專利名稱：一種具有高散熱性能的發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，尤其是一種具有高散熱性能的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)
背景技術(shù)：
隨著發(fā)光器件如發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率不斷提高，LED無疑成為近幾年來最受重視的光源之一。LED是一種具有節(jié)能和環(huán)保特性的照明光源，集高光效、低能耗、低維護(hù)成本等優(yōu)良性能于一身，理論上預(yù)計，半導(dǎo)體LED照明燈的發(fā)光效率可以達(dá)到甚至超過白熾燈的10倍、日光燈的2倍。目前LED已廣泛應(yīng)用于手機(jī)背光、IXD顯不屏背光、信號、建筑景觀、指示、特殊照明等，并日益向普通照明、汽車照明等領(lǐng)域拓展。隨著LED照明產(chǎn)品功率與光效的提高，結(jié)構(gòu)和材料的選擇對LED的性能及使用壽命有決定性影響，其中一種LED的結(jié)構(gòu)是以倒裝焊方式將LED芯片倒裝焊接在襯底上，優(yōu)點(diǎn)在于其可靠性及散熱能力比傳統(tǒng)正裝芯片佳。請參閱圖1，其為現(xiàn)有的一種多層電極布線的發(fā)光二極管的芯片結(jié)構(gòu)，在一襯底上依次生長有氮化鎵P型層和氮化鎵N型層，并在其上分別制作N歐姆接觸層和P歐姆接觸層。通過介電層611將在所述LED芯片中間部分的P歐姆接觸層隔離后，分別將P歐姆接觸層和N歐姆接觸層分別通過P電極615和N電極613引出，最后將P電極615和N電極613分別電連接到P鍵合層616與N鍵合層616上。該技術(shù)對LED芯片進(jìn)行了多層布線，然而該設(shè)計的介電層611采用譬如二氧化硅，氮化硅等傳統(tǒng)熱導(dǎo)率極低的鈍化材料，因此這類型的材料在熱的傳導(dǎo)方面并沒有突破性提高，反而因此成為散熱的瓶頸，導(dǎo)致介電層成為熱導(dǎo)的瓶頸，介電層材料間的熱阻高會導(dǎo)致溫度梯度大，從而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。過大的熱應(yīng)力會導(dǎo)致介電層產(chǎn)生裂紋，影響LED的壽命與可靠性；另一方面，由于傳統(tǒng)的鈍化材料散熱性能普遍較低，只能依靠熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行散熱，散熱途徑單一。為了突破大功率LED器件發(fā)展的瓶頸，能夠有效的提高LED器件的散熱性能成為本領(lǐng)域技術(shù)人員急切渴望解決的一個技術(shù)問題。為了提高LED器件的散熱性能，本領(lǐng)域技術(shù)人員做出了各種嘗試。中國專利CN101814569公開了一種LED器件,通過在基板和發(fā)光器件之間設(shè)置一散熱器來提高發(fā)光器件的散熱性能。中國專利CN102110763公開了一種發(fā)光器件的封裝及其制造方法，在襯底上設(shè)有一穿透襯底的通孔，并在通孔中設(shè)置散熱體后，將LED芯片設(shè)于該散熱體上來提高發(fā)光器件的散熱性。但是現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于降低LED器件的熱阻和提高LED器件的散熱性的研究，主要集中在LED器件封裝相關(guān)的結(jié)構(gòu)上，比如正裝和倒裝結(jié)構(gòu)散熱的差別，或者芯片與基板的結(jié)合層，以及基板材料本身的導(dǎo)熱和散熱性能，但這些方式均難以切實(shí)有效的提高LED器件的散熱效果，成為大功率LED器件發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是要提供一種具有高散熱性能的發(fā)光器件，同時，本發(fā)明的另外一個目的是要提供一種高散熱性能發(fā)光器件的制作方法。[0007]為實(shí)現(xiàn)提供一種發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的目的，本發(fā)明所述的技術(shù)方案如下—種具有高散熱性能的發(fā)光器件，包括一 LED芯片,所述LED芯片中設(shè)有一介電層，其特征在于，所述介電層采用熱導(dǎo)率大于100W/m · K的絕緣材料制作。具體的，所述介電層材料為類金剛石薄膜。具體的，所述介電層材料為納米氮 化鋁、納米金剛石或者上述材料形成的堆疊薄膜中的一種。進(jìn)一步,所述LED芯片包括一 LED外延層；和一氮化鎵N型層，設(shè)于所述LED外延層上；和一氮化鎵P型層，設(shè)于所述氮化鎵N型層上，其上還設(shè)有至少一刻蝕通孔，露出所述氮化鎵N型層；和P歐姆接觸層，設(shè)于所述氮化鎵P型層上；和N歐姆接觸層，設(shè)于所述刻蝕通孔中露出的氮化鎵N型層上；和介電層，覆蓋在至少一所述LED芯片邊緣的P歐姆接觸層以外的區(qū)域上，并在所述N歐姆接觸層的正上方設(shè)置介電層通孔，露出所述N歐姆接觸層；和N鍵合層，設(shè)于所述介電層和N歐姆接觸層上，與所述N歐姆接觸層電連接；以及P鍵合層，設(shè)于介電層覆蓋的P歐姆接觸層以外的P歐姆接觸層上，并與接觸的P歐姆接觸層電連接。進(jìn)一步，所述發(fā)光器件還包括一承托所述LED芯片的鍵合襯底，所述鍵合襯底包括一類金剛石薄膜層，設(shè)于所述鍵合襯底上表面；和一金屬布線層，由相互絕緣的P金屬層與N金屬層組成，設(shè)于所述類金剛石薄膜層上表面，所述P金屬層與N金屬層分別與所述LED芯片上的P鍵合層和N鍵合層鍵合連接。具體的，所述鍵合襯底的材料為陶瓷、硅、鋁和銅中的一種。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的另外一目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種具有高散熱性能的發(fā)光器件的制作方法，包括如下步驟a、制作P歐姆接觸層和N歐姆接觸層在一生長襯底上生長外延層，在該外延層上依次形成氮化鎵N型層和氮化鎵P型層，然后在所述氮化鎵P型層上刻蝕，形成至少一刻蝕通孔后，分別在所述氮化鎵P型層與所述刻蝕通孔中露出的氮化鎵N型層表面制作P歐姆接觸層和N歐姆接觸層；b、制作介電層在至少一所述LED芯片正面邊緣部分的P歐姆接觸層以外的區(qū)域覆蓋一層介電層，并且所述介電層覆蓋的部位還包括所述刻蝕通孔的側(cè)壁；C、刻蝕介電層在所述N歐姆接觸層正上方的介電層上進(jìn)行刻蝕，直至露出所述N歐姆接觸層；d、制作N鍵合層和P鍵合層在介電層和N歐姆接觸層上通過淀積或者電鍍的方法制作N鍵合層，在所述介電層覆蓋區(qū)域以外的P歐姆接觸層上通過淀積或者電鍍的方法制作P鍵合層，所述N鍵合層與所述P鍵合層相互電氣隔離；e、制作鍵合襯底在一鍵合襯底上表面制作一類金剛石薄膜層，在所述類金剛石薄膜層上通過淀積或電鍍或光刻方法形成一由相互絕緣的P金屬層和N金屬層組成的金屬布線層；f、將LED芯片鍵合到鍵合襯底上將LED芯片的P鍵合層和N鍵合層通過共晶鍵合或超聲鍵合或回爐焊工藝分別與所述P金屬層和N金屬層電連接。具體的，步驟b中的介電層的材料采用類金剛石薄膜，通過采用等離子體化學(xué)沉淀的方法制作，并在步驟c中采用通過干法腐蝕或者濕法腐蝕對所述介電層進(jìn)行刻蝕。優(yōu)選的，步驟b中的介電層首先通過納米氮化鋁、納米金剛石或者上述材料形成的堆疊薄膜中的一種與光敏聚酰亞胺光刻膠均勻混合，然后采用旋轉(zhuǎn)涂布的方法覆蓋P歐姆接觸層和N歐姆接觸層，步驟c中采用光刻工藝對所述介電層進(jìn)行刻蝕。具體的，步驟e中制作類金剛石薄膜層的工藝為氣相淀積、濺射中的一種。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過在LED芯片中的介電層采用熱導(dǎo)率大于100W/m · K的高導(dǎo)熱性絕緣材料將導(dǎo)電層相隔離，有效的提高了 LED芯片的散熱性，并且在鍵合襯底上表面制作一層類金剛石薄膜層，不僅能夠以熱傳導(dǎo)的方式散發(fā)熱量，而且能通過向外輻射紅外線的方式散發(fā)熱量，進(jìn)一步提高了 LED器件的散熱效果。為了充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明。

圖I是現(xiàn)有的一種薄膜串聯(lián)倒裝發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明具有高散熱性能的發(fā)光器件實(shí)施例I的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a至圖3e是圖2中所述發(fā)光器件的制作方法的各主要步驟的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明所述的發(fā)光器件實(shí)施例2的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明所述的發(fā)光器件實(shí)施例2的鍵合襯底的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中100-LED芯片；101-外延層；102_N歐姆接觸層；103_P歐姆接觸層；104_N鍵合層；105-P鍵合層；106_介電層；200_鍵合襯底；201-散熱焊盤；202_P金屬層；203_N金屬層；204-N金屬焊盤；205-P金屬焊盤；206_通孔引線；207_類金剛石薄膜層。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I請參閱圖2，其為本發(fā)明所述發(fā)光器件實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，包括一鍵合襯底200和置于所述鍵合襯底200上的LED芯片100。LED芯片100包括外延層101、氮化鎵N型層、N歐姆接觸層102、氮化鎵P型層、P歐姆接觸層103、介電層106、N鍵合層104和P鍵合層105。在LED芯片100設(shè)有一外延層101，在外延層101上設(shè)有氮化鎵N型層，在氮化鎵N型層上設(shè)有氮化鎵P型層。在氮化鎵P型層上設(shè)有至少一刻蝕通孔，刻蝕通孔的底部露出氮化鎵N型層。所述P歐姆接觸層103和N歐姆接觸層102分別設(shè)于氮化鎵P型層和刻蝕通孔中裸露的氮化鎵N型層上。所述介電層106覆蓋在N歐姆接觸層102與部分P歐姆接觸層103上，但是應(yīng)該至少露出在LED芯片100邊緣的一處P歐姆接觸層103，方便以后將P歐姆接觸層103引出。在介電層106覆蓋的N歐姆接觸層102的正上方的介電層106制作介電層通孔，將N歐姆接觸層102露出。所述N鍵合層104設(shè)置在介電層106和N歐姆接觸層102上，并且與接觸的N歐姆接觸層102電連接。所述P鍵合層105設(shè)置沒有被介電層106覆蓋的P歐姆接觸層103上，并與P歐姆接觸層103電連接，并且與N鍵合層104相互電氣隔離。該介電層106米用熱導(dǎo)率大于100W/m ·Κ的絕緣材料。所述介電層106的材料可以為類金剛石薄膜(DLC)，也可以為納米氮化鋁、納米金剛石或者納米氮化鋁和納米金剛石形成的堆疊薄膜中的一種。所述N歐姆接觸層102的材料可以為鈦、招、金、鉻、鎳、銅、銀等金屬或者由這些金屬組成的合金材料。所述N鍵合層104采用金、錫、鋁、銀、鉬、鈀等金屬或者由這些金屬組成的合金材料。所述P歐姆接觸層103采用鈦、鋁、金、鎳、銀、鉬、鈀等高反射性金屬或者由這些金屬組成的合金材料。所述P鍵合層105采用金、錫、鋁、銀、鉬、鈀、銅等金屬或者由這些金屬組成的合金材料。所述鍵合襯底200上表面設(shè)有一類金剛石薄膜(DLC)層207，在DLC薄膜層207上 設(shè)有一金屬布線層，其由相互絕緣的P金屬層202和一 N金屬層203組成。LED芯片100通過N鍵合層104和P鍵合層105分別鍵合到襯底200上的N金屬層203和P金屬層202。所述P金屬層202和N金屬層203的形狀分別與LED芯片100的P鍵合層105和N鍵合層104形狀一致，位置相對應(yīng)。通過P金屬層202和N金屬層203分別將P鍵合層105和N鍵合層104引出。所述鍵合襯底200的材料可以采用氮化鋁陶瓷，氧化鋁陶瓷，硅，鋁，銅，其中的金屬基板與半導(dǎo)體基板需要在其表面做上絕緣層。P金屬層202和N金屬層203的材料可以采用金、銀、鎳、銅、錫等高擴(kuò)散系數(shù)的金屬或者由這些金屬組成的合金材料。以下結(jié)合圖3a至圖3e，詳細(xì)說明本發(fā)明所述具有高散熱性能的發(fā)光器件的制造方法。a、在LED芯片I上形成P歐姆接觸層103和N歐姆接觸層102。請參閱圖3a，提供一生長襯底，在襯底上生長LED外延層101，進(jìn)而外延層101上依序形成氮化鎵N型層和氮化鎵P型層，然后通過掩膜刻蝕氮化鎵P型層，形成至少一刻蝕通孔后，直至刻蝕通孔中露出氮化鎵N型層，在氮化鎵P型層上表面形成P歐姆接觸層103 ；在露出的N型層上制作N歐姆接觸層102 ；b、形成介電層106。請參閱圖3b，在LED芯片100中間部分的P歐姆接觸層103上制作介電層106，或者在LED芯片100中間部分和部分邊緣的P歐姆接觸層103上制作介電層106，但是至少應(yīng)該留出一處P歐姆接觸層裸露。介電層106還覆蓋到步驟a中氮化鎵N型層的刻蝕通孔中。介電層106制作完成后，應(yīng)該在LED芯片100的邊緣部分裸露至少一 P歐姆接觸層103。介電層106的材料可以為類金剛石薄膜，也可以納米氮化鋁、納米金剛石或納米氮化鋁和納米金剛石材料形成的堆疊薄膜中的一種。如果介電層106采用類金剛石薄膜制作，可以采用等離子體化學(xué)沉淀的方法形成；而如果介電層106采用納米氮化鋁、納米金剛石或納米氮化鋁和納米金剛石材料形成的堆疊薄膜中的一種制作，則需要首先通過納米氮化鋁、納米金剛石或者上述材料形成的堆疊薄膜中的一種與光敏聚酰亞胺光刻膠均勻混合，然后采用旋轉(zhuǎn)涂布的方法覆蓋P歐姆接觸層和N歐姆接觸層。C、刻蝕介電層。請參閱圖3c，在所述N歐姆接觸層對應(yīng)的介電層106上進(jìn)行刻蝕，直至露出所述N歐姆接觸層102。值得注意的是，如果步驟b中介電層106采用類金剛石薄膜制作，則刻蝕介電層106可以采用干法腐蝕或者濕法腐蝕的方式對介電層106進(jìn)行刻蝕；如果采用納米氮化鋁、納米氮化硅或者上述材料形成的堆疊薄膜來制作介電層106，則可以通過光刻的工藝完成。[0059]d、形成N鍵合層104與P鍵合層105。請參閱圖3d，通過采用淀積，濺射等技術(shù)制作N鍵合層104和P鍵合層105，其中P鍵合層105與LED芯片100邊緣的P歐姆接觸層103電連接，N鍵合層104通過介電層上的介電層通孔實(shí)現(xiàn)與N歐姆接觸層102的電連接，采用刻蝕方法把P、N鍵合層刻蝕分離。e、制作鍵合襯底200。請參閱圖3e，在鍵合襯底200上表面形成一類金剛石薄膜層207，并在類金剛石薄膜層207上形成一金屬層，并采用光刻技術(shù)制作出與LED芯片P鍵合層105和N鍵合層104相對應(yīng)的圖案，從而形成相互電隔離的P金屬202和N金屬層203。其中類金剛石薄膜層207可以通過氣相淀積、濺射工藝中的一種來實(shí)現(xiàn)。f、LED芯片100與鍵合襯底200鍵合。請參閱圖2，通過超聲鍵合或共晶鍵合或回爐焊等工藝，使LED芯片100上的N鍵合層104、P鍵合層105分別與鍵合襯底200上的N金屬層203、P金屬層202實(shí)現(xiàn)鍵合連接，從而將LED芯片100安裝到襯底200上，形成具有高導(dǎo)熱性介電層的發(fā)光器件。實(shí)施例2請參閱圖4，本實(shí)施例與實(shí)施例I的區(qū)別在于，實(shí)施例I中的LED芯片100上覆蓋一 P鍵合層105和一 N鍵合層104，對應(yīng)在實(shí)施例2中的LED芯片100上覆蓋兩部分的P鍵合層105和一 N鍵合層104。請參閱圖5，鍵合襯底200的金屬分布層對應(yīng)于LED芯片100的P鍵合層105和N鍵合層104的分布，也為兩部分P金屬層202和一部分N金屬層203。并且鍵合襯底200的下表面設(shè)有P金屬焊盤205和N金屬焊盤204，分別通過通孔引線206與P金屬層202和N金屬層203電連接。并且，在鍵合襯底200的背面還設(shè)有一散熱焊盤201，用來增強(qiáng)發(fā)光器件的散熱性能。實(shí)施例2的制作方法與實(shí)施例I制作方法的差別在于在步驟b制作介電層106中，介電層106覆蓋在LED芯片100的中部的P歐姆接觸層103和氮化鎵N型層的刻蝕通孔中，在LED芯片100的邊緣部分露出P歐姆接觸層103。在步驟d中，在沒有介電層106覆蓋的P歐姆接觸層103上制作P鍵合層105，在介電層106刻蝕部位露出的N歐姆接觸層上制作N鍵合層104，形成兩部分的P鍵合層105和一部分的N鍵合層104。在步驟e中，在類金剛石薄膜層207上形成與LED芯片P鍵合層105和N鍵合層104相對應(yīng)的圖案，從而形成一部分的N金屬層203和兩部分的P金屬層202。在鍵合襯底200的下表面制作P金屬電極205和N金屬電極204，并通過通孔引線206實(shí)現(xiàn)P金屬層202和N金屬層203分別與P金屬焊盤205和N金屬焊盤204的電連接。并且，在鍵合襯底200的背面還設(shè)有一散熱焊盤201，用來增強(qiáng)發(fā)光器件的散熱性倉泛。.[0074]由于介電層106采用的類金剛石薄膜材料，其熱導(dǎo)系數(shù)為400 600W/m · K，采用的納米氮化招其熱導(dǎo)系數(shù)最高可達(dá)300W/m ·Κ,相比于二氧化娃的I. 4ff/m ·Κ或者氮化娃的16. 7ff/m · K，能夠消除了 LED芯片向散熱基板熱傳導(dǎo)的瓶頸。鍵合襯底200的上表面的類金剛石薄膜層207，除了能盡快把芯片熱量傳導(dǎo)至熱沉，類金剛石薄膜材料還能通過熱輻射方式把熱量散到器件外，進(jìn)一步提高了 LED器件的散熱效果。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明LED芯片中的介電層采用了熱導(dǎo)率大于100W/m · K的高導(dǎo)熱性絕緣材料把導(dǎo)電層相隔離，有效的克服本領(lǐng)域技術(shù)人員的技術(shù)偏見，從LED芯片的制作方面來提高LED器件的散熱性能，消除了 LED向散熱基板熱傳導(dǎo)的瓶頸。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者根據(jù)有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，均應(yīng)該在由本權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求1.一種具有高散熱性能的發(fā)光器件，包括一 LED芯片，所述LED芯片中設(shè)有一介電層，其特征在于，所述介電層采用熱導(dǎo)率大于100W/m · K的絕緣材料制作。
2.如權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述介電層材料為類金剛石薄膜。
3.如權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述介電層材料為納米氮化鋁、納米金剛石或者上述材料形成的堆疊薄膜中的一種。
4.如權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述LED芯片包括 一 LED外延層；和 一氮化鎵N型層，設(shè)于所述LED外延層上；和 一氮化鎵P型層，設(shè)于所述氮化鎵N型層上，其上還設(shè)有至少一刻蝕通孔，露出所述氮化鎵N型層；和 P歐姆接觸層，設(shè)于所述氮化鎵P型層上；和 N歐姆接觸層，設(shè)于所述刻蝕通孔中露出的氮化鎵N型層上；和 介電層，覆蓋在至少一所述LED芯片邊緣的P歐姆接觸層以外的區(qū)域上，并在所述N歐姆接觸層的正上方設(shè)置介電層通孔，露出所述N歐姆接觸層；和 N鍵合層，設(shè)于所述介電層和N歐姆接觸層上，與所述N歐姆接觸層電連接；以及 P鍵合層，設(shè)于介電層覆蓋的P歐姆接觸層以外的P歐姆接觸層上，并與接觸的P歐姆接觸層電連接。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述發(fā)光器件還包括一承托所述LED芯片的鍵合襯底，所述鍵合襯底包括 一類金剛石薄膜層，設(shè)于所述鍵合襯底上表面；和 一金屬布線層，由相互絕緣的P金屬層與N金屬層組成，設(shè)于所述類金剛石薄膜層上表面，所述P金屬層與N金屬層分別與所述LED芯片上的P鍵合層和N鍵合層鍵合連接。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述鍵合襯底的材料為陶瓷、硅、鋁和銅中的一種。
專利摘要一種具有高散熱性能的發(fā)光器件，包括一LED芯片，所述LED芯片包括一LED芯片，所述LED芯片中設(shè)有一介電層，其特征在于，所述介電層采用高散熱性能的絕緣材料制作。采用該技術(shù)方案后，能夠在有效通過熱傳遞將熱量散發(fā)的同時，還能以熱輻射的方式把熱量傳導(dǎo)出發(fā)光器件，提高了發(fā)光器件的壽命與穩(wěn)定性。
文檔編號H01L33/64GK202363516SQ20112041038
公開日2012年8月1日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者周玉剛, 曹健興, 曾照明, 許朝軍, 賴燃興, 陳海英 申請人:晶科電子(廣州)有限公司