具有周期性微孔结构的GaN‑LED倒装结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体工艺及封装领域，更具体地，涉及一种具有周期性微孔结构的gan-led倒装结构及其制备方法。

背景技术：

led具有发光亮度高、工作时间长、体积小、无污染等优点，是新一代绿色环保光源。除了照明用途，基于led的可见光通信是下一代无线通信的重点。和射频、毫米波和光波等无线通信对比，可见光通信具有以下优点：(1)频谱资源丰富，具有100thz以上的带宽空间。(2)可见光通信没有电磁辐射，能在电磁辐射限制严格的场所使用。(3)以可见光作为载体，在建筑物内保密性好，无信息泄露风险。

目前商业化照明级led白光一般是通过在蓝光led上涂覆黄色荧光粉(如：ce:yag)混光而成。由于黄色荧光粉的响应时间长，使led白光在可见光通信的-3db调制带宽很低，只有几mhz，如此低的带宽严重限制了led在可见光高速通信中的发展。

因此找到一种高亮度和高调制带宽的led方案是本领域的趋势所在。目前一些研究机构用于提高led-3db调制带宽的方法有：(1)加蓝光滤波片滤掉响应慢的黄色荧光成分，但是这种方法严重降低了led的光输出。(2)减少led的pn结面积。这种方法虽能有效提高调制带宽，但是led的光输出在μw量级，不适合照明用途。(3)在外延层面改变gan的生长晶向，减少led量子阱内的qcse现象，显然这种方法复杂，成本高。

技术实现要素：

本发明为解决以上现有技术在提高led调制带宽时会降低光输出或成本过高的缺陷，提高了一种具有周期性微孔结构的gan-led倒装结构，该结构通过在gan基led芯片的表面上周期性地开设有微孔来降低led量子阱内的量子限制斯托克效应，以此来提高其在可见光通信中的调制带宽，

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种具有周期性微孔结构的gan-led倒装结构，包括倒装基板和gan基led芯片，其中gan基led芯片的表面上周期性地开设有微孔，gan基led芯片倒装在倒装基板上。

优选地，所述gan基led芯片包括蓝宝石衬底和在蓝宝石衬底上依次外延生长u-gan缓冲层、al-gan层、n-gan层、ingan/gan量子阱有源层、p-gan层；其中周期性的微孔通过感应耦合等离子体干法从p-gan层刻蚀到n-gan层；gan基led芯片表面的非微孔区域的p-gan层上沉积有欧姆接触金属层，欧姆接触金属层的表面上、微孔区域n-gan层的表面上沉积有绝缘层；所述非微孔区域的绝缘层经过腐蚀后开孔，在开孔的相应区域蒸镀p-gan金属接触层；微孔区域的绝缘层经过腐蚀后开孔，在非微孔区域的绝缘层上蒸镀n-gan金属接触层，并使n-gan层通过开孔与n-gan金属接触层连接；所述gan基led芯片倒装设置在倒装基板上时其p-gan金属接触层、n-gan金属接触通过微米级锡球与倒装基板的正负极连接。

上述方案中，倒装结构采用微米级锡球作为互联层，将gan基led芯片和倒装基板上的电极互连，实现了倒装封装。这种封装方式无需打金线，减低了工艺成本，散热性能好。同时倒装封装的出光面为蓝宝石衬底，而正装封装的led结构其出光面为gan。由于蓝宝石的折射率(n＝1.75)比gan的折射率(n＝2.45)低，根据snell定律，光的临界角更大，能够使更多的光逃逸出来，大大提高了led的出光效率。因此本发明提供的倒装结构的光电性能和通信调制带宽得到了大幅的提高。

优选地，所述倒装基板为陶瓷基板。倒装基板为陶瓷基板，能够提高倒装结构的散热性能。

优选地，所述绝缘层为sio2绝缘层。

优选地，所述沉积的欧姆接触金属层包括ni金属层和au金属层，沉积的厚度分别为5nm和7nm。

优选地，所述通过boe来对绝缘层进行腐蚀开孔。

同时，本发明还提供了一种以上倒装结构的制备方法，其具体方案如下：

s1.采用掩膜对gan基led芯片的表面进行mesa图案化，通过感应耦合等离子体从p-gan层干法刻蚀到n-gan层；

s2.在gan基led芯片表面的非微孔区域的p-gan层上沉积欧姆接触金属层；

s3.在欧姆接触金属层的表面上、微孔区域n-gan层的表面上沉积绝缘层；

s4.采用掩膜刻蚀工艺，利用boe在非微孔区域的绝缘层上进行腐蚀开孔，然后在开孔的相应区域蒸镀p-gan金属接触层；

s5.采用掩膜刻蚀工艺，利用boe在微孔区域的绝缘层进行腐蚀开孔，然后在非微孔区域的绝缘层上蒸镀n-gan金属接触层，并使n-gan层通过开孔与n-gan金属接触层连接；

s6.将gan基led芯片倒装设置在倒装基板上，其p-gan金属接触层、n-gan金属接触通过微米级锡球与倒装基板的正负极连接。

优选地，所述步骤s2沉积欧姆接触金属层后，对形成的欧姆接触金属层进行退火处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)在gan基led芯片中设计有周期性微孔，能降低量子阱中的量子限制斯托克效应，大幅提高其在可见光通信中的调制带宽。2)将芯片进行倒装封装，无需打金线，同时将折射率低的蓝宝石面作为出光面，降低了led制作成本，简化了封装程序，同时大大提高了led的出光效率。3)倒装基板为陶瓷基板，陶瓷基板具有优良的导热性能，因此样品的散热性能好，大幅提高倒装结构的光电性能。

附图说明

图1为蓝宝石衬底、u-gan缓冲层、al-gan层、n-gan层、ingan/gan量子阱有源层、p-gan层的示意图。

图2为微孔的开设示意图。

图3为沉积欧姆接触金属层的示意图。

图4为沉积绝缘层的示意图。

图5为腐蚀开孔的示意图。

图6为蒸镀n-gan金属接触层、蒸镀p-gan金属接触层的示意图。

图7为倒装基板的正负极和gan基led芯片的连接示意图。

图8为倒装基板和gan基led芯片的连接示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

附图标记说明：

图1中，101-蓝宝石衬底、102-u-gan缓冲层、103-al-gan层、104-n-gan、105-ingan/gan量子阱有源层、106-p-gan层。

图2中，201-周期性微孔。

图3中，301-欧姆接触ni金属层、302-欧姆接触au金属层。

图4中，401-绝缘sio2层。

图5中，501-腐蚀sio2n极开孔、502-腐蚀sio2p极开孔。

图6中，601-p-gan金属接触层、602-n-gan金属接触层。

图7中，701-陶瓷基板、702-基板正极、703-led芯片正极、704-led芯片负极、705-基板负极。

图8中，801-连接芯片和基板的微米级锡球。

实施例1

如图1所示，本发明提供的gan基led芯片包括蓝宝石衬底和在蓝宝石衬底上依次外延生长u-gan缓冲层、al-gan层、n-gan层、ingan/gan量子阱有源层、p-gan层。

其中如图2～8所示，其中周期性的微孔通过感应耦合等离子体干法从p-gan层刻蚀到n-gan层；gan基led芯片表面的非微孔区域的p-gan层上沉积有欧姆接触金属层，欧姆接触金属层的表面上、微孔区域n-gan层的表面上沉积有绝缘层；所述非微孔区域的绝缘层经过腐蚀后开孔，在开孔的相应区域蒸镀p-gan金属接触层；微孔区域的绝缘层经过腐蚀后开孔，在非微孔区域的绝缘层上蒸镀n-gan金属接触层，并使n-gan层通过开孔与n-gan金属接触层连接；所述gan基led芯片倒装设置在倒装基板上时其p-gan金属接触层、n-gan金属接触通过微米级锡球与倒装基板的正负极连接。其中微孔的半径为37.5um。

上述方案中，倒装结构采用微米级锡球作为互联层，将gan基led芯片和倒装基板上的电极互连，实现了倒装封装。这种封装方式无需打金线，减低了工艺成本，散热性能好。同时倒装封装的出光面为蓝宝石衬底，而正装封装的led结构其出光面为gan。由于蓝宝石的折射率(n＝1.75)比gan的折射率(n＝2.45)低，根据snell定律，光的临界角更大，能够使更多的光逃逸出来，大大提高了led的出光效率。因此本发明提供的倒装结构的光电性能和通信调制带宽得到了大幅的提高。

本实施例中，所述倒装基板为陶瓷基板。倒装基板为陶瓷基板，能够提高倒装结构的散热性能。所述绝缘层为sio2绝缘层。所述沉积的欧姆接触金属层包括ni金属层和au金属层，沉积的厚度分别为5nm和7nm。所述沉积的欧姆接触金属层包括ni金属层和au金属层，沉积的厚度分别为5nm和7nm。所述通过boe来对绝缘层进行腐蚀开孔。

实施例2

本实施例提供了一种实施例1倒装结构的制备方法，其具体的方案如下：

s1.采用掩膜对gan基led芯片的表面进行mesa图案化，通过感应耦合等离子体干法从p-gan层刻蚀到n-gan层；如图2所示；

s2.在gan基led芯片表面的非微孔区域的p-gan层上沉积欧姆接触金属层；如图3所示；

s3.在欧姆接触金属层的表面上、微孔区域n-gan层的表面上沉积绝缘层；如图4所示；

s4.采用掩膜刻蚀工艺，利用boe在非微孔区域的绝缘层上进行腐蚀开孔，然后在开孔的相应区域蒸镀p-gan金属接触层；如图5、6所示；

s5.采用掩膜刻蚀工艺，利用boe在微孔区域的绝缘层进行腐蚀开孔，然后在非微孔区域的绝缘层上蒸镀n-gan金属接触层，并使n-gan层通过开孔与n-gan金属接触层连接；如图5、6所示；

s6.将gan基led芯片倒装设置在倒装基板上，其p-gan金属接触层、n-gan金属接触通过微米级锡球与倒装基板的正负极连接。如图7、8所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。