CN102683524A - 倒装led芯片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种倒装LED芯片结构,包括由下至上依次堆叠的硅合金衬底、金属中间层、P型氮化镓半导体层、有源层、N型氮化镓半导体层。采用了与生长基板热膨胀系数相近的硅合金材质的转移基板作为LED芯片的衬底,降低了LED芯片器件层的晶格错位损伤,减少了漏电流的产生,提升了产品性能。本发明还提出一种上述倒装LED芯片结构的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及倒装LED芯片结构及其制备方法,属于半导体制造技术领域。
背景技术
随着全球极端气候的频繁发生,照明领域也正进入一次大的变革。LED作为第三代的固态照明技术,正被大家高度关注;但是随着技术的发展,成熟的现有工艺正面临着巨大的挑战。目前最为成熟的是将氮化镓晶体层生长在蓝宝石的绝缘衬底上,所以将正负电极做在同一侧,光从P面氮化镓层出射到环境;此结构中电流会横向流过N型氮化镓层,导致电流拥挤,局部造成发热,降低了电光转换效率;同时蓝宝石衬底的导热性差(35W/mK),直接导致芯片的使用寿命降低。
目前为解决以上问题,采用将蓝宝石衬底这种绝缘和导热性不好的材料在外延生长完全结构后,从外延层移除;再在移除后的N面GaN表面进行电极制作。去除蓝宝石衬底之前需要将另一导电导热好的衬底基板和外延片的外延层面粘合,利用剥离衬底和芯片绑定技术得到的垂直结构LED芯片具有长寿命,光衰少,有效提高热传导和改善电流拥挤效应。
晶片键合最早开始于二十多年前MEMS功率器件的封装,开始采用胶将晶片粘合,现在已经被金属键合所代替。金属键合不但提高了键合效率,而且提高LED的流明效率。在LED键合工艺的优化过程中,垂直结构LED的键合界面既需要有好的热传导,也需要有好的导电性,而这些衬底材料也要有与LED相匹配的热膨胀系数,因为在键合工艺过程和衬底激光剥离时存在较大的温度变化。此外,垂直结构LED键合金属的厚度和沉积方式也很关键,通常采用铂、铝、金等粘附层确保晶片不会出现滑移。
现转移衬底普遍采用铜衬底,但是铜的热膨胀系数比GaN高得多。这种热膨胀系数失配导致非常高的表面应力,高电流密度使这种情况更加恶化。GaN层是具有压电效应的六角纤维锌矿结构,由此引起的界面应力会破坏电流分布。而且,金属衬底的膨胀会***抗张强度较低的GaN晶格,在晶格内部产生缺陷,引起外延层中局部发热,导致光效率降低的恶性循环,这样的芯片可靠性能差;同时较大的膨胀系数差会导致晶片上下两面呈现一定的弯曲度,使后续图形光刻工艺无法很好的制作电极图形,容易造成图形的偏移及变形。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种倒装LED芯片结构及其制备方法,采用硅合金基板作为转移基板,以此匹配生长基板的热膨胀系数。
为了实现上述目的,本发明提出一种LED芯片的倒装结构,包括由下至上依次堆叠的硅合金衬底、金属中间层、P型氮化镓半导体层、有源层、N型氮化镓半导体层。
进一步地,所述金属中间层包括第一金属中间层和第二金属中间层。
进一步地,所述第一金属中间层包括由下至上依次堆叠的:接触层、光反射层和焊料层。
进一步地,所述第二金属中间层包括:焊料层。
进一步地,所述N型氮化镓半导体层为所述LED芯片的出光面。
进一步地,所述硅合金衬底的材料包括Si,还包括Al、Cu、Fe、Ge中的一种或其组合。
进一步地,所述硅合金衬底的Si含量为50wt%至99wt%、合金材料总含量为1wt%至49wt%、杂质含量为0wt%至1wt%。
进一步地,所述硅合金衬底的材质为含有1wt%至50wt%铝含量的二元铝硅合金材料。
本发明还提供一种倒装结构LED芯片制备方法,包括:
提供生长基板;
在所述生长基板依次生长缓冲层、N型氮化镓半导体层、有源层和P型氮化镓半导体层;
在所述P型氮化镓半导体层暴露表面生长第一金属中间层;
提供转移基板,所述转移基板的材质为硅合金材料;
在所述转移基板上生长第二金属中间层;
将所述第一金属中间层暴露表面与所述第二金属中间层的暴露表面键合;
去除所述生长基板。
进一步地,所述倒装结构LED芯片制备方法还包括:
去除所述缓冲层,使所述N型氮化镓半导体层暴露,并在所述N型氮化镓半导体层的暴露表面制作第一电极;
对所述N型氮化镓半导体层除第一电极以外其他区域生长钝化保护层;
从背面减薄所述转移基板至一定厚度,在所述转移基板的背面制作第二电极。
进一步地,所述第一金属中间层包括由下至上堆叠的:接触层、光反射层和焊料层。
进一步地,所述第二金属中间层包括:焊料层。
进一步地,所述硅合金衬底的材料包括Si,还包括Al、Cu、Fe、Ge中的一种或其组合。
进一步地,所述硅合金衬底的Si含量为50wt%至99wt%、合金材料总含量为1wt%至49wt%、杂质含量为0wt%至1wt%。
进一步地,所述硅合金衬底的材质为含有1wt%至50wt%铝含量的二元铝硅合金材料。
与现有技术相比,本发明所述的倒装LED芯片结构的有益效果主要表现在:采用硅合金基板作为转移基板,以此匹配生长基板的热膨胀技术,减少了芯片制备过程中由于生长基板与转移基板热膨胀系数的差异,缓解了LED芯片的翘曲度,为器件层起到良好的支撑,有效提高了LED芯片的饱和电流,提高出光亮度,提高了产品的性能,并增加了产品的可靠性。
附图说明
图1为本发明所述的在生长基板上生长LED外延结构示意图;
图2为本发明所述的在生长基板上生长第一金属中间层后的结构示意图;
图3为本发明所述的在转移基板上生长第二金属中间层后的结构示意图;
图4为本发明所述的将生长基板倒装至转移基板后的结构示意图;
图5为本发明所述的生长基板倒装至转移基板后的结构示意图;
图6a和图6b为现有技术中的生长基板倒装至转移基板后芯片的翘曲示意图;
图6c为本发明所述的生长基板倒装至转移基板后芯片的翘曲示意图;
图7为本发明所述的去除生长基板后的结构示意图;
图8为本发明所述的去除生长基板后的翘曲示意图;
图9为本发明所述的在N型半导体层表面制作第一电极后的结构示意图;
图10为本发明所述的对N型半导体层生长钝化保护层后的结构示意图;
图11为本发明所述的在转移基板制作第二电极后的结构示意图。
生长基板 10
转移基板 11
缓冲层 21
N型氮化镓半导体层 22
有源层 23
P型氮化镓半导体层 24
第一金属中间层 31
第二金属中间层 32
第一电极 41
第二电极 42
钝化保护层 5
器件层 20
金属中间层 30
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的倒装LED芯片结构制备方法进行详细描述。
图1是本发明所述的倒装LED芯片结构制备方法步骤图。
步骤S101:提供生长基板,在所述生长基板依次生长缓冲层、N型氮化镓半导体层、有源层和P型氮化镓半导体层;
请参考图2,图2是本发明所述的在生长基板上生长LED外延结构示意图。
在生长基板10上依次生长缓冲层21、N型氮化镓半导体层22、有源层23和P型氮化镓半导体层24。生长基板10可以是氧化铝蓝宝石基板、硅基板或碳化硅基板。缓冲层21的材质为GaN、AlN或GaN/AlN的交叠。N型半导体层的材质优选为氮化镓GaN。有源层23的材质为氮化铟镓InGaN。P型半导体层的材质优选为氮化镓GaN。
步骤S102:在所述P型氮化镓半导体层暴露表面生长第一金属中间层;
请参考图3,图3是本发明所述的在生长基板上生长第一金属中间层后的结构示意图。
P型氮化镓半导体层24表面沉积生长第一金属中间层31,沉积方式为电子束蒸发、热阻蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积或喷涂法。第一金属层31的材质包括Ni、Pt、W、Pd、Ge、In、Be、Ti、Sn、Au中的一种或其组合。第一金属层包括包括由下至上堆叠的:接触层311、光反射层312和焊料层313。第一金属中间层31具有为P型半导体层24电流扩展、光反射和焊接的多重作用。
步骤S103:提供转移基板,所述转移基板的材质为硅合金材料,在所述转移基板上生长第二金属中间层;
请参考图4,图4是本发明所述的在转移基板上生长第二金属中间层后的结构示意图。
在转移基板11的表面沉积生长第二金属层32,沉积方式可选电子束蒸发、热阻蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积或喷涂法。第二金属层32的材质包括Ni、Pt、W、Pd、Ag、Ge、In、Be、Ti、Sn、Au中的一种或其组合。第二金属层32的材质可以与第一金属层31相同,也可以与第一金属层31不同。第二金属层32包括焊接层,仅作为焊接层。
步骤S104:将所述第一金属中间层暴露表面与所述第二金属中间层的暴露表面键合;
请参考图5,图5是本发明所述的生长基板倒装至转移基板后的结构示意图。
第一金属层31暴露表面(即第一金属层31的焊接层313)与第二金属层32暴露表面通过真空热压键合的方式键合,扩散形成共金。真空热压键合的温度范围包括0至600℃,优选为400℃至600℃。
请参考图6a和图6b,图6a和图6b是现有技术中生长基板倒装至转移基板后芯片的翘曲示意图。器件层20包括缓冲层21、N型氮化镓半导体层22、有源层23和P型氮化镓半导体层24,金属中间层30包括第一金属中间层31和第二金属中间层32。
当第一金属层31通过真空热压键合的方式与第二金属层32键合形成金属层30后,由于LED芯片各层材料的热膨胀系数不同,LED芯片会有一定的翘曲度。
当生长基板10的热膨胀系数大于转移基板11’的热膨胀系数时,键合后的LED芯片呈“上凸”型翘曲;当生长基板10的热膨胀系数大于转移基板11’的热膨胀系数时,键合后的LED芯片呈“下凹”型翘曲。而无论“上凸”型翘曲还是“下凹”型翘曲,都会对器件层20造成应力影响,形成晶格错位损伤,导致漏电流的产生,影响产品。
请参考图6c,图6c是本发明中所述的生长基板倒装至转移基板后芯片的翘曲示意图。器件层20包括缓冲层21、N型氮化镓半导体层22、有源层23和P型氮化镓半导体层24,金属中间层30包括第一金属中间层31和第二金属中间层32。
硅合金材质的转移基板11与生长基板10的热膨胀系数相近,因此键合后的LED芯片不会呈现“上凸”型或是“下凹”型翘曲,从而缓解了对器件层20的应力影响,减少了晶格错位损伤,有效减少了漏电流的产生几率。
步骤S105:去除所述生长基板;
请参考图7,图7是本发明所述的去除生长基板后的结构示意图。对生长基板10的非生长面进行抛光,并对LED芯片使用波长为355nm的激光器剥离去除生长基板10。使缓冲层21的外表面暴露。
请参考图8,图8是本发明所述的去除生长基板后的翘曲示意图。器件层20包括缓冲层21、N型氮化镓半导体层22、有源层23和P型氮化镓半导体层,金属中间层30包括第一金属中间层31和第二金属中间层32。
移除生长基板10后,由于转移基板11的为硅合金材质,与器件层20的半导体层的热膨胀系数相近,LED芯片并不会产生很大的翘曲。
步骤S106:去除所述缓冲层,使所述N型氮化镓半导体层暴露,并在所述N型氮化镓半导体层的暴露表面制作第一电极;
请参照图9,图9是本发明所述的在N型氮化镓半导体层表面制作第一电极后的结构示意图。
使用化学机械研磨工艺,对上述暴露的缓冲层21进行研磨,将缓冲层21研磨去除后,使N型氮化镓半导体层22暴露,并在N型氮化镓半导体层22的暴露表面进行电极制作,形成第一电极41。通常的,第一电极41也称之为N型接触电极。
步骤S107:对所述N型氮化镓半导体层的其他区域生长钝化保护层;
请参照图10,图10是本发明所述的对N型氮化镓半导体层生长钝化保护层后的结构示意图。
在N型氮化镓半导体层22的其余暴露表面(非第一电极区域)沉积生长一层钝化保护层,通常采用SiO2作为钝化保护层。
步骤S108:从背面减薄所述转移基板至一定厚度,在所述转移基板的背面制作第二电极;
请参照图11,图11是本发明所述的在转移基板制作第二电极后的结构示意图。
从与第二金属层32相对的一面,即背面,对转移基板11进行减薄处理,通常减薄后的厚度为150um至250um,并在转移基板11的非沉积金属一侧(即背面)制作第二电极42。通常的,第二电极41也称之为P型接触电极。从而完成倒装LED芯片结构的制备。
为了更好地理解本发明的内容,下面列举实施例加以说明。
实施例1
在蓝宝石材质的生长基板上依次采用金属有机化学气相沉积的方式沉积GaN材质的缓冲层、GaN材质的N型半导体层、InGaN材质的有源层和GaN材质的P型半导体层;
在GaN材质的P型半导体层表面沉积材质为Ni/Ag/Ti/W/Au/Sn元素组成的第一金属中间层;
在硅含量80wt%、铝含量20wt%的硅合金材质转移基板上沉积材质为Au/Sn元素组成的第二金属中间层。硅含量80wt%、铝含量20wt%的硅合金材质具有与蓝宝石材质相近的热膨胀系数;
将第一金属中间层和第二金属中间层以相对方向,进行真空热压键合,使第一金属中间层与第二金属中间层相互扩散形成公金。真空热压键合的参数包括:气体压力为1torr、温度为500℃、压力2.5×103KG;
完成生长基板倒装与转移基板后,对生长基板的非生长面进行抛光,并采用波长为355nm的激光器剥离蓝宝石材质生长基板,使GaN材质缓冲层暴露;
对剩余的GaN材质缓冲层进行化学机械研磨处理,去除上述缓冲层,使GaN材质的N型半导体层暴露,并在N型半导体层暴露表面制作第一电极;
对N型半导体层暴露表面的非电极区域沉积生长SiO2材质的钝化保护层;
从背面对硅含量80wt%、铝含量20wt%的硅合金材质转移基板进行减薄处理,使其厚度减薄至200um,在上述硅合金材质转移基板背面上制作第二电极。
本实施例对应的倒装LED芯片结构为:由下至上依次堆叠的厚度为200um的硅含量80wt%、铝含量20wt%的硅合金衬底;
材质为Ni/Ag/Ti/W/Au/Sn的金属中间层;
GaN材质的P型半导体层;
InGaN材质的有源层;
GaN材质的N型半导体层;
以及制作于GaN材质的N型半导体层表面的第一电极;
覆盖GaN材质的N型半导体层表面除第一电极以外区域的钝化保护层;
位于硅合金衬底底部制作的第二电极。
实施例2
在蓝宝石材质的生长基板上依次采用金属有机化学气相沉积的方式沉积GaN材质的缓冲层、GaN材质的N型半导体层、InGaN材质的有源层和GaN材质的P型半导体层;
在GaN材质的P型半导体层表面沉积材质为Ag/Ti/Au/Sn元素组成的第一金属中间层;
在硅含量50wt%、铝含量40wt%、铜含量10wt%的硅合金材质转移基板上沉积材质为Au/Sn元素组成的第二金属中间层。
将第一金属中间层和第二金属中间层以相对方向,进行真空热压键合,使第一金属中间层与第二金属中间层相互扩散形成公金。真空热压键合的参数包括:气体压力为1torr、温度为600℃、压力2.5×103KG;
完成生长基板倒装与转移基板后,对生长基板的非生长面进行抛光,并采用波长为355nm的激光器剥离蓝宝石材质生长基板,使GaN材质缓冲层暴露;
对剩余的GaN材质缓冲层进行化学机械研磨处理,去除上述缓冲层,使GaN材质的N型半导体层暴露,并在N型半导体层暴露表面制作第一电极;
对N型半导体层暴露表面的非电极区域沉积生长SiO2材质的钝化保护层;
从背面对硅含量50wt%、铝含量40wt%、铜含量10wt%的硅合金材质转移基板进行减薄处理,使其厚度减薄至150um,在上述硅合金材质转移基板背面上制作第二电极。
本实施例对应的倒装LED芯片结构为:由下至上依次堆叠的
厚度为150um的硅含量50wt%、铝含量40wt%、铜含量10wt%的硅合金衬底;
材质为Ag/Ti/Au/Sn的金属中间层;
GaN材质的P型半导体层;
InGaN材质的有源层;
GaN材质的N型半导体层;
以及制作于GaN材质的N型半导体层表面的第一电极;
覆盖GaN材质的N型半导体层表面除第一电极以外区域的钝化保护层;
位于硅合金衬底底部制作的第二电极。
综上,本发明所述的倒装LED芯片结构及其制备方法,采用与生长基板热膨胀系数相近的硅合金材质转移基板,在激光剥离生长基板过程中对器件层起到良好的支撑,有效提升LED芯片的饱和电流,提高出光亮度,降低漏电流产生几率,从而提升了LED芯片的可靠性,提高了产品的性能。
综上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不对本发明做任何限制。任何所述技术领域的技术人员,在不脱离本发明的技术方案的范围内,对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动,均属未脱离本发明的技术方案的内容,仍落在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种倒装LED芯片结构,其特征在于,包括由下至上依次堆叠的硅合金衬底、金属中间层、P型氮化镓半导体层、有源层、N型氮化镓半导体层。
2.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述金属中间层包括第一金属中间层和第二金属中间层。
3.如权利要求2所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述第一金属中间层包括由下至上依次堆叠的:接触层、光反射层和焊料层。
4.如权利要求2所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述第二金属中间层包括:焊料层。
5.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述N型氮化镓半导体层为所述LED芯片的出光面。
6.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述硅合金衬底的材料包括Si,还包括Al、Cu、Fe、Ge中的一种或其组合。
7.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述硅合金衬底的Si含量为50wt%至99wt%、合金材料总含量为1wt%至49wt%、杂质含量为0wt%至1wt%。
8.如权利要求1所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述硅合金衬底的材质为含有1wt%至50wt%铝含量的二元铝硅合金材料。
9.一种权利要求1所述的倒装结构LED芯片制备方法,其特征在于,包括:
提供生长基板;
在所述生长基板依次生长缓冲层、N型氮化镓半导体层、有源层和P型氮化镓半导体层;
在所述P型氮化镓半导体层暴露表面生长第一金属中间层;
提供转移基板,所述转移基板的材质为硅合金材料;
在所述转移基板上生长第二金属中间层;
将所述第一金属中间层暴露表面与所述第二金属中间层的暴露表面键合;
去除所述生长基板。
10.如权利要求9所述的倒装结构LED芯片制备方法,其特征在于,所述倒装结构LED芯片制备方法还包括:
去除所述缓冲层,使所述N型氮化镓半导体层暴露,并在所述N型氮化镓半导体层的暴露表面制作第一电极;
对所述N型氮化镓半导体层除第一电极以外其他区域生长钝化保护层;
从背面减薄所述转移基板至一定厚度,在所述转移基板的背面制作第二电极。
11.如权利要求9所述的倒装结构LED芯片制备方法,其特征在于:所述第一金属中间层包括由下至上堆叠的:接触层、光反射层和焊料层。
12.如权利要求9所述的倒装结构LED芯片制备方法,其特征在于:所述第二金属中间层包括:焊料层。
13.如权利要求9所述的倒装结构LED芯片制备方法,其特征在于:所述硅合金衬底的材料包括Si,还包括Al、Cu、Fe、Ge中的一种或其组合。
14.如权利要求9所述的倒装结构LED芯片制备方法,其特征在于:所述硅合金衬底的Si含量为50wt%至99wt%、合金材料总含量为1wt%至49wt%、杂质含量为0wt%至1wt%。
15.如权利要求9所述的倒装LED芯片结构,其特征在于:所述硅合金衬底的材质为含有1wt%至50wt%铝含量的二元铝硅合金材料。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120919 |