CN114156372A - 一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，包括带有凹槽的基板(3)，基板的凹槽里有剥离了蓝宝石或Si衬底(11)的无衬底芯片，无衬底芯片包括u‑GaN(12)、n‑GaN(13)、InGaN/GaN多量子阱(14)和p‑GaN(15)。本发明的芯片在几何结构上不具有二次对称旋转轴，当芯片颠倒、翻转或竖立时，容易被识别和区分，无需通过芯片内部的电路结构和表面标志性图案就可以识别芯片的主要正反、上下和左右面，以及芯片电极的正反极性。可自主根据芯片结构定位(自对准)，减少封装应用时机械识别错误。在显示应用中需要大量摆放芯片时，直接根据芯片自身结构与基板结构的互补性实现自对准定位和摆放，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺及应用技术领域，具体涉及一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法。
背景技术
传统半导体芯片主要的几何结构为六面长方体形状，几何上存在多个二次对称旋转轴，若不考虑每个芯片内部的电路结构和标志图案，在使用过程中容易造成芯片的正反、上下和左右颠倒，识别定位混乱。在芯片封装时，对封装工艺和封装设备提出了更高的要求。
随着物联网和5G通信网络技术的应用，MiniLED和MicroLED 4K/8K超高清超(UHD)智能显示屏搭载5G将成为下一代新型显示的热点。4K全彩显示屏需要3*8kk发光芯片及对应的驱动芯片，若使用传统固晶工艺摆放芯片，速度慢，成本高，效率有待提高。
本发明提供一种几何结构上不具有二次对称旋转轴的芯片结构，无需通过芯片内部的电路结构和表面标志性图案就可以识别芯片的正反、上下和左右面以及芯片电极的正反极性，可自主根据芯片结构定位(自对准)，减少封装应用时机械识别错误。在显示应用中需要大量摆放芯片时，直接根据芯片自身结构与基板结构的互补性实现自对准定位和摆放，提高了工作效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，具备生产效率高的优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，包括带有凹槽的基板和与凹槽在空间上互补的无衬底芯片，无衬底芯片包括u-GaN、n-GaN、InGaN/GaN多量子阱和p-GaN，所述u-GaN、n-GaN、InGaN/GaN多量子阱和p-GaN共同形成了GaN外延片，所述GaN外延片的上方设置有ITO透明导电薄膜，所述ITO透明导电薄膜的上方设置有P电极一，所述InGaN/GaN多量子阱的上方且位于P电极一的一侧设置有N电极，芯片形状是截角长方体形成的不等边七面体，或不等边的五面体或六面体或其他形状，带凹槽的基板中凹陷的形状与所放置芯片在空间上互补，即芯片只能按照确定的方向才能放入该凹陷。
一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法：包括如下步骤：
S1、利用MOCVD工艺在蓝宝石或Si衬底上依次生长u-GaN、n-GaN、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN，形成GaN外延片；
S2、采用电子束蒸发工艺对GaN外延片淀积ITO透明导电薄膜；
S3、利用光刻和ICP刻蚀工艺将上述淀积有ITO透明导电薄膜的GaN外延片刻蚀成多个分立的几何非对称芯片结构(截角长方体)，截角长方体形成的不等边七面体、不等边的五面体或六面体；
S4、对上述分立的几何非对称芯片结构淀积金属薄膜，通过光刻腐蚀工艺形成芯片的电极；
S5、通过激光剥离或化学腐蚀将蓝宝石或Si衬底去除，形成无衬底GaN几何非对称芯片；
S6、对上述非对称GaN芯片封装或固晶时，通过机械振动或流体驱动使芯片定位到具有同样几何结构的带有凹槽的基板的凹槽中。
优选的，所述步骤S4中，通过光刻腐蚀工艺形成芯片的电极，如果是同面电极结构芯片，形成芯片的P电极一和N电极；如果是垂直结构芯片，形成芯片的P电极一。
优选的，所述步骤S6中，流体可以是水、乙醇、空气、氮气，在一定的压力下喷洒到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动到凹槽中，实现自对准工艺。该凹槽内部的底面可以覆盖有金属层，该金属层可以与芯片电极形成共晶欧姆接触，经过共晶焊或回流焊工艺，使芯片牢牢固定在凹槽中。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，包括带有凹槽的基板和与凹槽在空间上互补的无衬底芯片，无衬底芯片包括n-AlAs和n+-GaInP、n-AlGaInP电子传输层、AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层、p-AlGaInP电子传输层和p+-GaInP欧姆接触层，所述p+-GaInP欧姆接触层的上方设置有P电极二。芯片形状是截角长方体形成的不等边七面体，或不等边的五面体或六面体或其他形状，带凹槽的基板中凹陷的形状与所放置芯片在空间上互补，即芯片只能按照确定的方向才能放入该凹陷。
一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法：包括如下步骤：
S1、利用MOCVD工艺在n-GaAs衬底上依次生长n-AlAs、n+-GaInP、n-AlGaInP电子传输层，AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层，p-AlGaInP电子传输层和p+-GaInP欧姆接触层，形成AlGaInP外延片，其中n-AlAs作为衬底腐蚀时的牺牲层；
S2、对AlGaInP外延片的各膜层进行光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀到n-AlAs之上，形成分立的几何非对称磷化物芯片结构(截角长方体)，截角长方体形成的不等边七面体、不等边的五面体或六面体；
S3、对上述基片淀积金属薄膜，通过光刻腐蚀工艺形成P电极二；
S4、对上述基片进行HF腐蚀工艺，HF酸将n-AlAs牺牲层选择性腐蚀掉，几何非对称AlGaInP芯片从n-GaAs衬底上脱落；
S5、对上述几何非对称AlGaInP芯片封装或固晶时，通过机械振动或流体驱动使芯片定位到带有凹槽的基板具有同样几何结构的凹槽中。
优选的，所述在S5步骤中，流体可以是水、乙醇、空气、氮气，在一定的压力下喷洒到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动到凹槽中，实现自对准工艺。该凹槽内部的底面镀有AuSn合金或其他易熔合金，通过加热或合金熔融与芯片的n+-GaInP或ITO形成电学导通接触。
本发明提供一种几何结构上不具有二次旋转对称轴的芯片结构，无需通过芯片内部的电路结构和表面标志性图案就可以识别芯片的正反、上下和左右面，以及芯片电极的正反极性。本发明芯片结构可以是截角长方体形成的不等边七面体，或不等边的五面体或六面体或其他形状，如图2(a)(b)(c)所示。
传统半导体芯片制备中是通过机械砂轮锯或激光将晶元分裂成一粒粒芯片，这种分裂往往沿着半导体晶元的晶格解理面进行，而半导体晶格解理面往往具有结晶学上的很高的对称性，特别是立方和六方晶系，这些解理面存在多个二次旋转对称轴，如下图1(a)(b)所示。
本发明的半导体芯片形状是通过化学腐蚀或离子轰击刻蚀形成的，对不同材料的芯片结构所使用的化学腐蚀液或轰击刻蚀离子是不同的，工艺简单，适用面广泛而灵活。采用激光气化法剥离芯片的衬底或基底，可形成从衬底或基底分离的非对称独立芯片。
本发明半导体芯片在封装和固晶时，与传统固晶靠机械视觉定位不同，可以通过机械振动或流体驱动到所要放置的位置，该位置具有一个凹陷，凹陷的形状可以与所放置芯片在空间上互补，即芯片只能按照确定的方向才能放入该凹陷。机械振动可以是超声波或次声波，流体可以是水、乙醇、空气、氮气在一定的压力下喷射到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动。在芯片封装和固晶时对定位识别系统的精度要求大幅度下降，并且可以通过振动或流体驱动自组装的方法定位，大大提高封装和固晶速度，降低成本。尽管在工艺制备方面相对比较复杂，但与常规半导体工艺兼容，制造成本的增加是有限的。总体上可以大幅度降低半导体芯片的封装应用成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的芯片在几何结构上不具有二次对称旋转轴，当芯片颠倒、翻转或竖立时，容易被识别和区分，无需通过芯片内部的电路结构和表面标志性图案就可以识别芯片的主要正反、上下和左右面，以及芯片电极的正反极性。
2、本发明的半导体芯片形状是通过选择性掩膜化学腐蚀或离子轰击刻蚀形成的，根据芯片的材料结构选择不同的化学腐蚀液或轰击刻蚀离子，工艺简单，成本低，适用面广泛而灵活。
3、本发明半导体芯片在封装和固晶时，与传统固晶靠机械视觉定位不同，是通过机械振动或流体驱动，根据芯片自身结构与基板结构的几何空间互补性实现自对准定位和摆放，提高了工作效率，降低了成本。
附图说明
图1为传统具有二次旋转对称轴结构的半导体芯片示意图；
(a)为长方体芯片；(b)为柱状体芯片；
图2(a)为本发明长方体芯片截角后形成的七面体半导体芯片示意图；
(b)为本发明不等边五面体半导体芯片示意图；
(c)为本发明不等边六面体半导体芯片示意图；
图3为InGaN半导体芯片结构示意图(同面电极)；
图4为刻蚀后InGaN基片示意图；
图5(a)为剥离衬底后的非对称同面电极结构InGaN芯片；
(b)为剥离衬底后的非对称垂直结构InGaN芯片；
图6为非对称InGaN芯片定位到具有同样几何结构的凹槽中；
图7为磷化物半导体芯片结构示意图。
图中：11、蓝宝石或Si衬底；12、u-GaN；13、n-GaN；14、InGaN/GaN多量子阱；15、p-GaN；16、ITO透明导电薄膜；17、P电极一；18、N电极；
21、n-GaAs衬底；22、n-AlAs；23、n+-GaInP；24、n-AlGaInP电子传输层；25、AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层；26、p-AlGaInP电子传输层；27、p+-GaInP欧姆接触层；28、P电极二；
3、带有凹槽的基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，包括带有凹槽的基板和与凹槽在空间上互补的无衬底芯片，无衬底芯片包括u-GaN12、n-GaN13、InGaN/GaN多量子阱14和p-GaN15，u-GaN12、n-GaN13、InGaN/GaN多量子阱14和p-GaN15共同形成了GaN外延片，GaN外延片的上方设置有ITO透明导电薄膜16，ITO透明导电薄膜16的上方设置有P电极一17，InGaN/GaN多量子阱14的上方且位于P电极一17的一侧设置有N电极18。
一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法：包括如下步骤：
1、利用MOCVD工艺在蓝宝石或Si衬底11上依次生长u-GaN12、n-GaN13、InGaN/GaN多量子阱14及p-GaN15，形成GaN外延片。
2、采用电子束蒸发工艺对GaN外延片淀积ITO透明导电薄膜16。
3、利用光刻和ICP刻蚀工艺将上述淀积有ITO透明导电薄膜16的GaN外延片刻蚀成多个分立的几何非对称芯片结构(截角长方体)，截角长方体形成的不等边七面体、不等边的五面体或六面体。
4、对上述分立的几何非对称芯片结构淀积金属薄膜，通过光刻腐蚀工艺形成芯片的电极，通过光刻腐蚀工艺形成芯片的电极，如果是同面电极结构芯片，形成芯片的P电极一17和N电极18；如果是垂直结构芯片，形成芯片的P电极一17。
5、通过激光剥离或化学腐蚀将蓝宝石或Si衬底11去除，形成无衬底GaN几何非对称芯片。
6、对上述非对称GaN芯片封装或固晶时，通过机械振动或流体驱动使芯片定位到具有同样几何结构的带有凹槽的基板3的凹槽中，流体可以是水、乙醇、空气、氮气，在一定的压力下喷洒到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动到凹槽中，实现自对准工艺。该凹槽内部的底面可以覆盖有金属层，该金属层可以与芯片电极形成共晶欧姆接触，经过共晶焊或回流焊工艺，使芯片牢牢固定在凹槽中。
实施例二：
请参阅图1-7，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，包括带有凹槽的基板和与凹槽在空间上互补的无衬底芯片，无衬底芯片包括n-AlAs22和n+-GaInP23、n-AlGaInP电子传输层24、AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层25、p-AlGaInP电子传输层26和p+-GaInP欧姆接触层27，p+-GaInP欧姆接触层27的上方设置有P电极二28。
一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法：包括如下步骤：
1、利用MOCVD工艺在n-GaAs衬底21上依次生长n-AlAs22、n+-GaInP23、n-AlGaInP电子传输层24，AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层25，p-AlGaInP电子传输层26和p+-GaInP欧姆接触层27，形成AlGaInP外延片，其中n-AlAs22作为衬底腐蚀时的牺牲层。
2、对AlGaInP外延片的各膜层进行光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀到n-AlAs22之上，形成分立的几何非对称磷化物芯片结构(截角长方体)，截角长方体形成的不等边七面体、不等边的五面体或六面体。
3、对上述基片淀积金属薄膜，通过光刻腐蚀工艺形成P电极二28。
4、对上述基片进行HF腐蚀工艺，HF酸将n-AlAs牺牲层选择性腐蚀掉，几何非对称AlGaInP芯片从n-GaAs22衬底上脱落。
5、对上述几何非对称AlGaInP芯片封装或固晶时，通过机械振动或流体驱动使芯片定位到带有凹槽的基板3具有同样几何结构的凹槽中，流体可以是水、乙醇、空气、氮气，在一定的压力下喷洒到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动到凹槽中，实现自对准工艺。该凹槽内部的底面镀有AuSn合金或其他易熔合金，通过加热或合金熔融与芯片的n+-GaInP或ITO形成电学导通接触。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：包括带有凹槽的基板(3)，基板的凹槽里有剥离了蓝宝石或Si衬底(11)的无衬底芯片，无衬底芯片包括u-GaN(12)、n-GaN(13)、InGaN/GaN多量子阱(14)和p-GaN(15)，所述u-GaN(12)、n-GaN(13)、InGaN/GaN多量子阱(14)和p-GaN(15)共同形成了GaN外延片，所述GaN外延片的上方设置有ITO透明导电薄膜(16)，所述ITO透明导电薄膜(16)的上方设置有P电极一(17)，所述InGaN/GaN多量子阱(14)的上方且位于P电极一(17)的一侧设置有N电极(18)，芯片形状是截角长方体形成的不等边七面体，或不等边的五面体或六面体或其他形状，带凹槽的基板中凹陷的形状与所放置芯片在空间上互补，即芯片只能按照确定的方向才能放入该凹陷。
2.根据权利要求1所述的一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、利用MOCVD工艺在蓝宝石或Si衬底(11)上依次生长u-GaN(12)、n-GaN(13)、InGaN/GaN多量子阱(14)及p-GaN(15)，形成GaN外延片；
S2、采用电子束蒸发工艺对GaN外延片淀积ITO透明导电薄膜(16)；
S3、利用光刻和ICP刻蚀工艺将上述淀积有ITO透明导电薄膜(16)的GaN外延片刻蚀成多个分立的几何非对称芯片结构(截角长方体)，截角长方体形成的不等边七面体、不等边的五面体或六面体；
S4、对上述分立的几何非对称芯片结构淀积金属薄膜，通过光刻腐蚀工艺形成芯片的电极；
S5、通过激光剥离或化学腐蚀将蓝宝石或Si衬底(11)去除，形成无衬底GaN几何非对称芯片；
S6、对上述非对称GaN芯片封装或固晶时，通过机械振动或流体驱动使芯片定位到具有同样几何结构的带有凹槽的基板(3)的凹槽中。
3.根据权利要求2所述的一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过光刻腐蚀工艺形成芯片的电极，如果是同面电极结构芯片，形成芯片的P电极一(17)和N电极(18)；如果是垂直结构芯片，形成芯片的P电极一(17)。
4.根据权利要求2所述的一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：所述步骤S6中，流体可以是水、乙醇、空气、氮气，在一定的压力下喷洒到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动到凹槽中，实现自对准工艺。该凹槽内部的底面可以覆盖有金属层，该金属层可以与芯片电极形成共晶欧姆接触，经过共晶焊或回流焊工艺，使芯片牢牢固定在凹槽中。
5.根据权利要求1所述的一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：带有凹槽的基板(3)，基板的凹槽里有剥离了n-GaAs(21)衬底的无衬底芯片，包括n-AlAs(22)和n+-GaInP(23)、n-AlGaInP电子传输层(24)、AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层(25)、p-AlGaInP电子传输层(26)和p+-GaInP欧姆接触层(27)，所述p+-GaInP欧姆接触层(27)的上方设置有P电极二(28)。
6.根据权利要求5所述的一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、利用MOCVD工艺在n-GaAs衬底(21)上依次生长n-AlAs(22)、n+-GaInP(23)、n-AlGaInP电子传输层(24)，AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP多量子阱层(25)，p-AlGaInP电子传输层(26)和p+-GaInP欧姆接触层(27)，形成AlGaInP外延片，其中n-AlAs(22)作为衬底腐蚀时的牺牲层；
S2、对AlGaInP外延片的各膜层进行光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀到n-AlAs(22)之上，形成分立的几何非对称磷化物芯片结构(截角长方体)，截角长方体形成的不等边七面体、不等边的五面体或六面体；
S3、对上述基片淀积金属薄膜，通过光刻腐蚀工艺形成P电极二(28)；
S4、对上述基片进行HF腐蚀工艺，HF酸将n-AlAs牺牲层选择性腐蚀掉，几何非对称AlGaInP芯片从n-GaAs(22)衬底上脱落；
S5、对上述几何非对称AlGaInP芯片封装或固晶时，通过机械振动或流体驱动使芯片定位到带有凹槽的基板(3)具有同样几何结构的凹槽中。
7.根据权利要求6所述的一种非对称几何结构半导体芯片制备和使用方法，其特征在于：所述在S5步骤中，流体可以是水、乙醇、空气、氮气，在一定的压力下喷洒到芯片上，给芯片一定的机械推力使芯片移动到凹槽中，实现自对准工艺。该凹槽内部的底面镀有AuSn合金或其他易熔合金，通过加热或合金熔融与芯片的n+-GaInP或ITO形成电学导通接触。
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