專利名稱：通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的制作方法
技術領域：
本發明揭示一種不需要打金線的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，包括，垂直結 構的氮化鎵基、磷化鎵基、鎵氮磷基和氧化鋅基發光二極管(LED)外延薄膜貼片式封裝。屬 于光電子技術領域。
背景技術：
半導體照明正快速的進入通用照明，目前的主要障礙是高成本。主流LED芯片的 結構是垂直結構半導體芯片，其基本結構如下外延薄膜通過反射/歐姆層/鍵合層鍵合 在導電支持襯底上，剝離支持襯底，形成垂直結構半導體芯片。垂直結構半導體芯片需要 打至少一根金線，從而與外界電源相連接。其不足之處在于，不易通過金線向芯片輸入大 電流，然而，向芯片輸入大電流是快速降低芯片成本的重要方法。中國專利申請(申請號 200920219188. 3)提出一種三維垂直結構半導體外延薄膜貼片式封裝的解決方案，該方案 采用QFN襯底。本發明公開一種不需要打金線的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，采用通孔絕緣 材料的襯底。
發明內容通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的一個具體實施例的結構包括(1) 一個封裝管殼。封裝管殼包括絕緣支架，絕緣支架內部形成多個通孔，每個通 孔中填充導電物質，絕緣支架的頂部上形成至少一個頂部第一電極和至少一個頂部第二電 極，絕緣支架的底部上形成分別與頂部第一電極和頂部第二電極相對應的底部第一電極和 底部第二電極。一個頂部第一電極、至少一個通孔和一個底部第一電極形成電連接，形成 一個電極，下面統稱為第一電極。一個頂部第二電極、至少一個通孔和一個底部第二電極形 成電連接，形成一個電極，下面統稱為第二電極。第一電極和第二電極互相電絕緣。底部第 一電極和底部第二電極分別與外界電源電連接。底部第二電極的形狀并不必要與頂部第二 電極的形狀相同；底部第一電極的形狀并不必要與頂部第一電極的形狀相同。(2)至少一個半導體外延薄膜。半導體外延薄膜的結構包括，第一類型限制層，活 化層，第二類型限制層。活化層形成在第一類型限制層和第二類型限制層之間。半導體外 延薄膜鍵合在至少一個頂部第一電極上。鍵合即可以是在晶圓水平(wafer level)的鍵合， 也可以是在芯片(chip level)水平的鍵合。(3)鈍化層。鈍化層覆蓋封裝管殼的頂部和半導體外延薄膜。蝕刻鈍化層，在半 導體外延薄膜的第一類型限制層的上方和頂部第二電極的上方的預定的位置上形成窗口 (opening)。一個具體實施例在半導體外延薄膜的第一類型限制層的上方的窗口 208與半 導體外延薄膜有相同的形狀以及略小一點的尺寸，例如，半導體外延薄膜是1X1毫米的四 方形，其上的窗口為0. 95X0. 95毫米的四方形。注意半導體外延薄膜可以具有其他尺寸， 其上的窗口與其對應。[0008](4)透明電極。透明電極覆蓋在部分或全部封裝管殼上；通過鈍化層在半導體外 延薄膜的第一類型限制層的表面上方的窗口 208，透明電極層疊在半導體外延薄膜的第一 類型限制層上，透明電極的這一部分在圖2中被標注為209 ；通過鈍化層在頂部第二電極的 窗口 207，透明電極層疊在頂部第二電極上，透明電極的這一部分在圖2中被標注為210 ； 半導體外延薄膜203的第一類型限制層通過透明電極與頂部第二電極電聯接。因此，不 需要通過封裝工藝中的打金線把半導體外延薄膜的第一類型限制層與頂部第二電極電聯 接。透明電極具有單層或多層結構，透明電極的每一層的材料是從一組導電氧化物材料和 一組金屬材料中選出，導電氧化物材料包括:IT0, ZnO:Al, ZnGa204, Sn02:Sb, Ga203:Sn, In203:Zn, NiO, MnO, CuO, SnO, GaO ；透明金屬膜包括Ni/Au，Ni/Pt, Ni/Pd, Ni/Co, Pd/Au, Pt/Au, Ti/Au，Cr/Au, Sn/Au。一個具體實施例透明電極具有兩層結構，層疊在半導體外延薄膜上的透明電極 的底層為氧化銦錫，透明電極的頂層層疊在透明電極的底層上，其材料為透明的單層或多
層金屬層。另一個具體實施例透明電極具有兩層結構，層疊在半導體外延薄膜上的透明電 極的底層為透明的單層或多層金屬層，透明電極的頂層層疊在透明電極的底層上，其材料 為氧化銦錫。另一個具體實施例透明電極具有混合結構層疊在半導體外延薄膜上的透明電 極具有單層結構，其材料為氧化銦錫；層疊在其它部分上的透明電極具有雙層結構，其材料 為氧化銦錫和透明金屬層。另一個具體實施例透明電極的表面具有粗化結構211.另一個具體實施例透明電極的表面上層疊絕緣的保護層215。另一個具體實施例透明電極表面上的絕緣的保護層的表面具有粗化結構216。本發明的目的和能達到的各項效果如下(1)本發明提供一種通孔半導體外延薄膜貼片式封裝(包括，氮化鎵基、磷化鎵 基、鎵氮磷基、氧化鋅基LED外延薄膜貼片式封裝)，解決了上述的不易向芯片輸入大電流 的問題，使得LED可以很快地進入普通照明。(2)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，因為不需要蝕刻任何發光層 材料，所以，百分之百地利用發光層材料，簡化了從芯片到封裝的制造工藝，提高了良品率。(3)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，因為無需在半導體外延薄膜 上形成圖形化的金屬電極，簡化了制造工藝，降低成本。(4)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝體積小、重量輕、厚度薄，特 別適用于背光源(backlight)和照明。(5)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝由于半導體外延薄膜的表面 被粗化，因此，具有較高的光取出效率。(6)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的一個實施例由于透明電極 的表面被粗化，因此，具有較高的光取出效率。(7)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的一個實施例由于透明電極 表面上的保護層的表面被粗化，因此，具有較高的光取出效率。(8)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，沒有電流擁塞
4(currentcrowding)、可通過大電流。本發明和它的特征及效益將在下面的詳細描述中更好的展示。
圖Ia展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。圖Ib展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。圖Ic展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。圖Id展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。圖Ie展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。圖If展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。圖Ig展示封裝管殼的一個實施例的截面圖。圖2a展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第一步
馬聚ο圖2b展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第二步
馬聚ο圖2c展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第三步
馬聚ο圖2d展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第四步
馬聚ο圖2e展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第五步
馬聚ο圖2f展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第六步
馬聚ο圖2g展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第七步
馬聚ο圖2h展示制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的工藝的一個實施例的第八步驟 和通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的一個實施例。具體實施例雖然本發明的具體實施例將會在下面被描述，但下列各項描述只是說明本發明的 原理，而不是局限本發明于下列各項具體化實施實例的描述。注意下列各項適用于本發明的所有具體實施例(1)圖中各部分的比例不代表真實產品的比例。(2)絕緣支架內部形成多個通孔，每個通孔中填充導電物質，絕緣支架的頂部上形 成至少一個頂部第一電極和至少一個頂部第二電極，絕緣支架的底部上形成分別與頂部第 一電極和頂部第二電極相對應的底部第一電極和底部第二電極。一個頂部第一電極、至少 一個通孔和一個底部第一電極形成電連接，形成一個電極，下面統稱為第一電極。一個頂部 第二電極、至少一個通孔和一個底部第二電極形成電連接，形成一個電極，下面統稱為第二 電極。第一電極和第二電極互相電絕緣。底部第一電極和底部第二電極分別與外界電源電 連接。底部第二電極的形狀并不必要與頂部第二電極的形狀相同；底部第一電極的形狀并 不必要與頂部第一電極的形狀相同。
5[0046](3)本發明提供的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的外延薄膜的材料是從一組材 料中選出，該組材料包括，氮化鎵基、磷化鎵基、鎵氮磷基、和氧化鋅基材料。其中，氮化鎵基 材料包括鎵、鋁、銦、氮的二元系、三元系、四元系材料。鎵、鋁、銦、氮的二元系、三元系、四 元系材料包括，GaN, GaInN, AlGaInN, AlGalnN，等。磷化鎵基材料包括鎵、鋁、銦、磷的二 元系、三元系、四元系材料。鎵、鋁、銦、磷的二元系、三元系、四元系材料包括，GaP, GaInP, AlGaInP、InP，等。鎵氮磷基材料包括鎵、鋁、銦、氮、磷的二元系、三元系、四元系和五元系 材料。鎵、鋁、銦、氮、磷的二元系、三元系、四元系和五元系材料包括，GaNP、AlGaNP、GaInNP、 AlGalnNP，等。氧化鋅基材料包括，ZnO，等。氮化鎵基、磷化鎵基、鎵氮磷基、和氧化鋅基外 延薄膜包括氮化鎵基、磷化鎵基、鎵氮磷基、和氧化鋅基LED外延薄膜。氮化鎵基外延層的 晶體平面是從一組晶體平面中選出，該組晶體平面包括c-平面、平面、m-平面。(4)本發明提供的制造通孔半導體外延薄膜貼片式封裝的生產工藝的最后一道工 藝步驟是把帶有半導體外延薄膜的封裝管殼列陣分割為單個垂直結構半導體外延薄膜貼 片式封裝。所以，為了簡化畫圖，在圖1和2展示的具體實施例的示意圖中，僅展示一個封 裝管殼及其上的半導體外延薄膜。(5)絕緣支架的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，絕緣陶瓷，硅，等。絕緣 陶瓷的主要成分包括氮化鋁，或氧化鋁，等。(6)絕緣的保護層的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，硅膠(silicone)、 樹脂(印oxy)、氧化硅(Si02)、氮化硅、玻璃上硅(SOG)、聚酰亞胺(polyimide)、玻璃、聚甲 基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、丙烯酸(acrylic)，等。(7)透明電極具有單層或多層結構，透明電極的每一層的材料是從一組導電氧 化物材料和一組金屬材料中選出，導電氧化物材料包括IT0、ZnO:Al, ZnGa204、Sn02:Sb、 Ga203:Sn、In203:Zn、NiO、MnO、CuO, SnO、GaO ；透明金屬膜包括Ni/Au、Ni/Pt、Ni/Pd、Ni/ Co、Pd/Au、Pt/Au、Ti/Au、Cr/Au、Sn/Au。(8)在通孔半導體外延薄膜貼片式封裝中的半導體外延薄膜的表面上，形成粗化 結構或光子晶體結構。為簡化畫圖，只在圖2b中，畫出粗化或光子晶體結構205。(9)在通孔半導體外延薄膜貼片式封裝中的透明電極的表面上，形成粗化結構 211。(10)在通孔半導體外延薄膜貼片式封裝中的透明電極表面上形成絕緣的保護層， 保護層的表面上，形成粗化結構216。(11)鈍化層在半導體外延薄膜的上方和在頂部第二電極的上方的預定的位置上
都有窗口。(12)第一電極包括至少一個電極。對于第一電極包括多個電極的情況，每個電極 互相電絕緣，每個電極包括底部第一電極、頂部第一電極以及把它們電連接的導電的通孔 填充物，下面，統稱為第一電極。(13)第二電極包括至少一個電極。對于第二電極包括多個電極的情況，每個電極 互相電絕緣，每個電極包括底部第二電極、頂部第二電極以及把它們電連接的導電的通孔 填充物，下面，統稱為第二電極。(14)在通孔半導體外延薄膜貼片式封裝中，可以具有單個或多個半導體外延薄 膜，為簡化畫圖，沒有畫出多個半導體外延薄膜。多個半導體外延薄膜即可以鍵合在第一電極的一個頂部第一電極上，亦可以分別鍵合在第一電極的多個頂部第一電極上。(15)把半導體外延薄膜鍵合在頂部第一電極上的方法包括，導電膠粘(例如，導 電銀膠，等)，金屬共晶鍵合，導電焊膏，等。對于采用金屬共晶鍵合方式，需在半導體外延薄 膜上預先層疊導電反射/歐姆/鍵合層(圖中未展示)，把半導體外延薄膜鍵合在頂部第一 電極上。導電反射/歐姆/鍵合層具有多層結構，其功能為反射光、保持歐姆接觸、與其他 金屬層鍵合。對于采用非金屬共晶鍵合方式，僅需在半導體外延薄膜上預先層疊導電反射 /歐姆層(圖中未展示)。(16)半導體外延薄膜鍵合方法包括晶圓水平(wafer level)鍵合，芯片(chip level)水平鍵合。(17)圖1展示封裝管殼的6個具體實施例。封裝管殼列陣包括多個封裝管殼，為簡 化畫圖，每個圖中只畫出一個封裝管殼。每個封裝管殼包括絕緣支架100，至少一個頂部 第一電極10It，至少一個頂部第二電極102t。每個頂部第一電極上都可以層疊至少一個半 導體外延薄膜。頂部第一電極IOlt和頂部第二電極102t互相電絕緣。頂部第一電極IOlt 和頂部第二電極102t由絕緣支架100固定在預定的位置。絕緣支架內部形成多個通孔，每 個通孔中填充導電物質，絕緣支架的頂部上形成至少一個頂部第一電極和至少一個頂部第 二電極，絕緣支架的底部上形成分別與頂部第一電極和頂部第二電極相對應的底部第一電 極和底部第二電極。一個頂部第一電極、至少一個通孔和一個底部第一電極形成電連接，形 成一個第一電極。一個頂部第二電極、至少一個通孔和一個底部第二電極形成電連接，形成 一個第二電極。第一電極和第二電極互相電絕緣。底部第一電極和底部第二電極分別與外 界電源電連接。圖Ia展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。封裝管殼包括，絕緣支架100、一個頂 部第一電極IOlt和一個頂部第二電極102t。圖Ib展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。封裝管殼包括，絕緣支架100、兩個頂 部第一電極IOlt和兩個頂部第二電極102t。圖Ic展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。封裝管殼包括，絕緣支架100、一個頂 部第一電極IOlt和三個頂部第二電極102t。圖Id展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。封裝管殼包括，絕緣支架100、一個頂 部第一電極IOlt和四個頂部第二電極102t。圖Ie展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。封裝管殼包括，絕緣支架100、一個頂 部第一電極IOlt和一個頂部第二電極102t。其中，頂部第二電極102t成U字形，從3面把 頂部第一電極IOlt圍住。注意，底部第二電極并不必要具有與頂部第二電極102t相同的形狀。圖If展示封裝管殼的一個實施例的頂視圖。封裝管殼包括，絕緣支架100、一個頂 部第一電極IOlt和一個頂部第二電極102t。其中，頂部第二電極102t成口字形，把頂部第 一電極IOlt圍在中間。注意，底部第二電極并不必要具有與頂部第二電極102t相同的形狀。圖Ig展示圖Id展示封裝管殼的具體實施例的A-A截面圖。封裝管殼包括，絕緣 支架100，其中，絕緣支架100的頂部和底部上分別形成頂部第一電極101t、頂部第二電極 102t和底部第一電極101b、底部第二電極102b。絕緣支架100的內部形成至少一個通孔填
7充物IOlm和至少一個通孔填充物102m。通孔填充物IOlm把頂部第一電極IOlt和底部第 一電極IOlb電連接。通孔填充物101m、頂部第一電極IOlt和底部第一電極IOlb形成第一 電極。通孔填充物102m把頂部第二電極102t和底部第二電極102b電連接。通孔填充物 102m、頂部第二電極102t和底部第二電極102b形成第二電極。第一電極和第二電極互相 電絕緣。圖2展示半導體外延薄膜貼片式封裝的實施例及其制造工藝的一個實施例。圖2a采用圖Ig的封裝管殼結構。半導體外延薄膜203生長在生長襯底204上。 半導體外延薄膜203包括，但不限于第一類型限制層，活化層，第二類型限制層。半導體外 延薄膜203鍵合在頂部第一電極201t上。注意，鍵合工藝即可以是在晶圓水平(wafer level)的鍵合，也可以是在芯片 (chip level)水平的鍵合。圖2b 剝離生長襯底204。對于不同材料的半導體外延薄膜，剝離的方法不同。一個優化的實施例是剝離生長襯底204后，繼續采用干法或濕法蝕刻N類型限制 層，直到N+/N++類型限制層暴露。其中，N+/N++類型限制層層疊在活化層與N類型限制層 之間。—個優化的實施例是在半導體外延薄膜203的暴露的表面上形成粗化結構或光 子晶體205。為了簡化畫圖，在后面的圖中，不再畫粗化結構或光子晶體205。圖2c 在半導體外延薄膜203和封裝管殼上覆蓋鈍化層206。圖2d 在半導體外延薄膜203和頂部第二電極202t的上方的預定位置上蝕刻鈍 化層206分別形成窗口 208和窗口 207，使得半導體外延薄膜203和頂部第二電極202t的 在預定位置的表面暴露。圖2e 在封裝管殼上覆蓋透明電極。透明電極包括，(1)通過鈍化層206在半導體 外延薄膜203上方打開的窗口 208與半導體外延薄膜203電接觸的部分209，下面稱為透 明電極209。(2)通過鈍化層206在頂部第二電極202t上方打開的窗口 207與頂部第二電 極202t電接觸的部分210，下面稱為透明電極210。(3)覆蓋在鈍化層上面的部分221 (該 部分把透明電極209和透明電極210電連接)，下面稱為透明電極221。透明電極209、210、 221是一個整體并且互相電連接。圖2f 半導體外延薄膜203的一個表面鍵合在頂部第一電極201t上，從而與底部 第一電極201b電連接。半導體外延薄膜203的另一個表面與透明電極209電連接，因此， 通過透明電極209、221、210與頂部第二電極202t電連接，從而與底部第二電極202b電連接。一個優化的實施例是在透明電極209、210、221的表面上形成粗化結構211。一個優化的實施例是在沿封裝管殼的外邊緣，去掉透明電極，直到鈍化層暴露， 形成臺階212，以便減少漏電。圖2g —個優化的實施例在透明電極209、210、221的表面上層疊絕緣的保護層 215。其中，透明電極209、210、221的表面可以是平滑的表面，也可以是粗化的表面。圖2h —個優化的實施例在圖2g的優化的實施例中，絕緣的保護層215的表面 具有粗化結構216。上面的具體的描述并不限制本發明的范圍，而只是提供一些本發明的具體化的例證。因此本發明的涵蓋范圍應該由權利要求和它們的合法等同物決定，而不是由上述具體 化的詳細描述和實施實例決定。
權利要求一種通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝包括 封裝管殼；其中，所述的封裝管殼包括絕緣支架；所述的絕緣支架內部形成多個通孔，所述的通孔中填充導電物質；所述的絕緣支架的頂部上形成至少一個頂部第一電極和至少一個頂部第二電極；所述的絕緣支架的底部上形成分別與所述的頂部第一電極和所述的頂部第二電極相對應的底部第一電極和底部第二電極；所述的頂部第一電極、至少一個通孔和所述的底部第一電極形成電連接，形成第一電極；所述的頂部第二電極、至少一個通孔和所述的底部第二電極形成電連接，形成第二電極；所述的第一電極和所述的第二電極互相電絕緣；所述的底部第一電極和所述的底部第二電極分別與外界電源電連接； 至少一個半導體外延薄膜；所述的半導體外延薄膜包括第一類型限制層，活化層和第二類型限制層；所述的活化層層疊在所述的第一類型限制層和所述的第二類型限制層之間；所述的半導體外延薄膜鍵合在所述的頂部第一電極上； 鈍化層；所述的鈍化層層疊在所述的封裝管殼和所述的半導體外延薄膜上；所述的鈍化層在所述的半導體外延薄膜的上方和所述的頂部第二電極的上方的預定的位置上具有窗口； 透明電極；其中，所述的透明電極通過所述的鈍化層在所述的半導體外延薄膜上方的窗口，層疊在所述的半導體外延薄膜上；通過所述的鈍化層在所述的頂部第二電極上方的窗口，層疊在所述的頂部第二電極上，使得所述的半導體外延薄膜的表面通過所述的透明電極與所述的頂部第二電極電聯接。
2.如權利要求1所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的半導體 外延薄膜的表面被粗化或形成光子晶體結構。
3.如權利要求1所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的透明電 極具有單層或多層結構。
4.如權利要求3所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的透明電 極的每一層的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，導電氧化物材料和金屬材料。
5.如權利要求1所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的透明電 極的表面被粗化。
6.如權利要求1所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的透明電 極的表面形成絕緣的保護層。
7.如權利要求5所述的通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其特征在于，所述的絕緣的 保護層的表面被粗化。
專利摘要本實用新型揭示通孔半導體外延薄膜貼片式封裝，其結構包括封裝管殼(包括第一電極、第二電極、絕緣材料支架)，層疊在頂面第一電極上的半導體外延薄膜，覆蓋在封裝管殼和半導體外延薄膜上的鈍化層，透明電極。第一和第二電極將分別與外界電源的兩個電極電聯接。絕緣材料支架把第一和第二電極固定在預定的位置形成封裝管殼。鈍化層在半導體外延薄膜的上方和頂面第二電極的上方具有窗口。透明電極通過鈍化層在半導體外延薄膜表面上方的窗口，層疊在半導體外延薄膜上，并向頂面第二電極的方向延伸，通過鈍化層在頂面第二電極上方的窗口，層疊在頂面第二電極上，使得半導體外延薄膜通過透明電極與頂面第二電極電聯接。
文檔編號H01L33/48GK201741715SQ201020002628
公開日2011年2月9日 申請日期2010年1月7日 優先權日2010年1月7日
發明者彭暉 申請人:金芃;彭暉