CN103066195A - 应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，包括：衬底，该衬底上下表面均覆盖有绝缘层，绝缘层表面各有一层金属线层；LED芯片，该LED芯片由下至上依次包括外延衬底、成核层、电子注入层、发光层和空穴注入层，以及对空穴注入层、发光层和电子注入层进行部分刻蚀后在空穴注入层之上形成的p电极和在电子注入层之上形成的n电极；该LED芯片在剥离完外延衬底后倒装键合在所述衬底上，该LED芯片的p电极和n电极与所述衬底上表面的金属线层相连接；以及导热层，形成于该LED芯片在剥离完外延衬底后的成核层之上。本发明利用石墨烯优越的导电性能，使得部分热量可以经由石墨烯导热层传递到衬底上，增加了器件的导热通道，提高了散热效果。

Description

应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是一种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管。
背景技术
发光二极管处在工作状态时，由于部分能量转化为热量而使器件的内部温度升高。器件的散热性能不好，不仅会影响到芯片的发光效率，还会影响器件性能的稳定性和使用寿命。倒装结构发光二极管是将LED芯片的电极通过倒装焊或键合的方式与衬底上的金属线层连接起来，从而实现电注入。因此，这种结构的发光二极管在工作时，主要散热通道是通过电极和金属线层的连接。上层芯片产生的热量，除了小部分通过对流和辐射传递外，绝大部分流经电极和金属线层，传递给衬底。这种散热通道比较单一，大部分热量都是自上而下的从芯片层到电极再到衬底进行热传递，因此散热效果不是很理想。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，以提高散热效果。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，包括：
衬底，该衬底上下表面均覆盖有绝缘层，绝缘层表面各有一层金属线层，上下两层金属线层之间由填充着导电解质的孔洞相连；
LED芯片，该LED芯片由下至上依次包括外延衬底、成核层、电子注入层、发光层和空穴注入层，以及对空穴注入层、发光层和电子注入层进行部分刻蚀后在空穴注入层之上形成的p电极和在电子注入层之上形成的n电极；该LED芯片在剥离完外延衬底后倒装键合在所述衬底上，该LED芯片的p电极和n电极与所述衬底上表面的金属线层相连接；以及
导热层，形成于该LED芯片在剥离完外延衬底后的成核层之上。
上述方案中，所述衬底采用的材料为硅、陶瓷、线路板或者金属板中的一种，所述衬底上下表面覆盖的绝缘层采用的材料为二氧化硅，p电极或n电极与金属线层之间采用凸点焊球连接。所述衬底为平面衬底或者具有凹槽的衬底，其中具有凹槽的衬底，凹槽的深度小于或等于剥离掉外延衬底的LED芯片的厚度，且凹槽底面覆盖有绝缘层和金属线层。
上述方案中，所述LED芯片中的外延衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓或者玻璃中的一种。
上述方案中，所述LED芯片中的电子注入层为n型材料；所述LED芯片中的空穴注入层为p型材料。
上述方案中，所述LED芯片中的发光层为单层或者多层量子阱结构，或者为量子点或者量子线结构。
上述方案中，所述LED芯片中的p电极选自于包括金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/银(Ag)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)的金属合金材料群组中的一种材料，该p电极还充当金属反射镜的作用。
上述方案中，所述LED芯片中的n电极选自于包括镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/铂(Pt)/金(Au)、钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、铬(Cr)/铂(Pt)/金(Au)、铬(Cr)/银(Ag)/金(Au)的金属材料群组中的一种材料。
上述方案中，所述导热层为单层或者多层石墨烯薄膜材料，或者为石墨烯薄片形成的织网。
上述方案中，所述导热层的厚度大于或等于单层石墨烯的厚度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，是在倒装结构发光二极管中加入一层石墨烯导热层，利用石墨烯优越的导电性能，使得部分热量可以经由石墨烯导热层传递到衬底上，增加了器件的导热通道，提高了散热效果。
2、本发明针对这种用石墨烯作为导热层的发光二极管，由于不同的石墨烯导热层的机械性能有差别，设计出了两种实用的倒装芯片的封装结构，这两种结构均能够利用石墨烯优越的导电性能，使得部分热量可以经由石墨烯导热层传递到衬底上，增加了器件的导热通道，提高了散热效果。
附图说明
图1是传统的倒装结构发光二极管的结构示意图；
图2是依照本发明第一个实施例的在平面衬底上有石墨烯导热层的倒装结构发光二极管的示意图；
图3是依照本发明第二个实施例的在具有凹槽的衬底上有石墨烯导热层的倒装结构发光二极管的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，包括：衬底，该衬底上下表面均覆盖有绝缘层，绝缘层表面各有一层金属线层，上下两层金属线层之间由填充着导电解质的孔洞相连；LED芯片，该LED芯片由下至上依次包括外延衬底、成核层、电子注入层、发光层和空穴注入层，以及对空穴注入层、发光层和电子注入层进行部分刻蚀后在空穴注入层之上形成的p电极和在电子注入层之上形成的n电极；该LED芯片在剥离完外延衬底后倒装键合在所述衬底上，该LED芯片的p电极和n电极与所述衬底上表面的金属线层相连接；以及导热层，形成于该LED芯片在剥离完外延衬底后的成核层之上。
其中，所述衬底采用的材料为硅、陶瓷、线路板或者金属板中的一种，所述衬底上下表面覆盖的绝缘层采用的材料为二氧化硅，p电极或n电极与金属线层之间采用凸点焊球连接。所述衬底为平面衬底或者具有凹槽的衬底，其中具有凹槽的衬底，凹槽的深度小于或等于剥离掉外延衬底的LED芯片的厚度，且凹槽底面覆盖有绝缘层和金属线层。
所述LED芯片中的外延衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓或者玻璃中的一种。所述LED芯片中的电子注入层为n型材料；所述LED芯片中的空穴注入层为p型材料。所述LED芯片中的发光层为单层或者多层量子阱结构，或者为量子点或者量子线结构。
所述LED芯片中的p电极选自于包括金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/银(Ag)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)的金属合金材料群组中的一种材料，该p电极还充当金属反射镜的作用。所述LED芯片中的n电极选自于包括镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/铂(Pt)/金(Au)、钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、铬(Cr)/铂(Pt)/金(Au)、铬(Cr)/银(Ag)/金(Au)的金属材料群组中的一种材料。
所述导热层为单层或者多层石墨烯薄膜材料，或者为石墨烯薄片形成的织网。所述导热层的厚度大于或等于单层石墨烯的厚度。
如图1所示，传统的倒装结构的LED外延片结构包括外延衬底1a、成核层1b、电子注入层1c、发光层1d、空穴注入层1e、p电极1f和n电极1g。该LED外延片结构在形成空穴注入层1e后，对该LED外延片结构的空穴注入层1e、发光层1d和电子注入层1c进行部分刻蚀，直至刻蚀至电子注入层1c中，然后在空穴注入层之上形成的p电极，并在电子注入层之上形成的n电极。
如图2，将剥离了外延衬底的LED芯片1通过键合或者倒装焊的方式倒装在平面衬底5上。平面衬底5的上下两个表面事先已经覆盖着绝缘层4，绝缘层4外覆盖着金属线层6、7、8和9。金属线层6和8、7和9之间分别通过填充有导电介质的孔洞10进行电导通。倒装时，LED芯片1的p电极和n电极分别与金属线层6和7通过凸点焊球3连接。石墨烯导热层2平铺在芯片1上，并且和绝缘层4连接。当LED芯片1工作时，芯片产生的热量除了通过传统的凸点焊球3传递热量外，还可以通过石墨烯导热层2将热量传递出去。特别是LED芯片1的上表面与石墨烯导热层2紧贴着的部分的热量，可以通过石墨烯及时导出。这是由石墨烯本身高的导热率这一优势决定的。
如图3，将剥离了外延衬底的LED芯片1通过键合或者倒装焊的方式倒装在有凹槽的衬底15上。这种有凹槽的衬底15的下表面和上表面以及凹槽的底面事先均覆盖着一层绝缘层11、12和13。绝缘层11的外层还覆盖一层金属线层6、7、8和9。金属线层6和8、7和9之间分别通过填充有导电介质的孔洞10进行电连接。倒装时，LED芯片1的p电极和n电极和凹槽底面上的金属线层6和7通过凸点焊球3进行连接。石墨烯导热层14平铺在芯片1的上表面，并且部分覆盖在绝缘层12和13上。由于石墨烯具有高的导热率，芯片产生的热量一部分可以通过石墨烯导热层14传递给绝缘层12和13，从而降低芯片内部的温度。
基于上述本发明提供的这种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，以下结合具体的制备工艺对该倒装结构发光二极管进行详细描述。
如图1所示，在蓝宝石外延衬底1a上依次生长GaN成核层1b、n型GaN电子注入层1c、InGaN/GaN多层量子阱结构发光层1d以及p型GaN空穴注入层1e。通过光刻、腐蚀以及电子束蒸发等工艺蒸镀p电极Ni/Ag/Pt/Au和n电极Cr/Pt/Au。然后剥离掉蓝宝石外延衬底1a，得到LED芯片。
将LED芯片通过倒装焊倒装在平面衬底硅基板上。硅基板上有二氧化硅绝缘层和一层金属线层Au。将单层或者多层的石墨烯覆盖在LED芯片的外表面，且与二氧化硅层部分接触，如图2所示。
将LED芯片通过倒装焊倒装在有凹槽的硅基板衬底上。硅基板的上表面、下表面以及凹槽底面均有二氧化硅绝缘层，凹槽的底面和硅基板的下表面还有一层金属线层Au。将单层或者多层的石墨烯覆盖在芯片的表面，并且与两边的二氧化硅绝缘层部分接触，如图3所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，包括：
衬底，该衬底上下表面均覆盖有绝缘层，绝缘层表面各有一层金属线层，上下两层金属线层之间由填充着导电解质的孔洞相连；
LED芯片，该LED芯片由下至上依次包括外延衬底、成核层、电子注入层、发光层和空穴注入层，以及对空穴注入层、发光层和电子注入层进行部分刻蚀后在空穴注入层之上形成的p电极和在电子注入层之上形成的n电极；该LED芯片在剥离完外延衬底后倒装键合在所述衬底上，该LED芯片的p电极和n电极与所述衬底上表面的金属线层相连接；以及
导热层，形成于该LED芯片在剥离完外延衬底后的成核层之上。
2.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述衬底采用的材料为硅、陶瓷、线路板或者金属板中的一种，所述衬底上下表面覆盖的绝缘层采用的材料为二氧化硅，p电极或n电极与金属线层之间采用凸点焊球连接。
3.根据权利要求2所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述衬底为平面衬底或者具有凹槽的衬底，其中具有凹槽的衬底，凹槽的深度小于或等于剥离掉外延衬底的LED芯片的厚度，且凹槽底面覆盖有绝缘层和金属线层。
4.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述LED芯片中的外延衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓或者玻璃中的一种。
5.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述LED芯片中的电子注入层为n型材料；所述LED芯片中的空穴注入层为p型材料。
6.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述LED芯片中的发光层为单层或者多层量子阱结构，或者为量子点或者量子线结构。
7.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述LED芯片中的p电极选自于包括金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/银(Ag)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)的金属合金材料群组中的一种材料，该p电极还充当金属反射镜的作用。
8.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述LED芯片中的n电极选自于包括镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/镍(Ni)/金(Au)、镍(Ni)/银(Ag)/铂(Pt)/金(Au)、钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/金(Au)、钛(Ti)/铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、钛(Ti)/银(Ag)/钛(Ti)/金(Au)、铝(Al)/钛(Ti)/金(Au)、铬(Cr)/铂(Pt)/金(Au)、铬(Cr)/银(Ag)/金(Au)的金属材料群组中的一种材料。
9.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述导热层为单层或者多层石墨烯薄膜材料，或者为石墨烯薄片形成的织网。
10.根据权利要求1所述的应用石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管，其特征在于，所述导热层的厚度大于或等于单层石墨烯的厚度。
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