CN102637681B - 垂直式发光器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直式高压发光器件以及其制作方法，通过区域激光剥离及管芯键合等手段将相邻的两个发光二极管极性翻转，并且该极性翻转的两个二极管置于含有键合金属层的绝缘衬底之上，同时于发光器件表面分布连线，从而单个LED单元呈垂直结构，多个LED串联形成高压LED，以解决横向结构发光效率低，热阻大等问题。

Description

垂直式发光器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体发光器件及其制作方法，更具体地是一种垂直式高压发光器件及其制作方法。

背景技术

固态发光器件的发光二极管具有低能耗，高寿命，稳定性好，体积小，响应速度快以及发光波长稳定等良好光电特性，被广泛应用于照明、家电、显示屏及指示灯等领域。此类型发光器件在光效及使用寿命等方面均已有可观的进步，有希望成为新一代照明及发光器件主流。

市电供应为交流电，传统直流LED器件需要制作开关电源等电源转换器将市电转为低压电源，此电力转换存在损耗。

图1提出了一种横向结构的高压发光二极管的剖面结构，高压发光二极管可以在电源转换端减少损耗；但其单个LED单元110为横向结构，横向结构LED芯片存在发光效率低，电流拥塞、热阻大等问题，无法采用大电流密度驱动。

发明内容

本发明旨在提供一种垂直式高压发光器件以及其制作方法，通过区域激光剥离及管芯键合等手段将相邻的两个发光二极管极性翻转，并且该极性翻转的两个二极管置于含有金属键合连线的绝缘衬底之上，同时于发光器件表面分布连线，从而单个LED单元呈垂直结构，多个LED串联形成高压LED，以解决上述横向结构发光效率低，热阻大等问题。

根据本发明的第一个方面，垂直式发光器件，其包括：绝缘基板，其包括正、反两个主表面，正表面上分布有键合金属层单元阵列；发光模块，形成于所述第一基板的正表面上，包含复数个发光单元，发光单元与键合金属层单元一一对应；每个发光单元由两个反向并排的发光二极管构成，两者之间相互隔离，并通过键合金属层串联；其中第一发光二极管至上而下包含p型体，有源区，n型层，第二发光二极管至上而下包括n型层，有源区，p型层；导电结构，将所述复数个发光单元串联起来，其中各个发光单元的第一个发光二极管和与其相邻的发光单元的第二个发光二极管连接。

在本发明中，所述各个发光单元之间设有绝缘层，实现相互隔离；所述每个发光单元的两个发光二极管设有绝缘层，实现相互隔离。在本发明的第一个优选实施例，所述垂直式发光器件与直流电源连接，其包括两个电极，分别与发光模块的首、尾发光单元连接，构成串联电路。在本发明的第二个优选实施例，所述垂直式发光器件与交流电流连接，其包括两个电极，其呈对称分布且同时连接两个相邻的发光单元，构成串并联电路。

本发明的第二个方面，垂直式发光器件的制作方法，包括步骤：1）提供一生长衬底，在其上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括n型层、有源层，p型层；2）定义单个LED的大小，将发光外延层划分为两个LED系列，其中第一系列的各个LED与第二系列的各个LED相邻；3）提供一绝缘基板，并在其上制作键合金属层单元阵列，各个键合金属层单元之间具有隔离区；4）将第一LED系列转移至绝缘基板的图案化键合金属层上，n型层为出光面，每个LED对应一个键合金属层单元；5）通过二次基板转移，将第二LED系列转移至所述绝缘基板的图案化键合金属层上，p型层为出光面，至此每个键合金属层单元包括一个第一系列的LED和一个第二系列的LED，两者反向并排且具有一隔离区；6）填充隔离区，在隔离区及器件表面上制作导电结构，使各个LED单元连接成为一串联结构之LED序列。

本发明的制作方法中，所述步骤5）包括：提供一临时基板，将所述第二LED系列与该临时基板连结；剥离生长衬底，使所述第二LED系列与生长衬底分离；将所述第二LED系列与所述永久基板连结，去除临时基板。在本发明的第一个优选实施例中，还包括：步骤7）分别在LED序列的首、尾LED上制作电极结构，构成串联电路。由此获得垂直式直流高压发光器件。在本发明的第二个优选实施例中，步骤7）制作两个电极，其呈对称分布且同时连接两个相邻的发光单元，构成串并联电路。由此获得垂直式交流高压发光器件。

本发明采用垂直结构，解决了现有横向高压发光二极管的电流拥塞、热阻大等问题。另一方面，采用多个LED芯粒反转并排列于设计有连线的绝缘基板上，比传统横向结构芯片更易实现连线，稳定性高。垂直结构制作可避免横向结构设计由于电学接触损失的发光区，有利于提升亮度。

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。

图1为一种横向结构高压发光元件的侧面剖视图。

图2为根据本发明实施的具有4个LED的垂直式发光器件的侧面剖视图。

图3为图2所示垂直式发光器件的俯视图。

图4为图2所示的垂直式发光器件中的发光单元M1的侧面剖视图。

图5～20根据本发明实施的垂直式发光器件制作过程的截面示意图。

图21为根据本发明实施的垂直式直流高压发光器件的俯视图。

图22为图21的等效电路图。

图23为根据本发明实施的垂直式交流高压发光器件的俯视图。

图24为图23的等效电路图。

图中部件符号说明：

100：基板；130：LED单元；131：n-GaN层；132：发光层；133：p-GaN层；140：导电连线；151：n电极；152：p电极；200：绝缘基板；210：键合金属层单元阵列；220：第二键合金属层；230：LED单元；231：n-GaN层；232：发光层；233：p-GaN层；240：导电结构；251：n电极；252：p电极；260：绝缘层；M1：第一发光单元；M2：第二个发光单元；301：生长衬底；302：永久绝缘基板；303：临时基板；310：键合金属层单元阵列；320，322：键合金属层；321：粘结层；330：LED单元；331：n-GaN层；332：发光层；333：p-GaN层；340：导电结构；370：隔离区；L1：第一LED系列；L2：第二LED系列；440，540：导电结构；451，551：第一电极；452，552：第二电极。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 

在本发明的说明书及权利要求书中，为了清楚表述本发明，多次出现了“发光模块”，“发光单元”，“发光二极管”等名词，现对它们说明如下：发光二极管指是具有一个pn结的元件，下文及说明书附图以LED表示；发光单元是指由反向并排设置在导电材料层上的两个LED，即两个LED的极性相反，图3所示是一个发光单元M1的具体结构，下面将结合实施例进行具体说明；多个发光单元构成发光模块。

本发明主要应用于高压发光器件，每个发光器件都由一系列LED单元构成，下面为简化说明，以4个LED的结构进行具体。

如图2和3所示，一种具有4个LED的垂直式发光器件，包括绝缘基板200，两个发光单元M1和M2，导电结构240和电极251、252。绝缘基板200选用散热性较佳的材料，可使用AlN或陶瓷等。在绝缘基板200上分布有键合金属层单元阵列210，每个键合金属层单元的大小略大于两个LED的面积，形状一般为四边形，也可根据LED的具体形状进行设置，如三角形、圆形等，材料可选用Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种。相邻的键合金属层单元相互隔离。在每个键合金属层单元上对应设置一个发光单元（M1，M2），两个发光单元通过绝缘层261实现相到隔离，通过导电结构240串联起来。发光单元的基本结构如图4所示，包括LED1和LED2，LED1至上而下包括n-GaN层231、发光层232和p-GaN层233，LED2至上而下包括p-GaN层233、发光层232和n-GaN层231，LED1的p-GaN层233通过键合金属层210连接LED2的n-GaN层231。绝缘层260一方面保护发光外延层，同时实现LED1和LED2的隔离。导电结构240可以为金属连线，连接M1的LED2的p-GaN层233和M2的LED3的n-GaN层。电极251位于LED1的n-GaN层231上，电极252位于LED4 p-GaN层233上，四个LED单元构成串联式电路。

下面结合图5~19对本发明的垂直式发光器件的制作方法进行详细说明。本制作方法主要包括外延生长、单元化发光外延层、第一LED系列L1的基板转移、第二LED系列L2的二次基板转移，制作导电结构等。一般情况下，一片外延片可划分为上千个LED芯片，下面为简化说明，将发光外延层划分为4*4的LED阵列。

如图5所示，利用MOCVD在生长衬底301（例如蓝宝石）上依次成长n-GaN层331、发光层332和p-GaN层333，构成发光外延层330。

如图7所示，下一步，定义单个LED的大小，将发光外延层330划分为LED阵列。具体工艺如下：先定义单个LED的大小，采用光罩图形化发光外延层，利用ICP干法刻蚀打穿外延层，露出绝缘衬底，形成隔离区1，将发光外延层分为4*4阵列的LED系列，并将LED单元划分为两个两个LED系列L1和L2。图6为划分完后相应的俯视图。如图6所示，LED1、LED3、LED6、LED8、LED9、LED11、LED14、LED16为第一LED系列L1，图中用白色背景表示；LED2、LED4、LED5、LED7、LED10、LED12、LED13、LED15为第二LED系列L2，图中用灰色背景表示。

如图8所示，提供一制作有键合金属层单元阵列310的永久绝缘基板302。其具体工艺如下：利用真空电子束蒸发镀膜在永久绝缘基板302（例如AlN）上制作键合金属图案310，该键合金属层可包含Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种。每个键合金属层单元的大小略大于两个LED的面积，形状一般为四边形，也可根据LED的具体形状进行设置，如三角形、圆形等，其俯视图如附图9所示。

如图10所示，将第一LED系列L1转移至永久绝缘基板302上，且n型层为出光面，p型层与永久绝缘基板连接。其具体工艺如下：利用真空电子束蒸发镀膜在第一LED系列L1的p-GaN层333上沉积一键合金属层320，该键合金属层可包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其总体厚度不小于5um，最佳厚度为7um；利用晶元键合设备将第二LED系列L1的p-GaN层333上的键合金属层320与永久绝缘基板302上的键合金属层单元阵列310键合，第二LED系列L2与基板则无粘贴接触，其剖面结构图如图11和图12，其中图11为奇数行LED阵列的剖面图（即沿图10中A-A的剖面图），图12为偶数行LED阵列的剖面图（即沿图10中B-B的剖面图）。将第一LED系列L1与生长衬底301分离。在本发明的一个优选实施方式中，选用蓝宝石作为生长衬底，利用248nmKrF气体激光器选择性剥离生长衬底，使得第一LED系列L1脱离蓝宝石衬底，第二LED系列L2则保留于蓝宝石衬底上。其剖面结构图如图13和14，其中图13为奇数行LED阵列的剖面图，图14为偶数行LED阵列的剖面图。

如图15所示，通过二次基板转移，将第二LED系列L2转移至永久绝缘基板302上，且与第一LED系列L1反向并排位于永久基板上，p型层为出光面，n型层与永久基板上的键合金属层连接。其具体工艺如下：首先，在一临时基板303上涂布一种有机胶作为粘结层321，涂布厚度不小于7um，最佳厚度为10um，利用黄光技术使其形成与第二LED系列L2等大面积的有机胶区域；采用管芯粘贴键合方式将此临时基板与第二LED系列L2键合，其剖面图如附图16和17所示（其中图16为奇数行LED阵列的剖面图，图17为偶数行LED阵列的剖面图）。接着，利用248nmKrF气体激光器选择性剥离蓝宝石衬底，使得第二LED系列L2脱离蓝宝石衬底，而保留于临时衬底303上。然后，利用真空电子束蒸发镀膜在第二LED系列L2的n-GaN层上沉积键合金属层322，该键合金属层可包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其厚度不小于5um，最佳厚度为7um，利用管芯粘贴键合方式将临时基板上的第二LED系列L2的n-GaN层上的键合金属层322与永久绝缘基板302上的键合金属层310键合，其剖面图如附图18和19所示（其中图18为奇数行LED阵列的剖面图，图19为偶数行LED阵列的剖面图）。最后，去除临时基板，去除LED系列9~16的p型半导体层上的有机胶。第一LED序列L1的n-GaN层与第二LED系列L2的p-GaN层同时裸露于表面。

下一步，如图20所示，用有机胶（例如BCB或者SU8等有机材料）填充隔离区缝隙，构成绝缘层360，填充高度与外延层表面平齐。

下一步，在每个发光单元的第一个LED正表面与相邻发光单元的第二个LED正表面制作金属连线，形成导电结构。金属连线可包含Cr、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种组合。根据不同的连线方式，可实现直流或交流的器件结构。下面通过实施例1和实施例2进行具体说明。

实施例1

图21为根据本发明实施的垂直式直流高压发光器件的俯视图。如图21所示，在“LED2与LED3、LED4与LED8、LED7与LED6、LED5与LED9、LED10与LED11、LED12与LED16、LED15与LED14” 7个连接点上制作金属连线，构成导电结构440。在LED1上制作第一电极451，在LED13上制作第二电极452。16连串的垂直式直流高压LED发光器件制作完毕，其电路连接图如图22所示。

实施例2

图23为根据本发明实施的垂直式交流高压发光器件的俯视图。如图23所示，在“LED1与LED5、LED4与LED8、LED6与LED10、LED7与LED11、LED9与LED13、LED12与LED16” 6个连接点上制作金属连线，构成导电结构540。在LED2和LED3之间制作第一电极551，其连接LED2的p-GaN层和LED3的n-GaN层；在LED14和LED15之间制作第二电极552，其连接LED14的n-GaN层和LED15的p-GaN层。垂直式交流高压LED发光器件制作完毕。其电路连接图如图24所示，LED第一路电流流向为：A—LED14—LED13—LED9—LED10—LED6—LED5—LED1—LED2—B，第二路电流流向为：B—LED3—LED4—LED8—LED7—LED11—LED12—LED16—LED15—B。

很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。

Claims (4)

1.垂直式发光器件的制作方法，包括步骤：

1）提供一生长衬底，在其上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括n型层、有源层，p型层；

2）定义单个LED的大小，将发光外延层划分为两个LED系列，其中第一系列的各个LED与第二系列的各个LED相邻；

3）提供一绝缘基板，并在其上制作键合金属层单元阵列，各个键合金属层单元之间具有隔离区；

4）将第一LED系列转移至绝缘基板的图案化键合金属层上，n型层为出光面，每个LED对应一个键合金属层单元；

5）通过二次基板转移，将第二LED系列转移至所述绝缘基板的图案化键合金属层上，p型层为出光面，至此每个键合金属层单元包括一个第一系列的LED和一个第二系列的LED，两者反向并排且具有一隔离区；

6）填充隔离区，在隔离区及器件表面上制作导电结构，使各个LED单元连接成为一串联结构之LED序列。

2.根据权利要求1所述的垂直式发光器件的制作方法，还包括：步骤7）分别在LED序列的首、尾LED上制作电极结构，构成串联电路。

3.根据权利要求1所述的垂直式发光器件的制作方法，还包括：步骤7）制作两个电极，其呈对称分布且同时连接两个相邻的发光单元，构成串并联电路。

4.根据权利要求1所述的垂直式发光器件的制作方法，其特征在于：所述步骤5）包括：提供一临时基板，将所述第二LED系列与该临时基板连结；剥离生长衬底，使所述第二LED系列与生长衬底分离；将所述第二LED系列与所述绝缘基板连结，去除临时基板。