CN102255011B

CN102255011B - 一种高压直流发光二极管芯片制造方法

Info

Publication number: CN102255011B
Application number: CN 201110198216
Authority: CN
Inventors: 张楠; 朱广敏; 郝茂盛
Original assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: CN102255011A

Abstract

本发明公开了一种高压直流发光二极管芯片制造方法及其结构。该制造方法利用倒装工艺将多个已经分选好的发光二极管芯片单元倒装于设有串联电路的高导热基底表面，接着利用键合设备将已经倒装在基底上的芯片做键合工艺，使多个所述发光二极管芯片单元依次串联；将已经串联在导热基底上的芯片做激光剥离工艺，去除蓝宝石衬底；形成高压直流发光二极管。本发明将常规的芯片单元键合在已经设有串联电路的高导热芯片基底上进行蓝宝石剥离，方法简单、易操作，有利于芯片良品率及生产效率的提高；制作的芯片结构可以以增加串联芯片个数的方式增加芯片的输入功率，从而减小了pn结在大电流工作状态下的热损伤，防止了当流过pn结的电流密度过大时光效下降。同时，由于采用高导热基底及相对较小的工作电流，减少了热对芯片造成的损失，进一步提高了芯片的寿命。

Description

一种高压直流发光二极管芯片制造方法

技术领域

本发明涉及发光二极管芯片制造方法及其结构，尤其是指一种用于半导体照明领域的高压直流发光二极管芯片制造方法及其结构。

背景技术

发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明,引起人类照明史的革命,从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。

传统的芯片制造工艺是在一片衬底上同时制备数百个甚至数千个芯片，每个芯片之间有一定的距离，在制备好这些芯片之后，进行划片、切割将他们分离，最后经后续的封装等工艺得到单个发光二极管。通常单个发光二极管管芯的结构为在蓝宝石等衬底上外延了N型半导体层、有源层、P型半导体层的单PN结结构。另外，在P型半导体层上配置有P电极，在N型半导体层上配置有N电极。

目前，不管是大功率的还是小功率的LED照明应用，一般都由电源、LED驱动器、LED芯片、透镜和基板几部分构成，其中关键的元件是LED驱动器，它必须提供一个恒流输出才能保证LED发出的光不会忽明忽暗、以及不会发生LED色偏现象，而驱动电路的成本、能耗和稳定性是制约LED广泛应用的一个重要瓶颈,由于高压驱动电路技术相对更加成熟、应用更加广泛，因此，开发利用高压直流驱动电路的LED芯片对进一步发挥LED光源及相对传统光源优势及进一步普及LED光源的应用都有重要意义。对于半导体照明用的大功率发光二极管，40瓦的半导体灯可以通过串联40只1瓦的单个大功率发光二极管来实现。然而，对于半导体照明用的小功率发光二极管，若要制成40瓦的半导体灯则需要串联更多的单个独立管芯；由于使用的管数很多，因此需要增加更加复杂的外围电路及驱动器。这样不但给外围电路的设计带来难度，而且复杂的电路结构也会对器件的可靠性、使用寿命以及发光性能等带来负面的影响。

因此，在半导体照明领域，如何突破现有技术进一步简化发光二极管的外围电路设计，简化制作工艺，提高芯片发光性能，提高芯片可靠性，延长芯片使用寿命等，仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种高压直流发光二极管芯片的制造方法及采用该方法制作的高压直流发光二极管芯片结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

1)粗糙化导热转移衬底，增加用于倒装及键合的表面面积；在导热转移衬底上制作用于将多个LED芯片单元连接的串联电路单元，同时将不属于串联电路单元的其余衬底表面绝缘处理；

2）制作独立的采用蓝宝石衬底的LED芯片单元，并将独立的LED芯片单元进行分选；其中，按照以下步骤制作LED芯片单元：

首先，利用光刻和刻蚀或激光划片工艺在蓝宝石衬底表面形成走道，将蓝宝石衬底划分成多个单元区间，采用激光波长为200－400nm的激光划片，划道宽度为2－15μm，划片深度为1－50μm；形成走道后，清洗该蓝宝石衬底，将上述走道中残留的脏物去除；

其次，利用外延横向生长技术生长外延层；

再次，在每个单元区间的外延层上制作P电极和N电极，使P电极和N电极位于所述外延层的同一面上；

最后，将所述蓝宝石衬底减薄并划裂，从而得到多个独立的LED芯片单元；

3）将已经分选好的独立LED芯片单元倒装在已经制备有串联电路单元的导热转移衬底上，使多个LED芯片单元依次串联；所述倒装的工艺包括：利用倒装工艺将多个LED芯片单元的N电极和P电极与所述导热转移衬底上的串联电路单元连接，从而使多个LED芯片单元依次串联；

4）将倒装在导热转移衬底上的所有LED芯片单元一起再做低温高压键合工艺；

5）激光剥离所述蓝宝石衬底；

6)清洗剥离后的LED芯片单元；

7）研磨倒装有多个LED芯片单元的导热转移衬底，按照导热转移衬底上制作的串联电路单元划裂导热衬底，形成独立的高压直流LED。

作为本发明的优选方案，步骤1）中，制作串联电路单元包括在导热转移衬底上制作用于LED芯片单元电极压焊的电极焊盘及串联多个LED芯片单元的金属互连线路。

作为本发明的优选方案，步骤1）中，制作所述绝缘层将串联电路单元之外的导热转移衬底表面钝化绝缘。进一步优选的，所述绝缘层采用SiO₂材料、SiN、TiN、TaN中的一种或其中多种组成的复合材料。

进一步优选的，所述导热转移衬底采用Si衬底或Cu衬底。

作为本发明的优选方案，步骤3）中的倒装工艺包括：利用键合工艺将多个LED芯片单元的N电极和P电极与所述导热转移衬底上的串联电路单元连接，从而使多个LED芯片单元依次串联。

进一步优选的，所述低温高压键合工艺采用压力为2-4吨，温度为100-300摄氏度。

一种高压直流发光二极管芯片结构，包括：多个LED芯片单元和一个芯片基底；

所述LED芯片单元顺序包括N型半导体层、有源层和P型半导体层，以及分别与N型半导体层和P型半导体层电连接的N电极和P电极，所述N电极和P电极位于发光二极管芯片单元的同一面上；

所述芯片基底包括导热衬底、位于导热衬底上的绝缘层，以及位于绝缘层外的用于串联多个LED芯片单元的串联电路；

所述多个LED芯片单元倒装于所述芯片基底上，且所述多个LED芯片单元依次串联。

所述用于串联多个LED芯片单元的串联电路包括用于LED芯片单元电极压焊的电极焊盘及串联多个LED芯片单元的金属互连线路。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明制造的高压直流发光二极管芯片，将多颗芯片单元利用倒装工艺串联在同一芯片基底上，形成LED芯片阵列，从而在不改变芯片工作电流的情况下提高芯片总的工作电压，使得其可以在高压下工作。由于该高压直流发光二极管芯片将通常的单个发光二极管划分为多个串联的芯片单元，即将多个小的pn结按照实际要求串联在一起，形成由多颗pn结串联而成的器件。这样便能够以增加串联芯片单元个数的方式增加芯片的输入功率，从而减小了pn结在大电流工作状态下的热损伤，防止了流过pn结的电流密度过大而造成的光效下降。因此，可以有效的减少驱动电流，改善器件内部热特性，从而降低芯片的发热量，改善芯片发光性能，延长芯片使用寿命。

此外，该技术将芯片单元和芯片基底分开制作，并利用倒装工艺完成最终的芯片，方法简单、易操作，利用倒装工艺替代电极桥接技术降低了多芯片单元间互连的制作难度；并且根据对芯片的实际需求，可以方便的对芯片基底上的外围电路进行适应性调整，简化了外围电路的设计难度，有利于芯片良品率及生产效率的提高。

附图说明

图1是实施例中高压直流发光二极管芯片的结构示意图；

图2是实施例中芯片基底的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便，附图并未按照比例绘制。

本发明提供的高压直流发光二极管芯片结构，如图1所示，包括：多个LED（发光二极管）芯片单元10和芯片基底20；每个LED芯片单元10至少顺序包括N型半导体层、有源层和P型半导体层，以及分别与N型半导体层和P型半导体层电连接的N电极和P电极，所述N电极和P电极位于LED芯片单元10的同一面上；如图2所示，所述芯片基底20包括导热衬底21、位于导热衬底21上的绝缘层22，以及位于绝缘层22外的N极板（N-PAD）23、P极板（P-PAD）24和用于串联多个LED芯片单元10的金属互连线路25和金属电极焊盘26。多个LED芯片单元10倒装于芯片基底20上，且多个LED芯片单元10依次串联，并由N极板（N-PAD）23和P极板（P-PAD）24分别引出，构成高压直流发光二极管芯片。

以下提供该高压直流发光二极管芯片制造方法的优选实施例，具体包括以下步骤：

1）制作芯片基底20，所述芯片基底20表面设有N极板23、P极板24以及用于串联多个所述LED芯片单元10的串联电路单元。

其中，制作所述芯片基底20时，在导热转移衬底21上制作绝缘层22，并在所述绝缘层22上制作N极板23、P极板24以及用于串联多个所述LED芯片单元10的串联电路单元。所述串联电路单元包括金属互连线路25和金属电极焊盘26。

所述导热转移衬底21可以采用Si衬底或Cu衬底；所述绝缘层22可以采用采用SiO₂材料、SiN、TiN、TaN中的一种或其中多种组成的复合材料。

2）制作多个独立的LED芯片单元10，并使所述LED芯片单元10的N电极和P电极位于同一面上。

其中，可以按照以下步骤制作LED芯片单元10：

（1）利用光刻和刻蚀或激光划片工艺在生长衬底表面形成走道，将生长衬底划分成多个单元区间，例如采用激光波长为200－400nm的激光划片，划道宽度可以为2－15μm，划片深度可以为1－50μm。形成走道后，清洗生长衬底，将上述走道中残留的脏物去除。所述生长衬底为蓝宝石衬底。

（2）利用外延横向生长技术生长外延层，例如利用金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术进行横向外延生长。所述外延层由下至上包括N型半导体层、有源层和P型半导体层，使每个单元区间上生长的外延层相互电隔离，每个单元区间的外延层之间形成沟道；生长的N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层，有源层为GaN基量子阱层；在生长外延之前对生长衬底进行刻蚀走道，有助于释放应力，保护芯片。

（3）在每个单元区间的外延层上制作P电极和N电极，使P电极和N电极位于所述外延层的同一面上；其中N电极和P电极可以通过刻蚀等工艺制成；优选地，在P电极与P型半导体层之间还可以制作电流扩展层，如透明导电材料ITO等。

（4）将所述生长衬底减薄并划裂，从而得到多个独立的LED芯片单元10。

3）利用倒装工艺将多个所述LED芯片单元10倒装于所述芯片基底20表面，使多个所述LED芯片单元10依次串联，并由N极板23和P极板24分别引出串联两端的LED芯片单元10的N电极和P电极。

其中的倒装工艺包括：利用键合工艺将多个所述LED芯片单元10的N电极和P电极与所述芯片基底20表面的串联电路单元连接（即倒装），从而使多个所述LED芯片单元依次串联。

4）将倒装在导热转移衬底上的所有LED芯片单元一起再做低温高压键合工艺；第二次键合工艺可采用压力为1-4吨，温度为100-300摄氏度，其中优选的压力为3吨左右、温度为280摄氏度。该步骤进一步增强了LED芯片单元10和芯片基底20表面的粘合力。增加其稳定性。键合工艺是本领域常规工艺，再次不再赘述。

5）激光剥离所述生长衬底，本实施例中剥离蓝宝石衬底；

6)清洗剥离后的LED芯片单元；

7）研磨倒装有多个LED芯片单元的导热转移衬底，按照导热转移衬底上制作的串联电路单元划裂导热衬底，形成独立的高压直流LED，最终完成高压直流发光二极管芯片的制作。上述芯片的出光面为N-Gan层。

制作该高压直流发光二极管芯片时，多个LED芯片单元10的排布方式、其N电极和P电极的位置、连接方式可以是多样的，可以根据对芯片的实际需求进行调整，图1是其中一种优选的排布连接方式，但本发明并不仅限于此。

相比传统单颗芯片的封装方式，由于高压直流LED芯片采用多个芯片单元阵列分布的方式排列，因此，提高了封装工艺的生产效率，降低了封装工艺的生产成本。

该方法将芯片单元和芯片基底分开制作，利用倒装工艺替代电极桥接技术，降低了多芯片单元间互连的制作难度；并且根据对芯片的实际需求，可以方便的对外围电路进行适应性调整，简化了外围电路的设计难度，有利于芯片良品率及生产效率的提高。制作的高压直流LED可以有效的减少驱动电流，改善器件内部热特性，从而降低芯片的发热量，改善芯片发光性能，延长芯片使用寿命。

本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims

1.一种高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2）制作独立的采用蓝宝石衬底的LED芯片单元，并将独立的LED芯片单元进行分选；

其中，按照以下步骤制作独立的LED芯片单元：

其次，利用外延横向生长技术生长外延层；

5）激光剥离所述蓝宝石衬底；

6)清洗剥离后的LED芯片单元；

2.根据权利要求1所述的高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤1）中，制作串联电路单元包括在导热转移衬底上制作用于LED芯片单元电极压焊的电极焊盘及串联多个LED芯片单元的金属互连线路。

3.根据权利要求1所述的高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤1）中，制作绝缘层将串联电路单元之外的导热转移衬底表面钝化绝缘。

4.根据权利要求3所述的高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述绝缘层采用SiO₂、SiN、TiN、TaN中的一种或其中多种组成的复合材料。

5.根据权利要求1所述的高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述导热转移衬底采用Si衬底或Cu衬底。

6.根据权利要求1所述的高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述低温高压键合工艺采用压力为2-4吨，温度为100-300摄氏度。