CN102214746B - 一种氮化镓基功率型led芯片制作方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，该方法利用刻蚀、真空蒸镀等技术在外延层上分别制作好P型欧姆接触及AL层反射镜，并利用激光打孔技术在裸露的N型外延层区域打孔，然后制作好N型区的欧姆接触，同时在孔内沉淀好金属材料，再利用绝缘材料保护N型区域，实现N型区与P型区的隔离；将外延片减薄，使得所打的孔成为连通兰宝石基板与N型区的通孔，并在基板表面制作焊线电极。由于本发明方法将发光PN结区靠近导热材料，解决了传统正装结构LED芯片所存在的导热、散热问题，同时无需考虑传统倒装结构的电路对应等问题，具有使用方便，节约成本，成品率高的特点。本发明适用于氮化镓基功率型LED芯片的制备。

Description

一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法

 技术领域    

 本发明涉及一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，属半导体照明级功率型LED芯片制造技术领域。

背景技术    

发光二极管（LED）是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，具有效率高、寿命长、节能环保等优点。近年来，以氮化镓（GaN）基材料为主的高亮度LED发展非常迅猛，发光效率得到了极大的提高。目前已经广泛应用于户外显示屏、交通灯等工业与民用的各个方面，并有望取代传统的节能灯、白炽灯产品等应用于通用照明领域。要将氮化镓基LED应用于通用照明领域，必须大幅度地提高通过LED芯片发光区（PN结）的电流以提高LED芯片的发光强度，然后，LED芯片在大电流驱动下，不仅提高芯片的光效，也同时转化成为大量的热能，如果散热处理不好将使LED芯片的发光效率和使用寿命大幅降低，LED光源的优势消失。因此，要保证LED光源稳定工作，其根本办法就是改进其散热。

传统的GaN基功率型LED芯片主要分为正装和倒装结构：

正装结构的LED芯片在封装时有外延的发光层朝上，P、N电极分别通过焊线与外部电路连通，使用简便。在正装结构中，LED芯片发光区的热量主要通过蓝宝石基板传导出去，导热路径较长，而且蓝宝石的热导系数很差，因此，正装结构的LED芯片热阻大，热量集聚于发光的PN结区，芯片的发光效率和寿命受到严重限制，因此正装结构的LED芯片在发光功率、效率和使用寿命等方面均不可能是最优的，但由于使用简便、成本低，目前的大多数GaN基LED芯片仍采用正装结构。

传统的倒装结构芯片首先在LED芯片P、N电极上分别形成两个金属凸点；封装使用时首先在一绝缘基板上制作独立的P、N控制电路，然后将LED芯片电极上的金属凸点与绝缘基板上的P、N电路分别对映起来，再用加热共晶焊的方式形成芯片电极上金属凸点与绝缘基板上P、N电路的连接。其优点在于发光 pn结的热量可直接传导给热导系数较高的如硅、陶瓷等绝缘基板，散热效果较好。然而，传统的倒装结构在封装使用时必须使LED芯片电极上的金属凸点与绝缘基板上的P、N电路精确对映起来，这对封装使用无疑具有巨大的难度；而且，在精确对映后再进行加温共晶焊，共晶材料必须熔化以使金属凸点与基板电路相连，但共晶材料的熔化也会出现扩张漫延，可能将基板上的P、N电路导通，使得整个器件报废。

发明内容   

本发明的目的是，提供一种新型的GaN基功率型LED芯片制作方法，通过对芯片制作方法的改进，使得本发明的芯片结构不仅具有传统正装结构LED芯片使用简便的优点，而且可以大幅度地提高芯片的散热效率，有效解决传统GaN基蓝光LED芯片结构所存在的散热困难问题，使其能应用于制作大电流工作条件下的GaN基功率型LED芯片。

本发明的技术方案是：本发明所述的一种GaN基功率型LED芯片制作方法如下：

1、取一片通过MOCVD方法在兰宝石基板上生长有氮化镓外延层的外延片，按所设计的芯片电极结构采用干法刻蚀的手段有选择性地刻蚀去除外延层中的P型层，裸露出N型外延层；

2、在外延片的P型外延区域利用真空镀膜、图形蚀刻、退火方法形成ITO扩散层及其与P型外延层的欧姆接触，然后在ITO扩散层上制作一层AL金属层，形成表面反射镜；

3、运用激光打孔技术在裸露的N型外延区进行打孔，孔深在80-100um之间，孔的直径在20-50um之间；

4、在裸露的N型外延区利用图形蚀刻技术、真空镀膜技术制作Cr金属与N型区的欧姆接触电极；Cr金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，形成N型区欧姆接触金属与孔内材料的电流通路；

5、利用图形蚀刻技术在已制作好N型欧姆接触的电极的N型外延区域表面覆盖作一绝缘保护层，保护层的厚度在10—30um   之间；

6、将外延片从兰宝石基板面减薄至70-80um之间，从而使得本发明第3步中所打的孔成为连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔；

7、在基板表面利用图形蚀刻技术制作一层在通孔处有空白区域的光刻胶保护层，空白区域直径在100—200um之间，通孔位于空白区域内切边缘；

8、利用真空镀膜技术在光刻胶保护层表面分别蒸镀一层Ti，再蒸镀一层Au，金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，加强通孔中的金属厚度，形成基板表面与N型欧姆接触电极的电流通路；

9、去除基板表面光刻胶保护层，其表面的金属材料将一并去除，但空白区域的金属材料将保留在基板表面形成焊线电极；

10、完成以上操作后，将外延片分割成单个的LED芯片，将有焊线电极的基板面朝上，有AL反射镜的发光层向下，即形成可直接应用于封装的LED芯片。

上述方法中，在第5步制作好N型欧姆接触电极的N型外延区域表面覆盖着一绝缘保护层，此绝缘保护层的厚度在10—30um 之间，材料可用紫外光固化的粘合胶；可采用旋转涂覆后固化的方法制作。

在第6步完成连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔，该通孔内有起导电性连通作用的金属材料填充物；本发明所述的功率型LED芯片在使用时将具有外延层的一面向下，具有焊线电极的兰宝石基板表面向上，利用通孔内金属材料实现外部电路与N型区的电流导通。

本发明与现有技术相比较的有益效果是：

本发明的功率型LED芯片结构在芯片制作过程中利用通孔中的金属材料直接将LED的N区欧姆接触电极与基板表面的焊线电极相连，并利用绝缘保护层将芯片P、N电极隔离，在封装使用时只需将LED芯片倒装于支架，使得发光层下部起反射及散热作用的金属AL层与支架中的银浆直接接触，相比传统的倒装LED芯片，由于无需采用制作有电路的绝缘基板，进一步提高了芯片的导热和散热效率；同时，由于无需采用制作有电路的绝缘基板，节约了封装成本。本发明中的LED芯片的P、N电极已经通过绝缘保护层和通孔进行隔离，故芯片在封装使用过程中无需考虑与外部电路的对应、共晶焊问题，使用方便，提高了芯片的适用性和封装产品的成品率。

与传统正装结构LED芯片相比，本发明不仅解决了传统正装LED芯片所存在的导热、散热问题，而且P区电流可直接通过支架金属导入，在封装时只需进行N区电极的焊线，减少了一半的焊线数量。一方面，本发明LED芯片结构将发光PN结区靠近导热材料，解决了传统正装结构LED芯片所存在的导热、散热问题，同时无需考虑传统倒装结构的电路对应等问题，具有使用方便，节约成本，成品率高的特点；另一方面，由于本发明LED芯片结构的N型欧姆接触电极可以均匀分布于LED芯片的四周，不必像传统结构的LED芯片中P、N电极必须分布于芯片两侧，解决了传统LED芯片在发光过程中的电流、发光、散热不均的问题。

本发明适用于氮化镓基功率型LED芯片的制备。

附图说明    

图1是本发明实施例中的制作流程图；

图2是本发明实施例中完成后的氮化镓基功率型LED芯片结构示意图；

图中图号表示：1是基极焊线电极及通孔；2是兰宝石基极；3是N型外延区；4是绝缘保护层；5是AL层反射镜；6是ITO扩散层；7是P型外延层；8是发光PN结。

具体实施方式

本发明的具体实施方式分别以白光功率型LED芯片和绿光功率型LED芯片的制备过程为例进行详细描述，参考图1、图2。

     具体实施例1：

1，首先取一片通过MOCVD方法在兰宝石基板上生长有氮化镓外延层的兰光LED外延片，发光波长约455nm，设计的单元芯片尺寸1mm²。按所设计的芯片电极结构采用干法刻蚀的手段有选择性地刻蚀去除外延层中的P型层，裸露出N型外延区（3）；

2、在外延片的P型外延区域利用真空镀膜、图形蚀刻、退火方法形成ITO扩散层（6）及其与P型外延层（7）的欧姆接触，然后在ITO扩散层（6）上制作一层AL金属层（5），形成表面反射镜；

3、运用激光打孔技术在裸露的N型外延区（3）进行打孔，孔深在80-100um之间，孔的直径在20-50um之间；

4、在裸露的N型外延区（3）利用图形蚀刻技术、真空镀膜技术制作Cr金属与N型区的欧姆接触电极。Cr金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，形成N型区欧姆接触金属与孔内材料的电流通路；

5、利用图形蚀刻技术在已制作好N型欧姆接触的电极的N型外延区域表面覆盖作一绝缘保护层，保护层的厚度在10—30    um 之间；

6、将外延片从兰宝石基板面减薄至70-80um之间，从而使得本发明第3步中所打的孔成为连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔；

7、在基板表面利用图形蚀刻技术制作一层在通孔处有空白区域的光刻胶保护层，空白区域直径在100—200um之间，通孔位于空白区域内切边缘；

8、利用真空镀膜技术在光刻胶保护层表面分别蒸镀一层Ti，再蒸镀一层Au，金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，加强通孔中的金属厚度，形成基板表面与N型欧姆接触电极的电流通路；

9，去除基板表面光刻胶保护层，其表面的金属材料将一并去除，但空白区域的金属材料将保留在基板表面形成焊线电极；

10、完成以上操作后，将外延片分割成单个的LED芯片，将有焊线电极的基板面朝上，有AL反射镜的发光层向下，即形成可直接应用于半导体照明的白光功率型LED芯片。

具体实施例2：

1、取一片通过MOCVD方法在兰宝石基板上生长有氮化镓外延层的绿光外延片，波长约525nm，设计的单元芯片尺寸1mm²，按所设计的芯片电极结构采用干法刻蚀的手段有选择性地刻蚀去除外延层中的P型层，裸露出N型外延区（3）；

2、在外延片的P型外延区域利用真空镀膜、图形蚀刻、退火方法形成ITO扩散层（6）及其与P型外延层（7）的欧姆接触，然后在ITO扩散层（6）上制作一层AL金属层（5），形成表面反射镜；

3、运用激光打孔技术在裸露的N型外延区（3）进行打孔，孔深在80-100um之间，孔的直径在20-50um之间；

4、在裸露的N型外延区（3）利用图形蚀刻技术、真空镀膜技术制作Cr金属与N型区的欧姆接触电极。Cr金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，形成N型区欧姆接触金属与孔内材料的电流通路，为了加强通孔子内的金属厚度，在制作完Cr镀膜后再在通孔内填充银浆导电材料，然后进行银浆的固化。；

5、利用图形蚀刻技术在已制作好N型欧姆接触的电极的N型外延区域表面覆盖作一绝缘保护层，保护层的厚度在10—30    um 之间；

6、将外延片从兰宝石基板面减薄至70-80um之间，从而使得本发明第3步中所打的孔成为连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔；

7、在基板表面利用图形蚀刻技术制作一层在通孔处有空白区域的光刻胶保护层，空白区域直径在100—200um之间，通孔位于空白区域内切边缘；

8、利用真空镀膜技术在光刻胶保护层表面分别蒸镀一层Ti，再蒸镀一层Au，金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔内，形成基板表面与N型欧姆接触电极的电流通路；

9，去除基板表面光刻胶保护层，其表面的金属材料将一并去除，但空白区域的金属材料将保留在基板表面形成焊线电极；

10、完成以上操作后，将外延片分割成单个的LED芯片，将有焊线电极的基板面朝上，有AL反射镜的发光层向下，即形成可直接应用于封装的绿光功率型LED芯片。

Claims (5)

1.一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，其特征在于，所述方法为：

（1）取一片通过MOCVD方法在蓝宝石基板上生长有氮化镓外延层的外延片，按所设计的芯片电极结构采用干法刻蚀的手段有选择性地刻蚀去除外延层中的P型层，裸露出N型外延层；

（2）在外延片的P型外延区域利用真空镀膜、图形蚀刻、退火方法形成ITO扩散层及其与P型外延层的欧姆接触，然后在ITO扩散层上制作一层Al金属层，形成表面反射镜；

（3）运用激光打孔技术在裸露的N型外延区进行打孔，孔深在80-100μm之间，孔的直径在20-50μm之间；

（4）在裸露的N型外延区利用图形蚀刻技术、真空镀膜技术制作Cr金属与N型区的欧姆接触电极；Cr金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，形成N型区欧姆接触金属与孔内材料的电流通路；

（5）利用图形蚀刻技术在已制作好N型欧姆接触的电极的N型外延区域表面覆盖着一绝缘保护层；

（6）将外延片从蓝宝石基板面减薄至70-80μm之间，从而使得第（3）步中所打的孔成为连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔；

（7）在基板表面利用图形蚀刻技术制作一层在通孔处有空白区域的光刻胶保护层，空白区域直径在100—200μm之间，通孔位于空白区域内切边缘； 

（8）利用真空镀膜技术在光刻胶保护层表面蒸镀一层Ti，再蒸镀一层Au，金属材料在镀膜的同时会沉淀至通孔的内侧面，加强通孔中的金属厚度，形成基板表面与N型欧姆接触电极的电流通路；

（9）去除基板表面光刻胶保护层，其表面的金属材料将一并去除，但空白区域的金属材料将保留在基板表面形成焊线电极；

（10）完成以上操作后，将外延片分割成单个的LED芯片，将有焊线电极的基板面朝上，有Al反射镜的发光层向下，即形成可直接应用于封装的LED芯片。

2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，其特征在于，所述在制作好N型欧姆接触电极的N型外延区域表面覆盖着一绝缘保护层，此绝缘保护层的厚度在10—30μm之间，材料为紫外光固化粘合剂。

3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，其特征在于，所述连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔，所述通孔内有起导电连通作用的金属材料。

4.根据权利要求1所述的一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，其特征在于，所述芯片在使用时将具有外延层的一面向下，具有焊线电极的蓝宝石基板表面向上，利用通孔内金属材料实现外部电路与N型区的电流导通。

5.根据权利要求1所述的一种氮化镓基功率型LED芯片制作方法，其特征在于，所述连通基板表面与N型欧姆接触电极的通孔内部采用金属填充物，从而加强通孔内金属材料的导电和导热性能。 

Images