CN103441198A - 一种led高亮度倒装芯片以及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED高亮度倒装芯片以及制作方法，包括衬底，成形在所述衬底上、且由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层，分别与N型导电层和P型导电层电连接的N型电极和P型电极，和具有N型、P型导电区域的散热基片，所述N型电极和P型电极分别与所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，所述衬底背面作为所述倒装芯片的出光面，其中，所述倒装芯片包括DBR反射层，所述DBR反射层成形在所述倒装芯片上，所述P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸；本发明大幅度地提高了出光效率，且散热效果好。

Description

一种LED高亮度倒装芯片以及制作方法

技术领域

本发明涉及一种LED芯片制作技术，具体涉及了一种LED高亮度倒装芯片以及制作方法。

背景技术

随着氮化物（市场上一般为GaN）基第三代半导体材料的兴起，蓝色以及白色发光二极管（LED）的研制成功，发光强度发光效率的不断提高，LED已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。

由于自然界缺乏GaN单晶材料，且单晶GaN材料极其难以生长，因此目前市场一般采用异质外延方法来实现GaN材料的生长，同常采用蓝宝石作为GaN材料进行异质外延生长的衬底材料。然而，该以蓝宝石为衬底通过正装工艺制作形成的LED芯片由于电极及其焊接点会吸收部分光，导致出光效率较低，同时由于该通过正装工艺制作形成的LED芯片中P-N结产生的热量需要通过蓝宝石衬底传递出去，由于蓝宝石的导热系数（为35W/m.K）较低，因此，散热热阻较大，散热效果不佳。

为了解决上述通过正装工艺制作形成LED芯片存在出光效率较低、散热效果不佳的技术问题，已有采用倒装工艺制作形成LED倒装芯片，具体地，将LED芯片的P型电极和N型电极通过金属球（通常采用金球）焊接固定设置在导热系数高的硅质或铜质衬底上，通过硅质或铜质衬底将P-N结产生的热量及时传递出去；且将蓝宝石衬底作为LED芯片的出光面，同时在P型电极和P型GaN层之间设置金属反射层，从而将光及时反射出去，从而提高出光效率。由于金属反射层由于金属本身的特性会存在光吸收现象，直接会对芯片的出光效率造成影响，同时还会导致部分光能量被吸收后而无法射出，进一步对芯片的出光效率造成影响。

与本发明技术目的较为接近的是公开号为CN103078050A的中国专利，该专利公开了一种倒装LED芯片及其制造方法，，包括：提供衬底，在衬底上沉积外延层，所述外延层包括N型氮化镓层、多量子阱有源层和P型氮化镓层；刻蚀所述外延层，形成台阶阵列，所述台阶阵列暴露出N型氮化镓层；在所述P型氮化镓层上形成第一金属层；对所述第一金属层进行退火自组装；以第一金属层为掩膜刻蚀所述P型氮化镓层，在所述P型氮化镓层中形成坑洞阵列；在坑洞阵列中沉积第二金属层，所述第一金属层和第二金属层组成金属反射镜层。这样，使多量子阱有源层发出的光在金属反射镜层上散射，而不被LED各层结构形成的波导结构限制，最终射出，提高LED的光析出率。该专利披露的技术方案制作工序不仅过为复杂，而且其仍然采用金属作为反射镜层，因此该专利的反射出光效果仍然不佳，此外，其电流扩散效果较差。

但是目前现有的LED倒装芯片的反射结构对于提高出光效率的贡献仍然受到局限，因此有必要提出新的技术方案实现对其的改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LED高亮度倒装芯片以及制作方法，大幅度地提高了出光效率，且散热效果好。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种LED高亮度倒装芯片，包括衬底，成形在所述衬底上、且由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层，分别与N型导电层和P型导电层电连接的N型电极和P型电极，和具有N型、P型导电区域的散热基片，所述N型电极和P型电极分别与所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，所述衬底背面作为所述倒装芯片的出光面，其中，所述倒装芯片包括DBR反射层，所述DBR反射层成形在所述倒装芯片上，所述P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸。

优选地，所述倒装芯片包括成形在所述P型导电层上的透明导电层，所述DBR反射层成形在所述透明导电层上，所述N型电极和所述P型电极分别成形在所述N型导电层和所述透明导电层上，所述P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸。

优选地，所述倒装芯片进一步包括电流阻挡层，所述电流阻挡层介于所述P型导电层与所述透明导电层之间。

优选地，所述倒装芯片包括透明导电层和绝缘钝化层，所述透明导电层成形在所述P型导电层上，所述绝缘钝化层成形在所述透明导电层和所述N型导电层上；

所述DBR反射层通过所述绝缘钝化层成形在所述透明导电层上；

所述N型电极和P型电极分别成形在所述N型导电层和所述透明导电层上，所述N型电极贯穿所述绝缘钝化层并向外延伸，所述P型电极贯穿所述绝缘钝化层和所述DBR反射层并向外延伸。

优选地，所述N型电极底部和P型电极底部均包括导电反射镜层。

优选地，所述N型电极和P型电极分别依次包括有导电反射镜层、第一粘附层和第一焊接层，所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域上分别依次成形有第二粘附层和第二焊接层，所述第一焊接层与所述第二焊接层分别通过焊接工艺进行电连接。

优选地，所述衬底背面设有粗化图形结构或成形有透光层。

优选地，一种如上所述的LED高亮度倒装芯片的制作方法，其操作步骤包括：

a10）、正装工序；通过正装工序得到预成形芯片；

b10）、倒装工序；将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过倒装工序得到LED高亮度倒装芯片；

其中，所述正装工序包括DBR反射层制作成形工序。

优选地，所述倒装芯片还包括透明导电层和绝缘钝化层，其中，所述正装工序a10）具体包括以下步骤：

a11）、在衬底上制作成形由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层；

a12）、采用刻蚀工艺制作PN台阶，PN台阶的上台阶面为P型导电层，其下台阶面为N型导电层；

a13）、在所述P型导电层上制作成形透明导电层；

a14）、分别在N型导电层和透明导电层上制作成形N型电极和P型电极；

a15）、在N型导电层和透明导电层上制作成形绝缘钝化层，然后通过刻蚀工艺分别将N型电极和P型电极贯穿所述绝缘钝化层并向外延伸；

a16）、在覆盖有绝缘钝化层的透明导电层上制作成形DBR反射层，然后通过剥离工艺将P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸；

a17）、完成正装工序，得到预成形芯片。

优选地，所述倒装工序b10）为：将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过焊接工艺与所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，得到LED高亮度倒装芯片。

本发明采用LED倒装芯片，具体地，LED芯片的N型电极和P型电极分别与散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，将衬底背面作为本发明倒装芯片的出光面，因此通过设置反射结构即可避免现有LED正装芯片中由于电极及其焊接点会吸收部分光因而导致出光效率较低的问题，从而有效提高了出光效率，且采用散热基片可以将P-N结产生的热量及时传递出去，有效确保了散热效果；同时，本发明在倒装芯片还制作成形DBR（DistributedBragg Reflection，分布式布拉格反射镜）反射层，由于DBR是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，相当于简单的一组光子晶体。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，DBR的反射率可达99%以上，且没有金属反射镜的吸收问题，同时还可以透过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置，因此本发明采用DBR反射层以取代现有技术中公开的各类金属层反射镜，可大幅度地有效提高了LED倒装芯片的出光效率，进而提高了LED倒装芯片的亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1是本发明具体实施方式下LED高亮度倒装芯片的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种LED高亮度倒装芯片，包括衬底，成形在衬底上、且由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层，分别与N型导电层和P型导电层电连接的N型电极和P型电极，和具有N型、P型导电区域的散热基片，N型电极和P型电极分别与散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，衬底背面作为倒装芯片的出光面，其中，倒装芯片包括DBR反射层，DBR反射层成形在倒装芯片上，P型电极贯穿DBR反射层并向外延伸。

本发明实施例还公开了一种如上所述的LED高亮度倒装芯片的制作方法，其操作步骤包括：

a10）、正装工序；通过正装工序得到预成形芯片；

b10）、倒装工序；将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过倒装工序得到LED高亮度倒装芯片；

其中，正装工序包括DBR反射层制作成形工序。

本发明实施例采用LED倒装芯片，具体地，LED芯片的N型电极和P型电极分别与散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，将衬底背面作为本发明实施例倒装芯片的出光面，因此通过设置反射结构即可避免现有LED正装芯片中由于电极及其焊接点会吸收部分光因而导致出光效率较低的问题，从而有效提高了出光效率，且采用散热基片可以将P-N结产生的热量及时传递出去，有效确保了散热效果；同时，本发明实施例在倒装芯片还制作成形DBR（Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜）反射层，由于DBR是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，相当于简单的一组光子晶体。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，DBR的反射率可达99%以上，且没有金属反射镜的吸收问题，同时还可以透过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置，因此本发明实施例采用DBR反射层以取代现有技术中公开的各类金属层反射镜，可大幅度地有效提高了LED倒装芯片的出光效率，进而提高了LED倒装芯片的亮度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参见图1所示，一种LED高亮度倒装芯片100，包括衬底110，成形在衬底110上、且由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层120，分别与N型导电层和P型导电层电连接的N型电极130和P型电极140，和具有N型、P型导电区域的散热基片150，N型电极130和P型电极140分别与散热基片150的N型导电区域151和P型导电区域152电连接，衬底110背面作为倒装芯片100的出光面。

具体地，在本实施方式中，衬底110材料为蓝宝石，外延层120材料选自AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的任意一种或几种的结合，具体优选地，外延层120的主体材料为GaN，更具体地，可以通过气相沉积、蒸镀等任意一种现有公知方法在衬底制作成形外延层。本发明实施例中的散热基片150材料选自铜或硅的任意一种，具体优选地，散热基片150材料为硅。

其中，倒装芯片100包括DBR反射层170，DBR反射层170成形在倒装芯片上，P型电极140贯穿DBR反射层170并向外延伸。具体优选地，倒装芯片100包括透明导电层160和绝缘钝化层（图未示出），透明导电层160成形在P型导电层上，绝缘钝化层成形在透明导电层160和N型导电层上；DBR反射层170通过绝缘钝化层成形在透明导电层160上；N型电极130和P型电极140分别成形在N型导电层和透明导电层160上，N型电极130贯穿绝缘钝化层并向外延伸，P型电极140贯穿绝缘钝化层和DBR反射层170并向外延伸。具体地，透明导电层160的厚度为30-100nm，绝缘钝化层的厚度为100-300nm，更具体地，在本实施方式中，绝缘钝化层的厚度为200nm。

本实施例中的透明导电层160可以有效促进P型导电层中的电流扩散且不影响出光，同时透明导电层160与DBR反射层170配合后，由于透明导电层160具有良好的透光效果，因此会进一步提高本实施例DBR反射层170的反射效果，进而进一步提高本实施例的出光效率，具体优选地，在本实施方式中，透明导电层160的材料为ITO(Indium Tin Oxides，纳米铟锡金属氧化物)，其具有很好的导电性和透明性。同时，本实施例中的绝缘钝化层可以有效确保本实施例LED倒装芯片100与外界隔绝，避免其正向工作电压受到影响以及漏电，具体地，在本实施方式中，绝缘钝化层的材料为二氧化硅，由于二氧化硅的折射率大于空气，因而其与DBR反射层170配合后，还能进一步增加本实施例的出光量，且不会影响其外观和电学性能。

为了避免一部分电流会从P型电极140直接流入位于其正上方的P型导电层和发光层，而影响出光效率，优选地，在本实施方式中，倒装芯片100进一步包括电流阻挡层180，电流阻挡层180介于P型导电层与透明导电层160之间。具体优选地，在本实施方式中，电流阻挡层180的材料为二氧化硅，其厚度为100-300nm。

优选地，N型电极130和P型电极140分别依次包括有导电反射镜层191、第一粘附层192和第一焊接层193，散热基片150的N型导电区域151和P型导电区域152上分别依次成形有第二粘附层（图未具体示出）和第二焊接层（图未具体示出），第一焊接层193与第二焊接层分别通过焊接工艺进行电连接。

具体优选地，在本实施方式中，导电反射镜层191均为铝反射镜层，其厚度可以为200nm；第一粘附层192和第二粘附层的材料为铬，第一焊接层193和第二焊接层的材料为金，采用蒸镀方法或其他任意一种公知方法进行制作成形，其中，第一粘附层192和第二粘附层的厚度可以为30nm，第一焊接层193和第二焊接层的厚度可以约为1μm，可进一步有效确保N型电极130和P型电极140分别与散热基片150的N型导电区域151和P型导电区域152之间的焊接稳固性；第一焊接层193与第二焊接层分别通过植金球焊接工艺进行电连接，由于植金球焊接工艺为现有公知技术，因此不再具体展开文字赘述。

优选地，衬底110背面设有粗化图形结构或成形有透光层，进一步提高衬底的出光效果，具体地，在本实施方式中，衬底110背面（即为本发明实施例LED高亮度倒装芯片的出光面）设有粗化图形结构111，具体优选地，在本实施方式中，采用光刻工艺在衬底110背面制作成形粗化图形结构111。

本实施例如上所述的LED高亮度倒装芯片的制作方法，其操作步骤包括：

a10）、正装工序；通过正装工序得到预成形芯片；其中，正装工序a10）具体包括以下步骤：

a11）、在衬底110上制作成形由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层120，具体地，采用沉积法或其它现有公知方法进行制作成形；

a12）、采用刻蚀工艺制作PN台阶，PN台阶的上台阶面为P型导电层，其下台阶面为N型导电层，具体地，在本实施方式中，采用光刻工艺，进一步具体优选地，在本实施方式中，光刻工艺中的刻蚀采用ICP干法刻蚀，台阶的高度为1.2μm；

a13-0）、采用刻蚀工艺在P型导电层上制作成形电流阻挡层180，具体地，采用先沉积后光刻处理的工艺进行制作成形；

a13）、在P型导电层上制作成形透明导电层160，且电流阻挡层180介于P型导电层与透明导电层160之间；具体地，采用等离子溅射或蒸镀技术或其它现有公知技术进行制作成形，进一步具体地，在采用等离子溅射时，镀膜的温度为250-300℃，镀膜速率为1A/S；

a14）、分别在N型导电层和透明导电层上制作成形N型电极130和P型电极140，具体地，可采用先光刻处理后蒸镀的工艺进行制作成形，当然地，也可以采用现有中的其它公知方法进行制作成形；

a15）、在N型导电层和透明导电层上制作成形绝缘钝化层，然后通过刻蚀工艺分别将N型电极130和P型电极140贯穿绝缘钝化层并向外延伸，具体地，采用沉积法或其它现有公知方法进行制作成形绝缘钝化层；

a16）、在覆盖有绝缘钝化层的透明导电层160上制作成形DBR反射层170，然后通过剥离工艺将P型电极140贯穿DBR反射层170并向外延伸，进一步具体地，采用蒸镀、溅射技术或其它现有公知技术进行制作成形；

a17）、完成正装工序，得到预成形芯片。

b10）、倒装工序；将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过倒装工序得到LED高亮度倒装芯片；其中，倒装工序b10）具体为：将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过植金球焊接工艺与散热基片150的N型导电区域151和P型导电区域152电连接，得到LED高亮度倒装芯片100。

当然地，本发明在实际LED倒装芯片，还包括其它工艺优化步骤，如清洗步骤、检测步骤、减薄步骤（将芯片的厚度减薄至120至150μm）、焊线步骤以及划片步骤等，但这些步骤均属于LED芯片生产领域的公知常识，此外，本文中对于未具体展开的制作方法同样属于LED芯片生产领域的公知常识和常规技术手段，因此本文均不再做具体展开说明。

经实验检测，本发明实施例提供的LED倒装芯片的出光效率相对于其余均相同，但采用现有常规的反射结构的LED倒装芯片的出光效率提高了近40%，因而实现了LED倒装芯片的超高亮度，同时本发明的制作工艺较为简单，适合进行规模推广应用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种LED高亮度倒装芯片，包括衬底，成形在所述衬底上、且由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层，分别与N型导电层和P型导电层电连接的N型电极和P型电极，和具有N型、P型导电区域的散热基片，所述N型电极和P型电极分别与所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，所述衬底背面作为所述倒装芯片的出光面，其特征在于，所述倒装芯片包括DBR反射层，所述DBR反射层成形在所述倒装芯片上，所述P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸。

2.如权利要求1所述的LED高亮度倒装芯片，其特征在于，所述倒装芯片包括成形在所述P型导电层上的透明导电层，所述DBR反射层成形在所述透明导电层上，所述N型电极和所述P型电极分别成形在所述N型导电层和所述透明导电层上，所述P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸。

3.如权利要求2所述的LED高亮度倒装芯片，其特征在于，所述倒装芯片进一步包括电流阻挡层，所述电流阻挡层介于所述P型导电层与所述透明导电层之间。

4.如权利要求1所述的LED高亮度倒装芯片，其特征在于，所述倒装芯片包括透明导电层和绝缘钝化层，所述透明导电层成形在所述P型导电层上，所述绝缘钝化层成形在所述透明导电层和所述N型导电层上；

所述DBR反射层通过所述绝缘钝化层成形在所述透明导电层上；

所述N型电极和P型电极分别成形在所述N型导电层和所述透明导电层上，所述N型电极贯穿所述绝缘钝化层并向外延伸，所述P型电极贯穿所述绝缘钝化层和所述DBR反射层并向外延伸。

5.如权利要求1所述的LED高亮度倒装芯片，其特征在于，所述N型电极底部和P型电极底部均包括导电反射镜层。

6.如权利要求5所述的LED高亮度倒装芯片，其特征在于，所述N型电极和P型电极分别依次包括有导电反射镜层、第一粘附层和第一焊接层，所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域上分别依次成形有第二粘附层和第二焊接层，所述第一焊接层与所述第二焊接层分别通过焊接工艺进行电连接。

7.如权利要求1所述的LED高亮度倒装芯片，其特征在于，所述衬底背面设有粗化图形结构或成形有透光层。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的LED高亮度倒装芯片的制作方法，其特征在于，其操作步骤包括：

a10）、正装工序；通过正装工序得到预成形芯片；

b10）、倒装工序；将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过倒装工序得到LED高亮度倒装芯片；

其中，所述正装工序包括DBR反射层制作成形工序。

9.如权利要求8所述的LED高亮度倒装芯片的制作方法，其特征在于，所述倒装芯片还包括透明导电层和绝缘钝化层，其中，所述正装工序a10）具体包括以下步骤：

a11）、在衬底上制作成形由N型导电层、发光层和P型导电层组成的外延层；

a12）、采用刻蚀工艺制作PN台阶，PN台阶的上台阶面为P型导电层，其下台阶面为N型导电层；

a13）、在所述P型导电层上制作成形透明导电层；

a14）、分别在N型导电层和透明导电层上制作成形N型电极和P型电极；

a15）、在N型导电层和透明导电层上制作成形绝缘钝化层，然后通过刻蚀工艺分别将N型电极和P型电极贯穿所述绝缘钝化层并向外延伸；

a16）、在覆盖有绝缘钝化层的透明导电层上制作成形DBR反射层，然后通过剥离工艺将P型电极贯穿所述DBR反射层并向外延伸；

a17）、完成正装工序，得到预成形芯片。

10.如权利要求8所述的LED高亮度倒装芯片的制作方法，其特征在于，所述倒装工序b10）为：将上述步骤a10）得到的预成形芯片通过焊接工艺与所述散热基片的N型导电区域和P型导电区域电连接，得到LED高亮度倒装芯片。

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