CN204289452U - 倒装led芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种倒装LED芯片，在实用新型提供的倒装LED芯片中，通过合理设计LED衬底结构、层叠外延磊晶结构、阻挡层和电极，以及LED衬底结构、层叠外延磊晶结构、阻挡层和电极的搭配关系，在提高倒装LED芯片的发光亮度的同时，提高了其轴向发光亮度；同时，所采用的LED衬底结构还能更好地提高倒装LED芯片外延的晶体质量和倒装LED芯片的抗击穿能力，也更有利于倒装LED芯片性能和可靠性的提高；再者，在正装LED芯片中设置了二元阻挡层，所述二元阻挡层在提高发光亮度和发光均匀性的同时能够更好地控制倒装LED芯片内部光的传播方向。

Description

倒装LED芯片

技术领域

本实用新型涉及半导体光电芯片制造技术领域，特别涉及一种倒装LED芯片。

背景技术

随着人们生活水平的提高，环保意识的增强，对家居环境、休闲和舒适度追求的不断提高。灯具灯饰也逐渐由单纯的照明功能转向装饰和照明共存的局面，具有照明和装饰双重优势的固态冷光源LED取代传统光源进入人们的日常生活成为必然之势。

GaN基LED自从20世纪90年代初商业化以来，经过二十几年的发展，其结构已趋于成熟和完善，已能够满足人们现阶段对灯具装饰的需求；但要完全取代传统光源进入照明领域，发光亮度的提高却是LED行业科研工作者永无止境的追求。在内量子效率(已接近100％)可提高的空间有限的前提下，LED行业的科研工作者把目光转向了外量子效率，提出了可提高光提取率的多种技术方案和方法，例如图形化衬底技术、侧壁粗化技术、DBR技术、优化电极结构、在衬底或透明导电膜上制作二维光子晶体等。其中图形化衬底技术最具成效，尤其是2010年以来，在政府各种政策的激励和推动下，无论是锥状结构的干法图形化衬底技术还是金字塔形状的湿法图形化衬底技术都得到了飞速的发展，其工艺已经非常成熟，并于2012年完全取代了平衬底，成为LED芯片的主流衬底，使LED的晶体结构和发光亮度都得到了革命性的提高。

图形化衬底技术是利用PSS图形将从发光区射向衬底的光通过不同面反射回去，提高光的逸出概率，提高芯片的出光效率。但是，对于倒装芯片而言，就不需要将光反射回去，而是需要尽可能多的光透射穿过衬底。

相比正装LED芯片，倒装芯片可以解决散热难的问题，商业化的LED芯片大多生长在蓝宝石衬底上，然后将其固定在封装支架上，这样的LED芯片主要通过传导散热，而蓝宝石衬底由于较厚，所以热量难于导出，热量聚集在芯片会影响芯片可靠性，增加光衰和减少芯片寿命；解决光效低的问题，电极挡光，会减少芯片的出光，电流拥挤会增加芯片的电压，这些都会降低芯片的光效；解决封装复杂的问题，单个LED芯片的电压为3V左右，因此需要变压或者将将其串联，这些都增加了封装和应用的难度，工艺难度加大，使整个芯片的可靠性变差。

有如此之多优势的倒装结构将成为未来能大幅提高LED发光亮度的最有前途的GaN基LED的结构，然而倒装结构的LED芯片是在N面(也即反面)出光的，由于蓝宝石的折射率低于氮化镓的折射率，所以外延层射出来的光会在蓝宝石和衬底界面上发生反射，导致较多的光不能出来，减少出光效率，为了解决这一问题，有必要设计一种图形化衬底，减少从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高出光效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种倒装LED芯片，以解决现有的倒装LED芯片出光效率较低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种倒装LED芯片，所述倒装LED芯片包括：正装LED芯片及LED基板，其中，

所述正装LED芯片包括：LED衬底结构；所述LED衬底结构表面形成有层叠外延磊晶结构，所述层叠外延磊晶结构包括多个间隔排布的第一区域及第二区域，所述第一区域通过沟槽与所述第二区域隔离；所述第一区域表面形成有二元阻挡层，所述沟槽侧壁表面形成有保护层；所述第一区域及第二区域表面均形成有第一电极，所述沟槽中形成有第二电极；

所述LED基板包括：多个间隔排布的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板绝缘，多个第一基板间电连接，多个第二基板间电连接；

所述第一基板与第一电极连接，所述第二基板与第二电极连接。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述层叠外延磊晶结构包括形成于LED衬底结构表面的N型外延层、形成于所述N型外延层表面的有源层以及形成于所述有源层表面的P型外延层。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述LED衬底结构包括：衬底；形成于所述衬底中的多个第一GaN结构；形成于多个第一GaN结构上的多个第二GaN结构；形成于所述衬底表面的多个第三GaN结构，所述多个第三GaN结构与所述多个第二GaN结构间隔排布；以及覆盖所述多个第二GaN结构及多个第三GaN结构的AlGaN层；其中，每个第一GaN结构及每个第二GaN结构的材料均为多晶GaN，每个第三GaN结构的材料为单晶GaN。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，每个第一GaN结构的剖面形状为三角形或者倒梯形。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，每个第一GaN结构的剖面形状为倒等腰三角形或者倒等腰梯形。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，每个第二GaN结构的剖面形状为倒梯形，每个第三GaN结构的剖面形状为正梯形。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，多个第一GaN结构、多个第二GaN结构及多个第三GaN结构均呈周期性阵列排布。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，多个第二GaN结构的顶面与多个第三GaN结构的顶面齐平。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述AlGaN层的截面宽度与所述衬底的截面宽度相同。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述第一区域与所述第二GaN结构正对，所述第二区域与所述第三GaN结构正对。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述沟槽贯穿所述P型外延层、有源层及部分厚度的N型外延层。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述二元阻挡层及保护层的材料均为二氧化硅。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述第一电极及第二电极的材料均为铬、钛、铝、镍、银及金中的三种以上材料的组合。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述P型外延层与第一电极之间形成有扩展电极。

可选的，在所述的倒装LED芯片中，所述扩展电极的材料为ITO。

首先，本实用新型提供的倒装LED芯片，通过合理设计LED衬底结构、层叠外延磊晶结构、阻挡层和电极，以及LED衬底结构、层叠外延磊晶结构、阻挡层和电极的搭配关系，在提高倒装LED芯片的发光亮度的同时，提高了其轴向发光亮度；

其次，本实用新型所提供的倒装LED芯片所采用的LED衬底结构还能更好地提高倒装LED芯片外延的晶体质量和倒装LED芯片的抗击穿能力，也更有利于倒装LED芯片性能和可靠性的提高；

最后，本实用新型在正装LED芯片中设置了二元阻挡层，所述二元阻挡层在提高发光亮度和发光均匀性的同时能够更好地控制倒装LED芯片内部光的传播方向。

附图说明

图1～图7是本实用新型一实施例的倒装LED芯片的制作方法中所形成的器件结构的示意图；

图8是本实用新型另一实施例的倒装LED芯片的制作方法中所使用的LED衬底结构的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的倒装LED芯片作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

在本申请实施例中，所述倒装LED芯片的制作方法主要包括：制作正装LED芯片，制作LED基板，以及将正装LED芯片与LED基板连接。具体的，

制作正装LED芯片，包括：

制作LED衬底结构；

在所述LED衬底结构表面形成层叠外延磊晶结构，所述层叠外延磊晶结构包括多个间隔排布的第一区域及第二区域，所述第一区域通过沟槽与所述第二区域隔离；

在所述第一区域表面形成二元阻挡层，在所述沟槽侧壁表面形成保护层；

在所述第一区域及第二区域表面均形成第一电极，在所述沟槽中形成第二电极；

制作LED基板，包括：

形成多个间隔排布的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板绝缘；

将多个第一基板间电连接，多个第二基板间电连接；

将正装LED芯片与LED基板连接，包括：

将所述第一基板与第一电极连接，所述第二基板与第二电极连接。

首先，请参考图1a～1h，其示出了LED衬底结构的制作过程。

具体的，如图1a所示，提供衬底10，优选的，所述衬底10为蓝宝石衬底。

接着，在所述衬底10中形成多个凹槽，具体的，请参考图1b～图1d。

首先，如图1b所示，在所述衬底10上形成掩膜层11。优选的，所述掩膜层11的材料为二氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一种。在本申请实施例中，所述掩膜层11可以通过蒸发工艺、溅射工艺、PECVD工艺或者LPCVD工艺等工艺形成。

接着，如图1c所示，在所述掩膜层11中形成多个开口12，露出部分衬底10。在此，通过光刻及刻蚀工艺，去除部分掩膜层11，从而在剩余的掩膜层11中形成多个开口12。

接着，如图1d所示，刻蚀露出的部分衬底10，形成多个凹槽13。在本申请实施例中，多个凹槽13呈周期性阵列排布。优选的，通过湿法腐蚀工艺刻蚀露出的部分衬底10，形成多个凹槽13。具体的，所述湿法腐蚀工艺采用硫酸和磷酸的混合液，优选的，在混合液中，硫酸和磷酸的体积比为3:1～10:1。在本申请实施例中，所述湿法腐蚀工艺的温度为200℃～300℃，所述湿法腐蚀工艺的工艺时间为1分钟～60分钟。

在本申请实施例中，所述凹槽13的剖面形状为三角形，更具体的，所述凹槽13的剖面形状为倒等腰三角形，即顶角位于底角的下方。

接着，如图1e所示，在每个凹槽13中形成一第一GaN结构14，即形成多个第一GaN结构14，其中，一第一GaN结构14位于一凹槽13中。由此，多个第一GaN结构14也呈周期性阵列排布。在本申请实施例中，通过在每个凹槽13中沉积GaN材料，从而形成第一GaN结构14。在此，由于凹槽13为非平面，由此，在每个凹槽13中沉积GaN材料，所形成的第一GaN结构14的材料为多晶GaN。优选的，通过MOCVD工艺在每个凹槽13中沉积GaN材料。

同样的，在本申请实施例中，所述第一GaN结构14的剖面形状也为三角形，更具体的，所述凹槽13的剖面形状为倒等腰三角形。

在本申请实施例中，在形成第一GaN结构14后，去除剩余的掩膜层11，请相应参考图1f。优选的，通过湿法腐蚀工艺去除剩余的掩膜层11。其中，所述湿法腐蚀工艺的腐蚀液为氢氟酸或者BOE(缓冲氧化物刻蚀剂)。

接着，如图1g所示，在每个第一GaN结构14上形成一第二GaN结构15，在衬底10表面形成多个第三GaN结构16，所述多个第三GaN结构16与多个第二GaN结构15间隔排布，即一第三GaN结构16与一第二GaN结构15相邻排布。在此，即形成了多个第二GaN结构15，其中，一第二GaN结构15位于一第一GaN结构14上。因此，多个第二GaN结构15也呈周期性阵列排布，相应的，多个第三GaN结构16也呈周期性阵列排布。在本申请实施例中，所述第二GaN结构15及第三GaN结构16均通过MOCVD工艺沉积GaN材料形成。其中，第二GaN结构15由于是在多晶GaN材料的第一GaN结构14上形成，因此，第二GaN结构15的材料也为多晶GaN；而第三GaN结构16由于是在衬底10表面(即平面)形成，因此，第三GaN结构16的材料为单晶GaN。

由于GaN材料的生长特性，在本申请实施例中，所述第二GaN结构15的剖面形状为倒梯形；所述第三GaN结构16的剖面形状为正梯形。进一步的，多个第二GaN结构15的顶面与多个第三GaN结构16顶面齐平。

接着，如图1h所示，形成AlGaN层17，所述AlGaN层17覆盖所述多个第二GaN结构15及多个第三GaN结构16。即在多个第二GaN结构15的顶面及多个第三GaN结构16顶面形成AlGaN层17。通过所述AlGaN层17，可以使得所形成的LED衬底结构具有更平坦的表面。此外，通过形成AlGaN层17的工艺，也能够控制第二GaN结构15及第三GaN结构16的形状(高度)。在本申请实施例中，所述AlGaN层17的截面宽度与所述衬底10的截面宽度相同。通常的，所述衬底10为晶圆(即形状为圆形)，因此，也可以说所述AlGaN层17的直径与所述衬底10的直径相同。

通过上述LED衬底结构的制作方法便可形成一LED衬底结构，具体可继续参考图1h。所述LED衬底结构包括：衬底10；形成于所述衬底10中的多个第一GaN结构14；形成于多个第一GaN结构14上的多个第二GaN结构15；形成于所述衬底10表面的多个第三GaN结构16，所述多个第三GaN结构16与所述多个第二GaN结构15间隔排布；以及覆盖所述多个第二GaN结构15及多个第三GaN结构16的AlGaN层17；其中，每个第一GaN结构14及每个第二GaN结构15的材料均为多晶GaN，每个第三GaN结构16的材料为单晶GaN。

进一步的，每个第一GaN结构14的剖面形状为倒等腰三角形；每个第二GaN结构15的剖面形状为倒梯形，每个第三GaN结构16的剖面形状为正梯形。在本申请实施例中，多个第一GaN结构14、多个第二GaN结构15及多个第三GaN结构16均呈周期性阵列排布。多个第二GaN结构15的顶面与多个第三GaN结构16的顶面齐平。所述AlGaN层17的截面宽度与所述衬底10的截面宽度相同。

在形成了LED衬底结构之后，接着，便可在所述LED衬底结构表面形成层叠外延磊晶结构。具体的，请参考图2a～2b。

如图2a所示，首先，在所述LED衬底结构表面(在此，具体为在AlGaN层17表面)形成N型外延层18a；在所述N型外延层18a表面形成有源层18b；在所述有源层18b表面形成P型外延层18c。具体的，可通过化学气相沉积工艺形成所述N型外延层18a、有源层18b及P型外延层18c。

接着，如图2b所示，刻蚀所述P型外延层18c、有源层18b及部分厚度的N型外延层18a，形成多个间隔排布的第一区域18-1及第二区域18-2，所述第一区域18-1通过沟槽18-3与所述第二区域18-2隔离。即在此，所述层叠外延磊晶结构18包括多个间隔排布的第一区域18-1及第二区域18-2，所述第一区域18-1通过沟槽18-3与所述第二区域18-2隔离；同时，所述层叠外延磊晶结构18又具体由N型外延层18a、有源层18b及P型外延层18c组成，或者说，所述层叠外延磊晶结构18包括N型外延层18a、有源层18b及P型外延层18c组成。即所述第一区域18-1及第二区域18-2均包括P型外延层、有源层及N型外延层；所述沟槽18-3贯穿所述P型外延层18c、有源层18b及部分厚度的N型外延层18a。

接着，如图3所示，在所述第一区域18-1表面(在此，具体为P型外延层18c表面)形成二元阻挡层19，在所述沟槽18-3侧壁表面形成保护层20。具体的，可通过如下步骤实现：在所述第一区域18-1、第二区域18-2及沟槽18-3侧壁表面形成二氧化硅层；对所述二氧化硅层执行光刻及刻蚀工艺，以在所述第一区域18-1表面形成二元阻挡层19，在所述沟槽18-3侧壁表面形成保护层20。其中，所述二元阻挡层19为一种阻挡层，其包括多个第一截面宽度(或高度)的阻挡层结构以及多个第二截面宽度(或高度)的阻挡层结构，所述第一截面宽度(或高度)与第二截面宽度(或高度)不同。具体的，可通过光刻及刻蚀工艺予以实现。通过所述二元阻挡层19，能够在提高倒装LED芯片发光亮度和发光均匀性的同时，更好地控制倒装LED芯片内部光的传播方向。进一步的，所述保护层20延伸至第一区域18-1以及第二区域18-2中P型外延层18c的边缘，由此能够更好的保护所述沟槽18-3；同时更有效的绝缘后续形成的第一电极与第二电极。在本申请实施例中，所述二元阻挡层19及保护层20的材料均为二氧化硅。

接着，如图4所示，在所述第一区域18-1及第二区域18-2表面均形成第一电极21，在所述沟槽18-3中形成第二电极22。在此，可通过蒸发、溅射或者喷涂工艺在所述第一区域18-1及第二区域18-2表面形成第一电极21，在所述沟槽18-3中形成第二电极22，对此，本申请不再赘述。优选的，所述第一电极21及第二电极22的材料均为铬、钛、铝、镍、银及金中的三种以上材料的组合。例如，所述第一电极21可由镍、银及金组合而成，所述第二电极22可由铬、钛及金组合而成。

进一步的，在形成所述第一电极21之前，可在所述P型外延层18c表面形成扩展电极(图中未示出)，即在所述P型外延层18c与第一电极21之间形成扩展电极。优选的，所述扩展电极的材料为ITO。通过所述扩展电极，可提高所述第一电极21的电性能。

在本申请实施例中，所述第一区域18-1与所述第二GaN结构15正对，所述第二区域18-2与所述第三GaN结构16正对，所述二元阻挡层19位于所述第一区域18-1上。通过合理设计LED衬底结构、层叠外延磊晶结构以及二元阻挡层的对应关系和搭配关系，在提高倒装LED芯片的发光亮度的同时，提高了其轴向发光亮度。通过上述工艺步骤便可形成一正装LED芯片1。

接着，制作LED基板。

如图5所示，形成多个间隔排布的第一基板30及第二基板31，所述第一基板30与第二基板31绝缘；将多个第一基板30间电连接，多个第二基板31间电连接。在此，可通过一引线将所有的第一基板30电连接，通过另一引线将所有的第二基板31电连接，即形成并联的第一引线(将所有的第一基板30电连接)和第二引线(将所有的第二基板31电连接)。由此，通过所述第一引线及第二引线便可外接电源。在此，第一引线外接正极，第二引线外接负极。

最后，将正装LED芯片1与LED基板3连接。具体的，如图6所示，将所述第一基板30与第一电极21连接，所述第二基板31与第二电极22连接。由此，便可形成倒装LED芯片5。即所述倒装LED芯片5包括：正装LED芯片1及LED基板3，其中，所述正装LED芯片1包括：LED衬底结构；所述LED衬底结构表面形成有层叠外延磊晶结构18，所述层叠外延磊晶结构18包括多个间隔排布的第一区域18-1及第二区域18-2，所述第一区域18-1通过沟槽18-3与所述第二区域18-2隔离；所述第一区域18-1表面形成有二元阻挡层19，所述沟槽18-3侧壁表面形成有保护层20；所述第一区域18-1及第二区域18-2表面均形成有第一电极21，所述沟槽18-3中形成有第二电极22；所述LED基板3包括：多个间隔排布的第一基板30及第二基板31，所述第一基板30与第二基板31绝缘，多个第一基板30间电连接，多个第二基板31间电连接；所述第一基板30与第一电极21连接，所述第二基板31与第二电极22连接。

进一步的，在将所述第一基板30与第一电极21连接，所述第二基板31与第二电极22连接之后，还包括：将所述衬底10减薄。在此，通过在将所述第一基板30与第一电极21连接，所述第二基板31与第二电极22连接之后，再进行衬底10的减薄工序，可以便于所述衬底10的减薄。

在本申请实施例中，第一GaN结构14的剖面形状为三角形，在本申请的其他实施例中，所述第一GaN结构的剖面形状与可以为倒梯形，更进一步的，可以为倒等腰梯形。具体如图8所示，所述第一GaN结构44可以为如图所示的倒梯形。综上可见，在本申请实施例提供的倒装LED芯片中，通过合理设计LED衬底结构、层叠外延磊晶结构、阻挡层和电极，以及LED衬底结构、层叠外延磊晶结构、阻挡层和电极的搭配关系，在提高倒装LED芯片的发光亮度的同时，提高了其轴向发光亮度；同时，所采用的LED衬底结构还能更好地提高倒装LED芯片外延的晶体质量和倒装LED芯片的抗击穿能力，也更有利于倒装LED芯片性能和可靠性的提高；再者，在正装LED芯片中设置了二元阻挡层，所述二元阻挡层在提高发光亮度和发光均匀性的同时能够更好地控制倒装LED芯片内部光的传播方向。此外，本实用新型所提供的倒装LED芯片的制作方法，工艺简单、可操作性强，适于大规模商业化生产，符合倒装LED芯片未来发展之路。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种倒装LED芯片，其特征在于，包括：正装LED芯片及LED基板，其中，

所述正装LED芯片包括：LED衬底结构；所述LED衬底结构表面形成有层叠外延磊晶结构，所述层叠外延磊晶结构包括多个间隔排布的第一区域及第二区域，所述第一区域通过沟槽与所述第二区域隔离；所述第一区域表面形成有二元阻挡层，所述沟槽侧壁表面形成有保护层；所述第一区域及第二区域表面均形成有第一电极，所述沟槽中形成有第二电极；

所述LED基板包括：多个间隔排布的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板绝缘，多个第一基板间电连接，多个第二基板间电连接；

所述第一基板与第一电极连接，所述第二基板与第二电极连接。

2.如权利要求1所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述层叠外延磊晶结构包括形成于LED衬底结构表面的N型外延层、形成于所述N型外延层表面的有源层以及形成于所述有源层表面的P型外延层。

3.如权利要求2所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述LED衬底结构包括：衬底；形成于所述衬底中的多个第一GaN结构；形成于多个第一GaN结构上的多个第二GaN结构；形成于所述衬底表面的多个第三GaN结构，所述多个第三GaN结构与所述多个第二GaN结构间隔排布；以及覆盖所述多个第二GaN结构及多个第三GaN结构的AlGaN层；其中，每个第一GaN结构及每个第二GaN结构的材料均为多晶GaN，每个第三GaN结构的材料为单晶GaN。

4.如权利要求3所述的倒装LED芯片，其特征在于，每个第一GaN结构的剖面形状为三角形或者倒梯形。

5.如权利要求4所述的倒装LED芯片，其特征在于，每个第一GaN结构的剖面形状为倒等腰三角形或者倒等腰梯形。

6.如权利要求4所述的倒装LED芯片，其特征在于，每个第二GaN结构的剖面形状为倒梯形，每个第三GaN结构的剖面形状为正梯形。

7.如权利要求3～6中任一项所述的倒装LED芯片，其特征在于，多个第一GaN结构、多个第二GaN结构及多个第三GaN结构均呈周期性阵列排布。

8.如权利要求3～6中任一项所述的倒装LED芯片，其特征在于，多个第二GaN结构的顶面与多个第三GaN结构的顶面齐平。

9.如权利要求3～6中任一项所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述AlGaN层的截面宽度与所述衬底的截面宽度相同。

10.如权利要求3所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述第一区域与所述第二GaN结构正对，所述第二区域与所述第三GaN结构正对。

11.如权利要求2所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述沟槽贯穿所述P型外延层、有源层及部分厚度的N型外延层。

12.如权利要求2所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述二元阻挡层及保护层的材料均为二氧化硅。

13.如权利要求2所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述第一电极及第二电极的材料均为铬、钛、铝、镍、银及金中的三种以上材料的组合。

14.如权利要求2所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述P型外延层与第一电极之间形成有扩展电极。

15.如权利要求14所述的倒装LED芯片，其特征在于，所述扩展电极的材料为ITO。