一种发光二极管器件的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的芯片结构。

背景技术：

高功率高亮度发光二极管（led）在当下高亮度照明市场的需求下凸显出了其重要性。在蓝宝石为衬底的水平结构led上，由于蓝宝石的散热问题和电流拥挤效应，在高电流密度下操作极易过热导致芯片烧毁，因此高功率led无法采用水平结构。而垂直结构led，因其衬底可以置换成散热性和导热性良好的材料（例如：si，cuw等），并且垂直结构无电流拥挤效应，电流可以很好的扩展，所以可以操作在超高电流密度下（例如：2.5a/mm2以上），实现大功率高亮度led。如何提高大功率发光二极管的抗瞬间高压脉冲信号的冲击能力以及如何提升led的esd耐受力，成为需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在高压下具有更高效率、更大的电流密度、更好电性能和可靠性能的薄膜发光二极管结构。这些目的是通过独立权利要求的薄膜发光二极管结构和制造该结构工艺方法来解决。本发明的扩展方案和改进方案分别在从属权利要求中说明，它们的公开内容特此被明确地结合于说明书中。

为了解决背景技术中关于提升抗冲击能力的需求，本发明提供一种发光二极管器件，至少包含发光二极管芯片；

所述发光二极管芯片包含：

半导体外延层，包括第一半导体外延层、第二半导体外延层和位于两者之间的发光层；

一绝缘衬底，该衬底的两侧相对设置有第一金属层和第二金属层；第一金属层和第二金属层极性相反，这里的两侧例如设置在衬底的正反两个表面；第一金属层与第一半导体外延层电连接，第二金属层与第二半导体外延层电连接，所述电连接包括直接接触或者通过其他导电材料连接。

根据本发明，优选的，第一金属层、第二金属层和位于两者之间的绝缘衬底构成用于储电和放电的电容，与半导体外延层构成并联电路。

根据本发明，优选的，第一金属层、第二金属层和位于两者之间的绝缘衬底构成电容为0.5pf至100pf，为了起到合适的保护效果，该电容值不需要过大，电容过大则等价于断路而难以起到保护作用。

根据本发明，优选的，第一金属层和第二金属层正对的面积为s，即金属层电容极板的正对面积，绝缘衬底的介电常数为ε，真空的介电常数为ε0，绝缘衬底的厚度为d，电容c=ε*ε0*s/d。

根据本发明，优选的，绝缘衬底采用材料的介电常数不小于3.3，介电常数对衬底厚度影响较大，介电常数过低的材料，在芯片尺寸固定的前提下，衬底较薄易出现破片等异常情况，实际运用中本发明结构中在衬底双面制作金属层，存在相互内应力，需保证一定的衬底的厚度。

根据本发明，优选的，第一金属层和第二金属层正对的面积大于0.5mm²。

根据本发明，优选的，绝缘衬底的厚度为80μm到150μm。

根据本发明，优选的，绝缘衬底的材料包括氧化铝、氮化铝或者氧化硅等具有较大介电常数的绝缘衬底材料。

根据本发明，优选的，第一金属层和第二金属层具有广泛的适用范围，例如可以包括欧姆接触层、键合层、粘附层、金属反射层、金属导电膏或者金属导电胶，例如为了便于描述可将金属层设计为金属反射层和金属导电膏的集合，或者金属层可以直接为封装基板上的极性导电层。

根据本发明，优选的，发光二极管器件包括用于承载发光二极管芯片的封装基板。

根据本发明，优选的，其中第一金属层位于衬底远离封装基板的一侧，例如通过蒸镀或者溅镀等方式附着到衬底主表面上，第二金属层，位于衬底与封装基板之间，例如背镀或者贴合的粘附金属层，在一些情况下也包括用于电连接的金属团，例如锡膏。

根据本发明，优选的，封装基板具有相互电隔离的第一极性导电层和第二极性导电层；其中第一金属层与第一极性导电层电连接，第二金属层与第二极性导电层电连接。这里提出的极性导电层例如为常用的引线框架。

根据本发明，优选的，在一些情况下，第二金属层为第二极性导电层，第二极性导电层、绝缘衬底和第一金属层构成并联电容，例如将绝缘衬底固定在第二极性导电层上。

根据本发明，优选的，发光二极管芯片包括第一电性连接部和第二电性连接部，其中第一电性连接部与第一半导体外延层电连接，第二电性连接部与第二半导体外延层电连接。

根据本发明，优选的，半导体外延层靠近衬底的一侧利用移除工艺裸露出第一半导体外延层，同时通过靠近衬底的一侧将第一半导体外延层与第一电性连接部接触，这里的接触例如采用填充第一电性连接部材料来实现。需要知道的，该芯片结构设计需满足电容和半导体外延层并联的电连接关系。

根据本发明，优选的，半导体外延层靠近衬底的一侧具有利用移除工艺制作的复数个孔洞，裸露出第一半导体外延层，利用绝缘材料覆盖孔洞侧壁，接着利用填充金属覆盖孔洞，填充金属将第一金属层和第一半导体外延层电连接，该结构具有更佳的电流扩散特性。

根据本发明，优选的，通过焊线将第一电性连接部与第一极性导电层电连接，或/和第二电性连接部与第二极性导电层电连接。

根据本发明，优选的，第一电性连接部和第二电性连接部的材料包括金属、合金、ito、gzo、azo或者以上任意组合。

根据上述发光二极管器件，提供一种发光二极管芯片，包含：

半导体外延层，包括：第一半导体外延层、第二半导体外延层和位于两者之间的发光层；

一绝缘衬底，

该衬底的两个表面相对设置有第一金属层和第二金属层。

根据本发明，优选的，第一金属层、第二金属层和位于两者之间的绝缘衬底构成电容。

根据本发明，优选的，第一金属层、第二金属层和位于两者之间的绝缘衬底构成电容为0.5pf至100pf。

根据本发明，优选的，绝缘衬底采用材料的介电常数不小于3.3。

根据本发明，优选的，第一金属层和第二金属层正对的面积大于0.5mm²。

根据本发明，优选的，绝缘衬底的厚度为80μm到150μm。

根据本发明，优选的，绝缘衬底的材料包括氧化铝、氮化铝或者氧化硅。

根据本发明，优选的，第一金属层和第二金属层包括欧姆接触层、键合层、粘附层或者金属反射层。

根据本发明，优选的，发光二极管芯片包括第一电性连接部和第二电性连接部，其中第一电性连接部与第一半导体外延层电连接，第二电性连接部与第二半导体外延层电连接。

根据本发明，优选的，半导体外延层靠近衬底的一侧利用移除工艺裸露出第一半导体外延层或/和第二半导体外延层，同时通过靠近衬底的一侧依次与第一电性连接部和第二电性连接部接触。

根据本发明，优选的，半导体外延层靠近衬底的一侧利用移除工艺制作复数个孔洞，裸露出第一半导体外延层，利用绝缘层覆盖孔洞侧壁，利用填充金属覆盖孔洞，填充金属将第一金属层和第一半导体外延层电连接。

根据本发明，优选的，第一电性连接部和第二电性连接部的材料包括金属、合金、ito、gzo、azo或者以上任意组合，例如电性连接部由ito作为欧姆接触，再覆盖金属或合金。

本发明还公开了上述发光二极管器件的一种具体应用，提供一种led灯具，包括：上述任意一项所述的发光二极管器件。上电时电容充电，缓慢点亮；断电时电容放电，减缓灭灯；搭配器件内建电容值，调整直流pmw脉宽可实现呼吸灯效果。

根据本发明，优选的，灯具也可以为具有高亮度的警示灯。

本发明至少具备以下优势：

本发明的结构中，与半导体外延层并联的金属层/绝缘衬底/金属层构成电容，可以作为led器件保护，滤除瞬间高压脉冲信号的冲击，提升led的esd耐受力。限定金属层正对面积、绝缘衬底的厚度及绝缘层介电常数可实现电容量可调整。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

附图1为实施例1中一种发光二极管芯片的示意图；

附图2为实施例1中第一金属层、第二金属层和位于两者之间的绝缘衬底构成的电容的示意图；

附图3为实施例1中一种发光二极管封装器件的结构示意图；

附图4为实施例1中电容与半导体外延层的并联连接电路的结构示意图；

附图5为实施例2中一种发光二极管芯片的结构示意图；

附图6为实施例2中一种发光二极管封装器件的结构示意图；

附图7为实施例3中呼吸灯的亮度/时间变化曲线。

图中各标号表示如下：100、绝缘衬底，210、第一金属层，220、第二金属层，300、半导体外延层，301、凹处，310、第一半导体外延层，320、第二半导体外延层，330、发光层，410、第一电性连接部，411、第一电极窗口，412、第一电极，413、第一导电连接部，420、第二电性连接部，421、第二电极窗口,422、第二电极，423、第二导电连接部，500、封装基板，510、第一极性导电层，520、第二极性导电层，600、焊线，700、固晶胶，800、绝缘层。

具体实施方式

下面结合示意图对本发明的发光二极管芯片及其制作方法进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。

如图1所示，在本发明的第一个实施例中，提供一种发光二极管芯片，包括绝缘衬底100，衬底材料包括氧化铝、氮化铝或者氧化硅等相对介电常数较大的绝缘衬底材料，也不排除选用介电常数与上述材料相同或相近的绝缘材质作为衬底材料，相对来说，非晶氧化铝的介电常数大致为9，如果为具有晶向的蓝宝石则大致为13，在本实施例中，鉴于蓝宝石较高的介电常数以及较低的生产成本，我们选用蓝宝石作为绝缘衬底材料。

在绝缘衬底100的下表面设置第一金属层210，第一金属层210具有导电的特性。在绝缘衬底100上表面设置第二金属层220，作为键合层或者反射层，第一金属层210和第二金属层220相对设置，构成金属-绝缘介质-金属的电容结构。

在第二金属层220上键合具有半导体序列的半导体外延层300，露出一部分第二金属层220作为第二电极窗口421，半导体外延层依次由第一半导体外延层310、第二半导体外延层320和位于两者之间的发光层330组成，在本实施例中，设置第一半导体外延层310为n型半导体，发光层330为多量子阱层，第二半导体外延层320为p型半导体。需要注意的是根据实施方式的不同，p型半导体和n型半导体可以简单对调。本实施例在p型半导体侧制作金属层后与第二金属层220键合在一起，该金属层材料可以包括铬、铝、钛、铂或者金等。

在第一半导体外延层上制作第一电性连接部410，在露出的第二电极窗口421处制作第二电性连接部420。

参看图2，根据上述结构可以计算由第一金属层210、第二金属层220和位于两者之间的绝缘衬底100构成的电容，根据电容计算式c=ε*ε0*s/d，电容例如为0.5pf至100pf，以起到合适的保护效果，该电容值不需要过大，电容过大则等价于断路而难以实施保护效能。蓝宝石介电常数ε大致为13，为保证发光层面积，提高亮度，第一金属层210和第二金属层220相对设置的面积为s在本实施例中即绝缘衬底100的面积s，以芯片尺寸短边800μm、长边为1000μm为例，s约为8*10^-7m²，通常绝缘衬底100厚度为80μm到150μm，设定衬底厚度d为100μm作为第一金属层210和第二金属层220的间距，则c为0.9pf，即可对发光二极管芯片起到保护效果。根据电容计算式可知，绝缘衬底材质的介电常数越小则要求衬底厚度越薄或/和芯片尺寸越大，在本实施例中，推荐绝缘衬底材质的介电常数不小于3.3。相对的，根据本实施例设计，第一金属层210和第二金属层220正对的面积大于5*10^-7m²。

如图3所示，在第一个实施例的基础上，提供一种发光二极管封装器件，器件具有位于封装基板500上相互电隔离的第一极性导电层510和第二极性导电层520，将发光二极管芯片位于第一金属层210的一侧利用导电胶固晶到第一极性导电层510上，将第一金属层210与第一极性导电层510电连接，第一金属层210呈n极性，芯片固定在封装基板500上。通过焊线600将第二电性连接部420和第二极性导电层520电连接，实现第二金属层220与第二极性导电层520电连接，第一金属层210与第二金属层220极性相反，第二金属层220呈p极性。

如图4所示，上述封装器件中，通过焊线600、固晶胶700、第一极性导电层510和第二极性导电层520构成了电容与半导体外延层的并联连接电路，电路通电后，先对电容进行充电，而后点亮半导体外延层。

如图5所示，本发明提供了第二个实施例，提供一种发光二极管芯片结构，包括绝缘衬底100，衬底材料包括氧化铝、氮化铝或者氧化硅等相对介电常数较大的绝缘衬底材料，也不排除选用介电常数与上述材料相同或相近的绝缘材质作为衬底材料，相对来说，非晶氧化铝的介电常数大致为9，如果为具有晶向的蓝宝石的介电常数则大致为13，在本实施例中，鉴于蓝宝石较高的介电常数以及较低的生产成本，我们选用蓝宝石作为绝缘衬底材料。

在绝缘衬底的下表面设置第二金属层220，第二金属层220具有良好的导电特性。在绝缘衬底100上表面设置第一金属层210，作为键合层或者反射层，第一金属层210和第二金属层220相对设置，构成金属-绝缘介质-金属的电容结构。

在第一金属层210上键合具有半导体序列的半导体外延层，至少露出一部分第一金属层210作为第一电极窗口411，半导体外延层300依次由第一半导体外延层310、发光层330和第二半导体外延层320组成，第一半导体外延层310位于半导体外延层300远离衬底的一侧，在本实施例中，设置第一半导体外延层310为n型半导体，发光层330为多量子阱层，第二半导体外延层320为p型半导体。需要注意的是根据实施方式的不同，p型半导体和n型半导体可以简单对调。

从半导体外延层300的第二半导体外延层320一侧制作凹处301，凹处301以开孔为例，至少贯穿第二半导体外延层320和发光层330至第一半导体外延层310，孔的数量为一个或者复数个，在非开口区域的第二半导体320表面制作图形化金属层，图形化金属层部分作为第二电性连接部420的延伸，通过移除半导体工艺露出第二电性连接部420，第二电性连接部420包括第二电极422和第二导电连接部423，与第一金属层210通过介质材料电构成的绝缘层800彼此分离，图形化金属层部分作为第一电性连接部410的延伸，在本实施例中，移除了部分半导体外延层300，露出远离绝缘衬底100一侧的第一电性连接部410，第一电性连接部410包括第一电极412和第一导电连接部413。因为受到工艺精度的限制，避免短路发生，在靠近开孔的第二半导体外延层320表面没有覆盖导电的金属材料，即金属材料尽可能逼近开口但与开口之间有一些工艺余留距离，在图形化金属层和开孔的一侧覆盖绝缘材料，在开孔内除孔壁外的孔底部移除绝缘材料，露出第一半导体外延层310以及部分第一电性连接部410，在开孔底部、绝缘层800及露出的第一电性连接部410上继续沉积金属材料，如图中所示，第一电性连接部410和第一金属层210相接，相接的分界主要体现在制作工艺中，但不一定体现在产品外观中，在本实施例中第一金属层210包括欧姆接触材料、反射材料和键合材料。键合材料一侧与绝缘衬底相对，在绝缘衬底100上也对应设置第一金属层210作为键合基础，将绝缘衬底100和半导体外延层300上的第一金属层210键合在一起。

如图6所示，在第二个实施例的基础上，提供一种发光二极管封装器件，器件具有位于封装基板500上相互电隔离的第一极性导电层410和第二极性导电层420作为封装结构的导电框架，将芯片位于第二金属层的一侧利用导电的固晶胶700固定到第二极性导电层420上，如第二个实施例中的描述，芯片具有位于第一金属层210和第二金属层220之间的绝缘衬底100，其中远离封装基板500的金属层为第一金属层210，例如第一金属层210为键合金属，键合金属为n型金属，第二金属层220为背金，背金为p型金属，芯片结构为水平垂直芯片，即实现两端电极打线，而电流通过芯片本身由从半导体外延层300中贯穿第二半导体外延层320和发光层330至第一半导体外延层310的绝缘层800通孔制作出的电流通道。利用绝缘层800电隔离第二电性连接部420和第一金属层210以及第一电性连接部410。发光二极管点亮时，电流通过凹处301的绝缘通道均匀的在半导体外延层300中传导，因此适合高电流密度的应用场合。

发光二极管芯片的第一电性连接部410通过焊线600与第一极性导电层510连接，第二电性连接部420通过焊线600与第二极性导电层520连接。除了以上打线的方式，也不排除但不排除电性连接部和极性导电层可采用插入或贴合的电连接关系，从而构成发光二极管芯片与电容的并联电路。

参看图7，在第三个实施例中，提供一种上述实施例的应用产品，一款呼吸灯，适用于起到装饰和工作状态指示效果，灯光亮度在电容的作用之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸。上电时电容充电，缓慢点亮；断电时电容放电，减缓灭灯；搭配器件内建电容值，调整直流pmw脉宽可实现呼吸灯效果。限定p/ntype金属层重叠面积及绝缘层介电常数可实现电容量可调整。另外的作用，可以作为led器件保护，滤除瞬间高压脉冲信号的冲击，提升led的esd耐受力。

与第三个实施例不同的，提供一种上述实施例的应用产品，一款警示灯，适用于大电流密度的应用领域，灯光亮度在电容的作用之下完成由明亮到暗的逐渐变化，特别地，适合采用实施例2的发光二极管芯片结构。

应当理解的是，上述具体实施方案仅为本发明的部分优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本发明的范围不限于以上实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。