CN105047778B - 一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，通过先去除倒装发光二极管的蓝宝石衬底，再黏附于保护膜上，藉由溅镀技术在倒装发光二极管的微结构之上形成一Al2O3薄层，制得超薄LED芯片，从而大大降低热阻，并可降低整体LED封装体大小及封装成本；此外，薄膜发光二极管可实现无金线互联，提高封装可靠性，降低封装成本；再者，由于去除了较厚的蓝宝石衬底，减少了光线在蓝宝石衬底内的损失，更加有利于光提取率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备领域，尤其是涉及一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，简称 LED），它能将电能转化为光能。LED 光源属于绿色光源，具有节能环保、寿命长、能耗低、安全系数高等优点，被广泛应用于照明和背光领域。
氮化镓基LED发光芯片发光效率的提升使得原本需要较大尺寸芯片（如13或14mil，1mil≈25.4μm）的应用，如今用较小尺寸芯片（10mil）即可满足需求。但由于目前LED中70％以上的输入功率都转为热，对同样的输入功率（如20mA×3.1V）用较小尺寸芯片封装后，LED器件中的热阻变大，LED器件中一直存在的散热问题就更显突出。
散热问题解决不好对LED的出光效率、光色及稳定性都有很大负面影响。首先，散热不好的LED器件可能使LED结温超过其能承受的限度（约120℃），这时LED发光外延层中的位错等缺陷将快速繁衍，在发光区中形成大量非辐射复合中心，降低器件的注入效率与发光效率，这将使LED发光芯片发光强度出现不可恢复的永久性衰变。其次，LED结温的升高会使芯片发光波长变长，LED器件的主波长及发光颜色红移，显示效果发生偏色现象。最后，LED结温超过120℃时，将使同芯片接触的封装环氧树脂发生老化、黄化，降低LED器件的发光效率及寿命；尤其当封装环氧的温度超过其玻璃态转变温度时，还将发生明显的膨胀或收缩，可能使芯片电极与引线经受应力脱落损坏，造成LED器件永久性损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法。本发明通过先去除倒装发光二极管的蓝宝石衬底，再黏附于保护膜上，藉由溅镀技术形成一Al2O3薄层，制得超薄LED芯片，从而大大降低热阻，并可降低整体LED封装体大小及封装成本。
本发明的第一方面，在于提供一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）提供一蓝宝石衬底；
（2）在所述蓝宝石衬底上形成发光外延层；
（3）在所述发光外延层上制作电极，形成倒装发光二极管；
（4）将所述倒装发光二极管倒置，黏附于保护膜上，使得蓝宝石衬底朝上；
（5）去除所述蓝宝石衬底，裸露出所述发光外延层；
（6）采用溅镀工艺在所述发光外延层上沉积一Al2O3薄层；
（7）去除所述保护膜，并将所述倒装发光二极管再次倒置，制得薄膜氮化镓基发光二极管。
根据本发明，优选的是，所述Al2O3薄层的厚度为5~30μm，更优选地可以为10~20μm。
根据本发明，优选的是，在所述发光外延层之上形成微结构。
根据本发明，优选的是，形成所述微结构的工艺包括通过在图形化蓝宝石衬底上外延生长而成，或是通过去除平片蓝宝石衬底后在发光外延层上粗化形成。
根据本发明，优选的是，所述蓝宝石衬底的厚度为450~650μm。
根据本发明，优选的是，所述发光外延层包括N-GaN层、发光层和P-GaN层。
根据本发明，优选的是，所述保护膜为蓝膜或白膜。
根据本发明，优选的是，所述步骤（5）中去除蓝宝石衬底的工艺包括先减薄再激光剥离，或者是直接激光剥离。
与常规键合工艺相比，无论是CuW基板或Cu基板，键合工艺良率很低，而且常规键合工艺去除衬底后需要ICP机台做表面处理，工艺复杂，本发明至少包括以下技术效果：
（1）通过先去除倒装发光二极管的蓝宝石衬底，再黏附于保护膜上，藉由溅镀技术在倒装发光二极管的微结构之上形成Al2O3薄层，制得超薄LED芯片，良率高；
（2）在溅镀Al2O3薄层的过程中藉由溅镀机的射频功率（RF power）做表面处理即可，无需ICP机台做表面处理，工艺简单；
（3）薄膜发光二极管可实现无金线互联，提高封装可靠性，降低封装成本；
（4）由于去除了较厚的蓝宝石衬底，减少了光线在蓝宝石衬底内的损失，更加有利于光提取率。
此外，本发明的第二方面，在于提供薄膜氮化镓基发光二极管，其是根据本发明的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法而制得的。该薄膜GaN基发光二极管，与常规工艺制备的发光二极管相比，厚度较薄，体积较小，热阻较低，并可降低整体LED封装体大小及封装成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图中标示：101：蓝宝石衬底；102：微结构；103：N-GaN层；104：发光层；105：P-GaN层；106：P电极；107：N电极；108：保护膜；109：Al2O3薄层。
图1~图7是实施例1制备薄膜氮化镓基发光二极管的流程示意剖面图。
图8~图14是实施例2制备薄膜氮化镓基发光二极管的流程示意剖面图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
实施例1
本实施例提供一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，包括以下工艺步骤：
如图1 所示，提供一厚度为450~650μm的平片蓝宝石衬底101；
如图2 所示，在上述蓝宝石衬底101上制作微结构102，构成图形化衬底；
如图3 所示，在图形化蓝宝石衬底上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长：N-GaN层103、发光层104和P-GaN层105；再分别在所述发光外延层的上P-GaN层105和N-GaN层103上制作P电极106和N电极107，如此形成倒装发光二极管；
如图4所示，将所述倒装发光二极管倒置，黏附于保护膜108上，使得蓝宝石衬底朝上，本实施例保护膜108优选蓝膜；
如图5所示，先将蓝宝石衬底减薄至100μm，再激光剥离蓝宝石衬底，裸露出具有微结构的发光外延层；
如图6所示，采用溅镀工艺在所述发光外延层上沉积一Al2O3薄层109，所述Al2O3薄层的厚度为5~30μm，本实施例优选10μm，其中在溅镀Al2O3薄层的过程中藉由溅镀机的射频功率（150~250W）做表面处理即可，无需ICP机台做表面处理，工艺简单；
如图7所示，去除蓝膜保护膜，并将所述倒装发光二极管再次倒置，制得薄膜氮化镓基发光二极管。
设定芯片的热阻计算公式为Rchip=Lchip/（Kchip×Achip），其中Lchip为热传路径的长度（即蓝宝石基板厚度）；Kchip为总热导系数（蓝宝石约为35～40W/mK）；Achip为热传路径的截面积（即衬底的横截面积）。根据热阻计算公式，若将蓝宝石衬底厚度由100μm减薄至10μm，芯片热阻可降低90%。本实施例藉由在微结构之上形成的10μm 的Al2O3薄层，进一步增大接触（传热）面积，更进一步降低发光二极管的热阻，并可降低整体LED封装体大小及封装成本；此外，薄膜发光二极管可实现无金线互联，提高封装可靠性，降低封装成本；再者，由于去除了较厚的蓝宝石衬底，减少了光线在蓝宝石衬底内的损失，更加有利于光提取率。
实施例2
本实施例提供一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，包括以下工艺步骤：
如图8 所示，提供一厚度为450~650μm的平片蓝宝石衬底101；
如图9所示，在蓝宝石衬底上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长：N-GaN层103、发光层104和P-GaN层105；再分别在所述发光外延层的上P-GaN层105和N-GaN层103上制作P电极106和N电极107，如此形成倒装发光二极管；
如图10所示，将所述倒装发光二极管倒置，黏附于保护膜108上，使得蓝宝石衬底朝上，本实施例保护膜108优选白膜；
如图11所示，采用激光直接剥离蓝宝石衬底101，裸露出发光外延层；
如图12所示，在所述发光外延层上通过化学方法或者物理方法，粗化形成微结构102；
如图13所示，采用溅镀工艺在所述发光外延层上沉积一Al2O3薄层109，所述Al2O3薄层的厚度为5~30μm，本实施例优选20μm；
如图14所示，去除白膜保护膜，并将所述倒装发光二极管再次倒置，制得薄膜氮化镓基发光二极管，如此降低发光二极管的热阻，并可降低整体LED封装体大小及封装成本。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）提供一蓝宝石衬底；
（2）在所述蓝宝石衬底上形成发光外延层；
（3）在所述发光外延层上制作电极，形成倒装发光二极管；
（4）将所述倒装发光二极管倒置，黏附于保护膜上，使得蓝宝石衬底朝上；
（5）去除所述蓝宝石衬底，裸露出所述发光外延层；
（6）采用溅镀工艺在所述发光外延层上沉积一Al2O3薄层，厚度为5~30μm；
（7）去除所述保护膜，并将所述倒装发光二极管再次倒置，制得薄膜氮化镓基发光二极管。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：所述Al2O3薄层的厚度为10~20μm。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：在所述发光外延层之上形成微结构。
4.根据权利要求3所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：形成所述微结构的工艺包括通过在图形化蓝宝石衬底上外延生长而成，或是通过去除平片蓝宝石衬底后在发光外延层上粗化形成。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底的厚度为450~650μm。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：所述发光外延层包括N-GaN层、发光层和P-GaN层。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：所述保护膜为蓝膜或白膜。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中去除蓝宝石衬底的工艺包括先减薄再激光剥离，或者是直接激光剥离。
9.一种薄膜氮化镓基发光二极管，其特征在于：通过上述权利要求1至8中任一项所述的制备方法制得。
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