专利名称:Led衬底结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种LED衬底结构，图形化衬底技术和DBR技术有机地结合在一起，提高LED的发光效率和发光亮度；第一反光体环包凸形结构，第二反光体表面和凸形结构顶壁都具有DBR膜系，凸形结构顶壁的DBR膜系设有纳米窗口阵列，提高LED发光效率和发光亮度的同时，提高LED的轴向发光亮度，且不降低LED的晶体质量；凸形结构和DBR膜系位于衬底的同一表面上，都是在衬底减薄前完成，便于加工和后续清洗处理，降低了LED加工过程中的隐形成本；本实用新型提供的LED衬底结构能更有效地提高LED的发光效率、发光亮度及轴向发光亮度，加快LED进入高端照明领域和寻常百姓家的产业化进程，符合LED的可持续发展战略。
【专利说明】LED衬底结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及半导体光电芯片制造【技术领域】，特别涉及一种LED衬底结构。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的提高，环保意识的增强，对家居环境、休闲和舒适度追求的不断提高，灯具灯饰也逐渐由单纯的照明功能转向照明和装饰共存的局面，具有照明和装饰双重优势的固态冷光源LED取代传统光源进入人们的日常生活成为必然之势。
[0003]GaN基LED自从20世纪90年代初商业化以来，经过二十几年的发展，其结构已趋于成熟和完善，已能够满足人们现阶段对灯具装饰的需求；但要完全取代传统光源进入照明领域，发光亮度的提高却是LED行业科研工作者永无止境的追求。
[0004]在内量子效率(已接近100% )可提高的空间有限的前提下，LED行业的科研工作者把目光转向了外量子效率，提出了可提高光提取率的多种技术方案和方法，例如图形化衬底技术、侧壁粗化技术、DBR技术、优化电极结构、在衬底或透明导电膜上制作二维光子晶体等。其中图形化衬底最具成效，尤其是2010年以来，在政府各种政策的激励和推动下，无论是锥状结构的干法图形化衬底技术还是金字塔形状的湿法图形化衬底技术都得到了飞速的发展，其工艺已经非常成熟，并于2012年完全取代了平衬底，成为LED芯片的主流衬底，使LED的晶体结构和发光亮度都得到了革命性的提高。
[0005]当然，减薄后，在LED衬底的背面蒸镀DBR的技术也能在一定程度上提高LED的发光亮度。然而，减薄后，LED晶片已经很薄(只有SOum左右)，非常容易裂片，且一旦出现异常都不易于做返工处理，只能报废，所以DBR工艺的成本远不止材料和加工成本，更多的则是隐形成本。所以现阶段LED代替传统照明光源，进入照明领域，进入寻常百姓家，所遇到的问题不是亮度达不到的问题，而是物美价不廉的问题，而这种问题一般都是结构不够合理、工艺技术不够优化，造成制造成本不够科学所导致的。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供一种LED衬底结构，以解决现有的LED或者发光亮度不够，或者制作过程中容易裂片，成本较高的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种LED衬底结构，所述LED衬底结构包括:衬底，所述衬底第一表面上形成有周期性阵列排布的凸形结构及反光体，所述反光体包括第一反光体和第二反光体，所述第一反光体环包所述凸形结构，所述第二反光体位于所述第一反光体上方，所述第二反光体形成碗状图形，所述碗状图形位于所述凸形结构的上方，所述第一反光体和第二反光体一体形成，所述第一反光体与凸形结构以及衬底的交界处形成有吸光层，所述凸形结构顶壁及第二反光体表面均形成有DBR膜系，所述凸形结构顶壁的DBR膜系设有纳米窗口阵列，所述纳米窗口阵列露出部分凸形结构。
[0008]可选的，在所述的LED衬底结构中，所述第二反光体表面的DBR膜系形成碗状结构，所述碗状结构位于被环包凸形结构的上方。
[0009]可选的，在所述的LED衬底结构中，所述纳米窗口阵列露出的部分凸形结构便于连接GaN层。
[0010]可选的，在所述的LED衬底结构中，所述反光体的材料为氮化硅及二氧化硅中的一种或两种组合。
[0011]可选的，在所述的LED衬底结构中，所述吸光层的材料为铬及钛中的一种或两种组合。
[0012]可选的，在所述的LED衬底结构中，所述DBR膜系由S1、S12, T12或者Ti 305中的至少两种材料层叠形成，每种材料按照λ/4n厚度交替生长，所述DBR膜系的生长周期为3个-20个。
[0013]可选的，在所述的LED衬底结构中，所述衬底和凸形结构的材料为蓝宝石。
[0014]在本实用新型提供的LED衬底结构中，首先，将图形化衬底技术和DBR技术有机地结合在一起，能够更有效地提高LED的发光效率和发光亮度；其次，由第一反光体环包凸形结构，第二反光体表面和凸形结构顶壁都具有DBR膜系，凸形结构顶壁的DBR膜系设有纳米窗口阵列，从而在提高LED发光效率和发光亮度的同时，能够提高LED的轴向发光亮度，且不降低LED的晶体质量；再次，凸形结构和DBR膜系位于衬底的同一表面上，且都是在衬底减薄前完成，非常便于加工和后续清洗处理，这无疑降低了 LED加工过程中的隐形成本；总之，本实用新型所提供的LED衬底结构能够更有效地提高LED的发光效率、发光亮度及轴向发光亮度，能够加快LED进入高端照明领域和寻常百姓家的产业化进程，符合LED的可持续发展战略。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法的流程示意图；
[0016]图2是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中衬底的剖面结构示意图；
[0017]图3是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成掩膜层后的剖面结构示意图；
[0018]图4a是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中去除部分掩膜层后的剖面结构示意图；
[0019]图4b为图4a所示的器件结构的俯视图；
[0020]图5是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成凸形结构后的剖面结构示意图；
[0021]图6是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成吸光层后的剖面结构示意图；
[0022]图7是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成光刻胶后的剖面结构示意图；
[0023]图8是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中去除剩余的光刻胶后的剖面结构示意图；
[0024]图9是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成反光层后的剖面结构示意图；
[0025]图10是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成光刻胶后的剖面结构示意图；
[0026]图1la是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中凸形结构上的部分光刻胶被去除后的剖面结构示意图；
[0027]图1lb是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中凸形结构上的部分反光层被去除后的剖面结构示意图；
[0028]图1lc是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中吸光层上的部分光刻胶被去除后的剖面结构示意图；
[0029]图12是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成DBR膜系后的剖面结构示意图；
[0030]图13是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中在DBR膜系上形成第一光刻胶后的剖面结构示意图；
[0031 ] 图14是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中去除凸形结构顶壁的DBR膜系上的第一光刻胶后的剖面结构示意图；
[0032]图15是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中形成第二光刻胶后的剖面结构示意图；
[0033]图16是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中在第二光刻胶中形成纳米窗口阵列后的剖面结构示意图；
[0034]图17a是本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中在凸形结构顶壁的DBR膜系中形成纳米窗口阵列后的剖面结构示意图；
[0035]图17b为图17a中结构A的俯视放大图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的LED衬底结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
[0037]请参考图1，其为本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法的流程示意图。如图1所示，所述LED衬底结构的制作方法包括:
[0038]步骤SlO:提供衬底；
[0039]步骤Sll:刻蚀所述衬底，以在所述衬底第一表面上形成周期性阵列排布的凸形结构；
[0040]步骤S12:在所述凸形结构的侧壁以及所述凸形结构之间的衬底第一表面上形成吸光层；
[0041]步骤S13:在所述吸光层上形成反光体，所述反光体包括第一反光体和第二反光体，所述第一反光体环包所述凸形结构，所述第二反光体位于所述第一反光体上方，所述第二反光体形成碗状图形，所述碗状图形位于所述凸形结构的上方，所述第一反光体和第二反光体一体形成；
[0042]步骤S14:在所述凸形结构顶壁及第二反光体表面形成DBR膜系，所述凸形结构顶壁的DBR膜系设有纳米窗口阵列，所述纳米窗口阵列露出部分凸形结构。
[0043]具体的，请参考图2?图16，其为本实用新型实施例的LED衬底结构的制作方法中所形成的器件结构的示意图。
[0044]如图2所示，提供衬底20，优选的，所述衬底20为蓝宝石衬底。
[0045]接着，如图3?图5所示，刻蚀所述衬底20，以在所述衬底20第一表面上形成周期性阵列排布的凸形结构22。
[0046]首先，如图3所示，在所述衬底20上形成掩膜层21。优选的，所述掩膜层21的厚度为0.1 μπι?I μπι。进一步的，所述掩膜层21的材料可以为二氧化硅、氮化硅或者氮氧化娃等中的至少一种。
[0047]接着，如图4a所示，利用光刻和刻蚀工艺，去除部分掩膜层21，暴露出部分衬底20。在此，可相应参考图4b，图4b为图4a所示的器件结构的俯视图，为了便于区分，在图4b中，掩膜层21由带线条的图案加以标示。如图4b所示，在此，衬底20的形状为圆形，剩余的掩膜层21为多个分立的圆形结构，其呈周期性阵列排布，其中，在衬底20的边缘位置，剩余的掩膜层21受限于衬底20的大小和形状，不是完整的圆形结构。在本申请的其他实施例中，剩余的掩膜层21也可以是多个分立的椭圆形结构或者多边形结构等，本申请对此不作限定。
[0048]接着，如图5所示，刻蚀暴露出的部分衬底20，以在所述衬底20第一表面上形成周期性阵列排布的凸形结构22。在此，所述凸形结构22的剖面形状为梯形。即所述凸形结构22的材料也为蓝宝石。
[0049]在本申请实施例中，可以利用干法刻蚀工艺刻蚀暴露出的部分衬底20，也可以利用湿法刻蚀工艺刻蚀暴露出的部分衬底20。具体的，当利用湿法刻蚀工艺刻蚀暴露出的部分衬底20时，选用的刻蚀液为硫酸和磷酸的混合液，所述混合液中硫酸和磷酸的体积比为3:1?10:1，工艺温度为200°C?300°C，工艺时间为I分钟?60分钟。具体的，可根据所要形成的凸形结构22的高度做适应性选择，本申请实施例对此不再赘述。当利用干法刻蚀工艺刻蚀暴露出的部分衬底时，选用的干法刻蚀工艺为感应耦合等离子体干法刻蚀工艺。具体刻蚀气体可选用本领域常规的刻蚀气体，例如氯气、三氯化硼或者氩气等。
[0050]请继续参考图5，同时，去除剩余的掩膜层21，即将凸形结构22顶壁的掩膜层21予以去除。
[0051]在形成了凸形结构22之后，接着将在所述凸形结构22的侧壁以及所述凸形结构22之间的衬底20第一表面上形成吸光层23，具体的，请参考图6?图8。
[0052]首先，如图6所示，在所述凸形结构22的侧壁、顶壁(即凸形结构22的外壁)以及凸形结构22之间的衬底20第一表面上形成吸光层23 ;即形成一吸光层23，所述吸光层23覆盖所述凸形结构22的外壁(包括侧壁与顶壁)以及凸形结构22之间的衬底20第一表面。优选的，所述吸光层23的材料为铬及钛中的一种或两种组合。
[0053]接着，如图7所示，在所述吸光层23上形成光刻胶24。
[0054]如图8所示，刻蚀所述光刻胶24及最先露出的吸光层23，去除部分光刻胶24以及凸形结构22的顶壁上的吸光层23。在此，通过同比刻蚀所述光刻胶24以及吸光层23，当凸形结构22的顶壁上的吸光层23去除后，刻蚀结束。
[0055]请继续参考图8，在去除部分光刻胶24以及凸形结构22的顶壁上的吸光层23后，将剩余的光刻胶24也去除。
[0056]接着，在所述吸光层23上形成反光体27，所述反光体27包括第一反光体271和第二反光体272，所述第一反光体271环包所述凸形结构22，所述第二反光体272位于所述第一反光体271上方，所述第二反光体272形成碗状图形，所述碗状图形位于所述凸形结构22的上方，所述第一反光体271和第二反光体272 —体形成。具体的，请参考图9?图11。
[0057]首先，如图9所示，在所述凸形结构22的顶壁以及所述吸光层23上形成反光层25。即形成一反光层25，所述反光层25覆盖所述凸形结构22的顶壁以及所述吸光层23。优选的，所述反光层25的材料为氮化硅及二氧化硅中的一种或两种组合。
[0058]接着，如图10所示，在所述反光层25上形成光刻胶26。
[0059]接着，如图1la?图1lc所示，以刻蚀选择比为3:1?10:1的比例刻蚀所述光刻胶26和反光层25，直至光刻胶26完全去除并且凸形结构22的顶壁露出，以在所述吸光层23上形成反光体27，所述反光体27包括第一反光体271和第二反光体272，所述第一反光体271环包所述凸形结构22，所述第二反光体272位于所述第一反光体271上方，所述第二反光体272形成碗状图形，所述碗状图形位于所述凸形结构22的上方，所述第一反光体271和第二反光体272 —体形成。即，每个反光体27(具体的，每个第一反光体271)与凸形结构22及衬底20的交界处形成有吸光层23。在此，所述反光体27的材料同样为氮化硅及二氧化硅中的一种或两种组合。
[0060]请继续参考图1la?图11c，由于刻蚀工艺的特性以及刻蚀选择比的选取(其中，刻蚀选择比的具体选择可根据具体工艺情况加以调节)，在刻蚀光刻胶26和反光层25的过程中，将首先去除凸形结构22上的部分光刻胶26，随着刻蚀工艺的继续，凸形结构22上的反光层25以及吸光层23上的部分光刻胶26也将慢慢去除，最终形成如图1lc所示的结构。
[0061]接着，在所述凸形结构22顶壁及反光体27 (具体为第二反光体272)表面形成DBR膜系28，所述凸形结构22顶壁的DBR膜系28设有纳米窗口阵列，所述纳米窗口阵列露出部分凸形结构22，具体的，请参考图12?图17。
[0062]首先，如图12所示，在所述凸形结构22顶壁及反光体27 (具体为第二反光体272)表面形成DBR膜系28。优选的，所述DBR膜系28由S1、Si02、T12或者Ti 305中的至少两种材料层叠形成，每种材料按照λ/4n厚度交替生长，其生长周期为3个-20个。例如，当所述DBR膜系28由Ti0#PSi02层叠交替生长形成，生长周期为3个时，即可以先生长T12形成λ/4η.厚度的1102膜，再生长5丨02形成λ/4n SiQ2厚度的S1^，此为第一个周期；接着再生长T12形成λ/4nTiQ2厚度的T1 J莫，再生长S12形成λ/4η.厚度的S12膜，此为第二个周期；最后再生长T12形成人/411^)2厚度的1102膜，再生长3102形成λ/4ηSiQ2厚度的S1 2膜，此为第三个周期，即每种材料按照λ/4η厚度交替层叠生长形成3个周期的DBR膜系。
[0063]接着，如图13所示，在所述DBR膜系28上形成第一光刻胶29，所述第一光刻胶29的厚度大于所述反光体27的高度。
[0064]如图14所示，使用均匀平行照明光束垂直照射所述衬底20第二表面，对所述第一光刻胶29显影后，去除凸形结构22顶壁的DBR膜系28上的第一光刻胶29。在此，由于所述反光体27 (具体为第一反光体271)与凸形结构22以及衬底20的交界处形成有吸光层23，因此，在使用均匀平行照明光束垂直照射所述衬底20第二表面的过程中，所述凸形结构22上的部分光刻胶29将被曝光，而所述反光体27 (具体为第二反光体272)上的部分光刻胶29由于其下的吸光层23的保护而不被曝光。由此，经过显影后，所述凸形结构22上的部分光刻胶29将被去除，即形成如图14所示的结构。
[0065]接着，如图15所示，在所述凸形结构22顶壁的DBR膜系28上形成第二光刻胶30，所述第二光刻胶30的厚度比第一光刻胶29的厚度薄/小。其中，所述第二光刻胶30可以同时覆盖所述凸形结构22顶壁的DBR膜系28以及第一光刻胶29，对此本申请并不做限定。优选的，所述第二光刻胶30为一薄层结构，例如为几个纳米。
[0066]接着，如图16所示，使用均匀平行照明光束透过纳米窗口阵列光刻板后垂直照射所述衬底20第二表面，对所述第二光刻胶30显影后，在所述第二光刻胶30中形成纳米窗口阵列。同样的，由于吸光层23的保护作用，所述第一光刻胶29将不被曝光；由于所述平行照明光束是透过纳米窗口阵列光刻板后照射到所述第二光刻胶30上的，因此，在显影后，所述第二光刻胶30中将形成纳米窗口阵列。此外，由于所述第一光刻胶29将不受曝光作用，因此，在曝光过程中，所述纳米窗口阵列光刻板可以不受对准要求的限制。
[0067]接着，如图17a所示，刻蚀所述DBR膜系28，由此便可在所述凸形结构22顶壁的DBR膜系28中形成纳米窗口阵列，所述纳米窗口阵列露出部分凸形结构22 ;同时，所述反光体27 (具体为第二反光体272)表面的DBR膜系28将不受刻蚀工艺影响。
[0068]相应的，可参考图17b，图17b为图17a中结构A的俯视放大图，同时，为了便于结构的区分，图17b中，DBR膜系28由带线条的图案加以标示。如图17b所示，(凸形结构22顶壁的)DBR膜系28中形成有纳米窗口阵列，该纳米窗口阵列可以将其下的部分凸形结构22露出，由此，在后续的LED制作过程中，可利用该露出的部分凸形结构22连接GaN层，从而实现LED衬底结构与GaN层之间更好地连接，进而提高GaN基LED的质量。
[0069]请继续参考图17a，刻蚀所述DBR膜系28后，去除所述第一光刻胶29及第二光刻胶30。
[0070]在本申请实施例中，所述第二反光体272表面的DBR膜系28形成碗状结构，所述碗装结构位于被环包凸形结构22的上方，由此，可以提高后续所形成的LED的轴向发光亮度。
[0071]请继续参考图17a，经过上述LED衬底结构的制作方法将形成一 LED衬底结构，所述LED衬底结构包括:衬底20，所述衬底20第一表面上形成有周期性阵列排布的凸形结构22及反光体27，所述反光体27包括第一反光体271和第二反光体272，所述第一反光体271环包所述凸形结构22，所述第二反光体272位于所述第一反光体271上方，所述第二反光体272形成碗状图形，所述碗状图形位于所述凸形结构22的上方，所述第一反光体271和第二反光体272 —体形成，所述第一反光体271与凸形结构22以及衬底20的交界处形成有吸光层23，所述凸形结构22顶壁及第二反光体272表面均形成有DBR膜系28，所述凸形结构22顶壁的DBR膜系28设有纳米窗口阵列，所述纳米窗口阵列露出部分凸形结构22。
[0072]在本实用新型实施例提供的LED衬底结构及其制作方法中，首先，将图形化衬底技术和DBR技术有机地结合在一起，能够更有效地提高LED的发光效率和发光亮度；其次，由第一反光体环包凸形结构，第二反光体表面和凸形结构顶壁都具有DBR膜系，凸形结构顶壁的DBR膜系设有纳米窗口阵列，从而在提高LED发光效率和发光亮度的同时，能够提高LED的轴向发光亮度，且不降低LED的晶体质量；再次，凸形结构和DBR膜系位于衬底的同一表面上，且都是在衬底减薄前完成，非常便于加工和后续清洗处理，这无疑降低了 LED加工过程中的隐形成本；接着，在做DBR膜系的纳米窗口阵列时，无需对位，直接曝光、显影，避开了微纳图形光刻加工难对位的技术瓶颈；总之，本实用新型所提供的LED衬底结构的制作方法工艺简单、成本低廉，适于大规模商业化生产；本实用新型所提供的LED衬底结构能够更有效地提高LED的发光效率、发光亮度及轴向发光亮度，能够加快LED进入高端照明领域和寻常百姓家的产业化进程，符合LED的可持续发展战略。
[0073]上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
【权利要求】
1.一种LED衬底结构，其特征在于，包括:衬底，所述衬底第一表面上形成有周期性阵列排布的凸形结构及反光体，所述反光体包括第一反光体和第二反光体，所述第一反光体环包所述凸形结构，所述第二反光体位于所述第一反光体上方，所述第二反光体形成碗状图形，所述碗状图形位于所述凸形结构的上方，所述第一反光体和第二反光体一体形成，所述第一反光体与凸形结构以及衬底的交界处形成有吸光层，所述凸形结构顶壁及第二反光体表面均形成有DBR膜系，所述凸形结构顶壁的DBR膜系设有纳米窗口阵列，所述纳米窗口阵列露出部分凸形结构。2.如权利要求1所述的LED衬底结构，其特征在于，所述第二反光体表面的DBR膜系形成碗状结构，所述碗状结构位于被环包凸形结构的上方。3.如权利要求1或2所述的LED衬底结构，其特征在于，所述纳米窗口阵列露出的部分凸形结构便于连接GaN层。4.如权利要求1或2所述的LED衬底结构，其特征在于，所述反光体的材料为氮化硅及二氧化硅中的一种或两种组合。5.如权利要求1或2所述的LED衬底结构，其特征在于，所述吸光层的材料为铬及钛中的一种或两种组合。6.如权利要求1或2所述的LED衬底结构，其特征在于，所述DBR膜系由S1、S12,T12或者Ti 305中的至少两种材料层叠形成，每种材料按照λ/4η厚度交替生长，所述DBR膜系的生长周期为3个-20个。7.如权利要求1或2所述的LED衬底结构，其特征在于，所述衬底和凸形结构的材料为蓝宝石。
【文档编号】H01L33-22GK204271120SQ201420553858
【发明者】丁海生, 马新刚, 李东昇, 李芳芳, 江忠永 [申请人]杭州士兰明芯科技有限公司