CN1147937C - 一种制备基于氮化镓发光二极管的方法 - Google Patents
一种制备基于氮化镓发光二极管的方法Info
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Abstract
本发明涉及一种以氮化镓为基础的III-族氮化物半导体材料制备半导体器件方法。本发明提供了一种将衬底生长发光二极管的正面除N-电极以外的全部面积均做为P-电极，相反的背面做为出光面，并且采用倒装焊接方法进行封装的基于氮化镓发光二极管制备的新方法。该方法不仅减少了制备过程的要求和限制，提高了发光二极管有源区发光的出射率，而且提高了发光二极管的产率。适用于在类似蓝宝石透明绝缘衬底材料上生长的氮化物材料所制造的器件，例如各种波长的发光二极管、激光器、紫外光探测器等。
Description
所属领域：
本发明涉及一种以氮化镓为基础的III-族氮化物半导体材料(AlInGaN)来制造半导体器件方法，适用于在类似蓝宝石透明绝缘衬底材料上生长的氮化物材料所制造的器件，例如各种波长的发光二极管、激光器、紫外光探测器等。
背景技术：
众所周知，发光二极管(LED)主要是以导电的GaAs或InP为衬底和近几年发展起来的透明、绝缘的Al2O3为衬底。换言之，LED的衬底材料可以分为两大类：一类是导电型衬底，另一类是透明、绝缘型衬底。
对这两大类型衬底的LED，现有的制备技术上各不相同。导电型衬底制备LED通常采用上、下电极的方法。其优点是制各工艺简单，不足之处在于出光面电极下的光不能充分发射出来，这会影响LED的出光效率。举例来说，考虑热压金丝引线的需要通常需要100μm×100μm(或4密尔×4密尔)尺寸的电极，而按现有技术进行制备，电极面积就要占发光面积(350μm×350μm)的12.25％，而由于电极吸收的原因，则这12.25％的光不能被有效利用。
对于非导电衬底，由于不能采用上、下电极的方法，通常采用刻蚀的方法。如图1所示，即采用刻蚀方法暴露出N型层2，然后将P电极8和N电极9作在同一方向的表面的不同台面上，我们将这个方向的结构称为正面出光结构。其沿A-A方向的剖面图如图3所示。对于GaN-based LED，在蓝宝石衬底1上，依次生长N-GaN做为N-欧姆接触层2，N-AlGaN3，InGaN有源区4，P-AlGaN5和P-GaN欧姆接触层6。不论是蓝光还是绿光或其它波长的LED，由于高的p-型载流子浓度一般很难得到，所以，P-型面多采用增加透明电极7的方法，以薄金属层或ITO做为透明电极。典型技术如东芝公司专利[1164934]一蓝色发光元件及其制造方法，和日亚化学工业株式会社的专利[1102507]一具有欧姆电极的GaN系III-V化合物半导体器件及其制造方法。这些方法通过增加电流密度的均匀性而提高了发光效率，其代价就是损失了出光效率。除了电极下的光不能出射外，透明电极的出光率通常在20-40(日亚化学工业株式会社的专利[1102507]一具有欧姆电极的GaN系III-V化合物半导体器件及其制造方法)，极大地降低了LED的出光效率，而且其制备过程复杂、难度增加，设备精度要求高，加大了产品的成本，降低了成品率。
发明目的：
本发明的目的在于提供一种完全不必采用透明电极的LED的制备方法，减少制备过程的要求和限制，提高产品的成品率；同时提高LED有源区发光的出射率；再一个目的是提高LED的的产率，即在相同尺寸的晶片上制备更多数量的LED晶粒，从而达到进一步降低成本、增加产量的目的。
发明的内容和技术方案：
本发明的内容和技术方案如下。
本发明设计了一种制备基于氮化镓发光二极管的方法。该方法将衬底生长发光二极管的正面除N-电极以外的全部面积均做为P-电极，相反的背面做为出光面，并且采用倒装焊接方法进行封装。
考虑到以Al2O3衬底的GaN-based LED具有如下主要特点：A2O3衬底带隙宽约为10eV，透明的波长范围从145.0nm到5.5μm。特别是对于双面抛光的蓝宝石衬底，在400nm-600nm光谱区透光率如图3所示，可以看出透光率均在80％以上，其中20％的损失主要来自于表面的反射和散射造成的。而对于有有源区发出的光和双面抛光的衬底，这两项损失是可以减小的，换言之其透光率还可以增加。通常我们称蓝宝石衬底上生长GaN-基LED的面称之为正面，将相反方向的面称之为背面。根据以上特点，本发明提出在基于氮化镓LED的电极部分将一个P-电极作为光反射膜，反射有源区所发出的向该电极传播的光，使反射光再次经过有源区，并且由背面出射出来。
其中作为反射膜的P-电极可以由多层金属材料构成，而且要满足增反膜的和良好欧姆接触的要求。这时有源区发出的光的反射率可以高达90％以上，如图4所示。这就意味着有源区发出的向金属电极方向传播的光也几乎可以90％的被反射回来，而且再次经过有源区，再由背面出射出来。
许多实验结果表明，GaN-based LED可以制成极小尺寸的结构，而且Al2O3具有很高的硬度(MOHS 9)和机械强度(断裂模量为50000psi；刚性模量为21×106psi)，因此在很薄的情况下可以制成很小尺寸而不破碎，但是其封装问题一直没有解决。因此LED可以达到的最小尺寸取决于电极的制备和封装工艺技术，通常使用4×4mils(约为100μm×100μm)的焊接电极，而由此造成进一步减小LED的尺寸的障碍。为此，针对本发明所提出的两个电极朝下、背面出光结构的封装问题，本发明相应采用了倒装焊接技术，这一方法可将LED尺寸减小到电极尺寸的范围。考虑到发光区对LED亮度的影响，在保持现有技术制备的LED的发光面积不变的情况下，由于电极已经不再占用发光区，LED面积至少可以减少到P-电极的面积，即相对原有面积减少12.25％。
说明书附图说明：
图1.蓝宝石衬底上的氮化物半导体LED的现有技术的结构的平面图。
图2.蓝宝石衬底上的氮化物半导体LED的现有技术的结构的截面图。
图3.双面抛光的蓝宝石衬底的透射谱。
图4.具有Ni/Au金属膜的反射谱
图5.以Al2O3为衬底的GaN-based LED的背面出光的结构图。
图6.具有双辅助外接电极法的GaN-based LED的背面出光的结构的装配图。
图7.具有单辅助外接电极法的GaN-based LED的背面出光的结构的装配图。
图8.具有倒装焊接结构的背面出光LED支架与LED芯片直接倒装焊接示意图。
实施例：
下面结合实施例进一步说明。
以Al2O3为衬底的GaN-based LED制备成背面出光的结构如图5所示。将全部正面作成两个电极，P-极12和13与N-极9。其中和P-电极相对的背面可以全部成为出光区，当发光区发出的光经金属膜反射时，反射光会二次经过发光区引起光激发，从而达到进一步增强发光效率的目的。P-电极13主要由高纯金构成，做为欧姆接触的一部分和焊接金丝引线10。P-电极12主要是做为欧姆接触的一部分和相对有源区所发出的、向该电极传播的光的高反射膜，其厚度应为(2n+1)n12λ，其中n为正整数，n12为P-接触层12材料在有源区发出的光波长的λ下的折射率。P-电极12材料的选择应考虑到P-欧姆接触的要求和高反射率、低吸收指数的双重要求。
由于采用背面出光LED结构的设计，现有LED的封装技术都不适用，本发明相应提出了新的LED封装技术。如何解决两个电极朝下，背面出光的封装问题，我们用以下几个实施例加以详细说明。
第一实施例提供一种通过双辅助外接电极进行倒装焊接的方法：首先，按发明要点3的要求，制备LED的P-电极12和13和N-电极9。例如，P-电极12可以采用金属Ni，厚度为(n12λ)；P-电极13可以采用金属金厚度为200-400nm。N-电极9采用常规做法。采用另外一个带有结合牢固的金属电极15和16的辅助电极薄片14。此薄片14要求具有(a)绝缘性好，(b)耐高温(300℃以上)，(c)具有一定机械强度(0.4mm厚)，(d)易成型加工，(e)易分割的性能。例如采用聚酰亚胺薄膜做为辅助电极薄片14，高纯金做为电极15和16。具体方案如图6所示。首先将LED芯片P-电极13与辅助电极15相对准，LED芯片N-电极9与辅助电极16相对准，且LED的P电极N电极的隔离间隙与辅助电极的隔离间隙相对准，将LED倒装焊或导电胶黏结在辅助电极片上，再将辅助电极通过电极引线10和11与LED支架连接，封装。按此方法制备的LED具有前述的优点。
第二个实施例提供一种通过单辅助电极进行倒装焊接的方法：LED的电极制备同第一实施例。此法的最后结果具有类似上下电极LED的封装的方式。辅助电极板与第一方案相同，但是辅助电极板14上，p区电极处为一圆孔17，如图7所示。当LED芯片与辅助电极板连接在一起时，P-电极13与圆孔17相对；N电极9与辅助电极16相对倒装焊接或导电胶黏结。在将辅助电极与LED芯片与LED支架封装时，则可以类似于上下电极的LED芯片的方法，用导电胶通过圆孔与p电极连接，n电极由金丝引线11与外支架连接。按此方法制备的LED具有和实施例1相同的结果。
第三个实施例提供一种通过倒装LED支架进行倒装焊接的方法：将LED支架制成具有和LED电极相对的倒装焊的结构，与LED芯片直接倒装焊接，如图8所示。此实施方案具有同实施例1和2相同的结果，只是LED支架的制备上要满足与LED电极结构相对的要求。
以上三种实施例只是本发明的举例，依照本发明原理，还可以衍生出其它各种方案。
有益效果：
本发明避免了制备透明电极的复杂的工艺过程。且由于采用背面出光，可使出光效率极大提高。考虑到p-极的制备使其成为高反射膜，以及反射光的二次激发，可出光率可以得到大大提高其具有重大经济效益，原因在于：
1.与传统两种封装方法相比，解决了P电极下的光出射问题，提高出光率12.25％。
2.解决了GaN-based LED透明电极的透光率低的问题。现有技术制备的透明电极通常的结果，透光率达到40％。而蓝宝石衬底的透光率大于80％，提高出光率40％。
综合上述两点，提高出光率52.25％。
3.减小了芯片尺寸，相对常规LED尺寸，至少减少16％，可使材料的利用率提高16％。
Claims (5)
1.一种制备基于氮化镓发光二极管的方法，其特征在于：将衬底生长发光二极管的正面除N-电极以外的全部面积均做为P-电极，相反的背面做为出光面，并且采用倒装焊接方法进行封装；即将一个P-电极作为光反射膜，反射有源区所发出的向该电极传播的光，使反射光再次经过有源区，并且由背面出射出来；作为光反射膜的P-电极其电极层的厚度为(2n+1)n12λ，其中n为正整数，n12为P-电极层材料在有源区发出的光波长的λ下的折射率。
2.根据权利要求1所述的制备基于氮化镓发光二极管的方法，其特征在于：倒装焊接方法通过单辅助电极进行倒装焊接。
3.根据权利要求1所述的制备基于氮化镓发光二极管的方法，其特征在于：倒装焊接方法通过倒装焊发光二极管支架进行倒装焊接。
4.根据权利要求2所述的制备基于氮化镓发光二极管的方法，其特征在于：采用单辅助电极倒装焊接方法，即采用一个辅助电极板，辅助电极板上有一个金属辅助电极，它与发光二极管芯片已隔离保护的一个电极相对准；辅助电极板上还有一个圆孔，它与发光二极管芯片已隔离保护的另一个电极相对准；在将发光二极管芯片与支架封装时，用导电胶通过辅助电极的圆孔将一个电极与支架连接，将另一个电极通过辅助电极由引线与外支架连接完成封装。
5.根据权利要求3所述的制备基于氮化镓发光二极管的方法，其特征在于：采用倒装焊发光二极管支架方法，即将发光二极管的支架制成具有和发光二极管电极相对的倒装焊结构，利用与发光二极管芯片形状匹配的支架直接进行倒装焊接。
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