CN104995756A - 由多层结构形成的发光管芯组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由多层结构形成的发光管芯组件。发光管芯组件包括包含：n型层（104）、有源区（106）和p型层（108）的半导体结构（103）；布置成与所述p型层（108）电气接触的p接触层（110）；布置成与所述n型层（104）电气接触的n接触层（116）；布置成使所述p接触层（110）从所述n接触层（116）电气隔离的第一电介质层（114）；包括从彼此电气隔离的第一和第二区（120a，120b）的热学扩散层（120），其中所述第一区（120a）形成所述发光管芯组件的阳极电极，并且所述第二区（120b）形成所述发光管芯组件的阴极电极；布置成使所述n接触层（116）从所述第一区（120a）电气隔离或者使所述p接触层（110）从所述第二区（120b）电气隔离的第二电介质层（118）；布置成电气隔离所述第一和第二区（120a，120b）的第三电介质层（122）；以及使得能够与基板（126）互连的互连垫（124）。

Description

由多层结构形成的发光管芯组件

技术领域

本发明涉及由多层结构形成以得到改进的器件性能的发光管芯组件。

背景技术

诸如发光二极管（LED）之类的固态光源是当今可用的最高效的光源之一。相比于常规光源，LED提供更长的寿命、更高的光子通量效力、更低的操作电压、窄带光发射以及组装方面的灵活性。

通常，III-V半导体材料用于提供在电磁光谱的紫外、可见或红外区中操作的高亮度发光器件。所使用的材料包括例如镓、铝、铟、氮、磷和砷的二元、三元和四元合金。

氮化镓（GaN）LED最近作为高效光源已经吸引了许多关注，其中GaN与In(InGaN)或Al(AlGaN)的组合还允许定制由LED发射的光子的发射能量，因为半导体合金的带隙取决于In和/或Al与GaN的比例，这为LED提供范围从红色到蓝色的颜色。基于GaN的LED因此成功地使用在固态照明应用中，诸如光照、交通照明、室内/室外显示器以及背光照明电子显示器。

LED的高质量性能要求高亮度以及高效热耗散。未被转换成来自LED的光发射的电力转换成必须从LED传导到其周围环境的热，因为LED的有源区中的过量热降低量子效率并且从而降低光输出。因而，必须关注LED的热学架构以及其电子结构。

倒装芯片（FC）GaN LED管芯通常包括衬底，所述衬底通常为蓝宝石低损失透明材料，在其上外延生长一个或多个n型GaN层、基于GaN的有源区和一个或多个p型GaN层。在FC LED管芯中，从衬底材料和n型GaN层的侧面提取有源区中所生成的光。在外延生长之后，为了使LED偏置，要求形成n型GaN层处的适当电气接触件，即阴极电极，和p型GaN层处的适当电气接触件，即阳极电极。p型GaN和n型GaN金属接触件二者是高度反射的以便将所生成的光重定向到蓝宝石侧面中。通常从p层的侧面电气接触n和p层二者。因而，为了接入n层，可以通过蚀刻掉p层和有源区来形成开口。n接触层通过这些开口电气接触n型GaN层并且通常被设计成通过n型GaN层均匀地分布电流，该n型GaN层充当横向电流扩散层。n接触层设计的目的在于避免具有所述蚀刻开口的最小要求区域的有源区中的电流拥挤区。

LED管芯典型地附连到基板，其中管芯中的所述阳极和阴极电极电气接触到基板中的金属层。可以例如借助于柱形凸块（stud-bump）来做出到基板的附连。

在管芯附连之后，并且为了改进光提取，可以通过激光辅助的剥离移除衬底。然后，通过电化学蚀刻粗糙化所暴露的n型GaN外延表面。结果得到的器件结构通常被称为薄膜倒装芯片（TFFC）LED。

FC和TFFC LED管芯结构二者通常包括由以下基础元件形成的层堆叠：GaN层（n型GaN层、有源GaN区[典型地InGaN]和p型GaN层）；p接触层；使阳极和阴极电极电气隔离的至少一个电介质层；n接触金属层；以及将管芯电气和机械附连到基板或印刷电路板（PCB）上的键合层。

一般合期望的是LED管芯堆叠中的层的这种基础组合可以最佳地执行以下基本功能：i）横向电流扩散以确保遍及有源区的均匀电流分布；ii）横向热学扩散以最小化热点和热阻；iii）与基板和/或PCB的管芯互连（键合层）；iv）机械稳定性，尤其是在TFFC的情况下；v）用于光提取的镜面反射；vi）电气隔离；以及vii）金属-半导体电气接触。

这样，管芯堆叠的每一个层必须具有前述功能中的一个或多个，即每一个层被称为功能层，例如功能层p接触层具有功能v）和vii）。

现有FC管芯架构一般呈现之前所列出的七个基本功能中的一个或多个中的性能限制。例如，柱形凸块互连方案（涉及功能iii和iv）可能由于减小的金属互连区域而面临严重的热沉限制。由于缺少热学扩散层（功能ii），这在标准TFFC的情况下可能变得尤其严重。已经公开了用于得到改进的热学性能的解决方案，但是其通常是不利于与基板和/或PCB的管芯互连的架构，这在缺少与SMD技术的兼容性方面变得受限制。对于这些解决方案，到n型GaN层中以最小化电流拥挤（功能i）的电流注入也可能受限制。

US20050067624 A1的多层提议提供了应对到n型GaN层中以最小化电流拥挤的电流注入的巨大灵活性，但这是通过对功能上涉及横向热学扩散以最小化热点和热阻或者与基板和/或PCB的管芯互连进行让步而完成的。

因此，存在对于其中功能i）-vii）可以优化而没有另一个基本功能上的让步的LED管芯结构的需要。这将使得能够实现LED管芯的电流分布、热学扩散和互连垫布局的优化方面的大自由度，从而导致改进的亮度和/或LED管芯到基板和/或PCB的更容易的安装。

发明内容

本发明的目的是解决或至少减少上文所讨论的问题。具体地，根据本发明的第一方面，提供一种由多层结构形成的发光管芯组件。

发光管芯组件包括半导体结构，所述半导体结构包括：n型层、有源区和p型层；布置成与所述p型层电气接触的p接触层；布置成与所述n型层电气接触的n接触层；布置成使所述p接触层从所述n接触层电气隔离的第一电介质层；包括从彼此电气隔离的第一和第二区的热学扩散层，其中所述第一区形成所述发光管芯组件的阳极电极，并且所述第二区形成所述发光管芯组件的阴极电极；布置成使所述n接触层从所述第一区电气隔离或者使所述p接触层从所述第二区电气隔离的第二电介质层；布置成电气隔离所述第一和第二区的第三电介质层；以及使得能够与基板互连的互连垫。

其中若干功能层可以解耦的所公开的发光管芯结构的优点在于，可以实现层的功能的单独优化而没有可能限制设计灵活性的相互依赖性。具体地，解耦的功能层是执行如上文在背景技术部分之下所列出的功能i）至vii）的那些。这使得能够实现电流分布、热学扩散和互连垫布局的优化方面的大自由度。

词语解耦应当解释为在以下含义中是独立的：多层结构内的层由于所公开的几何结构而可以与多层结构内的其它层的设计独立地设计，只要使发光管芯组件起作用即可。因而，多层结构内的每一个功能层可以被优化而没有由于其它功能层所致的约束。术语在功能上解耦应当从设计角度来理解。每一个层具有从具有其它功能的其它层解耦的至少一个功能。由于人们可以设计功能层而没有由于其它功能层的存在所致的限制，因此功能层可以被视为在功能上解耦的（从设计立场来看它们是解耦的）。

另外的优点在于，热学扩散层高效地减小发光管芯组件内部的热点和热阻，这改进所发射的光的亮度和均匀性。

另一优点在于，互连垫布局从n接触层和/或p接触层完全解耦，因此使得能够实现与SMD式几何结构的兼容性。后者一般包括作为关键参数的p间隙和n间隙之间的间隙距离。词语间隙距离此处应当理解为阳极与阴极之间的分离。所公开的发光管芯结构使得间隙距离在需要的时候能够相当大而没有对管芯的热学性能进行严重地让步。这由于高管芯区域覆盖的热学扩散层而是可能的。

根据实施例，当所述第二电介质层布置成使所述n接触层从所述第一区电气隔离时，所述n接触层包括每mm²至少20个通孔，或者当所述第二电介质层布置成使所述p接触层从所述第二区电气隔离时，所述p接触层包括每mm²至少20个通孔。优点在于电流均匀性得以改进。

第二电介质层可以包括苯并环丁烯BCB，由于发光管芯组件的解耦的多层结构，BCB是可以使用的可靠且低成本的材料。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括上述发光管芯组件的发光二极管LED。

要指出的是，本发明涉及权利要求中所记载的特征的所有可能组合。

附图说明

现在将参照示出本发明的实施例的附图更详细地描述本发明的这个和其它方面。

如图中所图示的，出于说明性目的而夸大层和区的大小，并且因而其被提供以说明本发明的实施例的一般结构。贯穿全文，相同的参考标记是指相同的元件。

图1是根据本发明的第一实施例的发光管芯组件的示意性横截面视图。

图2是包括根据图1的发光二极管的各种层的平面视图。

图3是根据本发明的第二实施例的发光管芯组件的示意性横截面视图。

图4是包括根据本发明的发光管芯组件的发光二极管（LED）的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图在下文更全面地描述本发明，在附图中示出本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应当解释为限于本文所阐述的实施例；而是，这些实施例是为了透彻性和完整性而提供的，并且向本领域技术人员全面传达本发明的范围。

图1示出了根据本发明的发光管芯组件100的第一实施例的示意性横截面视图。发光管芯组件包括衬底102，具有n型层104、有源区106和p型层108的GaN的半导体结构103，布置成与所述p型层108电气接触的p接触层110，防止金属原子迁移的阻挡层112，布置成与所述n型层104电气接触的n接触层116，布置成使p接触层110从n接触层116电气隔离的第一电介质层114，包括从彼此电气隔离的第一和第二区120a、120b的热学扩散层120，其中第一区120a对应于发光管芯组件的阳极电极，并且第二区120b对应于发光管芯组件的阴极电极，布置成使n接触层116从所述第一区120a电气隔离的第二电介质层118，布置成使第一和第二区120a、120b从彼此电气隔离的第三电介质层122，以及使得能够与基板（未示出）互连的互连垫124。

图1中还示出通过有源区106、p型层108、p接触层110、阻挡层112和第一电介质层114形成以促进n型层104与n接触层116之间的电气连接的通孔117。

此外，热学扩散层120的投影区域121布置成经由阻挡层112实现热学扩散层120的第一区120a与p接触层110之间的电气连接。由此实现p接触层110与发光管芯组件的阳极之间的电气连接。

作为所公开的多层结构的结果，实现了pn结两侧的电气接触。

在图1中为了简化而仅示出一个通孔117和一个投影区域121，尽管可以存在许多通孔和投影区域，如下文将更详细讨论的那样。

衬底102由蓝宝石制成，因为其具有类似于GaN的晶格常数，使得能够实现GaN半导体结构103的良好生长质量。蓝宝石对于由基于GaN的LED发射的光还是透明的。应当指出的是，衬底还可以通过激光辅助的剥离、研磨、化学机械抛光、或湿法蚀刻、或任何其它处理技术而移除，使得GaN层至少部分地暴露并且发光管芯组件具有TFFC几何结构。利用TFFC几何结构，可以避免透明衬底中的吸收损失，从而提供发光管芯组件改进的亮度。通过半导体结构103所暴露的表面的粗糙化或图案化，可以实现发光管芯的光输出的进一步增加，由此改进从半导体结构103耦合出的光的分数，导致发光管芯组件改进的外量子效率。另外的优点在于，热学扩散层提供TFFC几何结构的良好机械支撑。另外，可以在外延生长期间使用其它衬底，包括硅或SiC。

半导体结构103还可以包括例如Al和In原子以定制带隙或基于GaN的LED。

为了形成p型层108，可以使用掺杂剂原子，诸如镁（Mg）或锌（Zn）。p型层108还可以包括具有变化的掺杂浓度的多个层以定制传导性并且由此改进p型层108的接触和/或促进到有源区106的更好载流子输运。类似地，例如可以使用硅原子（Si）以形成n型层104。有源区106可以是本征的或者仅略微掺杂的，使得所形成的pn结的耗尽层的大部分落在有源区106内。有源区106还可以包括异质结构层，包括例如In_xAl_yG_1-x-yN以定制带隙并且从而定制发光管芯组件的发射波长。使用例如GaIn/In_xG_1-xN量子限域层所获得的量子阱（QW）或多量子阱（MQW）结构也可以位于有源区106中以局部地增加空穴和电子的浓度，这由于增加的复合率而引起从发光管芯组件100发射的增加数目的光子。

GaN层具有大约5微米的总厚度。该厚度不是关键的并且可以变化，只要可以避免可能阻碍LED性能的高浓度缺陷即可。蓝宝石衬底为200微米厚，但是在其它实施例中，该厚度的范围可以从50-800微米。

p接触层110包括大约150nm厚的银（Ag）层，但是可以使用其它厚度以及诸如铝（Al）、金（Au）、钛（Ti）或铬（Cr）之类的金属。此外，使用钛钨合金（TiW）的阻挡层112来阻碍Ag原子的迁移。阻挡层112可以可替换地选自包括以下的组：钛（Ti）、铂（Pt）、钨（W）和镍（Ni），但是也可以使用其它阻挡材料。

p接触层116包括大约3微米厚的铝（Al）层，但是也可以为Ag或Al和Ti的多层或其它这样的材料，只要获得到半导体结构103的n型层104的欧姆接触即可。

第一和第二电介质层114,118包括具有大约1微米厚度的SiN_x隔离层。应当指出的是，第一和第二电介质层114,118也可以包括SiO_x和/或DBR（分布式布拉格反射器）组合。

现在还对图2做出参照，图2为图1中的发光管芯组件100的各种层的平面视图。形成通过有源区106、p型层108、p接触层110、阻挡层112和第一电介质层114的通孔开口107以便借助于通孔117促进n型层104与n接触层116之间通过通孔开口107的电气连接。由此可以实现pn结两侧的电气接触。可以通过使用适合用于不同材料的各种常规处理技术进行掩蔽和蚀刻来形成通孔开口107。

应当指出的是，图2中所描绘的通孔117和通孔开口107的6×5矩形阵列仅仅作为示例图示。可以使用通孔117和通孔开口107的许多不同组成。而且，通孔117和通孔开口107的阵列不需要是矩形，而是可以替代性地为六边形、菱形、面心立方体或适合的任何其它任意布置。

此外，通孔117的形状不限于圆形，而是也可以为矩形或者具有如设计考虑所期望的或由通孔的制造引起的任何其它任意大小。

通孔117或通孔开口107之间的距离一般通过操作期间所设计的驱动电流、发光管芯组件的材料特性和温度来规定，并且典型地在50微米到200微米的范围内。

用于接触n型层的该设计的目的在于避免具有通孔的所要求的区域的最小值的有源区中的电流拥挤区以针对光生成优化有源区。所公开的管芯组件的优点在于，可以使用通孔的密集分布，其增强发光管芯组件中的电流扩散。词语“密集”此处要理解为每mm²至少20个通孔，这典型地对应于20%的占有率。另外，改进的电流注入和电流扩散层的总体设计灵活性是可能的，而没有对诸如互连功能之类的其它功能进行让步。

在本发明的实施例中，通孔开口107（允许连接到n接触金属层）的直径典型地在5微米与40微米之间，优选地如果通孔数目可以足够大则为5微米。

还示出了第一和第二电介质层114,118以及n接触层116中的开口119，热学扩散层的投影区域121穿透该开口119以实现对应于发光管芯组件的阳极电极的热学扩散层120的第一区120a与p接触层110之间的电气连接。由此经由阻挡层112实现发光管芯组件的阳极与p接触层110之间的电气连接。开口119的尺寸和数目通过使用中的管芯组件的期望驱动电流来确定。因此，开口119可以包括开口的阵列而不是如当前示出的实施例中所图示的单个开口。而且，开口119的尺寸和形状也可以变化。

类似地，投影区域121可以包括对应于开口119的阵列的投影区域的阵列。

热学扩散层120包括20微米厚的铜（Cu）层。Cu在室温下具有大约400W/mK的高热导率。通过使用热学扩散层120，实现均一的热学分布。热学管理减轻热点并且提供减小的热阻。因而，实现了来自发光管芯组件的更均匀且更亮的光发射。热学扩散层120还向发光管芯组件提供机械稳定性。热学扩散层120被图案化成两个区120a，120b。该几何结构确保半导体结构103的p型和n型层的独立接触，由此pn结可以在正向上偏置，这促进来自发光管芯组件100的光发射。

热学扩散层120可以被电化学地沉积，例如使用电镀，或者使用其它物理沉积方法，诸如热学蒸发或溅射。

第三电介质层122将从热学扩散层120和基板（未示出）之间的电子接触隔离。为了获得发光管芯组件100的令人满意的功能性，第三电介质层122应当优选地顺应热学扩散层120。第三电介质层122包括苯并环丁烯（BCB）。BCB有利于使用，尽管其在室温下具有大约0.3W/mK的低热导率，因为其是可靠的并且具有制造以及成本优势。

互连垫124包括具有大约3微米厚度的Cu垫，尽管可以使用其它材料，诸如Au或Ag。

在图3中，示出了根据本发明的发光管芯组件100的第二实施例的示意性横截面视图。在发光管芯组件100的该第二实施例中，与第一实施例相比，GaN半导体结构103的n型层104和p型层108的顺序被更改。作为结果，p接触层110和n接触层116的顺序也已经更改。另外，在第二实施例中，第二电介质层118现在布置成使p接触层110从对应于发光管芯组件的阴极电极的所述第二区120b电气隔离。

该第二实施例发光管芯组件的不同层以与针对发光管芯组件的上文所讨论的第一实施例类似的方式构造并且将不详细讨论，因为本领域技术人员通过研究发光管芯组件的上文所讨论的第一实施例来容易地构造用于不同层的材料的选择、p型层108与p接触层110之间的电气连接以及n接触层116与发光管芯组件的阴极之间的电气连接。

发光管芯组件还可以包括附加层，诸如阻挡层，其阻碍可能降低管芯组件的性能的原子迁移。

还应当指出的是，尽管在图3中为了简化而仅示出一个通孔117和一个投影区域121，但是可以存在如关于发光管芯组件的第一实施例所讨论的许多通孔和投影区域。

本发明的优点在于，其使得能够实现电流分布、热学扩散和互连垫布局的优化方面的大自由度。更精确地，根据本发明的多层结构解耦至少三个基础功能层。因而，发光管芯组件100允许更好的电流分布，其减轻可能引起局部过热的电流拥挤以及在一些情况下可能引起热逸溃的热学热点的形成，所述热学热点是使LED的性能严重降级的现象，例如降低所发射的光的电流效率、发射亮度和均匀性。

本发明的另外的优点在于，热学扩散层120提供良好的热输运，这引起发光管芯组件100内的改进的热学分布。此外，该热输运能力也将引起结温度在有源区106中以及其周围的降低。

以上描述的多层结构还从n接触层116和/或p接触层110解耦互连垫124，因此使得能够实现与具有例如SMD式几何结构的基板或印刷电路板（PCB）的集成兼容性。后者一般包括作为关键参数的p间隙和n间隙之间的间隙距离。词语间隙距离此处应当理解为阳极与阴极之间的分离。所公开的发光管芯结构使得间隙距离能够在需要的时候相当大而没有对管芯的热学性能进行严重地让步。这由于高管芯区域覆盖的热学扩散层而是可能的。另外，大间隙距离应当解释为典型地针对具有1mm²的基底区域大小的管芯组件的200微米以上，相比于现有技术，这可以在没有对发光管芯的热学性能进行严重地让步的情况下实现。应当指出的是，发光管芯组件的基底区域大小在从大约0.2mm²到大约2mm²的范围中。

图4是包括根据本发明的发光管芯组件的发光二极管300的示意性横截面图。发光管芯组件包括衬底102，包括n型层、有源区和p型层的GaN的半导体结构103，促进p型层与对应于发光管芯组件的阳极的热学扩散层的第一区120a之间以及n型层与对应于发光管芯组件的阴极的热学扩散层的第二区120b之间的连接的多层结构128。阳极和阴极还被布置成与可以具有SMD或PCB架构的基板126接触，使得能够为发光管芯组件供电。

本领域技术人员认识到，本发明绝不限于以上所描述的优选实施例。相反地，在随附权利要求的范围内，许多修改和变型是可能的。

例如，从热学扩散层120隔离p接触层116的第二电介质层118可以包括具有相对较低的热导率的传导层，其可以是苯并环丁烯BCB，其在室温下具有大概0.3W/mK的热导率。与具有大概10W/mK的热导率的SiN相反，使用BCB可以改进复杂管芯结构的可靠性。在该实施例中，如果改变第一和第二电介质层114,118以及n接触层114以便减小用于第二电介质层118的BCB材料的区域，则是优选的。

此外，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开文本和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示不能使用这些措施的组合来获益。

Claims (12)

1.一种由多层结构形成的发光管芯组件，所述发光管芯组件包括：

半导体结构（103），包括：n型层（104）、有源区（106）和p型层（108）；

布置成与所述p型层（108）电气接触的p接触层（110）；

布置成与所述n型层（104）电气接触的n接触层（116）；

布置成使所述p接触层（110）从所述n接触层（116）电气隔离的第一电介质层（114）；

包括从彼此电气隔离的第一和第二区（120a，120b）的热学扩散层（120），其中所述第一区（120a）形成所述发光管芯组件的阳极电极并且所述第二区（120b）形成所述发光管芯组件的阴极电极；

布置成使所述n接触层（116）从所述第一区（120a）电气隔离或者使所述p接触层（110）从所述第二区（120b）电气隔离的第二电介质层（118）；

布置成电气隔离所述第一和第二区（120a，120b）的第三电介质层（122）；以及

使得能够与基板（126）互连的互连垫（124）。

2.根据权利要求1的发光管芯组件，其中所述热学扩散层（120）由10-30微米厚，优选地15-25微米厚并且更优选地20微米厚的层形成。

3.根据权利要求1或2的发光管芯组件，其中所述热学扩散层（120）在室温下展现380W/mK或更高的热导率。

4.根据权利要求1至3中任一项的发光管芯组件，其中所述热学扩散层（120）由金属制成，所述金属优选地为铜。

5.根据权利要求1至4中任一项的发光管芯组件，其中所述发光管芯组件还包括衬底（102），优选地为蓝宝石衬底。

6.根据权利要求1至5中任一项的发光管芯组件，其中所述发光管芯组件具有倒装芯片FC几何结构。

7.根据权利要求1至4中任一项的发光管芯组件，其中所述发光管芯组件具有薄膜倒装芯片TFFC几何结构。

8.根据权利要求1-7中任一项的发光管芯组件，其中所述第一电介质层（114）包括具有至少10W/mK的热导率的材料。

9.根据权利要求1-8中任一项的发光管芯组件，其中当所述第二电介质层（118）被布置成使所述n接触层（116）从所述第一区（120a）电气隔离时，并且所述n接触层（116）包括每mm²至少20个通孔（117）。

10.根据权利要求1-8中任一项的发光管芯组件，其中当所述第二电介质层（118）被布置成使所述p接触层（110）从所述第二区（120b）电气隔离时，并且所述p接触层（110）包括每mm²至少20个通孔。

11.根据权利要求1-10中任一项的发光管芯组件，其中所述第二电介质层（118）包括苯并环丁烯BCB。

12.一种发光二极管LED，包括根据权利要求1-11中任一项的发光管芯组件（100）。