專利名稱：低熱阻發(fā)光二極管芯片及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的是一種低熱阻的發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)及其制作方法，主要涉及將低 熱阻的基座替代高熱阻的原襯底設(shè)計方案及制作方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)的器件可靠性及發(fā)光效率與其散熱能力關(guān)系密切。通常LED 工作時外部輸入的電能只有10 30%轉(zhuǎn)化為光能輸出，其余能量是以熱能的形式產(chǎn)出， 因此LED器件工作時產(chǎn)生相當(dāng)大量的熱能。而且，為了提高單個LED的光輸出，需要 增加輸入功率，這直接導(dǎo)致器件內(nèi)部熱能急劇聚集。其結(jié)果通常導(dǎo)致器件衰減加劇， 甚至失效。因此，LED器件的熱阻大小與其可靠性直接相關(guān)。此外，LED器件的發(fā)光 半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)決定了其光電轉(zhuǎn)換效率隨工作溫度的升高顯著下降，特別是基于
AlGalnP四元合金材料的紅黃光LED,大約是溫度升高1攝氏度，亮度下降1%。基于 InGaN合金的藍綠光LED電光轉(zhuǎn)換效率對溫度的敏感度相對較低，但也達到溫升10 攝氏度導(dǎo)致衰減1%亮度的水平。目前，用于半導(dǎo)體照明的LED器件，由于需要較高 的光通量，輸入功率大，產(chǎn)生熱量高，因此器件工作時節(jié)溫通常會升高50攝氏度以 上。這很大程度上影響了器件的壽命及能源轉(zhuǎn)換效率。因此，為了提高用于照明的 LED器件光輸出的飽和工作電流，亦即最高輸入功率水平，提升器件的散熱能力非常 重要。LED器件的散熱能力主要由兩方面因素決定1、 LED芯片的熱阻值(熱阻越低， 散熱能力越強)；2、 LED封裝結(jié)構(gòu)的熱阻值。這兩方面因素是疊加的，且相對獨立。 本案著重關(guān)注LED芯片的散熱能力的改進。目前，藍、綠光LED廣泛采用藍寶石作為 材料外延的襯底，而藍寶石的熱導(dǎo)系數(shù)很低，約為0.4W/cm.K，是芯片散熱的瓶頸。 圖l給出了傳統(tǒng)藍、綠光LED芯片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，芯片主要由三部分組成，藍寶 石襯底ll，發(fā)光半導(dǎo)體層12，以及金屬電極13 (包含p、 n兩個電極)。芯片的散 熱主要是通過藍寶石襯底將熱量導(dǎo)向封裝金屬支架。因此，目前解決芯片散熱問題的 方案主要有兩類1、倒裝焊器件結(jié)構(gòu)，亦即將芯片翻轉(zhuǎn)，然后焊接在散熱性能較好
的新基座上，原襯底不作為導(dǎo)熱通道(參考M.R. Krames等人的美國發(fā)明專利 6,486,499) ; 2、選擇導(dǎo)熱性能更優(yōu)良的襯底作為原始芯片材料生長的基座，如SiC 作為GaN-基LED的襯底(參考J.A. Edmond的美國發(fā)明專利4,918,497)。雖然， 上述兩種方案都可以改善LED的散熱能力，但是它們都存在工藝復(fù)雜，成本高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述提到的LED芯片散熱困難的問題，提出一種通過襯底替代的 方法制作低熱阻的LED器件。
本發(fā)明的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，所述方法包括在完成電極制作的包 含金屬電極、半導(dǎo)體外延層和藍寶石襯底的LED圓片，進一步制作步驟一，提供一 陪片，與所述LED圓片粘接；步驟二，將所述藍寶石襯底減薄到目標(biāo)厚度；步驟三， 清洗減薄后的所述藍寶石襯底表面；步驟四，在所述藍寶石襯底上沉積金屬反光層； 步驟五，在所述金屬反光層上制作低熱阻基座；步驟六，移除所述陪片并清洗。
比較好的是，所述低熱阻基座的導(dǎo)熱系數(shù)大于1. 7W/cm. K，厚度范圍是在50 100 微米內(nèi)。
比較好的是，所述步驟二中的目標(biāo)厚度為小于50微米。 比較好的是，所述金屬反光層為至少為兩層的多層金屬層。 本發(fā)明的一種低熱阻發(fā)光二極管芯片，包括完成電極制作的含金屬電極、半導(dǎo) 體外延層和藍寶石襯底的LED圓片，其特征在于，所述芯片進一步包括金屬反光層， 設(shè)置在所述藍寶石襯底的底面；低熱阻基座，設(shè)置在所述金屬反光層的底面。
比較好的是，所述方法進一步包括所述低熱阻基座的導(dǎo)熱系數(shù)大于1.7W/cm.K， 厚度范圍是在50 100微米內(nèi)。
比較好的是，所述步驟二中的目標(biāo)厚度為小于50微米。 比較好的是，所述金屬反光層為至少為兩層的多層金屬層。
本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)厚度在50 200微米范圍內(nèi)，其中原外延襯底的厚度在0 100 微米范圍內(nèi)，低熱阻基座的厚度在50 100微米范圍內(nèi)。發(fā)光半導(dǎo)體層與低熱阻基座 之間有絕緣材料層，它可以是薄化的原外延襯底或發(fā)光半導(dǎo)體層底部的絕緣半導(dǎo)體材 料層。
本發(fā)明的低熱阻LED芯片通過采用低熱阻基座部分取代高熱阻的原襯底，使得芯 片散熱能力顯著改善，從而提升器件的可靠性和光效。


下面，參照附圖，對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，從對本發(fā)明方法的詳細描述 中，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點將顯而易見。 圖l是基于藍寶石襯底的普通LED芯片的剖面示意圖； 圖2是本發(fā)明的低熱阻的LED芯片的剖面示意圖； 圖3a 3e是本發(fā)明的低熱阻LED芯片的制作過程示意圖。
具體實施例方式
下面參照圖2至圖3就本發(fā)明的實施形態(tài)做具體說明。
圖2所示的是本發(fā)明的低熱阻LED芯片剖面示意圖。下面就其結(jié)構(gòu)及制作方法做 具體說明。
圖2所示的低熱阻LED芯片結(jié)構(gòu)包含l)低熱阻基座21，導(dǎo)熱系數(shù)大于1.7W/cm.K， 它可以是金屬Cu (熱導(dǎo)系數(shù)為3.9W/cm.K) ， CuW合金(熱導(dǎo)系數(shù)約為1. 7W/cm. K), Au (熱導(dǎo)系數(shù)為3.2W/cm.K) ， Al (熱導(dǎo)系數(shù)為2. 4W/cm. K)，或者是陶瓷A1N (熱 導(dǎo)系數(shù)為2. 9W/cm.K)，金剛石(熱導(dǎo)系數(shù)介于10-20W/cm. K)，它的厚度范圍是在 50 100微米內(nèi)；2)金屬反光層22，它可以是基于Al或Ag的多層金屬；3)高熱阻 的藍寶石襯底23，厚度范圍在0 50微米內(nèi)；4)發(fā)光半導(dǎo)體InGaN/GaN多層結(jié)構(gòu)24; 5) LED芯片金屬電極25，它可以是Ti/Al/Ti/Au， Cr/Ni/Al, Cr/Ni/Au等等多層金 屬結(jié)構(gòu)。
圖3a 3e給出了低熱阻LED芯片的制作過程，具體步驟包括
步驟一，陪片粘接，陪片可以是硅片，藍寶石等等，如圖3a所示，將陪片31與
完成電極制作的包含金屬電極33、半導(dǎo)體外延層34和藍寶石襯底35的LED圓片，
通過石蠟32粘接；
步驟二，藍寶石襯底減薄，如圖3b所示，通過化學(xué)機械研磨的方法將藍寶石襯底
35減薄到目標(biāo)厚度(小于50微米)；
步驟三，采用丙酮清洗減薄后的藍寶石襯底35表面，去除表面臟污；
步驟四，通過熱蒸發(fā)或濺射方法沉積金屬反光層36,如圖3c所示；
步驟五，通過電鍍或圓片粘接焊接的方法在金屬反光層36上制作低熱阻基座37，
如圖3d所示；步驟六，加熱石蠟熔化，移除陪片31，清洗粘接的石蠟32。 至此，本發(fā)明的低熱阻LED芯片制作完成。
雖然已經(jīng)通過上述的例子描述了本發(fā)明的實施形態(tài)，但是它們只是說明性的。事 實上，在不違背本發(fā)明原理的條件下，還可以對其進行各種形式的修改。此外，本發(fā) 明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1、低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，所述方法包括在完成電極制作的包含金屬電極、半導(dǎo)體外延層和藍寶石襯底的LED圓片，進一步制作步驟一，提供一陪片，與所述LED圓片粘接；步驟二，將所述藍寶石襯底減薄到目標(biāo)厚度；步驟三，清洗減薄后的所述藍寶石襯底表面；步驟四，在所述藍寶石襯底上沉積金屬反光層；步驟五，在所述金屬反光層上制作低熱阻基座；步驟六，移除所述陪片并清洗。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于， 所述低熱阻基座的導(dǎo)熱系數(shù)大于1. 7W/cm. K，厚度范圍是在50 100微米內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于， 所述步驟二中的目標(biāo)厚度為小于50微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于， 所述金屬反光層為至少為兩層的多層金屬層。
5、 一種低熱阻發(fā)光二極管芯片，包括完成電極制作的含金屬電極、半導(dǎo)體外延 層和藍寶石襯底的LED圓片，其特征在于，所述芯片進一步包括金屬反光層，設(shè)置在所述藍寶石襯底的底面； 低熱阻基座，設(shè)置在所述金屬反光層的底面。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于，所述 方法進一步包括所述低熱阻基座的導(dǎo)熱系數(shù)大于1. 7W/cm. K,厚度范圍是在50 100微米內(nèi)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于， 所述步驟二中的目標(biāo)厚度為小于50微米。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于，所 述金屬反光層為至少為兩層的多層金屬層。
全文摘要
本發(fā)明揭示低熱阻發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括在完成電極制作的包含金屬電極、半導(dǎo)體外延層和藍寶石襯底的LED圓片，進一步制作提供一陪片，與所述LED圓片粘接；將所述藍寶石襯底減薄到目標(biāo)厚度；清洗減薄后的所述藍寶石襯底表面；在所述藍寶石襯底上沉積金屬反光層；在所述金屬反光層上制作低熱阻基座；步驟六，移除所述陪片并清洗。本發(fā)明的一種低熱阻發(fā)光二極管芯片，包括完成電極制作的含金屬電極、半導(dǎo)體外延層和藍寶石襯底的LED圓片，其特征在于，所述芯片進一步包括金屬反光層，設(shè)置在所述藍寶石襯底的底面；低熱阻基座，設(shè)置在所述金屬反光層的底面。本發(fā)明可以顯著提高LED的飽和工作電流密度。
文檔編號H01L33/00GK101188259SQ20061011834
公開日2008年5月28日 申請日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月15日
發(fā)明者葉 蘭, 榕 劉, 瑾 徐, 徐春朝, 江忠永, 田洪濤 申請人:杭州士蘭明芯科技有限公司