专利名称：倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法。
背景技术：
III-V族氮化镓(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。为了适应未来的照明要求，利用倒装焊技术制作氮化镓发光二极管管芯，可以增加热传导，增大工作电流，提高发光强度，降低生产成本。现在一般采用的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法是，利用刻蚀的方法形成N型电极的接触区域，然后制备P型和N型欧姆接触电极，接着在P型和N型欧姆接触电极区域制备铟拄，并在支撑体上制备相应的铟拄，将管芯倒装焊到支撑体上，最后将这种管芯焊接到导热性好的热沉上。这种制备方法需要刻蚀N型台面，并且散热面积小，影响了管芯的工作性能和寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的新方法，这种方法可以简化制作工艺，增大有效发光面积和散热面积，提高热的传导速率，使管芯可以在更大电流下工作，提高管芯的性能和寿命。
本发明一种倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，包括如下步骤1)在蓝宝石等绝缘衬底上利用金属化学有机气相沉积方法外延生长氮化镓N型氮化镓层，发光有源区和P型氮化镓层；2)设计管芯和相应的管芯分割道的尺寸，在设计好的管芯的P型氮化镓层上制备具有高反射率的P型欧姆接触电极，并在整个P型电极区域制备倒装金属焊料；3)将蓝宝石衬底从背面用研磨的方法或离子减薄技术将其减薄到70μm到150μm之间；4)利用切割法或划片法等管芯分割技术沿设计好的管芯的分割道将外延片上的管芯分割成单个管芯；5)在支撑体上沉积二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层，然后根据设计的管芯大小，用光刻和蒸发等方法在沉积有二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层的支撑体上蒸镀与管芯P型欧姆接触电极大小相对应的金属焊料层；6)利用倒装焊技术将分割好的单个管芯的P型面金属焊料层和支撑体上与管芯P型欧姆接触电极大小相对应的金属焊料层焊接在一起；7)在管芯P型欧姆接触电极的相应位置，从支撑体的背面用干法刻蚀或湿法腐蚀方法开孔直到二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层，最后用化学腐蚀的方法将孔底部的二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层去掉，形成P型欧姆接触电极引出孔；8)在开孔后的支撑体的背面蒸镀或电镀金属层，引出管芯的P型电极；9)在倒装焊好管芯的背面利用光刻和蒸发等方法在管芯的侧面沉积一金属层，形成管芯的N型欧姆接触电极；10)根据设计的管芯大小，将支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯的支撑体；11)最后将具有单个管芯支撑体的P型欧姆接触电极引出面通过焊料焊接到热沉上，形成一个完整的具有良好导热性能的管芯。
其中管芯整个P型欧姆接触电极面与支撑体上的焊料面完全接触。
其中采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法从支撑体的背面开孔形成P型欧姆接触电极的引出孔，利用蒸发或溅射或电镀方法形成金属层，使P型欧姆接触电极从支撑体的背面引出，P型欧姆接触电极引出层金属为镍、金、铂、铬、钛、铝及其合金或者铟、铟锡合金、金锡合金或者铅锡合金等，其厚度为0.01-100微米之间。
其中利用氮化镓基发光二极管外延结构的N型层的侧面作为管芯N型欧姆接触电极接触区域，N型欧姆接触电极的金属为钛、铝，铬及其合金或者铟或铟锡合金或者金锡合金等，其厚度为0.3-100微米之间。
该方法适用于任意尺寸大小和任意形状的氮化镓基发光二极管管芯的制作。
其中管芯倒装焊的支撑体为硅或者氧化铍或者氮化铝、金刚石高热导率的材料。
其中所使用的热沉为无氧铜、钨铜合金或铜等金属材料制作的。
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明做一详细的描述，其中图1是本发明中的氮化镓基发光二极管管芯结构的剖面图；图2是本发明的管芯倒装焊到支撑体后的剖面图；图3是本发明的利用倒装焊技术制作的管芯的剖面图。
具体实施例方式
本发明一种利用倒装焊技术制备氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，这种方法与传统的技术相比，在倒装焊的管芯支撑体上开孔，将氮化镓基发光二极管P型电极从管芯支撑体的背面引出，利用氮化镓基发光二极管外延结构的N型层的侧面作为管芯N型欧姆接触电极的接触区域，并将这种管芯的支撑体的背面焊接到热沉上，这种制作管芯的方法可以省去传统制作工艺技术中的管芯N型接触区域的刻蚀工艺步骤，增加了光输出面积，利用在倒装焊的管芯支撑体上开孔，从管芯支撑体的背面将P型电极引出的方法，使整个P型面与支撑体的上的焊料面接触，可以增大散热面积，提高散热效率，与传统的倒装焊技术制作的管芯相比，这种管芯可以在更大电流下工作，提高了发光二极管管芯的性能和寿命。
本发明一种利用倒装技术制备氮化镓基发光二极管管芯的过程为利用金属化学有机气相沉积方法(MOCVD)方法在蓝宝石等衬底上外延生长氮化镓基发光二极管的结构，用光刻和蒸度、溅射等方法在外延片的P型层面上，根据设计的管芯大小制备具有高反射率的P型欧姆接触电极和焊料金属，用研磨的方法或离子减薄技术将其减薄到70μm到150μm之间，再用切割法或划片法将管芯沿切割道分开形成单个管芯；在管芯支撑体上用等离子体化学气相沉积(PECVD)或者低压化学气相沉积(LPCVD)等方法蒸镀一层二氧化硅或氮化硅绝缘隔离层，然后根据设计的管芯大小用光刻和蒸发等方法在二氧化硅或氮化硅绝缘隔离层的支撑体上形成与管芯P型接触电极面相对应的金属焊料层，利用倒装焊技术将单个管芯倒装焊到支撑体上；在管芯P电极的相应位置，从支撑体的背面用干法刻蚀或湿法腐蚀方法开孔直到二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层，接着用化学腐蚀的方法将孔底部的二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层去掉，形成P电极引出孔，在开孔后的支撑体的背面蒸镀金属层引出管芯的P型电极，然后在倒装焊好的管芯的背面利用光刻和蒸发等方法在管芯的侧面沉积一金属层，形成管芯N型欧姆接触电极，并根据设计的管芯大小将支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯的支撑体。最后将具有单个管芯支撑体的的P型电极引出面通过焊料焊接到热沉上，形成一个完整的具有很好导热性能的管芯。
首先请参阅图1所示，这是一个氮化镓基发光二极管管芯结构的剖面图，其制作过程过程是，在蓝宝石衬底10上利用MOCVD方法外延生长N型GaN层11，发光有源区12和P型GaN接触层13；管芯的形状设计成正方形，尺寸为1mm×1mm，然后根据设计的管芯图形和尺寸在P型GaN层13上利用蒸发的方法制备0.2微米厚的金属银(Ag)，并且在300摄氏度合金5分钟形成具有高反射率的P型欧姆接触电极14，然后在其上蒸发0.5微米的倒装焊料金属铟(In)15，将蓝宝石衬底从背面用研磨的方法将其减薄到100μm，利用激光划片技术沿设计好的管芯的分割道将外延片上的管芯分割成单个管芯。
请再参阅图2所示，在支撑体硅衬底20上利用PECVD方法沉积0.5微米厚的二氧化硅绝缘隔离层21，再根据设计的管芯大小在其上蒸发0.5微米与管芯P型层面相对应的倒装焊料金属铟(In)22，然后利用倒装焊技术将已经分割成的单个管芯倒装焊到管芯支撑体上。
最后请参阅图3所示，在管芯P电极的相应位置，从支撑体的背面用反应离子刻蚀方法开孔直到二氧化硅绝缘隔离层，并用化学腐蚀的方法将孔底部的二氧化硅绝缘隔离层21去掉，形成P电极引出孔30，最后在开孔后的支撑体的背面用电镀方法形成5微米厚的金锡合金31引出管芯的P型电极。在倒装焊好管芯的背面利用光刻和蒸发等方法在管芯的侧向沉积3微米厚的金属钛/铝(0.1微米/2.9微米)层32，形成管芯N型欧姆接触电极，然后根据设计的管芯大小将支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯的支撑体。最后将具有单个管芯的支撑体的的P型电极引出面通过金锡合金焊料层33焊接到铜热沉34上，形成一个完整的具有很好导热性能的管芯。
本发明提供了一种利用倒装技术制备氮化镓基发光二极管的新方法，这种方法可以简化氮化镓基发光二极管管芯的制作工艺，增大有效发光面积和散热面积，提高热传导速率，使管芯在更大电流下工作，提高管芯的性能和寿命。
权利要求
1.一种倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，包括如下步骤1)在蓝宝石等绝缘衬底上利用金属化学有机气相沉积方法外延生长氮化镓N型氮化镓层，发光有源区和P型氮化镓层；2)设计管芯和相应的管芯分割道的尺寸，在设计好的管芯的P型氮化镓层上制备具有高反射率的P型欧姆接触电极，并在整个P型电极区域制备倒装金属焊料；3)将蓝宝石衬底从背面用研磨的方法或离子减薄技术将其减薄到70μm到150μm之间；4)利用切割法或划片法等管芯分割技术沿设计好的管芯的分割道将外延片上的管芯分割成单个管芯；5)在支撑体上沉积二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层，然后根据设计的管芯大小，用光刻和蒸发等方法在沉积有二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层的支撑体上蒸镀与管芯P型欧姆接触电极大小相对应的金属焊料层；6)利用倒装焊技术将分割好的单个管芯的P型面金属焊料层和支撑体上与管芯P型欧姆接触电极大小相对应的金属焊料层焊接在一起；7)在管芯P型欧姆接触电极的相应位置，从支撑体的背面用干法刻蚀或湿法腐蚀方法开孔直到二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层，最后用化学腐蚀的方法将孔底部的二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层去掉，形成P型欧姆接触电极引出孔；8)在开孔后的支撑体的背面蒸镀或电镀金属层，引出管芯的P型电极；9)在倒装焊好管芯的背面利用光刻和蒸发等方法在管芯的侧面沉积一金属层，形成管芯的N型欧姆接触电极；10)根据设计的管芯大小，将支撑体用划片或切割的方法分割成具有单个管芯的支撑体；11)最后将具有单个管芯支撑体的P型欧姆接触电极引出面通过焊料焊接到热沉上，形成一个完整的具有良好导热性能的管芯。
2.根据权利要求1所述的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中管芯整个P型欧姆接触电极面与支撑体上的焊料面完全接触。
3.根据权利要求1所述的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法从支撑体的背面开孔形成P型欧姆接触电极的引出孔，利用蒸发或溅射或电镀方法形成金属层，使P型欧姆接触电极从支撑体的背面引出，P型欧姆接触电极引出层金属为镍、金、铂、铬、钛、铝及其合金或者铟、铟锡合金、金锡合金或者铅锡合金等，其厚度为0.01-100微米之间。
4.根据权利要求1所述的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中利用氮化镓基发光二极管外延结构的N型层的侧面作为管芯N型欧姆接触电极接触区域，N型欧姆接触电极的金属为钛、铝，铬及其合金或者铟或铟锡合金或者金锡合金等，其厚度为0.3-100微米之间。
5.根据权利要求1所述的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管的方法，其特征在于，该方法适用于任意尺寸大小和任意形状的氮化镓基发光二极管管芯的制作。
6.根据权利要求1所述的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中管芯倒装焊的支撑体为硅或者氧化铍或者氮化铝、金刚石高热导率的材料。
7.根据权利要求1所述的倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，其特征在于，其中所使用的热沉为无氧铜、钨铜合金或铜等金属材料制作的。
全文摘要
一种倒装焊技术制作氮化镓基发光二极管管芯的方法，包括如下步骤在蓝宝石等绝缘衬底上生长氮化镓N型氮化镓层，发光有源区和P型氮化镓层；在管芯的P型氮化镓层上制备P型欧姆接触电极；将蓝宝石衬底减薄到70μm到150μm之间；在支撑体上沉积二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层，在沉积有二氧化硅或氮化硅等绝缘隔离层的支撑体上蒸镀与管芯P型欧姆接触电极大小相对应的金属焊料层；在管芯P型欧姆接触电极上开孔；在开孔后的支撑体的背面蒸镀或电镀金属层，引出管芯的P型电极；在倒装焊好管芯的背面利用光刻和蒸发等方法在管芯的侧面沉积一金属层；最后将具有单个管芯支撑体的P型欧姆接触电极焊接到热沉上，形成一个完整的具有良好导热性能的管芯。
文档编号H01L33/00GK1627544SQ20031012054
公开日2005年6月15日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者杨辉, 张书明, 王良臣 申请人:中国科学院半导体研究所