CN106057993A - 一种薄膜垂直发光组件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜垂直发光组件及其制作方法，包括：包括：永久基板和位于其上的发光结构，所述发光结构为三五族材料所生长的薄膜，有相对的两个表面，其中第一表面为发光的出光面及第一电极所构成，第二表面直接与所述永久基材进行连接，其特征在于：所述永久基材从上到下包含反射层、种子连接层、高导热材料，周围包覆有机高导热包覆材，所述高导热材料通过电镀沉积形成于所述种子连接层的下表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制作方法，更具体地为一种薄膜垂直发光组件结构及其制作方法。
背景技术
由于蓝宝石或砷化镓衬底的导热系数差，影响LED的发光效率。为了解决LED的散热问题，主要采用垂直薄膜结构LED的架构来解决在高电流操作散热不良的问题。众所皆知，LED芯片有两种基本结构，横向结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n和p限制层中横向传导。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向传导的电流，可以改善横向结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决电极的遮光问题，提升LED的发光面积。
目前制造垂直结构主流技术是利用芯片黏合及剥离衬底技术来达成，将导热率比较低的蓝宝石或砷化镓衬底转换成硅衬底或是金属衬底。这样的方法还是有很多限制，由于在芯片黏合过程常需要使用到贵金属如金、金锡合金及一定要透过晶圆键合工艺才能实现，除了金属成本高之外，晶圆贴合的好坏是影响整个LED器件的关键，所以对外延表面均匀性或是蒸镀金属的均匀性要求非常高。另外，由于工艺上的需要，其键合金属接口通常都是整面连续性的，但是要分离个别的LED器件时，需要将这个连续的金属接口利用昂贵的激光设备来将其切割开，以达到分离个别组件的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种薄膜垂直发光组件结构及其制作方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种薄膜垂直发光组件结构，包括：永久基板和位于其上的发光结构，所述发光结构为三五族材料所生长的薄膜，有相对的两个表面，其中第一表面为发光的出光面及第一电极所构成，第二表面直接与所述永久基材进行连接，其特征在于：所述永久基材从上到下包含反射层、种子连接层、高导热材料，周围包覆有机高导热包覆材，所述高导热材料通过电镀沉积形成于所述种子连接层的下表面。
优选地，所述薄膜由P型的三五族薄膜、N型的三五族薄膜以及发光主动层所构成。
优选地，所述出光面为平面、随机粗糙面或经过几何加工过的面。
优选地，所述第一电极的材料为Al或Ti或C或Ni或Au或Pt或ITO或前述组合。
优选地，所述永久基材的厚度范围介于10μm~5mm。
优选地，所述反射层为金属反射层或者分布布拉格反射结构。
优选地，所述反射层对于200nm~1150nm波段的光，反射率为50%以上。
优选地，所述种子连接层的材料为Al或Ti或Cr或Ni或Au或Pt或Ti或前述组合。
优选地，所述种子连接层介于所述反射层与高导热材料层之间，且所述种子连接层的披覆面积大于或者等于反射层的面积。
优选地，所述高导热材料层的材料为Ag或Cu或Al或MgO或BeO或钻石或石墨或炭黑或AlN或前述组合。
优选地，所述高导热材料层的导热系数大于100 W/mK。
优选地，所述高导热材料层覆盖所述种子连接层，且披覆面积等于种子连接层的面积。
优选地，所述有机高导热包覆材的材料为硅胶或树脂或有机密封胶。
优选地，所述有机高导热包覆材的导热系数大于1 W/mK。
优选地，所述有机高导热包覆材包覆于所述种子连接层和高导热材料层的各个侧面。
根据本发明的第二方面，提供一种薄膜垂直发光组件结构的制作方法，包括工艺步骤：
1）提供一生长衬底，在其上生长三五族材料薄膜，构成发光结构；
2）定义所述发光结构的表面为发光区和阻隔区；
3）在所述发光区依次沉积反射层、种子连接层；
4）在所述种子连接层的表面上通过电镀沉积方式，形成高导热材料用于支撑所述发光结构，在所述阻隔区形成耐热有机材料；
5）移除生长衬底，露出发光结构的表面，在其上制作第一电极，构成免键合薄膜垂直发光组件结构。
优选地，所述步骤3）具体包括：
在所述发光结构的发光区沉积反射层；
在所述发光结构的发光区和阻隔区沉积种子连接层，其覆盖所述反射层；
在所述发光结构的阻隔区形成阻隔层，露出发光区的种子连接层；
采用电镀沉积方式，在露出的种子连接层上制作高导热材料层；
移除所述阻隔层及阻隔层下方的种子连接层，露出阻隔区的发光结构表面；
采用旋涂、网印、压合或射出成型方式，将有机高导热包覆材填充在移除的阻隔层与种子连接层相应位置上。
本发明旨在提出一种免键合薄膜垂直发光组件结构及其制作方法。在蓝宝石或砷化镓单晶衬底上生长外延层，在P型外延层上直接透过物理沉积及化学沉积来形成数个永久基板，在这些永久基板周围填上有机高导热包覆材，使用机械方式将包覆材及永久基板进行同一平面的平坦化，接着利用激光设备或蚀刻方式将蓝宝石或砷化镓单晶衬底移除，在露出的N型外延层上，利用蚀刻方式来划分出组件与组件间的隔离通道，在每一个隔离出的N型外延层上，进行光取出技术与图形化电极。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1~11是本发明实施例的制作薄膜垂直发光组件结构的工艺步骤示意图。
图12是本发明实施例的薄膜垂直发光组件结构的示意图。
图中各标号表示如下：
100：衬底；110：外延层；111：P型半导体层；112：活性层；113：N型半导体层；120：反射层；130：种子连接层；140：阻隔层；150：高导热材料；160：有机高导热包覆材；170：粗糙尖锥；180：隔离通道；190：第一电极；200：永久基板。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的薄膜垂直发光组件结构及其制作方法进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
实施例
如图1所示，在蓝宝石或砷化镓单晶衬底100上生长外延层110，具体来说，可以是具有N型半导体层113、活性层112和P型半导体层111发光结构的外延薄膜，薄膜由P型的三五族薄膜、N型的三五族薄膜以及发光主动层所构成，三五族薄膜中可以由三族的硼、铝、镓、铟与五族的氮、磷、砷排列组合而成。活性层的发光波长在200nm~1150nm之间，优选紫外波段，如UV-C 波段（200～280nm）、UV-B波段（280～315nm）以及UV-A波段（315～380nm）。
如图2所示，定义发光结构的表面为发光区和阻隔区，利用物理沉积方法，在发光区的P型半导体层111上制作一反射层120，反射层可以是金属反射层或者分布布拉格反射结构，本实施例首选Ag/Ti/Pt金属反射层。
如图3所示，利用物理沉积方法，接着在P型半导体层111及反射层120的整个表面上，即在发光区和阻隔区上覆盖沉积种子连接层130，种子连接层的披覆面积大于或者等于反射层的面积，种子连接层材质可以选用Al或Ti或Cr或Ni或Au或Pt或Ti或前述组合，本实施首选Ti-Ni合金。
如图4所示，采用黄光技术，在种子连接层130上的阻隔区位置形成阻隔层140，并采用物理沉积或化学沉积方法，在介于相邻阻隔层140之间的种子连接层上电镀沉积高导热材料150，厚度可控制在10μm~5mm之间，高导热材料150可选Ag或Cu或Al或MgO或BeO或钻石或石墨或炭黑或AlN或前述组合，导热系数优选大于100 W/mK。本实施高导热材料优选用Cu金属，取代常规的键合金属与金属基板，且不需要经过任何键合工序，有效简化制作工艺，节省制造成本。
如图5所示，将阻隔层140利用化学蚀刻将其移除，以及将阻隔层140下方的种子连接层130一并去除掉，使得 P型半导体层111露出，如此实现高导热材料层覆盖种子连接层且披覆面积等于种子连接层的面积。
如图6所示，进一步采用旋涂、网印、压合、射出成型方式，将有机高导热包覆材160填充在步骤（5）去除的阻隔层140与种子连接层130相应位置上，且使得有机高导热包覆材包覆于种子连接层和高导热材料层的各个侧面。有机高导热包覆材作为切割道材料，可选绝缘性的硅胶或树脂或有机密封胶，导热系数优选大于1 W/mK，其不含任何金属，可用便宜的钻石轮划片机（dicing saw）设备进行切割。再经由机械方式进行同一平面的平坦化，此步骤即形成永久基板200，该永久基板是由反射层120、种子连接层130、高导热材料150以及有机高导热包覆材160所构成，永久基材的厚度范围介于10μm~5mm。
如图7所示，利用激光设备或蚀刻方式将蓝宝石或砷化镓单晶衬底100移除。
如图8所示，在露出的N型半导体层113表面利用研磨、化学蚀刻方式，形成随机或是带有几何排列图形的粗糙尖锥170，比如高于平面的突起形状，高度优选大于整个外延厚度的5%，可以是锥体或圆球体或方体。需要说明的是，本步骤也可以省去，即出光面为平面，不做粗糙化处理。
如图9所示，利用蚀刻方式来划分出组件（cell 1）与组件（cell 2）之间的隔离通道180，隔离通道所露出的表面为有机高导热包覆材160。
如图10所示，在每一个隔离出的N型外延层上，形成图形化第一电极190，第一电极可以为Al或Ti或Cr或Ni或Au或Pt或ITO或前述组合，本实施例首选Al/Ni/Au。
如图11所示，将芯片切割开，即形成如图12的芯片结构。
如图12所示，经由上述工艺步骤制得的薄膜垂直发光组件结构，包括：永久基板200和位于其上的发光结构，发光结构为三五族材料所生长的薄膜，有相对的两个表面，其中第一表面为发光的出光面及第一电极所构成，第二表面直接与所述永久基材进行连接，永久基材200从上到下包含反射层120、种子连接层130、高导热材料150，周围包覆有机高导热包覆材160，高导热材料150通过电镀沉积形成于种子连接层130的下表面。
本发明提供的薄膜垂直发光组件结构及其制作方法，适合制作LED的发光器件，也适用于制作UV-LED，具有可以实现更大单位面积下的光输出的优势。此外，由于容易导热的关系，UV-LED可以更容易达到更大电流密度操作。
应当理解的是，上述具体实施方案仅为本发明的部分优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本发明的范围不限于以上实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种薄膜垂直发光组件结构，包括：永久基板和位于其上的发光结构，所述发光结构为三五族材料所生长的薄膜，有相对的两个表面，其中第一表面为发光的出光面及第一电极所构成，第二表面直接与所述永久基材进行连接，其特征在于：所述永久基材从上到下包含反射层、种子连接层、高导热材料，周围包覆有机高导热包覆材，所述高导热材料通过电镀沉积形成于所述种子连接层的下表面。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述薄膜由P型的三五族薄膜、N型的三五族薄膜以及发光主动层所构成。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述出光面为平面、随机粗糙面或经过几何加工过的面。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述第一电极的材料为Al或Ti或C或Ni或Au或Pt或ITO或前述组合。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述永久基材的厚度范围介于10μm~5mm。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述反射层为金属反射层或者分布布拉格反射结构。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述反射层对于200nm~1150nm波段的光，反射率为50%以上。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述种子连接层的材料为Al或Ti或Cr或Ni或Au或Pt或Ti或前述组合。
9.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述种子连接层介于所述反射层与高导热材料层之间，且所述种子连接层的披覆面积大于或者等于反射层的面积。
10.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述高导热材料层的材料为Ag或Cu或Al或MgO或BeO或钻石或石墨或炭黑或AlN或前述组合。
11.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述高导热材料层的导热系数大于100 W/mK。
12.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述高导热材料层覆盖所述种子连接层，且披覆面积等于种子连接层的面积。
13.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述有机高导热包覆材的材料为硅胶或树脂或有机密封胶。
14.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述有机高导热包覆材的导热系数大于1 W/mK。
15.根据权利要求1所述的一种薄膜垂直发光组件结构，其特征在于：所述有机高导热包覆材包覆于所述种子连接层和高导热材料层的各个侧面。
16.一种薄膜垂直发光组件结构的制作方法，包括工艺步骤：
1）提供一生长衬底，在其上生长三五族材料薄膜，构成发光结构；
2）定义所述发光结构的表面为发光区和阻隔区；
3）在所述发光区依次沉积反射层、种子连接层；
4）在所述种子连接层的表面上通过电镀沉积方式，形成高导热材料用于支撑所述发光结构，在所述阻隔区形成耐热有机材料；
5）移除生长衬底，露出发光结构的表面，在其上制作第一电极，构成免键合薄膜垂直发光组件结构。
17.根据权利要求16所述的一种薄膜垂直发光组件结构的制作方法，其特征在于：所述步骤3）具体包括：
在所述发光结构的发光区沉积反射层；
在所述发光结构的发光区和阻隔区沉积种子连接层，其覆盖所述反射层；
在所述发光结构的阻隔区形成阻隔层，露出发光区的种子连接层；
采用电镀沉积方式，在露出的种子连接层上制作高导热材料层；
移除所述阻隔层及阻隔层下方的种子连接层，露出阻隔区的发光结构表面；
采用旋涂、网印、压合或射出成型方式，将有机高导热包覆材填充在移除的阻隔层与种子连接层相应位置上。
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