CN109087980A - 一种发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：发光外延结构；金属电极，形成于所述发光外延结构上且与所述发光外延结构电性连接；以及至少覆盖金属电极表面部分区域设置的低电位金属层，低电位金属层所采用金属的电势低于金属电极表面侧金属的电势。通过低电位金属层的设置可以有效解决现有技术中LED芯粒金属电极表面以及侧面易被裸露部分容易被腐蚀的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种金属电极保护层的发光二极管。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管LED通常是由如GaN（氮化镓）、GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是具有发光特性的PN结，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。
LED芯片最常见使用的是金属电极，然而金属电极周边表面或侧面常常被暴露在空气中，潮湿的大气中，金属表面会形成一种微电池，也称腐蚀电池或原电池。腐蚀电池的形成原因主要是由于金属表面吸附了空气中的水分，形成一层水膜，因而使空气中CO2，SO2，NO2等溶解在这层水膜中，形成电解质溶液，而浸泡在这层溶液中的金属又总是不纯的。而不纯的金属跟电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫电化学腐蚀。
现有LED电极结构最表层金纯度99.99%，但是蒸镀过程中却无法保证零杂质的带入，且也无法保证表层金对底层的完全包覆。所以LED裸晶在做高温高湿存储或老化时就有可能在电极表面或侧面发生电化学腐蚀，破坏电极结构，最终导致LED失效。常规解决方案为发光区整面绝缘层覆盖，只在焊线电极开出电接触通道（PV圈）或扩展电极进行PV包覆，焊线电极裸漏。此种方法只能针对扩展电极进行局部保护，焊线电极周边仍有异常及失效风险。此外，焊线过程中，焊球（Bonding Ball）会挤压电极焊盘（PAD），电极焊盘（PAD）底部会因焊球的挤压而向外排挤钝化层，导致电极焊盘（PAD）边缘的钝化层开裂。侧壁会裸露在外面，在LED使用过程中，水汽、含Cl离子的盐分等会侵蚀电极焊盘（PAD）结构中较为活泼的金属镍、锗等，使其鼓泡或迁移，最终导致LED芯粒的失效。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管，用于解决现有技术中LED芯粒金属电极表面以及侧面易被裸露部分容易被腐蚀的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：发光外延结构；金属电极，形成于所述发光外延结构上且与所述发光外延结构电性连接；以及至少覆盖金属电极表面部分区域设置的低电位金属层，低电位金属层所采用金属的电势低于金属电极表面侧金属的电势。
优选的，所述的表面包括顶面和侧壁，低电位金属层的电势低于顶面和金属电极侧壁露出的金属电势。
优选的，所述的金属电极为多层金属制备而成，所述的金属电极的多层金属的部分金属层未被其它上层金属层包覆而从侧壁露出，所述低电位金属层所采用金属的电势低于侧壁露出金属的电势。
优选的，所述的金属电极的多层金属的所有金属层未被其它上层金属层包覆而从侧壁露出，所述低电位金属层所采用金属的电势低于侧壁露出金属的电势。
优选的，低电位金属层延伸至侧壁。
优选的，所述的低电位金属层位于金属电极顶面非边缘区域。
优选的，所述金属电极表面至少侧壁被透明绝缘保护层所覆盖。
优选的，所述的金属电极表面侧壁以及顶面至少边缘部分被透明绝缘层覆盖。
优选的，所述的低电位金属层位于金属电极顶面非边缘区域，顶面边缘部分被绝缘保护层覆盖，绝缘保护层覆盖部分低电位金属层顶面或不覆盖低电位金属层顶面。
优选的，所述的低电位金属层至少部分位于金属电极表面部分与透明绝缘保护层之间的区域。
优选的，所述的低电位金属层部分未被绝缘保护层覆盖。
优选的，所述金属电极包括金属电极焊盘和延伸电极，所述的低电位金属至少位于金属电极焊盘的表面部分区域。
优选的，所述的低电位金属至少覆盖在电极焊盘用于焊线的表面侧边缘部分区域，中间区域留空用于焊线电极。
优选的，所述的发光二极管为砷化镓系发光二极管。
优选的，所述的电极焊盘包括欧姆接触层和焊线金属层。
优选的，所述的电极焊盘包括欧姆接触层、防扩散层和焊线金属层。
优选的，所述的表面部分区域包括侧壁，低电位金属层的电势低于金属电极侧壁露出的金属电势，所述的侧壁露出的金属包括欧姆接触层。
优选的，所述的欧姆接触层为金锗镍、金锗、铬、钛，防扩散层为铂、镍、钯、钛、钨、钼中的至少一种，焊线金属层为金或银。
优选的，所述的低电位金属层为铝、锌、铬、钛、铁、钴中至少一种。
优选的，所述的低电位金属层与金属电极表面之间设置有防扩散层。
优选的，所述的低电位金属层材料为硬膜层，其莫氏硬度至少为6。
如上所述，本发明的发光二极管，具有以下有益效果：
1）本发明通过在金属电极表面设置低电位金属层，低电位金属层所采用金属的电势低于金属电极表面，包括侧壁露出的金属材料的电势，形成原电池，通过牺牲阳极保护阴极的原理，从而保护LED电极焊盘最表面和或侧面露出的电极材料不被水汽腐蚀；
2）本发明芯片表面发光外延侧设置绝缘保护层，更优选地，所述的金属电极通过保护层上设置的开口与发光外延层侧连接，更优选地保护层可以覆盖电极焊盘表面至少侧壁部分，低电位金属层位于延伸至侧壁与保护层之间，可起到双重保护作用，更优选的，低电位金属层部分未被绝缘层覆盖，通过原电池的原理，提高对露出的金属电极表面部分的保护作用；
3）更优选的，所述的低电位金属层的电势低于所有电极金属材料的电势，以防止在焊球过程中，如保护层发生开裂或金属电极被压伤等，露出的金属电极层被腐蚀，金属电极顶面边缘和侧壁被低电位金属保护，金属电极被压伤后，底层或中间层金属露出被水汽腐蚀可有效隔绝空气与水汽，可以有效提升LED芯片的可靠性；
4）低电位金属层优选为硬度高的金属，以提升电极焊盘的抗压强度，减缓焊线金球焊线时对电极焊盘的压伤；
5）低电位金属层与电极表面至少部分区域之间形成防扩散层，以避免低电位金属与电极表面金属之间的扩散，影响焊线等。
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。
附图1-2为本发明实施例1的产品结构示意图。
附图3为本发明实施例2的产品结构示意图。
附图4-6为本发明实施例3的产品结构示意图。
附图7为本发明实施例4的产品结构示意图。
图中标示：1、背金属电极和衬底；2、发光外延结构；3、电极焊盘；4、低电位金属层；5、焊线电极；6、绝缘保护层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图7，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，所述发光二极管为倒装红光发光二极管，从下至上包括：背面金属电极和导电衬底1、导电衬底正面侧包括多层金属层：金属键合层、金属反射层和透明绝缘层（金属键合层、金属反射层和透明绝缘层图中未示出），其中透明绝缘层位于金属反射层上，并与发光外延结构2正面接触，透明绝缘层中包括贯穿孔并填充金属导电材料，用于金属反射层与发光外延结构的一侧形成电接触、发光外延结构上侧包括正面电极，正面电极表面设置有低电位金属层4以及焊线电极5。
所述发光外延结构可以包含N型半导体层、量子阱层以及P型半导体层等，其中，所述的外延结构为砷化镓基外延序列，所述N型半导体层可以为N型AlGaInP/AlGaAs/AlInP层，所述量子阱层可以为AlGaInP/AlGaAs/AlInP单量子阱层、多量子阱或PN结，所述P型半导体层可以为P型AlGaInP/AlGaAs/AlInP层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的发光外延结构，并不限于此处所列举的示例。本实施例中所述P型半导体层位于导电衬底侧。
如图1所示，所述的N型层表面形成正面电极，所述正面电极形成于所述发光外延结构上且与所述发光外延结构电性连接，正面电极包括电极焊盘3以及延伸电极扩展条，扩展条未在图1中示出，所述的扩展条的金属材料相同或不同于电极焊盘。本实施例的所述电极焊盘3与所述发光外延结构的N型层直接接触，或采用已知的电流扩展层进行接触。所述的电极焊盘3至少包括欧姆接触层、防扩散层和焊线金属层，欧姆接触层优选为金锗镍、金锗等，防扩散层为金、铂、钯、钛等至少一种，防扩散层可以有效防止锗、镍扩散至焊线金属层，避免焊线困难。所述的防扩散层可以覆盖或不覆盖欧姆接触层的侧壁，所述的焊线金属层包括金、银中的一种，电极焊盘这些材料具有良好的导电性能，可有效降低接触电阻，但是，在水汽、含Cl离子的盐分等环境下易被侵蚀。本发明优选为金焊线金属层，欧姆接触层为金锗镍，防扩散层为铂。如图1所示，低电位金属层位于电极焊盘的上表面周围，中间留空露出焊线金属层，用于金球焊接形成焊线。所述的低电位金属层为Al、Zn、Cr、Ti、Fe、Co，其电极电位低于电极焊盘的金属层材料的电位，本实施例低电位金属更优选为铬，可利于形成腐蚀电池，通过牺牲阳极保护阴极的原理，从而保护LED电极焊盘焊线金属层顶面以及侧壁金属的欧姆接触电极、防扩散电极以及焊盘电极材料不被水汽腐蚀。
更有利的是，如图2所示，所述的低电位金属材料层覆盖电极焊盘焊线金属层顶面边缘部分以及至少部分侧面，以增加对侧面的电极材料的保护作用。
更有利的是，所述的低电位金属层更优选为硬度大的金属材料层，以提升电极焊盘的抗压强度，减缓焊线金球焊线时对电极焊盘的压伤，优选低电位金属的莫氏硬度高于6，更优选所述的金属材料为Ti、Cr等莫氏硬度高的金属材料。
更有利的是，如图3所示，所述的半导体结构表面进一步包括绝缘保护层，该绝缘保护层至少覆盖在发光半导体序列表面，所述的电极焊盘位于绝缘保护层上表面，通过绝缘保护层的开口与发光半导体序列电连接，所述保护层包括SiO2层、SiN层、SiON层、Al2O3层、TiO2层中的一种。
实施例2
与实施例1不同的是，所述的电极焊盘至少包括欧姆接触层、防扩散层和焊线金属层，欧姆接触层材料为Cr，防扩散层材料为Ti/Pt/Ni/W/TiW等金属中的一种，可以阻挡焊接层与欧姆接触层之间的扩散；欧姆接触层为金。所述的低电位金属为Al、Zn、Cr、Ti、Fe、Co中的一种，所述的低电位金属层为抗压金属材料层，以提升电极焊盘的抗压强度，减缓焊线金球焊线时对电极焊盘的压伤，优选低电位金属的莫氏硬度高于6，更优选所述的金属材料为Ti、Cr等莫氏硬度高的金属材料。
实施例3
不同于实施例1或2的是，如图4所示，所述的绝缘保护层优选进一步延伸至电极焊盘的侧面和最表面的周边区域，并至少部分覆盖低电位金属层，并与低电位金属层和绝缘保护层一起形成焊盘电极中间留空的区域，用于焊线的金球进行焊接，或如图5所示，所述的绝缘保护层优选露出低电位金属层的部分，以增加低电位金属对电极焊盘焊线金属层表面的保护作用。或如图6所示，所述的低电位金属层位于非边缘区域，所述的边缘区域留空，用于制作绝缘保护层包覆。
实施例4
不同于实施例1-3的是，如图7所示，所述的低电位金属层与金属电极焊盘之间，包括一层防扩散层。由于Al等容易扩散的低电位金属容易发生扩散现象扩散至金焊线层内，降低焊线金属层与结合力，因此优选地设置一层如W的防扩散层。
如上所述，本发明的发光二极管，具有以下有益效果：
1）本发明通过在金属电极表面设置低电位金属层，低电位金属层所采用金属的电势低于金属电极表面，包括侧壁露出的金属材料的电势，形成原电池，通过牺牲阳极保护阴极的原理，从而保护LED电极焊盘最表面和或侧面露出的电极材料不被水汽腐蚀；
2）本发明芯片表面发光外延侧设置绝缘保护层，更优选地，所述的金属电极通过保护层上设置的开口与发光外延层侧连接，更优选地保护层可以覆盖电极焊盘表面至少侧壁部分，低电位金属层位于延伸至侧壁与保护层之间，可起到双重保护作用，更优选的，低电位金属层部分未被绝缘层覆盖，通过原电池的原理，提高对露出的金属电极表面部分的保护作用；
3）更优选的，所述的低电位金属层的电势低于所有电极金属材料的电势，以防止在焊球过程中，如保护层发生开裂或金属电极被压伤等，露出的金属电极层被腐蚀，金属电极顶面边缘和侧壁被低电位金属保护，金属电极被压伤后，底层或中间层金属露出被水汽腐蚀可有效隔绝空气与水汽，可以有效提升LED芯片的可靠性；
4）低电位金属层优选为硬度高的金属，以提升电极焊盘的抗压强度，减缓焊线金球焊线时对电极焊盘的压伤；
5）低电位金属层与电极表面至少部分区域之间形成防扩散层，以避免低电位金属与电极表面金属之间的扩散，影响焊线等。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (20)
1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：发光外延结构；金属电极，形成于所述发光外延结构上且与所述发光外延结构电性连接；以及至少覆盖金属电极表面部分区域设置的低电位金属层，低电位金属层所采用金属的电势低于金属电极表面侧金属的电势。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的表面包括顶面和侧壁，低电位金属层的电势低于顶面和金属电极侧壁露出的金属电势。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的金属电极为多层金属制备而成，所述的金属电极的多层金属的部分金属层未被其它上层金属层包覆而从侧壁露出，所述低电位金属层所采用金属的电势低于侧壁露出金属的电势。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的金属电极的多层金属的所有金属层未被其它上层金属层包覆而从侧壁露出，所述低电位金属层所采用金属的电势低于侧壁露出金属的电势。
5.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，低电位金属层延伸至侧壁。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属层位于金属电极顶面非边缘区域。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述金属电极表面至少侧壁被透明绝缘保护层所覆盖。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述的金属电极表面侧壁以及顶面至少边缘部分被透明绝缘层覆盖。
9.根据权利要求5所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属层位于金属电极顶面非边缘区域，顶面边缘部分被绝缘保护层覆盖，绝缘保护层覆盖部分低电位金属层顶面或不覆盖低电位金属层顶面。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属层部分未被绝缘保护层覆盖。
11.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述金属电极包括金属电极焊盘和延伸电极，所述的低电位金属至少位于金属电极焊盘的表面部分区域。
12.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属至少覆盖在电极焊盘用于焊线的表面侧边缘部分区域，中间区域留空用于焊线电极。
13.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的发光二极管为砷化镓系发光二极管。
14.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的电极焊盘包括欧姆接触层和焊线金属层。
15.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的电极焊盘包括欧姆接触层、防扩散层和焊线金属层。
16.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的表面部分区域包括侧壁，低电位金属层的电势低于金属电极侧壁露出的金属电势，所述的侧壁露出的金属包括欧姆接触层。
17.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的欧姆接触层为金锗镍、金锗、铬、钛，防扩散层为铂、镍、钯、钛、钨、钼中的至少一种，焊线金属层为金或银。
18.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属层为铝、锌、铬、钛、铁、钴中至少一种。
19.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属层与金属电极表面之间设置有防扩散层。
20.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述的低电位金属层材料为硬膜层，其莫氏硬度至少为6。
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