CN106299094A - 一种二维光栅结构的倒装芯片及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维光栅结构的倒装芯片及其生产方法。所述包括自上而下依次设置的DBR、透明导电层、外延片P‑GaN层、MQW层、N‑GaN层和衬底；DBR平面的X、Y方向分别设置有光栅组，构成二维光栅；倒装芯片的上侧设置有两条贯穿DBR、透明导电层、外延片P‑GaN层和MQW层的N凹槽和一条贯穿DBR的P凹槽；N凹槽和P凹槽内分别设置有N‑pad和P‑pad。1.本发明所述二维光栅结构的倒装芯片，在倒装芯片的反射镜上制作二维光栅，将光栅、反射镜合为一体，在实现反射作用的同时，形成反射光栅，将受限光进行扩束、反射，改善了临界角对光的限制，提高芯片的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维光栅结构的倒装芯片及其生产方法，属于光电子的技术领域。
背景技术
LED发光二极管作为一个发光器件，具有工作寿命长、耗电低、响应时间快、体积小、易调光调色、对环境无污染等优点，被称为绿色光源。而高亮度LED发光二极管光源的出现特别是蓝绿色GaN基LED的崛起使LED发光二极管的用途发生了革命性的变革。随着技术的进步，LED发光二极管已经在背光源、照明、城市亮化等方面取得了广泛应用，现在实验室级别的光效可以达到300lm/w。
采用Over Drive，即增加单位面积内的电流的方式可以明显LED发光二极管光源的亮度，然而，事物总有两面性，在大电流冲击下，芯片单位面积内的热量显著增加，加之蓝宝石的散热效果仅有45W/(m·K)，远低于铜、铝、硅等常用材料，大大影响了芯片的寿命。
特别是GaN基蓝绿光芯片，由于衬底不导电，需要采用同面电极结构，即利用ICP技术，从P型层刻蚀至N型层，在同一面获得P\N两种区域，然后制备P\N金属电极，由于金属电极不透光，这两个电极将向外发射的光阻挡在芯片内部，芯片出光面得不到有效利用；另外，此种结构的芯片注入电流在纵向扩展的时候还须横向移动才能达到N电极，这就造成了电流的拥挤，进一步降低了光电转换效率。
为解决此问题，LED行业导入倒装芯片技术，倒装技术的优势如下：正装结构芯片是GaN与荧光粉、硅胶接触，而倒装结构是蓝宝石与荧光粉、硅胶接触；GaN的折射率为2.4，蓝宝石折射率为1.8，荧光粉折射率为1.7，硅胶折射率通常为1.4-1.5。蓝宝石/(硅胶+荧光粉)和GaN/(硅胶+荧光粉)的全反射临界角分别为51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封装结构中由蓝宝石表面射出的光经由硅胶和荧光粉界面层的全反射临界角更大，光线全反射损失大大降低。同时，芯片结构的设计不同，导致电流密度和电压的不同，对LED的光效有明显的影响。
如传统的正装芯片电压通常在3.5V以上，而倒装结构芯片，由于电极结构的设计，电流分布更均匀，使LED芯片的电压大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，同样光的通量，倒装芯片的光效比正装芯片光效约高16-25％。
倒装技术提高了芯片的光效，但是受限于全反射，导致部分光无法从芯片内部出射。
光栅(grating)是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分为透光部分，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕，这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅。还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，此种光栅称为反射光栅。光栅主要有四个基本性质色散、分束、偏振和相位匹配。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果，分束就是利用了这个原理。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种二维光栅结构的倒装芯片；
本发明还提供一种上述二维光栅结构倒装芯片的生产方法。
发明概述：
本发明将光栅应用到在LED发光二极管光源中，通过改变受限光的出射角，使受到临界角限制的光线经过扩束后从芯片表面出射，减少芯片内部受限光，提高发光效率；
本发明针对现有GaN基倒装芯片，在其底部的反射镜上二维光栅，利用光栅的扩束功能，改变受限光出射路径，从而提高芯片的发光效率。
术语说明：
DBR:(distributed Bragg reflection)又叫分布式布拉格反射镜，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。
ICP刻蚀:Inductively Coupled Plasma刻蚀，即反应耦合等离子体刻蚀。
RIE刻蚀：Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀。
外延片：外延是半导体工艺当中的一种。在bipolar工艺中，硅片最底层是P型衬底硅(有的加点埋层)；然后在衬底上生长一层单晶硅，这层单晶硅称为外延层；再后来在外延层上注入基区、发射区等等。最后基本形成纵向NPN管结构：外延层在其中是集电区，外延上面有基区和发射区。外延片就是在衬底上做好外延层的硅片。
本发明的技术方案为：
一种二维光栅结构的倒装芯片，包括自上而下依次设置的DBR、透明导电层、外延片P-GaN层、MQW层、N-GaN层和衬底；DBR平面的X、Y方向分别设置有光栅组，构成二维光栅；倒装芯片的上侧设置有两条贯穿DBR、透明导电层、外延片P-GaN层和MQW层的N凹槽和一条贯穿DBR的P凹槽；N凹槽和P凹槽内分别设置有N-pad和P-pad。其中，N-pad和P-pad分别为N焊盘和P焊盘。
优选的，所述光栅组的光栅间距为0.5～2um。
优选的，所述透明导电层的材质为ITO、ZAO或石墨烯。
优选的，透明导电层的厚度为
优选的，DBR包括交替生长的SiO2和TiO2，生长周期为3～4个，SiO2和TiO2的生长厚度分别为λ/4n1和λ/4n2，其中λ为倒装芯片的发光波长，n1、n2分别为SiO2、TiO2的折射率；
进一步优选的，λ取值范围为450～470nm。
一种上述二维光栅结构倒装芯片的生产方法，包括步骤如下：
1)在衬底上依次制作N-GaN层、MQW层和外延片P-GaN层，在外延片P-GaN层的上表面生长透明导电层，透明导电层的厚度为
2)在透明导电层的上表面，在不需要刻蚀的位置，设置光刻胶掩蔽膜，将未被光刻胶掩蔽膜掩蔽的透明导电层利用光刻技术腐蚀掉，得到两条一级凹槽；
3)在所述一级凹槽的基础上，通过ICP腐蚀或RIE腐蚀继续向下腐蚀至N-GaN层，得到二级凹槽，去掉光刻胶掩蔽膜；
4)去掉光刻胶掩蔽膜后，在透明导电层上表面制作DBR；
5)在DBR平面的X、Y方向分别制作光栅组，得到二维光栅；光栅间距为0.5～2um；
6)在二维光栅上利用光刻胶制作二次光刻胶掩蔽膜，漏出对应二级凹槽的位置及将要设置P凹槽的位置，腐蚀掉未被二次光刻胶掩蔽膜掩蔽的二维光栅，得到两条N凹槽和一条P凹槽；
7)借助所述二次光刻胶掩蔽膜，利用蒸镀或溅射工艺，制备焊线用N-pad和P-pad。蒸镀和溅射工艺是本领域技术人员所熟知的两种生产工艺。
优选的，步骤2)中所述的光刻技术为，湿法腐蚀或干法腐蚀。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述二维光栅结构的倒装芯片，在倒装芯片的反射镜上制作二维光栅，将光栅、反射镜合为一体，在实现反射作用的同时，形成反射光栅，将受限光进行扩束、反射，改善了临界角对光的限制，提高芯片的出光效率。
附图说明
图1为外延片P-GaN层的上表面生长透明导电层(ITO)后的芯片切面图；
图2为ITO腐蚀后得到一级凹槽的芯片切图；
图3为加工得到二级凹槽后的芯片切面图；
图4为本发明所述二维光栅结构的倒装芯片的切面图；
图5为传统DBR结构倒装芯片切面图；
图6为X方向的光栅组平面示意图；
图7为Y方向的光栅组平面示意图；
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图4所示。
一种二维光栅结构的倒装芯片，包括自上而下依次设置的DBR、透明导电层、外延片P-GaN层、MQW层、N-GaN层和衬底；所述透明导电层的材质为ITO；DBR平面的X、Y方向分别设置有光栅组，构成二维光栅；倒装芯片的上侧设置有两条贯穿DBR、透明导电层、外延片P-GaN层和MQW层的N凹槽和一条贯穿DBR的P凹槽；N凹槽和P凹槽内分别设置有N-pad和P-pad。其中，N-pad和P-pad分别为N焊盘和P焊盘。
实施例2
如实施例1所述的二维光栅结构的倒装芯片，所不同的是，所述光栅组的光栅间距为1um。
实施例3
如实施例1所述的二维光栅结构的倒装芯片，所不同的是，透明导电层的厚度为
实施例4
如实施例1所述的二维光栅结构的倒装芯片，所不同的是，DBR包括交替生长的SiO2和TiO2，生长周期为3个，SiO2和TiO2的生长厚度分别为λ/4n1和λ/4n2，其中λ为倒装芯片的发光波长，n1、n2分别为SiO2、TiO2的折射率；λ＝460nm。
实施例5
一种如实施例1-4所述二维光栅结构倒装芯片的生产方法，包括步骤如下：
1)在衬底上依次制作N-GaN层、MQW层和外延片P-GaN层，在外延片P-GaN层的上表面生长透明导电层，透明导电层的厚度为透明导电层的材质为ITO；如图1所示；
2)在透明导电层的上表面，在不需要刻蚀的位置，设置光刻胶掩蔽膜，将未被光刻胶掩蔽膜掩蔽的透明导电层利用光刻技术腐蚀掉，得到两条一级凹槽；如图2所示；
3)在所述一级凹槽的基础上，通过ICP腐蚀继续向下腐蚀至N-GaN层，得到二级凹槽(如图3所示)，去掉光刻胶掩蔽膜；
4)去掉光刻胶掩蔽膜后，在透明导电层上表面制作DBR；
5)在DBR平面的X、Y方向分别制作光栅组，得到二维光栅；光栅间距为1um；如图6-7所示。
6)在二维光栅上利用光刻胶制作二次光刻胶掩蔽膜，漏出对应二级凹槽的位置及将要设置P凹槽的位置，腐蚀掉未被二次光刻胶掩蔽膜掩蔽的二维光栅，得到两条N凹槽和一条P凹槽；如图4所示；
7)借助所述二次光刻胶掩蔽膜，利用蒸镀工艺，制备焊线用N-pad和P-pad。
实施例6
如实施例5所述二维光栅结构倒装芯片的生产方法，所不同的是，步骤2)中所述的光刻技术为湿法腐蚀。
Claims (8)
1.一种二维光栅结构的倒装芯片，其特征在于，包括自上而下依次设置的DBR、透明导电层、外延片P-GaN层、MQW层、N-GaN层和衬底；DBR平面的X、Y方向分别设置有光栅组，构成二维光栅；倒装芯片的上侧设置有两条贯穿DBR、透明导电层、外延片P-GaN层和MQW层的N凹槽和一条贯穿DBR的P凹槽；N凹槽和P凹槽内分别设置有N-pad和P-pad。
2.根据权利要求1所述的二维光栅结构的倒装芯片，其特征在于，所述光栅组的光栅间距为0.5～2um。
3.根据权利要求1所述的二维光栅结构的倒装芯片，其特征在于，所述透明导电层的材质为ITO、ZAO或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的二维光栅结构的倒装芯片，其特征在于，透明导电层的厚度为
5.根据权利要求1所述的二维光栅结构的倒装芯片，其特征在于，DBR包括交替生长的SiO2和TiO2，生长周期为3～4个，SiO2和TiO2的生长厚度分别为λ/4n1和λ/4n2，其中λ为倒装芯片的发光波长，n1、n2分别为SiO2、TiO2的折射率。
6.根据权利要求5述的二维光栅结构的倒装芯片，其特征在于，λ取值范围为450～470nm。
7.一种权利要求1-6任意一项所述二维光栅结构倒装芯片的生产方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)在衬底上依次制作N-GaN层、MQW层和外延片P-GaN层，在外延片P-GaN层的上表面生长透明导电层，透明导电层的厚度为
2)在透明导电层的上表面，在不需要刻蚀的位置，设置光刻胶掩蔽膜，将未被光刻胶掩蔽膜掩蔽的透明导电层利用光刻技术腐蚀掉，得到两条一级凹槽；
3)在所述一级凹槽的基础上，通过ICP腐蚀或RIE腐蚀继续向下腐蚀至N-GaN层，得到二级凹槽，去掉光刻胶掩蔽膜；
4)去掉光刻胶掩蔽膜后，在透明导电层上表面制作DBR；
5)在DBR平面的X、Y方向分别制作光栅组，得到二维光栅；光栅间距为0.5～2um；
6)在二维光栅上利用光刻胶制作二次光刻胶掩蔽膜，漏出对应二级凹槽的位置及将要设置P凹槽的位置，腐蚀掉未被二次光刻胶掩蔽膜掩蔽的二维光栅，得到两条N凹槽和一条P凹槽；
7)借助所述二次光刻胶掩蔽膜，利用蒸镀或溅射工艺，制备焊线用N-pad和P-pad。
8.根据权利要求7所述二维光栅结构倒装芯片的生产方法，其特征在于，步骤2)中所述的光刻技术为，湿法腐蚀或干法腐蚀。
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