[发明专利]一种低应力LED倒装功率芯片及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种低应力LED倒装功率芯片，以及该倒装功率芯片的制备方法，属于半导体器件及其制造工艺技术领域。

背景技术

半导体照明是近百年来照明技术的真正革命。由于半导体材料将电能直接转化为光，所以半导体照明具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不会产生热量。为了适应通用照明的需求，半导体照明光源、大功率LED迫切需要解决发光效率低、散热能力差和芯片内各功能层间的应力问题。

目前，传统的蓝宝石衬底GaN大功率芯片，电极位于芯片的出光面上。约30％的光被P电极吸收，且由于P-GaN层的有限的电导率，要求在P-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层会遮住一部分光，从而降低芯片的出光效率。因此这种P型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长。由于蓝宝石的热导系数较金属低(35W/m·K)，因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装，且正装结构上面通常涂上一层环氧树脂，而环氧树脂导热能力很差，造成散热难的问题，影响器件的性能参数和可靠性。所以，这种正装LED芯片从器件结构本身对器件功率、出光效率和热性能等方面均构成较大影响。为了克服正装芯片的这些不足，美国Lumileds公司发明了倒装芯片。氮化镓基LED芯片倒扣在硅芯片上，硅芯片上有两个打线焊盘，封装时打金线与外界电源相接。倒扣焊接技术工艺包括运用种球机，选用合适尺寸的金线和适当的种球温度，控制Wire-Bond球(超声金丝球)的尺寸，接着利用Die-Bond(倒装焊接)机超声波进行焊接。电极上焊接的数个BUMP(金球)与硅衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，硅衬底通过粘接材料与器件内部热沉粘接在一起，光从蓝宝石衬底取出。相对于正装结构，这种倒装结构具有电、光、热等方面较优的特性。

但上述倒装芯片结构中，硅衬底的粘接材料在影响器件热导特性因素中是一个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻及应力过大，导致在额定工作条件下器件的结温过高，外延片与导热衬底间应力过大而出现裂开现象，导致器件的出光效率下降、可靠性降低。因此倒装芯片制作过程中如何控制和优化P-N电极外延片与衬底的接触面积和接触电阻，改善芯片稳定、应力、散热等问题，提高倒装芯片的质量和成品率，是器件加工工艺中面临的几个主要难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产热低，可靠性高，稳定性高的低应力LED倒装功率芯片。

本发明的另一目的在于一种工艺简单、成本较低、成品率高的低应力LED倒装功率芯片的制备方法。

本发明提供的低应力LED倒装功率芯片主要包括：制作有P-N电极的外延片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊接、键合功率LED倒装芯片；而且合金为Au、Al、Cu、Pb、Sn或者In一种以上的组合。

本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底键合时，两者之间的距离为2-10μm；制作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底的接触面积的百分比为50％～80％。

本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N电极的外延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成的N-GaN层，在N-GaN层上形成的发光层，在发光层上形成的P-GaN层，在P-GaN层表面淀积形成的有利于电流扩散的金属层即透明导电层，由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N电极，在P-N电极之间生长的钝化层。

本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有反射层的硅衬底为在半导体硅衬底上形成的电学隔离层，在该电学隔离层上有金属反射层。

本发明提供的低应力LED倒装功率芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，制作带P-N电极的外延片，包括如下步骤：在蓝宝石衬底上采用耦合离子刻蚀或反应离子刻蚀设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，刻蚀P-GaN层和发光层至N-GaN层暴露为止，形成P-GaN层和发光层，，刻蚀时用光刻胶或SiO₂作掩膜；在P-GaN层的表面采用真空电子束蒸发形成一层有利于电流扩散的金属层即透明导电层；由P-GaN层和N-GaN层采用磁控溅射或电子束蒸发分别形成引出的P-N电极；在P-N电极之间采用等离子增强化学汽相淀积生长一层70nm-120nm的SiO₂钝化层；