CN1731592A - 倒装焊结构发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了倒装焊结构发光二极管及其制造方法，包括：在散热基板上制作第一金属层，并分别形成p电极区和n电极区；在所述第一金属层上形成金属凸点阵列；在LED芯片的p、n电极上形成第二金属层；将所述LED芯片的p电极和n电极分别对应所述散热基板上的p电极区和n电极区键合，并对相接触的第二金属层和金属凸点阵列加压、加超声、加热。本发明的倒装焊结构发光二极管，包括：一散热基板；第一金属层，位于所述散热基板之上，包括了p电极区和n电极区；金属凸点阵列，位于所述第一金属层上的p电极区之上；LED芯片，所述LED芯片的n电极位于所述第一金属层的所述n电极区之上，所述LED芯片的p电极位于所述第一金属层的所述p电极区之上。

Description

倒装焊结构发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明提供了一种发光二极管结构以及其制造方法，主要涉及一种通过倒装焊接方式形成的发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种能将电能转变为光能的半导体器件。通过在两极注入电子与空穴，二者会在半导体结区附近复合产生光子。发光的颜色可以通过选择不同的半导体材料来调节。常见的红色、黄色以及黄绿色的LED主要是由GaAs、GaP或AlInGaP四元合金制造的，通过调节合金的组分，光的波长连续可调。此外，以GaN为代表的III族氮化物材料是制造蓝、绿光LED的关键材料体系，而且此类LED的发光效率很高，在照明和高亮度显示领域有着广阔的应用前景。GaN材料的生长通常需要将衬底加热到1000摄氏度左右，因此作为理想的衬底材料目前只有两种选择，一是蓝宝石，二是碳化硅。二者都有很好的热、化学稳定性。但是，蓝宝石衬底由于其价格优势，目前是制造此类LED的主要选择。在蓝宝石衬底上的制作LED通常需要将两个电极(亦即p电极和n电极)都做在半导体薄膜表面上，这是因为该衬底是绝缘材料，它不能作为LED与外界电源的连接通道。图1所示的是常见的GaN基LED的器件结构剖面图(参考Nakamura等人的发明，美国专利Pat.No.5,563,422)。该LED结构主要由如下几个部分组成：(a)外延衬底1，一般使用蓝宝石或碳化硅；(b)与衬底1接触的低温结晶层2；(c)其上的n型GaN层3；(d)其上的发光活性层5(量子阱层)；(e)其上的p型GaN层6；(f)布置在n型GaN层上的n电极压焊点4、设置在p型GaN层6上的p型电极接触层7，以及其上的p电极压焊点8。由于n型GaN层3是埋在p型GaN层6之下，所以为了做n电极接触通常需要将部分区域刻蚀直到n型GaN层3，然后蒸镀金属电极4(常用Ti/Al/Ti/Au多层结构)。而p型层上的电极制作通常需要使用透光率高的Ni/Au金属层7或透明导电电极ITO覆盖整个p型半导体区，这主要是考虑到两方面因素：1)大面积的接触可以显著减小p型GaN与电极之间的接触电阻，这一点非常重要，因为p型GaN的导电性较差，它的接触电阻是整个器件系列电阻的主要部分；2)由于光需要从上表面逸出，因此电极要有好的透光性。除了上述的普通LED结构外，目前还有一种名为倒装焊LED结构的装置，如图2所示(参考Steigerwald等人的发明，美国专利Pat.No.6,573,537)。它的主要结构是包括一个倒装的LED，(这个LED包括外延衬底1、n型GaN层2、发光活性层3、p型GaN层4和p电极与光反射层5)和设置在上述倒置的LED下的散热基板8。倒装的LED与散热基板8是通过焊点6连接。这种结构的LED主要特点是能在大的输入功率下工作，并且光的萃取效率相对较高。倒装焊结构的LED是从透明的外延衬底背面出光的。这种结构的LED特别适用于蓝宝石衬底，因为，它既克服了蓝宝石衬底低导热能力的限制，增大了器件输入功率的空间；又充分利用了蓝宝石衬底在可见区域的高透光率特性。为了提高出光效率，通常在半导体p型层上沉积一层高反射率的金属层(如Al、Ag等)构成如图2所示的p电极与光反射层5，将向下发射的光反射回来并导出。当前，倒装焊技术通常采用两种方案：1)利用熔焊方式通过焊料(如PbSn)将LED芯片的p、n电极与散热基板粘结，实现导电导热双重功能；2)利用在散热基板上打金点的方式，将芯片通过压力与热超声焊在基板上。这两种方法虽然一定程度上解决了大功率输入的散热困难问题，但是还有许多缺点。前一方案的主要问题在于：1)焊料含铅，对环境有害；2)PbSn焊料本身导热特性不佳，而且它的厚度一般达到30微米以上，这大大增加了从LED芯片到散热基板之间的热阻。后一方案的缺点是：1)在基板上打金点耗时、成本高；2)通过金点接触，芯片与散热基板之间的热阻也较大；3)焊接点的金属面积尺寸难以调节。总之，目前使用LED倒装焊技术普遍存在热阻较大、对环境不利、成本较高、或焊点结构设计空间不够等等问题。
发明内容
本发明旨在克服上述提到的问题，提供一种散热性优良，设计简便、灵活，成本低廉的倒装焊结构LED以及其制作方法。
倒装焊结构发光二极管及其制造方法，包括提供一散热基板和具有p、n电极的LED芯片，所述方法包括：
步骤一，在散热基板上制作第一金属层，并分别形成p电极区和n电极区；
步骤二，在所述第一金属层上形成金属凸点阵列；
步骤三，在LED芯片的p、n电极上形成第二金属层；
步骤四，将所述LED芯片的p电极和n电极分别对应所述散热基板上的p电极区和n电极区键合，并对相接触的第二金属层和金属凸点阵列加压、加超声、加热。
另一方面，本发明的倒装焊结构发光二极管，包括：
一散热基板；
第一金属层，位于所述散热基板之上，包括了p电极区和n电极区；
金属凸点阵列，位于所述第一金属层上的p电极区之上；
LED芯片，所述LED芯片的n电极位于所述第一金属层的所述n电极区之上，所述LED芯片的p电极位于所述第一金属层的所述p电极区之上。
本发明的LED芯片的制作方法，包括：提供一外延衬底；形成一n型GaN层于所述外延衬底上；形成一发光活性层于所述n型GaN层上；形成一p型GaN层于所述n型GaN层上；刻蚀并移除所述外延衬底上的部分p型GaN层，以暴露出n型GaN层，在该暴露出的n型GaN层上形成n电极；在未被刻蚀部分沉积p电极，并沉积第三金属层，所述p电极与第三金属层形成一复合金属层，用于金属半导体接触导电与反光的作用；形成第四金属层，介于所述p电极与n型GaN层之间。
本发明的LED芯片制造过程，包括：1)在蓝宝石或其它衬底上利用金属有机物气相外延的方法外延沉积III-族氮化物薄膜；2)一对在同侧的相互电气绝缘的电极制作；3)含Ag、Al、Au、Rh或Ir等单层或多层金属膜的反光层的沉积，其中为了提高粘附性有时需要插入Ti或Cr等金属层，其中为了减少反光层金属对其下的金属接触层的互扩散影响，需要插入W、V等金属层；4)沉积含Al、Au或Ag等单层或多层延展性优良的金属膜，用于与基板上的多层金属凸点阵列形成良好的键合。
该金属多层膜既是LED芯片与散热基板机械粘结的材料、又起到电极引出和导热的效果。用光刻掩膜再刻蚀的方法制作该金属凸点阵列最大的优点是：效率高、图案形态大小调整方便。
附图说明
下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法和装置的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
图1是常见的普通GaN基LED的剖面示意图；
图2所示的是一种倒装焊结构LED的剖面示意图；
图3是本发明实施例1的倒装焊结构LED的剖面示意图；
图4是本发明实施例2的倒装焊结构LED的剖面示意图；
图5是本发明实施例3的倒装焊结构LED的剖面示意图。
具体实施方式
下面参照图3至图5就本发明的几种实施方式作具体说明。
实施例1
图3所示的是实施例1的倒装焊结构LED的纵向截面图。下面就其结构及制作方法做具体说明。
首先，在衬底1上外延生长III-族氮化物半导体材料，包括：n型GaN层2，发光活性层3，以及p型GaN层4。刻蚀部分外延层区域直到n型GaN层2以便引出n电极10。接着，在未被刻蚀部分的p电极上沉积半透明Ni/Au金属层作电极接触，随后沉积用于反光的Al或Ag金属层，此外为了减小其上的反光层金属对Ni/Au接触的影响，需要在二者之间插入防扩散金属层，由此形成图示中的复合金属层5，该复合金属层5同时起到金属半导体接触导电与反光的作用。随后，沉积用于形成压焊的具有良好延展性的金属层6，通常是Al或Au或Ag等材料，上述工艺完成后形成一LED结构。
另一方面，使用硅片或其它散热特性良好的半导体作散热基板9，可以在半导体散热基板9上制作两个反向串联的二极管用于LED的静电保护旁路11。随后在硅片上利用热蒸发、溅射或电镀的方式沉积Al/Ti/Ag多层金属膜8，该金属膜8上分为n电极区81、p电极区82，且p电极区82较大于n电极区81。然后在金属膜8上通过光刻掩膜、刻蚀或剥离的方式制作金属凸点阵列7。金属凸点阵列7与金属多层膜8的厚度一般在2至10微米之间。这既保证了压焊时能形成良好的接触，也提高了LED与散热基板之间的散热性能。
最后，将前面做好的LED结构面朝散热基板9倒扣，使LED的n电极10、p电极5分别与散热基板9上的n电极区81、p电极区82对应接合，然后加热到100至200摄氏度，对接合处进行加压、加超声，使压焊金属层6与金属凸点阵列7形成可靠的连接。由此，构成了一个倒装焊结构的发光二极管。
上述实施例中的散热基板9大约200微米厚，其中的静电保护电路11是由两个反向串联的二极管组成。散热基板9的导热特性通过调节掺杂浓度可以得到优化。此外，该基板9也可以选择使用具有良好导热特性的其它单层或多层材料(如AlN陶瓷材料，表面氧化或氮化的硅基板，或铜基板覆盖AlN等绝缘材料)，通过在其上布导电金属材料实现与倒扣芯片之间的电气导通。
实施例2
图4是本发明实施例2的倒装焊结构LED的剖面图。
首先，与上述实施例1的外延生长LED半导体结构相同，
在衬底1上外延生长III-族氮化物半导体材料，包括：n型GaN层2，发光活性层3，以及p型GaN层4。刻蚀部分外延层区域直到n型GaN层2以便引出n电极10。接着，在未被刻蚀部分的p电极上沉积半透明Ni/Au金属层作电极接触，随后沉积用于反光的Al或Ag金属层，此外为了减小其上的反光层金属对Ni/Au接触的影响，需要在二者之间插入防扩散金属层，由此形成图示中的复合金属层5，该复合金属层5同时起到金属半导体接触导电与反光的作用。随后，沉积用于形成压焊的具有良好延展性的金属层6，通常是Al或Au或Ag等材料，上述工艺完成后形成一LED结构。
所不同的是，该实施例中使用的散热基板9是具有良好导热特性的陶瓷材料如AlN等。在不导电散热基板9上制作用于焊接的多层金属膜工艺过程与实施例1相同。随后的在散热基板9上布置金属多层膜8和金属凸点阵列7的过程也如实施例1描述。
使用本实施例制作的倒装焊LED结构具有更优的散热特性，因为AlN的热导系数是2.8W/cm.K，大约是硅的两倍。但是，它不能同时在该结构中设计静电保护电路。
实施例3
图5是本发明实施例3的倒装焊结构LED的剖面图。
首先，与上述实施例1的外延生长LED半导体结构相同，在衬底1上外延生长III-族氮化物半导体材料，包括：n型GaN层2，发光活性层3，以及p型GaN层4。刻蚀部分外延层区域直到n型GaN层2以便引出n电极10。接着，在未被刻蚀部分的p电极上沉积半透明Ni/Au金属层作电极接触，随后沉积用于反光的Al或Ag金属层，此外为了减小其上的反光层金属对Ni/Au接触的影响，需要在二者之间插入防扩散金属层，由此形成图示中的复合金属层5，该复合金属层5同时起到金属半导体接触导电与反光的作用。随后，沉积用于形成压焊的具有良好延展性的金属层6，通常是Al或Au或Ag等材料，上述工艺完成后形成一LED结构。
所不同的是，该实施例使用的散热基板9是具有良好导热特性的金属材料，如铜等。为了避免导电金属基板9造成LED短路，需要在基板9上再覆盖一层绝缘材料层11，如陶瓷、或者玻璃。随后，在覆盖了绝缘材料层11后的散热基板9上布置金属多层膜8和金属凸点阵列7的过程也如实施例1描述。
使用该方法制作的倒装焊LED结构具有更优的散热特性，因为Cu的热导系数是3.9W/cm.K，大约是硅的三倍，AlN的1.5倍。
综上所述，本发明的关键是利用金属多层膜凸点阵列作为LED芯片与基板的键合方式。该金属多层膜凸点阵列利用延展性和粘附性好的Al、Ag、Au和Ti等金属制作。厚度一般控制在2微米到10微米之间。该金属凸点阵列结构起到良好的机械粘附、导电、导热的效果。由于该凸点是由导热特性好的材料制作，而且其高度较小，因此导热效果明显优于前述的两种焊接技术。
本发明的散热基板可以使用半导体材料硅或其它导热系数大的材料如SiC，而且通过在半导体材料上制作两个反向串联的二极管起到静电保护的作用。该散热基板也可以是导热性良好的AlN陶瓷片或其它不导电的基板，或者覆盖一层绝缘材料的导电材料。
综上所述，本发明使用了一种热超声焊的方法将LED芯片倒装焊在散热基板上。该方法通过将基板加热到100至200摄氏度之间，然后将按前述方法制作的LED芯片面朝基板通过加压、加超声使两面的金属层键合，形成具有良好机械强度并且低热阻的连接。
在上述的实施例1-3中，一般倾向于将p型电极的区域做大，刻蚀下去到n型区域的面积做小，因为介于这两层材料之间的活性层是决定LED发光亮度的有源区。
另一方面，为了减小从n型区注入电子的拥堵效应，需要设计叉指状的电极，以提高注入电流的均匀性。
上述说明材料只是围绕GaN基材质的LED对本发明作了描述，而本发明揭示的倒装焊结构LED也可以应用于其它材质的LED，如AlGaInP四元系的红、黄光LED，GaP：N系的黄绿光LED，AlInGaAs系的红光LED等等。
虽然已经通过上述的几个例子描述了本发明的实施形态，但是它们只是说明性的。事实上，在不违背本发明原理的条件下，还可以对其进行各种形式的修改。此外，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1、倒装焊结构发光二极管及其制造方法，包括提供一散热基板和具有p、n电极的LED芯片，所述方法包括：
步骤一，在散热基板上制作第一金属层，并分别形成p电极区和n电极区；
步骤二，在所述第一金属层上形成金属凸点阵列；
步骤三，在LED芯片的p、n电极上形成第二金属层；
步骤四，将所述LED芯片的p电极和n电极分别对应所述散热基板上的p电极区和n电极区键合，并对相接触的第二金属层和金属凸点阵列加压、加超声、加热。
2、根据权利要求1所述的倒装焊结构发光二极管及其制造方法，其特征在于，所述LED芯片的形成包括：
提供一外延衬底：
形成一n型GaN层于所述外延衬底上；
形成一发光活性层于所述n型GaN层上；
形成一p型GaN层于所述n型GaN层上；
刻蚀并移除所述外延衬底上的部分p型GaN层，以暴露出n型GaN层，在该暴露出的n型GaN层上形成n电极；
在未被刻蚀部分沉积p电极，并沉积第三金属层，所述p电极与第三金属层形成一复合金属层，用于金属半导体接触导电与反光的作用；
形成第四金属层，介于所述p电极与n型GaN层之间。
3、根据权利要求1或2所述的倒装焊结构发光二极管及其制造方法，其特征在于，所述散热基板为散热金属基板，所述步骤一之前进一步包括：
在所述散热金属基板和所述第一金属层之间制作一绝缘层。
4、根据权利要求1或2所述的倒装焊结构发光二极管及其制造方法，其特征在于，所述散热基板为绝缘散热基板。
5、根据权利要求1或2所述的倒装焊结构发光二极管及其制造方法，其特征在于，所述散热基板为带静电保护电路的散热半导体基板。
6、倒装焊结构发光二极管，其特征在于，包括：
一散热基板；
第一金属层，位于所述散热基板之上，包括了p电极区和n电极区；
金属凸点阵列，位于所述第一金属层上的p电极区之上；
LED芯片，所述LED芯片的n电极位于所述第一金属层的所述n电极区之上，所述LED芯片的p电极位于所述第一金属层的所述p电极区之上。
7、根据权利要求6所述的倒装焊结构发光二极管，其特征在于，所述LED芯片包括：
一外延衬底；
n型GaN层，设置于所述外延衬底上；
第四金属层，设置于所述n型GaN层上；
p型GaN层，设置于所述第四金属层上；
n电极，由对所述外延衬底刻蚀至n型GaN层后沉积金属形成；
p电极，在未被刻蚀的所述外延衬底上沉积金属形成，在所述p电极上沉积第三金属层，所述p电极与第三金属层形成一复合金属层，用于金属半导体接触导电与反光的作用；
第三金属层，设置在所述复合金属层上；
第二金属层，设置于所述第三金属层上；
其中，所述LED芯片是通过所述第二金属层与所述散热基板上的金属凸点阵列相键合。
8、根据权利要求6或7所述的倒装焊结构发光二极管，其特征在于，
所述散热基板为散热金属基板；所述装置进一步包括：
一绝缘层，设置于所述散热金属基板之上。
9、根据权利要求6或7所述的倒装焊结构发光二极管，其特征在于，
所述散热基板为绝缘散热基板。
10、根据权利要求6或7所述的倒装焊结构发光二极管，其特征在于，
所述散热基板为带静电保护电路的散热半导体基板，所述静电保护电路由两个反向串联的二极管组成。
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