CN100585885C

CN100585885C - 蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN100585885C
Application number: CN200610004656A
Authority: CN
Inventors: 刘榕; 刘伟; 江忠永; 田洪涛; 兰叶; 张建宝; 傅文越
Original assignee: Hangzhou Silan Azure Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Azure Co Ltd
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: CN101009344A

Abstract

本发明公开了蓝宝石衬底粗糙化发光二极管的制造方法，包括提供一倒装焊基板和一含正面和背面的蓝宝石衬底，以及通过湿法腐蚀在蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面；在粗糙化的衬底上外延生长III-族氮化物半导体多层薄膜形成LED芯片，自衬底正面向外依次生长GaN结晶层、GaN二维平化层、n型GaN层、发光层和p型GaN层；对LED芯片的p型GaN层进行部分刻蚀至n型GaN层；在LED芯片上沉积p、n电极；在p、n电极上沉积若干压焊金属凸点；在衬底背面形成第二粗糙面；LED芯片通过倒装焊金属凸点与倒装焊基板焊接。本发明粗糙化的蓝宝石衬底背面是通过湿法腐蚀的方法制作的。工艺简便、效率高。可以显著提高LED的取光效率。

Description

蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种利用粗糙化的蓝宝石衬底提高取光效率的倒装焊结构发光二极管的结构及其制造方法，主要涉及一种LED蓝宝石衬底正反两面规则的粗糙化图形的设计及制作过程。

背景技术

发光二极管(LED)的发光效率主要由两方面因素决定：一是LED发光层的电光转换效率，一般由器件的内量子效率表征；二是光子从发光层逸出到空气中的效率，一般由光的萃取效率表征。LED的内量子效率是由器件的结构以及半导体材料的晶体质量决定的。目前，AlGaInP基的红黄光LED的内量子效率一般在80％以上；对于InGaN基的蓝光，该数值一般在50-60％；对于InGaN基的绿光，该数值一般在20-30％。而光的萃取效率是受光在半导体材料表面的全反射角限制的。一般在单一面上光的逸出几率可以由公式n₁ ²/4n₂ ²估算(衬底100％吸光)，其中n₁是与半导体接触的媒质的折射系数，n₂是半导体的折射系数。对于使用环氧树脂封装的AlGaInP基红黄光LED，单面逸出效率约为6％。对于InGaN基蓝、绿光LED，单面逸出效率约为10％。因此，提高LED的发光效率通常有两个途径，一是改进LED器件结构同时提高外延层的晶体质量以改善器件的内量子效率；二是通过改变芯片外形(参考Krames等人的专利：美国专利号6,323,063)，或通过粗糙化界面来提高光的逸出效率(参考Horng等人的文献，Applied Physics Letters 86，221101(2005))。对于以SiC为衬底的GaN基蓝绿光LED，由于衬底的折射系数与GaN相当，光从外延层逸出到衬底的几率为100％。因此，通常采用从斜切的衬底背面出光的方式(参考Slater等人的专利：美国专利号6,791,119)。相对而言，以蓝宝石为衬底的GaN基蓝、绿光LED，相当一部分光被限制在外延层中，大约只有31％左右逸出到折射系数较小的衬底中(考虑外延层面镀全反射层)。此外，从蓝宝石衬底到封装树脂或硅胶之间的逸出效率又进一步减小，大约只有54％(只考虑单面逸出率的结果。如果考虑衬底侧面出光，该值将有所提高)。因此，以蓝宝石衬底的GaN基蓝、绿光LED的光萃取效率很低，大大限制了LED的发光效率。

发明内容

本发明旨在克服上述提到的问题，提出一种通过衬底表面粗糙化的方法制造高效率的LED器件。

本发明的蓝宝石衬底粗糙化发光二极管的制造方法，所述方法包括提供一倒装焊基板和一含正面和背面的蓝宝石衬底，并进行如下步骤：步骤一，通过湿法腐蚀在所述蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面；步骤二，在粗糙化的所述衬底上外延生长III-族氮化物半导体多层薄膜形成LED芯片，自所述衬底正面向外依次生长GaN结晶层、GaN二维平化层、n型GaN层、发光层和p型GaN层；步骤三，对所述LED芯片的p型GaN层进行部分刻蚀至所述n型GaN层；步骤四，在所述LED芯片上沉积p、n电极；步骤五，在所述p、n电极上沉积若干压焊金属凸点；步骤六，在所述衬底背面形成第二粗糙面；步骤七，所述LED芯片通过所述倒装焊金属凸点与所述倒装焊基板焊接。

比较好的是，所述步骤一进一步包括：在所述蓝宝石衬底的正面沉积一二氧化硅薄膜层；制作图形窗口在所述二氧化硅薄膜层上，形成二氧化硅掩模；将带有所述二氧化硅掩膜的所述蓝宝石衬底置于250摄氏度以上的浓磷酸与浓硫酸的混合液中腐蚀以形成所述第一粗糙面。

比较好的是，所述步骤六进一步包括：在所述蓝宝石衬底的正面覆盖保护层；将所述蓝宝石衬底从背面减薄至80～100微米；在所述蓝宝石衬底的背面上形成二氧化硅腐蚀掩膜；在至少大于250摄氏度的浓磷酸和浓硫酸的混合液中腐蚀所述蓝宝石衬底的背面形成所述第二粗糙面。

比较好的是，所述步骤六进一步包括，在所述蓝宝石衬底正面覆盖一保护层，具体包括：在所述正面沉积第一二氧化硅层；在所述二氧化硅层上覆盖第一涂层玻璃(spin on glass，简称SOG)层；在所述第一涂层玻璃(spin on glass，简称SOG)层上沉积第二二氧化硅层；在所述第二二氧化硅层上沉积第二涂层玻璃(spin onglass，简称SOG)层；在所述第二涂层玻璃(spin on glass，简称SOG)层上沉积第三二氧化硅层。

比较好的是，所述步骤六与步骤七之间进一步包括：将所述衬底的正、反面残余的保护层去除干净。

比较好的是，所述方法进一步包括在步骤四中，在所述p电极的金属膜上预留空隙，使所述压焊金属凸点部分与所述p型GaN层直接接触。

比较好的是，所述步骤四进一步包括：将所述p、n电极在450摄氏度下退火。

比较好的是，所述蓝宝石衬底的第一、第二粗糙面呈三角锥形凸起或凹坑形状。

本发明的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管，包括：一倒装焊基板，包括电气绝缘的n电极金属层和p电极金属层，位于所述基板之上；LED芯片，包括一蓝宝石衬底和生长在所述衬底上的外延层，所述衬底在其正面和背面分别形成第一、第二粗糙面，所述第一粗糙面上生长所述外延层，所述外延层包括电气绝缘的n电极和p电极，所述LED芯片的所述p、n电极通过分别连接所述倒装焊基板的p、n电极金属层设置在所述倒装焊基板的上面。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法和结构的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本发明的表面粗糙化的蓝宝石衬底的剖面示意图；

图2是本发明的粗糙化衬底GaN基LED外延层的剖面示意图；

图3是本发明的粗糙化衬底GaN基LED完成n型区刻蚀后的剖面示意图；

图4是本发明的粗糙化衬底GaN基LED完成p、n电极制作后的剖面示意图；

图5是本发明的粗糙化衬底GaN基LED完成倒装焊金属凸点制作后的剖面示意图；

图6是本发明的粗糙化衬底GaN基LED完成衬底背面粗糙化后的剖面示意图；

图7是本发明的粗糙化衬底GaN基LED完成倒装焊后的剖面示意图。

具体实施方式

下面参照图1至图7就本发明的实施形态作具体说明。

图1所示的是本发明的粗糙化蓝宝石衬底的纵向截面图。下面就其结构及制作方法做具体说明。

蓝宝石衬底1的粗糙化图形是通过湿法腐蚀有二氧化硅掩膜覆盖的衬底形成的。首先在蓝宝石衬底1上沉积一层二氧化硅薄膜(厚度需要大于1000埃)；然后，通过光刻、刻蚀的方法将需要制作的图形窗口制作在二氧化硅掩膜上；随后将带有二氧化硅掩膜的衬底1置于250摄氏度以上的浓磷酸与浓硫酸的混合液中腐蚀。通过改变二氧化硅掩膜的图形以及腐蚀的时间，该湿法腐蚀工艺可以制作三角锥凸起或凹坑形态的粗糙化衬底。

图2所示的是在粗糙化的衬底1上利用MOCVD外延生长III-族氮化物半导体多层薄膜LED芯片的结构示意图，在已粗糙化的衬底1上依次生长低温GaN结晶层2、高温GaN二维平化层3、n型GaN层4、发光层5以及p型GaN层6。

图3所示的是完成部分p型GaN层6刻蚀以便引出n电极的芯片剖面结构示意图。该工艺是通过光刻胶形成掩膜窗口7，利用反应离子刻蚀技术实现。

图4所示的是完成p、n接触电极沉积的LED芯片结构示意图。p电极8一般是由金属薄层Ni/Au、Pt或ITO(Indium Tin Oxide)作接触；n电极7一般是采用Ti/Al、Ti/Al/Ti/Au、或Cr/Ni/Au多层金属膜。p、n电极8、7是通过光刻掩膜、蒸发金属、剥离的方式制作的。为了改善p电极8上随后将要制作的压焊金属凸点与芯片的粘接力，需要在p电极8的金属膜上预留空隙，以便压焊金属凸点部分与p型GaN层6直接接触，从而形成牢固的接触。在完成金属p、n电极的沉积后，一般需要将该电极在450摄氏度下退火以获得具有良好电学性能的接触。

图5所示的是完成压焊金属凸点9制作的LED芯片的剖面结构示意图。该压焊点9是通过光刻掩膜、蒸发金属、剥离的方式制作的。需要在p电极8和n电极7上都沉积压焊金属凸点9，因为他们需要起到芯片电极引出的作用。金属压焊凸点9一般由Ti/Al/Au或Ti/Ni/Au多层金属组成，厚度一般在1微米以上。

图6所示的是完成蓝宝石衬底1的背面粗糙化的LED芯片的剖面示意图。其制作过程主要有如下步骤：1)在芯片正面，即p、n电极面覆盖SiO₂和SOG多层薄膜以保护金属p、n电极免受腐蚀，保护层的厚度一般需要大于1微米。SiO₂是利用等离子增强化学气相沉积方法生长的；2)将蓝宝石衬底1减薄至80~100微米；3)在衬底1背面上生长SiO₂薄膜作为腐蚀粗糙化的掩膜；4)通过光刻、刻蚀的方法制作SiO₂掩膜图形；5)在250摄氏度的浓磷酸和浓硫酸的混合液中腐蚀蓝宝石衬底1的背面直至出现三角锥形的凸起或凹坑粗糙化形貌；6)利用干法刻蚀的方法将正、反面残余的二氧化硅及SOG去除干净；7)将芯片划割开。

图7所示的是完成芯片倒装的LED芯片剖面示意图。通过芯片倒装焊机，将完成两面粗糙化的LED芯片通过芯片上的压焊金属凸点与倒装焊基板11焊接。焊接的过程采用加压、加热、加超声的工艺，可以形成具有良好机械粘接强度的倒装焊结构芯片。芯片的电极通过倒装焊基板的金属层10引出。该倒装焊基板11一般选择硅(Si)，一方面它有良好的导热性，另一方面它可以制作抗静电冲击损伤的三极管电路。

至此，本发明的蓝宝石衬底粗糙化的LED倒装芯片的制作完成。

本发明中的倒装焊基板大约200微米厚，包含有一个静电损伤保护电路(参考中国专利申请号：200510111630.7)。其上还制作有含金属铝的光反射层以及用于引出倒装LED电极的两块电气绝缘的金属块和压焊点。

本发明的LED制造方法，包括：1)蓝宝石衬底粗糙化的LED管芯制作；2)倒装焊结构LED的制作(参照中国发明，申请号：200610023463.5)。

本发明的蓝宝石衬底粗糙化的LED管芯制作过程，包括：1)表面粗糙化的蓝宝石衬底制作；2)粗糙化衬底上的GaN基LED外延层制作；3)蓝宝石衬底背面粗糙化LED管芯的制作。

本发明的粗糙化蓝宝石衬底制作是通过湿法腐蚀覆盖有二氧化硅掩膜的衬底实现的。主要有以下步骤：1)在蓝宝石衬底表面上利用化学气相沉积的方法淀积一层二氧化硅薄膜，厚度不限，一般可以在500~30000埃之间；2)通过匀胶、光刻、显影、刻蚀的方法制作粗糙化图形所需的掩膜；3)将带有二氧化硅掩膜的蓝宝石衬底放在煮沸的浓磷酸与浓硫酸的混合液中腐蚀，直至蓝宝石表面腐蚀出粗糙化的腐蚀坑。一般出现与蓝宝石晶体三维对称相对应的规则三角锥形坑，或三角锥形凸起。粗糙化图案的横向尺度由光刻尺度的能力决定，而深度与横向尺度的比例由晶体晶面特征决定，一般较横向尺度要小。

本发明的粗糙化衬底上的GaN基LED外延层是利用金属有机物化学气相沉积的方法制作的，主要有如下几个步骤：1)低温GaN结晶层沉积，厚度一般在200~1000埃之间，生长温度一般在500~700摄氏度之间；2)高温GaN二维平化层生长，厚度一般在1~3微米之间，生长温度一般在1000~1200摄氏度之间；3)n型GaN导电层沉积，厚度在2~3微米之间；4)发光InGaN/GaN多量子阱层沉积，厚度约1000埃；5)p型GaN导电层沉积，厚度在0.1~0.4微米之间。

本发明的蓝宝石衬底背面粗糙化LED管芯的制作主要有如下步骤：1)通过光刻掩膜、刻蚀、蒸发的方法在LED上表面制作相互电气绝缘的p、n电极；2)通过光刻掩膜、蒸发、剥离的方式在LED电极上制作倒装焊金属凸点阵列；3)在LED表面沉积二氧化硅和涂层玻璃(spin on glass，以下简称SOG)多层保护膜；4)将外延片减薄至80~100微米以便于划割芯片；5)在减薄的蓝宝石衬底背面沉积二氧化硅掩膜1000~30000埃，通过光刻制作腐蚀所需的图形窗口；6)在煮沸的浓磷酸和浓硫酸的混合液中腐蚀蓝宝石衬底背面直至出现所需的粗糙化表面形貌；7)通过干法刻蚀的方法将正反面残余的二氧化硅及SOG去除干净；8)将芯片划割开。

将本发明的衬底两面粗糙化的LED管芯倒装焊在基板上，可以制成发光效率高、可靠性优良的LED器件。倒装焊的LED结构及其制造方法在相关专利中已经表述(参考专利申请号为：200610023463.5的中国专利)。该倒装焊结构的LED器件由于蓝宝石衬底双面粗糙化设计，使得LED所发出的光逸出到芯片以外的几率显著提升，器件发光效率大大改善。

虽然已经通过上述的几个例子描述了本发明的实施形态，但是它们只是说明性的。事实上，在不违背本发明原理的条件下，还可以对其进行各种形式的修改。此外，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims

1、蓝宝石衬底粗糙化发光二极管的制造方法，所述方法包括提供一倒装焊基板和一含正面和背面的蓝宝石衬底，并进行如下步骤：

步骤一，通过湿法腐蚀在所述蓝宝石衬底的正面形成第一粗糙面；

步骤二，在粗糙化的所述衬底上外延生长III-族氮化物半导体多层薄膜形成LED芯片，自所述衬底正面向外依次生长GaN结晶层、GaN二维平化层、n型GaN层、发光层和p型GaN层；

步骤三，对所述LED芯片的p型GaN层进行部分刻蚀至所述n型GaN层；

步骤四，在所述LED芯片上沉积p、n电极；

步骤五，在所述p、n电极上沉积若干压焊金属凸点；

步骤六，在所述衬底背面形成第二粗糙面；

步骤七，所述LED芯片通过所述倒装焊金属凸点与所述倒装焊基板焊接。

2、根据权利要求1所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤一进一步包括：

在所述蓝宝石衬底的正面沉积一二氧化硅薄膜层；

制作图形窗口在所述二氧化硅薄膜层上，形成二氧化硅掩模；

将带有所述二氧化硅掩膜的所述蓝宝石衬底置于250～350摄氏度的浓磷酸与浓硫酸的混合液中腐蚀以形成所述第一粗糙面。

3、根据权利要求1或2所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤六进一步包括：

在所述蓝宝石衬底的正面覆盖保护层；

将所述蓝宝石衬底从背面减薄至80～1 00微米；

在所述蓝宝石衬底的背面上形成二氧化硅腐蚀掩膜；

在250～350摄氏度的浓磷酸和浓硫酸的混合液中腐蚀所述蓝宝石衬底的背面形成所述第二粗糙面。

4、根据权利要求3所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤六进一步包括，在所述蓝宝石衬底正面覆盖一保护层，具体包括：

在所述正面沉积第一二氧化硅层；

在所述二氧化硅层上覆盖第一涂层玻璃层；

在所述第一涂层玻璃层上沉积第二二氧化硅层；

在所述第二二氧化硅层上沉积第二涂层玻璃层；

在所述第二涂层玻璃层上沉积第三二氧化硅层。

5、根据权利要求4所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤六与步骤七之间进一步包括：

将所述衬底的正、反面残余的保护层去除干净。

6、根据权利要求1或4所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述方法进一步包括在步骤四中，在所述p电极的金属膜上预留空隙，使所述压焊金属凸点部分与所述p型GaN层直接接触。

7、根据权利要求6所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：

将所述p、n电极在450摄氏度下退火。

8、根据根据权利要求1或2或7所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管的制造方法，其特征在于，

所述蓝宝石衬底的第一、第二粗糙面呈三角锥形凸起或凹坑形状。

9、蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管，包括：

一倒装焊基板，包括电气绝缘的n电极金属层和p电极金属层，位于所述基板之上；

LED芯片，包括一蓝宝石衬底和生长在所述衬底上的外延层，所述衬底在其正面和背面分别形成第一、第二粗糙面，所述第一粗糙面上生长所述外延层，所述外延层包括电气绝缘的n电极和p电极，所述LED芯片的所述p、n电极通过分别连接所述倒装焊基板的p、n电极金属层设置在所述倒装焊基板的上面。

10、根据权利要求9所述的蓝宝石衬底粗糙化的发光二极管，其特征在于，所述蓝宝石衬底的第一、第二粗糙面呈三角锥形凸起或凹坑形状。