CN103137814A - 改善出光效率的发光二极管及其制造方法 - Google Patents

改善出光效率的发光二极管及其制造方法 Download PDF

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CN103137814A CN2012103844652A CN201210384465A CN103137814A CN 103137814 A CN103137814 A CN 103137814A CN 2012103844652 A CN2012103844652 A CN 2012103844652A CN 201210384465 A CN201210384465 A CN 201210384465A CN 103137814 A CN103137814 A CN 103137814A
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Abstract

本发明公开了一种发光二极管结构及其制造方法。在一实例中，发光二极管结构包括具有大于或者等于约250μm厚度的晶体衬底，其中所述晶体衬底具有第一粗糙表面和第二粗糙表面，所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置；设置在所述第一粗糙表面上的多个外延层，所述多个外延层被配置成为发光二极管；以及与所述晶体衬底接合的另一衬底，使得所述多个外延层设置在所述另一衬底和所述晶体衬底的第一粗糙表面之间。本发明还公开了改善出光效率的发光二级管及其制造方法。

Description

改善出光效率的发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及改善出光效率的发光二级管及其制造方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基发光二极管通常生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底的不同属性直接影响GaN基LED的出光效率。例如，蓝宝石衬底的厚度，蓝宝石衬底的粗糙度特性，以及用于GaN基LED/蓝宝石衬底的封装方法都影响GaN基LED的出光效率。倒装芯片技术已经在GaN基LED实施，沉积在蓝宝石衬底上的GaN基LED正面朝下装配在另一衬底上(分装或者支撑衬底)，使得光穿过蓝宝石衬底(实质上作为“窗口层”)从LED背面发射出来。虽然倒装芯片技术已提供了理想的导热性和改进的外部量子效率(EQE)，但是在优化GaN基LED的出光效率方面仍然存在挑战，尤其与蓝宝石衬底的限制性的属性相关。因此，虽然对于GaN基LED的现有方法和结构已经总体上适于他们的预期目的，但是他们还没有在所有方面完全令人满意。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种发光二极管(LED)结构，包括：
具有大于或者等于约250μm厚度的蓝宝石衬底，其中，所述蓝宝石衬底具有第一粗糙表面和第二粗糙表面，所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置；
设置在所述第一粗糙表面上的多个外延层，所述多个外延层被配置成为发光二极管；以及
与所述蓝宝石衬底接合的另一衬底，使得所述多个外延层设置在所述另一衬底和所述蓝宝石衬底的所述第一粗糙表面之间，并且其中所述另一衬底包括连接到所述发光二极管的相对置触点的至少两个导电端子。
在可选实施方式中，所述蓝宝石衬底的侧壁实质上没有激光烧蚀痕迹。
在可选实施方式中，所述蓝宝石衬底的厚度为大约250μm至大约600μm。
在可选实施方式中，所述另一衬底包括硅。
在可选实施方式中，所述第二粗糙表面包括多个随机分布的纳米级凹陷。
在可选实施方式中，所述随机分布的纳米级凹陷具有大约1纳米至大约10,000纳米的平均尺度。
在可选实施方式中，所述随机分布的纳米级凹陷具有大约100纳米和大约10,000纳米的平均宽度。
在可选实施方式中，所述随机分布的纳米级凹陷之间的平均距离为大约200纳米至大约50,000纳米。
在可选实施方式中，所述随机分布的纳米级凹陷的深度小于或者等于约4微米。
根据本发明的另一方面，还提供了一种发光二极管(LED)结构，包括：基板；以及
LED器件，被倒置并且电连接至所述基板，其中所述LED器件包括：
具有大于或者等于约250μm厚度的蓝宝石衬底，其中所述蓝宝石衬底包括第一粗糙表面和第二粗糙表面，所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置，并且进一步其中所述蓝宝石衬底包括在所述第一粗糙表面和所述第二粗糙表面之间延伸的侧壁，所述侧壁实质上没有被激光烧蚀，以及
设置在所述蓝宝石衬底的所述第一粗糙表面上的外延结构，其中所述外延结构设置在所述基板和所述第一粗糙表面之间。
在可选实施方式中，所述基板是硅衬底。
在可选实施方式中，所述第二粗糙表面包括多个随机分布的纳米级凹陷。
在可选实施方式中，所述随机分布的纳米级凹陷包括顶部和低凹处，所述低凹处实质为非对称的。
在可选实施方式中，所述随机分布的纳米级凹陷包括沿所述蓝宝石衬底的晶向的面。
根据本发明的又一方面，还提供了一种方法，所述方法包括：
在第一衬底的第一粗糙表面上形成外延结构，其中所述外延结构被配置成为发光二极管(LED)；
形成所述第一衬底的第二粗糙表面，其中所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置；
将所述第一衬底接合至第二衬底，使得所述外延结构设置在所述第一衬底的所述第一粗糙表面和所述第二衬底之间；以及
分割所述第一衬底和所述第二衬底以形成LED管芯，其中分割所述第一衬底包括使用隐形切割技术。
在可选实施方式的方法中，在所述第一衬底上没有进行薄化工艺。
在可选实施方式中，形成所述第一衬底的第二粗糙表面包括：
在与所述第一粗糙表面相对置的所述第一衬底的第二表面上形成图案化金属层，其中所述图案化金属层具有在其中的暴露出所述第一衬底的开口；以及，进行干法蚀刻工艺以去除部分所暴露的第一衬底，从而形成所述第一衬底的第二粗糙表面，其中所述干法蚀刻工艺使用所述图案化金属层作为蚀刻掩模。
在可选实施方式中，在所述第一衬底的第二表面上形成图案化金属层包括形成图案化镍层和图案化铬层之一。
在可选实施方式中，形成所述第一衬底的第二粗糙表面包括在与所述第一粗糙表面相对置的所述第一衬底的第二表面上使用纳米粒子悬浮液进行研磨工艺，从而形成所述衬底的所述第二粗糙表面。
在可选实施方式中，形成所述第一衬底的第二粗糙表面包括：在所述第一衬底的第二表面上形成图案化硬掩模层，所述第二表面与所述第一粗糙表面相对置，其中所述图案化硬掩模层具有在其中的暴露所述第一衬底的开口；以及进行湿法蚀刻工艺以移除部分所暴露的第一衬底，从而形成所述第一衬底的第二粗糙表面，其中所述湿法蚀刻工艺使用所述图案化硬掩模层作为蚀刻掩模。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1是根据本发明的各个方面的制造发光二极管(LED)结构的方法流程图；
图2-图8是根据图1的方法在各制造阶段的LED结构的部分或者整体的示意截面图；
图9-图15是根据图1的方法在各制造阶段的另一种LED结构的部分或者整体的示意截面图；以及
图16-图21是根据图1的方法在各制造阶段的又一种LED结构的部分或者整体的示意截面图。
具体实施方式
以下公开提供了多种不同实施方式或实例，用于实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不用于限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施方式，也可以包括其他部件可以形成在第一部件和第二部件之间使得第一部件和第二部件不直接接触的实施方式。另外，本发明可以在多个实例中重复标号和/或字符。这种重复用于简化和清楚，并且其本身不表示所述多个实施方式和/或配置之间的关系。
此外，在此可使用诸如“在...之下”、“在...下面”、“下面的”、“在...上面”、以及“上面的”等的空间关系术语，以便于描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。应当理解，除图中所示的方位之外，空间关系术语旨在包括使用或操作中的器件/装置的各个不同的方位。例如，如果翻转图中的器件/装置，则被描述为在其他元件或部件“在...下面”或“在...之下”的元件将被定位为在其他元件或部件的“在...上面”。因此，示例性术语“在...下面”包括在上面和在下面的方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且因此对在此使用的空间关系描述符进行相同地解释。
图1是根据本发明各个方面的用于制造发光二极管(LED)结构的方法100的流程图。方法100开始于框110，外延结构形成在第一衬底的第一粗糙表面的上方。外延结构被配置成作为发光二极管。在一实例中，衬底的第一表面是粗糙表面。在一实例中，第一衬底是蓝宝石衬底。在框120，粗糙化衬底的第二表面，从而形成了第一衬底的第二粗糙表面。第二表面(也为第二粗糙表面)与第一粗糙表面相对置。在一实例中，通过使用图案化金属层作为蚀刻掩模的干法蚀刻工艺使第二表面粗糙化。在另一实例中，通过使用图案化硬掩模层作为蚀刻掩模的湿法蚀刻工艺使第二表面粗糙化。在又一实例中，通过使用纳米粒子悬浮液的研磨工艺使第二表面粗糙化。粗糙化的第二表面包括提高出光效率的纳米级凹陷。在框130，将第一衬底与第二衬底接合，使得外延结构设置在第一衬底的第一粗糙表面和第二衬底之间。在一实例中，倒装芯片方法被用于将第一衬底接合到第二衬底。第二衬底可以是基板。在框140，分割第一衬底和第二衬底，其中使用隐形切割技术分割所述第一衬底。还可使用隐形切割技术分割第二衬底。分割后的第一衬底和第二衬底可提供一个或者多个LED管芯。方法100可继续到框150，在框150完成LED结构的制造。附加的步骤可提供在100方法之前、之中以及之后，并且对于所述方法的另外的实施方式，所描述的一些步骤可被取代或者没有。下面的讨论举例说明了可根据图1的方法100制造的LED结构的各种实施方式。
图2-图8是根据图1的方法100在不同制造阶段期间的LED结构200的实施方式的部分或者整体的各种示意截面图。图2-图8已经简化以更好地清楚理解本发明的发明点。附加的部件可以加入LED结构200，而对于LED结构200的另外的实施方式，下面描述的一些部件可被取代或者去除。
参照图2，LED结构200包括LED晶圆205，该晶圆205包括衬底210。在所描述的实施方式中，衬底210是晶体衬底，具体地，是蓝宝石衬底。可选地，衬底210包括碳化硅(SiC)，硅，氮化镓(GaN)，其他适于LED应用的衬底材料，或者它们的组合。衬底210具有表面212(也称为衬底210的顶面)以及与表面212相对置的表面214(也称为衬底210的底面)。衬底210具有在表面212和表面214之间测定的厚度。在一实例中，衬底210的厚度大于或者等于约250μm。在另一实例中，衬底210的厚度在大约250μm至大约600μm之间。在图2中，表面212被图案化或者粗糙化，并且表面214是大体上平坦的。因而表面212可被称为图案化表面或者粗糙表面。粗糙表面212可提高LED结构200的外部量子效率，内部量子效率，或者外部量子效率和内部量子效率。在所描述的实施方式中，粗糙表面212具有周期性结构。可选地，粗糙表面212可具有非周期性结构。
LED晶圆205包括设置在衬底210上的各种材料层，尤其设置在衬底210的粗糙表面212上。例如，包括各种外延层220，230以及240的外延结构形成在粗糙表面212上。外延层220，230以及240被设计成形成一个或者多个LED。在一实例中，外延层包括配置成发射辐射的n型掺杂半导体层和p型掺杂半导体层。在一实例中，外延层包括沉积在n型掺杂半导体层和p型掺杂半导体层之间的单量子阱(SQW)结构。SQW结构包括两种不同的半导体材料并被用于调整LED的波长。可选地，多量子阱(MQW)结构被置于在n型掺杂半导体层和p型掺杂半导体层之间。MQW结构包括在堆叠中的多个SQW。MQW结构保持SQW结构的优势并且具有大体积的有源区，允许更高的照明功率。在所描述的实施方式中，外延层220，230以及240包括GaN基半导体材料，被配置为形成发出蓝光、紫外光(UV)或者它们两者的GaN基LED。例如，外延层220是设置在衬底210上的n型掺杂GaN层(n-GaN层)，外延层230是设置在n-GaN层上的MQW结构，并且外延层240是设置在MQW结构上的p型掺杂GaN(p-GaN)层。
外延层220(n-GaN层)外延生长在衬底210的粗糙表面212上。n-GaN层包括掺杂n型掺杂剂(例如，硅或者氧)的氮化镓层。在一实例中，缓冲层(例如，无掺杂GaN层或者氮化铝(AlN)层)可被沉积在外延层220(n-GaN层)和衬底210的图案化表面212之间。缓冲层可外延生长在n-GaN层220之前的衬底210的图案化表面212上。
外延层230(MQW结构)通过不同的外延生长工艺形成在外延层220(n-GaN层)上。MQW结构包括多个成对的半导体薄膜，例如，从大约5对至15对的半导体薄膜。在一实例中，每对半导体薄膜包括氮化铟镓(InGaN)薄膜和氮化镓(GaN)薄膜(形成InGaN/GaN对)。InGaN/GaN薄膜可掺杂有n型掺杂剂。在另一实例中，每对半导体薄膜包括氮化铝镓(AlGaN)薄膜和氮化镓(GaN)薄膜(形成AlGaN/GaN对)。AlGaN/GaN薄膜可掺杂有n型掺杂剂。
外延层240(p-GaN层)外延生长在外延层230(MQW结构)上。p-GaN层包括掺杂p型掺杂剂(例如，镁、钙、铍锌、碳或者它们的组合)的氮化镓层。
各种外延层220，230以及240可通过合适的技术外延生长，例如，金属有机化学气相沉积(MOCVD)或者金属有机化合物气相外延(MOVPE)。在一实例中，n-GaN层(外延层220)，MQW结构(外延层230)，以及p-GaN层(外延层240)可使用含镓前体和含氮前体外延生长。含镓前体包括三甲基镓(TMG)，三乙基镓(TEG)，或者其他适合的化学物质。含氮前体包括氨(NH3)，叔丁胺(TBA)，苯肼，或者其他适合的化学物质。在另一实例中，MQW结构(外延层230)包括AlGaN薄膜，可通过MOVPE使用含铝前体，含镓前体以及含氮前体外延生长AlGaN薄膜。含铝前体包括三甲基铝(TMA)，三乙基胺(TEA)，以及其他适合的化学物质；含镓前体包括TMG，TEG，或者其他适合的化学物质；含氮前体包括氨，TBA，苯肼，或者其他适合的化学物质。可选地，各种外延层可通过另外适合的技术外延生长，例如，气相外延(HVPE)或者分子束外延(MBE)。例如，GaN层(例如，缓冲层)可通过HVPE使用包括氯化镓和氨气的源材料外延生长。
LED晶圆205还包括沉积在衬底210上的金属层250和金属层260。金属层250沉积在外延层240上(在所描述的实施方式中，p-GaN层)并且作为与外延层240电连接的触点，并且金属层260沉积在外延层220(在所描述的实施方式中，n-GaN层)上并且作为与外延层220电连接的触点。因此，金属层250可被称为p电极，并因而金属层260可被称为n电极。金属层250和金属层260可包括多个金属层或者薄膜，每个金属层或者薄膜提供不同的功能。金属层250和金属层260包括材料诸如镍(Ni)，铬(Cr)，铝(Al)，钛(Ti)，铂(Pt)，钯(Pg)，金(Au)，银(Ag)，铟(In)，锌(Zn)，锡(Sn)，铍(Be)，铟锡氧化物(ITO)，及上述材料的合金，其他适合的材料，或者它们的组合。在一实例中，金属层250可包括沉积在p-GaN层上的第一金属薄膜，沉积在第一金属薄膜上的第二金属薄膜，以及沉积在第二金属薄膜上的第三金属薄膜。第一金属薄膜作为与p-GaN层电连接的触点，并且因此，第一金属薄膜还被称为p-GaN触点(或者p电极)。在一实例中，第一金属薄膜包括形成在p-GaN层上的透明的导电薄膜(例如ITO)。在另一实例中，第一金属薄膜包括Ni，Cr或者其他适合的金属。第二金属薄膜作为沉积在第一金属薄膜上的反射层。第二金属薄膜(或者反射层)具有对LED发射的光的高反射率，因而增加了光的发射效率。第二金属薄膜包括铝，钛，铂，钯，银，或者其他适合的金属。第三种金属薄膜用作为接合金属，被设计为用于晶圆接合。第三种金属薄膜包括金(Au)，金锡(AuSn)，金铟(AuIn)，或者其他适合的金属以实现共晶接合或者其他晶圆接合机构。金属层260还可具有多个金属薄膜层，这些金属膜层被配置成描述金属层250的那些并且尤其被配置成用作与n-GaN层电连接。因此，金属层260可称为n-GaN接触(或者n电极)。可通过物理气相沉积(PVD)或者其他适合的技术形成各种金属薄膜。
LED晶圆205还可包括密封LED晶圆205的各种部件并保护LED晶圆205的各种部件免受其他部件影响的钝化层。钝化层包括介电材料，例如，二氧化硅，氮化硅，氧氮化硅，碳化硅，其他适合的介电材料，或者它们的组合。LED晶圆205还可包括取决于LED结构200的设计要求的其他部件和/或层。
参照图3-图5，对衬底210的表面214实施粗糙化工艺，从而形成粗糙表面214A。粗糙表面214A还可称为图案化表面。在图3中，将LED晶圆205倒置，表面212(“顶”面)呈现为衬底210的“底”面，并且表面214(“底”面)呈现为衬底210的“顶”面。图案化金属层270形成于衬底210的表面214上。在所描述的实施方式中，图案化金属层270包括镍(Ni)或者铬(Cr)。图案化金属层270可包括其他适合的金属材料。图案化金属层270具有诸如大约100nm到大约1,000nm的厚度。图案化金属层270还可具有小于或者等于约2微米的图案间距(pitch)。在一实例中，使用光刻剥离工艺形成图案化金属层270。例如，形成图案化金属层270包括在表面214上形成光刻胶层(例如通过旋涂法)；图案化光刻胶层以形成一个或者多个在其中的开口从而暴露出衬底210的表面214(例如通过曝光或者显影光刻胶层)；将金属层(例如Ni层或者Cr层)沉积在光刻胶层上，使得金属层形成在表面214的暴露部分上，然后去除光刻胶层(例如，使用诸如氢氧化四甲基铵(TMAH)的溶剂)，这同时去除了除沉积在表面214的暴露部分上的金属层之外的金属层，从而留下了图案化金属层270。
在图4中，蚀刻工艺275粗糙化衬底210的表面214，从而形成粗糙化(或者图案化)的表面214A。蚀刻工艺275将图案化金属层270用作蚀刻掩模。在所描述的实施方式中，蚀刻工艺275是干法蚀刻工艺。例如，蚀刻工艺275是电感耦合等离子体(ICP)反应离子蚀刻工艺。干法刻蚀工艺具有可被调整的蚀刻参数以实现粗糙表面214A的期望轮廓，例如，蚀刻剂，蚀刻温度，蚀刻压力，源功率，RF偏置电压，RF偏置功率，蚀刻剂流速，以及其他适合的参数。在一实例中，干法蚀刻工艺使用含氯蚀刻气体(例如，BCl3)，含氩蚀刻气体(例如Ar)，其他适合的蚀刻气体，或者它们的组合。在一实例中，干法蚀刻工艺持续进行大约1小时至大约2小时。在一实例中，干法蚀刻工艺包括大约20分钟至大约2小时的蚀刻时间，大约0.5Pa至大约5mT的蚀刻压力，大约200W至大约600W的源功率，大约500V至大约800V的RF偏置电压，以及大约20sccm至大约80sccm的BCl3蚀刻气体流。
在图5中，在所描述的实施方式中，在蚀刻工艺275之后去除图案化金属层270，留下粗糙表面214A。图形化金属层270通过适合的工艺去除，例如，选择性地去除图案化金属层270的蚀刻工艺。在另一实例中，图案化金属层270在蚀刻工艺275期间被去除。粗糙表面214A提高了LED结构200的出光效率。正如在图3至图5中所指出的，选择光刻和蚀刻工艺以实现粗糙表面214A的期望轮廓。例如，在所描述的实施方式中，使用具有小于或者等于大约2微米图案间距的图案化金属层270作为蚀刻掩模来为优化出光效率的LED结构200产生粗糙表面。粗糙表面214A包括凹陷276。凹陷276随机分布在衬底210的粗糙表面214A上。凹陷276具有顶部和低凹处，并且低凹处实质上是不对称的。在所描述的实施方式中，凹陷276在衬底210上具有小于或者等于大约4微米的深度。在一实例中，凹陷276的深度为从大约3微米至大约4微米。凹陷276是纳米级的，例如，凹陷276具有大约1纳米和大约3,000纳米的平均尺度，以及大约100纳米至大约10,000纳米的宽度。凹陷276还具有相邻凹陷之间的平均距离。例如，凹陷之间的平均距离为大约1纳米至大约20,000纳米。
参照图6，LED晶圆205通过金属层285与衬底280接合。衬底280可称为基板。在所描述的实施方式中，衬底280包括硅。另外或者此外，衬底280可包括陶瓷，SiC，Ge，AlN，其他适合的材料，或者它们的组合。在一实例中，衬底280包括金属板或者其他具有适当材料特性(提供用于固定LED晶圆205在衬底上的机械强度)的适合材料。金属层285可视为衬底280的一部分，并且金属层285包括适于接合到金属层250和260的材料，例如Au，AuSn，AuIn，其他适合的接合金属或者它们的组合。这种接合可提供LED晶圆205和衬底280的电连接。金属层285可称为导电端子，在所描述的实施方式中，金属层285包括连接衬底280和金属层250(例如，p-GaN触点(或者p电极))的导电端子以及连接衬底280和金属层260(例如，n-GaN触点(或者n电极))的导电端子，使得导电端子与LED晶圆205(n型触点和p型触点)的相对置触点连接。因此，导电端子被连接至LED晶圆205的相对置的接合点。依据用于LED结构200的期望的晶圆接合机制和规范，金属层285的接合材料与金属层250和260的接合金属在成分方面可以相同或者不同。例如，金属层285和金属层250和260可成对以实现共熔晶圆接合。在一实例中，晶圆接合工艺实施热退火并且在热退火期间施加机械压力，这可以增加接合强度。在所描述的实施方式中，晶圆接合工艺使用倒装芯片工艺，LED晶圆205被倒置并且与衬底280对齐，使得表面212呈现出是衬底210的“底”面，并且表面214A呈现出是衬底210的“顶”面。可选地，可实施其他工艺以将LED晶圆205与衬底280接合。因此，LED结构200是倒装芯片LED结构，其中外延结构(外延层230，240以及250)设置在粗糙表面212A和衬底280之间。
参照图7和图8，LED结构200被分离(分割)为LED管芯。更具体地，对LED晶圆205实施分割工艺290，并且对衬底280实施分割工艺295，从而形成单独的LED管芯298A，298B以及298C。分割工艺290和295可以是相同或者不同的工艺，并且可以同时或者单独进行。分割工艺290和295包括机械刀片切割(例如，金刚石刀片锯)，机械刻划和分离(break)，激光刻划和分离，等离子体切割，其他适合的分割工艺，或者它们的组合。在所描述的实施方式中，分割工艺290和295是激光刻划和分离工艺。具体地，分割工艺290和295使用隐形切割激光系统来激光刻划LED晶圆205和衬底280，然后分离系统(break system)将LED晶圆205/衬底280分离为单独的LED管芯298A，298B，以及298C。例如，隐形切割技术在LED晶圆205的衬底210内部集中皮秒激光的输出以在不影响衬底210的粗糙表面212A和214A的情况下在衬底210内部产生裂缝，，然后沿着这些裂缝分离衬底210。同样地，隐形切割技术可用于在衬底280内部集中皮秒激光的输出以在不影响衬底280的表面的情况下在衬底280内部产生裂缝。用于将LED结构200分割成单独的LED管芯298A，298B，以及298C的隐形切割技术在2011年10月18日提交、名称为“Thick Window LayerLED Manufacture”的美国专利申请13/276,108中进一步作了描述，该专利申请的全部公开通过引用并入本文中。在一实例中，LED晶圆205和衬底280同时刻划并分离成单独的LED管芯298A，298B，298C。在另一实施例中，LED晶圆205和衬底280分别刻划然后同时分离。在又一实例中，使用隐形切割技术刻划LED晶圆205，使用常规的激光切割技术刻划衬底280，然后使LED晶圆205和衬底280同时分离。
使用隐形切割技术将LED结构200分割成LED管芯298A，298B，以及298C排除了薄化LED晶圆205的衬底210(此处，蓝宝石衬底)的需要。因此，LED管芯298A，298B，以及298C的衬底210可具有大于常规LED管芯的厚度，例如，大于或者等于大约250μm的厚度。较厚的厚度可提高出光效率。进一步地，使用隐形切割技术分割LED结构200还提供了具有高质量边缘的LED管芯298A，298B，以及298C。例如，在所描述的实施方式中，LED管芯298A，298B，以及298C的侧壁(或者边缘)299(尤其LED晶圆205的衬底210)实质上不再需要进行分离工艺，从而具有最小的残留应力和/或热损伤。更具体地，隐形切割技术不会引起在LED晶圆205的衬底210的侧壁(或者边缘)上的激光烧蚀痕迹，激光烧蚀痕迹通常由常规的激光切割技术产生。如果分割工艺295实施了隐形切割技术，这样的特性也可在衬底280的侧壁(边缘)上观察到。
需要指出的是，在所描述的实施方式中，整个LED晶圆205接合到衬底280，然后LED晶圆205和衬底280被分割开从而形成多个LED管芯298A，298B，以及298C。可选地，在LED晶圆205接合到衬底280之前，对LED晶圆205进行分割工艺以形成各个单独的LED器件(也可称为LED管芯)，然后，单独的LED器件被接合到衬底280。在将单独的LED管芯接合到衬底280之后，接着可对衬底280进行分割工艺以提供单独的LED管芯298A，298B，以及298C。分割工艺包括机械刀片切割(例如，金刚石刀片锯)，机械刻划和分离，激光刻划和分离，等离子体切割，其他适合的分割工艺，或者它们的组合。在一实例中，对LED晶圆205进行实施隐形切割和分离工艺的分割工艺，并且对衬底280进行实施常规激光刻划和分离工艺的分割工艺。在另一实例中，用于LED晶圆205和衬底280的分割工艺实施隐形切割和分离工艺。
通过实施前面的工艺，LED管芯298A，298B，以及298C中的每个都包括衬底210，衬底210具有双粗糙表面(粗糙表面212和粗糙表面214A)，大于或者等于大约250μm的厚度，以及高质量边缘299。与具有一个粗糙表面的LED器件相比，衬底210的双粗糙表面可提高光输出功率。此外，如上所述，衬底210的较大厚度和高质量边缘可提高光输出功率。因此，LED管芯298A，298B，以及298C显示出光输出功率提高，包括出光效率提高(例如，内部和/或外部量子效率提高)。不同的实施方式可具有不同的优点，并且没有特定的优点必需在任何实施方式中具备。
此后，对LED管芯298A，298B，以及298C(也称为LED芯片298A，298B，以及298C)实施用于不同应用的各种封装工艺。例如，封装工艺可包括将LED管芯中的一个附接到封装衬底，对LED管芯进行用于电连接的布线，在LED管芯周围涂上荧光层以用于调整LED管芯发射的光波长，并且在LED管芯上形成透镜，例如，以提供高效发光。其他封装工艺在本发明考虑范围内。
图9-图15是根据图1的方法100在各制造阶段期间的LED结构300的另一实施方式的部分或者整体的各种示意截面图。图9-图15的实施方式与图2-图8在很多方面是相似的。因此，为了清楚和简要，图2-图8和图9-图15中的相似部件由相同的标号标识。为了清楚起见，简化了图9-图15以更好地理解本发明的发明主旨。附加的部件可加入到LED结构300中，并且在LED结构300的其他实施方式中，下面描述的一些部件可被取代或者去除。
参照图9，LED结构300包括LED晶圆205。参照图10-图12，对衬底210的表面214实施粗糙化工艺，从而形成粗糙表面314A。在图10-图12中图示的粗糙化工艺与在上面关于图3-图5的描述中的粗糙化工艺不同，并将在下面进一步描述。粗糙表面314A也可称为图案化表面。在图10中，LED晶圆205倒置，表面212(“顶”面)呈现出是衬底210的“底”面，并且表面214(“底”面)呈现出是衬底210的“顶”面。图案化硬掩模层370形成在衬底210的表面214上。在所描述的实施方式中，图案化硬掩模层370包括氮化硅(SiN)。可选地或者此外，图案化硬掩模层370包括氮氧化硅，氧化硅(SiO2)，碳化硅，其他适合的材料或者它们的组合。图案化硬掩模层370具有诸如大约1微米至大约10微米的厚度。图案化硬掩模层370还具有小于或者等于大约50微米的图案间距。在一实例中，使用光刻工艺形成图案化硬掩模层370。例如，形成图案化硬掩模层370包括在衬底210的表面214上形成硬掩模层；在表面硬掩模层上形成光刻胶层(例如，通过旋涂方法)；对光刻胶层进行图案化以在其中形成一个或者多个暴露硬掩模层的开口(例如通过曝光和显影光刻胶层)；使用光刻胶层作为蚀刻掩模蚀刻暴露的硬掩模层；然后去除图案化光刻胶层，从而留下图案化硬掩模层370。可实施其他光刻工艺方法以形成图案化硬掩模层370。
在图11中，蚀刻工艺375粗糙化衬底210的表面214，从而形成粗糙(或者图案化)表面314A。蚀刻工艺375使用图案化硬掩模层370作为蚀刻掩模。在所描述的实施方式中，蚀刻工艺375是湿法蚀刻工艺。湿法蚀刻工艺具有能够被调整以实现粗糙表面314A的期望轮廓的蚀刻参数，例如，蚀刻溶剂，蚀刻温度，蚀刻时间，以及其他适合的参数。在所描述的实施方式中，湿法蚀刻溶剂包括H2SO4(硫酸)，H2PO3(磷酸)，其他适合的湿法蚀刻溶剂，或者它们的组合。蚀刻温度可为约250℃至约300℃。蚀刻时间可大于或者等于约2小时。在一实例中，LED晶圆205在大约200℃至大约250℃的温度下以及H2SO4和H2PO3为1∶1比例的混合液中浸泡大约2小时。
在图12中，图案化硬掩模层370被去除。在所描述的实施方式中，图案化硬掩模层370在蚀刻工艺375期间被去除，留下粗糙表面314A。进行随后的蚀刻工艺以去除图案化硬掩模层370的任何残留物。在另一实例中，在蚀刻工艺375之后，采用另外的蚀刻工艺以去除图案化硬掩模层370。粗糙表面314A提高了LED结构300的出光效率。在图10-图12中，选择光刻工艺和蚀刻工艺以实现粗糙表面314A的期望轮廓。例如，在所描述的实施方式中，使用具有小于或者等于大约50微米图案间距的图案化硬掩模层370作为蚀刻掩模产生用于LED结构300的优化出光效率的粗糙表面。粗糙表面314A包括凹陷376。凹陷376随机分布在衬底210的粗糙表面314A上。在所描述的实施方式中，凹陷376的面(侧壁)沿衬底210的晶向。调整蚀刻工艺375使得凹陷376的面(侧壁)在衬底210的深度方向逐渐减小为一点。在所描述的实施方式中，凹陷376在衬底210上具有小于或等于约4微米的深度。在一实例中，凹陷376的深度为大约3微米至大约4微米。凹陷376是纳米级的，例如，凹陷376具有范围在大约1纳米至大约10,000纳米之间的平均尺度，并且具有大约100纳米至大约10,000纳米的宽度。凹陷376还具有相邻凹陷之间的平均距离。例如，凹陷之间的平均距离在大约500纳米至大约50,000纳米之间。
参照图13-图15，与图7-图9的LED结构200相似，LED结构300被分离(分割)成LED管芯。例如，将LED晶圆205接合到衬底280，然后在LED晶圆205(尤其衬底210)和衬底280上进行分割工艺290和295以提供单独的LED管芯398A，398B，以及398C。通过实施前面的工艺，LED管芯398A，398B，以及398C中的每个都包括具有双粗糙表面(粗糙表面212和粗糙表面314A)、大于或者等于约250μm的厚度以及高质量边缘299的衬底210。与具有单粗糙表面的LED器件相比，衬底210的双粗糙表面可提高光输出功率。此外，如上所述，衬底210的较大厚度和高质量边缘可提高光输出功率。因此，LED管芯398A，398B，以及398C显示出光输出功率提高，包括出光率提高(例如，内部和/或外部量子效率提高)。不同的实施方式可具有不同的优点，并且没有特定的优点必需在任何实施方式中具备。
图16-图21是根据图1的100方法在各制造阶段期间的又一种LED结构400的部分或者整体的各种示意截面图。图16-图21的实施方式在很多方面与图2-图8的实施方式相似。因此，为了清楚和简要，图2-图8和图16-图21中相似部件用相同的标号标识。为了清楚起见，已经简化了图16-图21以更好理解本发明的发明主旨。附加的部件可加入LED结构400中，并且在LED结构400的其他实施方式中下述的一些部件可被取代或者去除。
参照图16，LED结构400包括LED晶圆205。参照图17和图18，对衬底210的表面214实施粗糙化工艺，从而形成粗糙表面414A。在图17和图18中图示的粗糙化工艺与上述对关于图3-图5的描述中的粗糙化工艺不同，并且将在下面进一步描述。粗糙表面414A还可称为图案化表面。在图17中，LED晶圆205被倒置，这样晶圆的表面212(“顶”面)呈现出是衬底210的“底”面，并且表面214(“底”面)呈现出是衬底210的“顶”面。研磨工艺475使衬底210的表面214粗糙化，从而形成粗糙(或者图案化)表面414A。研磨工艺475使用纳米粒子悬浮液。纳米粒子悬浮液使用具有小于或者等于约5微米粒子尺寸的粒子。在所描述的实施方式中，纳米粒子悬浮液是纳米粒子氧化铝(Al2O3)悬浮液。可选地，纳米粒子悬浮液是纳米粒子金刚石(C)悬浮液，纳米粒子碳化硅(SiC)悬浮液，纳米粒子碳化硼悬浮液，或者其他适合的纳米粒子悬浮液。在一实例中，研磨工艺475以大约每分钟10转(10rpm)至大约每分钟500转(500rpm)的速度旋转研磨盘。在一实例中，研磨工艺475在衬底210的表面214上进行大约30分钟至大约180分钟。在研磨工艺475之前可在表面214上实施另一种研磨工艺，例如，以薄化衬底210。这样的另一种研磨工艺使用具有大于或者等于约3微米粒子尺寸的悬浮液。例如，这样的另一种研磨工艺可使用金刚石研磨盘。在一实例中，另一种研磨工艺以每分钟100转(100rpm)至大约每分钟2,000转(2000rpm)的速度旋转研磨盘。在一实例中，另一种研磨工艺进行大约5分钟至大约60分钟。
粗糙表面414A提高了LED结构400的出光效率。选择研磨工艺以实现粗糙表面414A的期望轮廓。在图18中，粗糙表面414A包括凹陷476。凹陷476随机分布在衬底210的粗糙表面414A上。凹陷是纳米级的，例如，凹陷具有在大约1纳米至大约3,000纳米之间范围的平均尺度。在所描述的实施方式中，凹陷476在衬底210上具有小于或者等于约4微米的深度。在一实例中，凹陷476的深度在从大约3微米到大约4微米。凹陷476还具有在相邻凹陷之间的平均距离。例如，凹陷之间的平均距离在大约200纳米至大约5,000纳米。
参照图19-图21，与图7-图9中的LED结构200相似，LED结构400被分离(分割)成LED管芯。例如，将LED晶圆205接合至衬底280，在LED晶圆205(尤其衬底210)和衬底280上进行分割工艺290和295以提供单独的LED管芯498A，498B，以及498C。通过实施前面的工艺，LED管芯498A，498B，以及498C中的每个都包括具有双粗糙表面(粗糙表面212和粗糙表面414A)、大于或者等于约250μm的厚度、以及高质量边缘299的衬底210，与具有单粗糙表面的LED器件相比，衬底210的双粗糙表面可以提高光的输出功率。进一步地，如上所述的，衬底210的较大厚度和高质量边缘可提高光的输出功率。因此，LED管芯498A，498B，以及498C显示出光输出功率提高，包括出光效率提高(例如，内部和/或外部量子效率提高)。不同的实施方式可具有不同的优点，并且没有特定的优点必需在任何实施方式中具备。
本发明提供了许多不同的实施方式。例如，本发明提供各种LED结构及其制造方法。示例性的LED结构包括具有大于或者等于约250μm厚度的晶体衬底，其中晶体衬底具有第一粗糙表面和第二粗糙表面，第二粗糙表面与第一粗糙表面相对置；设置在第一粗糙表面上的多个外延层，多个外延层被配置成为发光二极管；并且另一衬底被接合到晶体衬底，使得多个外延层设置在另一衬底和晶体衬底的第一粗糙表面之间。晶体衬底的侧壁可以实质上没有激光烧蚀痕迹。晶体衬底可以为蓝宝石衬底，并且另一衬底可包括硅。晶体衬底的厚度可为大约250μm至大约600μm。在一实例中，第二粗糙表面包括多个随机分布的纳米级的凹陷。随机分布的纳米级凹陷可具有大约1纳米至大约10,000纳米的平均维度，大约100纳米和大约10,000纳米的平均宽度，和/或随机分布的纳米级凹陷的深度小于或者等于约4微米。随机分布的纳米级凹陷之间的平均距离可以为200纳米至大约50,000纳米。
另一示例性LED结构包括基板；以及倒置的LED器件并且该LED器件电连接于所述基板。LED器件包括：具有大于或者等于约250μm厚度的蓝宝石衬底，其中所述蓝宝石衬底包括第一粗糙表面和第二粗糙表面，第二粗糙表面与第一粗糙表面相对置，并且进一步其中蓝宝石衬底包括在第一粗糙表面和第二粗糙表面之间延伸的侧壁，该侧壁实质上没有被激光烧蚀；以及外延结构，设置在蓝宝石衬底的第一粗糙表面上，其中外延结构设置在基板和第一粗糙表面之间。基板可以为硅衬底。第二粗糙表面可包括多个随机分布的纳米级凹陷。在一实例中，随机分布的纳米级凹陷包括顶部和低凹处，低凹处实质上是不对称的。在另一实例中，随机分布的纳米级凹陷包括沿蓝宝石衬底的晶向的面。
本文描述的用于制造LED结构的示例性方法包括在第一衬底的第一粗糙表面上形成外延结构，其中外延结构被配置成为LED；形成第一衬底的粗糙化的第二表面，其中粗糙化的第二表面与第一粗糙表面相对置；将第一衬底接合至第二衬底，使得外延结构设置在在第一衬底的第一粗糙表面和第二衬底之间；以及分割第一衬底和第二衬底以形成LED管芯，其中分割第一衬底包括使用隐形切割技术。提供了各种用于形成粗糙表面的方法。进行粗糙化的方法包括使用图案化金属层作为蚀刻掩模的干法蚀刻工艺，使用图案化硬掩模层作为蚀刻掩模的湿法蚀刻工艺，以及使用纳米粒子悬浮液的研磨工艺。
在一实例中，一种方法包括在衬底的第一表面上形成多个外延层，多个外延层被配置以形成发光二极管；在衬底的第二表面上形成图案化金属层，第二表面与第一表面相对置，其中图案化金属层具有在其中的暴露衬底的开口；以及进行干法蚀刻工艺以去除部分暴露的衬底，从而形成衬底的粗糙化的第二表面，其中干法蚀刻工艺使用图案化金属层作为蚀刻掩模。所述方法可进一步包括形成在衬底的第一表面上的多个外延层之前粗糙化衬底的第一表面。在一实例中，所述方法进一步包括将衬底接合到另一衬底，使得多个外延层设置在衬底的第一表面和另一衬底之间。衬底可以为蓝宝石衬底。图案化金属层可以包括镍，铬或者上述材料的组合。形成图案化金属层可包括使用剥离工艺。在一实例中，干法蚀刻工艺使用含氯的蚀刻气体，含氩的蚀刻气体，或者上述气体的组合。
在另一实例中，方法包括在衬底的第一表面上形成多个外延层，多个外延层被配置为形成发光二极管；使用纳米粒子悬浮液在衬底的第二表面进行研磨工艺，第二表面与第一表面对置，从而形成衬底的粗糙化第二表面，所述方法可进一步包括在形成在衬底的第一表面上的多个外延层之前粗糙化衬底的第一表面。所述方法可进一步包括在进行前述研磨工艺之前在衬底的第二表面上进行另一种研磨工艺。纳米粒子悬浮液具有小于或者等于约1微米的粒子尺寸。在一实例中，纳米粒子悬浮液是纳米粒子Al2O3悬浮液。粗糙化的第二表面包括在衬底中的多个纳米级凹陷。衬底可以为蓝宝石衬底。
在又一实例中，方法包括在衬底的第一表面上形成多个外延层，多个外延层被配置以形成发光二极管；在衬底的第二表面上形成图案化硬掩模层，第二表面与第一表面相对置，其中图案化硬掩模层具有在其中的暴露衬底的开口；进行湿法蚀刻工艺以去除部分暴露的衬底，从而形成衬底的粗糙化的第二表面，其中湿法工艺使用图案化硬掩模层作为蚀刻掩模；将该衬底接合到另一衬底，使得多个外延层设置在衬底的第一表面和另一衬底之间。所述方法进一步可包括在衬底的第一表面上形成多个外延层之前粗糙化衬底的第一表面。图案化抗蚀层可以为图案化氮化硅层或者图案化氧化硅层。在一实例中，湿法蚀刻工艺使用包括硫酸(H2SO4)，磷酸(H2PO3)或者它们的组合的湿法蚀刻溶剂。在一实例中，湿法蚀刻工艺同时去除图案化硬掩模层。湿法蚀刻工艺可在衬底上形成多个凹陷，其中多个凹陷具有沿衬底的晶面的平面。
在又一实例中，发光二极管(LED)结构包括具有第一粗糙表面和第二粗糙表面的晶体衬底，第二粗糙表面与第一粗糙表面相对置；设置在第一粗糙表面上的多个外延层，所述多个外延层被配置以形成发光二极管；以及，接合到晶体衬底的另一衬底，使得多个外延层设置在另一衬底和晶体衬底的第一粗糙表面之间。第二表面包括多个具有平均尺度在大约1纳米至大约5,000纳米范围之间的随机分布的凹陷。晶体衬底可以为蓝宝石衬底。凹陷之间的平均距离在大约500纳米至大约10,000纳米之间。
上面概述了若干实例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实例相同的目的和/或实现相同优点的方法和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种发光二极管(LED)结构，包括：
具有大于或者等于约250μm厚度的蓝宝石衬底，其中，所述蓝宝石衬底具有第一粗糙表面和第二粗糙表面，所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置；
设置在所述第一粗糙表面上的多个外延层，所述多个外延层被配置成为发光二极管；以及
与所述蓝宝石衬底接合的另一衬底，使得所述多个外延层设置在所述另一衬底和所述蓝宝石衬底的所述第一粗糙表面之间，并且其中所述另一衬底包括连接到所述发光二极管的相对置触点的至少两个导电端子。
2.如权利要求1所述的LED结构，其中所述蓝宝石衬底的侧壁实质上没有激光烧蚀痕迹。
3.如权利要求1所述的LED结构，其中所述蓝宝石衬底的厚度为大约250μm至大约600μm。
4.如权利要求1所述的LED结构，其中所述另一衬底包括硅。
5.如权利要求1所述的LED结构，其中所述第二粗糙表面包括多个随机分布的纳米级凹陷。
6.一种发光二极管(LED)结构，包括：
基板；以及
LED器件，被倒置并且电连接至所述基板，其中所述LED器件包括：
具有大于或者等于约250μm厚度的蓝宝石衬底，其中所述蓝宝石衬底包括第一粗糙表面和第二粗糙表面，所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置，并且进一步其中所述蓝宝石衬底包括在所述第一粗糙表面和所述第二粗糙表面之间延伸的侧壁，所述侧壁实质上没有被激光烧蚀，以及
设置在所述蓝宝石衬底的所述第一粗糙表面上的外延结构，其中所述外延结构设置在所述基板和所述第一粗糙表面之间。
7.一种方法，所述方法包括：
在第一衬底的第一粗糙表面上形成外延结构，其中所述外延结构被配置成为发光二极管(LED)；
形成所述第一衬底的第二粗糙表面，其中所述第二粗糙表面与所述第一粗糙表面相对置；
将所述第一衬底接合至第二衬底，使得所述外延结构设置在所述第一衬底的所述第一粗糙表面和所述第二衬底之间；以及
分割所述第一衬底和所述第二衬底以形成LED管芯，其中分割所述第一衬底包括使用隐形切割技术。
8.如权利要求7所述的方法，其中在所述第一衬底上没有进行薄化工艺。
9.如权利要求7所述的方法，其中形成所述第一衬底的第二粗糙表面包括：
在与所述第一粗糙表面相对置的所述第一衬底的第二表面上形成图案化金属层，其中所述图案化金属层具有在其中的暴露出所述第一衬底的开口；
进行干法蚀刻工艺以去除部分所暴露的第一衬底，从而形成所述第一衬底的第二粗糙表面，其中所述干法蚀刻工艺使用所述图案化金属层作为蚀刻掩模。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述第一衬底的第二表面上形成图案化金属层包括形成图案化镍层和图案化铬层之一。
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