專利名稱：應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體技術領域，特別是一種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光
二極管。
背景技術：
發(fā)光二極管處在工作狀態(tài)時，由于部分能量轉化為熱量而使器件的內部溫度升高。器件的散熱性能不好，不僅會影響到芯片的發(fā)光效率，還會影響器件性能的穩(wěn)定性和使用壽命。倒裝結構發(fā)光二極管是將LED芯片的電極通過倒裝焊或鍵合的方式與襯底上的金屬線層連接起來，從而實現(xiàn)電注入。因此，這種結構的發(fā)光二極管在工作時，主要散熱通道是通過電極和金屬線層的連接。上層芯片產(chǎn)生的熱量，除了小部分通過對流和輻射傳遞外，絕大部分流經(jīng)電極和金屬線層，傳遞給襯底。這種散熱通道比較單一，大部分熱量都是自上而下的從芯片層到電極再到襯底進行熱傳遞，因此散熱效果不是很理想。

發(fā)明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光~■極管，以提聞散熱效果。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，包括 襯底，該襯底上下表面均覆蓋有絕緣層，絕緣層表面各有一層金屬線層，上下兩層金屬線層之間由填充著導電解質的孔洞相連；LED芯片，該LED芯片由下至上依次包括外延襯底、成核層、電子注入層、發(fā)光層和空穴注入層，以及對空穴注入層、發(fā)光層和電子注入層進行部分刻蝕后在空穴注入層之上形成的P電極和在電子注入層之上形成的η電極；該LED芯片在剝離完外延襯底后倒裝鍵合在所述襯底上，該LED芯片的P電極和η電極與所述襯底上表面的金屬線層相連接；以及導熱層，形成于該LED芯片在剝離完外延襯底后的成核層之上。上述方案中，所述襯底采用的材料為硅、陶瓷、線路板或者金屬板中的一種，所述襯底上下表面覆蓋的絕緣層采用的材料為二氧化硅，P電極或η電極與金屬線層之間采用凸點焊球連接。所述襯底為平面襯底或者具有凹槽的襯底，其中具有凹槽的襯底，凹槽的深度小于或等于剝離掉外延襯底的LED芯片的厚度，且凹槽底面覆蓋有絕緣層和金屬線層。上述方案中，所述LED芯片中的外延襯底為藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、砷化鎵或者玻璃中的一種。上述方案中，所述LED芯片中的電子注入層為η型材料；所述LED芯片中的空穴注入層為P型材料。上述方案中，所述LED芯片中的發(fā)光層為單層或者多層量子阱結構，或者為量子點或者量子線結構。上述方案中，所述LED芯片中的P電極選自于包括金(Au)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鈦(Ti) / 金(Au)、鈦(Ti) / 銀(Ag) / 鈦(Ti) / 金(Au)、鋁(Al) / 銀(Ag) / 金(Au)、鋁(Al) / 鈦(Ti)/金(Au)的金屬合金材料群組中的一種材料，該P電極還充當金屬反射鏡的作用。上述方案中，所述LED芯片中的η電極選自于包括鎳(Ni)/金(Au)、鎳(Ni)/銀(Ag) / 金(Au)、鎳(Ni) / 銀(Ag) / 鎳(Ni) / 金(Au)、鎳(Ni) / 銀(Ag) / 鉬(Pt) / 金(Au)、鈦(Ti)/金(Au)、鈦(Ti)/銀(Ag)/金(Au)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鈦(Ti)/銀(Ag) / 鈦(Ti) / 金(Au)、鋁(Al) / 鈦(Ti) / 金(Au)、鉻(Cr) / 鉬(Pt) / 金(Au)、鉻(Cr) / 銀(Ag) /金(Au)的金屬材料群組中的一種材料。上述方案中，所述導熱層為單層或者多層石墨烯薄膜材料，或者為石墨烯薄片形成的織網(wǎng)。上述方案中，所述導熱層的厚度大于或等于單層石墨烯的厚度。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，是在倒裝結構發(fā)光二極管中加入一層石墨烯導熱層，利用石墨烯優(yōu)越的導電性能，使得部分熱量可以經(jīng)由石墨烯導熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導熱通道，提高了散熱效果。2、本發(fā)明針對這種用石墨烯作為導熱層的發(fā)光二極管，由于不同的石墨烯導熱層的機械性能有差別，設計出了兩種實用的倒裝芯片的封裝結構，這兩種結構均能夠利用石墨烯優(yōu)越的導電性能，使得部分熱量可以經(jīng)由石墨烯導熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導熱通道，提高了散熱效果。


圖1是傳統(tǒng)的倒裝結構發(fā)光二極管的結構示意圖；圖2是依照本發(fā)明第一個實施例的在平面襯底上有石墨烯導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管的示意圖；圖3是依照本發(fā)明第二個實施例的在具有凹槽的襯底上有石墨烯導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供的這種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，包括襯底，該襯底上下表面均覆蓋有絕緣層，絕緣層表面各有一層金屬線層，上下兩層金屬線層之間由填充著導電解質的孔洞相連；LED芯片，該LED芯片由下至上依次包括外延襯底、成核層、電子注入層、發(fā)光層和空穴注入層，以及對空穴注入層、發(fā)光層和電子注入層進行部分刻蝕后在空穴注入層之上形成的P電極和在電子注入層之上形成的η電極；該LED芯片在剝離完外延襯底后倒裝鍵合在所述襯底上，該LED芯片的P電極和η電極與所述襯底上表面的金屬線層相連接；以及導熱層，形成于該LED芯片在剝離完外延襯底后的成核層之上。
其中，所述襯底采用的材料為硅、陶瓷、線路板或者金屬板中的一種，所述襯底上下表面覆蓋的絕緣層采用的材料為二氧化硅，P電極或η電極與金屬線層之間采用凸點焊球連接。所述襯底為平面襯底或者具有凹槽的襯底，其中具有凹槽的襯底，凹槽的深度小于或等于剝離掉外延襯底的LED芯片的厚度，且凹槽底面覆蓋有絕緣層和金屬線層。所述LED芯片中的外延襯底為藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、砷化鎵或者玻璃中的一種。所述LED芯片中的電子注入層為η型材料；所述LED芯片中的空穴注入層為P型材料。所述LED芯片中的發(fā)光層為單層或者多層量子阱結構，或者為量子點或者量子線結構。所述LED芯片中的P電極選自于包括金(Au)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鈦(Ti) / 銀(Ag) / 鈦(Ti) / 金(Au)、招(Al) / 銀(Ag) / 金(Au)、招(Al) / 鈦(Ti) / 金(Au)的金屬合金材料群組中的一種材料，該P電極還充當金屬反射鏡的作用。所述LED芯片中的η電極選自于包括鎳(Ni) /金(Au)、鎳(Ni) /銀(Ag) /金(Au)、鎳(Ni) /銀(Ag) /鎳(Ni) /金(Au)、鎳(Ni) / 銀(Ag) / 鉬(Pt) / 金(Au)、鈦(Ti) / 金(Au)、鈦(Ti) / 銀(Ag) / 金(Au)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鈦(Ti)/銀(Ag)/鈦(Ti)/金(Au)、鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鉻(Cr)/鉬(Pt)/金(Au)、鉻(Cr)/銀(Ag)/金(Au)的金屬材料群組中的一種材料。所述導熱層為單層或者多層石墨烯薄膜材料，或者為石墨烯薄片形成的織網(wǎng)。所述導熱層的厚度大于或等于單層石墨烯的厚度。如圖1所示，傳統(tǒng)的倒裝結構的LED外延片結構包括外延襯底la、成核層lb、電子注入層lc、發(fā)光層Id、空穴注入層le、p電極If和η電極lg。該LED外延片結構在形成空穴注入層Ie后，對該LED外延片結構的空穴注入層le、發(fā)光層Id和電子注入層Ic進行部分刻蝕，直至刻蝕至電子注入層Ic中 ，然后在空穴注入層之上形成的P電極，并在電子注入層之上形成的η電極。如圖2，將剝離了外延襯底的LED芯片I通過鍵合或者倒裝焊的方式倒裝在平面襯底5上。平面襯底5的上下兩個表面事先已經(jīng)覆蓋著絕緣層4，絕緣層4外覆蓋著金屬線層
6、7、8和9。金屬線層6和8、7和9之間分別通過填充有導電介質的孔洞10進行電導通。倒裝時，LED芯片I的P電極和η電極分別與金屬線層6和7通過凸點焊球3連接。石墨烯導熱層2平鋪在芯片I上，并且和絕緣層4連接。當LED芯片I工作時，芯片產(chǎn)生的熱量除了通過傳統(tǒng)的凸點焊球3傳遞熱量外，還可以通過石墨烯導熱層2將熱量傳遞出去。特別是LED芯片I的上表面與石墨烯導熱層2緊貼著的部分的熱量，可以通過石墨烯及時導出。這是由石墨烯本身高的導熱率這一優(yōu)勢決定的。如圖3，將剝離了外延襯底的LED芯片I通過鍵合或者倒裝焊的方式倒裝在有凹槽的襯底15上。這種有凹槽的襯底15的下表面和上表面以及凹槽的底面事先均覆蓋著一層絕緣層11、12和13。絕緣層11的外層還覆蓋一層金屬線層6、7、8和9。金屬線層6和8、7和9之間分別通過填充有導電介質的孔洞10進行電連接。倒裝時，LED芯片I的P電極和η電極和凹槽底面上的金屬線層6和7通過凸點焊球3進行連接。石墨烯導熱層14平鋪在芯片I的上表面，并且部分覆蓋在絕緣層12和13上。由于石墨烯具有高的導熱率，芯片產(chǎn)生的熱量一部分可以通過石墨烯導熱層14傳遞給絕緣層12和13，從而降低芯片內部的溫度?；谏鲜霰景l(fā)明提供的這種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，以下結合具體的制備工藝對該倒裝結構發(fā)光二極管進行詳細描述。如圖1所示,在藍寶石外延襯底Ia上依次生長GaN成核層lb、η型GaN電子注入層lc、InGaN/GaN多層量子阱結構發(fā)光層Id以及p型GaN空穴注入層le。通過光刻、腐蝕以及電子束蒸發(fā)等工藝蒸鍍P電極Ni/Ag/Pt/Au和η電極Cr/Pt/Au。然后剝離掉藍寶石外延襯底la，得到LED芯片。將LED芯片通過倒裝焊倒裝在平面襯底硅基板上。硅基板上有二氧化硅絕緣層和一層金屬線層Au。將單層或者多層的石墨烯覆蓋在LED芯片的外表面，且與二氧化硅層部分接觸，如圖2所示。將LED芯片通過倒裝焊倒裝在有凹槽的娃基板襯底上。娃基板的上表面、下表面以及凹槽底面均有二氧化硅絕緣層，凹槽的底面和硅基板的下表面還有一層金屬線層Au。將單層或者多層的石墨烯覆蓋在芯片的表面，并且與兩邊的二氧化硅絕緣層部分接觸，如圖3所示。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，包括 襯底，該襯底上下表面均覆蓋有絕緣層，絕緣層表面各有一層金屬線層，上下兩層金屬線層之間由填充著導電解質的孔洞相連； LED芯片，該LED芯片由下至上依次包括外延襯底、成核層、電子注入層、發(fā)光層和空穴注入層，以及對空穴注入層、發(fā)光層和電子注入層進行部分刻蝕后在空穴注入層之上形成的P電極和在電子注入層之上形成的η電極；該LED芯片在剝離完外延襯底后倒裝鍵合在所述襯底上，該LED芯片的P電極和η電極與所述襯底上表面的金屬線層相連接；以及 導熱層，形成于該LED芯片在剝離完外延襯底后的成核層之上。
2.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底采用的材料為硅、陶瓷、線路板或者金屬板中的一種，所述襯底上下表面覆蓋的絕緣層采用的材料為二氧化硅，P電極或η電極與金屬線層之間采用凸點焊球連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底為平面襯底或者具有凹槽的襯底，其中具有凹槽的襯底，凹槽的深度小于或等于剝離掉外延襯底的LED芯片的厚度，且凹槽底面覆蓋有絕緣層和金屬線層。
4.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述LED芯片中的外延襯底為藍寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、砷化鎵或者玻璃中的一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述LED芯片中的電子注入層為η型材料；所述LED芯片中的空穴注入層為P型材料。
6.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述LED芯片中的發(fā)光層為單層或者多層量子阱結構，或者為量子點或者量子線結構。
7.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述LED芯片中的P電極選自于包括金(Au)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鈦(Ti)/銀(Ag)/鈦(Ti)/金(Au)、鋁(Al)/銀(Ag)/金(Au)、鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)的金屬合金材料群組中的一種材料，該P電極還充當金屬反射鏡的作用。
8.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述LED芯片中的η電極選自于包括鎳(Ni)/金(Au)、鎳(Ni)/銀(Ag)/金(Au)、鎳(Ni) / 銀(Ag) / 鎳(Ni) / 金(Au)、鎳(Ni) / 銀(Ag) / 鉬(Pt) / 金(Au)、鈦(Ti) / 金(Au)、鈦(Ti)/銀(Ag)/金(Au)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鈦(Ti)/銀(Ag)/鈦(Ti)/金(Au)、鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au)、鉻(Cr)/鉬(Pt)/金(Au)、鉻(Cr)/銀(Ag)/金(Au)的金屬材料群組中的一種材料。
9.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述導熱層為單層或者多層石墨烯薄膜材料，或者為石墨烯薄片形成的織網(wǎng)。
10.根據(jù)權利要求1所述的應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，其特征在于，所述導熱層的厚度大于或等于單層石墨烯的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，包括襯底，該襯底上下表面均覆蓋有絕緣層，絕緣層表面各有一層金屬線層；LED芯片，該LED芯片由下至上依次包括外延襯底、成核層、電子注入層、發(fā)光層和空穴注入層，以及對空穴注入層、發(fā)光層和電子注入層進行部分刻蝕后在空穴注入層之上形成的p電極和在電子注入層之上形成的n電極；該LED芯片在剝離完外延襯底后倒裝鍵合在所述襯底上，該LED芯片的p電極和n電極與所述襯底上表面的金屬線層相連接；以及導熱層，形成于該LED芯片在剝離完外延襯底后的成核層之上。本發(fā)明利用石墨烯優(yōu)越的導電性能，使得部分熱量可以經(jīng)由石墨烯導熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導熱通道，提高了散熱效果。
文檔編號H01L33/64GK103066195SQ20131003035
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權日2013年1月25日
發(fā)明者李智, 張逸韻, 程滟, 趙勇兵, 劉志強, 伊曉燕, 王國宏 申請人:中國科學院半導體研究所