專利名稱：背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的突破以及藍、綠、白光發(fā)光二極管的問世，繼半導(dǎo)體技術(shù)引發(fā)微電子革命之后，又在孕育一場新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命，其標(biāo)志是半導(dǎo)體燈將逐步替代白熾燈和熒光燈。半導(dǎo)體燈采用發(fā)光二極管(LED)作為新光源，同樣亮度下，耗電僅為普通白熾燈的1/10，而壽命卻可以延長100倍。由于半導(dǎo)體照明(亦稱固態(tài)照明)具有節(jié)能、長壽命、免維護、環(huán)保等優(yōu)點，在大屏幕顯示、交通信號燈以及通用和特種照明領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用市場。業(yè)內(nèi)普遍認為，如同晶體管替代電子管一樣，半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，也是大勢所趨。世界三大照明工業(yè)巨頭通用電氣、飛利浦、奧斯拉姆集團紛紛與半導(dǎo)體公司合作，成立半導(dǎo)體照明企業(yè)，并提出要在2010年前，使半導(dǎo)體燈發(fā)光效率再提高8倍，價格降低100倍。一場搶占半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)制高點的爭奪戰(zhàn)，已經(jīng)在全球打響。美國能源部預(yù)測，到2010年前后，美國將有55％的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈替代，每年可節(jié)電350億美元。日本提出，2006年就要用半導(dǎo)體燈大規(guī)模替代傳統(tǒng)白熾燈。據(jù)測算，7年后僅在美國，半導(dǎo)體照明就可能形成一個500億美元的大產(chǎn)業(yè)。
倒裝結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)相比，可以增加光的輸入，提高發(fā)光強度，改善散熱，增大工作電流?，F(xiàn)在一般采用的倒裝焊技術(shù)制作氮化鎵基發(fā)光二極管的方法是在硅片上淀積導(dǎo)熱性能差的絕緣氧化硅，在氧化硅上制備金屬電極，電鍍凸點，與管芯倒裝焊連接。這種結(jié)構(gòu)有源區(qū)產(chǎn)生的熱量要經(jīng)過熱的不良導(dǎo)體氧化硅，然后通過下面的硅片傳遞到熱沉上，最后通過導(dǎo)熱膠與熱沉粘接。此方法雖然在一定程度上解決了散熱的問題，但其熱阻仍然很大，形成阻礙未來應(yīng)用于通用照明的大功率型發(fā)光二極管實現(xiàn)的一個瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其可通過硅基微電子工藝中背孔技術(shù)的引入，在導(dǎo)熱通路中首先去除了氧化硅絕緣層，然后又以導(dǎo)熱率約為硅三倍的金屬銅代替硅，使發(fā)光管芯片有源區(qū)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過熱的優(yōu)良金屬導(dǎo)體直接與熱沉相連，整個散熱通路不經(jīng)過熱的不良導(dǎo)體，最大程度上降低了熱阻，實現(xiàn)了所謂的零亞熱阻散熱。不僅使發(fā)光管可以在更大的電流下工作，而且大大增加了器件長時間下連續(xù)工作的能力，提高了器件的性能和可靠性，有利于照明用功率型發(fā)光二極管的實現(xiàn)。
本發(fā)明一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在藍寶石等絕緣襯底上利用金屬化學(xué)有機氣相沉積方法依次外延生長N型氮化鎵層，多量子阱發(fā)光有源區(qū)和P型氮化鎵層；步驟2根據(jù)設(shè)計的芯片圖形光刻刻蝕到N型氮化鎵層內(nèi)，在P型氮化鎵層上和N型氮化鎵層上分別制備P型歐姆接觸電極和N型歐姆接觸電極；步驟3將藍寶石襯底從背面用研磨的方法或離子減薄技術(shù)減??；步驟4劃片將外延片上的管芯分割成單個管芯；步驟5在硅片上采用熱氧化的方法雙面生成二氧化硅絕緣隔離層，在正面采用蒸發(fā)或濺射的方法制備金屬電極，背面光刻出背孔圖形，腐蝕氧化硅；步驟6采用ICP干法或KOH硅的各向異性腐蝕液從背面刻蝕或腐蝕硅片，直至露出正面的二氧化硅絕緣隔離層為止；使用HF氧化硅腐蝕液繼續(xù)腐蝕，直至腐蝕出金屬電極為止，形成背孔；步驟7在背孔中電鍍高熱導(dǎo)率金屬銅直到與背面的硅表面平齊為止；步驟8在硅片正面光刻出與管芯的N電極相連接的電極；步驟9在硅片正面采用厚膠光刻電鍍凸點圖形，選擇性電鍍與管芯的P型歐姆接觸電極和N型歐姆接觸電極相連接的金屬凸點；步驟10在硅片背面制備一層低熔點的合金，形成管座；步驟11在管座背面通過加熱合金直接與管殼熱沉相接；
步驟12利用倒裝焊機將管芯和管座正面通過金屬凸點焊接起來，從硅片正面制作的金屬電極上引出發(fā)光二極管的N電極，從管殼熱沉的背面引出發(fā)光二極管的P電極。
其中所述的減薄是80um到120um之間。
其中所述的背孔的數(shù)目是一個或一個以上；背孔內(nèi)填充的金屬為銅。
其中所述的金屬電極是鋁、鉻、鎳、金、鈦。
其中所述的管芯為1mm×1mm。


為了進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做一詳細的描述，其中圖1是本發(fā)明中的氮化鎵基發(fā)光二極管管芯結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是本發(fā)明的背孔制備前管座的剖面圖；圖3是本發(fā)明的背孔制備后管座的剖面圖；圖4是本發(fā)明的最終的背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管剖面圖。
具體實施例方式
請參閱圖1、圖2、圖3及圖4，本發(fā)明一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，包括如下步驟步驟1在藍寶石等絕緣襯底10上利用金屬化學(xué)有機氣相沉積方法依次外延生長N型氮化鎵層11，多量子阱發(fā)光有源區(qū)12和P型氮化鎵層13(圖1中)；
步驟2根據(jù)設(shè)計的芯片圖形光刻刻蝕到N型氮化鎵層11內(nèi)，在P型氮化鎵層13上和N型氮化鎵層11上分別制備P型歐姆接觸電極14和N型歐姆接觸電極15(圖1中)；步驟3將藍寶石襯底10從背面用研磨的方法或離子減薄技術(shù)減薄，所述的減薄是80um到120um之間；步驟4劃片將外延片上的管芯分割成單個管芯；所述的管芯為1mm×1mm；步驟5在硅片20上采用熱氧化的方法雙面生成二氧化硅絕緣隔離層21，在正面采用蒸發(fā)或濺射的方法制備金屬電極22，背面光刻出背孔圖形，腐蝕氧化硅；所述的金屬電極22是鋁、鉻、鎳、金、鈦(圖2中)；步驟6采用ICP干法或KOH硅的各向異性腐蝕液從背面刻蝕或腐蝕硅片，直至露出正面的二氧化硅絕緣隔離層21為止；使用HF氧化硅腐蝕液繼續(xù)腐蝕，直至腐蝕出金屬電極22為止，形成背孔，所述的背孔的數(shù)目是一個或一個以上；背孔內(nèi)填充的金屬為銅；步驟7在背孔中電鍍高熱導(dǎo)率金屬銅24直到與背面的硅表面平齊為止；步驟8在硅片20正面光刻出與管芯的N電極15相連接的電極22(圖2中)；步驟9在硅片20正面采用厚膠光刻電鍍凸點圖形，選擇性電鍍與管芯的P型歐姆接觸電極14和N型歐姆接觸電極15相連接的金屬凸點25和26(圖3中)；
步驟10在硅片20背面制備一層低熔點的合金23，形成管座(圖3中)；步驟11在管座背面通過加熱合金23直接與管殼熱沉27相接(圖4中)；步驟12利用倒裝焊機將管芯和管座正面通過金屬凸點25、26焊接起來，從硅片20正面制作的金屬電極22上引出發(fā)光二極管的N電極，從管殼熱沉27的背面引出發(fā)光二極管的P電極(圖4中)。
實施例首先如圖1所示，這是氮化鎵基發(fā)光二極管管芯結(jié)構(gòu)的剖面圖，其制作過程過程是，在藍寶石襯底10上利用MOCVD方法外延生長GaN N型接觸層11，發(fā)光有源區(qū)12和P型GaN接觸層13；管芯的形狀設(shè)計成正方形，尺寸為1mm×1mm，然后根據(jù)設(shè)計的管芯圖形光刻并采用ICP系統(tǒng)干法刻蝕出N型的臺面(N型接觸層11)。在P型GaN接觸層13上采用電子束蒸發(fā)(或濺射)的方法制備Ni/Au/Ag/Ni/Au(50/50/1500/200/1200)，在500攝氏度退火5分鐘，形成具有低歐姆接觸同時高反射率的P型GaN的歐姆接觸電極14。在N型GaN層11上采用電子束蒸發(fā)(或濺射)的方法制備Ti/Al/Ni/Au(150/2200/400/500)，在900攝氏度退火30秒，形成低歐姆接觸的N型GaN歐姆接觸電極15。將藍寶石襯底從背面用研磨的方法減薄到80-120um，利用激光劃片技術(shù)沿設(shè)計好的管芯的分割道將外延片上的管芯分割成1mm×1mm的單個管芯。
圖2和圖3是背孔制備前后管座的剖面圖。如圖2所示，首先將硅片20研磨至150um以下，雙面拋光，然后采用熱氧化的方法雙面生長0.8微米的二氧化硅絕緣層21，在正面上采用電子束蒸發(fā)(或濺射)的方法制備Cr/Au(500/4000)電極22。在背面光刻出背孔圖形，腐蝕氧化硅。如圖3所示，使用ICP系統(tǒng)干法(或采用KOH等硅的各向異性腐蝕液)從背面刻蝕(腐蝕)硅片20，直至露出正面的氧化硅21為止。使用HF等氧化硅腐蝕液繼續(xù)腐蝕，直到腐蝕到正面的金屬電極22為止。在硅背孔中電鍍制備熱的良導(dǎo)體銅24直到與背面的硅表面平齊為止。在硅片20正面光刻腐蝕出與管芯的N電極相連接的電極22。在硅片20正面采用厚膠光刻出電鍍用凸點圖形，同時選擇性電鍍制備與管芯P電極相連接的金屬凸點25和與管芯N電極相連接的金屬凸點26。最后采用濕法腐蝕去掉背面殘留的氧化硅并在硅片的背面采用蒸發(fā)(或濺射)的方法制備低熔點的Au/Sn合金23，形成管座。
如圖4所示，將已經(jīng)分割好的單個管芯與管座通過倒裝焊設(shè)備對準(zhǔn)，通過加熱凸點回流焊接到一起，從硅片正面的金屬電極22上采用超聲壓焊的方法引出金絲作為整個發(fā)光二極管的N電極。管座通過加熱合金23直接與管殼熱沉27相連，從管殼熱沉27背面引出整個發(fā)光二極管的P電極。至此完成了一個具有完整結(jié)構(gòu)、性能良好的背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管。
本發(fā)明提出了一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，使整個散熱通路全部為熱的優(yōu)良金屬導(dǎo)體，這種新方法在最大程度上降低了熱阻，實現(xiàn)了所謂的亞零熱阻散熱，同時與普通的倒裝結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管制作工藝完全兼容。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管相比，優(yōu)化了器件的散熱結(jié)構(gòu)，使發(fā)光管可以在更大的電流下長時間連續(xù)正常工作，提高了發(fā)光二極管的性能和可靠性，有利于照明用功率型發(fā)光二極管的實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在藍寶石等絕緣襯底上利用金屬化學(xué)有機氣相沉積方法依次外延生長N型氮化鎵層，多量子阱發(fā)光有源區(qū)和P型氮化鎵層；步驟2根據(jù)設(shè)計的芯片圖形光刻刻蝕到N型氮化鎵層內(nèi)，在P型氮化鎵層上和N型氮化鎵層上分別制備P型歐姆接觸電極和N型歐姆接觸電極；步驟3將藍寶石襯底從背面用研磨的方法或離子減薄技術(shù)減薄；步驟4劃片將外延片上的管芯分割成單個管芯；步驟5在硅片上采用熱氧化的方法雙面生成二氧化硅絕緣隔離層，在正面采用蒸發(fā)或濺射的方法制備金屬電極，背面光刻出背孔圖形，腐蝕氧化硅；步驟6采用ICP干法或KOH硅的各向異性腐蝕液從背面刻蝕或腐蝕硅片，直至露出正面的二氧化硅絕緣隔離層為止；使用HF氧化硅腐蝕液繼續(xù)腐蝕，直至腐蝕出金屬電極為止，形成背孔；步驟7在背孔中電鍍高熱導(dǎo)率金屬銅直到與背面的硅表面平齊為止；步驟8在硅片正面光刻出與管芯的N電極相連接的電極；步驟9在硅片正面采用厚膠光刻電鍍凸點圖形，選擇性電鍍與管芯的P型歐姆接觸電極和N型歐姆接觸電極相連接的金屬凸點；步驟10在硅片背面制備一層低熔點的合金，形成管座；步驟11在管座背面通過加熱合金直接與管殼熱沉相接；步驟12利用倒裝焊機將管芯和管座正面通過金屬凸點焊接起來，從硅片正面制作的金屬電極上引出發(fā)光二極管的N電極，從管殼熱沉的背面引出發(fā)光二極管的P電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中所述的減薄是80um到120um之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中所述的背孔的數(shù)目是一個或一個以上；背孔內(nèi)填充的金屬為銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中所述的金屬電極是鋁、鉻、鎳、金、鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中所述的管芯為1mm×1mm。
全文摘要
一種背孔結(jié)構(gòu)氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法，包括在藍寶石等絕緣襯底上依次外延生長N型氮化鎵層，多量子阱發(fā)光有源區(qū)和P型氮化鎵層；光刻刻蝕到N型氮化鎵層內(nèi)，制備P型歐姆接觸電極和N型歐姆接觸電極；劃片將外延片上的管芯分割成單個管芯；在硅片上雙面生成二氧化硅絕緣隔離層，在正面制備金屬電極，背面光刻出背孔圖形；形成背孔；在硅片正面采用厚膠光刻電鍍凸點圖形；在硅片背面制備一層低熔點的合金，形成管座；在管座背面直接與管殼熱沉相接；將管芯和管座正面通過金屬凸點焊接起來，從硅片正面制作的金屬電極上引出發(fā)光二極管的N電極，從管殼熱沉的背面引出發(fā)光二極管的P電極。
文檔編號H01L33/00GK1755954SQ200410081010
公開日2006年4月5日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者馬龍, 王良臣, 王立彬, 郭金霞, 伊?xí)匝?申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所