CN103151447B - 一种双面发光二极管结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面发光二极管结构及其制作方法，通过电镀或电铸法来使发光二极管结构无需打线且形成双面式发光的结构，由于双面发光的特性，能够使芯片的发散角度达到150度以上的发光角度。此外，有良好的取光与散热机制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明器件技术领域，具体涉及一种双面发光二极管结构及其制作方法。
背景技术
半导体发光器件，例如发光二极管，简称LED，核心是PN结。当发光二极管电极两端加上一定的正向电压后，发光二极管中将有大量电子注入，PN结导带上的高能量电子与价带上的空穴发生复合，并将多余的能量以光的形式发射出来，光的颜色和二极管所用的材料有关。LED作为光源以其功耗低、寿命长、可靠性高等特点，在日常生活中的许多领域得到了普遍的认可，在电子产品中得到广泛应用，如电路及仪器中作为指示灯，显示器背光等。
以基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化镓（InGaN）的发光二极管为代表的近紫外线、蓝绿色和蓝色等短波长发光二极管在20世纪90年代后期得到广泛应用，在基础研究和商业应用上取得了很大进步。
专利号为CN101110460A的中国专利提出一种发光二极管叠晶技术，该叠晶二极管之形成系于一透明衬底之两面各成长或融合二发光二极管外延片层，此二外延片层可具有相同或不同结构及组成成分，叠晶制成之发光二极管可发出相同或不同之色光。该专利中利用堆叠的方式来达到不同波长的发光二极管芯片进行混光，而属于单面发光，且后续需要进行打线工艺，无法产生大角度的发光状态。
在许多的灯具设计上，需要有全周光的发光角度设计，虽一般成长在蓝宝石衬底的氮化镓基结构具有透明的衬底，但蓝宝石不导电且散热较差的特性造成使用上的限制，要实现全周光的光源往往需通过封装设计，而照明灯泡中为了要解决发光二极管的散热问题，需要在灯具中带有散热模组，也因此加大了全周光灯具的制作难度。
发明内容
本发明涉及一种双面发光二极管结构及其制作方法，本发明通过电镀或电铸法来使发光二极管结构无需打线且形成双面式发光的结构，由于双面发光的特性，能够使芯片的发散角度达到150度以上的发光角度。此外，通过本发明，还可以提供双面的发光光源且无需打线，并且有良好的取光与散热机制。
本发明之双面发光二极管结构，包括：
金属衬底，划分为第一导电区和第二导电区；
绝缘结构，贯穿所述金属衬底并向两侧延伸，隔离所述金属衬底的第一导电区和第二导电区；
第一发光外延叠层，位于所述金属衬底的正面之上，自上而下至少包含一第一半导体层和一第二半导体层，并构成一个PN结，所述第一半导体层与第一导电区连接，所述第二半导体层与第二导电区连接；
第二发光外延叠层，位于所述金属衬底的反面之上，自下而上至少包含一第三半导体层和一第四半导体层，并构成一个PN结，所述第三半导体层与第一导电区连接，所述第四半导体层与第二导电区连接；
所述第一、第二发光外延叠层通过绝缘结构实现与所述金属衬底无间隙连接；
当向所述第一导电区和第二导电区通电后，其同时向第一发光外延叠层和第二发光外延叠层注入电流，实现从金属衬底正反面两侧发光。
进一步地，所述双面发光二极管结构还包括金属接触层，分别形成于所述第一半导体层、第二半导体层、第三半导体和第四半导体层的表面上，其中位于所述第一半导体层、第二半导体层下表面的金属接触层之下表面位于同一水平面上，位于所述第三半导体层、第四半导体层上表面的金属接触层之上表面位于同一水平面上。
进一步地，所述金属衬底采用电镀或电铸的方式形成。
进一步地，所述金属衬底材料为Cu，Mo，CuW合金，Ni，Co中的一种或其组合。
进一步地，所述绝缘结构贯穿所述金属衬底并向两侧延伸至所述第一发光外延叠层的第一半导体层和所述第二发光外延叠层的第三半导体层。
进一步地，所述第一半导体层和第三半导体层为P型导电，所述第三半导体层和第四半导体层为N型导电。
进一步地，所述第一半导体层和第四半导体层为N型导电，所述第二半导体层和第三半导体层为P型导电。
进一步地，所述第一半导体层和第三半导体层为N型导电，所述第三半导体层和第四半导体层为P型导电。
进一步地，所述第一半导体层和第四半导体层为P型导电，所述第二半导体层和第三半导体层为N型导电。
具有双面发光二极管结构的制备方法，包括以下步骤：
1）提供两发光外延叠层，其中第一发光外延叠层自上而下至少包含一第一半导体层和一第二半导体层并构成一个PN结，第二发光外延叠层自下而上至少包含一第三半导体层和一第四半导体层并构成一个PN结；
2）分别图案化所述两发光外延叠层的表面，其中第一光外延叠层的表面被划分为第一电极区、第二电极区和隔离区，其中第二发光外延叠层的表面被划分为第三电极区、第四电极区和隔离区；
3）分别在所述两发光外延叠层的各个电极区上制作金属接触层，且同一发光外延叠层上的金属接触层位于同一水平面上；
4）在所述第一或/和第二发光外延叠层的隔离区上制作绝缘结构，其表面高于所述金属接触层的表面；
5）将所述两发光外延叠层平行对称放置，采用电镀或电铸方式在所述两发光外延叠层之间无间隙形成一金属衬底，其中所述绝缘结构贯穿所述金属衬底，将所述金属衬底划分为第一、第二导电区，所述第一半导体层与第一导电区连接，所述第二半导体层与所述第二导电区连接，所述第三半导体层与第一导电区连接，所述第四半导体层与第二导电区连接。
本发明中，所述金属衬底材料为Cu，Mo，CuW合金，Ni，Co中的一种或其组合；所述成长衬底材料为Si，Al2O3中的一种或其组合；所述P型金属接触层的材料为ITO，Ni，Ag，Au，Al，Pt，Cr，Ti，Pd，Rh中的一种或其组合；所述N型金属接触层的材料为Cr，Al，Pt，Au，Ti，Ni中的一种或其组合；所述绝缘结构的材料为SU8，BCB，PI，光阻中的一种或其组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过单个金属衬底而形成双面发光源，且无需打线来进行后续的封装工艺，可以应用于一般固态照明使用，使球炮灯上轻易地达到全周光的光源设计，以解决封装端通过贴片的方式将封装结构贴于双面以产生多面发光，更适合用于照明领域。
附图说明
图1到图7是本发明实施例1的一种垂直发光二极管结构及其制备过程截面流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
如图7所示，本实施例的一种垂直发光二极管结构，包括：
金属衬底，划分为第一导电区007和第二导电区006；
绝缘结构005和005’，贯穿所述金属衬底并向两侧延伸，隔离所述金属衬底的第一导电区007和第二导电区006；
第一发光外延叠层002，位于所述金属衬底的正面之上，自上而下至少包含一第一半导体层和一第二半导体层，并构成一个PN结，所述第一半导体层与第一导电区007通过N型金属接触层004连接，所述第二半导体层与第二导电区006通过P型金属接触层003连接；
第二发光外延叠层002’，位于所述金属衬底的反面之上，自下而上至少包含一第三半导体层和一第四半导体层，并构成一个PN结，所述第三半导体层与第一导电区007通过N型金属接触层004’连接，所述第四半导体层与第二导电区006通过P型金属接触层003’连接；
其中N型金属接触层004之下表面与P型金属接触层003之下表面位于同一水平面上，N型金属接触层004’之上表面与P型金属接触层003’之上表面位于同一水平面上；
所述第一发光外延叠层002和第二发光外延叠层002’通过绝缘结构005和005’实现与所述金属衬底无间隙连接；
当向所述第一导电区007和第二导电区006通电后，其同时向第一发光外延叠层和第二发光外延叠层注入电流，实现从金属衬底正反面两侧发光。
下面结合制备方法对上述结构做具体描述。
一种垂直发光二极管结构制作工艺，其步骤如下：
如图1所示，取两片分别成长于蓝宝石（Al2O3）衬底001和001’之InGaN/GaN基第一发光外延叠层002和第二发光外延叠层002’，其中发光外延叠层002依次由第一半导体层（N型半导体层）、有源层以及第二半导体层（P型半导体层）组成，发光外延叠层002’依次由第三半导体层（N型半导体层）、有源层以及第四半导体层（P型半导体层）组成；
如图2所示，通过黄光、蚀刻工艺，分别图案化所述两发光外延叠层的表面，其中第一发光外延叠层002的表面被划分为第一电极区009、第二电极区010和隔离区011，其中第二发光外延叠层002’的表面被划分为第三电极区009’、第四电极区010’和隔离区011’；
如图3所示，通过黄光、镀膜工艺，分别于第一发光外延叠层002的表面第二电极区010和第二发光外延叠层002’的表面第四电极区010’上蒸镀P型接触金属003和003’，材料选用Cr/Pt/Au；
如图4所示，通过黄光、镀膜工艺，分别于第一发光外延叠层002的表面第一电极区009和第二发光外延叠层002’的表面第三电极区009’上蒸镀N型接触金属004和004’，材料选用Al/Ti/Pt/Au，使得N型接触金属004之下表面和P型接触金属003之下表面位于同一水平面上，N型接触金属004’之上表面和P型接触金属003’之上表面位于同一水平面上。
如图5所示，通过填充工艺，分别在所述第一和第二发光外延叠层的隔离区上制作绝缘结构005和005’，绝缘结构的材料选用BCB，其表面高于所述P型接触金属003和003’的表面；
如图6所示，将所述两发光外延叠层002和002’平行对称放置并对位，采用电镀方式在所述两发光外延叠层之间无间隙形成一Cu金属衬底，其中所述BCB绝缘结构贯穿所述金属衬底，将所述金属衬底划分为第一导电区007和第二导电区006，所述第一半导体层与第一导电区007通过N型金属接触层004连接，所述第二半导体层与第二导电区006通过P型金属接触层003连接；所述第三半导体层与第一导电区007通过N型金属接触层004’连接，所述第四半导体层与第二导电区006通过P型金属接触层003’连接。为了确保绝缘结构无间隙，允许对位后，使得绝缘结构有少许的压缩，避免金属衬底第一导电区007和第二导电区006之间发生短路。
如图7所示，将裸露在最外层的两片蓝宝石成长衬底001移除，从而使得两发光外延叠层002和002’裸露出来，具体来说是第一半导体层（N型半导体层）和第三半导体层（N型半导体层）裸露在外面，该N型半导体层上可再做蚀刻或研磨等工艺，使其具有粗化或规律性图案，以便增加取光效率。后续经过晶粒图案定位，切割等工艺，便可以得到一具有双面取光之发光二极管结构。
上述制备得到的双面取光之芯片结构，其发散角度达到150度以上的发光角度，后续无需打线，并且有良好的取光与散热机制。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例的双面发光的垂直发光二极管，其第一发光外延叠层依次由第一半导体层（N型半导体层）、有源层以及第二半导体层（P型半导体层）组成，第二发光外延叠层依次由第三半导体层（P型半导体层）、有源层以及第四半导体层（N型半导体层）组成；相应地，所述第一半导体层（N型半导体层）与第一导电区通过N型金属接触层连接，所述第二半导体层（P型半导体层）与第二导电区通过P型金属接触层连接；所述第三半导体层（P型半导体层）与第一导电区通过P型金属接触层连接，所述第四半导体层（N型半导体层）与第二导电区通过N型金属接触层连接。如此，当向所述第一导电区和第二导电区通电后，其同时向两发光外延叠层注入电流，第一发光外延叠层和第二发光外延叠层通过反向并联实现电连接，构成以交流发光二极管（AC-LED），实现从金属衬底正反面两侧交替发光。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例的双面发光的垂直发光二极管，制作绝缘结构时，仅在其中一发光外延叠层的隔离区上制作较厚的绝缘结构，另一发光外延叠层的隔离区不制作绝缘结构，如此，将所述两发光外延叠层行对称放置并对位后，单一的绝缘结构即可贯穿所述金属衬底，与两发光外延叠层及金属衬底之间形成无间隙结构。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种双面发光二极管结构，包括：
金属衬底，划分为第一导电区，第二导电区，所述金属衬底采用电镀或电铸的方式形成；
绝缘结构，贯穿所述金属衬底并向两侧延伸，隔离所述金属衬底的第一导电区和第二导电区；
第一发光外延叠层，位于所述金属衬底的正面之上，自上而下至少包含一第一半导体层和一第二半导体层，并构成一个PN结，所述第一半导体层与第一导电区连接，所述第二半导体层与第二导电区连接；
第二发光外延叠层，位于所述金属衬底的反面之上，自下而上至少包含一第三半导体层和一第四半导体层，并构成一个PN结，所述第三半导体层与第一导电区连接，所述第四半导体层与第二导电区连接；
所述第一、第二发光外延叠层通过绝缘结构实现与所述金属衬底无间隙连接；
当向所述第一导电区和第二导电区通电后，其同时向第一发光外延叠层和第二发光外延叠层注入电流，实现从金属衬底两侧发光。
2.根据权利要求1所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：所述金属衬底材料为Cu，Mo，CuW合金，Ni，Co中的一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：所述绝缘结构贯穿所述金属衬底并向两侧延伸至所述第一发光外延叠层的第一半导体层和所述第二发光外延叠层的第三半导体层。
4.根据权利要求3所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：所述绝缘结构的材料为SU8，BCB，PI，光阻中的一种或其组合。
5.根据权利要求1所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：还包括金属接触层，分别形成于所述第一半导体层、第二半导体层、第三半导体和第四半导体层的表面上，其中位于所述第一半导体层、第二半导体层下表面的金属接触层之下表面位于同一水平面上，位于所述第三半导体层、第四半导体层上表面的金属接触层之上表面位于同一水平面上。
6.根据权利要求1所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：所述第一半导体层和第三半导体层为第一型半导体层，所述第二半导体层和第四半导体层为第二型半导体层。
7.根据权利要求1所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：所述第一半导体层和第四半导体层为第一型半导体层，所述第二半导体层和第三半导体层为第二型半导体层。
8.根据权利要求6或7所述的一种双面发光二极管结构，其特征在于：所述第一型半导体层为N型半导体层，则第二型半导体层为P型半导体层；所述第一型半导体层为P型半导体层，则第二型半导体层为N型半导体层。
9.一种双面发光二极管结构的制造方法，包括步骤：
1）提供两发光外延叠层，其中第一发光外延叠层自上而下至少包含一第一半导体层和一第二半导体层并构成一个PN结，第二发光外延叠层自下而上至少包含一第三半导体层和一第四半导体层并构成一个PN结；
2）分别图案化所述两发光外延叠层的表面，其中第一发光外延叠层的表面被划分为第一电极区、第二电极区和隔离区，其中第二发光外延叠层的表面被划分为第三电极区、第四电极区和隔离区；
3）分别在所述两发光外延叠层的各个电极区上制作金属接触层，且同一发光外延叠层上的金属接触层位于同一水平面上；
4）在所述第一或/和第二发光外延叠层的隔离区上制作绝缘结构，其表面高于所述金属接触层的表面；
5）将所述两发光外延叠层平行对称放置并对位，采用电镀或电铸方式在所述两发光外延叠层之间无间隙形成一金属衬底，其中所述绝缘结构贯穿所述金属衬底，将所述金属衬底划分为第一、第二导电区，所述第一半导体层与第一导电区连接，所述第二半导体层与所述第二导电区连接，所述第三半导体层与第一导电区连接，所述第四半导体层与第二导电区连接。
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