CN106505130A - 一种led芯片的图形化基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED芯片的图形化基板及其制备方法，涉及半导体封装技术领域。为了有效利用从LED芯片外延层端面出射的光线，本发明提出了一种应用于LED芯片的图形化基板，包括凹槽结构，用于近距离改变LED芯片端面出射的光的传播方向，减少光损失，极大提高了LED芯片的出光效率；同时基板厚度变薄，不仅降低了系统的串联热阻，还可以使得封装模块体积大大缩小，便于集成应用。另外，本发明提出了一种图形化基板的制备方法，通过湿法腐蚀基片得到具有凹槽结构的图形化基板。

Description

一种LED芯片的图形化基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，尤其涉及一种LED芯片的图形化基板及其制备方法。
背景技术
自上世纪90年代以来，LED引起广泛关注并得到了迅猛发展，如GaN基LED波长覆盖绿光、紫外光等波段，具有能耗低、寿命长、响应时间快等显著优势，在白光照明、可见光通信、聚合物固化、杀菌消毒等方面有着巨大的市场价值或潜在应用价值。
LED通常是在同质或异质衬底上依次外延n型层、发光区(即有源区)和p型层等半导体层。这些半导体层具有高的折射率，例如GaN材料在可见光波段的折射率为2.3～2.4，与空气的折射率(n＝1)有较大差距。模拟显示，约66％的从LED有源区辐射出的光被限制在GaN外延层中，这意味着有相当部分的光会从LED外延层的端面出射。
LED芯片通常有正装、倒装和垂直三种器件结构。LED正装芯片和垂直芯片一般是通过粘结剂固定在封装支架上；LED倒装芯片通常倒装在其他基板上，然后再将基板固定在封装支架上。无论是支架还是基板，其构型一般都是平面结构，这就造成LED芯片外延层端面出射的这部分光很容易被基板上的电极、封装材料或支架等部件吸收，不利于出光效率的最大化；LED芯片的基板较厚，也使得系统体积较大，不利于集成应用。所以，改善LED半导体芯片的基板(或支架)结构，使得出光效率最大化，同时达到易于集成的目的，将会极大地促进LED芯片的广泛应用和商业拓展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
现有LED芯片外延层的有源区辐射出的光会被限制为波导模式，大约66％的光被限制在外延层中，即有相当多的光会从LED芯片外延层的端面出射，且由于目前主流使用的LED芯片的基板为平面结构，目前，主流使用的半导体发光基板一般都是平面结构，这就造成芯片外延层端面出射的这部分光即使没有完全损失掉，也很容易被基板上的电极、封装材料和支架等部件吸收，严重影响了出光效率；另外，传统的基板因厚度较大，往往造成封装模块体积较大，不利于集成应用。所以，如何降低光损耗、提高出光效率，同时缩小封装模块体积在LED芯片产业化中是一个非常重要的研究内容。
(二)技术方案
针对以上问题，本发明提出一种LED芯片的图形化基板及其制备方法，该种图形化基板具备凹槽结构，可近距离改变LED芯片端面出射的光的传播方向，使其向上出射，从而减少光损失，提高LED芯片的出光效率；同时基板厚度变薄，降低了系统的串联热阻，使得其易于集成。
其中，LED芯片包括外延层和两个电极。本发明提出的图形化基板包括一个凹槽结构，用于放置LED芯片；该凹槽结构内表面覆盖有反射层，用于反射所述LED芯片出射的光线。
基板是硅基板、氮化铝基板或PCB基板等。
凹槽结构的剖面形状为倒置的梯形。
反射层的材料具备的反射率为80％以上。
基板凹槽结构内表面和反射层之间还包括一层绝缘层。
基板凹槽结构的深度至少大于所述LED芯片的外延层的厚度。
基于上述LED芯片的图形化基板，其中LED芯片可以是LED倒装芯片的图形化基板。其中，LED倒装芯片包括外延层和两个电极，基板凹槽结构底部，即反射层上表面还覆盖有一层金属键合电极层。反射层包括一条隔离沟，用于将反射层隔开为第一反射层和第二反射层。隔离沟将金属键合电极层隔开为第一金属键合电极和第二金属键合电极，用于和LED倒装芯片的两个电极分别相接。
基于上述的LED芯片的图形化基板，本发明提出了一种针对此类图形化基板的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基板正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，进行图形化处理；
S2、在图形化处理的基板上形成凹槽结构；
S3、在凹槽结构内表面依次制备绝缘层、反射层；
其中，使用湿化学腐蚀法在所述的基板上形成凹槽结构。
相应地，基于上述LED芯片的图形化基板及其制备方法，本发明提出了LED倒装芯片的图形化基板的制备方法。其中，在基板凹槽结构内反射层上制备一层金属键合电极层。在反射层和金属键合电极层上制备一条隔离沟。
采用上述技术方案，本发明制作出具有高反射率的图形化基板，近距离地改变LED芯片从端面出射的光的传播方向，使其向上出射，减少了端面出射光的吸收与损耗，提高了LED芯片的出光效率；基板厚度变薄，也降低了系统的串联热阻。
(三)有益效果
本发明提出了一种应用于LED芯片的图形化基板，包括凹槽结构，用于近距离改变LED芯片端面出射的光的传播方向，减少光损失，极大提高了LED芯片的出光效率；同时因凹槽结构基板厚度变薄，不仅降低了系统的串联热阻，还可以使得封装模块体积大大缩小，便于集成应用。另外，本发明提出了一种LED芯片的图形化基板的制备方法，通过湿法腐蚀平面基板得到了具有凹槽结构的图形化基板。
附图说明
图1为本发明提出的具体实施例1中LED倒装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图；
图2为本发明提出的具体实施例1中LED倒装芯片的图形化硅基板结构剖面和俯视示意图；
图3为LED芯片的图形化基板制备方法流程示意图；
图4为本发明提出的具体实施例2中正面、背面覆有保护层的硅片的剖面示意图；
图5为本发明提出的具体实施例2中完成正面光刻后的硅片剖面示意图；
图6为本发明提出的具体实施例2中正面保护层图形化的硅片剖面示意图；
图7为本发明提出的具体实施例2中去除光刻胶后的硅片剖面示意图；
图8为本发明提出的具体实施例2中完成湿法腐蚀的硅片剖面示意图；
图9为本发明提出的具体实施例2中去除正面、背面保护层的硅片的剖面示意图和俯视示意图；
图10为本发明提出的具体实施例2中覆盖了绝缘层的硅片剖面示意图；
图11为本发明提出的具体实施例2中绝缘层上具备隔离沟的硅片剖面示意图；
图12为本发明提出的具体实施例2中LED倒装芯片的图形化硅基板结构剖面和俯视示意图；
图13为本发明提出的具体实施例2中LED倒装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图；
图14为本发明提出的具体实施例3中LED正装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图；
图15为本发明提出的具体实施例4中LED垂直芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图。
其中，
11是衬底；12是n型层；13是有源区；14是p型层；15是p型电极；16是n型电极；17是支撑基板。
21是硅片；22是正面保护层；23是背面保护层；24是光刻胶层；25是绝缘层；26是反射层；27是第一金属键合电极；28是第二金属键合电极，29是粘结层。
31是硅(100)面；32是硅(111)面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
下面结合附图对本发明的具体实施例1进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1为本发明提出的具体实施例1中LED倒装芯片的剖面示意图，为一类半导体结构，包括11是衬底；12是n型层；13是有源区；14是p型层；15是p型电极；16是n型电极。本发明提出的图形化基板完全可以应用于LED倒装芯片的倒装，改变其端面出射光线的出射路径，从而减少光损耗。
本发明提出的LED芯片图形化基板可以为硅基板、氮化铝基板或PCB基板。基于具体实施例1本发明提出了一种LED倒装芯片的图形化硅基板，如附图2本发明提出的具体实施例1的LED倒装芯片的图形化硅基板结构剖面示意图和俯视示意图，包括基板硅片21、绝缘层25、反射层26、第一金属键合电极27、第二金属键合电极28；LED倒装芯片的形状、尺寸可根据应用场合而定，此实施例中优选LED倒装芯片的俯视形状为边长500微米的正方形、高度为100-300微米。
硅片21包括放置LED倒装芯片的凹槽结构，一个凹槽结构和对应的LED倒装芯片组成一个倒装单元，一个硅片上可以做N多个倒装单元，对应可以倒装N多个LED倒装芯片。为了保证凹槽深度和倒装过程中硅片的完整可靠，硅片21的厚度应不小于100微米，优选200-500微米；基板硅片21的单个倒装单元俯视为边长为1500微米的正方形，硅片21正中包括一凹槽，凹槽的俯视形状可为矩形、圆形或其他形状，凹槽的剖面形状为倒置的梯形结构，且其斜边与水平面的夹角为54.7度；凹槽底部为边长600-1300微米的正方形，大于LED倒装芯片的尺寸，以保证LED倒装芯片能够置于凹槽中；如果需要在凹槽四周的台面上打金线，则四周台面的宽度应预留80微米以上，以保证金线焊点有足够的粘附距离。
另外，为了保证LED倒装芯片端面出射的光能够有效地被凹槽侧壁的反射层26反射，硅片21的凹槽的深度大于第一金属键合电极27(等于第二金属键合电极28)和LED倒装芯片外延层12/13/14、p型电极15的厚度的总和，另一方面这也使得封装模块体积大大缩小，便于集成应用。
如图1凹槽的剖面图，凹槽的内表面覆盖有一层绝缘层25，绝缘层的厚度优选200纳米至1微米，用于与绝缘层25上的反射层26和基板硅片进行电隔离。
绝缘层25上覆盖有一层反射层26，厚度优选为400纳米至1微米，反射层26采用具有高反射率金属材料或具有相同特性的多层介质层，优选为银、铝等金属材料，若所述高反射率的反射层26是多层介质层，且表面漏电流很小，那么可以不使用绝缘层25。
同时，在凹槽底部的中央，覆盖一层金属键合电极层，为边长500微米的正方形，厚度优选1-4微米，与金属反射层26形成电互联。
除此之外，在金属键合电极层中间，包括一条平行于该侧边、宽为20微米-100微米的隔离沟，其底部为绝缘层25上表面或基板硅片21上表面，优选底部为绝缘层25上表面，深度为金属键合电极层和反射层26的厚度之和，用以将金属键合电极层分为第一金属键合电极27和第二金属键合电极28，同时将反射层26分为第一反射层和第二反射层。
其中，所述硅片21表面的绝缘层25可能存在表面漏电流，根据实际应用场景对漏电流的要求，对绝缘层25做隔离刻蚀或者不做隔离刻蚀。
以上为本发明所提出的针对所述LED倒装芯片的图形化硅基板结构的具体实施例1，根据上述内容，可以完整地体现本发明所述的技术方案，并根据此技术方案能够达到所述的有益效果。
除此之外，结合图3 LED芯片的图形化基板制备方法流程示意图，提出了其相应的制备方法具体包括以下步骤：
1)在基板正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层；
2)在正面保护层上进行光刻-图形化处理；
3)采用湿化学法腐蚀图形化后的基板以形成凹槽结构；
4)在凹槽结构内表面依次制备绝缘层、反射层。
其中，步骤3中，采用湿化学腐蚀法利用碱性溶液在图形化的基板正面进行腐蚀形成凹槽结构；步骤4中，采用热氧化或化学沉积法等方法制备绝缘层，采用沉积法或电子束蒸发法等方法制备反射层。
基于上述LED芯片的图形化基板制备方法步骤，本发明根据具体实施例1的LED倒装芯片的图形化硅基板结构的技术方案，提出了相应的针对具体实施例1中LED倒装芯片的图形化硅基板结构，以隔离沟底部达到硅片21表面为标准，本发明提出了具体实施例2以完整、清晰地描述LED倒装芯片的图形化硅基板结构的制备方法如下：
步骤1：提供一表面为(100)面的硅片21，为了保证凹槽深度和倒装过程中硅片的完整可靠，硅片21的厚度大于100微米，单个倒装单元的边长优选为1500微米的正方形，此处优选厚度为200-500微米的硅片；对所述硅片21做标准清洗后，使用等离子体增强化学气相沉积法，分别在硅片的正面和背面沉积氧化硅作为正面保护层22和背面保护层23(如图4)；这里保护层22、23也可使用氮化硅、氧化铝等介质层或金属层，优选氧化硅层，其厚度大于100纳米；保护层也可使用热氧化法或其他沉积法制作；
步骤2：如图5，在所述正面保护层22上旋涂正性光刻胶24，经过前烘、曝光、显影、后烘后，所述光刻胶24上形成图形化的窗口；窗口的图形可以为正方形、矩形、圆形等图形；窗口的尺寸应大于LED倒装芯片的尺寸，同时小于一个基板单元的尺寸，优选为700-1400微米的正方形窗口；
步骤3：如图6，以图形化的光刻胶24为掩膜，干法刻蚀所述正面保护层22，使所述光刻胶24的图形转移到所述正面保护层22上；这里图形转移也可采用湿法刻蚀的方法，但应注意使用光刻胶等掩膜保护背面保护层23不被刻蚀；
步骤4：如图7，使用丙酮或者去膜剂去除残留的所述光刻胶24，以所述图形化的正面保护层22为掩膜，使用碱液对硅(100)表面做一定时间的湿法腐蚀，直至形成形状、尺寸符合要求的倒梯形窗口。如图8，该窗口满足：上表面尺寸小于基板单元尺寸，优选为700-1400微米的正方形窗口；底面尺寸大于LED倒装芯片的尺寸，优选为600-1300微米的正方形；窗口深度大于键合电极27与LED外延层12/13/14、p型电极15的厚度的总和，优选为10-100微米。所使用的碱液可为KOH溶液或TMAH溶液；碱液对硅片有各向异性腐蚀的效果，不同的晶面的腐蚀速率不同，在腐蚀反应过程中，硅(111)面32逐渐显现，该面与硅(100)面31的夹角为54.7度。其中，所使用的腐蚀溶液可添加一定量的表面活性剂如异丙醇，异丙醇可以使硅腐蚀过程中产生的氢气气泡迅速的从硅表面逸出，从而使得硅表面与腐蚀溶液充分接触，保证硅腐蚀的一致性与均匀性，得到光滑平整的硅表面。所述背面保护层23在此步骤中保护所述硅片21的背面不被腐蚀或破坏；
步骤5：如图9，使用氢氟酸去除正面保护层22和背面保护层23；对于其他材质的正面保护层22和背面保护层23，可采用相应办法去除，但不应损伤硅片21的表面(包括凹槽的表面)；
步骤6：如图10，对所述硅片21做标准清洗后，使用等离子体增强化学气相沉积法，在所述硅片21的正面沉积氧化硅做绝缘层25；绝缘层25也可为氮化硅、氧化铝、氟化镁等介质层；可使用热氧化法或其他沉积法制作；如果应用场景对芯片漏电流有较高的要求，需要对所述绝缘层25做隔离，如图11。隔断的方法为使用光刻胶或其他掩膜，对包括绝缘层25进行干法或湿法刻蚀，刻蚀出一条深度达到硅片上表面的隔离沟；
步骤7：如图12，所述硅片21的正面依次制备具有表面高反射率效果的金属反射层26和金属键合电极层；以步骤6中形成的隔离沟为界线，隔离层上的反射层26分为第一反射层和第二反射层，同时金属键合电极层分为第一金属键合电极27和第二金属键合电极28，从而实现电隔离。最后将LED倒装芯片键合在具高反射率金属层的图形化硅基板上，如图13。通过金线或基板底部挖孔填塞金属等方式形成电互联后，可电注入使用倒装LED芯片。
至此，已通过具体实施2对本发明所述的LED倒装芯片的图形化硅基板的制备方法进行了完整、清晰的描述，并且通过本实施例2，本领域技术人员应当对本发明一种LED芯片的图形化基板的制备方法有了清晰、确定的认识。综上所述，本发明提出一种LED芯片的图形化基板及其相应的制备方法，制备了具有高反射率的图形化基板，近距离地改变LED芯片从端面出射的光的传播方向，使其向上出射，从而减少了端面出射光的吸收与损耗，提高了LED芯片的光提取效率；基板厚度变薄，也有助于降低系统的串联热阻，改善散热，易于集成。
另外，为了进一步清晰、明确的证明本发明所提出的LED芯片的图形化基板及其制备方法的有益效果，基于上述LED倒装芯片的图形化硅基板结构和制备方法，亦可将其相应地应用到LED正装芯片的发光结构中，为此，本发明提出了具体实施例3如图14所示LED正装芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图，LED正装芯片基本结构组成与LED倒装芯片一致，包括：衬底11；n型层12；有源区13；p型层14；p型电极15；n型电极16，其主要区别在于，LED正装芯片的衬底11位于芯片底部，p型电极15和n型电极16位于芯片顶部，即在结构形式上，将LED倒装芯片的结构组成整体上反向朝上即可。
针对此类LED正装芯片，因其图形化硅基板p型电极15和n型电极16朝上，所以该图形化硅基板凹槽结构底部只需要制备绝缘层25和反射层26，其相应的制备材料、制备厚度、制备工艺均与具体实施例1或2的类似或一致；而为了将其固定在图形化硅基板凹槽底部，在反射层上引入一层粘结层29即可。
除此之外，为了保证其能够改变LED正装芯片有源区发出的光线路径，增强集成效果，具体实施例3中对凹槽深度进行了一定限制，以保证LED正装芯片可以完全放进凹槽内。
至此，已通过具体实施3对本发明所述的LED倒装芯片的图形化硅基板及其制备方法的推广和适用进行了完整、清晰的描述，并且通过本实施例3，本领域技术人员应当对本发明一种LED芯片的图形化基板及其制备方法有了更加清晰、确定的认识。
同样的，基于具体实施例3所述的LED正装芯片的图形化硅基板结构，将其相应地应用到LED垂直芯片的发光结构中，为此，本发明提出了具体实施例4如图15所示LED垂直芯片及其图形化硅基板的整体剖面示意图，LED垂直芯片基本结构组成与LED倒装芯片一致，包括：n型层12；有源区13；p型层14；p型电极15；n型电极16；键合基板17，其主要区别在于，LED垂直芯片在工艺过程中去除了外延时使用的衬底11，顶部一侧为n型层12，在n型层上具备n型电极16，而p型电极15位于芯片底部，与支撑基板17电互连。常规使用的支撑基板17为铜，可采用键合或电镀等方式使p型电极15与支撑基板17电互连。
针对此类LED垂直芯片，其图形化硅基板凹槽结构底部需要制备绝缘层25和反射层26，其相应的制备材料、制备厚度、制备工艺均与具体实施例1或2的类似或一致；为了将其固定在图形化硅基板凹槽底部，在反射层上引入一层粘结层29；特别地，由于LED垂直芯片支撑基板17位于芯片底部，该种粘结层应具备良好的导电特性，以便通过金线或其他方式形成电互连。
除此之外，为了保证其能够改变LED垂直芯片有源区发出的光线路径，增强集成效果，具体实施例3中对凹槽深度进行了一定限制，以保证LED垂直芯片可以完全放进凹槽内。
至此，已通过具体实施4对本发明所述的LED倒装芯片的图形化硅基板及其制备方法的进一步地推广和适用进行了完整、清晰的描述，并且通过本实施例4，本领域技术人员应当对本发明一种LED芯片的图形化基板及其制备方法有了更加清晰、确定的认识。
综上所述，本发明提出的一种LED倒装芯片的图形化基板及其相应的制备方法，制备了具有高反射率的图形化基板，能够近距离地改变LED芯片有源区出射光的传播方向，使其向上出射，从而减少了光的吸收与损耗，提高了LED的光提取效率；同时，基板厚度变薄，也有助于降低系统的串联热阻，改善散热，使其更加易于集成。
上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种LED芯片的图形化基板，所述的LED芯片包括外延层和两个电极，其特征在于，
所述的基板包括一个凹槽结构，用于放置LED芯片；
所述的凹槽结构内表面覆盖有反射层，用于反射所述LED芯片出射的光线。
2.根据权利要求1所述的LED芯片的图形化基板，其特征在于，所述的基板是硅基板、氮化铝基板或PCB基板。
3.根据权利要求1所述的LED芯片的图形化基板，其特征在于，所述的凹槽结构剖面形状为倒置的梯形。
4.根据权利要求1所述的LED芯片的图形化基板，其特征在于，所述的基板凹槽结构内表面和反射层之间还包括一层绝缘层。
5.根据权利要求1所述的LED芯片的图形化基板，其特征在于，所述的基板凹槽结构的深度至少大于所述LED芯片的外延层厚度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的LED芯片的图形化基板，其特征在于，所述LED芯片是LED倒装芯片，所述的LED倒装芯片包括外延层和两个电极，所述的基板凹槽结构底部，即反射层上表面还覆盖有一层金属键合电极层。
7.根据权利要求6所述的LED倒装芯片的图形化基板，其特征在于，所述的反射层包括一条隔离沟，用于将反射层隔开为第一反射层和第二反射层。
8.根据权利要7所述的LED倒装芯片的图形化基板，其特征在于，所述的隔离沟将所述的金属键合电极层隔开为第一金属键合电极和第二金属键合电极，用于和LED倒装芯片的两个电极分别相接。
9.一种LED芯片的图形化基板的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基板正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，进行图形化处理；
S2、在图形化处理的基板上形成凹槽结构；
S3、在凹槽结构内表面依次制备绝缘层、反射层；
其特征在于，使用湿化学腐蚀法在所述的基板上形成凹槽结构。
10.根据权利要求9所述的LED芯片的图形化基板的制备方法，其特征在于，所述LED芯片为LED倒装芯片，所述步骤S3还包括在凹槽结构内反射层上制备一层金属键合电极层。
11.根据权利要求10所述的LED芯片的图形化基板的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括在反射层和金属键合电极层上制备一条隔离沟。
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