CN102723415A - 一种倒装型高压交/直流发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种倒装型高压交/直流发光二极管及其制作方法，该发光二极管从上至下包括打线电极，蓝宝石衬底，N-GaN层，发光层，P-GaN层，电流扩散层，绝缘层，金属反射层，绝缘平坦层，邦定金属介层，支撑基板，蓝宝石衬底两侧具有等离子干法腐蚀形成的粗糙面，蓝宝石衬底中具有激光挖孔形成的通孔，该通孔中填有金属，使N-GaN层上的电极和打线电极相连接；该发光二极管将晶圆倒装邦定在一散热佳的基板上，正负电极分别位于芯片上下侧，芯片上每一个发光单元因倒装形成一倒梯形结构，并由反射层包覆，形成向上开口具有反射杯效果的结构，同时可减少电极对出光方向的遮蔽，此一结构由于芯片上方只有负电极，可大大方便高压发光二极管的发光单元布局设计。

Description

一种倒装型高压交/直流发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管技术，尤其涉及一种倒装型高压交/直流发光二极管及其制作方法。

背景技术

对于高功率LED的设计，目前各大厂多以大尺寸单颗低压DC LED为主，做法有二，一为传统水平结构，另一则为垂直导电结构。就第一种做法而言，其制程和一般小尺寸晶粒几乎相同，换句话说，两者的剖面结构是一样的，但有别于小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大电流之下，一点点不平衡的P、N电极设计，都会导致严重的电流丛聚效应(Current crowding)，其结果除了使得LED晶片达不到设计所需的亮度外，也会损害晶片的可靠度(Reliability)。

当然，对上游芯片制造者/芯片厂而言，此作法制程相容性(Compatibility)高，无需再添购新式或特殊机台，另一方面，对于下游***厂而言，周边的搭配，如电源方面的设计等等，差异并不大。但如前所述，在大尺寸LED上要将电流均匀扩散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困难；同时，由于几何效应的关系，大尺寸LED的光萃取效率往往较小尺寸的低。

第二种做法较第一种复杂许多，由于目前商品化的蓝光LED几乎都是成长于蓝宝石基板之上，要改为垂直导电结构，必须先和导电性基板做接合之后，再将不导电的蓝宝石基板移除，再完成后续制程；就电流分布而言，由于在垂直结构中，较不需要考虑横向传导，因此电流均匀度较传统水准结构为佳；除此之外，就基本的物理原理而言，导电性良好的物质也具有高导热的特质，藉由置换基板，同时也改善了散热，降低了PN接面温度，如此一来便间接提高了发光效率。但此种做法最大的缺点在于，由于制程复杂度提高，导致良率较传统水平结构低，制作成本高出不少。

晶元光电于全球率先提出了高压直流发光二极管(HV DC LED)作为高功率LED的解决方案；其基本架构和高压交流发光二极管(HV AC LED)相同，乃是将晶片面积分割成多个cell之后串联而成。其特色在于，晶片能够依照不同输入之电压的需求而决定其cell数量与大小等，等同于做到客制化的服务。由于可以针对每颗cell加以优化，因此能够得到较佳的电流分布，进而提高发光效率。

众所周知，由直流驱动的LED产品隐藏不少弊端。它们需要与整流器一并使用，其寿命只有2万小时，但直流电驱动的LED产品的寿命却长达5～10万小时。因此，直流驱动的LED产品“一生”便需要多次更换整流器，若应用于固定照明装置上必定造成不便。与之相对，高压交流发光二极管是一类集成了各种处理技术的LED产品，它包括多种器件或内核，无需额外的变压器、整流器或驱动电路，交流电网的交流电就可直接对其进行驱动。这使得LED产品无需变压器就可以直接应用于家居及办公室交流电器插头(100～110伏特/220～230伏特)，不仅显著降低电路成本，也避免了电源变换过程中损失的能耗。但是这种高压发光二极管的出光效率和散热性能还有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种倒装型高压交/直流发光二极管及其制作方法，以提高发光二极管的出光效率并改善散热。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，

一种倒装型高压交/直流发光二极管，从上至下包括打线电极，蓝宝石衬底，N-GaN层，发光层，P-GaN层，电流扩散层，绝缘层，金属反射层，绝缘平坦层，邦定金属介层，支撑基板，其特征在于，蓝宝石衬底两侧具有等离子干法腐蚀形成的粗糙面，蓝宝石衬底中具有激光挖孔形成的通孔，该通孔中填有金属，使N-GaN层上的电极和打线电极相连接；

所述电流扩散层可以是金属类如镍，银，铂，金及其合金，或氧化金属类如氧化铟锡，氧化锌，氧化铝锌，氧化铟锌；

所述绝缘层可以是氧化硅，氮化硅，氧氮化硅，氧化铝，氮化铝，氧化钛和由不同透明介电层所组成的布拉格反射层；

所述金属反射层可以是铝，银或铝银合金，其厚度为0.3～3μm；

所述支撑基板可以是金属或硅，其厚度为80～150μm。

上述倒装型高压交/直流发光二极管的制作方法，包括以下步骤：

1）通过等离子干法腐蚀在蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面；

2）在衬底的第一粗糙面向外依次生长N-GaN层、发光层、P-GaN层，形成芯片；

3）在芯片上形成若干独立的发光单元，并在P-GaN层上蒸镀电流扩散层形成欧姆接触，在各发光单元侧壁形成PN接面绝缘保护层；

4）在芯片上蒸镀金属使各发光单元连接起来，并在N-GaN层上蒸镀电极形成欧姆接触；

5）在晶圆正面蒸镀绝缘层和金属反射层，使各发光单元形成反射杯效果的结构；

6）利用旋转涂布的方式，在晶圆表面形成一绝缘平坦层，增加邦定的接合面积；

7）在晶圆正面蒸镀邦定金属介层并和其中一个发光单元的正极接触；

8）邦定支撑基板；

9）将晶圆背面的蓝宝石衬底机械研磨至一定厚度；

10）在研磨减薄后的蓝宝石衬底背面上，以等离子干法腐蚀形成第二粗糙面；

11）从蓝宝石衬底的背面上激光挖孔至N-GaN层上的电极；

12）将激光在蓝宝石衬底上所形成的通孔用金属加以回填，使上下电气导通；

13）最后在回填通孔上方蒸镀打线电极。

步骤9）中，将蓝宝石衬底机械研磨至10～100μm厚。

步骤11）中，蓝宝石衬底激光挖孔孔径为10～50μm，孔深为15～105μm。

步骤12）中，将激光在蓝宝石衬底上所形成的通孔用金属加以回填的方式可以是电镀或化学镀。

本发明的优点在于，将晶圆倒装邦定在一散热佳的基板上，正负电极分别位于芯片上下侧，芯片上每一个发光单元因倒装形成一倒梯形结构，并由反射层包覆，形成向上开口具有反射杯效果的结构，同时可减少电极对出光方向的遮蔽，此一结构由于芯片上方只有负电极，可大大方便高压发光二极管的发光单元布局设计。

附图说明

图1是通过等离子干法腐蚀在蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面的结构示意图；

图2是在粗糙化的衬底正面生长主要发光所需外延层后的结构示意图；

图3是在芯片上形成数个独立的发光单元，并在P-GaN层上蒸镀电流扩散层形成欧姆接触，在各发光单元侧壁形成PN接面绝缘保护层后的结构示意图；

图4是在晶圆正面蒸镀金属使各发光单元连接起来，并在N-GaN层上蒸镀电极形成欧姆接触后的结构示意图；

图5是在晶圆正面蒸镀绝缘层和金属反射层，使各发光单元形成反射杯效果的结构示意图；

图6是在晶圆表面形成一绝缘平坦层后的结构示意图；

图7是在晶圆正面蒸镀邦定金属介层并和其中一个发光单元的正极接触后的结构示意图；

图8是邦定支撑基板后的结构示意图；

图9是在研磨减薄后的蓝宝石衬底表面形成第二粗糙面后的结构示意图；

图10是将激光在蓝宝石衬底上所形成的通孔用金属加以回填后的结构示意图；

图11是在回填通孔上方蒸镀打线电极完成倒装型高压交/直流发光二极管后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明提出的倒装型高压交/直流发光二极管如图11，该发光二极管从上至下包括打线电极，蓝宝石衬底1，N-GaN层2，发光层3，P-GaN层4，电流扩散层5，绝缘层6，金属反射层，绝缘平坦层，邦定金属介层，支撑基板，其特征在于，蓝宝石衬底两侧具有等离子干法腐蚀形成的粗糙面，蓝宝石衬底中具有激光挖孔形成的通孔，该通孔中填有金属，使N-GaN层上的电极和打线电极相连接

图1是显示根据本发明的第一实施例，在蓝宝石衬底1上通过等离子干法腐蚀在蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面。

图2是显示根据本发明的第一实施例，在粗糙化的蓝宝石衬底1正面向外依次生长主要的N-GaN层2、发光层3、P-GaN层4。

图3是显示根据本发明的第一实施例，利用熟知的半导体工艺，在芯片上形成数个独立的发光单元，并在P-GaN层4上蒸镀电流扩散层5形成欧姆接触，在各发光单元侧壁形成PN接面绝缘层6；电流扩散层5可以是金属类如镍，银，铂，金，及以上金属的合金，或氧化金属类如氧化铟锡(ITO)，氧化锌(ZnO)，氧化铝锌(AZO)，氧化铟锌(IZO)。

图4是显示根据本发明的第一实施例，利用熟知的半导体工艺，蒸镀金属71和电极72使各发光单元连接起来，并在N-GaN层上蒸镀电极形成欧姆接触；

图5是显示根据本发明的第一实施例，在晶圆正面蒸镀绝缘层8和金属反射层9，使各发光单元形成反射杯效果的结构；

图6是显示根据本发明的第一实施例，利用旋转涂布的方式，在晶圆表面形成一绝缘平坦层10，增加邦定的接合面积；

图7是显示根据本发明的第一实施例，在晶圆正面蒸镀邦定金属介层11并和其中一个发光单元的正极接触；

图8是显示根据本发明的第一实施例，邦定支撑基板12；

图9是显示根据本发明的第一实施例，将晶圆背面的蓝宝石衬底机械研磨至一定厚度，并在研磨减薄后的蓝宝石衬底背面上，以等离子干法腐蚀形成第二粗糙面；

图10是显示根据本发明的第一实施例，从蓝宝石衬底背面上激光挖孔至N-GaN层上的电极72；然后将激光在蓝宝石衬底上所形成的通孔用金属73加以回填，使上下电气导通；

图11是显示根据本发明的第一实施例，在回填通孔上方蒸镀打线电极74完成倒装型高压交/直流发光二极管。

下面说明根据本发明的第二实施例，和第一实施例的差别在于激光挖孔是从蓝宝石衬底的正面来实施，并利用电镀或化学镀的方式在邦定支撑基板前回填此一孔洞。

根据本发明的实施例所完成的倒装型高压发光二极管具有高散热邦定基板降低热阻，其主要特征为正负电极分别位于芯片上下侧，芯片上每一个发光单元因倒装形成一倒梯形结构，并由反射层包覆，形成向上开口具有反射杯效果的结构，同时可减少电极对出光方向的遮蔽，此一结构由于芯片上方只有负电极，可大大方便高压交/直流发光二极管的发光单元布局设计。

使用本发明的实施例，发光面积增加10～20%，热阻不到相同尺寸正装结构芯片的1/3，亮度提高30%以上。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种倒装型高压交/直流发光二极管，从上至下包括打线电极，蓝宝石衬底，N-GaN层，发光层，P-GaN层，电流扩散层，绝缘层，金属反射层，绝缘平坦层，邦定金属介层，支撑基板，其特征在于，蓝宝石衬底两侧具有等离子干法腐蚀形成的粗糙面，蓝宝石衬底中具有激光挖孔形成的通孔，该通孔中填有金属，使N-GaN层上的电极和打线电极相连接。

2.根据权利要求1所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管，其特征在于，所述电流扩散层可以是镍，银，铂，金及其合金，或氧化铟锡，氧化锌，氧化铝锌，氧化铟锌。

3.根据权利要求1所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管，其特征在于，所述绝缘层可以是氧化硅，氮化硅，氧氮化硅，氧化铝，氮化铝，氧化钛和由不同透明介电层所组成的布拉格反射层。

4.根据权利要求1所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管，其特征在于，所述金属反射层可以是铝，银或铝银合金，其厚度为0.3～3μm。

5.根据权利要求1所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管，其特征在于，所述支撑基板可以是金属或硅，其厚度为80～150μm。

6.一种倒装型高压交/直流发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过等离子干法腐蚀在蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面；

2）在衬底的第一粗糙面向外依次生长N-GaN层、发光层、P-GaN层，形成芯片；

3）在芯片上形成若干独立的发光单元，并在P-GaN层上蒸镀电流扩散层形成欧姆接触，在各发光单元侧壁形成PN接面绝缘保护层；

4）在芯片上蒸镀金属使各发光单元连接起来，并在N-GaN层上蒸镀电极形成欧姆接触；

5）在晶圆正面蒸镀绝缘层和金属反射层，使各发光单元形成反射杯效果的结构；

6）利用旋转涂布的方式，在晶圆表面形成一绝缘平坦层，增加邦定的接合面积；

7）在晶圆正面蒸镀邦定金属介层并和其中一个发光单元的正极接触；

8）邦定支撑基板；

9）将晶圆背面的蓝宝石衬底机械研磨至一定厚度；

10）在研磨减薄后的蓝宝石衬底背面上，以等离子干法腐蚀形成第二粗糙面；

11）从蓝宝石衬底的背面上激光挖孔至N-GaN层上的电极；

12）将激光在蓝宝石衬底上所形成的通孔用金属加以回填，使上下电气导通；

13）最后在回填通孔上方蒸镀打线电极。

7.根据权利要求6所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤9）中，将蓝宝石衬底机械研磨至10～100μm厚。

8.根据权利要求6所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤11）中，蓝宝石衬底激光挖孔孔径为10～50μm，孔深为15～105μm。

9.根据权利要求6所述的一种倒装型高压交/直流发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤12）中，将激光在蓝宝石衬底上所形成的通孔用金属加以回填的方式可以是电镀或化学镀。

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