包括輔助支架鍵合修正的發光二極體及其製造方法
2023-05-24 08:28:26 2
專利名稱：包括輔助支架鍵合修正的發光二極體及其製造方法
相關申請的相互參照本申請對2002年1月30日提交的題為「LED管芯固定方法和得到的結構」的臨時申請序列號No.60/352941、2001年7月23日提交的題為「發光二極體的倒裝晶片鍵合」的臨時申請序列號No.60/307311、2001年7月23日提交的題為「倒裝晶片發光二極體的熱聲鍵合」的臨時申請序列號No.60/307234、以及2002年1月25日提交的題為「包括出光修正的發光二極體及其製造方法」的申請No.10/057821的權益和優先權提出權利要求，所有這些公開此處被全部列為參考。
發明的領域本發明涉及到微電子器件及其製造方法，更確切地說是涉及到諸如發光二極體(LED)之類的發光器件及其製造方法。
發明的背景發光二極體被廣泛地應用於消費和商業應用中。如本技術領域熟練人員所知，發光二極體通常包括微電子襯底上的二極體區。此微電子襯底可以包含例如砷化鎵、磷化鎵、它們的合金、碳化矽、和/或藍寶石。LED的不斷發展已經導致了能夠覆蓋可見光譜及其以上的高效率和機械上堅固的光源。這些特性與固態器件潛在的長使用壽命一起，使得能夠得到各種新的顯示應用，並將LED置於與牢固佔領了市場的白熾燈和螢光燈相競爭的地位。
氮化鎵(GaN)基的LED通常包含其上澱積了多個GaN基外延層的諸如碳化矽(SiC)或藍寶石之類的絕緣或半導體襯底。這些外延層包含具有被激勵時發光的p-n結的有源區即二極體區。
LED可以被襯底側朝下地安裝在輔助支架也稱為封裝件或引線框(以下稱為「輔助支架」)上。相反，發光二極體的倒裝晶片安裝涉及到將LED襯底側朝上地(亦即離開輔助支架)安裝在輔助支架上。光可以通過襯底被取出和發射。對於安裝SiC基LED，倒裝晶片安裝方法是特別可取的。確切地說，由於SiC的折射率比GaN的高，故在有源區即二極體區中產生的光通常在GaN/SiC界面處不完全內部反射(亦即反射回到GaN基層中)。SiC基LED的倒裝晶片安裝還能夠改善本技術所知的某些襯底成形技術的效果。SiC基LED的倒裝晶片封裝可以具有其他的一些好處，例如改善了的散熱，根據LED的特定應用，這可能是可取的。
由於SiC高的折射率，故通過SiC襯底的光傾向於在襯底表面處被內部全反射到襯底中，除非光以很小的入射角(亦即很靠近法線)衝擊表面。內部全反射的臨界角通常依賴於SiC與之形成界面的材料。藉助於以使更多的射線以小的入射角衝擊SiC的表面而限制內部全反射的方式來成形SiC襯底，有可能提高從SiC基LED輸出的光。在上述美國專利申請No.10/057821中，提到了大量這種成形技術和得到的器件。
倒裝晶片安裝的一個潛在的問題是，當用常規技術將LED安裝在輔助支架上時，諸如銀環氧樹脂之類的導電的管芯固定材料被澱積在LED上和/或封裝件上，且LED與輔助支架被壓到一起。這會引起粘滯性導電管芯固定材料擠壓出來並與N型襯底和/或器件中各個層相接觸，從而形成能夠短路有源區中的p-n結的肖特基二極體連接。
用焊接、熱聲摩擦和/或熱壓鍵合方法形成的金屬-金屬鍵合，是一些變通的固定技術。但錫(Sn)是大多數類型焊料的一種組分，且Sn從鍵合表面到器件中的遷移能夠引起器件不希望有的退化。這種遷移能夠影響諸如歐姆接觸之類的金屬-半導體界面和/或諸如用作平面鏡的反射界面之類的金屬-金屬界面的功能。
發明的概述根據本發明某些實施方案的發光二極體包括襯底、襯底上的其中包括二極體區的外延區、以及多層導電疊層，此多層導電疊層包括在外延區上與襯底相對的勢壘層。鈍化層至少部分地延伸在多層導電疊層上與外延區相對，以便在多層導電疊層上確定與外延區相對的鍵合區。此鈍化層還延伸跨越多層導電疊層，延伸跨越外延區，並延伸到襯底上。
在本發明的某些實施方案中，鈍化層對用來將鍵合區固定到輔助支架的鍵合材料不浸潤。在本發明的其它實施方案中，多層導電疊層和外延區都包括側壁，且鈍化層延伸在多層導電疊層和外延區的側壁上。在本發明的另一些實施方案中，鍵合層被提供在鍵合區上。在本發明的一些實施方案中，鍵合層包括側壁，且鈍化層也延伸到鍵合層的側壁上。在本發明的再一些實施方案中，鈍化層不延伸在鍵合層側壁上。在本發明的另一些實施方案中，粘合層和/或焊料浸潤層被提供在多層導電疊層與鍵合層之間。在本發明的其它實施方案中，粘合層包括粘合層側壁，且鈍化層也延伸在粘合層側壁上。在其它實施方案中，鈍化層不延伸在粘合層側壁上。
在本發明的其它實施方案中，襯底包括鄰接外延區的第一表面和外延區對面的第二表面。在本發明的某些實施方案中，鍵合層的表面面積小於多層導電疊層的，多層導電疊層的表面面積小於外延區的，且外延區的表面面積小於第一表面的。在本發明的其它實施方案中，第二表面的表面面積也小於第一表面的。
本發明的其它實施方案包括輔助支架以及鍵合區與輔助支架之間的鍵合。在本發明的某些實施方案中，此鍵合是熱壓鍵合。在本發明的其它實施方案中，此鍵合包含焊料。
根據本發明其它實施方案的發光二極體包括具有第一表面和對面的第二表面的襯底，第二表面的表面面積小於第一表面的。外延區被提供在其中包括二極體區的第一表面上。歐姆層位於外延區上襯底的對面。反射層位於歐姆層上外延區的對面。勢壘層位於反射層上歐姆層的對面。粘合層位於勢壘層上反射層的對面。鍵合層位於粘合層上勢壘層的對面。在其它實施方案中，焊料浸潤層面對勢壘層位於粘合層上。本發明的其它實施方案還包含輔助支架以及鍵合層與輔助支架之間的鍵合。
在本發明的某些實施方案中，歐姆層包含鉑、鈀、鎳/金、氧化鎳/金、氧化鎳/鉑、鈦、和/或鈦/金。在本發明的其它實施方案中，反射層包含鋁和/或銀。在本發明的某些實施方案中，勢壘層包含鎢、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。在本發明的其它實施方案中，勢壘層包含含鎢的第一層和第一層上的含鎳的第二層。在本發明的某些實施方案中，焊料的回流溫度低於大約210℃，且勢壘層包含厚度約為500-50000埃的鈦/鎢層。在本發明的其它實施方案中，焊料的回流溫度高於約210℃，且勢壘層包含厚度約為5000埃的鈦/鎢第一層以及第一層上的厚度約為2000埃的含鎳的第二層。在本發明的其它實施方案中，焊料的回流溫度高於約250℃，且勢壘層包含厚度約為5000埃的鈦/鎢第一層以及第一層上的厚度約為2000埃的含鎳的第二層。
在本發明的其它實施方案中，外延區的表面面積小於第二表面。勢壘層、反射層、以及歐姆層的表面面積相同且小於外延區的表面面積。粘合層和鍵合層具有相同的表面面積且小於勢壘層、反射層、以及歐姆層的表面面積。在本發明的其它實施方案中，如上所述，也可以提供鈍化層。
根據本發明某些實施方案的鈍化層提供了用來防止跨越外延區的外部短路的裝置。而且，根據本發明某些實施方案的包含鎢、鈦/鎢和/或氮化鈦/鎢層或鈦/鎢和鎳層的勢壘層，提供了用來減少錫和/或其它潛在有害材料遷移進入多層導電疊層中的裝置。
根據本發明的某些實施方案，藉助於在襯底上外延形成多個分隔開的其中包括二極體區的臺面區，可以製造發光二極體。例如用光刻方法，第一減小面積的區域被確定在臺面區上。包括勢壘層的多層導電疊層被形成在臺面區的第一減小面積的區域上。鈍化層被形成在各個臺面區之間的襯底上，形成在臺面區的暴露部分上，以及形成在多層導電疊層的暴露部分上。勢壘層確定了在多層導電疊層上的第二減小面積的區域。鍵合層被形成在多層導電疊層的第二減小面積的區域上。然後，襯底在各個臺面之間被切割，從而產生多個發光二極體。在本發明的其它實施方案中，切割之後隨之以將鍵合層鍵合到輔助支架。在本發明的某些實施方案中，採用了熱壓鍵合方法。在本發明的其它實施方案中，採用了焊料鍵合方法。
附圖的簡要說明
圖1-10是根據本發明某些實施方案的中間製造步驟中的根據本發明某些實施方案的發光二極體的剖面圖。
圖11A-12D是根據本發明某些實施方案的發光二極體的圖示測試結果。
優選實施方案的詳細描述以下參照其中示出了本發明實施方案的附圖來更充分地描述本發明。但本發明可以用許多不同的形式來體現，不應該構成對此處提出的實施方案的限制。
因此，本發明對各種修正和變通的形式是敏感的，但其具體實施方案在附圖中以舉例的方式被示出，且在此處詳細地描述。但應該理解的是，並非有意地將本發明限制為所公開的具體形式，而是相反，本發明覆蓋了權利要求所定義的本發明的構思與範圍內的所有的修正、等效物、以及改變。在附圖的整個描述中，相似的參考號表示相似的元件。在這些圖中，為了清晰起見，各個層和區域的尺寸可以被誇大。還可以理解的是，當諸如層、區域、或襯底之類的元件被稱為在另一個元件「上」時，可以是直接在其它元件上，或也可以存在插入的元件。相反，當諸如層、區域、或襯底之類的元件被稱為「直接在」另一個元件「上」時，就不存在插入的元件。而且，此處所述的各個實施方案也包括其互補導電類型的實施方案。
現在參照碳化矽基襯底上的氮化鎵基發光二極體來一般地描述本發明的實施方案。但本技術領域熟練人員可以理解的是，本發明的許多實施方案可以採用對發射的光不吸收即透明的襯底和折射率匹配的發光二極體外延層的任何組合。在本發明的某些實施方案中，襯底的折射率大於二極體的折射率。因此，組合可以包括GaP襯底上的AlGaInP二極體；GaAs襯底上的InGaAs二極體；GaAs襯底上的AlGaAs二極體；SiC襯底上的SiC二極體；藍寶石(Al2O3)襯底上的SiC二極體；和/或氮化鎵、碳化矽、氮化鋁、氧化鋅、和/或其它襯底上的氮化物基二極體。
本發明的某些實施方案提供了一種金屬疊層，其外圍具有確定LED器件上很適合於通過焊接和/或熱聲摩擦鍵合來固定管芯的鍵合區的鈍化層。本發明的其它實施方案提供了能夠用焊接和/或熱聲鍵合方法倒裝晶片安裝的LED器件，且它包括能夠減小或消除LED金屬層和/或半導體層的不希望有的退化的墊壘層。本發明的其它實施方案能夠提供鈍化層和勢壘層二者。本發明的其它實施方案提供了製造這些LED器件的方法。根據本發明某些實施方案的鈍化層能夠提供用來防止跨越二極體區的短路的裝置。而且，根據本發明某些實施方案的勢壘層能夠提供用來降低錫和/或其它不希望有的材料遷移進入到LED中的裝置。
在常規的藍寶石基的方法中，也稱為晶片或管芯的LED被透明的環氧樹脂固定到輔助支架。在LED具有導電的SiC襯底的情況下，導電的銀填充的環氧樹脂被典型地用來彼此固定LED和輔助支架。SiC或藍寶石襯底上的常規氮化物基LED通常以外延側朝上且襯底鍵合到輔助支架的方式被封裝。
常規SiC基LED的某些實施方案具有n型導電的襯底以及襯底上包括一個或多個n型外延層和一個或多個p型外延層來確定二極體區的外延區。透明的歐姆接觸可以被形成在p型外延LED表面上。如上述美國專利申請序列號No.10/057821所述，在薄的透明歐姆接觸上形成反射層來改善從器件的出光，是有益的。反射層能夠用來在薄的接觸上均勻地分散電流，還能夠用來將光反射回到襯底中離開輔助支架。
不幸的是，若來自焊接或熱聲/熱壓鍵合的錫和/或其它沾汙物從鍵合表面遷移到反射層，則反射層的反射性可能變小。而且，若這些沾汙物遷移超過反射層到透明的歐姆接觸，則透明歐姆接觸的接觸電阻率可能變得更高，從而增大了器件的正向電壓(VF)。二種結果都可能以器件的退化為特徵。
反射層可以包含Ag和/或Al，且薄的透明歐姆層可以包含Pt、Pd、Ni、Ti、Au、或這些元素的組合。不幸的是，Sn容易地與Ag、Pt、Au以及半導體製造中所用的各種其它金屬形成合金。
根據本發明某些實施方案可以被形成在LED的p型表面上的一系列導電層(此處稱為「多層導電疊層」)的第一部分，包含歐姆層、反射層、以及勢壘層。在某些實施方案中，勢壘層包含鈦、鈦/鎢(TiW)、和/或氮化鈦/鎢(TiNW)的薄層。在其它實施方案中，勢壘層包含鈦/鎢的第一層以及第一層上的含鎳的第二層。
在本發明的某些實施方案中，這部分多層導電疊層和器件的頂部被諸如焊料或共晶管芯固定材料不與之浸潤的絕緣層之類的鈍化層鈍化。可以用常規甩塗或諸如化學氣相澱積(CVD)和/或反應濺射之類的澱積技術來形成此鈍化層，且此鈍化層可以包含諸如二氧化矽和/或氮化矽之類的絕緣氧化物和/或氮化物。
在本發明的某些實施方案中，鈍化層中的窗口然後被形成為其橫向尺寸(亦即表面面積)小於勢壘層的橫向尺寸，致使僅僅一部分勢壘層表面被暴露。可以用常規的光刻和腐蝕技術來產生這種窗口。可以包含Ti的可選粘合層被形成在窗口中，還形成可以包含Au、Sn、和/或AuSn的厚鍵合層。在其它實施方案中，可選的焊料浸潤層被提供在粘合層與鍵合層之間。焊料浸潤層能夠提供焊料與LED之間的增強的機械連接，這能夠提高連接的抗剪強度。
在本發明的某些實施方案中，若在電學測試過程中要用探針尖將機械應力施加到多層導電疊層，則此鍵合層能夠用來保護勢壘層。而且，在本發明的其它實施方案中，鍵合層中的金能夠用來保護勢壘層避免氧化。在本發明的其它實施方案中，AuSn可以被用於鍵合層中作為可以被用來通過作為焊料鍵合的一種變通的熱聲或熱壓鍵合而將LED和輔助支架彼此鍵合的共晶管芯固定材料。
根據本發明某些實施方案的多層導電疊層可以很好地適合於固態器件，其中本發明的某些實施方案能夠提供比若用Ni或NiV來形成焊料勢壘可以得到的明顯地更薄的疊層。在本發明的某些實施方案中，包含W、TiW、和/或TiNW和/或W和Ni層的勢壘層，能夠小於若僅僅Ni被用作勢壘層所使用的厚度的一半。當考慮固態器件通常小的橫向尺寸時，以及當考慮若存在大的形貌尺寸與使用常規製造技術相關的潛在困難時，這可能是有優點的。勢壘層還能夠提供對抗Sn和/或其它不希望有的遷移的所需垂直勢壘。
根據本發明某些實施方案的鈍化層能夠覆蓋除了暴露勢壘層的減小了面積的窗口之外的整個LED的外延表面，並能夠提供一種堤壩來減小或防止Sn和/或其它不希望有的進入到反射平面鏡層或歐姆接觸中或直至金屬疊層邊沿的遷移。在LED具有導電襯底的情況下，根據本發明某些實施方案的鈍化層還能夠用來保持管芯固定材料不接觸到襯底，這種接觸可能產生諸如形成寄生肖特基二極體之類的不希望有的效應。
工作於大功率電平下的大面積LED可以採用具有低熱阻的封裝來減小或防止器件性能的退化。與金屬管芯固定材料相比，環氧樹脂基的管芯固定材料可能具有高的熱阻。在倒裝晶片結構中，LED的p-n結區被安裝得非常靠近熱沉封裝件，這能夠旁路襯底的熱阻。在本發明的某些實施方案中，這可以被用於大面積的SiC基LED，儘管SiC的熱阻低。由本發明某些實施方案提供的金屬-金屬鍵合，由於藍寶石的熱阻高，故也可以被用於具有藍寶石襯底的LED。因此，本發明的某些實施方案可以被用於大面積的LED，這可能得益於結朝下(倒裝晶片)金屬-金屬管芯固定結構。本發明的其它實施方案可以被用於小面積的LED。
本發明的某些實施方案還可以提高後續封裝和裝配步驟中器件能夠承受的允許溫度範圍。金屬-金屬鍵合能夠被設計用於例如當LED被安裝到印刷電路板時後續的熱循環。若利用300℃下的AuSn熱聲或熱壓鍵合，或利用230℃下的SnAg焊料將LED管芯固定到其輔助支架，則在200℃下使用SnPb焊料的後續加工過程不會由於回流管芯固定鍵合而引起機械失效。亦即，提高溫度下的後續加工不引起LED管芯從輔助支架脫落。相反，採用環氧樹脂基管芯固定方法的LED可能承受不了高溫熱循環。而且，在熱加工過程中，透明的環氧樹脂能夠被汙染，導致不希望有的光衰減。
本發明的某些實施方案還可以增加LED與輔助支架之間得到的鍵合的抗剪強度。蘊含減小或防止錫和/或其它不希望有的材料達及器件外延層的焊料勢壘層，能夠保持金屬-半導體界面的粘合強度，並導致更堅固的機械上穩定的器件。確切地說，已經發現在金鍵合層下方包括鎳焊料浸潤層的各個實施方案可以表現出優異的抗剪強度。
此外，本發明的某些實施方案可以改善得到的器件的熱導率。在可以承載電流明顯大於常規LED的所謂「功率」或大面積LED中，這一效應尤其明顯。在這種LED中，本發明的某些實施方案能夠防止或減小金屬層中的「空洞化」。空洞化指的是在金屬區中形成物理空洞或空間。本發明的某些實施方案可以用來保持這種金屬層中的緊密晶粒結構，從而使器件儘管工作於對應高結溫的大功率電平，仍然能夠保持高的熱導率。改善了的熱導率還可以有助於降低其中封裝LED特別是功率LED的包封材料的退化。這種包封劑通常對熱很敏感，並在長時間暴露於高溫之後，可能發黃，變得更不透明。藉助於改善LED安裝界面的熱導率，更少的熱可以通過包封劑耗散，這能夠導致退化降低。
圖1示出了根據本發明某些實施方案的LED器件前身10，它包含具有分別相反的第一表面20a和第二表面20b的襯底20以及形成在襯底20的第一表面20a上的外延區22。襯底20可以包含碳化矽、藍寶石、氮化鋁、氮化鎵、或任何其它適當的導電襯底材料或不導電襯底材料。在本發明的某些實施方案中，襯底20包含導電的摻雜SiC。在本發明的某些實施方案中，襯底20是在預定波長範圍內對光輻射透明的。在本發明的某些實施方案中，外延區22包含導電緩衝層和多個III族氮化物外延層，其中至少某些外延層提供了二極體區。為了說明的目的，圖1-10所示的襯底、外延層、以及金屬層的尺寸未按比例繪製，而是進行了誇大。可以例如用在外延區22表面上進行等離子體增強化學氣相澱積(PECVD)的方法，來可選地形成薄的二氧化矽層和/或其它層(未示出)，以便在後續的加工和清洗步驟中對外延層表面進行保護。
澱積外延區22之後，如圖2所示對外延區22進行圖形化，以便形成各具有側壁30a和30b的多個臺面30。雖然在圖2中未示出，但臺面30可以延伸進入到襯底20中。而且，在本發明的某些實施方案中，可以藉助於通過掩模中的窗口的選擇性外延生長而不是通過滿鋪外延生長和腐蝕，來形成臺面30。
仍然參照圖2，在本發明的某些實施方案中，光抗蝕劑層24和/或其它材料層被形成在前身10的表面上，並被圖形化以便暴露臺面30的表面，從而在臺面30表面上確定第一減小的區域30c。若存在可選的二氧化矽層，則可以通過光抗蝕劑24中的窗口被腐蝕，以便暴露臺面30中外延區22的外延表面層上的第一減小的區域30c。
然後，用例如常規剝離技術，在臺面30的第一減小的區域30c上形成多層導電疊層35。如圖3所示，多層導電疊層35包括歐姆層32、反射層34、以及勢壘層36。在本發明的某些實施方案中，歐姆層32包含鉑，但在其它實施方案中，可以包含鈀、鎳/金、氧化鎳/金、氧化鎳/鉑、鈦和/或鈦/金。在上述參考申請序列號No.10/057821中描述了歐姆層的其它實施方案。若歐姆層32包含鉑，則在本發明的某些實施方案中，鉑的厚度約為25埃。反射層34可以包含任何適當的反射金屬，並可以包含鋁或銀。在某些實施方案中，反射層34的厚度約為1000埃。在上述參考申請No.10/057821中描述了反射層的其它實施方案。
在本發明的某些實施方案中，勢壘層36可以是焊料勢壘層，以便使諸如錫之類的焊料金屬避免與反射層34和/或歐姆層32發生反應。在本發明的某些實施方案中，勢壘層36包含W、TiW和/或TiN/W，且厚度約為500-50000埃，而在本發明的其它實施方案中，厚度約為5000埃。在本發明的其它實施方案中，勢壘層36可以包含Ti組分約為5％而W組分約為95％的TiW。
當在低於大約210℃的回流溫度下執行(下面描述的)焊料鍵合操作時，可以採用包含鎢或鈦/鎢的厚度約為500-3000埃的勢壘層36的其它實施方案。例如，根據本發明的某些實施方案，當在大約190-210℃的回流溫度下採用金/鉛/錫的共晶焊料時，可以採用包含約500-3000埃之間的鈦/鎢的勢壘層。
在本發明的其它實施方案中，較高的回流溫度可以被用來適應諸如回流溫度約為220-260℃的包含錫、銀、以及銻的焊料之類的其它的焊料。這些焊料的一個例子是Kester牌R276AC的大約96.5％的錫和大約3.5％的銀的銀-錫焊膏。因此，在本發明的某些實施方案中，勢壘層36包含厚度約為5000埃的鎢或鈦/鎢第一層36a以及第一層36a上的厚度約為2000埃的包含鎳的第二層36b。已經發現，本發明的某些這種實施方案能夠承受大約325-350℃之間的溫度大約5分鐘而不明顯地增大LED的正向電壓(VF)或降低LED的光輸出。於是，在本發明的某些實施方案中，包含鎢或鈦/鎢層36a和鎳層36b的多層勢壘層36被用於回流溫度高於大約200℃的焊料。在本發明的其它實施方案中，這些多層勢壘層可以被用於回流溫度高於大約250℃的焊料。
在本發明的某些實施方案中，用例如電子束技術澱積了鎢、銀、以及鉑。可以用電子束技術來澱積TiW，但在本發明的其它實施方案中，Ti和W被同時濺射澱積。此外，在本發明的其它實施方案中，在存在氮的情況下，可以濺射澱積TiW來形成也對錫擴散構成勢壘的TiN/TiW層。
在本發明的其它實施方案中，勢壘層36可以主要由鎳或NiV組成。在本發明的其它實施方案中，勢壘層36可以包含完全被大約500-10000埃厚的金層覆蓋的2500埃的鎳焊料勢壘。此金層能夠防止鎳層被氧化。但採用鎳勢壘層可能導致在提高的溫度下光和電性能以及錫遷移造成的電流電平的高得無法接受的退化。而且，較厚的鎳膜由於膜應力可能高而可能難以使用。這可能引起對鎳從相鄰的反射層和/或歐姆層剝離的擔心。而且金在勢壘層邊沿的存在可能產生錫向下圍繞勢壘邊沿遷移的通道。
現在參照圖4，在本發明的某些實施方案中，鈍化層40被澱積或形成在器件前身10的第一(即外延側)表面20a上。在本發明的某些實施方案中，鈍化層40可以包含二氧化矽和/或SiN(可以以化學比或非化學比的量來澱積)，並可以用諸如PECVD和/或反應濺射之類的常規技術來澱積。在本發明的某些實施方案中，鈍化層40的厚度約為1500埃。還如圖4所示，這種滿鋪澱積還在臺面30和多層導電疊層35的側壁上以及勢壘層36的暴露表面上形成了鈍化層。
現在參照圖5，利用腐蝕掩模(諸如光抗蝕劑)對鈍化層40進行圖形化，以便提供第一圖形化的鈍化層40a，並選擇性地呈現勢壘層36表面的第二減小的區域部分36c。在本發明的其它實施方案中，可以用剝離技術來暴露勢壘層36表面的第二減小的區域部分36c。在本發明的其它實施方案中，可以採用鈍化層40a的選擇性澱積，致使不必使用分立的圖形化步驟。
仍然參照圖5，包含例如Ti的可選粘合層55然後被澱積在勢壘層36的第二減小的區域36c上，且鍵合層60被澱積在粘合層55上。可以用圖形化的鈍化層40a作為掩模和/或利用剝離技術，來執行這些澱積。在本發明的某些實施方案中，粘合層55的厚度約為1000埃。在某些實施方案中，鍵合層60可以包含Au、Sn和/或AuSn，且厚度約為1000埃。在本發明的某些實施方案中，鍵合層60的厚度可以高達大約1微米(若是Au)或大約1.7微米(若是AuSn)。但在某些實施方案中，厚度大於大約1000埃的Au層的使用可能導致不協調的焊料回流過程或焊料附著的Au脆變，這可能導致低的抗剪強度。如所示，根據本發明的某些實施方案，圖形化的鈍化層40a還位於粘合層55和鍵合層的側壁上。在其它實施方案中，圖形化的鈍化層40a不延伸在粘合層55和鍵合層60的側壁上。在這些實施方案中，鈍化層可以延伸在導電疊層35的側壁上。根據本發明的其它實施方案，鍵合層60延伸離開多層導電疊層35，直到超過圖形化的鈍化層40a。在其它實施方案中，鍵合層60不延伸超過圖形化的鈍化層40a的外表面。
對於製作在導電襯底上的器件，歐姆接觸和金屬絲鍵合焊點(未示出)被形成在外延區對面的第二襯底表面20b上，以便形成垂直導電器件。在申請No.10/057821中，描述了許多這種實施方案。對於製作在不導電襯底上的器件，歐姆接觸和金屬鍵合層(未示出)可以被形成在器件的n型外延區上，以便形成水平導電器件。在申請No.10/057821中，也示出了許多這種實施方案。
現在參照圖6，前身10被分割成單個的發光二極體100。圖6還示出了LED 100可以被鋸成具有傾斜的側壁結構70，以便提高出光。在申請No.10/057821中，描述了襯底成形的許多其它的實施方案。
因此，圖6示出了根據本發明某些實施方案的發光二極體100，它包括襯底20、襯底20上的包括二極體區的外延區(先前稱為臺面)30、外延區30上與襯底20相對的多層導電疊層35、以及至少部分地延伸在多層導電疊層35上與外延區30相對的鈍化層40b，以便在多層導電疊層35上確定與外延區30相對的面積減小的鍵合區36c。在某些實施方案中，鈍化層40b還延伸跨越多層導電疊層35，延伸跨越外延區30，以及延伸到第一襯底表面20a上。也如圖6所示，在本發明的某些實施方案中，多層導電疊層35和外延區30都包括側壁，且鈍化層40b延伸在多層導電疊層35和外延區30的側壁上。也如圖6所示，鍵合層60被提供在鍵合區36c上。鍵合層60也包括鍵合層側壁，且鈍化層40b可以延伸到鍵合層側壁上或可以不延伸到鍵合層側壁上。最後，粘合層55可以被提供在多層導電疊層35與鍵合層60之間，且鈍化層40b也可以延伸到粘合層55和/或鍵合層60側壁上或不延伸到粘合層55和/或鍵合層60側壁上。
仍然參照圖6，在本發明的某些實施方案中，襯底20包括鄰近外延區30的第一表面20a和外延區對面的第二表面20b。如圖6所示，鍵合層60的表面面積小於多層導電疊層35，且多層導電疊層35的表面面積小於外延區30。外延區30的表面面積小於第一表面20a。第二表面20b的表面面積小於第一表面20a。
圖6還示出了根據本發明某些實施方案的發光二極體，它包括具有分別相反的第一和第二表面20a和20b的襯底20，第二表面20b的表面面積小於第一表面。外延區30位於第一表面20a上，且其中包括二極體區。歐姆層32位於外延區30上襯底20的對面。反射層34位於歐姆層32上外延區30的對面。勢壘層36位於反射層34上歐姆層32的對面。粘合層55位於勢壘層36上反射層34的對面。最後，鍵合層60位於粘合層55上勢壘層36的對面。
也如圖6所示，在本發明的某些實施方案中，勢壘層36包含鎢、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。在本發明的其它實施方案中，錫的勢壘層36包含含鎢的第一層36a和含鎢的第一層36a上的含鎳的第二層36b。
也如圖6所示，在本發明的某些實施方案中，外延區30的表面面積小於第一表面20a。勢壘層36、反射層34、以及歐姆層32具有相同的表面面積，此表面面積小於外延區30的表面面積。粘合層55和鍵合層60具有相同的表面面積，此表面面積小於勢壘層36、反射層34、以及歐姆層32的表面面積。
最後，也如圖6所示，在本發明的某些實施方案中，外延區30、歐姆層32、反射層34、勢壘層36、粘合層55、以及鍵合層60各包括側壁，且發光二極體100還包括在外延區30、歐姆層32、反射層34、以及勢壘層36的側壁上的鈍化層40b。鈍化層也可以延伸到粘合層55和/或鍵合層60的側壁上或可以不延伸到粘合層55和/或鍵合層60的側壁上。鈍化層40b也可以延伸在襯底20的第一表面20a上。
圖7示出了本發明其它實施方案，其中，鍵合層60包含焊料浸潤層62以及浸潤鈍化層64。在某些實施方案中，焊料浸潤層62包含鎳，且厚度約為2000埃。在某些實施方案中，浸潤鈍化層64包含金，且厚度約為500埃。根據本發明某些實施方案，採用鎳焊料浸潤層62，能夠為焊料提供增強的機械鍵合，這能夠提高連接的抗剪強度，並能夠降低機械失效的可能性。
圖8示出了本發明的其它實施方案，其中，鍵合層60和可選的粘合層55不延伸超過鈍化層40b的外邊沿40c。根據本發明的某些實施方案，當焊料鍵合被用來將LED安裝到引線框時，可以採用此結構。
圖1-8還示出了根據本發明某些實施方案製造多個發光二極體的方法。這些方法包含在襯底20上形成多個分隔開的臺面區30，此臺面區中包括二極體區(圖2)。第一減小面積的區域30c被確定在臺面區上(圖2)。包括勢壘層的多層導電疊層35被形成在臺面區30的第一減小面積的區域30c上(圖3)。鈍化層40a被形成在各個臺面區30之間的襯底20上、臺面區的暴露部分上、以及多層疊層35的暴露部分上，鈍化層40a在多層導電疊層35上確定第二減小面積的區域36c(圖4和5)。然後，鍵合層60被形成在多層導電疊層35的第二減小面積的區域36c上(圖5)。襯底20在各個臺面30之間被切割，從而產生多個發光二極體100(圖6)。
現在參照圖9和10，如圖9和10所示，一旦已經切割了LED 100，LED和導電輔助支架75就被彼此固定。圖9示出了本發明的實施方案，其中，LED 100通過熱聲和/或熱壓鍵合被外延側朝下地安裝在「倒裝晶片」結構中。亦即，例如如美國臨時申請No.60/307234所述，代替採用環氧樹脂或焊料來形成LED 100與輔助支架75之間的機械連接即鍵合，LED 100的鍵合層60被熱聲或熱壓直接鍵合到輔助支架75。
在根據本發明某些實施方案的熱聲或熱壓鍵合的某些實施方案中，LED晶片100被置於與輔助支架機械接觸，並在高於鍵合金屬的共晶溫度的溫度下對其進行機械和/或聲學激勵。鍵合金屬於是與金屬輔助支架形成鍵合，這提供了LED與輔助支架之間的機電連接。在本發明的實施方案中，鍵合層60具有相對組分約為80％/20％的Au/Sn，用於熱聲鍵合的溫度可以約為300℃。
勢壘層36和/或鈍化層40b的存在，能夠降低或防止鍵合層60中的金屬與反射層34和/或歐姆層32之間不希望有的相互反應。勢壘層36和/或鈍化層40還可以用來抑制或禁止金屬沿金屬疊層35邊沿的不希望有的遷移。
在本發明的其它實施方案中，如圖10所示，可以用諸如SnAg、SnPb之類的金屬焊料80和/或其它焊料，將LED 100安裝在輔助支架75上。鈍化層40b能夠降低或防止Sn從焊料80遷移到(從而潛在地退化)反射層34和/或歐姆層32。鈍化層40b還能夠降低或防止導電焊料80與襯底20和臺面側壁接觸，否則這種接觸可能導致形成對器件100的n型區的不希望有的寄生肖特基接觸。在上述臨時申請No.60/307311中，公開了根據本發明其它實施方案可以使用的其它鍵合技術。
測試結果下列測試結果是說明性的，不構成對本發明範圍的限制。圖11A-11D圖示了2500埃鎳焊料勢壘的測試結果，而圖12A-12D圖示了5000埃TiW勢壘的結果。
在第一測試中，測量了大量LED樣品的高溫工作壽命(HTOL)。在此測試中，20個LED被製造成具有TiW焊料勢壘36、SiN鈍化層40b、以及金鍵合層60。除了使用Ni焊料勢壘之外，20個LED還被製造成具有相同的結構。這些器件經由焊料鍵合被安裝在鍍銀的半徑為5mm的引線框上。這些器件然後在被保持於85℃溫度的情況下以20mA的正向電流工作。在24、168、336、504、672、864、1008小時之後，測量光輸出功率和VF。如圖11A和12A所示，與具有TiW勢壘的器件相比，具有Ni勢壘的器件表示出更大的光輸出退化。而且Ni勢壘器件中的VF增大(圖11B)得比TiW勢壘器件中的(圖12B)更多。
在第二測試中，20個LED被製造成具有TiW焊料勢壘36、SiN鈍化層40b、以及金鍵合層60，且除了使用Ni勢壘之外，20個LED被製造成具有相同的結構。這些器件如上述參照HTOL測試那樣被安裝，並在被保持於85℃溫度和85％的相對溼度的情況下以70mA的脈衝正向電流(4KHz下25％佔空度)工作504小時。在24、168、336、504、672、864、1008小時之後，測量光輸出功率和VF。如圖11C和12C所示，更大的光輸出退化出現在具有Ni勢壘的器件中，且如圖11D和12D所示，更大的VF增大出現在具有Ni勢壘的器件中。
在附圖和說明書中，已經描述了本發明的各種典型優選實施方案。雖然使用了具體的表達，但它們是在一般和敘述性的意義上被使用，而不是為了限制的目的，本發明的範圍在下列權利要求中被提出。
權利要求
1.一種發光二極體，它包含襯底；襯底上其中包括二極體區的外延區；外延區上襯底對面的包括勢壘層的多層導電疊層；以及至少部分地延伸在多層導電疊層上與外延區相對的鈍化層，以便確定在多層導電疊層上與外延區相對的鍵合區，此鈍化層還延伸跨越多層導電疊層、延伸跨越外延區、以及延伸到襯底上。
2.根據權利要求1的發光二極體，其中，鈍化層對用來將鍵合區固定到輔助支架的鍵合材料不浸潤。
3.根據權利要求1的發光二極體，其中，多層導電疊層包括多層導電疊層側壁，其中，外延區包括外延區側壁，且其中，鈍化層延伸在多層導電疊層側壁上，並延伸在外延區側壁上。
4.根據權利要求1的發光二極體，還包含鍵合區上的鍵合層。
5.根據權利要求1的發光二極體，其中，鍵合層包括鍵合層側壁，且其中，鈍化層也延伸在鍵合層側壁上。
6.根據權利要求1的發光二極體，其中，鍵合層包括鍵合層側壁，且其中，鈍化層不延伸在鍵合層側壁上。
7.根據權利要求4的發光二極體，還包含多層導電疊層與鍵合層之間的粘合層。
8.根據權利要求4的發光二極體，還包含多層導電疊層與鍵合層之間的焊料浸潤層。
9.根據權利要求8的發光二極體，其中，焊料浸潤層包含鎳。
10.根據權利要求7的發光二極體，其中，粘合層包括粘合層側壁，且其中，鈍化層也延伸在粘合層側壁上。
11.根據權利要求7的發光二極體，其中，粘合層包括粘合層側壁，且其中，鈍化層不延伸在粘合層側壁上。
12.根據權利要求4的發光二極體，其中，襯底包括鄰近外延區的第一表面以及與外延區相對的第二表面，其中，鍵合層的表面面積小於多層導電疊層，其中，多層導電疊層的表面面積小於外延區，且其中，外延區的表面面積小於第一表面。
13.根據權利要求12的發光二極體，其中，第二表面的表面面積小於第一表面。
14.根據權利要求1的發光二極體，還包含輔助支架以及鍵合區與輔助支架之間的鍵合。
15.根據權利要求14的發光二極體，其中的鍵合是熱壓鍵合。
16.根據權利要求14的發光二極體，其中的鍵合包含焊料。
17.根據權利要求4的發光二極體，其中，鍵合層延伸離開多層導電疊層直至超過鈍化層。
18.根據權利要求4的發光二極體，其中，鍵合層不延伸離開多層導電疊層直至超過鈍化層。
19.根據權利要求1的發光二極體，其中，襯底包含碳化矽，且其中，外延區包含氮化鎵。
20.根據權利要求1的發光二極體，其中，多層導電疊層包含歐姆層、反射層、以及勢壘層。
21.根據權利要求20的發光二極體，其中，歐姆層包含鉑、鈀、鎳/金、氧化鎳/金、氧化鎳/鉑、鈦、和/或鈦/金，且其中，反射層包含鋁和/或銀。
22.根據權利要求20的發光二極體，其中，勢壘層包含鎢、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。
23.根據權利要求20的發光二極體，其中，勢壘層包含大約95％的鎢和大約5％的鈦。
24.根據權利要求1的發光二極體，其中，勢壘層包含鎢、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。
25.根據權利要求1的發光二極體，其中，勢壘層包含大約95％的鎢和大約5％的鈦。
26.根據權利要求20的發光二極體，其中，勢壘層包含含鎢的第一層和含鎳的第二層。
27.根據權利要求26的發光二極體，其中，第一層包含鈦/鎢。
28.根據權利要求1的發光二極體，其中，勢壘層包含含鎢的第一層和含鎳的第二層。
29.根據權利要求28的發光二極體，其中，第一層包含鈦/鎢。
30.根據權利要求22的發光二極體，還包含輔助支架以及勢壘層與輔助支架之間的焊料層。
31.根據權利要求24的發光二極體，還包含輔助支架以及勢壘層與輔助支架之間的焊料層。
32.根據權利要求26的發光二極體，還包含輔助支架以及含鎳的第二層與輔助支架之間的焊料層。
33.根據權利要求28的發光二極體，還包含輔助支架以及含鎳的第二層與輔助支架之間的焊料層。
34.根據權利要求4的發光二極體，還包含多層導電疊層與鍵合層之間的抗剪強度增強層。
35.根據權利要求34的發光二極體，其中，抗剪強度增強層包含鎳。
36.一種發光二極體，它包含具有第一和第二相對表面的襯底，此第二表面的表面面積小於第一表面；第一表面上其中包括二極體區的外延區；外延區上與襯底相對的歐姆層；歐姆層上與外延區相對的反射層；反射層上與歐姆層相對的勢壘層；勢壘層上與反射層相對的粘合層；以及粘合層上與勢壘層相對的鍵合層。
37.根據權利要求36的發光二極體，還包含輔助支架以及鍵合層與輔助支架之間的鍵合。
38.根據權利要求37的發光二極體，其中的鍵合是熱壓鍵合。
39.根據權利要求37的發光二極體，其中的鍵合包含焊料。
40.根據權利要求39的發光二極體，其中的焊料包含錫和/或金。
41.根據權利要求36的發光二極體，其中，襯底包含碳化矽，且其中，外延區包含氮化鎵。
42.根據權利要求36的發光二極體，其中，歐姆層包含鉑、鈀、鎳/金、氧化鎳/金、氧化鎳/鉑、鈦、和/或鈦/金，且其中，反射層包含鋁和/或銀。
43.根據權利要求36的發光二極體，其中，勢壘層包含鈦、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。
44.根據權利要求36的發光二極體，其中，勢壘層包含大約95％的鎢和大約5％的鈦。
45.根據權利要求36的發光二極體，其中，勢壘層包含含鎢的第一層和含鎳的第二層。
46.根據權利要求45的發光二極體，其中，第一層包含鈦/鎢。
47.根據權利要求39的發光二極體，其中，焊料的回流溫度低於大約210℃，且其中，勢壘層包含厚度約為500-50000埃的鈦/鎢層。
48.根據權利要求39的發光二極體，其中，焊料的回流溫度高於大約210℃，且其中，勢壘層包含厚度約為5000埃的鈦/鎢第一層以及第一層上的厚度約為2000埃的含鎳的第二層。
49.根據權利要求39的發光二極體，其中，焊料的回流溫度高於大約250℃，且其中，勢壘層包含厚度約為5000埃的鈦/鎢第一層以及第一層上的厚度約為2000埃的含鎳的第二層。
50.根據權利要求36的發光二極體，其中，外延區的表面面積小於第一表面，其中，勢壘層、反射層、以及歐姆層具有小於外延區的表面面積的相同的表面面積，且其中，粘合層和鍵合層具有小於勢壘層、反射層、以及歐姆層的表面面積的相同的表面面積。
51.根據權利要求36的發光二極體，其中，外延區、歐姆層、反射層、勢壘層、粘合層、以及鍵合層各具有側壁，發光二極體還包含在外延區、歐姆層、反射層、勢壘層、粘合層、以及鍵合層的側壁上的鈍化層。
52.根據權利要求50的發光二極體，其中，外延區、歐姆層、反射層、勢壘層、粘合層、以及鍵合層各具有側壁，發光二極體還包含在外延區、歐姆層、反射層、勢壘層、粘合層、以及鍵合層的側壁上的鈍化層。
53.根據權利要求52的發光二極體，其中，鈍化層還位於襯底的第一表面上。
54.根據權利要求52的發光二極體，還包含輔助支架以及鍵合層與輔助支架之間的焊料層，其中，鈍化層對焊料層不浸潤。
55.根據權利要求36的發光二極體，還包含粘合層與鍵合層之間的焊料浸潤層。
56.根據權利要求36的發光二極體，還包含粘合層與鍵合層之間的抗剪強度增強層。
57.一種發光二極體，它包含襯底；襯底上其中包括二極體區的外延區；外延區上與襯底相對的多層導電疊層；以及用來降低沾汙物進入多層導電疊層中的遷移的裝置。
58.根據權利要求57的發光二極體，其中，用來降低的裝置包含含鎢的層。
59.一種製造多個發光二極體的方法，它包含在襯底上外延形成多個分隔開的臺面區，此臺面區中包括二極體區；在臺面區上確定第一減小面積的區域；在臺面區的第一減小面積的區域上形成包括勢壘層的多層導電疊層；在各個臺面區之間的襯底上、臺面區的暴露部分上、以及多層導電疊層的暴露部分上，形成鈍化層，此鈍化層在多層導電疊層上確定第二減小面積的區域；在多層導電疊層的第二減小面積的區域上，形成鍵合層；以及在各個臺面之間切割襯底，以便產生多個發光二極體。
60.根據權利要求59的方法，其中，切割之後隨之以將鍵合層鍵合到輔助支架。
61.根據權利要求60的方法，其中，鍵合包含將鍵合層熱壓鍵合到輔助支架。
62.根據權利要求60的方法，其中，鍵合包含將鍵合層焊料鍵合到輔助支架。
63.根據權利要求62的方法，其中，鈍化層不浸潤將鍵合層焊料鍵合到輔助支架過程中所用的焊料。
64.根據權利要求59的方法，其中，多層導電疊層包括多層導電疊層側壁，其中，外延區包括外延區側壁，且其中，形成鈍化層包含在多層導電疊層側壁上以及在外延區側壁上形成鈍化層。
65.根據權利要求59的方法，其中，在形成鈍化層與形成鍵合層之間，執行下列步驟在多層導電疊層的第二減小面積的區域上形成粘合層。
66.根據權利要求59的方法，其中，在形成鈍化層與形成鍵合層之間，執行下列步驟在多層導電疊層的第二減小面積的區域上形成焊料浸潤層。
67.根據權利要求59的方法，其中，在形成鈍化層與形成鍵合層之間，執行下列步驟在多層導電疊層的第二減小面積的區域上形成抗剪強度增強層。
68.根據權利要求59的方法，其中，襯底包括鄰近臺面區的第一表面以及與臺面區相對的第二表面，且其中，切割包含在各個臺面區之間切割襯底，以便產生包括表面面積小於其第一表面的第二表面的多個發光二極體。
69.根據權利要求59的方法，其中，襯底包含碳化矽，且其中，外延區包含氮化鎵。
70.根據權利要求59的方法，其中，多層導電疊層包含歐姆層、反射層、以及勢壘層。
71.根據權利要求59的方法，其中，歐姆層包含鉑、鈀、鎳/金、氧化鎳/金、氧化鎳/鉑、鈦、和/或鈦/金，且其中，反射層包含鋁和/或銀。
72.根據權利要求59的方法，其中，勢壘層包含鎢、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。
73.根據權利要求59的方法，其中，勢壘層包含鎢、鈦/鎢、和/或氮化鈦/鎢。
74.根據權利要求70的方法，其中，勢壘層包含含鎢的第一層和含鎳的第二層。
75.根據權利要求59的方法，其中，勢壘層包含含鎢的第一層和含鎳的第二層。
76.根據權利要求59的方法，其中，鍵合包含在低於大約210℃下將鍵合層焊料鍵合到輔助支架，且其中，勢壘層包含厚度約為500-50000埃的鈦/鎢層。
77.根據權利要求59的方法，其中，鍵合包含在低於大約210℃下將鍵合層焊料鍵合到輔助支架，且其中，勢壘層包含厚度約為5000埃的鈦/鎢第一層以及第一層上的厚度約為2000埃的含鎳的第二層。
78.根據權利要求59的方法，其中，鍵合包含在高於大約250℃下將鍵合層焊料鍵合到輔助支架，且其中，勢壘層包含厚度約為5000埃的鈦/鎢第一層以及第一層上的厚度約為2000埃的含鎳的第二層。
全文摘要
發光二極體包括襯底、襯底上其中包括二極體區的外延區、以及外延區上與襯底相對的多層導電疊層。鈍化層至少部分地延伸在多層導電疊層上與外延區相對，以便確定在多層導電疊層上與外延區相對的鍵合區。鈍化層還延伸跨越多層導電疊層，延伸跨越外延區，並且延伸到襯底上。多層導電疊層可以包括外延區上與襯底相對的歐姆層、歐姆層上與外延區相對的反射層、以及反射層上與歐姆層相對的錫的勢壘層。還可以在錫的勢壘層上提供與反射層相對的粘合層、還可以在粘合層上提供與錫的勢壘層相對的鍵合層、還可以提供輔助支架以及鍵合層與輔助支架之間的鍵合。
文檔編號H01L33/40GK1582503SQ02818519
公開日2005年2月16日 申請日期2002年7月23日 優先權日2001年7月23日
發明者D·B·小斯拉特, B·E·威廉斯, P·S·安德魯斯 申請人:克裡公司