CN110021692A - 一种led器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED器件及其制造方法。该LED器件的制造方法，包括：在外延片上设置P‑电极，其中外延片包括衬底、电子传输层、辐射层和空穴传输层；移除部分空穴传输层和辐射层，并在曝露出的电子传输层上设置N‑电极；部分移除衬底，保留至少部分被移除的空穴传输层和辐射层区域的衬底；以及在经部分移除的衬底中填充透明材料。

Description

一种LED器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及LED技术领域，特别地涉及一种LED及其制造方法。

背景技术

基于包括氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)等化合物半导体及其多元化合物(AlInGaN)的III/V族氮化物半导体的LED已经在世界范围内推广使用。相比于普通的白炽灯，LED光源能够节能大约80％，是非常理想的节能产品。然而，制约LED全面取代白炽灯还存在一些困难。这其中一个重要的方面是现有的LED成本仍然较高。因此，如何降低LED的成本是本领域研究的重要方向之一。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种LED器件的制造方法，包括：在外延片上设置P-电极，其中外延片包括衬底、电子传输层、辐射层和空穴传输层；移除部分空穴传输层和辐射层，并在曝露出的电子传输层上设置N-电极；部分移除衬底，保留被移除的空穴传输层和辐射层区域或其一部分对应的衬底；以及在经部分移除的衬底中填充透明材料。

如上所述的方法，进一步包括在移除部分空穴传输层和辐射层之后，移除部分电子传输层。

如上所述的方法，其中填充透明材料中包括光转换材料。

如上所述的方法，其中保留的衬底位于LED器件的周围。

如上所述的方法，其中所述方法进一步包括在填充的透明材料上施加光转换材料。

如上所述的方法，进一步包括：在填充透明材料之前，在经部分移除的衬底空洞的侧面设置反射层。

根据本发明的另一个方面，提出一种LED器件，包括：衬底；衬底上方的依次设置的电子传输层、辐射层和空穴传输层，其中辐射层和空穴传输层被部分移除以曝露电子传输层，其中，衬底中填充透明材料；P-电极，其设置在空穴传输层上；以及N-电极，其设置在经曝露的电子传输层上。

如上所述的LED器件，其中衬底中形成的反射杯。

如上所述的LED器件，其中衬底是Si衬底。

如上所述的LED器件，其中衬底在经部分移除的辐射层和空穴传输层区域或其一部分上。

如上所述的LED器件，其中经填充的透明材料中包括光转换物质。

如上所述的LED器件，其中衬底位于LED器件的周围。

如上所述的LED器件，进一步包括经填充的透明材料和衬底上方的光转换物质层，其中经填充的透明材料中不包括光转换物质。

根据本发明的另一个方面，提出一种LED器件的封装方法，包括：提供基板或PCB板，其包括多个触点；以及将如上方法制造的LED器件或者上LED器件以倒装芯片的方式或贴片方式安装到基板或PCB板上。

如上所述的方法，进一步包括，施加光转换物质。

根据本发明的另一个方面，提出一种照明装置，包括一个或多个如上方法制造的LED器件，或者如上结构的LED器件，或者如上方法封装的LED器件。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1A-图1C是现有技术中蓝宝石Sapphire衬底上LED芯片的示意图；

图2A-图2D是现有技术中在Si衬底上制作LED芯片的示意图；

图3A-图3D是根据本发明的一个实施例的LED器件示意图；

图4是根据本发明的另一个实施例的LED器件示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的LED器件的连接示意图；

图6A-图6C示出了根据本发明的一个实施例的LED器件的结构；

图7是根据本发明的一个实施例的LED器件的制造方法的示意图；以及

图8是根据本发明的一个实施例的LED器件的封装方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1A-图1C是现有技术中蓝宝石Sapphire衬底上LED芯片的示意图。如图1A所示，在Sapphire衬底上直接外延生长电子传输层、辐射层、和空穴传输层。电子传输层、辐射层和空穴传输层形成了LED的发光结构。举例而言，电子传输层包括N型氮化镓N-GaN，辐射层包括氮化镓GaN、氮化铟InN等的多元化合物InGaN，而空穴传输层包括P型氮化镓P-GaN。本领域技术人员应当理解，以上仅仅是示例性地说明了可能应用的LED发光结构，本领域中已有的其他发光结构也同样可以应用。

如图1A所述，在LED发光结构上包括了反射层和反射层保护层。反射层可以为具有高反射率的金属材料，包括但不限于银、铝、镍等。或者，反射层可以为透明导电材料如ITO和高反射率材料的复合结构，与空穴传输层接触的为透明导电材料，在其上面为高反射率材料。这样可以减少光损失，提高出光效率。反射层保护层在反射层之上，对反射层起保护作用。

Sapphire衬底是高透光的。LED发光结构发出的蓝光可能从Sapphire衬底的侧面泄露。由于泄露的蓝光是有害的，必须进行额外的处理。处理蓝光泄露的一种方式是移除Sapphire衬底。如图1B所示，将图1A的结构转移到金属基座上，然后将Sapphire衬底移除。移除Sapphire衬底需要使用激光分离技术，成本非常高。处理蓝光泄露的另一种方式是在Sapphire衬底外包裹荧光物质等光转换材料，如图1C所示。然而，为了曝露Sapphire衬底的侧面，首先需要对Sapphire衬底划片、切割衬底，分离出单独的LED芯片；然后再对单独的LED进行封装。这样不但使得封装的工艺更为复杂，成本更高，也增加了封装后的LED的体积，不利于提高功率密度。

图2A-图2D是现有技术中在Si衬底上制作LED芯片的示意图。图2A示出了在Si衬底的外延片上制作反射层和反射层保护层之后的示意图。Si衬底上的外延片包括Si衬底以及Si衬底上的成核层、电子传输层、辐射层、和空穴传输层。由于Si衬底上直接外延生长氮化镓GaN等III/VI族氮化物是困难的，Si衬底上形成了成核层。成核层的实例是氮化铝AlN。当然，其他的适于作为Si衬底成核层的材料也可以使用。进一步地，在成核层与电子传输层之间可以包括一个或多个缓冲层或者插入层。

如图所示，电子传输层、辐射层和空穴传输层形成了LED的发光结构。举例而言，电子传输层包括N型氮化镓N-GaN，辐射层包括氮化镓GaN、氮化铟InN等的多元化合物InGaN，而空穴传输层包括P型氮化镓P-GaN。本领域技术人员应当理解，以上仅仅是示例性地说明了可能应用于的LED发光结构，本领域中已有的其他发光结构也同样可以应用。

如图2A所述，在LED发光结构上包括了反射层和反射层保护层。反射层可以为具有高反射率的金属材料，包括但不限于银、铝、镍等。或者，反射层可以为透明导电材料如ITO和高反射率材料的复合结构，与空穴传输层接触的为透明导电材料，在其上面为高反射率材料。这样可以减少光损失，提高出光效率。反射层保护层在反射层之上，对反射层起保护作用。

由于Si衬底对于短波长的光有很强的吸收能力，为了增加出光效率，现有技术中一般采用移除原有Si衬底的方式。具体而言，如图2B所示，图2A的结构被键合到另一导电的Si衬底上。导电的Si衬底可以用作后续的电路连接。如图2C所示，将图2B的结构倒置后，原有的Si衬底和成核层等被去除，而曝露出电子传输层。移除Si衬底可以采用机械研磨或者干法或湿法蚀刻等方式进行。接下来，如图2D所示，在电子传输层上制作出射结构，并进一步制作N-电极。最终在电子传输层上设置保护层等，完成LED芯片的制作。

以上的制作流程需要使用两片硅片，其中包括了硅片键合、减薄、移除等复杂流程，增加了生产成本，也降低了良率。但是即使如此，上述工艺制作出来的也只是LED芯片，要想在电路板上应用，还需要通过封装工艺制作出具有反射杯、焊接电极、环氧树脂或硅胶保护、荧光材料、透镜等结构的LED封装体。这都使得LED器件的成本进一步提高。

图3A-图3D是根据本发明的一个实施例制作LED器件的示意图。与图2A-图2D实施例相比，图3A-图3D实施例的外延层和发光结构相同或类似，这里不太赘述。

如图3A所示，在空穴传输层上设置P-电极。根据本发明的一个实施例，P-电极的材料包括高反射率的金属材料，包括但不限于银、铝、镍等。根据本发明的另一个实施例，P-电极可为多层或复杂结构，其与空穴传输层接触的部分是P-型欧姆接触材料。P-型欧姆接触材料可以为透明材料，在透明欧姆接触材料上可以设置高反射率导电材料；或者，P-型欧姆接触材料仅为透明欧姆接触材料，其上可以设置透明绝缘层(如氧化硅)，而透明绝缘层上再设置反射金属材料。反射金属材料可以和P-电极或N-电极相连。另外，P-电极除了包含欧姆接触材料外，还可以包括在P-电极上部分或全部区域设置其他功能导电材料，如用于与贴片工艺或倒装焊工艺配合的较厚的导电层。对于本实施例而言，P-电极为非出光面。将P-电极设置为具有高反射特性，有利于减少光子的吸收，提高出光效率。

如图3B所示，移除部分空穴传输层和辐射层曝露电子传输层，在曝露的电子传输层上制作N型电极，即N-电极。具体可以采用干法或湿法蚀刻方式移除部分空穴传输层和辐射层曝露电子传输层。

根据本发明的一个实施例，P-电极和N-电极的制作顺序可以互换：即先制作N-电极，再制作P-电极。由此，本实施例是N-电极和P-电极在同一侧的LED结构。虽然相比于垂直结构的LED器件，N-电极会占据部分的发光面积，降低发光效率；但是，N-电极和P-电极同侧的LED器件制作简单，技术成熟，而且成本更低。

根据本发明的一个实施例，在部分移除空穴传输层和辐射层时，将希望保留的Si衬底区域之上的空穴传输层和辐射层材料全部移除。这样在被刻蚀处不会产生光子辐射，也就不会被位于其上的硅衬底吸收，从而提高发光效率。根据本发明的一种实施方式，被移除的空穴传输层和辐射层的面积可以大于希望保留的Si衬底区域的面积。根据本发明的另一个实施例，在部分移除空穴传输层和辐射层时可以适当过蚀刻，即也蚀刻掉电子传输层的一部分，以保证希望保留的Si衬底区域之上的空穴传输层和辐射层被全部移除，使得这一区域不会发光。同时，这样的过蚀刻也有利于制作N-电极，形成欧姆接触。

如图3C所示，将图3B所示的结构翻转，然后部分移除Si衬底，保留被移除的空穴传输层和辐射层区域对应的Si衬底或者被移除的空穴传输层和辐射层区域的一部分对应的Si衬底。具体可以采用干法或湿法蚀刻方式部分移除Si衬底。通过部分移除Si衬底，曝露出Si衬底下包括但不限于成核层、缓冲层、插入层和电子传输层中的一者。实际上，Si衬底移除后，成核层、缓冲层、插入层等并不会吸收光，因此可以选择保留这些层；或者选择性地移除这些层中的一者或多者。由于Si衬底未被蚀刻部分的厚度仍然较大，在后续的LED制作、封装和器件应用中，未被蚀刻的Si衬底仍能起到了支撑和框架等作用。

如图3D所示，在Si衬底的空洞中填充透明材料，然后在仍保留有Si衬底的区域划片，分离LED器件。在Si衬底内施加透明材料，填充Si衬底上经过蚀刻后的空间，能够保护其下面的氮化物材料；同时进一步增加LED器件的机械强度。进一步地，在保留的Si衬底区域划片，切割衬底，能够分离出各个LED器件。需要指出的，分离出的LED器件中的发光结构已经被填充的透明材料所封闭，并且LED器件已经具有良好的机械性能。因此，可以认为分离出的LED器件是已经封装或至少部分封装。

由此，在本发明的LED器件以硅外延片的Si衬底作为支撑衬底，不需要额外使用支撑衬底。由于Si衬底仅被部分移除，剩余的Si衬底起到了很好的支撑和框架作用，其在LED器件后续的封装步骤和使用过程中对于仅有几微米厚的氮化物外延层起到了重要的支撑作用。进一步地，本发明避免了晶片键合等复杂的工艺流程，从而大幅度降低了LED的成本，非常有利于LED的推广和使用。

根据本发明的一个实施例，填充透明材料可以为高透明硅胶、透明树脂、或者二者的结合。进一步地，在填充透明材料中可以增加光转换物质如荧光粉，从而实现出射波长的转化。由此，填充透明材料对LED发光结构进行了保护的同时也完成了出射波长转换的功能。或者，根据本发明的另一种实施方式，透明材料中不包括光转换物质。在填充的透明材料和/或保留的衬底上方增加光转换物质层，实现出射波长的转换。

图4是根据本发明的另一个实施例的LED器件示意图。本实施例的LED结构与图3的LED结构类似，不同之处在于，在填充透明材料之前，在Si衬底内经蚀刻形成空洞的侧面形成反射层，然后再填充透明材料。由此，Si衬底中空洞的侧面将反射发出的光，而不是吸收光。进一步地，在部分移除Si衬底的过程中，可以控制以形成倾斜的Si衬底侧面。在溅镀高反射金属后，Si衬底的空洞形成了反射杯。根据本发明的一个实施例，侧面的倾斜角度是可以选择的。换言之，反射杯的角度是可以选择的。如图4所示，在反射杯中填充透明材料后，形成了具有反射杯的经封装的LED器件。进一步地，在经过封装的LED器件上可以制作透镜等其他光学器件。

在本实施例中，在芯片工艺就实现了反射杯的制作和发光结构的封装，再经过切片和切割衬底后就能够直接得到可用的LED器件。而且，由于不包括额外的封装步骤，LED器件的体积完全由对应的Si衬底的面积决定，LED器件的体积得以减小。本实施例通过将芯片工艺和封装工艺巧妙地融合，在简化封装工艺的同时，还可以减小LED器件的体积，提高功率密度。既不需要在封装之前对Si衬底进行划片和切割，分离出单独的LED芯片；在芯片和封装工艺中也不需要进行衬底移除或者衬底键合，也不需要额外的支撑衬底，由此可以使得本实施例的LED器件成本得以大幅度降低。

图5是根据本发明的一个实施例的LED器件的连接的示意图。图4实施例的LED结构与图3类似，相同或相似的部分不再赘述。参考图4，基板或者PCB板上包括P型触点(P-触点)和N型触点(N-触点)。举例而言，P-触点或者N-触点可以为金属凸点。导电基板或PCB板上的P-触点和N触点分别与LED器件的P-电极和N-电极电连接，形成倒装芯片的LED结构。根据本发明的一个实施例，LED器件表面的P-电极和N-电极的尺寸足够大，同时两个电极之间的间距也足够大，从而使得倒装的LED器件能够在基板上或者PCB板上直接以贴片的方式安装。即，LED器件的P-电极和N-电极的尺寸能够到达贴片机的贴片精度要求。由此，可以简化芯片倒装焊接工艺，降低了整体LED器件的成本。

如图5所述，在加载电压后，LED器件的发光结构发光，经过填充透明材料的波长转换后，从Si衬底的空洞出光。本领域技术人员应当理解，图5仅仅是一种示例性的表示方式，倒装芯片的方式可以根据实际情况而采用不同的形态。例如，P-电极或者N-电极也可以采用不同的形状或者样态；而基板或者PCB上的P-触点和N触点也可以相应地调整。

N-电极和P-电极同侧的LED器件在仍有蓝光泄露的可能。光的泄露主要是发生在发光结构(氮化镓)一侧。虽然发光结构所发出的蓝光大部分被P-电极发射，但是由于P-电极与被移除的Si衬底的区域面积相当，仍会有部分光会从其外围泄露到下面。这样不但降低了光效，而且泄露的蓝光也可能会产生危害。

根据本发明的一个实施例，本发明提出了一种新的结构来解决这一问题。图6A-图6C示出了根据本发明的一个实施例的LED器件的结构。其中，P-电极和N-电极的位置经设计以解决光从电机侧泄露的问题。图6A示出了LED器件的俯视图。图6B和图6C分别示出了LED器件P-焊接层和N-焊接层区域的结构。应当注意，图6B和图6C并不是剖视图；而是为了更好的说明本实施例LED器件结构的示意图。

如图6A所示，在外延片的LED器件的区域上包括了多个P-电极和N-电极。P-电极设置在空穴传输层上。N-电极设置在电子传输层上，并且N-电极包括具有一定面积的第一部分和第二部分；其中N-电极的第二部分围绕在多个P-电极，并与多个P-电极相间隔。N-电极围绕多个P-电极的布置方式有利于电流的分布，从而可以提高器件的散热能力和使用寿命。

进一步地，在多个P-电极和N-电极上包括绝缘介质层。应当注意，为了说明各个部分的位置关系，图6A中未示出绝缘介质层。绝缘介质层上包括多个第一开口以曝露多个P-电极。进一步地，绝缘介质层上还包括第二开口以曝露N-电极的第一部分。

进一步地，绝缘介质层上包括相互间隔的N-焊接层和P-焊接层；其中，N-焊接层在N-电极的第一部分上并通过绝缘介质层上的第二开口与N-电极的第一部分电连接；P-焊接层覆盖多个P-电极并且延伸超过多个P-电极足够的距离以防止光从多个P-电极的边缘泄露，P-焊接层通过绝缘介质层上的多个第一开口与多个P-电极电连接。参考图6B，P-焊接层可以覆盖远超过P-电极的范围，从而避免了光从P-电极边缘的泄露。根据本发明的一个实施例，P-电极、N-电极、N-焊接层和/或P-焊接层是高反射的，不但能够避免光泄露，还可以增加光的发射强度。

对于本发明的LED器件而言，图6A-图6C所示的结构还有额外的好处。参考图6B和图6C，本发明的LED器件保留的衬底与焊接层相连，从而能够大幅度地提高本发明的LED器件的机械强度。为了后续的电连接，焊接层的厚度是较大的。在本发明的LED器件中，厚度较大的部分就是保留的衬底和焊接层，其他部分的厚度都很小。在本发明的LED器件中，保留的衬底得与焊接层连接，即从垂直方向上看保留的衬底上方存在焊接层。这样的结构在受力上有利于将外力传递到整个LED器件上，从而使得整个器件结构更为坚固。

根据本发明的一个实施例，焊接层(包括N-焊接层和/或P-焊接层)可以为多层结构，例如包括下层的反射层和上层有利于焊接的金属结构。本领域技术人员应当理解，图1-图5的实施例中也可以包括焊接层。在图6A-图6C的实施例中，焊接层经设计以用来避免漏光和提高机械强度。可选地，P-电极和N-电极也可以采用其他的形状或者布局。图6A中的形状仅为实例性的内容。

图7是根据本发明的一个实施例的LED器件的制造方法的示意图。如图7所示，LED器件的制造方法700包括如下步骤：在步骤710，在Si衬底的氮化物外延片上设置P-电极；其中Si衬底的氮化物外延片包括Si衬底、成核层、电子传输层、辐射层和空穴传输层。根据本发明的一个实施例，P-电极的材料包括高反射率的金属材料，包括但不限于银、铝、镍等。根据本发明的另一个实施例，P-电极为包括透明导电材料如ITO和高反射率材料的复合结构，其中与空穴传输层接触的为透明导电材料，在其上面为高反射率材料。

在步骤720，移除部分空穴传输层和辐射层，曝露电子传输层，并在电子传输层上设置N-电极。根据本发明的一个实施例，步骤720和步骤710可以互换次序或者合并。根据本发明的一个实施例，移除部分电子传输层，以保证在N电极下方不会存在发光结构。

在步骤730，部分移除Si衬底，保留经移除的空穴传输层和辐射层的区域或其一部分对应的Si衬底。根据本发明的一个实施例，LED发光结构区域的Si衬底在此步骤中被移除或大部分被移除。在步骤730中可以进一步包括在移除Si衬底后作为出光面的电子传输层上制作出光结构。

在步骤740，在Si衬底的空洞的侧面形成反射层。根据本发明的一个实施例，利用溅镀高反射金属的方法形成反射层。高反射金属可以包括银、铝、镍等。根据本发明的一个实施例，Si衬底的空洞的侧面是倾斜的，施加反射层后Si衬底的空洞形成反射杯。

在步骤750，在Si衬底的空洞中填充透明材料，其中填充的透明材料中包括光转换物质，例如荧光粉等。

在步骤760，在填充的透明材料上方制作光学器件。本领域技术人员应当理解，步骤760是可选的。

在步骤770，划片并切割衬底，形成独立的LED器件。

图8是根据本发明的一个实施例的LED器件封装方法。如图所示，封装方法800包括如下步骤：在步骤810，提供基板或者PCB板；其中基板或者PCB板包括布线和多个触点。在步骤820，将本发明如上所述的LED器件以倒装芯片或贴片的方式安装到基板或者PCB板上。

本发明提出了一种全新的LED结构，其适于在硅Si衬底上制作LED，并且具有很高的功率。虽然本发明的LED结构同样适用于其他的衬底，例如SiC碳化硅等材料。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (16)

1.一种LED器件的制造方法，包括：

在外延片上设置P-电极，其中外延片包括衬底、电子传输层、辐射层和空穴传输层；

移除部分空穴传输层和辐射层，并在曝露出的电子传输层上设置N-电极；

部分移除衬底，保留被移除的空穴传输层和辐射层区域或其一部分对应的衬底；以及

在经部分移除的衬底中填充透明材料。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在移除部分空穴传输层和辐射层之后，移除部分电子传输层。

3.根据权利要求1所述的方法，其中填充透明材料中包括光转换材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其中保留的衬底位于LED器件的周围。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述方法进一步包括在填充的透明材料上施加光转换材料。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在填充透明材料之前，在经部分移除的衬底空洞的侧面设置反射层。

7.一种LED器件，包括：

衬底；

衬底上方的依次设置的电子传输层、辐射层和空穴传输层，其中辐射层和空穴传输层被部分移除以曝露电子传输层，其中，衬底中填充透明材料；

P-电极，其设置在空穴传输层上；以及

N-电极，其设置在经曝露的电子传输层上。

8.根据权利要求7所述的LED器件，其中衬底中形成的反射杯。

9.根据权利要求7所述的LED器件，其中衬底是Si衬底。

10.根据权利要求7所述的LED器件，其中衬底在经部分移除的辐射层和空穴传输层区域或其一部分上。

11.根据权利要求7所述的LED器件，其中经填充的透明材料中包括光转换物质。

12.根据权利要求7所述的LED器件，其中衬底位于LED器件的周围。

13.根据权利要求12所述的LED器件，进一步包括经填充的透明材料和衬底上方的光转换物质层，其中经填充的透明材料中不包括光转换物质。

14.一种LED器件的封装方法，包括：

提供基板或PCB板，其包括多个触点；以及

将如权利要求1-6中任一方法制造的LED器件或者如权利要求7-13中任一的LED器件以倒装芯片的方式或贴片方式安装到基板或PCB板上。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在在如权利要求1-6中任一方法制造的LED器件或者如权利要求7-12的LED器件上施加光转换物质。

16.一种照明装置，包括一个或多个如权利要求1-6中任一的LED器件，或者如权利要求7-13中任一的LED器件，或者采用如权利要求14或15中任一的方法封装的LED器件。