CN103066178A - 一种倒装光子晶体led芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种倒装光子晶体LED芯片的制造方法，包括：提供初始衬底，所述初始衬底包括外延生长面和出光面；在所述初始衬底的外延生长面进行纳米压印工艺，形成纳米级图形化衬底；在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上形成倒装LED结构；在所述纳米级图形化衬底的出光面进行纳米压印工艺，形成倒装光子晶体LED芯片。由于在出光面形成了光子晶体结构，使得光出射率提高，提高LED的发光效率。

Description

一种倒装光子晶体LED芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及LED制造技术领域，尤其涉及一种倒装光子晶体LED芯片及其制造方法。
背景技术
发光二级管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的电子和空穴发生复合，将过剩的能量以光子的形式释放出来。LED具有寿命长、功耗低的优点，随着技术的日渐成熟，对LED的功率和亮度的要求也越来越高。目前常用的提高LED功率和亮度的手段有倒装LED芯片、图形化衬底、高压LED芯片等技术。
随着光子晶体理论和工艺完善，光子晶体在光通信和信息技术领域中有所发展，也有将光子晶体结合到LED制造领域中来提高LED效率的探索。光子晶体结构指不同折射率的材料交替排列形成的周期性结构，可以产生光子晶体带隙（Band Gap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定波长的光产生能带效应，如果只在某个方向上存在周期性结构，那么光子带隙出现在这个方向，能量落在光子带隙中的光进入光子晶体后将在该方向禁止传播。这样利用特定的光子晶体结构可以实现对光的行为进行控制。
发明内容
本发明提供一种倒装光子晶体LED芯片及其制造方法，所述倒装光子晶体LED芯片通过纳米压印技术分别对衬底的外延生长面和出光面进行图形化处理，形成图形化衬底和光子晶体结构，从而大大提高LED的工作效率。
本发明提供一种倒装光子晶体LED芯片的制造方法，包括：
提供初始衬底，所述初始衬底包括外延生长面和出光面；
在所述初始衬底的外延生长面进行纳米压印工艺，形成纳米级图形化衬底；
在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上形成倒装LED结构；
在所述纳米级图形化衬底的出光面进行纳米压印工艺，形成光子晶体结构。
可选的，对所述初始衬底的外延生长面进行纳米压印工艺的过程包括：
清洗所述初始衬底，在所述初始衬底的外延生长面形成第一压印胶层；
将第一压印模版压在所述第一压印胶层上，将第一压印模版上的图形转移到所述第一压印胶层中；
移去所述第一压印模版，对所述第一压印胶层进行刻蚀，在所述初始衬底的外延生长面中形成图形；
去除所述第一压印胶层，形成纳米级图形化衬底。
可选的，所述第一压印模版上的图形为规则排布的第一纳米凸点。
可选的，所述第一压印模版上的图形为不规则排布的第一纳米凸点。
可选的，利用热塑或紫外固化的方法将第一压印模版上的图形转移到所述第一压印胶层中。
可选的，在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上形成所述倒装LED结构的过程包括：
在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上生长外延层，所述外延层包括依次形成的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层；
刻蚀所述外延层，形成暴露出所述N型氮化镓层的电极孔洞；
在所述P型氮化镓层上形成金属反射镜层；
在所述金属反射镜层上形成绝缘层；
图形化所述绝缘层形成开口，所述开口暴露出部分金属反射镜层和N型氮化镓层；
在所述开口中形成电极焊接层；
通过焊接工艺将电极焊接层焊接到一散热基板上。
可选的，在所述纳米级图形化衬底的出光面进行纳米压印工艺的过程包括：
在所述纳米级图形化衬底的出光面形成第二压印胶层；
将第二压印模版压在所述第二压印胶层上，将第二压印模版上的图形转移到所述第二压印胶层中；
移去所述第二压印模版，对所述第二压印胶层进行刻蚀，在所述纳米级图形化衬底的出光面中形成图形；
去除所述第二压印胶层，形成光子晶体结构。
可选的，所述第二压印模版上的图形为规则排布的第二纳米凸点，所述第二纳米凸点的尺寸以及间距与倒装光子晶体LED芯片的发光波长在同一数量级。
可选的，所述第二纳米凸点的形状为圆柱形或长方体形。
可选的，在所述纳米级图形化衬底的出光面形成第二压印胶层之前，还包括对所述纳米级图形化衬底减薄的步骤。
可选的，所述初始衬底为蓝宝石衬底。
根据本发明的另一面，还提供一种利用上述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法制造的倒装光子晶体LED芯片，包括：
纳米级图形化衬底，所述纳米级图形化的出光面上形成有光子晶体结构，所述纳米级图形化的外延生长面上形成有倒装LED结构。
可选的，所述倒装LED结构包括：
生长在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上的外延层，所述外延层包括依次形成的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层；
形成于所述外延层中的电极孔洞，所述电极孔洞暴露出所述N型氮化镓层的；
形成于所述P型氮化镓层上的金属反射镜层；
形成于所述金属反射镜层上的绝缘层；
形成于所述绝缘层中的开口，所述开口暴露出部分金属反射镜层和N型氮化镓层；
形成于所述开口中的电极焊接层；
所述电极焊接层与一散热基板焊接。
可选的，所述形成光子晶体结构的纳米压印技术使用的第二压印模版上的图形为规则排布的第二纳米凸点，所述第二纳米凸点的尺寸以及间距与所述倒装光子晶体LED芯片的发光波长同一数量级。
可选的，所述第二纳米凸点的形状为圆柱体形或长方体形。
本发明提供一种倒装光子晶体LED芯片及其制造方法，能有效将光子晶体结构与倒装LED芯片相结合。所述倒装光子晶体LED芯片的制造方法通过纳米压印技术分别对衬底的外延生长面和出光面进行图形化处理，形成图形化衬底和光子晶体结构，从而大大提高了LED的功率和光析出率。
附图说明
图1为本发明实施例的倒装光子晶体LED芯片的制造方法的流程图；
图2A~2Q为本发明实施例的倒装光子晶体LED芯片的制造方法的各步骤的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种倒装光子晶体LED芯片及其制造方法，能有效将光子晶体结构与倒装LED芯片相结合。所述倒装光子晶体LED芯片的制造方法通过纳米压印技术分别对衬底的外延生长面和出光面进行图形化处理，形成图形化衬底和光子晶体结构。这样，大大提高了LED的功率和光析出率。
下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应所述理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明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、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明实施例的倒装光子晶体LED芯片的制造方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
步骤S021，提供初始衬底，所述初始衬底包括外延生长面和出光面；
步骤S022，在所述初始衬底的外延生长面进行纳米压印工艺，形成纳米级图形化衬底；
步骤S023，在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上形成倒装LED结构；
步骤S024，在所述纳米级图形化衬底的出光面进行纳米压印工艺，形成光子晶体结构。
参照图2A，执行步骤S021，提供初始衬底101，所述初始衬底101包括外延生长面和出光面。所述外延生长面在后续的工艺中生长外延层，所述出光面为器件完成后光出射的面，本实施例中，所述初始衬底101为蓝宝石衬底。
参照图2B至图2F，执行步骤S022，在所述初始衬底101的外延生长面进行纳米压印工艺，形成纳米级图形化衬底111。具体的，对所述外延生长面进行的纳米压印工艺的过程包括：首先，如图2B所示，清洗所述初始衬底101，并在在所述初始衬底的外延生长面形成第一压印胶层102；接着，如图2C至图2E所示，将第一压印模版201压在所述第一压印胶层102上，将第一压印模版201上的图形转移到所述第一压印胶层102中，形成图形化的第一压印胶层112；接着，如图2F所示，移去所述第一压印模版201，对所述图形化的第一压印胶层112进行刻蚀，在所述初始衬底的外延生长面中形成图形；最后，去除第一压印胶层112，形成纳米级图形化衬底111。
纳米级图形化衬底111上的图形可以是规则排布或不规则排布的，因此第一压印模版201上的图形可以为规则排布或不规则排布的第一纳米凸点，本实施例中使用的第一压印模版201上的图形为规则排布的第一纳米凸点。将第一压印模版201上的图形转移到所述第一压印胶层102中常用的方法有热塑或紫外固化的方法。紫外固化的方法中，第一压印模版201采用对紫外光透明的材质制成，如石英玻璃或聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS)，第一压印胶层102材质采用低粘度光固化的溶液。先将第一压印模版201压在所述第一压印胶层102上，然后透过第一压印模板201进行紫外曝光使第一压印胶层102固化成型，最后移去第一压印模板201完成图形转移的过程，形成图形化的第一压印胶层112。热塑的方法中，第一压印胶层102的材质为热塑形材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)，先进行升温使第一压印胶层102粘度降低，流动性增强，然后将将第一压印模版201压在所述第一压印胶层102上，并施加适当的压力，之后降低温度使第一压印胶层102固化成型，最后移去第一压印模板201完成图形转移的过程，形成图形化的第一压印胶层112。
在将第一压印模版201上的图形转移到所述第一压印胶层102中后，以图形化的第一压印胶层112为掩膜，进行各向异性的刻蚀，如ICP刻蚀工艺或RIE刻蚀工艺，在所述外延生长面中形成图形。去除残余的第一压印胶层112，形成纳米级图形化衬底111。所述纳米级图形化衬底111能减少外延生长时的差排密度，减少外延生长的缺陷，从而提高内量子效应，使得功率提高。
参考图2G至2L，执行步骤S023，在所述纳米级图形化衬底111的外延生长面上形成倒装LED结构。形成所述倒装LED结构的过程具体包括：首先，如图2G所示，在所述外延生长面上生长外延层106，所述外延层包括依次形成的N型氮化镓层103、多量子阱有源层104和P型氮化镓层105；接着，如图2H所示，刻蚀所述外延层106，形成暴露出所述N型氮化镓层103的电极孔洞116；接着，如图2I所示，在所述P型氮化镓层105上形成金属反射镜层107，之后在所述金属反射镜层107上形成绝缘层108；接着，如图2J所示，图形化所述绝缘层108形成开口117，所述开口117暴露出部分金属反射镜层107和N型氮化镓层103；之后，如图2K所示，在所述开口117中形成电极焊接层109；最后，如图2L所示，通过焊接工艺将电极焊接层109焊接到一散热基板110上。形成倒装LED结构是本领域技术人员公知的手段和方法，并且本发明对该部分未做出改进，在此不再赘述每个步骤的具体过程。
参考图2M至图2Q，执行步骤S024，在所述纳米级图形化衬底111的出光面进行纳米压印技术，形成光子晶体结构。本实施例中衬底的材质和空气交替排列，在出光面上形成的周期性结构。形成光子晶体结构的工艺和过程同形成纳米级图形化衬底使用的工艺和过程类似，具体包括：在所述出光面形成第二压印胶层113；将第二压印模版202压在所述第二压印胶层113上，将第二压印模版202上的图形转移到所述第二压印胶层113中；移去所述第二压印模版202，对所述第二压印胶层113进行刻蚀，在所述纳米级图形化衬底111的出光面中形成图形；去除第二压印胶层，形成光子晶体纳米级图形化衬底121。
其中，使用的第二压印模版202上的图形为规则排布的第二纳米凸点，所述第二纳米凸点的尺寸以及间距与倒装光子晶体LED芯片的发光波长在同一数量级，这样，第二压印模版在出光面上形成了由衬底材质和空气交替排列的周期性结构，即光子晶体结构，因此光子带隙形成在出光面的各个方向上，发光波长的能量落在光子带隙中，光进入光子晶体结构后将在出光面的方向上禁止传播。
以波长为460nm的蓝色光的LED为例，在出光面形成的光子晶体结构可以是规则排布的圆柱形孔洞，所述圆柱形孔洞的直径为200~600nm，深度为100~300nm，相邻孔洞间的间距为400~800nm。这样该LED发出的光无法在所述光子晶体结构中周期排布的方向传播，只能从出光面射出。当然，该规则排布的结构并不限定为圆柱形孔洞，也可以是其他周期性排布的结构，比如长方体形的孔洞、圆柱形凸起结构等。所述第二凸点的形状对应不同的光子晶体结构，可以为圆柱形或长方体形。本领域技术人员能根据本发明的核心思想制造对应不同波长LED的光子晶体结构。为了控制LED倒装光子晶体LED芯片的尺寸，可以在形成第二压印胶层之前，对衬底进行一次减薄的步骤。根据具体使用的压印工艺（热塑或紫外固化），对应的第二压印胶层的材质和形成图形的方式不同，具体过程可参考形成纳米级图形化衬底的过程，在此不再赘述。
根据本发明的另一面，还提供一种利用上述实施例所述倒装光子晶体LED芯片的制造方法制造的倒装光子晶体LED芯片，参照图2Q，包括：光子晶体纳米级图形化衬底121，所述光子晶体纳米级图形化衬底121包括外延生长面和出光面，所述外延生长面中形成有纳米级图形结构，所述出光面中形成有光子晶体结构；所述倒装LED结构形成于所述外延生长面上。
所述倒装LED结构包括：生长在所述光子晶体纳米级图形化衬底的外延生长面上的外延层106，所述外延层包括依次形成的N型氮化镓层103、多量子阱有源层104和P型氮化镓层105；形成于所述外延层中的电极孔洞，所述电极孔洞暴露出所述N型氮化镓层103；形成于所述P型氮化镓层105上的金属反射镜层107；形成于所述金属反射镜层107上的绝缘层108；形成于所述绝缘层108中的开口，所述开口暴露出部分金属反射镜层107和N型氮化镓层103；形成于所述开口中的电极焊接层109以及与所述电极焊接层109焊接的散热基板110。
这样的结构，由于形成了图形化衬底，减少外延生长时的差排密度，减少外延生长的缺陷，从而提高了内量子效应，使得功率提高。同时在出光面形成有光子晶体结构，使得光出射率提高，进一步提高工作效率。
综上所述，本发明提供一种倒装光子晶体LED芯片及其制造方法，所述倒装光子晶体LED芯片通过纳米压印技术分别对衬底的外延生长面和出光面进行图形化处理，形成图形化衬底和光子晶体结构。这样，能大大提高LED的工作效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种倒装光子晶体LED芯片的制造方法，包括：
提供初始衬底，所述初始衬底包括外延生长面和出光面；
在所述初始衬底的外延生长面进行纳米压印工艺，形成纳米级图形化衬底；
在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上形成倒装LED结构；
在所述纳米级图形化衬底的出光面进行纳米压印工艺，形成倒装光子晶体LED芯片。
2.如权利要求1所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：对所述初始衬底的外延生长面进行纳米压印工艺的过程包括：
清洗所述初始衬底，在所述初始衬底的外延生长面形成第一压印胶层；
将第一压印模版压在所述第一压印胶层上，将第一压印模版上的图形转移到所述第一压印胶层中；
移去所述第一压印模版，对所述第一压印胶层进行刻蚀，在所述初始衬底的外延生长面中形成图形；
去除所述第一压印胶层，形成纳米级图形化衬底。
3.如权利要求2所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第一压印模版上的图形为规则排布的第一纳米凸点。
4.如权利要求2所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第一压印模版上的图形为不规则排布的第一纳米凸点。
5.如权利要求2所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：利用热塑或紫外固化的方法将第一压印模版上的图形转移到所述第一压印胶层中。
6.如权利要求1所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上形成所述倒装LED结构的过程包括：
在所述纳米级图形化衬底的外延生长面上生长外延层，所述外延层包括依次形成的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层；
刻蚀所述外延层，形成暴露出所述N型氮化镓层的电极孔洞；
在所述P型氮化镓层上形成金属反射镜层；
在所述金属反射镜层上形成绝缘层；
图形化所述绝缘层形成开口，所述开口暴露出部分金属反射镜层和N型氮化镓层；
在所述开口中形成电极焊接层；
通过焊接工艺将电极焊接层焊接到一散热基板上。
7.如权利要求1所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：在所述纳米级图形化衬底的出光面进行纳米压印工艺的过程包括：
在所述纳米级图形化衬底的出光面形成第二压印胶层；
将第二压印模版压在所述第二压印胶层上，将第二压印模版上的图形转移到所述第二压印胶层中；
移去所述第二压印模版，对所述第二压印胶层进行刻蚀，在所述纳米级图形化衬底的出光面中形成图形；
去除所述第二压印胶层，形成光子晶体结构。
8.如权利要求7所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第二压印模版上的图形为规则排布的第二纳米凸点，所述第二纳米凸点的尺寸以及间距与倒装光子晶体LED芯片的发光波长在同一数量级。
9.如权利要求8所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第二纳米凸点的形状为圆柱形或长方体形。
10.如权利要求7所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：在所述纳米级图形化衬底的出光面形成第二压印胶层之前，还包括对所述纳米级图形化衬底减薄的步骤。
11.如权利要求1至9中任一项所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法，其特征在于：所述初始衬底为蓝宝石衬底。
12.一种利用权利要求1所述的倒装光子晶体LED芯片的制造方法制造的倒装光子晶体LED芯片，其特征在于，包括：
光子晶体纳米级图形化衬底和倒装LED结构；所述光子晶体纳米级图形化衬底包括外延生长面和出光面，所述外延生长面中形成有纳米级图形结构，所述出光面中形成有光子晶体结构；所述倒装LED结构形成于所述外延生长面上。
13.如权利要求12所述的倒装光子晶体LED芯片，其特征在于：所述倒装LED结构包括：
生长在所述光子晶体纳米级图形化衬底的外延生长面上的外延层，所述外延层包括依次形成的N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层；
形成于所述外延层中的电极孔洞，所述电极孔洞暴露出所述N型氮化镓层；
形成于所述P型氮化镓层上的金属反射镜层；
形成于所述金属反射镜层上的绝缘层；
形成于所述绝缘层中的开口，所述开口暴露出部分金属反射镜层和N型氮化镓层；
形成于所述开口中的电极焊接层以及
与所述电极焊接层焊接的散热基板。
14.如权利要求12所述的倒装光子晶体LED芯片，其特征在于：所述形成光子晶体结构的纳米压印技术使用的第二压印模版上的图形为规则排布的第二纳米凸点，所述第二纳米凸点的尺寸以及间距与所述倒装光子晶体LED芯片的发光波长同一数量级。
15.如权利要求14所述的倒装光子晶体LED芯片，其特征在于：所述第二纳米凸点的形状为圆柱体形或长方体形。
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