发光二极管及其芯片板上封装结构的制作方法
【专利摘要】一种发光二极管，包括：基板；半导体外延层，其包括第一半导体外延层、活性中间层、以及第二半导体外延层；反射层；金属层；以及碳化物层；其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离可为1至10微米。此外，本发明亦有关于一种芯片板上封装结构，其包括：电路载板；半导体外延层，其包括第一半导体外延层、活性中间层、以及第二半导体外延层；反射层；金属层；以及碳化物层；其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离可为1至10微米。据此，本发明的发光二极管及其芯片板上封装结构，可以快速移除高温热点及提升输出光率。
【专利说明】发光二极管及其芯片板上封装结构
【技术领域】
[0001] 本发明是关于一种发光二极管及其芯片板上封装结构，尤其指一种可以快速移除热点(Hot spot)及提升输出光率的发光二极管与使用其的芯片板上封装结构。
【背景技术】
[0002]公元1962年，通用电气公司的尼克?何伦亚克(Nick Holonyak Jr.)开发出第一种实际应用的可见光发光二极管(Light Emitting Diode, LED),而随着科技日益更新,各种色彩发光二极管开发也应蕴而生。而对于现今人类所追求永续发展为前提的情形下，发光二极管的低耗电量以及长效性的发光等优势下，已逐渐取代日常生活中用来照明或各种电器设备的指示灯或光源等用途。更有甚者，发光二极管朝向多色彩及高亮度的发展，已应用在大型户外显示广告牌或交通号志。
[0003]以公知蓝光发光二极管为例，其铟掺杂氮化镓为一公知的多量子井(multiplequantum wells,MQff),其中，具有49个电子的铟原子因其远大于晶格内的镓原子及氮原子，而使得铟原子容易从晶格中分离，促使MQW产生缺陷而使得该蓝光发光二极管无法作用。更具体地，存在于氮化镓晶格中的铟原子会造成反压电以及内应力的问题，其中，反压电效应会驱使铟原子偏离其平衡位置，而内应力则会造成铟原子产生差排。上述不可逆的劣化过程将使得该发光二极管的发光效率快速地下降。
[0004]于公知发光二极管中，当电子与空穴再结合时，约有1/3的能量以光子形式辐射，而约2/3的能量则转换为热能以晶格振动的方式逸散。据此，若发光二极管晶格中的热能无法快速移除，将导致如上述的发光二极管劣化问题，而促使发光二极管发光效率快速降低，据此， 申请人:于所提出的中国台湾专利申请号第100146548、100146551以及101120872号中均已揭示以类金刚石与导电材料所组成的堆叠结构或多层结构可有效地改善发光二极管的散热效率以及缓和或去除发光二极管受热膨胀的不良影响。虽相关前案揭示其类金刚石因其超硬材料的特征，能快速地从发光二极管中移除热量而达到整体散热的目的。然而，实际上，如图1所示，产生于MQW中，尺寸小于I纳米的热点才是真正直接导致发光二极管劣化的原因。 申请人:经详加研究后，更具体提出由限制MQW与类金刚石层的间距，从而通过声子传递方式由发光二极管中快速移除热点，而达到优化发光二极管的散热效率，进而可维持发光二极管的发光效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种发光二极管及其芯片板上封装结构，以改进公知技术中存在的缺陷。
[0006]为实现上述目的，本发明提供的发光二极管，包括:
[0007]一基板；
[0008]一半导体外延层，其位于该基板表面，该半导体外延层包括一第一半导体外延层、一活性中间层、以及一第二半导体外延层；[0009]一反射层，其夹置于该半导体外延层及该基板之间；
[0010]一金属层，其夹置于该反射层及该基板之间；以及
[0011]一碳化物层，其夹置于该金属层及该基板之间；
[0012]其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为I至10微米。
[0013]所述的发光二极管，其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为2微米。
[0014]所述的发光二极管，其中，该金属层为钛、锆、钥或钨。
[0015]所述的发光二极管，其中，该碳化物层为类金刚石、石墨烯或其组合。
[0016]所述的发光二极管，其中，该类金刚石为一导电性的四面体结构，且该类金刚石的碳原子含量高于95%以上，及该类金刚石的25%以上碳原子具有一扭曲四面体键结结构。
[0017]所述的发光二极管，其中，该金属层及该碳化物层为相互堆叠的多层结构。
[0018]所述的发光二极管，其中，该第一半导体外延层夹置于该反射层及该活性中间层之间，该活性中间层夹置于该第一半导体外延层与该第二半导体外延层之间。
[0019]所述的发光二极管，其中，该半导体外延层含有一掺杂物，该掺杂物为铟。
[0020]所述的发光二极管，其中，该基板包含一绝缘层以及一电路基板，该绝缘层的材质选自由类金刚石、氧化铝、陶瓷以及含金刚石的环氧树脂所组群组的至少一种。
[0021]所述的发光二极管，其中，该电路基板为一金属板、一陶瓷板或一娃基板。
[0022]所述的发光二极管，其中，包括一第二电极，该第二电极设置于该第二半导体外延层表面。
[0023]所述的发光二极管，其中，该第一半导体外延层、该反射层、该金属层及碳化物层为P型电性，而该第二半导体外延层及该第二电极为N型电性。
[0024]所述的发光二极管，其中，该碳化物层是用以提供该半导体外延层的超声波方式散热。
[0025]本发明提供的芯片板上封装结构(chip on board, COB),包括:
[0026]一电路载板，其包括至少一电性连接垫；
[0027]—半导体外延层，其位于该电路载板表面，该半导体外延层包括一第一半导体外延层、一活性中间层以及一第二半导体外延层；
[0028]一反射层，其夹置于该半导体外延层及该电路载板之间；
[0029]一金属层，其夹置于该反射层及该电路载板之间；以及
[0030]一碳化物层，其夹置于该金属层及该电路载板之间；
[0031]其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为I至10微米。
[0032]所述的芯片板上封装结构，其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为2微米。
[0033]所述的芯片板上封装结构，其中，该金属层为钛、锆、钥或钨。
[0034]所述的芯片板上封装结构，其中，该碳化物层为类金刚石、石墨烯或其组合。
[0035]所述的芯片板上封装结构，其中，该类金刚石为一导电性的四面体结构，且该类金刚石的碳原子含量高于95%以上，及该类金刚石的25%以上碳原子具有一扭曲四面体键结结构。
[0036]所述的芯片板上封装结构，其中，该金属层及该碳化物层为相互堆叠的多层结构。
[0037]所述的芯片板上封装结构，其中，该第二半导体外延层夹置于该反射层及该活性中间层之间，该活性中间层夹置于该第一半导体外延层与该第二半导体外延层之间，且该第一半导体外延层部分未覆盖该活性中间层及该第二半导体外延层。
[0038]所述的芯片板上封装结构，其中，该半导体外延层含有一掺杂物，该掺杂物为铟。
[0039]所述的芯片板上封装结构，其中，该电路载板包含一绝缘层以及一电路基板，该绝缘层的材质是选自由类金刚石、氧化铝、陶瓷以及含金刚石的环氧树脂所组群组的至少一种。
[0040]所述的芯片板上封装结构，其中，该电路基板为一金属板、一陶瓷板或一硅基板。
[0041]所述的芯片板上封装结构，其中，该第二半导体外延层为P型电性，而该第一半导体外延层为N型电性。
[0042]所述的芯片板上封装结构，其中，该碳化物层是用以提供该半导体外延层的超声波方式散热。
[0043]所述的芯片板上封装结构，其中，包括一基板，该基板设置于该第一半导体外延层上。
[0044]所述的芯片板上封装结构，其中，该基板为一蓝宝石基板。
[0045]所述的芯片板上封装结构，其中，包括一焊接层，该焊接层设置于该电路载板及该碳化物层之间。
[0046]本发明的发光二极管及使用其的芯片板上封装结构，因其具有超声波散热的结构设计，可在发光二极管运作产生热量的过程中快速移除所产生的热点，以稳定其晶格结构，从而达到优化其散热效率，以维持其发光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]图1是产生于发光二极管中的热源尺寸对应热源温度的示意图。
[0048]图2A至图2E是本发明实施例一的发光二极管制备流程结构示意图。
[0049]图3A至图3F是本发明实施例二的芯片板上封装结构制备流程示意图。
[0050]图4是本发明实施例三的芯片板上封装结构结构示意图。
[0051]图5A及5B是本发明试验例一的光场分析结果图。
[0052]图6A及6B是本发明试验例三中的热阻分析结果图。
[0053]图7A及7B是本发明试验例四的温度分布结果图。
[0054]图8A及8B是本发明试验例五的温度分布结果图。
[0055]附图中主要组件符号说明:
[0056]发光二极管1,3 ;基板10,30 ;反射层11,31 ;半导体外延层12,32 ;第一半导体外延层121，321 ;活性中间层122，322 ;第二半导体外延层123，323 ;第二电极13 ;第一电极34 ;金属层151,351 ;碳化物层152,352 ;多层结构15,35 ;第一金属焊接层36 ;第二金属焊接层37 ;电路载板7 ;绝缘层1070，70 ;电路基板1071，71 ;焊料72 ;电性连接垫73 ;芯片板上封装结构300，400。
【具体实施方式】
[0057]本发明提供的发光二极管，其通过调整多量子井层及碳化物层的结构设计，可在发光二极管运作产生热量的过程中，通过超声波方式散热，快速移除发光二极管中的热点，以稳定发光二极管的晶格结构，从而达到优化发光二极管散热效率，并维持其发光效率。[0058]本发明的一态样提供一种发光二极管,包括:一基板；一半导体外延层，其位于该基板表面，该半导体外延层包括一第一半导体外延层、一活性中间层、以及一第二半导体外延层；一反射层，其夹置于该半导体外延层及该基板之间；一金属层，其夹置于该反射层及该基板之间；以及一碳化物层，其夹置于该金属层及该基板之间；其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离可为I至10微米。
[0059]于本发明上述发光二极管中，该活性中间层及该碳化物层间的距离较佳可为2微米。
[0060]于本发明上述发光二极管中，该反射层可为由银、或铝、或其合金所组成。然而，应了解的是，反射层的材质并不仅限于此，举例而言，亦可为铟锡氧化物(indium tinoxide, ITO)、氧化招锋(aluminum zinc oxide, AZO)、氧化锋(ZnO)、石墨烯(graphene)、镇(Ni)、钴(Co)、钯(Pd)、钼(Pt)、金(Au)、锌(Zn)、锡(Sn)、锑(Sb)、铅(Pb)、铜(Cu)、铜银(CuAg)、镍银(NiAg)、其合金、或其金属混合物。上述铜银(CuAg)与镍银(NiAg)等是指共晶金属(eutectic metal),除了用于达到反射效果之外，也可以达到形成奥姆接触(ohmiccontact)的效用。
[0061]于本发明上述发光二极管中，该金属层可为钛、锆、钥、或钨，且该金属层的厚度为5纳米至500纳米。再者，该碳化物层则可为类金刚石、石墨烯、或其组合，且该碳化物层的厚度可为5纳米至1000纳米。据此，该金属层及该碳化物层可形成为相互堆叠的多层结构。于本发明的一态样中，该金属层及该碳化物层可各自独立以I至10层相互堆叠，从而形成为一 2至20层相互堆叠的多层结构。
[0062]于本发明上述发光二极管中，该金属层及该碳化物层的形成方法并不特别限制，举例而言，可以电弧沉积法或溅镀法形成该金属层或该碳化物层。于本发明的一态样中，该碳化物层可以电弧沉积法形成于该金属层上。于本发明的另一态样中，该碳化物层则以溅镀法形成于该金属层上。
[0063]于本发明上述发光二极管中，该碳化物层是形成于基板及半导体外延层间，是以该碳化物层需具导电的功能，因此，当所选用的碳化物层为类金刚石时，该类金刚石需为一导电性的四面体结构，且该类金刚石的碳原子含量高于95%以上，及该类金刚石的25%以上碳原子具有一扭曲四面体键结结构。据此，使得介于半导体外延层及基板间的金属层及碳化物层可具有导电的性质。
[0064]于本发明上述发光二极管中，该第一半导体外延层是夹置于该反射层及该活性中间层之间，该活性中间层是夹置于该第一半导体外延层与该第二半导体外延层之间。于本发明的一态样中，该发光二极管可为一直通式发光二极管，其第一半导体外延层可被该活性中间层及该第二半导体外延层完全覆盖，其中，该第一半导体外延层、该反射层、该金属层及碳化物层具有相同电性，并且相互电性连接。该发光二极管还可包括一第二电极，其设置于该第二半导体外延层表面，其中，该第二电极与该第二半导体外延层具有相同电性，以相互电性连接。于本发明的一具体态样中，该第一半导体外延层、该反射层、该金属层及碳化物层为P型电性，而该第二半导体外延层及该第二电极为N型电性。据此，本发明的发光二极管即可形成一直通式发光二极管。
[0065]于本发明上述发光二极管中，该半导体外延层可含有一掺杂物，该掺杂物可为铟。据此，该半导体外延层的活性中间层可形成为一多量子井层(multiple quantum welllayer)，以提升发光二极管中电能转换成光能的效率，但本发明并不以此为限。
[0066]于本发明上述发光二极管中，该基板可包含一绝缘层、以及一电路基板，其中，该绝缘层的材质可选自由类金刚石、氧化铝、陶瓷、以及含金刚石的环氧树脂所组群组的至少一种；该电路基板则可为一金属板、一陶瓷板或一娃基板。
[0067]一般而言，公知金刚石材料因其具有超硬材料的特性，能以15，000m/s的超声波速度传递热量，相当于5倍的银热传速度，若应用于发光二极管中，可降低其平均温度或能使其温度分布均匀，达到有效散热的目的。而本发明的重要技术特征即在于通过超声波散热方式，快速移除半导体外延层中的热点，以优化发光二极管的发光效率。因此，于上述本发明的发光二极管中，通常热点产生位置为半导体外延层的活性中间层，因此，活性中间层与金刚石材料间的距离变得相当重要。举例而言，于上述本发明发光二极管中，可选用类金刚石作为该碳化物层并设置于半导体外延层及该基板间，使该类金刚石可提供该半导体外延层一超声波散热功能，达到消除热点的目的。此外，类金刚石亦可为基板的绝缘层，只要类金刚石与热点的距离够近，可使其具有超声波散热的功效即可，本发明并不特别限制其位置。
[0068]本发明的另一目的在于提供芯片板上封装结构(chip on board, COB),其通过调整多量子井层及碳化物层的结构设计，使芯片板上封装结构的发光二极管于运作产生热量的过程中，通过超声波方式散热，快速移除发光二极管中的热点，以稳定发光二极管的晶格结构，从而达到优化发光二极管散热效率，并维持其发光效率。
[0069]本发明的一态样提供一种芯片板上封装结构(chip on board, COB),包括:一电路载板，其包括至少一电性连接垫；一半导体外延层，其位于该电路载板表面，该半导体外延层包括一第一半导体外延层、一活性中间层、以及一第二半导体外延层；一反射层，其夹置于该半导体外延层及该电路载板之间；一金属层，其夹置于该反射层及该电路载板之间；以及一碳化物层，其夹置于该金属层及该电路载板之间；其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离可为I至10微米。
[0070]于本发明上述芯片板上封装结构中，该活性中间层及该碳化物层间的距离较佳可为2微米。
[0071]于本发明上述芯片板上封装结构中，该反射层可为由银、或铝、或其合金所组成。然而，应了解的是，反射层的材质并不仅限于此，举例而言，亦可为铟锡氧化物(indium tinoxide, ITO)、氧化招锋(aluminum zinc oxide, AZO)、氧化锋(ZnO)、石墨烯(graphene)、镇(Ni)、钴(Co)、钯(Pd)、钼(Pt)、金(Au)、锌(Zn)、锡(Sn)、锑(Sb)、铅(Pb)、铜(Cu)、铜银(CuAg)、镍银(NiAg)、其合金、或其金属混合物。上述铜银(CuAg)与镍银(NiAg)等是指共晶金属(eutectic metal),除了用于达到反射效果之外，也可以达到形成奥姆接触(ohmiccontact)的效用。
[0072]于本发明上述芯片板上封装结构中，该金属层可为钛、锆、钥、或钨，且该金属层的厚度为5纳米至500纳米。再者，该碳化物层则可为类金刚石、石墨烯、或其组合，且该碳化物层的厚度可为5纳米至1000纳米。据此，该金属层及该碳化物层可形成为相互堆叠的多层结构。于本发明的一态样中，该金属层及该碳化物层可各自独立以I至10层相互堆叠，从而形成为一 2至20层相互堆叠的多层结构。
[0073]于本发明上述芯片板上封装结构中，该金属层及该碳化物层形成方法并不特别限制，举例而言，可以电弧沉积法或溅镀法形成该金属层或该碳化物层。于本发明的一态样中，该碳化物层可以电弧沉积法形成于该金属层上。于本发明的另一态样中，该碳化物层则以溅镀法形成于该金属层上。
[0074]于本发明上述芯片板上封装结构中，由于该碳化物层系形成于电路载板及半导体外延层间，该碳化物层需具导电的功能，因此，当所选用的碳化物层为类金刚石时，该类金刚石需为一导电性的四面体结构，且该类金刚石的碳原子含量高于95%以上，及该类金刚石的25%以上碳原子具有一扭曲四面体键结结构。据此，使得介于半导体外延层及基板间的金属层及碳化物层可具有导电的性质。
[0075]于本发明上述芯片板上封装结构中，该第二半导体外延层是夹置于该反射层及该活性中间层之间，该活性中间层是夹置于该第一半导体外延层与该第二半导体外延层之间，且该第一半导体外延层部分未覆盖该活性中间层及该第二半导体外延层，从而显露部分该第一半导体外延层，以提供作为电性连接的用途。
[0076]于本发明上述芯片板上封装结构中，该金属层及该碳化物层所形成的多层结构可分别设置于该第二半导体外延层及该第一半导体外延层的表面，作为电极的用途以电性连接至该电路载板。具体而言，为使该半导体外延层可电性连接至该电路载板上，该第二半导体外延层及设置于其上的金属层与碳化物层可为P型电性；而该第一半导体外延层及设置于其上的金属层与碳化物层则可为N型电性。据此，可使该半导体外延层得以电性连接于该电路载板上。
[0077]于本发明上述芯片板上封装结构中，还可包括一焊接层，其设置于该电路载板及该碳化物层之间，从而使得该半导体外延层可稳固地电性连接至该电路载板。
[0078]于本发明上述芯片板上封装结构中，该半导体外延层可含有一掺杂物，该掺杂物可为铟。据此，该半导体外延层的活性中间层可形成为一多量子井层(multiple quantumwell layer)，以提升发光二极管中电能转换成光能的效率，但本发明并不以此为限。
[0079]于本发明上述芯片板上封装结构中，该电路载板可包含一绝缘层、以及一电路基板，其中，该绝缘层的材质可选自由类金刚石、氧化铝、陶瓷、以及含金刚石的环氧树脂所组群组的至少一种；该电路基板则可为一金属板、一陶瓷板或一娃基板。
[0080]一般而言，公知金刚石材料因其具有超硬材料的特性，能以15，000m/s的超声波速度传递热量，相当于5倍的银热传速度，若应用于发光二极管中，可降低其平均温度或能使其温度分布均匀，达到有效散热的目的。而本发明的重要技术特征即在于通过超声波散热方式，快速移除半导体外延层中的热点，以优化发光二极管的发光效率。于上述本发明的芯片板上封装结构中，通常热点产生位置为半导体外延层的活性中间层，因此，活性中间层与金刚石材料间的距离变得相当重要。举例而言，于上述本发明芯片板上封装结构中，可选用类金刚石作为该碳化物层并设置于半导体外延层及该电路载板间，使该类金刚石可提供该半导体外延层一超声波散热功能，达到消除热点的目的。此外，类金刚石亦可为基板的绝缘层，只要类金刚石与热点的距离够近，可使其具有超声波散热的功效即可，本发明并不特别限制其位置。
[0081]再者，于上述本发明的芯片板上封装结构中，该芯片板上封装结构还可包括一基板，其设置于该第一半导体外延层上。具体而言，可先于该基板上制备一芯片倒装式发光二极管，并以芯片倒装技术将该发光二极管通过一焊接层电性连接并封装至该电路载板上，以形成该芯片板上封装结构。因此，若该基板为一透明基板，则可保留于该半导体外延层上，反的则需移除。于本发明的一具体态样中，该基板可为一蓝宝石基板而保留于该半导体外延层上，但本发明并不仅限于此。
[0082]以下是由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可由其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0083]本发明的实施例中该些附图均为简化的示意图。惟该些图标仅显示与本发明有关的组件，其所显示的组件非为实际实施时的态样，其实际实施时的组件数目、形状等比例为一选择性的设计，且其组件布局型态可能更复杂。
[0084]实施例一
[0085]本发明的目的在于提供一种发光二极管，其通过调整发光二极管的结构设计，使其能利用超声波方式散热，快速移除活性中间层中的热点，从而达到优化发光二极管散热效率，并维持其发光效率。
[0086]请参考图2A至2E，是本发明实施例一的发光二极管I制备流程结构示意图，其中，此实施例一所制备的发光二极管I为一直通式发光二极管。首先，如图2A所示，提供一基板10，其包含一绝缘层1070、以及一电路基板1071。接着，如图2B所示，于该基板10上方以溅镀法形成一由两层金属层151及两层碳化物层152相互堆叠形成的多层结构15，其中，该些金属层151为钛、该些碳化物层152为可导电的类金刚石，且该些金属层151及该些碳化物层152的厚度各自独立为100纳米。接着，请参考图2C，于该金属层151上形成一反射层11，其中，该反射层11为铝。此外，因所制备的发光二极管I为直通式发光二极管，是以上述金属层151、碳化物层152及反射层11需具有相同电性，于此实施例一中，该反射层
11、该金属层151及该碳化物层152为P型电性。
[0087]请继续参阅图2D，于该反射层11上方形成一半导体外延层12，其中，该半导体外延层12包含一第一半导体外延层121、一活性中间层122、以及一第二半导体外延层123，其中，该第一半导体外延层121、该活性中间层122与该第二半导体外延层123系层迭设置，该第一半导体外延层121夹置于该反射层11及该活性中间层122之间，该活性中间层122夹置于该第一半导体外延层121与该第二半导体外延层123之间。于此实施例一中，该半导体外延层12的材质为氮化铟镓(InGaN)，且该第一半导体外延层121为P型外延层，该第二半导体外延层123系N型外延层。在此，需注意的是，本发明的重要技术特征在于通过碳化物层的结构设计，使其能利用超声波方式进行散热。因此，在此实施例一中，该活性中间层122与上述至少一碳化物层152间的距离设计为2微米，从而使得作为碳化物层152的类金刚石得以提供半导体外延层12由超声波方式散热，以15，000m/s的超声波速度快速移除热量，并减少产生于活性中间层122的热点。此外，本发明半导体外延层12适用的材质不限于此，亦可以使用选用其他本领域中常用材质。再者，于此实施例一中，该活性中间层122为多量子井层，用以提升发光二极管I中电能转换成光能的效率。
[0088]最后，请参阅图2E，是于该第二半导体外延层123上形成一第二电极13，其中，该第二电极为N型电性。于此实施例一的发光二极管I中，该由金属层151及碳化物层152形成的多层结构15同时兼具作为电极的功能，且该反射层11、该金属层151及该碳化物层152的电性与第一半导体外延层121同为P型电性；该第二半导体外延层123及该第二电极13则同为N型电性,从而此实施例一所完成的发光二极管I为一直通式发光二极管。
[0089]据此，如图2A至图2E所示，上述制得发光二极管1，其包括:一基板10，其包括一绝缘层1070、以及一电路基板1071 半导体外延层12,其位于基板10上,该半导体外延层12包括一第一半导体外延层121、一活性中间层122、以及一第二半导体外延层123，其中，该第一半导体外延层121夹置于该基板10及该活性中间层122之间，该活性中间层122夹置于该第一半导体外延层121与该第二半导体外延层123之间；一反射层11，其夹置于该基板10及该半导体外延层12间；一由两层金属层151及两层碳化物层152相互堆叠形成的多层结构15，其中，金属层151为钛且位于多层结构15上方的金属层151夹置于该反射层11及该基板10之间,碳化物层152为一可导电的类金刚石且位于多层结构15下方的碳化物层152夹置于该金属层151及该基板10之间；其中，该活性中间层122及该碳化物层间的距离为2微米，该第一半导体外延层121、该反射层11、该金属层151及该碳化物层152为P型电性，且该第二半导体外延层123则与该第二电极13同为N型电性。据此，即可制备完成此实施例一的发光二极管1，其为一直通式发光二极管。
[0090]实施例二
[0091]除上述实施例一的直通式发光二极管外，亦可将本发明的重要技术特征应用于芯片板上封装结构中，从而优化其发光效率。
[0092]请参阅图3A至3F，是本发明实施例二的芯片板上封装结构300制备流程结构示意图，其中，此实施例二是先制备所需的发光二极管3，其为一芯片倒装式发光二极管。
[0093]首先，如图3A所示，提供一基板30。在此实施例三中，该基板30为一蓝宝石基板。接着，如图3B所示，于该基板30上方形成一半导体外延层32，其中，该半导体外延层32包含一第一半导体外延层321、一活性中间层322、以及一第二半导体外延层323，其中，该第一半导体外延层321、该活性中间层322与该第二半导体外延层323是层迭设置，该第一半导体外延层321夹置于该基板30及该活性中间层322之间，该活性中间层322夹置于该第一半导体外延层321与该第二半导体外延层323之间。于完成该半导体外延层32后，移除部分第二半导体外延层323及部分活性中间层322，以显露其下的第一半导体外延层321。于此实施例二中，该半导体外延层32的材质为氮化铟镓(InGaN)，且该第一半导体外延层321为N型，该第二半导体外延层323为P型。此外，本发明半导体外延层32适用的材质不限于此，亦可以使用选用其他本领域中常用材质。再者，于此实施例二中，该活性中间层322为多量子井层，用以提升发光二极管3中电能转换成光能的效率。
[0094]请继续参阅图3C，于该部分未移除的第二半导体外延层323上方形成一反射层31。于此实施例二中，该反射层31为银。然而，此形成反射层31的步骤，本发明所属【技术领域】的通常知识者可依需要选择性执行，换言之若不打算设置反射层，则可跳过形成反射层31的步骤而无需进行。
[0095]再者，请参阅图3D,于该反射层31上以电弧沉积法形成由I层金属层351及I层碳化物层352相互堆叠的多层结构35，其中，该金属层351为钛且该碳化物层352为可导电的类金刚石。此外，于该显露的第一半导体外延层321上形成一第一电极34,该第一电极34的材质并不特别限制，只要能够与该第一半导体外延层321形成电性连接即可。于此实施例二中，该第一电极34亦为由金属层及碳化物层形成的多层结构(图未显示)，并且通过调整其相互堆叠的层数使得该第一电极34及该碳化物层352形成一共平面。再者，考虑该发光二极管3需电性连接至电路载板上，该第一电极34与该第一半导体外延层321为N型电性；该金属层351、该碳化物层352与该第二半导体外延层323为P型电性。接着，如图3E所不，于该第一电极34表面与该碳化物层352表面上,分别形成一第一金属焊接层36以及第二金属焊接层37，其中，该第一金属焊接层36的表面与该第二金属焊接层37的表面形成一共平面。于本实施例中，该第一金属焊接层36与该第二金属焊接层37是由金层与金锡层构成，且该金锡层是一共晶导电材料层。
[0096]最后，请参阅图3F，将上述所制备的发光二极管3电性连接并封装至一电路载板7上并利用激光剥离技术(laser lift-off)，移除该基板30，以制备此实施例二的芯片板上封装结构300。如图3F所示，芯片板上封装结构300包括:一电路载板7 ；以及上述所制得的发光二极管3，其经由该第一金属焊接层36以及该第二金属焊接层37电性连接该电路载板7，其中，该电路载板7包含一绝缘层70、一电路基板71、以及电性连接垫73。在此，需注意的是，本发明的重要技术特征在于通过碳化物层使芯片板上封装结构能通过超声波方式进行散热，该活性中间层322与该碳化物层352间的距离设计为2微米，从而使得作为碳化物层352的类金刚石得以由超声波散热的方式，以15，000m/s的超声波速度快速移除产生于活性中间层322的热点。
[0097]此外，于该芯片板上封装结构300中，可利用形成于电性连接垫73表面的焊料72，通过芯片倒装方式，使该第一金属焊接层36以及该第二金属焊接层37与该电路载板7的电性连接垫73达到电性连接。
[0098]据此，如图3A至图3F所示，上述制得的芯片板上封装结构300，其包括:一电路载板7 半导体外延层32，其位于电路载板7上，该半导体外延层32包括一第一半导体外延层321、一活性中间层322、以及一第二半导体外延层323 反射层31,其夹置于该电路载板7及该第二半导体外延层323间，；一金属层351，夹置于该反射层31及该电路载板7之间；一碳化物层352,夹置于该金属层351及该电路载板之间；以及一第一电极34,设置于该部份显露的第一半导体外延层321上；其中，该第二半导体外延层323夹置于该反射层31及该活性中间层322之间，该活性中间层322夹置于该第一半导体外延层321与该第二半导体外延层323之间，且该半导体外延层32是经由一第一金属焊接层36以及一第二金属焊接层37封装于该电路载板7，并且该活性中间层322及该碳化物层352间的距离为2微米。此外，该第一电极34与该第一半导体外延层321为N型电性；该金属层351、该碳化物层352与该第二半导体外延层323为P型电性。
[0099]实施例三
[0100]请参考图4，其此实施例三的芯片板上封装结构400的结构示意图。实施例三与上述实施例二的制备流程大致相似，所不同处在于，将所制备的发光二极管3电性连接并封装于该电路载板7上后，由于所使用的基板30为蓝宝石基板，因此，在不移除该基板30的情况下，同样可制备完成一芯片板上封装结构400。
[0101]据此，如图4所示，此实施例三所制得的芯片板上封装结构400，其包括:一电路载板7 半导体外延层32，其位于电路载板7上，该半导体外延层32包括一第一半导体外延层321、一活性中间层322、以及一第二半导体外延层323 反射层31,其夹置于该电路载板7及该第二半导体外延层323间；一金属层351，夹置于该反射层31及该电路载板7之间；一碳化物层352,夹置于该金属层351及该电路载板7之间；一第一电极34,设置于该第一半导体外延层321上；以及一基板30,设置于该第一半导体外延层321上；其中，该第二半导体外延层323夹置于该反射层31及该活性中间层322之间，该活性中间层322夹置于该第一半导体外延层321与该第二半导体外延层323之间，且该半导体外延层32是经由一第一金属焊接层36以及一第二金属焊接层37封装于该电路载板7，并且该活性中间层322及该碳化物层352间的距离为2微米。此外，该第一电极34与该第一半导体外延层321为N型电性；该金属层351、该碳化物层352与该第二半导体外延层323为P型电性。
[0102]实施例四
[0103]实施例四与上述实施例二的制备流程大致相似，所不同处在于，所使用的电路载板的绝缘层为一类金刚石(与碳化物层的组成份相同)。据此，此实施例四所完成的芯片板上封装结构将可同时通过碳化物层及绝缘层进行超声波散热。
[0104]比较例一
[0105]此比较例一与实施例一大致相同，所不同处仅在于比较例一的直通式发光二极管中并不含有碳化物层。据此，比较例一所制得的直通式发光二极管将无法通过该碳化物层进行超声波散热。
[0106]比较例二
[0107]此比较例与实施例二大致相同，所不同处仅在于比较例的芯片板上封装结构中并不含有碳化物层。据此，比较例所制得的芯片板上封装结构将无法通过该碳化物层进行超声波散热。
[0108]试验例一
[0109]本试验例一是于相同的通电发光的条件下，利用一近场光学显微仪分析实施例一及比较例一所制备的直通式发光二极管的光场分布，以显示其热点产生缺陷的状况。请参考图5A及5B分别为实施例一及比较例一的光场分析结果图，其中，于图5A中并无观察到有因未发光而产生的黑点，显不实施例一的直通式发光二极管于通电发光(350毫安,7分钟)的情况下，并不会有因热点产生的缺陷；反的，于图5B中，则可发现于其中央处有因未发光而产生的黑点，显示于相同条件下，比较例一的直通式发光二极管有因热点产生的缺陷。
[0110]试验例二
[0111]本试验例二是于相同的通电发光的条件下，分析实施例二及比较例二的芯片板上封装结构在持续通电发光(350毫安)达16分钟后的温度，其中，实施例二的芯片板上封装结构的温度达61.12°C至68.21 °C;而比较例二的温度则为72.44°C至84.11 °C，远高于实施例二的温度。因此，由此上述结果可知，根据本发明所制造具有超声波散热功能的芯片板上封装结构，可由类金刚石以提供超声波方式散热，快速移除热量，并减少产生于半导体外延层中的热点。
[0112]试验例三
[0113]本试验例三是于25°C下，利用T3Ster热阻仪分析实施例二及比较例二所制备的芯片板上封装结构，以显示其导热的状况。请参考图6A及6B，各自独立为实施例二及比较例二的热阻分析结果图，其中，横轴为热阻，单位为K/W ;纵轴为热容，单位为Ks/W。请参考图6A，是本发明实施例二的热阻分析结果，其中，该电路载板及发光二极管间的热阻为0.98K/W。请参考图6B，是本发明比较例二的热阻分析结果，显示其电路载板及发光二极管间的热阻为1.51K/W。当芯片板上封装结构含有一由类金刚石形成的碳化物层，且该碳化物层与活性中间层间的距离为2微米时，将可有效降低两者间的热阻。
[0114]试验例四
[0115]本试验例四是于相同的通电发光条件下，利用一热像分析仪分析实施例一及比较例一所制备的直通式发光二极管芯片的温度分布。请参考图7A及7B，分别为实施例一及比较例一的温度分布结果图。如图7A及7B所示，于相同通电发光条件下(350毫安)，实施例一的直通式发光二极管的温度约为58°C至60°C ;反之，比较例一的直通式发光二极管的温度则约为73°C至76°C。因此，由此上述结果可知，根据本发明所制造具有超声波散热功能的直通式发光二极管，可由类金刚石以提供超声波方式散热，快速移除热量，并减少产生于半导体外延层中的热点。
[0116]试验例五
[0117]本试验例五是于相同的通电发光条件下，利用一热像分析仪分析实施例四及比较例二所制备的芯片板上封装结构的温度分布。请参考图8A及SB，分别为实施例四及比较例二的温度分布结果图。如图8A及SB所示，于相同通电发光条件下(700毫安)，实施例四的芯片板上封装结构的温度约为55°C至59°C ;反之，比较例二的芯片板上封装结构的温度则约为65°C至77°C。因此，由此上述结果可知，当碳化物层及绝缘层同时含有类金刚石时，两者产生的协同效应将使得本发明所制备的芯片板上封装结构具有更佳的散热效果。据此，根据本发明所制造具有超声波散热功能的芯片板上封装结构，确实可由类金刚石以提供超声波方式散热，快速移除热量，并减少产生于半导体外延层中的热点。
[0118]据此，上述试验例一至五的结果显示本发明的直通式发光二极管及芯片板上封装结构中，因其含有类金刚石并且调整活性中间层与类金刚石间的距离为I至10微米以内，可使得该类金刚石能通过超声波散热的方式，快速移除产生于活性中间层的热点，进而提升芯片板上封装结构的整体热稳定性，达到提高其发光效率并延长其产品寿命。
[0119]综上所述，本发明之发光二极管及使用其之芯片板上封装结构，因其具有超声波散热之结构设计，可在发光二极管运作产生热量的过程中快速移除所产生之热点，以稳定其晶格结构，从而达到优化其散热效率，以维持其发光效率。
[0120]上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请的权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
【权利要求】
1.一种发光二极管，包括: 一基板； 一半导体外延层，其位于该基板表面，该半导体外延层包括一第一半导体外延层、一活性中间层、以及一第二半导体外延层； 一反射层，其夹置于该半导体外延层及该基板之间； 一金属层，其夹置于该反射层及该基板之间；以及 一碳化物层，其夹置于该金属层及该基板之间； 其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为I至10微米。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为2微米。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该金属层为钛、锆、钥或钨。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该碳化物层为类金刚石、石墨烯或其组合。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其中，该类金刚石为一导电性的四面体结构，且该类金刚石的碳原子含量高于95%以上，及该类金刚石的25%以上碳原子具有一扭曲四面体键结结构。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该金属层及该碳化物层为相互堆叠的多层结构。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该第一半导体外延层夹置于该反射层及该活性中间层之间，该活性中间层夹置于该第一半导体外延层与该第二半导体外延层之间。
8.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该半导体外延层含有一掺杂物，该掺杂物为铟。
9.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该基板包含一绝缘层以及一电路基板，该绝缘层的材质选自由类金刚石、氧化铝、陶瓷以及含金刚石的环氧树脂所组群组的至少一种。
10.如权利要求9所述的发光二极管,其中，该电路基板为一金属板、一陶瓷板或一娃基板。
11.如权利要求1所述的发光二极管，其中，包括一第二电极，该第二电极设置于该第二半导体外延层表面。
12.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该第一半导体外延层、该反射层、该金属层及碳化物层为P型电性，而该第二半导体外延层及该第二电极为N型电性。
13.如权利要求1所述的发光二极管，其中，该碳化物层是用以提供该半导体外延层的超声波方式散热。
14.一种芯片板上封装结构,包括: 一电路载板，其包括至少一电性连接垫； 一半导体外延层，其位于该电路载板表面，该半导体外延层包括一第一半导体外延层、一活性中间层以及一第二半导体外延层； 一反射层，其夹置于该半导体外延层及该电路载板之间； 一金属层，其夹置于该反射层及该电路载板之间；以及 一碳化物层，其夹置于该金属层及该电路载板之间； 其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为I至10微米。
15.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该活性中间层及该碳化物层间的距离为2微米。
16.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该金属层为钛、锆、钥或钨。
17.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该碳化物层为类金刚石、石墨烯或其组合。
18.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该类金刚石为一导电性的四面体结构，且该类金刚石的碳原子含量高于95%以上，及该类金刚石的25%以上碳原子具有一扭曲四面体键结结构。
19.权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该金属层及该碳化物层为相互堆叠的多层结构。
20.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该第二半导体外延层夹置于该反射层及该活性中间层之间，该活性中间层夹置于该第一半导体外延层与该第二半导体外延层之间，且该第一半导体外延层部分未覆盖该活性中间层及该第二半导体外延层。
21.如权利要求14所述的芯片板上封装结构,其中，该半导体外延层含有一掺杂物,该掺杂物为铟。
22.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该电路载板包含一绝缘层以及一电路基板，该绝缘层的材质是选自由类金刚石、氧化铝、陶瓷以及含金刚石的环氧树脂所组群组的至少一种。
23.如权利要求22所述的芯片板上封装结构，其中，该电路基板为一金属板、一陶瓷板或一娃基板。
24.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该第二半导体外延层为P型电性，而该第一半导体外延层为N型电性。
25.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，该碳化物层是用以提供该半导体外延层的超声波方式散热。
26.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，包括一基板，该基板设置于该第一半导体外延层上。
27.如权利要求26所述的芯片板上封装结构，其中，该基板为一蓝宝石基板。
28.如权利要求14所述的芯片板上封装结构，其中，包括一焊接层，该焊接层设置于该电路载板及该碳化物层之间。
【文档编号】H01L33/64GK103972359SQ201310079405
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年2月4日
【发明者】宋健民, 甘明吉 申请人:宋健民