CN101043059A - 采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法 - Google Patents

Abstract

一种采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，包括如下步骤：在衬底上依次外延生长氮化镓N型接触层、多量子阱有源区和氮化镓P型接触层；刻蚀露出氮化镓N型接触层；制作N接触电极；制作高反射P接触电极；在芯片表面沉积介质膜；在器件的整个表面蒸镀高反射率金属层；将衬底减薄；在衬底表面制作微透镜阵列；解理，形成单个芯片；在该支撑体上沉积介质膜，并制作N电极、P电极引线；在电极引线上制作压焊点；采用倒装焊技术将解理好的芯片与制作完电极、压焊点后的支撑体键合，完成发光二极管的制作。

Description

采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法

技术领域

本发明是一种采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，属于半导体技术领域，尤其适用于基于透明绝缘衬底材料的高效发光二极管的制作。

背景技术

20世纪90年代初期，基于III族氮化物的蓝光发光二极管研制成功，从而使得发光二极管发光光谱覆盖整个可见光范围，解决了发光二极管缺色的问题，用于照明的白光发光二极管的研制也因此成为可能。与传统的白炽灯相比，发光二极管具有节能、环保、冷光源、发光效率高、显色指数高、响应速度快、体积小和工作寿命长等突出优点。目前白光发光二极管的光效大约为50流明/瓦，距离民用照明所要求的160-200流明/瓦的指标还有相当远的距离。针对这一情况，美、日、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划，投入巨资组织研究机构、大公司共同开展大功率发光二极管的研究开发工作。2003年6月，我国正式启动了“国家半导体照明工程”，但开展全固态白光照明技术研究才刚刚起步，主要技术指标落后于几个主要发达国家。目前，光提取效率低和散热能力差是功率型发光二极管发展所面临的主要技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其是针对现有的发光二极管材料体系，采用衬底表面粗化技术、电极全反射技术制作倒装结构大功率发光二极管，具有提取效率高、散热能力优良的优点。

本发明是一种采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用金属化学有机气相沉积的方法在衬底上依次外延生长氮化镓N型接触层、多量子阱有源区和氮化镓P型接触层；

2)采用感应耦合等离子体技术或电子回旋共振技术或反应离子刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀掉部分多量子阱有源区和氮化镓P型接触层，露出氮化镓N型接触层，形成台面；

3)在露出的氮化镓N型接触层上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作N接触电极；

4)在氮化镓P型接触层上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作高反射P接触电极；

5)采用等离子增强化学气相沉积系统在芯片表面沉积介质膜，进行表面钝化及器件保护；

6)将P接触电极与N接触电极上的部分区域的介质膜去除，并在器件的整个表面蒸镀高反射率金属层；

7)将衬底减薄，并进行表面抛光；

8)采用湿法或干法刻蚀技术在衬底表面制作微透镜阵列；

9)将制作完成的器件解理，形成单个芯片；

10)选用高热导率材料作为发光二极管芯片支撑体，并在该支撑体上沉积介质膜，将支撑体上一侧的介质膜腐蚀掉，并在该区域制作N电极引线，在支撑体上的另一侧的介质膜上制作P电极引线；

11)采用电镀、植球技术在支撑体上的N电极引线和P电极引线上制作压焊点；

12)采用倒装焊技术将解理好的芯片与制作完电极、压焊点后的支撑体键合，完成发光二极管的制作。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中该衬底为蓝宝石透明绝缘衬底。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中该高反射率金属层为银高反射率金属层。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中衬底减薄至80μm。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中N接触电极包括：一接触层；一中间金属阻挡层，该中间金属阻挡层制作在接触层上；一金属帽层，该金属帽层3制作在中间金属阻挡层上。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中接触层的材料为钛或铝或钽金属；中间金属阻挡层的材料为镍或钛或铂金属；金属帽层的材料为银或金金属。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中P接触电极的材料为镍或钌或铱或银金属或及其组合。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中微透镜阵列采用棱柱形或圆形的几何图形阵列排列。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中介质膜的材料为二氧化硅和/或氮化硅。

所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其中N电极引线和P电极引线的材料为银，并将其表面进行钝化处理。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明的发光二极管芯片在制作全反射镜之前的平面图；

图2是本发明的发光二极管芯片支撑体平面图；

图3是本发明的发光二极管倒装焊至支撑体后的剖面图。

具体实施方式

请参阅图3所示，本发明一种采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，包括如下步骤：

1)利用金属化学有机气相沉积的方法在衬底30上依次外延生长氮化镓N型接触层31、多量子阱有源区32和氮化镓P型接触层33，该衬底30为蓝宝石透明绝缘衬底；

2)采用感应耦合等离子体技术或电子回旋共振技术或反应离子刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀掉部分多量子阱有源区32和氮化镓P型接触层33，露出氮化镓N型接触层31，形成台面；

3)在露出的氮化镓N型接触层31上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作N接触电极10，该N接触电极10包括：一接触层101；一中间金属阻挡层102，该中间金属阻挡层102制作在接触层101上；一金属帽层103，该金属帽层103制作在中间金属阻挡层102上，其中该接触层101的材料为钛或铝或钽金属；中间金属阻挡层102的材料为镍或钛或铂金属；金属帽层103的材料为银或金金属；

4)在氮化镓P型接触层33上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作高反射P接触电极11，该P接触电极11的材料为镍或钌或铱或银金属或及其组合；

5)采用等离子增强化学气相沉积系统在芯片表面沉积介质膜12，进行表面钝化及器件保护；

6)将P接触电极11与N接触电极10上的部分区域的介质膜12去除，并在器件的整个表面蒸镀高反射率金属层34，该高反射率金属层34为银高反射率金属层；

7)将衬底30减薄，并进行表面抛光，该衬底30减薄至80μm；

8)采用湿法或干法刻蚀技术在衬底30表面制作微透镜阵列35，该微透镜阵列35采用棱柱形或圆形的几何图形阵列排列；

9)将制作完成的器件解理，形成单个芯片；

10)选用高热导率材料作为发光二极管芯片支撑体20，并在该支撑体20上沉积介质膜21，将支撑体20上一侧的介质膜21腐蚀掉，并在该区域制作N电极引线22，在支撑体20上的另一侧的介质膜21上制作P电极引线22’，该介质膜21的材料为二氧化硅和/或氮化硅，该N电极引线22和P电极引线22’的材料为银，并将其表面进行钝化处理；

11)采用电镀、植球技术在支撑体20上的N电极引线22和P电极引线22’上制作压焊点23；

12)采用倒装焊技术将解理好的芯片与制作完电极、压焊点23后的支撑体键合，完成发光二极管的制作。

实施例

首先请参阅图3所示，这是一个解理后的发光二极管芯片倒装焊至支撑体后的剖面图，光线从透明蓝宝石衬底30出射，发光二极管芯片与高热导率支撑体20相键合，有效的改善了发光二极管的电学、光学和热学性能，其制作过程包括衬底表面粗化的发光二极管芯片制作和高反射高热导支撑体制作两部分。

发光二极管芯片制作如下：

采用金属化学有机气相沉积技术依次在蓝宝石绝缘衬底30上外延生长氮化镓N型接触层31、多量子阱有源区32和氮化镓P型接触层33。发光二极管芯片设计为梳状结构如图1所示，在大功率大尺寸发光二极管制作中，该结构有效的改善电流扩展，降低器件的串联电阻，提高提取效率。

根据设计的器件结构采用干法刻蚀技术将既定区域的多量子阱有源区32和氮化镓P型接触层33刻蚀掉，露出氮化镓N型接触层31，形成台面，刻蚀过程中保证对器件的损伤最低。

在暴露出的氮化镓N型接触层31上制作N接触电极10，N接触电极10包括：一接触层101；一中间金属阻挡层102，该中间金属阻挡层102制作在接触层101上；一金属帽层103，该金属帽层103制作在中间金属阻挡层102上。接触层101的材料为钛或铝或钽金属，上述金属功函数较低，与氮化镓N型接触层31形成良好的欧姆接触；中间金属阻挡层102的材料为镍或钛或铂金属，阻挡金属之间的互扩散，提高器件的热稳定性；金属帽层103的材料为银或金金属，作为键合的金属接触层。N接触电极10制作完成后，进行高温短时间金属化处理，N接触电极10与N型接触层31之间形成的欧姆接触，接触电阻低、热稳定性能好。

在器件表面沉积二氧化硅介质膜12，作为表面钝化和保护。

将P型接触层33的介质膜12去除，在氮化镓P型接触层33上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作高反射P接触电极11，其材料为镍或钌或铱或银金属或其组合，镍、钌、铱金属经氧气氛围下金属化处理，与P型接触层33形成欧姆接触，银为良好的反射镜，对波长470纳米的光反射率在90％以上，采用钌或铱作为P接触电极，比传统的镍金合金体系具有更好的热稳定性能。

将N接触电极10上部分区域的介质膜12去除，并在器件的整个表面蒸镀高反射率金属层34，形成整体反射镜结构，该结构将器件正面和侧面发射的光线全部反射，减少光线在期间内部的吸收，提高器件的效率。

将衬底30减薄至80微米并对表面进行抛光，以利于器件的解理。

在减薄抛光后的衬底30表面制作多棱柱或圆形透镜几何图形阵列35，刻蚀掩膜为二氧化硅或光刻胶，蓝宝石衬底30折射率为1.7，与空气折射率差较大，在与空气界面处全反射临界角很小，大部分光线限制在器件内部并经多次反射吸收，导致器件的提取效率很低，微透镜阵列结构降低了界面全反射的影响，提高倒装结构发光二极管的提取效率，对于未封装发光二极管提取效率提高80％。

将制作完成的器件解理，形成单个芯片。

支撑体主要制作过程如下：

请参阅图3，结合参阅图2所示，本发明中的支撑体除了对芯片起支撑作用以外，还是倒装结构发光二极管的导电通路和导热通路。

采用高阻硅作为芯片倒装支撑体20，硅材料热导率148W/(m*K)，具有较强的导热能力，比传统正装结构更有利于芯片散热。

支撑体20厚度在180-200微米既可以满足倒装焊的强度要求，又能获得较低的热阻，实际应用中在满足倒装焊机械强度条件下，进一步降低支撑体20的厚度，或采用热导率更高的材料，散热能力进一步提高。

表面清洗后，在支撑体20上沉积氮化硅和/或二氧化硅介质膜21，作为电极隔离，避免支撑体20本身导电对发光二极管反向特性的影响，其中二氧化硅热导率为1.4W/(m*K)，氮化硅热导率为30W/(m*K)，与单纯的二氧化硅介质膜相比，散热能力更强。

由于芯片中N接触电极10的面积比较小，热流密度高，是器件散热的主要瓶颈，将支撑体20上N接触电极10对应区域的介质膜21腐蚀掉，并在该区域制作N电极引线22，热量经压焊点23和N电极引线22直接流入支撑体20，缩短热流路径，提高散热能力，在支撑体20上的另一部分区域的介质膜21上制作P电极引线22’。

N电极引线22和P电极引线22’的材料为金属银，银反射率高，在整个支撑体20上覆盖一层银作为反射镜，避免支撑体20对光线的吸收，提高器件效率，银电导率低，且N电极引线22和P电极引线22’的厚度在2-3微米，减小了电极引线电阻对整个器件串联电阻的影响。

由于金属银在空气中易于氧化，导致反射率降低，电阻率增大，对N电极引线22和P电极引线22’进行表面钝化处理，在长期工作条件下，器件仍具有良好的光学与电学性能。

采用电镀或植球技术在支撑体20上的N电极引线22和P电极引线22’上制作压焊点23，压焊点23是发光二极管导热通路上重要的一环，材料为金锡合金或铅锡合金或金，增加其数量并合理设计其分布，有效的改善器件的散热性能。

采用热压焊或超声压焊技术将解理好的芯片与制作完压焊点23的支撑体20键合，完成发光二极管的制作。

尽管参照其特定的实施例详细地展示和描述了本发明，但还应该指出，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变，而不脱离所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用金属化学有机气相沉积的方法在衬底上依次外延生长氮化镓N型接触层、多量子阱有源区和氮化镓P型接触层；

2)采用感应耦合等离子体技术或电子回旋共振技术或反应离子刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀掉部分多量子阱有源区和氮化镓P型接触层，露出氮化镓N型接触层，形成台面；

3)在露出的氮化镓N型接触层上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作N接触电极；

4)在氮化镓P型接触层上采用热蒸发或电子束蒸发技术制作高反射P接触电极；

5)采用等离子增强化学气相沉积系统在芯片表面沉积介质膜，进行表面钝化及器件保护；

6)将P接触电极与N接触电极上的部分区域的介质膜去除，并在器件的整个表面蒸镀高反射率金属层；

7)将衬底减薄，并进行表面抛光；

8)采用湿法或干法刻蚀技术在衬底表面制作微透镜阵列；

9)将制作完成的器件解理，形成单个芯片；

10)选用高热导率材料作为发光二极管芯片支撑体，并在该支撑体上沉积介质膜，将支撑体上一侧的介质膜腐蚀掉，并在该区域制作N电极引线，在支撑体上的另一侧的介质膜上制作P电极引线；

11)采用电镀、植球技术在支撑体上的N电极引线和P电极引线上制作压焊点；

12)采用倒装焊技术将解理好的芯片与制作完电极、压焊点后的支撑体键合，完成发光二极管的制作。

2.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中该衬底为蓝宝石透明绝缘衬底。

3.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中该高反射率金属层为银高反射率金属层。

4.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中衬底减薄至80μm。

5.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中N接触电极包括：一接触层；一中间金属阻挡层，该中间金属阻挡层制作在接触层上；一金属帽层，该金属帽层3制作在中间金属阻挡层上。

6.根据权利要求5所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中接触层的材料为钛或铝或钽金属；中间金属阻挡层的材料为镍或钛或铂金属；金属帽层的材料为银或金金属。

7.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中P接触电极的材料为镍或钌或铱或银金属或及其组合。

8.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中微透镜阵列采用棱柱形或圆形的几何图形阵列排列。

9.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中介质膜的材料为二氧化硅和/或氮化硅。

10.根据权利要求1所述的采用衬底表面粗化技术的倒装结构发光二极管制作方法，其特征在于，其中N电极引线和P电极引线的材料为银，并将其表面进行钝化处理。

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