发光二极管芯片及其制作方法

发光二极管芯片及其制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种发光二极管芯片，其特征在于，包括：电流扩展层；外延层，位于所述电流扩展层之下；图形化蓝宝石衬底，位于所述外延层之下，其中所述图形化蓝宝石衬底具有上表面和下表面，所述上表面靠近所述外延层；以及分布式布拉格反射层，覆盖所述图形化蓝宝石衬底的所述下表面。本申请结合图形化蓝宝石衬底技术和分布式布拉格反射技术来制作发光二极管芯片，提高了发光二极管芯片底部的光的发射角度，减少分布式布拉格反射技术的光发生全反射的几率，增加了光的出射几率。
【专利说明】发光二极管芯片及其制作方法

【技术领域】
[0001] 本申请涉及发光二极管芯片制造技术，更具体地，涉及一种同时利用图形化蓝宝 石衬底技术和分布式布拉格反射技术来制作的发光二极管芯片及其制作方法。

【背景技术】
[0002] 发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED)是一种将电能转化为光能的半导 体电子器件。当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光。LED照明已广泛应用于 家居、装饰、办公、招牌甚至路灯用途。
[0003] LED芯片所选衬底材料大致有三种：蓝宝石（A1203)、硅（Si)、碳化硅（SiC)。以蓝 宝石作为衬底的LED芯片是指氮化镓（GaN)基材料和器件的外延层生长在蓝宝石衬底上。 LED芯片通常会采用分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflection,简称DBR)，全方 位反射镜（Omni-Directional Reflector，简称0DR)等技术增加反射率以提高芯片亮度。
[0004] DBR是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材 料的光学厚度为中心反射波长的1/4。布拉格反射镜对垂直入射的光反射效果较好，其反射 率可达99%以上。目前常用氧化硅和氧化钛相互交替的DBR结构，也有加入氧化钽的DBR 结构。0DR是在DBR的基础上蒸镀Al、Cr、Au或其它金属形成的。图1是利用DBR和0DR 技术制作的LED芯片的结构示意图。如图1所示，蓝宝石衬底101，蓝宝石衬底101具有上 表面111和下表面112。外延层102位于蓝宝石衬底101之上，其中上表面111靠近外延 层102。电流扩展层103位于外延层102之上，电流扩展层103包括电流阻挡层（Current Blocking Layer,简称CBL)、透明导电（例如氧化铟锡（Indium Tin Oxides,简称ΙΤ0)层、 金属电极、氧化硅保护层。在蓝宝石衬底101的下表面112利用DBR或0DR技术形成分布 式布拉格反射/全方位反射镜层104。
[0005] DBR反射率虽然高，但DBR只能在垂直方向进行反射，有些发生全反射的光经过 DBR反射后仍然会发生全反射，不能被有效利用。虽然0DR能将光进行全角度反射，减小光 发生全反射的几率，但由于金属本身会吸收部分光，所以0DR芯片的亮度不如DBR，而且0DR 需要镀Al、Cr、Au等贵金属，成本比DBR高。
[0006] 因此，需要一种新的LED芯片制作方法以解决DBR和0DR技术的上述缺陷。


【发明内容】

[0007] 有鉴于此，本申请提供一种发光二极管芯片及其制作方法以解决上述问题。
[0008] 本申请公开了一种发光二极管芯片，其特征在于，包括：电流扩展层；外延层，位 于所述电流扩展层之下；图形化蓝宝石衬底，位于所述外延层之下，其中所述图形化蓝宝石 衬底具有上表面和下表面，所述上表面靠近所述外延层；以及分布式布拉格反射层，覆盖所 述图形化蓝宝石衬底的所述下表面。
[0009] 所述图形化蓝宝石衬底是通过感应耦合等离子刻蚀方法对蓝宝石衬底进行刻蚀 形成的。
[0010] 所述图形化蓝宝石衬底的图形为圆锥形。
[0011] 所述分布式布拉格反射层是通过真空镀膜技术在所述图形化蓝宝石衬底的所述 下表面交替排列不同氧化物层所形成。
[0012] 所述不同氧化物层为二氧化硅层和二氧化钛层，共计20?40层。
[0013] 本申请还公开了一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于，包括：提供蓝宝石衬 底，其中所述蓝宝石衬底具有上表面和下表面；在所述蓝宝石衬底的所述上表面上形成外 延层；在所述外延层之上形成电流扩展层；对所述蓝宝石衬底的所述下表面进行刻蚀形成 图形化蓝宝石衬底；以及形成分布式布拉格反射层，用以覆盖所述图形化蓝宝石衬底的下 表面。
[0014] 通过感应耦合等离子刻蚀方法对所述蓝宝石衬底进行刻蚀形成所述图形化蓝宝 石衬底。
[0015] 所述图形化蓝宝石衬底的图形为圆锥形。
[0016] 通过真空镀膜技术在所述图形化蓝宝石衬底的所述下表面交替排列不同氧化物 层形成所述分布式布拉格反射层。
[0017] 所述不同氧化物层为二氧化硅层和二氧化钛层，共计20?40层。
[0018] 本申请结合图形化蓝宝石衬底技术和分布式布拉格反射技术来制作发光二极管 芯片，相比现有技术相比，达到如下效果：
[0019] 1)本发明利用图形化蓝宝石衬底技术提高了发光二极管芯片底部的光的发射角 度，减少分布式布拉格反射技术的光发生全反射的几率，增加了光的出射几率。
[0020] 2)本发明无需镀金属，节省成本。
[0021] 当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申 请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0023] 图1是利用DBR和0DR技术制作的LED芯片的结构示意图。
[0024] 图2为依据本发明一实施例的LED芯片制作方法的流程示意图。
[0025] 图3-图7为利用图2的LED芯片制作方法制作LED芯片的过程示意图。
[0026] 图8为依据本发明一实施例的LED芯片800的结构示意图。

【具体实施方式】
[0027] 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员 应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以 名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在 通篇说明书及权利要求当中所提及的"包含"为一开放式用语，故应解释成"包含但不限定 于"。"大致"是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述 技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述 描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围 当视所附权利要求所界定者为准。
[0028] 图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate,简称PSS)是近年发展的一 种LED芯片制作技术，是以蚀刻（干式蚀刻或湿式蚀刻）的方式在蓝宝石衬底上设计制作 出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案，藉以控制LED之输出光形式（蓝宝石基 板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的取出率），同时GaN薄膜成长于图案 化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果，减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷， 改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。有源区发出的光，经PSS后改 变了全反射光的出射角，增加了光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率，与 成长于一般蓝宝石衬底的LED相比，亮度增加了 10%以上。
[0029] 但单纯的采用PSS技术，LED的光反射率还是远不及采用DBR技术制作的LED。因 此，为了得到高的光反射率并减少光的全反射，本发明结合PSS和DBR技术来制作LED芯 片。具体方法步骤如下详述。
[0030] 图2为依据本发明一实施例的LED芯片制作方法的流程示意图。图3-图7为利 用图2的LED芯片制作方法制作LED芯片的过程示意图。请参考图3-图7来理解图2提 出的LED芯片制作方法。如图2所示，LED芯片制作方法包括如下步骤。
[0031] 步骤201，提供蓝宝石衬底，其中所述蓝宝石衬底具有上表面和下表面。
[0032] 图3为本发明一实施例的蓝宝石衬底301的示意图。在本发明的一实施例中，蓝 宝石衬底301具有上表面311和下表面312。在本发明的一实施例中，蓝宝石衬底301为 C-Plane蓝宝石基板。但需注意的是，本发明并不限定所提供蓝宝石衬底的类型与参数，例 如厚度、直径、晶向、翘曲度等，具体参数依据具体设计要求而定。
[0033] 步骤202,在蓝宝石衬底的上表面上形成外延层。
[0034] 在本发明的一实施例中，在蓝宝石衬底的上表面上通过金属有机化合物化学气相 沉淀（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称M0CVD)技术生长外延层用以制作 外延片，例如氮化镓（GaN)基外延片。需注意的是，本发明并不限定所提供外延层的参数， 例如波长、电压、PeakI值（外延光致发光值）等，具体要求依据具体工艺而定。图4为依 据步骤202在蓝宝石衬底301的上表面311形成外延层302。
[0035] 步骤203,在外延层之上形成电流扩展层。
[0036] 在本发明的一实施例中，电流扩展层包括但不限于金属电极、电流阻挡层 (Current Blocking Layer，简称 CBL)、透明导电（例如氧化铟锡（Indium Tin Oxides，简 称ΙΤ0)层、氧化硅保护层。图5为依据步骤203在外延层302之上形成电流扩展层303。 [0037] 任何半导体器件都要通过电极和外部电路相连，金属电极的电流一电压降呈线性 关系，相当于一个阻值很小的电阻（也称为欧姆接触电阻）。LED芯片中通常采用ΡΝ结电 极。在本发明的一实施例中，用负胶做光刻，露出P电极和N电极的位置，在利用真空镀膜 技术在做完负胶光刻的外延片上沉积电极金属，再剥离掉除电极以外的金属并去胶清洗， 此时在P型GaN(P-GaN)上形成了 P电极，在N型GaN(N-GaN)上形成了 N电极，进行电极合 金形成欧姆接触。需注意的是，本发明并不限制电极金属的具体形式。
[0038] -般CBL位于金属电极下面，其下面没有或很少有电流通过，这样此处发光就很 少，可以改善LED的发光效率和输出光功率。在本发明的一实施例中，用干法刻蚀的方法 有选择性地去除P-GaN和量子阱层露出N-GaN，在干法刻蚀后的外延片上用等离子体化学 气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，简称 PECVD)法沉积二氧化娃 (Si02)，沉积完成后做光刻，制做出电流阻挡层。
[0039] ΙΤ0层的主要成份是氧化铟锡。在厚度只有600?1200埃的情况下，氧化铟透过 率高，氧化锡导电能力强，具有高透过率。在本发明的一实施例中，在形成了 CBL的GaN表 面沉积ΙΤ0,并做光刻去除N区的ΙΤ0,只保留P-GaN上有ΙΤ0,并在P电极位置上制作ΙΤ0 开孔，开孔的大小比金属焊盘直径小1/4-1/3,然后通过ΙΤ0合金做好P面ΙΤ0与GaN的欧 姆接触。
[0040] 氧化硅保护层可对芯片作钝化保护。通过PECVD方法沉积Si02钝化膜，再经过光 刻腐蚀等过程，刻蚀掉金属焊盘上的钝化材质，露出焊盘。
[0041] 步骤204,对蓝宝石衬底的下表面进行刻蚀形成图形化蓝宝石衬底。
[0042] 在本发明的一实施例中，通过正胶和步进光刻机做光刻，然后用感应耦合等离子 刻蚀（Inductive Coupled Plasma,简称ICP)技术对蓝宝石衬底的下表面进行刻蚀形成朝 正面方向（也就是朝蓝宝石衬底的上表面方向）凹陷的图形，以形成图形化蓝宝石衬底。 在本发明的一实施例中，该图形为圆锥形，周期约为3 μ m(也就是说每隔3 μ m就有一个图 形），高度约为1.5μπι。请注意的是，本发明并不限制图形的具体形状、大小、位置等。图6 为依据步骤204对蓝宝石衬底301的下表面312进行刻蚀形成图形化蓝宝石衬底。
[0043] 在本发明的一实施例中，在对蓝宝石衬底进行刻蚀之前，先对蓝宝石衬底进行研 磨减薄并抛光，再用ICP技术对蓝宝石衬底的下表面进行刻蚀形成朝正面方向（也就是朝 蓝宝石衬底的上表面方向）凹陷的图形。在本发明的一实施例中，抛光后整个芯片（也就 是目前的电流扩展层、外延层、蓝宝石衬底）的厚度为80um-15〇 Um。需注意的是，本发明并 不限制减薄抛光后的芯片的厚度。
[0044] 步骤205,形成分布式布拉格反射层304,用以覆盖图形化蓝宝石衬底的下表面 312。
[0045] 在本发明的一实施例中，在形成图形化蓝宝石衬底之后，用光刻胶（例如正性光 刻胶）保护住LED芯片（也就是目前的电流扩展层、外延层、图形化蓝宝石衬底）的正面 (即露出图形化蓝宝石衬底的下表面），将图形化蓝宝石衬底的下表面用强酸（例如硫酸双 氧水）清洗干净，将光刻胶去除（例如用去胶液将正性光刻胶去除）。为了确保LED芯片 的稳定性，在本发明的一实施例中，进一步将芯片冲洗干净（例如用去离子水将芯片冲洗 干净）。在完成上述操作之后，在图形化蓝宝石衬底的下表面用真空镀膜技术交替蒸镀不 同的氧化物形成DBR反射层。在本发明的一实施例中，用真空镀膜技术交替蒸镀二氧化硅 (Si02)和二氧化钛（Ti02)共20层-40层。图7为依据步骤205形成分布式布拉格反射 层。
[0046] 图8为依据本发明一实施例的LED芯片800的结构示意图。如图8所示，LED芯片 800包括图形化蓝宝石衬底801、外延层802、电流扩展层803和分布式布拉格反射层804。 外延层802位于图形化蓝宝石衬底801之上，图形化蓝宝石衬底801具有上表面811和下 表面812,上表面811靠近外延层802。电流扩展层803位于外延层802之上，分布式布拉 格反射层804覆盖图形化蓝宝石衬底801的下表面812。其中，LED芯片800是依据图2的 LED芯片制作方法制作的，具体细节再此不再赘述。
[0047] LED芯片性能
[0048] 接下来通过实验来说明用本发明提出的LED芯片制作方法来制作的LED芯片的性 能。
[0049] 在蓝宝石衬底上通过M0CVD生长外延层，选取相同波长、电压、PeakI值（外延光 致发光值）的六片外延片，确保六片外延片在LED芯片制作前的光电参数一致。在这六片 外延片上同步进行步骤203中所述的光刻、刻蚀等步骤以形成电流扩展层。此外对于蓝宝 石衬底进行研磨减薄并抛光。在本实验中，抛光后整个芯片的厚度为80um-150um。
[0050] 选取两片芯片在蓝宝石衬底的下表面用真空镀膜技术交替蒸镀Si02和Ti02共20 层-40层形成DBR反射层。选取两片芯片在蓝宝石衬底的下表面用真空镀膜技术交替蒸镀 Si02和Ti02共4-12层再依次蒸镀铝、铬、金形成0DR反射层。其中，金属厚度为铝2000 埃-4000埃、铬100埃-300埃、金200埃-500埃。选取两片芯片用正胶和步进光刻机做光 亥IJ，然后用ICP对蓝宝石衬底的下表面进行刻蚀形成朝正面方向凹陷的图形。在形成图形 化蓝宝石衬底之后，用光刻胶（例如正性光刻胶）保护住LED芯片（也就是目前的电流扩 展层、外延层、图形化蓝宝石衬底）的正面（即露出图形化蓝宝石衬底的下表面），将图形化 蓝宝石衬底的下表面用强酸（例如硫酸双氧水）清洗干净，将光刻胶去除（例如用去胶液 将正性光刻胶去除）。之后用去离子水将芯片冲洗干净，在图形化蓝宝石衬底的下表面用真 空镀膜技术交替蒸镀Si02和Ti02共20层-40层形成DBR反射层。之后将LED芯片切割 裂片成单个的芯粒，点测分Bin入库，在相同条件下进行封装。
[0051] 实验结果显示本发明的结合图形化蓝宝石衬底技术和分布式布拉格反射技术来 制作的发光二极管芯片比传统的DBR结构的发光二极管芯片亮度提升2% -3%，比传统的 0DR结构的发光二极管芯片亮度提升3% -4%。
[0052] 本申请结合图形化蓝宝石衬底技术和分布式布拉格反射技术来制作发光二极管 芯片，相比现有技术相比，达到如下效果：
[0053] 1)本发明利用图形化蓝宝石衬底技术提高了发光二极管芯片底部的光的发射角 度，减少分布式布拉格反射技术的光发生全反射的几率，增加了光的出射几率。
[0054] 2)本发明无需镀金属，节省成本。
[0055] 还需要说明的是，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的 包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包 括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者系统所固有的要 素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个......"限定的要素，并不排除在包括所 述要素的过程、方法、商品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0056] 本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。 因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的 形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存 储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形 式。
[0057] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员 来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
【权利要求】
1. 一种发光二极管芯片，其特征在于，包括： 电流扩展层； 外延层，位于所述电流扩展层之下； 图形化蓝宝石衬底，位于所述外延层之下，其中所述图形化蓝宝石衬底具有上表面和 下表面，所述上表面靠近所述外延层；以及 分布式布拉格反射层，覆盖所述图形化蓝宝石衬底的所述下表面。
2. 如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述图形化蓝宝石衬底是通过 感应耦合等离子刻蚀方法对蓝宝石衬底进行刻蚀形成的。
3. 如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述图形化蓝宝石衬底的图形 为圆锥形。
4. 如权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述分布式布拉格反射层是通 过真空镀膜技术在所述图形化蓝宝石衬底的所述下表面交替排列不同氧化物层所形成。
5. 如权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述不同氧化物层为二氧化硅 层和-氧化钦层，共计20?40层。
6. -种发光二极管芯片制作方法，其特征在于，包括： 提供蓝宝石衬底，其中所述蓝宝石衬底具有上表面和下表面； 在所述蓝宝石衬底的所述上表面上形成外延层； 在所述外延层之上形成电流扩展层； 对所述蓝宝石衬底的所述下表面进行刻蚀形成图形化蓝宝石衬底；以及 形成分布式布拉格反射层，用以覆盖所述图形化蓝宝石衬底的下表面。
7. 如权利要求6所述的发光二极管芯片制作方法，其特征在于，通过感应耦合等离子 刻蚀方法对所述蓝宝石衬底进行刻蚀形成所述图形化蓝宝石衬底。
8. 如权利要求6所述的发光二极管芯片制作方法，其特征在于，所述图形化蓝宝石衬 底的图形为圆锥形。
9. 如权利要求8所述的发光二极管芯片制作方法，其特征在于，通过真空镀膜技术在 所述图形化蓝宝石衬底的所述下表面交替排列不同氧化物层形成所述分布式布拉格反射 层。
10. 如权利要求9所述的发光二极管芯片制作方法，其特征在于，所述不同氧化物层为 二氧化硅层和二氧化钛层，共计20?40层。
【文档编号】H01L33/02GK104091869SQ201410370983
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】胡弃疾, 苗振林, 汪延明 申请人:湘能华磊光电股份有限公司