專利名稱：GaN基LED倒扣焊組合和燈具及晶片水平的倒扣焊工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭示新型大功率半導(dǎo)體芯片或器件(包括GaN基發(fā)光二極管(LED))倒扣焊組合和燈具，以及生產(chǎn)新型大功率半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊工藝方法。
背景技術(shù)：
芯片水平的倒扣焊工藝方法，特別是對(duì)大功率GaN基發(fā)光二極管(LED)，有下述不足之處(1)工藝方法復(fù)雜，設(shè)備昂貴，生產(chǎn)效率低，這是低成本大批量生產(chǎn)大功率GaN基發(fā)光二極管的瓶頸；(2)由于使用有機(jī)填充材料，致使散熱效率達(dá)不到預(yù)期；(3)在襯底晶片和外延層之間的晶格不匹配依然存在；(4)襯底晶片和外延層之間的全內(nèi)反射造成光取出效率低。
傳統(tǒng)的芯片水平的倒扣焊工藝方法包含下述的工藝步驟放置精密控制大小和高度的凸點(diǎn)于襯底基片上準(zhǔn)確的位置，把襯底基片切成個(gè)別的襯底芯片，準(zhǔn)確地倒扣焊每個(gè)半導(dǎo)體芯片在每個(gè)襯底芯片上，在每個(gè)半導(dǎo)體芯片和襯底芯片之間的縫隙中填充環(huán)氧基樹脂。即使某些工藝方法不包括填充工藝，芯片水平的倒扣焊工藝方法仍然復(fù)雜。
散熱效率是大功率半導(dǎo)體芯片或器件(包括GaN基的LED)的關(guān)鍵，它決定了大功率半導(dǎo)體芯片或器件的質(zhì)量和性能。
芯片水平的倒扣焊工藝方法生產(chǎn)的大功率半導(dǎo)體芯片或器件，襯底晶片和外延層之間的晶格不匹配依然存在。GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管可以外延生長在GaN襯底晶片上以便避免晶格不匹配，但是GaN襯底晶片非常昂貴。
全內(nèi)反射極大地減小光取出效率。對(duì)于GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管，GaN外延層，藍(lán)寶石襯底晶片，和環(huán)氧基樹脂圓頂?shù)恼凵渎蕁分別地是約2.5，1.8，和1.5。在GaN外延層-藍(lán)寶石交界面，在藍(lán)寶石-環(huán)氧基樹脂圓頂交界面，和在環(huán)氧基樹脂圓頂-空氣交界面，當(dāng)光的入射角大於由Snell定律決定的臨界角，發(fā)出的光被反射回去。對(duì)于以GaN晶片作為襯底晶片的GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管，在GaN襯底晶片-環(huán)氧基樹脂圓頂交界面和環(huán)氧基樹脂圓頂-空氣交界面，仍然存在全內(nèi)反射。
討論芯片水平的倒扣焊的專利包括美國專利6,483,196，美國專利6,455,878，美國專利6,517,218，美國專利6,649,440，和美國專利6,646,292。
因此需要新型大功率半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合和燈具及其生產(chǎn)工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示了新型大功率半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合和燈具及其晶片水平的倒扣焊生產(chǎn)工藝。雖然是以GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為實(shí)施實(shí)例，但是新型倒扣焊組合和燈具及其晶片水平的倒扣焊生產(chǎn)工藝可以應(yīng)用于其它半導(dǎo)體芯片或器件。
本發(fā)明揭示的晶片水平的倒扣焊生產(chǎn)工藝包括下列步驟第一，鍵合外延晶片和襯底基片以形成一個(gè)鍵合晶片；第二，從所述的鍵合晶片上剝離襯底晶片，使得外延層暴露；第三，沉積一個(gè)有特定形狀的電極于所述的暴露的外延層；第四，切割所述的鍵合晶片成為半導(dǎo)體芯片或器件。
本發(fā)明的目的和能達(dá)到的各項(xiàng)效果如下1.提出在晶片水平的新的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的生產(chǎn)工藝具有如下效果(1)生產(chǎn)效率高，(2)生產(chǎn)工藝簡單，(3)不需要使用昂貴的芯片水平的倒扣焊設(shè)備。因此新的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合具有所有芯片水平的倒扣焊組合的優(yōu)點(diǎn)，而沒有芯片水平的倒扣焊工藝的缺點(diǎn)。
2.改善GaN基的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的內(nèi)在效率因?yàn)樗{(lán)寶石襯底晶片被剝離，襯底晶片和外延層之間的晶格不匹配不再存在。
3.提高半導(dǎo)體芯片或器件的熱導(dǎo)率半導(dǎo)體芯片的全部外延層表面直接金屬鍵合到高熱導(dǎo)的襯底基片，形成一條優(yōu)良的熱傳導(dǎo)路徑。
4.除去外延層與襯底晶片之間的全內(nèi)反射在除去襯底晶片之后，半導(dǎo)體芯片的外延層的另一面，被直接暴露在環(huán)氧基樹脂圓頂，添加納米粒子到環(huán)氧基樹脂圓頂使之與外延層有相同的折射率。
5.除去環(huán)氧基樹脂圓頂和空氣之間的全內(nèi)反射優(yōu)化環(huán)氧基樹脂圓頂?shù)男螤詈椭睆健?br> 6.GaN基的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的亮度更高新的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的兩個(gè)電極是在半導(dǎo)體芯片或器件的兩側(cè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)電極的形狀可以使得電流分布均勻，因而充分利用發(fā)光層材料，電流密度提高。


圖1a是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片或器件的芯片水平倒扣焊組合的截面圖。
圖1b是芯片水平的倒扣焊組合的燈具。
圖2a到2e是本發(fā)明的新的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的實(shí)施實(shí)例。
圖2a是本發(fā)明的新的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的生產(chǎn)工藝的流程圖。
圖2b是一個(gè)生長了外延層的襯底晶片的截面圖和一個(gè)襯底基片的截面圖。
圖2c是一個(gè)生長了外延層的襯底晶片鍵合到襯底基片而形成的的鍵合晶片的截面圖。
圖2d是一個(gè)剝離了襯底晶片的鍵合晶片的截面圖。
圖2e是一個(gè)沉積了有特定形狀的電極的鍵合晶片的截面圖。
圖3a到3j是不同式樣的有特定形狀的電極的實(shí)施實(shí)例。
圖3a是格子-環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3b是圖3a的格子-環(huán)-形狀的電極的截面圖。
圖3c是有多個(gè)打線點(diǎn)的格子-環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3d是環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3e是有多個(gè)打線點(diǎn)的環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3f是十字-環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3g是有多個(gè)打線點(diǎn)的十字-環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3h是十字-多環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖3i是十字-多環(huán)-隔離-形狀的電極的頂視圖。
圖3j是有一個(gè)長方形的打線帶的格子-環(huán)-形狀的電極的頂視圖。
圖4a是半導(dǎo)體芯片或器件的倒扣焊組合的燈具的截面圖。
圖4b是半導(dǎo)體芯片或器件的倒扣焊組合的帶有脖頸結(jié)構(gòu)的燈具的截面圖。
圖4c是計(jì)算半球形圓頂?shù)淖钚≈睆降氖疽鈭D。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的和效果將會(huì)從以下的描述和圖顯現(xiàn)出來。雖然本發(fā)明的具體化將會(huì)在下面被描述，那些熟練的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到其他的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合，燈具，和生產(chǎn)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的原理。因此下列各項(xiàng)描述只是說明本發(fā)明的原理，而不是局限本發(fā)明于下列各項(xiàng)描述。
注意下列各項(xiàng)(1)所有的圖中的各個(gè)部分的大小的比例只是用于說明本發(fā)明，不是真正產(chǎn)品的尺寸。
(2)雖然藍(lán)寶石晶片在圖2到圖4中被用作襯底晶片，但是GaN，Si和其它晶片都能被用作襯底晶片。
本發(fā)明的新穎性特征是在權(quán)利要求中提出，本發(fā)明和它的特征及效益將在下面的詳細(xì)描述中更好的展示。
圖1a是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片或器件的倒扣焊組合的截面圖。半導(dǎo)體芯片或器件的外延層鍵合到襯底基片100。發(fā)光層111沉積在P-限制層112和N-限制層110之間。N-限制層110外延生長在襯底晶片109上。
對(duì)于GaN基LED倒扣焊組合，發(fā)出的光通過透明的藍(lán)寶石襯底晶片109。凸點(diǎn)105和106分別鍵合N-和P-接觸點(diǎn)出108和107到襯底基片100上的鍵合點(diǎn)102和101。打線點(diǎn)103和104分別連接到鍵合點(diǎn)101和102。
GaN基LED的外延層的大部分面積與填充環(huán)氧基樹脂113接觸。環(huán)氧基樹脂113沒有好的熱傳導(dǎo)。所以傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的熱傳導(dǎo)效率低。
圖1b是傳統(tǒng)的燈具的截面圖。燈具包括反射杯124，圓頂120。圓頂120可以是環(huán)氧基樹脂材料，也可以是其他透明材料。發(fā)光層111發(fā)出的光的很大一部分被全內(nèi)反射。光線121，122，和123分別在外延層-襯底晶片界面，襯底晶片-圓頂界面，和圓頂-空氣界面被全內(nèi)反射。圓頂120封閉反射杯124造成光線123的全內(nèi)反射。
對(duì)于以GaN作為襯底晶片的GaN基LED，只在襯底晶片-圓頂界面和圓頂-空氣界面存在全內(nèi)反射。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例。
圖3展示多種特定形狀的電極。
圖3a展示一種格子-環(huán)-形狀的電極沉積在半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合300上。格子-環(huán)-形狀的電極有打線點(diǎn)301。環(huán)303環(huán)繞格子302。二個(gè)格子之間的間隔被決定，以便電流的分布更均勻。
圖3b是圖3a展示的格子-環(huán)-形狀的電極的截面圖。電流流經(jīng)第二焊接層205，襯底基片204，第一焊接層203，反射/歐姆層202，外延層201，到格子302和環(huán)303。
電流更均勻地流經(jīng)整個(gè)發(fā)光層，因此發(fā)光層的材料更有效地被利用，而且電流密度會(huì)更高。較高的電流密度使光輸出增強(qiáng)。
圖3c類似于圖3a。大功率半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的尺寸比較大，電流加大，需要多個(gè)打線點(diǎn)。圖3c有四個(gè)打線點(diǎn)301分別在環(huán)303的四個(gè)角落。
圖3d是環(huán)-形狀電極303，打線點(diǎn)301在環(huán)的一個(gè)角落。電流擴(kuò)散層305復(fù)蓋半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合300。
圖3e類似于圖3d，，但是有4個(gè)打線點(diǎn)301。
圖3f是一個(gè)環(huán)-十字-形狀電極，包括環(huán)303，十字306，和電流擴(kuò)散層305。
圖3g類似于圖3f，但是有4個(gè)打線點(diǎn)301。
圖3h是一個(gè)多環(huán)-十字-形狀電極，包括十字306，多環(huán)303，和打線點(diǎn)301。
圖3i展現(xiàn)多環(huán)-十字-隔離-形狀的電極，包括十字306，多環(huán)308，打線點(diǎn)301在十字306的中心，多個(gè)隔離307分配在多環(huán)308之間用來均勻的分布電流。
圖3j是一個(gè)格子-環(huán)-形狀的電極由環(huán)303包圍格子302。格子之間的間隔被預(yù)定以便電流被均勻的分布。對(duì)於高功率半導(dǎo)體芯片，電流密度高，需要一個(gè)比較大的打線點(diǎn)。長條形的打線點(diǎn)309用來打多條電線以便大電流通過。
注意，在圖3a到3j，每一個(gè)特定形狀的電極都可以有一個(gè)或幾個(gè)打線點(diǎn)。
圖4a是半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的燈具的截面圖。包括發(fā)光層400，上限制層405，透明的與上限制層405有相同的折射率的半球形圓頂402，和反射杯404。半球形圓頂402復(fù)蓋半導(dǎo)體芯片或器件。
半球形圓頂402的一個(gè)實(shí)施實(shí)例混合環(huán)氧基樹脂和納米粒子以便與上限制層有相同的折射率，納米粒子可以是，但不局限于，硅。
半球形圓頂402的直徑在圖4c決定，以便在半球形圓頂402和空氣之間不存在全內(nèi)反射。
圖4b是燈具420和半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合417的的截面圖。燈具420與圖4a中的燈具類似。但燈具420有脖頸408以便固定半球形圓頂402。金屬線410連接半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合417和接線柱418。透明的罩413密封半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合417。
圖4c是計(jì)算半球形圓頂?shù)闹睆降母乓獔D。光線414從發(fā)光層400的邊緣垂直地向上發(fā)出。半球形圓頂412和411分別地有半徑r和R，并且r＜R。光線414和半徑416之間的角度比光線414和半徑415之間的角度大。當(dāng)半球形圓頂?shù)闹睆降扔诨虼笥谂R界直徑R，光線414和半徑415之間角度等于或小于Snell臨界角，因此，不再有全內(nèi)反射。
光線414和半徑415之間的角度由半球形圓頂?shù)陌霃絉和半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的半寬度d決定。從Snell定律可得到下列關(guān)系R≥nd， (a)其中n和R分別是半球形圓頂?shù)恼凵渎屎团R界半徑，空氣的折射率被假定是1。舉例來說，半球形圓頂?shù)恼凵渎蕁＝2.5，假定d＝0.5mm，半球形圓頂?shù)淖钚〉陌霃綉?yīng)該是1.25mm以避免在半球形圓頂-空氣界面處的全內(nèi)反射。
具體實(shí)施例方式
圖2a到2e展示生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊工藝方法的實(shí)施實(shí)例。
圖2a是本發(fā)明的晶片水平的倒扣焊工藝流程圖。工藝步驟210/211，212，213，和214分別地對(duì)應(yīng)于圖2b，2c，2d和2e。工藝步驟215是劃片。
圖2b展示襯底晶片和襯底基片204的準(zhǔn)備。外延層201長在藍(lán)寶石襯底晶片200上。反射和歐姆層202沉積在外延層201上。第一和第二焊接層203和205分別地沉積在襯底基片204的兩面。
襯底晶片200還可以是GaN晶片，Si晶片或其他。反射層的材料從下述材料中選擇Al，Au，Ag和其他。反射層也可以是Bragg反射鏡。襯底基片204有好的熱導(dǎo)和電導(dǎo)，可從下述材料選擇Si，SiC，Cu，CuW，Al和其他。
為成功的使用精密研磨/拋光的方法剝離襯底晶片，需要強(qiáng)調(diào)下列各項(xiàng)a.襯底晶片被精確的研磨/拋光以便總厚度變化(TTV)被減到最?。籦.襯底基片被精確的研磨/拋光以便總厚度變化(TTV)被減到最?。籧.長在襯底晶片上的外延層的厚度被預(yù)定，以補(bǔ)償襯底晶片和襯底基片的總厚度變化；在圖2c中，GaN外延晶片鍵合到襯底基片204，即反射和歐姆層202鍵合到襯底基片204的第一焊接層203，形成鍵合晶片，是晶片水平的倒扣焊。
這個(gè)工藝方法步驟簡單，設(shè)備不昂貴，是本發(fā)明的關(guān)鍵步驟之一。
圖2d展示藍(lán)寶石襯底晶片被研磨/拋光方法剝離。對(duì)于以GaN為襯底晶片的GaN基LED，GaN襯底晶片可以不剝離，也可以使用等離子體蝕刻方法剝離。
在藍(lán)寶石襯底晶片被剝離之後，外延層201暴露。然后，如圖2e所示，有特定形狀的電極206沉積在外延層201。對(duì)于以藍(lán)寶石為襯底晶片的GaN基LED，特定形狀的電極206是N-型電極，P-型電極是通過導(dǎo)電的襯底基片204與第二焊接層205連接。
到目前為止，所有的制造工藝，都是在晶片水平進(jìn)行。
最后，襯底基片204及鍵合其上的外延層201被切片為LED芯片。
如圖2所示，(1)所有的工藝步驟，除了切片以外，都在晶片水平進(jìn)行，因此，生產(chǎn)效率高很多；(2)不需要沉積凸點(diǎn)，不需要芯片水平的倒扣焊；不需要填充環(huán)氧基樹脂；(3)不需要蝕刻到N限制層去沉積N電極；(5)反射層復(fù)蓋整個(gè)的外延層，因此反射更多的光；(6)因?yàn)樗{(lán)寶石襯底晶片被剝離，襯底晶片和外延層之間的晶格不匹配不再存在。
本專利的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合具有傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的所有優(yōu)越性，而且性能更佳，但沒有它的工藝方法方面的不足之處，晶片水平的倒扣焊工藝方法更簡單和經(jīng)濟(jì)。
雖然上面包含許多具體的描述，但是這些描述并沒有限制本發(fā)明的范圍，而只是提供一些本發(fā)明的具體化的例證。因此本發(fā)明的涵蓋范圍應(yīng)該由權(quán)力要求和它們的合法同等物決定，而不是由上述具體化的詳細(xì)描述和實(shí)施實(shí)例決定。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊工藝方法，包括下列步驟準(zhǔn)備一個(gè)精密研磨/拋光的厚度均勻的襯底晶片；準(zhǔn)備一個(gè)精密研磨/拋光的厚度均勻的襯底基片；在所述的襯底晶片上生長一個(gè)外延層以構(gòu)成一片半導(dǎo)體芯片或器件的外延晶片；所述的外延層包括第一限制層，發(fā)光層，和第二限制層；其中第一限制層的厚度是事先決定的用以補(bǔ)償所述的襯底晶片和襯底基片的厚度變化；沉積焊接層于襯底基片上；鍵合所述的第二限制層和所述的焊接層以此形成一個(gè)鍵合晶片；從所述的鍵合晶片上剝離所述的襯底晶片，使所述的第一限制層暴露；沉積一個(gè)有特定形狀的電極于所述的第一限制層；所述的特定形狀的電極至少有一個(gè)打線點(diǎn)。
2.權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊的工藝方法，其特征在于，所述的襯底晶片是藍(lán)寶石晶片并被精密研磨/拋光的方法剝離；所述的外延層還包括一緩沖層。
3.權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊的工藝方法，其特征在于，所述的襯底晶片也可以是硅晶片或者是氮化鎵晶片，被蝕刻，或者被精密研磨/拋光，或者被蝕刻和精密研磨/拋光的組合的方法剝離。
4.權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊的工藝方法，包括沉積反射/歐姆層在所述的第二限制層和所述的焊接層之間；其特征在于，所述的反射/歐姆層的材料可以從以下選出，但是不局限于鋁，金，銀，鎳，銅，及它們的合金。
5.權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合的晶片水平的倒扣焊的工藝方法，包括在所述的特定形狀的電極和所述的第一限制層之間沉積一個(gè)電流擴(kuò)散層。
6.一個(gè)半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合，包括有依次縱向?qū)盈B的一個(gè)導(dǎo)電的襯底芯片，所述的襯底芯片可以從下列材料選出，但是不局限于銅，硅，碳化硅，銀，砷化鎵；一個(gè)外延層鍵合于所述的襯底芯片上，所述的外延層包括第二限制層，發(fā)光層，和第一限制層；一個(gè)反射/歐姆層沉積于所述的襯底芯片和所述的外延層之間；一個(gè)特定形狀的電極沉積于所述的第一限制層，所述的特定形狀的電極至少有一個(gè)打線點(diǎn)。
7.權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合，包括，在所述的特定形狀的電極和所述的第一限制層之間有一個(gè)電流擴(kuò)散層。
8.權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合，其特征在于，所述的特定形狀的電極的形狀可以具有，但是不局限于，下述形狀之一十字-環(huán)-形狀，格-環(huán)-形狀，十字-多環(huán)-形狀，十字-多環(huán)-隔離-形狀，條-形狀；所述的特定形狀的電極具有至少一個(gè)打線點(diǎn)。
9.一個(gè)半導(dǎo)體芯片或器件的燈具，包括一個(gè)有反射杯的基座；一個(gè)半導(dǎo)體芯片或器件固定在所述的有反射杯的基座上；一個(gè)透明半球復(fù)蓋在所述的半導(dǎo)體芯片或器件上，所述的透明半球的半徑R大于等于所述的半導(dǎo)體芯片或器件的半寬d乘以所述的透明半球的材料的折射率nR≥nd，。
10.權(quán)利要求9中所述的半導(dǎo)體芯片或器件的燈具，其特征在于，所述的透明半球的材料的折射率n近似等于所述的外延層的折射率。
全文摘要
本發(fā)明揭示新型大功率半導(dǎo)體芯片或器件(包括GaN基發(fā)光二極管)倒扣焊組合和燈具，以及低成本的晶片水平的倒扣焊的制造工藝方法。屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括半導(dǎo)體芯片或器件的外延層倒扣焊到襯底基片，剝離襯底晶片，沉積特定形狀的電極到外延層上，切割成半導(dǎo)體芯片或器件倒扣焊組合，設(shè)計(jì)新型燈具以便減少全內(nèi)反射。本發(fā)明的優(yōu)越性是(1)制造工藝方法簡單；(2)不需要昂貴的芯片水平的倒扣焊設(shè)備；(3)生產(chǎn)效率高；(4)好的散熱效率；(5)電流分布均勻，電流密度提高；(6)光取出效率提高；(7)除去全內(nèi)反射。
文檔編號(hào)H01L29/40GK1619844SQ20041004604
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月26日
發(fā)明者彭暉, 彭剛 申請(qǐng)人:金芃