CN103050610B - 一种高光效白光led倒装芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高光效白光LED倒装芯片，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），在衬底（1）表面涂敷一层纳米荧光粉层（28），其特征在于：该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和柱形P型电极，柱形P型电极被环状N型电极包围，所述环状N型电极和所述柱形P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面高度。本发明由于在衬底上通过附着孔附着一层环形纳米荧光粉层，该纳米荧光粉层与普通的荧光粉相比，可以使得芯片发出的白光更加明亮可靠。

Description

一种高光效白光LED倒装芯片

技术领域

本发明申请为申请日2012年02月1日，申请号为：201210022508.2，名称为“一种高光效白光LED倒装芯片”的发明专利申请的分案申请。本发明涉及一种LED芯片，尤其是涉及一种高光效白光LED倒装芯片。

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34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倒装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35，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白光LED倒装芯片，其解决了以下技术问题是：

（1）N型电极区和P型电极区相对小，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型电极及N型电极区域不够大，影响注入电流，直接影响了LED芯片发光效率；

（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： 

一种高光效白光LED倒装芯片，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），在衬底（1）表面涂敷一层纳米荧光粉层（28），其特征在于：该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和柱形P型电极，柱形P型电极被环状N型电极包围，所述环状N型电极和所述柱形P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面高度。

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，所述衬底（1）与所述缓冲层（2）通过凹凸面（12）结构过渡。

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。

进一步，在所述衬底（1）上通过刻蚀形成多个附着孔（27），纳米荧光粉层（28）通过所述多个附着孔（27）粘附在所述衬底（1）表面。

该高光效白光LED倒装芯片与普通的白光LED倒装芯片相比，具有以下有益效果：

（1）本发明由于在衬底上通过附着孔附着一层环形纳米荧光粉层，该纳米荧光粉层与普通的荧光粉相比，可以使得芯片发出的白光更加明亮可靠。

（2）本发明由于将P型电极下方的二氧化硅层和金属层被P型电极光穿透层ITO薄膜完全包裹，增加了P型电极光穿透层ITO薄膜暴露面积，因而也就增加了光穿透层面积，提高了LED发光效率。

（3）本发明由于芯片结构包括N型电极和P型电极，使得P电极和N电极层面积最大，得到最大注入电流，提升发光效率。

（4）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。

（5）本发明由于采用环形N型电极层包围柱形P型电极层，可以实现最均匀的电流，使得发光区最为均匀。

（6）本发明还由于N型电极层与P型电极层处于同一平面，封装优良率更高。

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：本发明中的LED芯片制作工艺步骤28示意图；

图29：本发明中的LED芯片制作工艺步骤29示意图；

图30：本发明高光效白光LED倒装芯片结构示意图；

图31：图30的俯视图；

图32：图28中光反射示意效果图；

图33：本发明高光效白光LED倒装芯片与散热结构连接示意图；

图34：现有技术中LED芯片结构示意图；

图35：图34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；27—附着孔；28—纳米荧光粉层；

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33，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1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倒装芯片周边的第一光刻胶层13通过曝光或显影方式去除，并且形成环形金属层暴露区。 

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芯片形成梯台结构。

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倒装芯片梯台结构上的部分第二光刻胶层14通过曝光或显影方式去除，并且形成环形金属层暴露区。 

如图8所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将暴露部分的金属层11和二氧化硅层10去除，形成环形凹槽。

如图9所示，将LED倒装芯片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，形成梯台外壁暴露区以及在梯台上形成环形暴露区。 

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，仅保留梯台外壁垂直涂布的第四光刻胶层17。 

如图15所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，除去部分绝缘介质膜16，仅保留梯台外壁垂直布置的绝缘介质膜16和梯台上环形凹槽中的绝缘介质膜16，梯台上环形凹槽中的绝缘介质膜16高度等于金属层11和二氧化硅层10的厚度。

如图16所示，将LED芯片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芯片环形凹槽上方的第五光刻胶层18通过曝光或显影方式部份去除，并且形成环形绝缘介质膜暴露区。

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芯片梯台顶部的第六光刻胶层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，在倒装芯片梯台顶部保留环状和方形的第七光刻胶层22。并且形成梯台下方和梯台上的环形金属合金层暴露区。图26中可以看出，剩下的第七光刻胶层22分成两个部分，都位于LED芯片的台阶上，环状的第七光刻胶层22和方形的第七光刻胶层22之间的金属合金层暴露区用于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，去除没有被第七光刻胶层22覆盖的金属合金层21，同时也去除环状第七光刻胶层22和方形第七光刻胶层22之间的二氧化硅层10、金属层11以及光穿透层ITO薄膜19。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。

如图29所示，为了进一步提高LED芯片的发光效率，利用ICP、RIE或其它刻蚀技术对衬底1进行刻蚀，并且形成多个附着孔27。

如图30所示，利用涂胶方法把配制好的纳米荧光粉液均匀地涂布在衬底1表面。然后在100-180摄氏度的烘箱内进行烘烤，时间为10分钟-1个小时，最终在衬底1表面形成一层均匀的纳米荧光粉层28。

至图30中的LED芯片为止，本发明高光效白光LED倒装芯片的主要制作步骤已经完成。

该发明高光效白光LED倒装芯片的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31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32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33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 (2)

1. 一种白光LED倒装芯片，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），在衬底（1）表面涂敷一层纳米荧光粉层（28），其特征在于：该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和柱形P型电极，柱形P型电极被环状N型电极包围，所述环状N型电极和所述柱形P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面高度；N型电极包括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）并且将下方的金属层（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；在所述衬底（1）中形成一层凹凸面（12）；所述衬底（1）与所述缓冲层（2）通过凹凸面（12）结构过渡；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。

2.根据权利要求1所述白光LED倒装芯片，其特征在于：在所述衬底（1）上通过刻蚀形成多个附着孔（27），纳米荧光粉层（28）通过所述多个附着孔（27）粘附在所述衬底（1）表面。