CN107195743B - 一种紫外led倒装芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外LED倒装芯片，包括从下往上依次设置的基板、布线层和芯片外延层；本发明通过刻蚀工艺将芯片外延层的一部分去除，形成用于设置n电极的n型半导体区域，并在芯片外延层内分别设有贯穿n型AlGaN层的第一内部接触层和贯穿n型AlGaN层至透明导电层的第二内部接触层，使芯片内部形成用于释放高压静电的电流释放通道，从而避免芯片遭受静电的危害；另外，反射层的设置可以最大限度反射向下射出的光线，有效提高芯片的出光率；透明导电层可以增大与p电极之间的接触面积，获得更好的散热效果；最后，本发明通过设置电流扩展层和电子阻挡层，加强芯片内部载流子向上流动的速度和流量，使芯片的出光率大大提高。

Description

一种紫外LED倒装芯片
技术领域
本发明涉及LED芯片制造技术领域，尤其涉及一种紫外LED倒装芯片。
背景技术
紫外LED产品在近几年备受关注，具有节能环保、省电、高效率、响应速度快、使用寿命长、且不含汞等优点。紫外LED产品为了获得所需要的光效、亮度以及杀菌消毒效果，在LED芯片材料外延生长、制备等工艺过程中进行不同浓度的掺杂以及后期刻蚀等处理。
与传统紫外汞灯相比，紫外LED芯片有着寿命长、电压低、波长可调、环保、方向性好、迅速切换、抗震耐潮、轻便灵活等优点。已有技术中的紫外LED倒装焊芯片及其外延结构，通过将电极、共晶焊料、导电布线层等固晶到基板上，进而完成芯片的封装，该制备方式会导致芯片散热不理想、漏电、材料对光线的吸收大，易氧化污染、可靠性差以及紫外LED灯珠对静电较为敏感、容易受到外界静电的危害，造成芯片失效等问题。因此，随着技术的发展，已有的紫外LED倒装芯片将不再成为未来新型应用的主流。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种散热性好、出光率高、防静电危害的紫外LED倒装芯片。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种紫外LED倒装芯片，主要包括从下往上依次设置的基板、用于连接外部线路的布线层和芯片外延层。
具体的，所述芯片外延层内部采用三明治结构，主要包括通过外延生长工艺由上而下依次设置的衬底、缓冲层、未掺杂型AlGaN层、n型AlGaN层、量子阱有源区、p型AlGaN层、p型GaN层、用于连接外部电路的n电极和p电极。所述芯片外延层的一侧通过刻蚀工艺去除量子阱有源区、p型AlGaN层和p型GaN层的一部分，使芯片外延层的一侧形成凹陷，该凹陷区域用于设置n电极，与量子阱有源区以上区域一同构成n型半导体区域，而所述芯片外延层的另一侧未经过刻蚀处理，量子阱有源区以下区域构成p型半导体区域。
具体的，所述n型半导体区域内设有贯穿整个n型AlGaN层的第一内部接触层和用于包裹第一内部接触层的第一绝缘层。所述n电极的一端分别与第一内部接触层和n型AlGaN层连接，另一端固定连接在布线层上。所述p型半导体区域内设有多个第二内部接触层和用于包裹第二内部接触层的第二绝缘层，所述第二内部接触层和第二绝缘层从n型AlGaN层向下依次贯穿至p型GaN层，所述p电极的一端与第二内部接触层连接，另一端固定连接在布线层上。所述第一内部接触层的直径小于n电极，所述第二内部接触层的直径小于p电极。这样设计的目的在于，n型半导体区域的第一内部接触层与p型半导体区域的第二内部接触层接触并导通，从而共同构成一条用于释放静电的通道；当芯片正常工作发光时，内部pn结正向导通，电流主要从p电极流进芯片外延层，并从n电极流出；当芯片受到外界的高压静电时，内部pn结反向截止，第一内部接触层和第二内部接触层导通，形成电流释放通道(电流流向从第一内部接触层到第二内部接触层)，静电电流从该通道中流过，使芯片免受静电击穿伤害。
另外，所述布线层上设有用于隔离n电极和p电极的隔离跑道，该隔离跑道用于n电极和p电极之间的电气隔离。
进一步的，所述芯片外延层还包括提高出光率的反射层，所述反射层设置在p型GaN层与p电极之间，部分光线向下射到反射层后会被反射回来，从而减少光线的损失，提高芯片的出光率。同时，所述第二内部接触层和第二绝缘层均贯穿所述反射层。
再进一步的，所述芯片外延层还包括用于加快芯片散热的透明导电层；所述透明导电层设置在反射层与p电极之间，这样设置既能增加透明导电层与p电极的接触面积，又能将芯片产生的热量快速散去，增强芯片的散热效果，提高芯片的出光率。同时，所述第二内部接触层贯穿所述透明导电层，而所述第二绝缘层只贯穿至反射层。
进一步的，所述芯片外延层还包括用于提高出光效率的电流扩展层和电子阻挡层。所述电流扩展层设置在n型AlGaN层与量子阱有源区之间，有助于载流子向上流动，增强出光效果。所述电子阻挡层设置在量子阱有源区与p型AlGaN层之间，用于减缓或阻碍载流子向下流动，以减弱向下的出光效果。
进一步的，所述芯片外延层还包括成核层和AlN/AlGaN超晶格。所述成核层设置在缓冲层与未掺杂型AlGaN层之间，所述AlN/AlGaN超晶格设置在未掺杂型AlGaN层与n型AlGaN层之间，减小了材料内部之间的由于热应力、晶格失配以及线性位错等引起的缺陷，有效提高了晶体质量。
进一步的，所述芯片外延层还包括导电银浆层和AlN层；所述导电银浆层和AlN层自下而上依次设置在基板与布线层之间。
作为本发明的优选方案，为了增强芯片的散热效果，节约原材料，本发明所述p电极和第二内部接触层的数量均设为三组，这样设计的目的在于增大p电极与其他层之间的接触面积，使热量尽快通过三组p电极散发出去，通过直接在芯片外延层里面设置金属或者合金的内部接触层，明显缩短了外延芯片结构内部与外部电极之间的热路径；同时设置多个p电极和第二内部接触层，还避免了单个p电极或者第二内部接触层受到损坏后而造成整体的失效。
作为本发明的优选方案，所述n电极设为用于提高散热面积的倒L型或Z型结构，倒L型或Z型结构可以增大n电极与钝化层之间的接触面积，并且使电极与芯片外延层的侧壁之间结合得更紧密，使芯片产生的热量更容易通过n电极发散到外界，降低芯片的工作温度，从而提高芯片的发光效率。
进一步的，所述芯片外延层还包括钝化层，所述钝化层用于将n电极与p电极隔离，并对n型半导体区域和p型半导体区域的表面进行包裹和保护。
作为本发明的优选方案，所述布线层上设有用于连接和散热的增强型铜箔，所述铜箔设为十字架形状，确保与n电极和多个p电极与布线层之间的连接的同时还能并扩大其散热范围，使芯片得到有效散热。
本发明的工作过程和原理是：本发明通过刻蚀工艺将芯片外延层的一部分去除，形成用于设置n电极的区域，并在芯片外延层内分别设有贯穿n型AlGaN层的第一内部接触层和贯穿p型AlGaN层至透明导电层的第二内部接触层，使芯片内部形成一条用于释放高压静电电流释放通道，从而避免芯片遭受静电的危害；另外，反射层的设置可以最大限度反射向下射出的光线，有效提高芯片的出光率；透明导电层的加入可以明显增大与多个p电极之间的接触面积，从而加快芯片的散热速度，获得更好的散热效果；最后，本发明还通过在量子阱有源区的上方和下方分别设置电流扩展层和电子阻挡层，加强芯片内部载流子向上流动的速度和流量并阻碍载流子的向下流动，使芯片的出光率大大提高。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的紫外LED倒装芯片外延层中，pn结发光区发出的紫外光线透过p型半导体区域射出，在发光微结构表面设有类似分布式布拉格结构的反射层，将量子阱有源区发出的光线反射回芯片的正面后集中出射，从而提高了芯片的出光效率。
(2)本发明所提供的紫外LED倒装芯片对芯片进行钝化处理，将n电极、多个p电极和芯片外延层之间相互隔绝起来，起到良好的绝缘和保护作用，避免了杂质原子在芯片表面上的吸附，隔离了通过台阶周界所产生的漏电路径，从而减少了芯片表面的漏电流，避免了芯片工作过程中发生短路而失效。
(3)本发明所提供的紫外LED倒装芯片外延结构通过刻蚀和再沉积等工艺来形成内部欧姆接触层和绝缘层，在电学上形成了与AlGaN基LED本身相匹配的静电电流释放通道，使得静电释放效应引起的脉冲电流可以流过通道，使得LED芯片免受电应力的影响，起到了保护的作用；还防止了外界静电释放作用对芯片的损害，提高了芯片的可靠性。
(4)本发明所提供的紫外LED倒装芯片外延结构通过蒸镀等技术在p型GaN层表面上依次淀积一层镍金组成的薄膜反射层和带有微孔的透明导电层，明显改善了与p型GaN层之间的热传导性能，增强了电流扩展能力；另外，光线通过微孔直接透射出去，提高了出光效率，减小了电流扩展效应对芯片发光效率的影响。
(5)本发明所提供的紫外LED倒装芯片外延结构的芯片发光区与电极区不设计在同一个平面上，由电极区平面朝向基板结构表面的金属布线层进行共晶焊封装，省掉了焊线工序；同时等间距地设有若干个互连的p电极，结合优化后的金属布线层上的电极形状，使得电流扩展更加均匀，芯片散热速度加快，还可以实现LED微晶粒间的串并联以及完成LED高压等操作。
(6)本发明所提供的紫外LED倒装芯片的芯片外延层结合超广角、全周等光学结构设计，以及将芯片外延层进行表面粗化处理，使得芯片发光角度增大、光线反射效果增强以及光耗损减小。
附图说明
图1是本发明所提供的紫外LED倒装芯片的结构示意图。
图2是本发明所提供的另一种紫外LED倒装芯片的结构示意图。
图3是本发明所提供的布线层的俯视图。
图4是本发明所提供的pn结及静电电流释放通道的等效示意图。
上述附图中的标号说明：
1-基板，2-导电银浆，3-AlN(氮化铝)层，4-布线层，5-p电极，6-透明导电层，7-反射层，8-p型GaN(氮化镓)层,9-p型AlGaN(氮化铝镓)层,10-电子阻挡层，11-量子阱有源区，12-电流扩展层，13-n电极，14-钝化层，15-n型AlGaN层,16-AlN/AlGaN超晶格，17-缓冲层，18-衬底，19-内部接触层，20-成核层，21-未掺杂型AlGaN层，22-绝缘层，23-隔离跑道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本发明公开了一种紫外LED倒装芯片，该倒装芯片具有出光率高、散热性好、可靠性高、防漏电以及防静电危害等优点。主要包括衬底18以及从衬底18上表面依次叠加生长的缓冲层17、未掺杂型AlGaN层21、n型AlGaN层15、量子阱有源区11、p型AlGaN层9和p型GaN层8所构成的芯片外延层。该芯片的制备主要包括光刻、ICP刻蚀、蒸镀多个电极、钝化沉积、减薄划片、倒装共晶焊等过程。
具体的，所述紫外LED倒装芯片的规格为边长1mm的正方形，基板1规格为边长2mm的正方形，厚度为1mm。此时的外延芯片通过金锡共晶焊料沉积、封装在改进型散热基板1结构上，金锡共晶倒装焊芯片属于面面接触，具有优良的导热性和导电性、润湿性、耐腐蚀性和抗蠕变性以及机械强度高等优点；其工作时产生的热量直接通过散热基板1结构进行传导，有效地提高了热传导效率，还可耐较大电流冲击；同时减少了有源区面积的损失，提高了芯片的出光效率。采用共晶焊技术将外延芯片与基板1结构相键合后形成共晶焊结构，使得外延芯片与基板1结构上的金属布线层4相匹配后，通过抗紫外焊料进行电气连接，起到了中间桥梁作用，同时减小了虚焊的可能性。
进一步的，通过准确控制倒装时的温度，当基板1被加热至500℃的共晶温度时，金元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提高了溶点，使得共晶层发生固化后将LED芯片紧固的焊接于基板1上的金属布线层4等热沉结构上。横截面为梯形的共晶焊料受热以及应力后熔解与芯片电性相连，取代了已有技术中在电极区域分别设置芯片焊盘以及在焊盘处涂覆锡膏，使熔解共晶焊料时不会产生大幅度的收缩与推挤，有效避免了芯片倾斜、位置飘移、n型和p型电极两接触面直接互连而短路等情况，保证了芯片的使用效果。
所述紫外LED倒装芯片结构中，衬底18上表面设有缓冲层17，其厚度为50nm。采用与AlGaN晶格匹配度高的SiC衬底18，保证了外延芯片的良品率，与在晶片上进行激光剥离与化学腐蚀相比，提高了芯片的发光效率。外延生长AlN缓冲层17时，***到不同温度梯度下生长处理进而继续形成AlN成核层20，该成核层20上方设有未掺杂型AlGaN层21，通过MOCVD或MOVPE等工艺设备在未掺杂型AlGaN层21上表面生长异质结构的AlN/AlGaN超晶格16。所述芯片外延层发光微结构中形成类似分布式布拉格结构的反射层7，将有源区发出的光线反射回芯片正面，该反射层7的厚度为0.1um。所述反射层7上设有带微孔的透明导电层6，其厚度为0.1um，紫外光可通过微孔透射出去，同时减少了材料对紫外光线的吸收。
所述芯片外延层中，采用两种不同折射率和厚度的材料，在250～500℃的低温沉积工艺下，交替使用SiO2和TiO2或者金刚石薄膜来进行钝化处理，使得芯片外延层形成钝态，维持了芯片的表面机构以及形态结构。所形成的薄膜钝化层14隔离了n型半导体区域、p型半导体区域，以及外延芯片结构之间台阶周界所形成的漏电路径；该薄膜牢固地吸附在芯片外延层表面上，使得芯片外延层与外界介质完全隔开，防止了芯片外延层表面与杂质接触而造成污染；对n型半导体区域和p型半导体区域的表面也进行了包裹和保护，避免了工作过程中瞬间的电场或电流产生的热对LED灯珠局部造成的损害，弱化了电场或电流对LED灯珠中绝缘钝化层14的破坏，使芯片维持正常工作、延长使用寿命以及吸收和阻挡了杂质离子向芯片外延层中的扩散，避免了漏电流造成短路而使得芯片失效；同时还形成了类似分布式布拉格反射结构，增强了芯片外延层内部光线的反射效果，提高了芯片的亮度。
进一步的，蒸镀的钝化层14太厚，会影响到芯片的出光效率、增大出光损耗以及出现芯片自身发热严重、散热困难等问题；而钝化层14太薄，也会影响到芯片的出光效率，本发明将钝化层14的厚度优化地设置为1nm。由于PECVD工艺沉积的薄膜具有组份和厚度均匀性好、膜密度较高、针孔和空洞相对较少、热膨胀系数与晶格相匹配的、覆盖性好等优点，采用该工艺制备的薄膜作为一种高导热的、绝缘的钝化层14，进而保护LED芯片，该钝化层14对外延芯片的台阶表面实现了良好的保形覆盖以及填充小尺寸结构能力。所述钝化层14被腐蚀后形成若干个凹槽结构，通过等离子体、ICP等工艺刻蚀芯片台面处的n型、p型半导体区域后，再往凹槽里面沉积一定深度的内部接触层19和绝缘层22。所述内部接触层19位于相对应区域的电极下面，经过电极处的光线总会被直接反射回去，减小了出光损耗。
每个凹槽里面分别交替蒸镀并沉积不同的金属合金，该区域处再分别设有对应的扩展型n电极13和多个p电极5，导电银浆2将该结构处的AlN层3和基板1相连接，通过对电极施加压力，使得芯片固定并连接在改进型基板1表面处的金属布线层4固晶面上。外延芯片与布线层4之间属于面面接触，芯片通过电极倒装在基板1结构的布线层4上，其工作时产生的热量直接通过布线层4、AlN层3和基板1进行传导，提高了热传导效率和机械强度，还可耐较大电流冲击，提供了芯片稳定的工作性能。
进一步的，所述芯片外延层还包括用于提高出光效率的电流扩展层12和电子阻挡层10。所述电流扩展层12设置在n型AlGaN层与量子阱有源区之间，有助于载流子向上流动，增强出光效果。所述电子阻挡层10设置在量子阱有源区与p型AlGaN层之间，用于减缓或阻碍载流子向下流动，以减弱向下的出光效果。
将紫外LED芯片倒装到改进型基板1时，晶粒底部采用金锡合金来作为接触面处的金属布线层4，晶粒焊接于镀有金属布线层4的改进型基板1上。共晶层和基板1热沉结构完全键合为一体，打破了散热***中从芯片到基板1的热瓶颈，延长了LED寿命。所述基板1结构中AlN层3表面上设有的布线层4平面被划开，形成一道绝缘的隔离跑道23，防止了金属布线层4直接相导通引起短路而造成芯片失效，金属布线层4两端处还分别相应地设有若干个与金属布线层4之间相互导通的金属电极导电条。
相应地，每个凹槽以下部分的p型半导体区域处,内部接触层19从透明导电层6开始沉积，并一直贯穿到n型AlGaN层15，而对内部接触层19进行包裹的绝缘层22则只从反射层7开始贯穿到n型AlGaN层15，该内部接触层19和绝缘层22均为圆柱状年轮结构，选用钛铝共晶或双层金属材料来制备圆柱体内芯处的内部接触层19；n型半导体区域处，设有贯穿整个n型AlGaN层15的内部接触层19和绝缘层22，该内部接触层19选用铂金共晶材料。优化的，通过内含保护材料的电极支架将n电极13延伸至部分p型半导体区域上，中间使用钝化层14隔离开来，同时确保了p电极5和n电极13的高度处于同一平面上。
如图1和图2所示的方案中，通过等间距地设置多个p电极5，使得电流扩展更加均匀，有效地降低了热阻、提高了热导率，使倒装芯片满功率运行；布线层4上设置的高导热的金属电极导电条、多个扩展型p电极5等结构，使得芯片工作时产生的高密度热量及时地、直接地传导出去，实现了光与热的分离，提高了LED光源的可靠性。
所述紫外LED倒装芯片结构中，基板1上表面蒸镀一层厚度为0.1mm的导电银浆2；接着再生长一层散热性好的AlN层3，厚度为0.4mm；AlN层3上表面设有一层厚度为0.02mm的金属布线层4。本发明所述外延芯片层结构，该散热基板1结构的俯视图如图3所示，金属布线层4被划开后形成一道隔离的绝缘跑道23，被划开后的两块金属布线层4分别与p型、n型半导体区域一一相对应，再将外延芯片通过设置的电极直接倒装在散热基板1的金属布线层4上。该基板1结构由高导热率的覆银陶瓷材料组成，有效地控制了芯片结温；芯片内部产生的热量通过多个p电极5快速散发到基板1散热结构处，有效地提高了芯片的电流扩展和负载能力，提升了散热性能以及芯片的光输出功率，确保了后期芯片封装密度的可行性。
本发明所述紫外LED芯片外延层，结合该结构的等效电路进行分析，如图4所示。当对外延芯片施加一定的正向偏压时，电流主要通过pn结从p电极5到n电极13路径流过芯片，形成欧姆接触类型的AlGaN基LED；同时由于人体表面处存在静电放电效应，电脉冲会引起反向偏置电压，此时的pn结截止，静电放电电流主要通过位于n型半导体区域的内部接触层19和位于p型半导体区域的三个内部接触层19从n电极13到p电极5路径流过内部接触层19，进而形成一条用于释放静电电流的通道。两种不同的结构相结合形成了完整的闭合回路，避免了静电放电对芯片的损害，提高了芯片的可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种紫外LED倒装芯片，其特征在于，包括从下往上依次设置的基板、布线层和芯片外延层；
所述芯片外延层设为三明治结构，包括通过外延生长工艺由上而下依次设置的衬底、缓冲层、未掺杂型AlGaN层、n型AlGaN层、量子阱有源区、p型AlGaN层、p型GaN层、n电极和p电极；所述芯片外延层的一侧通过刻蚀工艺去除量子阱有源区、p型AlGaN层和p型GaN层的一部分，从而形成n型半导体区域和p型半导体区域；所述n型半导体区域内设有贯穿整个n型AlGaN层的第一内部接触层和用于包裹第一内部接触层的第一绝缘层；所述n电极的一端分别与第一内部接触层和n型AlGaN层连接，另一端连接在布线层上；所述p型半导体区域内设有多个第二内部接触层和用于包裹第二内部接触层的第二绝缘层，所述第二内部接触层和第二绝缘层从n型AlGaN层向下依次贯穿至p型GaN层；所述p电极的一端与第二内部接触层连接，另一端固定连接在布线层上；所述第一内部接触层的直径小于n电极，所述第二内部接触层的直径小于p电极；
所述布线层上设有用于隔离n电极和p电极的隔离跑道；
所述芯片外延层还包括提高出光率的反射层，所述反射层设置在p型GaN层与p电极之间；所述第二内部接触层和第二绝缘层均贯穿所述反射层；
所述芯片外延层还包括用于加快芯片散热的透明导电层；所述透明导电层设置在反射层与p电极之间；所述第二内部接触层贯穿所述透明导电层；
所述芯片外延层还包括用于提高出光效率的电流扩展层和电子阻挡层；所述电流扩展层设置在n型AlGaN层与量子阱有源区之间，所述电子阻挡层设置在量子阱有源区与p型AlGaN层之间；
所述芯片外延层还包括成核层和AlN/AlGaN超晶格；所述成核层设置在缓冲层与未掺杂型AlGaN层之间，所述AlN/AlGaN超晶格设置在未掺杂型AlGaN层与n型AlGaN层之间；
所述芯片外延层还包括钝化层，所述钝化层用于将n电极与p电极隔离；
所述p电极和第二内部接触层的数量均设为三组；
所述n电极设为用于提高散热面积、防止电极表面漏电的倒L型或Z型结构。
2.根据权利要求1所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述芯片外延层还包括导电银浆层和AlN层；所述导电银浆层和AlN层自下而上依次设置在基板与布线层之间。
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