CN117352503A - Led光电耦合器件及其制造方法及led光电耦合器件封装结构 - Google Patents

Led光电耦合器件及其制造方法及led光电耦合器件封装结构 Download PDF

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CN117352503A CN202311310899.2A CN202311310899A CN117352503A CN 117352503 A CN117352503 A CN 117352503A CN 202311310899 A CN202311310899 A CN 202311310899A CN 117352503 A CN117352503 A CN 117352503A
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刘明庆
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Abstract

本申请提供一种LED光电耦合器件及其制造方法及LED光电耦合器件封装结构，本申请的LED光电耦合器件，通过透明绝缘介质将光发射芯片LED与光接收芯片光敏元件键合在一起，实现LED芯片与光敏元件的晶圆级键合，使得单一芯片具备光发射与光接收的功能。上述光耦合器件封装简单，成本低，并且能够充分利用LED芯片的出光，提高光电耦合器件的CTR。光敏元件经透明绝缘介质层与LED芯片键合，因此光敏元件无需形成复杂的钝化层，同时还可以在光敏元件上方形成增透膜层，以提高器件的CTR。

Description

LED光电耦合器件及其制造方法及LED光电耦合器件封装结构
技术领域
本发明涉及半导体器件及装置技术领域，特别涉及一种LED光电耦合器件及其制造方法及LED光电耦合器件封装结构。
背景技术
光耦器件是将LED与PT芯片或PD芯片封装在一起的集成器件。以LED与PT芯片集成的光耦器件为例，LED发出的光被PT芯片吸收，产生光生电流，并经PT放大，从而将光信号转换为电信号，实现输入端与输出端的电隔离，消除两端电路的互相干扰。传统的光耦器件是将独立的LED芯片与PT芯片分别进行封装，然后相对或平行排布，之后填充透明封装胶，再在封装胶外围覆盖不透光的塑料外壳。这样的集成封装方式虽然能够实现上述的LED与PT芯片的集成，但是存在诸多缺陷，例如：
1)制程复杂，成本高；
2)封装精度(两颗芯片相对位置、距离等精度)对光耦器件的CTR(电流转换比值)影响较大；
3)由于LED与PT独立封装，芯片间间距较大，LED发光利用率低，光耦器件的CTR值低；
4)封装外壳需屏蔽环境光，否则环境噪声大，对外壳材质、固化工艺等有严格要求；
5)由于芯片相对独立，因此PT芯片表面需设置复杂的钝化膜，如PSG、SiNx等多层复合膜用于屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免老化中出现漏电等异常，因此其制程复杂、且限制了膜层透光率的设计。
发明内容
鉴于现有技术中光电耦合器件存在的上述缺陷，本发明提供一种LED光电耦合器件及其制造方法及LED光电耦合器件封装结构，以解决上述一个或多个问题。
本申请的一个实施例，提供一种LED光电耦合器件，其至少包括：
LED芯片，至少包括依次叠置的第一外延层、有源层及第二外延层；
光敏元件，至少包括功能区以及覆盖所述功能区的增透膜层；
键合层，位于所述LED芯片和所述光敏元件之间，所述键合层在所述LED芯片的所述第一外延层一侧及所述光敏元件的所述增透膜层一侧将所述LED芯片与所述光敏元件键合为一体。
根据本申请的另一实施例，提供一种LED光电耦合器件，其至少包括：
LED芯片，至少包括依次叠置的第一外延层、有源层及第二外延层；
光敏元件，至少包括功能区；
透明衬底，所述透明衬底具有相对的第一侧和第二侧；
键合层，包括第一键合层和第二键合层，所述第一键合层形成在所述第一侧并与所述LED芯片键合，所述第二键合层形成在所述第二侧并与所述光敏元件键合。
根据本申请的另一实施例，提供一种LED光电耦合器件的制造方法，该方法包括以下步骤：
形成光敏元件，所述光敏元件至少包括功能区；
在所述功能区上方形成增透膜层；
在所述增透膜层上方形成键合层；
在所述键合层上方键合LED芯片。
根据本申请的另一实施例，提供一种LED光电耦合器件封装结构，其包括：
电路基板，所述电路基板上相互间隔地设置有多个焊盘；
LED光电耦合器件，所述LED光电耦合器件包括本申请实施例提供的LED光电耦合器件，所述光电耦合器件的发射极、集电极、第一电极及第二电极与所述焊盘一一对应地连接；
封装壳体，包裹所述电路基板及所述LED光电耦合器件；
多个引脚，经所述封装壳体一一对应地连接至所述焊盘。
如上所述，本申请的LED光电耦合器件及其制造方法及LED光电耦合器件封装结构，具有以下有益效果：
本申请的LED光电耦合器件，通过透明绝缘介质将光发射芯片LED与光接收芯片光敏元件键合在一起，实现LED芯片与光敏元件的晶圆级键合，使得单一芯片具备光发射与光接收的功能。上述光耦合器件封装简单，成本低，并且能够充分利用LED芯片的出光，提高光电耦合器件的CTR。光敏元件经透明绝缘介质层与LED芯片键合，因此光敏元件无需形成复杂的钝化层，同时还可以在光敏元件上方形成增透膜层，以提高器件的CTR。
附图说明
图1显示为现有技术中LED光电耦合器件的结构示意图。
图2显示为本申请实施例一提供的ED光电耦合器件的结构示意图。
图3显示为图2所示的ED光电耦合器件的制造方法的流程示意图。
图4显示为提供衬底在衬底上形成第一半导体层的结构示意图。
图5和图6显示为在图4所示结构中形成第二半导体层的结构示意图。
图7显示为在图6所示的结构中形成第三半导体层及掺杂环的结构示意图。
图8显示为在图7所示结构上方形成增透膜层的结构示意图。
图9显示为刻蚀图8所示的增透膜层形成电极通孔的结构示意图。
图10显示为在图9所示的结构上方形成光敏元件的电极引出层的结构示意图。
图11显示为图10所示的结构上方键合LED芯片的结构示意图。
图12显示为刻蚀图11所示的外延层形成第一台面的结构示意图。
图13显示为在图12所示结构上方形成LED的第一电极及反射结构的结构示意图。
图14显示为正在图13所示结构上方形成光敏元件的发射极及LED芯片的第二电极的结构示意图。
图15显示为本申请实施例二提供的ED光电耦合器件的结构示意图。
图16显示为本申请实施例三提供的ED光电耦合器件的结构示意图。
图17显示为本申请实施例四提供的ED光电耦合器件的结构示意图。
图18显示为本申请实施例五提供的LED光电耦合器件封装结构的剖视示意图。
图19显示为图18所示的LED光电耦合器件封装结构的立体结构示意图。
元件标号说明
10、封装外壳；11、光敏元件；12、LED芯片；13、透明胶体；001、LED光电耦合器件；100、功能区；101、衬底；101'、本征层；102、第一半导体层；102'、第一掺杂层；103、第二半导体层；103'、第二掺杂层；104、第三半导体层、105、环形掺杂层；105'、截止环；106、增透膜层；1060、通孔；107、电极引出层；108(108')、发射极；1081、导电柱；109(109')、集电极；110、基极；121、第一掩膜层；122、第二掩膜层；123、第三掩膜层；
200、键合层；201、第一键合层；202、第二键合层；500、透明衬底；
300、外延结构；301、第一外延层；302、有源层；303、第二外延层；304、反射结构；3041、绝缘反射层；3042、金属层；305、第一电极；306、第二电极；307、绝缘保护层；310、生长衬底、3010、第一台面；3020、发光台面；3030、第二台面；
300、发光装置；301、电路基板；302、发光元件；
400、LED光电耦合器件封装结构；401、电路基板；402、LED光电耦合器件；403、封装壳体；404、焊盘；4041、第一焊盘；4042、第二焊盘；4043、第三焊盘；4044、第四焊盘；405、引脚。
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。
如图1所示，现有技术中，光耦器件是将LED芯片11与光敏元件12(PT芯片或PD芯片)封装在一起的集成器件。独立的LED芯片11与光敏元件12分别进行封装，然后如图1所示相对排布，也可以是平行排布，之后在二者之间填充透明胶体13，再在透明胶体13外围覆盖不透光的封装外壳10，例如可以是塑料外壳。LED芯片和光敏元件分别以不同的引脚引出。这样的集成封装方式虽然能够实现上述的LED芯片与光敏元件的集成，但是这样的封装方式制程复杂、成本高；封装精度(两颗芯片相对位置、距离等精度)对光耦器件的CTR(电流转换比值)影响较大；另外，由于LED芯片与光敏元件独立封装，芯片间间距较大，LED发光利用率低，光耦器件的CTR值低；封装外壳需屏蔽环境光，否则环境噪声大，对外壳材质、固化工艺等有严格要求；由于LED芯片与光敏元件相对独立，因此光敏元件表面需设置复杂的钝化膜，用于屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免老化中出现漏电等异常，因此其制程复杂、且限制了膜层透光率的设计。
针对现有技术中LED光电耦合器件存在的上述种种缺陷，本申请的一实施例提供一种LED光电耦合器件，其包括：
LED芯片，至少包括依次叠置的第一外延层、有源层及第二外延层；
光敏元件，至少包括功能区以及覆盖所述功能区的增透膜层；
键合层，位于所述LED芯片和所述光敏元件之间，所述键合层在所述LED芯片的所述第一外延层一侧及所述光敏元件的所述增透膜层一侧将所述LED芯片与所述光敏元件键合为一体。
如上所述，本申请的LED光电耦合器件，由透明绝缘介质层作为键合层，一方面能够将光发射芯片LED与光接收芯片光敏元件键合在一起，实现LED芯片与光敏元件的晶圆级键合，使得单一芯片具备光发射与光接收的功能；另一方面，透明绝缘介质层能够减少LED芯片和光敏元件及其各自电路的互相干扰；其次，上述透明绝缘介质层还能够起到保护光敏元件的作用，屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免因老化出现漏电等异常。
在一些实施例中，所述键合层为透明绝缘介质层，所述键合层的厚度介于1μm～3μm。键合层的厚度可以根据实际需要进行设定，由此在实现键合的同时不会影响LED芯片发射的光透射至光敏元件。
在一些实施例中，所述增透膜层的厚度介于为λ/4n，其中，λ为所述LED芯片辐射的光的波长，n为所述增透膜层的折射率。
增透膜层通常可以采用抗反射材料形成，同样为绝缘材料层，该增透膜层一方面减少对LED芯片发出的光的反射，增加照射至光敏元件的光，以充分利用LED发出的光，提高LED光耦器件的CTR；另一方面，同样可以根据实际需要设定增透膜层的厚度，提供了增透膜层的设计自由度；其次，该增透膜层同样能够起到保护光敏元件的作用，与键合层协同作用，屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免因老化出现漏电等异常。
在一些实施例中，所述LED芯片的所述第一外延层与所述键合层结合的一侧的表面形成为粗化表面。形成粗化表面有利于提高与键合层的粘附性，同时也有利于提高LED芯片的光萃取率，提高出光效果。
在一些实施例中，所述LED芯片形成有发光台面及第一台面，所述第一台面位于所述发光台面的至少一侧，并且暴露所述第一外延层，所述第一台面的表面形成有第一电极，所述发光台面的上方形成有反射结构，所述反射结构上方形成有所述LED芯片的第二电极。反射结构对LED芯片的光进行有效反射，使得更多的光能够照射至光敏元件，提高器件的CTR。
在一些实施例中，所述光敏元件还包括衬底，所述功能区形成在所述衬底上，并且所述功能区包括：在所述衬底上依次形成的第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层以及形成在所述第一半导体层边缘的环形掺杂层，
其中，所述第一半导体层和所述第三半导体层具有相同的导电类型，所述第二半导体层与所述第一半导体层和所述第三半导体层具有相反的导电类型，所述环形掺杂层与所述第一半导体层具有相反的导电类型，并且所述环形掺杂层与所述第二半导体层相互间隔。
在一些实施例中，所述LED光电耦合器件还包括第二台面，所述第二台面的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述第二台面所暴露的所述增透膜层上方形成有所述光面元件的发射极，所述发射极与所述第三半导体层电连接，所述衬底的背面形成有所述光敏元件的集电极。
在一些实施例中，所述LED光电耦合器件还包括第二台面，所述第二台面的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述第二台面所暴露的所述增透膜层上方形成有所述光面元件的电极引出层，所述电极引出层与所述第三半导体层电连接，所述光敏元件的发射极形成在所述反射结构上方并且与所述LED芯片的第二电极间隔设置，所述发射极连接至所述电极引出层，所述衬底的背面形成有所述光敏元件的集电极。
上述光电三极管的发射极同样可以形成在LED芯片的反射结构上方，由此可以减小第二台面的面积，有利于增大光耦CTR值，减小器件的尺寸。
在一些实施例中，所述光敏元件的所述功能区包括：
本征层，具有相对的正面侧和背面侧；
第一掺杂层，位于所述本征层的所述正面侧；
第二掺杂层，位于所述本征层的所述背面侧；
截止环，位于所述本征层的所述正面侧，并且与所述第一掺杂层间隔设置。
上述光敏元件形成为光电二极管，由此可见，本申请的光敏元件可以是光电二极管或光电三极管，增加了LED光电耦合器件的光敏元件的可选择性。
在一些实施例中，所述LED芯片的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述增透膜层上方形成有所述光敏元件的发射极，所述发射极与所述第一掺杂层电连接，所述第二掺杂层远离所述本征层的一侧形成有所述光敏元件的集电极。
在一些实施例中，所述LED芯片的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述增透膜层上方形成有所述光敏元件的电极引出层，所述电极引出层与所述第一掺杂层电连接，所述光敏元件的发射极形成在所述反射结构上方并且与所述LED芯片的第二电极间隔设置，所述发射极连接至所述电极引出层，所述第二掺杂层远离所述本征层的一侧形成有所述光敏元件的集电极。上述光电二极管的发射极同样可以形成在LED芯片的反射结构上方，由此可以减小第二台面的面积，有利于增大光耦CTR值，减小器件的尺寸。
本发明的另一实施例提供一种LED光电耦合器件，其包括：
LED芯片，至少包括依次叠置的第一外延层、有源层及第二外延层；
光敏元件，至少包括功能区；
透明衬底，所述透明衬底具有相对的第一侧和第二侧；
键合层，包括第一键合层和第二键合层，所述第一键合层形成在所述第一侧并与所述LED芯片键合，所述第二键合层形成在所述第二侧并与所述光敏元件键合。
如上所述，本申请的LED光电耦合器件中的LED芯片和光敏元件还可以通过第一键合层和第二键合层键合至透明衬底，透明衬底的选用能够进一步减少LED芯片和光敏元件及其各自电路的互相干扰。
在一些实施例中，所述光敏元件的所述功能区包括：
本征层，具有相对的正面侧和背面侧；
第一掺杂层，位于所述本征层的所述正面侧；
第二掺杂层，位于所述本征层的所述背面侧；
截止环，位于所述本征层的所述正面侧，并且与所述第一掺杂层间隔设置；
所述透明衬底位于所述LED芯片的所述第一外延层一侧与所述光敏元件的所述第二掺杂层一侧。
在一些实施例中，所述光敏元件还包括形成在所述第一掺杂层一侧的介质层，以及相互间隔设置在所述介质层上方的发射极和集电极，所述发射极与所述第一掺杂层电连接，所述集电极与所述第二掺杂层电连接。
本发明的另一实施例提供一LED光电耦合器件的制造方法，包括以下步骤：
形成光敏元件，所述光敏元件至少包括功能区；
在所述功能区上方形成增透膜层；
在所述增透膜层上方形成键合层；
在所述键合层上方键合LED芯片。
在一些实施例中，形成光敏元件包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底具有相对的正面和背面；
在所述衬底正面侧形成第一半导体层；
在所述第一半导体层中进行第一次掺杂，以形成第二半导体层，所述第二半导体层与所述第一半导体层的导电类型相反；
在所述第二半导体层中进行第二次掺杂，以在所述第二半导体层中形成第三半导体层以及与所述第三半导体层相互间隔的环形掺杂层，以形成所述光敏元件的功能区；
在所述功能区上方形成增透膜层。
在一些实施例中，在所述键合层上方键合LED芯片之前还包括以下步骤：
提供生长衬底；
在所述生长衬底上方形成外延结构，所述外延结构包括依次生长的第二外延层、有源层及第一外延层；
在所述第一外延层一侧将LED芯片键合至所述键合层并去除所述生长衬底。
在一些实施例中，所述LED光电耦合器件的制造方法还包括：
自所述第二半导体层一侧刻蚀所述外延结构形成第一台面，所述第一台面的至少一侧暴露所述第一半导体层；
在所述第一台面上方形成反射结构；
在暴露的所述第一半导体层上方形成第一电极，在所述反射结构上方形成第二电极。
在一些实施例中，所述LED光电耦合器件的制造方法还包括：
刻蚀所述外延结构及所述键合层以形成第二台面；
在所述第二台面上形成所述光敏元件的发射极；
在所述衬底的背面形成所述光敏元件的集电极。
如上形成本申请的LED光电耦合器件的制造过程简单，其中的LED芯片和光敏元件均可采用传统制程。
本申请的另一实施例还提供一种LED光电耦合器件封装结构，其包括：
电路基板，所述电路基板上相互间隔地设置有多个焊盘；
LED光电耦合器件，所述LED光电耦合器件包括本申请所述的LED光电耦合器件，所述光电耦合器件的发射极、集电极、第一电极及第二电极与所述焊盘一一对应地连接；
封装壳体，包裹所述电路基板及所述LED光电耦合器件；
多个引脚，经所述封装壳体一一对应地连接至所述焊盘。
上述LED光耦器件封装结构简单，成本低，同时能够实现较高的CTR。
实施例一
本实施例提供一种LED光电耦合器件001，如图2所示，该LED光电耦合器件001包括LED芯片、光敏元件，以及将LED芯片和光敏元件键合在一起的键合层200。
如图2所示，上述LED芯片至少包括依次叠置的第一外延层301、有源层302及第二外延层303。可选实施例中，上述第一外延层301为P型半导体层，例如P型的AlInP层，通过掺杂P型杂质提供空穴，P型杂质可以为Mg、Zn、Ca、Sr、C、Ba等。第二外延层303是N型半导体层，例如N型的AlInP层，用于提供电子。N型的AlInP层通过掺杂n型杂质提供电子，n型杂质例如可以是Si，Ge，Sn，Se和Te等。有源层302可以是多重量子阱层。
本申请中，上述LED芯片可以是辐射任意波长光线的芯片，例如波长介于620nm～750nm的红光LED芯片、波长介于530nm～750nm的绿光LED芯片、波长介于380nm～460nm的蓝光LED芯片及波长介于200nm～400nm的紫外及深紫外LED芯片等等常见LED芯片。以上仅示例性列举了常见的LED芯片，应该理解的是本申请所述的LED芯片并不限于上述LED芯片。
LED芯片的上述第一外延层301一侧与键合层200结合，可选地，该第一外延层301在与键合层200结合的一侧可以形成为粗化的表面。该粗化的表面一方面可以增加与键合层200的粘附性，提高器件的稳定性；另一方面粗化表面可以提高对LED芯片辐射的光的萃取率，提高LED芯片的出光效果，使得更多的光辐射至光敏元件，以此提高LED光电耦合器件001的CTR值。
本实施例中，光敏元件形成为光电三极管，如图2所示，具体地，包括衬底101，功能区100形成在所述衬底101上。可选地，衬底101为N型的硅衬底101。并且功能区100包括：在衬底101上依次形成的第一半导体层102、第二半导体层103、第三半导体层104以及形成在第一半导体层102边缘的环形掺杂层，其中，第一半导体层102和第三半导体层104具有相同的导电类型，第二半导体层103与第一半导体层102和第三半导体层104具有相反的导电类型，环形掺杂层与第一半导体层102具有相反的导电类型。并且环形掺杂层与第二半导体层103相互间隔。例如，第一半导体层102和第三半导体层104均为N型半导体层，第二半导体层103为P型半导体层，环形掺杂层同样为P型掺杂层。
同样参照图2，上述光敏元件还包括至少形成在功能区100上方的增透膜层106。可选实施例中，上述增透膜层106为抗反射的绝缘层，例如可以是TiO2、Al2O3或者TiO2及Al2O3的复合膜层。增透膜层106的厚度为λ/4n，其中，λ为所述LED芯片辐射的光的波长，n为所述增透膜层的折射率。因此，可以依据上述增透膜层106的厚度设计原则根据实际需要的LED芯片的波长以及其他参数通过选择不同的材料来设置增透膜层的厚度。该增透膜层106一方面减少对LED芯片发出的光的反射，增加照射至光敏元件的光，以充分利用LED发出的光，提高LED光耦器件的CTR；另一方面，同样可以根据实际需要设定增透膜层106的厚度，提供了增透膜层106的设计自由度；其次，该增透膜层106同样能够起到保护光敏元件的作用，与键合层200协同作用，屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免因老化出现漏电等异常。
同样如图2所示，LED芯片和光敏元件通过键合层200键合在一起，其中光敏元件的上述增透膜层106与键合层200粘合。键合层200可选地为透明绝缘材料层，例如SiO2层、BCB材料层等。键合层200的厚度同样可以根据实际需要进行设置，例如其厚度介于1μm～5μm，例如可选地为1μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm、5μm等。键合层200的厚度可以根据实际需要进行设定，由此在实现键合的同时不会影响LED芯片发射的光透射至光敏元件。上述键合层200一方面能够将光发射芯片LED与光接收芯片光敏元件键合在一起，实现LED芯片与光敏元件的晶圆级键合，使得单一芯片具备光发射与光接收的功能；另一方面，透明绝缘介质层能够减少LED芯片和光敏元件及其各自电路的互相干扰；其次，上述透明绝缘介质层还能够起到保护光敏元件的作用，屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免因老化出现漏电等异常。
同样如图2所示，LED芯片形成有第一台面3010(可参照附图12)，该第一台面3010的至少一侧暴露第一外延层301，所述第一台面3010的表面形成有反射结构304，所述第一台面3010所暴露出的所述第一外延层301上方形成有所述LED芯片的第一电极305，所述反射结构304上方形成有所述LED芯片的第二电极306。反射结构304的形成丢LED芯片的光进行有效反射，使得更多的光能够照射至光敏元件，提高器件的CTR。
参照图2，同时参照图12，所述LED芯片形成有发光台面3020及第一台面3010，第一台面3010位于发光台面3020的至少一侧，并且暴露第一外延层301，第一台面3010的表面(即第一外延层301的表面)形成有第一电极305，发光台面3020的上方形成有反射结构304，反射结构304上方形成有LED芯片的第二电极306。可选实施例中，上述反射结构304可以是ODR结构，例如其包括绝缘反射层3041及金属层3042。绝缘反射层3041形成在第二外延层303上方，并且绝缘反射层3041中形成有通孔1060结构，金属层3042覆盖绝缘反射层3041并填充通孔1060结构与第二半导体层103电连接。第二电极306形成在上述金属层3042上方，以与第二外延层303电连接。
同样参照图2，LED光电耦合器件001还包括第二台面3030，第二台面3030所暴露的增透膜层106上方形成有所述光面元件的发射极108，所述发射极108与所述第三半导体层104电连接，衬底101的背面形成有光敏元件的集电极109。具体地，增透膜层106上方形成有电极引出层107，该电极引出层107经增透膜层106中的通孔1060(参照图9)与第三半导体层104电连接。第二台面3030的一侧暴露部分形成在增透膜层106上方的电极引出层107，并且在该部分电极引出层107上方形成上述发射极108。同样如图2所示，LED光电耦合器件001的表面还覆盖有绝缘保护层307，该绝缘保护层307覆盖初上述第一电极305、第二电极306及发射极108以外的所有暴露的表面，以保护LED光电耦合器件001不受外界杂质的污染及损伤。
可选实施例中，增透膜层106的上方还可能形成有光敏元件的基极110，在本实施例中该基极110并未引出。
本实施例还提供了上述LED光电耦合器件001的制造方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：
S100：形成光敏元件，所述光敏元件至少包括功能区100；
如图4所示，首先提供一衬底101，该衬底101可以是N型硅衬底101也可以是P型硅衬底101。本实施例中以N型硅衬底101为例进行说明。本实施例中，定义形成上述功能区100的一侧为衬底101的正面，于该正面相对的一侧为衬底101的背面。在衬底101的正面外延生长形成第一半导体层102，该第一半导体层102同样为N型半导体层。然后，如图5所示，在第一半导体层102上方形成第一掩膜层121，该第一掩膜层121形成有扩散窗口，通过该扩散窗口对第一半导体层102进行掺杂，本实施例中对第一半导体层102进行P型掺杂，例如B掺杂。然后如图6所示，形成第二掩膜层122，在第二掩膜层122的作用下对B掺杂层进行退火，使得掺杂的B原子进一步扩散，最终第一半导体层102中形成与第一半导体层102导电类型相反的第二半导体层103，即本实施例中形成P型的第二半导体层103。该第二半导体层103的厚度小于第一半导体层102的厚度，并且第二半导体层103在衬底101正面上的投影面积也小于第一半导体层102在衬底101正面的投影面积。
之后，如图7所示，在第一半导体层102及第二半导体层103上方形成第三掩膜层123，在第三掩膜层123的遮蔽下，进行N型掺杂，例如，掺杂P原子。以在第二半导体层103中形成第三半导体层104，该第三半导体层104的导电类型与第一半导体层102和衬底101的导电类型相同，与第二半导体层103的导电类型相反。该第三半导体层104的厚度小于第二半导体层103的厚度，并且第三半导体层104在衬底101正面上的投影面积也小于第二半导体层103在衬底101正面的投影面积。
可选实施例中，同样参照图7，形成上述第三半导体层104之后，还包括在第一半导体层102的边缘形成环形掺杂层，该环形掺杂层与第二半导体层103相互间隔，并且环形掺杂层的导电类型与第一半导体层102、第三半导体层104及衬底101的导电类型相反，与第二半导体层103的导电类型相同。可选地，环形掺杂层的厚度小于第二半导体层103的厚度，小于或者等于第三半导体层104的厚度。
上述第一半导体层102、第二半导体层103及第三半导体层104形成光敏元件的功能区100，环形掺杂环能够防止光敏元件漏电，提高器件的可靠性。
S200：在所述功能区100上方形成增透膜层106；
如图8所示，形成上述功能区100之后，在图7所示的结构上方形成增透膜层106。该增透膜层106覆盖裸露的第一半导体层102、第二半导体层103、第三半导体层104及环形掺杂层。该增透膜层106为抗反射的绝缘材料层，例如可以是沉积在图7所示结构表面的TiO2、Al2O3或者TiO2及Al2O3的复合膜层。增透膜层106的厚度通常与后续键合的LED芯片的类型相关，例如该增透膜层106的后续为λ/4n，其中，λ为所述LED芯片辐射的光的波长，n为所述增透膜层的折射率。因此，可以根据实际需要根据实际需要的LED芯片的波长以及其他参数通过选择不同的材料来设置增透膜层的厚度。该增透膜层106如上所述为绝缘材料层，因此，在增加对后续键合的LED芯片的光的透射之外，还能够作为光敏元件的保护层，由此省去了专门形成光敏元件的保护层的步骤，节约了制程步骤及成本。
S300：在所述增透膜层106上方形成键合层200；
S400：在所述键合层200上方键合LED芯片。
形成键合层200之前，如图9和图10所示，还包括在增透膜层106上方形成电极引出层107及光敏元件的集电极109，即集电极的步骤。首先，如图9所示，刻蚀增透膜层106，形成贯穿增透膜层106并暴露第三半导体层104的通孔1060。然后，如图10所示，沉积导电材料，例如可以是金属Ti、金属Cr或者TiCr合金等，形成电极引出层107。该电极引出层107填充上述通孔1060并且覆盖边缘部分的增透膜层106。为了防止电极引出层107对后键合的LED发出的光的反射，该电极引出层107能够填充通孔1060与第三半导体层104接触并且能够实现后续光敏元件的发射极108的连接即可，不需过多覆盖增透膜层106。此时，通常还会在增透膜层106上方形成电连接第二半导体层103的光敏元件的基极110。然后，在衬底101的背面对衬底101进行减薄并进行背金蒸镀，形成光敏元件的集电极。
然后，如图11所示，在图10所示的结构上方形成键合层200，该键合层200覆盖增透膜层106以及电极引出层107和基极110。键合层200为绝缘材料层，可选地，可以是SiO2层或者BCB材料层。键合层200的厚度同样可以根据实际需要进行设置，例如其厚度介于1μm～5μm，例如可选地为1μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm、5μm等。键合层200的厚度可以根据实际需要进行设定，由此在实现键合的同时不会影响LED芯片发射的光透射至光敏元件。上述键合层200一方面能够将光发射芯片LED与光接收芯片光敏元件键合在一起，实现LED芯片与光敏元件的晶圆级键合，使得单一芯片具备光发射与光接收的功能；另一方面，透明绝缘介质层能够减少LED芯片和光敏元件及其各自电路的互相干扰；其次，上述透明绝缘介质层还能够于增透膜层106协同作用，起到保护光敏元件的作用，屏蔽环境、封装胶内的可动离子(如Na+)等，避免因老化出现漏电等异常。
同样如图11所示，在键合层200上方键合LED芯片。键合LED芯片之前，首先形成上述LED芯片。首先，提供一生长衬底310；
S200：在所述生长衬底310上依次生长第一半导体层102结构、有源层302、第二半导体层103结构，以形成外延结构300；
参照图5，首先提供一生长衬底310，该生长衬底310可以是任意适合外延的衬底101，例如Si衬底101、SiC衬底101、蓝宝石衬底101、GaAs衬底101等。在衬底101的正面进行外延生长，依次生长第二外延层303、有源层302及第二外延层303。本实施例第一外延层301为P型半导体层，掺杂的P型杂质可以为Mg、Zn、Ca、Sr、C、Ba等。第二外延层303为N型半导体层，其中掺杂的N型杂质优选为Si，以提供辐射复合的电子。
在将LED芯片进行键合之前，还包括对LED芯片进行分选的步骤，以筛选出光电性能符合要求的LED芯片，在此过程中，也可以同时对光敏元件，例如本申请的光电三极管进行筛选，以保证光电三极管的放大倍数范围的均匀性。
将第一外延层301粘附至键合层200，以实现LED芯片的键合。然后如图12所示，去除生长衬底310，并且自暴露的第二外延层303一侧刻蚀第二外延层303和有源层302，或者进一步刻蚀部分第一外延层301，形成第一台面3010和发光台面3020，第一台面3010形成在第一外延层301中暴露第一外延层301，发光台面3020为未刻蚀的外延层部分。然后如图13所示，在第一台面3010上形成第一电极305，即P电极。然后，在发光台面3020的上方形成反射结构304。在形成上述反射结构304之前，还可以在第二外延层303上方形成透明导电层，透明导电层覆盖第二外延层303与之形成欧姆接触。该反射结构304可以是DBR结构也可以是ODR结构。例如本实施例中上述反射结构304包括形成在第二外延层303上方的绝缘反射层3041以及形成在绝缘反射层3041上方的金属层3042。绝缘反射层3041中形成有通孔1060，金属层3042填充该通孔1060并覆盖绝缘反射层3041，由此形成ODR结构。之后如图14所示，在反射结构304上方形成第二电极306，即N电极。
之后，同样如图14所示，沿第一台面3010的边缘进行刻蚀，依次刻蚀第一外延层301、键合层200及增透膜层106，形成第二台面3030，该第二台面3030包括光敏元件的电极引出层107。在电极引出层107上方形成光敏元件的发射极108，即发射极。
再次参照图2，在LED光电耦合器件001的表面还形成有绝缘保护层307，该绝缘保护层307覆盖除上述第一电极305、第二电极306和光面元件的发射极108之外的所有表面，以有效保护LED光电耦合器件001免受环境水汽、杂质等的影响。
实施例二
本实施例同样提供一种LED光电耦合器件001，如图15所示，本实施例的LED光电耦合器件001同样包括光敏元件、LED芯片，以及位于光敏元件和LED芯片之间的键合层200。与实施例一的相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图15所示，本实施例中，光敏元件的发射极108'形成在LED芯片的反射结构304上方，并且与LED芯片的第二电极306间隔设置。例如，在电极引出层107上方形成导电柱1081，该导电柱1081连接至反射结构304上方的发射极108，由此实现发射极108与第三半导体层104的电连接。相应地，LED芯片的第一电极305可以形成在与电极引出层107相对的一侧。该结构能够较小图14所示的第二台面3030的面积，或者可以采用通孔1060的形成取代第二台面3030。因此，有利于增大光耦CTR值，减小器件的尺寸。
实施例三
本实施例同样提供一种LED光电耦合器件001，如图16所示，本实施例的LED光电耦合器件001同样包括光敏元件、LED芯片，以及位于光敏元件和LED芯片之间的键合层200。与实施例一或实施例二的相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图16所示，本实施例中，光敏元件形成为光电二极管，其包括本征层101'、第一掺杂层102'及第二掺杂层103'。光敏元件的上述第一掺杂层102'一侧同样形成有增透膜层106，并且在该增透膜层106一侧经键合层200与LED芯片键合。
本征层101'具有相对的正面侧和背面侧，第一掺杂层102'位于本征层101'的正面侧，第二掺杂层103'位于本征层101'的背面侧。本实施例中，第一掺杂层102'为P型掺杂层，第二掺杂层103'为N型掺杂层。可选地，在第一掺杂层102'的外侧，本征层101'的边缘区域形成截止环105'，该截止环105'同样为P型掺杂层，并且与第一掺杂层102'间隔设置。该截止环105'可以有效防止光敏元件发生漏电，提供器件的可靠性。
实施例四
本实施例同样提供一种LED光电耦合器件001，如图17所示，本实施例的LED光电耦合器件001同样包括光敏元件、LED芯片，以及位于光敏元件和LED芯片之间的键合层200。与实施例一或实施例二、或实施例三的相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图17所示，本实施例的光敏元件同样形成光电二极管，具体可参见实施例三的描述。本实施例中，光敏元件和LED芯片通过透明衬底500进行键合，该透明衬底500具有相对的第一侧和第二侧。透明衬底500位于LED芯片的所述第一外延层301一侧与光敏元件的第二掺杂层103'一侧。此时，键合层200包括第一键合层200和第二键合层202。第一键合层200位于透明衬底500的第一侧与LED芯片之间，第二键合层202位于透明衬底500的第二侧与光敏元件之间。透明衬底500可选地为蓝宝石衬底，并且该蓝宝石衬底的厚度介于50μm～200μm。由此能够保证LED芯片辐射的光的良好的透射率，还能够进一步减少LED芯片及光敏元件及其电路的互相干扰。
本实施例中，光敏元件的第二掺杂层103'一侧与第二键合层202键合。光敏元件的发射极108'和集电极109'均形成在第一掺杂层102'一侧，第一掺杂层102'一侧还形成有介质层，发射极108'和集电极109'相互间隔地设置在所述介质层上方，所述发射极108'与所述第一掺杂层102'电连接，所述集电极109'与所述第二掺杂层103'电连接。
如上实施例一至实施例四所述，本申请的LED光电耦合器件001可以选择光电二极管或者光电三极管以相同或不同的方式与LED芯片进行键合，增加了LED光电耦合器件001的可选择性。并且可以根据不同的光敏元件选择合适的键合方式，增加了光耦器件的设计灵活性。
实施例五
本实施例提供一种LED光电耦合器件封装结构400，如图18和图19所示，本实施例的LED光电耦合器件封装结构400包括电路基板401，固定至电路基板401的LED光电耦合器件001以及封装壳体403。其中，电路基板401上相互间隔地设置有多个焊盘404；本实施例的LED光电耦合器件001可以是上述实施例一至实施例四所述的任意一种LED光电耦合器件001。封装壳体403将电路基板401及其上的LED光电耦合器件001密封封装，作为LED光电耦合器件001的支撑及保护外壳。在本实施例中，上述LED光电耦合器件001包括LED芯片的第一电极305、第二电极306，以及光敏元件的发射极108'和集电极109'，因此，电路基板401上相应地设置四个焊盘404——第一焊盘4041、第二焊盘4042、第三焊盘4043及第四焊盘4044，以实施例一所示的LED光电耦合器件001为例，其中光敏元件的集电极109'焊接至第四焊盘4044，光敏元件的发射极108'通过引线连接至第三焊盘4043，LED芯片的第一电极305通过引线连接至第一焊盘4041，第二电极306通过引线连接至第二焊盘4042。
同样如图19所示，LED光电耦合器件封装结构400还包括多个引脚405，多个引脚405一一对应地连接至上述四个焊盘404，并经封装壳体403伸出。
如上所述，在LED光电耦合器件001中，光敏元件完全封闭，不受外界环境杂散光影响，信噪比高。
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LED光电耦合器件，其特征在于，包括：
LED芯片，至少包括依次叠置的第一外延层、有源层及第二外延层；
光敏元件，至少包括功能区以及覆盖所述功能区的增透膜层；
键合层，位于所述LED芯片和所述光敏元件之间，所述键合层在所述LED芯片的所述第一外延层一侧及所述光敏元件的所述增透膜层一侧将所述LED芯片与所述光敏元件键合为一体。
2.根据权利要求1所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述键合层为透明绝缘介质层，所述键合层的厚度介于1μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述增透膜层的厚度为λ/4n，其中，λ为所述LED芯片辐射的光的波长，n为所述增透膜层的折射率。
4.根据权利要求1所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述LED芯片的所述第一外延层与所述键合层结合的一侧的表面形成为粗化表面。
5.根据权利要求3所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述LED芯片形成有发光台面及第一台面，所述第一台面位于所述发光台面的至少一侧，并且暴露所述第一外延层，所述第一台面的表面形成有第一电极，所述发光台面的上方形成有反射结构，所述反射结构上方形成有所述LED芯片的第二电极。
6.根据权利要求5所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述光敏元件还包括衬底，所述功能区形成在所述衬底上，并且所述功能区包括：在所述衬底上依次形成的第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层以及形成在所述第一半导体层边缘的环形掺杂层，
其中，所述第一半导体层和所述第三半导体层具有相同的导电类型，所述第二半导体层与所述第一半导体层和所述第三半导体层具有相反的导电类型，所述环形掺杂层与所述第一半导体层具有相反的导电类型，并且所述环形掺杂层与所述第二半导体层相互间隔。
7.根据权利要求6所述的LED光电耦合器件，其特征在于，还包括第二台面，所述第二台面的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述第二台面所暴露的所述增透膜层上方形成有所述光敏元件的发射极，所述发射极与所述第三半导体层电连接，所述衬底的背面形成有所述光敏元件的集电极。
8.根据权利要求6所述的LED光电耦合器件，其特征在于，还包括第二台面，所述第二台面的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述第二台面所暴露的所述增透膜层上方形成有所述光面元件的电极引出层，所述电极引出层与所述第三半导体层电连接，所述光敏元件的发射极形成在所述反射结构上方并且与所述LED芯片的第二电极间隔设置，所述发射极连接至所述电极引出层，所述衬底的背面形成有所述光敏元件的集电极。
9.根据权利要求1所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述光敏元件的所述功能区包括：
本征层，具有相对的正面侧和背面侧；
第一掺杂层，位于所述本征层的所述正面侧；
第二掺杂层，位于所述本征层的所述背面侧；
截止环，位于所述本征层的所述正面侧，并且与所述第一掺杂层间隔设置。
10.根据权利要求9所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述LED芯片的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述增透膜层上方形成有所述光敏元件的发射极，所述发射极与所述第一掺杂层电连接，所述第二掺杂层远离所述本征层的一侧形成有所述光敏元件的集电极。
11.根据权利要求10所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述LED芯片的一侧暴露所述光敏元件的部分所述增透膜层，所述增透膜层上方形成有所述光敏元件的电极引出层，所述电极引出层与所述第一掺杂层电连接，所述光敏元件的发射极形成在所述反射结构上方并且与所述LED芯片的第二电极间隔设置，所述发射极连接至所述电极引出层，所述第二掺杂层远离所述本征层的一侧形成有所述光敏元件的集电极。
12.一种LED光电耦合器件，其特征在于，包括：
LED芯片，至少包括依次叠置的第一外延层、有源层及第二外延层；
光敏元件，至少包括功能区；
透明衬底，所述透明衬底具有相对的第一侧和第二侧；
键合层，包括第一键合层和第二键合层，所述第一键合层形成在所述第一侧并与所述LED芯片键合，所述第二键合层形成在所述第二侧并与所述光敏元件键合。
13.根据权利要求12所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述光敏元件的所述功能区包括：
本征层，具有相对的正面侧和背面侧；
第一掺杂层，位于所述本征层的所述正面侧；
第二掺杂层，位于所述本征层的所述背面侧；
截止环，位于所述本征层的所述正面侧，并且与所述第一掺杂层间隔设置；
所述透明衬底位于所述LED芯片的所述第一外延层一侧与所述光敏元件的所述第二掺杂层一侧。
14.根据权利要求13所述的LED光电耦合器件，其特征在于，所述光敏元件还包括形成在所述第一掺杂层一侧的介质层，以及相互间隔设置在所述介质层上方的发射极和集电极，所述发射极与所述第一掺杂层电连接，所述集电极与所述第二掺杂层电连接。
15.一种LED光电耦合器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
形成光敏元件，所述光敏元件至少包括功能区；
在所述功能区上方形成增透膜层；
在所述增透膜层上方形成键合层；
在所述键合层上方键合LED芯片。
16.根据权利要求15所述的LED光电耦合器件的制造方法，其特征在于，形成光敏元件包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底具有相对的正面和背面；
在所述衬底正面侧形成第一半导体层；
在所述第一半导体层中进行第一次掺杂，以形成第二半导体层，所述第二半导体层与所述第一半导体层的导电类型相反；
在所述第二半导体层中进行第二次掺杂，以在所述第二半导体层中形成第三半导体层以及与所述第三半导体层相互间隔的环形掺杂层，以形成所述光敏元件的功能区；
在所述功能区上方形成增透膜层。
17.根据权利要求15所述的LED光电耦合器件的制造方法，其特征在于，在所述键合层上方键合LED芯片之前还包括以下步骤：
提供生长衬底；
在所述生长衬底上方形成外延结构，所述外延结构包括依次生长的第二外延层、有源层及第一外延层；
在所述第一外延层一侧将LED芯片键合至所述键合层并去除所述生长衬底。
18.根据权利要求17所述的LED光电耦合器件的制造方法，其特征在于，还包括：
自所述第二半导体层一侧刻蚀所述外延结构形成第一台面，所述第一台面的至少一侧暴露所述第一半导体层；
在所述第一台面上方形成反射结构；
在暴露的所述第一半导体层上方形成第一电极，在所述反射结构上方形成第二电极。
19.根据权利要求16所述的LED光电耦合器件的制造方法，其特征在于，还包括：
刻蚀所述外延结构及所述键合层以形成第二台面；
在所述第二台面上形成所述光敏元件的发射极；
在所述衬底的背面形成所述光敏元件的集电极。
20.一种LED光电耦合器件封装结构，其特征在于，包括：
电路基板，所述电路基板上相互间隔地设置有多个焊盘；
LED光电耦合器件，所述LED光电耦合器件包括权利要求1～14中任意一项所述的LED光电耦合器件，所述光电耦合器件的发射极、集电极、第一电极及第二电极与所述焊盘一一对应地连接；
封装壳体，包裹所述电路基板及所述LED光电耦合器件；
多个引脚，经所述封装壳体一一对应地连接至所述焊盘。
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