CN105428471A - 薄膜倒装led芯片及其制备方法以及白光led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜倒装LED芯片及其制备方法以及白光LED芯片，该制备方法包括：生长衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层和金属反射层；蚀刻出N电极孔和第一槽沟；钝化；在N电极孔内沉积金属，将N电极孔内的金属连接起来形成N电极；在金属反射层上形成P电极，形成倒装晶片结构；在导电基板上形成通孔，生长绝缘层；在导电基板中的通孔内镀上导电金属；在导电基板的上镀上邦定金属层；在导电基板上镀上背金金属层；将导电基板与倒装晶片结构邦定，并去除生长衬底和缓冲层；切割形成单个LED芯片。其采用衬底转移技术，避免了由于生长衬底不透光导致影响LED倒装芯片的出光问题，生产效率高、成本低。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种薄膜倒装LED芯片及其制备方法以及白光LED芯片。
背景技术
随着全球极端气候的频繁发生，照明领域也正进入一次大的变革。LED作为第三代的固态照明技术，正被大家高度关注；但是随着技术的发展，成熟的现有工艺正面临着巨大的挑战。
目前最为成熟的LED技术是将氮化镓晶体层生长在蓝宝石绝缘衬底上，并将其正负电极做在同一侧，这样光可以从P面氮化镓层出射到环境中，但是在这种结构中电流会横向流过N型氮化镓层，导致电流拥挤，造成局部发热，从而降低了电光转换效率；同时蓝宝石衬底的导热性差，直接导致使用该方法制备的LED芯片的使用寿命较低；再有，该种结构中P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装。可以看出，这种正装LED芯片从器件结构本身就会对器件功率、出光效率和热性能等方面构成较大的影响。
为了克服上述正装芯片的不足，美国Lumileds公司发明了倒装芯片，如图1所示，其将氮化镓基LED芯片倒扣在基板上，且在基板上有两个打线焊盘，封装时通过大金线与外界电源连接。目前的倒装芯片都是在透明衬底(例如蓝宝石衬底和SiC衬底)上制备的，但是透明衬底对光有一定的吸收，且为五面发光，对配光要求比较高；再有，这种制备倒装芯片的方法不适用于非透明的衬底外延技术，例如硅衬底。
发明内容
针对以上问题，本发明旨在提供一种薄膜倒装LED芯片及其制备方法以及一种白光LED芯片，其不受外延衬底限制，生产效率高，成本低。
为了解决本发明的技术问题，本发明提供一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
生长衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层和金属反射层形成第一结构；
对所述第一结构进行蚀刻直至暴露出N型GaN层形成多个均匀分布的第一沟槽；且在每两个第一沟槽中蚀刻出多个N电极孔，形成第二结构；
分别对所述N电极孔的侧壁和所述第一沟槽进行钝化、对所述第二结构中每两个N电极孔之间的金属反射层进行钝化以及对第一沟槽和N电极孔之间的金属反射层除预留的第一位置进行钝化形成钝化层，实现对第二结构的钝化；
在进行了钝化之后的N电极孔内沉积金属形成N电极金属层，并将相邻两个所述第一沟槽之间的N电极孔内的金属连接起来形成N电极；在金属反射层上的所述第一位置上形成P电极，且相邻的N电极和P电极之间预留第二位置，形成倒装晶片结构；
在导电基板上形成与每个所述P电极和每个所述N电极的中心位置对应的通孔，且在所述导电基板的上表面、下表面以及所述通孔的侧壁上生长绝缘层；
在所述导电基板中的所述通孔内镀上导电金属直至将通孔填满；
在所述导电基板的上表面镀上分别与所述倒装晶片结构中的所述P电极和所述N电极对应的邦定金属层，形成第二沟槽；在所述导电基板的下表面镀上与所述倒装晶片结构中的所述P电极和所述N电极对应的背金金属层，形成第三沟槽；
在所述第二沟槽内填充满隔离层，且所述隔离层比所述邦定金属层厚；
将所述导电基板的下表面对准所述倒装晶片结构中的P电极和N电极进行邦定，并去除生长衬底和缓冲层，暴露出N型GaN层形成LED晶片；
沿着第一沟槽对所述LED晶片结构进行切割，形成单个LED芯片。
在本技术方案中，第一沟槽和N电极孔的蚀刻是同步的，N电极的蚀刻同样直到暴露出N型GaN层。在钝化的过程中，预留出来的第一位置用来形成P电极，且P电极在钝化层上也会有，N电极和P电极的厚度相同，最重要的是，在形成的P电极和N电极中间预留第二位置，防止薄膜倒装LED芯片在工作的过程中短路。再有，在导电基板上形成的隔离层正好与这里的第二位置匹配，即隔离层比绑定金属层厚的那个厚度正好是N电极和P电极的厚度，这样，倒装晶片结构才能更好的与导电基板键合。
优选地，所述金属反射层的材料为下列中的一种：Ag、Al、Ni、Ni-Ag合金、Al-Ni合金、Ag-Ni-Al合金。
优选地，所述钝化层和绝缘层的材料为下列中的一种或多种：SiO2、SiN、Al2O3。
优选地，所述邦定金属层材料为下列中的一种或多种Au、Sn、Au-Sn合金、Ag-Sn合金、Ni-Sn合金、Al-Ge合金。
优选地，所述导电基板的材料为下列中的一种：硅、锗、CU-W合金、Mo、Cr。
优选地，所述隔离层的材料为下列中的一种或多种：硅胶、环氧树脂、塑料。
优选地，所述导电金属的材料为下列中的一种或多种：Cr、CU、Pt、Au、Al、Ni。
优选地，所述背金金属层的材料为下列中的一种或多种：Cr、CU、Pt、Au、Al、Ni、AU-SN合金、Ag-Sn合金、Ni-Sn合金。
优选地，在沿着第一沟槽对晶片进行切割，形成单个LED芯片之前，还包括以下步骤：
所述制备方法还包括对N型GaN层进行表面粗化处理。
本发明还提供了一种薄膜倒装LED芯片，所述薄膜倒装LED芯片采用上述薄膜倒装LED芯片的制备方法制备得来。
本发明还提供了一种LED白光芯片，所述LED白光芯片中包括上述薄膜倒装LED芯片，还包括荧光膜片，所述荧光膜片置于所述薄膜倒装LED芯片中的N型GaN层表面。
本发明提供了一种薄膜倒装LED芯片及其制备方法以及一种白光LED芯片，在薄膜倒装LED芯片的制备方法中采用了衬底转移技术，有效地避免了由于生长衬底不透光影响LED倒装芯片出光的问题，生产效率高、成本低。
再有，本发明采用带有通孔的导电基板作为GaN薄膜的支撑，结构牢固完整，提高了芯片的可靠性和良率。另外，本发明采用的晶圆金属键合技术，适合大批量低成本高效率生产。
再有，采用本发明的方法制备的薄膜倒装LED芯片光效高，其通过连接P/N电极的两个通孔内的导电金属进行导电，封装时不需要打线，而是依靠背金金属进行锡膏焊接或共晶焊，节省封装成本的同时避免了因打线导致的不良(例如：金线断裂)。
最后，本发明的LED芯片由于发光面和电极面是分开的，不在同一面上，很容易做成免封装的白光LED芯片，只需要将荧光膜片置于薄膜倒装LED芯片中的N型GaN层表面即可，给降低LED照明成本提供了一种解决方案。
附图说明
图1为现有倒装LED芯片结构示意图；
图2为本发明中第一结构的结构示意图；
图3为本发明中第二结构的结构示意图；
图4为本发明中对第二结构进行钝化之后的结构示意图；
图5为本发明中在钝化后的N电极孔中沉积金属后的结构示意图；
图6为本发明中倒装晶片结构示意图；
图7为本发明中带有通孔的导电基板结构示意图；
图8为本发明中形成了第二槽沟和第三槽沟之后的导电基板结构示意图；
图9为本发明中形成了隔离层之后的导电基板结构示意图；
图10为本发明中倒装晶片结构和导电基板进行邦定之后的结构示意图；
图11为本发明中单个薄膜倒装LED芯片结构示意图。
图中标识说明：
1为硅生长衬底，2为缓冲层，3为N型GaN层，4为多量子阱层，5为P型GaN层，6为金属反射层，7为N电极孔，8为第一沟槽，9为钝化层，10为N电极金属层，11为N电极，12为P电极，13为硅基板，14为通孔，15为绝缘层，16为导电金属，17为邦定金属层，18为第二沟槽，19为背金金属层，20为第三沟槽，21为隔离层。
具体实施方式
作为本发明的第一种实施方式，如图2-10所示，为本发明中薄膜倒装LED芯片的制备方法的流程图，具体包括以下步骤：
如图2所示，在硅生长衬底1上制备InGaAlN多层结构，从下至上依次为缓冲层2，N型GaN层3，多量子阱层4，P型GaN层5。使用蒸镀工艺在P型GaN层5表面沉积一层金属反射层6。在具体实施例中，金属反射层6的材料为下列中的一种：Ag、Al、Ni、Ni-Ag合金、Al-Ni合金、Ag-Ni-Al合金。
如图3所示，在金属反射层6表面部分区域使用ICP干法刻蚀至暴露出N型GaN层3形成N电极孔7和第一沟槽8。
如图4所示，分别对N电极孔7的侧壁和第一沟槽8进行钝化、对第二结构中每两个N电极孔7之间的金属反射层6进行钝化以及对第一沟槽8和N电极孔7之间的金属反射层6除预留的第一位置进行钝化形成钝化层9，实现对第二结构的钝化。该钝化层9的材料为氮氧化硅，其覆盖了N电极孔7的侧壁并填充所述第一沟槽8。在具体实施例中，钝化层的材料为下列中的一种或多种：SiO2、SiN、Al2O3。
如图5所示，在钝化了之后的N电极孔7内沉积CrPt金属至与钝化层9的表面齐平，形成N电极金属层10。
如图6所示，在钝化层9表面蒸镀AuSn合金形成N电极11，所述N电极11连接两个第一槽沟中间的所有N电极金属层10，在未被钝化层9覆盖(上述第一位置)的金属反射层6上沉积AuSn合金作为P电极12，形成倒装晶片结构，且N电极11和P电极12等高。
如图7所示，制备一大小和形状与硅生长衬底1一致的硅基板13，在硅基板13腐蚀出与P、N电极中心位置对应的通孔14，再将基板两面以及通孔侧壁上生长绝缘层15。在具体实施例中，通孔14的直径范围40um～1000um；绝缘层15的材料为下列中的一种或多种：SiO2、SiN、Al2O3。另外，在其他实施例中，导电基板的材料可以为锗、CU-W合金、Mo、Cr等。当然，对于通孔14的直径、绝缘层15的的材料以及导电基板的材料，我们都不作具体限定，只要其能实现本发明的目的，都包括在本发明的内容中。
如图8所示，在通孔14内通过溅射和电镀填充满导电金属16，在基板13的一面蒸镀上与P、N电极位置对应的邦定金属层17，形成第二沟槽18，在基板的另一面蒸镀上与P、N电极位置对应的背金金属层19，形成第三沟槽20。且与N电极对应的邦定金属层至少覆盖一个通孔14(图8中覆盖了2个通孔14)，与P电极对应的邦定金属层至少覆盖一个通孔14，背金金属层19与邦定金属层对应设置，这样P电极和N电极就能分别通过背金金属层和通孔14通电。在具体实施例中，邦定金属层17的材料为下列中的一种或多种Au、Sn、Au-Sn合金、Ag-Sn合金、Ni-Sn合金、Al-Ge合金；导电金属16的材料为下列中的一种或多种：Cr、CU、Pt、Au、Al、Ni；背金金属层19的材料为下列中的一种或多种：Cr、CU、Pt、Au、Al、Ni、AU-SN合金、Ag-Sn合金、Ni-Sn合金。
如图9所示，在所述第二沟槽18填充满隔离层21，比邦定金属层17稍高。在具体实施例中，隔离层的材料为下列中的一种或多种：硅胶、环氧树脂、塑料。
如图10所示，将图6中形成的倒装晶片结构和基板13进行对准邦定。随后，去除生长衬底1和缓冲层2，暴露出N型GaN层3形成LED晶片。最后沿着第一沟槽8对LED晶片进行切割，形成单个LED芯片，如图11所示。
作为本发明的第二种实施方式，本发明提供了一种薄膜倒装LED芯片，其采用如图2-图10中的薄膜倒装LED芯片制备方法制备而来，在该薄膜倒装LED芯片中，包括：N型GaN层3、多量子阱层4、P型GaN层5、金属反射层6、钝化层9、N电极11、P电极12、硅基板13、通孔14、绝缘层15、导电金属16、隔离层21、邦定金属层17以及背金金属层19。其中，隔离层21设置在N电极11和P电极中间，以免两个电极在工作过程中短路。具体来说，硅基板13中设置多个与P电极和N电极中心位置对应的直径范围在40um～1000um的通孔14，绝缘层15覆盖在设置了通孔之后的整个导电基板的表面，导电金属16设置在通孔14内，邦定金属层17和背金金属层19分别设置在带有绝缘层14和导电金属16的硅基板13的两侧。该薄膜倒装LED芯片的制备过程在第一种实施方式中已经做出描述，在此不做赘述。
作为本发明的第三种实施方式，本发明提供了一种LED白光芯片，该LED白光芯片中包括第二种实施方式中的薄膜倒装LED芯片及荧光膜片，荧光膜片置于薄膜倒装LED芯片中的N型GaN层表面。具体来说，在沿着第一沟槽8对LED晶片进行切割之前形成单个薄膜倒装LED芯片之前即可整个LED晶片的表面贴荧光膜片。该荧光膜片可以为：硅胶混合荧光粉固化后的膜片、透明玻璃或陶瓷材料混合荧光粉的膜片或任何透明材料混合量子点材料的膜片，具体可以根据实际应用中的需求进行。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
生长衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层和金属反射层形成第一结构；
对所述第一结构进行蚀刻直至暴露出N型GaN层形成多个均匀分布的第一沟槽；且在每两个第一沟槽中蚀刻出多个N电极孔，形成第二结构；
分别对所述N电极孔的侧壁和所述第一沟槽进行钝化、对所述第二结构中每两个N电极孔之间的金属反射层进行钝化以及对第一沟槽和N电极孔之间的金属反射层除预留的第一位置进行钝化形成钝化层，实现对第二结构的钝化；
在进行了钝化之后的N电极孔内沉积金属形成N电极金属层，并将相邻两个所述第一沟槽之间的N电极孔内的金属连接起来形成N电极；在金属反射层上的所述第一位置上形成P电极，且相邻的N电极和P电极之间预留第二位置，形成倒装晶片结构；
在导电基板上形成与每个所述P电极和每个所述N电极的中心位置对应的通孔，且在所述导电基板的上表面、下表面以及所述通孔的侧壁上生长绝缘层；
在所述导电基板中的所述通孔内镀上导电金属直至将通孔填满；
在所述导电基板的上表面镀上分别与所述倒装晶片结构中的所述P电极和所述N电极对应的邦定金属层，形成第二沟槽；在所述导电基板的下表面镀上与所述倒装晶片结构中的所述P电极和所述N电极对应的背金金属层，形成第三沟槽；
在所述第二沟槽内填充满隔离层，且所述隔离层比所述邦定金属层厚；
将所述导电基板的下表面对准所述倒装晶片结构中的P电极和N电极进行邦定，并去除生长衬底和缓冲层，暴露出N型GaN层形成LED晶片；
沿着第一沟槽对所述LED晶片结构进行切割，形成单个LED芯片。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆级薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，所述金属反射层的材料为下列中的一种：Ag、Al、Ni、Ni-Ag合金、Al-Ni合金、Ag-Ni-Al合金。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层和绝缘层的材料为下列中的一种或多种：SiO2、SiN、Al2O3。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，所述邦定金属层材料为下列中的一种或多种Au、Sn、Au-Sn合金、Ag-Sn合金、Ni-Sn合金、Al-Ge合金。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，所述导电基板的材料为下列中的一种：硅、锗、CU-W合金、Mo、Cr。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在，所述隔离层的材料为下列中的一种或多种：硅胶、环氧树脂、塑料。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在，所述导电金属的材料为下列中的一种或多种：Cr、CU、Pt、Au、Al、Ni。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在，所述背金金属层的材料为下列中的一种或多种：Cr、CU、Pt、Au、Al、Ni、AU-SN合金、Ag-Sn合金、Ni-Sn合金。
9.根据权利要求1所述的一种薄膜倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，在沿着第一沟槽对晶片进行切割，形成单个LED芯片之前，还包括以下步骤：
所述制备方法还包括对N型GaN层进行表面粗化处理。
10.一种薄膜倒装LED芯片，其特征在于，所述薄膜倒装LED芯片采用如权利要求1-9任意一项所述的薄膜倒装LED芯片的制备方法制备得来。
11.一种LED白光芯片，其特征在于：所述LED白光芯片中包括如权利要求10所述的薄膜倒装LED芯片，还包括荧光膜片，所述荧光膜片置于所述薄膜倒装LED芯片中的N型GaN层表面。
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