CN110299441A - 可提高led出光效率的硅基反射圈、制备方法及led器件 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种可提高LED出光效率的硅基反射圈、制备方法及LED器件；其中，所述可提高LED出光效率的硅基反射圈的内壁围成一中空贯通的腔体，套设在LED芯片的周围，在所述反射圈的内壁上覆盖有反射层，用于反射所述LED芯片出射的光线从而改变其传播方向。本公开提供可提高LED出光效率的硅基反射圈、制备方法及LED器件，适用于任何LED芯片的封装体中，提高了出光效率，具备很好的散热性能，有利于实现多芯片的集成应用。
Description
技术领域
本公开涉及半导体制备技术领域，特别是指一种可提高LED出光效率的硅基反射圈、制备方法及LED器件。
背景技术
LED的发光效率主要由内量子效率和外量子效率决定。黄绿红光LED的内量子效率接近100％，蓝紫光LED的内量子效率达80％以上。然而LED芯片有源层产生的光从半导体材料向外出射时，受到全反射效应的限制，只有少部分光能辐射到外部空间，大部分光被限制在外延层和蓝宝石衬底内部形成光波导，即光会从有源区的水平方向或与水平方向较小夹角的方向射出，对于无论是正装、倒装或垂直器件结构的LED芯片，这部分光均很容易被常规采用的基板上的电极、封装介质等吸收，严重影响芯片的出光效率。此外，GaN基可见光LED的光波导主要是TE模极化，而在A1GaN基紫外LED中，随着Al组分的增加和波长减小，光波导的主导模式由TE模逐渐向TM模转化，其中TE模和TM模分别主要沿垂直和水平方向传播，TM模更容易在衬底背面发生全反射而光提取效率更低。因此提高LED芯片的出光效率成为一个重要的研究课题。
专利申请号为CN201611052405.5的中国专利文献公开的一种LED芯片的图形化基板及其制备方法，利用硅基板制备反射凹槽，该基板受限于反射凹槽的硅材料，不具备良好的散热性能，也无法适用多种LED发光结构。专利申请号为CN200910187255.2的中国专利文献公开的一种新型LED封装结构，反射凹杯为带底的结构，LED芯片设置在凹杯内部，凹杯底部与基板相连，无法适用于LED倒装和垂直芯片的发光结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种可提高LED出光效率的硅基反射圈、制备方法及LED器件，适用于任何LED芯片的封装体中，提高了出光效率，具备很好的散热性能，有利于实现多芯片的集成应用。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种可提高LED出光效率的硅基反射圈，其中，所述反射圈的内壁围成一中空贯通的腔体，套设在LED芯片的周围，在所述反射圈的内壁上覆盖有反射层，用于反射所述LED芯片出射的光线从而改变其传播方向。
在一些实施例中，所述反射圈的材质为硅，所述反射圈的高度大于或等于100微米；所述反射圈的剖面形状为倒梯形，其内壁与LED基板的夹角为0～90度。
在一些实施例中，所述反射层为多层介质层，厚度为0.4～2微米。
根据本公开的另一个方面，提供了一种LED器件，其包括所述的硅基反射圈，还包括：基板以及键合于所述基板上的LED芯片；其中，所述反射圈套设在所述基板上。
在一些实施例中，所述基板为氮化铝陶瓷基板、碳化硅基板或PCB基板。
在一些实施例中，所述LED芯片为正装LED芯片、倒装LED芯片以及垂直LED芯片。
在一些实施例中，所述反射圈与所述基板为分体结构，所述反射圈通过粘接或焊接方式固定在基板上。
根据本公开的另一个方面，提供了一种可提高LED出光效率的硅基反射圈的制备方法，包括以下步骤：取一硅片；在硅片的正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，对正面保护层进行图形化处理；利用图形转移工艺将图形化的正面保护层下的硅片表面刻蚀至硅片背面，形成反射圈结构；去除正面保护层和背面保护层，在所述反射圈的内壁上制备反射层。
在一些实施例中，所述在硅片的正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，对正面保护层进行图形化处理的步骤包括以下子步骤：在硅片正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层；采用图形化工艺在正面保护层上制备掩膜材料；以及利用图形转移工艺将掩膜图形转移至正面保护层上。
在一些实施例中，所述正面保护层和背面保护层为二氧化硅、氮化硅或氧化铝介质层，厚度为0.1～2微米，二者为相同或不同的介质和厚度；正面保护层和背面保护层的制备方法为热氧化法或沉积法；所述图形化工艺为光刻或纳米压印；所述掩膜材料为光刻胶、二氧化硅、氮化硅或氧化铝；所述图形转移工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；所述图形为圆形或多边形；所述反射层的制备方法可为沉积法或电子束蒸发法。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开可提高LED出光效率的硅基反射圈、制备方法及LED器件至少具有以下有益效果其中之一：
(1)与现有的采用凹槽结构的反射体相比，本公开采用的是圈体结构的反射圈，中空贯通腔体，可以适用多种LED发光结构，例如正装LED芯片、倒装LED芯片以及垂直LED芯片等。
(2)本公开中空贯通圈体结构的反射圈与基板采用分体结构，基板材料不受限于反射圈的硅材料，可以选择高导热的氮化铝陶瓷、碳化硅等材料，具备很好的散热性能，有利于实现多芯片的集成应用。
(3)基于反射圈内壁表面与基板形成一定的角度，可以近距离地对LED芯片端面出射光线进行反射来改变其传播方向，使其向上出射，从而减少光的吸收与损耗，有效提高了LED的出光效率。
(4)本公开利用干法或湿法刻蚀，可得到表面平滑的、内壁与水平面呈一定倾角的反射圈结构，制备方法简单易行。
附图说明
通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。
图1为依据本公开实施例1LED器件整体剖面示意图和俯视示意图，其中，LED器件采用倒装LED芯片结构；
图2为依据本公开实施例2可提高LED出光效率的硅基反射圈的制备方法流程图；
图3为依据本公开实施例2中正面、背面覆盖有保护层的硅片的剖面示意图；
图4为依据本公开实施例2中完成正面光刻后的硅片剖面示意图；
图5为依据本公开实施例2中正面保护层图形化处理的硅片剖面示意图；
图6为依据本公开实施例2中去除光刻胶后的硅片剖面示意图；
图7为依据本公开实施例2中完成湿法腐蚀的硅片剖面示意图；
图8为依据本公开实施例2中去除正面、背面保护层的硅片剖面示意图和俯视示意图；
图9为依据本公开实施例2中反射圈的结构剖面示意图和俯视示意图；
图10为依据本公开实施例2中LED倒装芯片的出射光线传播路径示意图；
图11为依据本公开实施例3中LED器件整体剖面示意图和俯视示意图，其中，LED器件采用正装LED芯片结构；
图12为依据本公开实施例4中LED整体剖面示意图和俯视示意图，其中，LED器件采用垂直LED芯片结构。
附图标记说明：
11-衬底；12-n型层；13-n型电极；14-有源区；15-p型层；16-p型电极；17-基板；18-第一金属键合电极；19-第二金属键合电极；20-芯片粘接层；
21-硅片；22-正面保护层；23-背面保护层；24-图形化光刻胶层；25-反射层；26-粘接层；
31-硅片的(100)面；32-硅片的(111)面。
具体实施方式
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提供了一种可提高LED出光效率的硅基反射圈，其中，所述反射圈的内壁围成一中空贯通的腔体，套设在LED芯片的周围，在所述反射圈的内壁上覆盖有反射层，用于反射所述LED芯片端面出射的光线从而改变其传播方向。
具体的，所述反射圈的材质为硅，所述反射圈的高度大于或等于100微米；所述反射圈的剖面形状为倒梯形，其内壁与LED基板的夹角为0～90度。所述反射层为多层介质层，厚度为0.4～2微米。
本公开还提供了一种LED器件，其包括所述的硅基反射圈，还包括：基板以及键合于所述基板上的LED芯片；其中，所述反射圈套设在所述基板上。
具体的，所述基板为氮化铝陶瓷基板、碳化硅基板或PCB基板。所述LED芯片为正装LED芯片、倒装LED芯片以及垂直LED芯片。所述反射圈与所述基板为分体结构，所述反射圈通过粘接或焊接方式固定在基板上。
本公开还提供了一种可提高LED出光效率的硅基反射圈的制备方法，包括以下步骤：
S1、取一硅片；
S2、在硅片的正面和背面上分别制备正面和背面保护层，对正面保护层进行图形化处理；该步骤S2具体包括以下子步骤：
S2.1、在硅片正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层；
S2.2、采用图形化工艺在正面保护层上制备掩膜材料；以及
S2.3、利用图形转移工艺将掩膜图形转移至正面保护层上。
S3、利用图形转移工艺将图形化的正面保护层下的硅片表面刻蚀至硅片背面，形成反射圈结构；
S4、去除正面和背面保护层后，在反射圈的内表面制备反射层，提高反光性能。
其中，S3中利用湿法化学腐蚀在硅片上形成反射圈结构。
以下结合实施例1-4详细介绍本公开的可提高LED出光效率的硅基反射圈、制备方法及LED器件。
实施例1：
图1为依据本公开实施例1中的LED器件的整体剖面示意图和俯视示意图，上部分为整体剖面示意图，下部分为俯视示意图。
如图1所示，LED倒装芯片包括衬底11、n型层12、n型电极13、有源区14、p型层15、p型电极16；LED倒装芯片通过第一金属键合电极18和第二金属键合电极19键合在基板17的正中。LED倒装芯片的形状、尺寸可根据应用场合而定，优选长宽为500～1000微米的正方形、高为100～500微米；基板17为边长大于1500微米的正方形。金属键合电极层位于基板17上，是边长大于1500微米的正方形，厚度是1～4微米，优选1.5微米。同时，在金属键合电极层中间，包括一条平行于该侧边、宽为20～100微米的隔离沟，优选20微米，用以将金属键合电极层分为第一金属键合电极18和第二金属键合电极19，从而实现电隔离。
反射圈包括硅片21和反射层25。为了保证反射圈的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150～500微米。反射圈的剖面形状为倒梯形，内壁表面与基板的夹角为50～60度，内圈底部为边长大于600微米的正方形(大于LED倒装芯片的尺寸，以保证硅基反射圈可以套置在LED倒装芯片周围)；反射圈的内表面覆盖有反射层，反射层可为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，厚度为0.4～2微米，优选0.5～1微米。
为了将反射圈固定在基板上，在基板17上引入一层粘接层26即可，且该种粘接层应具备不导电特性，从而通过金线方式形成电互连后不影响第一金属键合电极18和第二金属键合电极19的电隔离。也可采用焊接的方式将反射圈固定在基板上。另外，如果需要在基板17的四周边缘上打金线，则四周边缘的宽度应预留80微米以上，以保证金线焊点有足够的粘附距离。
该实施例1中的反射圈完全可以应用于LED倒装芯片，将其套置在键合于基板17上的LED芯片周围，可以改变LED芯片端面出射光线的传播路径，从而减少光的吸收与损耗；同时基板17可选择氮化铝陶瓷、碳化硅等材料，有利于实现良好的散热效果。
至此，通过实施例1，本领域技术人员应当对本公开有了更加清晰、确定的认识。
实施例2：
如图2所示，本公开提出的实施例2，完整、清晰地描述了一种可提高倒装LED出光效率的硅基反射圈的制备方法，该制备方法具体如下：
步骤S1、取一硅片。
提供一表面为(100)面的硅片21，为了保证反射圈的深度和其完整可靠，硅片21的厚度为150～500微米。对所述硅片21做RCA标准清洗。
步骤S2、在硅片的正面和背面上分别制备正面和背面保护层，对正面保护层进行图形化处理。
步骤S2.1、在硅片正面和背面上分别制备正面和背面保护层。
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；保护层亦可为氮化硅、氧化铝等介质层，厚度为0.1～2微米，二者可为相同或不同的介质和厚度；保护层也可使用热氧化法或其他沉积法制作。请参照图3。
步骤S2.2、采用图形化工艺在正面保护层上制备掩膜材料。
在所述正面保护层22上旋涂正性或负性光刻胶24，经过前烘、曝光、显影、后烘后，所述光刻胶24上形成图形化窗口；图形化窗口是如图4所示的光刻胶24上形成的镂空凹槽，其相当于步骤S2.3中如图5所示正面保护层22的窗口。此实施例中，窗口的图形为正方形，亦可为长方形、圆形或多边形。所述图形化工艺为光刻或纳米压印。所述掩膜材料为软掩膜如光刻胶等，或硬掩膜如二氧化硅、氮化硅、氧化铝。
步骤S2.3、利用图形转移工艺将掩膜图形转移至正面保护层上。
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，此时窗口区暴露出硅片21的表面。这里的图形转移也可湿法刻蚀，如使用BOE溶液等腐蚀溶液，但应注意保护背面保护层23不被刻蚀。请参照图5。所述图形为圆形或多边形。
步骤S3、利用图形转移工艺将图形化的正面保护层下的硅片表面刻蚀至硅片背面，形成反射圈结构。
使用去膜剂、丙酮等有机溶剂去除残留的所述光刻胶24，请参照图6。以所述图形化的正面保护层22为掩膜，使用腐蚀溶液对硅片21(100)表面做一定时间的湿法腐蚀，直至将窗口区的硅片21表面腐蚀至硅片背面，形成反射圈结构。请参照图7。此具体实施例中反射圈的上表面形状为正方形，亦可为长方形、圆形或多边形；反射圈的剖面形状为倒梯形，内壁表面与水平面的夹角为50～60度，内圈底部的尺寸大于LED芯片的尺寸。这里的腐蚀溶液为碱性溶液，可为KOH溶液、TMAH溶液等；碱液对硅片有各向异性腐蚀的效果，硅(100)的腐蚀速率要比硅(111)的腐蚀速率大得多，在腐蚀过程中硅(111)面32逐渐暴露，与(100)面31形成50～60度的夹角，因此腐蚀得到的形貌是一个个倒梯形的凹槽，梯形的斜面即为硅(111)面32；碱性溶液中可加入异丙醇等表面活性剂以控制速率与表面形貌，加入表面活性剂后可以促进碱性溶液腐蚀过程中产生的氢气脱离硅片表面，得到较平整的腐蚀结构，但表面活性剂量过大时腐蚀速率会下降，且(100)/(111)晶片的腐蚀速率之比会下降。
步骤S4、去除正面和背面保护层后，在反射圈的内表面制备反射层，提高反光性能。
使用BOE等溶液去除正面保护层22和背面保护层23。此处应注意不损伤硅片21的表面。请参照图8。对所述硅片21做RCA标准清洗后，在所述硅片21的正面利用电子束蒸发法制备金属Al反射层25，厚度为0.5～1微米。请参照图9。所述反射层的制备方法还可为沉积法。
步骤S5、将反射圈套置在键合于基板上的LED芯片周围。
将反射圈套置在键合于基板17上的LED倒装芯片的周围，通过一层粘接层26固定在基板17上。基板17的材料为氮化铝陶瓷，亦可选择碳化硅等材料。通过金线方式形成电互连后，可电注入使用LED倒装芯片。
如图10所示，通过反射圈对LED倒装芯片端面出射的光的反射来改变其传播方向，从而向上出射，增大了光直接出射的机会。
至此，通过实施例2，本领域技术人员应当对本公开有了更加清晰、确定的认识。
实施例3：
另外，本公开可提高LED出光效率的硅基反射圈还可应用到LED正装芯片的发光结构中，为此，本公开提出了实施例3。也就是说，与前述实施例不同的是，本实施例中的LED器件中，将反射圈用于LED正装芯片。如图11所示，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、n型电极13、有源区14、p型层15、p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，n型电极13和p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n型电极13和p型电极16朝上，所以基板17上无需制备金属键合电极层，只需要制备芯片粘接层20，其他相应的制备材料、制备工艺均与具体实施例1或2的类似或一致；为了将反射圈固定在基板上，在基板17上引入一层粘接层26即可。
至此，通过实施例3，本领域技术人员应当对本公开有了更加清晰、确定的认识。
实施例4：
同样的，本公开可提高LED出光效率的硅基反射圈，还可应用到LED垂直芯片的发光结构中，为此，本公开提出了实施例4。如图12所示，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；n型电极13；有源区14；p型层15；p型电极16；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13，而p型电极16位于芯片底部，与基板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16与基板17电互连。针对此类LED垂直芯片，其反射圈相应的制备材料、制备工艺均与具体实施例1或2的类似或一致。为了将反射圈固定在基板上，在基板17上引入一层粘接层26即可。
至此，通过实施例4，本领域技术人员应当对本公开有了更加清晰、确定的认识。
综上所述，本公开提出的一种可提高LED出光效率的硅基反射圈及制备方法，制备得到的反射圈可以近距离低改变LED芯片端面出射的光的传播方向，从而向上出射，增大了光直接出射的机会，而减少了其在传播过程中的损失，提高了LED的光提取效率；同时基板的材料不受限于反射圈的硅材料，可以选择高导热的氮化铝陶瓷、碳化硅等材料，具备很好的散热性能，有利于实现多芯片的集成应用。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件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。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可提高LED出光效率的硅基反射圈，其中，所述反射圈的内壁围成一中空贯通的腔体，套设在LED芯片的周围，在所述反射圈的内壁上覆盖有反射层，用于反射所述LED芯片出射的光线从而改变其传播方向。
2.根据权利要求1所述的硅基反射圈，其中，所述反射圈的材质为硅，所述反射圈的高度大于或等于100微米；所述反射圈的剖面形状为倒梯形，其内壁与LED基板的夹角为0～90度。
3.根据权利要求1所述的硅基反射圈，其中，所述反射层为多层介质层，厚度为0.4～2微米。
4.一种LED器件，其包括如权利要求1至3中任一项所述的硅基反射圈，还包括：基板以及键合于所述基板上的LED芯片；其中，所述反射圈套设在所述基板上。
5.根据权利要求4所述的LED器件，其中，所述基板为氮化铝陶瓷基板、碳化硅基板或PCB基板。
6.根据权利要求4所述的LED器件，其中，所述LED芯片为正装LED芯片、倒装LED芯片以及垂直LED芯片。
7.根据权利要求4所述的LED器件，其中，所述反射圈与所述基板为分体结构，所述反射圈通过粘接或焊接方式固定在基板上。
8.一种可提高LED出光效率的硅基反射圈的制备方法，包括以下步骤：
取一硅片；
在硅片的正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，对正面保护层进行图形化处理；
利用图形转移工艺将图形化的正面保护层下的硅片表面刻蚀至硅片背面，形成反射圈结构；
去除正面保护层和背面保护层，在所述反射圈的内壁上制备反射层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述在硅片的正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层，对正面保护层进行图形化处理的步骤包括以下子步骤：
在硅片正面和背面上分别制备正面保护层和背面保护层；
采用图形化工艺在正面保护层上制备掩膜材料；以及
利用图形转移工艺将掩膜图形转移至正面保护层上。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，
所述正面保护层和背面保护层为二氧化硅、氮化硅或氧化铝介质层，厚度为0.1～2微米，二者为相同或不同的介质和厚度；正面保护层和背面保护层的制备方法为热氧化法或沉积法；
所述图形化工艺为光刻或纳米压印；所述掩膜材料为光刻胶、二氧化硅、氮化硅或氧化铝；所述图形转移工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；所述图形为圆形或多边形；
所述反射层的制备方法可为沉积法或电子束蒸发法。
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