TW201225341A - Light-emitting semiconductor chip and method for manufacturing the same - Google Patents

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201225341 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [〇〇〇1] 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。 [先前技術] [0002] 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。 [0003] 發光二極體中最重要的元件為發光晶片，其決定了發光 0 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。 [0004] 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。 【發明内容】 [0005] 因此’有必要提供一種散熱效率較高的半導艎發光晶片 及其製造方法。 [0006] —種半導體發光晶片’包括基板及與基板連接的磊晶層 099143472 表單編號A0101 第3頁/共17頁 0992075315-0 201225341 ’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 括奈米碳管。 [0007] [0008] [0009] ~種半導體發光晶片的製造方法，包括步驟：1)提供基 板；2)在基板表面形成奈米碳管；3)在基板上形成磊晶 層而使奈米碳管位於二者之間’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。 【實施方式】 睛參閱圖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1〇上的 導熱層20、覆盍導熱層2;丨0的一保護層30 ' —為晶層40 及一 接合蠢晶層40及保護廣3 Q的揍合層5 〇 [0010] 099143472 該基板10可由藍寶石（sapphire)、碳（Si)、碳化矽 (以〇 '氮化鎵（GaN)、氡化鋅（Zn〇)等材料所製成，其 用於供導熱層20生長Li有效健的目的，本實施 例中的基板U)制碳、魏H化鎵及氧化鋅等導軌 性較佳的材料所製成。該導熱層20包括-催化層24及形 成於催化層24㈣奈織管22。化心由鐵（Fe)、 姑（Co)、錦（Nl)、鎮（Mq)等過渡金屬材料所製成，用於 輔助奈米碳扣生長。該錢層24可由金屬物理氣相沉 積（Metal PVD)或其他方法生長在基板10 表單編號A0101 第4頁/共17頁 頂面並通過金 0992075315-0 201225341 屬蝕刻形成多個分隔的區域。奈米碳管22可以為單受奈 米碳管、多壁奈米碳管或二者兼有。奈米碳管22可採# 微波電漿化學氣相沉積（MPCVD)、熱化學氣相沉積 (Thermal CVD)等技術通過通入氫氣（Η2)、甲烷（CH4) 、乙烯（C2H4)、氮氣（N2)、氬氣（Ar)的混合氣體在相鄰 催化層24區域的侧面橫向生長而成；同時，通過控制奈 米碳管22的生長條件，使其不會在催化層24的頂面豎向 生長。生長完成的奈米碳管22將相鄰催化層24區域的側 Ο 面連接起來，使整個導熱層20呈現出連續的分佈狀態。 該保護層30可由金屬、透明金屬氧化物、透明導電膠等 導電材料製成，其可由蒸餹、濺鍍或塗布的方式形成於 導熱層20頂面。該保護層30的作用在於保護導熱層2〇 ψ 的奈米碳管，防止其在後續的制程中遭到破壞。 [0011] 該蠢晶層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_半導體層“ 為一 P型氮化鎵層，第二半導體層46為一N型氣化錄層 〇 發光層44為一多重量子井氣化鎵。當钬像 田‘、、、，第—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 用其他的材料。該遙晶層40先生長於一暫時基板（ )上’然後通過機械研磨、化學蝕刻、物理餘刻等方式將 暫時基板剝離而成。該第一半導體層42的底面及第_ " 導體層46的頂面分別形成有第一透明導電層6〇及第 明導電層62，用於將電流均勻分佈在第一半導體層仏及 第二半導體層46内’使發光晶片出光均句。 5褒第一透明 導電層60及第二透明導電層62可由氧化銦踢（Ιτ ) 錄 099143472 表單编號Α0101 第5頁/共17頁 0992075315-0 201225341 金合金（Ni/Au)等導電性較佳的材料製成。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。第一透明導電層60底面形成有一導通層80，用於 傳輸電流。該導通層80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80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。 [0012] 該磊晶層40下的導通層80與基板10上的保護層30通過接 合層5 0連接為一整體。該接合層50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、保護層30、接合層50、導通層80、第一 透明導電層60、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62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。 [0013] 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/U1.K)，因此可有效地對熱量進行傳 輸。並且，由於奈米碳管22是以橫向進行生長，其可沿 水平方向將熱量均勻地進行散佈，從而避免發光晶片局 099143472 表單編號A0101 第6頁/共17頁 0992075315-0 201225341 [0014] [0015] [0016] [0017] Ο 剛 [0019] [0020] Ο 部過熱的情形發生。 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1〇，該催化層 24在基板1〇上形成多個間隔的區域， 然後，在各催化層24區域之間橫向生長奈米碳管22 ; 隨後’在生長的奈米碳管22頂面形成一保護層3〇 ; 之後，將一遙晶層40通過接合層50與該保護層go接合 ’其中該磊晶層40與接合層50之間還可進一步包括一第 一透明導電層60及一導通層80 ; 最後，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7〇。 可以理解地，料-實_在基板丨催化層24可 在生長完奈讀管_後㈣幹關或衫㈣去除而 僅留U碳管22，職在後續形成保護層3〇的過卷 保護層30將填充到朗催化層24所留出的孔洞中，^ 形成如圖2所_本發明第二實施㈣铸 構。該實施例中的半導體發光晶片與前—實施例^ 導體發先晶片區別之處就在於保護取代了 實施例的製作方法相比前-實施例需增 的曰格面來和的步驟。當然，也可通過使用基板10特 的时格面來控制奈米碳管22的生長，使其無需借助催 099143472 表單編號A0101 第7頁/共17頁 0992075315-0 201225341 層24實現橫向生長。因此，可省去在基板10上形成及去 除催化層24的步驟，從而簡化制程。 [0021] 另外，由於上述二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3-4，分別示出了與 第一實施例及第二實施例對應的第三實施例及第四實施 例。該第三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内部的開槽400，第一電極70則形成於 開槽400底面並與暴露在外的第一半導體層42連接。同時 ，第一電極70還通過一穿孔（圖未標）與第一透明導電層 60連接，以將電流均勻地擴散進第一半導體層42内。第 四實施例與第一實施例之區別同樣也在於基板10為非導 電，半導體發光晶片的一側通過蝕刻形成一深入到第一 半導體層42内部的開槽400，第一電極70則形成於開槽 400底面並與暴露在外的第一半導體層42連接，且第一電 極70還通過一穿孔（圖未標）與第一透明導電層60連接。 由於結構發生變化，因此第三實施例及第四實施例較第 一實施例及第二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内的第一半導體層42上，並使第一電極70 與第一透明導電層60通過穿孔連接。 099143472 表單編號A0101 第8頁/共17頁 0992075315-0 201225341 [0022] 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内。 【圖式簡單說明】 [0023] 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 [0024] 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 Θ 。 [0025] 圖3為本發明第三實施例的半導體發光晶片的結構示意圖 [0026] 圖4為本發明第四實施例的半導體發光晶片的結構示意圖

【主要元件符號說明】 [0027] 基板：10 [0028] 導熱層：20 [0029] 奈米碳管：22 [0030] 催化層：24 [0031] 保護層：30 [0032] 蠢晶層.4 0 [0033] 開槽：400 [0034] 第一半導體層：42

099143472 表單編號Α0101 第9頁/共17頁 0992075315-0 46 201225341 [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] 發光層：4 4 第二半導體層： 接合層：50 第一透明導電層 第二透明導電層 第一電極：70 第二電極：72 導通層：80 ：60 ：62 099143472 表單編號A0101 第10頁/共17頁 0992075315-0

Claims (1)

1. 201225341 七、申請專利範圍： 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， .該導熱層包括奈米碳管。 2 .如申請專利範圍第1項所述之半導體發光晶片，其中奈米 碳管為橫向生長。 3 .如申請專利範圍第2項所述之半導體發光晶片，其中導熱 層還包括催化層，催化層在基板表面形成多個間隔的區域 " ，奈米碳管從催化層的各間隔的區域的侧面進行橫向生長 4 .如申請專利範圍第2項所述之半導體發光晶片，其中還包 括覆蓋奈米碳管的保護層。 5 .如申請專利範圍第4項所述之半導體發光晶片，其中保護 層填滿奈米碳管之間的間隙而將奈米碳管沿橫向分隔為多 個獨立的區域。 _ 6 .如申請專利範圍第4項所述之半導體發光晶片，其中還包 ❹ 括連接磊晶層及基板的接合層，接合層與保護層接合。 7 .如申請專利範圍第6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。 8 .如申請專利範圍第7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。 9 .如申請專利範圍第8項所述之半導體發光晶片，其中導通 層由反射材料製成。 099143472 表單編號A0101 第11頁/共17頁 0992075315-0 201225341 ίο . 11 . 12 . 13 . 如申請專利範圍第7項所述之半導體發光晶片，直 括在第二透明導電層頂面形成的第二電極。-义 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光晶片，且中還勺 括在基板底面形成的第一電極，基板由導電材料製成α 如申請專利範圍第1G項所述之半導體發光晶片，其中還包 括第電極，半導體發光晶片表面開設深人到第 層的開槽，第-電極位於開槽内的第—半導體層上，第一 電極通過穿孔與第一透明導電層連接。 9 種半導體發光晶片的製造方法，包括步驟：

   1)提供基板； 2) 在基板表面形成奈米碳管； 3) 將基板上形成蟲晶層而使奈米碳管位於基板與蟲晶層之 間’該遙晶層包括依次生長的第—半導體層、發光層及第 二半導體層。 θ 14 ·如申請專利範圍第13項所述之半導體發光晶片製造方法， 其中奈米碳管為橫向生長》 15 .如申請專利範圍第14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弟成催化層的步驟，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 層各間隔的區域的侧面進行橫向生長。 099143472 16 17 18 如申請專利範圍第13至15任一項所述之半導體發光晶片 製造方法，其中步驟2)之後還包括在奈米碳管表面形成保 護層的過程，磊晶層與保護層通過接合層連接。 如申請專利範圍第16項所述之半導體發光晶片製造方法， 其中保護層將奈米碳管沿橫向分隔為多個獨立的區域。 如申請專利範圍第16項所述之半導體發光晶片製造方法， 表單編號A0101 第12頁/共17頁 201225341 其中蟲晶層與保護層之間還包括導通層，該導通層由反射 材料製成。 19 . 20 . 21 . Ο 如申請專利範圍第17項所述之半導體發光晶片製造方法， "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。 如申請專利範圍第18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。 如申請專利範圍第18項所述之半導體發光晶片製造方法， 其中第二透明導電，瑪趣形成有第二電極，半導體發光晶 片表面開設深入到第一半導體層的開槽，開槽底部的第一 半導體層上形成第一電極，第一電極通過穿孔與第一透明 導電層連接。 ' —、。

   ο 099143472 表單編號A0101 第13頁/共17頁 0992075315-0