图形化衬底以及倒装led芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种图形化衬底结构以及倒装LED芯片。在衬底表面形成凹坑，并在所述凹坑内填充绝缘介质膜，所述衬底以及绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率介于所述衬底以及外延层之间，如此可形成折射率梯度，相当于在衬底表面镶嵌了微透镜，所述镶嵌的微透镜可起到聚焦的效果，并可减少光反射，以确保光能最大程度的从衬底的出光面透射出去，从而提高倒装LED的出光效率。
【专利说明】图形化衬底以及倒装LED芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及半导体光电芯片制造领域，尤其涉及一种图形化衬底以及倒装LED芯片。
【背景技术】
[0002]半导体发光二极管(LED)是新型固态冷光源，其具有能效高、寿命长、体积小、电压低等诸多优点，使其广泛的应用于人们的日常生活。例如，交通红绿灯、车头灯、户外显示器、手机背光源，电器的指示灯、某些照明路灯都广泛大量的采用LED。尤其是在节能环保方面，LED灯相比普通白炽灯和荧光灯具有明显的优势，因此未来其代替传统光源成为主要照明光源已经成为共识。
[0003]目前LED外延层大多采用金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)在异质外延上制备，提高亮度使用最多的方式是表面图形化衬底技术(PSS)，利用PSS图形将从发光区射向衬底的光通过不同面反射回去，提高光的逸出概率，提高芯片的出光效率。但是，对于倒装芯片而言，就不需要将光反射回去，而是需要将尽可能多的光透射穿过衬底。
[0004]商业化的正装LED芯片大多生长的蓝宝石衬底上，然后将其固定在封装支架上，导致其具有以下问题:1)其主要通过传导散热，而蓝宝石衬底由于较厚，所以热量难于导出，热量聚集在芯片上影响芯片可靠性，增加光衰和减少芯片寿命；2)由于电极挡光，会减少芯片的出光，导致出现光效低的问题；3)电流拥挤会增加芯片的电压，这些都会降低芯片的光效；4)封装复杂，单个LED芯片的电压为3V左右，因此需要变压或者封装将其串联，这些都增加了封装和应用的难度，工艺难度加大，使整个芯片的可靠性变差。
[0005]相比于正装LED芯片，倒装芯片可以解决上述问题。但是，由于蓝宝石的折射率低于外延层材料氮化镓的折射率，所以外延层射出来的光会在其与蓝宝石衬底界面处发生反射，导致较多的光不能发射出来，影响出光效率。
实用新型内容
[0006]本实用新型要解决的技术问题是减少光从外延层射向衬底的光反射，增加透射穿过衬底的光，提高出光效率。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种图形化衬底，包括:衬底、形成于所述衬底表面的若干凹坑以及填充于所述凹坑内的绝缘介质膜，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率，并小于一外延层的折射率。
[0008]可选的，在所述的图形化衬底中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、氧化锌或尖晶石，所述绝缘介质膜为氮化硅或氧化钛。
[0009]本实用新型又提供一种倒装LED芯片，包括:具有第一面以及第二面的衬底、形成于所述衬底表面的若干凹坑、填充于所述凹坑内的绝缘介质膜、以及形成于所述衬底的第一面以及所述绝缘介质膜上的外延层，其中，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率，并小于所述外延层的折射率。
[0010]可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、氧化锌或尖晶石，所述绝缘介质膜为氮化硅或氧化钛，所述外延层包括依次形成于所述衬底的第一面上的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层。
[0011]与现有技术相比，本实用新型在衬底表面形成凹坑，并在所述凹坑内填充绝缘介质膜，所述衬底以及绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率介于所述衬底以及外延层之间，以形成折射率梯度，相当于在衬底表面镶嵌了微透镜，所述镶嵌的微透镜可起到聚焦的效果，减少光反射，以确保光能最大程度的从衬底的出光面透射出去，从而提高倒装LED的出光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型一实施例的图形化衬底的制造方法的流程示意图；
[0013]图2a?2g为本实用新型实施例一的图形化衬底的制造方法过程中的剖面示意图；
[0014]图3a?3e为本实用新型实施例二的图形化衬底的制造方法过程中的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0015]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做详细的说明。
[0016]请参考图1，其为本实用新型一实施例的图形化衬底制造方法的流程示意图，结合该图，该方法包括以下步骤:
[0017]步骤S201:提供一衬底；
[0018]步骤S202:在所述衬底表面形成若干凹坑；以及
[0019]步骤S103:在所述凹坑内填充绝缘介质膜以形成微透镜；
[0020]其中，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率并小于一外延层的折射率。
[0021]本实用新型还提供一种图形化衬底，所述图形化衬底包括:衬底、形成于所述衬底表面的若干凹坑以及填充于所述凹坑内的绝缘介质膜，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率并小于一外延层的折射率。
[0022]本实用新型提供一种倒装LED芯片，包括:具有第一面和第二面的衬底、形成于所述衬底表面的若干凹坑、填充于所述凹坑内的绝缘介质膜、以及形成于所述衬底的第一面以及所述绝缘介质膜上的外延层，其中，所述第二面作为倒装LED芯片的出光面，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率并小于所述外延层的折射率。
[0023]其中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、氧化锌或尖晶石。所述绝缘介质膜为氮化硅或氧化钛。所述外延层包括依次形成于所述衬底的第一面上的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层。
[0024]本实用新型通过在衬底表面形成凹坑，并在所述凹坑内填充绝缘介质膜，所述衬底以及绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率介于所述衬底以及外延层之间，即，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率并小于一外延层的折射率，这样能够形成折射率梯度，相当于在图形化衬底表面均匀的镶嵌了微透镜，所述镶嵌的微透镜可起到聚焦的效果，并可减少光反射，以确保光能最大程度的从图形化衬底的出光面透射出去，有利于提高倒装LED芯片的出光效率。
[0025]以下列举本实用新型的几个实施例，以清楚说明本实用新型的内容，应当明确的是，本实用新型的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本实用新型的思想范围之内。
[0026]【实施例一】
[0027]图2a~2g为本实用新型实施例一的图形化衬底制造方法的各步骤中结构剖面图。
[0028]如图2a所示，提供具有第一面以及第二面的衬底201。所述衬底201采用透光材料，例如，其可以为蓝宝石、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、尖晶石(MgAL2O4)。本实施例中，所述衬底201为蓝宝石衬底。
[0029]继续参考图2a，在所述衬底201的第一面上形成硬掩膜层202。所述硬掩膜层202优选为二氧化硅(Si02)。所述二氧化硅可通过化学气相沉积(CVD)的方式形成，例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成，其厚度例如是0.5~10 μ m。所述硬掩膜层是作为后续形成凹坑工艺的掩膜，因而其厚度依欲形成的凹坑的尺寸而定，本领域技术人员可根据实际要获得的凹坑的尺寸相应的调整图形化的硬掩膜层的尺寸。根据不同的工艺需要，亦可采用金属掩膜。
[0030]如图2b所示，通过涂胶、曝光和显影工艺，在所述硬掩膜层202上形成图形化的光阻层，然后以所述图形化的光阻层为掩膜刻蚀所述硬掩膜层202，形成图形化的硬掩膜层202，。
[0031]如图2c所示，以所述图形化的硬掩膜层202’为掩膜，刻蚀所述衬底201以在其表面形成若干凹坑201’，随之去除图形化的硬掩膜层202’。
[0032]本实施例中凹坑201’的形状为棱锥形，更具体的说，所述凹坑201’的形状为三棱锥形，所述三棱锥形凹坑是指其俯视(平行于衬底201表面方向)为三角形，截面(垂直于衬底201表面方向)为V形。当然，本实用新型的凹坑形状并不局限于三棱锥形，所述凹坑还可以是三棱锥形、六棱锥形、八棱锥形或圆锥形凹坑。所述凹坑201’的深度是0.5~ΙΟμπι，宽度是0.5~10 μ m，间距是0.5~ΙΟμπι。在本实例中，所述三棱锥形的凹坑201’的深度是1.5~2.5 μ m，宽度是1.5~2.5 μ m，间距是1.5~2.5 μ m，利用上述形状的凹坑形成微透镜的聚焦效果较佳。
[0033]在本实用新型一实施例中，所述凹坑采用湿法刻蚀的方式形成，可将衬底201置于温度为200~300°C，体积比为1:3磷酸和硫酸的混合溶液里浸泡10-60分钟，即可形成三棱锥形的凹坑201’。在本实用新型的另一实施例中，所述凹坑亦可采用干法刻蚀的方式形成，通过感应稱合等离子体(Inductive Coupled Plasma, ICP)刻蚀工艺,可使蓝宝石衬底的刻蚀速率与图形化的硬掩膜层202’的刻蚀速率之比在I~1.8的范围内，以形成多个锥形结构。当然，上述描述并不用于限定本实用新型，本领域技术人员可相应的调整刻蚀工艺参数，并相应的调整刻蚀选择比，以达到在衬底上形成凹坑的目的。[0034]其中，图形化的硬掩膜层202’可采用湿法刻蚀的方式去除。例如，所述硬掩膜层的材料为二氧化硅，优选采用稀释的氢氟酸(DHF)或缓冲氢氟酸溶液(BOE)去除图形化的硬掩膜层202’，刻蚀效率高且刻蚀选择比较佳。
[0035]如图2d所示，在形成有凹坑201’的衬底表面形成绝缘介质膜204。
[0036]在本实用新型优选实施例中，所述衬底201以及绝缘介质膜204均选用透光材料，并且，选用折射率介于衬底201和外延层之间的绝缘介质膜，使外延层折射率大于绝缘介质膜204的折射率，而绝缘介质膜204的折射率又大于图形化衬底的折射率，这样能够形成折射率梯度，相当于在衬底201表面均匀的镶嵌一个个微透镜，利用该图形化衬底制作倒装LED芯片，所述微透镜可减少光反射，以确保光能最大程度的从图形化衬底透射出去，从而提高倒装LED的出光效率。例如，所述绝缘介质膜选为氮化硅，蓝宝石的折射率约为1.8，外延层材料如氮化镓的折射率约为2.4，氮化硅的折射率约为2.05，则可实现上述目的。当然，亦可采用其他折射率介于所述衬底以及所述氮化镓之间的绝缘介质膜，如氧化钛形成微透镜。
[0037]所述绝缘介质膜204可通过化学气相沉积(CVD)的方式形成，例如通过低压气相沉积(LPCVD)或等离子增加化学气相沉积(PECVD)形成，其厚度范围例如是I?10 μ m。形成绝缘介质膜204是为了形成聚焦透镜，因而其优选能够覆盖凹坑并略大于凹坑的深度。本实施例中，所述三棱锥形的凹坑201’的最大深度是1.5?2.5 μ m，所述绝缘介质膜204的厚度优选是2?3 μ m。由于化学气相沉积的特点，在具有凹坑的衬底上覆盖绝缘介质膜204，绝缘介质膜的表面也非平坦表面，而必然具有凹陷204’。
[0038]如图2e所示,在所述绝缘介质膜204表面涂覆光刻胶205。本实施例中，所述光刻胶205的厚度例如为2.5?3.5 μ m。图2e中光刻胶表面并非是平坦表面，然而应当认识至IJ，若光刻胶厚度足够厚，由于光刻胶的流动性，该表面也可为平坦表面。
[0039]如图2f所示，对所述光刻胶205进行曝光和显影，去除凹陷204’外的光刻胶，仅保留凹陷204’内的光刻胶。由于光刻胶具有流动性，因此在具有凹陷的绝缘介质膜204上形成的光刻胶的厚度并非是均匀的，凹陷204’内的光刻胶相对较厚，而凹陷204’外的光刻胶相对较薄，因而，对光刻胶205显影后，会保留凹陷204’内的光刻胶，而凹陷204’外的光刻胶被去除。为方便说明，将显影后凹陷204’内保留的光刻胶标记为205’。
[0040]如图2g所示，对所述衬底201进行刻蚀，通过调节光刻胶与绝缘介质膜204的刻蚀选择比，刻蚀掉凹坑201’外的绝缘介质膜使衬底暴露出来，最后去除衬底上剩余的光刻胶。也可通过调整刻蚀工艺，使得刻蚀掉凹坑201’外的绝缘介质膜时，剩余的光刻胶也一并被刻蚀掉，形成具有微透镜204a的图形化衬底。例如，若该刻蚀工艺中光刻胶与绝缘介质膜204的选择比为1:1，则凹陷204’内的光刻胶205’的厚度优选等于或略大于凹陷204’外的绝缘介质膜204的厚度，即可同时去除剩余的光刻胶以及凹坑201’外的绝缘介质膜。使得所述衬底具有多个微透镜204a，所述微透镜204a具有聚焦的效果，并可减少光反射，有利于提闻光利用率。
[0041]在本实用新型的优选实施例中，采用干法刻蚀的方式形成微透镜204a，通过感应耦合等离子体刻蚀工艺，采用四氟化碳或三氟甲烷等氟基化合物可使光刻胶与绝缘介质膜204的选择比在I?1.2的范围内，以形成多个微透镜204a。在本实施例中，可通过使底板射频功率(plate power)大于线圈射频功率(coil power),来控制感应稱合等离子体刻蚀工艺的刻蚀选择比之比在I~1.2的范围内。可以理解的是，本实用新型并不局限于此，可通过控制其它刻蚀工艺参数来达到控制感应耦合等离子体刻蚀工艺的刻蚀选择比的目的。
[0042]形成具有微透镜204a的图形化衬底之后，在所述衬底201以及微透镜204a上沉积外延层，所述绝缘介质膜的折射率介于所述衬底以及所述外延层之间。本实施例中，所述外延层包括N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层。以蓝宝石衬底为例，氮化硅的折射率介于蓝宝石衬底以及所述氮化镓之间，并且蓝宝石衬底以及氮化硅均为透光材料，因此可采用氮化硅作为绝缘介质膜以形成微透镜。当然，亦可采用其他折射率介于所述衬底以及所述氮化镓之间的绝缘介质膜，如氧化钛形成微透镜。
[0043]形成外延层后，可采用常规工艺制成倒装LED芯片，例如，刻蚀所述外延层，形成台阶阵列，所述台阶阵列暴露出N型氮化镓层；在所述P型氮化镓层上形成第一金属层；对所述第一金属层进行退火自组装；以第一金属层为掩膜刻蚀所述P型氮化镓层，在所述P型氮化镓层中形成坑洞阵列；在坑洞阵列中沉积第二金属层，所述第一金属层和第二金属层组成金属反射镜层。
[0044]综上，所述图形化衬底以及微透镜均选用透光材料制成，并且，利用折射率介于衬底和外延层之间的绝缘介质膜，使外延层折射率大于绝缘介质膜的折射率，而绝缘介质膜的折射率又大于图形化衬底的折射率，这样能够形成折射率梯度，相当于在图形化衬底表面均匀的镶嵌一个个微透镜，利用该图形化衬底制作倒装LED芯片，所述微透镜还可减少光反射，以确保光能最大程度的从图形化衬底透射出去，从而提高倒装LED的出光效率。
[0045]【实施例二】
[0046]图3a~3e为本实用新型实施例二的图形化衬底制造方法的各步骤中结构剖面图。
[0047]如图3a所示，提供一衬底301。所述衬底301采用透光材料，例如，其可以为蓝宝石、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、尖晶石(MgAL2O4)15本实施例中，所述衬底301为蓝宝石衬
。
[0048]继续参考图3a，在所述衬底301表面形成光刻胶303。所述光刻胶的厚度例如I~2 μ m0
[0049]参考图3b，可通过涂胶、曝光和显影工艺，形成图形化的光刻胶。所述图形化的光刻胶包括多个圆柱形光刻胶台，所述圆柱形光刻胶台是指光刻胶台俯视(平行于衬底301表面方向)为圆形，截面形状(垂直于衬底301表面方向)为方形。随后，对所述圆柱形光刻胶台进行烘烤，使所述圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶303’。在本实施例中，在温度为120°C~250°C的范围内，对圆柱形光刻胶台进行烘烤，所述圆柱形光刻胶台在高于光刻胶的玻璃软化温度下，由于表面张力的作用成为球冠状光刻胶。本领域技术人员可根据实际要获得的凹坑的尺寸相应的调整圆柱形光刻胶台的尺寸。 [0050]参考图3c，以所述图形化的光刻胶为掩膜，进行感应耦合等离子体(InductiveCoupled Plasma, ICP)刻蚀工艺，直至所述球冠状光刻胶303’被完全刻蚀掉，即可在所述衬底301表面上形成多个凹坑301’。所述凹坑301’的形状大致为半球型，所述凹坑301’的深度可以为I~1.5 μ m。当然，所述凹坑301’的形状也可根据所要形成的微透镜的形状做调整，例如，也可为 半椭球形。
[0051]所述感应耦合等离子体刻蚀步骤对衬底301的刻蚀速率与球冠状光刻胶303’的刻蚀速率之比控制在0.8?1.2的范围内，以在衬底301上形成多个凹坑301’。在本实施例中，可通过控制底板射频功率和线圈射频功率的数值，来使感应耦合等离子体刻蚀工艺的刻蚀选择比控制在上述范围内。在本实用新型的其它实施例中，还可通过控制其它刻蚀工艺参数来达到控制感应耦合等离子体刻蚀工艺的刻蚀选择比的目的。本实施例中，在感应耦合等离子体刻蚀工艺中，所采用的刻蚀气体可以是三氯化硼(BCl3)和氯气(Cl2)的混合气体。
[0052]参考图3d，在形成有凹坑301’的衬底表面形成绝缘介质膜304。所述图形化衬底301a以及绝缘介质膜304均选用透光材料，并且，选用折射率介于衬底和外延层之间的绝缘介质膜，使外延层折射率大于绝缘介质膜的折射率，而绝缘介质膜的折射率又大于图形化衬底的折射率，这样能够形成折射率梯度，相当于在图形化衬底表面均匀的镶嵌一个个微透镜，利用该图形化衬底制作倒装LED芯片，所述微透镜可减少光反射，以确保光能最大程度的从图形化衬底透射出去，从而提高倒装LED的出光效率。例如，所述绝缘介质膜选为氮化硅，蓝宝石的折射率约为1.8，外延层材料如氮化镓的折射率约为2.4，氮化硅的折射率约为2.05，则可实现上述目的。
[0053]所述绝缘介质膜304可通过化学气相沉积(CVD)的方式形成，例如通过低压气相沉积(LPCVD)或等离子增加化学气相沉积(PECVD)形成，其厚度范围例如是I?10 μ m。形成绝缘介质膜304是为了在凹坑内形成聚焦透镜，因而其优选能够覆盖凹坑的厚度。本实施例中，所述凹坑201’的深度hi是1.5?2.5 μ m，所述绝缘介质膜204的厚度优选是3?5 μ m0
[0054]参考图3e，对所述衬底进行平坦化，如采用化学机械抛光的方式研磨掉部分绝缘介质膜，直至暴露所述衬底301的表面，即，使凹坑301’外的绝缘介质膜去除，保留凹坑301’内的绝缘介质膜，形成具有微透镜304a的图形化衬底301a。
[0055]形成具有微透镜304a的图形化衬底301a之后，在所述衬底301的第一面以及微透镜304a上沉积外延层，所述绝缘介质膜的折射率介于所述衬底以及所述外延层之间。形成外延层后，同样可采用常规工艺制成倒装LED芯片。
[0056]综上所述，本实用新型在衬底表面形成凹坑，并在所述凹坑内填充绝缘介质膜，所述衬底以及绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率介于所述衬底以及外延层之间，这样能够形成折射率梯度，相当于在图形化衬底表面均匀的镶嵌了微透镜，所述镶嵌的微透镜可起到聚焦的效果，并可减少光反射，以确保光能最大程度的从图形化衬底的出光面透射出去，从而提高倒装LED的出光效率。
[0057]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的器件结构而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0058]显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种图形化衬底，包括:衬底、形成于所述衬底表面的若干凹坑以及填充于所述凹坑内的绝缘介质膜，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率并小于一外延层的折射率。
2.如权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、氧化锌或尖晶石。
3.如权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述绝缘介质膜为氮化硅或氧化钛。
4.一种倒装LED芯片，包括:具有第一面和第二面的衬底、形成于所述衬底表面的若干凹坑、填充于所述凹坑内的绝缘介质膜、以及形成于所述衬底的第一面以及所述绝缘介质膜上的外延层，其中，所述第二面作为倒装LED芯片的出光面，所述衬底以及所述绝缘介质膜均采用透光材料，所述绝缘介质膜的折射率大于所述衬底的折射率并小于所述外延层的折射率。
5.如权利要求4所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、氧化锌或尖晶石。
6.如权利要求4所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述绝缘介质膜为氮化硅或氧化钛。
7.如权利要求4所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述外延层包括依次形成于所述衬底的第一面上的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层。
【文档编号】H01L33/22GK203800068SQ201420173240
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】张昊翔, 江忠永 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司