CN105023932B - 一种结合led外延结构与led封装基板为一体的垂直式led阵列元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件，其包含有一基板以及多个垂直式LED外延结构。基板具有一上表面。多个垂直式LED外延结构形成于基板的上表面，每一LED外延结构包含一LED外延层、一第一电极结构以及一第二电极结构。第一电极结构形成于LED外延层的下方并与基板的上表面相接合。第二电极结构形成于该LED外延层的上方。其中，多个垂直式LED外延结构周围形成一介电层结构，介电层结构于选择性的区域内向基板方向延伸并穿越第一电极结构而伸入基板之中，并在基板的上表面以下形成一介电层沟槽。本发明提供一直接在晶片上制造高功率密度、高光通量的垂直式LED阵列元件的设计，可通过介电沟槽以防止该多个LED外延结构间可能发生的漏电现象。

Description

一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵 列元件

技术领域

本发明关于一种垂直式LED阵列元件，特别是关于一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件。

背景技术

LED光源元件价格(lm/$)是导致LED照明市场是否能够全面启动的最重要因素，因此不管是LED裸片制造商或LED封装元件制造商无不戮力在各自的领域上设法降低产品的制造成本。多数的LED裸片制造商亦跨足了LED封装元件制造领域，期望能以缩短LED光源供应链的方式来达到降低成本及售价的目的。

现有制作垂直式LED阵列元件的方式是将垂直式LED裸片以固晶(Die Bonding)的方式接合在具有电路的LED封装基板上，垂直式LED裸片下方的正极接合到LED封装基板上的正极。垂直式LED裸片上方的负极再以打线(Wire Bonding)的方式连接到LED封装基板上的负极，以串联、并联或串、并联方式封装成垂直式LED阵列元件。

此外，现有制作垂直式LED阵列元件的方式，对于LED裸片及LED封装而言，总共要使用到三个不同的基板，即用于生长外延层的外延基板(Epi-Substrate)、用于晶片键合(Wafer Bonding)移转后承载外延层的导电承载基板(Chip Carrier)，以及最后承载垂直式LED裸片的封装电路基板(Package Substrate)。其中，现有LED外延承载基板为了导电需在半导体基板晶片上做离子布值，还需在LED外延承载基板底部制作正电极，此制程上的需求造成现有垂直式LED阵列元件的制程复杂度与成本无法进一步的降低。

请参阅图1，图1绘示现有垂直式LED阵列元件的示意图。再者，现有垂直式LED阵列元件10在大功率及高光通量的应用时，由于多晶模组封装及功率密度较高，又由于LED裸片12与LED封装基板14之间又有一额外导电接合材料层16，导致整个高功率密度垂直式LED封装元件10的热阻值不易降低，当该垂直式LED封装元件元件10在高功率操作下，将导致LED的结点温度居高不下，进而造成光衰及光源有效寿命减短。

因此，针对现有垂直式LED阵列元件所面临的问题，市场上迫切需要一种新颖的LED元件，其能同时解决制程复杂度、因光衰而导致光源有效寿命短及生产成本的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种可直接在半导体晶片上制造的结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件，其包含有一基板以及多个垂直式LED外延结构。基板具有一上表面。多个垂直式LED外延结构形成于基板的上表面，每一LED外延结构包含一LED外延层、一第一电极结构以及一第二电极结构。LED外延层包含有一N型半导体层、一多重量子阱结构层以及一P型半导体层。第一电极结构形成于LED外延层的下方并与基板的上表面相接合。第二电极结构形成于该LED外延层的上方。其中，多个垂直式LED外延结构周围形成一介电层结构，介电层结构于选择性的区域内向基板方向延伸并穿越第一电极结构而伸入基板之中，并在基板的上表面以下形成一介电层沟槽，本发明通过介电沟槽以防止该多个LED外延结构间可能发生的漏电现象。

此外，本发明垂直式LED阵列元件的第一电极结构为承载该多个LED外延结构的一外延基板晶片与一封装基板晶片经过晶片键合(Wafer Bonding)后所形成的一接合金属层，为了进一步降低封装基板成本，该封装基板晶片可为经过IC制程后的再生晶片(Reclaimed Wafer)或已废弃无法再回收使用于IC制程的再生晶片。相较于现有垂直式LED元件的制作程序，本发明具有制程简单及节省成本的优点。

再者，本发明垂直式LED阵列元件另包含有一导体材料层、一第三电极结构以及一第四电极结构。导体材料层形成于每一LED外延结构周围的该介电层结构上，用以电连接该相邻LED外延结构间的第一电极结构及第二电极结构。第三电极结构形成于该基板的该上表面并位于该多个LED外延结构之外；而第四电极结构形成于基板的上表面并位于该多个LED外延结构之外，第三电极结构及第四电极结构与该多个LED外延结构间的第一电极结构及第二电极结构之间以相互电连接而形成一电路，其中该第三电极结构及该第四电极结构的极性相异，并分别用以连接一外部电源。而于实际应用上，该多个LED外延结构之间还可以以串联、并联以及串并联的形式进行电性连结。相较于现有技术，由于本发明垂直式LED阵列元件可利用半导体IC制程制作导电连接，可提供一种LED外延结构间的电信连结稳定。

最后，本发明垂直式LED阵列元件的基板另具有一下表面，该下表面可作为封装元件的导热基板底部以用来直接接触或间接接触一导热元件或一散热元件，以排除本发明垂直式LED阵列元件因高功率密度通电发光所产生的热能。再者，于本发明垂直式LED阵列元件的LED外延结构的上，另形成有一高透光率且具低导热率的透明物质层结构，用以隔绝本发明垂直式LED阵列元件因高光通量密度在元件上表面所产生的热能，可能回传至该多个LED外延结构本身进而导致发光效率递减的现象。相较于现有技术，本发明垂直式LED阵列元件具有绝对的散热优势。

承上所述，本发明提出一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体垂直式LED阵列元件，相较于现有技术，本发明垂直式LED阵列元件具有散热佳、制程简单及节省成本的特点。

附图说明

图1绘示现有垂直式LED阵列元件的示意图。

图2绘示根据本发明的一具体实施例在一晶片基板上的垂直式LED阵列元件的示意图

图3绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的平面示意图。

图4绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的剖面示意图。

图5绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的晶片键合前的示意图。

图6绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的电路示意图。

【符号说明】

10：垂直式LED阵列元件 12：LED裸片

14：LED封装基板 16：导电接合材料层

100：垂直式LED阵列元件 102：基板、封装基板

104：LED外延结构 106：上表面

108：LED外延层 110：第一电极结构、接合金属层

111：外延基板上的接合金属层

113：封装基板上的接合金属层

112：第二电极结构 114：N型半导体层

116：多重量子阱结构层 118：P型半导体层

120：光反射层 122：介电层结构

124：介电沟槽 126：导体材料层

128：第三电极结构 130：第四电极结构

132：焊料层 134：下表面

136：荧光层 138：透明物质层结构

140：外延基板 101：垂直式LED阵列元件的晶片

具体实施方式

请参阅图2至图4，图2绘示根据本发明的一具体实施例在一晶片基板上的垂直式LED阵列元件的示意图，图3绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的平面示意图，图4绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的剖面示意图。本发明提出一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件100，其包含有一基板102以及多个垂直式LED外延结构104。于实际应用上，在一形成多个垂直式LED外延结构的垂直式LED阵列元件的晶片101可依应用需要而将其设计、制作成不同尺寸的垂直式LED阵列元件100。于本实施例中，本发明垂直式LED阵列元件100包含9个垂直式LED外延结构104(如图2所示)，但于实际应用上并不以此设计为限。基板102具有一上表面106，基板102可为一硅(Silicon)基板或任何半导体基板其中的一者，于本具体实施例中，基板102为一硅基板。此外，该多个垂直式LED外延结构104形成于基板102的上表面106的上。每一LED外延结构104包含一LED外延层108、一第一电极结构110以及一第二电极结构112。LED外延层108包含有一N型半导体层114、一多重量子阱结构层116以及一P型半导体层118，另有一光反射层120形成于该第一电极结构110与LED外延层108之间。于实际应用上，LED外延层108是在另一外延基板140上生长形成并经晶片键合(Wafer Bonding)技术而移转至该基板102的上表面106，而每一LED垂直式外延结构104也可以是由多个具有正、负电极的微小外延结构所构成。再者，第一电极结构110形成于LED外延层108的下方并与基板102的上表面106相接合。第二电极结构112形成于LED外延层108的上方。其中，该多个垂直式LED外延结构104周围形成一介电层结构122，介电层结构122于选择性的区域内向基板102的方向延伸，同时并穿越第一电极结构110而伸入基板102之中，并在基板102的上表面106以下形成一介电层沟槽124，而本发明垂直式LED阵列元件100通过介电沟槽124以防止该多个LED外延结构104的第一电极结构110间，因封装基板102为半导体材料而可能发生的漏电现象。

请参阅图5，图5绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的晶片键合前的示意图。本发明垂直式LED阵列元件100的第一电极结构110为生长该多个LED外延层108的一外延基板140上的接合金属层111，与一封装基板102上的接合金属层113经过晶片键合(Wafer Bonding)后所形成的一接合金属层110，其中接合金属层110由该外延基板晶片的接合金属层113与封装基板晶片的接合金属层111经过晶片键合(Wafer Bonding)制程所形成的单一金属键合层(如图5所示)，而该金属键合层亦同时做为本发明垂直式LED阵列元件100中每一LED外延结构104的第一电极结构110以及本发明垂直式LED阵列元件100中连接外部电源的第三电极结构128及第四电极结构130。再者，本发明所采用的基板102材质为硅(Silicon)，厚度为300～600微米(μm)之间，而该封装基板晶片可以是晶格为(100)的6吋或8吋或12吋的硅晶片并在表面形成一金属键合层113。该封装基板晶片并可以采用经过IC制程后的再生晶片(Reclaimed Wafer)加工而成或经过多次回收再生后而无法再使用于IC制程的厚度小于600微米(μm)的报废晶片加工而成。相较于现有垂直式LED元件的制作程序，本发明垂直式LED阵列元件100仅需要使用到两个基板，即用于生长LED外延层108的外延基板140以及将用于晶片键合(Wafer Bonding)移转后承载LED外延层108的承载基板(ChipCarrier)作为最终LED封装基板102使用。而此身兼LED外延结构承载及封装功能的半导体晶片封装基板102，亦不必如现有LED承载基板般为了导电在半导体晶片上做离子布值，更不需在LED承载基板的底部磨薄后再制作正电极。本发明垂直式LED阵列元件100的每一个LED外延结构104的正电极在晶片键合时就已自动形成。因此，本发明垂直式LED阵列元件100具有制程简单及节省成本的特点。

再者，本发明垂直式LED阵列元件100另包含有一导体材料层126、一第三电极结构128以及一第四电极结构130。导体材料层126形成于LED外延结构104周围的介电层结构122上，用以电连接该相邻LED外延结构104间的第一电极结构110及第二电极结构112。第三电极结构128位于基板102的上表面106并位于该多个LED外延结构104的区域外；而第四电极结构130位于基板102的上表面106并位于该多个LED外延结构104的区域外。第三电极结构128与第四电极结构130同为接合金属层110的一部份并位于该多个LED外延结构104之外。第三电极结构128及第四电极结构130与该多个LED外延结构104间的第一电极结构110及第二电极结构112之间以相互电连接而形成一电路，其中第三电极结构128及第四电极结构130的极性相异，并分别用以连接一外部电源。此外，第三极结构128及第四电极结构130上可以另形成一利于焊接该外部电源的电极焊料层(Solder Layer)132。

于实际应用上，该多个LED外延结构104之间可以以串联的形式将第一电极结构110及第二电极结构112电连接，同时并与基板102的上表面106的第三电极结构128及第四电极结构130电连接，进而形成一串联电路。此外，该多个LED外延结构104的第一电极结构110电连接至基板102的上表面106的第三电极结构128，该多个LED外延结构104的第二电极结构112电连接至基板102的上表面106的第四电极结构130，进而形成一并联电路。再者，该多个LED外延结构104可以区分为M个LED外延结构群，每一LED外延结构群中的每一LED外延结构104之间以串联的形式将第一电极结构110及第二电极结构112电连接，该M个LED外延结构群之间以并联的形式电连接于基板102的上表面106的第三电极结构128及第四电极结构130，进而形成一串、并联混合电路，其中M为大于一的自然数。

请参阅图6，图6绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的电路示意图。于本发明的一具体实施例中，该多个LED外延结构104可以区分为3个LED外延结构群，每一LED外延结构群中的每一LED外延结构104之间以串联的形式将第一电极结构110及第二电极结构112电连接，该3个LED外延结构群之间以并联的形式电连接于基板102的上表面106的第三电极结构128及第四电极结构130，进而形成一串、并联混合电路，其中该3个并联的LED外延结构群之间相邻的各别LED外延结构104之间第一电极结构110可相互连接(如图6所示)，其中若有一个LED外延结构104坏损而无法导通，本发明所采用的电路设计并不会影响其它垂直式LED阵列元件100的运作。综前所述，该多个LED外延结构104之间还可以以串联、并联以及串并联的形式进行电性连结。相较于现有技术，本发明垂直式LED阵列元件100确实提供一种能直接在半导体晶片上制作且LED元件间的电信连结稳定，并且能有效提供单一LED光源元件同时具有高功率密度及高光通量的有效解决方案。

最后，本发明垂直式LED阵列元件100的基板102另具有一下表面134，下表面134可以用来直接接触或间接接触一导热元件或一散热元件，以有效将本发明垂直式LED阵列元件100因高功率密度通电发光时所产生的热能够快速的传导至外接的导热元件或散热元件上。再者，于本发明垂直式LED阵列元件100的该多个LED外延结构104的上另形成一荧光层136，用以将该垂直式LED阵列元件100所产生的蓝光或紫外光激发成白光而做为照明使用，而荧光层136上另外形成一同时具有高透光率且具低导热率的透明物质层结构138，用以隔绝本发明垂直式LED阵列元件100因其高光通量的光子或光波与覆盖在该垂直式LED阵列元件100上的光学元件，因交互作用而产生累积的热能可能回传至该多个LED外延结构104本身，进而导致该多个LED外延结构104温度上升而导致最终垂直式LED阵列元件100发光效率递减的现象。相较于现有技术，本发明垂直式LED阵列元件100所承载LED外延结构104的承载基板可直接做为LED封装基板102，进而可以直接或间接的被安置在照明灯具的导热或散热模组上。由于LED外延结构104与LED封装已合为一体，少掉了固晶的接点材料热阻，因此本发明垂直式LED阵列元件的热阻值(Rjc)也将比现有技术的垂直式LED阵列元件更低。本发明垂直式LED阵列元件在高功率操作的实际灯具应用下将有效的降低LED的结点温度及延长光源有效寿命。

承上所述，本发明垂直式LED阵列元件的制造上可以在大尺寸的半导体晶片基板上一气呵成，不需再有现有的固晶、打线的制程，将有效的降低光源元件的整体制作成本。由于本发明采用了晶片级的半导体制程，在大尺寸的晶片上控制垂直式LED阵列元件的外延结构面积大小就可以制作出任意特定光通量的标准光源元件。相较于现有技术，本发明提出一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体垂直式LED阵列元件，本发明垂直式LED阵列元件具有散热佳、制程简单及节省成本的特点。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (17)

1.一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件，包含有：

一基板，具有一上表面；以及

多个垂直式LED外延结构，形成于该基板的该上表面，每一LED外延结构包含一LED外延层、一第一电极结构以及一第二电极结构，该LED外延层包含有一N型半导体层、一多重量子阱结构层以及一P型半导体层，该第一电极结构形成于该LED外延层的下方并与该基板的该上表面相接合，该第二电极结构形成于该LED外延层的上方；

其中，所述基板是LED封装基板，所述第一电极结构是生长该LED外延层的外延基板的结合金属层与LED封装基板的结合金属层经过键合制程所形成的金属键合层，该多个垂直式LED外延结构周围形成一介电层结构，该介电层结构于选择性的区域内向该基板方向延伸并穿越该第一电极结构而伸入该基板之中，并在该基板的该上表面以下形成一介电层沟槽。

2.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中该第一电极结构为生长该多个LED外延层的一外延基板晶片与一封装基板晶片经过晶片键合(WaferBonding)所形成的一接合金属层。

3.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中该基板材质为硅，厚度为300～600微米之间。

4.根据权利要求2的垂直式LED阵列元件，其中该封装基板晶片为6吋或8吋或12吋的硅晶片。

5.根据权利要求3的垂直式LED阵列元件，其中该封装基板晶片为经过IC制程后的再生晶片或已废弃无法再回收使用于IC制程的再生晶片。

6.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中该介电层沟槽用以防止该多个LED外延结构间可能发生的漏电现象。

7.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，另包含有一导体材料层，形成于每一LED外延结构周围的该介电层结构上，用以电连接相邻LED外延结构间的该第一电极结构及该第二电极结构。

8.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，另包含有：

一第三电极结构，形成于该基板的该上表面并位于该多个LED外延结构之外；以及

一第四电极结构，形成于该基板的该上表面并位于该多个LED外延结构之外，该第三电极结构及该第四电极结构与该多个LED外延结构间的该第一电极结构及该第二电极结构之间以相互电连接而形成一电路，其中该第三电极结构及该第四电极结构的极性相异，并分别用以连接一外部电源。

9.根据权利要求8的垂直式LED阵列元件，其中该第三电极结构及该第四电极结构上另形成一焊料层，用于利于焊接该外部电源的电极。

10.根据权利要求8的垂直式LED阵列元件，其中该多个LED外延结构之间以串联的形式将该第一电极结构及该第二电极结构电连接，同时并与该基板的该上表面的该第三电极结构及该第四电极结构电连接，进而形成一串联电路。

11.根据权利要求8的垂直式LED阵列元件，其中该多个LED外延结构的该第一电极结构电连接至该基板的该上表面的该第三电极结构，该多个LED外延结构的该第二电极结构电连接至该基板的该上表面的该第四电极结构，进而形成一并联电路。

12.根据权利要求8的垂直式LED阵列元件，其中该多个LED外延结构可以区分为M个LED外延结构群，每一LED外延结构群中的每一LED外延结构之间以串联的形式将该第一电极结构及该第二电极结构电连接，该M个LED外延结构群之间以并联的形式电连接于该基板的该上表面的该第三电极结构及该第四电极结构，进而形成一串、并联混合电路，其中M为大于一的自然数。

13.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中于该LED外延结构的上另形成一荧光层，用以激发白光。

14.根据权利要求13的垂直式LED阵列元件，其中于该荧光层上形成一高透光率且具低导热率的透明物质层结构。

15.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中该基板另具有一下表面，该下表面用来直接接触或间接接触一导热元件或一散热元件。

16.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中该多个LED外延结构的该LED外延层是从另一外延基板上移转于该基板的该上表面。

17.根据权利要求1的垂直式LED阵列元件，其中每一LED外延结构是由多个具有正、负电极的微小外延结构所构成。