CN102522400B - 一种防静电损伤的垂直发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于LED技术领域，具体公开了一种防静电损伤的垂直发光器件及其制造方法。该发光器件，包括基板、以及安装在所述基板上的发光二极管芯片，在所述发光二极管芯片内部开设有至少一个静电防护腔，在各个静电防护腔内并联有至少一个与所述发光二极管芯片极性反向的防静电二极管，并通过对应方法制得。本发明不仅结构相对简单、抗静电能力更强，而且制造相对容易，还可有效节省封装空间。

Description

一种防静电损伤的垂直发光器件及其制造方法

技术领域

本发明属于LED技术领域，具体涉及一种具有防静电损伤的垂直发光器件及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)光源具有高效率、长寿命、绿色节能、不含Hg等有害物质的优点。随着LED技术的迅猛发展，LED的亮度得到了极大的提升，应用领域越来越广泛，从路灯、装饰灯等室内外照明以及液晶背光、特种照明等领域，LED对传统的白炽灯、荧光灯逐渐取而代之。

当前，大功率LED主要有两种基本结构：横向结构(Lateral)和垂直结构(Vertical)。相对横向结构LED芯片而言，垂直结构LED芯片由于电极分别在LED外延层上下表面，电流几乎全部流过外延量子层，分布也较均匀，同时衬底转移剥离等技术使垂直LED兼具散热方面的优势，已逐渐成为研究的重点。但是，伴随LED芯片单位面积功率的增大和芯片集成度的提高，垂直LED也面临着静电防护问题，并且成为影响其工作长期稳定的重要因素。

通常，现有LED的静电防护措施是在发光芯片两端并联一个反向的防静电二极管：如公开的美国专利US7876593B2、或者日本专利JP2009152637A公开的同个晶片制作两个芯片反向并联，又或者类似中国专利CN101656260A在外延上制作肖特基二极管、美国专利US20070090488A1在外延衬底上制作ESD并联等方法来提高其防静电能力。这些防静电模式不仅增加封装的所需空间，而且提高生产成本和工艺难度，同时金线互连工艺影响产品的可靠性。

为了进一步克服上述问题，德国发明专利DE200710057672公开了一种采用肖特基接触层抗静电损伤的发光二极管，如图1所示，其包括N型层1、5，P型隧道结2，P型层3，活性层4，绝缘层6。导电接触层7与N型层5通过绝缘开口60相连接，导电接触层7的延伸部分70穿过活性层4到达层1的位置，延伸部分70与N型层1形成肖特基接触9。当活性层4工作时，肖特基接触9与之形成反向并联，形成抗静电保护。

但是德国的该技术在外延、制程工艺方面要求复杂，成本较高，并不符合当今LED高可靠性，低成本的发展趋势。首先，该LED要形成肖特基接触9，这对N型层1的要求较高，同时为满足肖特基与发光区域的反向连接采用多层外延的结构，增加外延生长难度，增加LED成本；其次，多层结构影响活性层4的光取出效率，增加LED电压；再次，目前的普通肖特基二极管反向耐电压远低于普通齐纳二极管，抗静电能力较弱，降低了LED整体可靠性；最后，LED成品率包括芯片部分和肖特基部分，综合制程良率将被大大降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种结构相对简单、制造相对容易、封装所需空间相对较小的高抗静电能力的垂直结构发光器件及其制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种防静电损伤的垂直发光器件，包括基板、以及安装在所述基板上的发光二极管芯片，在所述发光二极管芯片内部开设有至少一个静电防护腔，在各个静电防护腔内并联有至少一个与所述发光二极管芯片极性反向的防静电二极管。

所述的防静电损伤的垂直发光器件中，其发光二极管芯片包括依次层叠在一起的N型半导体层、活性层、以及P型半导体层或者包括依次层叠在一起的衬底、N型半导体层、活性层、以及P型半导体层；所述静电防护腔的腔体贯穿所述活性层和P型半导体层，且其底部延伸至N型半导体层；在所述基板上设置有相互连通金属凸点，在所述P型半导体层上设置有第二金属接触层；所述发光二极管芯片安装在所述基板上，具体是：所述发光二极管芯片的第二金属接触层电连接在所述基板的金属凸点上。

所述的防静电损伤的垂直发光器件中，在所述静电防护腔底部设置有第一金属接触层；在所述防静电二极管的P电极端设置有第一金属键合层，在所述防静电二极管的N电极端设置有第二金属键合层，在所述第二金属键合层上同样设置有第二金属接触层；所述防静电二极管与所述发光二极管芯片极性反向并联，具体是：所述防静电二极管的P电极通过所述第一金属键合层和第一金属接触层与所述发光二极管芯片的N型半导体层电连接在一起，所述防静电二极管的N电极通过第二金属键合层和第二金属接触层与所述基板上的金属凸点电连接在一起。

所述的防静电损伤的垂直发光器件中，在所述N型半导体层的外表面上设置有第三金属接触层，在所述第三金属接触层上设置有电极金属层，所述第三金属接触层和电极金属层的仅覆盖所述静电防护腔正上方的部分区域。

所述的防静电损伤的垂直发光器件中，在所述静电防护腔的内侧壁上设置透明绝缘层，在所述透明绝缘层上设置有高反射金属层，所述高反射金属层与所述防静电二极管之间空隙间隔绝缘或填充绝缘材料层绝缘。

所述的防静电损伤的垂直发光器件中，在所述静电防护腔内的防静电二极管与发光二极管芯片之间的间隙中填充有高导热绝缘层。

一种具有防静电损伤的垂直发光器件的制作方法，包括以下步骤：

(1)、在衬底表面依次层叠生长N型半导体层、活性层以及P型半导体层；

(2)、通过物理刻蚀、化学刻蚀、或者物理连同化学刻蚀的方式，刻蚀P型半导体层和活性层直至露出N型半导体层，形成静电防护腔；

(3)、在静电防护腔底部外露的N型半导体层上形成第一金属接触层；

(4)、将防静电二极管的P电极端的第一金属键合层与第一金属接触层电连接在一起，防静电二极管与静电防护腔的侧壁空隙间隔绝缘；

(5)、在P型半导体层和防静电二极管的N电极端的第二金属键合层上制作第二金属接触层；

(6)、在基板上制作一金属接触层，并通过刻蚀得到与第二金属接触层位置相互对应的金属凸点；

(7)、电连接金属凸点与第二金属接触层，从而将发光二极管芯片和防静电二极管安装在基板上；

(8)将衬底剥离使N型半导体层外露，并粗化外露的N型半导体层表面；或者将衬底减薄后再将其表面粗化，并在衬底上打孔露出N型半导体层；

(9)、在粗化外露的N型半导体层表面或者打孔露出的N型半导体层上制作第三金属接触层，该第三金属接触层仅覆盖所述静电防护腔正上方的部分区域；

(10)、在所述第三金属接触层上制作电极金属层。

所述的制作方法中，在第(3)步骤之前还包括以下步骤：

在静电防护腔的内侧壁上制作透明绝缘层，在所述透明绝缘层上制作高反射金属层；或者在静电防护腔(105)的内侧壁上制作透明绝缘层(110)，在所述透明绝缘层(110)上制作高反射金属层(111)，在金属层(111)上制作绝缘材料(113)。

所述的制作方法中，在第(5)步骤之前还包括以下步骤：

在所述静电防护腔内的防静电二极管与发光二极管芯片之间的间隙中注入并加热固化高导热绝缘材料，形成高导热绝缘层。

相对于现有技术，本发明的发光器件优势明显：

一、将具有防静电功能的防静电二极管嵌入发光二极管芯片的静电防护空腔内，提高芯片抗静电能力，增加出光和散热途径，节省封装空间；

二、芯片结构上刻蚀掉部分活性层，避免N电极对该部分活性层的出光阻挡，同时可以将电流集中在有效发光区域，提高电流密度，增强内量子效率；

三、与芯片上制作肖特基提高抗静电能力的方法相比，本制作方法将防静电单元-防静电二极管置入静电防护空腔中，能降低制作肖特基对外延的要求和影响，并且抗静电单元与芯片分开制程再结合能有效减小工艺难度和风险，提升生产良率。

附图说明

图1是现有的一种采用肖特基抗静电防护的发光器件的结构示意图。

图2是本发明实施例1的结构示意图。

图3-图8是实施1的制作过程示意图；

图9是本发明实施例2的结构示意图；

图10是本发明实施例3的结构示意图；

图11是本发明实施例4的结构示意图；

图12是本发明实施例5的结构示意图；

图13是本发明实施例6的结构示意图；

图14是本发明实施例7的结构示意图。

图中：

1、第一N型层         2、P型隧道结

3、P型层                 4、活性层

5、第二N型层             6、绝缘层

60、绝缘开口             7、导电接触层

70、延伸部分             9、肖特基接触

100、发光二极管芯片      101、衬底

102、N型半导体层         103、活性层

104、P型半导体层         105、静电防护腔

106、第一金属接触层      107、第二金属接触层

108、第三金属接触层      109、电极金属层

110、透明绝缘层          111、高反射金属层

112、高导热绝缘层        113、绝缘材料层

200、反向二极管          201、第一金属键合层

202、第二金属键合层      300、基板

301、金属凸点

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图2所示，本实施例为在发光二极管芯片内开设一个静电防护腔，在该静电防护腔中并联一个防静电二极管的情况。

如图2所示，该发光器件包括发光二极管芯片100、防静电二极管200、以及基板300，在发光二极管芯片100内部开设有一个静电防护腔105，在静电防护腔105内并联有一个与发光二极管芯片100极性反向的防静电二极管200。

其中，发光二极管芯片100包括依次层叠在一起的N型半导体层102、活性层103、以及P型半导体层104；在发光二极管芯片100内部开设有一个静电防护腔105，静电防护腔105的腔体贯穿活性层103和P型半导体层104，且其底部延伸至N型半导体层102。

其中，在基板300上设置有相互连通金属凸点301，在P型半导体层104上设置有第二金属接触层107，发光二极管芯片100的第二金属接触层107电连接在基板300的金属凸点301上。

其中，在静电防护腔105底部设置有第一金属接触层106，在防静电二极管200的P电极端设置有第一金属键合层201，在防静电二极管200的N电极端设置有第二金属键合层202，在第二金属键合层202上同样设置有第二金属接触层107；防静电二极管200与发光二极管芯片100极性反向并联，具体是：防静电二极管200的P电极通过所述第一金属键合层201和第一金属接触层106与所述发光二极管芯片100的N型半导体层102电连接在一起，防静电二极管200的N电极通过第二金属键合层202和第二金属接触层107与基板300上的金属凸点301电连接在一起；由于各个金属凸点301之间是相互连通的，金属凸点301又通过第二金属接触层107与P型半导体层104串联，防静电二极管200的N电极通过第二金属键合层202和第二金属接触层107与基板300上的金属凸点301电连接在一起，即可实现防静电二极管200的N电极与P型半导体层104串联。

其中，在N型半导体层102的外表面上设置有第三金属接触层108，在第三金属接触层108上设置有电极金属层109，为了不影响发光二极管芯片100的出光效率，第三金属接触层108和电极金属层109的仅覆盖所述静电防护腔105正上方的部分区域。本发明将发光二极管芯片100分为两部分：一发光区域(第三金属接触层108覆盖之外的区域)和一静电防护区域(静电防护腔所在区域)，且发光区域所占面积大于静电防护区域面积。

其中，为了提高出光效率，该第二金属接触层107具有高反射光线的作用，它采用钛、铝、金、镍、银、铂、钯等高反射性金属或者由这些金属组成的合金材料

其中，第一金属接触层106采用钛、铝、金、铬、镍、铜、银等金属材料或者由这些金属组成的合金材料。

其中，第一金属键合层201和第二金属键合层202采用金、锡、铝、银、铂、钯等金属或者由这些金属组成的合金材料。

其中，基板300具有高导热系数，如硅基板、金属基板、陶瓷基板等，若为陶瓷一类不导电基板，则需在基板上设计金属布线层，实现基板导电功能，该基板300上的金属凸点301采用金、锡、铝、银、铂、钯、铜、镍等金属或者由这些金属组成的合金材料。

其中，发光二极管芯片100的衬底101具体为蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)等材料，但并不局限于此类衬底。

以下提供一种前述垂直发光器件的制造方法，包括以下步骤：

(1)、如图3所示，首先生长外延层，在衬底101表面依次层叠生长N型半导体层102、活性层103、以及P型半导体层104；其中，N型半导体层102具体包括缓冲层和掺杂N型氮化镓层；活性层103是超晶格结构的多量子阱层(MQW)；P型半导体层104则包括阻挡层(Block layer)和P型氮化镓层。

(2)、如图4所示，通过物理刻蚀、化学刻蚀、或者物理连同化学刻蚀的方式，刻蚀P型半导体层104和活性层103直至露出N型半导体层102，形成静电防护腔105；具体可通过激光或机械钻孔、或者是光刻湿法刻蚀、或干法刻蚀等工艺。

(3)、如图5所示，在静电防护腔105底部外露的N型半导体层102上形成第一金属接触层106；

(4)、如图6所示，将防静电二极管200的P电极端的第一金属键合层201与第一金属接触层106电连接在一起，防静电二极管200与静电防护腔105的侧壁空隙间隔绝缘；将防静电二极管200具体可通过超声键合，或共晶焊接，或者导电胶粘连、回流焊又或者凸点焊球等技术安置在空腔底部，第一金属键合层201与第一金属接触层106连接，具有良好的电接触和支撑作用。

(5)、如图6所示，在P型半导体层104和防静电二极管200的N电极端的第二金属键合层202上制作第二金属接触层107；

(6)、在基板300上制作一金属接触层，并通过刻蚀得到与第二金属接触层202位置相互对应的金属凸点301，具体可采用光刻湿法腐蚀或者掩膜干刻技术制作金属凸点301。

(7)、如图7所示，电连接金属凸点301与第二金属接触层107，从而将发光二极管芯片100和防静电二极管200安装在基板300上，实现发光二极管芯片100和防静电二极管200的方向并联；

(8)、如图8所示，将衬底101剥离使N型半导体层102外露，并粗化外露的N型半导体层102表面；具体可通过激光剥离、化学腐蚀或机械剥离等工艺，将外延表面的衬底101剥离，使N型半导体外露，接着利用化学腐蚀、物理刻蚀等工艺粗化N型半导体外露的表面。

(9)、如图2所示，在粗化外露的N型半导体层102表面上制作第三金属接触层108，该第三金属接触层108仅覆盖所述静电防护腔105正上方的部分区域；该电极位置处于防静电空腔正上方，面积比防静电空腔小，避免阻挡发光区域的光线出射。

(10)、如图2所示，在所述第三金属接触层108上制作电极金属层109。

本实施例中的各层金属层及薄膜沉积方法可采用MBE、MOCVD、PECVD、E-Beam、Magnetron Sputtering等，但并不局限于此。

实施例2：

如图9所示，本实施例的防静电损伤垂直发光器件的结构与实施例1大致相同，其区别仅在于：发光二极管芯片100上包含两个静电防护腔105，每个静电防护腔105里至少包含一个防静电二极管200。

本实施例为在发光二极管芯片100内开设两个静电防护腔105的示例，需要说明的是，本实施例是开设多个静电防护腔的代表，图中静电防护腔的数目还可以为三个、四个、以及更多，这些都是本发明的保护范围。

实施例3：

如图10所示，本实施例的防静电损伤垂直发光器件的结构与实施例1大致相同，其区别仅在于：发光二极管芯片100上一个静电防护腔105内至少包含两个防静电二极管200。

本实施例为在同一个静电防护腔中并联多个防静电二极管的示例，需要说明的是，图中仅仅示意性画出了一个静电防护腔中并联两个防静电二极管的情况，还可以按照图中表达的原理依次类推，在发光二极管芯片内构建多个静电防护腔，同样在同一个静电防护腔内并联两个以上的防静电二极管，这些都是本发明的保护范围。

实施例4：

如图11所示，本实施例的防静电损伤垂直发光器件的结构与实施例1大致相同，其区别仅在于：在静电防护腔105的内侧壁上设置透明绝缘层110，在透明绝缘层110上设置有高反射金属层111，高反射金属层111与防静电二极管200之间空隙间隔绝缘。

本实施例的方法与实施例1区别仅在于，在第(3)步骤之前还包括以下步骤：

在静电防护腔105的内侧壁上制作透明绝缘层110，在透明绝缘层110上制作高反射金属层111。

实施例5：

如图12所示，本实施例的防静电损伤垂直发光器件的结构与实施例4大致相同，其区别仅在于：

在高反射金属层111与防静电二极管200之间填充绝缘材料层113绝缘。

本实施例的方法与实施例4区别仅在于，在第(3)步骤之前还包括以下步骤：

在静电防护腔105的内侧壁上制作透明绝缘层110，在透明绝缘层110上制作高反射金属层111，在金属层111上再制作一层绝缘材料层113。

实施例6：

如图13所示，本实施例的防静电损伤垂直发光器件的结构与实施例1大致相同，其区别仅在于：在静电防护腔105内的防静电二极管200与发光二极管芯片100之间的间隙中填充有高导热绝缘层112。

本实施例的方法与实施例1区别在于，在其第(5)步骤之前还包括以下步骤：

在所述静电防护腔105内的防静电二极管200与发光二极管芯片100之间的间隙中注入并加热固化高导热绝缘材料，形成高导热绝缘层112。

实施例7：

如图14所示，本实施例的防静电损伤垂直发光器件的结构与实施例1大致相同，其区别仅在于：其发光二极管芯片100包括依次层叠在一起的衬底101、N型半导体层102、活性层103、以及P型半导体层104。

本实施例的方法与实施例1区别在于其第(8)步和第(9)步：

其中，第(8)步是：将衬底101减薄后再将其表面粗化，并在衬底101上打孔露出N型半导体层102；

其中，第(9)步是：在打孔露出的N型半导体层(102)上制作第三金属接触层(108)，该第三金属接触层(108)仅覆盖所述静电防护腔(105)正上方的部分区域；

以上实施方式相对于现有技术，在电极金属层109正下方设置静电防护腔105，并在静电防护腔105内安置防静电单元-防静电二极管200。首先，防静电单元能有效提高发光二极管芯片100抗静电能力。其次，静电防护腔105位于其N电极-电极金属层109下方，避免N电极下活性层发光被电极阻挡。制作静电防护腔105刻蚀掉部分活性层可以使电流更集中在有效发光区域，增强电流密度，提高内量子效率。空腔内壁可淀积的反射层和高导热材料能提高光取出效率和散热能力。再次，防静电单元安置于发光二极管芯片100内部，能减小芯片体积，节约封装空间。最后，安置的防静电单元避免了采用肖特基二极管防静电引起的对外延的高要求和发光器件成品良率偏低的问题。本发明的多个抗静电单元特别适合大面积发光器件高抗静电能力的要求。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种防静电损伤的垂直发光器件，包括基板(300)、以及安装在所述基板(300)上的发光二极管芯片(100)，其特征在于：

在所述发光二极管芯片(100)内部开设有至少一个静电防护腔(105)，在各个静电防护腔(105)内并联有至少一个与所述发光二极管芯片(100)极性反向的防静电二极管(200)；

所述发光二极管芯片(100)包括依次层叠在一起的N型半导体层(102)、活性层(103)、以及P型半导体层(104)或者包括依次层叠在一起的衬底(101)、N型半导体层(102)、活性层(103)、以及P型半导体层(104)；

所述静电防护腔(105)的腔体贯穿所述活性层(103)和P型半导体层(104)，且其底部延伸至N型半导体层(102)；

在所述基板(300)上设置有相互连通金属凸点(301)，在所述P型半导体层(104)上设置有第二金属接触层(107)；

所述发光二极管芯片(100)安装在所述基板(300)上，具体是：

所述发光二极管芯片(100)的第二金属接触层(107)电连接在所述基板(300)的金属凸点(301)上；

在所述静电防护腔(105)底部设置有第一金属接触层(106)；

在所述防静电二极管(200)的P电极端设置有第一金属键合层(201)，在所述防静电二极管(200)的N电极端设置有第二金属键合层(202)，在所述第二金属键合层(202)上同样设置有第二金属接触层(107)；

所述防静电二极管(200)与所述发光二极管芯片(100)极性反向并联，具体是：

所述防静电二极管(200)的P电极通过所述第一金属键合层(201)和第一金属接触层(106)与所述发光二极管芯片(100)的N型半导体层(102)电连接在一起；

所述防静电二极管(200)的N电极通过第二金属键合层(202)和第二金属接触层(107)与所述基板(300)上的金属凸点(301)电连接在一起。

2.根据权利要求1所述的防静电损伤的垂直发光器件，其特征在于：

在所述N型半导体层(102)的外表面上设置有第三金属接触层(108)，在所述第三金属接触层(108)上设置有电极金属层(109)，所述第三金属接触层(108)和电极金属层(109)的仅覆盖所述静电防护腔(105)正上方的部分区域。

3.根据权利要求1至2任一项所述的防静电损伤的垂直发光器件，其特征在于：

在所述静电防护腔(105)的内侧壁上设置透明绝缘层(110)，在所述透明绝缘层(110)上设置有高反射金属层(111)，所述高反射金属层(111)与所述防静电二极管(200)之间空隙间隔绝缘或填充绝缘材料层(113)绝缘。

4.根据权利要求1至2任一项所述的防静电损伤的垂直发光器件，其特征在于：

在所述静电防护腔(105)内的防静电二极管(200)与发光二极管芯片(100)之间的间隙中填充有高导热绝缘层(112)。

5.一种具有防静电损伤的垂直发光器件的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、在衬底(101)表面依次层叠生长N型半导体层(102)、活性层(103)、以及P型半导体层(104)；

(2)、通过物理刻蚀、化学刻蚀、或者物理连同化学刻蚀的方式，刻蚀P型半导体层(104)和活性层(103)直至露出N型半导体层(102)，形成静电防护腔(105)；

(3)、在静电防护腔(105)底部外露的N型半导体层(102)上形成第一金属接触层(106)；

(4)、将防静电二极管(200)的P电极端的第一金属键合层(201)与第一金属接触层(106)电连接在一起，防静电二极管(200)与静电防护腔(105)的侧壁空隙间隔绝缘；

(5)、在P型半导体层(104)和防静电二极管(200)的N电极端的第二金属键合层(202)上制作第二金属接触层(107)；

(6)、在基板(300)上制作一金属接触层，并通过刻蚀得到与第二金属接触层(202)位置相互对应的金属凸点(301)；

(7)、电连接金属凸点(301)与第二金属接触层(107)，从而将发光二极管芯片(100)和防静电二极管(200)安装在基板(300)上；

(8)、将衬底(101)剥离使N型半导体层(102)外露，并粗化外露的N型半导体层(102)表面；或者将衬底(101)减薄后再将其表面粗化，并在衬底(101)上打孔露出N型半导体层(102)；

(9)、在粗化外露的N型半导体层(102)表面或者打孔露出的N型半导体层(102)上制作第三金属接触层(108)，该第三金属接触层(108)仅覆盖所述静电防护腔(105)正上方的部分区域；

(10)、在所述第三金属接触层(108)上制作电极金属层(109)。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在第(3)步骤之前还包括以下步骤：

在静电防护腔(105)的内侧壁上制作透明绝缘层(110)，在所述透明绝缘层(110)上制作高反射金属层(111)；或者

在静电防护腔(105)的内侧壁上制作透明绝缘层(110)，在所述透明绝缘层(110)上制作高反射金属层(111)，在金属层(111)上制作绝缘材料(113)。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在第(5)步骤之前还包括以下步骤：

在所述静电防护腔(105)内的防静电二极管(200)与发光二极管芯片(100)之间的间隙中注入并加热固化高导热绝缘材料，形成高导热绝缘层(112)。