CN102447033B - 一种高光效、低光衰以及高封装良率led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其层结构依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、N型层(3)、N型分别限制层(4)、发光区层(5)、P型分别限制层(6)、P型层(7)、P型欧姆接触层(8)、光穿透层(9)、二氧化硅层(10)、金属层(11),其特征在于:该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和P型电极,P型电极被环状N型电极包围,所述环状N型电极和所述P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面。本发明由于芯片结构包括N型电极和P型电极,使得PN电极层面积最大,得到最大注入电流,提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片,尤其是涉及一种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片。
背景技术
使用蓝宝石衬底其优点是化学稳定性好,不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟,因此成为用于GaN生长最普遍的衬底。在LED的封装过程中,都把蓝宝石衬底面直接固定在散热板上。在LED的工作过程中,其发光区是器件发热的根源。由于蓝宝石衬底本身是一种绝缘体材料,且导热性能比GaN材料较差,所以对这种正装的LED器件其工作电流都有一定的限制,以确保LED的发光效率和工作寿命。为改善器件的散热性能,人们设计了一种LED芯片结构,即倒装结构的LED芯片。
另外,传统的蓝宝石衬底的GaN芯片的结构,电极刚好位于芯片的出光面。由于p-GaN层有限的电导率,因此要求在 p-GaN层表面沉淀一层用于电流扩散的金属层,这个电流扩散层由 Ni和 Au组成,会吸收部分光,从而降低出光效率。如果将芯片倒装,那么电流扩散层 (金属反射层)就成为光的反射层,这样光可通过蓝宝石衬底发射出去,从而提高出光效率。
自从提出芯片的倒装设计之后,人们针对其可行性进行了大量的研究和探索。由于LED芯片设计的局限性,封装良率一直很低,原因如下:第一、N型电极区域相对小,很难与PCB板的相应区域对位;第二、N型电极位置比P型电极位置高很多,很容易造成虚焊、脱焊情形;第三、为制作N型电极,往往要人为地去掉很大一部分有源区,这样大大地减少了器件的发光面积,直接影响了LED发光效率。
再者,虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯,但商业化LED发光效率还是低于钠灯(150lm/W)。那么,哪些因素影响LED的发光效率呢?就白光LED来说,其封装成品发光效率是由内量子效率, 电注入效率, 提取效率和封装效率的乘积决定的。
如图32所示,利用MOCVD、VPE、MBE或LPE技术在衬底30上生长器件(如LED、LD等)结构,从上至下依次分别为衬底30、N型材料层31、发光区32、P型材料层33、P型电极34、P级焊锡层35、PCB板36以及散热板40。其中N型材料层31与散热板40之间还依次连接N型电极37、N级焊锡层38和PCB板39。
该传统的LED芯片存在的技术缺陷如下:
1、在水平方向N型电极37所处位置与P型电极34相距较远,N型电极37对其下方的PCB板39的位置设计有苛刻的要求,影响到封装优良率。
2、N型电极37位置比P型电极34位置高很多,导致其与下方的PCB板39之间的间隙较大,在焊锡时很容易使得N级焊锡层38过长而造成虚焊或脱焊的发生。
3、为了使得N型电极37与其下方的PCB板39可以进行焊接,需要去掉很大一部分发光区,影响到LED芯片的发光效率。
4、电极区域不够大,影响注入电流效率进而影响到LED芯片的发光效率。
5、P型电极与N型电极位在芯片两侧,造成电子流动路径不一,如图33,形成电阻不均匀,芯片发光区发光不均匀,影响到LED芯片的发光效率。
发明内容
本发明设计了一种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其解决了以下技术问题是:
(1)N型电极区、P型电极区域相对小,很难与PCB板的相应区域对位,会影响到封装效果和LED产品的优良率;
(2)N型电极位置比P型电极位置高很多,很容易造成虚焊、脱焊情形;
(3)为制作N型电极,往往要人为地去掉很大一部分有源区,这样大大地减少了器件的发光面积,直接影响了LED发光效率;
(4)P型及N型电极区域不够大,影响注入电流,直接影响了LED发光效率;
(5)P型电极与N型电极位在芯片两侧,造成电子流动路径不一,形成电阻不均匀,芯片发光区发光不均匀,影响到LED芯片的发光效率。
为了解决上述存在的技术问题,本发明采用了以下方案:
一种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其层结构依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、N型层(3)、N型分别限制层(4)、发光区层(5)、P型分别限制层(6)、P型层(7)、P型欧姆接触层(8)、光穿透层(9)、二氧化硅层(10)、金属层(11),其特征在于:该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和P型电极,P型电极被环状N型电极包围,所述环状N型电极和所述P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面。
进一步,N型电极主要包括N型电极光穿透层ITO薄膜(191)和N型电极金属合金层(23),其中N型电极光穿透层ITO薄膜(191)为阶梯结构,阶梯结构下部与芯片两侧的N型层(3)暴露区连接;阶梯结构上部与N型电极金属合金层(23)、金属层(11)以及绝缘介质膜(16)连接,其中N型电极金属合金层(23)位于阶梯结构上部的上方,金属层(11)和绝缘介质膜(16)位于阶梯结构上部的下方;P型电极主要包括P型电极金属合金层(24)和P型电极光穿透层ITO薄膜(192),P型电极光穿透层ITO薄膜(192)上方与P型电极金属合金层(24)连接,P型电极光穿透层ITO薄膜(192)四周向下延伸至光穿透层(9)并且将金属层(11)和二氧化硅层(10)限制于其中;N型电极金属合金层(23)与P型电极金属合金层(24)位于同一水平面。
进一步,所述绝缘介质膜(16)与阶梯结构的中间部分和下部相平行,起到隔离N型电极光穿透层ITO薄膜(191)的作用。
进一步,在所述衬底(1)中形成一层凹凸面(12)。
进一步,所述环状N型电极和所述P型电极通过各自的PCB板与散热结构(26)连接。
该高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片具有以下有益效果:
(1)本发明由于芯片结构包括N型电极和P型电极,使得PN电极层面积最大,得到最大注入电流,提升发光效率。
(2)本发明由于N型电极采用了阶梯结构,只要求去掉很小一部分有源区,确保了光反射层面积的最大化,得到最佳发光效率。
(3)本发明由于环形N型电极层包围P型电极层,达到最均匀电流,发光区最均匀。
(4)本发明还由于N型电极层与P型电极层处于同一平面,封装良率高。
附图说明
图1:本发明中的LED芯片制作工艺步骤1示意图;
图2:本发明中的LED芯片制作工艺步骤2示意图;
图3:本发明中的LED芯片制作工艺步骤3示意图;
图4:本发明中的LED芯片制作工艺步骤4示意图;
图5:本发明中的LED芯片制作工艺步骤5示意图;
图6:本发明中的LED芯片制作工艺步骤6示意图;
图7:本发明中的LED芯片制作工艺步骤7示意图;
图8:本发明中的LED芯片制作工艺步骤8示意图;
图9:本发明中的LED芯片制作工艺步骤9示意图;
图10:本发明中的LED芯片制作工艺步骤10示意图;
图11:本发明中的LED芯片制作工艺步骤11示意图;
图12:本发明中的LED芯片制作工艺步骤12示意图;
图13:本发明中的LED芯片制作工艺步骤13示意图;
图14:本发明中的LED芯片制作工艺步骤14示意图;
图15:本发明中的LED芯片制作工艺步骤15示意图;
图16:本发明中的LED芯片制作工艺步骤16示意图;
图17:本发明中的LED芯片制作工艺步骤17示意图;
图18:本发明中的LED芯片制作工艺步骤18示意图;
图19:本发明中的LED芯片制作工艺步骤19示意图;
图20:本发明中的LED芯片制作工艺步骤20示意图;
图21:本发明中的LED芯片制作工艺步骤21示意图;
图22:本发明中的LED芯片制作工艺步骤22示意图;
图23:本发明中的LED芯片制作工艺步骤23示意图;
图24:本发明中的LED芯片制作工艺步骤24示意图;
图25:本发明中的LED芯片制作工艺步骤25示意图;
图26:本发明中的LED芯片制作工艺步骤26示意图;
图27:本发明中的LED芯片制作工艺步骤27示意图;
图28:本发明高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片结构示意图;
图29:图28的俯视图;
图30:图28中光反射示意效果图;
图31:本发明LED芯片与散热结构连接示意图;
图32:现有技术中LED芯片结构示意图;
图33:图32中电子流向示意图。
附图标记说明:
1—衬底;2—缓冲层;3—N型层;4—N型分别限制层;5—发光区层;6—P型分别限制层;7—P型层;8—P型欧姆接触层;9—光穿透层;10—二氧化硅层;11—金属层;12—凹凸面;13—第一光刻胶层;14—第二光刻胶层;15—第三光刻胶层;16—绝缘介质膜;17—第四光刻胶层;18—第五光刻胶层;19—光穿透层ITO薄膜;191—N型电极光穿透层ITO薄膜;192—P型电极光穿透层ITO薄膜;20—第六光刻胶层;21—金属合金层;22—第七光刻胶层;23—N型电极金属合金层;24—P型电极金属合金层;25—PCB板;26—散热结构;
30—衬底;31—N型材料层;32—发光区;33—P型材料层;34—P型电极;35—P级焊锡层;36—PCB板;37—N型电极;38—N级焊锡层;39—PCB板;40—散热板。
具体实施方式
下面结合图1至图31,对本发明做进一步说明:
如图1所示,衬底1是载体,一般是蓝宝石、碳化硅、硅、GaAs、AlN、ZnO或GaN等材料。
在衬底上,先以蚀刻形成一层凹凸面12,此凹凸面12可以减少光在芯片内的全反射,增加出光率。
缓冲层2是一个过度层,在此基础上生长高质量的N、P、量子阱等其它材料。
LED由pn结构成,缓冲层2、N型层3层、N型分别限制层4、P型分别限制层6以及P型层7是为了形成制作LED所需的P和N型材料。发光区层5是LED的发光区,光的颜色由有源区的材料决定。
P型欧姆接触层8是材料生长的最后一层,这一层的载流子搀杂浓度较高,目的是为制作较小的欧姆接触电阻。
P型金属欧姆接触层不是由生长形成的,而是通过蒸镀或溅射等方法形成的,目的之一是制作器件的电极,目的之二是为了封装打线用。
再通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法,在P型欧姆接触层8表面形成一层ITO薄膜,用于制作发光二极管的光穿透层9,ITO薄膜一般为氧化铟锡材质,是一种透明的半导体导电薄膜,一般可使LED 的出光效率提高20%—30%。再通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法,在光穿透层9形成二氧化硅层10和金属层11多层结构的全反射镜,二氧化硅层10可以改进发光区的电流扩展,降低电流堆积效应,而金属层11作为反射镜可以降低P电极对光的吸收,增加蓝宝石衬底边光的提取,并可以做为芯片的导热板;金属依需求可选用铝、银或金等材料。
如图2所示,在图1结构的金属层11表面涂布第一光刻胶层13(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图3所示,LED芯片两侧的第一光刻胶层13通过曝光或显影方式去除,并且形成两侧金属层暴露区。
如图4所示,利用干刻或化学腐蚀的方法,将暴露部分的N型分别限制层4、发光区层5、P型分别限制层6、P型层7、P型欧姆接触层8、光穿透层9 、二氧化硅层10、金属层11以及部分的N型层3去除使得整个LED芯片形成双阶梯结构。
如图5所示,将LED芯片中间剩余的第一光刻胶层13全部去除。
如图6所示,在图5结构的表面涂布第二光刻胶层14(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图7所示,将LED芯片中间靠两侧的第二光刻胶层14通过曝光或显影方式去除,并且形成两侧金属层暴露区。
如图8所示,利用干刻或化学腐蚀的方法,将暴露部分的二氧化硅层10、金属层11去除使得整个LED芯片靠两侧形成凹面结构。
如图9所示,将LED芯片中间及两侧剩余的第二光刻胶层14全部去除。
如图10所示,在图9中所得LED芯片结构的表面涂布第三光刻胶层15(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图11所示,将LED芯片表面的第三光刻胶层15通过曝光或显影方式部份去除,并且形成两侧N型层3部分暴露区及上方靠两侧之光穿透层9部份暴露区。
如图12所示,利用PECVD或其它镀膜技术,在图11所示的结构表面直接制备一层绝缘介质膜16,绝缘介质膜16材质为二氧化硅层或其它透光性佳的绝缘介质,厚度在100nm-500nm之间。绝缘介质膜16通过镀膜的方式均匀地覆盖在阶梯结构的LED芯片上及第三光刻胶层15表面。
如图13所示,在图12的LED结构表面涂布第四光刻胶层17(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图14所示,将LED芯片表面的第四光刻胶层17通过曝光或显影方式部份去除,并且形成两侧及中间绝缘介质膜暴露区。
如图15所示,利用干刻或化学腐蚀的方法,将LED芯片两侧暴露部分的绝缘介质膜16完全去除以及芯片中间部分的绝缘介质膜16进行部分去除,LED芯片上方所剩下绝缘介质膜16高度不低于金属层11下方。
如图16所示,将LED芯片中间及两侧剩余的第三光刻胶层15和第四光刻胶层17全部去除。
如图17所示,在图16芯片结构的表面涂布第五光刻胶层18(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图18所示,将LED芯片上方靠两侧表面的第五光刻胶层18通过曝光或显影方式部份去除,并且形成靠两侧绝缘介质膜暴露区。
如图19所示,利用干刻或化学腐蚀的方法,将芯片上方靠两侧暴露部分的绝缘介质膜16完全去除。
如图20所示,将LED芯片中间及两侧剩余的第五光刻胶层18全部去除。
如图21所示,再通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法,在图20芯片结构上形成一层光穿透层ITO薄膜19,用于制作发光二极管的光穿透层及导电。
如图22所示,在图21芯片结构的表面涂布第六光刻胶层20(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图23所示,将LED芯片上方的第六光刻胶层20通过曝光或显影方式部份去除,并且形成光穿透层ITO薄膜暴露区。
如图24所示,利用PECVD或其它镀膜技术,在图23所示的芯片结构表面制备一层金属合金层21。
如图25所示,在图24结构的表面涂布第七光刻胶层22(正胶或负胶),涂布速度在2500-5000转/分,并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间,在烘箱里或铁板表面烘烤,烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图26所示,将LED芯片上方靠两侧表面的第七光刻胶层22通过曝光或显影方式部份去除,并且形成靠两侧及上方靠两侧金属合金层暴露区。图26中可以看出,剩下的第七光刻胶层22分成三段,都位于LED芯片的台阶上,相邻两段第七光刻胶层22之间的金属合金层暴露区用于形成P型电极和两个N型电极进行隔离。
如图27所示,利用干刻或化学腐蚀的方法,将芯片上方靠两侧暴露部分的金属合金层21完全去除,并将芯片台阶上方两金属合金层暴露区下方的金属合金层21和光穿透层ITO薄膜19完全去除,但是原有的二氧化硅层10都予以保留。
原有的光穿透层ITO薄膜19将被分成N型电极光穿透层ITO薄膜191和P型电极光穿透层ITO薄膜192。
如图28所示,将LED芯片中间及两侧剩余的第六光刻胶层20和第七光刻胶层22全部去除,并形成环状N型电极和一个P型电极,P型电极被环状N型电极包围。
至图28中的LED芯片为止,本发明高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片的主要制作步骤已经完成。
该发明高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片的N型电极主要包括N型电极光穿透层ITO薄膜191和N型电极金属合金层23,其中N型电极光穿透层ITO薄膜191为阶梯结构,阶梯结构下部与芯片两侧的N型层3暴露区连接;阶梯结构上部与N型电极金属合金层23、金属层11以及绝缘介质膜16连接,其中N型电极金属合金层23位于阶梯结构上部的上方,金属层11和绝缘介质膜16位于阶梯结构上部的下方。
LED芯片的P型电极主要包括P型电极金属合金层24和P型电极光穿透层ITO薄膜192,P型电极光穿透层ITO薄膜192上方与P型电极金属合金层24连接,P型电极光穿透层ITO薄膜192四周向下延伸至光穿透层9并且将金属层11和二氧化硅层10限制于其中;N型电极金属合金层23与P型电极金属合金层24位于同一水平面。
此外,可以看出包括透过大面积的金属层11、N型电极金属合金层23以及P型电极金属合金层24,亦可达到散热最大面积。
如图29所示,N型电极包围P型电极,达到最均匀电流,并且使得发光区和发光效果达到最均匀的理想状态。
如图30所示,从芯片上方及两侧四面出光及金属层11反射,可以大大提升芯片发光效率。
如图31所示,两个N型电极金属合金层23和P型电极金属合金层24分别通过PCB板25与散热结构26进行连接。由于两个N型电极金属合金层23和P型电极金属合金层24位置在同一水平面上,使得它们与PCB板25锡焊时,锡焊层的厚度可以进行有效的控制,避免虚焊或脱焊。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述,显然本发明的实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其层结构依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、N型层(3)、N型分别限制层(4)、发光区层(5)、P型分别限制层(6)、P型层(7)、P型欧姆接触层(8)、光穿透层(9)、二氧化硅层(10)、金属层(11),其特征在于:该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和P型电极,P型电极被环状N型电极包围,所述环状N型电极和所述P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面;N型电极主要包括N型电极光穿透层ITO薄膜(191)和N型电极金属合金层(23),其中N型电极光穿透层ITO薄膜(191)为阶梯结构,阶梯结构下部与芯片两侧的N型层(3)暴露区连接;阶梯结构上部与N型电极金属合金层(23)、金属层(11)以及绝缘介质膜(16)连接,其中N型电极金属合金层(23)位于阶梯结构上部的上方,金属层(11)和绝缘介质膜(16)位于阶梯结构上部的下方;P型电极主要包括P型电极金属合金层(24)和P型电极光穿透层ITO薄膜(192),P型电极光穿透层ITO薄膜(192)上方与P型电极金属合金层(24)连接,P型电极光穿透层ITO薄膜(192)四周向下延伸至光穿透层(9)并且将金属层(11)和二氧化硅层(10)限制于其中;N型电极金属合金层(23)与P型电极金属合金层(24)位于同一水平面。
2.根据权利要求1所述高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其特征在于:所述绝缘介质膜(16)与阶梯结构的中间部分和下部相平行,起到隔离N型电极光穿透层ITO薄膜(191)的作用。
3.根据权利要求2所述高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其特征在于:在所述衬底(1)中形成一层凹凸面(12)。
4.根据权利要求3所述高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片,其特征在于:所述环状N型电极和所述P型电极通过各自的PCB板与散热结构(26)连接。
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