专利名称：一种高光效、低光衰以及高封装良率led芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种LED芯片，尤其是涉及ー种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片。
背景技术：
使用蓝宝石衬底其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对 成熟，因此成为用于GaN生长最普遍的衬底。在LED的封装过程中，都把蓝宝石衬底面直接固定在散热板上。在LED的工作过程中，其发光区是器件发热的根源。由于蓝宝石衬底本身是ー种绝缘体材料，且导热性能比GaN材料较差，所以对这种正装的LED器件其工作电流都有一定的限制，以确保LED的发光效率和工作寿命。为改善器件的散热性能，人们设计了ー种LED芯片结构，即倒装结构的LED芯片。另外,传统的蓝宝石衬底的GaN芯片的结构，电极刚好位于芯片的出光面。由于P-GaN层有限的电导率，因此要求在P-GaN层表面沉淀ー层用于电流扩散的金属层，这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低出光效率。如果将芯片倒装，那么电流扩散层(金属反射层)就成为光的反射层，这样光可通过蓝宝石衬底发射出去，从而提高出光效率。自从提出芯片的倒装设计之后，人们针对其可行性进行了大量的研究和探索。由于LED芯片设计的局限性，封装良率一直很低，原因如下第一、N型电极区域相对小，很难与PCB板的相应区域对位；第二、N型电极位置比P型电极位置高很多，很容易造成虚焊、脱焊情形；第三、为制作N型电极，往往要人为地去掉很大一部分有源区，这样大大地減少了器件的发光面积，直接影响了 LED发光效率。再者，虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但商业化LED发光效率还是低于钠灯(1501m/W)。那么，哪些因素影响LED的发光效率呢？就白光LED来说，其封装成品发光效率是由内量子效率，电注入效率，提取效率和封装效率的乘积決定的。如图32所示，利用MOCVD、VPE、MBE或LPE技术在衬底30上生长器件(如LED、LD等)结构，从上至下依次分别为衬底30、N型材料层31、发光区32、P型材料层33、P型电极34、P级焊锡层35、PCB板36以及散热板40。其中N型材料层31与散热板40之间还依次连接N型电极37、N级焊锡层38和PCB板39。该传统的LED芯片存在的技术缺陷如下I、在水平方向N型电极37所处位置与P型电极34相距较远，N型电极37对其下方的PCB板39的位置设计有苛刻的要求，影响到封装优良率。2、N型电极37位置比P型电极34位置高很多，导致其与下方的PCB板39之间的间隙较大，在焊锡时很容易使得N级焊锡层38过长而造成虚焊或脱焊的发生。3、为了使得N型电极37与其下方的PCB板39可以进行焊接，需要去掉很大一部分发光区，影响到LED芯片的发光效率。4、电极区域不够大，影响注入电流效率进而影响到LED芯片的发光效率。[0012]5、P型电极与N型电极位在芯片两侧，造成电子流动路径不一，如图33，形成电阻不均匀，芯片发光区发光不均匀，影响到LED芯片的发光效率。
发明内容本实用新型设计了ー种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其解决了以下技术问题是[0014](I) N型电极区、P型电极区域相对小，很难与PCB板的相应区域对位，会影响到封装效果和LED产品的优良率；(2) N型电极位置比P型电极位置高很多，很容易造成虚焊、脱焊情形；(3)为制作N型电极，往往要人为地去掉很大一部分有源区，这样大大地減少了器件的发光面积，直接影响了 LED发光效率；(4) P型及N型电极区域不够大，影响注入电流，直接影响了 LED发光效率；(5)P型电极与N型电极位在芯片两侧，造成电子流动路径不一，形成电阻不均匀，芯片发光区发光不均匀，影响到LED芯片的发光效率。为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案ー种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其层结构依次包括衬底(I)、缓冲层(2)、N型层(3)、N型分别限制层(4)、发光区层(5)、P型分别限制层(6)、P型层(7)、P型欧姆接触层(8)、光穿透层(9)、ニ氧化硅层(10)、金属层(11)，其特征在干该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和P型电极，P型电极被环状N型电极包围，所述环状N型电极和所述P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面。 进一歩，N型电极主要包括N型电极光穿透层ITO薄膜(191)和N型电极金属合金层(23)，其中N型电极光穿透层ITO薄膜(191)为阶梯结构，阶梯结构下部与芯片两侧的N型层(3)暴露区连接；阶梯结构上部与N型电极金属合金层(23)、金属层(11)以及绝缘介质膜(16)连接，其中N型电极金属合金层(23)位于阶梯结构上部的上方，金属层(11)和绝缘介质膜(16 )位于阶梯结构上部的下方；P型电极主要包括P型电极金属合金层(24)和P型电极光穿透层ITO薄膜(192)，P型电极光穿透层ITO薄膜(192)上方与P型电极金属合金层(24)连接，P型电极光穿透层ITO薄膜(192)四周向下延伸至光穿透层(9)并且将金属层(11)和ニ氧化硅层(10)限制于其中；N型电极金属合金层(23)与P型电极金属合金层(24)位于同一水平面。进一歩，所述绝缘介质膜(16)与阶梯结构的中间部分和下部相平行，起到隔离N型电极光穿透层ITO薄膜(191)的作用。进ー步，在所述衬底(I)中形成ー层凹凸面(12)。进ー步，所述环状N型电极和所述P型电极通过各自的PCB板与散热结构(26)连接。该高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片具有以下有益效果( I)本实用新型由于芯片结构包括N型电极和P型电极，使得PN电极层面积最大，得到最大注入电流，提升发光效率。(2)本实用新型由于N型电极采用了阶梯结构，只要求去掉很小一部分有源区，确保了光反射层面积的最大化，得到最佳发光效率。[0029](3)本实用新型由于环形N型电极层包围P型电极层，达到最均匀电流，发光区最均匀。(4)本实用新型还由于N型电极层与P型电极层处于同一平面，封装良率高。
图I :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤I不意图；图2 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤2示意图；图3 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤3示意图；图4 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤4示意图；图5 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤5示意图；图6 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤6示意图；图7 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤7示意图；图8 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤8示意图；图9 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤9不意图；图10 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤10示意图；图11 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤11示意图；图12 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤12示意图；图13 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤13示意图；图14 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤14示意图；图15 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤15示意图；图16 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤16示意图；图17 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤17示意图；图18 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤18示意图；图19 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤19示意图；图20 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤20示意图；图21 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤21示意图；图22 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤22示意图；图23 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤23示意图；图24 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤24示意图；图25 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤25示意图；图26 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤26示意图；图27 :本实用新型中的LED芯片制作エ艺步骤27示意图；图28 :本实用新型高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片结构示意图；图29:图28的俯视图；图30 :图28中光反射示意效果图；图31:本实用新型LED芯片与散热结构连接示意图；图32 :现有技术中LED芯片结构示意图；图33 :图32中电子流向示意图。附图标记说明[0065]I一衬底；2—缓冲层；3 —N型层；4一N型分别限制层；5—发光区层；6 —P型分别限制层；7 — P型层；8 — P型欧姆接触层；9一光穿透层；10—二氧化硅层；11 一金属层；12—凹凸面；13—第一光刻胶层；14一第二光刻胶层；15—第三光刻胶层；16—绝缘介质膜；17—第四光刻胶层；18—第五光刻胶层；19一光穿透层ITO薄膜；191 一N型电极光穿透层ITO薄膜；192—P型电极光穿透层ITO薄膜；20—第六光刻胶层；21—金属合金层；22—第七光刻胶层；23—N型电极金属合金层；24—P型电极金属合金层；25—PCB板；26—散热结构；30—衬底；31—N型材料层；32—发光区；33 — P型材料层；34 — P型电极；35—P级焊锡层；36 —PCB板；37 —N型电极；38 —N级焊锡层；39 —PCB板；40—散热板。
具体实施方式
下面结合图I至图31,对本实用新型做进ー步说明如图I所示，衬底I是载体，一般是蓝宝石、碳化硅、硅、GaAs、AlN、ZnO或GaN等材料。在衬底上，先以蚀刻形成ー层凹凸面12，此凹凸面12可以减少光在芯片内的全反射，増加出光率。缓冲层2是ー个过度层，在此基础上生长高质量的N、P、量子阱等其它材料。LED由pn结构成，缓冲层2、N型层3层、N型分别限制层4、P型分别限制层6以及P型层7是为了形成制作LED所需的P和N型材料。发光区层5是LED的发光区，光的颜色由有源区的材料决定。P型欧姆接触层8是材料生长的最后ー层，这ー层的载流子搀杂浓度较高，目的是为制作较小的欧姆接触电阻。P型金属欧姆接触层不是由生长形成的，而是通过蒸镀或溅射等方法形成的，目的之ー是制作器件的电极，目的之ニ是为了封装打线用。再通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法，在P型欧姆接触层8表面形成ー层ITO薄膜，用于制作发光二极管的光穿透层9，ITO薄膜一般为氧化铟锡材质，是ー种透明的半导体导电薄膜，一般可使LED的出光效率提高20% — 30%。再通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法，在光穿透层9形成ニ氧化硅层10和金属层11多层结构的全反射镜，ニ氧化硅层10可以改进发光区的电流扩展，降低电流堆积效应，而金属层11作为反射镜可以降低P电极对光的吸收，増加蓝宝石衬底边光的提取，并可以做为芯片的导热板；金属依需求可选用铝、银或金等材料。如图2所示，在图I结构的金属层11表面涂布第一光刻胶层13 (正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图3所示，LED芯片两侧的第一光刻胶层13通过曝光或显影方式去除，并且形成两侧金属层暴露区。如图4所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将暴露部分的N型分别限制层4、发光区层5、P型分别限制层6、P型层7、P型欧姆接触层8、光穿透层9、ニ氧化硅层10、金属层11以及部分的N型层3去除使得整个LED芯片形成双阶梯结构。[0078]如图5所示，将LED芯片中间剰余的第一光刻胶层13全部去除。如图6所示，在图5结构的表面涂布第二光刻胶层14 (正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图7所示，将LED芯片中间靠两侧的第二光刻胶层14通过曝光或显影方式去除，并且形成两侧金属层暴露区。如图8所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将暴露部分的ニ氧化硅层10、金属层11去除使得整个LED芯片靠两侧形成凹面结构。如图9所示，将LED芯片中间及两侧剩余的第二光刻胶层14全部去除。如图10所示，在图9中所得LED芯片结构的表面涂布第三光刻胶层15(正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图11所示，将LED芯片表面的第三光刻胶层15通过曝光或显影方式部份去除，并且形成两侧N型层3部分暴露区及上方靠两侧之光穿透层9部份暴露区。如图12所示，利用PECVD或其它镀膜技术，在图11所示的结构表面直接制备ー层绝缘介质膜16，绝缘介质膜16材质为ニ氧化硅层或其它透光性佳的绝缘介质，厚度在100nm-500nm之间。绝缘介质膜16通过镀膜的方式均匀地覆盖在阶梯结构的LED芯片上及第三光刻胶层15表面。如图13所示，在图12的LED结构表面涂布第四光刻胶层17 (正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图14所示，将LED芯片表面的第四光刻胶层17通过曝光或显影方式部份去除，并且形成两侧及中间绝缘介质膜暴露区。如图15所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将LED芯片两侧暴露部分的绝缘介质膜16完全去除以及芯片中间部分的绝缘介质膜16进行部分去除，LED芯片上方所剩下绝缘介质膜16高度不低于金属层11下方。如图16所示，将LED芯片中间及两侧剩余的第三光刻胶层15和第四光刻胶层17全部去除。如图17所示，在图16芯片结构的表面涂布第五光刻胶层18 (正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图18所示，将LED芯片上方靠两侧表面的第五光刻胶层18通过曝光或显影方式部份去除，并且形成靠两侧绝缘介质膜暴露区。如图19所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将芯片上方靠两侧暴露部分的绝缘介质膜16完全去除。如图20所示，将LED芯片中间及两侧剩余的第五光刻胶层18全部去除。如图21所示，再通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法，在图20芯片结构上形成一层光穿透层ITO薄膜19，用于制作发光二极管的光穿透层及导电。如图22所示，在图21芯片结构的表面涂布第六光刻胶层20 (正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图23所示，将LED芯片上方的第六光刻胶层20通过曝光或显影方式部份去除，并且形成光穿透层ITO薄膜暴露区。如图24所示，利用PECVD或其它镀膜技术，在图23所示的芯片结构表面制备ー层金属合金层21。如图25所示，在图24结构的表面涂布第七光刻胶层22 (正胶或负胶)，涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。如图26所示，将LED芯片上方靠两侧表面的第七光刻胶层22通过曝光或显影方式部份去除，并且形成靠两侧及上方靠两侧金属合金层暴露区。图26中可以看出，剩下的第七光刻胶层22分成三段，都位于LED芯片的台阶上，相邻两段第七光刻胶层22之间的金 属合金层暴露区用于形成P型电极和两个N型电极进行隔离。如图27所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将芯片上方靠两侧暴露部分的金属合金层21完全去除，并将芯片台阶上方两金属合金层暴露区下方的金属合金层21和光穿透层ITO薄膜19完全去除，但是原有的ニ氧化硅层10都予以保留。原有的光穿透层ITO薄膜19将被分成N型电极光穿透层ITO薄膜191和P型电极光穿透层ITO薄膜192。如图28所示，将LED芯片中间及两侧剩余的第六光刻胶层20和第七光刻胶层22全部去除，并形成环状N型电极和ー个P型电极，P型电极被环状N型电极包围。至图28中的LED芯片为止，本实用新型高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片的主要制作步骤已经完成。该实用新型高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片的N型电极主要包括N型电极光穿透层ITO薄膜191和N型电极金属合金层23，其中N型电极光穿透层ITO薄膜191为阶梯结构，阶梯结构下部与芯片两侧的N型层3暴露区连接；阶梯结构上部与N型电极金属合金层23、金属层11以及绝缘介质膜16连接，其中N型电极金属合金层23位于阶梯结构上部的上方，金属层11和绝缘介质膜16位于阶梯结构上部的下方。LED芯片的P型电极主要包括P型电极金属合金层24和P型电极光穿透层ITO薄膜192，P型电极光穿透层ITO薄膜192上方与P型电极金属合金层24连接，P型电极光穿透层ITO薄膜192四周向下延伸至光穿透层9并且将金属层11和ニ氧化硅层10限制于其中；N型电极金属合金层23与P型电极金属合金层24位于同一水平面。此外，可以看出包括透过大面积的金属层11、N型电极金属合金层23以及P型电极金属合金层24，亦可达到散热最大面积。如图29所示，N型电极包围P型电极，达到最均匀电流，并且使得发光区和发光效果达到最均匀的理想状态。如图30所示，从芯片上方及两侧四面出光及金属层11反射，可以大大提升芯片发光效率。如图31所示，两个N型电极金属合金层23和P型电极金属合金层24分别通过PCB板25与散热结构26进行连接。由于两个N型电极金属合金层23和P型电极金属合金层24位置在同一水平面上，使得它们与PCB板25锡焊时，锡焊层的厚度可以进行有效的控制，避免虚焊或脱焊。上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经 改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.ー种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其层结构依次包括衬底(I)、缓冲层(2)、N型层(3)、N型分别限制层(4)、发光区层(5)、P型分别限制层(6)、P型层(7)、P型欧姆接触层(8)、光穿透层(9)、ニ氧化硅层(10)、金属层(11)，其特征在干该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和P型电极，P型电极被环状N型电极包围，N型电极主要包括N型电极光穿透层ITO薄膜(191)和N型电极金属合金层(23)，其中N型电极光穿透层ITO薄膜(191)为阶梯结构，阶梯结构下部与芯片两侧的N型层(3)暴露区连接；阶梯结构上部与N型电极金属合金层(23)、金属层(11)以及绝缘介质膜(16)连接，其中N型电极金属合金层(23)位于阶梯结构上部的上方，金属层(11)和绝缘介质膜(16)位于阶梯结构上部的下方；P型电极主要包括P型电极金属合金层(24)和P型电极光穿透层ITO薄膜(192)，P型电极光穿透层ITO薄膜(192)上方与P型电极金属合金层(24)连接，P型电极光穿透层ITO薄膜(192)四周向下延伸至光穿透层(9)并且将金属层(11)和ニ氧化硅层(10)限制于其中；N型电极金属合金层(23)与P型电极金属合金层(24)位于同一水平面。
2.根据权利要求I所述高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其特征在于所述绝缘介质膜(16)与阶梯结构的中间部分和下部相平行，起到隔离N型电极光穿透层ITO薄膜(191)的作用。
3.根据权利要求I至2中任何一项所述高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其特征在于在所述衬底(I)中形成ー层凹凸面(12)。
4.根据权利要求3所述高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其特征在于所述环状N型电极和所述P型电极通过各自的PCB板与散热结构(26)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种高光效、低光衰以及高封装良率LED芯片，其层结构依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、N型层(3)、N型分别限制层(4)、发光区层(5)、P型分别限制层(6)、P型层(7)、P型欧姆接触层(8)、光穿透层(9)、二氧化硅层(10)、金属层(11)，其特征在于该芯片蚀刻成梯台结构并形成环状N型电极和P型电极，P型电极被环状N型电极包围，所述环状N型电极和所述P型电极与PCB板连接的焊锡面处于同一水平面。本实用新型由于芯片结构包括N型电极和P型电极，使得PN电极层面积最大，得到最大注入电流，提升发光效率。
文档编号H01L33/38GK202405306SQ201120563458
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者李顺程 申请人:四川鋈新能源科技有限公司