CN103840073B - 倒装发光二极管器件及其制造方法 - Google Patents

倒装发光二极管器件及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103840073B
CN103840073B CN201410093922.1A CN201410093922A CN103840073B CN 103840073 B CN103840073 B CN 103840073B CN 201410093922 A CN201410093922 A CN 201410093922A CN 103840073 B CN103840073 B CN 103840073B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layers
layer
gan
electrode
emitting diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410093922.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103840073A (zh
Inventor
邵春林
林岳明
汪英杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inner Mongolia Huayan Xinguang Technology Co., Ltd.
Original Assignee
INNER MONGOLIA HUAYAN XINGUANG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INNER MONGOLIA HUAYAN XINGUANG TECHNOLOGY Co Ltd filed Critical INNER MONGOLIA HUAYAN XINGUANG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority to CN201410093922.1A priority Critical patent/CN103840073B/zh
Publication of CN103840073A publication Critical patent/CN103840073A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103840073B publication Critical patent/CN103840073B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor
    • H01L33/405—Reflective materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/483—Containers
    • H01L33/486—Containers adapted for surface mounting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/62—Arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body, e.g. lead-frames, wire-bonds or solder balls
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
    • H01L33/641—Heat extraction or cooling elements characterized by the materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008—Processes
    • H01L2933/0033—Processes relating to semiconductor body packages

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种倒装发光二极管器件，其包括：A）倒装基板，该基板包括绝缘性基板或导电性基板及其上的各种配件；B）发光二极管，其正面具有n‑GaN层（3）作为发光层，其背面具有n侧电极和p侧电极；其中所述发光二极管的n侧电极与所述倒装基板的第一贴合电极电接触，所述发光二极管的p侧电极与所述倒装基板的第二贴合电极电接触。本发明还涉及上述倒装发光二极管器件的制造方法。

Description

倒装发光二极管器件及其制造方法
技术领域
本发明属于发光二极管制造领域。
技术背景
氮化镓（GaN）半导体材料是氮化物半导体材料中重要的材料，氮化物半导体材料能带是直接间隙半导体，适宜用来制造光电器件。
以氮化镓基化合物半导体材料制成的发光器件的波长范围由深紫外到红外光谱的范围，覆盖了整个可见光的波段范围。
氮化镓基化合物半导体材料已用来制造如发光二极管（LED）的发光器件，用来照明和指示等。
发光二极管是一种将电能转换成光能的半导体器件。由于目前发光二极管的芯片未达到将注入的电能全部转换成光能的水平，注入电能的一部分转换成光能，一部分转换成热能，致使发光管芯片部分的温度上升，使发光二极管的电特性和光特性劣化。所以，发光二极管特别是大功率的发光二极管的散热问题一直是发光二极管设计、制造工程师们应解决的难题之一。
本发明专利提出的倒装型发光二极管器件及其制造方法，改善了芯片的散热效果、降低了发光二极管结温、提高了芯片的发光效率。
此外，提高芯片各个方位的出光效率也是发光二极管制造者们关心的另一个问题，本发明提出了综合型的解决方案，提高了发光二极管的出光效率。
发明概述
本发明的第一方面提供了一种倒装发光二极管器件；其包括：
A）倒装基板，该基板包括：
绝缘性基板17，其至少具有第一通孔和第二通孔，各通孔内放置贯通导电体20；第一通孔内的贯通导电体20在所述绝缘性基板17的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第一组装电极，在所述绝缘性基板17的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18，作为第一贴合电极；第二通孔内的贯通导电体20在所述绝缘性基板17的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第二组装电极，在所述绝缘性基板17的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18，作为第二贴合电极；或者
导电性基板19，其上具有至少一个通孔，所述通孔内放置贯通导电体20，所述贯通导电体20在所述导电性基板19的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第一组装电极，所述贯通导电体20在所述导电性基板19的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18作为第一贴合电极，所述贯通导电体20、第一组装电极和第一贴合电极均通过绝缘层21与该导电性基板19绝缘；且所述导电性基板19本身的至少一部分的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第二组装电极，且所述导电性基板19本身的该至少一部分的正面上从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18作为第二贴合电极；
B）发光二极管，其正面具有n-GaN层3作为出光层，其背面具有n侧电极和p侧电极；
其中所述发光二极管的n侧电极与所述倒装基板的第一贴合电极电接触，所述发光二极管的p侧电极与所述倒装基板的第二贴合电极电接触。
本发明的第二方面提供了一种倒装发光二极管器件的制造方法，包括以下步骤：
A）提供如本发明的第一方面中所提到的倒装基板；
B）提供发光二极管半成品，其中，该半成品依次包括以下各层：
硅衬底1；AlN缓冲层2；n-GaN层3；n-AlGaN层4；至少一对超晶格层5，每对超晶格层由叠置的AlN层和GaN层组成；n-GaN层6；至少一对量子阱层7，每对量子阱层由叠置的GaN层和InGaN层组成；电子阻挡层8，其为p-AlGaN层；和，p-GaN层9；
其中，在该p-GaN层9上的第一局部区域上设置p侧电极，该p侧电极包括：p侧金属电极11p；中间过渡层12，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层13；
其中，在该p-GaN层9上与第一局部区域不同的第二局部区域，腐蚀去除p-GaN层9，电子阻挡层8，量子阱层7，露出层n-GaN层6，在该露出的n-GaN层6上设置n侧电极，该n侧电极包含：n侧金属电极11n；中间过渡层15，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层16；
C）将上述发光二极管半成品倒装在所述倒装基板上，使得所述发光二极管的n侧电极的焊料金属层16与所述倒装基板的第一贴合电极电接触；所述发光二极管的p侧电极的焊料金属层13与所述倒装基板的第二贴合电极电接触；
D）升温使得所有焊料金属层融化；然后冷却，则融化后焊料金属重新固化，将倒装基板与发光二极管成品焊接在一起；
E）从所述发光二极管半成品上剥离硅衬底1和AlN缓冲层2，以便暴露出n-GaN层3，该n-GaN层3作为所述LED芯片的出光层。
任选地，在上述步骤E之后，还对露出的n-GaN层3的外表面用常规n-GaN腐蚀液进行粗化处理，以提高发光二极管的出光效率。
附图简述
图1是用于制备本发明的发光二极管器件中的发光二极管的原料外延片结构图，其带有硅衬底且尚未被加工出n侧电极和p侧电极。
图2是图1的原料外延片局部区域，腐蚀去除p-GaN层9，电子阻挡层8，量子阱层7，露出n-GaN层6状态的结构示意图。
图3是在图2基础上覆上保护膜10，并分别做好p侧金属电极11p和n侧金属电极11n之后的结构示意图。
图4是在其中的p侧金属电极11p上又覆上中间过渡层12和焊料金属层13后的示意图，至此，p侧电极加工完成。
图5-1至图5-5是n侧电极的加工过程示意图。加工n侧电极和p侧电极后得到的结构被称为所述发光二极管半成品。
图6至图8是本发明的倒装发光二极管器件中的倒装基板的结构示意图和加工过程图，其中图6和图7为主视图，图8为俯视图。其中该倒装基板为绝缘性基板。
图9至图10是本发明的倒装发光二极管器件中的倒装基板的结构示意图和加工过程图，其中该倒装基板为导电性基板。
图11是完成n侧电极和p侧电极加工后的发光二极管的结构示意图，其中仅示出了其临近正背两面的各层，中间各层略去未标注。该图11所示之物也是所述发光二极管半成品。
图12是将图11所示的发光二极管半成品倒装在绝缘基板上的示意图，其中硅衬底和AlN缓冲层尚未被剥离。
图13是本发明的倒装发光二极管器件的结构示意图，其中硅衬底层和AlN缓冲层已经被剥离，露出了n-GaN出光层。
图14是对图13中的n-GaN出光层进行表面粗化处理后的倒装发光二极管器件，并显示了出光方向。
各图中的附图标记所指代的对象如下：
1、硅衬底；2、AlN缓冲层；3、n-GaN层；4、n-AlGaN层；5、至少一对超晶格层,该超晶格层由叠置的AlN层和GaN层组成;6、n-GaN层；7、至少一对量子阱层，每对量子阱层由叠置的GaN层和InGaN层组成；8、电子阻挡层，其为p-AlGaN层；9、p-GaN层；10、保护膜；11p、p侧金属电极；11n、n侧金属电极；12、p侧中间过渡层；13、p侧焊料金属层13；14、光刻胶；15、n侧中间过渡层；16、n侧焊料金属层；17、绝缘性基板；18、焊料金属层；19、导电性基板；20、贯通导电体；21、绝缘层。
以上附图仅用于示例性地显示本发明的倒装发光二极管器件的结构及其制作方法，并不以任何方式限制本发明。
发明详述
本发明提供一种倒装方式的氮化物半导体发光二极管器件及其制造方法。通过独特的器件结构改善了芯片的散热效果、降低了发光二极管结温、提高了芯片的发光效率，从而提高了发光二极管的发光效率。
本发明中采用硅基板为衬底生长氮化物半导体材料，使半导体器件方便地与衬底剥离。采用AlN为缓冲层并采用GaN/AlN超晶格层中间过渡层，改善生长在衬底上的GaN半导体材料的性能，减少晶体的位错密度，获得高质量的GaN半导体层，从而使后续生长的半导体材料的性能得到提高，使器件有源层的晶体质量提高，从而提高发光二极管的发光效率，增长了发光二极管的寿命。
本发明提供了以GaN基化合物半导体材料制造的倒装形式的发光二极管器件的制造方法，同时实施了发光二极管与衬底的剥离和剥离后的GaN表面粗化的方法，综合性地改善发光二极管发光效率。
以下结合附图详细介绍本发明的倒装发光二极管器件及其制备方法。
本发明的第一方面中的倒装发光二极管器件总体上讲包含两个部分，一个是倒装基板，一个是发光二极管。
其中，倒装基板作为固定安装发光二极管用的基板，其上至少具有两个电极，用于将发光二极管的p侧电极和n侧电极与外部电源的正负极相连，形成导电通路。
在一个实施方案中，参见图7和图8，该倒装基板包括：绝缘性基板17，其至少具有第一通孔和第二通孔，各通孔内放置贯通导电体20；第一通孔内的贯通导电体20在所述绝缘性基板17的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第一组装电极，在所述绝缘性基板17的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18，作为第一贴合电极；第二通孔内的贯通导电体20在所述绝缘性基板17的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第二组装电极，在所述绝缘性基板17的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18，作为第二贴合电极。这样的组装电极/贴合电极对可以根据需要做成多对，如图8所示。
倒装基板也可以其它方式来实现，如图10所示，导电性基板19，其上具有至少一个通孔，所述通孔内放置贯通导电体20，所述贯通导电体20在所述导电性基板19的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第一组装电极，所述贯通导电体20在所述导电性基板19的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18作为第一贴合电极。所述贯通导电体20、第一组装电极和第一贴合电极均通过绝缘层21与该导电性基板19绝缘，这样的第一组装电极/第一贴合电极对可以根据需要做成多对；且所述导电性基板19本身的至少一部分的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第二组装电极，且所述导电性基板19本身的该至少一部分的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层18作为第二贴合电极。
优选地，所述倒装基板由热膨胀系数接近GaN的热膨胀系数、且导热系数大（例如大于20W/m·K）的材料构成。二者的热膨胀系数接近可以确保二者之间的热应力最小，导热系数大可以提高二者之间的热传导效率。其中“接近”是指以GaN材料的热膨胀系数为基准，倒装基板的热膨胀系数与GaN材料的热膨胀系数相差±60%以内，优选±40%以内，更优选±20%以内。
本发明中的发光二极管整体上呈膜状或片状，其正面的n-GaN层3作为出光层，其背面具有n侧电极和p侧电极。图13中在倒装基板上方示意性地示出了本发明的发光二极管的整体结构，其中仅示出了其临近正背面各层的附图标记，其余各层未详细示出。关于各层的具体结构以及p侧电极和n侧电极的细节结构，将在下文中以及图3至图5中详细说明。
本发明中的发光二极管具有p侧电极和n侧电极，由构成发光二极管的半导体材料p型层引出的电极称之为p侧电极；由构成发光二极管的半导体材料n型层引出的电极称之为n侧电极。
总体来讲，在所述发光二极管的n-GaN层3出光层的内侧还依次具有：n-AlGaN层4；至少一对超晶格层5，该超晶格层由叠置的AlN层和GaN层组成；n-GaN层6；至少一对量子阱层7，每对量子阱层由叠置的GaN层和InGaN层组成；电子阻挡层8，其为p-AlGaN层；p-GaN层9；
其中，在该p-GaN层9上的第一局部区域上设置p侧电极，该p侧电极包括：p侧金属电极11p；中间过渡层12，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层13；
其中，在该p-GaN层9上与第一局部区域不同的第二局部区域，腐蚀去除p-GaN层9，电子阻挡层8，量子阱层7，露出层n-GaN层6，在该露出的n-GaN层6上设置n侧电极，该n侧电极包括：n侧金属电极11n；中间过渡层15，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层16
上文所述的发光二极管是由发光二极管的半成品，经过剥离硅衬底1和缓冲层2后得到的。
下面参照附图，以硅为衬底的倒装型GaN基发光二极管为例，说明本发明的倒装发光二极管器件的结构以及制造方法。
1、硅衬底LED结构的外延生长
原理上讲，利用有机金属化学气相沉积法（MOCVD），以三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）作为Ga的原材料，以氨气（NH3）高温分解作为N的原材料，在硅衬底上生长GaN半导体薄膜，该GaN半导体薄膜在化学气相沉积过程中以硅掺杂则获得n-GaN，以镁掺杂则获得p-GaN。具体如下：
首先，通过清洗工艺，去除硅衬底表面的金属离子、氧化物、颗粒、油污等后，将硅衬底1放入有机金属化学气相沉积（MOCVD）炉中，在H2或者NH3气氛中高温对硅衬底表面进一步清洁处理。
然后，在温度1180℃的情况下堆积20纳米厚的AlN薄膜2作为缓冲层。
在缓冲层的上面，顺次外延n-GaN薄膜3和n-AlGaN薄膜4，例如Al的成分27%,n-AlGaN的厚度为20纳米，生长温度1180℃。
继续以化学气相沉积法生长20对GaN/AlN（2nm/2.5nm）超晶格层5，然后生长厚度为1.5微米的n-GaN层6。
在n-GaN层6上继续以化学气相沉积法生长InGaN/GaN量子阱层7，阱的厚度为4纳米，垒的厚度为8纳米，共计9对。
继续以化学气相沉积法生长p-AlGaN电子阻挡层8，例如Al的成分15%,厚度20纳米。最后生长120纳米厚的p-GaN层9，完成具有LED结构的原料外延片（图1）。
2、加工出p侧电极和n侧电极
具有LED结构层的原料外延片经过清洗去除表面的油污、颗粒等，用光刻干法刻蚀的方法，在其中的一部分区域进行刻蚀，直至露出n-GaN层6，参见图2。
然后，参见图3，用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）在p层和n层表面上形成保护膜10，该保护膜的材料例如为SiO2或SiNx，并用光刻法在p侧和n侧的电极位置刻蚀去除保护膜10，即打开窗口，然后向p侧的窗口内蒸发Al/Ag（Al/Ag层表示叠置的Al层和Ag层，余类推）形成具有欧姆接触和光反射作用的金属电极，作为p侧金属电极11p，并向n侧的窗口内蒸发Ti/Al层形成具有欧姆接触和光反射作用的金属电极，作为n侧金属电极11n。本发明的优选实施方案中，上述p侧金属电极11p和n侧金属电极11n对于波长405纳米的光具有大于90%的反射率。
然后，在p侧金属电极11p上，用蒸发金属的方法蒸镀Cr/Cu/Au（0.15微米/1微米/0.1微米）中间过渡层12，其中Cr层起增强附着性和防止焊料金属扩散的作用，Cu层可增加焊料的溶润性，Au层起防氧化的作用。再在中间过渡层上蒸发焊料金属层13，焊料金属的组分是Sn和Pb，其比例为Sn:Pb=5:95（重量比），焊料金属层的厚度控制在250纳米上下。至此，完成p侧电极的加工，完工后的p侧电极的结构如图4所示。
下面结合图5-1至5-5，来说明n侧电极的加工过程：
先在整个器件表面涂覆一层光刻胶14，然后用光刻法打开n侧金属电极上方的窗口，得到如图5-1所示的结构。
然后，用蒸发金属的方法蒸镀Cr/Cu/Au（各层厚度可调）中间过渡层15，得到如图5-2所示的结构。
然后用蒸发金属的方法涂覆一层焊料金属层16，焊料金属的组分是Sn和Pb，其比例为Sn:Pb=5:95。得到如图5-3所示的结构。
然后通过光刻胶剥离的方法，去掉图5-3中虚线框所示的部分，得到如图5-4所示的结构。
视情况而定，使n侧电极再经过氮气气氛的高温炉使焊料的成分均匀化，焊料与中间过渡层的接触性更佳。同时，由于焊料的表面张力，使原呈平面状的焊料膜层变成半球形的凸起电极（图5-5），至此，完成n侧电极的加工。此n侧凸起电极的高度要求控制到与p侧电极侧焊料金属的上表面处于同一平面，便于该发光二极管的倒装。凸起的高度由焊料金属的厚度及圆形焊料直径的大小进行调整。
3、倒装基板的制造
倒装基板可采用热膨胀系数接近GaN，而导热系数大的材料。如硅片（导热系数约200W/m·K）、AlN（导热系数约200W/m·K）、氧化铝陶瓷（导热系数约20W/m·K）等材料。
一种方案是使用绝缘性基板（参见图6和图7），倒装基板采用绝缘性硅单晶为基板，其双面具有电极的方案，一面是与发光二极管电极的贴合面（正面），另一面为与外部电源相连接的组装面（背面）。贴合面的电极材料为Ni/Au金属材料，厚度为30纳米/100纳米，然后再蒸镀上Sn/Pb焊料金属层18，其组分比例为Sn:Pb=10:90，总厚度控制在2微米。组装面（背面）的电极是Ni/Au金属材料，厚度为30纳米/100纳米。
处于倒装基板正、背两面的贴合电极和组装电极分别用倒装基板上的贯通导电体作电连接。倒装基板上的贯通导电体的个数和位置，与发光二极管上相应的n侧电极和p侧电极个数和位置对应。发光二极管尺寸较小时，其只具有一个n侧电极和一个p侧电极，分别与倒装基板正面的相应的第一贴合电极和第二贴合电极相联。当发光二极管尺寸较大时，其具有两对或更多对n侧电极和p侧电极，分别与倒装基板正面的相应对数的第一贴合电极和第二贴合电极相联。在某些实施方案中，其中某几个相同类型的电极还可以集成成一个电极。
贯通导电体是用导电浆填满贯通孔或金属蒸发法蒸发的导电金属充填贯通孔而形成的。
可并列选择的另一种方案是采用导电性硅单晶为倒装基板，其双面具有电极的方案，一面是与发光二极管电极的贴合面（正面），另一面为与外部电源相连接的组装面（背面）。参见图10，描述其制备过程：
首先将导电性硅单晶片按设计的要求，在每个发光二极管的n侧电极的位置用等离子刻蚀的方法刻蚀贯通孔。然后将导电性硅单晶片经过干法氧化的方法，氧化一层致密的耐电场强度良好的、厚度大于100纳米的二氧化硅层，作为绝缘层。
用光刻的方法，腐蚀去除p侧电极区域的二氧化硅绝缘层，剩下n侧电极区的二氧化硅绝缘层。
再根据设计图形的要求，在该导电性基板的正面的n侧电极和p侧电极区域蒸镀贴合面的电极，贴合面的电极材料为Ni/Au金属材料，厚度为30纳米/100纳米。然后再蒸镀上Sn/Pb焊料金属层18，其组分比例为Sn:Pb=10:90，总厚度控制在2微米。
同样地，在组装面（背面）根据设计要求在n电极侧和p电极侧区域蒸镀组装面的电极，组装面的电极材料是Ni/Au金属材料，厚度为30纳米/100纳米(图10)。
贴合面的n电极和组装面的n电极是通过贯通导电体形成电连接的，贯通导电体是用导电浆填满贯通孔或金属蒸发法蒸发的导电金属充填贯通孔而形成的。而贴合面的p电极和组装面的p电极是通过导电性硅单晶倒装基板本身形成电的连接。
4、将发光二极管半成品倒装至倒装基板上
将前述发光二极管半成品的硅衬底面朝上，电极侧朝下，面向前述倒装基板的正面，进行位置对准，即其中所述发光二极管的n侧电极与所述倒装基板的第一贴合电极电接触，所述发光二极管的p侧电极与所述倒装基板的第二贴合电极电接触，如图12所示进行接触，并在中性保护气氛如N2下，升温使焊料熔融键合（图13），完成发光二极管的倒装工序。
5、硅衬底和AlN缓冲层的剥离
首先对硅衬底进行减薄处理。为了提高硅衬底剥离的效率，通过研磨的工序将硅片减薄到120-150微米，该厚度应根据硅片的口径的大小决定。
再用耐腐蚀材料，如光刻胶保护发光器件不受硅腐蚀液的损伤；投入硅腐蚀液中将硅衬底1腐蚀掉。
硅腐蚀液，例如可选择NHA（即氢氟酸、硝酸和水及冰醋酸的混合物）各向同性腐蚀液，该腐蚀液利用硝酸将硅表面氧化成二氧化硅，再利用氢氟酸将形成的二氧化硅溶解去除，使硅腐蚀。腐蚀液中添加醋酸作为缓冲剂，以抑制硝酸的解离。改变硝酸与氢氟酸的比例，并配合醋酸添加与水的稀释调整蚀刻速率。
再用腐蚀液将AlN缓冲层2腐蚀掉，直至最后露出n-GaN层3，该n-GaN层3不溶于所述腐蚀液。
6、n-GaN层的表面粗化
硅衬底1和AlN缓冲层被剥离后，对露出的n-GaN层3的外表面进行粗化，提高发光二极管的出光效率。用常规n-GaN腐蚀液对n-GaN层进行表面腐蚀，25℃下90分钟的腐蚀可形成坑坑洼洼的的粗化n-GaN层表面，表面粗糙度约数百纳米。形成该粗化表面可以提高发光二极管的出光效率（见图14）。
7、各倒装发光二极管器件的分割
以上过程可在一块面积很大的硅衬底上进行，一次制出含多个倒装发光二极管器件的阵列，然后去除保护器件的腐蚀涂层，沿单个器件的切割分离线分离各个器件，获得独立的倒装发光二极管器件。
与传统的非倒装型的发光二极管器件相比，本发明的优点如下：
本发明中将发光二极管倒装在倒装基板上，由于采用了倒装技术，倒装基板采用热导系数好的硅基板，有利于热传导散热；采用贯穿导电体电连接的双面电极结构设计，使器件的尺寸最小化，实现了直接贴片式结构，进一步地提高了发光二极管的散热性能，同时发光二极管的金属电极具有高的光反射效率（对于波长405纳米的光，反射率大于90%）。以上各种措施，大大改善了发光二极管的散热条件，降低了发光二极管结温，进而使发光二极管的发光效率得到提升。此外，在传统发光二极管中，发光二极管上用于与外部电源进行电连接的p侧电极和n侧电极做在p-GaN层的同一侧，这些电极本身占据了一部分宝贵的出光面积，导致有效出光面积降低。而本发明中，p侧电极位于n-GaN层3出光面的背面，不占据任何出光面积，提高了有效的出光面积。
此外，通过剥离掉硅衬底和AlN缓冲层，并对露出的n-GaN3表面进行粗化，也进一步提高了发光二极管的出光效率。
以上的各种措施的实施提供了综合性地改善发光二极管发光效率的方案。
此外，发光二极管与倒装基板之间通过焊料熔融的方法形成二者相应电极之间的电连接，降低了器件的制造成本。

Claims (8)

1.一种倒装发光二极管器件；其包括：
A)倒装基板，该基板为导电性基板(19)，其上具有至少一个通孔，所述通孔内放置贯通导电体(20)，所述贯通导电体(20)在所述导电性基板(19)的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第一组装电极，所述贯通导电体(20)在所述导电性基板(19)的正面从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层(18)作为第一贴合电极，所述贯通导电体(20)、第一组装电极和第一贴合电极均通过绝缘层(21)与该导电性基板(19)绝缘；且所述导电性基板(19)本身的至少一部分的背面从内到外依次覆有Ni层和Au层作为第二组装电极，且所述导电性基板(19)本身的该至少一部分的正面上从内到外依次覆有Ni层、Au层和焊料金属层(18)作为第二贴合电极；所述导电性基板(19)为导电性单晶硅基板；
B)发光二极管，其正面具有n-GaN层(3)作为出光层，其背面具有n侧电极和p侧电极；所述发光二极管的出光面积等于所述出光层n-GaN层(3)的面积；
其中所述发光二极管的n侧电极与所述倒装基板的第一贴合电极电接触，所述发光二极管的p侧电极与所述倒装基板的第二贴合电极电接触。
2.权利要求1的倒装发光二极管器件，其中作为出光层的所述至少一层n-GaN层(3)是粗化了的n-GaN层。
3.权利要求1的倒装发光二极管器件，其中所述倒装基板由热膨胀系数与GaN材料相差±60％以内且导热系数大于20W/m·K的材料构成。
4.权利要求1的倒装发光二极管器件，该发光二极管器件依次包括以下各层：
n-GaN层(3)；n-AlGaN层(4)；至少一对超晶格层(5)，每对超晶格层由叠置的AlN层和GaN层组成；n-GaN层(6)；至少一对量子阱层(7)，每对量子阱层由叠置的GaN层和InGaN层组成；电子阻挡层(8)，其为p-AlGaN层；和，p-GaN层(9)；
其中，在该p-GaN层(9)上的第一局部区域上设置p侧电极，该p侧电极包括：p侧金属电极(11p)；中间过渡层(12)，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层(13)；
其中，在该p-GaN层(9)上与第一局部区域不同的第二局部区域，腐蚀去除p-GaN层(9)，电子阻挡层(8)，量子阱层(7)，露出层n-GaN层(6)，在该露出的n-GaN层(6)上设置n侧电极，该n侧电极包括：n侧金属电极(11n)；中间过渡层(15)，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层(16)。
5.权利要求4的倒装发光二极管器件，其中所述p侧金属电极(11p)和n侧金属电极(11n)对于波长405纳米的光具有大于90％的反射率。
6.一种倒装发光二极管器件的制造方法，包括：
A)提供如权利要求1所述的倒装基板；
B)提供发光二极管半成品，其中，该半成品依次包括以下各层：
硅衬底(1)；AlN缓冲层(2)；n-GaN层(3)；n-AlGaN层(4)；至少一对超晶格层(5)，每对超晶格层由叠置的AlN层和GaN层组成；n-GaN层(6)；至少一对量子阱层(7)，每对量子阱层由叠置的GaN层和InGaN层组成；电子阻挡层(8)，其为p-AlGaN层；和，p-GaN层(9)；
其中，在该p-GaN层(9)上的第一局部区域上设置p侧电极，该p侧电极包括：金属电极(11p)；中间过渡层(12)，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层(13)；
其中，在该p-GaN层(9)上与第一局部区域不同的第二局部区域，腐蚀去除p-GaN层(9)，电子阻挡层(8)，量子阱层(7)，露出层n-GaN层(6)，在该露出的n-GaN层(6)上设置n侧电极，该n侧电极包含：金属电极(11n)；中间过渡层(15)，其由Cr层、Cu层和Au层叠置形成；和焊料金属层(16)；
C)将上述发光二极管半成品倒装在所述倒装基板上，使得所述发光二极管的n侧电极的焊料金属层(16)与所述倒装基板的第一贴合电极电接触，所述发光二极管的p侧电极的焊料金属层(13)与所述倒装基板的第二贴合电极电接触；
D)升温使得所述焊料金属层(13，16，18)融化；然后冷却，则融化后焊料金属重新固化，将倒装基板与发光二极管成品焊接在一起；
E)剥离硅衬底(1)和AlN缓冲层(2)，以便暴露出n-GaN层(3)，该n-GaN层(3)作为所述出光层。
7.权利要求6的方法，其中通过打磨减薄和腐蚀的方法，来剥离硅衬底(1)；通过腐蚀的方法来剥离AlN缓冲层(2)。
8.权利要求6的方法，其中通过用n-GaN腐蚀液进行表面腐蚀的方法来将暴露出来的n-GaN层(3)的外表面进行粗化处理。
CN201410093922.1A 2014-03-13 2014-03-13 倒装发光二极管器件及其制造方法 Active CN103840073B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410093922.1A CN103840073B (zh) 2014-03-13 2014-03-13 倒装发光二极管器件及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410093922.1A CN103840073B (zh) 2014-03-13 2014-03-13 倒装发光二极管器件及其制造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103840073A CN103840073A (zh) 2014-06-04
CN103840073B true CN103840073B (zh) 2017-06-06

Family

ID=50803375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410093922.1A Active CN103840073B (zh) 2014-03-13 2014-03-13 倒装发光二极管器件及其制造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103840073B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107919417A (zh) * 2016-10-09 2018-04-17 比亚迪股份有限公司 发光二极管及其制备方法
KR102206782B1 (ko) * 2019-03-04 2021-01-25 엘지전자 주식회사 디스플레이 장치
CN110676357A (zh) * 2019-08-28 2020-01-10 南京南邮信息产业技术研究院有限公司 一种超薄结构深紫外led及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1761079A (zh) * 2004-08-31 2006-04-19 丰田合成株式会社 光发射装置和光发射元件
CN102054921A (zh) * 2009-11-09 2011-05-11 亿光电子工业股份有限公司 发光二极管封装结构与其制造方法
CN102185061A (zh) * 2011-04-06 2011-09-14 北京大学 一种led结构及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120261689A1 (en) * 2011-04-13 2012-10-18 Bernd Karl Appelt Semiconductor device packages and related methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1761079A (zh) * 2004-08-31 2006-04-19 丰田合成株式会社 光发射装置和光发射元件
CN102054921A (zh) * 2009-11-09 2011-05-11 亿光电子工业股份有限公司 发光二极管封装结构与其制造方法
CN102185061A (zh) * 2011-04-06 2011-09-14 北京大学 一种led结构及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103840073A (zh) 2014-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4999696B2 (ja) ＧａＮ系化合物半導体発光素子及びその製造方法
US8791480B2 (en) Light emitting device and manufacturing method thereof
KR101198758B1 (ko) 수직구조 반도체 발광소자 및 그 제조방법
TW201034264A (en) A method for forming a filp chip structure of semiconductor optoelectronic device and fabricated thereof
WO2011018942A1 (ja) 半導体発光素子、半導体発光装置、半導体発光素子の製造方法、半導体発光装置の製造方法、半導体発光装置を用いた照明装置および電子機器
CN102067345A (zh) 用于制备具有双面钝化的半导体发光器件的方法
JP2014036231A (ja) 半導体素子の製造方法
KR100999548B1 (ko) 수직구조를 갖는 반도체 발광소자 제조용 지지기판, 이를 이용한 수직구조를 갖는 반도체 발광소자 제조방법 및 수직구조를 갖는 반도체 발광소자
KR100872276B1 (ko) 수직구조 질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법
CN107731975B (zh) 一种纳米管led及其制作方法
US7825418B2 (en) Light emitting diode of high quantum efficiency and system thereof
CN103840073B (zh) 倒装发光二极管器件及其制造方法
JP2007221146A (ja) 縦型発光素子及びその製造方法
CN102067340B (zh) 具有在p-型层内钝化的半导体发光器件
KR101203137B1 (ko) ＧａＮ계 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
KR101239852B1 (ko) ＧａＮ계 화합물 반도체 발광 소자
CN107452861A (zh) 一种紫外led芯片及其制备方法
CN101980391A (zh) 发光二极管及其制造方法
KR20090105462A (ko) 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및이의 제조 방법
JP2010165983A (ja) 発光チップ集積デバイスおよびその製造方法
KR101480551B1 (ko) 수직구조 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및이의 제조 방법
CN207529970U (zh) 一种紫外led芯片
US8319227B2 (en) Light emitting device
JP2005303252A (ja) 窒化物発光ダイオードおよびその製造方法
CN103390709A (zh) 一种具有双重作用电极的发光二极管及其制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20170427

Address after: 017000 the Inner Mongolia Autonomous Region city Ordos Hangjinqi Zhen He Xi Jie Bei Di Shui Xiao Qu

Applicant after: Inner Mongolia Huayan Xinguang Technology Co., Ltd.

Address before: 100176 Beijing city Hondar Daxing District economic and Technological Development Zone No. 12 North Road, room A813

Applicant before: China (Beijing) Technology Co., Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant