CN110943147B - 提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,由于主电极中金属Ni层和金属Au层使主电极底层与N型AlGaInP层具有较好的粘附,通过在阻挡层中设置若干通孔组成孔型图案能够有效阻挡金属Ni层的过度扩散,使主电极底层可以与N型AlGaInP层之间形成良好的接触,能够完全解决焊线时焊盘容易脱落的问题。工艺方法简单易操作,不需要引入特殊设备,利用较低的成本,解决了焊线难问题,该工艺方法适用于所有GaAs基红光LED芯片的制作工艺。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域,具体涉及一种提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法。
背景技术
发光二极管简称为LED(Light Emitting Diode),是一种将电能转换为光能的的固体电致发光(EL)半导体器件。LED实质性核心结构是由元素谱中的III-IV族或III-V族化合物材料构成的P-N节。LED光辐射光谱分布有其独特的一面。它不是单色光(如激光),也不是宽光谱辐射(如白炽灯),而是介于两者之间,有几十纳米的带宽、峰值波长位于可见光或近红外区域。LED与普通光源相比具有如下优点:1、高效率:发光效率高,等同功率的LED灯和白炽灯,LED等照明效果好很多;2、寿命长:LED灯最长寿命可达到10万小时,且其半衰周期可达到5万小时以上;3、低耗电:比同光效的白炽灯可节省70%以上的电量;4、低故障:LED作为半导体元件,没有真空器件和高压触发电路等敏感部件,故障率极低;5、绿色、环保:单色性好,LED光谱集中,没有多于红外、紫外灯光谱,热量、辐射很少,对被照物产生影响少,不含有汞等有害物质,废弃物可以回收,没有污染;6、方向性强:平面发光,方向性强;7、快响应:响应时间短,只有几十纳秒,启动非常迅速;8、多色彩:LED色彩,不同的半导体材料,不同颜色的光,颜色饱和度能够达到130%全彩色不同光色的组合变化多端,利用时序控制电路,更能达到丰富多彩的的动态变化效果。LED按照工作功率划分可以分为小功率(<0.06W)、中功率(小于1W)和大功率(>1W),而我们使用的GaAs基反极性AlGaInP红光LED芯片就是这种大功率半导体器件。
高亮度大功率型AlGaInP红光LED是近年来广泛发展的一种常见可见光LED,AlGaInP四元红光LED具有电流承受能力强、发光效率高以及耐高温等诸多优点,在照明、显示、指示灯中的应用具有不可替代的地位,广泛应用于照明的各个领域。AlGaInP四元红光LED传统工艺,外延结构包括临时衬底层、缓冲层、阻挡层、N型砷化镓欧姆接触层、量子阱层、P型AlGaInP限制层、P型GaAs层,使用Si片作为置换和固定衬底,P型电极生长在裸露的AlGaInP层上,P型电极材料一般为Cr、Ni、Ge作为接触层,Ti、Pt作为过渡层,Al、Au最为主电极层进行电极结构的制作。为了增强金属与AlGaInP界面的粘附性(电极可焊性)常通过对AlGaInP进行酸洗腐蚀新界面、金属合金等工艺,但是仍然存在一定的焊线不良率。
中国专利文件CN104518056 A(201410845314.1) 提出了一种反极性AlGaInP红光LED芯片的制备方法,包括如下步骤:(1)将GaAs衬底发光二极管的晶片与硅片键合在一起;(2)腐蚀GaAs衬底;(3)刮除晶片边缘残留的金属膜层;(4)腐蚀阻挡层;(5)电极制作。该发明中,通过增加一步刮除残留金属膜层,减少了晶片表面的颗粒污染,可一定程度增加电极焊线良率,但未对电极本质问题进行改善。中国专利文件CN104167477 A(201410355102.5)提出了一种反极性AlGaInP基发光二极管及其制造方法,步骤如下:外延片上制作全反射镜结构层;将该外延片与永久衬底键合在一起;去除临时衬底、缓冲层、阻挡层和N型砷化镓层,粗化第一粗化层;在第一粗化层和和N型砷化镓欧姆接触层上制作图案化的扩展电极;以掩膜保护已有的图案化扩展电极,将掩膜保护层以外区域的第一粗化层和N型砷化镓欧姆接触层去除,并将第二粗化层粗化;主电极形成于第二粗化层上。主要利用粗化外延层结构和掩膜保护,提高了电极与外延层的附着性和完整性,确保发光器件工作电压稳定,极大地提升了产品的质量和良率。在N扩展电极和主电极下方均作了粗化处理,并且对N扩展电极的保护较好,增强了主电极、扩展电极与AlGaInP的接触,但是经过粗化了的AlGaInP会出现界面疏松的现象,存在不同程度颗粒,仍然会存在焊线不良的现象。
综上所述,需要研究一种能够与AlGaInP界面形成完全接触,粘性能良好,实现完全焊线的工艺制程方法。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
一种提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,包括GaAs基外延晶片和硅片,所述GaAs基外延晶片自下而上分别为GaAs临时衬底、缓冲层、N型GaAs层、N型AlGaInP层、量子阱层及P型AlGaInP及P型GaAs层,所述硅片自下而上分别为硅衬底及反射镜层Ⅰ,包括如下步骤:
a)将GaAs基外延晶片在P型AlGaInP及P型GaAs层上方依次生长欧姆接触及电流阻挡层及反射镜层Ⅱ;
b)将GaAs基外延晶片翻转180°后作为临时衬底与硅片放置在的烘箱内进行高温键合,GaAs基外延晶片下端的反射镜层Ⅱ通过金属粘结层与硅片上端的反射镜层Ⅰ连接固定;
c)使用腐蚀溶液依次去除GaAs基外延晶片上方的GaAs临时衬底及缓冲层;
d)在N型GaAs层的上方蒸镀金属Cr,之后在金属Cr上方蒸镀金属Au,金属Cr层及金属Au层构成电极层,使用光刻胶在电极层上制作掩膜图形,制作出扩展电极所需图形,使用腐蚀液将扩展电极所需图形之外的电极层腐蚀掉,形成扩展电极;
e)使用光刻胶在N型AlGaInP层上方制作掩膜图形,利用掩膜图形将扩展电极进行保护,扩展电极之外区域的N型GaAs层腐蚀掉,使用粗化液对N型AlGaInP层上表面进行粗化,粗化完成后去胶处理;
f)在粗化后的N型AlGaInP层上生长金属Ni层,在金属Ni层上生长金属Au层Ⅰ,利用PECVD设备在金属Au层Ⅰ上生长 SiO2阻挡层,使用光刻胶作为掩膜图形,通过湿法腐蚀工艺在SiO2阻挡层内制作若干沿水平方向设置的通孔;
g)在SiO2阻挡层上生长金属Ge层,在金属Ge层上生长金属Au层Ⅱ,在金属Au层Ⅱ上制作掩膜图形,制作出主电极所需图形,使用腐蚀液将主电极所需图形之外的金属Au层Ⅱ、金属Ge层、SiO2阻挡层、金属Au层Ⅰ以及金属Ni层腐蚀掉,进行高温合金形成主电极;
h)对硅衬底的底面进行减薄,在减薄后的硅衬底的下方制作N电极;
i)将制得的晶片裂片形成若干管芯。
进一步的,步骤b)中烘箱内的温度为260℃,烘烤时间为1小时。
进一步的,反射镜层Ⅰ及反射镜层Ⅱ的金属材料为Ti和/或Pt和/或Au和/或AuBe,步骤b)中金属粘结层的金属材料为Sn和/或In和/或Au和/或Ag。
进一步的,步骤c)中腐蚀临时衬底的腐蚀液为氨水、双氧水、水按溶液体积比为1:1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为60min,腐蚀缓冲层的腐蚀液为硫酸、双氧水按溶液体积比为1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为5min。
进一步的,步骤d)中金属Cr的厚度为50-200埃,金属Au的厚度为1000-10000埃,腐蚀液为碘、碘化钾、水按溶液体积比为1:1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为30秒。
进一步的,步骤e)中掩膜图形的面积大于扩展电极的面积。
进一步的,步骤f)中金属Ni层的厚度大于金属Au层Ⅰ的厚度,金属Ni层的厚度为1000-3000埃,金属Au层Ⅰ的厚度为50-200埃,SiO2阻挡层的厚度为3000-10000埃。
进一步的,步骤g)中金属Ge层(16)的厚度为50-300埃,金属Au层Ⅱ的厚度为10000-30000埃。
进一步的,步骤g)中高温合金的温度为350℃-450℃,时间为2min-10min。
进一步的,步骤f)中金属Ni层及金属Au层Ⅰ通过蒸镀或溅射方法制成,步骤g)中金属Ge层及金属Au层Ⅱ通过蒸镀或溅射方法制成。
本发明的有益效果是:由于主电极中金属Ni层和金属Au层使主电极底层与N型AlGaInP层具有较好的粘附,通过在SiO2阻挡层中设置若干通孔组成孔型图案能够有效阻挡金属Ni层的过度扩散,使主电极底层可以与N型AlGaInP层之间形成良好的接触,能够完全解决焊线时焊盘容易脱落的问题。工艺方法简单易操作,不需要引入特殊设备,利用较低的成本,解决了焊线难问题,该工艺方法适用于所有GaAs基红光LED芯片的制作工艺。
附图说明
图1为本发明的GaAs基外延晶片的结构示意图;
图2为本发明的管芯的结构示意图;
图3为本发明的主电极的结构示意图;
图中,1.N电极 2.硅衬底 3.反射镜层Ⅰ 4.金属粘结层 5.反射镜层Ⅱ 6.欧姆接触及电流阻挡层 7.P型AlGaInP及P型GaAs层 8.量子阱层 9.N型AlGaInP层 10.N型GaAs层11.扩展电极 12.主电极 13.金属Ni层 14.金属Au层Ⅰ 15. SiO2阻挡层 16.金属Ge层 17.金属Au层Ⅱ 18.GaAs临时衬底 19.缓冲层。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2、附图3对本发明做进一步说明。
一种提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,包括GaAs基外延晶片和硅片, GaAs基外延晶片自下而上分别为GaAs临时衬底18、缓冲层19、N型GaAs层10、N型AlGaInP层9、量子阱层8及P型AlGaInP及P型GaAs层7,硅片自下而上分别为硅衬底2及反射镜层Ⅰ 3,包括如下步骤:
a)将GaAs基外延晶片在P型AlGaInP及P型GaAs层7上方依次生长欧姆接触及电流阻挡层6及反射镜层Ⅱ 5;
b)将GaAs基外延晶片翻转180°后作为临时衬底与硅片放置在的烘箱内进行高温键合,GaAs基外延晶片下端的反射镜层Ⅱ 5通过金属粘结层4与硅片上端的反射镜层Ⅰ 3连接固定;
c)使用腐蚀溶液依次去除GaAs基外延晶片上方的GaAs临时衬底18及缓冲层19;
d)在N型GaAs层10的上方蒸镀金属Cr,之后在金属Cr上方蒸镀金属Au,金属Cr层及金属Au层构成电极层,使用光刻胶在电极层上制作掩膜图形,制作出扩展电极所需图形,使用腐蚀液将扩展电极所需图形之外的电极层腐蚀掉,形成扩展电极11;
e)使用光刻胶在N型AlGaInP层9上方制作掩膜图形,利用掩膜图形将扩展电极11进行保护,扩展电极11之外区域的N型GaAs层10腐蚀掉,使用粗化液对N型AlGaInP层9上表面进行粗化,粗化完成后去胶处理;
f)在粗化后的N型AlGaInP层9上生长金属Ni层13,在金属Ni层13上生长金属Au层Ⅰ14,利用PECVD设备在金属Au层Ⅰ 14上生长SiO2阻挡层15,使用光刻胶作为掩膜图形,通过湿法腐蚀工艺在SiO2阻挡层15内制作若干沿水平方向设置的通孔;
g)在SiO2阻挡层15上生长金属Ge层16,在金属Ge层16上生长金属Au层Ⅱ 17,在金属Au层Ⅱ 17上制作掩膜图形,制作出主电极所需图形,使用腐蚀液将主电极所需图形之外的金属Au层Ⅱ 17、金属Ge层16、SiO2阻挡层15、金属Au层Ⅰ 14以及金属Ni层13腐蚀掉,进行高温合金形成主电极12;
h)对硅衬底2的底面进行减薄,在减薄后的硅衬底2的下方制作N电极1;
i)将制得的晶片裂片形成若干管芯。
由于主电极12中金属Ni层13和金属Au层14使主电极12底层与N型AlGaInP层9具有较好的粘附,传统工艺方法中为了避免Ni层太厚在合金过程中金属Ni扩散的异常现象,通常使用金属Ni的厚度在300埃以下,然后通过合金初步形成相对较好的粘附层,一定程度上缓解了焊线良率不高的需求,但是本质上仍然存在一定程度的焊线掉主电极现象。而本专利申请中通过在SiO2阻挡层15中设置若干通孔组成孔型图案能够有效阻挡金属Ni层13的过度扩散,使主电极12底层可以与N型AlGaInP层9之间形成良好的接触,能够完全解决焊线时焊盘容易脱落的问题。工艺方法简单易操作,不需要引入特殊设备,利用较低的成本,解决了焊线难问题,该工艺方法适用于所有GaAs基红光LED芯片的制作工艺。
实施例1:
步骤b)中烘箱内的温度为260℃,烘烤时间为1小时。
实施例2:
反射镜层Ⅰ 3及反射镜层Ⅱ 5的金属材料为Ti、Pt、Au、AuBe中的一种或几种的组合,步骤b)中金属粘结层4的金属材料为Sn、In、Au、Ag的一种或几种的组合。
实施例3:
步骤c)中腐蚀临时衬底18的腐蚀液为氨水、双氧水、水按溶液体积比为1:1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为60min。腐蚀缓冲层19需要使用强酸,腐蚀液可以选择硫酸或盐酸,优选的为硫酸、双氧水按溶液体积比为1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为5min。
实施例4:
步骤d)中金属Cr的厚度为50-200埃,金属Au的厚度为1000-10000埃,腐蚀液为碘、碘化钾、水按溶液体积比为1:1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为30秒。
实施例5:
步骤e)中掩膜图形的面积大于扩展电极11的面积,这样才能很好的起到保护扩展电极11的目的,优选的掩膜图形的面积为2-10 SiO2。
实施例6:
步骤f)中金属Ni层13的厚度大于金属Au层Ⅰ 14的厚度,金属Ni层13的厚度为1000-3000埃,金属Au层Ⅰ 14的厚度为50-200埃,SiO2阻挡层15的厚度为3000-10000埃。金属Ni层13太薄经过合金后形成不了有效的粘附,金属Ni层13过厚,SiO2阻挡层15无法完成有效阻挡。金属Ni层13扩散到顶层金属Au层Ⅰ 14上面反而影响焊线金属球的粘附。金属Ni层13上的金属Au层Ⅰ 14中设计为一层薄金层主要起到初步阻挡的作用,配合SiO2阻挡层15的使用使合金更容易控制,通过本发明中恰当参数的组合能够有效实现主电极焊线的牢固。
实施例7:
步骤g)中金属Ge层16的厚度为50-300埃,金属Au层Ⅱ 17的厚度为10000-30000埃。
实施例8:
步骤g)中高温合金的温度为350℃-450℃,时间为2min-10min。
实施例9:
步骤f)中金属Ni层13及金属Au层Ⅰ 14通过蒸镀或溅射方法制成,步骤g)中金属Ge层16及金属Au层Ⅱ 17通过蒸镀或溅射方法制成。
Claims (10)
1.一种提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,包括GaAs基外延晶片和硅片,所述GaAs基外延晶片自下而上分别为GaAs临时衬底(18)、缓冲层(19)、N型GaAs层(10)、N型AlGaInP层(9)、量子阱层(8)、P型AlGaInP及P型GaAs层(7),所述硅片自下而上分别为硅衬底(2)及反射镜层Ⅰ(3),其特征在于,包括如下步骤:
a)将GaAs基外延晶片在P型AlGaInP及P型GaAs层(7)上方依次生长欧姆接触及电流阻挡层(6)、反射镜层Ⅱ(5);
b)将GaAs基外延晶片翻转180°后与硅片放置在烘箱内进行高温键合,GaAs基外延晶片下端的反射镜层Ⅱ(5)通过金属粘结层(4)与硅片上端的反射镜层Ⅰ(3)连接固定;
c)使用腐蚀溶液依次去除GaAs基外延晶片上方的GaAs临时衬底(18)及缓冲层(19);
d)在N型GaAs层(10)的上方蒸镀金属Cr,之后在金属Cr上方蒸镀金属Au,金属Cr层及金属Au层构成电极层,使用光刻胶在电极层上制作掩膜图形,制作出扩展电极所需图形,使用腐蚀液将扩展电极所需图形之外的电极层腐蚀掉,形成扩展电极(11);
e)使用光刻胶在N型AlGaInP层(9)上方制作掩膜图形,利用掩膜图形将扩展电极(11)进行保护,扩展电极(11)之外区域的N型GaAs层(10)腐蚀掉,使用粗化液对N型AlGaInP层(9)上表面进行粗化,粗化完成后去胶处理;
f)在粗化后的N型AlGaInP层(9)上生长金属Ni层(13),在金属Ni层(13)上生长金属Au层Ⅰ(14),利用PECVD设备在金属Au层Ⅰ(14)上生长SiO2阻挡层(15),使用光刻胶作为掩膜图形,通过湿法腐蚀工艺在SiO2阻挡层(15)内制作若干沿水平方向设置的通孔;
g)在SiO2阻挡层(15)上生长金属Ge层(16),在金属Ge层(16)上生长金属Au层Ⅱ(17),在金属Au层Ⅱ(17)上制作掩膜图形,制作出主电极所需图形,使用腐蚀液将主电极所需图形之外的金属Au层Ⅱ(17)、金属Ge层(16)、SiO2阻挡层(15)、金属Au层Ⅰ(14)以及金属Ni层(13)腐蚀掉,进行高温合金形成主电极(12);
h)对硅衬底(2)的底面进行减薄,在减薄后的硅衬底(2)的下方制作N电极(1);
i)将制得的晶片裂片形成若干管芯。
2.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤b)中烘箱内的温度为260℃,烘烤时间为1小时。
3.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:反射镜层Ⅰ(3)及反射镜层Ⅱ(5)的金属材料为Ti和/或Pt和/或Au和/或AuBe,步骤b)中金属粘结层(4)的金属材料为Sn和/或In和/或Au和/或Ag。
4.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤c)中腐蚀临时衬底(18)的腐蚀液为氨水、双氧水、水按溶液体积比为1:1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为60min,腐蚀缓冲层(19)的腐蚀液为硫酸、双氧水按溶液体积比为1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为5min。
5.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤d)中金属Cr的厚度为50-200埃,金属Au的厚度为1000-10000埃,腐蚀液为碘、碘化钾、水按溶液体积比为1:1:1的比例混合的溶液,腐蚀时间为30秒。
6.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤e)中掩膜图形的面积大于扩展电极(11)的面积。
7.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤f)中金属Ni层(13)的厚度大于金属Au层Ⅰ(14)的厚度,金属Ni层(13)的厚度为1000-3000埃,金属Au层Ⅰ(14)的厚度为50-200埃,SiO2阻挡层(15)的厚度为3000-10000埃。
8.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤g)中金属Ge层(16)的厚度为50-300埃,金属Au层Ⅱ(17)的厚度为10000-30000埃。
9.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤g)中高温合金的温度为350℃-450℃,时间为2min-10min。
10.根据权利要求1所述的提高反极性GaAs基AlGaInP红光LED芯片焊线性能的管芯制作方法,其特征在于:步骤f)中金属Ni层(13)及金属Au层Ⅰ(14)通过蒸镀或溅射方法制成,步骤g)中金属Ge层(16)及金属Au层Ⅱ(17)通过蒸镀或溅射方法制成。
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