一種具備散熱特性的高光效垂直led結(jié)構(gòu)芯片及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種LED芯片結(jié)構(gòu)及其制作方法，特別是指一種包括N型半導(dǎo)體層、P型半導(dǎo)體層以及有源層，在該N型半導(dǎo)體層頂面上設(shè)置有第一透明散熱層，在該P型半導(dǎo)體層底面上設(shè)置有第二透明散熱層的LED芯片結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]去封裝去散熱去電源一直是LED研究工作者努力的方向，要實現(xiàn)相應(yīng)技術(shù)方案研發(fā)人員必須從LED芯片源頭入手，LED發(fā)熱的原因是因為其所加入的電能并沒有全部轉(zhuǎn)化為光能，而是有一部分轉(zhuǎn)化成為熱能，只有將芯片的效率提高，而且將未能轉(zhuǎn)換成光能的那部分電功率所產(chǎn)生的熱及時的散發(fā)出去才能夠真正的實現(xiàn)相應(yīng)的技術(shù)方案。
[0003]LED的光效目前只有1601m/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有40-50%左右。也就是說大約50%的電能都變成了熱能。
[0004]具體來說，LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個因素所引起的。
[0005]1.內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復(fù)合時，并不能100%都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90%。
[0006]2.內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱為外部量子效率只有30 %左右，其大部分都轉(zhuǎn)化成為了熱量。
[0007]所以要解決LED的發(fā)熱問題必須首先提高內(nèi)部量子效率其次是如何提高外部量子效率。
[0008]在所有芯片結(jié)構(gòu)中垂直結(jié)構(gòu)相比于水平結(jié)構(gòu)芯片因它沒有橫向流動的電流，因此，電阻降低，沒有電流擁塞，電流分布相對比較均勻，充分利用發(fā)光層的材料，電流產(chǎn)生的熱量減小。雖然垂直結(jié)構(gòu)相比于水平結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢，但是由于氮化鎵摻雜的原因?qū)е翽型GaN及N型GaN的導(dǎo)電率特別是P型GaN的導(dǎo)電率明顯降低，所以需要透明導(dǎo)電擴散層來輔助，而目前傳統(tǒng)的透明電層多數(shù)由ITO為主，ITO在導(dǎo)電性能及透光度上都沒達到很好的效果，其嚴重的影響了 led的外部提取效率。
[0009]2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov，成功地在實驗室中利用膠帶剝離法從石墨中分離出單層石墨烯。經(jīng)過世界范圍內(nèi)科學(xué)工作者近10年的潛心研究，證實了石墨烯是目前世上最薄也是最硬的納米材料，具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)及電子迀移率和穩(wěn)定的化學(xué)穩(wěn)定性和透光率。使其在電化學(xué)、光電子等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯化學(xué)修飾電極即是利用石墨烯制成的電化學(xué)性能優(yōu)異的一種修飾電極，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在能加快電子轉(zhuǎn)移速度，加大響應(yīng)電流、降低檢出限等。
[0010]石墨烯有如此優(yōu)越的導(dǎo)電及透光性能，如何將它很好的應(yīng)用到LED芯片的制作上來是我們一直以來研究的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供一種具備散熱特性的高光效垂直LED結(jié)構(gòu)芯片及其制作方法，如何提高芯片外量子效率及將未能轉(zhuǎn)換成光能的那部分電功率所產(chǎn)生的熱及時的散發(fā)出去是本發(fā)明的重點，只有提高發(fā)光效率與提高散熱性能齊頭并進才能，形成提高散熱性能-提高發(fā)光效率-提高散熱性能的良性循環(huán)。
[0012]石墨烯有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱及透光性能外，最重要的一點還有其折射率及功函數(shù)與PN結(jié)的N-GaN非常匹配，使得石墨烯與氮化鎵之間有良好的透光性及良好的歐姆接觸性能。由于P-GaN的功函數(shù)(7.2/eV)較高于石墨烯(5/eV)，所以目前只能由成熟工藝且有良好歐姆接觸的ITO等作為過渡層，在過渡層上再生長石墨烯來彌補ITO導(dǎo)電性能低的特性。在N型半導(dǎo)體層與P型半導(dǎo)體層面上原位生長導(dǎo)電導(dǎo)熱石墨烯層并且與生長有石墨烯的透明散熱層進行無膠鍵合，形成既有良好的透光性及外部量子提取效率又能將PN結(jié)的熱量即時擴散并輻射散發(fā)掉的高光效垂直結(jié)構(gòu)，此為本發(fā)明的主要目的。
[0013]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種具備散熱特性的高光效垂直LED結(jié)構(gòu)芯片，其包括N型半導(dǎo)體層、P型半導(dǎo)體層以及有源層，其中，該有源層設(shè)置在該N型半導(dǎo)體層與該P型半導(dǎo)體層之間，由該N型半導(dǎo)體層、該P型半導(dǎo)體層以及該有源層形成一 PN結(jié)，在該N型半導(dǎo)體層頂面上設(shè)置有第一透明散熱層，在該P型半導(dǎo)體層底面上設(shè)置有第二透明散熱層，在該N型半導(dǎo)體層與該第一透明散熱層之間設(shè)置有第一透明導(dǎo)電層，在該P型半導(dǎo)體層與該第二透明散熱層之間設(shè)置有第二透明導(dǎo)電層，該第一透明導(dǎo)電層上電連接有第一電極，該第二透明導(dǎo)電層上電連接有第二電極。
[0014]該第一電極以及該第二電極分別連接外部電路的正負極線，電流由該第一電極以及該第二電極流入該第一透明導(dǎo)電層以及該第二透明導(dǎo)電層并進一步流入該N型半導(dǎo)體層以及該P型半導(dǎo)體層中并激發(fā)由該N型半導(dǎo)體層、該P型半導(dǎo)體層以及該有源層形成的該PN結(jié)發(fā)光，在該PN結(jié)發(fā)光的同時其發(fā)光所產(chǎn)生的熱量由該第一透明導(dǎo)電層以及該第二透明導(dǎo)電層向外散發(fā)。
[0015]該第一透明散熱層以及該第二透明散熱層由散熱透光性能優(yōu)良的材料制成，比如，高熱輻射玻璃、熒光玻璃，透明高熱輻射陶瓷、熒光陶瓷，透明高熱輻射的晶體、摻鈰YAG晶體等。以上材料中以0.94的紅外熱輻射系數(shù)的石英玻璃為最佳選擇。
[0016]為了提升該第一透明導(dǎo)電層以及該第二透明導(dǎo)電層的導(dǎo)電性能，該第一透明導(dǎo)電層以及該第二透明導(dǎo)電層中分別設(shè)置有若干導(dǎo)線，設(shè)置在該第一透明導(dǎo)電層中的若干該導(dǎo)線一端與該第一電極相連接，而其另外一端與該N型半導(dǎo)體層相連接，設(shè)置在該第二透明導(dǎo)電層中的若干該導(dǎo)線一端與該第二電極相連接，而其另外一端與該P型半導(dǎo)體層相連接。
[0017]在具體實施的時候，為了提升該第一透明導(dǎo)電層以及該第二透明導(dǎo)電層的導(dǎo)電性能，該第一透明導(dǎo)電層以及該第二透明導(dǎo)電層分別與若干導(dǎo)線貼合電連接，若干該導(dǎo)線附著在導(dǎo)電膜上，上述的該導(dǎo)線可以由金、銀等材料制成。
[0018]在具體實施的時候上述技術(shù)內(nèi)容可以通過多種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
[0019]第一種結(jié)構(gòu)，該第一透明散熱層相對于該N型半導(dǎo)體層外伸形成一第一凸出部，該第一電極位于該第一凸出部上，該第二透明散熱層相對于該P型半導(dǎo)體層外伸形成一第二凸出部，該第二電極位于該第二凸出部上，該第一凸出部以及該第二凸出部分別位于該PN結(jié)的不同側(cè)端，從而方便與外部電路連接。
[0020]第二種結(jié)構(gòu)，在該第一透明散熱層以及該第二透明散熱層上分別開設(shè)有電極孔，該第一電極設(shè)置在該第一透明散熱層的該電極孔中，該第二電極設(shè)置在該第二透明散熱層的該電極孔中，第二種結(jié)構(gòu)的芯片其各個層結(jié)構(gòu)整齊疊設(shè)在一起方便生產(chǎn)加工。
[0021]在具體實施的時候，可以由上述的技術(shù)方案分別制作紅、綠、藍芯片光源，而后只需要將紅、綠、藍芯片光源設(shè)置在一起進行混光就能夠得到白色芯片光源。
[0022]在具體實施的時候，該第一透明散熱層的頂面以及該第二透明散熱層的底面分別進行粗糙化處理，以提升發(fā)光效果。
[0023]一種具備散熱特性的高光效垂直LED結(jié)構(gòu)芯片的制作方法，包括如下步驟: 第一步、在藍寶石襯底上依次生長制作P型半導(dǎo)體層、有源層、N型半導(dǎo)體層其中，該有源層設(shè)置在該N型半導(dǎo)體層與該P型半導(dǎo)體層之間，由該N型半導(dǎo)體層、該P型半導(dǎo)體層以及該有源層形成一 PN結(jié)。
[0024]第二步、在該N型半導(dǎo)體層頂面上設(shè)置第一透明導(dǎo)電層，之后將第一透明散熱層鍵合設(shè)置在該N型半導(dǎo)體層的頂面上，該第一透明導(dǎo)電層位于該N型半導(dǎo)體層與該第一透明散熱層之間，該第一透明散熱層的底面上設(shè)置有導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜上設(shè)置有若干導(dǎo)線，該第一透明導(dǎo)電層上電連接有第一電極，該第一電極通過該導(dǎo)電膜、若干該導(dǎo)線以及該第一透明導(dǎo)電層與該N型半導(dǎo)體層電連接。
[0025]第三步、將該P型半導(dǎo)體層底面上的該藍寶石襯底剝離掉，在具體實施的時候，采用激光剝離法進行剝離。
[0026]第四步、在該P型半導(dǎo)體層底面上設(shè)置第二透明導(dǎo)電層，之后將第二透明散熱層鍵合設(shè)置在該P型半導(dǎo)體層底面上，該第二透明導(dǎo)電層位于該P型半導(dǎo)體層底面與該第二透明散熱層之間，該第二透明散熱層的底面上設(shè)置有導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜上設(shè)置有若干導(dǎo)線，該第二透明導(dǎo)電層上電連接有第二電極，該第二電極通過該導(dǎo)電膜、若干該導(dǎo)線以及該第二透明導(dǎo)電層與該P型半導(dǎo)體層底面電連接。
[0027]第二、四步中的該第一透明散熱層以及該第二透明散熱層由散熱透光玻璃制成，該第一透明散熱層的頂面以及該第二透明散熱層的底面分別進行粗糙化處理，以提升發(fā)光效果。
[0028]一種具備散熱特性的高光效垂直LED結(jié)構(gòu)芯片，其包括N型半導(dǎo)體層、P型半導(dǎo)體層以及有源層，其中，該有源層設(shè)置在該N型半導(dǎo)體層與該P型半導(dǎo)體層之間，由該N型半導(dǎo)體層、該P型半導(dǎo)體層以及該有源層形成一 PN結(jié)，在該N型半導(dǎo)體層頂面上設(shè)置有第一透明散熱層，在該P型半導(dǎo)體層底面上設(shè)置有第二透明散熱層，在該N型半導(dǎo)體層與該第一透明散熱層之間設(shè)置有第一透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層，在該P型半導(dǎo)體層與該第二透明散熱層之間設(shè)置有第二透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層，該第一透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層以及該第二透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層為石墨烯層，該第一透明散熱層的底面上以及該第二透明散熱層的頂面上分別生長有透明散熱層石墨烯層，該第一透明散熱層底面上以及該第二透明散熱層頂面上的該透明散熱層石墨烯層分別與該第一透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層以及該第二透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層鍵合在一起，在該第一透明散熱層以及該第二透明散熱層上的該透明散熱層石墨烯層上分別連接第一電極以及第二電極，該第一電極以及該第二電極分別連接外部電路的正負極線，電流由該第一電極以及該第二電極流入該第一透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層以及該第二透明導(dǎo)電導(dǎo)熱層并進一步流入該N型半導(dǎo)體層以及該P型半導(dǎo)體層中并激發(fā)由該N型半導(dǎo)體層、該P型半導(dǎo)體層以及該有源層形成的該PN結(jié)發(fā)光，在該PN結(jié)發(fā)光的同時其發(fā)光所產(chǎn)生的熱量由該第一透明導(dǎo)電導(dǎo)熱