CN102214751B

CN102214751B - 一种垂直结构的发光器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102214751B
Application number: CN201110150330A
Authority: CN
Inventors: 曹建兴; 王瑞珍; 赖燃兴; 周玉刚; 肖国伟
Original assignee: APT (GUANGZHOU) ELECTRONICS Ltd
Current assignee: Guangdong APT Electronics Ltd
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: CN102214751A

Abstract

一种垂直结构的发光器件，包括一LED芯片和一支撑衬底。该LED芯片自上而下依序包括N电极、N电极反射层、氮化镓N型层、量子阱、氮化镓P型层、P电极和芯片键合层，该N电极和N电极反射层的面积小于该氮化镓N型层的面积，该P电极和芯片键合层在对应N电极反射层正下方的投影区域具有一窗口，使该氮化镓P型层在该窗口处外露。该支撑衬底对应该窗口处具有一反射腔，该反射腔的底面具有一反光层。该LED芯片通过芯片键合层键合固定在该支撑衬底上，且底面具有使垂直于N电极反射层的入射光线经反射腔的底面反射后以非垂直于N电极反射层的角度射出的结构。本发明的发光器件具有高外量子效率。

Description

一种垂直结构的发光器件及其制造方法

技术领域

本发明属于发光器件的制造领域，涉及一种发光器件的结构及其制造方法，尤其涉及一种垂直结构的发光器件及制造方法。

背景技术

随着LED(发光二极管)的发光效率不断提高，LED无疑成为近几年来最受重视的光源之一。LED是一种具有节能和环保特性的照明光源，集高光效、低能耗、低维护成本等优良性能于一身。理论上预计，半导体LED照明灯具的发光效率可以达到甚至超过白炽灯的10倍，日光灯的2倍。目前，LED技术发展的目标是高效率、全固态、环保型LED，推进LED在照明领域的应用。随着LED照明产品功率与光效的提高，结构和材料的选择对LED的性能及使用寿命有决定性影响。

当前，GaN(氮化镓)基LED有两种基本结构：横向结构和垂直结构。近年来，垂直结构LED已成为研究开发的重点。与传统横向的正装、倒装结构LED相比，垂直结构LED通过晶圆键合或者电镀及激光剥离(LLO)等工艺相结合，将GaN基外延层从蓝宝石衬底转移到导电和导热性能良好的衬底材料上，使P、N电极上下分布，电流垂直注入，从而解决横向结构GaN基LED中由于电极平面分布，电流侧向注入导致的如散热不佳、电流分布不均等缺点。

请参阅图1，其是一种具有镜层的薄膜发光二极管的结构示意图。公开号为CN101809771A的中国专利申请公开了该具有镜层的薄膜发光二极管，其包括势垒层3，在势垒层3之后的第一镜层2，在第一镜层2之后的层堆叠5和在层堆叠5之后的至少一个接触结构6。层堆叠5与接触结构6之间具有一反射层9。第一镜层2之间具有一第二镜层8。在层堆叠5具有至少一个有源层5a，所述有源层发射电磁辐射。接触结构6设置在辐射出射面4上并且具有接触面7。势垒层3通过连接层13固定在支承体14上。但是，接触结构6下方的有源层5a发出的垂直方向光线受到反射层9与第二镜层8之间反射导致最终被电极所吸收，从而使外量子效率降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种提高外量子效率的垂直结构的发光器件。

同时，本发明还提供了所述垂直结构的发光器件的制造方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种垂直结构的发光器件，包括一LED芯片和一支撑衬底。该LED芯片包括自上而下依序层叠设置的N电极、N电极反射层、氮化镓N型层、量子阱、氮化镓P型层、P电极和芯片键合层，该N电极和N电极反射层的面积小于该氮化镓N型层的面积，该P电极和芯片键合层在对应N电极反射层正下方的投影区域具有一窗口，使该氮化镓P型层在该窗口处外露。该支撑衬底对应该窗口处具有一反射腔，该反射腔的底面具有一反光层。该LED芯片通过芯片键合层键合固定在该支撑衬底上，且该反射腔的底面具有使垂直于N电极反射层的入射光线经反射腔的底面反射后以非垂直于N电极反射层的角度射出的结构。

进一步，该反射腔的底面为与该N电极反射层非平行的平面，或者该反射腔的底面为曲面，或者该反射腔的底面为与该N电极反射层平行的平面且表面粗糙。

进一步，该反射腔的底面剖面为弧形、或波浪形、或锯齿形、或倒三角形。

进一步，该反射腔的底面还包括阵列凸起或粗糙的平面结构。

进一步，该反射腔内填充有高阻透明填充体。

进一步，在氮化镓N型层的上表面设置有多条N电极反射层，该多条N电极反射层相交于一交点且相邻的N电极反射层之间的角度相等，N电极设置在N电极反射层的交点上表面，该反射腔设置在对应多条N电极反射层正下方的投影区域。

进一步，该反光层的材料为铝、银、铂、钛、锡、铑、钯或上述金属的合金。

进一步，还包括一衬底键合层，该LED芯片的芯片键合层键合固定在该衬底键合层上。

一种发光器件的制造方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤S1：提供一衬底，然后在衬底上生长外延，进而在衬底表面依序形成氮化镓N型层、量子阱和氮化镓P型层，然后在氮化镓P型层上表面形成多个P电极，并在每个P电极的上表面形成芯片键合层，在该P电极和芯片键合层设置一窗口使该氮化镓P型层在该窗口处外露；

步骤S2：在支撑衬底上形成反射腔，并使该反射腔的底面具有使垂直于N电极反射层的入射光线经反射腔的底面反射后以非垂直于N电极反射层的角度射出的结构，然后在反射腔的底面上形成反光层；

步骤S3：将LED芯片的芯片键合层与支撑衬底键合连接；

步骤S4：将氮化镓N型层表面的衬底剥离，使氮化镓N型层外露；

步骤S5：在与反射腔对应的氮化镓N型层上表面形成N电极反射层，然后在该N电极反射层上表面形成N电极，该N电极反射层与衬底上的窗口对应。

进一步，该步骤S2还包括步骤：在该反射腔的底面形成波浪形结构、或锯齿形结构、或倒三角形结构，或者在该反射腔的底面形成阵列凸起结构。

进一步，该步骤S2进一步包括步骤：在该反射腔的底面形成阵列凸起结构。

进一步，该步骤S2进一步包括步骤：在形成反光层后，在反射腔内注入高阻透明填充体。

进一步，该步骤S2进一步包括步骤：首先在支撑衬底上表面形成一衬底键合层，然后再在该衬底键合层和支撑衬底上形成反射腔。

相对于现有技术，本发明的发光器件在N电极反射层正下方的支撑衬底上设置一反射腔，使N电极反射层正下方量子阱发出垂直方向的光线在反射腔底面反射后能够使出射光的角度改变而避免被N电极反射层阻挡，进而避免被电极吸收，提高外量子效率。

为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是现有的一种具有镜层的薄膜发光二极管的结构示意图。

图2是本发明实施例1的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。

图3a至图3g是图2所示的垂直结构发光器件的制造方法的各主要步骤的结构示意图。

图4是本发明实施例2的垂直结构发光器件的俯视图。

图5是图4沿A-B方向的剖视图。

图6是本发明实施例3的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。

图7是本发明实施例4的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。

图8是本发明实施例5的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。

图9是本发明实施例6的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。

图10是本发明实施例7的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图2，其是本发明实施例1的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。该发光器件包括一LED芯片100和一支撑衬底200，该LED芯片100设置在该支撑衬底200上。

该LED芯片100自上而下依序设置N电极101、N电极反射层102、氮化镓N型层103、量子阱104、氮化镓P型层105、P电极106和芯片键合层107。该N电极101的面积小于该氮化镓N型层103的面积，该P电极106和芯片键合层107在对应N电极反射层102正下方的投影区域具有一窗口108，该氮化镓P型层在该窗口处外露，且该窗口108内填充有高阻透明材料。该P电极106同时具有反射光线的作用。

该支撑衬底200的上表面设置一衬底键合层203。该LED芯片100的芯片键合层107键合固定在该衬底键合层203上。该支撑衬底200对应窗口108处具有一反射腔201，该反射腔201的底面具有一反光层202，该反射腔201内填充有高阻透明材料。在本实施例中，该反射腔201为倒锥体，其剖面为倒等腰三角形。

该LED芯片100发光时，该量子阱104发出的射线在该P电极106的反射层处反射出光，同时，该量子阱104发出的射线在该N电极101下方的N电极反射层102反射垂直向下，然后在该反射腔201表面的反光层202处再次反射出上表面，从而避免了量子阱104在N电极101对应区域的发光反复垂直反射而被吸收。

具体地，该支撑衬底200采用铜、铝、硅、陶瓷等高热导材料。若采用陶瓷等非导电材料时，其表面需设置一导电层。

该N电极101采用钛、铝、金、铬、镍、铜、银等金属材料或者由这些金属组成的合金材料。

该N电极反射层102采用铝、银、铂、钯等高反射性金属或者由这些金属组成的合金材料。

该P电极106采用钛、铝、金、镍、银、铂、钯等高反射性金属或者由这些金属组成的合金材料。

在窗口108内填充的高阻透明材料具体为二氧化硅、氧化铟锡(ITO)等折射率低于GaN的材料。

该反射腔201内的反光层202采用铝、银、铂、钯等高反射性金属材料。

该反射腔201内填充的高阻透明材料同样为二氧化硅、氧化铟锡(ITO)等折射率低于GaN的材料。

该芯片键合层107与衬底键合层203的材料采用金、银、镍、铜、锡等高扩散系数的金属或者由这些金属组成的合金材料。

以下详细说明本发明实施例1的垂直结构发光器件的具体制造方法：

步骤S1：形成P电极106。

请参阅图3a，提供一衬底300，然后在衬底300上生长外延，在衬底300表面依序形成氮化镓N型层103、量子阱104和氮化镓P型层105。然后通过腐蚀及剥离工艺在氮化镓P型层105上表面形成多个P电极106，并在每个P电极106的上表面形成芯片键合层107。

步骤S2：形成独立的LED芯片100。

请参阅图3b，通过激光切割工艺，或者是光刻、或湿法刻蚀、或干法刻蚀工艺，从P电极106之间的切割道刻蚀外延的氮化镓P型层105、量子阱104和氮化镓N型层103，在衬底300上形成多个独立的LED芯片100，每个LED芯片100具有两个P电极106，两个P电极106之间为窗口108，该氮化镓P型层在该窗口108处外露，然后采用溅射、或蒸发的工艺在窗口108处填充高阻透明材料。

步骤S3：在支撑衬底200上形成反射腔201及反光层202。

请参阅图3c，提供一支撑衬底200，然后在支撑衬底200上表面形成一衬底键合层203。接着通过刻蚀工艺或者机械微加工工艺对衬底键合层203和支撑衬底200进行蚀刻或微加工，在支撑衬底200的上部形成倒锥体的反射腔201，接着通过溅射工艺在反射腔201的内表面形成反光层202。最后在反射腔201内注入高阻透明填充材料。

步骤S4：将LED芯片100键合在支撑衬底200上。

请参阅图3d，通过熔融键合工艺，或者共晶键合工艺，或是超声焊接工艺等的晶圆键合工艺，将LED芯片100的芯片键合层107与支撑衬底200的衬底键合层203键合连接，从而使LED芯片100键合在支撑衬底200上。

步骤S5：使氮化镓N型层103外露。

请参阅图3e，通过激光剥离工艺，或者是化学腐蚀或机械剥离工艺，将外延表面的衬底300剥离，使氮化镓N型层103外露。

步骤S6：形成N电极反射层102和N电极101。

请参阅图3f，通过溅射工艺，或者是电镀或蒸发工艺，在与反射腔201对应的氮化镓N型层103上表面形成N电极反射层102，然后在该N电极反射层102上表面形成N电极101。其中，在本实施例中，俯视该N电极为圆形。

步骤S7：请参阅图3g，通过激光切割工艺，或金刚刀划片工艺，切割每个独立的LED芯片100之间的支撑衬底200，从而形成单个独立的垂直结构发光器件。

实施例2：

请同时参阅图4和图5，其中，图4是本发明实施例2的垂直结构发光器件的俯视图，图5是图4沿A-B方向的剖视图。本实施例的垂直结构发光器件的结构与实施例1的大致相同，其区别仅在于：在氮化镓N型层103的上表面设置有多条N电极反射层102，该多条N电极反射层102相交于交点且相邻的N电极反射层102之间的角度相等。N电极101设置在N电极反射层102的交点处。进一步，反射腔201设置在对应多条N电极反射层102正下方的投影区域。该反射腔201为矩形，其底部具有波浪形结构204的曲面，且反光层202设置在该波浪结构204的上表面。

该实施例2的垂直结构发光器件是具体制造方法与实施例1所述的方法大致相同，其区别仅在于：步骤S3：在支撑衬底200上形成反射腔201及反光层202。即提供一支撑衬底200，然后在支撑衬底200上表面形成一衬底键合层203。接着通过刻蚀工艺刻蚀衬底键合层203和支撑衬底200，在支撑衬底200的上部形成矩形的反射腔201，并通过腐蚀工艺在反射腔201的底部形成波浪形结构204。接着通过溅射工艺在反射腔201的内表面形成反光层202。最后在反射腔201内注入高阻透明填充材料。

实施例3：

请参阅图6，其是本发明实施例3的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。本实施例的垂直结构发光器件的结构与实施例1的大致相同，其区别仅在于：该反射腔201的底面的剖面为弧形。

实施例4：

请参阅图7，其是本发明实施例4的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。本实施例的垂直结构发光器件的结构与实施例1的大致相同，其区别仅在于：该反射腔201的底面为与该N电极反射层102非平行的平面，该平面的表面光滑或者粗糙。

实施例5：

请参阅图8，其是本发明实施例5的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。本实施例的垂直结构发光器件的结构与实施例1的大致相同，其区别仅在于：该反射腔201的底面的剖面为锯齿形。

实施例6：

请参阅图9，其是本发明实施例6的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。本实施例的垂直结构发光器件的结构与实施例1的大致相同，其区别仅在于：该反射腔201的底面为与该N电极反射层102平行的平面，且该平面的表面粗糙，使垂直于该反射腔201的底面入射的光线经该底面漫反射后非垂直于该N电极反射层出射。

实施例7：

请参阅图10，其是本发明实施例7的垂直结构发光器件的剖面结构示意图。本实施例的垂直结构发光器件的结构与实施例1的大致相同，其区别仅在于：该反射腔201的底面还包括阵列凸起206，使光线进一步均匀发散。

相对于现有技术，本发明在N电极正下方的支撑衬底上设置一反射腔，并使反射腔的底面具有使垂直于N电极反射层的入射光线经反射腔的底面反射后以非垂直于N电极反射层的角度射出的结构，使N电极反射层正下方量子阱发出垂直方向的光线能够改变出射光的角度而避免被N电极反射层阻挡，进而避免被电极吸收，提高外量子效率。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims

1.一种垂直结构的发光器件，其特征在于：包括一LED芯片和一支撑衬底，该LED芯片包括自上而下依序层叠设置的N电极、N电极反射层、氮化镓N型层、量子阱、氮化镓P型层、P电极和芯片键合层，该N电极和N电极反射层的面积小于该氮化镓N型层的面积，该P电极和芯片键合层在对应N电极反射层正下方的投影区域具有一窗口，使该氮化镓P型层在该窗口处外露；该支撑衬底对应该窗口处具有一反射腔，该反射腔的底面具有一反光层；该LED芯片通过芯片键合层键合固定在该支撑衬底上，且该反射腔的底面具有使垂直于N电极反射层的入射光线经反射腔的底面反射后以非垂直于N电极反射层的角度射出的结构。

2.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：该反射腔的底面为与该N电极反射层非平行的平面，或者该反射腔的底面为曲面，或者该反射腔的底面为与该N电极反射层平行的平面且表面粗糙。

3.根据权利要求2所述的发光器件，其特征在于：该反射腔的底面剖面为弧形、或波浪形、或锯齿形、或倒三角形。

4.根据权利要求2或3所述的发光器件，其特征在于：该反射腔的底面还包括阵列凸起或粗糙的平面结构。

5.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：该反射腔和窗口内填充有高阻透明填充体。

6.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：该反光层的材料为铝、银、铂、钛、锡、铑、钯或上述金属的合金。

7.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：在氮化镓N型层的上表面设置有多条N电极反射层，该多条N电极反射层相交于一交点且相邻的N电极反射层之间的角度相等，N电极设置在N电极反射层的交点上表面，该反射腔设置在对应多条N电极反射层正下方的投影区域。

8.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：还包括一衬底键合层，该LED芯片的芯片键合层键合固定在该衬底键合层上。

9.一种发光器件的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S3：将LED芯片的芯片键合层与支撑衬底键合连接；

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：该步骤S2还包括步骤：在该反射腔的底面形成波浪形结构、或锯齿形结构、或倒三角形结构。

11.根据权利要求9或10所述的制造方法，其特征在于：该步骤S2进一步包括步骤：在该反射腔的底面形成阵列凸起结构、粗糙平面结构。

12.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：该步骤S2进一步包括步骤：在形成反射层后，在反射腔内注入高阻透明填充体。

13.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：该步骤S2进一步包括步骤：首先在支撑衬底上表面形成一衬底键合层，然后再在该衬底键合层和支撑衬底上形成反射腔。