专利名称：低热阻发光二极管芯片及其制作方法
技术领域：
本发明公开的是一种低热阻的发光二极管芯片结构及其制作方法，主要涉及将低 热阻的基座替代高热阻的原衬底设计方案及制作方法。
背景技术：
发光二极管(LED)的器件可靠性及发光效率与其散热能力关系密切。通常LED 工作时外部输入的电能只有10 30%转化为光能输出，其余能量是以热能的形式产出， 因此LED器件工作时产生相当大量的热能。而且，为了提高单个LED的光输出，需要 增加输入功率，这直接导致器件内部热能急剧聚集。其结果通常导致器件衰减加剧， 甚至失效。因此，LED器件的热阻大小与其可靠性直接相关。此外，LED器件的发光 半导体材料物理性质决定了其光电转换效率随工作温度的升高显著下降，特别是基于
AlGalnP四元合金材料的红黄光LED,大约是温度升高1摄氏度，亮度下降1%。基于 InGaN合金的蓝绿光LED电光转换效率对温度的敏感度相对较低，但也达到温升10 摄氏度导致衰减1%亮度的水平。目前，用于半导体照明的LED器件，由于需要较高 的光通量，输入功率大，产生热量高，因此器件工作时节温通常会升高50摄氏度以 上。这很大程度上影响了器件的寿命及能源转换效率。因此，为了提高用于照明的 LED器件光输出的饱和工作电流，亦即最高输入功率水平，提升器件的散热能力非常 重要。LED器件的散热能力主要由两方面因素决定1、 LED芯片的热阻值(热阻越低， 散热能力越强)；2、 LED封装结构的热阻值。这两方面因素是叠加的，且相对独立。 本案着重关注LED芯片的散热能力的改进。目前，蓝、绿光LED广泛采用蓝宝石作为 材料外延的衬底，而蓝宝石的热导系数很低，约为0.4W/cm.K，是芯片散热的瓶颈。 图l给出了传统蓝、绿光LED芯片的剖面结构示意图，芯片主要由三部分组成，蓝宝 石衬底ll，发光半导体层12，以及金属电极13 (包含p、 n两个电极)。芯片的散 热主要是通过蓝宝石衬底将热量导向封装金属支架。因此，目前解决芯片散热问题的 方案主要有两类1、倒装焊器件结构，亦即将芯片翻转，然后焊接在散热性能较好
的新基座上，原衬底不作为导热通道(参考M.R. Krames等人的美国发明专利 6,486,499) ; 2、选择导热性能更优良的衬底作为原始芯片材料生长的基座，如SiC 作为GaN-基LED的衬底(参考J.A. Edmond的美国发明专利4,918,497)。虽然， 上述两种方案都可以改善LED的散热能力，但是它们都存在工艺复杂，成本高的问题。
发明内容
本发明旨在克服上述提到的LED芯片散热困难的问题，提出一种通过衬底替代的 方法制作低热阻的LED器件。
本发明的低热阻发光二极管芯片的制作方法，所述方法包括在完成电极制作的包 含金属电极、半导体外延层和蓝宝石衬底的LED圆片，进一步制作步骤一，提供一 陪片，与所述LED圆片粘接；步骤二，将所述蓝宝石衬底减薄到目标厚度；步骤三， 清洗减薄后的所述蓝宝石衬底表面；步骤四，在所述蓝宝石衬底上沉积金属反光层； 步骤五，在所述金属反光层上制作低热阻基座；步骤六，移除所述陪片并清洗。
比较好的是，所述低热阻基座的导热系数大于1. 7W/cm. K，厚度范围是在50 100 微米内。
比较好的是，所述步骤二中的目标厚度为小于50微米。 比较好的是，所述金属反光层为至少为两层的多层金属层。 本发明的一种低热阻发光二极管芯片，包括完成电极制作的含金属电极、半导 体外延层和蓝宝石衬底的LED圆片，其特征在于，所述芯片进一步包括金属反光层， 设置在所述蓝宝石衬底的底面；低热阻基座，设置在所述金属反光层的底面。
比较好的是，所述方法进一步包括所述低热阻基座的导热系数大于1.7W/cm.K， 厚度范围是在50 100微米内。
比较好的是，所述步骤二中的目标厚度为小于50微米。 比较好的是，所述金属反光层为至少为两层的多层金属层。
本发明的LED结构厚度在50 200微米范围内，其中原外延衬底的厚度在0 100 微米范围内，低热阻基座的厚度在50 100微米范围内。发光半导体层与低热阻基座 之间有绝缘材料层，它可以是薄化的原外延衬底或发光半导体层底部的绝缘半导体材 料层。
本发明的低热阻LED芯片通过采用低热阻基座部分取代高热阻的原衬底，使得芯 片散热能力显著改善，从而提升器件的可靠性和光效。
下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述 中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。 图l是基于蓝宝石衬底的普通LED芯片的剖面示意图； 图2是本发明的低热阻的LED芯片的剖面示意图； 图3a 3e是本发明的低热阻LED芯片的制作过程示意图。
具体实施例方式
下面参照图2至图3就本发明的实施形态做具体说明。
图2所示的是本发明的低热阻LED芯片剖面示意图。下面就其结构及制作方法做 具体说明。
图2所示的低热阻LED芯片结构包含l)低热阻基座21，导热系数大于1.7W/cm.K， 它可以是金属Cu (热导系数为3.9W/cm.K) ， CuW合金(热导系数约为1. 7W/cm. K), Au (热导系数为3.2W/cm.K) ， Al (热导系数为2. 4W/cm. K)，或者是陶瓷A1N (热 导系数为2. 9W/cm.K)，金刚石(热导系数介于10-20W/cm. K)，它的厚度范围是在 50 100微米内；2)金属反光层22，它可以是基于Al或Ag的多层金属；3)高热阻 的蓝宝石衬底23，厚度范围在0 50微米内；4)发光半导体InGaN/GaN多层结构24; 5) LED芯片金属电极25，它可以是Ti/Al/Ti/Au， Cr/Ni/Al, Cr/Ni/Au等等多层金 属结构。
图3a 3e给出了低热阻LED芯片的制作过程，具体步骤包括
步骤一，陪片粘接，陪片可以是硅片，蓝宝石等等，如图3a所示，将陪片31与
完成电极制作的包含金属电极33、半导体外延层34和蓝宝石衬底35的LED圆片，
通过石蜡32粘接；
步骤二，蓝宝石衬底减薄，如图3b所示，通过化学机械研磨的方法将蓝宝石衬底
35减薄到目标厚度(小于50微米)；
步骤三，采用丙酮清洗减薄后的蓝宝石衬底35表面，去除表面脏污；
步骤四，通过热蒸发或溅射方法沉积金属反光层36,如图3c所示；
步骤五，通过电镀或圆片粘接焊接的方法在金属反光层36上制作低热阻基座37，
如图3d所示；步骤六，加热石蜡熔化，移除陪片31，清洗粘接的石蜡32。 至此，本发明的低热阻LED芯片制作完成。
虽然已经通过上述的例子描述了本发明的实施形态，但是它们只是说明性的。事 实上，在不违背本发明原理的条件下，还可以对其进行各种形式的修改。此外，本发 明的范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1、低热阻发光二极管芯片的制作方法，所述方法包括在完成电极制作的包含金属电极、半导体外延层和蓝宝石衬底的LED圆片，进一步制作步骤一，提供一陪片，与所述LED圆片粘接；步骤二，将所述蓝宝石衬底减薄到目标厚度；步骤三，清洗减薄后的所述蓝宝石衬底表面；步骤四，在所述蓝宝石衬底上沉积金属反光层；步骤五，在所述金属反光层上制作低热阻基座；步骤六，移除所述陪片并清洗。
2、 根据权利要求l所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于， 所述低热阻基座的导热系数大于1. 7W/cm. K，厚度范围是在50 100微米内。
3、 根据权利要求1或2所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于， 所述步骤二中的目标厚度为小于50微米。
4、 根据权利要求3所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于， 所述金属反光层为至少为两层的多层金属层。
5、 一种低热阻发光二极管芯片，包括完成电极制作的含金属电极、半导体外延 层和蓝宝石衬底的LED圆片，其特征在于，所述芯片进一步包括金属反光层，设置在所述蓝宝石衬底的底面； 低热阻基座，设置在所述金属反光层的底面。
6、根据权利要求5所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述 方法进一步包括所述低热阻基座的导热系数大于1. 7W/cm. K,厚度范围是在50 100微米内。
7、 根据权利要求5或6所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于， 所述步骤二中的目标厚度为小于50微米。
8、 根据权利要求7所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所 述金属反光层为至少为两层的多层金属层。
全文摘要
本发明揭示低热阻发光二极管芯片的制作方法，包括在完成电极制作的包含金属电极、半导体外延层和蓝宝石衬底的LED圆片，进一步制作提供一陪片，与所述LED圆片粘接；将所述蓝宝石衬底减薄到目标厚度；清洗减薄后的所述蓝宝石衬底表面；在所述蓝宝石衬底上沉积金属反光层；在所述金属反光层上制作低热阻基座；步骤六，移除所述陪片并清洗。本发明的一种低热阻发光二极管芯片，包括完成电极制作的含金属电极、半导体外延层和蓝宝石衬底的LED圆片，其特征在于，所述芯片进一步包括金属反光层，设置在所述蓝宝石衬底的底面；低热阻基座，设置在所述金属反光层的底面。本发明可以显著提高LED的饱和工作电流密度。
文档编号H01L33/00GK101188259SQ20061011834
公开日2008年5月28日 申请日期2006年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者叶 兰, 榕 刘, 瑾 徐, 徐春朝, 江忠永, 田洪涛 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司