CN101005107A - 带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，包括提供一散热基板和具有p、n电极的LED芯片，还包括：在LED芯片的p电极和n电极上形成金属凸点阵列；在散热基板上分别形成电气绝缘的p电极金属层和n电极金属层；将LED芯片的p电极和n电极分别与散热基板上的p电极金属层、n电极金属层对应，两部分通过金属凸点阵列进行键合，并对相接触的金属凸点阵列加压、加超声、加热。本发明还包括带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管，其组成为：散热基板，包括电气绝缘的n电极金属层和p电极金属层，位于基板之上；LED芯片，包括电气绝缘的n电极和p电极；金属凸点阵列，设置在LED芯片的n电极与散热基板上的n电极金属层，p电极与p电极金属层之间。

Description

带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明公开的是一种倒装焊结构的发光二极管及其制作方法，主要涉及一种特殊的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种将电能转变为光能的半导体器件。通过在两极注入电子与空穴，二者会在半导体结区附近复合产生光子。发光的颜色可以通过选择不同的半导体材料来调节。常见的红色、黄色以及黄绿色的LED主要是由GaAs、GaP或AlInGaP四元合金制造的，通过调节合金的组分，光的波长连续可调。此外，以GaNInGaN为代表的III族氮化物材料是制造蓝、绿光LED的关键材料体系，而且此类LED的发光效率很高，在照明和高亮度显示领域有着广阔的应用前景。GaN材料的生长通常需要将衬底加热到1000摄氏度左右，因此作为理想的衬底材料目前主要有两种选择，一是蓝宝石，二是碳化硅。二者都有很好的热、化学稳定性。但是，由于蓝宝石衬底有价格优势，目前是制造此类LED的主要选择。在蓝宝石衬底上制作的LED通常需要将两个电极(亦即p、n电极)都做在半导体薄膜表面上，这是因为绝缘的蓝宝石衬底不能作为LED与外界电源的导电通道。图1所示的是常见的GaN基LED的器件结构剖面图(参考Nakamura等人的发明，美国专利Pat.No.5,563,422)。该LED结构主要由如下几个部分组成：(a)外延衬底11，一般使用蓝宝石或碳化硅；(b)与衬底接触的低温结晶层12；(c)其上的n型GaN层13；(d)其上的多量子发光层15；(e)其上的p型GaN层16；(f)n和p电极的接触以及压焊点14、17、18。由于n型层13是埋在p型层16下，所以为了做n电极接触通常需要将部分区域刻蚀到n型层13，然后蒸镀金属电极14(常用Ti/Al/Ti/Au多层结构)。而p型电极接触层17上的电极制作通常需要使用透光率高的Ni/Au金属层或透明导电电极ITO覆盖整个p型半导体区，这主要是考虑到两方面因素：1)因为p型GaN层16的导电性较差，它的薄层电阻率很大，通过大面积的接触可以显著减小整个器件的系列电阻；2)由于光需要从上表面逸出，因此电极要有好的透光性。除了上述的普通LED结构外，目前还有一种名为倒装焊LED结构的装置，如图2所示(参考Steigerwald等人的发明，美国专利Pat.No.6,573,537)。它的主要结构是包括一个倒装的LED(21至25)和其下的散热基板28。倒装的LED与散热基板是通过焊点26连接。这种结构的LED主要特点是能在大的输入功率下工作，并且光的萃取效率相对较高。倒装焊结构的LED是从透明外延衬底背面取光。这种结构的LED特别适用于蓝宝石衬底，因为，它既克服了蓝宝石衬底低导热能力的限制，增大了器件输入功率的空间；又充分利用了蓝宝石衬底在可见区域的高透光率特性。为了提高出光效率，通常在半导体p型层上沉积一层高反射率的金属层25(如Al、Ag等)，将向下发射的光反射并导出。当前，倒装焊技术通常采用两种方案：1)利用熔焊方式通过焊料(如PbSn)将LED芯片的p、n电极与散热基板粘结，实现导电导热双重功能；2)利用在散热基板上打金点的方式，通过压力和热超声将芯片焊在基板上。这两种方法虽然一定程度上解决了大功率输入的散热困难问题，但是还有许多缺点。方案一的主要问题在于：1)焊料含铅，对环境有害；2)PbSn焊料本身导热特性不佳，而且它的厚度一般通常高达30微米以上，这大大增加了从LED芯片到散热基板之间的热阻。方案二的缺点是：1)在基板上打金点耗时、成本高；2)通过金点接触，芯片与散热基板之间的热阻也较大；3)焊接点的金属面积尺寸难以调节。总之，目前使用LED倒装焊技术普遍存在热阻较大、对环境不利、成本较高、或焊点结构设计空间不够等等问题。
发明内容
本发明旨在克服上述提到的问题，提供一种在LED芯片的电极上具有金属凸点阵列的倒装发光二极管及其方法，金属凸点阵列作为芯片与基板的焊接层，既起到了机械粘附作用，又起到了导电、导热的良好效果。此外，本方法设计简便、灵活，成本低廉。
本发明提供的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，包括提供一散热基板和具有p、n电极的LED芯片，所述方法包括：步骤一，在所述LED芯片的所述p电极和n电极上形成金属凸点阵列；步骤二，在所述散热基板上分别形成电气绝缘的p电极金属层和n电极金属层；步骤三，将所述LED芯片的所述p电极和n电极分别与所述散热基板上的p电极金属层、n电极金属层对应并通过所述金属凸点阵列进行键合，并对相接触的所述金属凸点阵列加压、加超声、加热。
比较好的是，在步骤一中，通过光刻、蒸发、剥离方法形成所述金属凸点阵列。
比较好的是，在步骤一之前，在制备所述p电极时暴露出局部p型GaN层表面，用于使所述金属凸点阵列直接粘附在所述p电极的p型GaN层上；步骤三中，所述p电极上形成的金属凸点阵列介于所述露出的p型GaN层部分与散热基板上的p电极金属层之间。
比较好的是，所述暴露的p型GaN层部分呈十字槽形状。
比较好的是，所述p电极包括透明电极或半透明电极。
本发明公开的另一种带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管，包括：一散热基板，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，包括电气绝缘的n电极和p电极；金属凸点阵列，设置在所述LED芯片的所述n电极与所述散热基板上的所述n电极金属层，所述p电极与所述p电极金属层之间。
比较好的是，所述LED芯片的p电极上包括若干露出p型GaN层表面的部分，所述p电极上的金属凸点阵列位于所述露出p电极GaN层与散热基板上所述p电极金属层之间。
比较好的是，所述p电极上暴露出p型GaN层的部分呈十字槽形状。
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是常见的普通GaN基LED的剖面示意图；
图2所示的是一种倒装焊结构LED的剖面示意图；
图3是本发明的用于倒装焊的LED芯片剖面示意图；
图4是本发明的倒装焊基板的剖面示意图；
图5是本发明的倒装焊结构LED的剖面示意图。
具体实施方式
下面参照图3至图5就本发明的具体实施方式作详细说明。
图3所示的是本发明的用于倒装的LED芯片纵向截面图。下面就其结构及制作方法做具体说明。
首先，在外延衬底31上外延生长III-族氮化物半导体多层薄膜LED芯片结构，依次生成的是：n型GaN层32；发光层33；以及p型GaN层34。然后通过光刻掩膜，离子刻蚀方法刻蚀部分外延层区域直至n型层以便暴露出n电极36。接着，在p电极上沉积透明或半透明Ni/Au金属层作接触电极35，在暴露的n型GaN区域沉积n电极36。最后，在p和n电极上通过光刻掩膜、物理沉积的方法制作用于焊接LED与倒装焊基板的金属凸点阵列37，它由Ti/Al/Au或Ti/Ni/Au多层金属组成。
上述过程中，考虑到Ni/Au材质的p电极35与LED的机械粘附力有限，为了提高金属凸点阵列37与LED芯片的机械粘附强度，可以在制作p电极35时在其上预留十字槽38，使得金属压焊凸点阵列37有局部区域与LED半导体材料表面的p型GaN层34直接接触，加强倒装焊金属凸点阵列37对LED芯片的粘附强度。
图4所示的是本发明的倒装基板的纵向截面图。下面就其结构及制作方法做具体说明。
对应于LED p电极35和n电极36的图形，在倒装焊基板41上通过光刻掩膜、金属沉积、剥离的工艺制作相应的p电极金属层44和n电极金属层42。该基板41上的电极金属层42和44主要起到三方面作用：1、与LED芯片上的倒装焊金属凸点阵列37接合，起到机械粘附的作用；2、利用其导电性，起到倒装LED电极的作用；3、利用LED芯片上p电极良好的反光特性，起到增强LED出光效率的作用。随后，通过光刻掩膜、金属沉积、剥离的工艺在制作引线压焊点43和45。
图5所示的是本发明的倒装焊结构LED的纵向截面图。下面就其结构及制作方法做具体说明。
在完成LED芯片及其上的倒装焊金属凸点阵列的制作后，将图3所示的LED芯片倒置、对准倒装焊基板41上的图形，通过加压力、加超声以及加热的方法使倒装焊金属凸点37与倒装焊基板41上的n电极金属层42和p电极金属层44形成牢靠的接触。至此，本发明的倒装焊结构LED的制作完成。
结合图5，可以了解本发明的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的结构，包括：
散热基板41，在基板41上有电气绝缘的n电极金属层42和p电极金属层44，因为LED芯片采用倒装焊工艺制作，因此，与散热基板41上的p电极金属层44和n电极金属层42直接接触的是倒装LED芯片上的金属凸点阵列37，该金属凸点阵列37是形成于LED芯片的n电极36与散热基板41上的n电极金属层42，LED芯片上的p电极35与散热基板41上的p电极金属层44之间。同样，考虑到Ni/Au材质的p电极35与LED的机械粘附力有限，为了提高金属凸点阵列37与LED芯片的机械粘附强度，在LED芯片的p电极35预留有若干露出p型GaN层34的部分，这样p电极35上的金属凸点阵列37可以设置在所述露出p型GaN层34与p电极35之间。通常该部分呈十字槽形38。在散热基板41上的p电极金属层44和n电极金属层42上，通常在边缘位置还设置有阳极引线压焊点45和阴极引线压焊点43。
综上所述，本发明的关键是在LED芯片表面制作到装焊金属凸点阵列作为芯片与基板的焊接层。该倒装焊金属凸点是由延展性好、粘附性好的Al、Ag、Au和Ti、Ni等金属制作。厚度一般控制在1微米到10微米之间。该金属凸点阵列结构即起到机械粘附作用，又起到导电、导热的效果。由于该凸点是由导热特性好的材料制作，而且其高度较小，因此导热效果优良。
本发明中的倒装焊基板大约260微米厚，包含有一个静电损伤保护电路(参考申请号为：200510111630.7的中国专利申请)。其上还制作有含金属铝的光反射层以及用于倒装LED电极的两块电气绝缘的金属层和压焊点。
本发明的倒装焊基板可以使用硅或其它导热性好的材料如SiC等。为了提高LED的发光效率，需要在基板上通过蒸发或溅射的方法制作金属光反射层。
本发明使用一种热、超声、压焊的方法将LED芯片倒装焊在散热基板上。该方法通过将倒装焊基板加热到100至200摄氏度之间，然后将带有倒装焊金属凸点的LED芯片面朝倒装焊基板通过加压、加超声、加热使LED芯片与基板紧密接合，形成具有良好机械强度和低热阻率的接合层。
利用该方法制作的倒装焊结构LED芯片具有热阻小、机械结合力强、制造成本低等优点。较小热阻，高机械强度为器件工作的可靠性提供了保障。
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 (8)

1、一种带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，包括提供一散热基板和具有p、n电极的LED芯片，所述方法包括：
步骤一，在所述LED芯片的所述p电极和n电极上形成金属凸点阵列；
步骤二，在所述散热基板上分别形成电气绝缘的p电极金属层和n电极金属层；
步骤三，将所述LED芯片的所述p电极和n电极分别与所述散热基板上的p电极金属层、n电极金属层对应并通过所述金属凸点阵列进行键合，并对相接触的所述金属凸点阵列加压、加超声、加热。
2、根据权项1所述的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，其特征在于，
在步骤一中，通过光刻、蒸发、剥离方法形成所述金属凸点阵列。
3、根据权项1或2所述的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，其特征在于，
在步骤一之前，在制备所述p电极时暴露出局部p型GaN层表面，用于使所述金属凸点阵列直接粘附在所述p电极的p型GaN层上；
步骤三中，所述p电极上形成的金属凸点阵列介于所述露出的p型GaN层部分与散热基板上的p电极金属层之间。
4、根据权项3所述的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，其特征在于，
所述暴露的p型GaN层部分呈十字槽形状。
5、根据权项6所述的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管的制作方法，其特征在于，
所述p电极包括透明电极或半透明电极。
6、带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管，包括：
一散热基板，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，包括电气绝缘的n电极和p电极；
金属凸点阵列，设置在所述LED芯片的所述n电极与所述散热基板上的所述n电极金属层，所述p电极与所述p电极金属层之间。
7、根据权利要求6所述的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管，其特征在于，
所述LED芯片的p电极上包括若干露出p型GaN层表面的部分，所述p电极上的金属凸点阵列位于所述露出p电极GaN层与散热基板上所述p电极金属层之间。
8、根据权利要求7所述的带金属凸点阵列结构的倒装发光二极管，其特征在于，
所述p电极上暴露出p型GaN层的部分呈十字槽形状。
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Open date: 20070725