CN102354699A - 高压氮化物led器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高压氮化物LED器件的制造方法，包括如下步骤：提供一衬底，在衬底上依次形成有N型氮化物成核层和外延层；蚀刻所述外延层形成N型接触电极台阶；依次蚀刻所述N型氮化物成核层，形成LED隔离沟槽，所述LED隔离沟槽暴露出所述衬底的表面；在所述N型接触电极台阶上制作N型接触电极，在所述外延层上制作P型接触电极，形成多个LED单元芯片；对所述多个LED单元芯片进行光电性能测试，并根据所述测试结果选择性的对所述多个LED单元芯片进行激光划片，以将所述多个LED单元芯片分组切割成至少一个LED模块。本发明还提供了一种高压氮化物LED器件，以降低整体LED芯片产业成本、提高成品率。

Description

高压氮化物LED器件及其制造方法
技术领域
本发明属于发光器件制造领域，尤其涉及一种高压氮化物LED器件及其制造方法。
背景技术
随着以氮化物为基础的高亮度发光二极管(Light Emitting Diode，LED)应用的开发，新一代绿色环保固体照明光源氮化物LED已成为研究的重点，尤其是以第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色LED的开发。以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)合金为主的III族氮化物半导体材料具有宽的直接带隙、内外量子效率高、高热导率、耐高温、抗腐蚀、抗震性、高强度和高硬度等特性，是目前制造高亮度发光器件的理想材料。
传统的LED芯片一般采用低电压直流电驱动。从交流电经过电源整流和变压后可以输出高压直流电或低压直流电。当输出为高压直流电时，其输入端和输出端压差低，则交流电到直流电的转换效率高；当输出为低压直流电时，其输入端和输出端压差高，则交流电到直流电的转换效率低。为了输出和高压直流电同样的输出功率，提高从交流电到低电压直流电的转换效率，势必会增加LED驱动电流，必然导致低压LED在工作时散热性要远低于高压LED，这意味着LED散热外壳的成本随之增高，同时也缩短了LED芯片的寿命。因此，LED驱动器的价格(包括电源整理部分和变压部分的成本)以及LED外壳散热材料的使用均推高了LED灯具的价格。
目前，为了降低LED芯片和灯具的价格，采用的技术方案主要包括：大电流密度驱动的直流LED芯片，其优势是极大的降低LED灯具的芯片成本；交流高电压LED芯片，其优势是降低LED灯具的整流和变压功能的成本；直流高电压LED芯片，其优势是降低LED灯具的变压功能的成本；大电流密度驱动的直流高电压LED芯片，其优势是降低LED芯片的成本，降低LED灯具的变压功能的成本；大电流密度驱动的交流高电压LED芯片，其优势是降低LED芯片的成本，降低LED灯具的整流和变压功能的成本。
因此，就现有产品而言，LED要进入通用照明领域仍然存在着不少问题，其原因是因为目前这些现有产品都是先进行LED芯片结构的制造，接着进行切割划片，最后，对形成LED模块进行测试、验收，其技术方案只是单纯的从降低整流、变压、大电流密度驱动下的LED芯片的结构的改进或LED灯具成本的某一角度出发，解决单一类型产品成本高的缺陷，并没有解决因光电性能等特性不良的LED芯片的封装而造成的原材料的浪费、成本的增高，降低了LED模块成品率与封装效率，增加了封装所需要的引线数及封装空间，不能真正实现大功率LED模块的可客制化、封装尺寸的小型化与集成化。由此可见，现有LED产品的技术方案并没有从LED芯片产业成本整体方面出发，因此，LED芯片和灯具的价格整体成本仍然比普通照明灯具高出不少，不能被大众普遍接受。
为了解决上述问题，在实现高压III族氮化物LED发光芯片结构时，需要寻求一种能以LED整体行业为出发点，进一步降低LED芯片和灯具的价格，使LED能更快进入通用照明领域。但是，在实际的实施过程中仍然存在相当大的壁垒，亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法，以解决第三代半导体材料使用时所面临的LED芯片产业成本和灯具价格高、成品率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压氮化物LED器件及其制造方法，以降低整体LED芯片产业成本、提高成品率
为解决上述问题，本发明提供了一种高压氮化物LED器件的制造方法，包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型氮化物成核层和外延层；蚀刻所述外延层形成N型接触电极台阶；依次蚀刻所述N型氮化物成核层，形成LED隔离沟槽，所述LED隔离沟槽暴露出所述衬底的表面；在所述N型接触电极台阶上制作N型接触电极，在所述外延层上制作P型接触电极，形成多个LED单元芯片；对所述多个LED单元芯片进行光电性能测试，并根据所述测试结果选择性的对所述多个LED单元芯片进行激光划片，以将多个LED单元芯片分组切割成至少一个LED模块；对所述LED模块进行封装，所述LED模块中的各LED单元芯片通过引线进行串联和/或并联，形成高压氮化物LED器件。
根据本发明的另一方面，还提出了一种高压氮化物LED器件，至少一个高压LED模块，每个高压LED模块包括至少两个LED单元芯片，其中，每个LED单元芯片具有N型接触电极和P型接触电极，各LED单元芯片通过N型接触电极和P型接触电极进行串联和/或并联；以及一基板，所述基板表面设置有基板电极，所述基板电极与所述高压LED模块通过引线键合。
由上述技术方案可见，与传统通用的高压LED制造工艺相比，本发明公开的高压氮化物LED器件的制造方法，在没有改变LED外延结构、有效利用LED芯片自身结构特性的前提下，在形成N型接触电极和P型接触电极后就进行光电性能测试，并根据所述测试结果选择性的对所述多个LED单元芯片进行激光划片，例如根据光通量设计要求，先对整块晶片进行测试，避开光电性能不良的LED单元芯片，分类形成不同规格的LED单元芯片，再依据不同规格的要求，可客制化激光划片，将LED分组切割成不同形状的LED模块，例如正方形或长方形LED模块；然后，将上述形成的LED模块进行板上晶片直装后，再将每个LED模块中的各LED单元芯片通过引线进行串联和/或并联，组成高压LED模块。通过本发明公开的高压氮化物LED器件及其制造方法，避免了以往制造高压LED模块先切片后再测试光电性能而造成的缺陷，例如，LED模块中的LED单元芯片光电性能等特性不良而产生芯片工艺的原材料的浪费、成本的增高；并且提高了LED模块成品率与封装效率，节省了封装所需要引线数及封装空间，实现了大功率LED模块的可客制化、封装尺寸的小型化与集成化。
附图说明
图1a至图1f是本发明一实施例的高压氮化物LED器件制造方法的流程示意图。
图1g是本发明一实施例的高压氮化物LED器件的电连接的俯视示意图。
图1h是本发明一实施例的高压氮化物LED器件的结构示意图。
图2是本发明一实施例的多个LED单元芯片激光切割划片分组的俯视示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
参见图1a至1f，对本发明一实施例的高压氮化物LED器件的制造方法进行详细描述。该方法包括如下步骤：
S100：提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型氮化物成核层和外延层。
参见图2a，先在衬底100上自下而上依次沉积N型氮化物成核层104和外延层111。
所述外延层111包括依次形成于所述N型氮化物成核层104上的多量子阱有源层106、P型氮化物层108、P型限制层110。
更优的，在形成所述外延层111之后，在外延层111上沉积透明导电层112。
更优的，在所述衬底100上形成N型氮化物成核层104之前，在所述衬底100上形成氮化物缓冲层102。
其中，所述衬底100可以是蓝宝石衬底，所述P型限制层110可以是P型氮化物。
S101：蚀刻所述外延层形成N型接触电极台阶。
参见图1b，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺(Inductively Coupled PlasmaEtcher，ICP)蚀刻外延层111，所述蚀刻停止在N型氮化物成核层104上，以形成N型接触电极台阶114。
若在形成所述外延层111之后，在外延层111上沉积了透明导电层112，则蚀刻所述外延层111之前先蚀刻所述透明导电层112，然后，所述蚀刻停止在N型氮化物成核层104表面上，形成N型接触电极台阶114。
当然，所述蚀刻也可停止在N型氮化物成核层104中(即蚀刻掉部分厚度的N型氮化物成核层104)，以形成N型接触电极台阶114，同样可实现本发明的目的。
S102：依次蚀刻所述N型氮化物成核层，形成LED隔离沟槽，所述LED隔离沟槽暴露出所述衬底的表面。
参见图1c，在N型氮化物成核层104上采用ICP蚀刻工艺蚀刻N型接触电极台阶114，形成LED隔离沟槽116，所述LED隔离沟槽暴露出所述衬底100的表面。
S103：在所述N型接触电极台阶上制作N型接触电极，在所述外延层上制作P型接触电极，形成多个LED单元芯片。
参见图1d，在N型接触电极台阶114上形成N型接触电极118，在外延层111的表面上(本实施例是透明导电层112之上)形成P型接触电极120，形成多个LED单元芯片1’。
其中，制作N型接触电极118和P型接触电极120的材料可以为镍金(Ni/Au)合金或其他金属。
S104：对所述多个LED单元芯片进行光电性能测试，并根据所述测试结果选择性的对所述多个LED单元芯片进行激光划片，将多个LED单元芯片分组切割成至少一个LED模块。
参见图1e，首先，由于LED制造时一般普遍采用蓝宝石作衬底用以支撑整个LED的制造过程，当LED单元芯片1’形成之后，采用化学机械研磨(CMP)工艺将衬底100减薄至厚度为
Figure BDA0000096008960000061
以利于后续工艺将晶片进行切割划片。
其中，所述光电性能测试一般包括光特性测试、电特性测试、热学特性测试、可靠性测试中的一种或多种，当然所述光电性能测试还可包括其他常见的LED测试，在此不一一列举。进一步地，所述光特性测试包括光通量、发光效率、辐射通量、辐射效率、光强、光强分布特性和光谱参数等等测试，而对于光通量测试，可以采用积分球法和变角光度计法或其它测试方法，一般标准规定采用2π立体角测试结构。上述光电性能测试为现有的测试技术，在此不再详细描述，但是本领域技术人员仍是知晓的。
参见图2，整片晶片包括55个LED单元芯片1’(整片晶片包括所述的LED单元芯片不限于本实施例中的数目)。通过上述光电性能测试的结果，可以获得所有LED单元芯片1’的光电性能参数，例如：由于晶片制造过程中的缺陷，不合格的单元芯片如第32号LED单元芯片和第41号LED单元芯片被标上记号“×”；或是测试结果不符合光通量设计要求的如第12号LED单元芯片和第21号LED单元芯片被标上记号“○”；或是测试结果不符合LED其他光电性能的如第37号LED单元芯片和第46号LED单元芯片被标上记号“△”。需要说明的是，在图2中第32号LED单元芯片被标识为32，其它LED单元芯片的标识类似，如第41号LED单元芯片标识为41，在此不一一赘述。
然后，通过掌握的光电特性的参数性能，可以提供各种客制化的LED模块2’，满足客户不同需求，例如，对晶片中参数性能良好的集中区域进行大块晶片激光切割划片成不同形状的LED模块2’时，可以减少切割工艺步骤所带来的成本，以满足大功率LED模块客户的需求。所述大块晶片可以包括第9号LED单元芯片、第10号LED单元芯片、第11号LED单元芯片、第16号LED单元芯片、第17号LED单元芯片、第18号LED单元芯片、第23号LED单元芯片、第24号LED单元芯片、第25号LED单元芯片，或是可以包括第9号LED单元芯片、第10号LED单元芯片、第11号LED单元芯片、第16号LED单元芯片、第17号LED单元芯片、第18号LED单元芯片、第19号LED单元芯片、第20号LED单元芯片、第23号LED单元芯片、第24号LED单元芯片、第25号LED单元芯片、第26号LED单元芯片、第27号LED单元芯片(所述大块晶片不限于本实施例中的列举)；在晶片中参数性能不良的集中区域，可以进行精细的激光切割划片成相应形状的LED模块2’，可以避开光电性能不良的LED单元芯片1’，以提高LED模块的成品率，以满足光电性能要求严格的客户需求，所述精细切割划片分组的LED模块可以包括第42号LED单元芯片、第43号LED单元芯片、第49号LED单元芯片、第50号LED单元芯片或是可以包括第44号LED单元芯片、第45号LED单元芯片，也可以包括第9号LED单元芯片、第16号LED单元芯片、第23号LED单元芯片、第30号LED单元芯片(所述精细切割划片分组不限于本实施例中的列举)。最后，根据客户的具体需求对所述的未被切割划片的多个LED单元芯片进行选择性的激光划片，形成可客制化的LED模块。所述每个LED模块2’包括至少一个LED单元芯片1’。另外，对测试结果不合格或是不符合LED光电特性的LED单元芯片如通过修复步骤可以修复的则进行修复，若不能进行修复的可降级或是丢弃处理。需要说明的是，上述描述并不用于限定本发明，本领域技术人员还可根据本发明公开的内容进行其他变形，例如可根据所述测试结果对所述多个LED单元芯片进行其它形式的激光划片。
S105：对所述LED模块进行封装，所述LED模块中的各LED单元芯片通过引线进行串联和/或并联，形成高压氮化物LED器件。
参见图1f和图1g，采用通常的COB封装技术将LED模块2’直接封装在基板支架122上，然后将基板支架122上的基板电极124通过导线128与所述LED模块2’上相应的LED单元芯片的电极键合，以作电流注入的引线，并同步形成了凸点焊球，继续完成所述LED模块内部的每个LED单元芯片1’引线130的串联和/或并联，以形成高压氮化物LED器件3。所述高压氮化物LED器件3包括至少一个LED模块2’。
由于本发明是依据光电性能的不同而切割划分形成了所述的每个LED模块2’，所以在所述的每个LED模块上打引线进行串联和/或并联，可以有效地使所需引线数目减少。
通常，COB基板支架122上的基板电极124所使用的导线128材料为铜基导线，因此，键合盘126需要进行表面处理，在铜基材上镀镍，厚度为2～4um，再镀金，厚度为0.1～0.2um，形成铜镍金复合金属层，以增加电极处的粘合度和强度，避免导线剥落。
经过本步骤，每个高压氮化物LED器件中的各个LED单元芯片通过LED隔离沟槽进行电学上的隔离。
更优的，在形成的所述高压氮化物LED器件上涂覆荧光粉硅胶132，以制备出能适应不同颜色需求的高压氮化物LED器件(参见图1h)。
参见图2f，本发明还提出了一种高压氮化物LED器件，利用上述的高压氮化物LED器件的制造方法形成，包括至少一个高压LED模块以及一基板，每个高压LED模块包括至少两个LED单元芯片，其中，每个LED单元芯片具有N型接触电极和P型接触电极，所述高压LED模块中的各LED单元芯片通过N型接触电极和P型接触电极进行串联和/或并联，所述基板表面设置有基板电极，所述基板电极与所述高压LED模块通过引线键合。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种高压氮化物LED器件的制造方法，包括如下步骤：
提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型氮化物成核层和外延层；
蚀刻所述外延层形成N型接触电极台阶；
依次蚀刻所述N型氮化物成核层，形成LED隔离沟槽，所述LED隔离沟槽暴露出所述衬底的表面；
在所述N型接触电极台阶上制作N型接触电极，在所述外延层上制作P型接触电极，形成多个LED单元芯片；
对所述多个LED单元芯片进行光电性能测试，并根据所述测试结果选择性的对所述多个LED单元芯片进行激光划片，以将多个LED单元芯片分组切割成至少一个LED模块；
对所述LED模块进行封装，所述LED模块中的各LED单元芯片通过引线进行串联和/或并联，形成高压氮化物LED器件。
2.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：在所述衬底上形成N型氮化物成核层之前，还包括：在所述衬底上形成氮化物缓冲层。
3.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：所述外延层包括依次形成于所述N型氮化物成核层上的多量子阱有源层、P型氮化物层和P型限制层。
4.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：形成所述外延层之后，在所述外延层上沉积透明导电层，蚀刻所述外延层之前先蚀刻所述透明导电层。
5.根据权利要4所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：所述P型接触电极位于所述透明导电层之上。
6.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：所述N型接触电极和P型接触电极的材质为镍金合金。
7.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：对所述多个LED单元芯片进行光电性能测试之前，还包括：减薄所述衬底。
8.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：对所述LED模块进行板上晶片直装。
9.根据权利要求1所述高压氮化物LED器件的制造方法，其特征在于：形成高压氮化物LED器件之后，还包括：在所述高压氮化物LED器件上涂覆荧光粉硅胶。
10.一种利用权利要求1所述的高压氮化物LED器件的制造方法形成的高压氮化物LED器件，包括：
至少一个高压LED模块，每个高压LED模块包括至少两个LED单元芯片，其中，每个LED单元芯片具有N型接触电极和P型接触电极，各LED单元芯片通过N型接触电极和P型接触电极进行串联和/或并联；以及
一基板，所述基板表面设置有基板电极，所述基板电极与所述高压LED模块通过引线键合。
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