TWI438930B - 半導體發光晶片及其製造方法 - Google Patents

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Description

半導體發光晶片及其製造方法
本發明涉及一種發光晶片及其製造方法，特別是指一種半導體發光晶片及其製造方法。
發光二極體作為一種新興的光源，目前已廣泛應用於多種場合之中，並大有取代傳統光源的趨勢。
發光二極體中最重要的元件為發光晶片，其決定了發光二極體的各種出光參數，如強度、顏色等。習知的發光晶片通常是由依次生長在藍寶石基板的N型半導體層、發光層及P型半導體層所組成。通過外界電流的激發，發光晶片的N型半導體層的電子與P型半導體層的空穴在發光層複合而向外輻射出光線。
由於在向外輻射光線的同時，電子與空穴結合同樣也會產生相當的熱量。這些熱量會對發光晶片的發光造成不良影響，造成輸出光強減少甚至於縮短發光晶片的壽命。業界為克服此問題提出了多種解決方法，最典型的如金屬基板鍵合技術、發光晶片倒裝技術、晶片垂直導通技術等等。然後，習知的這些方法對於發光晶片的散熱效果仍然有限，難以滿足大功率發光晶片的散熱需求。
因此，有必要提供一種散熱效率較高的半導體發光晶片及其製造方法。
一種半導體發光晶片，包括基板及與基板連接的磊晶層，該磊晶層包括依次生長的第一半導體層、發光層及第二半導體層，基板與磊晶層之間具有導熱層，導熱層包括豎向生長的奈米碳管。
一種半導體發光晶片的製造方法，包括步驟：1)提供基板；2)在基板表面形成豎向生長的奈米碳管；3)將磊晶層與基板上的奈米碳管相接合，該磊晶層包括依次生長的第一半導體層、發光層及第二半導體層。
該半導體發光晶片在其磊晶層及基板之間形成的豎向的奈米碳管具有較高的熱傳導係數，因此磊晶層所發出的熱量可被奈米碳管有效地進行傳輸，從而確保發光晶片的正常工作。
10‧‧‧基板
20‧‧‧導熱層
200‧‧‧間隙
22‧‧‧奈米碳管
24‧‧‧催化層
30‧‧‧接合層
40‧‧‧磊晶層
400‧‧‧開槽
42‧‧‧第一半導體層
44‧‧‧發光層
46‧‧‧第二半導體層
50‧‧‧第一透明導電層
52‧‧‧第二透明導電層
60‧‧‧導通層
70‧‧‧第一電極
72‧‧‧第二電極
圖1為本發明第一實施例的半導體發光晶片的結構示意圖。
圖2為本發明第二實施例的半導體發光晶片的結構示意圖。
請參閱圖1，示出了本發明第一實施例的半導體發光晶片。該半導體發光晶片包括一基板10、形成於基板10上的一導熱層20、一磊晶層40及一接合磊晶層40及導熱層20的一接合層30。
該基板10可由藍寶石(sapphire)、碳(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)等材料所製成，用於供導熱層20生長。為 達到有效散熱的目的，本實施例的基板10採用碳、碳化矽、氮化鎵及氧化鋅等導熱性較佳的材料所製成。該導熱層20包括一催化層24及形成於催化層24上的奈米碳管22。該催化層24由鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鏌(Mo)等過渡金屬材料所製成，用於輔助奈米碳管22生長。該催化層24可由金屬物理氣相沉積(Metal PVD)或其他方法生長在基板10頂面並通過金屬蝕刻形成多個通過間隙200分隔的區域。奈米碳管22可以為單壁奈米碳管、多壁奈米碳管或二者兼有。奈米碳管22可採用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)、熱化學氣相沉積(Thermal CVD)等技術通過通入氫氣(H2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、氮氣(N2)、氬氣(Ar)的混合氣體在各催化層24區域頂面豎向生長。奈米碳管22可以頂端生長或根部生長的方式在催化層24表面生長，具體取決於生長條件的控制。各催化層24區域上生長完成的奈米碳管22之間由於催化層24的間隙200而彼此隔開，從而使導熱層20整體上呈現不連續的狀態。
該磊晶層40包括依次生長的一第一半導體層42、一發光層44及一第二半導體層46。本實施例中第一半導體層42為一P型氮化鎵層，第二半導體層46為一N型氮化鎵層，發光層44為一多重量子井氮化鎵層。當然，第一半導體層42、發光層44及第二半導體層46也可採用其他材料製作，具體取決於實際需求。該磊晶層40先生長於一暫時基板(圖未示)上，然後通過機械研磨、化學蝕刻、鐳射等方式將暫時基板剝離而成。該第一半導體層42的底面及第二半導體層46的頂面分別形成有第一透明導電層50及第二透明導電 層52，用於將電流均勻分佈在第一半導體層42及第二半導體層46內，使發光晶片出光均勻。該第一透明導電層50及第二透明導電層52可由氧化銦錫(ITO)、鎳金合金(Ni/Au)等導電性較佳的材料製成。該第二透明導電層52頂面形成有一第二電極72，用於為發光晶片提供焊墊。第一透明導電層50底面形成有一導通層60，用於傳輸電流。該導通層60可由具有較高反射率的金屬材料所製成，以在導電的同時將發光層44向下輻射的光線朝向上方反射，從而提升發光晶片的出光效率。當然，導通層60也可為導電的分散式布拉格反射結構(DBR)，以使反射效率最大化。
該磊晶層40下的導通層60與基板10上的導熱層20通過一接合層30連接為一整體。該接合層30可由金屬、透明金屬氧化物、透明導電膠等導電材料所製成，其連接磊晶層40及基板10而形成一導電路徑，即電流可依次流經基板10、導熱層20、接合層30、導通層60、第一透明導電層50、第一半導體層42、發光層44、第二半導體層46、第二透明導電層52及第二電極72。此外，基板10的底面還可進一步形成一第一電極70，用於將發光晶片與外界承載機構機械及電性連接。該第一電極70優選為一歐姆接觸金屬層，以與基板10之間形成良好的歐姆接觸。
由於在磊晶層40與基板10之間設有奈米碳管22，其導熱係數高達2000W/m.K，遠高於傳統的金屬導熱材料(鋁的導熱係數為237W/m.K，銅的導熱係數為401W/m.K，銀的導熱係數為429W/m.K)，因此可有效地對熱量進行傳輸。更進一步地，由於奈米碳管22是以豎向進行生長，其熱傳導方向也為豎向，因此可 有效地將熱量從磊晶層40自上而下地傳輸至基板10。
本發明還同時提供一種製造上述半導體發光晶片的方法，主要包括如下步驟：首先，提供一具有一催化層24的導電基板10，該催化層24在基板10上形成多個間隔的區域；然後，在各催化層24區域頂面豎向生長奈米碳管22；之後，將一磊晶層40通過一接合層30與奈米碳管22接合，其中該磊晶層40與接合層30之間還可進一步包括一第一透明導電層50及一導通層60；最後，在磊晶層40頂面形成一第二透明導電層52，並在第二透明導電層52頂部及基板10底部分別形成一第二電極72及一第一電極70。
由於上述實施例所採用的基板10為導電基板，因此其第一電極70及第二電極72才可製作在相對的上下兩端而形成垂直導通型的半導體發光晶片。可以理解地，當基板10採用非導電材料製作(比如藍寶石)時，為確保電流能夠順利導通，第一電極70可由基板10底面改為製作在第一半導體層42表面。參閱圖2，示出了與第一實施例不同的第二實施例。該第二實施例與第一實施例之區別在於基板10為非導電，半導體發光晶片的頂面一側通過蝕刻形成一深入到第一半導體層42內部的開槽400，第一電極70則形成於開槽400內並與第一半導體層42連接。同時，第一電極70還通一穿孔(圖未標)與第一透明導電層50連接，以將電流均勻地擴散進 第一半導體層42內。由於結構發生變化，因此第二實施例較第一實施例之製造方法也有所改變，即最後的步驟中需在半導體發光晶片頂面開槽，並將第一電極70形成於開槽400內的第一半導體層42上並通過穿孔與第一透明導電層50連接。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。
10‧‧‧基板
20‧‧‧導熱層
200‧‧‧間隙
22‧‧‧奈米碳管
24‧‧‧催化層
30‧‧‧接合層
40‧‧‧磊晶層
42‧‧‧第一半導體層
44‧‧‧發光層
46‧‧‧第二半導體層
50‧‧‧第一透明導電層
52‧‧‧第二透明導電層
60‧‧‧導通層
70‧‧‧第一電極
72‧‧‧第二電極

Claims (12)

  1. 一種半導體發光晶片，包括基板及與基板連接的磊晶層，該磊晶層包括依次生長的第一半導體層、發光層及第二半導體層，其改良在於：基板與磊晶層之間還具有導熱層，該導熱層包括豎向生長的奈米碳管，導熱層還包括催化層，催化層在基板表面形成多個間隔的區域，奈米碳管從催化層頂面進行豎向生長，相鄰區域內的奈米碳管之間通過間隙隔開。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片，其中還包括連接磊晶層及奈米碳管的接合層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光晶片，其中第一半導體層底部及第二半導體層頂部分別形成第一透明導電層及第二透明導電層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光晶片，其中第一透明導電層與接合層之間具有導通層，該導通層由反射材料製成。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光晶片，其中還包括在第二透明導電層頂面形成的第二電極。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光晶片，其中還包括在基板底面形成的第一電極，基板由導電材料製成。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光晶片，其中還包括第一電極，半導體發光晶片表面開設深入到第一半導體層的開槽，第一電極位於開槽內的第一半導體層上，第一電極通過穿孔與第一透明導電層連接。
  8. 一種半導體發光晶片的製造方法，包括步驟：1)提供基板；2)在基板表面形成豎向生長的奈米碳管；3)在基板的奈米碳管上連接磊晶層，該磊晶層包括依次生長的第一半導體層、發光層及第二半導體層，磊晶層與奈米碳管之間還包括導通層，該導通層由高反射率的材料製成。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光晶片製造方法，其中步驟2)之前還包括在基板表面形成催化層的步驟，該催化層在基板表面形成多個間隔的區域，奈米碳管自催化層各間隔的區域的頂面豎向進行生長。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光晶片製造方法，其中導通層與第一半導體層之間還包括第一透明導電層，第二半導體層頂面具有第二透明導電層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光晶片製造方法，其中第二透明導電層頂面形成有第二電極，基板底面形成有第一電極，基板由導電材料製成。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光晶片製造方法，其中第二透明導電層頂面形成有第二電極，半導體發光晶片表面開設深入到第一半導體層的開槽，開槽內的第一半導體層上形成第一電極，該第一電極通過穿孔與第一透明導電層連接。
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