CN104269473A - 一种单电极led芯片的制作方法及芯片结构 - Google Patents

一种单电极led芯片的制作方法及芯片结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单电极LED芯片的制作方法，通过将N电极生长在蓝宝石衬底的背面，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程。同时由于芯片的正面仅有单一P电极，能有效优化芯片封装时的打线过程，并节省电极焊接线。芯片背面的N电极，通过导电胶与封装体焊接，有效降低电焊接线的接触不良、断线等问题，提高芯片质量。

Description

一种单电极LED芯片的制作方法及芯片结构
技术领域
本发明属于LED芯片制造技术领域，具体涉及一种单电极LED芯片的制作方法及芯片结构。
背景技术
LED芯片也称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在他里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，他们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
LED芯片制作流程一般包括：外延片的制作(即镀膜)，在外延片上做电极，后用激光机切割外延片形成芯片。
LED芯片的衬底一般根据设备和LED器件的需求进行选择，目前市场上一般有三种材料可作为衬底，蓝宝石(Al2O3)，硅(Si)，碳化硅(SiC)。由于蓝宝石是一种绝缘体无法制作垂直结构的器件，通常只能在外延层上表面制作N型和P型电极。在上表面上制作两个电极造成了有效发光面积的减少的问题，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀等工艺过程，使得材料利用率降低，成本增加，而且封装打线过程复杂，易出现电极焊接线接触不良、断线等异常问题。
因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的芯片制作方法，可实现在蓝宝石衬底的两面制作电极，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程，优化芯片封装时的打线过程，降低焊接线接触不良断线等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种单电极LED芯片的制作方法通过将N电极生长在蓝宝石衬底的背面，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程，同时由于芯片的正面仅有单一P电极，能有效优化芯片封装时的打线过程，并节省电极焊接线，降低封装时焊接线接触不良断线等问题，提高芯片质量。
根据本发明的目的提出的一种单电极LED芯片的制作方法，LED芯片的衬底为蓝宝石，所述LED芯片的P电极与N电极分别位于芯片的两侧，具体制作步骤如下：
S1：外延层制作：通过MOCVD在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW与P-GaN层；
S2：制作Mesa区域：通过光刻胶保护、电感耦合等离子体干时刻机台蚀刻、光刻胶去除的方法在外延层上刻蚀得到所需的区域；
S3：透明导电层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射方式沉积ITO薄膜后，再通过光刻、刻蚀步骤得到芯片所需的透明导电层；
S4：SiO2保护层、P电极制作：通过PECVD沉积SiO2保护层，并通过光刻、蒸镀、剥离的方式制作SiO2保护层、P电极；
S5：导入高温胶带；
S6：制作N电极：通过蒸镀方式，在芯片背面蒸镀导电材料层，且导电材料层向上延伸与N-GaN层相接触形成N电极。
优选的，所述N电极为环绕于衬底与N-GaN层周边的环绕型电极。
优选的，步骤S4中，首先在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，然后在透明导电层上方部分区域通过光刻、刻蚀、剥离步骤去除部分SiO2保护层得到P电极的制作区域，在该制作区域内制作P电极。
优选的，步骤S4中，首先在透明导电层上侧制作P电极，之后在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，最终通过打磨减薄SiO2保护层使得P电极上表面暴露在外。
优选的，在步骤S5之前还包括芯片处理步骤，将芯片减薄、切割，扩膜处理。
优选的，步骤S5中，高温胶带粘附于芯片的上面，在导入高温胶带前，将芯片背面朝上设置。
一种单电极LED芯片结构，所述芯片包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、外延层、透明导电层与SiO2保护层，所述透明导电层上设置有P电极，所述衬底的背面生长有N电极；所述外延层包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW与P-GaN层；所述N电极包覆于衬底周边并向上延伸与N-GaN层至少部分接触。
与现有技术相比，本发明公开的单电极LED芯片的制作方法及芯片结构的优点是：
通过将N电极生长在蓝宝石衬底的背面，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程。
同时由于芯片的正面仅有单一P电极，能有效优化芯片封装时的打线过程，并节省电极焊接线。
芯片背面的N电极，通过导电胶与封装体焊接，有效降低电焊接线的接触不良、断线等问题，提高芯片质量。
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。
图1为LED芯片的截面图。
图2为LED芯片的俯视图。
图3为LED芯片蒸镀示意图。
图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：
1、衬底 2、N-GaN层 3、发光层 4、P-GaN层 5、透明导电层 6、P电极 7、N电极 8、SiO2保护层 9、高温胶带
具体实施方式
LED芯片的衬底一般根据设备和LED器件的需求进行选择，目前市场上一般有三种材料可作为衬底，蓝宝石(Al2O3)，硅(Si)，碳化硅(SiC)。由于蓝宝石是一种绝缘体无法制作垂直结构的器件，通常只能在外延层上表面制作N型和P型电极。在上表面上制作两个电极造成了有效发光面积的减少的问题，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，使得材料利用率降低，成本增加，而且封装打线过程复杂，易出现电极焊接线接触不良、断线等异常问题。
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种单电极LED芯片的制作方法及芯片结构，通过将N电极生长在蓝宝石衬底的背面，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程，同时由于芯片的正面仅有单一P电极，能有效优化芯片封装时的打线过程，并节省电极焊接线，降低封装时焊接线接触不良断线等问题，提高芯片质量。
根据本发明的目的提出的一种单电极LED芯片的制作方法，LED芯片的衬底为蓝宝石，所述LED芯片的P电极与N电极分别位于芯片的两侧，具体制作步骤如下：
S1：外延层制作：通过MOCVD在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW与P-GaN层；
S2：制作Mesa区域：通过光刻胶保护、电感耦合等离子体干时刻机台蚀刻、光刻胶去除的方法在外延层上刻蚀得到所需的区域；
S3：透明导电层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射方式沉积ITO薄膜后，再通过光刻、刻蚀步骤得到芯片所需的透明导电层；
S4：SiO2保护层、P电极制作：通过PECVD沉积SiO2保护层，并通过光刻、蒸镀、剥离的方式制作SiO2保护层、P电极；
S5：导入高温胶带；
S6：制作N电极：通过蒸镀方式，在芯片背面蒸镀导电材料层，且导电材料层向上延伸与N-GaN层相接触形成N电极。
优选的，所述N电极为环绕于衬底与N-GaN层周边的环绕型电极。
优选的，步骤S4中，首先在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，然后在透明导电层上方部分区域通过光刻、刻蚀、剥离步骤去除部分SiO2保护层得到P电极的制作区域，在该制作区域内制作P电极。
优选的，步骤S4中，首先在透明导电层上侧制作P电极，之后在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，最终通过打磨减薄SiO2保护层使得P电极上表面暴露在外。
优选的，在步骤S5之前还包括芯片处理步骤，将芯片减薄、切割，扩膜处理。
优选的，步骤S5中，高温胶带粘附于芯片的上面，在导入高温胶带前，将芯片背面朝上设置。
一种单电极LED芯片结构，所述芯片包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、外延层、透明导电层与SiO2保护层，所述透明导电层上设置有P电极，所述衬底的背面生长有N电极；所述外延层包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW与P-GaN层；所述N电极包覆于衬底周边并向上延伸与N-GaN层至少部分接触。
下面将通过具体实施方式对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1与图2，一种新型的单电极LED的结构，包括自下至上依次设置的蓝宝石衬底1，外延层，透明导电层5，以及设置于透明导电层上的P电极6，与设置于芯片背面的N电极7，外延层包括依次设置的N-GaN层2、发光层3与P-GaN层4。通过将N电极生长在蓝宝石衬底的背面，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程。
同时由于芯片的正面仅有单一P电极，能有效优化芯片封装时的打线过程，并节省电极焊接线。
芯片背面的N电极，通过导电胶与封装体焊接，有效降低电焊接线的接触不良、断线等问题，提高芯片质量。
其中，N型电极为环绕于衬底1与N-GaN层2周边的环绕型电极，使得N型电极与N-GaN层有效接触。
一种单电极LED芯片的制作方法，LED芯片的衬底为蓝宝石，LED芯片的P电极与N电极分别位于芯片的两侧，具体制作步骤如下：
S1：外延层制作：通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW(多量子阱)与P-GaN层；
S2：制作Mesa区域：通过光刻胶保护、电感耦合等离子体干时刻机台蚀刻、光刻胶去除的方法在外延层上刻蚀得到所需的区域；
S3：透明导电层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射方式沉积ITO薄膜后，再通过光刻、刻蚀步骤得到芯片所需的透明导电层；
S4：SiO2保护层、P电极制作：通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)沉积SiO2保护层，并通过光刻、蒸镀、剥离的方式制作SiO2保护层、P金属电极。
该步骤中，首先在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，然后在透明导电层上方部分区域通过光刻、刻蚀、剥离步骤去除部分SiO2保护层得到P电极的制作区域，在该制作区域内制作P电极。
或首先在透明导电层上侧制作P电极，之后在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，最终通过打磨减薄SiO2保护层使得P电极上表面暴露在外。具体制作先后顺序不做限制。
S5：芯片处理：将芯片通过减薄、切割，扩膜后，背面朝上，导入高温胶带；在后期N电极制作时，需在高温环境下(约260℃)，在芯片的背面蒸镀N电极。并且因需要N-GaN层与N电极的有效接触，而N-GaN层与蒸发面呈90°角，需将芯片扩展开，有足够的距离，确保N电极材料能够有效蒸发到N-GaN层。
S6：制作N电极：通过蒸镀方式，在芯片背面蒸镀导电材料层，且由于SO2保护层的原因，导电材料层只能向上蒸镀延伸与N-GaN层相接触，形成N电极(如图3)。
本申请是通过在芯片背面的蓝宝石衬底上，蒸镀多层导电材料，再通过垂直面上N-GaN层与导电材料的有效接触，来实现背面为N电极的目的。而在背面的绝缘体蓝宝石上蒸镀导电材料的方法有很多种，例如先蒸镀透明导电层形成欧姆接触，再蒸镀现有的电极材料，就能够实现。具体方式不做限制。
如图3，箭头所指为蒸镀方向，在芯片背面蒸镀导电材料时，由于Mesa区域尺寸小于芯片尺寸，Mesa区域外围到芯片外围有一定的距离，因此环绕型的N电极不能够蒸镀到Mesa区域。而且P电极的裸露区域有绝缘的SiO2保护，进一步保证P、N区域会分割开来。芯片的正面黏贴到高温胶带，有效的阻隔了环绕型薄膜的扩展，使其仅能够到达N-GaN层位置，实现蒸镀位置的准确有效性。
本发明公开了一种单电极LED芯片的制作方法及芯片结构，通过将N电极生长在蓝宝石衬底的背面，有效降低电极面积所占有效发光面积的比例，提高材料的利用率，减少工艺流程。
同时由于芯片的正面仅有单一P电极，能有效优化芯片封装时的打线过程，并节省电极焊接线。
芯片背面的N电极，通过导电胶与封装体焊接，有效降低电焊接线的接触不良、断线等问题，提高芯片质量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种单电极LED芯片的制作方法，其特征在于，LED芯片的衬底为蓝宝石，所述LED芯片的P电极与N电极分别位于芯片的两侧，具体制作步骤如下：
S1：外延层制作：通过MOCVD在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW与P-GaN层；
S2：制作Mesa区域：通过光刻胶保护、电感耦合等离子体干时刻机台蚀刻、光刻胶去除的方法在外延层上刻蚀得到所需的区域；
S3：透明导电层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射方式沉积ITO薄膜后，再通过光刻、刻蚀步骤得到芯片所需的透明导电层；
S4：SiO2保护层、P电极制作：通过PECVD沉积SiO2保护层，并通过光刻、蒸镀、剥离的方式制作SiO2保护层、P电极；
S5：导入高温胶带；
S6：制作N电极：通过蒸镀方式，在芯片背面蒸镀导电材料层，且导电材料层向上延伸与N-GaN层相接触形成N电极。
2.如权利要求1所述的单电极LED芯片的制作方法，其特征在于，所述N电极为环绕于衬底与N-GaN层周边的环绕型电极。
3.如权利要求1所述的单电极LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S4中，首先在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，然后在透明导电层上方部分区域通过光刻、刻蚀、剥离步骤去除部分SiO2保护层得到P电极的制作区域，在该制作区域内制作P电极。
4.如权利要求1所述的单电极LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S4中，首先在透明导电层上侧制作P电极，之后在Mesa区域及透明导电层上蒸镀生长SiO2保护层，最终通过打磨减薄SiO2保护层使得P电极上表面暴露在外。
5.如权利要求1所述的单电极LED芯片的制作方法，其特征在于，在步骤S5之前还包括芯片处理步骤，将芯片减薄、切割，扩膜处理。
6.如权利要求1所述的单电极LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S5中，高温胶带粘附于芯片的上面，在导入高温胶带前，将芯片背面朝上设置。
7.一种单电极LED芯片结构，其特征在于，所述芯片包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、外延层、透明导电层与SiO2保护层，所述透明导电层上设置有P电极，所述衬底的背面生长有N电极；所述外延层包括依次位于衬底上的N-GaN层、发光层MQW与P-GaN层；所述N电极包覆于衬底周边并向上延伸与N-GaN层至少部分接触。
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EP4094247A4 (en) * 2020-01-25 2024-03-06 Jade Bird Display Shanghai Ltd MICRO LIGHT-EMITTING DIODE WITH HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY

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