LED倒装芯片的制作方法技术

本发明专利技术涉及一种高出光效率结构ＬＥＤ倒装芯片的制作方法，属于半导体发光二极光ＬＥＤ材料和器件工艺技术领域。通过在蓝宝石衬底上利用微粒子的自组装排列和激光照射方法制备高分子材料微米或亚微米级微凸透镜阵列层，并通过使用ＩＣＰ（耦合离子刻蚀）或ＲＩＥ（反应离子刻蚀）设备，利用氯离子及氩离子对高分子材料微凸透镜阵列进行干法刻蚀，将蓝宝石基片上的高分子材料微凸透镜阵列转移到蓝宝石基片表面上，从而在蓝宝石基片上制备出微米或亚微米级微凸透镜，以十分有效地提高发光二极管ＬＥＤ倒装芯片的出光效率和改善ＬＥＤ元件的质量和器件的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高出光效率结构LED倒装芯片的制作方法，属于半导体发光二极光LED材料和器件工艺

技术介绍
近十年来，高亮度化、全色化一直是半导体发光二极光LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。国际上，LED产业正朝着种类更多、亮度更高、应用范围更广、价格更低的方向发展。目前，产业竞争的热点之一为大功率高亮度LED芯片。传统的蓝宝石衬底GaN大功率芯片为正装芯片，电极位于芯片的出光面上。此正装LED芯片结构在器件功率、出光效率方面具有局限性。例如，这种正装LED芯片，有电极光耗损，约30％的光被P电极吸收，且其p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面制作沉淀一层电流扩散的层。这个电流扩散层可由Ni/Au组成，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。其次，这种结构LED芯片pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，由于蓝宝石的热导系数(22W/m·K)较金属低，导热路径较长，该结构的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，且该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，正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds Lighting公司专利技术了倒装芯片(Flip-chip)，大功率LED芯片电极上焊接数个BUMP(金球)与Si衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，Si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，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层取光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底(145W/m·K)，散热效果更优；而且在pn结与p电极之间可增加一个反光层，消除电极和引线的挡光，因此倒装芯片结构，相对于正装LED芯片结构，在电、光、热等方面具有更优的特性。但倒装芯片仍然需要解决出光率低的问题，在芯片薄膜元件结构中，因其内部薄膜层的高折射率，光的发射和传输过程中会发生全反射以及高折射率层的光波导效应，仅有少部分内部的光被引出来利用；LED元件出射锥角(narrow escape cone)很小，出射锥角外的光线在元件内发光层遭遇全反射和光波导效应，LED产生的光大部分因蓝宝石基板上全反射和光波导效应而损失掉。考虑到最外层蓝宝石折射率为2.5时，芯片LED产生的光仅5％被诱导出来。为了解决LED薄膜元件结构内部全反射以及高折射率层的光波导效应等问题，人们提出了几种增強引出发光效率的方法，其中包括引入二维光子晶体(photonic crystal)、表面打毛粗糙化(surfaceroughening)及半导体表面加工(textured semiconductor surface)。但这些技术方案中，许多与倒装芯片(Flip-chip)的制作工艺并不相容，特别是表面微米及亚微米加工面临极大挑战，且制备工艺繁杂、耗时，价钱不低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种出光效率高、制备工艺简单的LED倒装芯片制作方法。通常倒装芯片的结构依次包括发光半导体(GaN)、透明导电层、氧化绝缘层(钝化)、倒装焊接金属(光反射和导热及焊接)、金属反射层(光反射和导热)、氧化绝缘层(电学隔离)和散热衬底(Si)。通常倒装芯片的制备方法为以蓝宝石Al2O3为衬底制作GaN外延片，小部分p-GaN层和“发光”层被ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，与下面的n-GaN层形成电接触，刻蚀时用光刻胶或SiO2作掩膜。在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层(透明导电薄膜)，并制作P-N电极(倒装焊接金属)，在本征半导体硅衬底上制作反射散热层，接着进行半导体发光芯片和硅衬底的划片分割和超声焊接。将作好P-N电极的外延片分割成1000×1000μm的器件，将作好反射层的硅衬底分割成1400×1200μm的器件，将两者用Die Bond和Wire Bond设备进行倒装焊接。本专利技术在上述倒装芯片的基础上，在切割、焊毕的倒装芯片蓝宝石基片的另一面上利用自组装排列技术制备单层微米级尺寸聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯(PS)球粒六角点阵；利用紫外光照射所制备的高分子材料球粒六角点阵；采用适当的脉冲紫外光照条件，球粒吸收紫外光转变成热能，球粒的温度可瞬间高达熔点，整个六角点阵的球粒连成一片，并形成球形微凸透镜阵列。球形微凸透镜的形成是由于表面能极小值的结果，聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯球形粒六角点阵转变成微凸透镜阵列。利用ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)设备利用氯离子及氩离子对微凸透镜阵列进行干法刻蚀，将蓝宝石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微凸透镜阵列转移到蓝宝石基片表面上，从而在蓝宝石基片上制备出微米及亚微米级微凸透镜。本专利技术提供的LED倒装芯片的制作方法，至少包括以下步骤第一步将P-N电极的外延片分割成500μm×500μm～1000μm×1000μm的器件，将反射层的硅衬底分割成900μm×700μm～1400μm×1200μm的器件，然后将两者进行倒装焊接；第二步将第一步倒装焊接完毕的倒装芯片蓝宝石基片的另一面上利用自组装排列技术制备单层微米级尺寸聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯(PS)球粒六角点阵，采用单脉冲紫外光照，使整个六角点阵的球粒连成一片，并形成球形微凸透镜阵列。第三步利用氯离子及氩离子对微凸透镜阵列进行干法刻蚀，将蓝宝石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微凸透镜阵列转移到蓝宝石基片表面上，从而在蓝宝石基片上制备出微米及亚微米级微凸透镜。本专利技术提供的LED倒装芯片的制作方法，其中自组装排列技术优选为将预处理后的倒装芯片平放在一甩胶机上，蓝宝石基片表面朝上，将100-150μl的超纯水均匀镀在蓝宝石表面上，接着在水膜上轻轻滴入20-40μl的球粒胶体，并转动样品，使球粒均匀分布在整个样品表面，烘烤，制得单层直径为200-500nm的聚乙烯球粒六角点阵。本专利技术提供的LED倒装芯片的制作方法，其中单脉冲紫外光照的激光器为KrF准分子激光，其波长为248nm，脉冲宽度为20ns～30ns，能量密度为40-140mJ/cm2，进行单个脉冲照射，形成微米级球形微凸透镜阵列。本专利技术提供的高出光效率结构LED倒装芯片制作方法是通过在蓝宝石衬底上利用微粒子的自组装排列和激光照射方法制备高分子材料微米或亚微米级微凸透镜阵列层，并通过使用ICP(耦合离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀)设备，利用氯离子及氩离子对高分子材料微凸透镜阵列进行干法刻蚀，将蓝宝石基片上的高分子材料微凸透镜阵列转移到蓝宝石基片表面上，从而在蓝宝石基片上制备出微米或亚微米级微凸透镜，以十分有效地提高发光二极管LED倒装芯片的出光效率和改善LED元件的质量和器件的性能。本专利技术提供的LED倒装芯片由于含有微凸透镜阵列，因此可以提高发光二极管LED倒装芯片的出光效率，相对于无微凸透镜阵列结构的LED，微凸透镜阵列结构LED倒装芯片出光效率可提高20-50％。总之，本方法通过在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＬＥＤ倒装芯片的制作方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：将Ｐ－Ｎ电极的外延片分割成５００μｍ×５００μｍ～１０００μｍ×１０００μｍ的器件，将反射层的硅衬底分割成（９００μｍ－１４００μｍ）～（７００μｍ－１２００μｍ）的器件 ，然后将两者进行倒装焊接；第二步：将第一步倒装焊接完毕的倒装芯片蓝宝石基片的另一面上利用自组装排列技术制备单层微米级尺寸聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）或聚乙烯（ＰＳ）球粒六角点阵，采用单脉冲紫外光照，使整个六角点阵的球粒连成一片，并形 成球形微凸透镜阵列。第三步：利用氯离子及氩离子对微凸透镜阵列进行干法刻蚀，将蓝宝石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微凸透镜阵列转移到蓝宝石基片表面上，从而在蓝宝石基片上制备出微米及亚微米级微凸透镜。

【技术特征摘要】
1.一种LED倒装芯片的制作方法，其特征在于包括以下步骤第一步将P-N电极的外延片分割成500μm×500μm～1000μm×1000μm的器件，将反射层的硅衬底分割成(900μm-1400μm)～(700μm-1200μm)的器件，然后将两者进行倒装焊接；第二步将第一步倒装焊接完毕的倒装芯片蓝宝石基片的另一面上利用自组装排列技术制备单层微米级尺寸聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯(PS)球粒六角点阵，采用单脉冲紫外光照，使整个六角点阵的球粒连成一片，并形成球形微凸透镜阵列。第三步利用氯离子及氩离子对微凸透镜阵列进行干法刻蚀，将蓝宝石基片上的聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯微...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄素梅，靳彩霞，孙卓，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]