CN104241511A - 一种高亮度倒装紫外led芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，能够提高紫外LED芯片的外量子效率，提高芯片亮度，降低芯片接触电压。Ni/Ag/Al组合高紫外反射率反射镜代替传统的厚Ag反射镜，对紫外光的反射率较高，远大于Ag镜在深紫外区域的反射效果，使用超薄的Ni/Ag退火后可以形成与P型氮化镓的欧姆接触，降低倒装芯片的接触电压，同时减少了传统的厚Ag反射镜对紫外光的吸收，即提高了芯片的亮度。
Description
技术领域
本发明属于LED芯片制备技术领域，主要涉及一种高亮度倒装紫外LED芯片制备方法。
背景技术
随着LED应用的发展，紫外LED因其光谱范围更宽(发光波长能够覆盖210-400nm波段)，更节能，并且不含有毒物质汞，具有其它传统紫外光源无法比拟的优势，被广泛地应用于生活中多个方面，例如紫外光消毒、紫外线硬化，光学传感器、紫外线身份验证、体液检测和分析等领域。目前，紫外LED的技术瓶颈主要是效率较低。对于波长低于365nm的芯片，紫外LED的输出功率仅为输入功率的5％-8％；当波长为385nm以上时，紫光LED的效率有所提高，但也只有输入功率的15％。
倒装LED芯片可以有效提高LED芯片的亮度。传统的倒装芯片以蓝光芯片为主，主要是通过芯片与硅衬底进行绑定后形成倒装芯片，然后使用正装工艺进行倒装芯片封装。然而在加工过程中形成Ag材料的厚反射镜对可见光反射率较高，而对紫外光(尤其深紫外光)有较大吸收，难以有效提高紫外LED的亮度。而且，传统倒装芯片电极设计时主要是P电极与N电极间隔出现，一是采用共晶绑定时使用了植锡球工艺后进行共晶焊接；二是金与金直接绑定键合，以上均对绑定基板的绑定点要求较高，通常是在硅基板上制作合适的绑定点后键合至硅基板上，然后按照正装工艺进行倒装芯片封装。因此，行业上传统的倒装芯片工艺不适用于紫外LED。
发明内容
本发明提出一种高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，能够提高紫外LED芯片的外量子效率，提高芯片亮度，降低芯片接触电压。
本发明的解决方案如下：
一种高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，主要包括以下环节：
(1)对紫外LED外延片表面的P型氮化镓层部分区域及其下的量子阱发光层进行刻蚀，直至暴露出N型氮化镓层；
(2)在P型氮化镓表面旋涂光刻胶并对其进行曝光，使得曝光显影后光刻胶覆盖于所有刻蚀区域及与所有刻蚀区域相接的10微米以内的区域(10微米以内的间距，主要为了避免后来蒸镀形成的N塞本体与P型氮化镓层联通)，然后蒸镀薄膜Ni/Ag层，Ni膜与Ag膜厚度之和不大于其中Ni膜厚度要求蒸发速率要求Ag膜厚度要求蒸发速率要求对蒸发Ni/Ag薄膜后的外延片进行剥离及去除胶，P型氮化镓表面形成Ni/Ag覆盖层，氮气保护环境下370～420℃进行退火5～10min，形成P型欧姆接触层；接着作同样的光刻工艺，然后蒸镀Al膜反射层，Al膜厚度要求蒸发速率要求再进行剥离及去胶，形成为具有高紫外反射率的P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜；
(3)在此时的紫外LED外延片表面沉积一层二氧化硅作为绝缘层，沿原刻蚀路径对绝缘层进行腐蚀形成N电极通孔，并单独在紫外LED外延片表面另一区域进行腐蚀至P型氮化镓层形成P电极通孔；
(4)在N电极通孔、P电极通孔处分别蒸镀形成N金属塞、P金属塞；
(5)针对N金属塞和P金属塞，分别蒸镀形成N绑定电极和P绑定电极，蒸发金属材料采用Au/Sn或者Ag/Sn；
(6)金属退火熔合，氮气保护退火，即制备完成倒装紫外LED芯片。
基于上述基本解决方案，本发明还做如下优化限定：
步骤(1)运用电感耦合等离子体刻蚀技术进行刻蚀操作。
步骤(3)采用BOE溶液对绝缘层进行腐蚀，所述BOE溶液的主要组分及配比为HF：NH4F＝1：9。
步骤(4)的蒸镀工艺采用Cr/Ti/Al/Ti/Au依次蒸发形成金属塞。
步骤(5)的蒸镀过程中，Au或者Ag，与Sn薄膜交替沉积形成多周期结构。
按照以上方案，可制得这样的高亮度倒装紫外LED芯片结构，包括紫外LED外延片；其特殊之处在于：紫外LED外延片的表面依次沉积有P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜以及二氧化硅材质的绝缘层；所述P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜中，Ni膜厚度为Ag膜厚度要求Ni膜与Ag膜厚度之和不大于Al膜厚度自二氧化硅材质的绝缘层至紫外LED外延片的N型氮化镓层形成有至少一处刻蚀通道，在该刻蚀通道处蒸镀形成有N金属塞；自二氧化硅材质的绝缘层至紫外LED外延片的P型氮化镓层形成有至少一处刻蚀通道，在该刻蚀通道处蒸镀形成有P金属塞；在N金属塞和P金属塞表面分别蒸镀形成有N绑定电极和P绑定电极，绑定电极材料均为Au/Sn或者Ag/Sn。
材料为Au/Sn或者Ag/Sn的绑定电极，可以是Au或者Ag与Sn薄膜交替沉积形成的多周期结构。
目前常见的紫外LED外延片表面大多为P型氮化镓层，对于蓝光外延片，其表面也可以使用P型铟镓氮形成欧姆接触或使用N型铟镓氮形成遂穿效应降低芯片电压，不过紫外LED考虑到吸光问题使用的较少。因此，这里所说“紫外LED外延片的表面”一般指P型氮化镓层，不过若确定紫外LED外延片的表面为P型铟镓氮层或者N型铟镓氮，则依上述方案实施的技术也应视为落入本发明的保护范围。
Ni/Ag/Al组合膜蒸发厚度要求为Ni膜与Ag膜厚度之和不大于同时Ni膜厚度小于Ag膜厚度大于Al膜厚度大于蒸发速率要求大于Ni/Ag膜厚度较大时，退火后不能完全熔合，形成Ni/Ag反射镜，会对紫外光有一定的吸收，影响了Al反射镜的反射效果，若厚度较小，退火后不易与P型氮化镓形成良好的欧姆接触，制备芯片电压较高，同时制备过中要求Ni的蒸发速率尽可能小，减小Ni膜对紫外光的吸收。超薄的Al膜对紫外光有一定的透射效果，因此Al膜厚度不能超薄，同时制备Al膜过程中要求Al的蒸发速率尽可能大，避免制备过程中Al的氧化，影响Al膜的镜面效果，降低对紫外光的反射。
本发明的有益效果如下：
本发明是在P型氮化镓表面蒸发Ni/Ag薄膜，氮气保护环境下退火后蒸发Al薄膜。Ni/Ag膜层退火后可以与P型氮化镓形成良好的欧姆接触，能够起到良好的电流扩展效果，降低芯片的接触电压。Al膜对紫外光有85％以上的反射效果，运用Al膜作为倒装紫外LED芯片的反射层，可以减少材料对紫外光的吸收，提高LED芯片对紫外光的萃取率。
Ni/Ag/Al组合高紫外反射率反射镜代替传统的厚Ag反射镜，对紫外光的反射率较高，远大于Ag镜在深紫外区域的反射效果，使用超薄的Ni/Ag退火后可以形成与P型氮化镓的欧姆接触，降低倒装芯片的接触电压，同时减少了传统的厚Ag反射镜对紫外光的吸收，即提高了芯片的亮度。
本发明中进一步对倒装芯片的绑定电极制备工艺参数进行了优化设计，直接采用Au/Sn或Ag/Sn材质形成绑定电极，芯片封装可以利用共晶焊接技术进行倒装芯片与封装基板直接焊接，无需采用传统的先固晶后金线焊接技术(即先绑定于Si基板后再使用金线焊接的封装技术)，简化了封装工艺。同时倒装芯片与支架直接共晶焊接，减小了芯片与支架之间的热阻，有利于芯片工作时的散热，提高了紫外LED芯片的可靠性。
附图说明
图1为发明的倒装紫外LED芯片结构图。
图2为本发明的一个实施流程图。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明的倒装紫外LED芯片结构图，其制造流程如图2所示：采用ICP刻蚀技术进行低损伤的紫外氮化镓刻蚀，运用蒸镀技术进行高反射率的P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜制备以及P、N绑定电极Au/Sn膜层制备，运用PECVD沉积二氧化硅绝缘层并使用BOE对其进行腐蚀形成P、N电极通孔。
以下给出制备工艺的最佳实施例：
1、将紫外LED外延片用王水(HNO3：HCl＝1：3)进行表面处理，时间10分钟，去离子水冲水甩干；
2、放入ICP设备进行低损伤的紫外氮化镓刻蚀技术，外延片部分区域P型氮化镓层及其下面多量子阱发光层进行刻蚀，暴露出N型氮化镓层，刻蚀使用Cl2流量为50sccm，Antenna RF功率为150W，Bias RF功率为40W，刻蚀深度1.3μm；
3、薄膜蒸镀机进行Ni/Ag薄膜蒸发，Ni蒸发速率为蒸发厚度Ag蒸发速率为蒸发厚度蒸发时真空度高于2.0×10-6Torr；
4、氮气保护退火，退火温度380℃，退火时间5min；
5、薄膜蒸镀机进行Al薄膜蒸发，蒸发速率为蒸发厚度蒸发时真空度高于2.0×10-6Torr；
6、PECVD沉积二氧化硅绝缘层，沉积使用材料(SiH45％/N2)流量为300sccm，N2O流量为300sccm，RF功率为100W，沉积温度210℃，沉积厚度230nm；
7、使用BOE溶液(HF：NH4F＝1：9)对部分需要蚀刻的氧化硅进行腐蚀，腐蚀时间30sec，形成PN电极通孔，以满足PN绑定层与氮化镓层的接触；
8、薄膜蒸镀机进行P、N金属塞蒸发，蒸发金属材质为Cr/Ti/Al/Ti/Au，Cr蒸发速率为厚度为Ti蒸发速率为厚度为Al的蒸发速率为蒸发厚度二层Ti的蒸发速率为蒸发厚度为Au的蒸发速率为蒸发厚度蒸发时真空度高于2.0×10-6Torr；
9、薄膜蒸镀机进行P、N绑定电极蒸发，绑定电极材质为Au/Sn，Au与Sn薄膜交替沉积形成多周期结构，周期数量为5，每个周期中Au膜蒸发厚度为蒸发速率 Sn薄膜蒸发厚度为蒸发速率为蒸发时真空度均高于2.0×10-6Torr；
10、金属退火熔合，氮气保护退火，退火温度280℃，退火时间5min；倒装紫外LED芯片加工完成。
本发明制得的高亮度倒装紫外LED芯片，可以直接绑定于支架基板完成倒装芯片焊接。
实施例二
薄膜蒸镀机进行Ni/Ag薄膜蒸发，Ni蒸发速率为蒸发厚度Ag蒸发速率为蒸发厚度蒸发时真空度高于2.0×10-6Torr；氮气保护退火，退火温度400℃，退火时间8min；薄膜蒸镀机进行Al薄膜蒸发，蒸发速率为蒸发厚度其余工艺均与实施例一工艺相同，可以制备出高亮度的倒装紫外LED芯片，并可直接利用共晶焊接技术对其进行直接焊接。
实施例三
薄膜蒸镀机进行Ni/Ag薄膜蒸发，Ni蒸发速率为蒸发厚度Ag蒸发速率为蒸发厚度蒸发时真空度高于2.0×10-6Torr；氮气保护退火，退火温度410℃，退火时间10min；薄膜蒸镀机进行Al薄膜蒸发，蒸发速率为蒸发厚度其余工艺均与实施例一工艺相同，可以制备出高亮度的倒装紫外LED芯片，并可直接利用共晶焊接技术对其进行直接焊接。
使用本发明方案制备的40*40mil2型号峰值波长375nm的紫外LED芯片，光功率90mw，电压3.5V；峰值波长385nm的芯片，光功率为155mw，电压3.3V；峰值波长400nm的芯片，光功率为250mw，电压3.2V。而使用传统方案制备同类型号的峰值波长为375nm的紫外LED芯片，光功率80mw，电压3.6V；峰值波长385nm的芯片，光功率为150mw，电压3.4V；峰值波长400nm的芯片，光功率250mw，电压3.3V。
通过电压对比发现本发明方案制备的LED芯片电压较传统芯片电压低，通过光功率对比发现本方案制备的LED芯片亮度较高，随着峰值波长变短，提高亮度越大，表明本发明方案制备的膜层，更有利紫外光的反射，有利于倒装紫外LED芯片提高亮度，降低电压。同时该方案制备芯片可以直接共晶于封装基板，避免传统上的先固晶后焊线的复杂工艺。
需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到较佳技术效果的具体参数，但这些具体参数不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
Claims (7)
1.一种高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，主要包括以下环节：
(1)对紫外LED外延片表面的P型氮化镓层部分区域及其下的量子阱发光层进行刻蚀，直至暴露出N型氮化镓层；
(2)在P型氮化镓表面旋涂光刻胶并对其进行曝光，使得曝光显影后光刻胶覆盖于所有刻蚀区域及与所有刻蚀区域相接的10微米以内的区域，然后蒸镀薄膜Ni/Ag层，Ni膜与Ag膜厚度之和不大于其中Ni膜厚度要求蒸发速率要求 Ag膜厚度要求蒸发速率要求对蒸发Ni/Ag薄膜后的外延片进行剥离及去除胶，P型氮化镓表面形成Ni/Ag覆盖层，氮气保护环境下370～420℃进行退火5～10min，形成P型欧姆接触层；接着作同样的光刻工艺，然后蒸镀Al膜反射层，Al膜厚度要求蒸发速率要求再进行剥离及去胶，形成为具有高紫外反射率的P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜；
(3)在此时的紫外LED外延片表面沉积一层二氧化硅作为绝缘层，沿原刻蚀路径对绝缘层进行腐蚀形成N电极通孔，并单独在紫外LED外延片表面另一区域进行腐蚀至P型氮化镓层形成P电极通孔；
(4)在N电极通孔、P电极通孔处分别蒸镀形成N金属塞、P金属塞；
(5)针对N金属塞和P金属塞，分别蒸镀形成N绑定电极和P绑定电极，蒸发金属材料采用Au/Sn或者Ag/Sn；
(6)金属退火熔合，氮气保护退火，即制备完成倒装紫外LED芯片。
2.根据权利要求1所述的高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，其特征在于：步骤(1)运用电感耦合等离子体刻蚀技术进行刻蚀操作。
3.根据权利要求1所述的高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，其特征在于：步骤(3)采用BOE溶液对绝缘层进行腐蚀，所述BOE溶液的主要组分及配比为HF：NH4F＝1：9。
4.根据权利要求1所述的高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，其特征在于：步骤(4)的蒸镀工艺采用Cr/Ti/Al/Ti/Au依次蒸发形成金属塞。
5.根据权利要求1所述的所述的高亮度倒装紫外LED芯片制备方法，其特征在于：步骤(5)的蒸镀过程中，Au或者Ag，与Sn薄膜交替沉积形成多周期结构。
6.高亮度倒装紫外LED芯片结构，包括紫外LED外延片；其特征在于：紫外LED外延片的表面依次沉积有P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜以及二氧化硅材质的绝缘层；所述P型欧姆接触Ni/Ag/Al薄膜中，Ni膜厚度为Ag膜厚度要求Ni膜与Ag膜厚度之和不大于Al膜厚度
自二氧化硅材质的绝缘层至紫外LED外延片的N型氮化镓层形成有至少一处刻蚀通道，在该刻蚀通道处蒸镀形成有N金属塞；自二氧化硅材质的绝缘层至紫外LED外延片的P型氮化镓层形成有至少一处刻蚀通道，在该刻蚀通道处蒸镀形成有P金属塞；在N金属塞和P金属塞表面分别蒸镀形成有N绑定电极和P绑定电极，绑定电极材料均为Au/Sn或者Ag/Sn。
7.根据权利要求6所述的高亮度倒装紫外LED芯片结构，其特征在于：材料为Au/Sn或者Ag/Sn的绑定电极，是Au或者Ag与Sn薄膜交替沉积形成的多周期结构。
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