CN102354723B - 一种倒装半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒装半导体发光器件及其制造方法，它包括：具有第一表面和第二表面的半导体发光叠层，在半导体发光叠层的第一表面上形成P型欧姆电极和N型欧姆电极，在半导体发光叠层朝上的第二表面形成一层支撑基板，特征是：所述的支撑基板是由玻璃或氧化硅材料制成的。在所述的支撑基板和半导体发光叠层之间设有一层粘接层。本发明的半导体发光器件由于采用有利于出光的倒装结构，从而可以提高芯片的取光效率和可靠性，并具有散热性能好的特点。本发明的半导体发光器件的制造方法能使制造成本大幅下降，从而使得半导体发光器件的成本较低，克服了市场上现有的倒装芯片的制造成本较高的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件，尤其涉及一种倒装半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
发光二极管（LED）具有广泛的用途，随着其发光效率的提高和制造成本的不断下降，近年来已开始进入照明市场，市场规模正在不断扩大。高亮度的LED一般用铟镓铝氮或铟镓铝磷半导体材料制造，其中铟镓铝氮半导体材料可以制造蓝色、绿色以及紫外LED，使用蓝色发光器件配以黄色荧光粉可以制造出白色LED，这是当前照明用LED的主要制造方法。基于铟镓铝氮半导体材料的LED照明灯，虽然已经具有较高的发光效率，然而相对于照明的要求而言，成本仍然很高，即每流明光所花费的成本还需要大幅度下降，才能使LED照明灯普遍地替换现有的照明灯具。为了达到这一目的，需要从两方面努力，一方面使LED芯片的发光效率提高，另一方面则需要使LED芯片的制造成本下降。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种倒装半导体发光器件，该半导体发光器件具有有利于出光的结构，从而可以提高芯片的取光效率和可靠性。
本发明的第二个目的在于提供一种倒装半导体发光器件的制造方法，该制造方法能使制造成本大幅下降，从而使得半导体发光器件的成本较低。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种倒装半导体发光器件，包括：具有第一表面和第二表面的半导体发光叠层，半导体发光叠层朝下的表面为第一表面且为P型导电层，且部分区域的P型导电层被去除并在第一表面上形成一个或多个凹坑，凹坑的底部为N型导电层，在P型导电层上形成P型欧姆电极，在凹坑中的N型导电层上形成N型欧姆电极，且P型欧姆电极和N型欧姆电极之间设有一层或多层绝缘材料层，该绝缘材料层能使电流不能直接在P型欧姆电极和N型欧姆电极之间导通，而只能通过半导体发光叠层导通，即在半导体发光叠层的第一表面上形成P型欧姆电极和N型欧姆电极，在半导体发光叠层朝上的第二表面形成一层支撑基板，特征是：所述的支撑基板是由玻璃或氧化硅材料制成的。
在所述的支撑基板和半导体发光叠层之间设有一层粘接层。
所述粘接层是由透光性好、粘接能力强、容易固化的环氧树脂、硅胶、水玻璃或硅溶胶制成的。
在所述的粘接层中掺有掺入一种或多种用以调节LED发光颜色的光转换物质。
所述的光转换物质是铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉、YAG荧光粉或硫化物荧光粉。它们可以改变半导体层所发的光的波长，吸收半导体发光叠层发出的全部或部分光并使之转换为波长更长的光。
所述的半导体叠层的第二表面的均方根粗糙度>100纳米。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种半导体发光器件的制造方法，特征是：至少包括但不限于以下步骤：
（1）、在一个生长衬底上形成半导体发光叠层，半导体发光叠层朝上的外表面为第一表面且最外层为P型导电层；
（2）、通过反应离子刻蚀或类似的方法把P型导电层部分区域去除并暴露出N型导电层；
（3）、在P型导电层和N型导电层的外表面分别形成P型欧姆电极和N型欧姆电极，并通过绝缘材料层使P型欧姆电极和N型欧姆电极之间的电流不能直接导通；
（4）、通过一种介质使带有P型欧姆电极和N型欧姆电极的半导体发光叠层粘附到一个过渡衬底上；
（5）、把生长衬底去除，并暴露出半导体发光叠层朝下的第二表面；
（6）、在半导体发光叠层的第二表面通过一层粘接层粘上一块玻璃或氧化硅的基板并使粘接层固化，所述的粘接层是环氧树脂、硅胶、水玻璃或硅溶胶材料制成的；
（7）、去除过渡衬底，得到半导体发光器件。
所述生长衬底和过渡衬底均是硅片、蓝宝石片或碳化硅片中的一种，优选方案为硅片，所述的半导体发光叠层为铟镓铝氮材料（InxGayAl1-x-9N）。
在涂覆所述透明的粘接层之前，通过湿法腐蚀或干法刻蚀使所述半导体发光叠层的第二表面的均方根粗糙度大于100纳米。
所述介质是一种具有较好的粘附性、柔软的、容易去除的材料，为蜡、聚氨脂或硅胶中的一种，优选为蜡。
步骤5中的去除生长衬底的方法为湿法或干法或湿法和干法的组合，如生长衬底为硅衬底，则采用湿法，湿法就是用硝酸、氢氟酸、醋酸的混合液把硅衬底腐蚀去除；如生长衬底为蓝宝石衬底，则采用干法，干法就是用激光烧蚀的办法把蓝宝石衬底去除；湿法和干法的组合就是用研磨的方法把生长衬底减薄，然后用一种溶液（例如硝酸、氢氟酸、醋酸的混合液）把剩余的生长衬底腐蚀去除。
在上述方法中，P型欧姆电极和N型欧姆电极的制备包括薄膜蒸镀、退火和光刻等步骤。
在上述方法中，使有机材料固化的方法根据其特性为常温固化、加热固化或光照固化中的一种。
在上述方法中包含了使半导体发光叠层从生长衬底上转移到过渡衬底上的步骤，这些步骤可以是一次也可以是多次，即可以从第一过渡衬底上再转到第二过渡衬底上，以及第三过渡衬底上，等等。但无论经过多少次转移，最终作为支撑基板的有机透明材料必须形成在半导体发光叠层的第二表面，即与P型欧姆电极和N型欧姆电极所在不同的表面，以使光能够出射到支撑基板以外。
本发明的发光器件具有倒装结构，即P型欧姆电极和N型欧姆电极之间在半导体发光叠层的同一个表面（即第一表面），而主要的出光面为另一表面（即第二表面），这种倒装结构的发光器件具有取光效率高、散热性能好的特点，本发明的芯片采用由玻璃或氧化硅来制备支撑基板，成本较低，并且制造方法也能使制造成本大幅下降，从而使得半导体发光器件的成本较低，克服了市场上现有的倒装芯片的制造成本较高的缺点。
由于P型欧姆电极和N型欧姆电极在半导体发光叠层的同一表面，为避免在封装时半导体发光叠层短路，在它们之间需要设置一层或多层绝缘层，比如氮化硅、氧化硅、氮氧硅、氧化铝或氮化铝等的一种。
在本发明中，半导体发光叠层的第一表面的P型欧姆电极、N型欧姆电极及其覆盖层（如电隔离层、扩散阻挡层、焊接层等等），不作为支撑的主体，其总厚度通常只有几个微米，最厚不超过20微米，否则将可能使成本显著增加。这些金属层一般包括N型欧姆电极层、P型欧姆电极层、使两者之间实现隔离的电绝缘介质层、扩散阻挡层、增粘附层、以及压焊层等。
对于铟镓铝氮材料体系制备的LED芯片，N型欧姆电极层一般包含钛、铝、铬等金属及含硅或锗的合金中的一种或几种；P型欧姆电极层一般包含银、铂、金、镍、钌、铹、铱等金属中的一种或几种，或者氧化铟锡（ITO）材料。P型欧姆接触层或N型欧姆接触层一般只有几百到几千埃的厚度，为了保护欧姆电极层的性能在后续加工过程中不被高温或腐蚀性环境所破坏，可以在其表面覆盖扩散/腐蚀阻挡层，这些欧姆电极层一般包含铂、钛、钨、镍、铬、金等金属中的一种或几种或他们的合金。
为使半导体发光器件能够方便地封装成应用产品，在欧姆电极层上还需要制备一层焊接层，该焊接层的作用为使封装支架或模块的电路能够与LED接通。该焊接层一般为金或金锡等导电性能好、稳定性高且熔点较低的材料。如果使用的是金锡等低熔点合金，则要求其和欧姆接触层之间具有足够厚度的扩散阻挡层，以防止低熔点合金熔化时低熔点金属扩散到金属/半导体接触界面而使其性能变差。
本发明的半导体发光器件，N型欧姆电极和P型欧姆电极的形状原则上可以任意设置。对于铟镓铝氮材料体系而言，由于P型导电层的导电能力较差，一般要求P型欧姆电极具有较大的面积。因此本发明中，优选的方案为P型欧姆电极覆盖发光材料的大部分表面，小部分表面通过刻蚀等方法暴露出N型导电层，并在这些区域制备N型欧姆电极。这些刻蚀的区域通常设计成分散的凹坑且比较均匀地分布在发光层表面上，以获得良好的电流扩展，因此P型欧姆电极和N型欧姆电极会形成一种镶嵌的形状。这些分散的N型欧姆电极，通过N焊接层被连接在一起而互相导通。N焊接层和P焊接层之间由于前面所述的绝缘材料层的隔离而不会导通。
本发明的半导体发光器件中，所述的半导体发光叠层和透明的支撑基板之间的界面，可以加工成粗糙的界面，以提高光的取出效率。这一粗糙的界面可以是半导体发光叠层生长时在生长衬底上预先设置的，也可以是去除生长衬底后通过干法刻蚀或湿法腐蚀等工艺制备的。优选方案中，该粗糙的界面的均方根粗糙度大于100纳米。为提高光的取出效率，还可以把有机材料的外表面也加工成粗糙的表面。
本发明的半导体发光器件中，所述的透明有机材料中，可以掺入一种或多种光转换物质，以调节LED发光的颜色，它能吸收半导体发光层所发出的部分或全部光并转换成其它颜色的光。所述的光转换物质可以是铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉、YAG荧光粉或硫化物荧光粉。
因此，本发明的半导体发光器件由于采用倒装结构，即P型欧姆电极和N型欧姆电极之间在半导体发光叠层的同一个表面，而主要的出光面为另一表面，这种倒装结构的发光器件具有有利于出光的结构，从而可以提高芯片的取光效率和可靠性，并具有散热性能好的特点。本发明的芯片采用玻璃或氧化硅材料来制备支撑基板，成本较低，本发明的半导体发光器件的制造方法能使制造成本大幅下降，从而使得半导体发光器件的成本较低，克服了市场上现有的倒装芯片的制造成本较高的缺点。
附图说明
图1是本发明实施例1的半导体发光器件结构示意图；
图2是本发明实施例1中欧姆电极形状示意图；
图3是本发明实施例2的半导体发光器件结构示意图；
图4是本发明实施例2中欧姆电极形状示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明的方法进行进一步的说明。
实施例1：
参照图1和图2，说明本发明的实施例1。
首先在一块蓝宝石衬底上通过金属有机化学汽相沉积法(MOCVD)生长一层半导体发光叠层：氮化镓过渡层，然后依次生长N型氮化镓层1.1（即N型导电层）、铟镓氮多量子阱层1.2、P型氮化镓层1.3（即P型导电层），并通过热退火工艺激活P型氮化镓层1.3。接着在P型氮化镓1.3表面（即半导体发光叠层的第一表面）上通过掩膜形成图2所示的实线条形框2.1，并通过反应离子刻蚀工艺把条形框2.1内的P型氮化镓层1.3和铟镓氮多量子阱层1.2去除，直至暴露出N型氮化镓层1.1。然后用电子束蒸发工艺在P型氮化镓层1.3表面蒸镀一层银反射欧姆电极1.4（即P型欧姆电极），并通过光刻工艺使银反射欧姆电极1.4仅分布于P型氮化镓层1.3的表面，不能覆盖在条形框2.1内的N型氮化镓层1.1上。接下来，继续通过光刻和蒸发工艺在反射欧姆层1.4上覆盖一层保护层：钛/铂/镍 多层结构1.5，该保护层须把反射欧姆层1.4完全包覆且同样不能分布到条形框2.1内的N型氮化镓层1.1表面上。然后用PECVD方法在整个钛/铂/镍 多层结构1.5的表面沉积一层绝缘材料层：二氧化硅绝缘膜1.6，并在该二氧化硅绝缘膜1.6上开出图2中虚线框2.2和2.3所示的凹坑。通过电子束蒸发和光刻等工艺在虚线框2.2和2.3的凹坑中形成铝/钛/铂/镍多层结构1.7（即N型欧姆电极）。此时虚线框2.2内的N型欧姆电极互相之间没有连通，接下来蒸镀一层金锡合金层1.8，把N型欧姆电极连通并形成图2中1.8所示互不联通的P，N电极焊块。接下来，用一种熔化温度>60度的蜡把上述做好P型欧姆电极和N型欧姆电极的半导体发光叠层粘接到另外一个蓝宝石过渡衬底上，用激光剥离技术(Laser Liftoff)把生长用的蓝宝石衬底去除，暴露出N型氮化镓层1.1。在N型氮化镓层1.1上涂覆一层水玻璃1.9，并盖上一块石英片1.10，加热使水玻璃固化，最后用激光切割得到一个个独立的器件。
实施例2：
参照图3和图4，说明本发明的实施例2。
首先在一块硅生长衬底上通过金属有机化学汽相沉积法(MOCVD)生长一层氮化镓过渡层，然后依次生长N型氮化镓层3.1、铟镓氮多量子阱层3.2、P型氮化镓层3.3，并通过热退火工艺激活P型氮化镓层3.3。接着在P型氮化镓层3.3的表面上通过掩膜形成图4所示实线的圆孔4.1，并通过反应离子刻蚀工艺把圆孔4.1内的P型氮化镓层3.3和多量子阱层3.2去除，直至暴露出N型氮化镓层3.1。然后用电子束蒸发工艺在N型氮化镓层3.1的表面蒸镀一层银反射欧姆电极3.4，并通过光刻工艺使反射欧姆层3.4仅分布于P型氮化镓层3.3的表面，而不能覆盖在圆孔4.1内的N型氮化镓层上3.1。接下来，继续通过光刻和蒸发工艺在反射欧姆层3.4上覆盖一层保护层：铬/铂/钛多层结构3.5，该保护层须把反射欧姆层3.4完全包覆且同样不能分布到圆孔4.1内的N型氮化镓层3.1表面上。然后用PECVD方法在整个铬/铂/钛多层结构3.5的表面沉积一层氮化硅绝缘膜3.6，并在该氮化硅绝缘膜3.6上开出图4中所示的虚线孔框4.2和4.3。通过电子束蒸发和光刻等工艺在虚线框4.2和4.3中形成铝/钛/金/铂/镍多层结构3.7。此时，圆孔4.2内的N型欧姆电极互相之间没有连通，接下来蒸镀一层金锡合金层3.8，把N型欧姆电极连通并形成图4中虚线框3.8所示的N，P电极焊块。接下来，用一种熔化温度>100度的蜡把上述做好P型欧姆电极和N型欧姆电极的半导体发光叠层粘接到另外一个蓝宝石过渡衬底上，用硝酸、氢氟酸和醋酸的混合液把生长用的硅衬底去除，暴露出N型氮化镓层3.1，用热的氢氧化钾溶液腐蚀使N型氮化镓层3.1的表面粗糙化得到粗化表面3.9。然后在N型氮化镓层3.1上涂覆一层分散有YAG荧光粉的硅胶3.10，厚度100微米，并在硅胶3.10的上面覆盖一层玻璃片3.11，烘烤使硅胶3.10固化，最后用砂轮切割得到一个个独立的器件。
本说明书给出的两个例子只是本发明的两种典型的实施方案，本发明的发光器件并不限于这两种实施方案。本领域的普通专业人员可以很容易地在此基础上适当地调节某些结构参数或工艺条件而制造出本发明发光器件的其它变型。
Claims (10)
1.一种倒装半导体发光器件，包括：具有第一表面和第二表面的半导体发光叠层，半导体发光叠层朝下的表面为第一表面且为P型导电层，且部分区域的P型导电层被去除并在第一表面上形成一个或多个凹坑，凹坑的底部为N型导电层，在P型导电层上形成P型欧姆电极，在凹坑中的N型导电层上形成N型欧姆电极，且P型欧姆电极和N型欧姆电极之间设有一层或多层绝缘材料层，该绝缘材料层能使电流不能直接在P型欧姆电极和N型欧姆电极之间导通，而只能通过半导体发光叠层导通，即在半导体发光叠层的第一表面上形成P型欧姆电极和N型欧姆电极，在半导体发光叠层朝上的第二表面形成一层支撑基板，其特征在于：所述的支撑基板是由玻璃或氧化硅材料制成的。
2.根据权利要求1所述的倒装半导体发光器件，其特征在于：在所述的支撑基板和半导体发光叠层之间设有一层粘接层。
3.根据权利要求2所述的倒装半导体发光器件，其特征在于：所述粘接层是由透光性好、粘接能力强、容易固化的环氧树脂、硅胶、水玻璃或硅溶胶制成的。
4.根据权利要求2或3所述的倒装半导体发光器件，其特征在于：在所述的粘接层中掺有掺入一种或多种用以调节LED发光颜色的光转换物质。
5.根据权利要求4所述的倒装半导体发光器件，其特征在于：所述的光转换物质是铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉、YAG荧光粉或硫化物荧光粉，它们可以改变半导体层所发的光的波长，吸收半导体发光叠层发出的全部或部分光并使之转换为波长更长的光。
6.根据权利要求1所述的倒装半导体发光器件，其特征在于：所述的半导体叠层的第二表面的均方根粗糙度>100纳米。
7.一种倒装半导体发光器件的制造方法，其特征在于：至少包括但不限于以下步骤：
（1）、在一个生长衬底上形成半导体发光叠层，半导体发光叠层朝上的外表面为第一表面且最外层为P型导电层；
（2）、通过反应离子刻蚀或类似的方法把P型导电层部分区域去除并暴露出N型导电层；
（3）、在P型导电层和N型导电层的外表面分别形成P型欧姆电极和N型欧姆电极，并通过绝缘材料层使P型欧姆电极和N型欧姆电极之间的电流不能直接导通；
（4）、通过一种介质使带有P型欧姆电极和N型欧姆电极的半导体发光叠层粘附到一个过渡衬底上；
（5）、把生长衬底去除，并暴露出半导体发光叠层朝下的第二表面；
（6）、在半导体发光叠层的第二表面通过一层粘接层粘上一块玻璃或氧化硅的基板并使粘接层固化，所述的粘接层是环氧树脂、硅胶、水玻璃或硅溶胶材料制成的；
（7）、去除过渡衬底，得到半导体发光器件。
8.根据权利要求7所述的倒装半导体发光器件的制造方法，其特征在于：所述生长衬底和过渡衬底均是硅片、蓝宝石片或碳化硅片中的一种，，所述的半导体发光叠层为铟镓铝氮材料（InxGayAl1-x-9N）。
9.根据权利要求7所述的倒装半导体发光器件的制造方法，其特征在于：在涂覆所述透明的粘接层之前，通过湿法腐蚀或干法刻蚀使所述半导体发光叠层的第二表面的均方根粗糙度大于100纳米。
10.根据权利要求7所述的倒装半导体发光器件的制造方法，其特征在于：所述介质是一种具有较好的粘附性、柔软的、容易去除的材料，为蜡、聚氨脂或硅胶中的一种。
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| CN107342281A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-10 | 厦门市三安集成电路有限公司 | 一种化合物半导体mim电容结构的制作方法 |
| CN107342281B (zh) * | 2017-06-29 | 2019-05-21 | 厦门市三安集成电路有限公司 | 一种化合物半导体mim电容结构的制作方法 |
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| CN102354723A (zh) | 2012-02-15 |
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