一种具备散热特性的高光效垂直led结构芯片及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种LED芯片结构及其制作方法，特别是指一种包括N型半导体层、P型半导体层以及有源层，在该N型半导体层顶面上设置有第一透明散热层，在该P型半导体层底面上设置有第二透明散热层的LED芯片结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]去封装去散热去电源一直是LED研究工作者努力的方向，要实现相应技术方案研发人员必须从LED芯片源头入手，LED发热的原因是因为其所加入的电能并没有全部转化为光能，而是有一部分转化成为热能，只有将芯片的效率提高，而且将未能转换成光能的那部分电功率所产生的热及时的散发出去才能够真正的实现相应的技术方案。
[0003]LED的光效目前只有1601m/W，其电光转换效率大约只有40-50%左右。也就是说大约50%的电能都变成了热能。
[0004]具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。
[0005]1.内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100%都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90%。
[0006]2.内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30 %左右，其大部分都转化成为了热量。
[0007]所以要解决LED的发热问题必须首先提高内部量子效率其次是如何提高外部量子效率。
[0008]在所有芯片结构中垂直结构相比于水平结构芯片因它没有横向流动的电流，因此，电阻降低，没有电流拥塞，电流分布相对比较均匀，充分利用发光层的材料，电流产生的热量减小。虽然垂直结构相比于水平结构有明显的优势，但是由于氮化镓掺杂的原因导致P型GaN及N型GaN的导电率特别是P型GaN的导电率明显降低，所以需要透明导电扩散层来辅助，而目前传统的透明电层多数由ITO为主，ITO在导电性能及透光度上都没达到很好的效果，其严重的影响了 led的外部提取效率。
[0009]2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，成功地在实验室中利用胶带剥离法从石墨中分离出单层石墨烯。经过世界范围内科学工作者近10年的潜心研究，证实了石墨烯是目前世上最薄也是最硬的纳米材料，具有极高的导热系数及电子迀移率和稳定的化学稳定性和透光率。使其在电化学、光电子等领域具有非常广泛的应用前景。石墨烯化学修饰电极即是利用石墨烯制成的电化学性能优异的一种修饰电极，其优越性主要表现在能加快电子转移速度，加大响应电流、降低检出限等。
[0010]石墨烯有如此优越的导电及透光性能，如何将它很好的应用到LED芯片的制作上来是我们一直以来研究的方向。
【发明内容】
[0011]本发明提供一种具备散热特性的高光效垂直LED结构芯片及其制作方法，如何提高芯片外量子效率及将未能转换成光能的那部分电功率所产生的热及时的散发出去是本发明的重点，只有提高发光效率与提高散热性能齐头并进才能，形成提高散热性能-提高发光效率-提高散热性能的良性循环。
[0012]石墨烯有较高的导电导热及透光性能外，最重要的一点还有其折射率及功函数与PN结的N-GaN非常匹配，使得石墨烯与氮化镓之间有良好的透光性及良好的欧姆接触性能。由于P-GaN的功函数(7.2/eV)较高于石墨烯(5/eV)，所以目前只能由成熟工艺且有良好欧姆接触的ITO等作为过渡层，在过渡层上再生长石墨烯来弥补ITO导电性能低的特性。在N型半导体层与P型半导体层面上原位生长导电导热石墨烯层并且与生长有石墨烯的透明散热层进行无胶键合，形成既有良好的透光性及外部量子提取效率又能将PN结的热量即时扩散并辐射散发掉的高光效垂直结构，此为本发明的主要目的。
[0013]本发明所采取的技术方案是:一种具备散热特性的高光效垂直LED结构芯片，其包括N型半导体层、P型半导体层以及有源层，其中，该有源层设置在该N型半导体层与该P型半导体层之间，由该N型半导体层、该P型半导体层以及该有源层形成一 PN结，在该N型半导体层顶面上设置有第一透明散热层，在该P型半导体层底面上设置有第二透明散热层，在该N型半导体层与该第一透明散热层之间设置有第一透明导电层，在该P型半导体层与该第二透明散热层之间设置有第二透明导电层，该第一透明导电层上电连接有第一电极，该第二透明导电层上电连接有第二电极。
[0014]该第一电极以及该第二电极分别连接外部电路的正负极线，电流由该第一电极以及该第二电极流入该第一透明导电层以及该第二透明导电层并进一步流入该N型半导体层以及该P型半导体层中并激发由该N型半导体层、该P型半导体层以及该有源层形成的该PN结发光，在该PN结发光的同时其发光所产生的热量由该第一透明导电层以及该第二透明导电层向外散发。
[0015]该第一透明散热层以及该第二透明散热层由散热透光性能优良的材料制成，比如，高热辐射玻璃、荧光玻璃，透明高热辐射陶瓷、荧光陶瓷，透明高热辐射的晶体、掺铈YAG晶体等。以上材料中以0.94的红外热辐射系数的石英玻璃为最佳选择。
[0016]为了提升该第一透明导电层以及该第二透明导电层的导电性能，该第一透明导电层以及该第二透明导电层中分别设置有若干导线，设置在该第一透明导电层中的若干该导线一端与该第一电极相连接，而其另外一端与该N型半导体层相连接，设置在该第二透明导电层中的若干该导线一端与该第二电极相连接，而其另外一端与该P型半导体层相连接。
[0017]在具体实施的时候，为了提升该第一透明导电层以及该第二透明导电层的导电性能，该第一透明导电层以及该第二透明导电层分别与若干导线贴合电连接，若干该导线附着在导电膜上，上述的该导线可以由金、银等材料制成。
[0018]在具体实施的时候上述技术内容可以通过多种结构实现。
[0019]第一种结构，该第一透明散热层相对于该N型半导体层外伸形成一第一凸出部，该第一电极位于该第一凸出部上，该第二透明散热层相对于该P型半导体层外伸形成一第二凸出部，该第二电极位于该第二凸出部上，该第一凸出部以及该第二凸出部分别位于该PN结的不同侧端，从而方便与外部电路连接。
[0020]第二种结构，在该第一透明散热层以及该第二透明散热层上分别开设有电极孔，该第一电极设置在该第一透明散热层的该电极孔中，该第二电极设置在该第二透明散热层的该电极孔中，第二种结构的芯片其各个层结构整齐叠设在一起方便生产加工。
[0021]在具体实施的时候，可以由上述的技术方案分别制作红、绿、蓝芯片光源，而后只需要将红、绿、蓝芯片光源设置在一起进行混光就能够得到白色芯片光源。
[0022]在具体实施的时候，该第一透明散热层的顶面以及该第二透明散热层的底面分别进行粗糙化处理，以提升发光效果。
[0023]一种具备散热特性的高光效垂直LED结构芯片的制作方法，包括如下步骤: 第一步、在蓝宝石衬底上依次生长制作P型半导体层、有源层、N型半导体层其中，该有源层设置在该N型半导体层与该P型半导体层之间，由该N型半导体层、该P型半导体层以及该有源层形成一 PN结。
[0024]第二步、在该N型半导体层顶面上设置第一透明导电层，之后将第一透明散热层键合设置在该N型半导体层的顶面上，该第一透明导电层位于该N型半导体层与该第一透明散热层之间，该第一透明散热层的底面上设置有导电膜，该导电膜上设置有若干导线，该第一透明导电层上电连接有第一电极，该第一电极通过该导电膜、若干该导线以及该第一透明导电层与该N型半导体层电连接。
[0025]第三步、将该P型半导体层底面上的该蓝宝石衬底剥离掉，在具体实施的时候，采用激光剥离法进行剥离。
[0026]第四步、在该P型半导体层底面上设置第二透明导电层，之后将第二透明散热层键合设置在该P型半导体层底面上，该第二透明导电层位于该P型半导体层底面与该第二透明散热层之间，该第二透明散热层的底面上设置有导电膜，该导电膜上设置有若干导线，该第二透明导电层上电连接有第二电极，该第二电极通过该导电膜、若干该导线以及该第二透明导电层与该P型半导体层底面电连接。
[0027]第二、四步中的该第一透明散热层以及该第二透明散热层由散热透光玻璃制成，该第一透明散热层的顶面以及该第二透明散热层的底面分别进行粗糙化处理，以提升发光效果。
[0028]一种具备散热特性的高光效垂直LED结构芯片，其包括N型半导体层、P型半导体层以及有源层，其中，该有源层设置在该N型半导体层与该P型半导体层之间，由该N型半导体层、该P型半导体层以及该有源层形成一 PN结，在该N型半导体层顶面上设置有第一透明散热层，在该P型半导体层底面上设置有第二透明散热层，在该N型半导体层与该第一透明散热层之间设置有第一透明导电导热层，在该P型半导体层与该第二透明散热层之间设置有第二透明导电导热层，该第一透明导电导热层以及该第二透明导电导热层为石墨烯层，该第一透明散热层的底面上以及该第二透明散热层的顶面上分别生长有透明散热层石墨烯层，该第一透明散热层底面上以及该第二透明散热层顶面上的该透明散热层石墨烯层分别与该第一透明导电导热层以及该第二透明导电导热层键合在一起，在该第一透明散热层以及该第二透明散热层上的该透明散热层石墨烯层上分别连接第一电极以及第二电极，该第一电极以及该第二电极分别连接外部电路的正负极线，电流由该第一电极以及该第二电极流入该第一透明导电导热层以及该第二透明导电导热层并进一步流入该N型半导体层以及该P型半导体层中并激发由该N型半导体层、该P型半导体层以及该有源层形成的该PN结发光，在该PN结发光的同时其发光所产生的热量由该第一透明导电导热