專利名稱：Led倒裝芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高出光效率結(jié)構(gòu)LED倒裝芯片的制作方法，屬于半導(dǎo)體發(fā)光二極光LED材料和器件工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近十年來(lái)，高亮度化、全色化一直是半導(dǎo)體發(fā)光二極光LED材料和器件工藝技術(shù)研究的前沿課題。國(guó)際上，LED產(chǎn)業(yè)正朝著種類更多、亮度更高、應(yīng)用范圍更廣、價(jià)格更低的方向發(fā)展。目前，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)之一為大功率高亮度LED芯片。傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底GaN大功率芯片為正裝芯片，電極位于芯片的出光面上。此正裝LED芯片結(jié)構(gòu)在器件功率、出光效率方面具有局限性。例如，這種正裝LED芯片，有電極光耗損，約30％的光被P電極吸收，且其p-GaN層有限的電導(dǎo)率要求在p-GaN層表面制作沉淀一層電流擴(kuò)散的層。這個(gè)電流擴(kuò)散層可由Ni/Au組成，會(huì)遮住一部分光，從而降低芯片的出光效率。因此這種p型接觸結(jié)構(gòu)制約了LED芯片的工作功率。其次，這種結(jié)構(gòu)LED芯片pn結(jié)的熱量通過(guò)藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)系數(shù)(22W/m·K)較金屬低，導(dǎo)熱路徑較長(zhǎng)，該結(jié)構(gòu)的LED芯片熱阻會(huì)較大。此外，這種結(jié)構(gòu)的p電極和引線也會(huì)擋住部分光線進(jìn)入器件封裝，且該結(jié)構(gòu)上面通常涂上一層環(huán)氧樹脂，而環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱能力很差，造成散熱難的問(wèn)題，影響器件的性能參數(shù)和可靠性。所以，正裝LED芯片的器件功率、出光效率和熱性能均不可能是最優(yōu)的。為了克服正裝芯片的這些不足，Lumileds Lighting公司發(fā)明了倒裝芯片(Flip-chip)，大功率LED芯片電極上焊接數(shù)個(gè)BUMP(金球)與Si襯底上對(duì)應(yīng)的BUMP通過(guò)共晶焊接在一起，Si襯底通過(guò)粘接材料與器件內(nèi)部熱沉粘接在一起，光從藍(lán)寶石襯底取出，不必從電流擴(kuò)散層取出。由于不從電流擴(kuò)散層取光，這樣不透光的電流擴(kuò)散層可以加厚，增加Flipchip的電流密度。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)還可以將pn結(jié)的熱量直接通過(guò)金屬凸點(diǎn)導(dǎo)給熱導(dǎo)系數(shù)高的硅襯底(145W/m·K)，散熱效果更優(yōu)；而且在pn結(jié)與p電極之間可增加一個(gè)反光層，消除電極和引線的擋光，因此倒裝芯片結(jié)構(gòu)，相對(duì)于正裝LED芯片結(jié)構(gòu)，在電、光、熱等方面具有更優(yōu)的特性。
但倒裝芯片仍然需要解決出光率低的問(wèn)題，在芯片薄膜元件結(jié)構(gòu)中，因其內(nèi)部薄膜層的高折射率，光的發(fā)射和傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生全反射以及高折射率層的光波導(dǎo)效應(yīng)，僅有少部分內(nèi)部的光被引出來(lái)利用；LED元件出射錐角(narrow escape cone)很小，出射錐角外的光線在元件內(nèi)發(fā)光層遭遇全反射和光波導(dǎo)效應(yīng)，LED產(chǎn)生的光大部分因藍(lán)寶石基板上全反射和光波導(dǎo)效應(yīng)而損失掉?？紤]到最外層藍(lán)寶石折射率為2.5時(shí)，芯片LED產(chǎn)生的光僅5％被誘導(dǎo)出來(lái)。
為了解決LED薄膜元件結(jié)構(gòu)內(nèi)部全反射以及高折射率層的光波導(dǎo)效應(yīng)等問(wèn)題，人們提出了幾種增強(qiáng)引出發(fā)光效率的方法，其中包括引入二維光子晶體(photonic crystal)、表面打毛粗糙化(surfaceroughening)及半導(dǎo)體表面加工(textured semiconductor surface)。但這些技術(shù)方案中，許多與倒裝芯片(Flip-chip)的制作工藝并不相容，特別是表面微米及亞微米加工面臨極大挑戰(zhàn)，且制備工藝繁雜、耗時(shí)，價(jià)錢不低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種出光效率高、制備工藝簡(jiǎn)單的LED倒裝芯片制作方法。
通常倒裝芯片的結(jié)構(gòu)依次包括發(fā)光半導(dǎo)體(GaN)、透明導(dǎo)電層、氧化絕緣層(鈍化)、倒裝焊接金屬(光反射和導(dǎo)熱及焊接)、金屬反射層(光反射和導(dǎo)熱)、氧化絕緣層(電學(xué)隔離)和散熱襯底(Si)。
通常倒裝芯片的制備方法為以藍(lán)寶石Al2O3為襯底制作GaN外延片，小部分p-GaN層和“發(fā)光”層被ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備利用氯離子及氬離子進(jìn)行干法刻蝕，與下面的n-GaN層形成電接觸，刻蝕時(shí)用光刻膠或SiO2作掩膜。在p-GaN層表面再沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層(透明導(dǎo)電薄膜)，并制作P-N電極(倒裝焊接金屬)，在本征半導(dǎo)體硅襯底上制作反射散熱層，接著進(jìn)行半導(dǎo)體發(fā)光芯片和硅襯底的劃片分割和超聲焊接。將作好P-N電極的外延片分割成1000×1000μm的器件，將作好反射層的硅襯底分割成1400×1200μm的器件，將兩者用Die Bond和Wire Bond設(shè)備進(jìn)行倒裝焊接。
本發(fā)明在上述倒裝芯片的基礎(chǔ)上，在切割、焊畢的倒裝芯片藍(lán)寶石基片的另一面上利用自組裝排列技術(shù)制備單層微米級(jí)尺寸聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯(PS)球粒六角點(diǎn)陣；利用紫外光照射所制備的高分子材料球粒六角點(diǎn)陣；采用適當(dāng)?shù)拿}沖紫外光照條件，球粒吸收紫外光轉(zhuǎn)變成熱能，球粒的溫度可瞬間高達(dá)熔點(diǎn)，整個(gè)六角點(diǎn)陣的球粒連成一片，并形成球形微凸透鏡陣列。球形微凸透鏡的形成是由于表面能極小值的結(jié)果，聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯球形粒六角點(diǎn)陣轉(zhuǎn)變成微凸透鏡陣列。利用ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備利用氯離子及氬離子對(duì)微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出微米及亞微米級(jí)微凸透鏡。
本發(fā)明提供的LED倒裝芯片的制作方法，至少包括以下步驟第一步將P-N電極的外延片分割成500μm×500μm～1000μm×1000μm的器件，將反射層的硅襯底分割成900μm×700μm～1400μm×1200μm的器件，然后將兩者進(jìn)行倒裝焊接；第二步將第一步倒裝焊接完畢的倒裝芯片藍(lán)寶石基片的另一面上利用自組裝排列技術(shù)制備單層微米級(jí)尺寸聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯(PS)球粒六角點(diǎn)陣，采用單脈沖紫外光照，使整個(gè)六角點(diǎn)陣的球粒連成一片，并形成球形微凸透鏡陣列。
第三步利用氯離子及氬離子對(duì)微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出微米及亞微米級(jí)微凸透鏡。
本發(fā)明提供的LED倒裝芯片的制作方法，其中自組裝排列技術(shù)優(yōu)選為將預(yù)處理后的倒裝芯片平放在一甩膠機(jī)上，藍(lán)寶石基片表面朝上，將100-150μl的超純水均勻鍍?cè)谒{(lán)寶石表面上，接著在水膜上輕輕滴入20-40μl的球粒膠體，并轉(zhuǎn)動(dòng)樣品，使球粒均勻分布在整個(gè)樣品表面，烘烤，制得單層直徑為200-500nm的聚乙烯球粒六角點(diǎn)陣。
本發(fā)明提供的LED倒裝芯片的制作方法，其中單脈沖紫外光照的激光器為KrF準(zhǔn)分子激光，其波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為20ns～30ns，能量密度為40-140mJ/cm2，進(jìn)行單個(gè)脈沖照射，形成微米級(jí)球形微凸透鏡陣列。
本發(fā)明提供的高出光效率結(jié)構(gòu)LED倒裝芯片制作方法是通過(guò)在藍(lán)寶石襯底上利用微粒子的自組裝排列和激光照射方法制備高分子材料微米或亞微米級(jí)微凸透鏡陣列層，并通過(guò)使用ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備，利用氯離子及氬離子對(duì)高分子材料微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的高分子材料微凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出微米或亞微米級(jí)微凸透鏡，以十分有效地提高發(fā)光二極管LED倒裝芯片的出光效率和改善LED元件的質(zhì)量和器件的性能。
本發(fā)明提供的LED倒裝芯片由于含有微凸透鏡陣列，因此可以提高發(fā)光二極管LED倒裝芯片的出光效率，相對(duì)于無(wú)微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的LED，微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)LED倒裝芯片出光效率可提高20-50％。
總之，本方法通過(guò)在倒裝芯片藍(lán)寶石基片背面上利用微粒子的自組裝排列和激光照射方法制備高分子材料微凸透鏡陣列層，并通過(guò)使用ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備，利用氯離子及氬離子對(duì)高分子材料微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的高分子材料微凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出微米及亞微米級(jí)微凸透鏡，十分有效地提高了倒裝芯片的出光效率，從而極大地提高了倒裝芯片LED的質(zhì)量和器件的性能。本方法是制作高出光效率結(jié)構(gòu)倒裝芯片LED和提高器件質(zhì)量和性能的十分有效的工藝方法具體實(shí)施方式
以下所述實(shí)施例詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明本發(fā)明的高輸出光效率結(jié)構(gòu)倒裝芯片LED包括最外層表面有微凸透鏡陣列的藍(lán)寶石基片；發(fā)光半導(dǎo)體(GaN)；透明導(dǎo)電層；氧化絕緣層(鈍化)；倒裝焊接金屬(光反射和導(dǎo)熱及焊接)；金屬反射層(光反射和導(dǎo)熱)；氧化絕緣層(電學(xué)隔離)；散熱襯底(Si)。本發(fā)明的高輸出光效率結(jié)構(gòu)LED倒裝芯片的制作在為在常規(guī)LED倒裝芯片的基礎(chǔ)上制作一層微凸透鏡陣列，提高器件的出光效率。
實(shí)例1制作倒裝芯片LED以藍(lán)寶石Al2O3為襯底制作GaN外延片，小部分p-GaN層和“發(fā)光”層被ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備利用氯離子及氬離子進(jìn)行干法刻蝕，與下面的n-GaN層形成電接觸，刻蝕時(shí)用光刻膠或SiO2作掩膜。在p-GaN層表面再沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層(透明導(dǎo)電薄膜)，并制作P-N電極(倒裝焊接金屬)，在本征半導(dǎo)體硅襯底上制作反射散熱層，接著進(jìn)行半導(dǎo)體發(fā)光芯片和硅襯底的劃片分割和超聲焊接。將作好P-N電極的外延片分割成1000×1000μm的器件，將作好反射層的硅襯底分割成1400×1200μm的器件，將兩者用Die Bond和Wire Bond設(shè)備進(jìn)行倒裝焊接。
制作微凸透鏡陣列利用聚乙烯球粒膠體制備單層直徑為500nm的聚乙烯球粒六角點(diǎn)陣，首先，利用紫外光UV/Ozone(O3)對(duì)切割、焊畢的倒裝芯片藍(lán)寶石基片的另一表面進(jìn)行清洗，使其表面親水化。將UV/Ozone預(yù)處理好的倒裝芯片平放在一甩膠機(jī)上，藍(lán)寶石基片表面朝上，膠體聚乙烯球粒重量比為4％，將100-150μl的超純水均勻鍍?cè)谒{(lán)寶石表面上，接著在水膜上輕輕滴入20-25μl的球粒膠體，并轉(zhuǎn)動(dòng)樣品，使球粒均勻分布在整個(gè)樣品表面，然后將樣品放在60℃的爐子里烘烤1小時(shí)。
利用紫外激光照射上述所制備的單層直徑為500nm的聚乙烯球粒六角點(diǎn)陣。激光照射的裝置圖如圖2所示，激光器為KrF準(zhǔn)分子激光，其波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為28ns，能量密度為40-90mJ/cm2，進(jìn)行單個(gè)脈沖照射。單個(gè)脈沖照射處理過(guò)程中，球粒吸收紫外光轉(zhuǎn)變成熱能，球粒的溫度瞬間高達(dá)熔點(diǎn)，整個(gè)六角點(diǎn)陣的球粒連成一片，并形成微米級(jí)球形微凸透鏡陣列。
利用ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備，利用氯離子及氬離子對(duì)微米級(jí)球形微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的聚乙烯微米級(jí)球形凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出亞微米級(jí)微凸透鏡。
此亞微米級(jí)微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)倒裝芯片LED的出光效率，相對(duì)于無(wú)微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的倒裝芯片LED，可提高20-50％。
實(shí)例2制作倒裝芯片LED以藍(lán)寶石Al2O3為襯底制作GaN外延片，小部分p-GaN層和“發(fā)光”層被ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備利用氯離子及氬離子進(jìn)行干法刻蝕，與下面的n-GaN層形成電接觸，刻蝕時(shí)用光刻膠或SiO2作掩膜。在p-GaN層表面再沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層(透明導(dǎo)電薄膜)，并制作P-N電極(倒裝焊接金屬)，在本征半導(dǎo)體硅襯底上制作反射散熱層，接著進(jìn)行半導(dǎo)體發(fā)光芯片和硅襯底的劃片分割和超聲焊接。將作好P-N電極的外延片分割成500×500μm的器件，將作好反射層的硅襯底分割成900×700μm的器件，將兩者用Die Bond和Wire Bond設(shè)備進(jìn)行倒裝焊接。
制作微凸透鏡陣列利用聚乙烯球粒膠體制備單層直徑為200nm的聚乙烯球粒六角點(diǎn)陣，首先，利用紫外光UV/Ozone(O3)對(duì)切割、焊畢的倒裝芯片藍(lán)寶石基片的另一表面進(jìn)行清洗，使其表面親水化。將親水化處理后的倒裝芯片平放在一甩膠機(jī)上，藍(lán)寶石基片表面朝上，，膠體聚乙烯球粒重量比為4％，將100-150μl的超純水均勻鍍?cè)谒{(lán)寶石表面上，接著在水膜上輕輕滴入30-40μl的球粒膠體，并轉(zhuǎn)動(dòng)樣品，使球粒均勻分布在整個(gè)樣品表面，然后將樣品放在60的爐子里烘烤1小時(shí)。
利用紫外激光照射上述所制備的單層直徑為200nm的聚乙烯球粒六角點(diǎn)陣。激光照射的裝置圖如圖2所示，激光器為KrF準(zhǔn)分子激光，其波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為28ns，能量密度為40-150mJ/cm2，進(jìn)行單個(gè)脈沖照射。單個(gè)脈沖照射處理過(guò)程中，球粒吸收紫外光轉(zhuǎn)變成熱能，球粒的溫度瞬間高達(dá)熔點(diǎn)，整個(gè)六角點(diǎn)陣的球粒連成一片，并形成球形微凸透鏡陣列。
利用ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備利用氯離子及氬離子對(duì)球形微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的聚乙烯球形凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出亞微米級(jí)微凸透鏡。
此亞微米級(jí)微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)倒裝芯片LED的出光效率，相對(duì)于無(wú)微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的倒裝芯片LED，可提高20-50％。
權(quán)利要求
1.一種LED倒裝芯片的制作方法，其特征在于包括以下步驟第一步將P-N電極的外延片分割成500μm×500μm～1000μm×1000μm的器件，將反射層的硅襯底分割成(900μm-1400μm)～(700μm-1200μm)的器件，然后將兩者進(jìn)行倒裝焊接；第二步將第一步倒裝焊接完畢的倒裝芯片藍(lán)寶石基片的另一面上利用自組裝排列技術(shù)制備單層微米級(jí)尺寸聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯(PS)球粒六角點(diǎn)陣，采用單脈沖紫外光照，使整個(gè)六角點(diǎn)陣的球粒連成一片，并形成球形微凸透鏡陣列。第三步利用氯離子及氬離子對(duì)微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出微米及亞微米級(jí)微凸透鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的LED倒裝芯片的制作方法，其特征在于結(jié)合自組裝排列技術(shù)，指將預(yù)處理后的倒裝芯片平放在一甩膠機(jī)上，藍(lán)寶石基片表面朝上，將100μl～150μl的超純水均勻鍍?cè)谒{(lán)寶石表面上，接著在水膜上滴入20μl～40μl的球粒膠體，并轉(zhuǎn)動(dòng)樣品，使球粒均勻分布在整個(gè)樣品表面，烘烤，制得單層直徑為200nm～500nm的聚乙烯球粒六角點(diǎn)陣。
3.如權(quán)利要求1所述的LED倒裝芯片的制作方法，其特征在于單脈沖紫外光照射處理的激光器為KrF準(zhǔn)分子激光，進(jìn)行單個(gè)脈沖照射，形成微米級(jí)球形微凸透鏡陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高出光效率結(jié)構(gòu)LED倒裝芯片的制作方法，屬于半導(dǎo)體發(fā)光二極光LED材料和器件工藝技術(shù)領(lǐng)域。通過(guò)在藍(lán)寶石襯底上利用微粒子的自組裝排列和激光照射方法制備高分子材料微米或亞微米級(jí)微凸透鏡陣列層，并通過(guò)使用ICP(耦合離子刻蝕)或RIE(反應(yīng)離子刻蝕)設(shè)備，利用氯離子及氬離子對(duì)高分子材料微凸透鏡陣列進(jìn)行干法刻蝕，將藍(lán)寶石基片上的高分子材料微凸透鏡陣列轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基片表面上，從而在藍(lán)寶石基片上制備出微米或亞微米級(jí)微凸透鏡，以十分有效地提高發(fā)光二極管LED倒裝芯片的出光效率和改善LED元件的質(zhì)量和器件的性能。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1819286SQ20051011216
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者黃素梅, 靳彩霞, 孫卓 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)