专利名称：功率型高亮度白光组合半导体发光二极管(led)芯片及批量生产的工艺的制作方法
技术领域：
功率型高亮度白光组合半导体发光二极管(LED)芯片，属于半导体光电子技术领域，涉及一种所需要的颜色或者白光组合半导体发光二极管芯片及其低成本高产能的批量生产方法。
背景技术：
大量的努力被投注于白光半导体发光二极管和白光组合半导体发光二极管，到目前为止，有四类方法发出白光1)使用波长转换材料，包括荧光粉，光子再生半导体材料，和染料。有关专利包括美国专利6,635,987，美国专利6,642,618。
2)把红色，绿色，和蓝色的半导体发光二极管芯片组合在一起。
3)外延生长单一的半导体发光二极管芯片发出不同波长的光，复合成白光，有关专利包括美国专利6,163,038。
4)层叠二个不同颜色的半导体发光二极管芯片，复合成白光，有关专利包括美国专利6,633,120。
以上的产生白光的方法各有其问题方法(1)荧光粉寿命短于半导体发光二极管。方法(2)红色，绿色，和蓝色半导体发光二极管芯片的组合的控制电路昂贵。方法(3)目前，单一半导体发光二极管芯片发出不同波长的光的强度仍偏低，工艺复杂。方法(4)美国专利6,633,120提出的方法是在芯片水平层叠二个不同颜色的半导体发光二极管芯片，成本高，产能低，难以批量生产。
发明内容
本发明提供新的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片及其低成本高产能的批量生产方法。
新的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片包括第一外延层键合到一个导电衬底上并且发出具有第一波长的光，第二外延层键合到第一外延层并且发出具有第二波长的光，一个第二电极层叠于暴露的第二外延层表面，一个第一电极层叠于导电衬底的暴露的表面。第一波长的光和第二波长的光复合成白光或者所希望的波长的光。
本发明的目的和能达到的各项效果如下1.使用市场上最高亮度的不同波长的半导体发光二极管的晶片于生产本发明的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片，因此，本发明提供最高亮度的白光。例如，目前市场上最高亮度的蓝光半导体发光二极管是AlGaInN，最高亮度的黄光半导体发光二极管是AlGaInP，将一个AlGaInN蓝光半导体发光二极管键合到一个AlGaInP黄光半导体发光二极管上，剥离GaAs衬底，暴露的AlGaInP外延层键合到一个导电衬底上，然后剥离蓝宝石衬底。
2.与美国专利6,633,120提出的组合半导体发光二极管芯片相比，本发明的键合，层叠电极，和剥离衬底的生产工艺都是在晶片水平进行，所以可以进行低成本高产能的批量生产。另外，发光层被更充分的利用。
3.具有倒装焊的全部优点，例如非常高的散热能力；而没有倒装焊的缺点，例如生产工艺复杂，设备昂贵，生产效率低。
4.优化的第二电极的图形和位置使得电流分布更均匀，因此电流更强，发光更强。
5.因为蓝宝石衬底已被剥离，划片的成本降低。
6.对于功率型高亮度白光组合半导体发光二极管的灯具，因为蓝宝石衬底已被剥离，选择复盖白光组合半导体发光二极管的透明圆顶的材料，形状和半径，使得全内反射消失，因此功率型高亮度白光组合半导体发光二极管的光取出效率提高。
图1a和图1b是传统的二个不同颜色的组合半导体发光二极管芯片的顶视图和截面图。
图2a和图2e是本发明的带有一个打线焊点的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片的截面图。
图3a和图3b是本发明的带有二个打线焊点的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片的截面图。
图4a到4b是本发明的带有二个打线焊点的具有多重量子势垒-阱(MultiQuantum Barrier-Well or MQBW)的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片的截面图。
图5a到图5b是本发明的分别带有一个和二个打线焊点的功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片的生产流程图。
图6a到图6d是不同图形的第二电极的顶视图。
图7是传统的半导体发光二极管的灯具的截面图。
图8a到图8b是本发明的半导体发光二极管的二个不同的灯具的截面图。
本发明的新颖性特征是在权利要求中提出，本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
具体实施实例和发明的详细描述本发明进一步的目的和效果将会从以下的描述和图显现出来。虽然本发明的具体化将会在下面被描述，那些熟练的技术人员将会认识到其他的功率型高亮度组合半导体发光二极管，灯具，和生产工艺能够实现本发明的原理。因此下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项描述。
注意下列各项1.所有的图中的各个部分的大小的比例只是用于说明本发明，不是真正产品的比例。
2.依照色度表的光波长和光强度，选择两个功率型高亮度半导体发光二极管，使得由它们的组合发出所需要的颜色的光。
3.第一个功率型高亮度半导体发光二极管发出长波长的光，发光层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于AlGaInP，GaAsP，AlGaAs，AlInP，GaInP，GaNP，和GaInNP，4.第二个功率型高亮度半导体发光二极管发出短波长的光，发光层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于GaInN，AlGaInN，GaN，GaNP，GaInNP，BeZnCdSe，BeZnCdTe，ZnSe，ZnCdSe和ZnSeTe。
5。多重量子势垒-阱(MQBW)层的材料分别地由第一个和第二个功率型高亮度半导体发光二极管的发光层的材料决定。量子势垒(MQB)层和量子阱(MQW)层交替地层叠。
6.本发明的混合颜色的光的组合半导体发光二极管的导电衬底包括，但不限于，导电的Si，SiC，Cu和Al的薄膜。
7.反射/欧姆层的材料包括，但不限于，Ag，Al，Au，In，Ni，Ti，Pd，Pt和它们的合金。
8.导电衬底的底部上的第一电极的材料包括，但不限于，Au，Sn，Ni，Ge，和它们的合金。
9.不同电极性的电极之间是电绝缘的。
10.第一外延层总是键合在导电衬底上，第二外延层键合在第一外延层上，第二外延层对第一外延层发出的比较长的波长的光是透明的。
11.导电环氧基树脂，铟，ITO和其他的材料可以用来键合第一外延层和第二外延层。键合材料，至少对比较长的波长的光，是透明的。
12.除了N和P被互换，图2a和图2b，图3a和图3b，图4a和图4b，分别地有相同的结构。因此，下面只详细地描述图2a，图3a，和图4a。
图1a和图1b展示传统的键合在一起的两个不同波长的半导体发光二极管芯片。半导体发光二极管110和半导体发光二极管120是在芯片水平键合的。只有八边形的重叠区域130发光。在半导体发光二极管110之上有二个打线焊点150，在半导体发光二极管120之上有二个打线焊点140。典型的打线焊点是100×100微米，因此半导体发光二极管110和半导体发光二极管120的相当大的一部分发光层被浪费。图1b展不打线焊点140和打线焊点150是分别在组合半导体发光二极管不同的两面上，因此打线工艺非常困难而且很费时。
图2a展示本发明的一个具体实施实例。反射/欧姆层213和N电极212分别地层叠在导电衬底211的两面上。第一外延层240包括第一N-限制层214，第一P-限制层216，和层叠在第一N-限制层214和第一P-限制层216之间的第一发光层215，第一外延层240层叠在反射/欧姆层213上。第二外延层250包括第二N-限制层217，第二P-限制层219，和层叠在第二N-限制层217和第二P-限制层219之间的第二发光层218，第二外延层250键合在第一外延层240上。P电极220层叠在第二P-限制层上219上。第一和第二外延层240和250是电串连。
在这个具体实施实例中，只需要在P电极220层叠打线焊点。在这个具体化实例中，藉由选择第一个和第二个半导体发光二极管240和250发出的光的强度和波长，可以控制混合光的颜色。
图3a展示另一个具体实施实例。在这个具体实施实例中，施加在第一和第二外延层340和350的电流是分开控制的。反射/欧姆层313和第一N电极312分别地被层叠在导电衬底311的两面上。第一外延层340包括第一N-限制层314，第一P-限制层316，和在第一P-限制层316和第一N-限制层314之间的第一发光层315。第一外延层340层叠在反射/欧姆层313上。第二外延层350包括第二N-限制层320，第二P-限制层318，和在第二P-限制层318和第二N-限制层320之间的第二发光层319。第二外延层350键合在第一外延层340上。第二N电极321层叠在第二N-限制层320上。P电极317层叠在第一P-限制层316和第二P-限制层318之间。第二外延层350的一个预先决定的区域被蚀刻直到P电极317暴露。然后P打线焊点322层叠在P电极317上。第一和第二外延层340和350的电源是分开控制的。
对於这个具体化实例，有二个打线焊点，第二N电极321和P打线焊点322，层叠在本发明的混合颜色的光的组合半导体发光二极管的相同表面上，因此很容易打线。
这个具体化实例藉着分别地控制施加在第一和第二外延层的电压和电流，控制混合光的颜色。
图4a展示一个具备多量子势垒-阱层(MQBW)结构的白光组合半导体发光二极管。第一外延层450包括第一N-限制层414，第一发光层415和第一多量子势垒-阱层(MQBW)416。第二外延层460包括第二N-限制层420，第二发光层419，和第二多量子势垒-阱层(MQBW)418。第二N电极421层叠在第二外延层460上。第一和第二外延层450和460的电源是分开控制的。P电极417层叠在第一多量子势垒-阱层(MQBW)416和第二多量子势垒-阱层(MQBW)418之间。第二外延层460上的一个预先决定的区域被蚀刻直到P电极417暴露。然后P打线焊点422层叠在P电极417上。
图5a与图5b展示二种有些微不同的制造功率型高亮度白光组合发光二极管芯片的低成本高产能的批量生产方法的流程图。
生产流程501和502是，依照波长互补和发光强度的比例，分别准备和选用二片不同波长的发光二极管晶片。在准备晶片时，还需要考虑剥离衬底的方法，不同的剥离衬底的方法需要不同的发光二极管晶片生长程序。
在下面详细说明其他的生产流程步骤。
生产流程步骤503，键合二片选用的发光二极管晶片。
生产流程步骤504，剥离比较长的波长的发光二极管晶片的衬底，剥离的方法可以是选择性蚀刻，机械研磨/抛光，或它们的组合。然后比较长的波长的第一外延层暴露。
生产流程步骤505，在暴露的第一外延层上层叠反射/欧姆层。
生产流程步骤506，键合一个有优良导电导热的衬底到反射/欧姆层上，导电衬底的另一表面有电极。
生产流程步骤507，剥离比较短的波长的发光二极管晶片的衬底，使得第二外延层暴露。本发明的一个具体实施实例，短波长的发光二极管晶片的衬底是蓝宝石，蓝宝石可以用机械研磨/抛光或激光剥离，然后比较短波长的第二外延层暴露。
生产流程步骤508，在暴露的第二外延层上层叠一个图形化的电极。
生产流程步骤509，切割组合发光二极管晶片成为单个组合发光二极管芯片。
图5b中，生产流程步骤基本与图5a中的生产流程步骤相同。不同的是生产流程步骤510和511。
生产流程步骤510，在生产流程步骤503之前，至少在一个发光二极管晶片的外延层上，层叠一个第三电极。
生产流程步骤511是在生产流程步骤509之前，在特定区域蚀刻第二外延层直到第三电极暴露，层叠一个打线焊点于第三电极。
图6a和图6b展示本发明的图形化的电极的具体实施实例。图形化的电极有环-格子-图形，层叠在第二外延层600上。图形化的电极包括互相电连接的环601，格子602，和打线焊点603。从打线焊点603引进的电流经过环601和格子602平均分布并流过第二外延层600。图6b展示与图3a的P电极317，和图4a的P电极417电连接的第二打线焊点604。
图6c和6d展示本发明的另一个有叉-多环-图形的图形化的电极的具体实施实例。图形化的电极层叠在第二外延层600上，包括电连接的多环607，叉605和打线焊点606。从打线焊点606引进的电流经过多环607和叉605平均分布并流过第二外延层600。图6d展示与图3a的P电极317，和图4a的P电极417电连接的第二打线焊点608。
图7展现传统的LED灯。光702和光705从发光层703发出，并分别地在发光层703和透明的衬底701之间的界面，及在衬底701和圆顶700之间的界面被全内反射。光706在圆顶700和空气之间的界面被全内反射。
注意一个传统的LED灯有一被圆顶700包围的反射杯704，因此，有3种类型的全内反射在发光层和衬底之间，在衬底和圆顶之间，在圆顶和空气之间。因此光的取出效率很低。
图8a展示本发明的一个LED灯的具体实施实例。本发明的LED灯包含外延层804和发光层803层叠在基座805上。圆顶801复盖组合半导体发光二极管。圆顶801的材料中掺杂纳米粒子，使得外延层804和圆顶801有相同或相似的折射率，因此在外延层804和圆顶801之间的界面上的全内反射被除去。
从Snell定律，可以推导出，当R≥nd，其中，R是半球形的圆顶直径，n是圆顶材料的折射率，d是LED的尺寸，圆顶和空气之间的界面上的全内反射被除去。
因此传统的LED灯所有三种类型的全内反射完全地被除去。
图8b是本发明的另一个LED灯的具体实施实例。透明的盖子820密封LED灯。LED芯片817层叠在热沉810上，热沉有颈812以固定圆顶818。金线811连接芯片817和管脚815，管脚815穿过孔813。反射杯816反射LED发出的光到需要的方向。
虽然上面包含许多具体的描述，但是这些描述并没有限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权力要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施实例决定。
权利要求
1.一种发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管(LED)芯片，包括但不限于第一外延层，该层包括但不限于，依次纵向层叠的第一N-限制层，第一发光层，和第一P-限制层组成，所述的第一发光层发出具有第一波长的光；第二外延层，该层包括但不限于，依次纵向层叠的第二N-限制层，第二发光层，和第二P-限制层组成，所述的第二发光层发出具有第二波长的光；第一波长的光的波长比第二波长的光的波长长；所述的第一外延层的一面键合到所述的第二外延层的一面；一个第二电极层叠在所述的第二外延层的另一面；一个导电衬底键合到所述的第一外延层的另一面；一个第一电极层叠在所述的导电衬底的另一面。
2.权利要求1所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管(LED)芯片，进一步包括一个第三电极层叠在所述的第一外延层和所述的第二外延层之间；所述的第一电极和所述的第二电极有相同的电极性；所述的第三电极和所述的第二电极有相反的电极性；因此可以分别控制所述的第一外延层和所述的第二外延层的发光强度。
3.权利要求1所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管(LED)芯片，进一步包括一个反射/欧姆层；所述的反射/欧姆层层叠在所述的第一外延层和所述的导电衬底之间；所述的反射/欧姆层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于铝，金，银，镍，铜，及它们的合金。
4.权利要求1所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管(LED)芯片，其特征在于，所述的第二电极具有优化的图形；所述的第二电极的优化的图形包括，但不限于环-格子-图形，叉-多环-图形；因此使得电流均匀地流过发光层。
5.权利要求1所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管(LED)芯片，其特征在于，所述的第一发光层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括但不限于AlGaInP，GaAsP，AlGaAs，AlGaP，GaInP，GaInN，GaNP，GaInNP，和GaP:N；所述的第二发光层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于AlGaInN，GaInN，GaN，GaNP，GaInNP，BeZnGdSe，BeZnCdTe，ZnSe，ZnCdSe，ZnSeTe，和ZnSSe.
6.一种发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片，包括，但不限于第一外延层，该层包括，但不限于，依次纵向层叠的第一类型限制层，第一发光层，第一多量子势垒-阱层，所述的第一发光层发出具有第一波长的光；第二外延层，该层包括，但不限于，依次纵向层叠的第二多量子势垒-阱层，第二发光层，第二类型限制层，所述的第二发光层发出具有第二波长的光；第一波长的光的波长比第二波长的光的波长长；所述的第一外延层键合到所述的第二外延层；一个第二电极层叠在所述的第二外延层的另一面；一个导电衬底键合到所述的第一类型限制层的一面；一个第一电极层叠在所述的导电衬底的另一面。
7.权利要求6所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片，进一步包括一个第三电极层叠在所述的第一外延层和第二外延层之间；所述的第一电极和所述的第二电极有相同的电极性；所述的第三电极和所述的第二电极有相反的电极性；因此可以分别控制所述的第一外延层和所述的第二外延层的发光强度。
8.权利要求6所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片，进一步包括一个反射/欧姆层；所述的反射/欧姆层层叠在所述的第一外延层和所述的导电衬底之间；所述的反射/欧姆层的成份是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于铝，金，银，镍，铜，及它们的合金。
9.权利要求6所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片，其特征在于，所述的第二电极具有优化的图形；所述的第二电极的优化的图形包括，但不限于环-格子-图形，叉-多环-图形；因此使得电流均匀地流过发光层。
10.权利要求6所述的发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片，其特征在于，所述的第一发光层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于AlGaInP，GaAsP，AlGaAs，AIGaP，GaInP，GaInN，GaNP，GaInNP，和GaP:N.；所述的第二发光层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于AlGaInN，GaInN，GaNP，GaInNP，GaN，BeZnCdSe，BeZnCdTe，ZnSe，ZnCdSe，ZnSeTe，和ZnSSe.
11.一种生产可发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片的方法，包括，但不限于，下列工艺步骤键合第一发光二极管晶片的第一外延层到第二发光二极管晶片的第二外延层；剥离所述的第一发光二极管晶片的衬底，使得所述的第一外延层暴露；层叠一个反射/欧姆层于暴露的所述的第一外延层；键合一个导电衬底到所述的反射/欧姆层；剥离所述的第二发光二极管晶片的衬底，使得所述的第二外延层暴露；层叠一个第二电极于暴露的第二外延层，形成一个组合发光二极管晶片；切割所述的组合发光二极管晶片成为组合发光二极管芯片。
12.权利要求11所述的生产可发出混合颜色的光的组合半导体发光二极管芯片的方法，进一步包括在键合所述的第一外延层和所述的第二外延层之前，层叠一个第三电极于所述的第一外延层和所述的第二外延层之间；在特定区域蚀刻所述的第二外延层直到所述的第三电极暴露；层叠一个打线焊点于所述的第三电极。
全文摘要
本发明揭示几种功率型高亮度白光组合半导体发光二极管(LED)芯片及其低成本高产能的批量生产方法。这几种功率型高亮度白光组合半导体发光二极管芯片的结构包括，但不限于第一外延层键合到高导热的导电衬底的一面上并且发出具有第一波长的光，导电衬底的另一表面的全部作为第一电极；第二外延层键合到第一外延层并且发出具有第二波长的光，图形化的第二电极层叠于第二外延层的暴露的表面。第一波长的光和第二波长的光复合成白光或者所希望的颜色的光。本发明的键合，层叠电极，和剥离衬底的生产工艺都是在晶片水平进行，所以可以进行低成本高产能的批量生产。
文档编号H01L25/075GK1619846SQ20041006273
公开日2005年5月25日 申请日期2004年7月8日 优先权日2004年2月26日
发明者彭晖, 彭刚 申请人:金芃