CN204230291U - 一种晶圆级的垂直结构白光led芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，该垂直结构白光LED芯片包括：衬底，所述衬底具有第一表面和第二表面；外延层，所述外延层设置于所述衬底的第一表面上；金属电极，所述金属电极设置于所述外延层上并与所述外延层相连；荧光粉混合层，所述荧光粉混合层设置在所述外延层上。通过光刻将其金属焊盘电极以及划片道保护起来，之后通过涂覆荧光粉混合体固化最后通过减薄、研磨、抛光的方法得到所需要的荧光粉厚度层，之后去除光刻胶，得到晶圆级的垂直结构白光LED。本实用新型得到色温基本一致的垂直结构白光LED芯片，并在芯片级出射白光，大大提高了白光LED的生产效率。

Description

一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片

技术领域

本实用新型发光二级管（LED）制造领域，特别是涉及一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片。

背景技术

发光二极管（light emitting diode，简称LED）根据不同发光材料的化学结构和属性，分为无机LED（一般称为LED）和有机LED（一般称为OLEDs）。1993年，蓝色氮化镓（GaN）LED技术获得突破，在此基础上1996年实现了无机LED白光发射。由于白光LED具有低电压驱动、全固态、低功耗、长效可靠等优点，白光LED器件在照明相关领域的应用研究都受到了学术和产业界的高度重视。因为白光LED是一种符合环保节能绿色照明理念的高效光源，因此，目前以白光LED为主的半导体照明技术（***照明技术）在全世界范围内得到了大力的推动和发展，正在形成巨大的产业。白光LED器件实现白光的方式主要有三种：1. 蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，通过复合得到白光；2. 紫外LED激发红、绿、蓝三基色荧光粉，通过复合得到白光；3. 红、绿、蓝三基色LED多芯片通过集成封装从而得到白光。目前最常见的白光LED实现方式是色转换型，即在蓝光LED芯片表面涂敷一层黄色荧光粉。现阶段的白光LED的封装一般都是有封装将蓝光LED芯片通过固晶的方式将芯片固定在基板上，之后焊线，点硅胶于荧光粉的混合体，得到白光LED的出射，因为垂直结构芯片的发光角度较水平结构芯片小，在垂直方向上的光强度很强，侧面发光两很少，采用点胶工艺得到的荧光粉层都是弧形，不是一个平面，这样得到的白光芯片容易出现蓝圈或者黄圈，导致单颗白光芯片色温分布不均匀。如果能在芯片表面涂覆一层与芯片发光尺寸大小接近而且厚度一致的荧光粉层，就能很好的解决传统封装的蓝圈和黄圈的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是现有的垂直结构白光LED芯片在通过点胶工艺涂覆硅胶与荧光粉得混合物层而产生颜色的不均匀性，为此提供一种提高了色温分布的均匀性的晶元级垂直结构白光LED芯片。

本实用新型的技术方案是：一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，它包括：衬底，所述衬底具有第一表面和第二表面；由自上至下依次层叠设置的N型半导体层、发光外延层和P型半导体层组成的外延层；荧光粉混合层，还包括设置在外延层之上并与所述外延层连接的金属电极，所述金属电极包括金属焊盘电极和金属扩展电极，所述荧光粉混合层设置在所述外延层的外表面上并使得金属焊盘电极暴露在外。

上述方案的改进是所述衬底为导电衬底，所述垂直结构白光LED芯片还包括金属键合层、金属反射层和金属焊料层，所述金属焊料层设置于所述衬底的第二表面上，其材质是金、金锡合金、铝和铝合金的任意一种；所述金属反射层设置于所述衬底的第一表面和P型半导体层之间；所述金属键合层设置于金属反射层和衬底之间。

上述方案的进一步改进是所述垂直结构白光LED芯片还包括钝化层，所述钝化层设置于所述N型半导体层上。

上述方案的进一步改进是所述垂直结构白光LED芯片还包括粗化层，所述粗化层设置在所述外延层和所述荧光粉混合层之间。

较佳的，所述发光外延层为激发紫外光或蓝紫光的多量子阱有源层。

较佳的，所述荧光粉混合层的材质包含荧光粉和粘结胶水。

较佳的，所述荧光粉为黄色荧光粉、绿色荧光粉及红色荧光粉中一种或几种的组合；所述粘结胶水包括硅胶、变性硅树脂、环氧树脂、变性环氧树脂及丙稀树脂中的一种或几种的组合。

较佳的，所述荧光粉混合层的厚度为5um~500um。

较佳的，所述荧光粉混合层的尺寸等于所述外延层的大小尺寸，或大于所述外延层的大小尺寸并包裹所述外延层的侧壁。

本实用新型的有益效果是所述荧光粉混合层直接涂敷在外延层上，通过光刻工艺露出金属焊盘电极，通过减薄研磨抛光的方法得到厚度一致的硅胶荧光粉层，不会像点胶工艺得到的荧光粉层都是弧形，出现蓝圈或者黄圈，进而避免产生颜色的不均匀性的问题，降低同批次的产品色温差异，形成色温一致的白光LED；2. 所述垂直结构白光LED芯片在芯片级发出白光，大大提高了白光的生产效率。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例晶元级的垂直结构白光LED芯片的结构的截面图；

图2是本实用新型第二实施例晶元级的垂直结构白光LED芯片的结构的截面图；

图中，101、衬底，102、外延层，103、荧光粉混合层，104、金属电极，105、金属键合层，106、金属反射层，111、金属焊料层，112、P型半导体层，113、发光外延层，114、N型半导体层，115、粗化层，116、钝化层。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的垂直结构白光LED芯片进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

本实用新型的核心思想在于，提供一种晶元级的垂直结构白光LED芯片，该垂直结构白光LED芯片中所述荧光粉混合层直接涂敷在外延层表面，以解决现有的垂直结构白光LED芯片在通过点胶工艺涂覆硅胶与荧光粉得混合物层而产生颜色的不均匀性问题，提高了色温分布的均匀性。

以下列举所述垂直结构白光LED芯片的几个实施例，以清楚说明本实用新型的内容，应当明确的是，本实用新型的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本实用新型的思想范围之内。

【第一实施例】

以下请参考图1，其为本实用新型第一实施例的垂直结构白光LED芯片的结构的截面图。

本实用新型所述垂直结构白光LED芯片包括：101、衬底；102、外延层；103、荧光粉混合层；104、金属电极；105、金属键合层；106、金属反射层；111、金属焊料层；112、P型半导体层；113、发光外延层；114、N型半导体层；115、粗化层；116、钝化层。

如图1所示，在本实施例中，所述衬底101为导电衬底，衬底101可以从以下一组材料中选出，该组材料包括：硅、铝硅、金属或合金，在较佳的实施例中，衬底101选取铝硅衬底，这样衬底的翘曲度较小有利于芯片的加工。衬底101具有第一表面和第二表面。

金属键合层105设置在衬底101的第二表面上，较佳的实施例为由金锡合金（AuSn）沉积而成，或者是由金（Au）沉积而成。

衬底101的第二表面还设置有一层焊料层。在本实施例中，焊料层111为金属焊料层，用于芯片封装的共晶工艺。焊料层的材料可以为金或者金锡的合金，也可以是铝或铝的合金。

金属反射层106设置在金属键合层105的表面。反射层106的材料采用高反射光的材料，较佳的如银以及镍银合金，提高该垂直结构白光LED芯片的出光率。

外延层102设置于金属反射层的表面上，外延层102的材料可以为氮化镓基材料、磷化镓及材料、镓氮磷基材料或氧化锌基材料。外延层102包括自下至上依次层叠设置的P型半导体层112、发光外延层113和N型半导体层114，发光外延层113为激发紫外光或蓝紫光的多量子阱有源层。本实施例中的外延层102的结构并不限于P型GaN层结构-AlGaN多量子阱有源层-N型AlGaN层，其它可以激发紫外光或蓝紫光的外延层结构，如P型GaN层-InGaN/GaN多量子阱有源层-N型GaN层也在本实用新型的思想范围内。另外，外延层102上有一层粗化层115，因为在本实施例中外延层102最上层为N型半导体层114，所以对N型半导体层114表面进行粗化以得到粗化层115，从而提高该垂直结构白光LED芯片的发光效率。粗化层115可以通过湿法腐蚀粗化、干法刻蚀粗化以及生长光子晶体的方法得到。金属电极104设置于外延层上表面，其金属电极包括金属扩展电极以及金属焊盘电极。通过光刻的方法将金属焊盘电极保护起来，光刻保护胶的厚度在10um-500um之间。

荧光粉混合层103设置在外延层102之上并使得金属焊盘电极暴露在外，由于在本实施例中的外延层102上设置有钝化层116，所以荧光粉混合层103设置在钝化层116 的上表面上，金属电极的高度不超过荧光粉混合层的高度；荧光粉混合层103的材料包含荧光粉和粘结胶水，其中，荧光粉可以为黄色荧光粉、绿色荧光粉及红色荧光粉中的一种或几种的组合，粘结胶水具有一定黏度和硬度，所述粘结胶水为硅树脂、变性硅树脂、环氧树脂、变性环氧树脂、丙稀树脂，或至少包含上述树脂中的一种的混合树脂。较佳的，荧光粉为YAG系以及原硅酸钡（Barium ortho-Silicate，简称BOS）系荧光粉。荧光粉混合层的厚度为5um~100um，较佳的为25um、36um、45um。为得到不同色温的垂直结构白光LED芯片，该荧光粉与粘结胶水的配比一定的范围内调整。荧光粉混合层103的大小尺寸等于或大于外延层102的尺寸以便形成侧壁的包裹。在本实施例中，荧光粉混合层103为配置比例较佳的为黄色荧光粉（YAG）占硅胶百分比浓度为15%，还可以是硅树脂与黄色荧光粉（YAG）以及氮化物红色荧光粉的混合体，还可以是硅树脂与黄色荧光粉（YAG）以及氮化物红色荧光粉、绿色荧光粉的混合体。

在本实施例中，实现荧光粉混合层103的过程为：在垂直结构蓝光芯片晶元表面光刻一层厚度为10um-500um的光刻图形，较佳的为60um-110um之间，将焊盘电极以及芯片的划片道遮挡，通过匀胶、曝光、显影、得到所需要的光刻图形。

配置黄色荧光粉与硅胶的混的体，荧光粉所占的百分比浓度为15%，充分搅拌均匀，在真空箱中抽真空，抽出硅胶与黄色荧光粉混合体之间的气泡。将配置好的荧光粉与硅树脂的混合体通过点胶机均匀的涂覆在LED晶圆的表面，采用涂刷器使其平坦化。静置一段时间之后将LED晶圆放在150℃的烘烤箱中烘烤2h进行固化，在减薄机上减薄到一定厚度之后，再通过研磨机对其进行研磨抛光，最后可以在化学机械抛光机（CMP）上对其进行精抛光使其表面进行平坦化。得到具有一定厚度荧光粉混合层103。通过激光划片机对芯片进行切割，得到单芯片具有荧光粉混合层103的垂直结构白光LED芯片。本实用新型中，硅树脂与荧光粉的混合体的固化既可以是在烘烤盘上固化，也可以是在烘箱中固化。将涂覆好的硅树脂与荧光粉涂覆在LED晶圆表面之后的平坦化，可以用涂刷器使其平坦化，也可以利用其自重使其表面平坦化。研磨抛光之后达到所需要的荧光粉层厚度之后，也可以不进行CMP精抛光。

在本实施例中，该垂直结构白光LED芯片中外延层102被激发出蓝紫光或紫外光，该蓝紫光或紫外光激发荧光粉混合层103直接在芯片级发出白光，形成色温一致的白光LED，大大提高了白光的生产效率。

【第二实施例】

本实用新型第二实施例为第一实施例的修改例。以下请参考图2，其为本实用新型第二实施例的垂直结构白光LED芯片的结构的截面图。在图中，相同的参考标号表示等同于图1中标号，不同之处在于实施例二中没有蒸镀金属焊料层111，这样利用衬底导电可以节省成本，但其后续的封装工艺不能采用共晶焊的方法封装，只能采用锡膏或者银胶的方式封装。可靠性较实施例一要差一点。

综上所述，本实用新型所述垂直结构白光LED芯片，与现有技术相比，本实用新型提供的晶圆级的垂直结构白光LED具有以下优点：

1. 本实用新型所述的垂直结构白光LED芯片中，所述荧光粉混合层直接涂敷在外延层上，通过光刻工艺露出焊盘，通过减薄研磨抛光的方法得到厚度一致的硅胶荧光粉层，不会像点胶工艺得到的荧光粉层都是弧形，出现蓝圈或者黄圈，进而避免产生颜色的不均匀性的问题，降低同批次的产品色温差异，形成色温一致的白光LED。

2．所述垂直结构白光LED芯片在芯片级发出白光，大大提高了白光的生产效率。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，它包括：衬底（101），所述衬底具有第一表面和第二表面；由自上至下依次层叠设置的N型半导体层（114）、发光外延层（113）和P型半导体层（112）组成的外延层（102）；荧光粉混合层（103），其特征是还包括设置在外延层之上并与所述外延层连接的金属电极（104），所述金属电极包括金属焊盘电极和金属扩展电极，所述荧光粉混合层设置在所述外延层的外表面上并使得金属焊盘电极暴露在外。

2.如权利要求1所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述衬底为导电衬底，所述垂直结构白光LED芯片还包括金属键合层（105）、金属反射层（106）和金属焊料层（111），所述金属焊料层设置于所述衬底的第二表面上，其材质是金、金锡合金、铝和铝合金的任意一种；所述金属反射层设置于所述衬底的第一表面和P型半导体层之间；所述金属键合层设置于金属反射层和衬底之间。

3.如权利要求2中所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述垂直结构白光LED芯片还包括钝化层（116），所述钝化层设置于所述N型半导体层上。

4.如权利要求3所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述垂直结构白光LED芯片还包括粗化层（115），所述粗化层设置在所述外延层和所述荧光粉混合层之间。

5.如权利要求1所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述发光外延层为激发紫外光或蓝紫光的多量子阱有源层。

6.如权利要求1中所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述荧光粉混合层的材质包含荧光粉和粘结胶水。

7.如权利要求6所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述荧光粉为黄色荧光粉、绿色荧光粉及红色荧光粉中一种或几种的组合。

8.如权利要求6所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述粘结胶水包括硅胶、变性硅树脂、环氧树脂、变性环氧树脂及丙稀树脂中的一种或几种的组合。

9.如权利要求1-8任一中所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述荧光粉混合层的厚度为5um~100um。

10.如权利要求1-8任一所述的一种晶圆级的垂直结构白光LED芯片，其特征在于，所述荧光粉混合层的尺寸等于所述外延层的大小尺寸，或大于所述外延层的大小尺寸并包裹所述外延层的侧壁。