專利名稱：發(fā)光二極管封裝和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及發(fā)光二極管(LED)器件，該LED器件實現(xiàn)在晶片覆蓋層上并且提供有允許有效并可重復(fù)地制造該LED器件的特征。相關(guān)串請本申請涉及并要求同時在2011年3月6日提交的美國臨時申請No. 61/449，685和No. 61/449，686的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，這兩個申請以引用方式被并入本文。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種半導(dǎo)體器件，其被構(gòu)造用于接收電力或刺激并且用于通常在可見光譜(光)范圍內(nèi)輸出電磁輻射。LED的一些部分含有摻雜的半導(dǎo)體材料，這些摻雜的半導(dǎo)體材料以這種方式工作來使電荷復(fù)合，從而從LED材料的本體釋放所述光能。這種效應(yīng)有時被稱作電致發(fā)光。輸出的能量或光由LED的材料和工作條件(包括LED材料的能帶隙和LED的電偏置)來限定。發(fā)光二極管(LED)與其他光源相比是有利的，并且尤其可用于某些應(yīng)用和市場。例如，LED照明通常在能效、緊湊性、堅固且長期壽命設(shè)計和形狀因子以及其他特征方面提供了益處。與光源耗費的紅外或熱能相比，在可見電磁波譜中產(chǎn)生的光能的量方面，LED照明相比其他光源是有利的。另外，當(dāng)與其他燈形式相比時，LED燈包括對環(huán)境損害更少的組件，因此更好地適應(yīng)危害物質(zhì)限制(RohS)法規(guī)。也就是說，當(dāng)與其他光源相比時，根 據(jù)某些量度，傳統(tǒng)LED器件的制造成本會相對較高。一個原因在于，對于制造LED，需要精確的封裝。LED封裝要求合適的清潔條件、與其他半導(dǎo)體制造操作類似的微細(xì)加工設(shè)施、密封要求、光學(xué)要求、LED應(yīng)用中使用熒光體以及被設(shè)計用于操縱器件所產(chǎn)生的熱的傳導(dǎo)的封裝。傳統(tǒng)的LED封裝包括晶片級組件技術(shù)中使用的硅(Si)基襯底。然而，這些傳統(tǒng)技術(shù)需要使用載體芯片來支撐LED，這樣會使LED器件的制造和封裝成本加倍。另外，載體芯片大大增加了器件的熱阻率并且對其散熱特性產(chǎn)生不利影響。因此，存在對這樣的LED器件的需求，即所述LED器件不遭受以上問題中的一些或全部。

發(fā)明內(nèi)容
公開了發(fā)光二極管(LED)器件和發(fā)光二極管器件的封裝。在一些方面，使用包括多個層的垂直構(gòu)造來制造LED。某些層用于提升器件的機械特性、電特性、熱特性或光學(xué)特性。所述器件避免了一些設(shè)計問題，包括傳統(tǒng)LED器件中存在的制造復(fù)雜、成本和散熱問題。一些實施方案包括多個光學(xué)許可層(permissive layer),包括堆疊在半導(dǎo)體LED上方并且使用一個或更多個對準(zhǔn)標(biāo)記定位的光學(xué)許可覆蓋襯底或晶片。一些實施方案涉及一種發(fā)光器件，所述發(fā)光器件包括半導(dǎo)體LED，其包括摻雜區(qū)和本征區(qū)，所述半導(dǎo)體LED的第一表面用在所述第一表面的至少一部分上方的導(dǎo)電金屬化層來金屬化；光學(xué)許可層，其靠近所述半導(dǎo)體LED的第二表面，所述半導(dǎo)體LED的所述第一表面和所述第二表面位于所述半導(dǎo)體LED的相對的面上；光學(xué)可限定材料，其靠近所述光學(xué)許可層或者位于所述光學(xué)許可層內(nèi)，影響穿過所述光學(xué)許可層的發(fā)射光的光學(xué)特性；以及光學(xué)許可覆蓋襯底(cover substrate),其覆蓋以上組件中的至少一部分。其他實施方案涉及在制造環(huán)境下在晶片上制成這種發(fā)光器件或器件組的方式。具體來講，實施方案涉及一種制造發(fā)光器件的方法，所述方法包括在設(shè)置在光學(xué)許可層上的發(fā)光器件(LED)中，形成多個摻雜層；在所述LED中形成凹陷，以在所述LED的第一摻雜層的深度處允許與所述LED的所述第一摻雜層電接觸；將所述LED的面的至少一部分金屬化以形成金屬化層，提供與靠近所述LED的所述面的所述LED的所述第一摻雜層和第二摻雜層的電接觸；以及使用光學(xué)許可粘合劑，以機械方式將所述光學(xué)許可層固定于光學(xué)許可覆蓋襯底。


為了更充分地理解本發(fā)明構(gòu)思的性質(zhì)和優(yōu)點，參考以下對優(yōu)選實施方案的詳細(xì)說明并且結(jié)合附圖，在附圖中圖I圖示說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的藍寶石層上方的半導(dǎo)體LED層；圖2圖示說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的藍寶石層上的半導(dǎo)體LED層的一部分中蝕刻形成腔體； 圖3圖示說明根據(jù)一些方面的LED器件的金屬化過程；圖4圖不說明不例性LED器件的俯視圖；圖5圖示說明另一個示例性LED器件的剖視圖；圖6圖示說明LED器件60的俯視圖；圖7圖示說明LED器件的另一個示例性剖視圖；圖8圖示說明包括鈍化層的示例性LED器件；圖9圖示說明具有一定形狀的、可選地為鏡面化或金屬化鈍化層的示例性LED器件；圖10圖示說明另一個示例性LED器件；圖11圖示說明LED器件的又一個實施方案；以及圖12圖示說明如何能在單個制造平臺或晶片上制造不止一個LED器件。
具體實施例方式現(xiàn)代LED器件基于半導(dǎo)體材料及其特性。例如，使用氮化鎵(GaN)制成某些LED，GaN是適于高功率LED使用的一種帶隙半導(dǎo)體。GaN LED通常外延生長在藍寶石襯底上。這些LED包括P-I-N結(jié)器件，該器件具有位于N型摻雜層和P型摻雜層之間的本征(I)層。通過與LED的N型和P型部分耦合的電極或觸點，使用合適的電驅(qū)動信號來驅(qū)動所述器件。根據(jù)施加到器件的電動勢和器件的構(gòu)造，電子活動造成從器件的本征部分發(fā)射可見電磁輻射(光)。圖I圖示說明如上所述的LED器件10，該LED器件10在藍寶石層110上設(shè)置有GaN層100 (通常稱為LED)。通常使用一些半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)來處理圖I的器件。在一些實施例中，使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)，蝕刻掉或去除LED (GaN層)中的一些部分。導(dǎo)電和非導(dǎo)電層的其他應(yīng)用方式連同用于各種功能的溝道和通孔(如以下將描述的)一起應(yīng)用于這種基礎(chǔ)設(shè)計。圖2圖示說明如同圖I所示LED器件的LED器件20，其中，GaN層200設(shè)置在藍寶石層210上方。在GaN層200的一部分中蝕刻形成凹陷或凹槽或溝道202。應(yīng)該理解的是，GaN型LED不是在本討論中可采用的唯--種LED材料，但是本說
明只是示例性的，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以意 識到一些優(yōu)選實施方案以及制造和設(shè)計本LED的方法。類似地，在以下優(yōu)選和示例性的實例中，要理解，許多其他類似和等同的實施方案對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是清楚的并且將實現(xiàn)基本相同的結(jié)果。這就本發(fā)明實施例中描述的幾何形狀、布局、構(gòu)造、尺寸和對材料的選擇以及其他方面的變形形式來講是正確的。具體來講，可以省略所描述的某些元件和步驟，或者，可以將其他元件作為本文出于圖示說明的緣故所描述的元件的替代或補充，而不會實質(zhì)上影響本公開和發(fā)明的范圍。圖3圖示說明使用將適合的金屬層320施用于LED器件30的一些部分的步驟將圖2中器件的GaN層300的表面金屬化的結(jié)果。在此，如之前的，GaN層300設(shè)置在藍寶石層310上。在實施方案中，GaN層300包括其內(nèi)具有分層的P_I_N結(jié)，該P-I-N結(jié)包括P型摻雜層301，其靠近GaN層300的體表面并且遠離藍寶石層310 ；N型摻雜層303，在GaN層300內(nèi)，靠近藍寶石層310 ；以及本征(I)半導(dǎo)體層305，其位于P型層301和N型層303之間的中間位置。在操作中，P型層301對N型層303的電偏置造成從本征層305發(fā)射光子。如之前所提及的，在GaN層300表面的一部分中，蝕刻形成凹陷302。凹陷302的深度可以是淺或深的，并且與GaN層300和其內(nèi)的P-I-N分層的厚度相適應(yīng)。此外，向GaN層300表面的至少一部分,施用金屬化層320。金屬化層320可以延伸來覆蓋GaN層300的體表面以及在GaN層300的本體中蝕刻形成凹陷302之后變成暴露于凹陷302中的區(qū)域。在實施方案中，所形成的凹陷302足夠深，以允許電連接件與N型層303之間的接觸，從而驅(qū)動LED。以此方式，可以向N型層303和P型層301應(yīng)用一組觸點，用于驅(qū)動或激發(fā)LED器件30。因此，電流可以通常從與N型層303耦合的導(dǎo)電電極流向與P型層301耦合的另一個導(dǎo)電電極。所述金屬可以是Al、Au、Ag、Cu或其他導(dǎo)電金屬。在實施方案中，頂部觸點覆蓋如圖3和圖4所示的LED的基本上全部未蝕刻部分。在另一個實施方案中，金屬被設(shè)計成具有接觸焊盤，其中所述金屬具有大于100微米X 100微米的基本上連續(xù)區(qū)域的區(qū)域。圖4圖示說明示例性LED器件40的俯視圖。剖面線420基本上對應(yīng)于圖3所示的側(cè)視圖。底部金屬焊盤面積限定組裝LED和創(chuàng)建電觸點時的對準(zhǔn)公差。因此，在一個實施方案中，教導(dǎo)的是，通過將焊盤尺寸增大為150微米X 150微米來放寬所需公差。金屬的厚度可以是O. 5-2微米，但是本實施例不是以限制方式給出的。圖5圖示說明示例性LED器件50的剖視圖。器件50包括如以上討論的所述LED半導(dǎo)體層(一層或多層)500，連同經(jīng)蝕刻的凹陷502和金屬化區(qū)域520。如之前的，LED (例如，GaN)層500設(shè)置在藍寶石層510上。在此，將光學(xué)透明或透射性粘合層530放置成倚靠藍寶石層510與LED材料500相對的那側(cè)，這意味著，藍寶石層510的一面靠近LED材料層500而藍寶石層510的另一個相對面靠近透明粘合層530。透明粘合層530可以由有機硅或某種其他合適的光可限定材料組成，所述有機硅或某種其他合適的光可限定材料可以提供粘合或環(huán)氧樹脂的質(zhì)量，以結(jié)合或用機械方式稱合LED器件50的兀件。在透明粘合劑層530內(nèi)部或接壤透明粘合劑層530的是含有熒光體和/或量子點材料(QD) 535的區(qū)域。在操作中，從LED層500發(fā)射的光子穿過所述藍寶石層510并且經(jīng)過光學(xué)透明層530以及含有熒光體和/或量子點535的區(qū)域。如本文進一步描述的，這造成顏色(波長)得以控制并且發(fā)射從LED器件輸出的選擇性的所需光。—個、兩個或更多個對準(zhǔn)標(biāo)記540設(shè)置在透明粘合層530上或設(shè)置在透明粘合層530中，并且用于在制造過程中將LED主體對準(zhǔn)在覆蓋襯底550片上方并且大體對準(zhǔn)在伸展的晶片結(jié)構(gòu)中。覆蓋襯底550提供LED器件50的 元件的結(jié)構(gòu)性狀態(tài)和機械耦合。對于LED層500發(fā)射的波長范圍內(nèi)的光而言，覆蓋襯底550也是透明或光學(xué)透射性的。在一些實施方案中,可以將光學(xué)透鏡560放置在覆蓋襯底550上,使其大體位于器件50的LED發(fā)光部分的主體上方。透鏡560可以用于傳播、漫射、準(zhǔn)直或者以其他方式重新引導(dǎo)并形成LED的輸出。圖6圖示說明LED器件60的俯視圖。該器件基本上包括以上關(guān)于圖5描述的元件，包括布置在圖案化覆蓋襯底610上的LED發(fā)光主體600和定位或?qū)?zhǔn)標(biāo)記640、透鏡660。在實施方案中，相對于所述對準(zhǔn)標(biāo)記定位LED。在晶片上的相鄰LED之間，存在(例如)50微米的間隔，以便隨后對LED進行處理和切片。將各個LED組裝到載體晶片上，使藍寶石層面對載體晶片層。載體晶片層具有如上所述的光學(xué)透明材料，如玻璃或塑料。所述覆蓋(cover)可以包括其他光學(xué)組件，如透鏡或光漫射結(jié)構(gòu)或光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如所提及的，光子或量子點層使LED產(chǎn)生的光能夠轉(zhuǎn)換成其他顏色。最常用的是利用熒光體來使藍色LED能夠發(fā)射白光。在一個實施方案中，透鏡形狀由聚合物或有機硅材料液滴的表面張力來創(chuàng)建。在另一個實施方案中，通過對施用到載體晶片一側(cè)的聚合物進行熱壓印來創(chuàng)建透鏡?？梢赃M一步地將載體晶片圖案化，以創(chuàng)建特定液滴形狀、尺寸和所要求的表面質(zhì)量。圖7圖示說明LED器件70的另一個示例性剖視圖。在載體晶片上創(chuàng)建支座結(jié)構(gòu)737，支座結(jié)構(gòu)737由合適的能提供機械支撐的材料制成。支座結(jié)構(gòu)737可以包括熱塑性材料并且通過壓印或注塑成型來創(chuàng)建，或者可以通過施用光可限定材料(如聚酰胺(polymide)或焊接掩模)的層并且使用合適的掩模將材料曝光來制成支座結(jié)構(gòu)。支座結(jié)構(gòu)737可以用于包圍QD或熒光體材料735，或者可替換地提供用于材料沉積的腔體。圖8圖示說明與上述器件類似的LED器件80。在此，已施用鈍化層870，使其環(huán)繞器件的中心部分，位于LED半導(dǎo)體層800、金屬化層820和藍寶石層810周圍。鈍化層870可以包括非導(dǎo)電層并且可以由Si02、SiN、AlN、Al203或有機材料如環(huán)氧樹脂或電泳沉積涂料(如在汽車工業(yè)中使用的)構(gòu)成，或者可以通過噴涂形成。在一個實施方案中，根據(jù)材料和所要求的電鈍化水平，鈍化層870的厚度范圍是I微米至40微米。在實施方案中，在制造期間，鈍化層870以共形的方式覆蓋LED之間的間隔。在另一個實施方案中，LED之間的間隔未被覆蓋，或者可供選擇地，在機械加工(如，切片)的過程中被暴露。LED器件80的其他元件類似于上述以類似方式標(biāo)號的元件。圖9圖示說明具有一定形狀、可選為鏡面化或金屬化鈍化層970的示例性LED器件90，以增強器件性能?？梢砸赃@樣的方式將二極管側(cè)的鈍化層圖案化，以通過使鈍化層970的邊緣975成角度或成形來提供(例如)光學(xué)反射性。可以使用采用特定刀片的機械切片系統(tǒng)或者借助化學(xué)蝕刻，將鈍化層970圖案化。在一個實施方案中，優(yōu)選地，用諸如SiN或AlN的導(dǎo)熱層來使LED器件封裝的熱導(dǎo)率最小化。LED器件90的其他元件類似于上述以類似方式標(biāo)號的元件。
圖10圖示說明另一個示例性LED器件1001。之前討論的以類似方式標(biāo)號的元件與本實施方案中的那些元件相同或類似。在此，在一個實施方案中，使用激光，鉆穿鈍化層直至到達金屬焊盤和硅襯底，形成接觸孔。如果使用的是SiN或SiO2，則還可以使用等離子體蝕刻來創(chuàng)建接觸孔。如果使用的是激光，則激光可以止于金屬焊盤(盲孔)或穿透金屬焊盤并且隨后將會利用焊盤厚度來進行電連接。注意的是，如上所述，切割或蝕刻掉鈍化層1075，從而至少為靠近激光鉆孔的凹陷1072的N型半導(dǎo)體和靠近金屬化層1020的部分1074的P型半導(dǎo)體提供導(dǎo)電通路。圖11圖示說明LED器件1101的又一個實施方案。在此，將金屬晶種層1177施用于鈍化層1170。金屬晶種層1077可以由鈦、鉻、鎳、鈀、鉬、銅或其組合物中的任一種構(gòu)成。通過在初始晶種層上方使用濺射，可以加厚晶種層。在一個實施方案中，使用電泳沉積得到的光致抗蝕劑、噴涂抗蝕劑或厚層抗蝕劑(在一個實施方案中，大于50微米)，將晶種層圖案化。抗蝕劑被圖案化來創(chuàng)建電走線(electrical routing)連接和凸點下金屬化(UBM)。在將抗蝕劑圖案化之后，鍍上具有限定圖案的厚金屬層(在一個優(yōu)選實施方案中，10微米至40微米)。在一個非限制性實施方案中，通過使用濕金屬蝕刻，去除抗蝕劑并且蝕刻裸晶種層。在一個實施方案中，施用焊接掩模以形成這種層。在操作中，層1177提供外部電組件和器件的金屬化層或?qū)щ姾副P之間的增強的導(dǎo)電性。該層1177還提供從LED層1100的最大程度的增強的散熱。圖12圖示說明如何能在單個制造平臺或晶片上制造如同上述器件的不止一個LED器件。在此，在制造兩個LED單元1201和1202的金屬化步驟中，將這兩個單元電連接。LED可以并聯(lián)、串聯(lián)或者利用串-并聯(lián)的組合連接。這些可以被切開，或者在其他實施方案中，可以在不進行切割的情況下就被布置在襯底上，以形成多個LED的單元或光源。本發(fā)明不應(yīng)該被視為限于上述具體實施方案，而是應(yīng)該被理解為涵蓋如本發(fā)明權(quán)利要求書完全地闡述的本發(fā)明的所有方面。本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀了本公開之后，將很容易清楚本發(fā)明可能可應(yīng)用的各種修改形式、等同處理以及多種結(jié)構(gòu)。權(quán)利要求書旨在涵蓋這樣修改形式。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，所述發(fā)光器件包括 半導(dǎo)體LED，所述半導(dǎo)體LED包括摻雜區(qū)和本征區(qū)，所述半導(dǎo)體LED的第一表面用在所述第一表面的至少一部分上方的導(dǎo)電金屬化層來金屬化； 光學(xué)許可層，所述光學(xué)許可層靠近所述半導(dǎo)體LED的第二表面，所述半導(dǎo)體LED的所述第一表面和所述第二表面位于所述半導(dǎo)體LED的相対的面上； 光學(xué)可限定材料，所述光學(xué)可限定材料靠近所述光學(xué)許可層或者位于所述光學(xué)許可層內(nèi)，影響穿過所述光學(xué)許可層的發(fā)射光的光學(xué)特性；以及 光學(xué)許可覆蓋襯底，所述光學(xué)許可覆蓋襯底覆蓋以上組件中的至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括覆蓋所述光學(xué)透射性覆蓋襯底的至少一部分的透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括至少ー個凹陷，所述至少一個凹陷形成在所述半導(dǎo)體LED中，達到在所述半導(dǎo)體LED的第一摻雜層和第一外部驅(qū)動電極之間允許電連接的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括靠近所述半導(dǎo)體LED的所述第一表面的鈍化層，所述鈍化層基本上是非導(dǎo)電的并且還設(shè)置有至少ー對孔，以便導(dǎo)電電極與所述鈍化層的連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光器件，所述鈍化層還包括成形邊緣，所述成形邊緣被構(gòu)造用于將所述發(fā)光器件產(chǎn)生的光從所述成形邊緣向外反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括光學(xué)許可粘合層，所述光學(xué)許可粘合層耦合所述光學(xué)許可層和所述光學(xué)可限定材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括機械偏置構(gòu)件，所述機械偏置構(gòu)件提供所述光學(xué)許可層和所述光學(xué)許可覆蓋之間的空間間隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括至少ー個對準(zhǔn)標(biāo)記，所述至少ー個對準(zhǔn)標(biāo)記指示在包括所述光學(xué)許可覆蓋的ー加工襯底中所述器件相對于所述光學(xué)許可覆蓋的所要求位置。
9.一種制造發(fā)光器件的方法，所述方法包括 在設(shè)置在光學(xué)許可層上的發(fā)光器件(LED)中，形成多個摻雜層； 在所述LED中形成凹陷，以在所述LED的第一摻雜層的深度處允許與所述LED的所述第一摻雜層電接觸； 將所述LED的面的至少一部分金屬化以形成金屬化層，提供與靠近所述LED的所述面的所述LED的所述第一摻雜層和第二摻雜層的電接觸；以及 使用光學(xué)許可粘合剤，以機械方式將所述光學(xué)許可層固定于光學(xué)許可覆蓋襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括將電絕緣鈍化層施用于所述金屬化層，并且進一歩在所述鈍化層中提供至少ー對孔，以便對應(yīng)的成對偏置電極與對應(yīng)的所述LED的所述第一摻雜層和所述第二摻雜層的電f禹合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在所述LED上放置一個或更多個對準(zhǔn)標(biāo)記，以使所述LED能相對于所述光學(xué)許可覆蓋襯底正確定位。
全文摘要
公開了發(fā)光二極管(LED)器件和發(fā)光二極管器件的封裝。在一些方面，使用包括多個層的垂直構(gòu)造來制造LED。某些層用于提升器件的機械特性、電特性、熱特性或光學(xué)特性。所述器件避免了一些設(shè)計問題，包括傳統(tǒng)LED器件中存在的制造復(fù)雜、成本和散熱問題。一些實施方案包括多個光學(xué)許可層，包括堆疊在半導(dǎo)體LED上方并且使用一個或更多個對準(zhǔn)標(biāo)記定位的光學(xué)許可覆蓋襯底或晶片。
文檔編號H01L33/00GK102683538SQ20121005742
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月6日
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