CN102569622A

CN102569622A - 半导体发光芯片及其制造方法

Info

Publication number: CN102569622A
Application number: CN201010586966XA
Authority: CN
Inventors: 曾坚信
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种半导体发光芯片，包括基板及与基板连接的磊晶层，该磊晶层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，基板与磊晶层之间还具有导热层，该导热层包括碳纳米管。该半导体发光芯片具有较佳的散热效率。本发明还提供一种半导体发光芯片的制造方法。

Description

半导体发光芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光芯片及其制造方法，特别是指一种半导体发光芯片及其制造方法。

背景技术

发光二极管作为一种新兴的光源，目前已广泛应用于多种场合之中，并大有取代传统光源的趋势。

发光二极管中最重要的元件为发光芯片，其决定了发光二极管的各种出光参数，如强度、颜色等。现有的发光芯片通常是由依次生长在蓝宝石基板的N型半导体层、发光层及P型半导体层所组成。通过外界电流的激发，发光芯片的N型半导体层的电子与P型半导体层的空穴在发光层复合而向外辐射出光线。

由于在向外辐射光线的同时，电子与空穴结合同样也会产生相当的热量。这些热量会对发光芯片的发光造成不良影响，造成输出光强减少甚至于缩短发光芯片的寿命。业界为克服此问题提出了多种解决方法，最典型的如金属基板键合技术、发光芯片倒装技术、芯片垂直导通技术等等。然后，现有的这些方法对于发光芯片的散热效果仍然有限，难以满足大功率发光芯片的散热需求。

发明内容

因此，有必要提供一种散热效率较高的半导体发光芯片及其制造方法。

一种半导体发光芯片，包括基板及与基板连接的磊晶层，该磊晶层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，基板与磊晶层之间具有导热层，导热层包括碳纳米管。

一种半导体发光芯片的制造方法，包括步骤：1)提供基板；2)在基板表面形成碳纳米管；3)在基板上形成磊晶层而使碳纳米管位于二者之间，该磊晶层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层。

该半导体发光芯片在其磊晶层及基板之间形成的碳纳米管具有较高的热传导系数，因此磊晶层所发出的热量可被碳纳米管有效地进行传输，从而确保发光芯片的正常工作。

下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明第一实施例的半导体发光芯片的结构示意图。

图2为本发明第二实施例的半导体发光芯片的结构示意图。

图3为本发明第三实施例的半导体发光芯片的结构示意图。

图4为本发明第四实施例的半导体发光芯片的结构示意图。

主要元件符号说明

基板	10
		导热层	20
碳纳米管	22
		催化层	24
保护层	30
		磊晶层	40
开槽	400
		第一半导体层	42
发光层	44
		第二半导体层	46
接合层	50
		第一透明导电层	60
第二透明导电层	62
		第一电极	70
第二电极	72
		导通层	80

具体实施方式

请参阅图1，示出了本发明第一实施例的半导体发光芯片。该半导体发光芯片包括一基板10、形成于基板10上的一导热层20、覆盖导热层20的一保护层30、一磊晶层40及一接合磊晶层40及保护层30的接合层50。

该基板10可由蓝宝石(sapphire)、碳(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)等材料所制成，其用于供导热层20生长。为达到有效散热的目的，本实施例中的基板10采用碳、碳化硅、氮化镓及氧化锌等导热性较佳的材料所制成。该导热层20包括一催化层24及形成于催化层24内的碳纳米管22。该催化层24由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、镆(Mo)等过渡金属材料所制成，用于辅助碳纳米管22生长。该催化层24可由金属物理气相沉积(Metal PVD)或其他方法生长在基板10顶面并通过金属蚀刻形成多个分隔的区域。碳纳米管22可以为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或二者兼有。碳纳米管22可采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)、热化学气相沉积(Thermal CVD)等技术通过通入氢气(H₂)、甲烷(CH₄)、乙烯(C₂H₄)、氮气(N₂)、氩气(Ar)的混合气体在相邻催化层24区域的侧面横向生长而成；同时，通过控制碳纳米管22的生长条件，使其不会在催化层24的顶面竖向生长。生长完成的碳纳米管22将相邻催化层24区域的侧面连接起来，使整个导热层20呈现出连续的分布状态。该保护层30可由金属、透明金属氧化物、透明导电胶等导电材料制成，其可由蒸镀、溅镀或涂布的方式形成于导热层20顶面。该保护层30的作用在于保护导热层20中的碳纳米管，防止其在后续的制程中遭到破坏。

该磊晶层40包括依次生长的一第一半导体层42、一发光层44及一第二半导体层46。本实施例中第一半导体层42为一P型氮化镓层，第二半导体层46为一N型氮化镓层，发光层44为一多重量子井氮化镓层。当然，第一半导体层42、第二半导体层46及发光层44也可根据实际需求选用其他的材料。该磊晶层40先生长于一暂时基板(图未示)上，然后通过机械研磨、化学蚀刻、物理蚀刻等方式将暂时基板剥离而成。该第一半导体层42的底面及第二半导体层46的顶面分别形成有第一透明导电层60及第二透明导电层62，用于将电流均匀分布在第一半导体层42及第二半导体层46内，使发光芯片出光均匀。该第一透明导电层60及第二透明导电层62可由氧化铟锡(ITO)、镍金合金(Ni/Au)等导电性较佳的材料制成。该第二透明导电层62顶面形成有一第二电极72，用于为发光芯片提供焊垫。第一透明导电层60底面形成有一导通层80，用于传输电流。该导通层80可由具有较高反射率的金属材料所制成，以在导电的同时将发光层44向下辐射的光线朝向上方反射，从而提升发光芯片的出光效率。当然，导通层80也可为导电的分布式布拉格反射结构(DBR)，以使反射效率最大化。

该磊晶层40下的导通层80与基板10上的保护层30通过接合层50连接为一整体。该接合层50可由金属、透明金属氧化物、透明导电胶等导电材料所制成，其连接磊晶层40及基板10而形成一导电路径，即电流可依次流经基板10、导热层20、保护层30、接合层50、导通层80、第一透明导电层60、第一半导体层42、发光层44、第二半导体层46、第二透明导电层62及第二电极72。此外，基板10的底面还可进一步形成一第一电极70，用于将发光芯片与外界承载机构机械及电性连接。该第一电极70优选为一欧姆接触金属层，以与基板10之间形成良好的欧姆接触。

由于在磊晶层40与基板10之间设有碳纳米管22，其导热系数高达2000W/m.K，远高于传统的金属导热材料(铝的导热系数为237W/m.K，铜的导热系数为401W/m.K，银的导热系数为429W/m.K)，因此可有效地对热量进行传输。并且，由于碳纳米管22是以横向进行生长，其可沿水平方向将热量均匀地进行散布，从而避免发光芯片局部过热的情形发生。

本发明还同时提供一种制造上述半导体发光芯片的方法，主要包括如下步骤：

首先，提供一具有一催化层24的导电基板10，该催化层24在基板10上形成多个间隔的区域；

然后，在各催化层24区域之间横向生长碳纳米管22；

随后，在生长的碳纳米管22顶面形成一保护层30；

之后，将一磊晶层40通过一接合层50与该保护层30接合，其中该磊晶层40与接合层50之间还可进一步包括一第一透明导电层60及一导通层80；

最后，在磊晶层40顶面形成一第二透明导电层62，并在第二透明导电层62顶部及基板10底部分别形成一第二电极72及一第一电极70。

可以理解地，该第一实施例在基板10表面的催化层24可在生长完碳纳米管22之后通过干蚀刻或者湿蚀刻去除而仅留下碳纳米管22，然后在后续形成保护层30的过程中保护层30将填充到蚀刻催化层24所留出的孔洞中，从而形成如图2所示的本发明第二实施例的半导体发光芯片结构。该实施例中的半导体发光芯片与前一实施例中的半导体发光芯片区别之处就在于保护层30取代了原催化层24的位置。该实施例的制作方法相比前一实施例需增加蚀刻催化层24的步骤。当然，也可通过使用基板10特定的晶格面来控制碳纳米管22的生长，使其无需借助催化层24实现横向生长。因此，可省去在基板10上形成及去除催化层24的步骤，从而简化制程。

另外，由于上述二实施例所采用的基板10为导电基板，因此其第一电极70及第二电极72才可制作在相对的上下两端而形成垂直导通型的半导体发光芯片。可以理解地，当基板10采用非导电材料制作(比如蓝宝石)时，为确保电流能够顺利导通，第一电极70可由基板10底面改为制作在第一半导体层42表面。参阅图3-4，分别示出了与第一实施例及第二实施例对应的第三实施例及第四实施例。该第三实施例与第一实施例之区别在于基板10为非导电，半导体发光芯片的顶面一侧通过蚀刻形成一深入到第一半导体层42内部的开槽400，第一电极70则形成于开槽400底面并与暴露在外的第一半导体层42连接。同时，第一电极70还通过一穿孔(图未标)与第一透明导电层60连接，以将电流均匀地扩散进第一半导体层42内。第四实施例与第一实施例之区别同样也在于基板10为非导电，半导体发光芯片的一侧通过蚀刻形成一深入到第一半导体层42内部的开槽400，第一电极70则形成于开槽400底面并与暴露在外的第一半导体层42连接，且第一电极70还通过一穿孔(图未标)与第一透明导电层60连接。由于结构发生变化，因此第三实施例及第四实施例较第一实施例及第二实施例之制造方法也有所改变，即最后步骤中需在半导体发光芯片顶面开槽，并将第一电极70形成于开槽400内的第一半导体层42上，并使第一电极70与第一透明导电层60通过穿孔连接。

Claims

1.一种半导体发光芯片，包括基板及与基板连接的磊晶层，该磊晶层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，其特征在于：基板与磊晶层之间还具有导热层，该导热层包括碳纳米管。

2.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于：碳纳米管为横向生长。

3.如权利要求2所述的半导体发光芯片，其特征在于：导热层还包括催化层，催化层在基板表面形成多个间隔的区域，碳纳米管从催化层的各间隔的区域的侧面进行横向生长。

4.如权利要求2所述的半导体发光芯片，其特征在于：还包括覆盖碳纳米管的保护层。

5.如权利要求4所述的半导体发光芯片，其特征在于：保护层填满碳纳米管之间的间隙而将碳纳米管沿横向分隔为多个独立的区域。

6.如权利要求4所述的半导体发光芯片，其特征在于：还包括连接磊晶层及基板的接合层，接合层与保护层接合。

7.如权利要求6所述的半导体发光芯片，其特征在于：第一半导体层底部及第二半导体层顶部分别形成第一透明导电层及第二透明导电层。

8.如权利要求7所述的半导体发光芯片，其特征在于：第一透明导电层与接合层之间具有导通层。

9.如权利要求8所述的半导体发光芯片，其特征在于：导通层由反射材料制成。

10.如权利要求7所述的半导体发光芯片，其特征在于：还包括在第二透明导电层顶面形成的第二电极。

11.如权利要求10所述的半导体发光芯片，其特征在于：还包括在基板底面形成的第一电极，基板由导电材料制成。

12.如权利要求10所述的半导体发光芯片，其特征在于：还包括第一电极，半导体发光芯片表面开设深入到第一半导体层的开槽，第一电极位于开槽内的第一半导体层上，第一电极通过穿孔与第一透明导电层连接。

13.一种半导体发光芯片的制造方法，包括步骤：

1)提供基板；

2)在基板表面形成碳纳米管；

3)将基板上形成磊晶层而使碳纳米管位于基板与磊晶层之间，该磊晶层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层。

14.如权利要求13所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：碳纳米管为横向生长。

15.如权利要求14所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：步骤2)之前还包括在基板表面形成催化层的步骤，该催化层在基板表面形成多个间隔的区域，碳纳米管自催化层各间隔的区域的侧面进行横向生长。

16.如权利要求13至15任一项所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：步骤2)之后还包括在碳纳米管表面形成保护层的过程，磊晶层与保护层通过接合层连接。

17.如权利要求16所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：保护层将碳纳米管沿横向分隔为多个独立的区域。

18.如权利要求16所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：磊晶层与保护层之间还包括导通层，该导通层由反射材料制成。

19.如权利要求17所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：导通层与第一半导体层之间还包括第一透明导电层，第二半导体层顶面具有第二透明导电层。

20.如权利要求18所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：第二透明导电层顶面形成有第二电极，基板底面形成有第一电极，基板由导电材料制成。

21.如权利要求18所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：第二透明导电层顶面形成有第二电极，半导体发光芯片表面开设深入到第一半导体层的开槽，开槽底部的第一半导体层上形成第一电极，第一电极通过穿孔与第一透明导电层连接。