具有氮化镓基薄层半导体器件的LED元件.pdf

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1、10申请公布号CN102047451A43申请公布日20110504CN102047451ACN102047451A21申请号200980120021422申请日20090424102008021659320080430DEH01L33/00200601H01L33/48200601H01L33/6220060171申请人莱登照明詹纳斯多夫股份公司地址奥地利詹纳斯多夫72发明人斯特凡塔施74专利代理机构北京三友知识产权代理有限公司11127代理人李辉王伶54发明名称具有氮化镓基薄层半导体器件的LED元件57摘要本发明涉及一种LED模块，其具有包括有源氮化镓层2的LED芯片1和其上安置有该LED。

2、芯片1的硅平板3，其中，硅平板3在背对LED芯片1的一侧3B具有两个电极4A，4B，所述两个电极4A，4B与该LED芯片1电连接，并且该LED芯片1的氮化镓层2的厚度介于2至10M之间，优选为1至5M。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010113086PCT申请的申请数据PCT/EP2009/0030262009042487PCT申请的公布数据WO2009/132808DE2009110551INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页CN102047455A1/1页21一种LED模块，其具有硅平板3和包括上下紧邻的外延的多层氮化镓层2。

3、的LED芯片1，该LED芯片1安置在该硅平板3上，其中所述多层氮化镓层具有至少一个N型掺杂层、一个有源层和一个P型掺杂层，所述硅平板3在背对所述LED芯片1的一侧3B具有两个电极4A，4B，所述两个电极4A，4B与所述LED芯片1电连接，并且所述LED芯片1的所述外延的多层氮化镓层2的总厚度介于1至10M之间，优选为2至5M，其中所述硅平板3具有孔穴8，所述LED芯片1安置在所述孔穴8中。2根据权利要求1所述的LED模块，其中，所述硅平板3具有通孔金属化结构6A，6B，该通孔金属化结构6A，6B使所述硅平板3的电极4A，4B与所述LED芯片1电连接。3根据权利要求1或2所述的LED模块，其中，。

4、所述外延的氮化镓层没有中间层地直接设置在所述硅平板3的顶面3A上。4根据权利要求1至3中任一项所述的LED模块，其中，所述LED芯片1借助焊球或扁平触点7A，7B与所术硅平板3的通孔金属化结构4A，4B电连接。5根据在前权利要求任一项所述的LED模块，其中，所述硅平板3的孔穴8中填充有颜色转换层9和/或含有散射颗粒的层。6根据在前权利要求任一项所述的LED模块，其中，所述硅平板3的在所述LED芯片1下面的厚度T2小于300M。7根据权利要求1或2所述的LED模块，其中，在所述氮化镓层2和所述硅平板3之间有附加的硅衬底层10。8根据权利要求7所述的LED模块，其中，所述氮化镓层2和所述硅衬底层1。

5、0就宽度B1和长度L1而言有相同的尺寸。9根据在前权利要求任一项所述的LED模块，其中，所述硅平板的长度L1和宽度B1介于25至65MM之间。10根据在前权利要求任一项所述的LED模块，其中，所述LED芯片1以面朝上或面朝下的姿势安置在所述硅平板3上。权利要求书CN102047451ACN102047455A1/5页3具有氮化镓基薄层半导体器件的LED元件技术领域0001本发明涉及LED元件，其具有氮化镓基薄层半导体器件芯片，该LED元件安置在硅平板上，硅平板在背对半导体器件的一侧具有与半导体器件电连接的多个电极。背景技术0002常见的发光半导体器件一般由载体基片和外延生长在其上的复合层结构组。

6、成，该复合层结构具有发光有源层。此外，载体基片优选是导电的，用于实现电流竖向流过半导体器件。在许多应用场合中还期望该载体基片对于有源层所发出的光是允许透射的。但是此时要注意，基片层对于半导体器件的有源层所发出的光的透明度通常与载体基片的期望的导电性相矛盾。对于氮化镓基发光二极管，例如可以采用蓝宝石AL2O3作为载体基片的材料，其允许蓝光透过，但不导电。因此，通常采用碳化硅SIC作为氮化镓基发光二极管的载体基片，因为它不仅具有高的透明度，而且具有高的导电性。但是，作为载体基片的碳化硅材料的特征是其透明度随导电性提高而降低。0003为了进一步提高发光二极管的有效性，开发出所谓的薄层半导体器件。在这。

7、里，它是这样的半导体器件，其中衬底层用于晶体生长，但衬底层在生长过程后被除去。由此产生的薄层可以实现比在现有技术中更有效的发光，这是因为不存在会吸收发出光的一部分的衬底层。这还造成更好的散热。0004为了除去衬底层，一般采用化学或物理工艺。例如，可以通过所谓的激光剥离方法采用脉冲紫外激光器的光来烧蚀掉衬底层，而此时不会破坏例如5M厚的氮化镓层。0005US20060240585A1公开了一种3M厚的涂层结构P型层、N型层和有源层。关于GAN基即具有外延生长的GAN层叠的发光元器件的构造，请明确参见该文献以避免重复。0006GAN基发光元器件例如由US5874747作了公开。0007WO2006。

8、/065046描述一种制造氮化镓基薄层半导体器件的方法。在这里，为了除去其上生长有LED晶体结构的蓝宝石衬底层，采用了所谓的激光剥离方法。在除去衬底层之前，晶体结构被施加在一个附加衬底层上。随后，在另一个方法步骤中执行分解成统一的LED芯片。0008DE10056475公开了一种包括半导体的GAN基发光半导体器件，它具有SIC基衬底，在该衬底上涂覆了多层GAN基层，在这里，这些层包括至少一个有源区，该有源区设置在至少一个电子导电层和至少一个空穴导电层之间，其特点是空穴导电层是拉伸生长的。0009从海勒HAERLE等人的文章“HIGHBRIGHTNESSLEDSFORGENERALLIGHTIN。

9、GAPPLICATIONSUSINGTHENEWTHINGANTMTECHNOLOGY用于利用新颖的THINGANTM技术的通用照明应用的高亮度LED”PHYSICASTATUSSOLIDIA，卷201，版12，第27362739页中，基本上公开了薄GAN技术在高功率LED领域中的应用。0010根据该现有技术，本发明基于以下任务，即提供一种LED元件，它具有氮化镓基薄层半导体器件，其中该LED模块与现有技术相比具有更好的热性能和更紧凑的结构。0011氮化镓基半导体器件芯片优选被用于产生在蓝绿色光谱范围内的辐射。除了说明书CN102047451ACN102047455A2/5页4氮化镓GAN外，。

10、在本发明范围内，GAN基材料还指所有与GAN同族的或源于GAN的混合晶体。尤其是氮化镓GAN、氮化铟INN和氮化铝ALN材料属于此。发明内容0012本发明涉及LED模块，它具有至少一个具有有源氮化镓层的LED芯片和硅平板，在硅平板上设置该LED芯片，其中，该硅平板在背对LED芯片的一侧具有两个电极，这两个电极与LED芯片电连接，并且该LED芯片的上下重叠的外延氮化镓层N型层、P型层和有源GAN层的总厚度介于2至10M之间，优选为2至5M之间。0013硅平板具有孔穴，LED芯片安置在该孔穴中或者可以在硅平板上单独或一体地设置围绕该LED芯片的框架。LED芯片此时优选居中安置在孔穴中。另外，LED。

11、芯片按照事先规定的距孔穴边缘的距离来布置。该孔穴优选是正方形或圆形构成的。但是，孔穴也可以具有其它形状。该孔穴例如也可以是椭圆形或三角形。0014根据本发明的GAN层具有源于GAN的或与GAN同族的材料以及基于此构成的三元或四元的混合晶体。其例如是ALN、INN、ALGANALLXGAXN，0/X/1、INGANINLXGAXN，0/X/1、INALNINIXALXN，0/X/1和ALINGANALLXYINXGAYN，0/X/1，0/Y/1。0015此外，具有氮化镓层的薄层半导体器件的制造优选通过激光剥离方法或其它方法实现，该方法适于将氮化镓层从衬底层上分离。氮化镓层优选在蓝宝石衬底层或碳化。

12、硅衬底层上生长并通过上述方法离开衬底。0016本发明的LED芯片优选通过接合引线或借助芯片倒装技术安置在硅平板上。LED芯片因此能够以面朝上或面朝下的姿势安置在硅平板上。0017电极优选安置在硅平板的底面上。这实现了LED模块与电流源或控制器的简单电连接。0018本发明的LED模块的硅平板优选具有通孔金属化结构，其将硅平板底面上的电极与LED芯片的电极电连接。通孔金属化结构此时优选从硅平板的第一侧面延伸到平板的第二侧面。这些孔的横截面形状优选是辐射状的并且具有01至05MM的直径。此外，这些孔优选填充有导电材料如铜、金。要明确指出的是，通孔金属化结构也可具有其它横截面形状如正方形形状。在硅平板。

13、中产生通孔金属化结构例如可以通过干蚀刻或湿蚀刻来实现。0019外延的LEDGAN层N型层、P型层和有源层优选直接设置在硅平板的顶面上。这意味着在LED芯片的氮化镓层和硅平板之间找不到其它中间层或衬底。硅平板的顶面此时优选大于接触到硅平板的LED芯片的顶面。此外，该硅平板优选在侧向延伸超出LED芯片。通过这种布置形式，尤其明显改善LED模块的热性能。因此，可以实现LED芯片的更好散热。此外，可以缩小LED芯片的结构尺寸。0020LED芯片优选借助扁平的触点或所谓的焊球与硅平板的通孔金属化结构电连接。扁平的触点此时具有散热更好的优点。但是也可以借助接合引线使GAN芯片和硅板硅平板电连接。0021孔。

14、穴可以至少部分地填充有颜色转换层。颜色转换层此时优选由液态的、可固化的光学透明材料构成，其含有荧光颗粒作为荧光材料。作为荧光材料，例如可以使用BOSE或者YAG荧光材料。颜色转换层优选没有气体夹杂进来地覆盖设在孔穴中的LED芯片。说明书CN102047451ACN102047455A3/5页50022孔穴体积可以直到与硅平板顶面齐平地以颜色转换层来填充。此时，最初是液态的颜色转换层优选借助分配过程被填充到该孔穴中。通过这种方式，当然也可以将散射层填充到该孔穴中。通过这种做法涂覆的层可以先后或同时被固化。在此情况下，层的先后固化意味着第一层首先被分配，在其随后的固化过程中被热处理，随后借助分配过。

15、程在第一层上涂覆另一个层。同时固化意味着，若干独立的颜色转换层和/或散射层先以在时间上错开的方式相互重叠被涂覆，接着在唯一一个固化过程中共同被热处理。0023预制的颜色转换元件也可以涂覆上荧光材料和/或散射颗粒。0024还可以将一个光板或透镜安置在LED芯片上方。此时，颜色转换物质可分散在该光板中。0025与传统的LED模块相比，本发明的LED模块具有更紧凑的尺寸。其它优点是效率较高且散热更好热管理。0026特别是，硅平板优选具有小于500M的厚度。在形成于其中的孔穴的下方的硅平板厚度优选小于300M。0027硅平板的长度和宽度的尺寸优选介于10至65MM之间。在此，硅平板的宽度或者说长度尤其。

16、优选介于1至25MM之间。0028在另一个优选实施方式中，LED芯片设置在一个附加的硅衬底层上，其中该硅衬底层和设于其上的LED芯片就其长度和宽度而言有相同的尺寸。因此在俯视图中，LED芯片的轮廓遮盖硅衬底层。硅衬底层的长度和宽度此时优选为1至3MM。0029根据本发明的含有SI和GAN的LED芯片可以良好地组装，并且由此出现的晶片可以按照与已知的LED芯片一样的方式被分割出来。附图说明0030附图示出了根据本发明的LED模块的一个优选实施例并且在以下说明中做了详细描述，其中0031图1表示本发明LED模块的一个优选实施例的侧剖视图，其中该LED芯片的氮化镓层直接设置在硅平板上。0032图2表。

17、示本发明LED模块的另一个优选实施例，其中该硅平板具有一个孔穴，LED芯片安置在该孔穴中。0033图3表示本发明LED模块的另一个优选实施例，其中该LED芯片的氮化镓层被涂覆在一个附加的硅衬底层上，该硅衬底层设置在硅平板的顶面上。0034图4表示根据图3的本发明LED模块的另一个优选实施例，其中在LED芯片上方施加有两个颜色转换层。0035图5以俯视图表示本发明LED模块的一个优选实施例。具体实施方式0036图1以侧截面图示出了本发明LED模块的一个优选实施例。LED芯片1是这样一个芯片，其基本上具有多层外延的氮化镓层2并且设置在平板3上。0037“氮化镓层”是指GAN基的或者基于与GAN同族。

18、的或源于GAN的混合晶体的层，就是说，例如也是氮化铟INN和氮化铝ALN。说明书CN102047451ACN102047455A4/5页60038LED芯片的所有外延层优选是外延氮化镓层2。0039根据本发明，平板由硅构成。当然，也可以有多个LED芯片1设置在硅平板3上。0040根据本发明，硅平板3的厚度T2介于100至500M之间。根据本发明，所述至少一个LED芯片1的氮化镓层2的总厚度TI进而所有外延层的总厚度介于1至10M之间，优选为1至5M之间。0041硅平板3具有顶面3A和底面3B。LED芯片1优选设置在顶面3A。在硅平板3的底面3B并因而在背对LED芯片的一侧有两个电极4A、4B。。

19、电极4A和4B优选是扁平触点。电极之间的气隙表示电气绝缘。电极尺寸例如为200M200M。0042硅平板3优选具有通孔金属化结构6A和6B，其将电极4A、4B与LED芯片1电连接。通孔金属化结构6A和6B或者扁平触点4A和4B被施加在一个电绝缘利用氧化物层或氮化物层的硅片上。0043图2表示本发明的另一个优选实施例。在此实施例中，硅平板3具有一个孔穴8，在孔穴8中设置该LED芯片1。该LED芯片此时优选居中安置在孔穴8中。在此实施例中，硅平板3具有介于400至700M之间的厚度T3。根据本发明，在LED芯片1下面的硅平板3的厚度T2介于50至300M之间。0044孔穴8具有平的底面8B，该底面。

20、8B平行于硅平板3的顶面3A延伸。孔穴8的侧面8A连接该底面8B与该硅平板3的顶面3A。孔穴8优选为圆形或长方形结构。侧面8A可以相对于硅平板的顶面3A倾斜介于1至90之间的任意角度。该角度的值优选介于45至90之间。侧面8A和底面8B优选具有反光的顶面。其能产生规则反射或漫散反射。与此相应，可以提高LED模块的发光效率。0045如图2所示，LED芯片1借助接触面或者接触层7A、7B和通孔金属化结构6A、6B与电极4A、4B电连接。接触层7A和7B优选由锌化金AUSN构成，其具有57W/MK的导热率。由此，可以获得从LED芯片1至硅平板3的最佳散热。也可以采用所谓的焊球作为触点面。0046LE。

21、D模块的孔穴8用至少一个颜色转换层9填充，该颜色转换层9没有气体夹杂地覆盖LED芯片1。在颜色转换层9中，优选分散有荧光材料颗粒，用于实现由LED芯片1发出的光的颜色转换。如图2所示，该颜色转换层9优选与硅平板的顶面3A平齐地构成。但也可行的是，颜色转换层9仅部分填充孔穴8的体积。颜色转换层9的顶面可以是平面、凹形或凸形地构成。0047在颜色转换层9上可以设置一个含有散射颗粒的层。该层可以被分配或者作为成型件来施加。0048图3表示本发明LED模块的另一个优选实施方式的侧剖视图。在此实施方式中，只是多个GAN层2之一的有源氮化镓层设置在一个附加的衬底层10上，该附加的衬底层10优选由硅制成。为。

22、此，该衬底层10位于氮化镓层2和硅平板3之间。这有以下生产技术优点，即组装在一起的SI层和GAN层可容易分开且可作为晶片来处理。硅衬底层10此时设置在硅平板3的顶面3A上。硅衬底层10优选具有通孔金属化结构13A和13B，它们使有源氮化镓层2与硅平板3的通孔金属化结构6A和6B电连接。硅衬底层10的通孔金属化结构13A、13B优选具有与通孔金属化结构6A和6B一样的横截面。硅衬底层10优选具有50100M的厚度。说明书CN102047451ACN102047455A5/5页70049就其长度L1和宽度B1而言见图5，硅衬底层10优选具有与氮化镓层2一样的尺寸。0050这意味着氮化镓层2的轮廓在。

23、俯视图中优选遮盖硅衬底层10。但要说的是，硅衬底层10和氮化镓层2的长度L1和宽度B1的尺寸可相差达到10。这意味着其上安置有氮化镓层2的硅衬底层10的顶面可以大出高达10。0051衬底层10优选在由碳化硅或蓝宝石构成的且其上外延生长有外延氮化镓层2的原衬底层被除去之前被涂覆到氮化镓层2上。要说明的是，通孔金属化结构6A和6B、13A和13B的数量不局限于一定数量。相反，可以在衬底层10和硅平板3中设置许多通孔金属化结构6A和6B、13A和13B，用于产生在电极4A、4B和LED芯片1之间的电连接。0052在图4中示出了本发明LED模块的另一个优选实施例。如已参照图3所述，GAN基外延LED层。

24、设置在硅衬底层10上。在此实施例中，LED模块具有至少一个接合引线12，它将LED芯片1和硅平板3的至少一个通孔金属化结构6A连接。硅衬底层10在此实施例中具有一个或多个通孔金属化结构13B，其与LED模块的仅一个电极4B电连接。0053如图4所示，两个电极4A和4B的尺寸可以互不相同。这可有利于LED芯片1的散热。0054如图4所示，颜色转换层和散射层9、11设置在LED芯片1上。在此情况下，第一层9优选平行于硅平板3的顶面3A形成。散射层11借助所谓的分配法被施加在第一层9的上方。散射层11的顶面优选为凸形。第二颜色转换层11的直径优选大于孔穴8的直径。通过这种方式，由第一颜色转换层9的顶。

25、面发出的所有光传送透过散射层11。该散射层可以按照较低浓度含有散射颗粒。0055在颜色转换层和散射层9、11内的颜色转换物质的浓度可以互不相同。0056图5表示本发明的LED模块的俯视图。此时，LED芯片1的长度L1和宽度B1一般具有05至15MM之间的值。硅平板的长度L1和宽度B1介于10至65MM之间。硅平板优选具有介于1至25MM之间的值。说明书CN102047451ACN102047455A1/3页8图1图2说明书附图CN102047451ACN102047455A2/3页9图3图4说明书附图CN102047451ACN102047455A3/3页10图5说明书附图CN102047451A。