CN111584692B - 大发光角度倒装Mini-LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大发光角度倒装Mini‑LED芯片，其包括：倒装LED芯片本体，其包括衬底和设于衬底正面的发光结构；和折射层，其设于所述衬底的背面；所述折射层由多个棱台和/或锥台组成，所述棱台/锥台的底面与所述衬底连接；发光结构所发出的光线从所述棱台/锥台的侧面和/或顶面射出，以提升倒装Mini‑LED芯片的发光角度。相应的，本发明还公开了上述大发光角度倒装Mini‑LED芯片的制备方法。实施发明，可有效提升Mini‑LED的发光角度，使得Mini‑LED可应用于大规格的屏幕。
Description
技术领域
本发明涉及光电子制造技术领域，尤其涉及大发光角度倒装Mini-LED芯片及其制备方法。
背景技术
Mini LED是指大小为50～200μm的LED，又称为次毫米发光二极管。Mini LED是近年来LED技术发展的主力，其被广泛地应用到背光、VR屏幕、手机显示屏小型显示屏等领域。然而，由于其发光角小，使得其难以应用在较大规格的屏幕上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种大发光角度倒装Mini-LED芯片，其发光角度大，可应用于大型屏幕。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种上述大发光角度倒装Mini-LED芯片的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大发光角度倒装Mini-LED芯片，其包括：
倒装LED芯片本体，其包括衬底和设于衬底正面的发光结构；和
折射层，其设于所述衬底的背面；
所述折射层由多个棱台和/或锥台组成，所述棱台/锥台的底面与所述衬底连接；所述发光结构所发出的光线从所述棱台/锥台的侧面和/或顶面射出，以提升倒装Mini-LED芯片的发光角度。
作为上述技术方案的改进，还包括：
遮挡层，所述遮挡层设于所述棱台和/或锥台的顶面。
作为上述技术方案的改进，所述棱台为三棱台、四棱台、六棱台或八棱台。
作为上述技术方案的改进，所述棱台的底面的宽度为3～10μm，高度为0.5～2μm；
所述锥台底面的直径为3～10μm，高度为0.5～2μm；
所述棱台和/或所述锥台间距均匀地分布在所述衬底上，相邻棱台和/或相邻锥台和/或相邻棱台和锥台之间的距离为0.5～2μm。
作为上述技术方案的改进，所述遮挡层包括第一遮挡层和第二遮挡层；所述第二遮挡层设于所述第一遮挡层上方；
所述第一遮挡层为SiO2层和/或SiNx层；
所述第二遮挡层为Al层、Ag层、DBR层中的一种或多种；
所述第一遮挡层的厚度为80～300nm；
所述第二遮挡层的厚度为100～500nm。
作为上述技术方案的改进，所述倒装LED芯片本体包括：
衬底；
设于所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；
设于所述第二半导体层上的透明导电层；
设于所述透明导电层上的复合反射层；
第一电极，其通过设于所述外延层并贯穿至第一半导体层的第一孔洞与所述第一半导体层连接；
第二电极，其通过设于贯穿所述复合反射层的第二孔洞与所述透明导电层连接；
绝缘层，其设于所述第一电极、第二电极和透明导电层表面；
第一焊盘，其与所述第一电极电连接；和
第二焊盘，其与所述第二电极电连接。
相应的，本发明还公开了一种上述的大发光角度倒装Mini-LED芯片的制备方法，其包括：
(1)制备倒装LED芯片本体；
(2)将倒装LED芯片本体的衬底背面研磨减薄；
(3)在衬底背面形成折射层，即得到大发光角度倒装Mini-LED芯片成品。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)包括：
(3.1)在衬底背面形成刻蚀保护层；
(3.2)选取第一蚀刻液，对所述刻蚀保护层进行蚀刻，形成第一开口；
(3.3)选取第二蚀刻液，对所述第一开口下部的衬底进行蚀刻，得到多个棱台，形成折射层。
作为上述技术方案的改进，步骤(3.1)中，所述刻蚀保护层为SiO2层和/或SiNx层；
步骤(3.2)中，所述第一蚀刻液选用HF溶液和NH4Cl溶液的混合物或H3PO4溶液或HNO3溶液与H3PO4溶液的混合物；
步骤(3.3)中，所述第二蚀刻液选用H2SO4溶液、H3PO4溶液或HNO3溶液中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，步骤(3.3)中，所述第二蚀刻液选用H2SO4溶液和H3PO4溶液的混合物，且H3PO4和H2SO4溶液的体积比为3：1；
蚀刻温度≥120℃。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明通过在衬底背面设置具有多个棱台和/或锥台的折射层，使得倒装Mini-LED发出的光线可从棱台或锥台的侧面射出，提升了倒装Mini-LED芯片的发光角度。
2.本发明通过控制折射层棱台的形状，使得棱台可具有多个侧面，并且具有一定的角度，进一步提升了倒装Mini-LED的发光角度。
3.本发明通过在折射层上设置遮挡层，有效防止了光线从折射层棱台/锥台的顶面射出，进而使得光线仅通过其侧面射出，加大了发光角度。
附图说明
图1是本发明一实施例中大发光角度倒装Mini-LED芯片的结构示意图；
图2是本发明一实施例中折射层的俯视电镜图；
图3是本发明一实施例中折射层的主视电镜图；
图4是本发明一实施例中遮挡层的结构示意图；
图5是本发明一实施例中遮挡层的电镜图；
图6是本发明一实施例中倒装LED芯片本体的结构示意图；
图7是本发明一种大发光角度倒装Mini-LED芯片的制备方法流程图；
图8是本发明一实施例中倒装LED芯片本体的制备方法流程图；
图9是本发明一实施例中S311步骤后光刻胶在衬底上分布状态示意图；
图10是本发明一实施例中S312步骤后折射层结构示意图；
图11是本发明另一实施例之中湿法刻蚀过程中的衬底、光刻胶及刻蚀保护层的分布状态示意图；
图12是本发明另一实施例之中湿法刻蚀过程中的衬底和刻蚀保护层的分布状态示意图；
图13是本发明另一实施例之中湿法刻蚀过程中衬底、折射层和第一遮挡层的分布状态示意图。
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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
传统的Mini-LED发光角度小，难以适用于大规格屏幕。为此，本发明提供了一种大发光角度倒装Mini-LED芯片。具体的，参见图1，本发明中大发光角度倒装Mini-LED芯片包括倒装LED芯片本体1和折射层2。其中，倒装LED芯片本体1包括衬底11和发光结构，发光结构设于衬底11正面；折射层2设于衬底11背面。
折射层2由多个棱台21和/或多个锥台22组成。棱台21、锥台22的底面与衬底11连接。发光结构产生的光线从衬底11射出后，经由棱台21/锥台22的侧面和顶面射出。这种棱台/锥台结构，使得原先由衬底平坦背面射出的光线变为从棱台/锥台侧面和顶面射出，从而有效拓宽了Mini-LED芯片的发光角度。
具体的，参见图2和图3，在本发明的一个实施例中，折射层2由多个棱台21组成；棱台21由干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺形成。多个棱台21间距均匀地分布。具体的，相邻棱台21之间的距离为0.5～2μm，示例性地为0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm、1.8μm，但不限于此。
棱台21可为三棱台、四棱台、六棱台或八棱台，但不限于此；优选的，棱台21的形状为四棱台或六棱台。其中，棱台21的形状与衬底11的材质以及刻蚀工艺有关，当采用蓝宝石衬底时，经过湿法蚀刻后，形成六棱台；当采用硅衬底时，经过湿法蚀刻后，形成四棱台。进一步优选的，棱台21为六棱台，这种棱台侧面个数多，有利于拓宽Mini-LED的发光角度。
棱台21的宽度为3～10μm，当棱台21的宽度＞10μm时，棱台数目较少，无法有效提升发光角度；当棱台21的宽度＜3μm时，刻蚀工艺难度高。示例性的，棱台21的宽度为3μm、5μm、6μm、8μm、9μm；优选的，棱台21的宽度5～8μm。具体的，在本实施例之中，当棱台21底面的边数≤4条时，棱台21的宽度是最长边的宽度；当棱台21底面的边数≥5条时，棱台21的宽度是距离最远的两个端点之间线段的宽度。
棱台21的高度为0.5～2μm；当棱台21的高度＞2μm时，棱台21底角过大，无法有效提升发光角度。当棱台21的高度＜0.5μm时，棱台底角过小，光线无法折射通过棱台侧面，而被全反射，即无法起到提升发光角度的作用。示例性地，棱台21的高度为0.5μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.5μm、1.8μm，但不限于此。
具体的，在本发明的另一个实施例之中，折射层2由多个锥台22组成；锥台22由干法刻蚀工艺形成。多个锥台22间距均匀地分布。具体的，相邻锥台22之间的距离为0.5～2μm，示例性地为0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm、1.8μm，但不限于此。
锥台22底面直径为3～10μm，当锥台22底面直径＞10μm时，锥台数目较少，无法有效提升发光角度，当锥台22底面直径＜3μm时，刻蚀工艺难度高。示例性的，锥台22底面直径为3μm、5μm、6μm、8μm、9μm，但不限于此。
锥台22的高度为0.5～2μm；当锥台22的高度＞2μm时，锥台22底角过大，无法有效提升发光角度。当锥台22的高度＜0.5μm时，锥台底角过小，光线无法折射通过锥台侧面，而被全反射，即无法起到提升发光角度的作用。示例性地，棱台21的高度为0.5μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.5μm、1.8μm，但不限于此。
在本发明的又一个实施例之中，折射层2由多个棱台21和多个锥台22组成。相邻棱台21、相邻锥台22和相邻棱台21与锥台22之间的间距相等，为0.5～2μm。棱台21的宽度为3～10μm，棱台21的高度为0.5～2μm；锥台22底面直径为3～10μm，锥台22的高度为0.5～2μm。
为了进一步提升本发明中倒装Mini-LED芯片的发光角度，在折射层2的上方还设有遮挡层3(图1)。遮挡层3设置在棱台21/锥台22的顶面，其可有效防止光线从棱台21和/或锥台22的顶面射出，进而保证光线仅从棱台21和/或锥台22的侧面射出，有效提升Mini-LED芯片发光角度。
具体的，参见图4和图5，遮挡层3包括第一遮挡层31和第二遮挡层32；其中，第一遮挡层为SiO2层和/或SiNx层，但不限于此；第二遮挡层32为Al层、Ag层、DBR层中的一种或多种，但不限于此。优选的，第一遮挡层31为SiO2层；第二遮挡层32为Al层。
第一遮挡层31的厚度为80～300nm，示例性的为80nm、95nm、100nm、120nm、180nm、200nm、260nm、295nm，但不限于此。优选的，第一遮挡层31的厚度为100～200nm。
第二遮挡层32的厚度为100～500nm，示例性的为100nm、110nm、150nm、180nm、250nm、300nm、370nm、420nm，但不限于此。优选的，第二遮挡层32的厚度为100～300nm。
具体的，参考图6，在本实施例之中，倒装LED芯片本体1包括衬底11和依次设于衬底11上的外延层12、透明导电层13、复合反射层14、第一电极15、第二电极16、绝缘层17、第一焊盘18和第二焊盘19。其中，外延层12包括第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123；第一电极15通过设置在外延层12并贯穿至第一半导体层121的第一孔洞124与第一半导体层121形成电连接；第二电极16通过设置在复合反射层14上的第二孔洞141与透明导电层13形成电连接，进而与第二半导体层123形成电连接。第一焊盘18通过设置在绝缘层17的第三孔洞171与第一电极15电连接，第二焊盘19通过设置在绝缘层17上的第四孔洞172与第二电极电连接。
需要说明的是，本发明中的倒装LED芯片本体1的结构并不限于上述结构，常见的倒装LED芯片结构均可适应于本发明中的折射层2结构。
相应的，参见图7，本发明还公开了一种上述大发光角度倒装Mini-LED芯片的制备方法，其包括以下步骤：
S100：制备倒装LED芯片本体；
S200：将倒装LED芯片本体的衬底背面研磨减薄；
S300：在衬底背面形成折射层，即得到大发光角度倒装Mini-LED芯片成品；
基于上述制备方法制备得到的倒装Mini-LED芯片，其设置了折射层，可有效提升Mini-LED芯片的发光角度。
具体的，参见图8，本发明中倒装LED芯片本体的制备方法包括：
S1：提供一衬底；
其中，衬底选用蓝宝石、硅、SiC或尖晶石，但不限于此；
S2：在衬底上形成外延层；
其中，外延层12包括第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123。具体的，外延层12为GaN基半导体层，即第一半导体层121为N-GaN层，第二半导体层123为P-GaN层，但不限于此。
S3：对外延层进行光刻刻蚀，形成第一孔洞；
具体的，通过光刻刻蚀工艺在外延层12上形成第一孔洞124；第一孔洞124贯穿至第一半导体层121。
S4：在外延层上形成透明导电层；
具体的，在外延层12上形成透明导电层13，然后对透明导电层进行光刻刻蚀，暴露出第一孔洞124；并将第一孔洞124侧壁和底部的透明导电层去除。
其中，透明导电层13可为ITO层、AZO层、GZO层等，但不限于此。优选的，在本实施例之中，透明导电层13为ITO层，其透光率较高，可有效降低光的损失，且ITO层电阻小，有利于电流扩展，防止电流拥堵现象，提升量子效率。
S5：在透明导电层上形成复合反射层；
其中，复合发射层14为DBR层或Ag层和金属阻挡层的复合层等，但不限于此。
具体的，复合反射层14通过负胶光刻-电子束蒸镀(或磁控溅射沉积或物理气相沉积)-剥离工艺形成。
S6：对复合反射层进行光刻刻蚀，形成第二孔洞；
具体的，通过光刻刻蚀工艺在复合反射层上形成第二孔洞141；第二孔洞141贯穿至透明导电层13。
具体的，通过光刻刻蚀工艺还可去除第一孔洞124内的复合反射层。
S7：形成第一电极和第二电极；
具体的，采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射工艺形成第一电极15和第二电极16。其中，第一电极15通过第一孔洞124与第一半导体层121形成电连接；第二电极16通过第二孔洞141与透明导电层13连接，进而形成与第二半导体层123的电连接。
S8：形成绝缘层；
具体的，在第一电极15、第二电极16和透明导电层13表面形成绝缘层17；并对绝缘层进行光刻刻蚀，形成第三孔洞171和第四孔洞172。第三孔洞171和第四孔洞172分别暴露了部分第一电极15和第二电极16，以便后期与焊盘连接。
S9：形成第一焊盘和第二焊盘，得到倒装LED芯片本体；
其中，第一焊盘18和第二焊盘19的材质选用AuSn，但不限于此。
需要说明的是，本发明中倒装LED芯片本体的结构不限于本实施例中的结构；当采用其他结构的倒装LED芯片时，其制备方法也相应发生变化。本发明在此不再列举。
具体的，在S300步骤中，通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成折射层。在本发明的一个实施例之中，采用干法刻蚀。当采用干法刻蚀时，S300包括以下步骤：
S310：在衬底背面涂覆光刻胶；
具体的，光刻胶为正胶，也可为负胶，但不限于此；
S311：紫外曝光，形成图形；
具体的，参考图9，通过紫外曝光，将部分光刻胶A去除，形成第一小孔B；
S312：干法刻蚀，形成折射层；
具体的，对第一小孔B底部的衬底11进行刻蚀，形成多个棱台和/或锥台；然后去除光刻胶，即得到折射层(图10)。
优选的，还包括：
S313：在折射层上形成遮挡层；
具体的，可采用蒸镀或溅射工艺在折射层上形成遮挡层，并通过光刻刻蚀工艺去除锥台和/或侧面以及相邻棱台、相邻锥台或相邻锥台和棱台之间的多余遮挡层。
具体的，在本发明的另一个实施例之中，采用湿法刻蚀。当采用湿法刻蚀时，S300包括以下步骤：
S320：在衬底背面形成刻蚀保护层；
具体的，采用蒸镀或溅射工艺在衬底背面形成刻蚀保护层；刻蚀保护层为SiO2层和/或SiNx层，但不限于此。优选的为SiO2层。
S321：选取第一蚀刻液，对刻蚀保护层进行蚀刻，形成第一开口；
具体的，S321包括：
(1)在刻蚀保护层表面涂覆光刻胶；
具体的，光刻胶为正胶，也可为负胶，但不限于此。
(2)紫外曝光，形成图形；
具体的，参考图11，通过紫外曝光，将部分光刻胶A去除，形成第二小孔C；
(3)选用第一蚀刻液，对刻蚀保护层进行蚀刻，形成第一开口；
具体的，选用第一蚀刻液，对第二小孔C底部的刻蚀保护层D进行蚀刻，形成第一开口E，第一开口E暴露出衬底11(图12)，蚀刻后去除光刻胶。
具体的，第一蚀刻液选用HF溶液和NH4Cl溶液的混合物(BoE)。这种第一蚀刻液可确保对刻蚀保护曾进行有效蚀刻，而对衬底11几乎不进行蚀刻，确保了后期折射层2的结构。
具体的，本发明中的第一蚀刻液主要应用于刻蚀保护层为SiO2材质时的蚀刻。当选用其他材质的刻蚀保护层后，亦可采用其他组分的第一蚀刻液；如当选用氮化硅作为刻蚀保护层时，可采用磷酸混合溶液进行刻蚀。
S322：选取第二蚀刻液，对第一开口下部的衬底进行蚀刻，得到多个棱台，形成折射层；
具体的，选用第二蚀刻液，对第一开口E底部的衬底11进行蚀刻，形成多个棱台21，即得到折射层2(图13)。
具体的，第二蚀刻液选用H2SO4溶液、H3PO4溶液或HNO3溶液中的一种或多种。优选的，选用硫酸溶液和磷酸溶液的混合物，且其体积比为3:1。这种第二蚀刻液，可确保对衬底11进行有效的蚀刻，而不对刻蚀保护层蚀刻。并且，这种第二蚀刻液刻蚀效率高，能够有效与衬底11作用，形成棱台结构。
具体的，在蚀刻过程中，确保温度≥120℃。若温度太低，则蚀刻效率低，棱台侧面粗糙化，拓宽发光角的作用被弱化。
需要说明的是，硫酸和磷酸的混合溶液主要适应于对蓝宝石衬底的刻蚀；当选用其他材质衬底时，可根据其具体性质选用第二蚀刻液，如选用硅基底时，可采用硝酸与氢氟酸的混合液进行蚀刻；亦可考虑采用NaOH溶液进行蚀刻。
通过刻蚀后，刻蚀保护层D部分被保留，可用作后期的第一遮挡层31。
优选的，还包括以下步骤：
S323：在折射层上形成遮挡层；
具体的，可采用蒸镀或溅射工艺在第一遮挡层31上形成第二遮挡层32，并通过光刻刻蚀工艺去除棱台侧面以及相邻棱台之间的多余第二遮挡层。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种大发光角度倒装Mini-LED芯片，其特征在于，包括：
倒装LED芯片本体，其包括衬底和设于衬底正面的发光结构；
折射层，其设于所述衬底的背面；和
遮挡层，其设于折射层的顶面；所述遮挡层包括第一遮挡层和第二遮挡层；所述第二遮挡层设于所述第一遮挡层上方；所述第一遮挡层为SiO2层和/或SiNx层，其厚度为80~300nm；所述第二遮挡层为Al层、Ag层、DBR层中的一种或多种，其厚度为100~500 nm；
所述折射层由多个棱台和锥台组成，所述折射层的底面与所述衬底连接；所述发光结构所发出的光线从所述折射层的顶面射出，以提升倒装Mini-LED芯片的发光角度；
所述棱台的底面的宽度为3~10 μm，高度为0.5~2 μm，所述锥台底面的直径为3~10 μm，高度为0.5~2 μm，所述棱台和/或所述锥台间距均匀地分布在所述衬底上，相邻棱台和锥台之间的距离为0.5~2 μm，相邻锥台或相邻棱台之间的距离为0.5~2 μm。
2.如权利要求1所述的大发光角度倒装Mini-LED芯片，其特征在于，所述棱台为三棱台、四棱台、六棱台或八棱台。
3.如权利要求1所述的大发光角度倒装Mini-LED芯片，其特征在于，所述倒装LED芯片本体包括：
衬底；
设于所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；
设于所述第二半导体层上的透明导电层；
设于所述透明导电层上的复合反射层；
第一电极，其通过设于所述外延层并贯穿至第一半导体层的第一孔洞与所述第一半导体层连接；
第二电极，其通过设于贯穿所述复合反射层的第二孔洞与所述透明导电层连接；
绝缘层，其设于所述第一电极、第二电极和透明导电层表面；
第一焊盘，其与所述第一电极电连接；和
第二焊盘，其与所述第二电极电连接。
4.如权利要求1~3任一项所述的大发光角度倒装Mini-LED芯片的制备方法，其特征在于，包括：
（1）制备倒装LED芯片本体；
（2）将倒装LED芯片本体的衬底背面研磨减薄；
（3）在衬底背面形成折射层，即得到大发光角度倒装Mini-LED芯片成品；
其中，步骤（3）包括：
（3.1）在衬底背面形成刻蚀保护层；所述刻蚀保护层为SiO2层和/或SiNx层；
（3.2）选取第一蚀刻液，对所述刻蚀保护层进行蚀刻，形成第一开口；第一蚀刻液选用HF溶液和NH4Cl溶液的混合物或H3PO4溶液或HNO3溶液与H3PO4溶液的混合物；
（3.3）选取第二蚀刻液，对所述第一开口下部的衬底进行蚀刻，得到多个棱台，形成折射层；所述第二蚀刻液选用H2SO4溶液和H3PO4溶液的混合物，且H3PO4和H2SO4溶液的体积比为3：1；蚀刻温度≥120 ℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010413988.XA CN111584692B (zh) | 2020-05-15 | 大发光角度倒装Mini-LED芯片及其制备方法 |
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| CN111584692A CN111584692A (zh) | 2020-08-25 |
| CN111584692B true CN111584692B (zh) | 2024-06-25 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN212161846U (zh) * | 2020-05-15 | 2020-12-15 | 佛山市国星半导体技术有限公司 | 大发光角度倒装Mini-LED芯片 |
Patent Citations (1)
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