CN1716645A - 倒装焊发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种倒装焊发光二极管芯片包括蓝宝石衬底、在所述衬底上外延生长的多层氮化镓半导体材料，还包括在所述氮化镓半导体材料上制备的氧化物基透明导电薄膜、在所述导电薄膜上制备的具有高光反射率和高导电性的金属基薄膜、以及在所述氮化镓半导体材料及所述金属基薄膜裸露表面制备的倒装焊键合用的金属凸点；还可以在所述氧化物基薄膜和金属基薄膜之间制备提高其低电阻接触特性的界面金属薄膜。从而既能与P型氮化镓形成低阻欧姆接触又具有良好透光性的优点；另外还具有在不增加吸光率不减弱反射率的情况下，改善氧化基透明导电薄膜和金属基薄膜之间的低电阻接触特性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片及其制备方法，特别是涉及倒装焊用的发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管已广泛应用于许多照明、指示、显示和背光源等场合。对使用蓝宝石衬底制备的发光二极管芯片，由于蓝宝石的不导电性，使得发光二极管芯片的正负电极必须制备在芯片的同一侧(如图1A所示)。典型的制备过程包括在蓝宝石衬底2上生长氮化镓基含量子阱21的半导体材料。通过刻蚀使其部分N型氮化镓20裸露。一般采用浮离工艺(Lift-off processing)或化学腐蚀的方法，在P型氮化镓22上形成透明导电薄膜23作为电流扩展层和透光层。一般，透明导电薄膜23采用Ni/Au材料，Ni的厚度一般为25～50、Au的厚度一般为30～150。再通过在裸露的N型氮化镓20和透明导电薄膜23分别形成键合电极24和25，所述键合电极24和25分别与透明导电薄膜23和N型氮化镓20形成低电阻欧姆接触。芯片通电后，量子阱21发出的光需要通过P型氮化镓和透明导电薄膜23。
实验发现，Ni/Au透明导电薄膜23可以与P型氮化镓22形成低阻欧姆接触，但其出光方向如图1B中的箭头所示，其透光性随着Ni/Au透明导电薄膜23厚度的增加而急剧下降，从而严重影响出光率。所以，为增加出光率，Ni/Au透明导电薄膜23的厚度不宜太厚，越薄越好。另一方面Ni/Au透明导电薄膜23的导电性(或电流扩展性)又随着Ni/Au透明导电薄膜厚度的减少而急剧下降，继而会影响出光均匀性和芯片的工作寿命。所以，为均匀发光和维持良好的芯片寿命，Ni/Au透明导电薄膜23的厚度不宜太薄。两者之间相互矛盾，难以兼顾。
倒装焊技术可以有效地缓解上述正装焊芯片结构(如图1A、1B所示)对芯片制备的限制。典型的倒装焊芯片(如图2所示)与正装焊芯片结构相比不难发现倒装焊芯片的出光方向(如图2中箭头)是透明衬底3一侧，可以有效避免出光方向被透明导电薄膜33吸收的问题。
由图2可知，从量子阱31发出的光有一部分朝向与出光方向相反的方向传播。虽然有部分光被透明导电薄膜33反射回到出光方向，但由于经退火合金后的Ni/Au层在470～520nm的反射率一般只有31％，所以大部分光都经透明导电薄膜33沿着出光方向的反方向损失掉。
而对470～520nm的光，Ag和Al薄膜分别有将近95％和84％的光反射率，但它们不能直接与P型氮化镓32形成低阻欧姆接触，导致工作电压太高。有报道(Applied Physics Letters，Volo83，No.24，PP.4990-4992)采用首先在P型氮化镓上制备Ni基薄膜，并与P型氮化镓低阻欧姆接触后，再在其上制备高反射率的Ag层或Al层；或首先在P型氮化镓上制备氮化镍/金(NiO/Au)基多层薄膜，并与P型氮化镓形成低阻欧姆接触后再在其上制备高反射率的Ag层和Al层(Applied Physics Letters，Vol83，No.2，PP.311-313)制备高亮度倒装焊型氮化镓基发光二极管芯片。对采用Ni基薄膜加高反射率Ag层结构，由于反向出光被Ni基薄膜二次吸收只剩下大约30-40％反射，所以反射层的效果不明显。对采用NiO/Au基薄膜加高反射率Ag层结构也同样由于Au层的低透光率而将大部分反射光吸收掉，使其反光效果变得不明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种既能与P型氮化镓形成低阻欧姆接触又具有良好透光性的倒装焊发光二极管芯片。
本发明进一步要解决的技术问题在于，提供一种在不增加吸光率不减弱反射率的情况下，改善氧化基透明导电薄膜和金属基薄膜之间的低电阻接触特性的倒装焊发光二极管芯片。
本发明另一要解决的技术问题在于，提供一种制备既能与P型氮化镓形成低阻欧姆接触又具有良好透光性的倒装焊发光二极管芯片的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种倒装焊发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底、在所述衬底上外延生长的多层氮化镓半导体材料，还包括在所述氮化镓半导体材料上制备的氧化物基透明导电薄膜、在所述导电薄膜上制备的具有高光反射率和高导电性的金属基薄膜、以及在所述氮化镓半导体材料及所述金属基薄膜裸露表面制备的倒装焊键合用的金属凸点。
上述倒装焊发光二极管芯片还包括设在所述氧化物基薄膜和金属基薄膜间的、提高其低电阻接触特性的界面金属薄膜。
上述倒装焊发光二极管芯片所述的多层氮化镓半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓、氮化镓铟/氮化镓多重量子阱、以及镁掺杂P型氮化镓。
上述倒装焊发光二极管芯片所述的氧化物基透明导电薄膜为单层结构或多层结构，其材料为NiO、ZnO、MgO或掺杂的NiO、ZnO、MgO；所述金属基薄膜为单层结构或多层结构，其材料为Ag、Al或Au。
本发明解决其另一技术问题所采用的技术方案是：提供一种制备倒装焊发光二极管芯片的方法，包括步骤：
a、制备蓝宝石衬底；
b、在所述蓝宝石衬底上外延生长多层氮化镓基半导体材料，所述多层氮化镓半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓、氮化镓铟/氮化镓多重量子阱、以及镁掺杂P型氮化镓；
c、蚀刻上述半导体材料，使得部分N型氮化镓裸露；
d、在未被蚀刻的所述P型氮化镓表面制备氧化物基透明导电薄膜，并与所述P型氮化镓形成低欧姆接触；
e、在所述氧化物基透明导电薄膜上制备具高光反射率和高导电性的金属基薄膜，并与透明导电薄膜形成低阻欧姆接触。
f、在所述金属基薄膜上和裸露的N型氮化镓表面制备可用于倒装焊键合的金属凸点，所述金属凸点分别与所述N型氮化镓和所述金属基薄膜形成低阻欧姆接触。
上述制备倒装焊发光二极管芯片的方法还包括步骤：g、在所述氧化物基透明导电薄膜和所述金属基导电薄膜之间制备一层提高其低电阻接触特性的界面金属薄膜。所述界面金属薄膜可以通过还原所述氧化物基透明导电薄膜而得到，其还原温度为200～900℃，其还原气氛为纯氢或纯氢加纯氮或纯氩，而所述加入的纯氮或纯氩浓度小于50％，还原反应时间为10秒～30分钟，最佳0.5分钟～3分钟；或者，可以在真空条件下，直接沉积一层与所述氧化物基透明导电薄膜相同的金属元素的金属薄膜形成，厚度5～150，最佳10～15。
上述制备倒装焊发光二极管芯片的方法，还包括步骤：h、在所述金属基导电薄膜表面均匀蒸镀一层改善电流扩展性能和降低工作电阻的高导电性金属层，其厚度300～30,000，最佳为1000～3000。
上述所述制备倒装焊发光二极管芯片的方法所述的步骤d的氧化物基透明导电薄膜可以在可控氧气氛下，采用电子束蒸镀，等离子体辅助溅射和热蒸发技术直接蒸镀在所述P型氮化镓上；或者在真空条件下，在所述P型氮化镓上均匀蒸镀导电金属薄膜，然后再在可控氧气氛下氧化所述导电金属薄膜，形成氧化物基透明导电薄膜，所述可控氧气氛为纯氧气氛、纯氧掺纯氮或纯氩气氛，其中掺杂的纯氮或纯氩的浓度＜10％，最佳为1.5～6.5％，其氧化温度为300℃～800℃，最佳为400～600℃，氧化时间为10秒～60分钟，最佳为30秒～10分钟。
上述制备倒装焊发光二极管芯片的方法所述的步骤e的金属基薄膜可采用热蒸发、电子束蒸镀或等离子体辅助溅射技术制备。
与现有技术相比，本发明倒装焊发光二极管芯片在未被蚀刻的所述P型氮化镓表面制备氧化物基透明导电薄膜，并与所述P型氮化镓形成低欧姆接触；并且在所述氧化物基透明导电薄膜上制备具高光反射率和高导电性的金属基薄膜，并与透明导电薄膜形成低阻欧姆接触，既能与P型氮化镓形成低阻欧姆接触又具有良好透光性的优点；另外，还可以在氧化物基透明导电薄膜和金属基导电薄膜之间制备一层提高其低电阻接触特性的界面金属薄膜，从而具有在不增加吸光率不减弱反射率的情况下，改善氧化基透明导电薄膜和金属基薄膜之间的低电阻接触特性的优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明倒装焊发光二极管芯片作进一步说明，附图中：
图1A是现有技术的正装发光二极管芯片的正面示意图。
图1B是根据图1A的剖面线A-A的剖视示意图。
图2是现有技术倒装焊发光二极管芯片的剖视示意图。
图3是本发明倒装焊发光二极管芯片第一实施例的剖视示意图。
图4是本发明倒装焊发光二极管芯片第二实施例的剖视示意图。
图5是本发明倒装焊发光二极管芯片第三实施例的剖视示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例来对本发明的倒装焊发光二极管芯片及其制备方法作进一步详细的描述，然而，本发明不局限于这些实施例。
本发明的倒装焊用发光二极管芯片包括蓝宝石衬底；在衬底上通过外延生长的多层氮化镓基半导体材料，其典型结构包括硅掺杂N型氮化镓，氮化镓铟/氮化镓多重量子阱，和镁掺杂P型氮化镓；通过蚀刻所述半导体外延材料使得N型氮化镓部分裸露；在未被蚀刻的P型氮化镓表面制备氧化物基透明导电薄膜，并与P型氮化镓形成低欧姆接触；在所述氧化物基透明导电薄膜上制备具高光反射率和高导电性的金属基薄膜，并与透明导电薄膜形成低阻欧姆接触；在所述金属基薄膜上和裸露的N型氮化镓表面制备可用于倒装焊键合的金属凸点，金属凸点分别与N型氮化镓和金属基薄膜形成低阻欧姆接触。所述倒装焊发光二极管芯片可以通过倒装焊方法焊接到底板上。其中，所述氧化物基透明导电薄膜材料可以为：NiO，ZnO或MgO，或掺杂的NiO，ZnO和MgO；或NiO，ZnO和MgO多层结构，或掺杂的NiO，ZnO和MgO多层结构，或掺杂的和不掺杂的NiO，ZnO和MgO多层结构。所述氧化物基透明导电薄膜的厚度为5～10,000，其最佳范围30～3000。所述氧化物基透明导电薄膜可以是：在可控氧气氛下，采用电子束蒸镀，等离子体辅助溅射和热蒸发技术，直接蒸镀；也可以在真空条件下，在P型氮化镓上均匀蒸镀Ni、Zn或Mg薄膜，然后再在可控氧气氛下氧化上述金属薄膜，形成NiO、ZnO或MgO，并与P型氮化镓形成低阻欧姆接触；所述的可控氧气氛为纯氧气氛，纯氧掺纯氮或纯氩气氛，而纯氮或纯氩的浓度＜10％，最佳1.5～6.5％，其温度为300℃～800℃，最佳为400～600℃，氧化时间10秒～60分钟，最佳30秒～10分钟。所述高光反射率高导电性的金属基薄膜可以是：单层结构，采用纯Ag、Al、Au或其它高光反射率和高导电性金属基材料，其厚度为150～50,000，最佳为1000～5000，可采用热蒸发、电子束蒸镀或等离子体辅助溅射技术在所述氧化物基透明导电薄膜上形成；或者为多层结构，采用高光反射率材料如Ag/Al/Ag、Al/Ag/Al，采用热蒸发、电子束蒸镀或等离子体辅助溅射技术在所述氧化物基透明导电薄膜上形成。为改善电流扩展性能和降低工作电阻，可在所述金属基薄膜表面再均匀蒸镀一层高导电性金属层如Au，其厚度为300～30,000，最佳为1000～3000。在所述氧化物基透明导电薄膜和金属基导电薄膜间可以增加一层界面金属薄膜来改善它们间的低电阻接触特性。所述界面金属薄膜可以由氧化物还原形成的金属基薄膜，其还原温度200～900℃，还原气氛为纯氢或纯氢加纯氮或纯氩，而纯氮或纯氩浓度小于50％，还原反应时间为10秒～30分钟，最佳0.5分钟～3分钟；或者所述界面金属薄膜可以在真空条件下，直接沉积一层与氧化物基相同的金属元素的金属薄膜而形成，其厚度为5～150，最佳为10～15。
如图3所示，为本发明倒装焊发光二极管芯片及其制备方法的第一实施例，是采用NiO作为氧化物基透明导电薄膜13a和Ag作为高光反射的金属基薄膜13b。其制备过程包括：
制备蓝宝石衬底1；
在所述衬底1上通过外延生长多层氮化镓基半导体材料，所述氮化镓基半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓10、氮化镓铟/氮化镓多重量子阱11和镁掺杂P型氮化镓12；
蚀刻所述半导体材料，使得N型氮化镓10部分裸露；
在未被蚀刻的P型氮化镓12表面制备氧化镍透明导电薄膜13a，其厚度为30，并与P型氮化镓12形成低阻欧姆接触。所述氧化镍透明导电薄膜13a在可控氧气氛下，采用电子束蒸镀、等离子体辅助溅射或热蒸发技术，直接蒸镀；也可以在真空条件下，在P型氮化镓上均匀蒸镀Ni薄膜，然后再在可控氧气氛下氧化上述金属薄膜，形成NiO薄膜，并与P型氮化镓形成低阻欧姆接触；所述的可控氧气氛为纯氧气氛，纯氧掺纯氮或纯氩气氛，而纯氮或纯氩的浓度＜10％，最佳1.5～6.5％，其温度为300℃～800℃，最佳为400～600℃，氧化时间10秒～60分钟，最佳30秒～10分钟；
在上述氧化镍透明导电薄膜13a上制备具高光反射率和高导电性的Ag薄膜13b厚度3000，并与透明导电薄膜13a形成低阻欧姆接触，所述Ag薄膜13b采用热蒸发、电子束蒸镀或等离子体辅助溅射技术在所述氧化物基透明导电薄膜上形成；
在上述Ag薄膜13b上和N型氮化镓10裸露的表面14、15制备可用于倒装焊键合的金属凸点17和16，所述金属凸点16、17的直径为40μm、高度30μm，并且分别与N型氮化镓10和Ag薄膜13b形成低阻欧姆接触。并可通过倒装焊方法将所述倒装焊发光二极管芯片焊接到底板18上。
如图4所示为本发明倒装焊发光二极管芯片及其制备方法的第二实施例，是采用NiO作为导电薄膜13a，通过还原反应形成纳米级厚的Ni作为金属界面层13c和Ag作为高光反射薄膜13b，其制备过程包括：
制备蓝宝石衬底1；
在所述衬底1上通过外延生长多层氮化镓基半导体材料，所述氮化镓基半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓10、氮化镓铟/氮化镓多重量子阱11和镁掺杂P型氮化镓12；
蚀刻所述半导体材料，使得N型氮化镓10部分裸露；在未被蚀刻的P型氮化镓12表面制备氧化镍透明导电薄膜13a厚度30，并与P型氮化镓12形成低阻欧姆接触；
在还原气氛(H2)中，将氧化镍透明导电薄膜13a的表面转变成金属基Ni纳米级(厚度)的界面金属薄膜13c，其还原温度450℃，时间30秒；
在上述纳米级界面金属薄膜13c上制备具高光反射率和高导电性的Ag薄膜13b，其厚度为3000，并与金属界面层13c形成低阻欧姆接触；
在上述Ag薄膜13b上和N型氮化镓11裸露的表面14、15制备可用于倒装焊键合的金属凸点17和16，所述金属凸点16、17的直径为40μm、高度为30μm，其别与N型氮化镓11和Ag薄膜13b形成低阻欧姆接触。并可通过倒装焊方法将所述倒装焊发光二极管芯片焊接到底板18上。
如图5所示为本发明倒装焊发光二极管芯片及其制备方法的第三实施例，是采用NiO作为导电薄膜13a，蒸镀纳米级厚的Ni作为界面层13d和Ag作为高反射薄膜13b，其制备过程包括：
制备蓝宝石衬底1；
在衬底1上通过外延生长多层氮化镓基半导体材料，所述氮化镓基半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓10，氮化镓铟/氮化镓多重量子阱11，和镁掺杂P型氮化镓12；
蚀刻所述半导体外延材料，使得N型氮化镓10部分裸露；
在未被蚀刻的P型氮化镓13表面制备氧化镍基透明导电薄膜13a，其厚度为30，并与P型氮化镓12形成低阻欧姆接触；
在真空条件下，在上述透明导电薄膜13a上直接沉积一层Ni界面金属薄膜13d，其厚度为7.5，并与透明导电薄膜13a形成低阻欧姆接触；
在上述界面金属薄膜13d上制备具高光反射率和高导电性的Ag薄膜13b，并与金属界面层13d形成低阻欧姆接触；
在上述金属界面层13d上和N型氮化镓10裸露的表面14、15制备可用于倒装焊键合的金属凸点17和16，所述金属凸点16、17的直径为40μm，高度为30μm，并且分别与N型氮化镓10和Ag薄膜13b形成低阻欧姆接触。并可通过倒装焊方法将所述倒装焊发光二极管芯片焊接到底板18上。
Claims (10)
1、一种倒装焊发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底、在所述衬底上外延生长的多层氮化镓半导体材料，其特征在于，还包括在所述氮化镓半导体材料上制备的氧化物基透明导电薄膜、在所述导电薄膜上制备的具有高光反射率和高导电性的金属基薄膜、以及在所述氮化镓半导体材料及所述金属基薄膜裸露表面制备的倒装焊键合用的金属凸点。
2、根据权利要求1所述的倒装焊发光二极管芯片，其特征在于，所述倒装焊发光二极管芯片还包括设在所述氧化物基薄膜和金属基薄膜间的、提高其低电阻接触特性的界面金属薄膜。
3、根据权利要求1或2所述的倒装焊发光二极管芯片，其特征在于，所述多层氮化镓半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓、氮化镓铟/氮化镓多重量子阱、以及镁掺杂P型氮化镓。
4、根据权利要求1所述的倒装焊发光二极管芯片，其特征在于，所述氧化物基透明导电薄膜为单层结构或多层结构，其材料为NiO、ZnO、MgO或掺杂的NiO、ZnO、MgO；所述金属基薄膜为单层结构或多层结构，其材料为Ag、Al或Au。
5、一种制备倒装焊发光二极管芯片的方法，所述倒装焊发光二极管为权利要求1所述的倒装焊发光二极管芯片，包括步骤：
a、制备蓝宝石衬底；
b、在所述蓝宝石衬底上外延生长多层氮化镓基半导体材料，所述多层氮化镓半导体材料包括硅掺杂N型氮化镓、氮化镓铟/氮化镓多重量子阱、以及镁掺杂P型氮化镓；
c、蚀刻上述半导体材料，使得部分N型氮化镓裸露；
其特征在于，还包括步骤：
d、在未被蚀刻的所述P型氮化镓表面制备氧化物基透明导电薄膜，并与所述P型氮化镓形成低阻欧姆接触；
e、在所述氧化物基透明导电薄膜上制备具高光反射率和高导电性的金属基薄膜，并与透明导电薄膜形成低阻欧姆接触。
f、在所述金属基薄膜上和裸露的N型氮化镓表面制备可用于倒装焊键合的金属凸点，所述金属凸点分别与所述N型氮化镓和所述金属基薄膜形成低阻欧姆接触。
6、根据权利要求5所述制备倒装焊发光二极管芯片的方法，其特征在于，在所述步骤d和步骤e之间还包括步骤：g、在所述氧化物基透明导电薄膜和所述金属基导电薄膜之间制备一层提高其低电阻接触特性的界面金属薄膜。
7、根据权利要求6所述制备倒装焊发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述界面金属薄膜可以通过还原所述氧化物基透明导电薄膜而得到，其还原温度为200～900℃，其还原气氛为纯氢或纯氢加纯氮或纯氩，而所述加入的纯氮或纯氩浓度小于50％，还原反应时间为10秒～30分钟；或者，可以在真空条件下，直接沉积一层与所述氧化物基透明导电薄膜相同的金属元素的金属薄膜形成，厚度5～150。
8、根据权利要求5所述制备倒装焊发光二极管芯片的方法，其特征在于，还包括步骤：h、在所述金属基导电薄膜表面均匀蒸镀一层改善电流扩展性能和降低工作电阻的高导电性金属层，其厚度300～30,000。
9、根据权利要求5所述制备倒装焊发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤d所述的氧化物基透明导电薄膜可以在可控氧气氛下，采用电子束蒸镀，等离子体辅助溅射和热蒸发技术直接蒸镀在所述P型氮化镓上；或者在真空条件下，在所述P型氮化镓上均匀蒸镀导电金属薄膜，然后再在可控氧气氛下氧化所述导电金属薄膜，形成氧化物基透明导电薄膜，所述可控氧气氛为纯氧气氛、纯氧掺纯氮或纯氩气氛，其中掺杂的纯氮或纯氩的浓度＜10％，其氧化温度为300℃～800℃，氧化时间为10秒～60分钟。
10、根据权利要求5所述制备倒装焊发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤e的金属基薄膜可采用热蒸发、电子束蒸镀或等离子体辅助溅射技术制备。
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