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地制造該LED器件的特征。
相關(guān)_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)是ー種半導體器件，其被構(gòu)造用于接收電カ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的ー些部分含有摻雜的半導體材料，這些摻雜的半導體材料以這種方式工作來使電荷復合，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，當與其他燈形式相比吋，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。ー個原因在于，對于制造LED，需要精確的封裝。LED封裝要求合適的清潔條件、與其他半導體制造操作類似的微細加工設(shè)施、密封要求、光學要求、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，載體芯片大大増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ー些或全部。

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。在ー些方面，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、熱特性或光學特性。所述器件避免了ー些設(shè)計問題，包括傳統(tǒng)LED器件中存在的制造復雜、成本和散熱問題。一些實施方案包括多個光學許可層(permissive layer),包括堆疊在半導體LED上方并且使用一個或更多個對準標記定位的光學許可覆蓋襯底或晶片。一些實施方案涉及ー種發(fā)光器件，所述發(fā)光器件包括半導體LED，其包括摻雜區(qū)和本征區(qū)；導電載體層，其被設(shè)置成靠近所述半導體LED的第一表面并且通過金屬性界面與所述第一表面分開；光學許可層，其靠近所述半導體LED的第二表面，所述半導體LED的所述第一表面和所述第二表面位于所述半導體LED的相對的面上；光學可限定材料，其靠近所述光學許可層或者位于所述光學許可層內(nèi)，影響穿過所述光學許可層的發(fā)射光的光學特性；以及光學許可覆蓋襯底(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)置在導電載體層上的發(fā)光器件(LED)中，形成多個摻雜層；在所述導電載體層和所述LED中形成凹陷，以在所述LED的第一摻雜層的一深度處允許與所述LED的所述第一摻雜層電接觸；提供與靠近所述導電層的所述LED的第二摻雜層的電接觸，以使用在所述LED的所述第一摻雜層和所述第二摻雜層之間施加的偏置電壓來偏置所述LED ;以及使用光學許可層將所述LED固定于光學許可覆蓋襯底，所述光學許可層包括使所述LED產(chǎn)生的光能夠穿過的光學可限定材料。


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體LED層；圖2圖示說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的通過激光剝離(laser liftoff)形成的示例性發(fā)光器件或LED ；圖3圖示說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的由激光剝離造成的示例性發(fā)光器件；圖4圖示說明在器件的GaN層的一部分上沉積有金屬焊盤的器件；圖5圖示說明以上器件的俯視圖；圖6圖示說明示例性發(fā)光器件的剖視圖；圖7圖不說明LED器件的俯視圖；圖8圖示說明LED器件的另一個示例性剖視圖；圖9圖示說明除了在載體層中蝕刻形成凹陷之外與上述發(fā)光器件類似的發(fā)光器件；圖10圖示說明又一個示例性發(fā)光器件的剖面；圖11圖示說明包括鈍化層的與前面描述的器件類似的示例性發(fā)光器件；圖12示出與上述器件類似的器件，其中，該器件的鈍化層被切割；圖13圖示說明發(fā)光器件中的以上鈍化層的成形邊緣；圖14圖不說明另一個不例性發(fā)光LED器件；圖15圖示說明又一個示例性發(fā)光器件；圖16圖示說明發(fā)光器件的又一個實施方案；圖17圖示說明示例性發(fā)光LED器件；以及圖18圖示說明如何能在單個制造平臺或晶片上制造與上述器件類似的不止一個LED器件。
具體實施例方式現(xiàn)代LED器件基于半導體材料及其特性。例如，使用氮化鎵(GaN)制成某些LED，GaN是適于高功率LED使用的ー種帶隙半導體。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發(fā)光器件或LED器件10，該LED器件10在藍寶石層110上設(shè)置有GaN層100 (半導體LED)。通常使用一些半導體微細加工技術(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)人員已知的技木，蝕刻掉或去除LED (GaN層)中的ー些部分。導電和非導電層的其他應(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圖示說明包括設(shè)置在藍寶石層210上的半導體(例如，GaN)層200的示例性發(fā)光器件或LED20。LED200在一側(cè)進ー步耦合到載體層220，載體層220可以是銅或硅。金屬性界面225將GaN層200和載體層220分開但提供了 GaN層200和載體層220的界面。應(yīng)用激光剝離(用230表示)，以致使LED GaN層200與下面的藍寶石層210分開。在圖3中示出激光剝離步驟之后得到的結(jié)構(gòu)。圖3圖示說明發(fā)光器件30，該發(fā)光器件30包括半導體LED層300、金屬性界面325和銅或硅(或類似物)載體層320。圖4圖示說明與圖3中器件類似的器件，其中，金屬焊盤430沉積在該器件的GaN層400的一部分上。在實施方案中，GaN層包括其內(nèi)具有分層的P-I-N結(jié)，該P-I-N結(jié)包括P型摻雜層、N型摻雜層以及位于P型層和N型層中間的本征(I)半導體層。在操作中，P型層對N型層的電偏置造成從本征層發(fā)射光子。圖5圖示說明所述器件的俯視圖。圖中示出與曲折或回旋狀或S形或指狀頂部電極540連接的金屬焊盤530的相對構(gòu)造，頂部電極540導通GaN LED層500的頂層中的偏
置電流。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6圖示說明示例性發(fā)光器件60的剖視圖。器件60包括通過如上所述的金屬性界面625與載體層620分開的GaN LED層600。金屬焊盤630設(shè)置在LED層600上。將光學透明或透射性粘合層640放置成倚靠LED材料600與載體層620相對的那側(cè)，這意味著，LED 600的一面靠近載體層620而LED 600的另ー個相對面靠近透明粘合層640。透明或光學許可粘合層640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發(fā)光器件60的兀件。在透明或光學許可粘合層640內(nèi)部或接壤透明或光學許可粘合層640的是含有熒光體和/或量子點材料(QD)645的區(qū)域。在操作中，從LED層600發(fā)射的光子穿過所述光學透明粘合層640以及含有熒光體和/或量子點645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。一個、兩個或更多個對準標記650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主體對準在覆蓋襯底655片上方并且大體對準在伸展的晶片結(jié)構(gòu)中。覆蓋襯底655提供LED器件60的元件的結(jié)構(gòu)性狀態(tài)和機械耦合。對于LED層600發(fā)射的波長范圍內(nèi)的光而言，覆蓋襯底655也是透明或光學許可性的。
在一些實施方案中,可以將光學透鏡660放置在覆蓋襯底655上,使其大體位于器件60的LED發(fā)光部分的主體上方。透鏡660可以用于傳播、漫射、準直或者以其他方式重新引導并形成LED的輸出。圖7圖示說明LED器件70的俯視圖。該器件基本上包括以上關(guān)于圖6描述的元件，包括布置在圖案化覆蓋襯底710上的LED發(fā)光主體700和定位或?qū)蕵擞?50、透鏡760并且包括其上的金屬焊盤730。在實施方案中，相對于所述對準標記750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透明材料，如玻璃或塑料。所述覆蓋(cover)可以包括其他光學組件，如透鏡或光漫射結(jié)構(gòu)或光引導結(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8圖示說明LED器件80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)837，支座結(jié)構(gòu)837由合適的能提供機械支撐的材料制成。支座結(jié)構(gòu)837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)837可以用于包圍QD或熒光體材料845，或者可替換地提供用于材料沉積的腔體。圖9圖示說明與上述器件類似的發(fā)光器件90，不同之處在于，在載體層920中蝕刻形成凹陷，暴露將載體層920與GaN LED層900分開的金屬性界面925。該凹陷可以形成器件的電觸點的基礎(chǔ)。圖10圖示說明又一個示例性發(fā)光器件1001的剖面。在此，在器件中已經(jīng)蝕刻形成或創(chuàng)建更深的凹陷1022，使得其延伸通過載體層1020和金屬性界面1025并且進入GaN層1000，直達金屬焊盤1030。與所暴露的組件形成電接觸是可能的，或者可以進一步利用如以下描述的適合的材料來填充所述組件。圖11圖示說明包括鈍化層1170的與前面描述的器件類似的示例性發(fā)光器件1101，所述鈍化層1170已被施用來環(huán)繞器件的某些部分，位于LED半導體層1100、金屬性界面1125和載體層1120周圍。鈍化材料1170填充之前描述的所述腔體或凹陷1122。鈍化層1170可以包括非導電層并且可以由Si02、SiN、AlN、Al2O3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1170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1170以共形的方式覆蓋LED之間的間隔。在另ー個實施方案中，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1101的其他元件類似于上述類似的元件。圖12示出與上述器件類似的器件，不同之處在于，鈍化層1270已被切割并且確定尺寸以暴露器件中的肩狀物(shoulder) 1202，可以以如圖13所示的斜面或成一定輪廓或成角度的方式來使肩狀物1202成形，以提供鏡面化表面1302，用于將光反射到發(fā)光器件1301外部。鈍化層1370或肩狀物1302可以以這樣的方式被圖案化，以通過使鈍化層1370或肩狀物1302的邊緣成角度或成形來提供(例如)光學反射性。
圖14圖示說明另ー個示例性發(fā)光LED器件1401。之前討論的以類似方式標號的元件與本示例性實施方案中的元件相同或類似。在此，在一個實施方案中，通過使用激光進行鉆孔或蝕刻，在鈍化層材料1470中形成接觸孔1472、1474。這樣暴露了金屬焊盤1430處的第一觸點1472和載體1420處的第二觸點1474。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。如果使用激光來鉆穿鈍化層1570 (如圖15所示)，則激光鉆孔可以止于如上的金屬焊盤(盲孔)，或者激光鉆孔可以持續(xù)進行，以穿透金屬焊盤1530 (如圖15所示)從而與其形成電接觸。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打孔的凹陷1072的N型半導體和靠近金屬化層1020的部分1074的P型半導體提供導電通路。圖16圖不說明發(fā)光LED器件1601的又一個實施方案。在此，將金屬晶種層1680施用于鈍化層1670上方。金屬晶種層1680可以由鈦、鉻、鎳、鈀、鉬、銅或其組合物中的任ー種構(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、噴涂抗蝕劑或厚抗蝕劑(在一個實施方案中，大于50微米)，將晶種層1680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1680提供外部電組件和器件的金屬化層或?qū)щ姾副P之間的增強的導電性。該層1680還提供從LED層1600的最大程度的增強的散熱。可以提供通過鉆孔形成的孔1685，以允許與金屬焊盤1630形成電接觸，或者可以在孔形成之后用某種導電或非導電材料來填充。圖17圖示說明示例性發(fā)光LED器件1701，其中，鈍化層1770和金屬化層1780的邊緣已在其邊緣處被形成斜面、被切割、被成型、被澆注、被成形或者以其他方式形成一定輪廓，從而形成適于將光向上反射到器件外部的構(gòu)造。在一些實施方案中，金屬化層1780充當鏡面鍍銀層，用于實現(xiàn)以上結(jié)果。圖18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ー個LED器件。在此，在制造兩個LED單元1801和1802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 半導體LED，所述半導體LED包括摻雜區(qū)和本征區(qū)； 導電載體層，所述導電載體層被設(shè)置成靠近所述半導體LED的第一表面并且通過金屬性界面與所述第一表面分開； 光學許可層，所述光學許可層靠近所述半導體LED的第二表面，所述半導體LED的所述第一表面和所述第二表面位于所述半導體LED的相対的面上； 光學可限定材料，所述光學可限定材料靠近所述光學許可層或者位于所述光學許可層內(nèi)，影響穿過所述光學許可層的發(fā)射光的光學特性；以及 光學許可覆蓋襯底，所述光學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，還包括位于所述半導體LED和所述光學許可層之間的金屬焊盤。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，還包括設(shè)置在所述導電載體層上的鈍化層，所述鈍化層基本上是非導電的并且還設(shè)置有至少ー對孔，以便導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，還包括機械偏置構(gòu)件，所述機械偏置構(gòu)件提供所述光學許可層和所述半導體LED層之間的空間間隔。
7.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標記，所述至少ー個對準標記指示在包括所述光學許可覆蓋的ー加工襯底中所述器件相對于所述光學許可覆蓋的所要求位置。
8.—種制造發(fā)光器件的方法，所述方法包括 在設(shè)置在導電載體層上的發(fā)光器件(LED)中，形成多個摻雜層； 在所述導電載體層和所述LED中形成凹陷，以在所述LED的第一摻雜層的一深度處允許與所述LED的所述第一摻雜層電接觸； 提供與靠近所述導電層的所述LED的第二摻雜層的電接觸，以使用在所述LED的所述第一摻雜層和所述第二摻雜層之間施加的偏置電壓來偏置所述LED ;以及 使用光學許可層將所述LED固定于光學許可覆蓋襯底，所述光學許可層包括使所述LED產(chǎn)生的光能夠穿過的光學可限定材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括將電絕緣鈍化層施用于所述導電載體層，并且進ー步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耦合。
10.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標記，以使所述LED能相對于所述光學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雜、成本和散熱問題。一些實施方案包括多個光學許可層，包括堆疊在半導體LED上方并且使用一個或更多個對準標記定位的光學許可覆蓋襯底或晶片。
文檔編號H01L33/36GK102683514SQ20121005761
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
發(fā)明者M·馬格利特 申請人:維亞甘有限公司