专利名称：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，其包括基板及与该基板连接的磊晶层，该磊晶层包括第一半导体层、发光层及第二半导体层，所述基板上形成导热凸层，所述磊晶层的第一半导体层上形成导电结构，该导热凸层嵌入导电结构内，该导热凸层包括竖向生长的碳纳米管。一种半导体发光芯片的制造方法，包括步骤1)提供第一基板和第二基板；2)在第一基板表面上形成导热凸层，该导热凸层包括竖向生长碳纳米管；3)在第二基板上依次生长第二半导体层、发光层及第一半导体层；4)在第一半导体层上形成导电结构，导热凸层嵌入导电结构；5)去除第二基板。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。
图1为本发明第一实施例的半导体发光芯片的分解结构示意图。图2为图1的半导体发光芯片的组合结构示意图。
图3为本发明第二实
主要元件符号说明
基板10
第一结构100
第二结构200
导热凸层20
碳纳米管22
催化层24
幕晶层40
开槽400
第一半导体层42
发光层44
第二半导体层46
凹陷部48
导电结构50
孔洞51
欧姆接触层52
粘着层54
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
具体实施例方式请参阅图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第一结构100及第二结构200。第一结构100与第二结构200通过晶圆结合技术结合在一起。该第一结构100包括一基板10及形成于基板10上的导热凸层20。在本实施例中， 该导热凸层20的数量为若干个，这些导热凸层20间隔地形成于基板10上。在其他实施例中，该导热凸层20可为一个，导热凸层20并没有覆盖整个基板10上。在本实施例中，该第二结构200包括一磊晶层40及形成于该磊晶层40上的导电结构50。该导电结构50开设有若干孔洞51。第一结构100的导热凸层20与第二结构200的导电结构50相互插合。导热凸层20对应嵌入导电结构50的孔洞51内。所述第一结构100的基板10可由硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌 (ZnO)等材料所制成，其用于供导热凸层20生长。所述第一结构100的每一导热凸层20包括一催化层M及形成于催化层M上的碳纳米管22。该催化层对由铁0 )、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M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)的混合气体在各催化层M区域顶面竖向生长。碳纳米管22可以顶端生长或根部生长的方式在催化层M表面生长，具体取决于生长条件的控制。各催化层M区域上生长完成的碳纳米管22之间由于催化层M的间隙(图未示)而彼此隔开，从而在基板10的顶面上形成多个相互间隔的导热凸层20。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。所述第二结构200的磊晶层40包括依次生长的一第二半导体层46、一发光层44 及一第一半导体层42。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/氮化铟镓层。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、激光剥离等方式将暂时基板剥离而成。所述第一半导体层42的底面间隔开设有若干凹陷部48。这些凹陷部48 的形成可以通过机械研磨、化学蚀刻、物理蚀刻等方式形成。所述第二结构200的导电结构50形成于第一半导体层42的除凹陷部48外的底面上。该导电结构50包括形成于第一半导体层42的除凹陷部48外的底面的第一透明导电层60及形成于第一透明导电层60底面的导通层80。在本实施例中，在第一透明导电层60与第一半导体层42之间形成一层欧姆接触层52，以减少第一透明导电层60与第一半导体层42之间的接触面的电阻，该欧姆接触层 52可以是高掺杂的P型氮化镓层、P型超晶格层或反转掺杂的高浓度N型氮化镓层等。所述第二半导体层46的顶面形成有一第二透明导电层62。第一透明导电层60与第二透明导电层62将电流尽可能均勻地分布在第一半导体层42及第二半导体层46内，使发光芯片出光均勻。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。所述导通层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。请同时参阅图2，第一结构100与第二结构200晶圆结合后，在第一结构100与第二结构200的水平方向的接合界面上形成有粘着层M。该粘着层M由透明导电材料所制成。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是以竖向进行生长，其热传导方向也为竖向，因此可有效地将热量从磊晶层40自上而下地传输至基板 10。尤其，碳纳米管22直接将第一半导体层42产生的热量传递至基板10。另外，碳纳米管22也作为导电层，用以降低第一半导体层42的电阻。
6
对于蓝光发光二极管来说，由于蓝光发光二极管是使用宽能隙氮化镓材料制作，因此第一半导体层42所用材料的掺杂较困难，所以载流子的浓度较低，相对地，第一半导体层 42所形成的电阻较高。在蓝光发光二极管使用时，第一半导体层42相对于第二半导体46所产生的热量较大，因此，本发明利用碳纳米管22将第一半导体层42产生的热量直接导出，有效降低了磊晶层40的界面温度，并可提升发光二极管的发光效率及维持发光二极管的寿命。所述碳纳米管22可以是二维排列分布于基板10上，使热能够更快速地被导出。本发明还同时提供一种制造上述半导体发光芯片的方法，主要包括如下步骤提供一具有一催化层M的导电基板10，该催化层M在基板10上形成多个间隔的区域；在各催化层M的各间隔的区域上竖向生长碳纳米管22而形成第一结构100，其中碳纳米管22之间形成有间隙；在一暂时基板上生长第二半导体层46、发光层44及第一半导体层42而形成磊晶层40，然后在第一半导体层42上生长导电结构50，该导电结构50包括第一透明导电层60 及导通层80 ；通过干蚀刻或者湿蚀刻方式将导电结构50蚀刻形成若干孔洞51，进而形成第二结构200 ；在本实施例中，蚀刻形成导电结构50后，继续蚀刻第一半导体层42而形成凹陷部48，该凹陷部48的深度小于第一半导体层42的厚度。在其他实施例中，可仅蚀刻至第一透明导电层60即终止；在第一结构100的顶部水平面上生长一层粘着材料，在第二结构200的底部水平面上也生长一层粘着材料，其中第一结构100的顶部水平面包括基板10的未生长有导热凸层20的顶面及各个导热凸层20的顶面；第二结构200的底部水平面包括导电结构50的底面及第一半导体层42的凹陷部48所对应的底面，总之，在高温加压的条件下，第一结构100 的顶部水平面与第二结构200的底部水平面相贴合而在第一结构100与第二结构200的水平方向的接合界面上形成有粘着层M ；然后通过机械研磨、化学蚀刻、物理蚀刻、激光剥离等方式将暂时基板剥离。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，在第一透明导电层60与第一半导体层42之间可形成欧姆接触层52， 在蚀刻形成导电结构50时，将欧姆接触层52 —并蚀刻。 由于上述第一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。请参阅图3，图3示出了第二实施例的半导体发光芯片。该第二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。由于结构发生变化，因此第二实施例较第一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。
权利要求
1.一种半导体发光芯片，其包括基板及与该基板连接的磊晶层，该磊晶层包括第一半导体层、发光层及第二半导体层，其特征在于所述磊晶层的第一半导体层上形成导电结构，所述基板上形成导热凸层，该导热凸层嵌入导电结构内，该导热凸层包括竖向生长的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于所述导热凸层还包括催化层，催化层在基板表面形成多个间隔的区域，碳纳米管从催化层顶面进行竖向生长。
3.如权利要求1所述的半导体发光芯片，其特征在于所述导电结构包括依次形成于所述第一半导体层上的第一透明导电层及导通层。
4.如权利要求3所述的半导体发光芯片，其特征在于所述导通层由反射材料制成。
5.如权利要求3所述的半导体发光芯片，其特征在于所述第一透明导电层与第一半导体层之间形成欧姆接触层。
6.如权利要求5所述的半导体发光芯片，其特征在于所述导热凸层通过导通层、第一透明导电层及欧姆接触层嵌入至第一半导体层内。
7.如权利要求6所述的半导体发光芯片，其特征在于所述导热凸层与第一半导体层的接触界面上形成一粘着层，所述导电结构的底面与基板顶面通过另一粘着层接合。
8.如权利要求5所述的半导体发光芯片，其特征在于所述第二半导体层上依次形成第二透明导电层及第二电极。
9.如权利要求8所述的半导体发光芯片，其特征在于所述基板的底面形成第一电极， 该基板由导电材料制成。
10.如权利要求8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。
11.一种半导体发光芯片的制造方法，包括步骤1)提供第一基板和第二基板；2)在第一基板表面上形成导热凸层，该导热凸层包括竖向生长碳纳米管；3)在第二基板上依次生长第二半导体层、发光层及第一半导体层；4)在第一半导体层上形成导电结构，导热凸层嵌入导电结构；5)去除第二基板。
12.如权利要求11所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于步骤2)中在生长碳纳米管之前包括在第一基板表面上形成催化层的步骤，催化层在基板表面形成多个间隔的区域，碳纳米管从催化层顶面进行竖向生长。
13.如权利要求11所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于步骤5)中的所述导电结构包括依次形成于所述第一半导体层上的第一透明导电层及导通层。
14.如权利要求13所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于所述导通层由反射材料制成。
15.如权利要求13所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于步骤5)中在形成第一透明导电层之前还包括在第一半导体层上形成欧姆接触层的步骤，所述导热凸层通过导通层、第一透明导电层及欧姆接触层嵌入至第一半导体层内。
16.如权利要求15所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于在步骤5)中导热凸层与导电结构嵌合时，所述导热凸层的顶面与第一半导体层的底面通过晶圆结合技术粘结，所述导通层的底面与所述第一基板的顶面通过晶圆结合技术粘结。
17.如权利要求13所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于步骤5)之后包括在第二半导体层上依次形成第二透明导电层及第二电极的步骤。
18.如权利要求17所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于步骤5)之后包括在第一基板的底面形成第一电极的步骤，该第一基板由导电材料制成。
19.如权利要求17所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于所述第一基板为绝缘基板，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。
全文摘要
一种半导体发光芯片，其包括基板及与该基板连接的磊晶层，该磊晶层包括第一半导体层、发光层及第二半导体层，所述基板上形成导热凸层，所述磊晶层的第一半导体层上形成导电结构，该导热凸层嵌入导电结构内，该导热凸层包括竖向生长的碳纳米管。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。
文档编号H01L33/40GK102544291SQ20101061812
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者曾坚信 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司