CN101359707A - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光二极管及其制作方法，所述发光二极管包括键合在一起的热沉基板和氮化镓外延层，所述热沉基板为氮化铝陶瓷基板，所述氮化铝陶瓷基板上镀有金属焊料，所述氮化镓外延层包括N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光金属层、金属焊料层、P电极和N电极，在发光二极管的制作中采用氮化铝陶瓷基板作为圆片键合的导热衬底具有良好的导热性能，有利于增加发光二极管的散热能力，控制发光二极管制作过程的温度，增加发光二极管有效发光面积。

Description

一种发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及键合工艺的垂直结构发光二极管及其制作方法。

背景技术

垂直结构大功率发光二极管被认为是实现半导体照明最可行的方案之一，这种方案无论是在散热还是在提高取光效率上都有独特的优势。通常的垂直结构大功率发光二极管制作方法有两种：一种是先在氮化镓外延层上沉积接触、反光层金属，然后通过电镀一层铜作为热沉基底；另一种方法是先在氮化镓外延层上沉积接触、反光层金属，然后和硅基板键合，用硅基板作为热沉基底。接下来的工艺是去掉氮化镓外延层的蓝宝石衬底，常见的方法有两种：(1)采用激光剥离技术使蓝宝石衬底和氮化镓外延层分离、或(2)采用机械化学研磨的方法去掉蓝宝石衬底。去掉蓝宝石衬底后的氮化镓外延层以导热性良好的铜或硅为支撑衬底，新的支撑衬底一方面作为散热通道，另一方面作为发光二极管电流传导的通道。

图1所示为用铜基板热沉键合的蓝光垂直结构发光二极管，包括：N电极、N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光层金属、焊料层、铜基板热沉。由于铜或者铜合金都具有良好的导热性，发光二极管在工作时会产生热量，通过铜基座将热量导出，有效克服因发光二极管工作过程中温度升高过大引起的器件性能下降，但是铜基座有一个明显的缺点是铜的热膨胀系数远比氮化镓外延层的热膨胀系数大，当温度上升到一定程度时，氮化镓外延层容易因为热应力而破裂。

图2所示为用硅基板热沉键合的蓝光垂直结构发光二极管，包括：N电极、N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光层金属、金属焊料层、硅基板热沉、作为P电极的背金层。由于硅基板导热系数比铜小，比蓝宝石大，但是热膨胀系数比氮化镓外延层和蓝宝石衬底都小，蓝光垂直结构发光二极管圆片在键合工艺时容易因为热应力弯曲而破裂，成品率较低，对键合工艺要求较高，键合后弯曲的圆片也不利于激光剥离工艺或研磨工艺。

以硅基板热沉键合的蓝光垂直结构发光二极管的制作为例进行说明，其制作步骤如下：

(1)在硅基板上沉积欧姆接触金属层；

(2)在硅基板的欧姆接触层上沉积金属焊料；

(3)在蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层，氮化镓外延层包括缓冲层、N型氮化镓、有源层、p型氮化镓；

(4)在氮化镓外延层上沉积金属作为接触、反光层；

(5)在接触反光层上沉积金属焊料；

(6)将沉积金属焊料的硅基板和沉积金属焊料的氮化镓外延片键合；

(7)采用激光剥离工艺或者研磨工艺去掉(6)中蓝宝石衬底；

(8)去掉蓝宝石衬底后的氮化镓外延层表面做干法或湿法刻蚀；

(9)刻蚀后的氮化镓表面制作N电极；

(10)减薄硅基板、并在硅基板上蒸镀作为P电极的背金层

(11)用金刚石砂轮切割硅基板，分离管芯。

由于铜或铜合金基板、硅基板在切割时必须使用砂轮切割，砂轮本身具有一定厚度，切割过程中因砂轮的抖动，整个切割道厚度需要保留一定宽度，对硅基板来说至少40um，对铜或铜合金基板来说至少60um，这样划片道就占据发光二极管的有效发光面积，同时使用激光切割则需要较大的激光输出功率，切割过程中产生的较高温度会影响器件性能，。

另外铜或铜合金基板、硅基板材料具有导电性，发光二极管的P电极和N电极是上、下结构。封装使用过程中，发光二极管固定在支架上，这就要求支架必须是导电的，如果使用多个发光二极管在同一个支架上串、并联使用，连线上会带来很大困难。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种新型的发光二极管结构，这种结构保留垂直结构发光二极管的优点，对导热基板提出改进，提高发光二极管的导热性能以及可靠性，同时解决同一个支架上多发光二极管串、并联使用的连线问题。

同时本发明还提供了一种发光二极管的制作方法，以便于发光二极管的制造，从而提高发光二极管的性能。

一种发光二极管，包括键合在一起的热沉基板和氮化镓外延层，其特征在于：所述热沉基板为氮化铝陶瓷基板，所述氮化铝陶瓷基板上镀有金属焊料，所述氮化镓外延层包括N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光金属层、金属焊料层、P电极和N电极。

所述P电极位于N型氮化镓上，所述N电极位于氮化镓外延层的金属焊料层上，所述P电极和N电极在发光二极管同侧。

本发明所述的发光二极管结构适用于氮化镓蓝光、绿光、红光和黄光发光二极管。

一种发光二极管的制作方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)在导热不导电的热沉基板上蒸镀金属焊料；

(2)制作氮化镓外延层，依次包括蓝宝石衬底、N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光金属层、金属焊料层。

(3)通过光刻、湿法蚀刻、干法蚀刻，将氮化镓外延层划片道刻透至蓝宝石衬底，使氮化镓外延层成为分立的发光二极管管芯单元；

(4)键合步骤(1)所述的热沉基板以及步骤(3)所述的氮化镓外延层；

(5)将键合后的外延片去掉蓝宝石衬底；

(6)粗化N型氮化镓表面；

(7)在粗化N型氮化镓表面制作P电极，在金属焊料层上制作N电极，所述P电极和N电极在发光二极管同侧；

(8)激光划片切割热沉基板，裂片、分离发光二极管管芯。

其中，所述热沉基板为氮化铝陶瓷基板。

其中，所述金属焊料的厚度可以为1-5um。

其中，所述步骤(1)和步骤(2)可以调换。

上述方法适用于氮化镓蓝光和绿光发光二极管的制造，同时在上述方法稍加变动即可实现红光、黄光发光二极管的制造

本发明有益效果是：采用导热性能良好，热膨胀系数与蓝宝石接近的导热不导电的热沉基板，尤其是采用氮化铝陶瓷基板作为圆片键合的导热衬底具有良好的导热性能，可以将发光二极管工作时产生的热量带走，有利于增加发光二极管的散热能力，控制发光二极管制作过程的温度，氮化铝陶瓷基板起导热不导电作用，陶瓷基板上蒸镀的金属覆盖在发光二极管的p型氮化镓表面，起传导电流的作用，不但提高发光二极管的可靠性，而且有助于增大注入电流密度，提高发光二极管亮度，同时P电极和N电极位于发光二极管的同侧，解决了同一个支架上多发光二极管串、并联使用的连线问题，另外，可以用激光划片的方式切割氮化铝陶瓷基板，划片道的宽度可以控制在20um内，陶瓷基板的机械性能与蓝宝石衬底相似，这样可以与普通的蓝、绿光发光二极管制作工艺兼容，避免砂轮划片过程中划片道占据较大发光面积，有利于增加有效发光面积。

附图说明：

图1为用铜基板热沉键合的蓝光垂直结构发光二极管

图2为用硅基板热沉键合的蓝光垂直结构发光二极管

图3为本发明中在热沉基板上蒸镀金属焊料示意图；

图4为本发明制作氮化镓外延层示意图；

图5为本发明分立的发光二极管管芯单元示意图；

图6为本发明图3与图5键合后的氮化镓外延层示意图；

图7为本发明将图6的氮化镓外延层去掉蓝宝石衬底示意图；

图8为本发明在图7基础上粗化N型氮化镓表面示意图；

图9为本发明在图8基础上制作P电极和N电极示意图；

图10为本发明发光二极管示意图。

附图标记说明

1、N电极；

2、N型氮化镓；

3、有源层；

4、N型氮化镓；

5、接触、反光层金属；

6、焊料层；

7、作为P电极的铜基板热沉；

8、N电极；

9、N型氮化镓；

10、有源层；

11、N型氮化镓；

12、接触、反光层金属；

13、焊料层；

14、硅基板热沉；

15、作为P电极的背金层；

16、氮化铝陶瓷基板；

17、金属焊料层；

18、蓝宝石衬底；

19、N型氮化镓；

20、有源层；

21、P型氮化镓；

22、接触、反光金属层；

23、金属焊料层

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容进一步说明。

如图10所示一种发光二极管，包括键合在一起的热沉基板和氮化镓外延层，其特征在于：所述热沉基板为氮化铝陶瓷基板16，所述氮化铝陶瓷基板16上镀有金属焊料17，所述氮化镓外延层包括N型氮化镓19、有源层20、P型氮化镓21、接触、反光金属层22、金属焊料层23、P电极24和N电极25。

所述的P电极24位于N型氮化镓上，N电极25位于氮化镓外延层的金属焊料层23上，所述P电极和N电极在发光二极管同侧。

一种发光二极管的制作方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)如图3所示，在导热不导电的热沉基板16上蒸镀金属焊料17；

(2)如图4所示，制作氮化镓外延层，依次包括蓝宝石衬底18、N型氮化镓19、有源层20、P型氮化镓21、接触、反光金属层22、金属焊料层23；

(3)如图5所示，通过光刻、湿法蚀刻、干法蚀刻，将氮化镓外延层划片道刻透至蓝宝石衬底，使氮化镓外延层成为分立的发光二极管管芯单元；

(4)如图6所示，键合步骤(1)所述的热沉基板以及步骤(3)所述的氮化镓外延层；

(5)如图7所示，将键合后的外延片去掉蓝宝石衬底18；

(6)如图8所示，粗化N型氮化镓表面；

(7)如图9所示，在粗化N型氮化镓表面制作P电极24，在金属焊料层上制作N电极25，；

(8)如图10所示，激光划片切割热沉基板，裂片、分离发光二极管管芯。

其中，所述热沉基板16为氮化铝陶瓷基板。

其中，所述金属焊料17、23的厚度可以为1-5um。

其中，所述P电极24和N电极25在发光二极管同侧

其中，所述步骤(1)和步骤(2)可以调换。

应当理解是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发光二极管，包括键合在一起的热沉基板和氮化镓外延层，其特征在于：所述热沉基板为氮化铝陶瓷基板，所述氮化铝陶瓷基板上镀有金属焊料，所述氮化镓外延层包括N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光金属层、金属焊料层、P电极和N电极。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的N电极位于N型氮化镓上，P电极位于金属焊料层上，所述P电极和N电极在发光二极管同侧。

3.一种发光二极管的制作方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)在导热不导电的热沉基板上蒸镀金属焊料；

(2)制作氮化镓外延层，依次包括蓝宝石衬底、N型氮化镓、有源层、P型氮化镓、接触、反光金属层、金属焊料层；

(3)通过光刻、湿法蚀刻、干法蚀刻，将氮化镓外延层划片道刻透至蓝宝石衬底，使氮化镓外延层成为分立的发光二极管管芯单元；

(4)键合步骤(1)所述的热沉基板以及步骤(3)所述的氮化镓外延层；

(5)将键合后的外延片去掉蓝宝石衬底；

(6)粗化N型氮化镓表面；

(7)在粗化N型氮化镓表面制作P电极，在金属焊料层上制作N电极，所述P电极和N电极在发光二极管同侧；

(8)激光划片切割热沉基板，裂片、分离发光二极管管芯。

4.如权利要求3所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于所述热沉基板为氮化铝陶瓷基板。

5.如权利要求3所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于所述金属焊料的厚度可以为1um-5um。

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