由多層結(jié)構(gòu)形成的發(fā)光管芯組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及由多層結(jié)構(gòu)形成以得到改進的器件性能的發(fā)光管芯組件。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如發(fā)光二極管(LED)之類的固態(tài)光源是當今可用的最高效的光源之一。相比于常規(guī)光源，LED提供更長的壽命、更高的光子通量效力、更低的操作電壓、窄帶光發(fā)射以及組裝方面的靈活性。
[0003]通常，II1-V半導體材料用于提供在電磁光譜的紫外、可見或紅外區(qū)中操作的高亮度發(fā)光器件。所使用的材料包括例如鎵、鋁、銦、氮、磷和砷的二元、三元和四元合金。
[0004]氮化鎵(GaN)LED最近作為高效光源已經(jīng)吸引了許多關(guān)注，其中GaN與In(InGaN)或Al (AlGaN)的組合還允許定制由LED發(fā)射的光子的發(fā)射能量，因為半導體合金的帶隙取決于In和/或Al與GaN的比例，這為LED提供范圍從紅色到藍色的顏色?；贕aN的LED因此成功地使用在固態(tài)照明應用中，諸如光照、交通照明、室內(nèi)/室外顯示器以及背光照明電子顯示器。
[0005]LED的高質(zhì)量性能要求高亮度以及高效熱耗散。未被轉(zhuǎn)換成來自LED的光發(fā)射的電力轉(zhuǎn)換成必須從LED傳導到其周圍環(huán)境的熱，因為LED的有源區(qū)中的過量熱降低量子效率并且從而降低光輸出。因而，必須關(guān)注LED的熱學架構(gòu)以及其電子結(jié)構(gòu)。
[0006]倒裝芯片(FC) GaN LED管芯通常包括襯底，所述襯底通常為藍寶石低損失透明材料，在其上外延生長一個或多個η型GaN層、基于GaN的有源區(qū)和一個或多個ρ型GaN層。在FC LED管芯中，從襯底材料和η型GaN層的側(cè)面提取有源區(qū)中所生成的光。在外延生長之后，為了使LED偏置，要求形成η型GaN層處的適當電氣接觸件，即陰極電極，和P型GaN層處的適當電氣接觸件，即陽極電極。ρ型GaN和η型GaN金屬接觸件二者是高度反射的以便將所生成的光重定向到藍寶石側(cè)面中。通常從P層的側(cè)面電氣接觸η和ρ層二者。因而，為了接入η層，可以通過蝕刻掉ρ層和有源區(qū)來形成開口。η接觸層通過這些開口電氣接觸η型GaN層并且通常被設計成通過η型GaN層均勻地分布電流，該η型GaN層充當橫向電流擴散層。η接觸層設計的目的在于避免具有所述蝕刻開口的最小要求區(qū)域的有源區(qū)中的電流擁擠區(qū)。
[0007]LED管芯典型地附連到基板，其中管芯中的所述陽極和陰極電極電氣接觸到基板中的金屬層。可以例如借助于柱形凸塊(stud-bump)來做出到基板的附連。
[0008]在管芯附連之后，并且為了改進光提取，可以通過激光輔助的剝離移除襯底。然后，通過電化學蝕刻粗糙化所暴露的η型GaN外延表面。結(jié)果得到的器件結(jié)構(gòu)通常被稱為薄膜倒裝芯片(TFFC) LED。
[0009]FC和TFFC LED管芯結(jié)構(gòu)二者通常包括由以下基礎元件形成的層堆疊:GaN層(η型GaN層、有源GaN區(qū)[典型地InGaN]和ρ型GaN層)；ρ接觸層；使陽極和陰極電極電氣隔離的至少一個電介質(zhì)層；η接觸金屬層；以及將管芯電氣和機械附連到基板或印刷電路板(PCB)上的鍵合層。
[0010]一般合期望的是LED管芯堆疊中的層的這種基礎組合可以最佳地執(zhí)行以下基本功能:i)橫向電流擴散以確保遍及有源區(qū)的均勻電流分布；ii)橫向熱學擴散以最小化熱點和熱阻；iii)與基板和/或PCB的管芯互連(鍵合層);iv)機械穩(wěn)定性，尤其是在TFFC的情況下；v)用于光提取的鏡面反射；vi)電氣隔離；以及vii)金屬-半導體電氣接觸。
[0011]這樣，管芯堆疊的每一個層必須具有前述功能中的一個或多個，即每一個層被稱為功能層，例如功能層P接觸層具有功能V)和Vii)。
[0012]現(xiàn)有FC管芯架構(gòu)一般呈現(xiàn)之前所列出的七個基本功能中的一個或多個中的性能限制。例如，柱形凸塊互連方案(涉及功能iii和iv)可能由于減小的金屬互連區(qū)域而面臨嚴重的熱沉限制。由于缺少熱學擴散層(功能ii )，這在標準TFFC的情況下可能變得尤其嚴重。已經(jīng)公開了用于得到改進的熱學性能的解決方案，但是其通常是不利于與基板和/或PCB的管芯互連的架構(gòu)，這在缺少與SMD技術(shù)的兼容性方面變得受限制。對于這些解決方案，到η型GaN層中以最小化電流擁擠(功能i)的電流注入也可能受限制。
[0013]US20050067624 Al的多層提議提供了應對到η型GaN層中以最小化電流擁擠的電流注入的巨大靈活性，但這是通過對功能上涉及橫向熱學擴散以最小化熱點和熱阻或者與基板和/或PCB的管芯互連進行讓步而完成的。
[0014]因此，存在對于其中功能i)-vii)可以優(yōu)化而沒有另一個基本功能上的讓步的LED管芯結(jié)構(gòu)的需要。這將使得能夠?qū)崿F(xiàn)LED管芯的電流分布、熱學擴散和互連墊布局的優(yōu)化方面的大自由度，從而導致改進的亮度和/或LED管芯到基板和/或PCB的更容易的安裝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是解決或至少減少上文所討論的問題。具體地，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種由多層結(jié)構(gòu)形成的發(fā)光管芯組件。
[0016]發(fā)光管芯組件包括半導體結(jié)構(gòu)，所述半導體結(jié)構(gòu)包括:n型層、有源區(qū)和ρ型層；布置成與所述P型層電氣接觸的P接觸層；布置成與所述η型層電氣接觸的η接觸層；布置成使所述P接觸層從所述η接觸層電氣隔離的第一電介質(zhì)層；包括從彼此電氣隔離的第一和第二區(qū)的熱學擴散層，其中所述第一區(qū)形成所述發(fā)光管芯組件的陽極電極，并且所述第二區(qū)形成所述發(fā)光管芯組件的陰極電極；布置成使所述η接觸層從所述第一區(qū)電氣隔離或者使所述P接觸層從所述第二區(qū)電氣隔離的第二電介質(zhì)層；布置成電氣隔離所述第一和第二區(qū)的第三電介質(zhì)層；以及使得能夠與基板互連的互連墊。
[0017]其中若干功能層可以解耦的所公開的發(fā)光管芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，可以實現(xiàn)層的功能的單獨優(yōu)化而沒有可能限制設計靈活性的相互依賴性。具體地，解耦的功能層是執(zhí)行如上文在【背景技術(shù)】部分之下所列出的功能i)至vii)的那些。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)電流分布、熱學擴散和互連墊布局的優(yōu)化方面的大自由度。
[0018]詞語展藏應當解釋為在以下含義中是獨立的:多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層由于所公開的幾何結(jié)構(gòu)而可以與多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的其它層的設計獨立地設計，只要使發(fā)光管芯組件起作用即可。因而，多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的每一個功能層可以被優(yōu)化而沒有由于其它功能層所致的約束。術(shù)語在功能上解耦應當從設計角度來理解。每一個層具有從具有其它功能的其它層解耦的至少一個功能。由于人們可以設計功能層而沒有由于其它功能層的存在所致的限制，因此功能層可以被視為在功能上解耦的(從設計立場來看它們是解耦的)。
[0019]另外的優(yōu)點在于，熱學擴散層高效地減小發(fā)光管芯組件內(nèi)部的熱點和熱阻，這改進所發(fā)射的光的亮度和均勻性。
[0020]另一優(yōu)點在于，互連墊布局從η接觸層和/或ρ接觸層完全解耦，因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)與SMD式幾何結(jié)構(gòu)的兼容性。后者一般包括作為關(guān)鍵參數(shù)的P間隙和η間隙之間的間隙距離。詞語間隙距離此處應當理解為陽極與陰極之間的分離。所公開的發(fā)光管芯結(jié)構(gòu)使得間隙距離在需要的時候能夠相當大而沒有對管芯的熱學性能進行嚴重地讓步。這由于高管芯區(qū)域覆蓋的熱學擴散層而是可能的。
[0021]根據(jù)實施例，當所述第二電介質(zhì)層布置成使所述η接觸層從所述第一區(qū)電氣隔離時，所述η接觸層包括每mm2至少20個通孔，或者當所述第二電介質(zhì)層布置成使所述ρ接觸層從所述第二區(qū)電氣隔離時，所述P接觸層包括每_2至少20個通孔。優(yōu)點在于電流均勻性得以改進。
[0022]第二電介質(zhì)層可以包括苯并環(huán)丁烯BCB，由于發(fā)光管芯組件的解耦的多層結(jié)構(gòu)，BCB是可以使用的可靠且低成本的材料。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種包括上述發(fā)光管芯組件的發(fā)光二極管LED。
[0024]要指出的是，本發(fā)明涉及權(quán)利要求中所記載的特征的所有可能組合。
【附圖說明】
[0025]現(xiàn)在將參照示出本發(fā)明的實施例的附圖更詳細地描述本發(fā)明的這個和其它方面。
[0026]如圖中所圖示的，出于說明性目的而夸大層和區(qū)的大小，并且因而其被提供以說明本發(fā)明的實施例的一般結(jié)構(gòu)。貫穿全文，相同的參考標記是指相同的元件。
[0027]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的發(fā)光管芯組件的示意性橫截面視圖。
[0028]圖2是包括根據(jù)圖1的發(fā)光二極管的各種層的平面視圖。
[0029]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的發(fā)光管芯組件的示意性橫截面視圖。
[0030]圖4是包括根