TWI438949B - 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，特別係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之光源，目前已廣泛應用於多種場合之中，並大有取代傳統光源之趨勢。
發光二極體中最重要之元件係發光晶片，其決定了發光二極體之各種出光參數，如強度、顏色等。習知之發光晶片通常係由依次生長在藍寶石基板之N型半導體層、發光層及P型半導體層所組成。藉由外界電流之激發，發光晶片之N型半導體層之電子與P型半導體層之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之同時，電子與空穴結合同樣也會產生相當之熱量。熱量會對發光晶片之發光造成不良影響，造成輸出光強減少甚至於縮短發光晶片之壽命。業界為克服此問題提出了多種解決方法，最典型之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，習知之方法對於發光晶片之散熱效果仍然有限，難以滿足大功率發光晶片之散熱需求。
因此，有必要提供一種散熱效率較高之半導體發光晶片及其製造方法。
一種半導體發光晶片，其包括基板及與該基板連接之磊晶層，該磊晶層包括第一半導體層、發光層及第二半導體層，所述基板上形成導熱凸層，所述磊晶層之第一半導體層上形成導電結構，該導熱凸層嵌入導電結構內，該導熱凸層包括豎向生長之碳納米管，所述導電結構包括依次形成於所述第一半導體層上之第一透明導電層及導通層，所述第一透明導電層與第一半導體層之間形成歐姆接觸層。
一種半導體發光晶片之製造方法，包括步驟：1)提供第一基板和第二基板；2)在第一基板表面上形成導熱凸層，該導熱凸層包括豎向生長碳納米管；3)在第二基板上依次生長第二半導體層、發光層及第一半導體層；4)在第一半導體層上形成導電結構，導熱凸層嵌入導電結構；5)去除第二基板。
該半導體發光晶片在其磊晶層及基板之間形成之碳納米管具有較高之熱傳導係數，因此磊晶層所發出之熱量可被碳納米管有效地進行傳輸，從而確保發光晶片之正常工作。
10‧‧‧基板
20‧‧‧導熱凸層
22‧‧‧碳納米管
24‧‧‧催化層
40‧‧‧磊晶層
42‧‧‧第一半導體層
44‧‧‧發光層
46‧‧‧第二半導體層
48‧‧‧凹陷部
50‧‧‧導電結構
51‧‧‧孔洞
52‧‧‧歐姆接觸層
54‧‧‧黏著層
60‧‧‧第一透明導電層
62‧‧‧第二透明導電層
70‧‧‧第一電極
72‧‧‧第二電極
80‧‧‧導通層
100‧‧‧第一結構
200‧‧‧第二結構
400‧‧‧開槽
圖1係本發明第一實施例之半導體發光晶片之分解結構示意圖。
圖2係圖1之半導體發光晶片之組合結構示意圖。
圖3係本發明第二實施例之半導體發光晶片之結構示意圖。
請參閱圖1，示出了本發明第一實施例之半導體發光晶片。該半導體發光晶片包括第一結構100及第二結構200。第一結構100與第二結構200藉由晶圓結合技術結合在一起。該第一結構100包括一基板10及形成於基板10上之導熱凸層20。在本實施例中，該導熱凸層20之數量係複數個，該等導熱凸層20間隔地形成於基板10上。在其他實施例中，該導熱凸層20可係一個，導熱凸層20並沒有覆蓋整個基板10上。在本實施例中，該第二結構200包括一磊晶層40及形成於該磊晶層40上之導電結構50。該導電結構50開設有複數孔洞51。第一結構100之導熱凸層20與第二結構200之導電結構50相互插合。導熱凸層20對應嵌入導電結構50之孔洞51內。
所述第一結構100之基板10可由矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)等材料所製成，其用於供導熱凸層20生長。
所述第一結構100之每一導熱凸層20包括一催化層24及形成於催化層24上之碳納米管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，用於輔助碳納米管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頂面並藉由金屬蝕刻形成多個分隔之區域。碳納米管22可以係單壁碳納米管、多壁碳納米管或二者兼有。碳納米管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)等技術藉由通入氫氣(H2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、氮氣(N2)、氬氣(Ar)之混合氣體在各催化層24區域頂面豎向生長。碳納米管22可以頂端生長或根部生長之方式在催化層24表面生長，具體取決於生長條件之控制。各催化層24區域上生長完成之碳納米管22之間由於催化層24之間隙(圖未示)而彼此隔開，從而在基板10之頂面上形成多個相互間隔之導熱凸層20。
此外，基板10之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較佳係一歐姆接觸金屬層，以與基板10之間形成良好之歐姆接觸。
所述第二結構200之磊晶層40包括依次生長之一第二半導體層46、一發光層44及一第一半導體層42。本實施例中第一半導體層42係一P型氮化鎵層，第二半導體層46係一N型氮化鎵層，發光層44係一多重量子井氮化鎵/氮化銦鎵層。當然，第一半導體層42、第二半導體層46及發光層44也可根據實際需求選用其他之材料。該磊晶層40先生長於一暫時基板(圖未示)上，然後藉由機械研磨、化學蝕刻、物理蝕刻、鐳射剝離等方式將暫時基板剝離而成。所述第一半導體層42之底面間隔開設有複數凹陷部48。該等凹陷部48之形成可以藉由機械研磨、化學蝕刻、物理蝕刻等方式形成。
所述第二結構200之導電結構50形成於第一半導體層42之除凹陷部48外之底面上。該導電結構50包括形成於第一半導體層42之除凹陷部48外之底面之第一透明導電層60及形成於第一透明導電層 60底面之導通層80。
在本實施例中，在第一透明導電層60與第一半導體層42之間形成一層歐姆接觸層52，以減少第一透明導電層60與第一半導體層42之間之接觸面之電阻，該歐姆接觸層52可以係高摻雜之P型氮化鎵層、P型超晶格層或反轉摻雜之高濃度N型氮化鎵層等。
所述第二半導體層46之頂面形成有一第二透明導電層62。第一透明導電層60與第二透明導電層62將電流盡可能均勻地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60及第二透明導電層62可由氧化銦錫(ITO)、鎳金合金(Ni/Au)等導電性較佳之材料製成。該第二透明導電層62頂面形成有一第二電極72，用於為發光晶片提供焊墊。
所述導通層80用於傳輸電流。該導通層80可由具有較高反射率之金屬材料所製成，以在導電之同時將發光層44向下輻射之光線朝向上方反射，從而提升發光晶片之出光效率。當然，導通層80也可係導電之分散式布拉格反射結構(DBR)，以使反射效率最大化。
請同時參閱圖2，第一結構100與第二結構200晶圓結合後，在第一結構100與第二結構200之水平方向之接合介面上形成有黏著層54。該黏著層54由透明導電材料所製成。
由於在磊晶層40與基板10之間設有碳納米管22，其導熱係數高達2000W/m.K，遠高於傳統之金屬導熱材料(鋁之導熱係數係237W/m.K，銅之導熱係數係401W/m.K，銀之導熱係數係 429W/m.K)，因此可有效地對熱量進行傳輸。並且，由於碳納米管22係以豎向進行生長，其熱傳導方向也係豎向，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。尤其，碳納米管22直接將第一半導體層42產生之熱量傳遞至基板10。
另外，碳納米管22也作為導電層，用以降低第一半導體層42之電阻。
對於藍光發光二極體來說，由於藍光發光二極體係使用寬能隙氮化鎵材料製作，因此第一半導體層42所用材料之摻雜較困難，所以載流子之濃度較低，相對地，第一半導體層42所形成之電阻較高。在藍光發光二極體使用時，第一半導體層42相對於第二半導體層46所產生之熱量較大，因此，本發明利用碳納米管22將第一半導體層42產生之熱量直接導出，有效降低了磊晶層40之介面溫度，並可提升發光二極體之發光效率及維持發光二極體之壽命。
所述碳納米管22可以係二維排列分佈於基板10上，使熱能夠更快速地被導出。
本發明還同時提供一種製造上述半導體發光晶片之方法，主要包括如下步驟：提供一具有一催化層24之導電基板10，該催化層24在基板10上形成多個間隔之區域；在各催化層24之各間隔之區域上豎向生長碳納米管22而形成第一結構100，其中碳納米管22之間形成有間隙； 在一暫時基板上生長第二半導體層46、發光層44及第一半導體層42而形成磊晶層40，然後在第一半導體層42上生長導電結構50，該導電結構50包括第一透明導電層60及導通層80；藉由幹蝕刻或者濕蝕刻方式將導電結構50蝕刻形成複數孔洞51，進而形成第二結構200；在本實施例中，蝕刻形成導電結構50後，繼續蝕刻第一半導體層42而形成凹陷部48，該凹陷部48之深度小於第一半導體層42之厚度。在其他實施例中，可僅蝕刻至第一透明導電層60即終止；在第一結構100之頂部水平面上生長一層黏著材料，在第二結構200之底部水平面上也生長一層黏著材料，其中第一結構100之頂部水平面包括基板10之未生長有導熱凸層20之頂面及各個導熱凸層20之頂面；第二結構200之底部水平面包括導電結構50之底面及第一半導體層42之凹陷部48所對應之底面，總之，在高溫加壓之條件下，第一結構100之頂部水平面與第二結構200之底部水平面相貼合而在第一結構100與第二結構200之水平方向之接合介面上形成有黏著層54；然後藉由機械研磨、化學蝕刻、物理蝕刻、鐳射剝離等方式將暫時基板剝離。
在磊晶層40頂面形成一第二透明導電層62，並在第二透明導電層62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。
可以理解地，在第一透明導電層60與第一半導體層42之間可形成歐姆接觸層52，在蝕刻形成導電結構50時，將歐姆接觸層52一併蝕刻。
由於上述第一實施例所採用之基板10係導電基板，因此其第一電極70及第二電極72才可製作在相對之上下兩端而形成垂直導通型之半導體發光晶片。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。請參閱圖3，圖3示出了第二實施例之半導體發光晶片。該第二實施例與第一實施例之區別在於基板10係非導電，半導體發光晶片之頂面一側藉由蝕刻形成一深入到第一半導體層42內部之開槽400，第一電極70則形成於開槽400底面並與暴露在外之第一半導體層42連接。同時，第一電極70還藉由一穿孔(圖未標)與第一透明導電層60連接。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內之第一半導體層42上，並使第一電極70與第一透明導電層60藉由穿孔連接。
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‧‧‧導熱凸層
22‧‧‧碳納米管
24‧‧‧催化層
40‧‧‧磊晶層
42‧‧‧第一半導體層
44‧‧‧發光層
46‧‧‧第二半導體層
52‧‧‧歐姆接觸層
54‧‧‧黏著層
60‧‧‧第一透明導電層
62‧‧‧第二透明導電層
70‧‧‧第一電極
72‧‧‧第二電極
80‧‧‧導通層

Claims (17)

  1. 一種半導體發光晶片，其包括基板及與該基板連接之磊晶層，該磊晶層包括第一半導體層、發光層及第二半導體層，其改良在於：所述磊晶層之第一半導體層上形成導電結構，所述基板上形成導熱凸層，該導熱凸層嵌入導電結構內，該導熱凸層包括豎向生長之碳納米管，所述導電結構包括依次形成於所述第一半導體層上之第一透明導電層及導通層，所述第一透明導電層與第一半導體層之間形成歐姆接觸層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片，其中所述導熱凸層還包括催化層，催化層在基板表面形成多個間隔之區域，碳納米管從催化層頂面進行豎向生長。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片，其中所述導通層由反射材料製成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片，其中所述導熱凸層穿過導通層，第一透明導電層及歐姆接觸層嵌入至第一半導體層內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體發光晶片，其中所述導熱凸層與第一半導體層之接觸介面上形成一黏著層，所述導電結構之底面與基板頂面藉由另一黏著層接合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片，其中所述第二半導體層上依次形成第二透明導電層及第二電極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光晶片，其中所述基板之 底面形成第一電極，該基板由導電材料製成。
  8. 如申請專利範圍第6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之開槽，第一電極位於開槽內之第一半導體層上，第一電極藉由穿孔與第一透明導電層連接。
  9. 一種半導體發光晶片之製造方法，包括步驟：1)提供第一基板和第二基板；2)在第一基板表面上形成導熱凸層，該導熱凸層包括豎向生長碳納米管；3)在第二基板上依次生長第二半導體層、發光層及第一半導體層；4)在第一半導體層上形成導電結構，導熱凸層嵌入導電結構；5)去除第二基板。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中步驟2)中在生長碳納米管之前包括在第一基板表面上形成催化層之步驟，催化層在基板表面形成多個間隔之區域，碳納米管從催化層頂面進行豎向生長。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中步驟5)中之所述導電結構包括依次形成於所述第一半導體層上之第一透明導電層及導通層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中所述導通層由反射材料製成。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中步驟5)中在形成第一透明導電層之前還包括在第一半導體層上形 成歐姆接觸層之步驟，所述導熱凸層穿過導通層、第一透明導電層及歐姆接觸層嵌入至第一半導體層內。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中在步驟5)中導熱凸層與導電結構嵌合時，所述導熱凸層之頂面與第一半導體層之底面藉由晶圓結合技術黏結，所述導通層之底面與所述第一基板之頂面藉由晶圓結合技術黏結。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中步驟5)之後包括在第二半導體層上依次形成第二透明導電層及第二電極之步驟。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中步驟5)之後包括在第一基板之底面形成第一電極之步驟，該第一基板由導電材料製成。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之半導體發光晶片之製造方法，其中所述第一基板係絕緣基板，半導體發光晶片表面開設深入到第一半導體層之開槽，開槽底部之第一半導體層上形成第一電極，第一電極藉由穿孔與第一透明導電層連接。
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