具温度感测组件的发光二极管芯片及其制造方法

摘要

本发明提供了一种具温度感测组件的发光二极管芯片，包括：一基板；一温度感测组件，形成于所述基板上面，以及一半导体堆叠发光结构，形成于所述基板以及所述温度感测组件之上。其中所述半导体堆叠发光结构通过一n型半导体层、半导体活性层以及p型半导体层所构成者。所述温度感测组件是直接形成于发光二极管芯片的结构中，以提供更准确且实时的温度感测数据。本发明还提供了该发光二极管芯片的制造方法。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种发光二极管芯片及其制造方法，尤指一种将温度感测组件整合于发光二极管中的发光二极管芯片及其制造方法。

背景技术

随着半导体制程技术能力不断向上提升，半导体芯片的功能日益强大，而电子组件体积愈来愈小，单位体积的热量急速增加，为避免组件因热量聚集而失效，故必须了解电子构装的散热能力，因此通常会应用温度敏感参数原理来校正与量测相关的电压降(Voltage Drop)，再转换为组件实际的热阻，以评估其散热的能力。

例如在发光二极管(LED)的产业中，热阻的定义为在热平衡的条件下，沿热传导信道上的温度差与信道上所消耗的功率的比值，并利用热阻表示待测发光二极管的散热能力。而传统上会使用外部的工具间接估算上述的温度差，步骤如下：(A)先量测电流所对应的顺向电压与二极管接口温度的斜率关系，通常称为K是数(K factor)；(B)阶段性施加初始电流及稳定电流于二极管，并量测其中的电压差，再通过步骤(A)所求出的K是数与电压差可间接求取二极管在通过初始电流与稳定电流时的温度差。而进行上述步骤求取温度差会有以下缺点：

(1)温度差值并非真实量测所得，而是经过多个步骤的运算、转换才估算出来，故数值的可靠度与可信度无法加以评估；且上述方法也无法实时的量测发光二极管的接口温度。

(2)由于上述步骤需要施加不同的电流于发光二极管上，而在进行电流切换时会受到机台的量测速度所影响，亦即不同量测速度的机台会造成读取数值的差异性。

(3)电压在转换的过程中会因为外部电路的不同，如串、并联电路的设计而因此产生误差。

(4)由于发光二极管粗略可分为大电流、小电流的种类，故上述初始电流的选定也会造成不同种类的发光二极管量测结果的误差。

除了以上的方法，更有文献将发光二极管与外部的感温组件整合一颗发光二极管的封装内部，例如美国公开专利号US2006/0239314揭露一种发光二极管单元，其中同时包含有独立的两个组件：发光二极管组件及感温组件，所述技术是利用热传导性佳的接合材料将两者接合在一起，但利用此方式所量测到发光二极管接口温度亦非相当准确，因为感温组件是为一独立组件，感温组件与所述发光二极管组件的PN接口之间也存在有相当的距离，或是所述接合材料可能因为制程条件的差异或是材料本身的特性造成热传导路径的改变，上述多种因素均会造成量测结果并非真实的PN接口温度。

另外，也有现有技术利用红外线量测的方式进行发光二极管的温度量测，但此方法只适用于未封装前的发光二极管，故其并不适合在一般生产的应用面。

因此，提出一种设计合理且有效改善上述缺陷的本发明。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种具温度感测组件的发光二极管芯片及其制造方法，所述发光二极管芯片的结构中具有一温度感测组件，故所述温度感测组件可以较正确的感测发光二极管的实际温度(即半导体堆叠发光结构的接口温度)，同时可以具有实时监测温度的功能。

为了达到上述的目的，本发明是提供一种具温度感测组件的发光二极管芯片，包括；一基板；一温度感测组件，其形成于所述基板上面；一绝缘层，其覆盖于所述温度感测组件，以及一半导体堆叠发光结构，形成于所述基板以及所述温度感测组件之上。

在本发明的一个较佳实施例中，所述发光二极管芯片更进一步具有一设置于所述基板与所述半导体堆叠发光结构之间的绝缘层，所述绝缘层具有一平整面，以利上述半导体堆叠发光结构的制作。

本发明亦提供一种具温度感测组件的发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：(a)提供一基板；(b)制作一半导体堆叠发光结构于该基板上；以及(c)制作一温度感测组件于该半导体堆叠发光结构上或下。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：本发明提出的制造方法是将温度感测组件制作与发光二极管的制作加以整合，使生产出的发光二极管内部即”内建”有温度感测组件，让使用者可以实时且准确的测知发光二极管的温度，而上述的温度数据可以直接用以计算热阻，不必再经过多层的数值运算，故本制造方式所制作的发光二极管能提供更佳的温度感知结果，更能提供较有效的热阻计算基准。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1是本发明的具温度感测组件的发光二极管芯片的制造方法的流程图；

图2是本发明的温度感测组件成型于基板上的示意图；

图3是本发明的具温度感测组件的发光二极管芯片的第一实施例的示意图；

图3A是图3中3A-3A的剖视图；

图3B是蛇型布线的温度感测组件的示意图；

图4是本发明的发光二极管芯片经封装后的示意图；

图5是本发明的具温度感测组件的发光二极管芯片的第二实施例的示意图；

图6是图5的剖视图；

图7是本发明的具温度感测组件的发光二极管芯片的第三实施例的示意图；以及

图8是本发明的具温度感测组件的发光二极管芯片的覆晶封装示意图。

具体实施方式

请参考图1至图4，本发明提出一种具温度感测组件的发光二极管芯片1，所述发光二极管芯片1的特征在于在所述芯片结构中加入一温度感测的单元，使所述发光二极管芯片1本身可进行发光温度的量测、检测的动作，而不需外接温度感测装置，更解决外接温度感测装置无法实时且准确的量测到发光二极管温度的问题。

图2与图3是为本发明的第一实施例的示意图，其显示一种水平形式的发光二极管芯片1，所述发光二极管芯片1是包括一基板10、一温度感测组件12及一半导体堆叠发光结构14。其中所述基板10主要为发光二极管基板，其可为不导电型基板。

在所述基板10上是成型有一温度感测组件12，所述温度感测组件12即为本发明的主要特征，亦即本发明直接以磊晶或是其它半导体制程的方法将温度感测组件12制作于所述基板10上方，接着再制作一半导体堆叠发光结构14，例如磊晶方法：加热蒸镀物使其蒸发的分子以极高的热速率在超高真空的环境下到达基板以进行磊晶成长，并精准控制奈米等级的异质结构的成分、厚度及层数等，而成型上述的半导体堆叠发光结构14，使得最终成型的发光二极管芯片1就包括有上述的温度感测组件12。所述半导体堆叠发光结构14是包括一n型半导体层141与一p型半导体层143，以及一设于所述n型半导体层141与所述p型半导体层143之间的半导体活性层145；而n型半导体层141上方更具有一n型层电极142，所述p型半导体层143则具有一p型层电极144。但本发明并不以此为限，而可在半导体堆叠发光结构14的一侧至少有一温度感测组件12。在后述的具体实施例中，是将温度感测组件12直接采用磊晶的制作方式，进而将基板10与半导体堆叠发光结构14整合在一起，一方面可直接测得半导体堆叠发光结构14的实际温度，另一方面更可将温度感测组件12搭配外部其它的检测模块让后续量测发光二极管的接口温度(junction temperature)的作业更为准确且实时。所述温度感测组件12的两端是延伸形成有两端电极121，所述温度感测组件12与所述两端电极121之间具有引线122，所述两端电极121主要是输出温度感测的讯号，以让使用者实时而准确的检测到所述发光二极管芯片1的实际温度。而所述温度感测组件12可为蛇型或矩阵形式布线，因而增加温度感测的敏感度，如图3B所示。

另一方面，所述半导体堆叠发光结构14即为组件中的主要发光区域，即指接受电压激发后，上述的半导体堆叠发光结构14即可发出光线。而所述温度感测组件12即可以相当靠近所述PN接口的位置上量测到所述半导体堆叠发光结构的PN接口的温度，亦即所述发光二极管芯片1的实际温度。所述半导体堆叠发光结构14亦包括正电极及负电极(即n型层电极142与p型层电极144)，所述正负两电极是为连接外部电源，以施加电压而驱动所述发光二极管芯片1。

然而，为了使所述半导体堆叠发光结构14与温度感测组件12之间的磊晶缺陷较少，所述发光二极管芯片1更进一步包括一形成于所述基板10与所述半导体堆叠发光结构14之间的绝缘层13，所述绝缘层13是设置于所述温度感测组件12之上，且所述绝缘层13具有一平整的上表面，以成型较佳晶格匹配的半导体堆叠发光结构14，也使得整个发光二极管芯片1形成结构性较强的组件。而所述绝缘层13的组成可根据不同的二极管应用而加以调整，例如所述绝缘层13可为氮化锆(ZrN)或/及氮化铝(AlN)所形成的绝缘层体，且利用所述绝缘层13的填补作用以形成一平整的上表面，进而使在所述绝缘层13之上的半导体堆叠发光结构14具有更佳的特性。

以下将说明制作上述所述发光二极管芯片1的步骤。

步骤(a)提供一基板10，以蓝宝石基板(Sapphire)为例，所述基板10上方可进一步含有一缓冲材料层以利上方材料堆叠。

步骤(b)制作一温度感测组件12于所述基板10上。值得注意的是，若所述基板10本身为一导电型的材质，则必须先于所述基板10上制作一辅助性质的绝缘层，以避免所述温度感测组件12与所述基板10电性导通。

在本具体实施例中，所述温度感测组件12是为一电阻温度计(resistance temperaturedetector，RTD)，其主要为金属薄膜，利用金属薄膜的电阻值随温度变化改变的特性来达到温度量测目的，故以下将以电阻温度计的制作流程作一说明。首先在所述基板10上制作一氮化铝(AlN)层，再利用蒸镀(evaporating)先后形成铬(Cr)层或镍层(Ni)及金(Au)层于所述氮化铝层之上；再进行黄光步骤；接着进行铬层或镍层(Ni)与金层的蚀刻步骤；最后再沈积一氮化铝层以包覆所述铬层或镍层(Ni)与金层，即可形成一种典型的电阻温度计层；再利用黄光微影、蚀刻等技术形成有特定图案的线路于所述基板10的表面，以及与外部线路电性连接的两端电极121(导接垫)，而形成所述温度感测组件12而使所述温度感测组件12形成两端电极121于所述温度感测组件12的两侧。而在本具体实施例中，是沈积约0.2μm厚的金(Au)层或镍层(Ni)，并图案化上述的金属薄膜以建构成所述温度感测组件12，亦即利用图案化的步骤，于所述金属薄膜上形成蛇型或矩阵形式布线以建构成所述温度感测组件12，使得所述温度感测组件12可以为矩阵或蛇型数组形式布线，而所述温度感测组件12的布线线宽必须远小于引线122的线宽，以提高感测组件精确性。上述有关温度感测组件12的制程说明仅为举例，并非用以限制本发明。

步骤(c)，堆叠形成一绝缘层13于所述温度感测组件12的上方。此步骤主要目的是利用所述绝缘层13分离所述温度感测组件12与后续的半导体堆叠发光结构14间的电性关系，也就是说，避免二者间的电性相互影响，并通过所述绝缘层13填平所述温度感测组件12所形成的高低差及填补结构上的孔隙，以形成一平整的表面，以使后续的半导体堆叠发光结构14的磊晶作业得以顺利进行。在本具体实施例中，是利用0.35μm厚的氮化铝(AlN)层作为上述的绝缘层13，且所述绝缘层13的宽度会略小于所述温度感测组件12的宽度，以使所述温度感测组件12的两端电极121得以裸露，使其可以将温度感测讯号传送至所述发光二极管芯片1以外的读取模块。在一具体实施方式中，可在形成所述绝缘层13的步骤前，先以一屏蔽(mask)遮文件于所述温度感测组件12的两端电极121上，使得在形成所述绝缘层13的步骤后，所述温度感测组件12的两端电极121可裸露于外，以形成与外部电性连接的端点。或者，在形成所述绝缘层的13步骤后，利用一微影显影制程，定义出所述温度感测组件12与外部电性连接的两端电极121。

步骤(d)制作所述半导体堆叠发光结构14。在本具体实施例中，是以磊晶的方式制作上述的半导体堆叠发光结构14于所述绝缘层13的平整表面上，其中包括形成一n型半导体层141、一p型半导体层143、一介于n型半导体层141与p型半导体层143之间的半导体活性层145以及一n型层电极142与一p型层电极144，此一PN结构即可受电压的驱动而发光。此外，在形成所述n型层电极142与所述p型层电极144前，更包含一微影显影制程，使得部份所述n型半导体层141与所述温度感测组件12与外部电性连接的两端电极121裸露出。所述半导体堆叠发光结构14的n型层电极142与p型层电极144则可于后续制程同时形成于所述二半导体层上，而得以与外部电源形成电性连接。另外，上述n型半导体层141与p型半导体层143的制作步骤可以根据实际的制程加以调整。故在本步骤中所述发光二极管芯片1已被制作完成，且所述芯片中更具有一可感测PN接口温度的温度感测组件12，所述温度感测组件12是邻接于所述半导体堆叠发光结构14，故所述温度感测组件12所量测的温度可较无误差地对应所述半导体堆叠发光结构14的温度，且此一直接量测的方式具有较佳的稳定度。另一方面，所述温度感测组件12的位置与所述半导体堆叠发光结构14位于不同平面，且所述温度感测组件12位于所述半导体堆叠发光结构14下方，故所述温度感测组件12并不会影响到所述半导体堆叠发光结构14的有效发光面积，亦即所述温度感测组件12与所述半导体堆叠发光结构位于不同平面上，所述半导体堆叠发光结构14的出光面积的出光率并不会受到影响。

接着在上述步骤之后，所述发光二极管芯片1经由封装处理形成一发光二极管组件之中，例如图4所示，所述发光二极管芯片1容置于一发光二极管的封装结构20之中，且其上包覆有一封装树脂22，以达光学及保护的作用，其中，所述半导体堆叠发光结构14的n型层电极142及p型层电极144分别通过导线(第一组导线)与外部电源连接；另外，所述温度感测组件12的两端电极121亦通过另一组导线(第二组导线)输出温度感测讯号，故所述半导体堆叠发光结构与所述温度感测组件12的导线是独立不互相干涉。值得注意的是，图4中所述半导体堆叠发光结构14与所述温度感测组件12的导线均连接至所述发光二极管的封装结构20；实际上，上述导线的连接位置可根据外部电源的正负端及接收温度讯号模块的端子位置而进行调整，以使在所述发光二极管芯片1发光的同时，可量测到所述半导体堆叠发光结构14的接口温度。

请参考图5及图6，其为本发明的第二实施例，显示一种垂直式的发光二极管芯片1，其制作流程如下：提供一基板10；制作一半导体堆叠发光结构14于所述基板10上，在此制程中是依序制作一n型半导体层141、一半导体活性层145、及一p型半导体层143；制作一温度感测组件12与一第一电极(即为第一实施例中的p型层电极144)于所述半导体堆叠发光结构14上，此步骤是利用成长的方式或是安装的方式将所述第一电极电性连接于所述半导体堆叠发光结构14的p型半导体层143，且所述温度感测组件12是设置于所述第一电极之中。另外，上述方法更包括制作一辅助绝缘层123于所述温度感测组件12与所述第一电极之间的步骤；另外，在所述第一电极形成之后，更包括一移除所述基板10的步骤，且将移除所述基板10后的结构予以反转；接着，制作一第二电极(即为第一实施例中的n型层电极142)于所述半导体堆叠发光结构14与被移除的基板10相接的表面(即上述结构反转后的上表面)。

再者，请参考第一实施例的说明，本实施例中同样利用微影显影等制程，定义出所述温度感测组件12与外部电性连接的两端电极121的步骤，亦即利用图案化的步骤，于金属薄膜(如第一实施例中所述的金层或镍层)上形成蛇型或矩阵形式布线以建构成所述温度感测组件12；与制作一绝缘层13于所述温度感测组件12与所述半导体堆叠发光结构14之间的步骤。另一方面，本实施例中的温度感测组件12的特征与制程均同于第一实施例，故在此不再赘述。通过上述制程后，由于所述基板10被移除，且结构体经过反转，故本实施例的垂直式的发光二极管芯片1是以所述p型层电极144为承载体，故图5中所示的导电基板10’即为p型层电极144(导电形式的金属基板)，故在结构上所述垂直式的发光二极管芯片1具有利用所述p型层电极144所形成的导电基板10’，所述温度感测组件12是设置于所述导电基板10’中，且所述导电基板10’与所述温度感测组件12之间设有一辅助绝缘层123，而所述半导体堆叠发光结构14则位于所述导电基板10’上达到电性连接，而n型层电极142则设置于所述半导体堆叠发光结构14上。

此外，所述垂直式的发光二极管芯片1亦可包含一绝缘层13，所述绝缘层13位于所述温度感测组件12与所述半导体堆叠发光结构14之间。也就是说，位于所述导电基板10’与所述半导体堆叠发光结构14之间的所述温度感测组件12为绝缘层组合(辅助绝缘层123与绝缘层13)所包围，与所述半导体堆叠发光结构14电性绝缘。更进一步的说，所述导电基板10’是包围所述温度感测组件12与所述绝缘层组合，而直接接触所述半导体堆叠发光结构14；换言的导电基板10’与辅助绝缘层123提供一平整表面于所述半导体堆叠发光结构14之间；且所述第一电极提供一平整上表面，以利后续的封装制程。

请参考图7及图8，其显示本发明的发光二极管芯片1应用于覆晶形式(flip-chip type)的封装态样，与第一、第二实施例不同的是，所述发光二极管芯片1是采用覆晶的方式封装，图8即显示所述发光二极管芯片1被倒置以进行封装，且所述n型层电极142及p型层电极144直接与所述封装结构20上的相对应的导电结构(或回路)电性连接，故不需要通过导线的连接；且为了不阻挡所述半导体堆叠发光结构14的发光面积，所述温度感测组件12是成型于所述半导体堆叠发光结构14的上方，因此，在所述发光二极管芯片1被倒置之后，所述温度感测组件12即不会影响所述半导体堆叠发光结构14的发光效率。

而覆晶形式的发光二极管芯片1可依照以下步骤制成：提供一基板10；制作一半导体堆叠发光结构14于所述基板10上；制作一温度感测组件12与一第一电极(即为第一实施例中的p型层电极144)于所述半导体堆叠发光结构14上，其中所述温度感测组件12与所述第一电极通过同一显影蚀刻制程而定义出来，且所述显影蚀刻制程更定义出一第二电极(即n型层电极142)于所述半导体堆叠发光结构14上，其中所述第二电极的高度与所述第一电极的高度相近，较佳的为同一水平面高。再者，上述制程中更包括制作一绝缘层13于所述温度感测组件12与所述半导体堆叠发光结构14之间的步骤。另一方面，由于所述温度感测组件12与所述第一电极通过同一显影蚀刻制程而定义出来，因此，所述温度感测组件12与所述第一电极可通过第一实施例所述的图案化一金属薄膜的方式加以成型，且所述温度感测组件12是为利用图案化步骤于所述金属薄膜上所形成的蛇型或矩阵形式布线结构。而在另一制程当中，所述显影蚀刻制程同时定义出所述温度感测组件12、所述第一电极以及所述第二电极，则所述温度感测组件12、所述第一电极以及所述第二电极可通过第一实施例所述的图案化一金属薄膜的方式加以成型，且所述温度感测组件12同样具有蛇型或矩阵形式布线的结构。

因此，本发明提出一种具温度感测组件的覆晶式发光二极管芯片1，其包括：一基板10；一位于所述基板10上的半导体堆叠发光结构14，其中所述半导体堆叠发光结构14包括：一n型半导体层141、半导体活性层143以及p型半导体层144；以及一温度感测组件12，其设置于所述半导体堆叠发光结构14上。而所述发光二极管芯片1更包括一设置于所述温度感测组件12与所述半导体堆叠发光结构14之间的绝缘层13；且一第一电极(即p型层电极144)及一第二电极(n型层电极142)设置于所述半导体堆叠发光结构14上，而所述第一电极是电性连接于所述p型半导体层，所述第二电极则电性连接于所述n型半导体层。

此外，如图7所示，为利后续的覆晶流程，第一电极由基板10的底部起算的高度H1与第二电极由基板10的底部起算的高度H2近乎相同，也可以说提供同一水平面高度的两电极；然而更进一步的说，所述温度感测组件12由基板10的底部起算的高度H3亦与上述的高度H1、高度H2近乎相同，同理，三者可视为同一水平面高度。

再者，同于其它实施例，所述温度感测组件12具有两端电极121，使得所述温度感测组件12可通过所述两端电极121电性耦接至具温度控制的电子处理单元，俾使经处理后的讯号可直接控制其它散热装置；且所述温度感测组件12通过一引线122与所述两端电极121连接，而所述温度感测组件12的布线线宽须小于所述引线122的线宽。另外，所述温度感测组件12具有蛇型或矩阵形式布线的结构。

因此，本发明的温度感测组件12可应用于多种封装态样的发光二极管芯片1，并不限定于上述的实施态样，换言的，所述温度感测组件12位于邻近所述封装结构20的芯片1下表面，其目的在于封装后不会造成所述半导体堆叠发光结构14的发光损失，而上述的制程步骤可随着温度感测组件12的位置进行相对应的调整。另外，不论是何者封装态样，所述温度感测组件12可将讯号电性耦接至具温度控制的电子处理单元，俾使经处理后的讯号可直接控制风扇或其它散热装置，以直接控制所述散热装置进行温度控制的功能。

综上所述，本发明具有下列诸项优点：

1.温度量测结果具有较高的可信度。本发明是将温度感测组件12”内建”于发光二极管芯片1之中，故所述温度感测组件12的位置相当靠近发光二极管芯片1中的PN接口，进而可以得到稳定度高且误差较小的温度量测值。藉此，可以解决现有利用外加的感测组件所量测的不准确的发光二极管温度的问题(不论是利用设置于发光二极管封装内部或是封装外部的感测组件都会有量测值不准确的问题)。

2.本发明所提出的发光二极管芯片1本身即具有温度感测的功能，故使用者可以实时地监控发光二极管的实际温度，以精准的掌握发光二极管的可靠度，故本发明可直接应用在产品上，可配合电路设计而达到芯片温度监控及警示的目的。

3.本发明是将具有温度感测功能的金属薄膜(如电阻温度计)沈积于PN发光结构之下，故不会影响到PN发光结构的有效出光面积；另外，所述半导体堆叠发光结构14的材料、结构不因所述温度感测组件12而需要大幅调整，故现有的封装制程仍可应用于本发明的发光二极管芯片1，且本发明可应用在各种不同的发光二极管封装态样，故具有相当优秀的实用价值。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书所记载的内容所作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明权利要求所涵盖范围的内。