CN116759518A - 一种高寿命led芯片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于LED芯片技术领域，具体涉及一种高寿命LED芯片结构及其制备方法，包括第一电极、电流扩展层、钝化层、第二电极、第一半导体接触层、第一半导体层、量子发光层、第二半导体层、缓冲层、蓝宝石衬底，所述第一半导体接触层的下方设置有第一半导体层，所述第一半导体层的下方设置有量子发光层，所述量子发光层的下方设置有第二半导体层，所述第一半导体接触层上生长有电流扩展层，所述电流扩展层和第二半导体层上生长有钝化层。本发明通过制备衬底导热通道，将外延层与封装基板连接，使器件在工作中产生的热能通过本发明设计的导热通道导出，从而有效解决传统正装结构衬底导热差的问题，进而提升器件使用寿命。本发明用于LED芯片的制备。
Description
技术领域
本发明属于LED芯片技术领域，具体涉及一种高寿命LED芯片结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode ,LED)是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件。随着LED产业的发展，大功率LED越来越受到人们的青睐，其中垂直结构LED芯片具备电流承受能力强和出光效果好等优点。因此，各大LED厂商越来越重视垂直结构LED芯片的开发。
LED芯片目前主要以正装结构、倒装结构和垂直结构为主。三种结构各有优势及领域。正装结构芯片在业内占比居多，且较为成熟。得益于其制备工艺简易的优点。而相比与倒装结构、垂直结构相比仍存在很多的劣势。如常规蓝宝石衬底基正装结构芯片，如图2所示，由于蓝宝石衬底的导热系数较低，以至于器件产生的热能很难高效导出，从而导致器件使用寿命下降。研究人员为解决该问题也做了一些研究，如将衬底尽量减薄，而该方式也并不能很高效的解决散热问题，特别在器件大功率注入的情况下，另外考虑制备良率，并不能无限将衬底减薄。为更高效的提高器件的散热，提高器件使用寿命，有必要研究一种高效的方法来解决。
发明内容
针对上述器件产生的热能很难高效导出，从而导致器件使用寿命下降的技术问题，本发明提供了一种高寿命LED芯片结构及其制备方法，可有效解决传统LED芯片散热差的问题，从而提高器件寿命。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高寿命LED芯片结构，包括第一电极、电流扩展层、钝化层、第二电极、第一半导体接触层、第一半导体层、量子发光层、第二半导体层、缓冲层、蓝宝石衬底，所述第一半导体接触层的下方设置有第一半导体层，所述第一半导体层的下方设置有量子发光层，所述量子发光层的下方设置有第二半导体层，所述第一半导体接触层上生长有电流扩展层，所述电流扩展层和第二半导体层上生长有钝化层，所述电流扩展层上生长有第一电极，所述第二半导体层上生长有第二电极，所述第一电极和第二电极穿过钝化层设置，所述第二半导体层下方设置有缓冲层，所述缓冲层下方设置有蓝宝石衬底。
所述蓝宝石衬底的下方蒸镀有反射层，所述反射层的下方蒸镀有焊接层。
所述蓝宝石衬底的内部开设有导热通道，所述导热通道贯穿蓝宝石衬底，所述导热通道连通缓冲层至焊接层。
所述导热通道的形状采用柱状或锥形，所述导热通道的排布方式为单排或阵列，所述导热通道内部填充有高导热材料和高反射金属材料。
所述反射层覆盖在蓝宝石衬底底面的整面区域，所述反射层的材料采用高反射金属材料或DBR材料。
所述焊接层的材料采用高导热、低熔点的金属材料。
一种高寿命LED芯片结构的制备方法，包括下列步骤：
S1、在蓝宝石衬底基生长外延层，外延层从上至下一次包括第一半导体接触层、第一半导体层、量子发光层、第二半导体层、缓冲层、蓝宝石衬底；
S2、在外延层上依次制备电流扩展层、第一电极、第二电极、钝化层，电流扩展层设置在第一半导体接触层表面，第一电极设置在电流扩展层之上，第二电极设置在第二半导体层之上；
S3、将蓝宝石衬底减薄至80-150um，并将蓝宝石衬底做表面抛光；
S4、将晶圆倒置，采用光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，按设定图形从蓝宝石衬底底面刻蚀至缓冲层，制备出导热通道；
S5、采用高导热材料和高反射金属材料将导热通道填充；
S6、制备反射层，反射层覆盖在蓝宝石衬底底面的整个区域，反射层材料采用高导热低熔点的金属材料；
S7、制备焊接层，焊接层覆盖在反射层底面的整个区域，焊接层直接连接反射层、导热通道，焊接层采用高导热、低熔点的金属材料。
还包括将第一电极和第二电极掩膜去除，通过激光隐形切割，按单元芯粒尺寸对晶圆进行切割，完成芯片制备。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明通过制备衬底导热通道，将外延层与封装基板连接，使器件在工作中产生的热能通过本发明设计的导热通道导出，从而有效解决传统正装结构衬底导热差的问题，进而提升器件使用寿命。另外，本发明通过对导热通道形状设计、高反射高导热材料及反射层焊接层的结构设计，大大提升了器件的光提取效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明蓝宝石衬底外延层示意图；
图2为传统LED芯片结构示意图；
图3为本发明的LED芯片结构示意图；
图4为本发明的制备步骤流程图。
其中：101为蓝宝石衬底基，102为蓝宝石衬底，103为缓冲层，104为第二半导体层，105为量子发光层，106为第一半导体层，107为第一半导体接触层，201为第一电极，202为电流扩展层，203为第二电极，204为钝化层，205为导热通道，206为反射层，207为焊接层。
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本实施例的高寿命LED芯片结构从上至下依次为：第一电极201、电流扩展层202、钝化层204、第二电极203、第一半导体接触层107、第一半导体层106、量子发光层105、第二半导体层104、缓冲层103、导热通道205、蓝宝石衬底102、反射层206、焊接层207。
其中，导热通道205贯穿蓝宝石衬底102，连接缓冲层103与反射层206，形状可为柱状、锥形等，数量可以为1个或多个，排布可为单排或阵列。不同形状设计对光提取也有一定的提升作用，如采用圆锥形状，通过在导热通道205内填充高反射、高导热材料，结合形成高反射结构，从而提升高提取效率。
导热通道205的制备方法，在蓝宝石衬底102底面，通过光刻工艺在指定区域制备所需图形，然后通过采用干法刻蚀、湿法腐蚀或两者配合的方法刻蚀至缓冲层103，形成导热通道205。该导热通道205使用高导热、高反射金属材料填充。
反射层206，覆盖蓝宝石衬底102底面整面区域，材料可选为高反射金属材料或DBR材料，或与上述导热通道205填充金属材料一起制备。该反射层206作用可作为反射以及连接导热通道205和焊接层207的作用。
焊接层207，主要采用高导热、低熔点的金属材料制备，如Sn、AuSn合金等。目的是连接导热通道205与封装支架基板。器件产生的温度依次通过缓冲层103、导热通道205、反射层206、焊接层207，至封装支架基板，形成完整导热结构。
本实施例制备芯片尺寸为10mil*18mil，如图4所示，采用本实施例制备高寿命正装结构LED芯片：
步骤一、在蓝宝石衬底基101生长外延层，如图1所示，外延层从上至下包括第一半导体接触层107、第一半导体层106、量子发光层105、第二半导体层104、缓冲层103、蓝宝石衬底102；
步骤二、按正装结构LED制备工艺，在外延层面制备电流扩展层202、第一电极201、第二电极203、钝化层204。电流扩展层202设置于第一半导体接触层107表面，第一电极201设置于电流扩展层202之上，第二电极203设置于第二半导体层104之上。
步骤三、将蓝宝石衬底102减薄，减薄厚度至80-150um，并将蓝宝石衬底102底面抛光。
步骤四、采用掩膜方式，将第一电极201、第二电极203整面覆盖，本实施例采用光阻胶进行保护。制备导热通道205、反射层206、焊接层207单步工艺前都需在第一电极201和第二电极203上重复制备掩膜。
步骤五、晶圆倒置，采用光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀工艺，按设定图形从蓝宝石衬底102底面刻蚀至缓冲层103，制备出导热通道205。如图3所示，本实施例制备图形为锥形，直径为10-30um，3×2阵列布置，共计6个。
步骤六、采用光刻、金属蒸镀设备，制备单元芯粒尺寸图形，图形内暴露导热通道205及蓝宝石衬底102底面，然后蒸镀反射层206和焊接层207，两者一体形成，填充导热通道205并覆盖整个蓝宝石衬底102底面。所用金属体系为NiAg/AuSnAuSnAuSnAu，其中NiAg为反射层206，AuSnAuSnAuSnAu为焊接层207。
步骤七、将第一电极201、第二电极203掩膜去除，由于本实施利采用光阻胶作为掩膜材料，使用丙酮即可去除。
步骤八、通过激光隐形切割，按单元芯粒尺寸对晶圆进行切割，完成芯片制备。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高寿命LED芯片结构，其特征在于：包括第一电极（201）、电流扩展层（202）、钝化层（204）、第二电极（203）、第一半导体接触层（107）、第一半导体层（106）、量子发光层（105）、第二半导体层（104）、缓冲层（103）、蓝宝石衬底（102），所述第一半导体接触层（107）的下方设置有第一半导体层（106），所述第一半导体层（106）的下方设置有量子发光层（105），所述量子发光层（105）的下方设置有第二半导体层（104），所述第一半导体接触层（107）上生长有电流扩展层（202），所述电流扩展层（202）和第二半导体层（104）上生长有钝化层（204），所述电流扩展层（202）上生长有第一电极（201），所述第二半导体层（104）上生长有第二电极（203），所述第一电极（201）和第二电极（203）穿过钝化层（204）设置，所述第二半导体层（104）下方设置有缓冲层（103），所述缓冲层（103）下方设置有蓝宝石衬底（102）。
2.根据权利要求1所述的一种高寿命LED芯片结构，其特征在于：所述蓝宝石衬底（102）的下方蒸镀有反射层（206），所述反射层（206）的下方蒸镀有焊接层（207）。
3.根据权利要求2所述的一种高寿命LED芯片结构，其特征在于：所述蓝宝石衬底（102）的内部开设有导热通道（205），所述导热通道（205）贯穿蓝宝石衬底（102），所述导热通道（205）连通缓冲层（103）至焊接层（207）。
4.根据权利要求3所述的一种高寿命LED芯片结构，其特征在于：所述导热通道（205）的形状采用柱状或锥形，所述导热通道（205）的排布方式为单排或阵列，所述导热通道（205）内部填充有高导热材料和高反射金属材料。
5.根据权利要求2所述的一种高寿命LED芯片结构，其特征在于：所述反射层（206）覆盖在蓝宝石衬底（102）底面的整面区域，所述反射层（206）的材料采用高反射金属材料或DBR材料。
6.根据权利要求2所述的一种高寿命LED芯片结构，其特征在于：所述焊接层（207）的材料采用高导热、低熔点的金属材料。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高寿命LED芯片结构的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、在蓝宝石衬底基（101）生长外延层，外延层从上至下一次包括第一半导体接触层（107）、第一半导体层（106）、量子发光层（105）、第二半导体层（104）、缓冲层（103）、蓝宝石衬底（102）；
S2、在外延层上依次制备电流扩展层（202）、第一电极（201）、第二电极（203）、钝化层（204），电流扩展层（202）设置在第一半导体接触层（107）表面，第一电极（201）设置在电流扩展层（202）之上，第二电极（203）设置在第二半导体层（104）之上；
S3、将蓝宝石衬底（102）减薄至80-150um，并将蓝宝石衬底（102）做表面抛光；
S4、将晶圆倒置，采用光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，按设定图形从蓝宝石衬底（102）底面刻蚀至缓冲层（103），制备出导热通道（205）；
S5、采用高导热材料和高反射金属材料将导热通道（205）填充；
S6、制备反射层（206），反射层（206）覆盖在蓝宝石衬底（102）底面的整个区域，反射层（206）材料采用高导热低熔点的金属材料；
S7、制备焊接层（207），焊接层（207）覆盖在反射层（206）底面的整个区域，焊接层（207）直接连接反射层（206）、导热通道（205），焊接层（207）采用高导热、低熔点的金属材料。
8.根据权利要求7所述的一种高寿命LED芯片结构的制备方法，其特征在于：还包括将第一电极（201）和第二电极（203）掩膜去除，通过激光隐形切割，按单元芯粒尺寸对晶圆进行切割，完成芯片制备。
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