CN102315353A - 一种倒装集成发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒装集成发光二极管及其制备方法。一种倒装集成发光二极管：包括一个带有金属布线阵列的基板；一个相互电隔离的LED阵列倒装形成于所述基板上，与基板上的金属布线阵列连接；每个LED包括由n型半导体层、有源层、p型半导体层组成的发光外延层，N电极和P电极，所述外延层被定义为发光区和N电极区，所述发光区的p型半导体层和有源层分别与N电极区的p型半导体层和有源层分隔开；N电极区的n型半导体层与p型半导体层形成短路连接从而构成N电极，P电极形成于发光区的p型半导体层上；所述的金属布线阵列使相互电隔离的LED的P电极和其相邻的LED的N电极相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制作方法,更具体地为涉及一种倒装集成发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode,简称LED）是利用半导体P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件，要使LED大规模应用于道路照明等公众场所，LED光源的光通量必须达到几千甚至上万流明，如此高的光输出量无法通过单颗芯片来实现。为满足如此高的光输出要求，可以采用两种方法。第一种方法采是用多颗制作好的LED芯片通过后续的引线串联来满足高亮度照明的要求，这种方式在一定程度上解决了单颗光源不足的问题。但是由于LED芯片制备和LED芯片之间的引线串联是两个独立的步骤，存在制作过程复、可靠性不高、占用空间大、生产效率低等缺点，在一定程度上限制了LED芯片在半导体照明节领域的应用与推广。第二种方法是将许多串联连接的发光二极管集成在一个芯片中制成一个发光装置。它可以直接工作在一个高压直流电压或交流电压下，得到了比较广泛的应用。
中国专利CN03820622.6公开了一种集成式的发光装置，在蓝宝石等绝缘基板上，以二维单片式形成多个LED组成阵列，单个LED之间及LED与电极之间为架空桥式布线。通过曲折状配置LED阵列，获得高驱动电压和低驱动电流。此种集成式的发光装置存在多种问题：包括发光效率低，不易散热，功率低，及可靠性方面的问题。每一个独立的LED与其相邻LED的隔离是通过刻蚀N型半导体层到绝缘衬底1的表面来实现的。串联金属线需跨过高度落差极大的沟渠，在制作上容易发生金属线断接的问题，造成整体二极管无法连接的问题。
中国专利CN200580042802.8公开了另一种倒装集成芯片，此种倒装集成芯片将多个LED接合到次载基板上。由于P、N电极分别形成于p型半导体层和n型半导体层上，P、N电极高低落差大，在倒装接合到次载基板后，将影响生长衬底的剥离良率。若要使P, N电极同高则需经过较多次的电极形成工艺或者加入平坦化工艺。
发明内容
针对现在技术中存在的上述问题，本发明提出一种倒装集成发光二极管及其制备方法，其在改善了散热性问题的同时，强化用于串联的金属线层的稳定性，提高了光取出效率。
根据本发明的一方面，一种倒装集成发光二极管，包括：一个带有金属布线阵列的基板；一个相互电隔离的LED阵列倒装形成于所述基板上，与基板上的金属布线阵列连接；每个LED包括由n型半导体层、有源层、p型半导体层组成的发光外延层，N电极和P电极，所述外延层被定义为发光区和N电极区，所述发光区的p型半导体层和有源层分别与N电极区的p型半导体层和有源层分隔开；N电极区的n型半导体层与p型半导体层形成短路连接从而构成N电极，P电极形成于发光区的p型半导体层上；所述的金属布线阵列使相互电隔离的LED的P电极和其相邻的LED的N电极相连。
根据本发明人另一个方面：一种集成发光二极管的制备方法，其包括如下工艺步骤：1）提供生长衬底；2）在生长衬底上沉积发光外延层，其至下而上包括n型层，有源层和p型层；3）将发光外延层分隔成相互电隔离的LED阵列; 4) 将外延层定义为发光区和N电极区，所述发光区的p型半导体层和有源层分别与N电极区的p型半导体层和有源层分隔开；短路连接N电极区的n型半导体层和p型半导体层，构成N电极；在发光区的p型半导体层上形成P电极；5）提供基板，其上分布有金属布线阵列；6）将相互电隔离的LED阵列倒装焊接在基板上，P电极与N电极与基板上的金属布线阵列连接，且相互电隔离的LED的P电极和其相邻的LED的N电极相连。
本发明改变了传统倒装集成发光二极管中N电极需先蚀刻P型半导体层、有源层，形成于n型半导体型上的方法，先在LED发光外延层定义出N电极区和发光区，将N电极区的有源层、P型半导体导与发光区的有源层、P型半导体导隔离，并且短路N电极区的n型半导体层和p型半导体层，分别在发光区和N电极区的P型半导体层上制作P电极与N电极，使得P、N电极同高，且P电极与N电极几乎占满整面芯片进而提升倒装键合及激光剥离生长衬底之良率；利用大面积电极做共晶焊接进一步加强散热能力。
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为根据本发明实施例的一种倒装集成发光二极管的结构示意图。
图2～图11为根据本发明实施例的一种倒半集成式发光二极管制作流程的剖面图。
图中部件符号说明：
010：生长衬底；020：支撑基板；100：LED单元；110：n型半导体层；120：有源层；130：p型半导层；200：金属连线210：N电极；220：P电极；300：金属布线；310，320：金属布线端子；400：粗化面；500：绝缘层；600：沟道；700：隔离槽；A区：发光区；B区：n电极区。
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。
如图1所示，一个倒装集成发光二极管，一系列相互隔离的LED单元100通过覆晶焊接或其他接连方式集成在支撑基板020上，通过基板上的金属布线300串联起来。
支撑基板020选用具有良好的热传导性及高电阻的材料，可以是氮化铝，氮化硼，或其他相近料材，每个发光二极管中的LED单元100的PN结所产生的热量就可以轻易地转移至基板020上并散发到外壳上。
金属布线300阵列制作在支撑基板020上，金属布线300将一个LED单元100的P电极220与其相邻LED单元100的N电极210连接起来，从而使整个LED列阵通过支撑基板020串联起来。端子310和320为LED阵列的每一端提供了电源连结点。金属布线300的材料可选用Au、Sn、In中的一种或其组合。
LED阵列可以使用标准的集成芯片制作工艺先制作在生长衬底上，通过覆晶焊接工艺连接到金属布线上，然后再去除生长衬底。相邻LED单元100之间有一条沟道600贯穿整个发光外延层，使各个LED相互电隔离。每个LED单元100包括由n型半导体层110、有源层120、p型半导体层130组成的发光外延层，N电极210和P电极220。发光外延层一般为台面形的，被定义为发光区A和N电极区B，发光区A的p型半导体层130、有源层120通过绝缘层500与N电极区B的p型半导体层130、有源层120分隔开。绝缘层500的材料可以SiO2、Si3N4、TiO2、Ti2O3、Ti3O5、BCB(苯并环丁烯树脂)材料中一种或其结合。通过金属连线200连接N电极区B的n型半导体层110和p型半导体层130，形成短路连接，短路连接后的整个N电极区B的发光外延层作为N电极210。P电极220形成地发光区A的p型半导体层130上。金属连线200及P电极220的材料可选用Cr、Pt、Ni、Au、Ag、Al、Ti、W、Sn等金属中的一种或其组合。
光从LED单元100的n型半导体层110发出。n型半导体层110可以是一个粗化面400，减少了出面光的反射。进一步地，为了提高取光效率，要在P电极并入一个高反射金属层（图中未显示），把向支撑基板020发射的光反射回n型半导体层。
图2～图11示意了本发明一种倒装集成发光二极管的制作流程，主要包括了外延生长工艺，LED单元分隔，电极制作工艺，覆晶焊接工艺等。
第一步：如图2所示，提供一生长衬底010，在生长衬底上沉积发光外延层，其至下而上包括n型半导体层110，有源层120和p型半导体层130。生长衬底可以是透明、半透明、或具有类似透光的特性，但也可以是非透光性的，具体可使用蓝宝石、炭化硅、硅、砷化镓等材料。沉积发光外延层为一般外延生长工艺即可。
下一步：定义LED单元大小，将发光外延层划分为LED阵列，每个LED单元100相互电隔离。首先，光罩图形化发光外延层，定义出LED单元区和绝缘区。可采用蚀刻去除绝缘区的发光半导体层，形成沟道600，其剖面示意图如图3所示。应该注意的地，可以不去除隔离区的半导体材料层，替代地是高阻化绝缘区的半导体材料层，如采用离子注入法在绝缘区注入特定离子至衬底表面，使绝缘区高阻化，同样地也可以分隔LED单元。
下一步：如图4所示，定义LED单元100的发光区A、N电极区B，在N电极区B与发光区A间蚀刻p型半导体层130和有源层120，形成隔离槽700。其附视图如图5所示。
下一步：如图6所示，短路连接N电极区B的n型半导体层110和p型半导体层130，构成N电极210；在发光区A的p型半导体层130上形成P电极220。N电极的具体制作方法：制作一金属连线200，其连接N电极区B的n型半导体层110和p型半导体层130，使N电极区B的n型半导体层110和p型半导体层130形成短路连接，短路连接后的整个N电极区的发光外延层即可作为N电极。金属连线200及P电极220的材料可选用Cr、Pt、Ni、Au、Ag、Al、Ti、W、Sn等金属中的一种或其组合。
下一步：如图7所示，在隔离槽700中形成绝缘层，保证了发光区A的p型半导体层130、有源层120分别与N电极区B的p型半导体层130、有源层分隔开。
下一步：如图8所示，提供一支撑基板020，在其上形成金属布线阵列。每个金属布线300相互彼此电隔离。
下一步：如图9所示，将支撑基板020与LED阵列进行覆晶焊接，形成倒装集成式发光二极管。P电极230与N电极210与基板上的金属布线300阵列连接，且相互电隔离的LED的P电极230和其相邻的LED的N电极210相连。
完成上述步骤后，可将生长衬底去除或作减薄处理。其剖面示图如图10所示。进一步地，如图11所示，为了取得更佳的取光效率，可在出光面上作粗化处理。
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 (10)
1.一种倒装集成发光二极管：包括
一个带有金属布线阵列的基板；
一个相互电隔离的LED阵列倒装形成于所述基板上，与基板上的金属布线阵列连接；
每个LED包括由n型半导体层、有源层、p型半导体层组成的发光外延层，N电极和P电极，所述外延层被定义为发光区和N电极区，所述发光区的p型半导体层和有源层分别与N电极区的p型半导体层和有源层分隔开；N电极区的n型半导体层与p型半导体层形成短路连接从而构成N电极，P电极形成于发光区的p型半导体层上；
所述的金属布线阵列使相互电隔离的LED的P电极和其相邻的LED的N电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种倒装集成发光二极管，其特征在于：所述基板选用散热型材料。
3.根据权利要求1所述的一种倒装集成发光二极管，其特征在于：所述LED阵列通过沟道相互电隔离。
4.根据权利要求1所述的一种倒装集成发光二极管，其特征在于：在所述发光区和N电极区之间有一绝缘层。
5.根据权利要求1所述的一种倒装集成发光二极管，其特征在于：所述金属布线材料选用Au、Sn、In中的一种或其组合。
6.一种倒装集成发光二极管的制备方法,其包括如下工艺步骤：
1）提供一生长衬底；
2）在所述生长衬底上沉积发光外延层，其至下而上包括n型半导体层，有源层和p型半导体层；
3）将发光外延层分隔成相互电隔离的LED阵列；
4) 将外延层定义为发光区和N电极区，所述发光区的p型半导体层和有源层分别与N电极区的p型半导体层和有源层分隔开；短路连接N电极区的n型半导体层和p型半导体层，构成N电极；在发光区的p型半导体层上形成P电极；
5）提供基板，其上分布有金属布线阵列；
6）将相互电隔离的LED阵列倒装焊接在基板上，P电极与N电极与基板上的金属布线阵列连接，且相互电隔离的LED的P电极和其相邻的LED的N电极相连。
7.根据权利要求6所述的一种倒装集成发光二极管的制备方法,其特征在于：所述基板选用散热型材料。
8.根据权利要求6所述的一种倒装集成发光二极管的制备方法,其特征在于：步骤3）中通过沟道将发光外延层分隔成相互电隔离的LED阵列。
9.根据权利要求6所述的一种倒装集成发光二极管的制备方法,其特征在于：步骤4）中通过一隔离槽将发光区的p型半导体层和有源层分别与N电极区的p型半导体层和有源层分隔开。
10.根据权利要求6所述的一种倒装集成发光二极管的制备方法,其特征在于：步骤4）中通过金属连线连接N电极区的n型半导体层和p型半导体层，形成短路连接，短路连接后的整个N电极区的发光外延层作为N电极。
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