CN102054905A - 具有导热层的发光二极管芯片 - Google Patents

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沈佳辉
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Zhanjing Technology Shenzhen Co Ltd
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Rongchuang Energy Technology Co ltd
Zhanjing Technology Shenzhen Co Ltd
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Abstract

一种发光二极管芯片，其特征在于包括有一半导体叠层，所述半导体叠层包括有一第一表面、一相对的第二表面以及一连接所述第一表面与所述第二表面的斜面；而所述第一表面与所述第二表面上分别设置有一第一电极与一第二电极。所述发光二极管芯片更包括一第一导热层，包覆所述半导体叠层的所述第一表面与所述斜面，且所述第一导热层具有一第一开口，暴露出所述第一电极；所述发光二极管芯片更包括一包覆所述第一导热层且与所述第一电极接触的第二导热层。

Description

具有导热层的发光二极管芯片
技术领域
本发明有关于一种发光二极管(light emitting diode，LED)芯片，尤指一种具有导热层的发光二极管芯片。
背景技术
由于全球能源短缺与环境污染每况愈下，发光二极管依靠其节能与环保的优点而大量使用于应用照明领域中，且发光二极管的耐久性更在多种不同应用中展现了明显优势。
请参阅图1，图1为一公知发光二极管封装模块的剖面示意图。如图1所示，公知发光二极管封装模块100包括有一板状结构的发光二极管晶粒(die)102、一散热垫(heat slug)104、一光学透镜106、一透明封装树脂108、一封装材料110、一荧光层112、一电极114、与连接电极114与发光二极管晶粒102的连接线116。由于发光二极管是个光电组件，接受电力后可将电能转换为光能与热能，然而在操作过程中仅有15～25％的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能。而发光二极管封装模块100主要发光都集中在发光二极管晶粒102中；同样地，热量也集中在尺寸很小的发光二极管晶粒102内，使得发光二极管晶粒102的温度在操作时升高，引起热应力(thermal stress)的非均匀分布，导致发光二极管晶粒102发光效率和荧光粉激射效率下降；是以当温度超过一定值时，组件失效率更呈指数规律增加。简单地说，温度越高，发光二极管的出光率及可靠性就越低、寿命也越短。
由于高亮度高功率发光二极管系统所衍生的热问题是影响产品功能优劣的所在，因此热量管理可说是发光二极管，尤其是高亮度发光二极管应用中的主要问题。举例来说，已知包括氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)与氮化铝铟镓(AlInGaN)等三族氮化物材料的发光二极管是制作于晶格较为匹配的蓝宝石基底上，然而因为蓝宝石基底材料极低的热导率会导致发光二极管热阻(thermal resistance)增加，产生严重的自加热(self-heating)效应，所以公知技术已有在蓝宝石基底上完成半导体层的制作后，再剥离(1ift-off)蓝宝石基底并替换以一高导热的金属平板来提供机械性支撑等方法，用意即在于提升发光二极管热量的耗散。另外，在后段工艺中，发光二极管封装模块100则是利用散热垫104来降低发光二极管封装模块100的热阻抗。
然而，随着技术的进步，发光二极管的可发光度越来越高，其产生的热能也越来越多；此外面对许多应用产品逐渐走向多芯片封装等趋势，除了前段工艺适用材料的选择与后段封装模块的改良之外，如何将热量从小小的发光二极管晶粒102中有效地传导出来，避免发光二极管在操作中产生的热量对其本身的性能、可靠性及寿命造成毁灭性的影响，仍受到持续的注目。
发明内容
因此，本发明的一目的为提供一种可有效传导热能的发光二极管芯片。
本发明一种发光二极管芯片，包括有一半导体叠层，所述半导体叠层包括有一第一表面、一相对的第二表面以及一斜面；而所述第一表面与所述第二表面上分别设置有一第一电极与一第二电极。所述发光二极管芯片更包括一第一导热层，包覆(coating)所述半导体叠层的所述第一表面与所述斜面，且所述第一导热层具有一第一开口，暴露出所述第一电极，所述发光二极管芯片更包括一包覆所述第一导热层且与所述第一电极接触的第二导热层。
根据本发明所提供的发光二极管芯片，其主要产生光能及热能的半导体叠层具有一斜面，且所述斜面被所述第一导热层、第二导热层所包覆，因此半导体叠层所产生的热能可透过第一导热层、第二导热层有效地传导至芯片表面，故可提高发光二极管的散热效率。
附图说明
图1为一公知发光二极管封装模块的剖面示意图；
图2为本发明所提供的发光二极管芯片的第一优选实施例的剖面示意图；
图3为本发明所提供的发光二极管芯片的第二优选实施例的剖面示意图；
图4为本发明所提供的发光二极管芯片的第三优选实施例的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
100         发光二极管封装模块    102         芯片
104         散热垫                106         光学透镜
108         透明封装树脂          110         封装材料
112         荧光层                114         电极
116         连接线
200、300    发光二极管芯片        210、310    半导体叠层
212、312    第一表面              214、314    第二表面
216、316    斜面                  222、322    第一型半导体层
224、324    活性层                226、326    第二型半导体层
230、330    夹角                  240、340    第一电极
242、342    第二电极              250、350    第一导热层
252、352    第一开口              260、360    第二导热层
270、370    外部导热层            380         表面导热层
382         第二开口
具体实施方式
请参阅图2，图2为本发明所提供的发光二极管芯片的第一优选实施例的剖面示意图。如图2所示，本发明所提供的发光二极管芯片200为一垂直式发光二极管芯片，其包括有一半导体叠层210，具有一第一表面212、一相对于第一表面212的第二表面214，以及一连接第一表面212与第二表面214的斜面216。在本优选实施例中第一表面212为下表面，而第二表面214为上表面。半导体叠层210由下而上更包括一第一型半导体层222、一活性层224与一第二型半导体层226，且第一型半导体层222、活性层224与第二型半导体层226包括氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)与氮化铝铟镓(AlInGaN)等三族氮化物材料。在本第一优选实施例中，第一型指p型，而第二型指n型，但亦不限于第一型为n型，而第二型为p型。半导体叠层210是制作于晶格较为匹配的蓝宝石基底中，随后以高导热导电的金属基底取代蓝宝石基底，以提供机械性支撑等方法，并提升发光二极管热量的耗散。由于上述制作半导体叠层210、金属基底与剥离(lift-off)蓝宝石基底，以及相关透明导电层制作等步骤为所属领域技术人员所熟知的，故所述步骤与相关优选的材料选择于此皆不再赘述，此外图2中亦仅绘示发光二极管中主要作为发光结构的半导体叠层210；而第一表面212与第二表面214则可选择性形成的金属基底与透明导电层等膜层，皆于图2中省略。
值得注意的是，如图2所示，本发明所提供的半导体叠层210的剖面具有一倒梯形的形状，因此其斜面216与活性层224具有一夹角230，且夹角230大于(＞)90度，用以将活性层224所产生的光线导出发光二极管芯片200内部。另外，如图2所示，发光二极管芯片200尚包括一第一电极240与一第二电极242，分别设置于半导体叠层210的第一表面212与第二表面214；且设置于第二表面214的第二电极242可于后续封装工艺中通过连接线与外部电极电性连接。
请继续参阅图2，根据本第一优选实施例所提供的发光二极管芯片200，其更包括一第一导热层250，第一导热层250沿着半导体叠层210的第一表面212与斜面216形成，而包覆半导体叠层210的第一表面212与斜面216，且其具有一第一开口252，用以暴露出第一电极240。第一导热层250包括透明绝缘材料，如氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiOxN(1-x))、类钻碳(diamond-like carbon，DLC)或氧化钛(TiO2)等，并可利用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)等方法形成，但不限于此。
在第一导热层250的外侧，设置有一第二导热层260，以电镀或蒸镀方法形成于第一导热层250的表面，因此第二导热层260同样具有对应于半导体叠层210的第一表面212与斜面216的轮廓。第二导热层260包覆第一导热层250，并与暴露于第一开口252的第一电极240相接触而电性连接。第二导热层260包括高导热的导电材料，例如铝、银、镍、钛、金、铂、钯、铜、钴或其合金，或任何适用的半导体材料。此外，第二导热层260除了具有高导热、低电阻的规格需求外，优选更具有高反射性的材料特性，因此第二导热层260除了可将发光结构产生的热量传导出来之外，更用以将活性层224自斜面216穿透出来的光线反射，使得发光二极管芯片200的光线利用更加有效。此外，第二导热层260可为一杯状，其内部包覆且容纳半导体叠层210、第一电极240与第一导热层250；而其外部则可用以维持传统发光二极管芯片200平板结构的形状，以方便并兼容于后续公知封装工艺的进行。
根据本第一优选实施例所提供的发光二极管芯片200，作为发光结构并产生光能及热能的半导体叠层210被第一导热层250与第二导热层260包覆，由于第一导热层250与第二导热层260包括了高导热的材料，半导体叠层210所产生的热能可由第一表面212与斜面216传导至第一导热层250与第二导热层260，使得发光二极管芯片200在操作过程中所产生的热能通过上述膜层迅速的传导出来。
接下来请参阅图3，图3为本发明所提供的发光二极管芯片的第二优选实施例的剖面示意图。由于第二优选实施例与第一优选实施例的各组件及相对关系皆与第一优选实施例相同，故于此不再赘述，而仅将不同的组件做如下说明：根据本发明所提供的第二优选实施例，在第二导热层260的外侧，更设置有一外部导热层270，以电镀或蒸镀方法对应着半导体叠层210的第一表面212与斜面216形成，而包覆第二导热层260。外部导热层270包括金属或半导体材料等任何良好的热导及电导材料，且可如图3所示为一杯状，其内部包覆且容纳半导体叠层210、第一电极240、第一导热层250与第二导热层260；而其外部则可用以维持传统发光二极管芯片200平板结构的形状，以方便并相容于后续公知封装工艺的进行。另外，由于第一电极240暴露于第一开口252中，而与可导电的第二导热层260及外部导热层270电性连接，因此外部导热层270更直接用作发光二极管芯片200的电极接触。此外值得注意的是，考虑到第一导热层250与外部导热层270热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)不同而可能产生的应力问题，因此设置于其间的第二导热层260的优选材料为其CTE介于外部导热层270材料与第一导热层250材料的CTE之间的。
根据本第二优选实施例所提供的发光二极管芯片200，作为发光结构并产生光能及热能的半导体叠层210被第一导热层250、第二导热层260及外部导热层270包覆，由于第一导热层250、第二导热层260及外部导热层270包括了高导热的材料，半导体叠层210所产生的热能可由第一表面212与斜面216传导至第一导热层250、第二导热层260及外部导热层270，使得发光二极管芯片200在操作过程中所产生的热能通过上述膜层迅速的传导出来。而且相较于公知呈平板结构的发光二极管芯片200的长方体构造，本发明提供的发光二极管芯片200的半导体叠层210为一具倒梯形剖面的结构，此亦加大与第一导热层250、第二导热层260及外部导热层270的接触面积，而提高散热效果。
请参阅图4，图4为本发明所提供的发光二极管芯片的第三优选实施例的剖面示意图。如图4所示，本发明所提供的发光二极管芯片300亦为一垂直式发光二极管芯片，其包括有一半导体叠层310，包括有一第一表面312、一相对于第一表面312的第二表面314以及一斜面316，在本优选实施例中第一表面312为下表面；而第二表面314为上表面。如前所述，垂直式发光二极管芯片由下而上更包括一第一型半导体层322、一活性层324与一第二型半导体层326，且第一型半导体层322、活性层324与第二型半导体层326包括三族氮化物材料。在本第三优选实施例中，第一型亦指p型；而第二型则为n型，但亦不限于第一型为n型，而第二型为p型。第二优选实施例所提供的垂直式发光二极管芯片的制作过程如制作半导体叠层310、金属基底与剥离蓝宝石基底，以及相关透明导电层制作等步骤为熟悉所述技术领域的人员所熟知的，故所述步骤与相关优选的材料选择于此亦不再赘述。此外与第一优选实施例及第二优选实施例相同的是，图4中亦仅绘示发光二极管组件中主要作为发光结构的半导体叠层310；而金属基底与透明导电层等膜层则于图4中省略。
发光二极管芯片300的半导体叠层310具有的斜面316与活性层324具有一夹角330，且夹角330＞90度，用以将活性层324所产生的光线导出发光二极管芯片300内部。另外，发光二极管芯片300亦包括一第一电极340与一第二电极342，分别设置于半导体叠层310的第一表面312与第二表面314；且设置于第二表面314的第二电极342可于后续封装工艺中通过连接线与外部电极电性连接。
根据本第三优选实施例所提供的发光二极管芯片300，更包括一第一导热层350，第一导热层350沿着半导体叠层310的第一表面312与斜面316形成，故包覆半导体叠层310的第一表面312与斜面316，且第一导热层350具有一第一开口352，用以暴露出第一电极340。第一导热层350的外侧设置有一第二导热层360，以电镀或蒸镀方法形成于第一导热层350的表面，因此第二导热层360同样具有对应于半导体叠层310的第一表面312与斜面316的外型轮廓，而包覆第一导热层350，并与暴露于第一开口352中的第一电极340相接触而电性连接。在第二导热层360的外侧，更设置有一外部导热层370，其亦以电镀或蒸镀方法沿着半导体叠层310的第一表面312与斜面316形成，而包覆第二导热层360。第一导热层350包括透明绝缘材料、第二导热层360包括高导热的导电材料，而外部导热层370则包括金属或半导体材料等任何良好的热导及电导材料，上述膜层的材料选择与第一优选实施例相同，故于此不再赘述。
如前所述，由于第二导热层360包括的材料多为可反射光线的金属材料，因此第二导热层360除了将发光结构产生的热量传导出来之外，更可将自斜面穿透出来的光线反射，故可更增加发光二极管芯片300的光线利用。而外部导热层则可如图4所示为一杯状，其内部包覆且容纳半导体叠层310、第一电极340、第一导热层350与第二导热层360；而其外部则可用以维持传统发光二极管芯片300平板结构的形状，以方便并兼容于后续公知封装工艺的进行。另外值得注意的是，由于第一电极340暴露于第一开口352中而与可导电的第二导热层360及外部导热层370电性连接，因此外部导热层370更可直接用作发光二极管芯片300的电极接触。
本第三优选实施例所提供的发光二极管芯片更包括有一表面导热层380，设置于半导体叠层310的第二表面314上，且覆盖第二表面314。值得注意的是，表面导热层380具有一第二开口382，用以暴露出第二电极342，使第二电极342可于后续封装工艺中通过连接线与外部电极电性连接。表面导热层380更包括透明绝缘材料，例如氧化硅、氮氧化硅、类钻碳或氧化钛，其材料的选择可与第一导热层350相同或不同。设置于第二表面314的表面导热层380用以将半导体叠层310在操作中所产生的热能由第二表面314散逸，详细地说，由于表面导热层380与第二表面314、第一导热层350、第二导热层360以及外部导热层370皆有接触，因此半导体叠层310所产生的热能可由第二表面314传导至表面导热层380，之后可通过表面导热层380传导至外部导热层380而散逸；或可由表面导热层380直接散逸。简单地说，表面导热层380的设置可更加速半导体叠层310第二表面314的散热。
根据本第三优选实施例所提供的发光二极管芯片300，半导体叠层310在操作时产生的热能可通过第一表面312与斜面316传导至第一导热层350、第二导热层360、外部导热层370；同时热能亦由第二表面314传导至表面导热层380，再由上述膜层散逸。也就是说，可用来提供热传导的各表面皆有导热层的设置，增加了热传导的接触面积，因此发光二极管芯片300在操作过程中所产生的热能可通过上述膜层迅速的传导出来。
综上所述，根据本发明所提供的发光二极管芯片，其主要产生光能及热能的半导体叠层具有一上表面、一下表面与一斜面，且下表面与斜面被第一导热层、第二导热层与外部导热层所包覆，因此半导体叠层所产生的热能可透过第一导热层、第二导热层与外部导热层有效地传导至发光二极管芯片表面；而上表面则可通过表面导热层的设置更增加热传导的面积，且上述第一导热层、第二导热层、外部导热层与表面导热层更可具有粗糙表面，以更增加热传导面积，故本发明所提供的具有导热层的发光二极管芯片本身即具有高散热优点，在后续封装工艺中可更提高发光二极管的散热效率、降低组件的操作温度、增加组件寿命与发光效率。此外，由于半导体叠层的斜面与产生光的活性层所具有的夹角＞90度；辅以包括金属材质的第二导热层的设置，更可提高光反射而提升发光二极管芯片的发光效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种发光二极管芯片，其特征在于包括：
一半导体叠层，具有一第一表面、一相对的第二表面以及一连接所述第一表面与所述第二表面的斜面；
一第一电极与一第二电极，分别设置于所述半导体叠层的所述第一表面与所述第二表面；
一第一导热层，包覆所述半导体叠层的所述第一表面与所述斜面，且具有一第一开口，暴露出所述第一电极；以及
一第二导热层，包覆所述第一导热层且与所述第一电极接触。
2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于所述半导体叠层的剖面为一倒梯形。
3.如权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于所述活性层与所述斜面具有一夹角，且所述夹角＞90度。
4.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于所述第一导热层包括透明绝缘材料。
5.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于所述第二导热层包括导电材料。
6.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于更包括一外部导热层，且所述外部导热层包覆所述第二导电层。
7.如权利要求6所述的发光二极管芯片，其特征在于所述外部导热层包括金属或半导体材料。
8.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于更包括一表面导热层，包覆所述半导体叠层的所述第二表面。
9.如权利要求8所述的发光二极管芯片，其特征在于所述表面导热层更包括一第二开口，用以暴露出所述第二电极。
10.如权利要求8所述的发光二极管芯片，其特征在于所述表面导热层更包括透明绝缘材料。
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