基于“半导体制造技术”探讨氮化镓发光二极管倒装芯片结构及制造工艺

郝惠莲+刘宏波

摘 要：基于传统的氮化镓二极管倒装芯片技术，针对导电层吸收光和电极垫遮光而导致的发光亮度低的问题，本文主要介绍了氮化镓发光二极管中一种新型倒装芯片结构及其制造工艺。该倒装芯片结构及新工艺的引入，可以有效增强光子的吸收，从而提高倒装芯片的发光亮度。

关键词：氮化镓；发光二极管；倒装芯片

近年来，氮化镓（GaN）发光二极管（LED）照明由于具有节能、高亮度等优点而越来越受到世界各国的重视，被称为取代传统照明的新一代光源。作为LED照明的核心，LED芯片的制造技术很大程度上决定了未来LED在照明领域的应用前景。倒装LED芯片由于比正装芯片具有更大的优势，日益受到消费市场的更大关注。

倒装LED芯片是在传统工艺的基础上，将芯片的发光区和电极区不设计在同一个平面。传统正装结构的LED芯片，一般需要在P-GaN上镀一层半透明的导电层使电流分布更均匀，而这一导电层会对LED发出的光进行部分吸收，而且P电极会遮挡住部分光，这就限制了LED芯片的出光效率。而采用倒装结构的LED芯片，不但可以同时避开P电极上导电层吸收光和电极垫遮光的问题，还可以通过在P-GaN表面设置低欧姆接触的反光层来将往下的光线引导向上，这样可同时降低驱动电压及提高光强。同时倒装芯片采用金属和基板直接键合，热传导明显优于正装芯片，有效地改善了散热问题。

本文就为克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型倒装LED芯片结构及其制作方法。该方案采用反射率高的结构作为绝缘层，既可以起到很好的绝缘作用，同时具有很高的反射率，能将从侧壁发出的光子有效地反射回去，从而提升倒装芯片的发光亮度。

新型倒装LED芯片结构，包括蓝宝石衬底、外延结构层、绝缘层和接触金属层，蓝层上的部分区域裸露，形成P区电极槽，接触金属层包括互不接触的P区接触金属宝石衬底上表面生长有外延结构层，由下至上依次包括N-GaN层和P-GaN层，并使反光和N区接触金属，分别设置于P区电极槽和N区电极槽。绝缘层由两种不同折射率的光学材料层相互周期性间隔形成，每个光学材料层的厚度为其入射中心波长的1/4。两种不同折射率的光学材料层为SiO2和Ti3O5，一般SiO2的厚度最好控制在600nm，Ti3O5的厚度控制在1000nm。绝缘层覆盖N区电极槽的侧壁，N区电极槽的底部距离P-GaN层上表面的距离为1～2μm。接触金属层的P区接触金属和N区接触金属均为分层设置的导电性强的金属，具体可以采用Cr/Pt/Au，这三者的厚度可以是10nm/100nm/2000nm。黏附金属层可采用Cr、Ni或Ti，对其厚度需要控制在一个较薄的范围内，以避免过多地吸光，导致反射率降低，一般控制为1～10nm，反射金属层可采用Al或Ag，为了保证光子的反射率，对其厚度有一定要求，一般在50～1000nm。

在蓝宝石衬底上依次生长出包括N-GaN层、量子阱层和P-GaN层的外延结构层，并蚀刻出N区电极槽；在P区电极槽和N区电极槽内分别设置互不接触的P区接触金属和N区接触金属，形成接触金属层。在蒸镀时，首先在P-GaN层表面蒸镀一层用于增强黏附性的黏附金属层，然后在该黏附金属层上蒸镀反射金属层。

利用MOCVD设备在蓝宝石衬底上生长出包括N-GaN层21、量子阱层22和P-GaN层的外延结构层。N-GaN层、量子阱层和P-GaN层由下至上依次采用正胶光刻外延结构层，利用感应耦合等离子蚀刻机或者反应离子蚀刻机进行蚀刻，蚀刻至N-GaN层，形成N区电极槽，N区电极槽的底部距离P-GaN层上表面的距离为1～2μm。用正胶光刻出反光层的附着位置，然后用金属蒸发台或磁控溅射设备在N-GaN层的表面依次蒸镀两层金属作为反光层，其中第一层为黏附金属层，第二层为反射金属层。黏附金属层通常采用Cu、Ni或Ti等金属，其目的是增强反射金属层与N-GaN层的黏附性，厚度一般不会太厚，因为太厚容易吸光。反射金属层一般采用反射率高的金属如Al或Ag等，反射金属层一般较厚，其目的是保证光子的反射率，典型厚度为5～100nm，其目的是将向反光层发射的光子更好地反射回去，使得光子从蓝宝石衬底的一面发射出去，以提升芯片的出光效率。

参考文献：

[1]吴伟兴，朱素爱.LED封装工艺与设备技术[M].北京：科学出版社，2015.

[2]战 瑛，张逊民.半导体光电器件封装工艺[M].北京：电子工业出版社，2011.