CN114864784A - 一种发光二极管及发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管芯片技术领域，特别涉及一种发光二极管及发光装置，与现有技术相比，本发明通过设置键合层将外延层键合于基板之上。本发明的键合层为双层结构，也即第一键合胶层和第二键合胶层的结构，并且通过第二键合胶层与外延层的结合界面相对第一键合胶层与基板的结合界面解离温度更低的设计，可通过加热的方式将第二键合胶层剥离于所述外延层使得键合层一方面具有第一键合胶层的稳定性以保证芯粒与基板的连接强度，避免制程中发生自然脱落的情况，另一方面通过更易于被去除的第二键合胶层与外延层相连接，以降低剥离条件，提高芯粒转印剥离的效率并且避免了现有技术中剥离后芯粒表面有残胶等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及发光装置。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为半导体发光元件，通常是由如GaN、GaAs、GaP、GaAsP、AlGaInP等半导体制成，其核心是具有发光特性的PN结构，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具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。其中Micro LED(Micro Light Emitting Diode，微型发光二极管)作为新一代显示技术，相比于LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(OrganicLight Emitting Diode，有机发光二极管)技术，其亮度更高、发光效率更好、同时具有低功耗和长寿命的性能。
在微型发光二极管的制备工艺流程过程中，需要将数以千万计的Micro LED从生长基板上剥离下来，然后将这些Micro LED转移到目标基板上。巨量转移作为技术突破关键点，其流程主要包含激光剥离、巨量转移以及检测修复过程。对此，基板与Micro LED外延层之间需要制作一键合层或者牺牲层，剥离时需要经由雷射激光将Micro LED剥离并转移至例如PCB版或电路设计模组。现有技术中，该键合层一方面为了保证外延层与基板的连接强度，防止在芯片转移过程中发生自然脱落等不利情况；另一方面，又要求该键合层具有易于被清除剥离的性质，以降低剥离难度或者剥离成本。因此，寻求一种键合层材料满足上述性质，成为了本领域技术人员未解决的难题。
对此，如图1所示，现有技术中的发光二极管100例如采用聚酰亚胺(Polyimide，简称PI胶)或者苯并环丁烯(Benzocyclobutene，简写为BCB)的单层结构作为上述键合层120连接基板110和外延层130。但是，由于键合层120为保证连接强度的材料，在剥离时存在不容易被去除的问题，如图2所示，对于该键合层120进行300nm波长的镭射激光剥离后，会产生残胶或者镭射碳化残留物于芯粒表面。需要将芯粒表面的残胶做移除,但是移除残胶会伤害到芯粒表面,而影响到芯粒的光电特性与产品的可靠性。
综上所述，本专利申请的目的在于解决剥离基板后芯粒表面存在残留物的问题。
发明内容
本发明提供一种发光二极管，包括：
基板；
外延层，具有依次层叠于所述基板之上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；
第一电极，电连接所述第一半导体层；
第二电极，电连接所述第二半导体层；以及
键合层，所述键合层位于所述基板和所述外延层之间；
其特征在于，
所述键合层自所述基板至所述外延层依次包括相层叠的第一键合胶层和第二键合胶层，所述第二键合胶层与所述外延层的结合界面的解离温度为220度以上，所述第一层键合胶层与所述基板的结合界面的解离温度为300度以上。
在一实施例中，所述第一键合胶层的厚度为所述第二键合胶层的1-3或3-15或15-30倍。
在一实施例中，所述第二键合胶层的厚度介于0.5-1微米或者1-5微米之间。
在一实施例中，所述第一键合胶层的厚度介于0.5-15微米之间。
在一实施例中，所述第二键合胶层会被SF6、CF4、O2、等离子气体或者去胶液去除。
在一实施例中，所述第一键合胶层不会被所述SF6、所述CF4、所述O2、所述等离子气体或所述去胶液去除。
在一实施例中，所述第二键合胶层的材料包含苯并环丁烯或者双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物。
在一实施例中，所述第一键合胶层的材料包含γ-丁内酯,乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯或者聚酰胺酸中的一种或多种的组合。
在一实施例中，所述键合层的第一键合胶层/第二键合胶层的结构包括苯并环丁烯/γ-丁内酯、苯并环丁烯/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、苯并环丁烯/聚酰胺酸、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/γ-丁内酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/聚酰胺酸中的一种。
在一实施例中，于水平方向上，所述第二键合胶层的边缘相对所述第一键合胶层内缩，内缩的距离L介于0.3-4微米之间。
在一实施例中，所述第一电极和所述第二电极位于所述外延层背离所述第一半导体层的一侧。
本发明还提供一种发光装置，采用如上任一所述的发光二极管。
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的发光二极管，通过设置键合层将外延层键合于基板之上。本发明的键合层为双层结构，也即第一键合胶层和第二键合胶层的结构，并且通过第二键合胶层与外延层的结合界面相对第一键合胶层与基板的结合界面解离温度更低的设计，可通过加热的方式将第二键合胶层剥离于所述外延层，使得键合层一方面具有第一键合胶层的稳定性以保证芯粒与基板的连接强度，避免制程中发生自然脱落的情况，另一方面通过更易于去除的第二键合胶层与外延层相连接，以降低剥离条件，提高芯粒转印剥离的效率并且避免了现有技术中剥离后芯粒表面有残胶等质量问题。
本发明的其它特征和有益效果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。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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它的附图。
图1为现有发光二极管结构截面示意图；
图2为现有发光二极管剥离基板后芯粒表面残留物示意图；
图3为本发明提供发光二极管结构截面示意图；
图4为本发明优选实施例提供的发光二极管结构截面示意图；
图5-图7为发光二极管的形成及剥离各阶段结构示意图。
附图标记：
100、200、300-发光二极管；110、210、310-基板；120、220、320-键合层；130、230、330-外延层；221、321-第一键合层；222、322-第二键合层；231-第一半导体层；232-发光层；233-第二半导体层；240-第一电极；250-第二电极；260-绝缘层；231a-微结构；L-第二键合胶层内缩距离。
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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为达优点至少其中之一或其他优点，请参阅图3，图3为本发明提供发光二极管结构截面示意图，需要说明的是，本发明实施例中以尺寸介于0.1-100μm之间的微发光二极管为例进行结构说明。可以理解的是，本申请实施例中的某些方面结构同样适用于Mini LED芯片或者其他尺寸的LED芯片中。
本发明的一实施例提供的一种发光二极管200包括基板210、键合层220、外延层230、第一电极240以及第二电极250：
基板210具有相对的第一表面211和第二表面212，本实施例中，发光二极管200的放置方式使得基板210的第一表面211朝上、第二表面212朝向下方，对此本发明不做特殊限定。基板210可以是绝缘衬底，优选的，基板210也可以是以透明材料或半透明材料所制成，例如为蓝宝石Al2O3、GaN、SiC或玻璃等材料制成，本实施例中的基板210采用蓝宝石衬底为例进行方案说明。本实施例中发光二极管200以倒装结构为例进行说明，即发光二极管200的出光面位于第一半导体层231远离发光层232的一侧，第一电极240和第二电极250位于外延层230背离第一半导体层231的一侧。第一半导体层231具有未被发光层232和第二半导体层233覆盖的部分表面，第一电极240位于该未被覆盖的部分表面上；第二电极250位于第二半导体层233之上。第一电极240和第二电极250各自含包的材料选自Cr、Pt、Au、Ni、Ti、Rh、Al中的一种或多种的群组。
如图3所示，外延层230通过键合层220设置在基板210的上表面。外延层230包括通过键合层220依次层叠在基板210的第一表面211上的第一半导体层231、发光层232以及第二半导体层233，第一半导体层231、发光层232以及第二半导体层233均可通过现有的外延方法制造，例如有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、分子束沉积法(MBE)或者氢化物气相沉积法(HVPE)。第一半导体层231形成于基板210的第一表面211之上。第一半导体层231可以为N型半导体层，在电源作用下可以向发光层232提供电子。在一些实施例中，第一半导体层231包括N型掺杂的氮化物层，磷化物层或者砷化物层。N型掺杂的氮化物层，磷化物或者砷化物可包括一个或多个IV族元素的N型杂质。N型杂质可以包括Si、Ge、Sn中的一种或其组合。
发光层232形成于第一半导体层231之上，发光层232可以为量子阱结构(QuantumWell，简称QW)。在一些实施例中，发光层232也可以为多重量子阱结构(Multiple QuantumWell，简称MQW)，其中多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的多个量子阱层(Well)和多个量子阻障层(Barrier)，例如可以是GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN、InGaN/AlGaN、GaInP/AlGaInP、GaInP/AlInP、InGaAS/AlInGaAS的多量子阱结构。此外，发光层232内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。为了提高发光层232的发光效率，可通过在发光层232中改变量子阱的深度、成对的量子阱和量子势垒的层数、厚度和/或其它特征来实现。
在图示实施例中，外延层230中的第二半导体层233为P型半导体层，在电源作用下可以向发光层232提供空穴。在一些实施例中，第二半导体层233包括P型掺杂的氮化物层，磷化物层或者砷化物层。P型掺杂的氮化物层，磷化物层或者砷化物层可包括一个或多个II族元素的P型杂质。P型杂质可以包括Mg、Zn、Be中的一种或其组合。第二半导体层233可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构具有不同的组成。此外，外延层230的设置不限于此，可以是依据实际需求来选择其它种类的外延层230的结构。
优选地，在一些实施例中，发光二极管200还包括电流扩展层(图未示)，电流扩展层设置于第二电极250以及第二半导体层233之间，电流扩展层用于扩展电流，使得电流分布更为均匀，以提升发光二极管200的出光性能，电流扩展层可以由透明导电材料制成，也可以是由金属材料制成，其可根据第二半导体层233的表层(如p型GaN表面层)的掺杂情况进行适配性的选择。透明导电材料可包含铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、锌铟氧化物(indium zinc oxide，IZO)、氧化铟(indium oxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、镉锡氧化物(cadmium tin oxide，CTO)、锡锑氧化物(antimony tin oxide，ATO)、铝锌氧化物(aluminum zinc oxide，AZO)、锌锡氧化物(zinc tin oxide，ZTO)、氧化锌掺杂镓(galliumdoped zinc oxide，GZO)、氧化铟掺杂钨(tungsten doped indium oxide，IWO)或者氧化锌(zincoxide，ZnO)；金属材料可以选用Ni/Au合金、Ni/Rh合金、Ni/Al/Au合金等，但本公开实施例并非以此为限。
在图示实施例中，发光二极管200还包括绝缘层260，绝缘层260覆盖外延层230、第一电极240、第二电极250等，起到绝缘保护的效果。绝缘层260根据涉及的位置具有不同的功效，例如：当绝缘层260覆盖外延层230的侧壁时，其可用于防止因导电材料泄露而电连通第一半导体层231和第二半导体层233，减少发光二极管200的短路异常，但本公开实施例并非以此为限。绝缘层260的材料包含非导电材料。非导电材料优选地为无机材料或是介电材料。无机材料可以包含硅胶。介电材料包含氧化铝、氮化硅、氧化硅、氧化钛、或氟化镁等电绝缘材料。例如，绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌、钛酸钡或者其组合，其组合例如可以是两种不同折射率的材料重复堆叠形成的布拉格反射镜(DBR)
进一步地，为了提升发光二极管200的光提取效率，如图3所示，本实施例中于第一半导体层231背离发光层232的表面上设置有图形化微结构，图形化微结构为采用但不限于湿法蚀刻、干法蚀刻、压印技术、电子束曝光或者纳米球自组装等技术形成于一结构表面的若干呈周期性排布或者非周期性排布的微结构231a，微结构231a的形状可以为圆锥形、类圆锥形、类圆台型、类多边锥形、类多边台形、柱形或者球形等凸点形状，其分布方式可呈现周期性正方格子排布、周期性六角密堆积排布、非周期性的准晶排布或随机排布等多种排布方式，本实施例中的微结构231a的形状以圆锥形为例，排布方式为周期性六角密堆积排布，但本实施例中非以此为限。
键合层220位于基板210和外延层230之间，一方面起到外延层230和基板210之间连接结构的作用，另一方面当需要对外延层230进行转移需要将外延层230从基板210之上剥离时，起到牺牲层的作用，通过牺牲去除键合层220以解除外延层230和基板210之间的结合。现有技术中如图1和图2所示的发光二极管100的键合层120的结构会导致剥离时由于高温聚集于键合层120与基板110的界面上，键合层120位于基板110的一侧先行脱落，造成剥离后外延层130上的大量残胶或者使用更高温度进行解离时造成键合层120的胶层碳化，容易导致在外延层130的表面上留有残胶，造成产品良率低的问题。
为了解决上述问题，本发明一实施例如图3所示，键合层220的结构自基板210至外延层230依次包括相层叠的第一键合胶层221和第二键合胶层222，并且第二键合胶层222与外延层230的结合界面相对第一键合胶层221与基板210的结合界面更易于被加热解离，其中结合界面的解离指的是达到特定温度时由于胶层的软化、融化或者胶层被化学气体、液体等腐蚀溶解，使得该胶层被剥离于该结合界面进而使得由该胶层连接的两部分相分离的过程。在一些实施例中，第一键合胶层221和第二键合胶层222一般可采用非导电材料，对于该类材料的去除时可采用加热的方式解离第二键合胶层222与外延层230的结合界面以将外延结构剥离于基板210，或者使用化学气体或者溶液对第二键合胶层222进行腐蚀方式进行剥离。
由上可知，对于键合层220的要求是既能保证一定的连接强度又要容易被去除。在一实施例中，第一键合胶层221的厚度为第二键合胶层222的1-3或3-15或15-30倍，较佳为3-15倍的范围之内。键合层220通过以物性或化性相对更为稳定的第一键合胶层221为结构主体，物性和化性的稳定性相对较弱的第二键合胶层222直接与外延层230相接触的设置，既可提供基板210与外延层230之间的连接强度以及稳定性的保障，防止发生由于连接强度或者稳定性差造成外延层230自然脱落的现象；又可以利用第一键合胶层221和第二键合胶层222之间物性或者化性的差异性，例如在一些实施例中第二键合胶222与外延层230的结合界面的解离温度为220度以上，第一层键合胶221与基板210的结合界面的解离温度为300度以上，又例如在一些实施例中采用化学剥离工艺，对第二键合胶层222可采用SF6、CF4、O2、等离子气体或者去胶液进行侧蚀，而第一键合胶层不会被SF6、CF4、O2、等离子气体或去胶液去除。
通过高于第二键合胶层222与外延层230的结合界面解离温度的去除手段进行剥离，例如加热使得键合层220的温度达到220-300度的温度；或者采用SF6、CF4、O2、等离子气体或者去胶液进行侧蚀等方式，此时第一键合胶层221还处于稳定状态，有助于提升基板210和外延层230连接的可靠性，而第二键合胶层222从其与外延层230的结合界面处先行剥离而被轻易去除，进而避免剥离后外延层230表面残胶问题以提高产品良率。较佳地，在一实施例中，第二键合胶层的厚度介于0.5-1微米或者1-5微米之间。第一键合胶层的厚度介于0.5-15微米之间。
具体地，在一实施例中，第二键合胶层222的材料包含苯并环丁烯或者双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物。第一键合胶层221的材料包含γ-丁内酯,乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯或者聚酰胺酸中的一种或多种的组合。键合层220的第一键合胶层221/第二键合胶层222的结构包括苯并环丁烯/γ-丁内酯、苯并环丁烯/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、苯并环丁烯/聚酰胺酸、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/γ-丁内酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/聚酰胺酸中的一种。
优选地，在一实施例中，如图4所示，图4为一实施例提供的发光二极管300截面结构示意图；发光二极管300与发光二极管200相比，基板310、外延层330、键合层320叠层结构和材料选用等方面均相同，此处仅就差异之处进行详述。
发光二极管300中的键合层320于水平方向上，第二键合胶层322的边缘相对第一键合胶层321具有内缩，内缩的距离L介于0.3-4微米之间，优选为1-2μm之间，也即第二键合胶层322一侧的边缘距离第一键合胶层321的边缘L介于0.3-4微米之间，参见图4。通过第二键合胶层322的内缩结构使得例如进行化学剥离工艺时，更有利于气体或者溶液对第二键合胶层322的侧蚀，降低剥离难度并且提升了剥离转移效率。
请参阅图5至图7，图5至图7是发光二极管200在形成和剥离过程中各阶段的结构示意图。
参照图5，先是在基板210上依次沉积第一键合胶层221和第二键合胶层222以形成键合层220。在一些实施例中，可以通过旋涂工艺将第一键合胶层221沉积在基板210上，固化后将第二键合胶层222沉积在第一键合胶层222上。键合层220的第一键合胶层221/第二键合胶层222的材料结构可采用苯并环丁烯/γ-丁内酯、苯并环丁烯/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、苯并环丁烯/聚酰胺酸、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/γ-丁内酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/聚酰胺酸中的一种。
参照图6，接着将外延层230序列通过键合层220键合在基板210，所述外延层230序列包含依次层叠的第一半导体层231、发光层232、第二半导体层233及第一电极240和第二电极250。
当进行剥离转移时，参照图7，加热使得键合层220的温度达到240-320以上的温度；或者采用SF6、CF4、O2、等离子气体或者去胶液进行侧蚀等方式，将第二键合胶层222去除以使得外延结构脱离基板210，进一步地，可利用第二键合胶层222与上述化学气体或去胶液反应活跃的特性，对于外延层230表面可能残留的微量残胶进行完全去除，然后将外延结构转移至接收基板。
本发明还提供一种发光装置，采用如上任一实施例所述的发光二极管，其具体结构与技术效果不再赘述。
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的发光二极管，通过设置键合层将外延层键合于基板之上。本发明的键合层为双层结构，也即第一键合胶层和第二键合胶层的结构，并且通过第二键合胶层与外延层的结合界面相对第一键合胶层与基板的结合界面解离温度更低的设计，可通过加热的方式将第二键合胶层剥离于所述外延层使得键合层一方面具有第一键合胶层的稳定性以保证芯粒与基板的连接强度，避免制程中发生自然脱落的情况，另一方面通过更易于被去除的第二键合胶层与外延层相连接，以降低剥离条件，提高芯粒转印剥离的效率并且避免了现有技术中剥离后芯粒表面有残胶等质量问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种发光二极管，包括：
基板；
外延层，具有依次层叠于所述基板之上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；
第一电极，电连接所述第一半导体层；
第二电极，电连接所述第二半导体层；以及
键合层，所述键合层位于所述基板和所述外延层之间；
其特征在于，
所述键合层自所述基板至所述外延层依次包括相层叠的第一键合胶层和第二键合胶层，所述第二键合胶层与所述外延层的结合界面的解离温度为220度以上，所述第一层键合胶层与所述基板的结合界面的解离温度为300度以上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一键合胶层的厚度为所述第二键合胶层的1-3或3-15或15-30倍。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二键合胶层的厚度介于0.5-1微米或者1-5微米之间。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一键合胶层的厚度介于0.5-15微米之间。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二键合胶层会被SF6、CF4、O2、等离子气体或者去胶液去除。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述第一键合胶层不会被所述SF6、所述CF4、所述O2、所述等离子气体或所述去胶液去除。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二键合胶层的材料包含苯并环丁烯或者双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一键合胶层的材料包含γ-丁内酯,乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯或者聚酰胺酸中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述键合层的第一键合胶层/第二键合胶层的结构包括苯并环丁烯/γ-丁内酯、苯并环丁烯/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、苯并环丁烯/聚酰胺酸、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/γ-丁内酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯、双酚芴环氧丙烯酸酯附加物与丙二醇甲醚醋酸酯的混合物/聚酰胺酸中的一种。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：于水平方向上，所述第二键合胶层的边缘相对所述第一键合胶层内缩，内缩的距离L介于0.3-4微米之间。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极位于所述外延层背离所述第一半导体层的一侧。
12.一种发光装置，其特征在于：采用如权利要求1-11中任一项所述的发光二极管。
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