CN101582479A - 发光二极管芯片结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管芯片结构，其包括蓝宝石衬底层，所述蓝宝石衬底层表面设有周期性排列的三棱锥形微结构。本发明还包括一种发光二极管芯片结构的制造方法，该方法包括以下步骤：1)应用干法刻蚀工艺将图形转移至蓝宝石衬底上；2)应用湿法刻蚀蓝宝石衬底将之前的图形形成周期性排列三棱锥形。本发明由于在蓝宝石衬底上形成了高质量的三棱锥形周期性排列的微结构，可以大大减少界面反射并减少内部吸收；以及通过湿法腐蚀后，蓝宝石的晶体缺陷大大降低，从而能够在其表面生长出高晶体质量的外延层，大大提高了发光二极管的质量和发光效率。

Description

发光二极管芯片结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片制造工艺，尤其是指改变衬底结构提高芯片光提取效率的结构及其制造方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用.尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点.为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的内量子效率和外量子效率.目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片.
为了提高发光二极管的发光效率，目前已经提出了用湿法腐蚀蓝宝石衬底制作图形衬底这样一种方法，其制作方法为：将SiO2做成一定的图形，之后用其做掩膜，再通过湿法腐蚀的方法在蓝宝石衬底上腐蚀出一定的微结构，来提高发光效率，但是这种方法有很多缺陷，主要缺陷有：1、不能制作出三棱锥形的微结构，亮度提升有限；2、用SiO2做掩膜时，在腐蚀的时候掩膜材料也会被腐蚀掉，导致图形成型难度加大；2、腐蚀时间太长，需要1-10个小时，生产效率低下；3、随着腐蚀时间的加长，腐蚀溶液不断变化，可控性难度加大。
鉴于此，为了解决以上问题，现提出一种新的三棱锥形微结构发光二极管芯片衬底结构及其制造方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种发光二极管芯片结构及其制造方法，由于在蓝宝石衬底上形成了三棱锥形微结构，可以减少界面反射并减少内部吸收，从而提高了发光二极管芯片的发光效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种发光二极管芯片结构，其包括蓝宝石衬底层，所述蓝宝石衬底层表面设有周期性排列的三棱锥形微结构。
进一步的，所述三棱锥形微结构底面边长为0.5-10um。
进一步的，所述三棱锥形微结构表面边长为0.5-10um。
进一步的，所述三棱锥形微结构高为0.5-10um。
一种发光二极管芯片结构的制造方法，该方法包括以下步骤：
1)应用干法刻蚀工艺将图形转移至蓝宝石衬底上；
2)应用湿法刻蚀蓝宝石衬底将之前的图形形成周期性排列三棱锥形。
进一步的，所述1)包括以下步骤：
步骤a：采用电子束蒸镀机或溅射方式在蓝宝石上制作一层金属层，金属材料为钛、镍、铝、铬其中之一；
步骤b：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1um～10um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案；
步骤c：用烘胶台低温回流光刻胶，将步骤2中的光刻胶图形回流成凸包形或圆台形结构，烘烤温度为50℃～250℃、时间为10秒钟～60分钟；
步骤d：用深紫外线对光刻胶照射，深紫外线波长为100-300nm，照射时间为3秒～30分钟；
步骤e：再次用烘胶台对光刻胶高温硬烤，烘烤温度为100℃～400℃、时间为1～60分钟；
步骤f：用干法蚀刻技术将图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上表面形成凸包形或圆台形周期性排列的微结构。
进一步的，所述2)包括以下步骤：
步骤g：用硫酸、磷酸、或硫酸与磷酸的混合液腐蚀经过步骤1)后的蓝宝石衬底，将周期性排列的微结构腐蚀成三棱锥形的微结构，溶液温度为100-500℃，腐蚀时间为1分钟-1小时；
步骤h：用去离子水冲洗干净蓝宝石衬底。
进一步的，所述1)包括以下步骤：
步骤A：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1um～10um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成周期性排列的凹坑；
步骤B：用电子束蒸镀或溅射方式在之前衬底表面蒸镀一层金属层，金属为镍或别的金属，厚度为
Figure A20091005286300071
步骤C：用湿法清洗或剥离的方法将光刻胶清洗干净；
步骤D：通过用金属做掩膜，用干法刻蚀的方法将金属图形转移到衬底上。
进一步的，所述2)包括以下步骤：
步骤E：用湿法清洗将金属清洗干净，腐蚀溶液为硫酸、硝酸、大王水、小王水、511溶液或盐酸溶液中的一种；
步骤F：用湿法腐蚀该衬底，将经过步骤1)后的图形腐蚀成三棱锥形，腐蚀溶液为硫酸、磷酸、硫酸和磷酸的任意体积比混合溶液；
步骤G：用去离子水将蓝宝石衬底清洗干净。
本发明由于在蓝宝石衬底上形成了高质量的三棱锥形周期性排列的微结构，可以大大减少界面反射并减少内部吸收；以及通过湿法腐蚀后，蓝宝石的晶体缺陷大大降低，从而能够在其表面生长出高晶体质量的外延层，大大提高了发光二极管的质量和发光效率。
附图说明
图1是本发明一种三棱锥形微结构；
图2是本发明另一种三棱锥形微结构。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤：
一种发光二极管芯片结构，其包括蓝宝石衬底层，所述蓝宝石衬底层表面设有周期性排列的三棱锥形微结构。所述三棱锥形微结构底面边长为0.5-10um。优选3.8um，所述三棱锥形微结构三个上表面边长为0.5-10um。优选2.2um，所述三棱锥形微结构高(自底面至三个上表面边长的交点的长度)为0.5-10um。优选1um。
为了在蓝宝石衬底上制作出三棱锥形的微结构来更大幅度的提高发光二极管芯片的发光效率，先通过ICP干法刻蚀的方法在蓝宝石衬底表面制造出凸包形或圆台形的微结构，之后用硫酸、磷酸、或硫酸与磷酸的任意体积比混合液作为腐蚀液湿法腐蚀，将之前蓝宝石衬底表面上的微结构腐蚀成三棱锥形的微结构，通过这样腐蚀既可以将ICP干法刻蚀对衬底表面造成的晶体缺陷的部分腐蚀干净，提高蓝宝石衬底晶体质量，又可以沿着蓝宝石的晶向自然腐蚀成三棱锥形，以及通过图形的不同排列经过腐蚀后可以腐蚀出不同布局的三棱锥形微结构；之后在该衬底的上表面形成缓冲层，在该缓冲层上形成n型半导体层，在该n型半导体层的一部分上形成发光层，在该发光层上形成p型半导体；以及在该n型半导体的另一部分和p型半导体层上分别形成n电极和p电极。
实施例一
步骤1：采用电子束蒸镀机或溅射方式在蓝宝石上制作一层金属层，金属材料为钛、镍中之一；
步骤2：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1-2um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案；如圆柱、圆台等。
步骤3：用烘胶台低温回流光刻胶，将之前的光刻胶图形回流成凸包形或圆台形结构，以及将光罩作业带来的周边不完整图形回流成凸包形或圆台形，弥补光罩后周边图形与中心图形一致性上的不足，使得整个衬底片子上的图形一致性大大提高，回流条件：烘烤温度为100℃、时间为5分钟；
步骤4：用深紫外线对光刻胶照射，深紫外线波长为100-300nm，照射时间为3秒钟～30分钟；
步骤5：再次用烘胶台对光刻胶高温硬烤，烘烤温度为200℃～500℃、时间为1分钟～60分钟；
步骤6：用ICP(电感耦合等离子体)干法蚀刻技术将此种图案转移到蓝宝石上，在蓝宝石表面形成蒙古包形或圆台形周期性排列的微结构；
步骤7：再用硫酸、磷酸、或硫酸与磷酸的混合液腐蚀该衬底，将之前的图形腐蚀成三棱锥形的微结构，溶液温度为200-500℃，腐蚀时间为10分钟-1小时，通过这样腐蚀既可以将ICP干法刻蚀对衬底表面造成的晶体缺陷的部分腐蚀干净，又可以沿着蓝宝石的晶向自然腐蚀成三棱锥形，以及通过图形的不同排列经过腐蚀后可以腐蚀出不同布局的三棱锥形微结构；
步骤8：用去离子水冲洗干净衬底；
步骤9：在该衬底的上表面形成缓冲层，在该缓冲层上形成n型半导体层，在该n型半导体层的一部分上形成发光层，在该发光层上形成p型半导体；以及在该n型半导体的另一部分和p型半导体层上分别形成n电极和p电极。
表一实验结果
  衬底表面   电压(v)   波长(nm)   光功率(mw)
  具有三棱锥形微结构   3.25   460.8   9.43
  没有微结构   3.21   459.4   5.20
实施例二
步骤1：采用电子束蒸镀机或溅射方式在蓝宝石上制作一层金属层，金属材料为铝、铬其中之一；
步骤2：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为5um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案；
步骤3：用烘胶台低温回流光刻胶，将之前的光刻胶图形回流成凸包形或圆台形结构，以及将光罩作业带来的周边不完整图形回流成凸包形或圆台形，弥补光罩后周边图形与中心图形一致性上的不足，使得整个片子上的图形一致性大大提高，回流条件：烘烤温度为50℃～250℃、时间为10～60分钟；
步骤4：用深紫外线对光刻胶照射，深紫外线波长为100-300nm，照射时间为1～30分钟；
步骤5：再次用烘胶台对光刻胶高温硬烤，烘烤温度为200℃～500℃、时间为10～60分钟；
步骤6：用ICP(电感耦合等离子体)干法蚀刻技术将此种图案转移到蓝宝石上，在蓝宝石表面形成蒙古包形或圆台形周期性排列的微结构；
步骤7：再用硫酸、磷酸、或硫酸与磷酸的混合液腐蚀该衬底，将之前的图形腐蚀成三棱锥形的微结构，溶液温度为200-500℃，腐蚀时间为20分钟，通过这样腐蚀既可以将ICP干法刻蚀对衬底表面造成的晶体缺陷的部分腐蚀干净，又可以沿着蓝宝石的晶向自然腐蚀成三棱锥形，以及通过图形的不同排列经过腐蚀后可以腐蚀出不同布局的三棱锥形微结构；
步骤8：用去离子水冲洗干净衬底；
步骤9：在该衬底的上表面形成缓冲层，在该缓冲层上形成n型半导体层，在该n型半导体层的一部分上形成发光层，在该发光层上形成p型半导体；以及在该n型半导体的另一部分和p型半导体层上分别形成n电极和p电极。
表二实验结果
  衬底表面   电压(v)   波长(nm)   光功率(mw)
  具有三棱锥形微结构   3.22   459.6   9.38
  没有微结构   3.23   456.3   5.25
实施例三
步骤1：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1um～5um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成周期性排列的凹坑；
步骤2：用电子束蒸镀或溅射方式在之前衬底表面蒸镀一层金属层，金属为镍或别的金属，厚度为0.1-0.5um；
步骤3：用湿法清洗或剥离的方法将光刻胶清洗干净；
步骤4：通过用金属做掩膜，用干法刻蚀的方法将金属图形转移到衬底上。
步骤5：用湿法清洗将金属清洗干净，腐蚀溶液为硫酸、硝酸溶液；
步骤6：用湿法腐蚀该衬底，将经过步骤1)后的图形腐蚀成三棱锥形，腐蚀溶液为硫酸、磷酸、硫酸和磷酸的混合溶液；
步骤7：用去离子水将蓝宝石衬底清洗干净。
表三实验结果
  衬底表面   电压(v)   波长(nm)   光功率(mw)
  具有三棱锥形微结构   3.31   460.5   9.52
  没有微结构   3.35   460.8   5.33
实施例四
步骤1：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为5～10um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成周期性排列的凹坑；
步骤2：用电子束蒸镀或溅射方式在之前衬底表面蒸镀一层金属层，金属为镍或别的金属，厚度为0.5-1um；
步骤3：用湿法清洗或剥离的方法将光刻胶清洗干净；
步骤4：通过用金属做掩膜，用干法刻蚀的方法将金属图形转移到衬底上。
步骤5：用湿法清洗将金属清洗干净，腐蚀溶液为强酸溶液，如：硫酸、硝酸或盐酸等溶液；
步骤6：用湿法腐蚀该衬底，将经过步骤1)后的图形腐蚀成三棱锥形，腐蚀溶液为硫酸、磷酸、硫酸和磷酸的混合溶液；
步骤7：用去离子水将蓝宝石衬底清洗干净。
表四实验结果
  衬底表面   电压(v)   波长(nm)   光功率(mw)
  具有三棱锥形微结构   3.24   461.2   9.64
  没有微结构   3.27   460.9   5.42
本发明由于在蓝宝石衬底上形成了高质量的三棱锥形周期性排列的微结构，可以大大减少界面反射并减少内部吸收；以及通过湿法腐蚀后，蓝宝石的晶体缺陷大大降低，从而能够在其表面生长出高晶体质量的外延层，大大提高了发光二极管的质量和发光效率。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (11)

1.一种发光二极管芯片结构，其包括蓝宝石衬底层，其特征在于：所述蓝宝石衬底层表面设有周期性排列的三棱锥形微结构。
2.一种如权利要求1所述的发光二极管芯片结构，其特征在于：所述三棱锥形微结构底面边长为0.5-10um。
3.一种如权利要求1或2所述的发光二极管芯片结构，其特征在于：所述三棱锥形微结构表面边长为0.5-10um。
4.一种如权利要求3所述的发光二极管芯片结构，其特征在于：所述三棱锥形微结构高为0.5-10um。
5.一种如权利要求1所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)应用干法刻蚀工艺将图形转移至蓝宝石衬底上；
2)应用湿法刻蚀蓝宝石衬底将之前的图形形成三棱锥形。
6.如权利要求5所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：所述1)包括以下步骤：
步骤a：采用电子束蒸镀机或溅射方式在蓝宝石上制作一层金属层，金属材料为钛、镍、铝、铬其中之一；
步骤b：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1um～10um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案；
步骤c：用烘胶台低温回流光刻胶，将步骤2中的光刻胶图形回流成凸包形或圆台形结构，烘烤温度为50℃～250℃、时间为10秒钟～60分钟；
步骤d：用深紫外线对光刻胶照射，深紫外线波长为100-300nm，照射时间为3秒钟～30分钟；
步骤e：再次用烘胶台对光刻胶高温硬烤，烘烤温度为100℃～400℃、时间为1～60分钟；
步骤f：用干法蚀刻技术将图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上表面形成凸包形或圆台形周期性排列的微结构。
7.如权利要求5或6所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：所述2)包括以下步骤：
步骤g：用硫酸、磷酸、硫酸与磷酸的混合液或强碱溶液腐蚀经过步骤1)后的蓝宝石衬底，将周期性排列的微结构腐蚀成三棱锥形的微结构，溶液温度为100-500℃，腐蚀时间为1分钟-1小时；
步骤h：用去离子水冲洗干净蓝宝石衬底。
8.如权利要求5所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：所述1)包括以下步骤：
步骤A：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1um～10um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成周期性排列的凹坑；
步骤B：用电子束蒸镀或溅射方式在之前衬底表面蒸镀一层金属层，金属为镍，厚度为
Figure A2009100528630003C1
-10um；
步骤C：用湿法清洗或剥离的方法将光刻胶清洗干净；
步骤D：通过用金属做掩膜，用干法刻蚀的方法将金属图形转移到衬底上。
9.如权利要求5或8所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：所述2)包括以下步骤：
步骤E：用湿法清洗将金属清洗干净，腐蚀溶液为硫酸、硝酸、大王水、小王水、511溶液或盐酸溶液中的一种；
步骤F：用湿法腐蚀该衬底，将经过步骤1)后的图形腐蚀成三棱锥形，腐蚀溶液为硫酸、磷酸、硫酸和磷酸的混合溶液或强碱溶液；
步骤G：用去离子水将蓝宝石衬底清洗干净。
10.如权利要求5所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：所述1)包括以下步骤：
步骤i：在衬底表面沉积一层SiO2或Si3N4；
步骤ii：用光刻胶在蓝宝石衬底上形成一层光刻胶膜层，膜层的厚度为0.1um～10um，利用光刻技术将光刻胶在衬底上图形化，形成圆柱形的图案；
步骤iii：用湿法刻蚀或干法刻蚀将露出来的SiO2或Si3N4刻蚀掉；
步骤iv：通过用SiO2或Si3N4膜层掩膜，用干法刻蚀将图形转移到衬底上；
步骤v：用湿法刻蚀将剩余的SiO2或Si3N4膜层清洗干净；
11.如权利要求5或10所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于：所述2)包括以下步骤：
步骤vi：用湿法腐蚀该衬底，将经过步骤1)后的图形腐蚀成三棱锥形，腐蚀溶液为硫酸、磷酸、硫酸和磷酸的混合溶液或强碱溶液；
步骤vii：用去离子水将蓝宝石衬底清洗干净。
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