由多层结构形成的发光管芯组件的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]通常，II1-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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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η型GaN层、基于GaN的有源区和一个或多个ρ型GaN层。在FC LED管芯中，从衬底材料和η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η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。ρ型GaN和η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η和ρ层二者。因而，为了接入η层，可以通过蚀刻掉ρ层和有源区来形成开口。η接触层通过这些开口电气接触η型GaN层并且通常被设计成通过η型GaN层均匀地分布电流，该η型GaN层充当横向电流扩散层。η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。
[0007]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。
[0008]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η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。
[0009]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(η型GaN层、有源GaN区[典型地InGaN]和ρ型GaN层)；ρ接触层；使阳极和阴极电极电气隔离的至少一个电介质层；η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。
[0010]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。
[0011]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)。
[0012]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η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。
[0013]US20050067624 Al的多层提议提供了应对到η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。
[0014]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】
[0015]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。
[0016]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ρ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η型层电气接触的η接触层；布置成使所述P接触层从所述η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η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。
[0017]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。
[0018]词语展藏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)。
[0019]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。
[0020]另一优点在于，互连垫布局从η接触层和/或ρ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η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。
[0021]根据实施例，当所述第二电介质层布置成使所述η接触层从所述第一区电气隔离时，所述η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ρ接触层从所述第二区电气隔离时，所述P接触层包括每_2至少20个通孔。优点在于电流均匀性得以改进。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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】
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]图2是包括根据图1的发光二极管的各种层的平面视图。
[0029]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。
[0030]图4是包括根