装芯片一致，包括：衬底11、n型层12、n型电极13、有源区14、p型层15、p型电极16、键合基板17，其主要区别在于，LED垂直芯片在工艺过程中去除了外延时使用的衬底11，顶部一侧为n型层12，在n型层上具备n型电极13，而p型电极16位于芯片底部，与键合基板17电互连。常规使用的键合基板17为铜，可采用键合或电镀等方式使p型电极16与键合基板17电互连。

针对此类LED垂直芯片，其图形化硅基板需要制备绝缘层25和反射层26，其相应的制备材料、制备厚度、制备工艺均与具体实施例1或2的类似或一致；为了将其固定在图形化硅基板上，在反射层上引入一层粘结层29；特别地，由于LED垂直芯片键合基板17位于芯片底部，该种粘结层应具备良好的导电特性，以便通过金线或其他方式形成电互连。

至此，已通过具体实施4对本发明所述的LED倒装芯片的图形化硅基板及其制备方法的进一步地推广和适用进行了完整、清晰的描述，并且通过本实施例4，本领域技术人员应当对本发明一种LED芯片的图形化基板及其制备方法有了更加清晰、确定的认识。

综上所述，本发明提出的一种LED芯片的图形化基板结构及其制备方法，制备得到了表面具有凹坑结构的图形化基板，通过基板上的凹坑结构对LED芯片端面出射的光的反射来改变其传播方向，从而向上出射，增大了光直接出射的机会，而减少了其在传播过程中的损失，从而提高了LED的光提取效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。