專利名稱：高抗靜電高效發(fā)光二極管及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，特別涉及一種高抗靜電的高效發(fā)光二極管及制作方法，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管由于具有高亮度，低能耗，長壽命，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，平面化，重量輕，方向性好，響應(yīng)快，無輻射，耐各種惡劣條件等優(yōu)點，因此迄今已在大、中、小屏幕顯示器、汽車用燈、背光源、交通信號燈、景觀及日常照明、裝飾燈、儀表指示燈上有廣泛的用途。而近年來由于以氮化物(GaN)為基礎(chǔ)的藍色發(fā)光二極管的研發(fā)，使得發(fā)光二極管全色彩發(fā)光的提供得以實現(xiàn)，給應(yīng)用面帶來更豐富的內(nèi)容，并逐步向白光照明邁進。因此提升發(fā)光二極管發(fā)光效率就成為最主要研發(fā)重點及技術(shù)瓶頸。從發(fā)光二極管的發(fā)光機制來看，其發(fā)光效率可分為內(nèi)部發(fā)光效率(Internal quantum efficiency，ηint)及外部發(fā)光效率(External quantum efficiency，ηext)兩種，其中內(nèi)部發(fā)光效率其實就是器件本身的電光轉(zhuǎn)換效能，主要是與器件本身的特性如器件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)，及器件的單晶組成及結(jié)構(gòu)等有關(guān)；而外部發(fā)光效率則由內(nèi)部量子效率和取光效率ηe來決定。當前發(fā)光技術(shù)的內(nèi)量子效率已經(jīng)達到90-95％，可提高的空間有限，但取光效率ηe尚有很大空間，目前僅達到5-10％左右。其主要影響因素為材料的吸收系數(shù)大，電極遮擋，材料之間折射率差偏大嚴重影響取光效率的提高。
由于目前的GaN發(fā)光二極管大都長在不導(dǎo)電的藍寶石(Sapphire)的襯底上，因而P、N型電極必須制作在同一面，如此一來，電極焊盤(bonding pad)會遮住一部分光約1/4，這樣就大大影響發(fā)光管的取光效率。除此之外，由于藍寶石襯底不導(dǎo)電的特性，存在著嚴重的靜電損傷(ESD)。另外，目前發(fā)光二極管的取光效率很低，大部分能量轉(zhuǎn)換成了熱量。為了保證器件的壽命，一般要求結(jié)溫度在110℃以下，所以散熱對發(fā)光二極管意義很大。GaN發(fā)光管最重要市場是日常照明市場，需要大功率長壽命的發(fā)光管，而藍寶石及GaN材料的散熱特性又不好。如果芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，使芯片失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高抗靜電高效發(fā)光二極管及其制作方法，以解決上述問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案參見圖1-圖3，它包含一特殊制作的基板(submount)及發(fā)光二極管芯片，其特征在于此發(fā)光二極管芯片主要包含在一透明藍寶石襯底1及在此襯底上的GaN結(jié)構(gòu)層12和P電極3、N電極2；基板用重摻雜N型單面拋光硅單晶做襯底9，在前述硅拋光表面生長有氧化層7；在前述氧化層上局部形成有擴散窗口；在前述擴散窗口形成高濃度P型層；在前述P型層上形成歐姆接觸層6；在前述歐姆接觸層上形成金屬層5，金屬層連接前述發(fā)光二極管芯片的P電極3、N電極2之用；在前述歐姆接觸層上形成延伸電極8，用于前述發(fā)光二極管芯片和前述基板的電路連接。其中所述的發(fā)光二極管以倒裝方式疊置于所述基板上。
所述的高濃度P型層和重摻雜N型硅形成雙向穩(wěn)壓管10。
所述的發(fā)光二極管芯片形成的發(fā)光二極管11與高濃度P型層和重摻雜N型硅形成的雙向穩(wěn)壓管10并聯(lián)設(shè)置。
所述的雙向穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓應(yīng)小于發(fā)光二極管的反向擊穿電壓，同時大于發(fā)光二極管的正向工作電壓。
所述的發(fā)光二極管11直接通過P、N型電極與基板上金屬焊接層5接觸。
本發(fā)明制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，包括基板及發(fā)光二極管芯片的制作方法是利用一導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料做為基板，在基板上用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制作工藝制作集成的雙向穩(wěn)壓二極管10；發(fā)光二極管芯片是先依據(jù)現(xiàn)有的制作工藝制作發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，再在前述結(jié)構(gòu)上制作整面的P型電極層、即鎳/金/鈦/金和N型電極層、即鈦/鋁/鈦/金；最后將GaN發(fā)光二極管芯片倒裝在基板上，雙向穩(wěn)壓二極管作為發(fā)光二極管的抗靜電保護電路。其中所述的基板上的金屬焊接層5可以是金錫合金、金屬銦、銀錫合金和用金絲所燒成的金球。
所述的基板也可以是重摻雜P型單面拋光單晶硅、陶瓷和有機材料、如PCB板。
本發(fā)明中所述的一種制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，其特征在于基板可以采用下述制作方法1)選擇一重摻雜N型單面拋光單晶硅片作為襯底；2)用熱生長法在前述硅襯底拋光面生長一層氧化層；3)用光刻腐蝕工藝在前述氧化層上局部蝕刻出擴散窗口；4)在前述擴散窗口用離子注入或半導(dǎo)體擴散工藝形成高濃度P型結(jié)構(gòu)；5)在前述P型層上用蒸發(fā)或濺射工藝形成鈦/金歐姆接觸層；6)在前述歐姆接觸層上用電鍍工藝形成焊接金屬層銦；7)焊接金屬層供連接發(fā)光二極管芯片之用，焊接金屬層可用電鍍金錫合金、銀錫合金來實現(xiàn)，或用混合集成工藝來實現(xiàn)；或用金絲燒球技術(shù)在前述的歐姆接觸層上形成金凸點來實現(xiàn)；
8)在前述歐姆接觸層上用光刻腐蝕工藝形成延伸電極，供前述發(fā)光二極管芯片和前述基板上抗靜電保護電路電氣連接之用；最后將制成的發(fā)光二極管倒裝在前述基板上，通過P、N型電極直接與基板上金屬焊接層接觸。
本發(fā)明的高抗靜電高效發(fā)光二極管采用以上方案后，具有以下明顯效果(1)可有效增強發(fā)光二極管抗靜電放電(ESD)能力，解決由于藍寶石基板不導(dǎo)電對靜電敏感的問題。由于采用半導(dǎo)體集成工藝制作的雙向穩(wěn)壓二極管，可保證兩個穩(wěn)壓管的特性相同，參數(shù)相同。如此，采用雙向穩(wěn)壓二極管作為發(fā)光二極管的抗靜電保護電路，可減少單個反接二極管保護電路形式中帶來的不必要功耗；具有自我保護功能，防止二極管的擊穿；雙向穩(wěn)壓二極管為對接串聯(lián)形式，其結(jié)電容也為串聯(lián)，使雙向穩(wěn)壓二極管電路的整個電容減小為單個穩(wěn)壓二極管電容的一半，從而有效減少抗靜電電路的放電時間。采用本發(fā)明方案制作的高抗靜電高效發(fā)光二極管其能滿意地經(jīng)受住10000V的靜電敏感電壓，遠高于單個發(fā)光二極管所能經(jīng)受的靜電敏感電壓，極大地提高了發(fā)光二極管的可靠性和使用壽命。
(2)可極大提升發(fā)光效率。本發(fā)明的高抗靜電高效發(fā)光二極管，是將生長在透明藍寶石襯底上的GaN發(fā)光管芯片，倒裝在特殊制作的硅基板上。因P、N型電極朝下，發(fā)光管有源區(qū)發(fā)出的光從背面藍寶石端取出，避開了正面電極焊盤的遮光效應(yīng)，增加了取光面積，減少了發(fā)光二極管電流擴展層對光的吸收，增大了光的全反射角，發(fā)光效率得以大大提高，增大了光輸出功率；若在P型電極上方制作反射率極高的光反射層，可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率1.5-2倍。
(3)可增大光輸出功率，降低熱阻和成本，提高器件可靠性。本發(fā)明的高抗靜電高效二極管，可直接通過電極與特殊制作的硅基板接觸，因電極、金屬焊接層和基板都是熱的良導(dǎo)體，電極可以做成平面型，增大接觸面積，改善藍寶石基板散熱不佳的問題；再者不用考慮光的透射而可制作厚的電極層3，使得發(fā)光管管芯的電流注入均勻、發(fā)光均勻、發(fā)熱降低，降低熱阻，提高器件可靠性，進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，可實現(xiàn)光的大功率輸出，降低成本，有益于規(guī)模化生產(chǎn)。下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。


圖1本發(fā)明高抗靜電高效發(fā)光二極管管芯結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明高抗靜電高效發(fā)光二極管基板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明高抗靜電高效發(fā)光二極管的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明高抗靜電高效發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)原理示意圖；如圖1所示，1為透明藍寶石襯底，2為GaN發(fā)光二極管N型電極，3為GaN發(fā)光二極管P型電極，12為GaN結(jié)構(gòu)層；如圖2所示，5為焊接金屬層，6為歐姆接觸層，7為氧化層，氧化層為擴散掩蔽層，擴散窗口內(nèi)為高濃度P型雜質(zhì)層，8為延伸電極(wire bonding)，9為襯底；如圖4所示，10為雙向穩(wěn)壓二極管，11為發(fā)光二極管。
具體實施例方式
本發(fā)明的的高抗靜電高效發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，其制作方法如下1)先依據(jù)現(xiàn)有的制作工藝制作發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，再在前述結(jié)構(gòu)上制作整面的N型電極層(鈦/鋁/鈦/金)2和P型電極層(鎳/金/鈦/金)3，如圖1所示；2)選擇一重摻雜N型單面拋光單晶硅片作為襯底，1100-1150℃氧化，形成氧化層7，厚度8000(埃)-1微米；3)光刻氧化層7，形成擴散窗口，用離子注入或高溫(1100-1150℃)擴散P型雜質(zhì)，結(jié)深約1微米，形成高濃度P型結(jié)構(gòu)；4)低溫700-800℃濕氧氧化30分鐘；5)在擴散窗口套刻引線孔，用蒸發(fā)或濺射工藝制作歐姆接觸層鈦/金5000埃，光刻出電極圖形，先腐蝕掉電極外部區(qū)域金層，保留鈦層，再用光刻膠保護電極外部鈦層，電鍍金屬銦3-5微米，再用熱丙酮超聲剝離光刻膠，腐蝕去電極外部區(qū)域鈦層，形成歐姆接觸層6和焊接金屬層5，如圖2所示；6)如圖3所示，將步驟1)制作的發(fā)光管芯片倒裝在步驟2)至5)制作的特殊基板上，在合金爐里150-180℃氮氣氣氛下合金1-3分鐘，完成本發(fā)明的高抗靜電高效發(fā)光二極管。
如前所述，在步驟1)里，若在電極層3上增加一光反射層，可有效地將發(fā)光管有源區(qū)發(fā)出的光取出，更進一步達到提高取光效率的目的；在步驟2)里當然也可選用高濃度P型單面拋光單晶硅做襯底，在后續(xù)步驟里注入或擴散N型雜質(zhì)源形成高濃度N型結(jié)構(gòu)；在步驟5)里也可電鍍金錫合金，或銀錫合金，當然也可用蒸發(fā)工藝實現(xiàn)；此外也可在步驟5)里用金絲燒球技術(shù)在歐姆接觸層鈦/金上點金球，用超聲鍵合來實現(xiàn)發(fā)光二極管和特殊制作基板的電氣和機械連接。
因硅是熱的良導(dǎo)體，本發(fā)明中所述硅單晶襯底、歐姆接觸層、金屬層可作為大功率發(fā)光二極管的散熱裝置。
本發(fā)明的另一個較佳實施例可選用陶瓷或有機材料如PCB做基板，用混合集成技術(shù)來實現(xiàn)抗靜電電路的制作，用絲網(wǎng)印刷技術(shù)或電鍍來實現(xiàn)焊接金屬的制作，如此把前述發(fā)光二極管芯片倒裝在前述基板上也能實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
本發(fā)明采用發(fā)光二極管芯片以倒裝方式置于特殊制作的基板上的方法，避開了正面電極焊盤的遮光效應(yīng)，光從藍寶石面取出，如此大大增大了發(fā)光面積，減少了發(fā)光二極管電流擴展層對光的吸收，增大了光的全反射角，發(fā)光效率得以大大提高；而且金屬層又可起到反光效果，可更進一步提高取光效率。
再者，發(fā)光二極管芯片以倒裝方式置于特殊制作的基板上，將散熱差的藍寶石面朝上，可改善藍寶石襯底散熱不佳的問題；而且發(fā)光管芯片與前述基板襯底界面上的焊接金屬層、歐姆接觸層都是熱的良導(dǎo)體，大大增加散熱面積；若選用硅襯底，其也是熱的良導(dǎo)體，更有利于熱量的耗散。
上面已結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行了示例性的描述，顯然本發(fā)明并不限于此，在本發(fā)明范圍內(nèi)進行的各種改型均沒有超出本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.高抗靜電高效發(fā)光二極管，它包含特殊制作的基板及發(fā)光二極管芯片，其特征在于此發(fā)光二極管芯片主要包含在一透明藍寶石襯底(1)及在此襯底上的GaN結(jié)構(gòu)層(12)和整面P電極(3)、N電極(2)；基板用重摻雜N型單面拋光硅單晶做襯底(9)，在前述硅拋光表面生長有氧化層(7)；在前述氧化層上局部形成有擴散窗口；在前述擴散窗口形成高濃度P型層；在前述P型層上形成歐姆接觸層(6)；在前述歐姆接觸層上形成金屬層(5)，金屬層連接前述發(fā)光二極管芯片的P電極(3)、N電極(2)之用；在前述歐姆接觸層上形成延伸電極(8)，用于前述發(fā)光二極管芯片和前述基板的電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高抗靜電高效發(fā)光二極管，其特征在于所述發(fā)光二極管以倒裝方式疊置于所述基板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高抗靜電高效發(fā)光二極管，其特征在于所述高濃度P型層和重摻雜N型硅形成雙向穩(wěn)壓管(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的高抗靜電高效發(fā)光二極管，其特征在于所述發(fā)光二極管芯片形成的發(fā)光二極管(11)與高濃度P型層和重摻雜N型硅形成的雙向穩(wěn)壓管(10)并聯(lián)設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高抗靜電高效發(fā)光二極管，其特征在于雙向穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓應(yīng)小于發(fā)光二極管的反向擊穿電壓，同時大于發(fā)光二極管的正向工作電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高抗靜電高效發(fā)光二極管，其特征在于所述發(fā)光二極管(11)直接通過P、N型電極與基板上金屬焊接層(5)接觸。
7.一種制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，包括基板及發(fā)光二極管芯片的制作方法是利用一導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料做為基板，在基板上用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制作工藝制作集成的雙向穩(wěn)壓二極管(10)；發(fā)光二極管芯片是先依據(jù)現(xiàn)有的制作工藝制作發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，再在前述結(jié)構(gòu)上制作整面的P型電極層、即鎳/金/鈦/金和N型電極層、即鈦/鋁/鈦/金；最后將GaN發(fā)光二極管芯片倒裝在基板上，雙向穩(wěn)壓二極管作為發(fā)光二極管的抗靜電保護電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，其特征在于所述的基板上的金屬焊接層(5)可以是金錫合金、金屬銦、銀錫合金和用金絲所燒成的金球。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，其特征在于所述的基板也可以是重摻雜P型單面拋光單晶硅、陶瓷和有機材料、如PCB板。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，其特征在于基板可以采用下述制作方法1)選擇一重摻雜N型單面拋光單晶硅片作為襯底；2)用熱生長法在前述硅襯底拋光面生長一層氧化層；3)用光刻腐蝕工藝在前述氧化層上局部蝕刻出擴散窗口；4)在前述擴散窗口用離子注入或半導(dǎo)體擴散工藝形成高濃度P型結(jié)構(gòu)；5)在前述P型層上用蒸發(fā)或濺射工藝形成鈦/金歐姆接觸層；6)在前述歐姆接觸層上用電鍍工藝形成焊接金屬層銦；7)焊接金屬層供連接發(fā)光二極管芯片之用；8)在前述歐姆接觸層上用光刻腐蝕工藝形成延伸電極，供前述發(fā)光二極管芯片和前述基板上抗靜電保護電路電氣連接之用；最后將制成的發(fā)光二極管倒裝在前述基板上，通過P、N型電極直接與基板上金屬焊接層接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種制作高抗靜電高效發(fā)光二極管的方法，其特征在于其中所述的焊接金屬層可用電鍍金錫合金、銀錫合金來實現(xiàn)，或用混合集成工藝來實現(xiàn)，或用金絲燒球技術(shù)在前述的歐姆接觸層上形成金凸點來實現(xiàn)。
全文摘要
高抗靜電高效發(fā)光二極管及制作方法，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。它包含利用一導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料制作的基板及發(fā)光二極管芯片，基板上制作有集成的雙向穩(wěn)壓二極管，發(fā)光二極管芯片主要包含在一透明藍寶石襯底及在此襯底上的GaN結(jié)構(gòu)層和整面P電極、N電極，將發(fā)光二極管芯片倒裝在該基板上。發(fā)光二極管有源區(qū)發(fā)出的光從背面藍寶石端取出，增加了取光面積，可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率1.5－2倍。由于基板上集成了抗靜電保護雙向穩(wěn)壓二極管，有效增強了發(fā)光二極管抗靜電放電能力，又發(fā)光二極管直接通過電極與特殊制作的基板接觸，增大了接觸面積，改善了藍寶石散熱不佳的特性，可實現(xiàn)大功率輸出，降低成本，提高器件可靠性等作用。
文檔編號H01L33/00GK1588657SQ200410062248
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者沈光地, 鄒德恕, 郭霞, 王新潮, 徐遵圖, 韓軍, 張劍銘 申請人:北京工業(yè)大學(xué)