CN104091869B - 发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

发光二极管芯片及其制作方法
技术领域
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
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。
LED芯片所选衬底材料大致有三种：蓝宝石(Al2O3)、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ODR)等技术增加反射率以提高芯片亮度。
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。ODR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ODR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ITO)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ODR技术形成分布式布拉格反射/全方位反射镜层104。
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ODR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ODR芯片的亮度不如DBR，而且ODR需要镀Al、Cr、Au等贵金属，成本比DBR高。
因此，需要一种新的LED芯片制作方法以解决DBR和ODR技术的上述缺陷。
发明内容
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。
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。
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。
所述图形化蓝宝石衬底的图形为圆锥形。
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。
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。
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。
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。
所述图形化蓝宝石衬底的图形为圆锥形。
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。
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。
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：
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。
2)本发明无需镀金属，节省成本。
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。
附图说明
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：
图1是利用DBR和ODR技术制作的LED芯片的结构示意图。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
步骤202，在蓝宝石衬底的上表面上形成外延层。
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MOCVD)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。
步骤203，在外延层之上形成电流扩展层。
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ITO)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。
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PN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。
一般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)法沉积二氧化硅(SiO2)，沉积完成后做光刻，制做出电流阻挡层。
ITO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ITO，并做光刻去除N区的ITO，只保留P-GaN上有ITO，并在P电极位置上制作ITO开孔，开孔的大小比金属焊盘直径小1/4-1/3，然后通过ITO合金做好P面ITO与GaN的欧姆接触。
氧化硅保护层可对芯片作钝化保护。通过PECVD方法沉积SiO2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。
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。
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3μm(也就是说每隔3μm就有一个图形)，高度约为1.5μm。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。
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-150um。需注意的是，本发明并不限制减薄抛光后的芯片的厚度。
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。
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(SiO2)和二氧化钛(TiO2)共20层-40层。图7为依据步骤205形成分布式布拉格反射层。
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。
LED芯片性能
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。
在蓝宝石衬底上通过MOCVD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。
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SiO2和TiO2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SiO2和TiO2共4-12层再依次蒸镀铝、铬、金形成ODR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刻，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SiO2和TiO2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。
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ODR结构的发光二极管芯片亮度提升3％-4％。
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：
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。
2)本发明无需镀金属，节省成本。
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。
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。
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。

Claims (2)

1.一种发光二极管芯片，其特征在于，包括：
电流扩展层，包括：金属电极、电流阻挡层、厚度为600～1200埃的透明导电层、氧化硅保护层；
外延层，位于所述电流扩展层之下；其中，所述电流扩展层为在干法刻蚀后的外延层上，用等离子体化学气相沉积法沉积二氧化硅后做光刻制成的电流扩展层；
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，其中，
图形化蓝宝石衬底的图形为朝蓝宝石衬底的上表面方向凹陷的高度为1.5μm的圆锥形，且所述圆锥形周期为每隔3μm一个，其中，所述蓝宝石衬底为经过研磨减薄并抛光后的蓝宝石衬底；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，其中，
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，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。
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。
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