[发明专利]具高导热能力的钻石薄膜导电层结构及其制造方法

说明书

本发明主要公开一种具高导热能力的钻石薄膜导电层结构，包括半导体磊晶层、形成于半导体磊晶层之上的多个凹型槽孔、以及覆于半导体磊晶层的表面上的散热导电层。在令多个凹型槽孔于半导体磊晶层的表面上具有大于或等于1×105个/cm‑2的槽孔分布密度的情况下，能在半导体磊晶层的表面上成长钻石薄膜以作为散热导电层，且散热导电层包含填入多个凹型槽孔之中的多个槽孔填入部以及覆于半导体磊晶层的表面上的表面覆层。由于散热导电层具有大于或等于200Ω‑1cm‑1的导电率、大于或等于85％的光穿透率、和至少16.6W/m·K的热传导率，因此本发明的具高导热能力的钻石薄膜导电层结构能够取代公知的氮化物发光二极体之中的氧化锌铝、氧化锌镓铟或氧化铟锡等透明导电层。

技术领域

本发明是涉及半导体元件的技术领域，尤指用以协助氮化物发光二极体及/或高电子迁移率电晶体有效能地散热的一种具高导热能力的钻石薄膜导电层结构。

背景技术

发光二极体(Light-Emitting Diode,LED)为目前广泛应用的发光元件，由于其具有体积小、使用寿命长等优点，因而被广泛地应用于灯具及/或显示器之中。一般发光二极体的晶粒对角线长度介于200微米至300微米之间。在晶粒尺寸微缩化之后，晶粒对角线长度介于100微米至60微米之间的发光二极体被称为次毫米发光二极体(Mini LED)，而晶粒的对角线长度小于50微米的发光二极体则被称作微发光二极体(Micro LED,μLED)。

随着晶粒尺寸不断微缩，为维持发光二极体的整体亮度，必然需要令发光二极体在高电流下操作；然而，晶粒面积的缩小加上高电流操作，使得发光二极体的电流密度相对提高，产生的废热也之增加。更进一步地说明，一个高密度(Full High Density,FHD)的LED显示器具有1920行×1080列大约200万个画素，其中每一个画素皆包含为红、绿、蓝三个次素画(Sub pixel)，故此，一个FHD的LED显示器共包含约600万个发光二极体晶粒(Die)。应可理解，对于LED显示器而言，无法顺利自发光二极体的元件结构层有效排除的废热会导致发光二极体发生色温偏移现象，从而严重地影响LED显示器的显示色彩。

熟悉氮化物发光二极体的设计与制造的元件工程师必然知道，氮化物发光二极体的基础结构包括：蓝宝石基板、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多重量子井结构、P型氮化镓层、形成于所述P型氮化镓层之上的一透明导电层、形成于所述N型氮化镓层的一第一电极层、以及形成于所述透明导电层之上的一第二电极层。目前，氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)为所述透明导电层的主要制造材料，其热传导率约10W/(m·K)，而氮化镓材料的热传导率则为130W/(m·K)。因此，透明导电层与蓝宝石基板为氮化物发光二极体的两个主要高热阻区块。基于前述理由，如何在氮化物发光二极体的透明导电层及/或蓝宝石基板导入或使用高热传导率材料，于是成为本领域技术人员的主要课题。

值得说明的是，钻石薄膜已被发现具有高能隙、高热传导率、高硬度、高化学稳定性等优异性质。在由美国材料研究协会主办的2019Materials Research Society SpringMeeting(MRS)的研讨会中，日本富士电子发表了使用钻石薄膜提升5G产业使用的以GaN为主要制造材料的高电子迁移率电晶体(High Electron Mobility Transistor,HEMT)的散热效率。图1A与图1B显示公知的包含钻石薄膜的HEMT元件的侧剖视图。如图1A所示，日本富士电子发表内容指出，将钻石薄膜11’覆于HEMT元件1’的表面后，可以将HEMT元件1’的散热能力提升40％。如图1B所示，进一步地同时在HEMT元件1’的表面和底面皆覆上钻石薄膜11’，则可以将HEMT元件1’的散热能力提升77％。