CN101868863A - 用于衬底剥离的鲁棒led结构 - Google Patents

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Abstract

在LED/衬底晶片上进行蚀刻步骤从而完全围绕衬底晶片上的每个LED来蚀刻穿过LED外延层，从而在晶片上每个LED之间形成间隙。衬底不被蚀刻。当LED/衬底被单一化时，每个衬底的边缘延伸超过LED管芯的边缘。LED为倒装芯片并安装在具有位于底座和衬底之间的LED管芯的底座上。绝缘底层填料材料在LED管芯下方被注入，且也覆盖LED管芯和“扩大的”衬底的侧面。接着衬底通过激光剥离移除。沿着扩大的衬底的边缘的底层填料的抬升的壁与LED管芯的边缘横向分隔，使得磷光体板可以以放宽的定位容差容易地定位在LED管芯的顶部。

Description

用于衬底剥离的鲁棒LED结构
技术领域
本发明涉及倒装芯片发光二极管(LED)，特别地，涉及用于移除生长衬底并且在其位置添加光学元件的LED制备工艺。
背景技术
飞利浦Lumileds照明公司(LLC)已经开发了一种用于形成高效率LED的技术，其中LED形成为倒装芯片且在倒装芯片安装在底座上之后生长衬底被移除。在倒装芯片中，n和p触点都形成于与生长衬底侧相对的LED管芯的同一侧。
现有技术图1至3说明了一般的衬底剥离工艺以及与添加光学元件取代被移除衬底相关的问题。另外的细节可在通过引用结合于此的受让人的美国专利公布US 2006/0281203A1和2005/0269582A1中找到。
在图1中，包括n层、有源层和p层的LED半导体外延层10生长在例如蓝宝石衬底的生长衬底12上。在该示例中，层10是基于GaN的，且有源层发射蓝色光。
形成电接触p层的金属电极14，以及形成电接触n层的金属电极16。在该示例中，电极为被超声焊接到位于陶瓷底座22上的阳极和阴极金属垫18和20的金凸块。底座22具有通向用于结合到印刷电路板的底部金属垫26和28的导电通路24。
底层填料材料30接着被注入到LED下方和周围以用于结构支撑，从而填充空气间隙并防止芯片受到污染。底层填料30可以为液态硅树脂，该硅树脂随后固化而变硬。
接着使用激光剥离工艺来移除衬底12。激光器(例如准分子激光器)的光子能量选择为高于LED材料的带隙且低于蓝宝石衬底的吸收边(例如在3.44eV与6eV之间)。来自激光器穿过蓝宝石的脉冲在LED材料的前100nm内被转换为热能。产生的温度超过1000℃并分离镓和氮。所得到的高气压推动衬底离开外延层以从这些层释放衬底，且松弛的衬底随后简单地从LED结构移除。底层填料有助于防止薄LED层在高压下断裂。
生长衬底可以改为通过例如反应离子蚀刻(RIE)的蚀刻移除。根据LED和衬底的类型可使用其它技术。在一个示例中，衬底是基于Si的且衬底和LED层之间的绝缘材料通过湿法蚀刻技术被蚀刻掉以移除衬底。
露出的LED材料可被进一步蚀刻，从而移除损坏的材料并使LED变薄以增强光输出。图2示出了所得到的结构。
由于底层填料30最初覆盖衬底12的侧面，因而在衬底被移除之后底层填料的边缘保留以有效地形成围绕LED层10的壁。提供精确数量的底层填料以仅在LED层下方和LED层周围进行填充而不接触衬底，这是非常困难的，且因此图2的结构是典型的。在实际装置中，底层填料30典型地与图中所示相比更进一步地横向延伸。
如图3所示，透明粘合剂材料32(例如，硅树脂)沉积在露出的LED表面层上。预形成的磷光体板34打算被精确地定位在LED之上并粘到LED的顶表面。因为LED周围的抬升的底层填料壁的原因，板34的任何不对准导致板34未被适当地安置在LED上。磷光体板34可由或者经烧结的或者在透明结合剂内的YAG磷光体形成。当由蓝色LED激励时，YAG磷光体发射黄绿色光。黄绿色光与穿过板34泄漏的蓝色光结合产生白色光。由于板34未被适当地安置，LED的光发射属性将不是最优的，且板34可容易地从LED脱层。
需要一种改进的技术，这种技术在将磷光体板或任何其它光学元件附到LED表面以替代被移除衬底时避免以上提及的对准问题。
发明内容
公开了一种LED结构，该LED结构提供了用于在衬底移除之后将磷光体板或其它光学元件附到LED芯片的顶表面的较大容差(tolerance)。
在LED/衬底被单一化(singulate)并安装在底座上之前，在LED/衬底晶片上进行额外的蚀刻步骤。蚀刻步骤完全围绕衬底晶片上的每个LED来蚀刻穿过LED外延层以在晶片上每个LED之间形成间隙。衬底不被蚀刻。LED接着通过在LED之间的蚀刻的间隙之间大约一半处切割(或断裂)衬底晶片来单一化，使得每个LED将具有延伸超出LED边缘少量(例如，0.1-0.25mm)的衬底边缘。与现有技术相比，用于每个LED的衬底看上去为扩大的衬底。由于LED已经经历蚀刻以露出n层从而形成倒装芯片n电极，因而所述额外的蚀刻步骤不需要额外处理该LED，只需额外的掩蔽和蚀刻步骤。
每个单一化的LED/衬底接着安装在底座上。在底层填料沉积和固化之后，底层填料填充在LED下方并覆盖所述“扩大的”衬底的侧面的至少一部分。当衬底移除时，在围绕LED的底层填料壁和LED自身之间因而存在间隙。当将磷光体板放置在LED顶部上方时，该间隙放宽容差，使得该板齐平地附到LED的表面上。此外，磷光体板可形成为大于LED表面，以防止来自LED的蓝色侧向发射环绕板边缘而通过。因此，所得到的光颜色将更均匀。
这些技术的变型也被描述，例如在LED安装在底座晶片上之后出现的单一化步骤。
代替磷光体板，透镜、反射器或者其它光学元件可受益于由本发明提供的增加的容差。
附图说明
图1为安装在底座上的现有技术倒装芯片LED/衬底的截面图，其具有围绕及位于LED和衬底下方的底层填料。
图2说明衬底被移除的图1的结构。
图3说明当光学元件打算直接附到露出的LED的顶表面但存在一定的不对准时，与图2的结构有关的问题。
图4为包括形成在单个衬底上的许多LED的晶片的自上向下的视图。
图5为图4的晶片的小部分的截面图，说明根据本发明一个实施例所使用的额外蚀刻步骤。
图6为安装在底座上的单一化倒装芯片LED连同其“扩大的”衬底的截面图，其中该倒装芯片LED具有围绕及位于LED和衬底下方的底层填料。
图7说明衬底被移除的图6的结构，其中在底层填料壁和露出的LED表面之间存在间隙。
图8说明当光学元件放置在LED之上并直接附到LED的顶表面时获得的增加的容差。
相同或等效的元件用相同的数字标记。
具体实施方式
作为初步事项，常规LED形成于生长衬底上。在使用的示例中，LED为用于产生蓝色光的基于GaN的LED，例如AlInGaN或InGaNLED。典型地，使用常规技术将相对厚的n型GaN层生长在蓝宝石生长衬底上。所述相对厚的GaN层典型地包括低温成核层和一个或多个附加层，从而提供用于n型覆层和有源层的低缺陷晶格结构。一个或多个n型覆层接着形成在厚的n型层之上，随后是有源层、一个或多个p型覆层以及p型接触层(用于金属化)。
对于倒装芯片，p层和有源层的部分被蚀刻以露出n层用于金属化。按照这种方式，p触点和n触点位于芯片的同一侧并可以直接电附着到底座接触垫。来自n金属触点的电流最初横向流动穿过n层。
可以在本发明中使用的其它类型的LED包括AlInGaP LED，其可以产生红色到黄色范围的光。
形成LED的示例在均转让给飞利浦Lumileds并通过引用而被结合的美国专利No.6,649,440和No.6,274,399以及美国专利公布US2006/0281203A1和2005/0269582A1中被描述。
图4为晶片36的自上向下视图，晶片36包括例如蓝宝石生长衬底的衬底，外延LED层形成在该衬底上。LED层包括n层、有源层和p层。光在有源层中产生。晶片36绘有交叉线以示出单独的LED40的边界。在实际的示例中，单个晶片上可形成有数百或数千个LED。
图5为晶片36的一小部分的截面图。LED层被掩蔽并进行例如RIE的干法蚀刻42以蚀刻穿过外延层，从而产生完全围绕每个LED40的狭窄间隙44。使用适用于特定LED材料和衬底46的常规技术来进行该掩蔽和蚀刻。衬底46不被蚀刻。LED 40可具有约1mm2或更小的顶表面积。间隙44可具有任何合适的宽度，例如0.1mm-0.5mm。前面描述的为了到达(gain access to)n层而用于n电极的蚀刻步骤可以在图5所示蚀刻步骤之前、之后或者作为该蚀刻步骤的一部分来进行。
如结合图1所描述的，接着进行各种金属化步骤以在LED表面上创建金属连接和电极。
用虚线48来表示衬底46最终将断裂或切割以用于单一化的位置。线48近似穿过间隙44的中间。因此，衬底46将延伸超出单一化LED管芯的每个边缘大约晶片上相邻LED之间间隙的一半(例如，0.05mm至0.25mm)。
在一个实施例中，晶片36上的LED在单一化之前同时全部结合到底座晶片上的相应垫。结合可以是通过超声焊接，如前面所描述的。接着，通过锯切或划片/断裂来单一化该结构，以创建安装在底座上的单独LED。备选地，图5的衬底46沿着线48断裂，且单一化的LED/衬底接着单独地安装在各自的底座上。
LED层通常将具有介于5至20微米的厚度，且衬底46具有大于100微米的厚度。
图6说明例如结合图1所述在安装在常规底座22上之后，所得到的LED 40和衬底46。底座被单一化以到达LED 40用于底层填料工艺。绝缘底层填料52在LED 40下方和周围被注入以用于结构支撑，从而填充空气间隙并防止芯片受到污染。底层填料52可以是接着被固化以变硬的液态硅树脂。底层填料52接触衬底46的侧面以确保底层填料52的充分覆盖。
准分子激光束54应用到蓝宝石衬底46的表面，如结合图1所描述的，以移除衬底46。衬底46可通过前述任何方法来移除。在衬底被移除之后，LED外延层可被蚀刻，从而移除损坏的材料并使LED变薄用于改进光提取。除了其相对于被移除衬底46的尺寸之外，LED40可类似于结合图1和图2描述的LED 10。
如图7所示，用于磷光体板或任何其它光学元件的容许区域比图3所示区域宽，这是因为底层填料52的壁与LED 40的边缘分开。与图3中所需的定位相比，这允许该板或光学元件的定位具有较不严格的容差。
如图8所示，合适的透明粘合剂56被注入、喷射或以其它方式沉积在LED之上。接着，使用常规的自动拾放设备，将例如磷光体板、菲涅尔透镜或其它类型的透镜、或者甚至反射器的光学元件58定位在LED 40之上。元件58接着被施加向下的压力，且粘合剂56固化。
用于定位元件58的更大的容许区域使得元件58能够宽于LED40本身。因此，任何从LED侧面发射的向上的光仍被光学元件转换。容许的放置区域可为任何合适的尺寸以从拾放步骤获得期望的产率。放置区域的尺寸和由于蚀刻而损失的LED材料之间存在折中。
在一个实施例中，LED 40管芯发射蓝色光，且来自磷光体板的磷光体发射与该蓝色光结合而导致产生白色光。例如，磷光体板可贡献黄色成份或红色和绿色成份到该蓝色光以创建白色光。一种此类合适的磷光体为YAG磷光体。
尽管本发明的特定实施例已经予以示出和描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在更宽的方面进行改变和调整而不背离本发明，且因此所附权利要求应当把所有这样的改变和调整涵盖在它们的范围内，如同其落在本发明的真实精神和范围之内。

Claims (20)

1.一种用于制作发光装置的方法，包括：
在衬底上提供倒装芯片发光二极管(LED)管芯，其中所述LED安装在底座上，使得所述LED管芯位于所述底座和所述衬底之间，所述衬底比所述LED管芯更宽且更长，使得所述衬底的边缘延伸超过所述LED管芯的边缘；
在所述LED管芯和所述底座之间以及所述LED管芯和衬底的边缘周围提供绝缘底层填料；
从所述LED管芯移除所述衬底，其中通过所述底层填料的围绕所述衬底边缘的部分围绕所述LED管芯来形成壁，所述壁的内部边界与所述LED管芯的边缘横向分隔；以及
在所述衬底被移除之后，将光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上，所述光学元件的边缘的至少部分位于所述底层填料的壁之内。
2.如权利要求1所述的方法，其中移除所述衬底包括使用激光剥离技术移除所述衬底。
3.如权利要求1所述的方法，其中在衬底上提供LED管芯包括：
提供具有形成于衬底晶片之上的LED层的晶片；
围绕LED区域蚀刻LED材料的外延层以沿着所述LED区域的侧边缘暴露部分所述衬底；以及
从所述晶片分离所述LED区域以在所述衬底上形成所述LED管芯，使得所述衬底的边缘延伸超过所述LED管芯的边缘。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底为生长衬底。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述衬底为蓝宝石。
6.如权利要求1所述的方法，其中在衬底上提供LED管芯包括将所述LED管芯的表面上的电极结合到底座表面上的相应电极，其中所述LED安装在所述底座上。
7.如权利要求1所述的方法，其中提供绝缘底层填料包括在所述LED管芯和所述底座之间以及在所述LED管芯和衬底的边缘周围注入底层填料。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底的边缘延伸超过所述LED管芯的边缘至少0.05mm。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底的边缘延伸超过所述LED管芯的边缘至少0.1mm。
10.如权利要求1所述的方法，其中将光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上包括将磷光体板放置在所述LED管芯的露出的表面之上。
11.如权利要求1所述的方法，其中将光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上包括将所述光学元件粘合紧固到所述LED管芯的露出的表面上。
12.如权利要求1所述的方法，其中将光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上包括将表面尺寸大于所述LED管芯的表面尺寸的光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上，使得所述光学元件的至少一个边缘延伸超过所述LED管芯的边缘。
13.如权利要求1所述的方法，其中将光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上包括将透镜放置在所述LED管芯的露出的表面之上。
14.一种在衬底移除步骤之前的半成品发光装置，包括：
在衬底上的倒装芯片发光二极管(LED)管芯；
底座，所述LED管芯安装在所述底座上，使得所述LED管芯位于所述底座和所述衬底之间，所述衬底比所述LED管芯更宽且更长使得所述衬底的边缘延伸超过所述LED管芯的边缘；以及
位于所述LED管芯和所述底座之间以及所述LED管芯和衬底的边缘周围的绝缘底层填料。
15.一种发光装置，包括：
倒装芯片发光二极管(LED)管芯，其中所述LED管芯形成在衬底上，该衬底已经从所述LED管芯移除；
底座，所述LED管芯安装在所述底座上；
位于所述LED管芯和所述底座之间以及所述LED管芯的边缘周围的绝缘底层填料，其中所述底层填料材料的壁在所述LED的露出的表面之上和周围延伸，并且其中所述壁的内部边界与所述LED管芯的边缘横向分隔；以及
位于所述LED管芯的露出的表面之上的光学元件，所述光学元件的边缘的至少部分在所述底层填料的壁的内部边界内。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述光学元件为紧固到所述LED管芯的露出的表面的磷光体板。
17.如权利要求15所述的装置，其中所述光学元件为紧固到所述LED管芯的露出的表面的透镜。
18.如权利要求15所述的装置，其中所述光学元件具有比所述LED管芯的露出的表面的表面尺寸更大的表面尺寸，使得所述光学元件的至少一个边缘延伸超过所述LED管芯的边缘。
19.如权利要求15所述的装置，其中所述壁的内部边界与所述LED管芯的边缘横向分隔至少0.05mm。
20.一种使用下述方法形成的发光装置，所述方法包括：
在衬底上提供倒装芯片发光二极管(LED)管芯，其中所述LED安装在底座上，使得所述LED管芯位于所述底座和所述衬底之间，所述衬底比所述LED管芯更宽且更长，使得所述衬底的边缘延伸超过所述LED管芯的边缘；
在所述LED管芯和所述底座之间以及所述LED管芯和衬底的边缘周围提供绝缘底层填料；
从所述LED管芯移除所述衬底，其中通过所述底层填料的围绕所述衬底边缘的部分围绕所述LED管芯来形成壁，所述壁的内部边界与所述LED管芯的边缘横向分隔；以及
在所述衬底被移除之后，将光学元件放置在所述LED管芯的露出的表面之上，所述光学元件的边缘的至少部分位于所述底层填料的壁之内。
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