CN110635009B - 高度反射倒装芯片led管芯 - Google Patents

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Abstract

LED管芯（40）包括外延生长在透明生长衬底（46）的第一表面之上的N型层（18）、P型层（22）和有源层（20）。光通过与第一表面相对的衬底的第二表面发射并且通过磷光体层（30）波长转换。在中心区域（42）中并且沿管芯的边缘（44）蚀刻开口（42,44）以暴露衬底（46）的第一表面。诸如银之类的高度反射金属（50）沉积在开口中并且与金属P接触件绝缘。反射金属可以通过沿每一个开口的内部边缘电气连接到N型层的所暴露侧面来传导用于N型层的电流。反射金属反射由磷光体层发射的向下的光以改进效率。由反射金属提供的反射区域可以形成管芯区域的10%‑50%。

Description

高度反射倒装芯片LED管芯
技术领域
本发明涉及具有诸如磷光体层之类的波长转换层的发光二极管（LED）的金属化，并且具体地涉及用于金属化这样的LED管芯的表面以改进光的向上反射的技术。
背景技术
一种类型的常规LED是具有沉积在其顶部发光表面之上的磷光体层的蓝光发射LED。LED通常是基于GaN的。蓝光激发磷光体，并且由磷光体发射的经波长转换的光与通过磷光体漏出的蓝光组合。实际上可以因此创建任何颜色，诸如白光。
以下更加详细讨论的关于这样的经磷光体转换的LED（PCLED）的一个问题在于，由磷光体层发射的光是各向同性的，其中一些光向上发射并且离开LED管芯，而一些光在回到管芯的半导体部分中的方向上发射。该光的大部分然后被LED管芯的底表面上的金属接触件向上反射回来。为了最小化反射率损失，金属接触件应当具有在整个可见光谱中的非常高的反射率特性的特征，这通常难以实现。
LED封装效率是在已经生成/转换光之后从LED提取光的能力。改进这样的封装效率当今被视为增加LED的光效能方面的主要阻碍之一。
经磷光体转换的LED中的增加的封装效率可以通过增加诸如倒装芯片之类的架构中的LED管芯的反射率来实现。
在倒装芯片（FC）管芯架构中，从典型地为“顶部”半导体表面的半导体N型层提取光。P型层是面向安装衬底（例如印刷电路板）的“底部”半导体层。金属接触件（电极）形成在管芯的底表面上。通过蚀刻掉P型层和有源层（即量子阱）以暴露N型层的部分来形成N接触件。然后在开口内的所暴露的P型层和有源层之上图案化电介质层（以便避免短路），并且将诸如铝之类的金属层沉积在开口内以接触N型层。N接触件可以以横跨管芯的过孔和/或围绕管芯边缘的凹槽的形式布置，其中电流然后跨N型层横向扩散。在N接触件之上不生成光，因为在那些区域中已经移除有源层。
金属P接触件通常在表面积方面最大，并且其还在功能上用作镜面反射体。P接触件通常包括Ag（银）材料。由于Ag迁移的能力，因此金属防护片层一般用于防止Ag迁移到任何下面的电介质层中。铝，而非银，典型地用于N接触件以得到对N型层的改进的电气耦合。
在现有技术中，通过进一步移除生长衬底（例如蓝宝石衬底），接着是从其提取所生成的（蓝）光的所暴露N层表面的粗糙化过程，实现薄膜倒装芯片（TFFC）架构。粗糙化通过减少内部反射来改进光提取。
在经磷光体转换的TFFC LED中，磷光体层还可以沉积在或附连到经粗糙化的N层表面，因而将光从窄波长范围转换到意义明确的宽带光谱中。
图1-3图示了一种类型的现有技术经磷光体转换的TFFC LED。
图1是LED管芯10的自底向上视图，其示出了大金属P接触层12、沿其中做出到N型层的电气接触的边缘的窄N接触区域14、以及其中做出到N型层的附加电气接触以得到良好电流扩散的分布式N接触区域16。在区域14和16处接触N型层的金属层典型地为Al，其具有针对感兴趣波长的90%以下的反射率。
图2是沿图1中的线2-2的边缘部分的截面视图。半导体N型层18外延生长在已经移除的蓝宝石生长衬底之上。有源层20和P型层22生长在N型层18之上。然后将可以包括Ag的高度反射的金属层（或金属层的叠层）沉积为P接触件12以电气接触P型层22。沿边缘蚀刻层22和20以暴露N型层18。金属防护片层24可以沉积在金属P接触层12上以阻挡Ag原子的迁移。然后沉积和蚀刻电介质层26以在区域14处暴露N型层18。然后沉积金属N接触层13（例如Al）以在区域14处电气接触N型层18并且形成沿管芯10的边缘的金属环。在LED管芯10的中心区域中，P接触层12通过蚀刻掉层13和26而暴露（参见图1），并且被进一步金属化以平面化LED管芯10的底表面。如果使用金属防护片层24，则可以通过金属防护片层24做出到P接触层12的电气接触。P和N金属接触层12和13最终键合到安装衬底上的对应金属阳极和阴极垫。
图3是沿图1中的线3-3的截面视图，其示出了分布式N接触区域16的部分，其中N型层18通过金属N接触层13接触。与做出到边缘区域14的接触同时执行金属化和蚀刻以在区域16处创建N型层18接触件。
蓝宝石生长衬底可以通过激光剥离或其它过程来移除。然后粗糙化（例如通过蚀刻或研磨）所暴露的顶部N型层表面28以改进光提取。然后沉积或者以其它方式将磷光体层30贴附（作为瓦片）到顶表面。
将假定的是，磷光体层30是生成黄-绿光的YAG磷光体，该黄-绿光在与蓝光组合时导致白光。当由有源层20生成的光子激发磷光体颗粒32（图2）时，所得经波长转换的光通常被各向同性地散射，因此大部分能量被引导回到LED管芯中。图2图示了向上和向下发射光线34的一些经激发的磷光体颗粒32。向下的光理想地被区域14和16处的金属N接触层13和P接触层12向上反射。然而，N接触层13典型地为铝，其不是良好的反射体。相应地，撞击在区域14和16处的N接触层13上的光明显衰减。良好的封装效率依赖于高金属接触件反射率以避免管芯中的光吸收。
除了区域14和16处的N接触层13的有限反射率之外，如以上示出的LED管芯的封装效率同样受经纹理化的N型层表面28从GaN半导体材料（高折射率材料，例如n=2.5）向较低折射率磷光体层（例如n=1.6）提取光的能力所限制。
因此，所需要的是缓解这样的限制从而导致优异的封装效率的LED管芯结构。
发明内容
所提出的发明的一个目的是增加暴露于磷光体层光的管芯区域的有效反射率，其中各向同性地发射经波长转换的光。为了实现这一点，在本发明的一个实施例中使用以下技术：
向原本常规的LED管芯添加贡献于总体较高管芯反射率的高度反射区。这些高度反射区应当位于用于高效地反射由磷光体层生成的光的管芯上的区域处。在一个实施例中，高度反射区在不生成光的区域中。高度反射区域相对于总管芯区域的百分比应当是明显的（例如高达50%）。为了保持与标准LED管芯大小中相同的量子阱（其中将电子转换成光子）区域，有源层区域（和因此的磷光体区域）一般与所添加的高度反射区域成比例地增加。
高度反射区可以形成在管芯的边缘周围以及分布在管芯的中心部分周围。反射区可以用作到N型层或甚至P型层的电气接触区。
在一个实施例中，不移除透明生长衬底（例如蓝宝石），并且磷光体层最终提供在衬底的顶表面之上。高度反射区在暴露衬底的蚀刻贯通半导体层的沟槽内。然后所暴露的表面涂覆有高度反射材料，诸如Ag。如果反射材料是金属，则可能需要适当的电气隔离。沟槽中的反射金属可以或可以不承载到N型层的电流。在一个实施例中，P型层的电气接触不受本发明影响，因为P接触件已经是高度反射的。
在另一个实施例中，具有相对低折射率的电介质层形成在衬底与高度反射金属层之间，或者形成在GaN与金属层之间，以创建电介质层表面处的折射率失配。因此，以大于临界角的角度入射在界面上的光将通过全内反射进行反射而没有损失，并且进入电介质层的光将被金属层反射。
取代于或附加于创建高度反射区的反射金属，反射层可以是使用具有选择成以便反射感兴趣波长的100%的厚度和折射率的堆叠电介质层的分布式布拉格反射体。
通过不移除生长衬底（例如蓝宝石），衬底帮助散射来自磷光体层的向下的光以减少内部反射，衬底提供良好的机械支撑，并且衬底（具有大约n=1.8的折射率）通过提供GaN的折射率（n=2.5）与磷光体的折射率（n=1.6）之间的折射率来减少内部反射。
衬底可以在生长外延层之前在其生长侧上经受纹理图案化以改进外延层-衬底界面处的光提取。
描述了其它实施例。
附图说明
图1是现有技术倒装芯片LED管芯的自底向上视图，其示出了金属接触区域。
图2是沿图1中的线2-2的LED管芯边缘的截面视图。
图3是沿图1中的线3-3的分布式接触区域的部分的截面视图。
图4是依照本发明的一个实施例的LED管芯的自底向上视图。
图5是沿图4中的线5-5的高度反射区的部分的截面视图。
图6是依照本发明的另一实施例的沿图4中的线5-5的高度反射区的部分的截面视图，其中高度反射金属电气接触N型层。
图7是沿图4中的线7-7的高度反射区的边缘部分的截面视图。
图8是沿图4中的线7-7的高度反射区的边缘部分的截面视图，其中衬底的边缘涂覆有反射体而不是磷光体。
图9是沿图4中的线9-9的分布式N接触件的部分的截面视图，其示出了高度反射金属如何电气接触N型层。
图10是沿图4的线5-5的可替换截面视图，其图示了电介质层可以如何在衬底与高度反射金属之间以用于增强反射率。
图11是沿图4的线5-5的可替换截面视图，其图示了图10的电介质层可以如何开口因此反射金属可以接触N型层。
图12是沿图4的线7-7的可替换截面视图，其图示了第一金属层可以如何接触N型层，以及较高反射率金属层可以如何形成在电介质层之上。磷光体层在衬底的侧面之上延伸。
图13是沿图4的线7-7的可替换截面视图，其图示了第一金属层可以如何接触N型层，以及较高反射率金属层可以如何形成在电介质层之上。反射体形成在衬底的侧壁上。
图14是沿图4的线7-7的可替换截面视图，其图示了形成在电介质层之上的金属反射层可以如何接触N型层，类似于图7。
图15是沿图4的线9-9的可替换截面视图，其图示了形成在电介质层之上的金属反射层可以如何接触N型层，类似于图9。
图16是高度反射区域的放大视图，其图示了电介质层可以如何堆叠来形成分布式布拉格反射体（DBR）以取代于或附加于使用高度反射金属层。
相同或相似的元件利用相同的标号标记。
具体实施方式
图4是依照本发明的一个实施例的LED管芯40的自底向上视图。LED管芯40包括可以或可以不充当电气接触件的所添加的高度反射区42。而且，相比于图1，LED管芯40的周界包括相对宽的高度反射边缘区44。在一个实施例中，有源层20的区域与现有技术相同使得类似的电气规范适用于二者。然而，LED管芯40由于针对区42和44所添加的区域而制作得更大，并且光输出由于增加的封装效率而增加。
在所示的实施例中，现有技术P接触层12未明显改变，因为P接触层12（包括Ag）已经是良好的反射体。
在一个实施例中，LED管芯40具有在1mm×1mm量级上的侧面。
在图4的示例中，区42形成为十字形；然而，其可以是任何形状并且优选地设计成跨LED管芯40的顶表面提供相当均匀的光输出。区42可以占据从10%-50%的管芯表面积。由于区42移除有源层20的部分，因此管芯可以制作得更大以补偿光生成区域的损失。
图5是沿图4中的线5-5的高度反射区42的部分的截面视图。
不移除透明蓝宝石生长衬底46。在沉积磷光体层30之前可选地减薄衬底46。磷光体层30可以使用任何数目的公知技术涂覆在衬底46表面上或者可以作为预形成的瓦片贴附到衬底46表面。
然后将沟槽48（形成为图4中的十字形）蚀刻贯穿各种层以暴露透明衬底46表面。
在P型层22之上沉积P接触层12金属（例如Ag）（其可以在形成沟槽48之前或之后完成）。然后沉积和图案化防护片层24和电介质层26以暴露衬底46但是覆盖P接触层12。
在衬底46的所暴露表面上和在电介质层26的任何部分之上，然后沉积和图案化诸如Ag或合金之类的高度反射层50。针对感兴趣波长的Ag的反射率为大约95%，而在感兴趣波长处Al的反射率小于90%。
如果Ag迁移是关注点，然后可以在反射层50之上沉积防护片层52。
图案化反射层50、防护片层24和电介质层26以在图5的视图外的区域处暴露P接触层12，因此所暴露的P接触层12在安装到基板或印刷电路板时可以用作阳极电极。P接触层12下方的任何反射层50不暴露于光并且将不会用于电气接触N型层18。
图5图示了在不同方向上发射光线34的各种磷光体颗粒32。光被示出为反射离开Ag P接触层12以及形成反射层50的Ag层。在其它地方，光也可以反射离开位于分布式接触区域54（图4）中和沿管芯边缘的反射层50。
在图5的示例中，在反射层50与N型层18之间不存在所做出的电气接触。
图6是沿图4中的线5-5的可替换实施例，但是其中通过反射层50在区域56处做出到N型层18的电气接触，其中已经蚀刻掉电介质层26。窄接触区域56在图4中的十字形图案的边缘周围一直延伸以得到良好的电流扩散。相应地，防护片层52和反射层50可以形成键合到基板或印刷电路板的底部阴极电极的部分。
图7是示出了沿图4中的线7-7的高度反射区44的管芯40的边缘部分的截面视图，其中添加在衬底46的侧壁周围延伸的磷光体层30。各种层的制造可以与以上描述的相同。蚀刻管芯40的边缘以暴露衬底46，并且如所示的那样沉积包括反射层50（例如Ag）的各种层。图7还示出了使用外接管芯40的中心部分的金属环58做出到N型层18的电气接触的反射层50。用于形成环58的金属可以包括铝并且可以是常规地用于做出与N型GaN的欧姆接触的常规金属叠层。与用于做出和图4中所示的分布式接触区域54中的N型层18的接触的金属（稍后关于图9进行讨论）同时沉积和图案化环58。尽管可以简单地通过打开电介质层26来通过反射层50沿边缘做出到N型层的电气接触，如图6中所示，但是形成环58和防护片层部分60的界面金属提供用于更好电气连接的界面。这样的界面也可以使用在图6中。
为了阻挡Ag原子从反射层50的迁移，将防护片层部分60形成为金属环58与反射层50之间的屏障。防护片层部分60可以与防护片层24同时形成。
电介质层26将反射层50和金属环58从金属P接触层12（其也可以包括Ag以得到高反射率）隔离。
图7图示了在各种方向上反射光线34的磷光体颗粒32。要注意的是，一个颗粒32如何发射沿边缘反射离开反射层50的光线62。如果反射层50用于N接触件，则反射层将典型地延伸至管芯的底表面以充当阴极电极。可替换地，反射层50可以电气连接到另一类型的较少反射的金属，其沿管芯40的底表面延伸，因为在金属P接触层12以下的任何金属不接收任何光。对于阴极电极，可以在反射层50之上沉积其它公知的金属，诸如Ni和Au，以促进到基板或印刷电路板的金属垫的键合。
如通过图1和4的比较看到的，所蚀刻的边缘宽得多，并且不沿边缘生成光。然而，管芯40可以制作得更大以补偿光生成区域的损失。然而，封装效率将比图1中的管芯10更大，因为存在不仅由磷光体层30而且由有源层20生成的光的增加的反射。因此，LED管芯40将具有与图1的现有技术LED管芯10相同的电气规范，但是将更明亮。
在一个实施例中，由反射层50覆盖的管芯40的边缘周围的沟槽48的区域是管芯40表面积的10%-50%。
图8类似于图7，但是衬底46的边缘涂覆有反射体66而不是磷光体。衬底46可以是LED半导体层的许多倍厚并且因此从侧面发射的光是明显的。如果这样的侧光不是所期望的，则推荐形成反射体66。反射体66可以是Ag或其它合适材料。图8示出了反射离开反射层50和反射体66二者的来自磷光体颗粒32的光线68。
图9是沿图4中的线9-9的分布式N接触件的部分的截面视图，其示出了反射层50如何经由形成LED层中的圆形蚀刻开口内的窄环的金属接触件70电气接触N型层18。金属接触件70是与形成图7中的金属环58相同的金属并且同时形成。尽管图4示出四个同样的分布式接触区域54，但是可以存在多得多的分布式接触区域54以得到改进的电流均匀性。分布式接触区域54可以是圆形或者一般截锥体形状，如所示，或者可以是矩形或其它形状。金属接触件70将因此采取接触区域54的边缘的形状。还示出防护片层部分72，其与图7中的防护片层部分60同时形成。通过图6、7和9中所示的各种电气接触件做出到N型层12的电气接触以均一地扩散电流。
因此，由于分布式接触区域54和反射边缘区44将反射来自磷光体层30的撞击光的大约95%，并且P接触层12也是高度反射的，因此与其中存在由金属N接触层13在区域14和16处的明显吸收的图1的管芯10相比，非常少的磷光体光被管芯40吸收。相应地，改进了LED的总体效率。
在另一实施例中，取代于添加沟槽48以形成十字形反射层50，分布式接触区域54制作得比图1中的分布式区域16更大，其中沿接触区域54（在图9中示出）的边缘做出到N型层18的电气接触并且接触区域54的中心区域仅仅用于添加高度反射区域。要指出的是，在现有技术图3中并且与图9相比，用于接触N型层18的分布式区域16仅仅用于做出与N型层18的电气接触，并且所使用的接触金属明显吸收磷光体光。
使用Ag的高度反射区的区域优选地比其中N接触金属（典型地为Al）接触N型层18的区域大得多，并且Al应当仅用于反射层50与N型层18之间的电气界面。优选地，Al应当仅占据不大于为了到N型层18的良好电气接触而严格必要的区域，诸如提供不大于2*Lt的接触宽度，其中Lt是金属-半导体接触的传递长度，典型地大约1um。其余所暴露的区优选地由高度反射金属（例如Ag）覆盖。高度反射层50可以或者可以不用作电流载体，而仍旧实现本发明的目标。
图10图示了电介质层26可以如何在衬底46与金属高度反射层50之间以用于增强反射率。将电介质层26的折射率（例如1.4-1.5）选择成低于衬底46的折射率。图10可以图示高反射率的任何区域，诸如跨图4的线5-5、7-7或9-9。因此，以大于临界角入射界面的光（诸如光线74）将通过全内反射进行反射而没有损失，并且进入电介质层26的光（诸如光线76）将被反射层50反射。
另外，在一个示例中，包括N型层表面28的减薄的N型层18可以延伸到图10的左边缘。如果电介质层26和反射层50形成在减薄的N型层18之上，则电介质层26的相对低折射率将导致以大于临界角入射的光反射离开GaN/电介质界面而没有损失。进入电介质层26的光将被反射层50反射。反射层50可以或可以不承载用于N型层18的电流。
电介质层26的折射率越低，临界角就越低（依照斯内尔定律）并且因而将在界面处通过全内反射完全反射的光线范围就越大。
图11是沿图4的线5-5（或反射区域的其它边缘）的可替换截面视图，其图示了图10的电介质层26可以如何在区域80处开口，因此金属反射层50可以电气接触N型层18以承载N型层18电流。
图12是沿图4的线7-7的可替换截面视图，其图示了第一金属层84（例如铝）可以如何通过电介质层26中的开口在区域86处接触N型层18。由较高反射率金属（诸如Ag）形成的反射层50可以形成第一金属层84和电介质层26之上。如在图10和11中那样，接触衬底46的电介质层26通过全内反射反射一些光。磷光体层30在衬底的侧面之上延伸。
图13是沿图4的线7-7的可替换截面视图，其图示了第一金属层84可以如何接触靠近管芯边缘的N型层18。图13与图12的区别在于反射体66形成在衬底46的侧壁之上。
图14是沿图4的线7-7的可替换截面视图，并且类似于图7，图示了形成在电介质层26之上的金属反射层50可以如何经由金属环58和防护片层部分60接触N型层18。
图15是沿图4的线9-9的可替换截面视图，其图示了形成在电介质层26之上的金属反射层50可以如何使用金属接触件70和防护片层部分72接触N型层18，类似于图9。
取代于或附加于创建高度反射区的反射金属，反射层可以是分布式布拉格反射体（DBR），如图16中所示，其使用堆叠的电介质层90A、90B和90C，具有选择成以便反射感兴趣波长的100%的厚度和折射率。在实际实施例中，可以存在多得多的堆叠层。形成DBR对于其它应用是公知的。完全穿透DBR的光（例如光线94）将由形成反射层50的金属层反射。金属层可以是可选的。DBR可以形成在P型层22以下以用作电介质层并且可以是电介质层26的扩展。
要指出的是，DBR还可以在台面侧壁之上延伸以获得台面侧壁反射。
通过不移除生长衬底46，衬底帮助散射来自磷光体层的向下的光以减少内部反射，衬底46提供良好的机械支撑，并且衬底46（具有大约n=1.8的折射率）通过提供在GaN的折射率（n=2.5）与磷光体层30的折射率（n=1.6）之间的折射率来减少内部反射。衬底46的生长表面可以粗糙化以通过减少内部反射来进一步改进光提取。
此外，由于磷光体层30从半导体层分离，因此存在传递到磷光体层30的较少热量，从而允许使用具有较低温度要求的磷光体。
取代于磷光体层，任何其它波长转换层可以位于衬底46之上，诸如量子点层。波长转换层不必直接接触衬底46。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员将显而易见的是，可以做出改变和修改而不脱离以其较宽方面的本发明，并且因此随附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (5)

1.一种发光二极管（LED）管芯结构，包括：
包含N型层、P型层和发射光的有源层的LED半导体层；
具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的生长衬底；
N型层、P型层和有源层生长在第一表面上；
N型层、P型层和有源层布置成使得由有源层生成的光的至少部分进入衬底的第一表面并且通过衬底的第二表面离开；
叠覆衬底的第二表面的波长转换层；
LED半导体层具有一个或多个开口并且至少一个开口暴露衬底的第一表面；以及
沉积在一个或多个开口中并且覆盖衬底的第一表面的至少部分以便反射来自波长转换层的光的反射材料,
其中一个或多个开口包括跨LED管芯分布的开口。
2.权利要求1的结构，其中一个或多个开口还包括沿LED管芯的边缘的开口。
3.权利要求1的结构，其中结构还包括沿跨LED管芯分布的每一个开口的边缘但是不在开口的中心区域中的N接触金属环，以用于将反射材料电气连接到N型层。
4.权利要求1的结构，其中结构还包括沿跨LED管芯分布的每一个开口的边缘但是不在开口的中心区域中的反射材料与N型层之间的电气接触区域，以用于将反射材料电气连接到N型层。
5.权利要求1的结构，其中一个或多个开口包括LED管芯的中心部分中的开口，结构还包括沿开口的边缘但是不在开口的中心区域中的反射材料与N型层之间的连续电气接触区域，以用于将反射材料电气连接到N型层。
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