CN204333022U - 倒装led芯片结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种倒装LED芯片结构，采用双面图形化衬底，所述双面图形化衬底两个相对的表面上设置具有聚光作用的微透镜阵列，从而在不影响LED外延层晶体质量的前提下，提高倒装LED芯片的发光亮度和轴向发光亮度。

Description

倒装LED芯片结构

技术领域

本实用新型属于半导体光电芯片制造领域，尤其涉及一种倒装LED芯片结构。

背景技术

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。

从结构上讲，LED芯片有LED芯片和倒装LED芯片之分，对于正装芯片而言，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芯片大多生长的蓝宝石衬底上，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；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；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封装将其串联，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面出光的，一方面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全反射，导致较多的光不能出来，减少出光效率；另一方面由于生长衬底表面图形的存在，在衬底和外延层的交界面处将会使较多的光再次从N面反向P面，进一步影响了倒装LED芯片的出光效率，如果倒装芯片不使用图形化衬底，而是用平坦的衬底，则将会严重影响外延层的晶体质量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种倒装LED芯片结构，在不影响LED外延层晶体质量的前提下，提高倒装LED芯片的发光亮度。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种倒装LED芯片结构，包括：

具有相对的第一表面和第二表面的衬底，形成于所述衬底的第一表面上阵列排布的第一微透镜结构，形成于所述衬底的第二表面上阵列排布的第二微透镜结构，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构关于所述衬底对称分布；

形成于所述第一表面上的外延层，所述外延层包括依次形成的N型外延层、有源层和P型外延层；

形成于所述外延层中并暴露所述N型外延层的凹槽；

形成于所述凹槽的侧壁上的侧壁保护层；

形成于所述P型外延层上的P电极，形成于所述凹槽中的N电极；

倒装LED基板，包括多个间隔分布的第一基板和第二基板以及用于绝缘隔离所述第一基板和第二基板的绝缘隔离板，第一基板均与正极引线电连接，第二基板均与一负极引线电连接，所述第一基板对应于所述P电极，所述第二基板对应于所述N电极，所述绝缘隔离板插入所述P电极与N电极之间的缝隙。

可选的，在所述的倒装LED芯片结构中，所述衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底。

可选的，在所述的倒装LED芯片结构中，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构的形状和尺寸相同。

可选的，在所述的倒装LED芯片结构中，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构均为半球型或半椭球型结构。

与现有技术相比，本实用新型提供一种倒装LED芯片结构，所述倒装LED芯片采用双面图形化衬底，所述双面图形化衬底两个相对的表面上设置具有聚光作用的微透镜阵列，从而在不影响LED外延层晶体质量的前提下，提高倒装LED芯片的发光亮度和轴向发光亮度。

附图说明

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本实用新型。为了清楚起见，图中各个层的相对厚度以及特定区的相对尺寸并没有按比例绘制。在附图中：

图1～12是本实用新型实施例中倒装LED芯片结构制作过程中的剖面示意图；

图13是本实用新型实施例中倒装LED芯片结构制作方法的流程示意图。

具体实施方式

在针对背景技术提到的问题的研究中，本申请的发明人发现，有必要根据倒装芯片的特殊性，将双面图形化衬底结构用于倒装LED芯片的制作，这可以在不影响LED外延层晶体质量的前提下，减少从外延层射向衬底的光的反射，增加其透射，提高出光效率和发光亮度。进一步发现，若将图形设计为具有聚光作用的微透镜阵列结构，将进一步提高倒装LED芯片的轴向发光亮度。

具体如图13所示，结合图1至图12，一种倒装LED芯片结构，包括：

具有相对的第一表面和第二表面的衬底10；

形成于所述第一表面上阵列排布的第一微透镜结构11以及形成于所述第二表面上阵列排布的第二微透镜结构12，所述第一微透镜结构11和第二微透镜结构12的形状和尺寸相同，且所述第一微透镜结构11和第二微透镜结构12关于所述衬底10对称分布；

形成于所述第一表面上的外延层，所述外延层包括依次形成的N型外延层21、有源层22和P型外延层23；

形成于所述外延层中并暴露所述N型外延层21的凹槽30以及形成于所述凹槽30的侧壁上的侧壁保护层40；

形成于P型外延层23上的P电极51以及形成于凹槽30中的N电极52，所述P电极51与N电极52之间具有一缝隙；

倒装LED基板60，包括多个间隔分布的第一基板61和第二基板62以及用于绝缘隔离所述第一基板61和第二基板62的绝缘隔离板63，多个第一基板61均与正极引线电连接，多个第二基板62均与负极引线电连接，所述第一基板61对应于所述P电极51，所述第二基板62对应于所述N电极52，所述绝缘隔离板63插入P电极51与N电极52之间的缝隙。

所述第一微透镜结构11和第二微透镜结构12是指具有聚光作用的半球型或半椭球型结构，所述倒装LED芯片采用双面图形化衬底，并所述双面图形化衬底两个相对的表面上设置具有聚光作用的微透镜阵列，从而在不影响LED外延层晶体质量的前提下，提高倒装LED芯片的发光亮度和轴向发光亮度。

其中，所述第二微透镜结构与第一微透镜结构以衬底10为中心对称分布，即第二微透镜结构的中心与第一微透镜结构的中心的连线垂直于衬底10，可进一步提高倒装LED芯片的发光亮度。

本实用新型还提供一种倒装LED芯片结构的制作方法，包括：

S1：提供一具有相对的第一表面和第二表面的衬底，所述衬底的第一表面上形成有阵列排布的第一微透镜结构；

S2：在所述衬底的第一表面上形成外延层，所述外延层包括依次形成的N型外延层、有源层和P型外延层；

S3：在所述外延层中形成多个暴露所述N型外延层的凹槽，并在所述凹槽的侧壁上形成侧壁保护层；

S4：在所述P型外延层上形成P电极，在所述凹槽中形成N电极，以完成LED芯片的制作；

S5：提供一倒装LED基板，所述倒装LED基板包括多个间隔分布的第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板通过绝缘隔离板绝缘隔离，多个第一基板均与正极引线电连接，多个第二基板均与一负极引线电连接；

S6：将所述LED芯片倒装焊接于所述倒装LED基板上，所述第一基板对应于所述P电极，所述第二基板对应于所述N电极；

S7：在所述衬底的第二表面上形成光刻胶层，并通过所述正极引线和负极引线对所述LED芯片通电使所述LED芯片发光，从而对所述光刻胶层进行无掩膜曝光和显影工艺，在衬底的第二表面上形成图形化光刻胶；

S8：对所述图形化光刻胶进行烘烤形成掩膜层；

S9：刻蚀所述衬底以在衬底的第二表面上形成阵列排布的第二微透镜结构，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构的形状和尺寸相同，且所述第一微透镜结构和第二微透镜结构关于所述衬底对称分布。

以下结合附图1～12对本实用新型提出的倒装LED芯片的制作方法作进一步详细说明。

如图1所示，在步骤S1中，提供一平坦的衬底10，所述衬底10包括相对的第一表面和第二表面，所述衬底10的第一表面上形成有阵列排布的第一微透镜结构11。所述衬底10优选为蓝宝石衬底，当然，根据具体需要，所述衬底10还可以是其他类型衬底，例如碳化硅衬底。

在本实施例中，可通过如下方式形成阵列排布的第一微透镜结构11：首先，在衬底10的第一表面上形成光刻胶层；然后，通过曝光和显影工艺制作出图形化光刻胶，所述图形化光刻胶由若干圆柱形光刻胶台组成，每个圆柱形光刻胶台平行于衬底10的第一表面和第二表面方向的截面为圆形，垂直于衬底10的第一表面和第二表面方向的截面为方形。接着，对所述图形化光刻胶进行烘烤形成掩膜层，使圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶。可知，圆柱形光刻胶台在高于光刻胶的玻璃软化温度下，例如在温度为120℃～250℃的范围内，由于表面张力的作用成为球冠状光刻胶，所述球冠状光刻胶是指半球型或半椭球型结构，即，球冠状光刻胶平行于衬底10的第一表面和第二表面方向截面为圆形，垂直于衬底10的第一表面和第二表面方向截面为半圆形或半椭圆形；接下来，以所述掩膜层为掩膜，执行感应耦合等离子体刻蚀工艺，直至所述球冠状光刻胶被完全刻蚀掉，从而在衬底10的第一表面上形成多个第一微透镜结构11，所述第一微透镜结构11是指具有聚光作用的半球型或半椭球型结构。

如图2所示，在步骤S2中，在所述衬底10的第一表面上形成外延层，所述外延层包括依次形成于衬底10的第一表面上的N型外延层21、有源层22和P型外延层23。

如图3和图4所示，在步骤S3中，通过光刻和刻蚀工艺在所述外延层的多个预定区域一中形成多个凹槽30，所述凹槽30暴露所述N型外延层21。进一步的，所述凹槽30内的P型外延层23和有源层22完全被去除，而N型外延层21被去除一部分。再通过沉积、光刻、刻蚀工艺在凹槽30的侧壁上形成侧壁保护层40，优选方案中，所述侧壁保护层40延伸至P型外延层23的边缘。所述侧壁保护层40的材料例如是二氧化硅。

如图5所示，在步骤S4中，通过蒸发、溅射或喷涂工艺在所述P型外延层23上形成P电极51，在所述凹槽30中形成N电极52，所述P电极51与N电极52之间具有缝隙，以完成LED芯片的制作。优选的，在所述P电极51和P型外延层23之间还可以形成扩展电极，所述扩展电极的材料为ITO。所述P电极51和N电极52的材料为铬、钛、铝、镍、银、金中的一种或多种。

如图6所示，在步骤S5中，提供一倒装LED基板60，所述倒装LED基板60包括多个间隔分布的第一基板61和第二基板62，所述第一基板61和第二基板62通过绝缘隔离板63绝缘隔离，多个第一基板61均与正极引线电连接，多个第二基板62均与一负极引线电连接。

如图7所示，在步骤S6中，将所述LED芯片倒装焊接于所述倒装LED基板60上，所述第一基板61对应于所述P电极51，所述第二基板62对应于所述N电极52。较佳方案中，如图8所示，减薄所述衬底10以减小器件体积。

如图9和图10所示，在步骤S7中，在所述衬底10的第二表面上形成光刻胶层71，并通过所述正极引线和负极引线对LED芯片通电进而使所述LED芯片发光，从而对所述光刻胶层71进行无掩膜曝光和显影工艺，即，不需要掩膜板，直接利用LED芯片发光对光刻胶层71曝光，由于衬底10的第一表面上具有阵列排布的第一微透镜结构11，使得光线到达光刻胶层71所经过路程不同，第一微透镜结构11处相比于其它位置光线路程较长，光吸收掉，而到达第一微透镜结构之间的第二光刻胶光线路程最短，光刻胶全部被显影，这是因为光在介质中通过时，光能由于吸收是要衰减的，衰减量与吸收系数及介质长度有关，平行光束初始时各处能量一样，由于经过了不同的介质路程，剩余的光能就有所区别，本实用新型中对应第一微透镜结构处的光被吸收完了，而其余位置的光可则使光刻胶发生反应，故，可通过控制LED芯片发光的发光使得第二表面上与第一微透镜结构相对的位置的光刻胶未被曝光，而其他位置的光刻胶的则被曝光，可根据第一微透镜结构的尺寸以及光刻胶层71的厚度相应调整曝光能量。然后，通过显影工艺在衬底10的第二表面上形成图形化光刻胶72。具体地说，经过显影工艺后，与第一微透镜结构对应位置的光刻胶的全部或者一部分将保留在原处，其他位置的光刻胶感光后被显影液溶解去除。本实施例中，所述图形化光刻胶72为圆柱形或接近圆柱形的光刻胶台。

如图11所示，在步骤S8中，对所述图形化光刻胶72进行烘烤形成掩膜层73，使圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶，圆柱形光刻胶台在高于光刻胶的玻璃软化温度下，由于表面张力的作用成为球冠状或接近球冠状的光刻胶。实际上，本实用新型并不限定图形化光刻胶72以及掩膜层73的形状，只要图形化的光刻胶经过烘烤以及刻蚀可得到第二微透镜结构即可。

如图12所示，在步骤S9中，以所述掩膜层73为掩膜，通过刻蚀工艺在衬底10的第二表面上形成阵列排布的第二微透镜结构12。具体地说，以所述掩膜层73为掩膜，执行感应耦合等离子体刻蚀工艺，直至所述掩膜层73被完全刻蚀掉，从而在衬底10的第二表面上形成多个第二微透镜结构12。所述第二微透镜结构12为半球型或半椭球型结构。第二微透镜结构12与第一微透镜结构11以衬底为中心对称分布，即，第二微透镜结构12的中心与第一微透镜结构11的中心的连线垂直于衬底10。

本实用新型在衬底的第一表面上制作出阵列排布的第一微透镜结构，后续再结合衬底第一表面上阵列排布的第一微透镜结构的特点，通过LED芯片自身发光，实现光刻自对准工艺，从而在无需掩膜板和对位的前提下，实现衬底第二表面掩膜层的制作，最后再通过刻蚀工艺在衬底第二表面上形成阵列排布的第二微透镜结构，以形成本实用新型所提供的具有双面图形化的倒装LED芯片结构，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。

虽然已经通过示例性实施例对本实用新型进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例性实施例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种倒装LED芯片结构，其特征在于，包括：

具有相对的第一表面和第二表面的衬底，形成于所述衬底的第一表面上阵列排布的第一微透镜结构，形成于所述衬底的第二表面上阵列排布的第二微透镜结构，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构关于所述衬底对称分布；

形成于所述第一表面上的外延层，所述外延层包括依次形成的N型外延层、有源层和P型外延层；

形成于所述外延层中并暴露所述N型外延层的凹槽；

形成于所述凹槽的侧壁上的侧壁保护层；

形成于所述P型外延层上的P电极，形成于所述凹槽中的N电极；

倒装LED基板，包括多个间隔分布的第一基板和第二基板以及用于绝缘隔离所述第一基板和第二基板的绝缘隔离板，第一基板均与正极引线电连接，第二基板均与一负极引线电连接，所述第一基板对应于所述P电极，所述第二基板对应于所述N电极，所述绝缘隔离板插入所述P电极与N电极之间的缝隙。

2.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底。

3.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构，其特征在于，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构的形状和尺寸相同。

4.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构，其特征在于，所述第一微透镜结构和第二微透镜结构均为半球型或半椭球型结构。