CN102299228A - 一种覆晶插件式发光二极管芯片结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种覆晶插件式发光二极管芯片结构及其制作方法。通过将发光二极管芯片的电极设置成PIN脚，并搭配插件封装方式提供电路设计。本发明之覆晶插件式发光二极管结构主要包括：发光外延结构，其由下而包含第二半导体层,有源层以及第一半导体层；至少一第一电极位于第一半导体层上，至少一第二电极位于第二半导体层上，且第一电极和第二电极位于发光外延结构的同侧；至少两个PIN脚分别位于第一电极和第二电极上；基座，其上分布有与前述PIN脚进行对位的插孔，且设置有金属连线，当PIN脚对位插入插孔后，实现第一电极和第二电极与金属连线连接。该发明的优点可以快速且方便的方式将插件式芯片进行组装,并且节省一般传统封装方式须打线的结构。

Description

一种覆晶插件式发光二极管芯片结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种覆晶插件式发光二极管，属半导体光电领域。
背景技术
覆晶型封装技术已经在封装业界行之有年了，利用覆晶技术可将发光二极体芯片反转设置于一导热基板上，一方面解决了传统发光二极中电极接线焊垫（Bonding Pad）的遮光问题，提高出光效率；另一方面，可用导热性能佳的基板替换导热性差的生长衬底（如蓝宝石），提升发光二极体的散热率，提高器件性能。在覆晶技术中，目前较多地是使用共晶植球方式进行，透过金球植于电极对位点后进行超声加热的方式使得电极与金球相结合。由于共晶植球过程中需进行精密的对位，因此降低了生产的速度，而且金球与电极间常形成虚焊而导致组件后续的失效，并且失效后无法进行更换。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种覆晶插件式发光二极管芯片结构并搭配插件封装方式提供电路设计, 其插件式发光二极管芯片结构包括: 发光外延结构，其由下而包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；至少一第一电极位于第一半导体层上，至少一第二电极位于第二半导体层上，且第一电极和第二电极位于发光外延结构的同侧；至少两个PIN脚分别位于第一电极和第二电极上。
该插件式发光二极管芯片的制作方法，包括如下步骤：1）提供一生长衬底；2）在生长衬底的正面上形成发光外延结构, 其由下而上包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；3）在第一半导体层上形成图案，定义第二电极区，蚀刻第二电极区至第二半导体层并裸露出第二半导体层；4）形成第一电极于第一半导体层上，形成第二电极于裸露出的第二半导体层上；5）分别在第一电极和第二电极上形成PIN脚，其高出发光外延结构表面，完成插件式发光二极管芯片结构。
在完成上述步骤后，可将生长衬底减薄抛光或直接剥离，为了取得更佳的出光效果，可在出光面上做粗化处理。
在本发明中，前述插件式发光二极管芯片可配合基座封装形成覆晶发光二极管，其结构包括：发光外延结构，其由下而包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；至少一第一电极位于第一半导体层上，至少一第二电极位于第二半导体层上，且第一电极和第二电极位于发光外延结构的同侧；至少两个PIN脚分别位于第一电极和第二电极上；基座，其上分布有与前述PIN脚进行对位的插孔，且设置有金属连线，当PIN脚对位插入插孔后，实现第一电极和第二电极与金属连线连接。
该覆晶插件式发光二极管的制作方法，主要包括以下步骤：1）提供一生长衬底；2）在生长衬底的正面上形成发光外延结构, 其由下而上包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；3）在第一半导体层上形成图案，定义第二电极区，蚀刻第二电极区至第二半导体层并裸露出第二半导体层；4）形成第一电极于第一半导体层上，形成第二电极于裸露出的第二半导体层；5）分别在第一电极和第二电极上形成PIN脚，其高出发光外延结构表面；6）提供一基座，其上分布有与前述PIN脚进行对位的插孔，并备置金属连线，反射金属导电层上；7）将PIN脚对位插入基座的插孔入，实现第一电极和第二电极与金属连线连接，形成覆晶插件式发光二极管结构。
本发明改变了传统发光二极管的封装方式，采用插件方式使得芯片与封装基座之间可进行灵活拆卸与组装，当组件失效后能够快速的进行更换，增加了使用上的便利性；且在芯片结构的电极结构上采用PIN脚，方便与基座的插孔进行快速对位、组装。
进一步地，采用本发明的插件方式，避免了一般传统封装方式须打线的结构，进而有效提高了器件的性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为依照本发明实施例的插件式发光二极管芯片结构的剖面图。
图2为依照本发明实施例的覆晶插件式发光二极管结构的剖面图。
图3～图11为依照本发明实施例的插件式发光二极管芯片制备过程的截面示意图。
图12为依照本发明实施例的覆晶插件式发光二极管的基座剖面图。
图中各标号表示如下：
    100：发光二极管芯片；110：生长衬底；120：第二半导体层；130：有源层；140：第一半导体层；150：保护层；151：图形化保护层；160：反射金属导电层；171：第一电极；172：第二电极；180：厚膜光阻层；191，192：PIN脚；200：基座；201：第一基板；202：第二基板； 211，212，：插孔；221，222：金属连接。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在此，需要特别注意地是，在本发明中所提及的“第一电极位于第一半导体层上”应理解为两种情况：第一种，第一电极可直接与第一半导体层接触；第二种，通过第三层（如ITO层、反射层等）与第一半导体层连接，此情况下至下而上的层叠顺序为第一半导体层、第三层（如ITO）、第一电极。说明书中其他类似情况应做同样理解。
实施例一
图1为一种插件式发光二极管芯片结构的剖面图。一种插件式发光二极管芯片结构100，包括：至上而下由第一半导体层140、有源层130、第二半导体层120构成的发光外延结构形成于生长衬底110上，其中第二半导体层120部分裸露其表面；反射金属导电层160覆盖在第一半导体层140的表面上；第一电极171形成于反射金属导电层160上，第二电极172形成于第二半导体层裸露部分的上面；PIN脚191、192以电铸方式形成于第一电极和第二电极的上，且高出外延层的表面，其中PIN脚191连接第一电极171，PIN脚192连接第二电极。
在本实施例，以氮化物系发光二极管为例，生长衬底可以使用蓝宝石衬底，第一半导体层140为p型半导体层，有源层130为多量子阱结构，第二半导体层为n型半导体层。
反射金属导电层160的材料可选用Ag、Al、Ti、Ni、Pt、Au、Cr等反射率较佳的金属，以n侧作为出光面，反射金属导电层160反射一有源层向该P型半导体层发出的光射，使反射的光线可从n型层射出。
第一电极171和第二电极182的数量和位置根据芯片的尺寸进行设计，至少包含一个第一电极171和一个第二电极172，PIN脚191、192分别与第一电极和第二电极对应。在本实施例中，设计两个第一电极，一个第二电极分布在两个第一电极的中间。PIN脚的材料选用Cu、W、Mo、Co、Ni的任意一种或其组合。
实施例二
图3～图11为实施例一中所述的插件式发光二极管芯片制备过程的截面示意图。其主要包括发光外延生长工艺，电极形成工艺及PIN形成工艺。
一种插件式发光二极管芯片的制作工艺，其步骤如下：
首先，先提供生长衬底110，在其上上生长发光外延层，其至下而上包含N层半导体层120，有源层130，P型半导体层140，其结构剖面图如图3所示。
下一步：P型半导体层140上形成一保护层150，其结构剖面图如图4所示。
下一步：在保护层150上定义第二电极区，形成保护图案151于：P型半导体层140上，其结构剖面图如图5所示。
下一步：采用干蚀刻去除第二电极区的P型半导体层140和有源层130，并裸露出N型半导体层120，其结构剖面图如图6所示。
下一步：在P型半导体层140上形成反射金属导电层160，其结构剖面图如图7所示。
下一步：在反射金属导电层160上形成第一电极171，N型半导体层的裸露部分上形成第二电极172，其结构剖面图如图8所示。
下一步：在发光外延层的表面上形成一厚膜光阻层180，其覆盖住反射金属导电层160及N型半导体层120的裸露部分，并覆盖第一电极171及第二电极172之导线，仅裸露出第一电极71及第二电极72之钉线区域，其结构剖面图如图9所示。
下一步：分别于第一电极171及第二电极172上电铸形成PIN脚191，192，其中PIN脚191连接第一电极171，PIN脚192连接第二电极，其结构剖面图如图10所示。
下一步：去除厚膜光阻层180，将芯片进行减薄抛光后切割得一具PIN脚对位之发光二级管芯片，其结构剖面图如图11所示。
实施例三
如图2所示为本实施所述的一种覆晶插件式发光二极管结构的剖面图，其结构主要包括一具有PIN脚对位的发光二极管芯片及与之对位组装的基座。其中发光二极管芯片的结构已在实施例一中进行了详细的描述，在本实施例将重点对基座结构与芯片与基座组装后的结构进行说明。
如图2所示，插件式发光二极管芯片100倒立安装于基座200上。基座200上分布有与芯片PIN脚对位的插孔211，212，且基座200内部设置有金属连线221、222，金属连接部分至少部分设置在插孔211、212内。芯片100的PIN脚191、192分别插入基座200的插孔211，212中，其中第一电极171的PIN脚191与插孔211对位，第二电极172的PIN脚192与插孔212对位，PIN脚191与金属连接221连接，PIN脚192与金属连接222连接。通过金属连线221、222，连接外部电源。
基座的材料最好选择散热性佳的材料，可选用PCB或MCPCB。
实施例四
本实施例为实施例三所述的一种覆晶插件式发光二极管结构的制作方法，其主要包括插件式发光二极管芯片100的制作工艺及芯片与基座200组装工艺。其中芯片工艺在实施例二中已进行了细说的描述，本实施例再不再做重复说明。
一种覆晶插件式发光二极管结构的制作方法，其包括如下步骤：
首先，依据实施例二的方法制备获得插件式发光二极管芯片100。
下一步：提供基座200。基座200上分布有与芯片PIN脚对位的插孔211，212，且内部设置有金属连线221、222，金属连接部分至少部分设置在插孔211、212内。基座200的剖面图如图12所示。
下一步：将发光二级管100的PIN脚与基座200进行对位、组装，形成覆晶插件式发光二极管，其结构剖面如图2所示。
在本实施例中，基板200为夹层式，由第一基板201和第二基板202构成。如图12所示，第二基板位于第一基板上，中间夹层为金属连线层221和插孔221，插孔222设置在第二基板202上，插孔202的底部备置金属连线222。基板的结构并不局限于夹层结构，只要能够实现与芯片组装并接通外部电源即可。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (20)

1.一种插件式发光二极管芯片，包括：
一发光外延结构，其由下而包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；
至少一第一电极位于第一半导体层上，至少一第二电极位于第二半导体层上，且第一电极和第二电极位于发光外延结构的同侧；
至少两个PIN脚分别位于第一电极和第二电极上。
2.根据权利要求1所述的一种插件式发光二极管芯片，其特征在于：所述发光外延结构形成于一生长衬底上。
3.根据权利要求1所述的一种插件式发光二极管芯片，其特征在于，还包括：一反射金属导电层形成于第一半导体层上，所述第一电极形成于该反射金属导电层上。
4.根据权利要求1所述的一种插件式发光二极管芯片，其特征在于：第一电极对应的PIN脚的顶端与第二电极对应的PIN脚的顶端不位于同一水平面上。
5.一种插件式发光二极管芯片的制作方法，包括如下步骤：
提供一生长衬底；
在生长衬底的正面上形成发光外延结构, 其由下而上包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；
在第一半导体层上形成图案，定义第二电极区，蚀刻第二电极区至第二半导体层并裸露出第二半导体层；
形成第一电极于第一半导体层上，形成第二电极于裸露出的第二半导体层上；
分别在第一电极和第二电极上形成PIN脚，其高出发光外延结构表面，完成插件式发光二极管芯片结构。
6.根据权利要求5所述的一种插件式发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，还包括下面步骤：在步骤4）前先在第一半导体层上形成一反射金属导电层，步骤4）中所述第一电极形成于反射金属导电层上。
7.根据权利要求5所述的一种插件式发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤5包含如下工艺：在发光外延结构的表面上覆盖一光阻层，裸露出第一电极及第二电极的钉线区域；透过电铸方式形成PIN脚，其PIN脚分别与第一电极及第二电极相接触；去除光阻层。
8.根据权利要求5所述的一种插件式发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，还包括下面步骤：在完成步骤5）后将所述生长衬底进行减薄抛光。
9.一种覆晶插件式发光二极管，包括：
一发光外延结构，其由下而包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；
至少一第一电极位于第一半导体层上，至少一第二电极位于第二半导体层上，且第一电极和第二电极位于发光外延结构的同侧；
至少两个PIN脚分别位于第一电极和第二电极上；
一基座，其上分布有与前述PIN脚进行对位的插孔，且设置有金属连线，当PIN脚对位插入插孔后，实现第一电极和第二电极与金属连线连接。
10.根据权利要求9所述的一种覆晶插件式发光二极管，其特征在于：所述发光外延结构形成于一生长衬底上。
11.根据权利要求9所述的一种覆晶插件式发光二极管，其特征在于：还包括：一反射金属导电层形成于第一半导体层上，第一电极形成于反射金属导电层上。
12.根据权利要求9所述的一种覆晶插件式发光二极管，其特征在于：所述电路连接设置在基座的内部，当PIN脚对位插入插孔后，所有的第一电极全部相互导通，且所有的第二电极也全部相互导通。
13.一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
提供一生长衬底；
在生长衬底的正面上形成发光外延结构, 其由下而上包含第二半导体层, 有源层以及第一半导体层；
在第一半导体层上形成图案，定义n电极区，蚀刻n电极区至第二半导体层并裸露出第二半导体层；
形成第一电极于第一半导体层上，形成第二电极于裸露出的第二半导体层上；
分别在第一电极和第二电极上形成PIN脚，其高出发光外延结构表面；
提供一基座，其上分布有与前述PIN脚进行对位的插孔，并备置金属连线，反射金属导电层上；
将PIN脚对位插入基座的插孔入，实现第一电极和第二电极与金属连线连接，形成覆晶插件式发光二极管结构。
14.根据权利要求13所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于：所述电路连接设置在基座的内部，当PIN脚对位插入插孔后，所有第一电极相互连接，且所有的第二电极同样相互连接。
15.根据权利要求13所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于：还包括下面步骤：在步骤4）前先在第一半导体层上形成一反射金属导电层，步骤4）中所述第一电极形成于反射金属导电层上。
16.根据权利要求15所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于：所述反射金属导电层的材料选用Ag、Al、Ti、Ni、Pt、Au、Cr中的一种或其组合。
17.根据权利要求13所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤5包含如下工艺：在发光外延结构的表面上覆盖一光阻层，裸露出第一电极及第二电极钉线区域；透过电铸方式形成PIN脚，其PIN脚分别与第一电极及第二电极相接触；去除光阻层。
18.根据权利要求13所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于：所述PIN脚的材料选用Cu、W、Mo、Co、Ni中的一种或其组合。
19.根据权利要求13所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于：所述基座的材料选用PCB或MCPCB。
20.根据权利要求13所述的一种覆晶插件式发光二极管的制作方法，其特征在于，还包括下面步骤：在完成步骤5）将所述生长衬底进行减薄抛光。
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