专利名称：发光二极管芯片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管(LED)芯片及其制造方法。
背景技术：
随着半导体芯片(chip)工艺的不断发展，传统的工艺已经不能满足对 于发光二极管的发光效率和亮度的日益增加的要求。由于其散热佳、发光效 率高且功率大的优点，采用倒装片(flip chip)工艺制造的发光二极管逐渐 取代采用传统工艺制造的发光二极管而成为LED发光二极管的主流。由于 采用倒装片芯片工艺制造的发光二极管具有良好的散热效果，因此即使在大 电流的驱动下，芯片也不会过热。所以芯片的发光面积可以被进一步增加， 例如为1mm x lmm，且工作电流也可以;陂增加到例如300 mA到500 mA， 而功率则可达到1 W。
然而，倒装片管芯(die)的衬底对于发光芯片的性能有不良的影响。例 如，发射红黄光的管芯的衬底(比如砷化镓)通常将吸收一部分发射的光， 而作为氮化镓系的发射蓝绿光的管芯的衬底(比如蓝宝石)则将反射一部分 发射的光。这导致发光芯片的发光效率降低。另外，作为管芯的村底的材料 的导热率比较低。例如，砷化镓的导热系数为44-58W/mK，而蓝宝石的导 热系数为35-40W/mK。这样在发光芯片的工作过程中产生的热量无法有效 地发散到外部，使得发光芯片的寿命降低。因此如何改善发光芯片的散热效 率成为本领域所需要解决的重要课题之一。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种发光二极管芯片的制造方法。该方 法可以包括制备热沉基板，在该热沉基板的上表面上形成金属层，并将该 金属层构图为形成于中心部分的第一部分和形成于周边部分的第二部分，第 一部分和第二部分彼此隔离；制备棵芯，该棵芯包括衬底、形成于该衬底上 的n型半导体层、形成于该n型半导体层的中心部分的发光层、形成于该发光层上的p型半导体层、形成于该p型半导体层上的反射层和形成于该n型 半导体层的周边部分上的电极层；将该热沉基板的上表面上的金属层的第一 部分和第二部分与该棵芯的反射层和电极层分别接合；移除该棵芯的村底； 以及形成保护层以覆盖移除了衬底的棵芯的上表面和侧面。
优选地，在移除该棵芯的衬底之后和形成保护层之前，上述方法还可以 包括将暴露的n型半导体层的表面粗糙化以形成表面粗化层。
优选地，在该热沉基板的上表面中可以形成有双齐纳二极管以形成静电 放电(ESD)层。移除该棵芯的衬底的方法可以选自化学蚀刻、研磨或激光 剥离。
优选地，将该热沉基板的上表面上的该金属层与该棵芯的反射层和电极 层分别接合的方法可以选自超声波热压法、共晶焊接法、真空热压法、回流 焊接法。
优选地，该p型半导体层、发光层、n型半导体层的材料可以选自GaN、 InGaN或AlInGaP。该反射层和电极层的材料可以选自Al、 Ag、 BeAu、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 ITO、 Ru02、 ZnO及NiO或其组合。该热沉基板的材料 可以选自硅、铜、钼、氮化镓、氮化铝、碳化硅以及或其组合。金属层的材 料可以选自Al、 Ag、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 Cu、 Ni、 BeAu或其组合。该 保护层的材料可以选自银胶、环氧树脂、旋涂玻璃、硅胶、含荧光粉的AB 胶或其组合。该衬底的材料可以选自硅、砷化镓、蓝宝石。
根据本发明的另一方面，提供了一种发光二极管芯片。该芯片可以包括 热沉基板、棵芯和保护层。在该热沉基板的上表面上形成有金属层。该金属 层包括在中心部分的第 一部分和在周边部分的第二部分。第 一部分和第二部 分彼此P禹离。该棵芯包括形成于该金属层的第一部分上方并与之接合的反 射层；形成于该反射层上的p型半导体层；形成于该p型半导体层上的发光 层；形成于该发光层上的n型半导体层，该n型半导体层包括中心部分和周 边部分，该中心部分与该发光层在平面图上重叠；以及形成于金属层的第二 部分和该n型半导体层的周边部分之间的电极层。该保护层包覆该棵芯的p 型半导体层、发光层、n型半导体层以及电极层。
优选地，该发光二极管芯片还可以包括形成于n型半导体层和保护层之 间的表面粗化层。该发光二极管芯片还可以包括形成于该热沉基板的上表面 中的双齐纳二极管以形成静电放电层。根据本发明的方法，采用了机械研磨、化学蚀刻或激光剥离的方法移除 了棵芯的衬底，因此避免了由于衬底的吸收或反射造成的光损失，从而提高 了发光二极管芯片的发光效率。而且由于可以采用无应力的方法移除该衬 底，可以提高发光二极管芯片的良率。另外，包覆棵芯的保护层一方面保护 了作为发光表面的表面粗化层，另一方面也可以减少光的吸收或反射。根据 本发明的方法，可以采用超声波热压法将棵芯与热沉基板接合。由于用于接 合的金属层可以利用高导热率的金属材料形成，因此可以降低发光二极管的 热阻。即使发光二极管在大电流的驱动下，芯片也不会过热。另外，在热沉
基板的上表面中形成了双齐纳二极管结构的静电放电(ESD)层，从而可以 保护芯片不受到静电的沖击。
图1A-1E为根据本发明的实施例的发光二极管芯片的制造方法的结构 剖面示意图；以及
图2为根据本发明的实施例的发光二极管芯片的结构剖面示意图。
具体实施例方式
现将参考附图通过实施例详细描述本发明的实施例。为了示出的方便， 附图并未按照比例绘制。
首先参考图1A-1E描述根据本发明的实施例的发光二极管芯片的制造 方法。如图1A所示，首先制备热沉基板l。该热沉基板l的材料选自硅、 铜、钼、氮化镓、氮化铝、碳化硅以及或其组合。在该热沉基板l的上表面 上通过例如溅镀、电镀等方法形成金属层3，并将该金属层3构图为形成于 中心部分上的第一部分和周边部分的第二部分，第一部分和第二部分彼此隔 离。该金属层3的材料选自Al、 Ag、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 Cu、 Ni、 BeAu 或其组合。可选地，还可以在该热沉基板1的上表面中形成双齐纳二极管的 静电放电(ESD)层2,如图1A所示。
如图1B所示，制备棵芯。该棵芯包括衬底IO、形成于该衬底10上的n 型半导体层7、形成于该n型半导体层7的中心部分的发光层6、形成于该 发光层6上的p型半导体层5。 n型半导体层7的中心部分可以与周边部分 共平面，或如图1B所示的呈台阶状。4艮据发光二极管芯片的发射的光的波
7长，该p型半导体层5 、发光层6、 n型半导体层7的材料可以选自GaN、 InGaN 或AlInGaP等。然后在p型半导体层5上通过例如賊镀、电镀等方法形成反 射层4，并在该n型半导体层7的周围部分上形成电极层4'。反射层4和电 极层4'可以用相同或不同的材料形成。反射层4和电极层4'的材料选自Al、 Ag、 BeAu、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 ITO、 Ru02、 ZnO及NiO或其组合。
接下来，如图1C所示，将该热沉基板1的上表面上的金属层3的第一 部分和第二部分与该棵芯的反射层4和电极层4'分别接合。上述接合的方法 例如可以选自超声波热压法、共晶焊接法、真空热压法、回流焊接法。
然后，如图1D所示，例如通过化学蚀刻、研磨或激光剥离等方法移除 衬底10。接下来，形成保护层9以覆盖移除了衬底10的棵芯的上表面和侧 面以保护作为该棵芯的发光表面的n型半导体层7的上表面。即该保护层9 包覆该棵芯的n型半导体层7、发光层6、 p型半导体层5以及电极层4。该 保护层9的材料例如选自银胶、环氧树脂、旋涂玻璃、硅胶、含荧光粉的 AB胶或其组合。 、
为了减少由于作为出光面的n型半导体层7与保护层9的界面之间的全 反射所造成的光损失，优选在移除了半导体衬底10之后和形成保护层9之 前，采用例如光刻、蚀刻等方法，将暴露的n型半导体层7的表面粗糙化以 形成表面粗化层8。然后形成保护层9以包覆该棵芯的n型半导体层7、发 光层6、 p型半导体层5以及电极层4，如图1E所示。
根据本发明的实施例的方法，采用了机械研磨、化学蚀刻或激光剥离的 方法移除了棵芯的衬底，因此避免了由于村底的吸收或反射造成的光损失， 从而提高了发光二极管芯片的发光效率。而且由于可以采用无应力的方法移 除该衬底，可以提高发光二极管芯片的良率。另外，包覆棵芯的保护层一方 面保护了作为发光表面的表面粗化层，另一方面也可以减少光的吸收或反 射。根据本发明的方法，可以采用超声波热压法将棵芯与热沉基板接合。由 于用于接合的金属层可以利用高导热率的金属材料形成，因此可以降低发光 二极管的热阻。即使发光二极管在大电流的驱动下，芯片也不会过热。另外， 在热沉基板的上表面中形成了双齐纳二极管结构的静电放电(ESD)层，从 而可以保护芯片不受到静电的冲击。
图2为根据本发明的实施例的发光二极管芯片的结构剖面示意图。如图 2所示，该发光二极管芯片包括热沉基板1.该热沉基板1的材料例如可以逸自硅、钢、钼、氮化镓、氮化铝、碳化硅以及或其组合。在热沉基板l的
上表面上形成有金属层3。该金属层3包括在热沉基板1的中心部分上的第 一部分和在热沉基板1的周边部分上的第二部分。该金属层3的第一部分和 第二部分彼此隔离。该金属层3的材料例如选自Al、 Ag、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 Cu、 Ni、 BeAu或其组合。
该发光二极管芯片还包括倒装片形式的棵芯。该棵芯包括形成于金属 层3的第一部分上方并与之接合的反射层4、形成于该反射层4上的p型半 导体层5、形成于该p型半导体层5上的发光层6;形成于该发光层6上的n 型半导体层7。该n型半导体层7包括中心部分和周边部分。该发光层6仅 形成于该n型半导体层7的中心部分下，与该中心部分在平面图上重叠。n 型半导体层7的中心部分可以与周边部分共平面，或如图2所示的呈台阶状。 根据发光二极管芯片的发射的光的波长，该p型半导体层5、发光层6、 n 型半导体层7的材料可以选自GaN、 InGaN或AlInGaP等。可选地，n型半 导体层的上表面可以被粗糙化以形成表面粗化层8以提高出光效率。电极层 4'形成于金属层3的第二部分和该n型半导体层的周边部分之间。该反射层 4和电极层4'的材料可以例如选自Al、 Ag、 BeAu、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 ITO、 Ru02、 ZnO及NiO或其组合。保护层9可以形成以包覆该棵芯的n型 半导体层7、发光层6、 p型半导体层5以及电极层4'。该保护层9的材料例 如选自银胶、环氧树脂、旋涂玻璃、硅胶、含焚光粉的AB胶或其组合。包 覆棵芯的保护层9 一方面保护了作为发光表面的表面粗化层8，另一方面也 可以减少光的吸收或反射。
可选地，该发光二极管芯片还可以包括形成于该热沉基板l的上表面中 的双齐纳二极管以形成静电放电(ESD)层2，如图2所示。
虽然参考其实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的普通技术人 员可以理解，在不脱离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下， 可以作出形式和细节上的不同变化，而这些变化将落在本发明的保护范围之 内。
权利要求
1、一种发光二极管芯片的制造方法，包括制备热沉基板，在该热沉基板的上表面上形成金属层，并将该金属层构图为形成于中心部分的第一部分和形成于周边部分的第二部分，第一部分和第二部分彼此隔离；制备裸芯，该裸芯包括衬底、形成于该衬底上的n型半导体层、形成于该n型半导体层的中心部分的发光层、形成于该发光层上的p型半导体层、形成于该p型半导体层上的反射层和形成于该n型半导体层的周边部分上的电极层；将该热沉基板的上表面上的该金属层的第一部分和第二部分与该裸芯的反射层和电极层分别接合；移除该裸芯的衬底；以及形成保护层以覆盖移除了衬底的裸芯的上表面和侧面。
2、 根据权利要求1的方法，还包括在移除该棵芯的衬底之后和形成保 护层之前，将暴露的n型半导体层的表面粗糙化以形成表面粗化层。
3、 根据权利要求1的方法，其中在该热沉基板的上表面中形成有双齐 纳二极管以形成静电放电层。
4、 根据权利要求1的方法，其中将该热沉基板的上表面上的该金属层 与该棵芯的反射层和电极层分别接合的方法选自超声波热压法、共晶焊接 法、真空热压法、回流焊接法。
5、 根据权利要求1的方法，其中移除该棵芯的衬底的方法选自化学蚀 刻、研磨或激光剥离。
6、 根据权利要求1 - 5的任一的方法，其中该p型半导体层、该发光层、 该n型半导体层的材料选自GaN、 InGaN或AlInGaP。
7、 根据权利要求l-5的任一的方法，其中该反射层和电极层的材料选 自Al、 Ag、 BeAu、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 ITO、 Ru02、 ZnO及NiO或其 组合。
8、 根据权利要求l-5的任一的方法，其中该热沉基板的材料选自硅、 铜、钼、氮化镓、氮化铝、碳化硅以及或其组合。
9、 根据权利要求1-5的任一的方法，其中该金属层的材料选自Al、Ag、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 Cu、 Ni、 BeAu或其组合。
10、 根据权利要求1-5的任一的方法，其中该保护层的材料选自银胶、 环氧树脂、旋涂玻璃、硅胶、含荧光粉的AB胶或其组合。
11、 根据权利要求1-5的任一的方法，其中该衬底的材料选自硅、砷 化镓、蓝宝石。
12、 一种发光二极管芯片，包括热沉基板，在该热沉基板的上表面上形成有金属层，该金属层包括处于 中心部分的第一部分和处于周边部分的第二部分，第一部分和第二部分彼此 隔离；棵芯，该棵芯包括形成于金属层的第一部分上方并与之接合的反射层； 形成于该反射层上的p型半导体层； 形成于该p型半导体层上的发光层；形成于该发光层上的n型半导体层，该n型半导体层包括中心部分 和周边部分，该中心部分与该发光层在平面图上重叠；以及形成于该金属层的第二部分和该n型半导体层的周边部分之间的电 极层；以及保护层，包覆该棵芯的p型半导体层、发光层、n型半导体层以及电极层。
13、 根据权利要求12的芯片，还包括形成于n型半导体层和保护层之 间的表面粗化层。
14、 根据权利要求12的芯片，其中形成于该热沉基板的上表面中的双 齐纳二极管以形成静电i文电层。
15、 根据权利要求12-14的任一的芯片，其中该p型半导体层、发光 层、n型半导体层的材料选自GaN、 InGaN或AlInGaP。
16、 根据权利要求12-14的任一的芯片，其中该反射层和电极层的材 料选自Al、 Ag、 BeAu、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 ITO、 Ru02、 ZnO及NiO 或其组合。
17、 根据权利要求12-14的任一的芯片，其中该热沉基板的材料选自 硅、铜、钼、氮化镓、氮化铝、碳^>珪以及或其组合。
18、 根据权利要求12 - 14的任一的芯片，其中该金属层的材料选自Al、Ag、 Pt、 Cr、 Mo、 W、 Au、 Cu、 Ni、 BeAu或其组合。
19、根据权利要求12-14的任一的芯片，其中该保护层的材料选自银 胶、环氧树脂、旋涂玻璃、硅胶、含荧光粉的AB胶或其组合。
20、根据权利要求12-14的任一的芯片，其中该衬底的材料选自硅、 砷化镓、蓝宝石。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管芯片及其制造方法。该方法包括制备热沉基板，在热沉基板的上表面上形成金属层，并将金属层构图为形成于中心部分的第一部分和形成于周边部分的第二部分，第一部分和第二部分彼此隔离；制备裸芯，该裸芯包括衬底、形成于衬底上的n型半导体层、形成于n型半导体层的中心部分的发光层、形成于发光层上的p型半导体层、形成于p型半导体层上的反射层和形成于n型半导体层的周边部分上的电极层；将热沉基板的上表面上的该金属层的第一部分和第二部分与裸芯的反射层和电极层分别接合；移除裸芯的衬底；以及形成保护层以覆盖移除了衬底的裸芯的上表面和侧面。
文档编号H01L33/00GK101325236SQ200810029890
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月30日 优先权日2008年7月30日
发明者樊邦扬, 翁新川 申请人:鹤山丽得电子实业有限公司