CN102347434A

CN102347434A - 倒装结构的发光二极管芯片及制作方法

Info

Publication number: CN102347434A
Application number: CN2010102439922A
Authority: CN
Inventors: 张楠; 齐胜利; 潘尧波; 朱广敏; 叶青; 郝茂盛
Original assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2030-08-03
Also published as: CN102347434B

Abstract

本发明提供的倒装结构的发光二极管芯片及制作方法，其先在生长衬底上采用外延法依次生长出N型半导体层、量子阱层、及P型半导体层，并在N型半导体层上制作出第一N电极，在P型半导体层上制作出用于键合的第一P电极，由此形成待键合的芯片结构，再在另一高导热衬底上制作出与所述芯片结构上的第一N电极及第一P电极分别对应的第二N电极和第二P电极，并使所述第二N电极和第二P电极相互电隔离，由此形成待键合的基底结构，然后将所述芯片结构和基底结构键合，由此形成的发光二极管芯片，出光效率高，而且也能改善功率型LED的热损伤。

Description

倒装结构的发光二极管芯片及制作方法

技术领域

本发明涉及一种倒装结构的发光二极管芯片及制作方法。

背景技术

发光二极管具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能、发光体接近点光源、薄型灯具材料选择范围大、无需施加反射器、低压、无紫外辐射、在公共环境中使用更为安全、其光源生产的无汞化、对于环境保护和节约能源具有重要意义等诸多优点，因此，在建筑物外观照明、景观照明、标识与指示性照明、室内空间展示照明、娱乐场所及舞台照明、视频屏幕及工业设计等领域有着广泛的应用。尤其是大功率发光二极管，因其可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的LED，关键需要提高器件的内量子效率和外量子效率，而芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。请参阅图1，当辐射出的光子P以入射角θ₁到达第一壁w1，经反射后会以入射角θ₂到达第二壁w2，再次反射后会以入射角θ₃到达第三壁w3，则由入射角θ₂＝90°-θ₁，θ₃＝θ₁，发光二极管芯片所采用的材料均具有一光逃逸锥形临界角(light escape cone critical angle)，因此，只要光子P的入射角θ₁满足条件：光逃逸锥形临界角＜θ₁＜90°-光逃逸锥形临界角时，则光子将因不断地被各壁反射而导致能量在芯片内的消耗，最终无法出光，降低了光提取效率。

现有技术中已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，包括：1)采用诸如倒金字塔等的结构改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗；2)采用诸如谐振腔或光子晶体等结构控制和改变自发辐射；3)采用表面粗化方法，使光在粗化的半导体和空气界面发生漫射，增加其投射的机会；4)在衬底底部制作出有凹凸微结构状的反射镜层；5)利用倒转焊技术等技术手段。其中，现有倒转焊技术大多采用种金球键合方式，此种方式容易损伤芯片，而且键合牢固性也不甚理想，因此，如何突破现有键合工艺，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有新型键合工艺的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法及所形成的芯片。

本发明的另一目的在于提供一种具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法，包括步骤：1)在一半导体衬底上采用外延法依次生长出N型半导体层、量子阱层、及P型半导体层，并在N型半导体层上制作出第一N电极，在P型半导体层上制作出用于键合的第一P电极，由此形成待键合的芯片结构；2)在另一高导热衬底上制作出与所述芯片结构上的第一N电极及第一P电极分别对应的第二N电极和第二P电极，并使所述第二N电极和第二P电极相互电隔离，由此形成待键合的基底结构；以及3)将所述芯片结构和基底结构堆叠后，采用高温高压使所述第一N电极与所述第二N电极键合、使所述第一P电极与所述第二P电极键合，由此形成发光二极管芯片。

所形成的倒装结构的发光二极管芯片，包括：芯片结构和与所述芯片结构键合的基底结构；其中，芯片结构包含半导体衬底层、N型半导体层、量子阱层、P型半导体层，N型半导体层上的第一N电极、及P型半导体层上的第一P电极；基底结构包含高导热衬底、相互隔离的第二N电极和第二P电极，且所述第一N电极与所述第二N电极键合、所述第一P电极与所述第二P电极键合。

本发明的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法，包括步骤：1)在一圆片上制备芯片结构阵列，其中，每一芯片结构包含半导体衬底层、N型半导体层、量子阱层、P型半导体层、N型半导体层上的第一N电极、及P型半导体层上的第一P电极；2)在另一圆片上制备基底结构阵列，其中，每一基底结构包含高导热衬底、相互隔离的第二N电极和第二P电极；3)将形成有基底结构阵列的圆片进行裂片以形成多个分离的基底结构；4)采用高温高压将具有芯片结构阵列的圆片的每一芯片结构各自与一基底结构进行第一次键合，以使各芯片结构中的第一N电极、第一P电极分别与对应的基底结构中的第二N电极、第二P电极键合；以及5)采用高温高压再对第一次键合后的结构进行第二次键合由此形成具有发光二极管芯片的圆片。

其中，所述第二N电极和第二P电极之间可采用二氧化硅隔离。

其中，所述N型半导体层和P型半导体层分别为N型GaN层和P型GaN层；所述半导体衬底可为蓝宝石衬底。

其中，在P型半导体层和第一P电极之间还可有导电层和反射镜。

其中，在步骤1)的芯片结构阵列制备过程中包括正划片步骤，即在圆片上形成了N型半导体层、量子阱层和P型半导体层后，进行划片，然后再在各分离的结构上制备第一N电极和第一P电极；或者在形成了导电层和反射镜层后进行划片，然后再制备第一N电极和第一P电极。

综上所述，本发明的倒装结构的发光二极管芯片及其制作方法通过将基底结构采用倒装焊设备或键合设备键合到芯片上，使光从蓝宝石背面出光，减少了电极对光的影响，提高了出光效率，同时，由于该技术采用高导热的键合基板，提高了芯片的散热效率，很大程度的改善了功率型LED的热损伤。

附图说明

图1为现有芯片出光示意图。

图2为本发明的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法所形成的芯片结构示意图。

图3为本发明的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法所形成的基底结构示意图。

图4为本发明的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法所形成的发光二极管芯片示意图。

图5为本发明的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法所形成的芯片结构阵列示意图。

图6为本发明的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法所形成的基底结构阵列示意图。

图7为本发明的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法所形成的键合结构示意图。

图8为本发明的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法所形成的圆片结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法进行详细说明。

本发明的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法包括以下步骤：

首先，在一半导体衬底上采用外延法依次生长出N型半导体层、量子阱层、及P型半导体层，并在N型半导体层上制作出第一N电极，在P型半导体层上依次制作出用于键合的第一P电极，由此形成待键合的芯片结构，如图2所示，为提高出光率，可在P型半导体层和第一P电极之间再增加制作导电层和反射镜。在本实施例中，半导体衬底可为蓝宝石衬底，所述N型半导体层可为N型GaN层，所述P型半导体层可以是P型GaN层。此外，芯片结构上还可具有芯片焊盘等。

接着，在另一高导热衬底上制作出与所述芯片结构上的N电极及P电极分别对应的第二N电极和第二P电极，并使所述第二N电极和第二P电极相互电隔离，由此形成待键合的基底结构，如图3所示，其中，所述第二N电极和第二P电极可由二氧化硅来隔离。需要说明的是，基底结构的尺寸比芯片结构的尺寸要稍大，以便后续引出发光二极管芯片的电极。

最后，将所述芯片结构和基底结构堆叠后，采用高温高压使所述第一N电极与所述第二N电极键合、使所述第一P电极与所述第二P电极键合，由此形成发光二极管芯片，如图4所示。当然，也可将所述芯片结构叠放在上，而基底结构叠放在下进行键合。

由此，可形成一种倒装结构的发光二极管芯片，它包括：芯片结构和与所述芯片结构键合的基底结构，其中，芯片结构可包含半导体衬底层、N型半导体层(即N-GaN层)、量子阱层、P型半导体层(即P-GaN层)，N-GaN层上的第一N电极、及P-GaN层上的第一P电极，在P-GaN层和第一P电极之间还可有导电层和反射镜等；所述基底结构可包含高导热衬底、相互隔离的第二N电极和第二P电极，且所述第一N电极键合于所述第二N电极、所述第一P电极键合于所述第二P电极。

在此基础上，本发明的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法如下：

首先，在一圆片上制备芯片结构阵列，如图5所示，其中，每一芯片结构包含半导体衬底层(如蓝宝石衬底)、N型半导体层1(如N-GaN层)、量子阱层2、P型半导体层3(如P-GaN层)、N型半导体层上的第一N电极、及P型半导体层上的第一P电极6(在P-GaN层和第一P电极之间还可有导电层4和反射镜5等)；需要说明的是，在芯片结构阵列制备过程中包括正划片步骤，即在圆片上形成了N型半导体层、量子阱层和P型半导体层或者形成了导电层4和反射镜5后，进行划片，划片的深度深入至蓝宝石衬底，然后再在各分离的结构上制备第一N电极和第一P电极；或者在形成了导电层和反射镜层后进行划片，然后再制备第一N电极和第一P电极，如此可有效减小应力；接着再在另一圆片上制备基底结构阵列，如图6所示，其中，每一基底结构包含高导热衬底、相互隔离的第二N电极7和第二P电极6(两者之间可由二氧化硅8隔离)等，再将形成有基底结构阵列的圆片进行裂片以形成多个分离的基底结构；接着采用高温高压将具有芯片结构阵列的圆片的每一芯片结构各自与一基底结构进行第一次键合，以使各芯片结构中的第一N电极、第一P电极分别与对应的基底结构中的第二N电极、第二P电极键合，如图7所示；最后采用高温高压再对第一次键合后的结构进行第二次键合由此形成具有发光二极管芯片的圆片，由此形成具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片，如图8所示，然后减薄蓝宝石衬底，再裂片后就可形成单个发光二极管芯片。需要说明的是，单个的基底结构的尺寸比芯片结构的尺寸要稍大，以便最后引出发光二极管芯片的电极。

综上所述，本发明的倒装结构的发光二极管芯片及其制作方法是将已做好键合层的基底结构采用倒装焊设备或键合设备键合到芯片上，使光从蓝宝石背面出光，减少了电极对光的影响，提高了出光效率；同时，由于该技术采用高导热的键合基底，提高了芯片的散热效率，很大程度的改善了功率型LED的热损伤；相对于传统的种金球键合方式，该技术更有利于增加芯片的键合牢固性，增加芯片的热扩散面积，降低芯片的热阻。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种倒装结构的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于包括步骤：

1)在一半导体衬底上采用外延法依次生长出N型半导体层、量子阱层、及P型半导体层，并在N型半导体层上制作出第一N电极，在P型半导体层上制作出用于键合的第一P电极，由此形成待键合的芯片结构；

2)在另一高导热衬底上制作出与所述芯片结构上的第一N电极及第一P电极分别对应的第二N电极和第二P电极，并使所述第二N电极和第二P电极相互电隔离，由此形成待键合的基底结构；

3)将所述芯片结构和基底结构堆叠后，采用高温高压使所述第一N电极与所述第二N电极键合、使所述第一P电极与所述第二P电极键合，由此形成发光二极管芯片。

2.如权利要求1所述的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：在P型半导体层和第一P电极之间形成有导电层和反射镜。

3.如权利要求1所述的倒装结构的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述第二N电极和第二P电极之间采用二氧化硅隔离。

4.一种倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于包括：

芯片结构，其包含半导体衬底层、N型半导体层、量子阱层、P型半导体层，N型半导体层上的第一N电极、及P型半导体层上的第一P电极；

与所述芯片结构键合的基底结构，其包含高导热衬底、相互隔离的第二N电极和第二P电极，且所述第一N电极与所述第二N电极键合、所述第一P电极与所述第二P电极键合。

5.如权利要求4所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述第二N电极和第二P电极之间采用二氧化硅隔离。

6.如权利要求4所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：在P型半导体层和第一P电极之间还有导电层和反射镜。

7.一种具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法，其特征在于包括：

1)在一圆片上制备芯片结构阵列，其中，每一芯片结构包含半导体衬底层、N型半导体层、量子阱层、P型半导体层、N型半导体层上的第一N电极、及P型半导体层上的第一P电极；

2)在另一圆片上制备基底结构阵列，其中，每一基底结构包含高导热衬底、相互隔离的第二N电极和第二P电极；

3)将形成有基底结构阵列的圆片进行裂片以形成多个分离的基底结构；

4)采用高温高压将具有芯片结构阵列的圆片的每一芯片结构各自与一基底结构进行第一次键合，以使各芯片结构中的第一N电极、第一P电极分别与对应的基底结构中的第二N电极、第二P电极键合；

5)采用高温高压再对第一次键合后的结构进行第二次键合由此形成具有发光二极管芯片的圆片。

8.如权利要求7所述的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法，其特征在于：在P型半导体层和第一P电极之间还有导电层和反射镜。

9.如权利要求7或8所述的具有倒装结构的发光二极管芯片的圆片的制作方法，其特征在于：在步骤1)的芯片结构阵列制备过程中包括正划片步骤，即在圆片上形成了N型半导体层、量子阱层和P型半导体层后，进行划片，然后再在各分离的结构上制备第一N电极和第一P电极；或者在形成了导电层和反射镜层后进行划片，然后再制备第一N电极和第一P电极。