專利名稱：倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)以及其制造方法，主要涉及一種通過倒裝焊接方式形成的發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體器件。通過在兩極注入電子與空穴，二者會在半導(dǎo)體結(jié)區(qū)附近復(fù)合產(chǎn)生光子。發(fā)光的顏色可以通過選擇不同的半導(dǎo)體材料來調(diào)節(jié)。常見的紅色、黃色以及黃綠色的LED主要是由GaAs、GaP或AlInGaP四元合金制造的，通過調(diào)節(jié)合金的組分，光的波長連續(xù)可調(diào)。此外，以GaN為代表的III族氮化物材料是制造藍、綠光LED的關(guān)鍵材料體系，而且此類LED的發(fā)光效率很高，在照明和高亮度顯示領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。GaN材料的生長通常需要將襯底加熱到1000攝氏度左右，因此作為理想的襯底材料目前只有兩種選擇，一是藍寶石，二是碳化硅。二者都有很好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性。但是，藍寶石襯底由于其價格優(yōu)勢，目前是制造此類LED的主要選擇。在藍寶石襯底上的制作LED通常需要將兩個電極(亦即p電極和n電極)都做在半導(dǎo)體薄膜表面上，這是因為該襯底是絕緣材料，它不能作為LED與外界電源的連接通道。圖1所示的是常見的GaN基LED的器件結(jié)構(gòu)剖面圖(參考Nakamura等人的發(fā)明，美國專利Pat.No.5,563,422)。該LED結(jié)構(gòu)主要由如下幾個部分組成(a)外延襯底1，一般使用藍寶石或碳化硅；(b)與襯底1接觸的低溫結(jié)晶層2；(c)其上的n型GaN層3；(d)其上的發(fā)光活性層5(量子阱層)；(e)其上的p型GaN層6；(f)布置在n型GaN層上的n電極壓焊點4、設(shè)置在p型GaN層6上的p型電極接觸層7，以及其上的p電極壓焊點8。由于n型GaN層3是埋在p型GaN層6之下，所以為了做n電極接觸通常需要將部分區(qū)域刻蝕直到n型GaN層3，然后蒸鍍金屬電極4(常用Ti/Al/Ti/Au多層結(jié)構(gòu))。而p型層上的電極制作通常需要使用透光率高的Ni/Au金屬層7或透明導(dǎo)電電極ITO覆蓋整個p型半導(dǎo)體區(qū)，這主要是考慮到兩方面因素1)大面積的接觸可以顯著減小p型GaN與電極之間的接觸電阻，這一點非常重要，因為p型GaN的導(dǎo)電性較差，它的接觸電阻是整個器件系列電阻的主要部分；2)由于光需要從上表面逸出，因此電極要有好的透光性。除了上述的普通LED結(jié)構(gòu)外，目前還有一種名為倒裝焊LED結(jié)構(gòu)的裝置，如圖2所示(參考Steigerwald等人的發(fā)明，美國專利Pat.No.6,573,537)。它的主要結(jié)構(gòu)是包括一個倒裝的LED，(這個LED包括外延襯底1、n型GaN層2、發(fā)光活性層3、p型GaN層4和p電極與光反射層5)和設(shè)置在上述倒置的LED下的散熱基板8。倒裝的LED與散熱基板8是通過焊點6連接。這種結(jié)構(gòu)的LED主要特點是能在大的輸入功率下工作，并且光的萃取效率相對較高。倒裝焊結(jié)構(gòu)的LED是從透明的外延襯底背面出光的。這種結(jié)構(gòu)的LED特別適用于藍寶石襯底，因為，它既克服了藍寶石襯底低導(dǎo)熱能力的限制，增大了器件輸入功率的空間；又充分利用了藍寶石襯底在可見區(qū)域的高透光率特性。為了提高出光效率，通常在半導(dǎo)體p型層上沉積一層高反射率的金屬層(如Al、Ag等)構(gòu)成如圖2所示的p電極與光反射層5，將向下發(fā)射的光反射回來并導(dǎo)出。當前，倒裝焊技術(shù)通常采用兩種方案1)利用熔焊方式通過焊料(如PbSn)將LED芯片的p、n電極與散熱基板粘結(jié)，實現(xiàn)導(dǎo)電導(dǎo)熱雙重功能；2)利用在散熱基板上打金點的方式，將芯片通過壓力與熱超聲焊在基板上。這兩種方法雖然一定程度上解決了大功率輸入的散熱困難問題，但是還有許多缺點。前一方案的主要問題在于1)焊料含鉛，對環(huán)境有害；2)PbSn焊料本身導(dǎo)熱特性不佳，而且它的厚度一般達到30微米以上，這大大增加了從LED芯片到散熱基板之間的熱阻。后一方案的缺點是1)在基板上打金點耗時、成本高；2)通過金點接觸，芯片與散熱基板之間的熱阻也較大；3)焊接點的金屬面積尺寸難以調(diào)節(jié)?？傊?，目前使用LED倒裝焊技術(shù)普遍存在熱阻較大、對環(huán)境不利、成本較高、或焊點結(jié)構(gòu)設(shè)計空間不夠等等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述提到的問題，提供一種散熱性優(yōu)良，設(shè)計簡便、靈活，成本低廉的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED以及其制作方法。
倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，包括提供一散熱基板和具有p、n電極的LED芯片，所述方法包括步驟一，在散熱基板上制作第一金屬層，并分別形成p電極區(qū)和n電極區(qū)；步驟二，在所述第一金屬層上形成金屬凸點陣列；步驟三，在LED芯片的p、n電極上形成第二金屬層；步驟四，將所述LED芯片的p電極和n電極分別對應(yīng)所述散熱基板上的p電極區(qū)和n電極區(qū)鍵合，并對相接觸的第二金屬層和金屬凸點陣列加壓、加超聲、加熱。
另一方面，本發(fā)明的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，包括一散熱基板；第一金屬層，位于所述散熱基板之上，包括了p電極區(qū)和n電極區(qū)；金屬凸點陣列，位于所述第一金屬層上的p電極區(qū)之上；LED芯片，所述LED芯片的n電極位于所述第一金屬層的所述n電極區(qū)之上，所述LED芯片的p電極位于所述第一金屬層的所述p電極區(qū)之上。
本發(fā)明的LED芯片的制作方法，包括提供一外延襯底；形成一n型GaN層于所述外延襯底上；形成一發(fā)光活性層于所述n型GaN層上；形成一p型GaN層于所述n型GaN層上；刻蝕并移除所述外延襯底上的部分p型GaN層，以暴露出n型GaN層，在該暴露出的n型GaN層上形成n電極；在未被刻蝕部分沉積p電極，并沉積第三金屬層，所述p電極與第三金屬層形成一復(fù)合金屬層，用于金屬半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電與反光的作用；形成第四金屬層，介于所述p電極與n型GaN層之間。
本發(fā)明的LED芯片制造過程，包括1)在藍寶石或其它襯底上利用金屬有機物氣相外延的方法外延沉積III-族氮化物薄膜；2)一對在同側(cè)的相互電氣絕緣的電極制作；3)含Ag、Al、Au、Rh或Ir等單層或多層金屬膜的反光層的沉積，其中為了提高粘附性有時需要插入Ti或Cr等金屬層，其中為了減少反光層金屬對其下的金屬接觸層的互擴散影響，需要插入W、V等金屬層；4)沉積含Al、Au或Ag等單層或多層延展性優(yōu)良的金屬膜，用于與基板上的多層金屬凸點陣列形成良好的鍵合。
該金屬多層膜既是LED芯片與散熱基板機械粘結(jié)的材料、又起到電極引出和導(dǎo)熱的效果。用光刻掩膜再刻蝕的方法制作該金屬凸點陣列最大的優(yōu)點是效率高、圖案形態(tài)大小調(diào)整方便。


下面，參照附圖，對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，從對本發(fā)明方法和裝置的詳細描述中，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點將顯而易見。
圖1是常見的普通GaN基LED的剖面示意圖；圖2所示的是一種倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明實施例1的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明實施例2的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的剖面示意圖；圖5是本發(fā)明實施例3的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的剖面示意圖。
具體實施例方式
下面參照圖3至圖5就本發(fā)明的幾種實施方式作具體說明。
實施例1圖3所示的是實施例1的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的縱向截面圖。下面就其結(jié)構(gòu)及制作方法做具體說明。
首先，在襯底1上外延生長III-族氮化物半導(dǎo)體材料，包括n型GaN層2，發(fā)光活性層3，以及p型GaN層4?？涛g部分外延層區(qū)域直到n型GaN層2以便引出n電極10。接著，在未被刻蝕部分的p電極上沉積半透明Ni/Au金屬層作電極接觸，隨后沉積用于反光的Al或Ag金屬層，此外為了減小其上的反光層金屬對Ni/Au接觸的影響，需要在二者之間插入防擴散金屬層，由此形成圖示中的復(fù)合金屬層5，該復(fù)合金屬層5同時起到金屬半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電與反光的作用。隨后，沉積用于形成壓焊的具有良好延展性的金屬層6，通常是Al或Au或Ag等材料，上述工藝完成后形成一LED結(jié)構(gòu)。
另一方面，使用硅片或其它散熱特性良好的半導(dǎo)體作散熱基板9，可以在半導(dǎo)體散熱基板9上制作兩個反向串聯(lián)的二極管用于LED的靜電保護旁路11。隨后在硅片上利用熱蒸發(fā)、濺射或電鍍的方式沉積Al/Ti/Ag多層金屬膜8，該金屬膜8上分為n電極區(qū)81、p電極區(qū)82，且p電極區(qū)82較大于n電極區(qū)81。然后在金屬膜8上通過光刻掩膜、刻蝕或剝離的方式制作金屬凸點陣列7。金屬凸點陣列7與金屬多層膜8的厚度一般在2至10微米之間。這既保證了壓焊時能形成良好的接觸，也提高了LED與散熱基板之間的散熱性能。
最后，將前面做好的LED結(jié)構(gòu)面朝散熱基板9倒扣，使LED的n電極10、p電極5分別與散熱基板9上的n電極區(qū)81、p電極區(qū)82對應(yīng)接合，然后加熱到100至200攝氏度，對接合處進行加壓、加超聲，使壓焊金屬層6與金屬凸點陣列7形成可靠的連接。由此，構(gòu)成了一個倒裝焊結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。
上述實施例中的散熱基板9大約200微米厚，其中的靜電保護電路11是由兩個反向串聯(lián)的二極管組成。散熱基板9的導(dǎo)熱特性通過調(diào)節(jié)摻雜濃度可以得到優(yōu)化。此外，該基板9也可以選擇使用具有良好導(dǎo)熱特性的其它單層或多層材料(如AlN陶瓷材料，表面氧化或氮化的硅基板，或銅基板覆蓋AlN等絕緣材料)，通過在其上布導(dǎo)電金屬材料實現(xiàn)與倒扣芯片之間的電氣導(dǎo)通。
實施例2圖4是本發(fā)明實施例2的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的剖面圖。
首先，與上述實施例1的外延生長LED半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相同，在襯底1上外延生長III-族氮化物半導(dǎo)體材料，包括n型GaN層2，發(fā)光活性層3，以及p型GaN層4?？涛g部分外延層區(qū)域直到n型GaN層2以便引出n電極10。接著，在未被刻蝕部分的p電極上沉積半透明Ni/Au金屬層作電極接觸，隨后沉積用于反光的Al或Ag金屬層，此外為了減小其上的反光層金屬對Ni/Au接觸的影響，需要在二者之間插入防擴散金屬層，由此形成圖示中的復(fù)合金屬層5，該復(fù)合金屬層5同時起到金屬半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電與反光的作用。隨后，沉積用于形成壓焊的具有良好延展性的金屬層6，通常是Al或Au或Ag等材料，上述工藝完成后形成一LED結(jié)構(gòu)。
所不同的是，該實施例中使用的散熱基板9是具有良好導(dǎo)熱特性的陶瓷材料如AlN等。在不導(dǎo)電散熱基板9上制作用于焊接的多層金屬膜工藝過程與實施例1相同。隨后的在散熱基板9上布置金屬多層膜8和金屬凸點陣列7的過程也如實施例1描述。
使用本實施例制作的倒裝焊LED結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的散熱特性，因為AlN的熱導(dǎo)系數(shù)是2.8W/cm.K，大約是硅的兩倍。但是，它不能同時在該結(jié)構(gòu)中設(shè)計靜電保護電路。
實施例3圖5是本發(fā)明實施例3的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED的剖面圖。
首先，與上述實施例1的外延生長LED半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相同，在襯底1上外延生長III-族氮化物半導(dǎo)體材料，包括n型GaN層2，發(fā)光活性層3，以及p型GaN層4?？涛g部分外延層區(qū)域直到n型GaN層2以便引出n電極10。接著，在未被刻蝕部分的p電極上沉積半透明Ni/Au金屬層作電極接觸，隨后沉積用于反光的Al或Ag金屬層，此外為了減小其上的反光層金屬對Ni/Au接觸的影響，需要在二者之間插入防擴散金屬層，由此形成圖示中的復(fù)合金屬層5，該復(fù)合金屬層5同時起到金屬半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電與反光的作用。隨后，沉積用于形成壓焊的具有良好延展性的金屬層6，通常是Al或Au或Ag等材料，上述工藝完成后形成一LED結(jié)構(gòu)。
所不同的是，該實施例使用的散熱基板9是具有良好導(dǎo)熱特性的金屬材料，如銅等。為了避免導(dǎo)電金屬基板9造成LED短路，需要在基板9上再覆蓋一層絕緣材料層11，如陶瓷、或者玻璃。隨后，在覆蓋了絕緣材料層11后的散熱基板9上布置金屬多層膜8和金屬凸點陣列7的過程也如實施例1描述。
使用該方法制作的倒裝焊LED結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的散熱特性，因為Cu的熱導(dǎo)系數(shù)是3.9W/cm.K，大約是硅的三倍，AlN的1.5倍。
綜上所述，本發(fā)明的關(guān)鍵是利用金屬多層膜凸點陣列作為LED芯片與基板的鍵合方式。該金屬多層膜凸點陣列利用延展性和粘附性好的Al、Ag、Au和Ti等金屬制作。厚度一般控制在2微米到10微米之間。該金屬凸點陣列結(jié)構(gòu)起到良好的機械粘附、導(dǎo)電、導(dǎo)熱的效果。由于該凸點是由導(dǎo)熱特性好的材料制作，而且其高度較小，因此導(dǎo)熱效果明顯優(yōu)于前述的兩種焊接技術(shù)。
本發(fā)明的散熱基板可以使用半導(dǎo)體材料硅或其它導(dǎo)熱系數(shù)大的材料如SiC，而且通過在半導(dǎo)體材料上制作兩個反向串聯(lián)的二極管起到靜電保護的作用。該散熱基板也可以是導(dǎo)熱性良好的AlN陶瓷片或其它不導(dǎo)電的基板，或者覆蓋一層絕緣材料的導(dǎo)電材料。
綜上所述，本發(fā)明使用了一種熱超聲焊的方法將LED芯片倒裝焊在散熱基板上。該方法通過將基板加熱到100至200攝氏度之間，然后將按前述方法制作的LED芯片面朝基板通過加壓、加超聲使兩面的金屬層鍵合，形成具有良好機械強度并且低熱阻的連接。
在上述的實施例1-3中，一般傾向于將p型電極的區(qū)域做大，刻蝕下去到n型區(qū)域的面積做小，因為介于這兩層材料之間的活性層是決定LED發(fā)光亮度的有源區(qū)。
另一方面，為了減小從n型區(qū)注入電子的擁堵效應(yīng)，需要設(shè)計叉指狀的電極，以提高注入電流的均勻性。
上述說明材料只是圍繞GaN基材質(zhì)的LED對本發(fā)明作了描述，而本發(fā)明揭示的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED也可以應(yīng)用于其它材質(zhì)的LED，如AlGaInP四元系的紅、黃光LED，GaPN系的黃綠光LED，AlInGaAs系的紅光LED等等。
雖然已經(jīng)通過上述的幾個例子描述了本發(fā)明的實施形態(tài)，但是它們只是說明性的。事實上，在不違背本發(fā)明原理的條件下，還可以對其進行各種形式的修改。此外，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，包括提供一散熱基板和具有p、n電極的LED芯片，所述方法包括步驟一，在散熱基板上制作第一金屬層，并分別形成p電極區(qū)和n電極區(qū)；步驟二，在所述第一金屬層上形成金屬凸點陣列；步驟三，在LED芯片的p、n電極上形成第二金屬層；步驟四，將所述LED芯片的p電極和n電極分別對應(yīng)所述散熱基板上的p電極區(qū)和n電極區(qū)鍵合，并對相接觸的第二金屬層和金屬凸點陣列加壓、加超聲、加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，其特征在于，所述LED芯片的形成包括提供一外延襯底形成一n型GaN層于所述外延襯底上；形成一發(fā)光活性層于所述n型GaN層上；形成一p型GaN層于所述n型GaN層上；刻蝕并移除所述外延襯底上的部分p型GaN層，以暴露出n型GaN層，在該暴露出的n型GaN層上形成n電極；在未被刻蝕部分沉積p電極，并沉積第三金屬層，所述p電極與第三金屬層形成一復(fù)合金屬層，用于金屬半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電與反光的作用；形成第四金屬層，介于所述p電極與n型GaN層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，其特征在于，所述散熱基板為散熱金屬基板，所述步驟一之前進一步包括在所述散熱金屬基板和所述第一金屬層之間制作一絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，其特征在于，所述散熱基板為絕緣散熱基板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，其特征在于，所述散熱基板為帶靜電保護電路的散熱半導(dǎo)體基板。
6.倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，包括一散熱基板；第一金屬層，位于所述散熱基板之上，包括了p電極區(qū)和n電極區(qū)；金屬凸點陣列，位于所述第一金屬層上的p電極區(qū)之上；LED芯片，所述LED芯片的n電極位于所述第一金屬層的所述n電極區(qū)之上，所述LED芯片的p電極位于所述第一金屬層的所述p電極區(qū)之上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，所述LED芯片包括一外延襯底；n型GaN層，設(shè)置于所述外延襯底上；第四金屬層，設(shè)置于所述n型GaN層上；p型GaN層，設(shè)置于所述第四金屬層上；n電極，由對所述外延襯底刻蝕至n型GaN層后沉積金屬形成；p電極，在未被刻蝕的所述外延襯底上沉積金屬形成，在所述p電極上沉積第三金屬層，所述p電極與第三金屬層形成一復(fù)合金屬層，用于金屬半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電與反光的作用；第三金屬層，設(shè)置在所述復(fù)合金屬層上；第二金屬層，設(shè)置于所述第三金屬層上；其中，所述LED芯片是通過所述第二金屬層與所述散熱基板上的金屬凸點陣列相鍵合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，所述散熱基板為散熱金屬基板；所述裝置進一步包括一絕緣層，設(shè)置于所述散熱金屬基板之上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，所述散熱基板為絕緣散熱基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，所述散熱基板為帶靜電保護電路的散熱半導(dǎo)體基板，所述靜電保護電路由兩個反向串聯(lián)的二極管組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制造方法，包括在散熱基板上制作第一金屬層，并分別形成p電極區(qū)和n電極區(qū)；在所述第一金屬層上形成金屬凸點陣列；在LED芯片的p、n電極上形成第二金屬層；將所述LED芯片的p電極和n電極分別對應(yīng)所述散熱基板上的p電極區(qū)和n電極區(qū)鍵合，并對相接觸的第二金屬層和金屬凸點陣列加壓、加超聲、加熱。本發(fā)明的倒裝焊結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，包括一散熱基板；第一金屬層，位于所述散熱基板之上，包括了p電極區(qū)和n電極區(qū)；金屬凸點陣列，位于所述第一金屬層上的p電極區(qū)之上；LED芯片，所述LED芯片的n電極位于所述第一金屬層的所述n電極區(qū)之上，所述LED芯片的p電極位于所述第一金屬層的所述p電極區(qū)之上。
文檔編號H01L33/00GK1731592SQ20051002911
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者江忠永, 鮑堅仁 申請人:杭州士蘭明芯科技有限公司