TWI392117B - 具有鑽石薄膜之發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

具有鑽石薄膜之發光二極體及其製造方法

本發明係關於一種發光二極體及其製造方法，特別是一種具有鑽石薄膜之發光二極體及其製造方法。

電子元件在運作時會伴隨產生高熱，效率越高的電子元件於運作時其溫度會越高，以中央處理單元為例，目前科技所開發的中央處理單元之運算效率已可達數十億赫(GHz)，其所產生的高熱已非傳統散熱器所能迅速散除。

此外，近十年來光源半導體元件，例如發光二極體(LED)、雷射二極體...等，其技術突飛猛進，所使用的功率越來越高，伴隨產生的熱能也越來越高，業已達到半導體光源所能承受之上限，為了避免元件因高熱而受破壞，新的散熱材料或散熱方式急待開發。

發光二極體最大的特點在於：無需暖燈時間、反應速度快、體積小、用電省、耐震、污染低、適合量產，具高可靠度，容易配合應用上的需要製成極小或陣列式的元件。惟因為發光二極體是固態照明，即是利用晶片通電，量子激態回復發出能量(光)，但在發光的過程，晶片內的光能量並無法完全傳至外界，不能出光的能量，在晶片內部及封裝體內便會被吸收而形成熱，若不散熱，這些熱量累積會影響晶片效率及壽命，故要以高效率發光二極體運用於照明設備，首要解決散熱的問題。

本案申請人於先前所提出之台灣專利第96141093號專利申請案所揭露之發光二極體結構，其基板與發光層之間係利用金屬層相互接合，並透過鑽石層之良好熱傳導特性，將發光層之熱導往第一基材後進行散熱，然而在製造過程中需針對鑽石層進行拋光處理，且第一基材並非高導熱係數之材質，因此整體散熱效率仍有提升空間。

美國專利US 20040238946號專利案所揭露之半導體元件的散熱裝置，係利用鑽石層或是包含鑽石的材料結構，例如鑽石層與陶瓷層或是鑽石與陶瓷顆粒的混合層，並透過高分子接著劑貼附於金屬熱沈上來進行散熱，然而其缺點在於所使用之高分子接著劑並非高導熱係數之材質，因此整體散熱效率並不佳。

先前技術由於必須於鑽石膜上依序形成多層金屬層，因此必須對鑽石膜進行拋光處理至所需的平坦度，以利鑽石膜與金屬層之間的結合，然而鑽石材料具有最高的硬度，故鑽石膜的拋光製程將會耗費相當多的時間及成本。

鑑於先前技術中須以矽基板與散熱器接觸而降低散熱效果，並於製程中須針對鑽石膜進行拋光處理的問題，本發明提供一種具有鑽石薄膜之發光二極體及其製造方法，其製造過程中簡化了鑽石膜的拋光製程，且以鑽石膜取代矽基板而與散熱器接觸，藉由粗糙的鑽石表面增加與散熱膏的接觸面積，同時增加鑽石膜的散熱面積，以改善先前技術之發光二極體於使用時所產生之散熱效率不佳的問題。

本發明之發光二極體的製造方法，包括提供一暫時基材；形成一鑽石膜於暫時基材上，鑽石膜具有第一側面及第二側面，第一側面係相對於第二側面，第一側面係貼附於暫時基材上，而第二側面係為一粗糙面；移除暫時基材；形成一第三金屬層於鑽石膜之第一側面上；形成一第一金屬層於第三金屬層上；提供一基材；形成一發光層於基材上；形成一第二金屬層於發光層上；接合第一金屬層與第二金屬層；最後移除基材。

本發明之功效在於，簡化習知技術中須對鑽石膜進行拋光處理的製程，並以鑽石膜與散熱器接觸，減少矽基板多餘的熱阻隔，且藉由鑽石成長面所形成之粗糙面增加與散熱器之接觸面積。另外，接近粗糙面的鑽石晶格排列較佳，藉由晶格排列的梯度差異之特性，可將發光層之熱導往散熱器，進而達到提升散熱效率之目的。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明前述之目的及優點。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

為使對本發明的目的、構造、特徵、及其功能有進一步的瞭 解，茲配合實施例詳細說明如下。

參閱「第1圖」及「第2A圖」至「第2F圖」所示，係分別為本發明之發光二極體之製作流程示意圖及步驟流程示意圖。如「第1圖」及「第2A圖」所示，鑽石膜210具有相對之一第一側面2101及一第二側面2102，第二側面2102為鑽石成長面，故第二側面2102相較於第一側面2101係為一粗糙面，第一側面2101係貼附於暫時基材200上，以形成一鑽石膜210於一暫時基材200上(步驟100)，其中鑽石膜210係以化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)，例如是微波電漿輔助化學氣相沉積法(Microwave Plasma assisted Chemical Vapor Deposition，MPCVD)形成於暫時基材200上，且其材質包括單晶鑽石、多晶鑽石或是類鑽碳(DLC)等材料，但並不以此為限，而暫時基材200之材料可選用矽(Si)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋁或藍寶石等材料，但並不以此為限。

接著，如「第1圖」及「第2B圖」所示，移除暫時基材200(步驟110)，並且形成一第三金屬層260於鑽石膜210之第一側面2101上(步驟120)。其中第三金屬層260係以濺鍍(suptter)、熱蒸鍍(thermal evaporation)、電子束蒸鍍(e-gun evaporation)、化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)或物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition，PVD)等方式，形成於鑽石膜210之上，而第三金屬層260之材料包括鎳(Ni)、鈦(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、鉻(Cr)或鋁(Al)及其合金，其中，組成第三金屬層260之材料的鍵能強度具有較不易因熱處 理製程後而減弱強度的特質。此外，第三金屬層260厚度小於2,000奈米(nm)，較佳之厚度介於50奈米至100奈米之間，本發明所揭露之厚度具有較低之特徵接觸電阻(specific contact resistance)及較強之薄膜貼合強度。

接著，如「第1圖」及「第2C圖」所示，形成一第一金屬層220於第三金屬層260上(步驟130)，其中第一金屬層220可藉由濺鍍、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學氣相沈積或物理氣相沈積等方式形成於第三金屬層260上，第一金屬層220之材料包括金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銦(In)、鈦(Ti)、鉻(Cr)或鎳(Ni)，其厚度小於2微米(μm)。其中，由金(Au)或銀(Ag)所組成之第一金屬層220於處理程序後，所形成之連續網狀型態可均勻分散電流，有助於薄膜之導電性，且本發明所揭露之厚度具有較低之特徵接觸電阻。

接著，如「第1圖」及「第2D圖」所示，提供一基材230，並且形成一發光層240於基材230上(步驟140)。接著，如「第1圖」及「第2E圖」所示，形成一第二金屬層250於發光層240上(步驟150)，其中第二金屬層250係以濺鍍、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學氣相沈積或物理氣相沈積等方式形成於發光層240上，而第二金屬層250之材料係包括金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銦(In)、鈦(Ti)、鉻(Cr)或鎳(Ni)，其厚度不大於2微米(μm)。其中，由金(Au)或銀(Ag)所組成之第二金屬層250於處理程序後，所形成之連續網狀型態可均勻分散電流，有助於薄膜之導電性，且本發明所揭露之厚度具有較低之特徵接觸電阻。

如「第1圖」及「第2F圖」所示，將第一金屬層220與第二金屬層250相互接合(步驟160)，其中，依「第2F圖」中所示之箭頭方向將第一金屬層220與第二金屬層250於200℃至300℃之溫度下熱壓約30分鐘，使得鑽石膜210與基材230結合，其中因第一金屬層220與第二金屬層250之金屬組成材料相似且能帶(energy gap)低，易因熱壓作用促使第一金屬層220與第二金屬層250間以金屬鍵結的方式而緊密地接合鑽石膜210及基材230。最後如「第1圖」所示，移除基材230(步驟170)，以形成本發明之發光二極體。

請參閱「第3圖」，係分別為本發明之發光二極體結構10的剖面示意圖。發光二極體結構10包括鑽石層210、第三金屬層260、第一金屬層220、第二金屬層250及發光層240。其中，鑽石膜210具有一粗糙面，而第三金屬層260係形成於鑽石膜210上，第一金屬層220係形成於第三金屬層260之上，第二金屬層250係形成於第一金屬層220上，發光層240係形成於第二金屬層250上。本發明於鑽石膜210與第一金屬層220間形成第三金屬層260，因此增強鑽石膜210與第一金屬層220之間的貼合性。

「第4圖」係為本發明之發光二極體結合散熱器的剖面示意圖。本發明之發光二極體藉由散熱膏20或其他封裝黏結材料將鑽石膜210貼附於散熱器30上，由於鑽石膜之第二側面2102為粗糙面，因此，可增加與散熱膏20之接觸面積，進而增加與散熱膏20的結合力且可提升散熱效率。另外，接近粗糙面之鑽石晶格排列較佳，藉由其晶格排列之梯度差異，可將發光層240所 產生之熱量依序經由第二金屬層250、第一金屬層220及第三金屬層260導向鑽石膜之第二側面2102，進而提升散熱效率。

綜上所述，本發明之發光二極體係利用形成於暫時基材200上之鑽石膜的第一側面2101為平坦面之特性，可直接在第一側面2101上形成第三金屬層260及第一金屬層220，而無須對鑽石膜210進行拋光製程，且發光二極體與散熱器30之間係藉由散熱膏20與散熱器30接觸，其中藉由鑽石膜之第二側面具有粗糙面來增加與散熱膏20的接觸面積，進而達到增加散熱效率的效果。另外，鑽石膜210晶格排列梯度差異之特性，將發光層240產生之熱導往金屬熱沈30，以達到提升散熱效率之目的。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10‧‧‧鑽石薄膜發光二極體

20‧‧‧散熱膏

30‧‧‧散熱器

100‧‧‧形成一鑽石膜於暫時基材上

110‧‧‧移除暫時基材

120‧‧‧形成一第三金屬層於鑽石膜上

130‧‧‧形成一第一金屬層於第三金屬層上

140‧‧‧形成一發光層於基材上

150‧‧‧形成一第二金屬層於發光層上

160‧‧‧接合第一金屬層與第二金屬層

170‧‧‧移除基材

200‧‧‧暫時基材

210‧‧‧鑽石膜

2101‧‧‧第一側面

2102‧‧‧第二側面

220‧‧‧第一金屬層

230‧‧‧基材

240‧‧‧發光層

250‧‧‧第二金屬層

260‧‧‧第三金屬層

第1圖係為本發明之發光二極體之製作流程示意圖；第2A圖至第2F圖為本發明一實施例之製作發光二極體之步驟流程示意圖；第3圖為本發明之發光二極體之剖面示意圖；以及第4圖為本發明之發光二極體結合散熱裝置之剖面示意圖。

100‧‧‧形成一鑽石膜於暫時基材上

110‧‧‧移除暫時基材

120‧‧‧形成一第三金屬層於鑽石膜上

130‧‧‧形成一第一金屬層於第三金屬層上

140‧‧‧形成一發光層於基材上

150‧‧‧形成一第二金屬層於發光層上

160‧‧‧接合第一金屬層與第二金屬層

170‧‧‧移除基材

Claims (12)

1. 一種發光二極體之製造方法，包括有以下步驟：提供一暫時基材；形成一鑽石膜於該暫時基材上，該鑽石膜具有一第一側面及一第二側面，該第一側面係相對於該第二側面，該第一側面係貼附於該暫時基材上，而該第二側面係為一粗糙面；移除該暫時基材；形成一第三金屬層於該鑽石膜之第一側面上；形成一第一金屬層於該第三金屬層上；提供一基材；形成一發光層於該基材上；形成一第二金屬層於該發光層上；接合該第一金屬層與該第二金屬層；以及移除該基材。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中形成該第三金屬層之方法包括濺鍍、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學氣相沈積或物理氣相沈積。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第三金屬層材料係選自鎳、鈦、金、銀、鉻或鋁及其合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第三金屬層厚度係為2000奈米以下。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第三金屬層厚 度係介於50奈米至100奈米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中形成該第一金屬層之方法包括濺鍍、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學氣相沈積或物理氣相沈積。
7. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第一金屬層材料係選自金、銀、鈀、銦、鈦、鉻或鎳。
8. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第一金屬層厚度係為2微米以下。
9. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中形成該第二金屬層之方法包括濺鍍、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學氣相沈積或物理氣相沈積。
10. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第二金屬層材料係選自金、銀、鈀、銦、鈦、鉻或鎳。
11. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第二金屬層厚度係為2微米以下。
12. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中形成該鑽石膜之方法包括化學氣相沈積或微波電漿輔助化學氣相沉積法。