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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