专利名称：高压led器件及其制造方法
技术领域：
本发明属于发光器件制造领域，尤其涉及一种高压LED器件及其制造方法。
背景技术：
随着以氮化物为基础的高亮度发光二极管(Light Emitting Diode, LED)应用的开发，新一代绿色环保固体照明光源氮化物LED已成为研究的重点，尤其是以第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色LED的开发。以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓 (AlGaN)合金为主的III族氮化物半导体材料具有宽的直接带隙、内外量子效率高、高热导率、耐高温、抗腐蚀、抗震性、高强度和高硬度等特性，是目前制造高亮度发光器件的理想材料。传统的LED在蓝宝石衬底GaN结构上形成P型接触结构，这种结构为避免光从导电率低的P型GaN层顶部取出而沉积电流扩散层，但是电流扩散层厚薄会分别限制出光效率和大电流被扩散的能力，而且pn结的热量通过热导系数低的蓝宝石衬底导出去，导热路径长、热阻大，此外，P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装。于是，提出倒装芯片(Flip chip)结构，在这种结构中，光不必经过电流扩散层而直接从蓝宝石衬底取出，因此，不透光的电流扩散层通过加厚可以同时增加电流密度和反射光，而且pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底或氮化铝陶瓷基板，导热路径短、热阻小，散热效果好，并且，在pn结与P电极之间增加了一个能消除电极和引线的挡光的反光层，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。但是，随着大功率LED照明产业的应用快速发展，往往需要将几个或几十个，甚至上百个LED串联或并联起来使用，以制备高压LED器件。这种结构的高压LED器件键和引线多、成本高、面积大，并且在大电路下由于俄歇复合的发生，电流密度局部容易产生拥挤效应，LED光效直线下降。由于在同样输出功率下，虽然高压LED器件比低压LED器件所需要的驱动电流要低，但LED在低电流下光效非常高。现以一种通用的高压LED器件制作工艺为例，参见图1，在衬底10上依次沉积N型限制层12、多量子阱有源层14和P型限制层16，接着，在所述的N限制层12和所述的P型限制层16上通过沉积金属制作N电极18和P电极20，形成一个LED，然后，对多个LED进行板上晶片直装(Chip On Board, COB)封装，通过电极上设置的金属连线22将所述的多个 LED键合在基板上，形成多个LED串联和/或并联，形成高压LED器件因此，希望通过使用小功率LED的串联和/或并联形成高压LED结构来解决上述问题。但是，由于大功率LED芯片的功率密度很高，功率很大，发热非常厉害，仅仅通过小功率LED简单的串联和/或并联， 再经过Flip chip技术制备高压LED，仍然不能省却芯片固晶、金线键合的步骤，因此，不能减少面积与消除电极和引线的挡光、不能降低芯片自身电阻，同时也不能有效地解决面积过大而产生的电流密度局部拥挤效应以及大功率LED芯片的散热问题。因此，电流密度局部拥挤效应和功率型芯片的散热问题已成为制约高压LED的严重瓶颈。所以，仍然需要在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计，以解决上述问题，进而实现LED封装尺寸的小型化与集成化，提高器件的可靠性。为了解决上述问题，可以在实现III族氮化物高压LED器件时直接在LED芯片内部结构上制造能降低电流密度局部拥挤效应的高压LED结构的集成制造，然后采用Flip chip技术将高压LED结构与功能芯片集成倒置于带互联结构的陶瓷或硅衬底的基板上进行板上晶片直装，以制备大电流可以被分散的高压LED器件。但是，在实际的实施过程中仍然存在相当大的壁垒，亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法，以解决第三代半导体材料使用面临的能制造高压LED器件但不能解决电流密度局部拥挤效应的集成和封装技术的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实现高压LED器件的制造方法，以解决电流密度局部拥挤效应和功率型芯片的散热问题。为解决上述问题，本发明提供了一种高压LED器件的制造方法，包括如下步骤提供一衬底，在所述衬底上依次形成N型限制层、外延层和反射层；制作至少一个贯穿反射层、外延层、N型限制层的隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，在每个所述区域内制作多个均勻分布的N型通孔，所述N型通孔贯穿反射层、外延层；先在N型通孔和隔离沟槽的内表面以及反射层表面上沉积绝缘层，再去除N型通孔和隔离沟槽的底部以及反射层表面的部分绝缘层，暴露出N型通孔和隔离沟槽的底部以及部分反射层；沉积金属，以在N 型通孔内形成导电栓，在暴露出的部分反射层上形成正电极导电凸块，并形成连接单个区域内的所有导电栓的负电极导电凸块，从而形成LED模块；对一个或多个上述LED模块以及功能芯片进行封装，以形成高压LED器件。根据本发明的另一方面，还提出了一种高压LED器件，包括基板、功能芯片以及还包括至少一个LED模块，所述基板的表面上设置有金属布线，所述每个LED模块进包括至少两个LED，所述每个LED具有负电极导电凸块和正电极导电凸块；其中，所述LED模块和功能芯片通过凸点焊球倒装焊接于基板上的金属布线上。由此可见，在没有改变LED外延结构、且有效利用LED芯片自身结构特性的前提下，在形成每个LED的N电极过程中通过采用通孔技术以制备能降低电流密度局部效应的N 型通孔，接着，在N型通孔内形成导电栓，并形成连接单个区域内的所有导电栓的负电极导电凸块以及在暴露出的反射层上形成正电极导电凸块，然后，将LED模块通过凸点焊球倒装焊接于基板上的金属布线上，完成高压LED器件的集成制造。因此，每个LED中产生的局部大电流可以通过存在的通孔被均勻分散，因此，解决了电流密度局部拥挤效应的问题， 通过通孔分散后的电流，在局部发热也随之减少，同时解决了高压LED器件的散热问题。另外，所述LED模块中的各LED的负电极导电凸块和正电极导电凸块可以直接通过凸点焊球倒装焊接于基板上的金属布线，所述功能芯片亦可以通过凸点焊球倒装焊接于基板上的金属布线，均大幅度地省略了芯片固晶、金线键合的步骤，因此，减少了面积以及消除了电极和引线的挡光，且芯片体内自身电阻也随之减少，也进一步改善了高压LED器件的散热问题。
图1是现有技术中的高压LED器件的结构示意图。图加至图池是本发明一实施例的高压LED器件的制造方法。图2i是本发明一实施例中覆盖荧光粉硅胶的高压LED器件的结构示意图。图2j是本发明一实施例中覆盖荧光粉硅胶的基板的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。参见图2f，本发明提出了一种高压LED器件，包括LED模块(所述LED模块由衬底100、氮化物成核层102、N型限制层104、外延层111、反射层112、隔离沟槽114、绝缘层 118、导电栓120、负电极导电凸块122、正电极导电凸块124构成)、功能芯片(图中未示) 和基板2’。一个高压LED器件3’包括至少一个LED模块，根据实际需要可以包括几个或几十、甚至上百个LED模块(说明书附图中只以一个LED模块为例，如根据高压LED器件的实际要求，还可以包括2个或2个以上的LED模块)，所述每个LED模块至少包括两个LED (说明书附图中的LED模块包括3个LED，故LED分别被标识为L1、L2、L3，其他LED模块中LED 的标识类似，如其他LED模块中包括4个LED，则所述其他LED模块中的LED分别被标识为 Li、L2、L3、L4，在此不一一赘述)。所述每个LED包括导电栓120、负电极导电凸块122和正电极导电凸块124，且通过所述导电栓120把N型限制层104与负电极导电凸块122实现连接，电压均勻加到P型限制层110并经由反射层112与正电极导电凸块IM实现电连接。 当所包括的LED模块数量增多时，所述功能芯片个数也可以随之增加。所述功能芯片至少包括LED驱动电路和ESD保护电路。所述基板2’可以是陶瓷或硅衬底板上芯片，且在所述基板2’上设置有金属布线，所述LED模块和所述功能芯片均通过基板2’上的金属布线与基板2’连接。下面以图2f所示的一种高压LED器件为例，结合附图加至2h，仅以制造具有一个LED模块的高压LED器件的制造方法为例进行详细描述，然而本领域技术人员应当知晓如何将该方法应用于制造具有多个LED模块的高压LED器件模块。所述的方法包括如下步骤SlOO 提供一衬底，在所述衬底上依次形成N型限制层、外延层和反射层。参见图2a，提供一衬底100，在所述衬底100上由下至上依次形成N型限制层104、 外延层111和反射层112。所述外延层111包括依次形成于所述N型限制层104上的多量子阱有源层106、P 型氮化物层108、P型限制层110。更优的，在所述衬底100上形成N型限制层104之前，在所述衬底100上形成氮化物成核层102。其中，所述N型限制层104可以是N型氮化物层，所述P型限制层110可以是P型氮化物层。制作所述反射层112的材料为镍金(Ni/Au)合金或其他金属，厚度为2000 ~ 3000A,以便后续工艺制作LED的P电极。SlOl 制作至少一个贯穿反射层、外延层、N型限制层的隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，在每个所述区域内制作多个均勻分布的N型通孔，所述N型通孔贯穿反射层、外延层。参见图2b，首先，采用感应耦合等离子体蚀刻方法anductively Coupled Plasma Etcher, I CP)在衬底100上制备至少一个隔离沟槽114，且所述隔离沟槽114贯穿反射层 112、外延层111和N型限制层104，暴露出衬底100的表面，并将衬底100之上的部分划分成多个区域，以便后续工艺制备N型通孔116。若在形成所述衬底100之后，在衬底100上沉积了氮化物成核层102，则在衬底 100上制备隔离沟槽114时，所述隔离沟槽贯穿反射层112、外延层111、N型限制层104之后，还需要继续蚀刻氮化物成核层102。接着，采用通孔技术在所述每个区域的衬底100上制备多个均勻分布的N型通孔 116，所述通孔116贯穿反射层112和外延层111并停止在N型限制层104的表面上，以便在N型通孔116中进行后续工艺制备LED的负电极导电凸块，所述N型通孔116的宽度尺寸(CD)为1 50um (微米)。当然，所述通孔116也可贯穿反射层112和外延层111并延伸进入N型限制层 104 (即蚀刻掉部分厚度的N型氮化物成核层104，如图2b所示)，以便在N型通孔116中进行后续工艺制备LED的负电极导电凸块，同样可实现本发明的目的。S102 先在N型通孔和隔离沟槽的内表面以及反射层表面上沉积绝缘层，再去除N 型通孔和隔离沟槽的底部以及反射层表面的部分绝缘层，暴露出N型通孔和隔离沟槽的底部以及部分反射层。参见图2c，首先，在所述N型通孔116和所述隔离沟槽114的内表面(包括侧壁和底部)以及反射层112表面上沉积绝缘层118。接着，在绝缘层118上沉积图形化的光刻胶并以图形化的光刻胶为掩膜，在所述每个区域中蚀刻通孔116和隔离沟槽114的底部以及反射层表面上的部分绝缘层118，暴露出N型通孔116和隔离沟槽114的底部以及部分反射层112，例如可以是每个区域内临近隔离沟槽114并且靠近该区域边缘的部分反射层。 最后，去除光刻胶。参见图2d，这是图2c的俯视图，由图2d的结构可见，该结构可用以构成后续工艺制作的LED模块，且图2d中所包括的通孔116、隔离沟槽114以及暴露出的部分反射层112的数目、形状以及位置与后续工艺中需要的基板2’上的LED区域3”结构一一对应。所述绝缘层118为二氧化硅(Si02)或其他材料，厚度为500-5000A。更优的，被蚀刻的部分绝缘层118在所述每个区域中的位置和形状要选择一致。 但是，所述被蚀刻的部分绝缘层118在每个区域中的位置和形状不限于本图例的表示，也可以依据高压LED器件要实现的要求，对每个区域中要蚀刻的部分绝缘层118进行位置和形状的选择和调节，以形成所述暴露出的反射层112，并用于后续工艺制备LED的正电极导
7电凸块。S103 沉积金属，以在N型通孔内形成导电栓，在暴露出的部分反射层上形成正电极导电凸块，并形成连接单个区域内的所有导电栓的负电极导电凸块，从而形成LED模块。参见图加，采用剥离技术(lift off technology)，在所述每个区域中的N型通孔 116中、通孔116之间的绝缘层118上以及所述暴露出的反射层112上沉积金属，分别构成导电栓120、负电极导电凸块122、正电极导电凸块124，形成3个LED，所述3个LED分别被标识为Li、L2和L3，且3个LED通过在同一所述衬底100上制备，共同构成了 LED模块。由于采用了 lift off技术，所述每个区域中导电栓120与负电极导电凸块122和正电极导电凸块124 —次形成，并且通过导电栓120把N型限制层104与负电极导电凸块 122实现了电连接，电压均勻加到P型限制层110并通过反射层112与正电极导电凸块124 实现连接。由此可见，不仅形成LED的工艺简单，而且由于俄歇复合的发生概率与载流子密度的3次方成正比，所以每个LED完全可以根据实际需要对通孔116的数量进行控制以将经过的大电流进行均勻分散，进而可以减少俄歇复合的发生，进行产品性能的优化，消除了电流密度局部拥挤效应，有效地抑制器件大电流下的LED光效直线下降的问题。S104 对一个或多个上述LED模块以及功能芯片进行封装，以形成高压LED器件。参见图2f，在所述基板2’上设置有金属布线，以使所述LED模块和所述功能芯片 (未图示)均通过基板2’上的金属布线与基板2’实现焊接，且用树脂覆盖以确保可靠性， 并同步形成凸点焊球，进而形成高压LED器件3’。参见图2g，所述基板2’可以是带互联结构的陶瓷或硅衬底板上芯片。所述基板 2’可以分为用于键合LED模块的LED区域3”和键合功能芯片的功能区域(图中未示)。
所述LED区域又可以分为多个区域Di (Dp D2........Di, i的数目大于等于LED数目，本实
施例中的LED数目为幻，在所述的每个区域Di中包括基板第一电极1 和多个基板第二电极128，所述每个区域Di中的基板第二电极128的数目与所述每个LED中的导电拴120数目相同。然后，参见图池，在所述的每个区域Di中的基板第一电极1 上覆盖第一金属层 130(也可以在所述每个区域Di中的基板第一电极上不覆盖第一金属层)、在所述的每个区域01中的多个基板第二电极1 上覆盖第二金属层132，通过所述的第二金属层132以使所述的多个基板第二电极1 彼此互联，从而形成带互联结构的基板2’。继而，在所述第一金属层130上设置第一金属布线134(也可以直接在基板第一电极上设置第一金属布线)， 在所述第二金属层132上设置第二金属布线136。因此，所述每个LED的正电极导电凸块 1 通过第一金属布线134与所述每个区域Di中的基板第一电极1 连接，所述每个LED 的负电极导电凸块122通过第二金属布线136与所述每个区域Di中的基板第二电极1 连接，焊接时每个LED的正电极导电凸块124和负电极导电凸块122上同步形成凸点焊球，并通过凸点焊球焊接于带互联结构的基板2’上。同理，所述基板2’上的所述功能区域包括数目可为一的基板第一电极1 和基板第二电极128，在所述功能区域中的基板第一电极1 和基板第二电极1 上可分别直接设置第一金属布线和第二金属布线，根据需要也可以在所述功能区域中的基板第一电极126 和基板第二电极1 上分别覆盖第一金属层和第二金属层，进而在所述第一金属层和所述第二金属层上分别设置第一金属布线和第二金属布线。所述每个功能芯片通过所述第一金属布线和所述第二金属布线与所述每个功能区域中的基板第一电极126和基板第二电极 128连接，焊接时在功能芯片上也同步形成凸点焊球，并通过凸点焊球焊接于带互联结构的基板2’上。当加载电源时，所述每个LED模块上的各LED在电学上通过隔离沟槽114进行完
全隔离。由于LED模块采用通孔技术，并可以根据实际高压LED器件的要求，通过通孔数目的控制，将局部大电流分散，随之局部发热减少，解决了电流密度局部拥挤效应的散热问题。同时，LED模块和功能芯片运用倒装技术，直接省略了芯片固晶、金线键合的步骤，减少了面积以及消除了电极和引线的挡光，而且芯片体内自身电阻也随之减少，也进一步改善了高压LED器件的散热问题。更优的，在所述LED模块上涂覆荧光粉硅胶138 (参见图2i和2 j)，来制备能适应不同需求的高压LED器件。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种高压LED器件的制造方法，包括如下步骤提供一衬底，在所述衬底上依次形成N型限制层、外延层和反射层；制作至少一个贯穿反射层、外延层、N型限制层的隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，在每个所述区域内制作多个均勻分布的N型通孔，所述N型通孔贯穿反射层、外延层；先在N型通孔和隔离沟槽的内表面以及反射层表面上沉积绝缘层，再去除N型通孔和隔离沟槽的底部以及反射层表面的部分绝缘层，暴露出N型通孔和隔离沟槽的底部以及部分反射层；沉积金属，以在N型通孔内形成导电栓，在暴露出的部分反射层上形成正电极导电凸块，并形成连接单个区域内的所有导电栓的负电极导电凸块，从而形成LED模块；对一个或多个上述LED模块以及功能芯片进行封装，以形成高压LED器件。
2.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于在所述衬底上形成N 型限制层之前，还包括在所述衬底上形成氮化物成核层。
3.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述外延层包括依次形成于所述N型限制层上的多量子阱有源层、P型氮化物层、P型限制层。
4.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述N型通孔贯穿反射层、外延层并延伸到部分N型限制层中。
5.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述基N型限制层是N型氮化物层。
6.根据权利要求3所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述P型限制层为P 型氮化物层。
7.根据权利要求1所述的高压LED器件，其特征在于所述导电栓将N型限制层与负电极导电凸块连接。
8.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述反射层的材料是镍金合金，厚度为2000 ~ 3000A。
9.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述N型通孔的宽度尺寸为1 50微米。
10.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述绝缘层为二氧化硅，厚度为500-5000A。
11.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于每个所述区域对应一个LED，所述LED模块上的各LED之间通过隔离沟槽进行电学上的完全隔离。
12.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于采用板上晶片直装封装技术对所述一个或多个LED模块以及功能芯片进行封装。
13.根据权利要求12所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述晶片直装封装技术使用陶瓷或硅衬底板上芯片作为基板。
14.根据权利要求13所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所述基板为互联结构。
15.根据权利要求13述的高压LED器件的制造方法，其特征在于所基板的表面上具有金属布线。
16.根据权利要求1所述的高压LED器件，其特征在于形成高压LED器件之后，还包括在所述高压LED器件上涂覆荧光粉硅胶。
17.根据权利要求1所述的高压LED器件，其特征在于所述功能芯片至少包括LED驱动功能和ESD保护电路功能。
18.一种利用权利要求1所述的高压LED器件的制造方法形成的高压LED器件，包括 基板，其表面设置有金属布线；以及功能芯片；所述高压LED器件还包括至少一个LED模块，每个LED模块进一步包括至少两个LED，每个所述LED具有负电极导电凸块和正电极导电凸块；其中，所述LED模块和功能芯片通过凸点焊球倒装焊接于基板上的金属布线上。
全文摘要
本发明提出一种高压LED器件的制造方法，包括如下步骤提供一衬底，在所述衬底上依次形成N型限制层、外延层和反射层；在衬底上制作至少一个隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，在每个所述区域内制作多个均匀分布的N型通孔；在N型通孔和隔离沟槽的内表面除底部以外以及部分反射层表面上沉积绝缘层；沉积金属，以在N型通孔内形成导电栓，在暴露出的部分反射层上形成正电极导电凸块，并形成连接单个区域内的所有导电栓的负电极导电凸块，从而形成LED模块；对一个或多个上述LED模块以及功能芯片进行封装，以形成高压LED器件。本发明还提供了一种高压LED器件，解决电流密度局部拥挤效应和功率型芯片的散热问题。
文档编号H01L33/00GK102339913SQ20111029626
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者张汝京, 肖德元 申请人:映瑞光电科技(上海)有限公司