CN107123713A

CN107123713A - 一种适合单色光led晶元级封装的器件结构

Info

Publication number: CN107123713A
Application number: CN201610105024.2A
Authority: CN
Inventors: 郝茂盛; 张楠; 袁根如
Original assignee: Shanghai Xinyuanji Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Xinyuanji Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-09-01
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: CN107123713B

Abstract

本发明提供一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构，所述器件结构至少包括：透明衬底、键合在所述透明衬底上表面的薄膜倒装结构的发光二极管芯片以及依次覆盖在所述透明衬底和倒装结构发光二极管芯片侧面的第一反射镜和钝化层。所述透明衬底加工成易于出光的梯形结构，在透明衬底的下表面具有微观透镜阵列或者V型槽等易于出光的结构。薄膜倒装发光二极管芯片的N型半导体层表面具有微观锥形的粗化结构，该结构键合在透明衬底上表面，使得LED芯片所发出的光易于进入透明衬底。第一反射镜和薄膜倒装芯片P型层表面的反射镜形成梯形状的反射杯，使芯片发出的单色光完全从N型半导体层表面进入透明衬底，再从透明衬底具有易于出光的结构的下表面出射至空气。采用折射率适中的透明衬底材料，可以大大减少光直接从氮化镓到空气的全反射，增加了器件的出光效率。

Description

一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构

技术领域

本发明涉及LED技术领域，特别是涉及一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构。

背景技术

发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点,在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命,从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空穴复合所产生的光子的比例。在传统LED器件中，由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率通常不到10％，绝大部分光子被限制在器件内部无法出射而转变成热，成为影响器件可靠性的不良因素。为提高光提取效率，使得器件体内产生的光子更多地反射到体外，并改善器件内部热特性，经过多年的研究和实践，人们已经提出了多种光提取效率提高的方法，比如电流分布与电流扩展结构、芯片形状几何化结构、表面微观出光结构等。

通常LED的芯片结构为在碳化硅、硅、蓝宝石(主要成分是Al₂O₃)等衬底上依次外延了N型半导体层、有源层、P型半导体层的构造。另外，在P型半导体层上配置有P电极，在N型半导体层上配置有N电极。最终的芯片可以是正装结构、倒装结构、垂直结构等。目前较为常用的是倒装结构的LED器件，出光面为蓝宝石生长衬底，但是蓝宝石生长衬底的透光率(300nm～700nm)小于80％，很大一部分光被蓝宝石生长衬底吸收，并且蓝宝石衬底的导热性也较差，散热不好，因此LED衬底材料需要改善。另外，现有的LED结构的光侧漏也较为严重，导致出光效率降低。

如附图1所示，传统的LED封装器件采用硅胶将芯片完全包裹，以防止芯片受到自然环境影响而失效，主要有以下几个缺点:1:采用金球焊线工艺,电流扩展不均匀,器件会由于芯片发热不均匀而失效；2：芯片的出光面为蓝宝石衬底面(倒装芯片)或者P型半导体生长层,芯片的出光面不易加工出易于出光的微观出光结构；3:器件的出光面为硅胶、不容易加工成有助于出光的微观出光结构，整体芯片的光效不高；4：光的出射路径经由有源层、N型半导体生长层、蓝宝石衬底、硅胶，出光介质的折射率分别为2.5、2.5、1.7、1.5，且硅胶的透光率较低(可见光范围：80％)，因此，封装后，降低了器件的光效；

因此，如何突破现有技术进一步提高芯片良品率、提高芯片的散热能力、提高出光率，仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。

本发明中所述的LED器件采用密封性更好的透明衬底将芯片完全包裹，进一步降低了器件受自然因素影响而导致的失效，具有以下特征：1：芯片采用薄膜倒装结构芯片，在器件封装时可采用回流焊工艺进行封装，减少了封装焊线的同时，由于增大了器件电极的接触面积，更加有利于电流均匀扩展；2：芯片的出光面为容易采用湿法工艺获得微观出光结构阵列的N型半导体生长层、使芯片的光效进一步提升；3：器件的出光面为易于加工成微透镜阵列结构或者纵横交错排布的V型槽结构的透明衬底、进一步提高器件的光效；4：光的出射路径经由有源层、粗化的N型半导体生长层、具有微观出光结构的、高透光率的(90％以上)透明衬底，出光介质的折射率分别为2.5、2.5、1.5，且减少了硅胶对光的吸收，使整体器件的性能进一步得到提升。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构，用于解决现有技术中单色光LED器件光侧漏、散热差、出光效率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构，所述封装器件结构至少包括：

透明衬底，所述透明衬底具有上表面、下表面以及侧面；

薄膜倒装结构发光二极管，键合在所述透明衬底上表面，所述薄膜倒装结构发光二极管与透明衬底的键合面上具有粗化结构；

第一反射镜，覆盖于所述透明衬底和薄膜倒装结构发光二极管侧面；

钝化层，覆盖在所述第一反射镜的表面。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述透明衬底的厚度范围为50～1000μm，透光率在82％以上，折射率范围为1～2.5。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述透明衬底的下表面可以加工成微观出光结构，所述微观出光结构为微观透镜阵列结构或纵横交错排布的V型槽结构。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述薄膜倒装结构发光二极管包括：

N型半导体生长层，所述N型半导体生长层一个表面粗化成所述粗化结构；

量子阱层、P型半导体生长层以及第二反射镜，自下而上依次生长于所述N型半导体生长层上与所述粗化结构相对的另外一个表面上；

P电极，结合于所述第二反射镜上；

N电极，形成于所述第二反射镜上，并穿过所述绝缘层、第二反射镜、P型半导体生长层以及量子阱层与所述N型半导体生长层电连；

绝缘层，隔离于所述N电极与所述第二反射镜、P型半导体生长层以及量子阱层之间。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述N型半导体生长层表面的所述粗化结构被粗化成微观锥形粗化结构，所述微观锥形粗化结构表面粘合于所述透明衬底的上表面。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述第二反射镜与P型半导体生长层形成欧姆接触，所述第二反射镜为ITO/Ag、Ag、Ni/Ag或者ITO/DBR。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述第一反射镜为金属反射镜，所述第一反射镜与N型半导体生长层形成欧姆接触，所述第一反射镜为Cr/Al反射镜；所述钝化层为SiO₂、SiN、或SiON_x中一种或几种的组合，用于隔离所述P电极和N电极与所述第一反射镜，所述钝化层的厚度为～3μm。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述透明衬底的侧壁易加工成有利于出光的梯形结构，所述透明衬底下表面易加工成有利于各种有利于出光的微观出光结构。

作为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构的一种优化的方案，所述第一反射镜和所述P型半导体生长层表面的第二反射镜形成梯形状的反射杯结构。

如上所述，本发明的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，具有以下有益效果：

1：芯片采用薄膜倒装结构芯片，在器件封装时可采用回流焊工艺进行封装，减少了封装焊线的同时，由于增大了器件电极的接触面积，更加有利于电流均匀扩展；

2：芯片的出光面为容易进行微观出光结构工艺的N型半导体生长层、使芯片的光效进一步提升；

3：光的出射路径经由有源层、粗化的N型半导体生长层、具有V型出光结构的、高透光率的(90％以上)透明衬底，出光介质的折射率分别为2.5、2.5、1.5，使整体器件的性能进一步得到提升。采用折射率更加接近于空气的透明衬底(例如玻璃)，减少了空气对光的全反射，增加了光的出射机率，同时，采用更加容易进行机械加工的透明衬底做为出光面，将透明衬底加工成梯形结构或其他有利于出光的V型槽结构或微观透镜阵列结构，进一步提高单色光LED的光功率。

4：传统的芯片在芯片的侧壁无反射镜，因此必然有光从芯片的侧壁泄漏，同时由于蓝宝石生长衬底的存在，因此，侧光也包含蓝宝石衬底的侧光部分。本发明由于芯片的侧壁有反射镜，因此，可明显减少封装后发光二极管的光侧漏。

5：由于采用透光率更高的透明衬底作为出光面，且采用倒装结构避免了电极对光的遮挡，同时减少了芯片的侧光，且芯片除了出光面外，其他位置均有反射镜结构，因此，光线更加集中，器件出光效率、出光的均匀性和可靠性等的整体性能得到提高。

6：本发明由于剥离掉了导热性较差的生长衬底，减少了热传导的介质材料，因此LED器件的散热效果更好。

7：本发明的LED器件结构与直接胶体进行LED芯片封装的LED器件相比，由于克服了后者支撑衬底、芯片易碎等缺点，机械强度得到大大增强。

附图说明

图1为现有技术中LED封装器件结构示意图。

图2为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构示意图。

图3为本发明适合单色光LED晶元级封装的器件结构又一示意图。

图4为本发明实施例中薄膜倒装结构发光二极管的结构示意图。

图5为本发明实施例中适合单色光LED晶元级封装的器件结构示意图。

图6为本发明实施例中适合单色光LED晶元级封装的器件结构又一示意图。

图7为本发明透明衬底的结构俯视图。

图8为本发明透明衬底底部出光面的V型槽微观出光结构示意图。

图9为本发明透明衬底底部出光面的V型槽微观出光结构又一示意图。

元件标号说明

1 透明衬底

2 第一反射镜

3 薄膜倒装结构发光二极管

30 外延层

31 N型半导体生长层

301 粗化结构

32 量子阱层

33 P型半导体生长层

34 第二反射镜

35 P电极

36 N电极

37 绝缘层

4 粘合层

5 钝化层

6 微观出光结构

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例提供一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构，如图2所示，所述晶元级封装的器件结构至少包括如下结构：透明衬底1、薄膜倒装结构发光二极管3、第一反射镜2以及钝化层5。

所述透明衬底1是具有高透光率的无机材料或者有机材料，例如，可以是石英玻璃衬底或苏打玻璃衬底，也可以是其他高透光的聚酯类材料或其他无机材料或有机材料。本实施例中，所述透明衬底1优选为石英玻璃衬底，由于玻璃与空气的折射率接近，这样可以减少空气对光的全反射，增加了光的出射机率。

所述透明衬底1的透光率在82％以上，折射率在1～2.5(即在空气和GaN外延层的折射率之间)。进一步地，所述透明衬底1的透光率优选在90％以上，折射率在1.45～1.8。

所述透明衬底1的厚度在50～1000μm范围内，例如，可以是100μm、300μm、500μm、800μm、1000μm等。本实施例中，所述透明衬底1的厚度优选为50～500μm。

所述薄膜倒装结构发光二极管3形成于所述透明衬底1上表面，所述薄膜倒装结构发光二极管3与透明衬底1的键合面上具有粗化结构。

进一步地，所述薄膜倒装结构发光二极管3可以通过粘合层4粘合于所述透明衬底1上表面。所述粘合层4可以是硅胶、树脂、聚苯并环丁烯或其他合适的聚酯类材料。本实施例中，所述粘合层4优选为聚苯并环丁烯。

所述第一反射镜2覆盖于所述透明衬底1和薄膜倒装结构发光二极管3侧面，是薄膜倒装结构发光二极管3的n型欧姆接触层，通过所述第一反射镜2可以防止芯片发出的光从芯片的侧壁泄露，结合薄膜倒装结构发光二极管3顶部的反射镜，从而使芯片的单色出射光完全从底部表面出射，提高器件的光效。

所述钝化层5覆盖在所述第一反射镜2的表面。所述钝化层5可以增加与第一反射镜2的粘附性，减少器件侧壁的漏电通道，提高器件的可靠性。

所述第一反射镜2可以是Ag反射镜或者Cr/Al反射镜等。当然，也可以是其他合适的反射镜材料，在此不限。本实施例中，所述第一反射镜2为非常薄的Cr/Al反射镜。

本实施例中，如图4所示，所述薄膜倒装结构发光二极管包括结构：N型半导体生长层31、量子阱层32、P型半导体生长层33、第二反射镜34、P电极35、N电极36以及绝缘层37。

所述N型半导体生长层31其中一个表面形成有所述粗化结构301，所述N型半导体生长层31的另一个表面上依次生长形成所述量子阱层32和P型半导体生长层33。所述N型半导体生长层31、量子阱层32和P型半导体生长层33构成所述薄膜倒装结构发光二极管的外延层30。不同的外延层材料能发出不同颜色的单色光，本发明中，所述外延层的材料不限于GaN、AlGaN等等。

所述第二反射镜34形成于所述P型半导体生长层33上。所述第二反射镜34可以是ITO/Ag、Ag、Ni/Ag或者ITO/DBR反射镜等。

所述P电极35结合于所述第二反射镜34上。所述N电极36形成于所述第二反射镜34上，并穿过所述第二反射镜34、P型半导体生长层33以及量子阱层32与所述N型半导体生长层31电连。如此，所述P型半导体生长层33由所述P电极35引出，所述N型半导体生长层31由所述N电极36引出。

所述绝缘层37隔离于所述N电极36与所述第二反射镜34、P型半导体生长层33以及量子阱层32之间。

键合到所述透明衬底1上表面的薄膜倒装结构发光二极管3的n型半导体生长层31表面上具有化学腐蚀形成的粗化结构301(具体可以是微观锥形粗化结构)可以增加光从薄膜倒装结构发光二极管结构3到透明衬底1的出射效率，所述透明衬底1的下表面还具有增加从透明衬底1到空气出光效率的微观出光结构6，比如微观透镜阵列结构或纵横交错排布的V型槽结构，等等。如图2、图3和图6中透明衬底1底部的微观出光结构为半圆形的微观透镜结构阵列。如图8和图9的透明衬底1底部的微观出光结构为V型槽结构。

具体地，所述第一反射镜2和钝化层5覆盖在外延层以及透明衬底1上部分侧壁表面，如图3所示，所述LED晶元级封装器件的上表面由第二反射镜34覆盖，侧壁由第一反射镜2覆盖。所述第一反射镜2和第二反射镜34形成一个梯形状的反射杯，所述薄膜倒装芯片发光二极管3发射的光通过所述第一反射镜2和第二反射镜34的反射后全部从透明衬底1出射，有效防止出射光侧漏，提高光效。所述透明衬底1对光的吸收低、透光率高，可以进一步提高光出射效率。

所述钝化层5为SiO₂、SiN、或SiON_x中一种或几种的组合，用于隔离所述P电极35和N电极36与所述第一反射镜2，所述钝化层5的厚度为～3μm。

所述透明衬底1由易于加工的材料构成，采用机械加工、化学加工或者激光加工可以将透明衬底1加工成各种有利于出光的几何结构。作为示例，将所述透明衬底1加工成如图5～图7所示易出光的梯形结构，图5～图7中，所述薄膜倒装结构发光二极管侧壁和透明衬底的上部分侧壁整体呈梯形。所述钝化层5和第一反射镜2则覆盖在所述侧壁斜面上。当然，所述第一反射镜2也可以将整个透明衬底1的侧壁全部覆盖，即，将透明衬底1下部分垂直结构的侧壁也覆盖。另外，如图3和图6所示，所述透明衬底1下表面四周还可以加工倒角，更利于出光。

需要说明的是，图5和图6中的薄膜倒装结构发光二极管3的结构细节并未画出，例如N电极需要跟N型半导体生长层电连、以及绝缘层等均为画出。图5和图6中所述薄膜倒装结构发光二极管的结构3以图4为准。本实施例中，使用芯片尺寸大小为17mil*35mil的蓝光芯片晶元制作以上LED封装器件。采用Labsphere 50cm积分球***，60mA下，器件的光功率达到100mW以上；同时，对传统的17mil*35mil倒装芯片进行封装测试，器件的光功率为85mW。因此相比传统芯片，本发明的LED器件的光功率得到显著提升。

综上所述，本发明提供一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构，所述LED晶元级封装的器件结构至少包括：透明衬底、形成于所述透明衬底上的倒装结构发光二极管、以及依次覆盖于所述透明衬底和倒装结构发光二极管侧壁表面的第一反射镜和钝化层，所述透明衬底为加工成易出光的梯形结构，且底部出光面形成有微透镜结构或者V型槽结构等等。本发明中所述器件的侧壁具有反射镜结构，该反射镜将芯片及透明衬底的侧壁覆盖，防止芯片发出的光从芯片的侧壁泄露，再结合倒装结构发光二极管中P型半导体导电层表面的反射镜，使芯片的出射的单色光完全从N型半导体层表面出射进入透明衬底，再从透明衬底出射至外界空气，采用折射率大于空气且小于氮化镓的透明衬底做为出射光的中间介质层，大大减少空气对光的全反射，提高器件的光效。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于，所述封装器件结构至少包括：

透明衬底，所述透明衬底具有上表面、下表面以及侧面；

钝化层，覆盖在所述第一反射镜的表面。

2.根据权利要求1所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述透明衬底的厚度范围为50～1000μm，透光率在82％以上，折射率范围为1～2.5。

3.根据权利要求1所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述透明衬底的下表面可以加工成微观出光结构，所述微观出光结构为微观透镜阵列结构或纵横交错排布的V型槽结构。

4.根据权利要求1所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述薄膜倒装结构发光二极管包括：

P电极，结合于所述第二反射镜上；

5.根据权利要求4所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述N型半导体生长层表面的所述粗化结构被粗化成微观锥形粗化结构，所述微观锥形粗化结构表面粘合于所述透明衬底的上表面。

6.根据权利要求4所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述第二反射镜与P型半导体生长层形成欧姆接触，所述第二反射镜为ITO/Ag、Ag、Ni/Ag或者ITO/DBR。

7.根据权利要求1所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述第一反射镜为金属反射镜，所述第一反射镜与N型半导体生长层形成欧姆接触，所述第一反射镜为Cr/Al反射镜；所述钝化层为SiO₂、SiN、或SiON_x中一种或几种的组合，用于隔离所述P电极和N电极与所述第一反射镜，所述钝化层的厚度为

8.根据权利要求1所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述透明衬底的侧壁易加工成有利于出光的梯形结构，所述透明衬底下表面易加工成有利于各种有利于出光的微观出光结构。

9.根据权利要求4所述的适合单色光LED晶元级封装的器件结构，其特征在于：所述第一反射镜和所述P型半导体生长层表面的第二反射镜形成梯形状的反射杯结构。