TWI525865B - Semiconductor luminescent wafers - Google Patents

Description

半導體發光晶片

本發明是有關於一種半導體發光晶片，特別是指一種氮化鎵系半導體材料構成的半導體發光晶片(LED Chip)。

半導體發光晶片，特別是氮化鎵系半導體材料構成的半導體晶片的發展，先是採用藍寶石(Sapphire)基材作為磊晶材，再自其上磊晶成長提供電能時以光電效應產生光的磊晶層單元而成，之後，又因為鑒於藍寶石(Sapphire)基材的導熱性不佳，所製作得到的半導體發光晶片在作動時會因為廢熱的累積而影響發光亮度、作動的穩定與發光壽命，因此，續而再發展出採用藍寶石基材作為磊晶材磊晶成長晶體結構良好的磊晶層單元，但後續再將導熱性較好的基板與磊晶材置換，而製作兼顧磊晶層單元的磊晶品質，以及基板散熱性問題的半導體發光晶片的技術，藉著替換導熱性較佳的基材，而提升半導體發光晶片的磊晶層單元作動的穩定、發光亮度與延長實際工作壽命，而就此，相關業者也已提出一系列的技術改進。

但是，深入而言，此等更換磊晶材為散熱性較佳的基板的技術發展，大多只著重在例如磊晶層單元與基板的晶元貼合(wafer bonding)技術、基板上增設反射鏡提昇發光亮度等方面，反而未見對於基板本身的改善，特別是如何提昇替換磊晶材的基板的導熱效能，是直接影響半導體發光晶片的磊晶層單元作動的穩定、發光亮度與實際工作壽命的關鍵因 素，應值得業界、學界投入研究改善。

因此，本發明之目的，即在提供一種替換磊晶材的基板的導熱性較高的新型態半導體發光晶片。

於是，本發明一種半導體發光晶片包含一基板、一磊晶層單元，及一電極單元。

該基板具有一由熱傳係數高於一磊晶材的材料構成的本體，及一由熱傳係數高於該本體的構成材料的導熱材料構成的導熱體，該本體包括一上表面、一相反於該上表面的下表面，及一自該下表面向該上表面方向形成的凹槽圖案，該導熱體填置於凹槽圖案且表面與該下表面共平面，該導熱體包括粒徑尺度是奈米尺度的導熱粒子，及一將該等導熱粒子與該基板的本體連結的結合材，且該等導熱粒子分散於該結合材。

該磊晶層單元用半導體材料自該磊晶材磊晶形成後，再移轉連接於該基板本體的上表面，自外界提供電能時發光。

該電極單元經外界對該磊晶層單元提供電能。

本發明的功效在於：於基板的本體形成凹槽圖案，再以熱傳係數更高的導熱體填置於凹槽圖案中，藉以提昇基板的熱傳效能，而使磊晶層單元作動時產生的廢熱更有效、快速地被導離磊晶層單元，而使半導體發光晶片具有更佳的發光表現與實際工作壽命。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以 下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、圖2、圖3，本發明一種半導體發光晶片1的一第一較佳實施例，包含一基板2、一磊晶層單元3，及一電極單元4，是藉一黏貼材100固設於一基座200中而封裝成如圖3所示的發光元件300；本較佳實施例半導體晶片1是一種基板2可導電而與該電極單元4配合對該磊晶層單元3提供電能的垂直導通式半導體晶片。

參閱圖1、圖2，該基板2具有一由熱傳係數高於一磊晶材且可導電的材料構成的本體21，及一由熱傳係數高於構成該本體21的材料的導熱材料所構成的導熱體22，其中，該本體21大致成矩形板狀，包括一上表面211、一相反於該上表面211的下表面212，及一自該下表面212向該上表面211方向形成的凹槽圖案213，由於磊晶材一般是藍寶石，所以本體21的構成材料以銅、矽、鋁等較佳，該導熱體22填置於凹槽圖案213且表面與該下表面212共平面，而可平整地藉黏貼材100固置於該基座200上，不因凸起的導熱體22導致後續晶片固置(die bond)的問題，該導熱體22包括粒徑尺度是奈米尺度的導熱粒子221，及一將該等導熱粒子221與該基板2本體21連結的結合材222，且該等導熱粒子221分散於該結合材222中，在本例中，該凹槽圖案213概呈縱橫交錯的連續十字型圖案，該等導熱粒 子221是鑽石粉末，或是奈米碳管，或是鑽石粉末和奈米碳管的混合，藉著本體21和導熱體22的熱傳導係數不同，同時配合本體21的凹槽圖案213而成預定型態分佈，而可以讓熱自基板2本體21的上表面211向下表面212方向傳遞時，具有不同的傳遞路徑與速率，進而有效提升基板2整體的導熱效能。

該磊晶層單元3是用氮化鎵系半導體材料自磊晶材(即一般慣用的藍寶石，圖未示出)磊晶形成後，再以晶圓貼合(wafer bonding)或電鍍製程，並搭配磊晶基板分離技術方式移轉連接於該基板2本體21的上表面211，自外界提供電能時發光；通常，該磊晶層單元3包括p型披覆層(p-type cladding layer)、n型披覆層(n-type cladding layer)、形成在p、n型披覆層之間的主動層(active layer)，及緩衝層(buffer layer)等結構，主動層是例如同質結構(homostructure)、單異質結構(single heterostructure)、雙異質結構(double heterostructure)，或多重量子井結構(multiple quantum wells)等，配合p、n型披覆層而在提供電能時產生光，由於此等結構、作動原理等大抵已為學界所知悉，且並非本發明創作重點所在，故在此不一一詳加說明。

該電極單元4設置於該磊晶層單元3上，與該基板2相配合而對該磊晶層單元3提供電能，使該磊晶層單元3發光。

當自外界經該電極單元4與該基板2配合對該磊晶層單元3提供電能時，該磊晶層單元3以光電效應發光，而磊晶 層單元3作動發光的同時產生的熱，則自基板2上表面211向下表面212方向傳遞，特別是熱先接觸到填充於凹槽圖案213的導熱體22，藉由凹槽圖案213的設計與導熱體22的配合，而更快速地傳遞至基座200而向外散逸、導離磊晶層單元3，使磊晶層單元3穩定作動。

另外要補充說明的是，該本體21的凹槽圖案213還可以是同心環態樣、縱橫交錯之方形、梯形、或三角形等各式態樣，使得當導熱體22填置於該凹槽圖案213後，能以圖案型態和導熱體22的配合，而更快速有效地將熱導離磊晶層單元3。

再者，該導熱體22還可以是用鍍膜方式直接成長形成的類鑽結構，例如鑽石，或奈米碳管等。

又，該基板2與該磊晶層單元3之間還可以選用光反射係數具有相對高、低差異的介電材料(且須同時具有高導熱係數)交錯堆疊，或是以反射係數高的金屬或合金材料鍍膜形成反射鏡(reflector mirror)，用以反射磊晶層單元3發出並朝基板方向行進的光，以提昇半導體發光晶片的正向出光亮度；由於此等反射鏡相關技術已為業界所周知，且並非本發明的研究重點所在，故在此不再詳細敘述。

參閱圖4，本發明一種半導體發光晶片1’的一第二較佳實施例是與該第一較佳實施例相似，其不同處僅在於基板2’是由導熱但絕緣的材料構成，該電極單元4’具有二設置於該磊晶層單元3上而可相互配合自外界對該磊晶層單元3提供電能的電極41，也就是本第二較佳實施例的半導體晶 片1’是一種由電極單元4’的二電極41配合對該磊晶層單元3提供電能的水平導通式半導體晶片。

而要進一步說明的是，該第二較佳實施例的半導體發光晶片1’的基板可以是可直接磊晶的藍寶石(須先於底面212加工形成凹槽圖案213後，再填置導熱體22而成)，而藉由凹槽圖案213與導熱體22改進原本藍寶石磊晶材導熱不佳的問題；也可以先用藍寶石磊晶材磊晶成長磊晶層單元3後，再以晶元貼合(wafer bonding)方式移轉連接於預製的基板2’上，而達到更佳的散熱效果，由於此等施作細節本技術領域中具有通常知識者當可依據所揭露的半導體發光晶片結構而設計實施，且實施細節變化方式眾多，故在此不再多加贅述。

綜合上述的說明可知，本發明主要是於半導體發光晶片1、1’的基板2、2’形成凹槽圖案213，並配合填置導熱係數更高的、由導熱粒子221與結合材222構成的導熱體22，而有效提高自基板2、2’導離磊晶層單元3作動時產生的廢熱的速率，確實有效改善現有的半導體發光晶片作動時的散熱問題，進而達到提昇半導體發光晶片的出光表現與工作壽命，確實達到本發明的創作目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧黏貼材

200‧‧‧基座

1、1’‧‧‧半導體發光晶片

2、2’‧‧‧基板

21‧‧‧本體

211‧‧‧上表面

212‧‧‧下表面

213‧‧‧凹槽圖案

22‧‧‧導熱體

221‧‧‧導熱粒子

222‧‧‧結合材

3‧‧‧磊晶層單元

4、4’‧‧‧電極單元

41‧‧‧電極

圖1是一剖視示意圖，說明本發明一種半導體發光晶片的一第一較佳實施例；圖2是一仰視示意圖，輔助圖1說明本發明一種半導體發光晶片的第一較佳實施例；圖3是一示意圖，說明本發明一種半導體發光晶片的第一較佳實施例藉黏貼材固設於基座中而封裝成的發光元件；及圖4是一示意圖，剖視示意圖，說明本發明一種半導體發光晶片的一第二較佳實施例。

1‧‧‧半導體發光晶片

2‧‧‧基板

21‧‧‧本體

211‧‧‧上表面

212‧‧‧下表面

213‧‧‧凹槽圖案

22‧‧‧導熱體

221‧‧‧導熱粒子

222‧‧‧結合材

3‧‧‧磊晶層單元

4‧‧‧電極單元

Claims (7)

1. 一種半導體發光晶片，包含：一基板，具有一由熱傳係數高於一磊晶材的材料構成的本體，及一由熱傳係數高於該本體的構成材料的導熱材料構成的導熱體，該本體包括一上表面、一相反於該上表面的下表面，及一自該下表面向該上表面方向形成的凹槽圖案，該導熱體填置於凹槽圖案且表面與該下表面共平面，該導熱體包括粒徑尺度是奈米尺度的導熱粒子，及一將該等導熱粒子與該基板的本體連結的結合材，且該等導熱粒子分散於該結合材；一磊晶層單元，用半導體材料自該磊晶材磊晶形成後，再移轉連接於該基板本體的上表面，自外界提供電能時發光；及一電極單元，經外界對該磊晶層單元提供電能。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體發光晶片，其中，該等導熱粒子是選自鑽石粉末、奈米碳管、及此等之一組合。
3. 依據申請專利範圍第2項所述的半導體發光晶片，其中，該磊晶材是藍寶石，該磊晶層單元是氮化鎵系半導體材料。
4. 依據申請專利範圍第3項所述的半導體發光晶片，其中，該基板可導電而與該電極單元配合經外界對該磊晶層單元提供電能。
5. 依據申請專利範圍第4項所述的半導體發光晶片，其中，該磊晶層單元以晶圓貼合方式連接至該基板本體的上表 面。
6. 依據申請專利範圍第3項所述的半導體發光晶片，其中，該基板不導電，且該電極單元具有二設置於該磊晶層單元上而可相互配合自外界對該磊晶層單元提供電能的電極。
7. 依據申請專利範圍第6項所述的半導體發光晶片，其中，該磊晶層單元以晶圓貼合方式連接至該基板本體的上表面。