CN102509731A - 交流式垂直发光元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明分开了一种交流式垂直发光器元件及其制作方法，通过区域激光剥离及管芯键合等手段将两个发光二极管极性翻转，并且两二极管置于导电衬底（例如：硅衬底）之上，如此其焊盘分别位于导电衬底背面及两二极管出光面，以解决传统横向结构发光效率低，热阻大等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件及其制作方法，更具体地是一种交流式垂直发光元件及其制作方法。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是半导体二极管的一种，它能将电能转化为光能，发出黄、绿、蓝等各种颜色的可见光及红外和紫外不可见光，具有工作电压和电流低、可靠性高、寿命长且可方便调节发光亮度等优点。
传统的LED芯片皆须以直流电(英文为Direct Current，简称DC)做为驱动，因此在使用一般交流电（英文为Alternating Current，简称AC）作为电源供应的同时，必须附带整流变压器将AC/DC转换，才能确保LED的正常运作。而应用上一直强调LED省电的特性，但在AC/DC转换的过程中，其实有高达15～30%的电力损耗，使用上依旧效率不高；因此，研发可直接用AC驱动的LED应运而生。
图1~图3所示，为一种现有的交流式发光二极管。如图1~图3所示，两个LED单元210，220同向并排列于衬底上，通过条状电流扩展电极410，420及焊线盘将第一LED单元210的n型层与第二LED单元220的p型层连接，第一LED单元210的p型层与第二LED单元220的n型层连接，构成交流式发光元件。但组成交流发光元件的单个LED单元为横向结构，而横向结构LED芯片存在发光效率低，电流拥塞、热阻大等问题，无法采用大电流密度驱动。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种交流式垂直发光元件以及其制作方法，通过区域激光剥离及管芯键合等手段将两个发光二极管极性翻转，并且两二极管置于导电衬底之上，如此其焊盘分别位于导电衬底背面及两二极管出光面，以解决传统横向结构发光效率低，热阻大等问题。
根据本发明的一个方面，交流式垂直发光元件，其包括：一导电基板，其包括正、反两个主表面；交流发光模块，形成于所述第一基板的正表面上，具有两个反向并排的发光二极管，第一发光二极管至上而下包含p型半导体，有源区，n型半导体层，第二发光二极管至上而下包括n型半导体层，有源区，p型半导体层；导电结构，将第一发光二极管的第n半导体层与第二发光二极管的第p半导体层连接；一焊线盘，连接第一发光二极管的p型导体层与第二发光二极管的n型半导体层。
进一步地，所述第一、第二发光外延叠层之间设置有一隔离区，由绝缘材料构成，所述焊线盘位于该隔离区上。
进一步地，所述交流式垂直发光元件还包括一金属接触层，其形成于所述基板的反表面上。
进一步地，所述交流式垂直发光元件还包含条状扩展电极，其分布在交流发光模块的顶面上，并与前述焊线盘连接。
进一步地，在器件正向俯视中，第一焊线盘及条状扩展电极覆盖有源区面积仅占0%~5%。
根据本发明的第二个方面，垂直式交流发光元件，其包括：一导电性基板，其包括正、反两个主表面；交流发光模块，形成于所述第一基板的正表面上，具有两个反向并排的发光二极管，第一发光二极管至上而下包含p型层，有源区，n型层，第二发光二极管至上而下包括n型层，有源区，p型层；一绝缘材料，填充于两二极管之间，其高度与两二极管表面平齐，或略微高出表面；一透明导电层，形成于第一发光二极管的p型层和第二发光二极管的n型层上；条状扩展电极，形成于透明导电层上；导电结构，将第一发光二极管的n型层与第二发光二极管的p型层连接；第一焊线盘，形成于两二极管之间的绝缘材料上，连接第一发光二极管的p型层与第二发光二极管的n型层；在器件正向俯视中，第一焊线盘及条状扩展电极覆盖有源区面积仅占0%~5%。
根据本发明的第三个方面，交流式垂直发光元件的制作方法，包括如下步骤：1）提供一生长衬底，在其上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括n型层、有源层，p型层；2）定义单个LED的大小，将发光外延层划分为两个LED系列；3）提供一导电性永久基板，将第一LED系列转移至永久基板上，且n型层为出光面，p型层与永久基板连接；4）通过二次基板转移，将第二LED系列转移至永久基板上，且与第一LED系列反向并排位于永久基板上，p型层为出光面，n型层与永久基板连接；5）分割上述LED系列，形成交流式垂直发光模块，其中每个发光模块包括一个第一LED系列的LED单元和一个第二LED系列的LED单元，且在两个LED单元之间形成一个隔离区；6）在隔离区上形成导电结构，使第一LED单元的n型层与第二LED单元的P型层连接；7）在永久基板的背面上形成一金属接触层，形成交流式垂直发光元件。
进一步地，所述步骤2）中，每个第一系列的LED单元至少有一个第二系列的单元与其相邻。
进一步地，所述步骤3）中所述第一LED系列通过激光剥离从生长衬底上脱离。
进一步地，所述步骤3）中永久基板上至少包含一个第一LED系列的LED单元。
进一步地，所述步骤3）中永久基板上至少包含两个第一LED系列的LED单元，相邻LED单元间的间隔大于单个LED的大小。
进一步地，所述步骤4）包括下面步骤：提供一临时基板，将第二LED系列与该临时基板键合，去除生长衬底；再次将第二LED系列与前述永久基板键合，去除临时基板。
本发明采用垂直结构，解决了现有横向交流发二极管的电流拥塞、热阻大等问题。另一方面，采用两个LED芯粒反转并排列于导电基板上，比传统AC结构芯片更易实现连线，稳定性高；且无需进行台面蚀刻，增加了出光面积。Pad位于隔离区域上方，减少挡光，有利于光出射，提升亮度。
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为一种交流式横向结构发光元件的正面俯视图。
图2为沿图1中的箭头所表示的线A-A截取的示意性截面图。
图3为沿图1中的箭头所表示的线B-B截取的示意性截面图。
图4为本发明优先实施例的交流式垂直结构发光元件正面俯视图。
图5为本发明优先实施例的交流式垂直结构发光元件剖面结构图。
图6~图12为依据本发明实施例的一种垂直式交流发光元件制备工艺的截面图。
图中：100：生长衬底；101：导电基板；102：临时基板； 210：第一LED单元； 220：第二LED单元；201，211，221：P型氮化镓基外延层；202，212，222：有源层； 203，213，223：N型氮化镓基外延层； 310，320：透明导电层；410，420：条状扩展电极； 510，531：第一焊线盘； 520：第二焊线盘；532：背电极；600：绝缘区；A：第一LED系列；B：第二LED系列。
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。
实施例一
如图4和图5所示，一种垂直式交流发光元件，包括：导电基板101，交流发光模块，透明导电层310、320，条状扩展电极410、420，第一焊线盘531，背电极532。其中交流发光模块由两个极性翻转的LED单元210，220并列设置在导电极基板上构成，中间设置有一绝缘区600。第一个LED210至上而下包括n型半导体层213、有源层212、p型半导体层211，第二个LED220至上而下包括p型半导体层221、有源层222、n型半导体层223。交流发光模块位于导电基板101之上，两者之间一般通过键合金属层连接（附图未表示出来），为了取得更好的出光效果，还可在两者间设置反射镜。透明导电层310，320覆盖在交流发光模块的正表面上，条状扩展电极410、420分布在透明导电层310、320上，第一焊线盘531位于绝缘区上，并与条状扩展电极410、420连接，使得第一LED 210的n型层213与第二LED 220的p型层221连接。在器件正向俯视中，第一焊线盘531及条状扩展电极410、420仅覆盖有源区面积0%~5%。背电极532形成于导电基板的背面。
实施例二
图6~图12所示一种交流式垂直发光元件制作方法，其具体步骤如下。
如图6所示，利用MOCVD在绝缘衬底100（例如蓝宝石）上依次成长n型半导体层203，发光层202及P型半导体层201。
下一步，定义单个LED的大小，将发光外延层划分为两个LED系列A和B，其附视图如图7所示。具体工艺如下：先定义单个LED的大小，采用光罩图形化发光外延层，利用ICP干法刻蚀打穿外延层，露出绝缘衬底，形成隔离区，将发光外延层分为至少两个LED系列A和B，分别为第一LED和第二LED，每个LED系列至少包含一个LED单元，其剖面结构如附图8所示。
下一步，提供一导电性永久基板101，将第一LED系列A转移至永久基板上，且n型层为出光面，p型层与永久基板连接，其剖面结构图如图9所示。其具体工艺如下：
利用真空电子束蒸发镀膜在第一LED系列A的p型导体层上201沉积第一键合金属层（未在附图示意），该键合金属层可包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其总体厚度不小于5um，最佳厚度为7um；利用真空电子束蒸发镀膜在导电基板上（例如硅或锗）沉积第二键合金属层（未在附图示意），该键合金属层可包含Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种。利用晶元键合设备将第一LED系列A的p型半导体层上的第一键合金属层与永久导电基板上的第二键合金属层键合，第二LED系列B与导电基板则无粘贴接触；利用248nmKrF气体激光器选择性剥离蓝宝石衬底，使得第一LED系列脱离蓝宝石衬底，而第二LED系列则保留于蓝宝石衬底上。
下一步，通过二次基板转移，将第二LED系列B转移至永久基板上，且与第一LED系列A反向并排位于永久基板上，p型层为出光面，n型层与永久基板连接，其剖面结构图如图11所示。其具体工艺如下：首先，在一临时基板102上涂布一种有机胶（附图未示意出），涂布厚度不小于7um，最佳厚度为10um，利用黄光技术使其形成与第二LED系列B等大面积的有机胶区域；采用管芯粘贴键合方式将此临时基板与上述第二LED系列B键合；利用248nmKrF气体激光器选择性剥离蓝宝石衬底，使得第二LED系列B脱离蓝宝石衬底， 转移至临时衬底上，其剖面结构图如图10所示。接着，利用真空电子束蒸发镀膜在第二LED系列B的n型半导体层上沉积第三键合金属层（附图未示意出），该键合金属层可包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其厚度不小于5um，最佳厚度为7um。利用管芯粘贴键合方式将临时基板上的第二LED系列B的n型半导体层上的第三键合金属层与导电基板上的第二键合金属层键合。再接着，去除临时基板201，去除第二LED系列B的p型半导体层上的有机胶。第一LED系列A的n型层与第二LED系列B的p型层同时裸露于表面。最后，用有机胶（例如BCB或者SU8等有机材料）填充隔离区缝隙，填充高度与外延层表面平齐，其剖面结构如附图11所示。
下一步，分割上述LED系列，形成交流式垂直发光模块，其中每个发光模块包括一个第一LED系列的LED单元210和一个第二LED系列的LED单元220，且在两个LED单元之间具有隔离区。
下一步，在交流式垂直发光模块上制作导电结构。具体工艺如下：
利用真空电子束蒸发镀膜方式在在两个LED单元表面沉积ITO透明电极，之后在第一LED与第二LED隔离区的有机胶上方沉积第一接触焊盘以及条状扩展电极，该金属焊盘及电极可包含Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种组合; 研磨减薄导电衬底，并在基板背面蒸镀背金形成第二接触焊盘，该背面金属层可包含Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其剖面结构如附图3所示。
传统交流横向结构发光元件因电性接触需求而必须损失一部分有源区发光面积，本发明采用垂直结构制作交流发光二极管可避免该损失，以提升发光效率。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。
Claims (12)
1.交流式垂直发光元件，其包括：
一导电基板，其包括正、反两个主表面；
交流发光模块，形成于所述第一基板的正表面上，具有两个反向并排的发光二极管，第一发光二极管至上而下包含p型半导体，有源区，n型半导体层，第二发光二极管至上而下包括n型半导体层，有源区，p型半导体层；
导电结构，将第一发光二极管的第n半导体层与第二发光二极管的第p半导体层连接；
一焊线盘，连接第一发光二极管的p型导体层与第二发光二极管的n型半导体层。
2.根据权利要求1所述的交流式垂直发光二极管，其特征在于：所述第一、第二发光外延叠层之间设置有一隔离区，由绝缘材料构成，所述焊线盘位于该隔离区上。
3.根据权利要求1所述的交流式垂直发光二极管，其特征在于：一金属接触层，形成于所述基板的反表面上。
4.根据权利要求1所述的交流式垂直发光二极管，其特征在于：还包含条状扩展电极，其分布在交流发光模块的顶面上，并与前述焊线盘连接。
5.根据权利要求4所述的交流式垂直发光二极管，其特征在于：在器件正向俯视中，第一焊线盘及条状扩展电极覆盖有源区面积仅占0%~5%。
6.交流式垂直发光元件，其包括：
一导电性基板，其包括正、反两个主表面；
交流发光模块，形成于所述第一基板的正表面上，具有两个反向并排的发光二极管，第一发光二极管至上而下包含p型层，有源区，n型层，第二发光二极管至上而下包括n型层，有源区，p型层；
一绝缘材料，填充于两二极管之间，其高度与两二极管表面平齐，或略微高出表面；
一透明导电层，形成于第一发光二极管的p型层和第二发光二极管的n型层上；
条状扩展电极，形成于透明导电层上；
导电结构，将第一发光二极管的n型层与第二发光二极管的p型层连接；
第一焊线盘，形成于两二极管之间的绝缘材料上，连接第一发光二极管的p型层与第二发光二极管的n型层；
在器件正向俯视中，第一焊线盘及条状扩展电极覆盖有源区面积仅占0%~5%。
7.交流式垂直发光元件的制作方法，包括如下步骤：
1）提供一生长衬底，在其上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括n型层、有源层，p型层；
2）定义单个LED的大小，将发光外延层划分为两个LED系列；
3）提供一导电性永久基板，将第一LED系列转移至永久基板上，且n型层为出光面，p型层与永久基板连接；
4）通过二次基板转移，将第二LED系列转移至永久基板上，且与第一LED系列反向并排位于永久基板上，p型层为出光面，n型层与永久基板连接；
5）分割上述LED系列，形成交流式垂直发光模块，其中每个发光模块包括一个第一LED系列的LED单元和一个第二LED系列的LED单元，且在两个LED单元之间形成一个隔离区；
6）在隔离区上形成导电结构，使第一LED单元的n型层与第二LED单元的P型层连接；
7）在永久基板的背面上形成一金属接触层，形成交流式垂直发光元件。
8.根据权利要求7所述的交流式垂直发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中，每个第一系列的LED单元至少有一个第二系列的单元与其相邻。
9.根据权利要求7所述的交流式垂直发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中所述第一LED系列通过激光剥离从生长衬底上脱离。
10.根据权利要求7所述的交流式垂直发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤3中永久基板上至少包含一个第一LED系列的LED单元。
11.根据权利要求7所述的交流式垂直发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中永久基板上至少包含两个第一LED系列的LED单元，相邻LED单元间的间隔大于单个LED的大小。
12.根据权利要求7所述的交流式垂直发光元件的制作方法，其特征在于：所述步骤4）包括下面步骤：提供一临时基板，将第二LED系列与该临时基板键合，去除生长衬底；再次将第二LED系列与前述永久基板键合，去除临时基板。
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