一种硅基倒装LED芯片及其制作方法与流程

本发明涉及芯片制作技术领域，尤其涉及一种硅基倒装led芯片及硅基倒装芯片的制作方法。

背景技术：

led具有发光效率高、成本低、寿命长、体积小、低功耗、无汞环保等优点，取代传统照明光源已成发展趋势。大功率led器件目前是led器件发展和研究的方向。散热是大功率led器件亟待解决的关键问题之一。

鉴于目前的技术，led的电光转换效率只有30%左右，70%左右的电能仍然是以热的方式存在于芯片上，高功率密度在很小的芯片内部产生大量的热量，导致结温升高，因此增强了电子与空穴的非辐射性复合，使发光效率降低以及封装材料退化。发光效率与工作温度成反比，温度每升高10℃，就会导致光衰5%~8%。同时在长时间使用过程中，因为散热不好而导致的高温，会影响到硅胶的性能和透过率，从而造成较大的光输出功率衰减。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种硅基倒装led芯片及硅基倒装芯片的制作方法，以解决现有技术中的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种硅基倒装led芯片，其中，所述硅基倒装led芯片包括：硅基衬底、发光外延层、共晶键合层和电极，所述电极通过所述共晶键合层与所述硅基衬底连接，所述发光外延层设置在所述电极背离所述共晶键合层的一侧，所述硅基衬底上设置有硅通孔，所述硅通孔内填充有通孔金属，所述通孔金属与所述共晶键合层连接，所述硅基衬底与所述共晶键合层之间设置第一石墨烯层，所述发光外延层能够发出光线。

优选地，所述硅通孔的侧壁上设置所述第一石墨烯层。

优选地，所述电极与所述发光外延层之间设置第一绝缘层，所述第一石墨烯层与所述共晶键合层之间设置第二绝缘层。

优选地，所述发光外延层与所述第一绝缘层之间设置反射层。

优选地，所述反射层与所述第一绝缘层之间设置第二石墨烯层。

优选地，所述发光外延层包括依次设置在所述电极背离所述共晶键合层的一侧的p-gan层、量子阱、n-gan层和u-gan层，所述u-gan层设置在外表面。

优选地，所述电极包括n焊盘电极和p焊盘电极，所述n焊盘电极背离所述共晶键合层的一侧贯穿所述第一绝缘层、第二石墨烯层、反射层、n-gan层和u-gan层后与所述量子阱层连接，所述p焊盘电极背离所述共晶键合层的一侧贯穿所述第一绝缘层和第二石墨烯层与所述反射层连接。

作为本发明的第二个方面，提供一种硅基倒装led芯片的制作方法，其中，所述硅基倒装led芯片的制作方法包括：

提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上生长发光外延层；

在所述发光外延层背离所述蓝宝石衬底的一侧沉积第一绝缘层；

在所述第一绝缘层背离所述发光外延层的一侧制作电极，形成晶圆；

提供硅基衬底，并在所述硅基衬底上制作硅通孔；

在所述硅基衬底的表面及所述硅通孔的内壁均包覆石墨烯以形成第一石墨烯层；

在所述第一石墨烯层背离所述硅基衬底的表面沉积第二绝缘层；

在所述第二绝缘层背离所述硅基衬底的表面制作共晶键合层；

在所述硅基衬底背离所述共晶键合层的一侧制作通孔金属层，并在所述硅通孔内形成通孔金属；

将所述晶圆的所述电极与所述共晶键合层之间进行键合；

将所述蓝宝石衬底剥离；

将所述硅基衬底上的器件进行切割获得独立的硅基板倒装led芯片。

优选地，所述硅基倒装led芯片的制作方法包括在所述第一绝缘层背离所述发光外延层的一侧制作电极，形成晶圆的步骤前进行的：

在所述发光外延层背离所述蓝宝石衬底的表面制作反射层；

在所述反射层背离所述发光外延层的表面包覆石墨烯以形成第二石墨烯层。

优选地，所述提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上生长发光外延层包括：

提供蓝宝石衬底；

在所述蓝宝石衬底上依次生长n-gan层、量子阱层和p-gan层。

本发明提供的硅基倒装led芯片，使用硅材料作为led芯片的封装基板，设计相应的硅基板封装结构，对比于陶瓷基板、金属基板，硅材料在成本和可塑性上有一定的优势。制作带有硅通孔（tsv）的硅基led封装产品，tsv结构避免了由于大跨度引线键合引起的机械失效。采用将电极直接与共晶键合层进行键合，共晶键合层与封装的硅基板直接接触，接触部位再增加石墨烯层，从而降低了热阻，提升了芯片的散热性能。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的硅基倒装led芯片的结构示意图。

图2为本发明提供的硅基倒装led芯片的制作方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的第一个方面，提供一种硅基倒装led芯片，其中，如图1所示，所述硅基倒装led芯片包括：硅基衬底110、发光外延层120、共晶键合层130和电极140，所述电极140通过所述共晶键合层130与所述硅基衬底110连接，所述发光外延层120设置在所述电极140背离所述共晶键合层130的一侧，所述硅基衬底110上设置有硅通孔111，所述硅通孔111内填充有通孔金属112，所述通孔金属112与所述共晶键合层130连接，所述硅基衬底110与所述共晶键合层130之间设置第一石墨烯层150，所述发光外延层120能够发出光线。

本发明提供的硅基倒装led芯片，使用硅材料作为led芯片的封装基板，设计相应的硅基板封装结构，对比于陶瓷基板、金属基板，硅材料在成本和可塑性上有一定的优势。制作带有硅通孔（tsv）的硅基led封装产品，tsv结构避免了由于大跨度引线键合引起的机械失效。采用将电极直接与共晶键合层进行键合，共晶键合层与封装的硅基板直接接触，接触部位再增加石墨烯层，从而降低了热阻，提升了芯片的散热性能。

需要说明的是，所述发光外延层120在所述蓝宝石衬底上生成，所述发光外延层120能够发出蓝光或绿光。

具体地，为了提高硅通孔的散热，所述硅通孔111的侧壁上设置所述第一石墨烯层150。

具体地，所述电极140与所述发光外延层110之间设置第一绝缘层160，所述第一石墨烯层150与所述共晶键合层130之间设置第二绝缘层170。

可以理解的是，所述第一绝缘层160和所述第二绝缘层170能够起到保护的作用。

具体地，为了防止发光外延层发出的光线从芯片下面漏出，所述发光外延层120与所述第一绝缘层160之间设置反射层180。

进一步具体地，所述反射层180与所述第一绝缘层160之间设置第二石墨烯层190。

优选地，所述第一绝缘层160和所述第二绝缘层170均包括sio2绝缘层。

可以理解的是，通过使用石墨烯作为第二绝缘层160内侧的散热材料，可以增强芯片主要发热区域的散热性能。

具体地，如图1所示，所述发光外延层120包括依次设置在所述电极140背离所述共晶键合层130的一侧的p-gan层121、量子阱122、n-gan层123和u-gan层124，所述u-gan层124设置在外表面。

具体地，所述电极140包括n焊盘电极141和p焊盘电极142，所述n焊盘141电极背离所述共晶键合层130的一侧贯穿所述第一绝缘层160、第二石墨烯层190、反射层180、n-gan层123和u-gan层124后与所述量子阱层122连接，所述p焊盘电极142背离所述共晶键合层130的一侧贯穿所述第一绝缘层160和第二石墨烯层190与所述反射层180连接。

本发明提供的硅基倒装led芯片，使用石墨烯作为第一绝缘层内侧的散热材料，可以增强芯片主要发热区域的散热性能。使用硅材料作为led芯片的封装基板，设计相应的硅基板封装结构，对比于陶瓷基板、金属基板，硅材料在成本和可塑性上有一定的优势。借助于icp加工工艺，制作带有硅通孔（tsv）的硅基led封装产品，tsv结构避免了由于大跨度引线键合引起的机械失效，而通孔侧边增加石墨烯层，有助于通孔位置的散热，可以有效避免通孔位置受热形变导致的失效。倒装芯片，是采用将pn结直接与基板上的正负极共晶键合，共晶键合结构与封装的硅基板直接接触，接触部位再增加石墨烯层，从而降低了热阻，提升了芯片的散热性能。因而，本发明提供的硅基倒装led芯片具有适合大功率led芯片且散热良好能够抗大电流冲击的优势。

作为本发明的第二个方面，提供一种硅基倒装led芯片的制作方法，其中，如图2所示，所述硅基倒装led芯片的制作方法包括：

s110、提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上生长发光外延层；

s120、在所述发光外延层背离所述蓝宝石衬底的一侧沉积第一绝缘层；

s130、在所述第一绝缘层背离所述发光外延层的一侧制作电极，形成晶圆；

s140、提供硅基衬底，并在所述硅基衬底上制作硅通孔；

s150、在所述硅基衬底的表面及所述硅通孔的内壁均包覆石墨烯以形成第一石墨烯层；

s160、在所述第一石墨烯层背离所述硅基衬底的表面沉积第二绝缘层；

s170、在所述第二绝缘层背离所述硅基衬底的表面制作共晶键合层；

s180、在所述硅基衬底背离所述共晶键合层的一侧制作通孔金属层，并在所述硅通孔内形成通孔金属；

s190、将所述晶圆的所述电极与所述共晶键合层之间进行键合；

s200、将所述蓝宝石衬底剥离；

s210、将所述硅基衬底上的器件进行切割获得独立的硅基板倒装led芯片。

本发明提供的硅基倒装led芯片的制作方法，led芯片使用石墨烯作为绝缘层内侧的散热材料，可以增强芯片主要发热区域的散热性能。使用硅材料作为led芯片的封装基板，设计相应的硅基板封装结构，对比于陶瓷基板、金属基板，硅材料在成本和可塑性上有一定的优势。借助于icp加工工艺，制作带有硅通孔（tsv）的硅基led封装产品，tsv结构避免了由于大跨度引线键合引起的机械失效，而通孔侧边增加石墨烯层，有助于通孔位置的散热，可以有效避免通孔位置受热形变导致的失效。倒装芯片，是采用将pn结直接与基板上的正负极共晶键合，共晶键合结构与封装的硅基板直接接触，接触部位再增加石墨烯层，从而降低了热阻，提升了芯片的散热性能。

具体地，所述硅基倒装led芯片的制作方法包括在所述第一绝缘层背离所述发光外延层的一侧制作电极，形成晶圆的步骤前进行的：

在所述发光外延层背离所述蓝宝石衬底的表面制作反射层；

在所述反射层背离所述发光外延层的表面包覆石墨烯以形成第二石墨烯层。

具体地，所述提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上生长发光外延层包括：

提供蓝宝石衬底；

在所述蓝宝石衬底上依次生长n-gan层、量子阱层和p-gan层。

下面结合图1对本发明提供的硅基倒装led芯片的制作方法的具体实施过程进行详细描述。

步骤1：利用mocvd设备在蓝宝石衬底上依次生长n-gan层123，量子阱122和p-gan层121，完整led发光外延层120的结构；

步骤2：利用正性光刻掩膜技术，制作掩膜图形，通过icp刻蚀技术，将暴漏区域的n-gan层123刻蚀出来；

步骤3：利用负性光刻掩膜技术，制作反射层180图形，并通过磁控溅射技术制作反射层180；

步骤4：在反射层180上及包覆一层石墨烯形成第二石墨烯层190，利用pecvd技术，在晶圆表面沉积sio2绝缘层，利用正性掩膜技术光刻图形，用boe溶液进行湿法腐蚀制作第一绝缘层160；

步骤5：利用负性光刻掩膜技术，制作n焊盘电极141和p焊盘电极142图形，并通过电子束蒸发技术制作n焊盘电极141和p焊盘电极142；

步骤6：利用正性光刻掩膜技术，在硅基衬底110上制作硅通孔111图形，通过icp刻蚀技术，将暴露的硅基衬底刻穿；

步骤7：在硅基衬底110上及硅通孔表111面包覆一层石墨烯形成第一石墨烯层150，并利用pecvd技术沉积sio2绝缘层，形成第二绝缘层170；

步骤8：利用负性光刻掩膜技术，在硅基衬底110制作共晶键合层130图形，并通过电子束蒸发技术制作共晶键合层130；

步骤9：利用负性光刻掩膜技术，在硅基衬底110制作通孔金属层图形，并通过电镀技术制作通孔金属层112；

步骤10：利用精密晶圆键合机，通过金属共晶键合（即p焊盘电极142与共晶键合层130键合）技术将上述加工完成的晶圆精确对准键合到硅基衬底110上；

步骤11：利用激光剥离技术将蓝宝石衬底从gan基led外延层上剥离下来，得到倒装薄膜层；

步骤12：利用砂轮刀将上述硅基衬底上的器件进行切割，并利用裂片技术将芯片分离；

步骤13：通过探针台和分选机设备，对切割后的芯片进行光电参数测试并分类。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。