CN1738066A - 氮化镓基发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管芯片的产品及其制造方法。发光有源区3、P型接触层4和P型接触电极6分立阵列在N型接触层2上，N型接触电极7为网格结构，通过倒装焊技术和管芯支撑体上的焊料凸块13，P电极加厚反射金属层9与P区连接电极层12连接，N电极加厚反射金属层14与N区连接电极层15连接；P区连接电极层12和N区连接电极层15设在绝缘隔离层11上，绝缘隔离层11位于管芯支撑体衬底10上。为制得该产品，先用氮化镓基发光二极管外延片制成管芯本体，并在管芯支撑体衬底形成管芯支撑体，再利用倒装焊技术将管芯本体与管芯支撑体连接。本发明可以提高产品发光效率，改善电流扩散情况，增加热传导。

Description

氮化镓基发光二极管芯片及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，特别是指氮化镓基发光二极管芯片的产品及其制造方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基化合物半导体及其量子阱结构发光二极管(LED)具有高可靠性、高效率、长寿命、全固体化、耗电少等优点，在大屏幕显示、交通灯信息指示及一般的光显示和指示领域具有巨大的应用市场，特别是氮化镓基紫光或蓝光发光二极管与荧光粉结合可以制成白光二极管，在照明领域具有潜在的应用市场，有望将来取代现在的白炽灯和荧光灯，成为21世纪的绿色照明光源。现在一般采用的氮化镓基发光二极管芯片的P型接触电极是一个整体，当芯片面积较大时，即使采用较先进的梳状电极，也存在电流扩散性能不好，在P型区域和N型区域接近的地方容易出现电流集中效应，影响到芯片工作电流密度提高，另外氮化镓基发光二极管芯片的蓝宝石衬底导热性不好，使得芯片工作时产生的热量很难传递出去，当输入功率增加时，会造成芯片温度升高，影响到芯片的可靠性和寿命。同时当芯片面积较大时，连成整体的P型接触电极还会造成所谓的“波导效应”，将发光有源区产生的光限制在芯片之中，降低芯片的出光效率。
现有技术中氮化镓基发光二极管芯片的发光有源区、P型接触层、P型接触电极都为一个整体，没有涉及到相应的阵列倒装型氮化镓基发光二极管芯片的结构和制造方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的的问题，本发明的目的是提供一种氮化镓基发光二极管芯片结构的技术方案，这种结构可以提高发光效率，改善电流扩散情况，增加热传导，从而增大芯片单位面积工作电流和输入功率，大幅度提高芯片的性能；并且提供该产品的制造方法。
本发明所采取的技术方案是：氮化镓基发光二极管芯片包括蓝宝石衬底、N型接触层、发光有源区、P型接触层、P型接触电极和N型接触电极，所述发光有源区、P型接触层、P型接触电极层叠在一起，发光有源区、P型接触层和P型接触电极分立阵列在N型接触层上，阵列中的每一组发光有源区、P型接触层和P型接触电极组成一个阵列单元，网格结构的N型接触电极将每一阵列单元围在一个网格内，所述N型接触电极上除用于电气引出的部分覆盖有N电极加厚反射金属层外，其余部分覆盖有钝化隔离层，阵列的P型接触电极和钝化隔离层上有P电极加厚反射金属层；通过倒装焊技术和管芯支撑体上的焊料凸块，P电极加厚反射金属层与管芯支撑体上P区连接电极层连接，N电极加厚反射金属层与管芯支撑体上N区连接电极层连接；P区连接电极层和N区连接电极层设在管芯支撑体的绝缘隔离层上，绝缘隔离层位于高热导率的管芯支撑体衬底上。
上述氮化镓基发光二极管芯片，蓝宝石衬底的厚度为70微米到150微米之间。
如上所述的氮化镓基发光二极管芯片的制造方法包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上利用金属化学有机气相沉积方法外延生长氮化镓基N型接触层，发光有源区和氮化镓基P型接触层，形成氮化镓基发光二极管外延片；
2)在氮化镓基发光二极管外延片上利用光刻、离子刻蚀、薄膜淀积、退火、金属膜溅射或蒸镀工艺，制作管芯分割道、P型接触电极、N型接触电极、N电极加厚反射金属层以及P电极加厚反射金属层，形成一系列与最终单一的发光二极管芯片产品对应的部件单元，即管芯本体；
3)利用管芯分割技术将外延片上的一系列管芯本体分割成单个的管芯本体；
4)在管芯支撑体衬底上利用淀积或氧化等方法生成绝缘隔离层，然后在绝缘隔离层上蒸镀或溅射生成P区连接电极层和N区连接电极层，最后利用电镀或蒸镀的方法，在P区连接电极层和N区连接电极层上制作焊料凸块；
5)在利用倒装焊技术将分割好的单个管芯本体上的P电极加厚反射金属层及N电极加厚反射金属层与管芯支撑体上相对应的焊料凸块连接在一起。
6)将管芯支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯本体的管芯支撑体，形成一个完整氮化镓基发光二极管芯片。
上述氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，生成N型接触电极之后，所述N型接触电极上除用于电气引出的部分外，在其余部分覆盖上钝化隔离层。
上述氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，N电极加厚反射金属层和P电极加厚反射金属层采用相同材料和工艺同时制备，厚度在0.01微米到100微米之间。
上述氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，在形成一系列发光二极管芯片的管芯本体后，将蓝宝石衬底从背面用研磨的方法或切削的技术减薄到70微米到150微米之间。
本发明提供了一种发光二极管芯片及其制造方法。与传统的芯片结构相比，该发光二极管因为不存在单一PN结因面积大而导致波导效应的问题，也克服了单一大PN结采用大电流时在P型区域和N型区域接近的地方容易出现电流集中效应的问题，通过高导热率的管芯支撑体和倒装焊技术降低了芯片的热阻，提高了芯片的散热能力，所以可以有效改善电流扩散情况，提高发光效率，增加热传导，从而增大芯片单位面积工作电流和输入功率，大幅度提高发光二极管芯片的性能。
附图说明
图1为本发明实施例产品制造过程中形成的外延片的剖面图。
图2为本发明实施例产品制造过程中形成有阵列单元、P电极加厚反射金属层和N电极加厚反射金属层的剖面图。
图3是本发明实施例的最终产品结构示意图。
附图中，1是蓝宝石衬底，2是N型接触层，3是发光有源区，4是P型接触层，5是管芯分割道，6是P型接触电极，7是N型接触电极，8是钝化隔离层，9是P电极加厚反射金属层，10是管芯支撑体衬底，11是绝缘隔离层，12是P区连接电极层，13是焊料凸块，14为N电极加厚反射金属层，15为N区连接电极层。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的内容，以下结合实施例对本发明做一详细的描述。
参阅图3，其所示的氮化镓基发光二极管芯片中，厚度在70微米到150微米之间的蓝宝石衬底1(这样的厚度既有良好的透光性，又有比较好的工艺性)上设有N型接触层2，层叠的发光有源区3、P型接触层4和P型接触电极6分立阵列在N型接触层2上，阵列中的每一组发光有源区3、P型接触层4和P型接触电极6组成一个阵列单元，网格结构的N型接触电极7将每一阵列单元围在一个网格内。一般阵列单元线度(圆形的线度为直径长度，椭圆的线度指长径长度，三角形的线度指最大边长度，多边形的线度指最大对角线长度等)可取1-1000微米。所述N型接触电极7上除用于电气引出的部分覆盖有N电极加厚反射金属层14外，其余部分覆盖有钝化隔离层8。阵列的P型接触电极6和钝化隔离层8上有由高反射率材料制成的P电极加厚反射金属层9(电极加厚反射金属层9同时具有反射和连接作用；高反射率的P电极加厚反射金属层9可以提高发光二极管芯片的出光率)。采用倒装焊技术，P电极加厚反射金属层9通过管芯支撑体上的焊料凸块13与管芯支撑体上P区连接电极层12连接，N电极加厚反射金属层14通过管芯支撑体上的焊料凸块13与管芯支撑体上N区连接电极层15连接；焊料凸块13采用金锡合金或铅锡合金，其厚度在0.1-100微米之间。P区连接电极层12和N区连接电极层15设在绝缘隔离层11上，绝缘隔离层11设在高热导率的管芯支撑体衬底10上。所述P型接触电极6和N型接触电极7的材料可以采用Ti/Al或Au/Cr等合金，厚度在0.01-10微米之间。采用相同材料和工艺同时制备而成的N电极加厚反射金属层14和P电极加厚反射金属层9，其厚度在0.01微米到100微米之间。
所述管芯支撑体包括管芯支撑体衬底10和绝缘隔离层11以及设在绝缘隔离层11上的P区连接电极层12和N区连接电极层15。
图3所示的发光二极管芯片采用如下步骤制作：
参阅图3所示为一个阵列型氮化镓基发光二极管芯片，其制作过程过程是，在蓝宝石衬底1上利用金属化学有机气相沉积方法(MOCVD方法)外延生长氮化镓基N型接触层2，发光有源区3和氮化镓基P型接触层4；形成氮化镓基发光二极管外延片；再参阅图2所示，根据芯片输入功率的要求设计相应的芯片形状、尺寸和相应的管芯分割道的尺寸，芯片形状可取正方形、长方形或其他易于切割和封装的形状，如为正方形芯片边长取100-10000微米，管芯分割道尺寸取10-100微米，根据工艺技术水平设计芯片的阵列组成结构，在保证成品率的情况下，阵列单元阵列的数量在长和宽方向上可取为任意整数，可以相同，也可以不同；保证成品率的同时，应尽量提高P型区占整个芯片的面积和增加阵列单元数量，一般P型区占整个芯片的面积应在50％以上，最好大于70％，阵列单元数量在保证P型区面积和成品率的情况下越多越好，而且不小于2×2。根据设计的芯片阵列结构，采用光刻、腐蚀或离子刻蚀、薄膜淀积、或蒸镀或溅射等工艺(不局限于采用列举的这些方法)，在氮化镓基发光二极管外延片上制作管芯分割道5、P型接触电极6、N型接触电极7、钝化隔离层8(钝化隔离层8在生成N型接触电极7之后制作，N型接触电极7上除用于电气引出的部分外，在其余部分覆盖上钝化隔离层8)以及具有高反射率的P电极加厚反射金属层9和N电极加厚反射金属层14(N电极加厚反射金属层14和P电极加厚反射金属层9厚度在0.01微米到100微米之间，它们采用相同材料和工艺同时制备)；形成一系列与最终单一的发光二极管芯片产品对应的部件单元，即管芯本体。将蓝宝石衬底1从背面用研磨的方法或切削的技术将其减薄到70微米到150微米之间；利用切割法或划片法等管芯分割技术沿设计好的管芯分割道将外延片上一系列的管芯本体分割成单个芯片本体；在管芯支撑体衬底10上沉积0.01微米-1.0微米厚度的二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层11，然后根据设计的电极尺寸和形状，在绝缘隔离层11上蒸镀(或溅射)P区连接电极层12和N区连接电极层15，其材料可以采用Ti/Al或Au/Cr等合金，厚度在0.01微米-10微米之间；最后利用电镀(或蒸镀)的方法，在P区连接电极层12和N区连接电极层15上制作设计尺寸、形状和数量的金锡合金(或铅锡合金)焊料凸块13，焊料凸块13高度在0.1微米-100微米之间；参阅图3所示，利用倒装焊技术将分割好的单个管芯本体的P电极加厚反射金属层9及N电极加厚反射金属层14与管芯支撑体上相对应的焊料凸块13连接在一起。根据设计的管芯本体大小，将大片的管芯支撑体衬底10用划片或切割的方法分割成具有单个管芯本体的管芯支撑体，形成一个完整的具有良好导热性能的氮化镓基发光二极管芯片。
上述制备方法中，也可以先将管芯支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯本体的管芯支撑体，然后再利用倒装焊技术将分割好的单个管芯本体上的P电极加厚反射金属层9及N电极加厚反射金属层14与管芯支撑体上相对应的焊料凸块13连接在一起。

Claims (7)

1.一种氮化镓基发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底(1)、N型接触层(2)、发光有源区(3)、P型接触层(4)、P型接触电极(6)和N型接触电极(7)，所述发光有源区(3)、P型接触层(4)、P型接触电极(6)层叠在一起，其特征在于：发光有源区(3)、P型接触层(4)和P型接触电极(6)分立阵列在N型接触层(2)上，阵列中的每一组发光有源区(3)、P型接触层(4)和P型接触电极(6)组成一个阵列单元，网格结构的N型接触电极(7)将每一阵列单元围在一个网格内，所述N型接触电极(7)上除用于电气引出的部分覆盖有N电极加厚反射金属层(14)外，其余部分覆盖有钝化隔离层(8)，阵列的P型接触电极(6)和钝化隔离层(8)上有P电极加厚反射金属层(9)；通过倒装焊技术和管芯支撑体上的焊料凸块(13)，P电极加厚反射金属层(9)与管芯支撑体上P区连接电极层(12)连接，N电极加厚反射金属层(14)与管芯支撑体上N区连接电极层(15)连接；P区连接电极层(12)和N区连接电极层(15)设在管芯支撑体的绝缘隔离层(11)上，绝缘隔离层(11)位于高热导率的管芯支撑体衬底(10)上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：蓝宝石衬底(1)的厚度为70微米到150微米之间。
3.一种根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，其主要制作过程包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底(1)上利用金属化学有机气相沉积方法外延生长氮化镓基N型接触层(2)，发光有源区(3)和氮化镓基P型接触层(4)，形成氮化镓基发光二极管外延片；
2)在氮化镓基发光二极管外延片上利用光刻、离子刻蚀、薄膜淀积、退火、金属膜溅射或蒸镀工艺，制作管芯分割道(5)、P型接触电极(6)、N型接触电极(7)、N电极加厚反射金属层(14)以及P电极加厚反射金属层(9)，形成一系列与最终单一的发光二极管芯片产品对应的部件单元，即管芯本体；
3)利用管芯分割技术将外延片上的一系列管芯本体分割成单个的管芯本体；
4)在管芯支撑体衬底(10)上利用淀积或氧化方法生成绝缘隔离层(11)，然后在绝缘隔离层(11)上蒸镀或溅射生成P区连接电极层(12)和N区连接电极层(15)，最后利用电镀或蒸镀的方法，在P区连接电极层(12)和N区连接电极层(15)上制作焊料凸块(13)；
5)利用倒装焊技术将分割好的单个管芯本体上的P电极加厚反射金属层(9)及N电极加厚反射金属层(14)与管芯支撑体上相对应的焊料凸块(13)连接在一起；
6)将管芯支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯本体的管芯支撑体。
4.根据权利要求3所述氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：生成N型接触电极(7)之后，所述N型接触电极(7)上除用于电气引出的部分外，在其余部分覆盖上钝化隔离层(8)。
5.根据权利要求3或4所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：厚度在0.01微米到100微米之间的N电极加厚反射金属层(14)和P电极加厚反射金属层(9)采用相同材料和工艺同时制备。
6.根据权利要求3或4所述氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：形成一系列发光二极管芯片的管芯本体后，将蓝宝石衬底(1)的厚度从背面用研磨的方法或切削的技术减薄到70微米到150微米之间。
7.如权利要求3所述氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：先完成步骤6)的内容再完成步骤5)的内容。
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