CN112166507B - 一种发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管，包括：图形化衬底，第一发光半导体层，有源层，第二发光半导体层，与第一发光半导体层电连接的第一电连接层，与第二发光半导体层电连接的第二电连接层，衬底的图形一面作为出光面位于衬底远离第一发光半导体层的一侧，用以提升衬底取光效率，衬底的厚度不小于200μm，衬底图形的边缘离衬底边缘的距离为5μm至20μm，增加光萃取面积，提升发光二极管出光效果。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种半导体发光器件，特别是涉及一种紫外发光二极管芯片技术。
背景技术
紫外发光二极管芯片指的是波长λ不大于360nm，特别是波长λ不大于280nm的深紫外波段，紫外LED芯片作为一种具有高效、节能、轻便等优势的光源可用于空气、水净化，医用杀菌、消毒紫外固化等领域而被广泛关注。
对于倒装结构的紫外发光二极管芯片来说，不同的种类的芯片具有的衬底厚度是不一致的，如UVC深紫外的芯片，衬底厚度一般在400μm左右。参看图1，为了提升芯片的亮度，会在衬底出光面做一些图形化取光处理，一般经过图形化取光处理后，在激光隐形切割工艺中，特别是在较深的衬底内部，用于切割的激光会出现打不进去的后果，从图中来看，S为有效激光爆点，而位置更深的F由于激光消耗较大成为无效激光爆点，从而降低芯片切口的良率。
发明内容
为了解决背景技术中遇到的技术问题，本发明提出了一系列工艺改进方案，提供一种发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供一衬底，衬底厚度不小于200μm，较为适合用于厚衬底的制作中，尤其是厚度在400μm以上的衬底，在衬底上依次制作半导体层序列，包括第一发光半导体层、有源层、第二发光半导体层，与第一发光半导体层电连接的第一电连接层，与第二发光半导体层电连接的第二电连接层；
（2）为了保证隐形切割的效果，防止激光能量被衬底图形消耗，需在衬底背面预留出隐切位置，然而对于UVC等衬底厚度需求较厚的芯片，需要多刀隐形切割，比如400μm厚度的衬底，需要连续划4刀，需要预留非常宽的隐切宽度，以保证每次隐形切割的聚焦，造成较大取光处理表面的损失，因此本发明从衬底远离第一发光半导体层的一侧的待切割位置的不同深度上，预先进行m次隐形激光切割，我们实际生产需求来看，主要是m在3次以上，效果较为突出，而在一些实施方式中，其中m为不小于1的整数，也能起到降低衬底无图形区域面积的目的；
（3）从衬底远离第一发光半导体层的一侧进行图形制作，例如采用湿法蚀刻、干法蚀刻或者压印技术制作衬底凸起，该凸起的尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm，通常为圆锥形或者类圆锥形，其中衬底待切割位置为了避免凸起干扰激光聚焦，因此预留不做图形的区域，其中无图形的宽度为10μm至40μm；
（4）从衬底的待切割位置的不同深度上进行n次隐形激光切割，该n次切割的深度小于m次切割的深度，其中n不小于1的整数；
（5）经分割工艺，分割成多颗发光二极管芯粒。
根据本发明，优选的，有源层的发光波长介于210 nm至280nm的深紫外光波段，或者280nm至360nm的浅紫外光波段，需要注意的是，本发明的主要设计适用于采用较厚衬底的发光二极管，而不限于波长。而根据紫外波段的光学特性，特别是深紫外波段在较厚衬底的倒装发光二极管中，相比较薄衬底，具有更好的光萃取效率。
根据本发明，优选的，因为衬底一侧为出光面，衬底为透明或者半透明材料。
根据本发明，优选的，衬底材料包括蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅。
根据本发明，优选的，衬底厚度不小于400μm，而根据出光检测，在紫外波段，特别是深紫外波段，在较厚衬底的倒装发光二极管中，具有更好的光萃取效率，衬底厚度增加，光萃取效率提升。
根据本发明，优选的，衬底厚度不小于600μm，实际上，在600μm以上的厚度，反而无图形区域的可以设计的越窄，因为衬底较厚，激光隐形切割的爆点对衬底稳定性影响越少，不容易因为切割而异常脆裂，因此可在制作图形之前进行m值更大的隐形激光切割。
根据本发明，优选的，衬底远离第一发光半导体层的一侧的无图形区域宽度为10μm至30μm，相当于单颗芯粒单侧预留无图形区域宽度的一半。
根据本发明，优选的，衬底上具有复数块无图形区域，无图形区域在衬底上可为网格状分布。
根据本发明，优选的，分割工艺为劈裂工艺。
通过上述芯片的制作工艺，可以制作得到一种发光二极管结构，包括：图形化衬底，第一发光半导体层，有源层，第二发光半导体层，与第一发光半导体层电连接的第一电连接层，与第二发光半导体层电连接的第二电连接层，衬底厚度不小于200μm，衬底图形的边缘离衬底边缘的距离为5μm至20μm。
根据本发明，优选的，衬底至少在同一竖直面的不同深度经过k次激光隐形切割工艺，其中k为2、3或者为不小于4的整数次。，即本发明主要针对需要多次激光隐形切割工艺的发光二极管产品。
根据本发明，优选地，衬底的图形一面作为出光面位于衬底远离第一发光半导体层的一侧。
根据本发明，优选的，衬底厚度不小于400μm，在衬底面为出光面时，或者部分出光通过衬底增加光效，利于底部反射出光，根据出光检测，以衬底面为出光面为例，在紫外波段，特别是深紫外波段，在较厚衬底的倒装发光二极管中，具有更好的光萃取效率，UVC芯片亮度与厚度有较大相关性，厚度越厚，亮度越高。
根据本发明，优选的，衬底厚度不小于600μm，实际上，在600μm以上的厚度，反而预留衬底无图形区域可以设计的越窄，因为衬底较厚，激光隐形切割的爆点对衬底稳定性影响越少，不容易因为切割而异常脆裂，更适合多重切割工艺。
根据本发明，优选的，衬底图形的边缘离衬底边缘的距离为5μm至15μm，具有较大的用于光萃取的图形面积。
根据本发明，优选的，有源层的发光波长介于210 nm至280nm的深紫外光波段，或者280nm至360nm的浅紫外光波段，需要注意的是，本发明的主要设计适用于采用较厚衬底的发光二极管，而不限于波长。而根据紫外波段，特别是深紫外波段在较厚衬底的倒装发光二极管中，具有更好的光萃取效率。
根据本发明，优选的，考虑到衬底一侧为出光面，衬底选为透明或者半透明材料。
根据本发明，优选的，衬底材料包括蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅。
为了更好的描述主要产品的结构，根据本发明，优选的，第一电连接层和第二电连接层位于衬底远离出光面的一侧。
根据本发明，优选的，图形是尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm的衬底凸起。
根据本发明，优选的，图形为圆锥形或者类圆锥形。
根据本发明，优选的，凸起为对衬底进行湿法蚀刻、干法蚀刻或者压印技术制备得到。
本发明的有益效果包括：通过改变工艺步骤，增大衬底出光面做取光处理的面积，即最大衬底图形的面积，提升芯片的亮度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为背景技术中发光二极管芯片的截面示意图；
图2为实施例一中步骤（1）的发光二极管芯片的截面示意图；
图3为实施例一中对未分段隐形切割的发光二极管芯片的截面示意图；
图4为实施例一中步骤（2）的发光二极管芯片的截面示意图；
图5为实施例一中步骤（3）的发光二极管芯片的截面示意图；
图6为实施例一中步骤（4）的发光二极管芯片的截面示意图；
图7为实施例一中步骤（5）的发光二极管芯片的截面示意图；
图8为实施例一中步骤（5）的发光二极管芯片的衬底面示意图；
图9为实施例二中的发光二极管芯片的截面示意图；
图10为实施例四中的发光二极管芯片的截面示意图。
图中标识：
100、衬底；210、第一发光半导体层；220、第二发光半导体层；230、有源层；310、第一电连接层；320、第二电连接层；400、镜面；P、有效激光爆点；F、无效激光爆点；C、切割道；L1、无图形的宽度；L2、衬底图形的边缘离衬底边缘的距离；虚线：激光路径；箭头：光传导路径。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
应当理解，本发明所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本发明。进一步理解，当在本发明中使用术语“包含”、"包括"时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、组件、和/或的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件、和/或它们的组合的存在或增加。
在本发明的第一个实施例中，提供一种发光二极管的制作方法，包括步骤：
参看图2，步骤（1），提供一晶圆状衬底100，衬底100为透明或者半透明材料，例如采用：蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅等材料，本实施例以蓝宝石为例，进行方案描述，衬底100厚度不小于200μm，特别是厚度为不小于400μm或者600μm的衬底100，利用金属化学气相沉积在衬底上制作第一发光半导体层210、第二发光半导体层220以及位于两者之间的有源层230，与第一发光半导体层210电连接的第一电连接层310，与第二发光半导体层220电连接的第二电连接层320，第一半导体层210包括N型半导体层，第二发光半导体层220包括P型半导体层，第一电连接层310包括N型电极，第二电连接层320包括P型电极，本实施例中，主要论述的为采用倒装结构的发光二极管，因此衬底100远离第一发光半导体层210的一侧为出光面；有源层230的发光波长介于210 nm至280nm的深紫外光波段，或者280nm至360nm的浅紫外光波段中，采用厚衬底有利于提升衬底光萃取效率，在该工艺中，只强调了影响发光二极管的衬底图形面积和切割良率的主要工艺，从而影响和提升取光效率，在本实施例中，具体来说，还包括步骤制作N型台阶面，用于形成N型电极窗口；以及包括步骤制作发光二极管的切割道C，在切割道C处，移除半导体材料直至露出衬底100，衬底100表面后续可以覆盖用于保护发光二极管的钝化层，这里所述的切割道C位于衬底100靠近第一发光半导体层210的一侧。
参看图3，通常在厚衬底的芯片工艺中，例如衬底100厚度为400μm的隐形切割中，利用激光对衬底100内部不同深度的小范围内材料进行去除，为了避免激光被衬底图形消耗能量，导致最终衬底100的激光切痕不均匀，特别是切割深度较深的位置，经常由于能量在传导路径上消耗过多，因此需要在衬底图形化的工艺中，衬底100远离第一发光半导体层210的一侧的待切割位置上预留出无图形区域，用以保证切割良率。
当需要多次隐形切割时，为了保证不同深度的待切割位置上均有有效的切痕，其中如图中虚线所示的隐形激光聚焦路径，衬底100越厚、越深的聚焦需要预留越多的无图形区域，可能会出现预留无图形区域宽度过大的问题，造成衬底100光萃取效率降低，因此本实施例的步骤（2）中做了一系列的改进。
参看图4，步骤（2），从衬底100远离第一发光半导体层210的一侧的待切割位置上的不同深度上，进行第一批次的m次隐形激光切割，激光切割顺序由深至浅，而从图中来看，则是从上至下进行激光切割，在衬底100上深度逐步变小，这里的待切割位置主要指的是传统意义上芯片切割道C所对应的衬底位置，其中m不小于1，特别是m不小于3的整数，例如在衬底100厚度为400μm时，可能需要4次不同深度的隐形激光切割，则该步骤采用3次隐形激光切割。
参看图5，步骤（3），从衬底100远离第一发光半导体层210的一侧进行图形制作，图形制作的方法包括但不限于湿法蚀刻、干法蚀刻或者压印技术，图形是尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm的圆锥状或类圆锥状的衬底凸起。其中衬底100待切割位置不做图形，用于保证形成m次后隐形切割的有效切痕，其中无图形的宽度L1为10μm至40μm，即图形边缘距离图形边缘的距离，优选的，无图形的宽度L1为10μm至30μm，从晶圆上看，无图形区域为网格状分布。
参看图6，步骤（4），从衬底100的待切割位置的无图形的不同深度上进行第二批次的n次隐形激光切割，该n次切割的深度小于m次切割的深度，其中n不小于1的整数，激光切割顺序由深至浅，在衬底100上切割深度逐步变小，因为第一批次的m次切割已起到预切割的效果，本步骤中，只需要较少刀数即可保证裂片效果，在本实施例中以n为1为例，第二批次的隐形激光切割由于靠近衬底100表面，需要的预留无图形面积很小。
参看图7和图8，步骤（5）经分割工艺，例如采用芯片裂片工艺，通过劈刀将晶圆分割成多颗发光二极管芯粒，图8中的粗糙面为衬底图形，平滑面为无图形区域。
参看图9，在本发明的第二个实施例中，提供了一种发光二极管结构，包括：用于提升取光效率的图形化衬底100，衬底100选为透明或者半透明材料，衬底100例如蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅，本实施例以蓝宝石为衬底材料。
发光二极管的出光主要经过衬底向外辐射，图形为圆锥形或者类圆锥形，图形尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm的衬底凸起，凸起通过降低衬底全反射来提升发光二极管的光萃取效率，衬底100上还具有外延发光序列，外延发光序列依次包括第一发光半导体层210，有源层230，第二发光半导体层220，第一发光半导体层210具有平台作为电极窗口，与第一发光半导体层210电连接的第一电连接层310，与第二发光半导体层220电连接的第二电连接层320，第一电连接层310包括第一电极，第二电连接层320包括第二电极，第一电极位于电极窗口内，第一电连接层310和第二电连接层320位于衬底100的同侧，两者位于衬底100远离出光面的一侧，衬底100边缘具有裸露的芯片切割道C，这里的裸露指的是衬底100在第一发光半导体层210一侧的切割道C上无半导体材料覆盖。
衬底100的图形一面作为出光面位于衬底100远离第一发光半导体层210的一侧，衬底100厚度不小于200μm，特别是衬底100厚度不小于400μm的发光二极管，衬底100图形的边缘离衬底边缘的距离L2为5μm至20μm，用以扩大图形取光面积，衬底100至少在同一竖直面的不同深度经过k次激光隐形切割工艺，其中k为2、3、4或者更多的整数，切割的激光爆点从深至浅，即本发明主要针对需要多次激光隐形切割工艺的发光二极管产品，在次数越多的情况下，该实施例的对光萃取的贡献越大。
参看图9，在本发明的第三个实施例中，以倒装紫外发光二极管为例，衬底100选为透明或者半透明材料，衬底100例如蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅，衬底100作为发光二极管的出光面，本实施例优选采用提升取光效率的图形化蓝宝石衬底。
发光二极管的出光主要经过衬底向外辐射，图形为圆锥形或者类圆锥形，为了光学匹配，图形尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm的衬底凸起。衬底100上还具有外延发光序列，外延发光序列依次包括第一发光半导体层210，有源层230，第二发光半导体层220，第一发光半导体层210具有平台作为电极窗口，与第一发光半导体层210电连接的第一电连接层310，与第二发光半导体层220电连接的第二电连接层320，第一电连接层310位于电极窗口内，第一电连接层310和第二电连接层320位于衬底100远离出光面的一侧，衬底100边缘具有裸露的芯片切割道，这里的裸露指的是衬底在第一发光半导体层210一侧的切割道C上无半导体材料覆盖，在一些实施方式中，切割道C也可以有覆盖钝化层，钝化层可部分覆盖在外延发光序列的侧壁，用于防止发光二极管短路，衬底100的图形一面作为出光面位于衬底100远离第一发光半导体层210的一侧，衬底100厚度不小于600μm，在衬底100为出光面时，根据出光检测，有源层230的发光波长优选介于210 nm至280nm的深紫外光波段，或者280nm至360nm的浅紫外光波段中，采用不小于600μm的厚衬底有利于降低紫外光的全反射，提升衬底100光萃取效率，至少在150μm至720μm厚度的衬底100来看，UVC芯片亮度与厚度有较大相关性，厚度越厚，亮度越高。实际上，在600μm以上的厚度，反而预留衬底无图形区域可以设计的越窄，例如L2为5μm至15μm，因为衬底100较厚，激光隐形切割的爆点对衬底稳定性影响越少，不容易因为切割而异常脆裂，可先完成更多道的第一批次隐形激光切割，从而减小第二批次隐形激光切割的次数和深度，更适合多重切割工艺。
参看图10，在本发明的第四个实施例中，在本实施例中，在本实施例的发光二极管中，衬底100选为透明或者半透明材料，衬底100例如蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅，本实施例例如采用蓝宝石衬底。衬底100上还包括第一发光半导体层210，有源层230，第二发光半导体层210，与第一发光半导体层210电连接的第一电连接层310，与第二发光半导体层220电连接的第二电连接层320，第一发光半导体层210具有露出的平台用于制作电极窗口，第一电连接层310位于电极窗口内，第一电连接层310和第二电连接层320位于衬底100靠近出光面的一侧。
衬底100具有衬底图形，衬底100的厚度不小于200μm，特别是不小于400μm，衬底图形为圆锥形或者类圆锥形，为了光学匹配，图形尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm的衬底凸起，衬底图形的边缘离衬底边缘的距离L2为5μm至20μm，衬底图形位于衬底100远离出光面的一侧，衬底图形目的在于减少衬底吸收发光二极管非直接从出光面出射的光，例如根据图中光传导路径所示，经由镜面400而反射的出光，镜面400包括反射金属或者封装反射杯罩，从而增强发光二极管整体光效。衬底边缘具有芯片切割道C，芯片切割道C位于衬底100靠近出光面的一侧，切割道C可由第一发光半导体层覆盖。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供一衬底，衬底厚度不小于200μm，在衬底上依次制作第一发光半导体层、有源层、第二发光半导体层，与第一发光半导体层电连接的第一电连接层，与第二发光半导体层电连接的第二电连接层；
（2）从衬底远离第一发光半导体层的一侧的待切割位置的不同深度上，进行m次隐形激光切割，其中m不小于1的整数；
（3）从衬底远离第一发光半导体层的一侧，进行图形制作，其中衬底待切割位置不做图形，其中无图形的宽度为10μm至40μm；
（4）从衬底的待切割位置的不同深度上进行n次隐形激光切割，该n次切割的深度小于m次切割的深度，其中n不小于1的整数；
（5）经分割工艺，分割成多颗发光二极管芯粒。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，有源层的发光波长介于210 nm至280nm，或者280nm至360nm。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，衬底为透明或者半透明材料。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，衬底材料包括蓝宝石、玻璃、氮化镓或者碳化硅。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，衬底厚度不小于400μm。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，衬底厚度不小于600μm。
7.根据权利要求5或6所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，衬底在远离第一发光半导体层的一侧的无图形区域宽度为10μm至30μm。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，衬底上具有多个无图形区域。
9.根据权利要求8所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，无图形区域在衬底上为网格状分布。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，分割工艺为劈裂工艺。
11.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，其中m为不小于3的整数。
12.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，图形是尺寸为200nm*200nm至1000nm*1000nm的衬底凸起。
13.根据权利要求12所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，图形为圆锥形或者类圆锥形。
14.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，m次和n次切割的深度依次从深到浅。
15.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，图形制作采用湿法蚀刻、干法蚀刻或者压印技术制作衬底图形。
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