CN101026204A - 利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，包括如下步骤：1)在蓝宝石衬底上生长外延层结构；2)在外延层结构上刻蚀形成圆台；3)制作n型网状欧姆接触电极和电极焊点；4)在整个器件结构的上表面淀积二氧化硅或氮化硅绝缘层；5)将圆台上表面的绝缘层腐蚀掉；6)在整个器件结构的上表面除电极焊点外的其它区域淀积p型加厚高反射率金属电极；7)光刻腐蚀n电极焊点上面的绝缘层；8)将蓝宝石衬底的背面减薄，切割成单个管芯结构；9)在硅支撑体上的淀积介质层；10)将管芯结构通过凸点与硅支撑体倒装焊接；11)切割，形成发光二极管管芯。

Description

利用倒装技术制作功率型微结构 发光二极管管芯的方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法。

背景技术

氮化镓基化合物半导体多用量子阱和异质结结构作为发光二极管的有源区，这种发光二极管具有可靠性好，效率高，寿命长，节能等优点，在大屏幕显示，指示和液晶显示器，领域具有广泛的应用前景，特别是氮化镓基紫光和蓝光发光二极管与荧光粉结合可产生视觉上的白光二极管，可用于日常照明。为了适应未来照明的要求，发光二极管的发光效率仍然需要进一步提高。传统的功率型大面积发光二极管的尺寸大都在1mm×1mm左右，而发光效率只有10％-20％，这主要是由于和蓝宝石衬底与空气的折射率差比较大，有源区发出的光线在器件与空气界面处发生全反射，只有1/4n2(n＝2.5)的光线可以出射，大部分光线被限制在器件中沿横向传播。功率型大面积发光二极管一般采用插指状平面电极结构来改善提取效率低的问题，但有源区的横向尺寸一般都在200um左右，而氮化镓材料对能量为2.0-3.1eV的光子的吸收系数约为3×102cm-1，所以沿横向传播的光线几乎被完全吸收。

微结构发光二极管可以从内量子效率和提取效率两个方面提高发光二极管的发光效率，一些研究小组用这种结构来制作超亮小功率发光二极管，实验结果也表明相同器件面积的前提下与大面积发光二极管相比发光效率可提高60％。目前，微结构发光二极管的制作主要采用正装结构，实现P电极的互连也比较困难，一般都制作微孔结构，但这种结构无法实现n电极的互连，电流扩展的均匀性比较差，器件的开启电压也比较高。而用于微显示器的微结构发光二极管一般利用横向和纵向布线来实现p、n电极的分别互连，但电极连线宽度只有十微米左右，而长度接近1mm，为了避免对光线的阻挡和吸收，电极又不能太厚，因此引线电阻比较大，而且可靠性也比较差。另外，这种布线方法需要在芯片上留出大面积的焊点区，牺牲掉大面积的有源区，不适用于制作功率型发光二极管。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用双层布线和倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，该方法可以提高发光二极管的提取效率，而应用本发明中的双层布线可提高微结构氮化镓基发光二极管的电学特性和可靠性，简化制作工艺。

本发明一种利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层结构；

2)在外延层结构上以二氧化硅作掩蔽干法刻蚀，形成圆台，提高发光二极管的提取效率；

3)在圆台周围的平面上制作n型网状欧姆接触电极和电极焊点，使功率型微结构发光二极管的电流扩展更为均匀；

4)在整个器件结构的上表面淀积二氧化硅或氮化硅绝缘层，该层作为双层布线的绝缘层，同时作为刻蚀完圆台后的台面钝化层，以减小因有源层暴露引起的漏电；

5)将圆台上表面的绝缘层腐蚀掉，在圆台上面制作p型欧姆接触电极；

6)在整个器件结构的上表面除电极焊点外的其它区域淀积p型加厚高反射率金属电极，将所有的p型欧姆接触电极互连起来，减小发光二极管的串联电阻；

7)光刻腐蚀n电极焊点上面的绝缘层，暴露n电极焊点；

8)将蓝宝石衬底的背面减薄，按照设计的管芯大小将器件结构切割成单个管芯结构；

9)在硅支撑体上的淀积介质层，将N电极区域的介质层腐蚀掉，在P、N电极区同时淀积高反射率金属焊接层，并在上面制作凸点，该凸点的材料为金或锡；

10)将管芯结构通过凸点与硅支撑体倒装焊接；

11)切割，形成发光二极管管芯。

其中外延层结构包括依次生长的GaN缓冲层、n型GaN层、有源层和p型GaN层。

其中圆台的尺寸为4-20μm，该圆台的形状是棱台或圆台或方台，可提高发光二极管的提取效率。

其中介质层的材料为二氧化硅或氮化硅或三氧化二铝。

其中蓝宝石衬底的厚度为80-120微米。

其中圆台上面覆盖的高反射率金属电极时能形成反射杯，有利于光线的出射。

其中p型加厚高反射率金属电极和n型网状欧姆接触电极分别是银、铝基的高反射率电极。

其中管芯结构通过分布在p型加厚高反射率金属电极和n型网状欧姆接触电极上面的凸点被倒装在硅支撑体上。

其中金属焊接层为钝化的Ag基高反射率金属。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合实施例对本发明做一详细的描述，其中：

图1是本发明中干法刻蚀完成后氮化镓基微结构发光二极管芯片结构的剖面图；

图2是本发明中干法刻蚀和n电极制作完成后氮化镓基微结构发光二极管芯片结构的侧视图；

图3是本发明中的氮化镓基微结构发光二极管的管芯结构剖面图；

图4本发明中管芯的p欧姆接触电极用加厚高反射率电极互连后俯视示意图；

图5是本发明中的硅支撑体制作完成后的剖面示意图

图6是本发明的微结构管芯倒装焊到硅支撑体后的管芯的剖面图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明一种利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在蓝宝石衬底10上生长氮化镓外延层结构100(参阅图1)，该外延层结构100包括依次生长的GaN缓冲层11、n型GaN层12、有源层13和p型GaN层14，该蓝宝石衬底10的厚度为80-120微米；

2)在外延层结构100上以二氧化硅作掩蔽干法刻蚀，形成圆台15(参阅图1)，提高发光二极管的提取效率，该圆台15的尺寸为4-20μm，该圆台15的形状是棱台或圆台或方台，可提高发光二极管的提取效率；

3)在圆台15周围的平面上制作n型网状欧姆接触电极16和电极焊点17(参阅图2)，使功率型微结构发光二极管的电流扩展更为均匀；

4)在整个器件结构的上表面淀积二氧化硅或氮化硅绝缘层18(参阅图3)，该层作为双层布线的绝缘层，同时作为刻蚀完圆台15后的台面钝化层，以减小因有源层暴露引起的漏电；

5)将圆台15上表面的绝缘层18腐蚀掉，在圆台15上面制作p型欧姆接触电极19(参阅图3)；

6)在整个器件结构的上表面除电极焊点17外的其它区域淀积p型加厚高反射率金属电极20(参阅图4)，将所有的p型欧姆接触电极19互连起来，减小发光二极管的串联电阻，其中圆台15上面覆盖的高反射率金属电极20时能形成反射杯，有利于光线的出射，其中p型加厚高反射率金属电极20和n型网状欧姆接触电极16分别是银、铝基的高反射率电极；

7)光刻腐蚀n电极焊点17上面的绝缘层18，暴露n电极焊点17(参阅图4)；

8)将蓝宝石衬底10的背面减薄，按照设计的管芯大小将器件结构切割成单个管芯结构；

9)在硅支撑体21上的淀积介质层22(参阅图5)，将N电极区域的介质层腐蚀掉，在P、N电极区同时淀积高反射率金属焊接层23，并在上面制作凸点24，该凸点24的材料为金或锡，该介质层22的材料为二氧化硅或氮化硅或三氧化二铝；

10)将管芯结构通过凸点24与硅支撑体21倒装焊接(参阅图6)；

11)切割，形成发光二极管管芯。

其中管芯结构通过分布在p型加厚高反射率金属电极20和n型网状欧姆接触电极16上面的凸点24被倒装在硅支撑体21上。

其中金属焊接层23为钝化的Ag基高反射率金属。

实施例

首先请参阅图1所示，这是一个干法刻蚀工艺完成后的倒装微结构氮化镓基发光二极管管芯结构的剖面图。其制作过程是，在蓝宝石衬底10上利用MOCVD方法外延生长GaN或AlGaN缓冲层11，n型GaN层12，有源层13和p型GaN层14，有源层结构为InGaN/GaN或AlGaN/GaN多量子阱，微结构氮化镓基功率型发光二极管管芯的形状设计成正方形，尺寸为1mm×1mm，微结构设计成尺寸为4-20μm，中心间距为20-50μm圆台或棱台或方台(本发明以直径为20μm，中心间距为50μm的圆台为例)，该结构增加了有源层发出光线的出射面积，由于尺寸不到20μm，大大减少了光线沿横向传播时的吸收，最终可以提高发光二极管管芯的提取效率。用二氧化硅作为掩蔽层，ICP(刻蚀气体为Cl2/Ar)刻蚀掉p型GaN层和有源层，直至n型GaN层，形成圆台15。参阅图2所示，在ICP刻蚀暴露的n型GaN上电子束蒸发制作Ti/Al/Ti/Au网状欧姆接触电极16和n电极焊点17，将Ti/Al/Ti/Au互连网状金属电极和n电极焊点17在氮气中500℃合金5分钟以降低接触电阻。参阅图3所示，在Ti/Al/Ti/Au网状欧姆接触电极合金完成后，用等离子化学气相沉积(PECVD)淀积二氧化硅或氮化硅作为双层布线的绝缘层18，同时作为台面刻蚀后的钝化层，以减小由于圆台有源层的暴露引起的漏电，二氧化硅或氮化硅的厚度为5000。在圆台上表面套刻直径为10-14μm的p型欧姆接触电极区，腐蚀掉接触电极区的二氧化硅或氮化硅，在圆台上表面电子束蒸发Ni/Au或Ni/Ru金属电极，500℃氧气中合金5分钟形成透射率达75％以上的透明的p型欧姆接触电极19。如图4所示，电子束大面积蒸发Ag基p型加厚高反射率金属电极20，将p欧姆接触电极19连接起来，并通过n电极上面的二氧化硅或氮化硅绝缘层与n型网状欧姆接触电极16绝缘，利用双层布线分别实现p、n电极的互连。再如图3所示，光刻腐蚀n电极焊点17上面的二氧化硅或氮化硅，暴露n电极焊点17，将蓝宝石衬底10减薄至80-120μm，并根据设计的管芯大小(1mm×1mm)划片分割成单个管芯结构。参阅图5，在硅片上面PECVD淀积氮化硅或三氧化二铝隔离层22，光刻腐蚀与管芯上n型电极焊点区对应的硅支撑体上的氮化硅或三氧化二铝隔离层22，以提高硅支撑体作为热沉的散热能力，在硅支撑体上与管芯的p型加厚高反射率金属电极区和n型电极焊点对应的区域上电子束蒸发Ag基高反射率焊接层23，同时作为从管芯结构边缘泄露到硅支撑体上的光线的反射镜，该焊接层要做钝化处理防止Ag被氧化。在硅支撑体上与管芯的p型加厚高反射率金属电极区和n型电极焊点对应的区域的焊接层上面均匀分布植凸点24，凸点为Au或Sn材料，硅支撑体作为发光二极管的热沉。最后参阅图6，利用倒装焊技术通过凸点将分割后的单个管芯结构倒装在制作完凸点的硅支撑体上，最后按照预先设计的尺寸将带有管芯结构的硅支撑体切割，形成单个带硅支撑体的发光二极管管芯。

本发明提供了一种利用倒装技术、微结构和双层布线来制作氮化镓基功率型发光二极管的方法，这种方法可以提高发光二极管的光提取效率；应用本发明中的双层布线方法能减小氮化镓基微结构功率型发光二极管中大量台面的有源层暴露所引起的漏电，提高氮化镓基微结构功率型发光二极管可靠性，简化制作工艺；应用本发明中的倒装结构能改善微结构氮化镓基微结构功率型发光二极管管芯的散热能力；应用本发明中的大面积p型加厚高反射率金属电极实现p型欧姆接触电极的互连，能有效降低氮化镓基微结构功率型发光二极管器件的串联电阻，提高电极的可靠性，同时该p型加厚高反射率金属电极可在微结构上形成反射杯，有利于提高氮化镓基微结构功率型发光二极管的提取效率；应用本发明中的网状n型欧姆接触电极，能有效的改善氮化镓基微结构功率型发光二极管的电流扩展特性，降低氮化镓基微结构功率型发光二极管器件的串联电阻，提高氮化镓基微结构功率型发光二极管的可靠性。

Claims (9)

1、一种利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层结构；

2)在外延层结构上以二氧化硅作掩蔽干法刻蚀，形成圆台，提高发光二极管的提取效率；

3)在圆台周围的平面上制作n型网状欧姆接触电极和电极焊点，使功率型微结构发光二极管的电流扩展更为均匀；

4)在整个器件结构的上表面淀积二氧化硅或氮化硅绝缘层，该层作为双层布线的绝缘层，同时作为刻蚀完圆台后的台面钝化层，以减小因有源层暴露引起的漏电；

5)将圆台上表面的绝缘层腐蚀掉，在圆台上面制作p型欧姆接触电极；

6)在整个器件结构的上表面除电极焊点外的其它区域淀积p型加厚高反射率金属电极，将所有的p型欧姆接触电极互连起来，减小发光二极管的串联电阻；

7)光刻腐蚀n电极焊点上面的绝缘层，暴露n电极焊点；

8)将蓝宝石衬底的背面减薄，按照设计的管芯大小将器件结构切割成单个管芯结构；

9)在硅支撑体上的淀积介质层，将N电极区域的介质层腐蚀掉，在P、N电极区同时淀积高反射率金属焊接层，并在上面制作凸点，该凸点的材料为金或锡；

10)将管芯结构通过凸点与硅支撑体倒装焊接；

11)切割，形成发光二极管管芯。

2、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中外延层结构包括依次生长的GaN缓冲层、n型GaN层、有源层和p型GaN层。

3、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中圆台的尺寸为4-20μm，该圆台的形状是棱台或圆台或方台，可提高发光二极管的提取效率。

4、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中介质层的材料为二氧化硅或氮化硅或三氧化二铝。

5、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中蓝宝石衬底的厚度为80-120微米。

6、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中圆台上面覆盖的高反射率金属电极时能形成反射杯，有利于光线的出射。

7、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中p型加厚高反射率金属电极和n型网状欧姆接触电极分别是银、铝基的高反射率电极。

8、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中管芯结构通过分布在p型加厚高反射率金属电极和n型网状欧姆接触电极上面的凸点被倒装在硅支撑体上。

9、根据权利要求1所述的利用倒装技术制作功率型微结构发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中金属焊接层为钝化的Ag基高反射率金属。

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