藍寶石基新型倒裝結構及其用途的製作方法

2023-06-01 08:36:36

專利名稱：藍寶石基新型倒裝結構及其用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體光電器件結構，尤其涉及一種大功率LED和雷射器提升可 靠性，降低生產成本的器件結構領域。
背景技術：
光電器件是指光能和電能相互轉換的一類器件。其種類眾多，如發光二極體 (LED)、太陽能電池、光電探測器、雷射器(LD)等等。近年來，隨著氮化鎵基藍光、綠光和紫 外光LED技術的不斷成熟，發光效率不斷提高，LED應用價值越來越受到重視。LED作為一 種光源有著眾多的優點，如發光效能高、色彩飽度高、體積小、重量輕、基於氮化鎵的LED無 毒、無公害，屬於綠色環保光源。因此，LED在照明領域有著巨大的應用價值。目前，LED已經大量進入大屏幕顯示、裝飾照明、建築照明、交通指示、IXD背光等 市場，可是更大的市場在於普通照明，而LED還未能普及應用於這個龐大市場，這是由於現 在的LED還不能滿足普通照明的要求造成的。普通照明需要廉價、大功率的LED產品，可是 現在的大功率LED技術還不成熟、大功率LED製造成本還很昂貴。提升大功率LED性能的途徑主要有兩方面1)提高LED器件的外量子效率，以提 高晶片單位面積的出光量；2)加大晶片的面積，提高單顆晶片的光通量。目前LED的研究 基本都集中在提高LED器件的外量子效率，從外延、晶片工藝到封裝等方面提出了很多改 進的技術措施，如圖形化藍寶石襯底技術、非極化面生長技術、氮化鎵自支撐襯底技術、芯 片表面粗化技術、薄膜LED垂直晶片技術、倒裝LED技術等等。這些技術的應用都可以有效 提高LED晶片單位面積的出光量，有利於製造大功率LED器件。其中倒裝LED技術(如圖1 所示)，可以實現將LED量子阱發光時產生的大量熱量從離量子阱最近的ρ電極導出，無需 像正裝結構的LED (如圖2所示)量子阱產生的熱量需要通過低導熱的藍寶石襯底導出，能 有效改善大功率LED散熱，改善大功率LED的熱可靠性，進而提高LED的壽命和發光效率， 同時倒裝結構中可通過加入反射電極增加LED的取光效率，因而能大大提升器件的性能， 在眾多大功率LED技術中廣受關注。但是現有的倒裝LED技術存在以下問題1.由於目前的倒裝技術都是通過合金焊料或金-金鍵合，同時將LED的η型和ρ 型電極倒裝在電極轉移基板的相應電極上，由於LED的η電極和ρ電極的間距一般在20微 米以內，為了防止在倒裝過程中出現η電極和ρ電極的短路，倒裝過程中一般需要使用價格 昂貴的倒裝焊設備；2.由於採用合金焊料或金_金鍵合時，容易在合金焊料中或是金_金鍵合區產生 孔隙，影響器件倒裝完後的散熱性能，為了在倒裝過程中儘量減小孔隙率，需要嚴格控制倒 裝工藝，造成工藝複雜，成品率控制困難。因此，能夠把該項技術投入實際產品應用的並不
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發明內容
針對上述現有技術的缺陷，本發明的目的旨在提供一種藍寶石基新型倒裝結構及其用途，通過器件結構的改善提高大功率光電器件的熱可靠性，同時降低器件的製造成本。本發明目的的實現，將通過以下概括的技術手段藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於包括n電極導電轉移基板、藍寶石基光電器 件基礎晶片、引線及絕緣填充材料，其中用於與藍寶石基光電器件基礎晶片的n電極及電 源分別相連的電極引線壓焊區位於n電極導電轉移基板高度方向上的兩側。進一步地，前述的藍寶石基新型倒裝結構，其中該n電極導電轉移基板包括第一 引線壓焊區、第二引線壓焊區、導電轉移基板基體、通光孔、引線壓焊區間互連、引線、通光 孔及電隔絕填充材料，其中所述第一引線壓焊區與n電極同側，而所述第二引線壓焊區設 於n電極導電轉移基板背向n電極方向的另一側，所述n電極通過引線、第一引線壓焊區、 引線壓焊區間互連引至第二引線壓焊區。更進一步地，前述的藍寶石基新型倒裝結構，其中該n電極與n電極導電轉移基 板的第一引線壓焊區之間通過鍵合的引線相連，所述引線包括金線、鋁線、銅線、銀線、鉬金 線、鈀合金線或以上幾種材料的複合材料；所述引線壓焊區間互連包括貫通的金屬通孔及 導電的n電極導電轉移基板材料。進一步地，前述的藍寶石基新型倒裝結構，其中基礎晶片n電極、n電極導電轉移 基板的第一引線壓焊區、n電極導電轉移基板、引線之間通過覆蓋絕緣物實現絕緣保護。進一步地，前述的藍寶石基新型倒裝結構，其中該藍寶石基光電器件基礎晶片包 括藍寶石襯底及自藍寶石襯底一側逐層覆蓋的GaN緩衝層、n型GaN層、量子阱發光區、p型 GaN層和帽層，所述量子阱發光區及p型GaN層的面積小於n型GaN層，相對藍寶石襯底同 側的P電極和n電極分別設於p型GaN層及n型GaN層。更進一步地，前述的藍寶石基新型倒裝結構，其中該p電極設有加厚層壓焊區，且 所述P電極加厚層壓焊區與第二引線壓焊區分布在n電極導電轉移基板兩側，分別與電源 相連。本發明的另一個目的，也是本發明技術創新的動力是將該倒裝結構應用於光電 器件中倒裝型發光二極體或雷射器的結構改良及製造工藝之中。實施本發明的技術方案，較之於現有技術其優點簡言之便是該藍寶石基新型倒 裝結構及其應用能以相對較低的製造成本和簡化的製造工藝獲得高效的散熱性能，顯著提 高了發光二極體或雷射器的性能，具有性能優越、產能高、成本節約的綜合效益。為使本發明所述的藍寶石基新型倒裝結構及其用途更易於理解其實質性特點及 其所具的實用性，下面便結合附圖對本發明一具體實施例作進一步的詳細說明。但以下關 於實施例的描述及說明對本發明保護範圍不構成任何限制。


圖1是現有技術藍寶石基倒裝結構的剖面示意圖；圖2是本發明藍寶石基光電器件基礎晶片結構的剖面示意圖；圖3a是本發明一實施例倒裝結構的外觀俯視圖；圖3b是圖3a所示實施例的剖面示意圖；圖4a是本發明另一實施例倒裝結構的外觀俯視圖；圖4b是圖4a所示實施例的剖面示意圖。
具體實施例方式目前現有的倒裝LED都需要使用價格昂貴的倒裝焊設備，究其原因是這些設備可 以提供很高的對準精度(幾個微米 十幾個微米)，可以保證壓焊區的間距儘可能小，防止 在倒裝過程中出現n電極和p電極的短路。為此，本發明設計了一種可以應用於LED或雷射器的藍寶石基新型倒裝結構。如 圖3所示，在製備LED或雷射器基礎管芯的時候，製備厚度達到30 u m-200 y m的p電極加厚 層壓焊區22，LED或雷射器基礎晶片(即藍寶石基光電器件基礎晶片，以下簡稱基礎晶片) 的n電極23採用弓丨線技術通過引線24引出到n電極導電轉移基板25的第一種弓丨線壓焊區 251，然後採用絕緣層26將引線24、LED或雷射器基礎晶片的n電極23、n電極轉移基板的 第一種引線壓焊區251和p電極加厚層壓焊區22填充進行電隔離，與外電源相連的第二引 出壓焊區254做在n電極導電轉移基板25的另一側，實現n電極外接電源的引線壓焊區和 P電極加厚層壓焊區22在高度方向上的隔離。為此LED或雷射器的倒裝，只要使用合金焊 料或金_金鍵合將LED或雷射器的p型電極倒裝在熱沉上，由於p電極加厚層壓焊區22和 n電極外接電源引線壓焊區(即第二引線壓焊區)254分布在n電極導電轉移基板的兩側， 存在較大高度差，在倒裝過程中不存在由於倒裝位置不準，合金焊料外溢，使LED或雷射器 的P型電極和n型電極短路的問題，從而實現採用普通的回流爐就能實現LED或雷射器的 倒裝，避免了使用價格昂貴的倒裝焊設備，從而起到節約成本、提高成品率、增加產能的作 用。其中，該藍寶石基光電器件基礎晶片包括藍寶石襯底及自藍寶石襯底一側逐層覆 蓋的GaN緩衝層、n型GaN層、量子阱發光區、p型GaN層和帽層，所述量子阱發光區及p型 GaN層的面積小於n型GaN層，相對藍寶石襯底同側的p電極和n電極分別設於p型GaN層 及n型GaN層。結合附圖進一步具體來看實施例一如圖3a、圖3b所示，展現了一種新型上下電極形式的藍寶石基倒裝LED器件的結 構圖，圖3a是俯視示意圖，圖3b是剖面示意圖。藍寶石基LED基礎晶片包括外延基底21， P電極加厚層壓焊區22，n電極23，其中外延基底21還包括藍寶石襯底211，第一種半導 體材料212，器件有源區或量子阱213，第二種半導體材料214。第一半導體材料212是n型 GaN半導體，相應地第二種半導體材料214是p型GaN半導體。n電極轉移基板25包括Si 轉移基板252，轉移基板上的第一電極引線壓焊區251，轉移基板上的第二電極引線壓焊區 254,Cu通孔互連253、通光孔255。採用引線鍵合方法通過金引線24，把藍寶石基LED基礎 晶片上的n電極23與n電極轉移基板上的第一電極引線壓焊區251連接在一起，實現電連 接。P電極加厚層壓焊區22、n電極23、轉移基板上的第一電極引線壓焊區251、引線24和 Si轉移基板252之間採用絕緣材料PI進行電隔絕。將p電極加厚層壓焊區倒裝在散熱板 27上。當在n電極轉移基板25上的第二電極引線壓焊區254和藍寶石基LED基礎晶片上 的P電極22或散熱板上27加上偏置電壓，電流順序流經p電極加厚層壓焊區22、p型GaN 半導體214、器件有源區或量子阱213、第一種半導體材料212、n電極23、金引線24、第一電 極引線壓焊區251、Cu通孔互連253、第二電極引線壓焊區254，在有源區或量子阱213處激
5發出光，光從藍寶石面通過n電極轉移基板的通光孔255射出。實施例二如圖4a、圖4b所示，展現了一種新型上下電極形式的藍寶石基倒裝雷射器的結構 圖，圖4a是俯視示意圖，圖4b是剖面示意圖。藍寶石基GaN雷射器基礎晶片包括外延基 底21，p電極及加厚層22，n電極23，其中外延基底21還包括藍寶石外延襯底211，第一 種半導體材料212，器件有源區或量子阱和反射鏡區213a，第二種半導體材料214。第一種 半導體材料212是n型GaN半導體，相應地第二種半導體材料214是p型GaN半導體。n電 極轉移基板25包括Si轉移基板基體252，轉移基板上的第一電極引線壓焊區251，轉移基 板上的第二電極引線壓焊區254、Cu通孔互連253、側面通光孔255。採用引線鍵合方法通 過金引線24，把藍寶石基雷射器基礎晶片上的n電極23與n電極轉移基板上的第一電極引 線壓焊區251連接在一起，實現電連接。p電極加厚層壓焊區22、n電極23、轉移基板上的 第一電極引線壓焊區251、引線24和Si轉移基板252之間採用絕緣材料PI進行填充電隔 絕。將P電極加厚層壓焊區倒裝在散熱板上27上。當在n電極轉移基板上的第二種電極 引線壓焊區254和藍寶石基雷射器基礎晶片上的p電極22或散熱板27上加上偏置電壓， 電流順序流經P電極加厚層壓焊區22、p型GaN半導體214、器件有源區或量子阱和反射鏡 區213a、第一種半導體材料212、n電極23、金引線24、第一電極引線壓焊區251、Cu通孔互 連253、第二電極引線壓焊區254，在有源區或量子阱和反射鏡區213處激發出光，從雷射器 有源區或量子阱和反射鏡區213的端面及側面通光孔255射出。上述兩個實施例的詳細說明可見，本發明提供了一種簡化LED或雷射器的倒裝工 藝、節約加工成本的新型LED或雷射器的器件結構，其結構特徵和核心原理是，利用n電極 導電轉移基板和引線鍵合技術，將先前已有的倒裝方法採用的n電極和p電極同時焊接的 工藝改變為先採用引線鍵合技術將LED或雷射器的n電極引出到n電極導電轉移基板上， 通過n電極導電轉移基板將n電極的引出壓焊點轉移基板的另一側，使LED或雷射器的n電 極和P電極的外引線壓焊點在上下位置上形成30 y m以上的間距，然後通過回流爐和焊料 將LED或雷射器的p型電極倒裝焊接在散熱基板上。由於倒裝過程中不存在n電極和p電 極的同時焊接，無需精確對準，不需要採用高精度的倒裝設備，降低了倒裝LED或雷射器的 生產成本和工藝難度。其中引線鍵合的方法包括熱壓引線鍵合、熱壓超聲鍵合、超聲鍵合、 釺焊引線鍵合等除上述兩個實施例的描述以外，需要之處的是該器件各部分所用材料具有多樣 性，例如基礎晶片上的n電極和p電極及其加厚層、n電極導電轉移基板的兩個壓焊區材料 包括以下單一材料Ti、Ag、Ni、Al、Au、Pt、Pd、Sn、In、Cr、Co、ITO、Cu、Fe、ATO、W、ZnO 等， 或其中幾種材料的複合體或其中某種材料與其它材料的複合體。該n電極導電轉移基板本 身材料可以是透明材料或非透明材料，如Si、各種玻璃、PMMA和PI等有機物、PCB、A1203陶 瓷、A1N陶瓷、SiC陶瓷、SiC、AlN、金剛石、金屬或以上材料的複合結構等。該引線材料的可 選範圍包括Au線、A1線、銅線、銀線、Pt線、Pd合金或以上幾種材料的符合材料。綜上所述，對本發明藍寶石基新型倒裝LED或雷射器結構的詳細介紹，旨在加深 對本發明實質結構及有益效果的理解，對保護範圍不構成任何限制。但凡對於上述實施例 進行的等同變換及等效替換，能夠實現與本發明相同創作目的的技術方案，均落在本案請 求保護的範圍內。
權利要求
藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於包括n電極導電轉移基板、藍寶石基光電器件基礎晶片、引線及絕緣填充材料，其中用於與藍寶石基光電器件基礎晶片的n電極及電源分別相連的電極引線壓焊區位於n電極導電轉移基板高度方向上的兩側。
2.根據權利要求1所述的藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於所述n電極導電轉移 基板包括第一引線壓焊區、第二引線壓焊區、導電轉移基板基體、通光孔、引線壓焊區間互 連、引線、通光孔及電隔絕填充材料，其中所述第一引線壓焊區與n電極同側，而所述第二 引線壓焊區設於n電極導電轉移基板背向n電極方向的另一側，所述n電極通過引線、第一 引線壓焊區、引線壓焊區間互連引至第二引線壓焊區。
3.根據權利要求2所述的藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於所述基礎晶片的n電 極與n電極導電轉移基板的第一引線壓焊區之間通過壓焊鍵合的引線相連，所述引線包括 金線、鋁線、銅線、銀線、鉬金線、鈀合金線或以上幾種材料的複合材料。
4.根據權利要求2所述的藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於所述引線壓焊區間互 連包括貫通電極轉移基板通孔裡的金屬互連及導電的n電極導電轉移基板材料。
5.根據權利要求1所述的藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於所述藍寶石基光電器 件基礎晶片包括藍寶石襯底及自藍寶石襯底一側逐層覆蓋的GaN緩衝層、n型GaN層、量子 阱發光區、P型GaN層和帽層，所述量子阱發光區及p型GaN層的面積小於n型GaN層，相 對藍寶石襯底同側的P電極和n電極分別設於p型GaN層及n型GaN層。
6.根據權利要求5所述的藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於所述p電極設有加厚 層壓焊區，且所述P電極加厚層壓焊區與第二引線壓焊區分布在n電極導電轉移基板兩側， 分別與電源相連。
7.權利要求1所述的藍寶石基新型倒裝結構的用途，其特徵在於所述倒裝結構適用 於倒裝型發光二極體或雷射器。
全文摘要
本發明揭示了一種藍寶石基新型倒裝結構，其特徵在於包括n電極導電轉移基板、藍寶石基光電器件基礎晶片、引線及絕緣填充材料，其中用於與藍寶石基光電器件基礎晶片的n電極及電源分別相連的電極引線壓焊區位於n電極導電轉移基板高度方向上的兩側。特別是應用於光電器件後基礎晶片的p電極加厚層倒裝壓焊區與第二引線壓焊區分布在n電極導電轉移基板兩側，分別獨立與電源焊裝；且基礎晶片的n電極壓焊區與第一引線壓焊區之間採用引線電連接，而非採用倒裝焊接。本發明的該藍寶石基新型倒裝結構及其應用能以相對較低的製造成本獲得高效的散熱性能，顯著提高了發光二極體或雷射器的性能，具有性能優越、產能高、成本節約的綜合效益。
文檔編號H01L33/48GK101859863SQ20101016558
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者張寶順, 楊輝, 王敏銳, 蔡勇 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所