专利名称：具有点状分布n电极的氮化镓基发光二极管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体照明技术领域，尤其涉及一种具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装工艺发光二极管及其制备方法。
背景技术：
在半导体照明领域，在非光出射端面上的光损失一直是倒装焊LED芯片发光效率难以更大幅度提高的问题之一，氮化镓(GaN)基化合物半导体材料具有宽禁带直接带隙， 可以用来制作绿光、蓝光和紫外光LED，在普通LED的基础上，通过增加管芯尺寸，即所谓大管芯LED，能够提高发光功率，同时为了进一步提高发光功率和利于器件散热，通常采用倒装焊技术，使氮化镓基大管芯LED倒装焊在硅基片上，产生的光从双抛面蓝宝石端出射，但是有很大一部分光在面向硅基片的非出光端面损失掉了，从而限制了 GaN基大管芯LED发光功率的提高。专利“ZL200510011812，桥式N电极型氮化镓基大管芯发光二极管及制备方法”采用了 N电极多点桥式连接，有效减少了 N、P电极间形成的PN结边缘长度，增大了 P型发光区面积，减小了 PN结电流密度；同时利用了电极边缘区域的光反射，使得LED出光效率得以提高。但是，在氮化镓芯片表面制备桥式电极连接，工艺复杂，并且桥式连接下面的绝缘介质层也有限制，降低了可靠性，增加了成本。在倒装焊工艺中，LED芯片一般倒装于硅基板上，我们采用在硅基板上制备压焊点，并利用该压焊点连接电极，实现了 LED芯片多点N电极的连接，相比上述专利，提高了芯片工艺灵活性，提高了器件可靠性，降低了成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的发光二极管的上述缺陷，而提供一种具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管及其制备方法。本发明提供的具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，包括一氮化镓基芯片；分布在所述氮化镓基芯片上的至少一片状P电极区和至少两个N电极；其特征在于，所述至少两个N电极为呈点状分布于片状P电极区之间的N电极；一倒装焊用基板；所述倒装焊用基板上制备的与分布在所述氮化镓基芯片上的N电极对应的N压焊电极之间使用常规的金属结构薄膜连接；所述氮化镓基芯片与所述倒装焊用基板采用倒装焊方法键合。本发明提供的制备具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管的方法的步骤为(1)制作氮化镓基芯片，所述氮化镓基芯片上分布有片状P电极区和呈点状分布于片状P电极区之间的至少两个N电极；
(2)制备一倒装焊用基板，所述倒装焊用基板上制备的与分布在所述氮化镓基芯片上的N电极对应的N压焊电极之间使用常规的金属结构薄膜连接；(3)采用倒装焊方法将氮化镓基芯片与倒装焊用基板键合，形成具有点状分布N 电极结构的氮化镓基发光二极管。本发明提供的具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，由于采用了 N电极点式分布，有效减少了 N、P电极间形成的PN结边缘长度，增大了 P型发光区面积，减小了 PN结电流密度；同时利用了电极边缘区域的光反射；同时，在倒装基板上实现N电极连接， 避免在氮化镓芯片表面制备N电极连接，简化了工艺，所以能够提高GaN基倒装焊LED芯片的内、外量子效率，使其发光效率得以提高，同时提高可靠性，降低成本。
图1为根据本发明所述方法制备的GaN基LED外延片。图2为在GaN基LED外延片的P-GaN层表面制备ITO透明导电层和Al/Ag金属反射层后的结构示意图。图3为形成N电极区的GaN基芯片的结构示意图。图4为GaN基芯片制备P、N电极后的结构示意图。图5为Si散热基板的表面结构图。图6为完整的具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装发光二极管的剖面图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中涉及的附图标记说明如下1.蓝宝石基板2.缓冲层3. N-GaN 层4.多量子阱层5. P-GaN 层6. ITO透明导电层+Al/Ag反射层本发明所提出的具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装发光二极管的制备方法，具体包括如下步骤如图1所示，在一蓝宝石基板1上，依次生长缓冲层2、N-GaN层3、多量子阱层4、 P-GaN层5等，制备形成GaN基LED外延片。如图2所示，在GaN基LED外延片的P-GaN层5的表面制备ITO透明导电层，在 ITO透明导电层之上制备反射层，形成ITO透明导电层+AlAg反射层6 ；所述反射层采用的金属包括但不限于Al、Ag、Ti、Ni、Au等金属，在本实施例中反射层采用的金属为Al/Ag。如图3所示，通过光刻、刻蚀工艺，将ITO透明导电层与Al/Ag金属反射层所在的部分台面刻蚀至N-GaN层3，或者根据N-GaN层3的厚度，刻蚀至N-GaN层3的一定深度，以形成点状分布的N电极区。比如，如果N-GaN层3的厚度为2微米，则可将ITO透明导电层与AlAg金属反射层所在的部分台面刻蚀至深入N-GaN层100 300nm的深度，具体刻蚀深度的考虑，以具有良好的N-GaN层电流横向扩展性为准。N电极区的分布设计根据N型GaN 的电流扩展能力及芯片总面积确定，比如，对于面积为1平方毫米的芯片，可设置6 12个 N电极区，并将每个N电极区的直径设为60 130微米，优选地，为了尽可能增大发光面积， 设置8个N电极区，并将每个N电极区的直径设为90微米。这些N电极区可均勻地，也可随机地分布在芯片上，优选地，在尽量不影响LED发光面积的条件下，以N电极区数量最少的原则，在芯片上均勻地设置多个N电极区。如图3所示，点状分布的N电极区不同于常规的条状N电极区，仅具有较小的适合压焊的电极区面积，没有很长的指状电极区，点状电极的连接将在Si散热基板上实现。图 3上图为刻蚀完成后的剖面图，下图为刻蚀完成后的表面俯视图。如图4所示，通过光亥lj、刻蚀等工艺，将非N电极区域的、ITO透明导电层与Al/Ag 金属反射层所在的部分台面刻蚀至P-GaN层5，以形成P电极区，P电极区的数量和分布以 ITO透明导电层与Al/Ag金属反射层所形成的发光区电流均勻分布为准，比如，对于面积为 1平方毫米的芯片，可设置4 10个P电极区，并将每个P电极区的直径设为50 120微米，优选地，P电极区的数量小于N电极区的数量，比如，对于面积为1平方毫米的芯片，如果设置有8个N电极区，则可设置6个P电极区，并将每个P电极区的直径设为80微米。通过光刻、腐蚀、还有蒸发或溅射等步骤，制备P电极，其大部制备于P-GaN层5 上，边缘一定宽度与ITO透明导电层与Al/Ag金属反射层相交叠连接，P电极金属为Ti/Au ； ITO透明导电层与Al/Ag金属反射层与P电极共同形成片状P电极区。同时在前述的N电极区制备N电极，N电极金属为Ti/Au。图4上图为制备P、N电极后的剖面图，下图为制备 P、N电极后的表面俯视图。所述P、N电极金属包括但不限于Al、Ti、Ni、Au、Cr、Pt等金属。然后，将蓝宝石基板减薄、抛光并切割成独立的LED芯片，至此完成GaN基LED芯片的制备。图5下图为制备的Si衬底上的Si散热基板的表面结构图，上图为剖面线位置的剖面图。如图5所示，取一 Si衬底，通过电镀以及电子束蒸发或溅射等工艺，在Si衬底上制作出对应于GaN基芯片，本发明中为GaN基LED芯片，上P、N电极的相应P、N压焊电极， 电极金属由Ni/Au或Ti/Au组成，Si衬底上同一芯片内的N、P压焊电极分别通过N、P电极连接金属层互相连接，同时在N、P电极连接金属层上制备出N、P金丝球焊电极用于封装。 由此初步制成Si散热基板。所述P、N压焊电极金属包括但不限于Ti、Ni、Au、Cr、Pt等金 jM ο将初步制备于Si衬底上的Si散热基板减薄并切割成独立的对应于GaN基芯片， 本发明中为GaN基LED芯片，的散热基板，至此最终完成Si散热基板的制备。图6为完整的具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装发光二极管的剖面图。如图6所示，采用倒装焊技术，按照GaN基LED芯片上的N电极与Si散热基板上的N压焊电极一一对应，GaN基LED芯片上的P电极与Si散热基板上的P压焊电极一一对应的关系， 将上述形成的GaN基LED芯片倒装焊接到Si散热基板上，形成完整的倒装芯片，至此完成本发明的制备工艺，得到具有点状分布N电极的氮化镓基倒装发光二极管，在GaN基LED芯片上的点状电极通过Si散热基板实现了连接。依照上述工艺制备的具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装发光二极管，如图6所示，所述氮化镓基倒装LED芯片包括一蓝宝石基板1 ；缓冲层2、N-GaN层3、多量子阱层 4和P-GaN层5依次外延形成于蓝宝石基板上，ITO透明导电层+Al/Ag金属反射层6依次形成于P-GaN层上；Ti/Au制成的P电极形成于P-GaN层和Al/Ag金属反射层上；Ti/Au制成的N电极形成于暴露的N-GaN层上；P电极和N电极通过倒装焊工艺与对应的Si散热基板上的P压焊电极和N压焊电极键合。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，包括一氮化镓基芯片；分布在所述氮化镓基芯片上的至少一片状P电极区和至少两个N电极；其特征在于，所述至少两个N电极为呈点状分布于片状P电极区之间的N电极；一倒装焊用基板；所述倒装焊用基板上制备的与分布在所述氮化镓基芯片上的N电极对应的N压焊电极之间使用常规的金属结构薄膜连接；所述氮化镓基芯片与所述倒装焊用基板采用倒装焊方法键合。
2.如权利要求1所述的具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于， 所述氮化镓基芯片为GaN基LED芯片。
3.如权利要求2所述的具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于， 所述GaN基LED芯片包括一蓝宝石基板；依次生长于蓝宝石基板上的缓冲层、N-GaN层、多量子阱层、P-GaN层；依次制备于P-GaN层表面的ITO透明导电层和Al/Ag金属反射层；以及N电极和P电极，所述反射层金属为Al、Ag、Ti、Ni或Au。
4.如权利要求1所述的具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于， 所述倒装焊用基板为一 Si散热基板。
5.如权利要求1所述的具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于， 所述Si散热基板包括一 Si衬底、制备在所述Si衬底上的P、N压焊电极以及电极连接金属层。
6.一种制备具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管的方法，其特征在于，所述制备步骤如下(1)制作氮化镓基芯片，所述氮化镓基芯片上分布有片状P电极区和呈点状分布于片状P电极区之间的至少两个N电极；(2)制备一倒装焊用基板，所述倒装焊用基板上制备的与分布在所述氮化镓基芯片上的N电极对应的N压焊电极之间使用常规的金属结构薄膜连接；(3)采用倒装焊方法将氮化镓基芯片与倒装焊用基板键合，形成具有点状分布N电极结构的氮化镓基发光二极管。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氮化镓基芯片为GaN基LED芯片。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述GaN基LED芯片的制备步骤为(1)在一蓝宝石基板上，依次生长缓冲层、N-GaN层、多量子阱层、P-GaN层；(2)在P-GaN层表面制备ITO透明导电层，在ITO透明导电层之上制备AlAg金属反射层，所述反射层金属为Al、Ag、Ti、Ni或Au ；(3)通过光刻和刻蚀工艺，将ITO透明导电层与AlAg金属反射层所在的部分台面刻蚀至N-GaN层，以形成点状分布的N电极区；(4)在所述N电极区制备N电极；(5)通过光刻和刻蚀等工艺，将ITO透明导电层与AlAg金属反射层所在的部分台面刻蚀至P-GaN层，以形成P电极区；(6)通过光刻、腐蚀还有蒸发或溅射工艺制备P电极，ITO透明导电层、Al/Ag金属反射层与P电极共同形成片状P电极区；(7)将蓝宝石基板减薄、抛光并切割成独立的LED芯片，得到GaN基LED芯片。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述倒装焊用基板为一Si散热基板。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述Si散热基板的制备步骤为(1)取一Si衬底；(2)通过电子束蒸发、溅射和/或电镀工艺，在所述Si衬底上制作出对应于所述氮化镓基芯片上P、N电极的相应的P、N压焊电极；(3)通过P、N电极连接金属层分别将Si衬底上同一芯片内的P、N压焊电极连接起来；(4)在所述P、N电极连接金属层上制备出P、N金丝球焊电极用于封装，由此初步制成 Si散热基板；(5)将初步制备于Si衬底上的Si散热基板减薄并切割成独立的对应于氮化镓基芯片的散热基板，至此最终完成Si散热基板的制备。
全文摘要
本发明涉及一种具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装工艺发光二极管及其制备方法。该具有点状分布N电极结构的氮化镓基倒装工艺发光二极管包括一氮化镓基芯片以及与所述氮化镓基芯片采用倒装焊方法键合的倒装焊用基板。该制备方法通过金属有机物化学气相沉积生长技术，在异质材料或蓝宝石衬底上生长氮化镓基LED的多层材料结构，经过器件制作工艺，包括光刻、淀积、刻蚀、蒸发、溅射、剥离主要工艺步骤，实现倒装焊芯片的P型反射层电极和N电极，本方案通过采用多个点状N电极分布，并利用倒装焊基板进行N电极连接，增加P型区面积同时，减小了工艺复杂度，提高了可靠性，大幅提高了倒装焊LED芯片的发光效率。
文档编号H01L33/38GK102332521SQ20111031930
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者李卫, 江洋, 王文新, 王禄, 贾海强, 陈弘 申请人:中国科学院物理研究所