一種倒裝型高壓交/直流發光二極體及其製作方法
2023-05-15 05:51:21
專利名稱：一種倒裝型高壓交/直流發光二極體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體技術，尤其涉及一種倒裝型高壓交/直流發光二極體及其製作方法。
背景技術：
對於高功率LED的設計，目前各大廠多以大尺寸單顆低壓DC LED為主，做法有二，一為傳統水平結構，另一則為垂直導電結構。就第一種做法而言，其製程和一般小尺寸晶粒幾乎相同，換句話說，兩者的剖面結構是一樣的，但有別於小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大電流之下，一點點不平衡的P、N電極設計，都會導致嚴重的電流叢聚效應(Current crowding),其結果除了使得LED晶片達不到設計所需的亮度外,也會損害晶片的 可靠度(Reliability)。當然，對上遊晶片製造者/晶片廠而言，此作法製程相容性(Compatibility)高，無需再添購新式或特殊機臺，另一方面，對於下遊系統廠而言，周邊的搭配，如電源方面的設計等等，差異並不大。但如前所述，在大尺寸LED上要將電流均勻擴散並不是件容易的事，尺寸愈大愈困難；同時，由於幾何效應的關係，大尺寸LED的光萃取效率往往較小尺寸的低。第二種做法較第一種複雜許多，由於目前商品化的藍光LED幾乎都是成長於藍寶石基板之上，要改為垂直導電結構，必須先和導電性基板做接合之後，再將不導電的藍寶石基板移除，再完成後續製程；就電流分布而言，由於在垂直結構中，較不需要考慮橫向傳導，因此電流均勻度較傳統水準結構為佳；除此之外，就基本的物理原理而言，導電性良好的物質也具有高導熱的特質，藉由置換基板，同時也改善了散熱，降低了 PN接面溫度，如此一來便間接提高了發光效率。但此種做法最大的缺點在於，由於製程複雜度提高，導致良率較傳統水平結構低，製作成本高出不少。晶元光電於全球率先提出了高壓直流發光二極體(HV DC LED)作為高功率LED的解決方案；其基本架構和高壓交流發光二極體(HV AC LED)相同，乃是將晶片面積分割成多個cell之後串聯而成。其特色在於，晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其cell數量與大小等，等同於做到客制化的服務。由於可以針對每顆cell加以優化，因此能夠得到較佳的電流分布，進而提高發光效率。眾所周知，由直流驅動的LED產品隱藏不少弊端。它們需要與整流器一併使用，其壽命只有2萬小時，但直流電驅動的LED產品的壽命卻長達5 10萬小時。因此，直流驅動的LED產品「一生」便需要多次更換整流器，若應用於固定照明裝置上必定造成不便。與之相對，高壓交流發光二極體是一類集成了各種處理技術的LED產品，它包括多種器件或內核，無需額外的變壓器、整流器或驅動電路，交流電網的交流電就可直接對其進行驅動。這使得LED產品無需變壓器就可以直接應用於家居及辦公室交流電器插頭(100 110伏特/220 230伏特)，不僅顯著降低電路成本，也避免了電源變換過程中損失的能耗。但是這種高壓發光二極體的出光效率和散熱性能還有待提升。
發明內容
本發明的目的是提供一種倒裝型高壓交/直流發光二極體及其製作方法，以提高發光二極體的出光效率並改善散熱。本發明為解決其技術問題所採用的技術方案是，
一種倒裝型高壓交/直流發光二極體，從上至下包括打線電極，藍寶石襯底，N-GaN層，發光層，P-GaN層，電流擴散層，絕緣層，金屬反射層，絕緣平坦層，邦定金屬介層，支撐基板，其特徵在於，藍寶石襯底兩側具有等離子幹法腐蝕形成的粗糙面，藍寶石襯底中具有雷射挖孔形成的通孔，該通孔中填有金屬，使N-GaN層上的電極和打線電極相連接；所述電流擴散層可以是金屬類如鎳，銀，鉬，金及其合金，或氧化金屬類如氧化銦錫，氧化鋅，氧化鋁鋅，氧化銦鋅；所述絕緣層可以是氧化矽，氮化矽，氧氮化矽，氧化鋁，氮化鋁，氧化鈦和由不同透明介電層所組成的布拉格反射層；所述金屬反射層可以是鋁，銀或鋁銀合金，其厚度為O. 3 3μπι ;所述支撐基板可以是金屬或娃,其厚度為80 150 μ m。上述倒裝型高壓交/直流發光二極體的製作方法，包括以下步驟I)通過等離子幹法腐蝕在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面；2 )在襯底的第一粗糙面向外依次生長N-GaN層、發光層、P-GaN層，形成晶片；3)在晶片上形成若干獨立的發光單元，並在P-GaN層上蒸鍍電流擴散層形成歐姆接觸，在各發光單元側壁形成PN接面絕緣保護層；4)在晶片上蒸鍍金屬使各發光單元連接起來，並在N-GaN層上蒸鍍電極形成歐姆接觸；5)在晶圓正面蒸鍍絕緣層和金屬反射層，使各發光單元形成反射杯效果的結構；6)利用旋轉塗布的方式，在晶圓表面形成一絕緣平坦層，增加邦定的接合面積；7)在晶圓正面蒸鍍邦定金屬介層並和其中一個發光單元的正極接觸；8)邦定支撐基板；9)將晶圓背面的藍寶石襯底機械研磨至一定厚度；10)在研磨減薄後的藍寶石襯底背面上，以等離子幹法腐蝕形成第二粗糙面；11)從藍寶石襯底的背面上雷射挖孔至N-GaN層上的電極；12)將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填，使上下電氣導通；13)最後在回填通孔上方蒸鍍打線電極。步驟9)中，將藍寶石襯底機械研磨至10 100 μ m厚。步驟11)中，藍寶石襯底雷射挖孔孔徑為10 50 μ m，孔深為15 105 μ m。步驟12)中，將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填的方式可以是電鍍或化學鍍。本發明的優點在於，將晶圓倒裝邦定在一散熱佳的基板上，正負電極分別位於晶片上下側，晶片上每一個發光單元因倒裝形成一倒梯形結構，並由反射層包覆，形成向上開口具有反射杯效果的結構，同時可減少電極對出光方向的遮蔽，此一結構由於晶片上方只有負電極，可大大方便高壓發光二極體的發光單元布局設計。
圖I是通過等離子幹法腐蝕在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面的結構示意圖；圖2是在粗糙化的襯底正面生長主要發光所需外延層後的結構示意圖；圖3是在晶片上形成數個獨立的發光單元，並在P-GaN層上蒸鍍電流擴散層形成歐姆接觸，在各發光單元側壁形成PN接面絕緣保護層後的結構示意圖；圖4是在晶圓正面蒸鍍金屬使各發光單元連接起來，並在N-GaN層上蒸鍍電極形成歐姆接觸後的結構示意圖；圖5是在晶圓正面蒸鍍絕緣層和金屬反射層，使各發光單元形成反射杯效果的結構示意圖；圖6是在晶圓表面形成一絕緣平坦層後的結構示意圖； 圖7是在晶圓正面蒸鍍邦定金屬介層並和其中一個發光單元的正極接觸後的結構示意圖；圖8是邦定支撐基板後的結構示意圖；圖9是在研磨減薄後的藍寶石襯底表面形成第二粗糙面後的結構示意圖；圖10是將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填後的結構示意圖；圖11是在回填通孔上方蒸鍍打線電極完成倒裝型高壓交/直流發光二極體後的結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合圖示與具體實施例，進一步闡述本發明。本發明提出的倒裝型高壓交/直流發光二極體如圖11，該發光二極體從上至下包括打線電極，藍寶石襯底I ,N-GaN層2，發光層3，P-GaN層4，電流擴散層5，絕緣層6，金屬反射層，絕緣平坦層，邦定金屬介層，支撐基板，其特徵在於，藍寶石襯底兩側具有等離子幹法腐蝕形成的粗糙面，藍寶石襯底中具有雷射挖孔形成的通孔，該通孔中填有金屬，使N-GaN層上的電極和打線電極相連接圖I是顯示根據本發明的第一實施例，在藍寶石襯底I上通過等離子幹法腐蝕在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面。圖2是顯示根據本發明的第一實施例，在粗糙化的藍寶石襯底I正面向外依次生長主要的N-GaN層2、發光層3、P-GaN層4。圖3是顯示根據本發明的第一實施例，利用熟知的半導體工藝，在晶片上形成數個獨立的發光單元，並在P-GaN層4上蒸鍍電流擴散層5形成歐姆接觸，在各發光單元側壁形成PN接面絕緣層6 ；電流擴散層5可以是金屬類如鎳，銀，鉬，金，及以上金屬的合金，或氧化金屬類如氧化銦錫(ITO)，氧化鋅(ZnO)，氧化鋁鋅(AZO)，氧化銦鋅(IZO)。圖4是顯示根據本發明的第一實施例，利用熟知的半導體工藝，蒸鍍金屬71和電極72使各發光單元連接起來，並在N-GaN層上蒸鍍電極形成歐姆接觸；圖5是顯示根據本發明的第一實施例，在晶圓正面蒸鍍絕緣層8和金屬反射層9，使各發光單元形成反射杯效果的結構；
圖6是顯示根據本發明的第一實施例，利用旋轉塗布的方式，在晶圓表面形成一絕緣平坦層10，增加邦定的接合面積； 圖7是顯示根據本發明的第一實施例，在晶圓正面蒸鍍邦定金屬介層11並和其中一個發光單元的正極接觸；圖8是顯示根據本發明的第一實施例，邦定支撐基板12 ；圖9是顯示根據本發明的第一實施例，將晶圓背面的藍寶石襯底機械研磨至一定厚度，並在研磨減薄後的藍寶石襯底背面上，以等離子幹法腐蝕形成第二粗糙面；圖10是顯示根據本發明的第一實施例，從藍寶石襯底背面上雷射挖孔至N-GaN層上的電極72 ;然後將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬73加以回填，使上下電氣導通；圖11是顯示根據本發明的第一實施例，在回填通孔上方蒸鍍打線電極74完成倒
裝型高壓交/直流發光二極體。下面說明根據本發明的第二實施例，和第一實施例的差別在於雷射挖孔是從藍寶石襯底的正面來實施，並利用電鍍或化學鍍的方式在邦定支撐基板前回填此一孔洞。根據本發明的實施例所完成的倒裝型高壓發光二極體具有高散熱邦定基板降低熱阻，其主要特徵為正負電極分別位於晶片上下側，晶片上每一個發光單元因倒裝形成一倒梯形結構，並由反射層包覆，形成向上開口具有反射杯效果的結構，同時可減少電極對出光方向的遮蔽，此一結構由於晶片上方只有負電極，可大大方便高壓交/直流發光二極體的發光單元布局設計。使用本發明的實施例，發光面積增加10 20%，熱阻不到相同尺寸正裝結構晶片的1/3，亮度提高30%以上。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。權利要求
1.一種倒裝型高壓交/直流發光二極體，從上至下包括打線電極，藍寶石襯底，N-GaN層，發光層，P-GaN層，電流擴散層，絕緣層，金屬反射層，絕緣平坦層，邦定金屬介層，支撐基板，其特徵在於，藍寶石襯底兩側具有等離子幹法腐蝕形成的粗糙面，藍寶石襯底中具有雷射挖孔形成的通孔，該通孔中填有金屬，使N-GaN層上的電極和打線電極相連接。
2.根據權利要求I所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體，其特徵在於，所述電流擴散層可以是鎳，銀，鉬，金及其合金，或氧化銦錫，氧化鋅，氧化鋁鋅，氧化銦鋅。
3.根據權利要求I所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體，其特徵在於，所述絕緣層可以是氧化矽，氮化矽，氧氮化矽，氧化鋁，氮化鋁，氧化鈦和由不同透明介電層所組成的 布拉格反射層。
4.根據權利要求I所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體，其特徵在於，所述金屬反射層可以是鋁，銀或鋁銀合金，其厚度為O. 3 3μπι。
5.根據權利要求I所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體，其特徵在於，所述支撐基板可以是金屬或娃，其厚度為80 150 μ m。
6.一種倒裝型高壓交/直流發光二極體的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)通過等離子幹法腐蝕在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面； 2)在襯底的第一粗糙面向外依次生長N-GaN層、發光層、P-GaN層，形成晶片； 3)在晶片上形成若干獨立的發光單元，並在P-GaN層上蒸鍍電流擴散層形成歐姆接觸，在各發光單元側壁形成PN接面絕緣保護層； 4)在晶片上蒸鍍金屬使各發光單元連接起來，並在N-GaN層上蒸鍍電極形成歐姆接觸； 5)在晶圓正面蒸鍍絕緣層和金屬反射層，使各發光單元形成反射杯效果的結構； 6)利用旋轉塗布的方式，在晶圓表面形成一絕緣平坦層，增加邦定的接合面積； 7)在晶圓正面蒸鍍邦定金屬介層並和其中一個發光單元的正極接觸； 8)邦定支撐基板； 9)將晶圓背面的藍寶石襯底機械研磨至一定厚度； 10)在研磨減薄後的藍寶石襯底背面上，以等離子幹法腐蝕形成第二粗糙面； 11)從藍寶石襯底的背面上雷射挖孔至N-GaN層上的電極； 12)將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填，使上下電氣導通； 13)最後在回填通孔上方蒸鍍打線電極。
7.根據權利要求6所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體的製作方法，其特徵在於，步驟9)中，將藍寶石襯底機械研磨至10 100 μ m厚。
8.根據權利要求6所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體的製作方法，其特徵在於，步驟11)中，藍寶石襯底雷射挖孔孔徑為10 50 μ m，孔深為15 105 μ m。
9.根據權利要求6所述的一種倒裝型高壓交/直流發光二極體的製作方法，其特徵在於，步驟12)中，將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填的方式可以是電鍍或化學鍍。
全文摘要
本發明提出一種倒裝型高壓交/直流發光二極體及其製作方法，該發光二極體從上至下包括打線電極，藍寶石襯底，N-GaN層，發光層，P-GaN層，電流擴散層，絕緣層，金屬反射層，絕緣平坦層，邦定金屬介層，支撐基板，藍寶石襯底兩側具有等離子幹法腐蝕形成的粗糙面，藍寶石襯底中具有雷射挖孔形成的通孔，該通孔中填有金屬，使N-GaN層上的電極和打線電極相連接；該發光二極體將晶圓倒裝邦定在一散熱佳的基板上，正負電極分別位於晶片上下側，晶片上每一個發光單元因倒裝形成一倒梯形結構，並由反射層包覆，形成向上開口具有反射杯效果的結構，同時可減少電極對出光方向的遮蔽，此一結構由於晶片上方只有負電極，可大大方便高壓發光二極體的發光單元布局設計。
文檔編號H01L33/14GK102723415SQ201210211799
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者李政憲, 熊威, 鍾偉榮 申請人:鍾偉榮