CN100461470C - 半导体发光元件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体发光元件及其制作方法，本发明是在该第一电极与部分的反射层区域外镀上一阻隔壁，再以电镀方式在前述非阻隔壁的区域上形成一金属柱，利用一准分子激光均匀照射在蓝宝石基底上，促使其脱离该半导体缓冲层，以及以腐蚀法腐蚀该第一导电性外延层的表面，使其表面形成一粗糙面；通过该导热良好的金属柱使得封装后的半导体发光元件的导电电极具有良好的散热性，需大电流的高功率蓝色及绿色发光二极管将可使元件本身具有良好的散热性，同时，表面形成粗糙表面的第一导电性外延层的光的取出效率将会因全反射机率的降低而增加，从而使得半导体发光元件的亮度增加。

Description

半导体发光元件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件及其制作方法，特别涉及一种使元件本身具有良好的散热性及可增进亮度的制作方法与结构。
背景技术
氮化铟镓(InGaN)系列材料，在紫外光波段与蓝绿光波段具有直接能隙(direct bandgap，Eg)，因此可以作为高效率的白光与可见光源。目前已商品化的产品有蓝、绿、紫外光与白光发光二极管，以及蓝紫光波段的激光二极管。但是，如何增进发光二极管元件的亮度，一直是此研发领域中一个极为重要的课题，原则上元件的亮度并不会随着电流的增加而无限增大，而是受限于元件饱和电流的因素。
在影响亮度的诸多因素中，元件的尺寸与元件的散热性起着着关键的作用。若元件本身具有良好的散热性，不但使用寿命会增加，还可将其应用领域延伸至高电流需求的产品中。
中国台湾专利公报公告号第567618号的“具有黏结反射层的发光二极管及其制法”中披露了一种具有黏结反射层的发光二极管及其制法。通过一透明黏结层将一发光二极管及一金属反射层黏结在一起，可用来提高发光二极管的亮度。
另外，本申请人的中国台湾专利公报公告号第472400号的“将半导体元件表面粗化以提升外部量子效率的方法”中披露了一种表面经控制生长温度而粗化的化合物的半导体发光元件。对氮化铝铟镓系列的发光元件而言，此发明得到的效果相对于对照组，可提升亮度40％以上。
又美国专利申请号第2001/0042866号的“INXALYGAZNOPTICAL EMITTERS FABRICATED VIA SUBSTRATEREMOVAL”中披露了一种利用金属结合的方式来形成高亮度的发光二极管，其利用一金属反射层来反射活性层所产生的光，从而避免了基板吸光的问题；且利用金属黏结层将发光二极管外延层粘着到一散热性良好的基板上，如，硅(Si)及金属基板上，而大幅改善发光二极管的散热特性，但该方法，如需较高的生产合格率，则必须使得要结合的发光二极管外延芯片及散热良好的基板两者的表面都非常平整，但通常发光二极管外延芯片表面会有突出物或颗粒，且外延芯片通常是弯曲的，因而使得芯片的结合较困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种具有良好的散热性的半导体发光元件及其制法，由于元件本身具有良好的散热性，将更适合应用在高电流需求的发光二极管中。
本发明要解决的另一技术问题在于提供一种具有增进亮度的半导体发光元件，尤其针对以蓝宝石为基底的半导体发光元件。
为达到上述目的，对使用蓝宝石基底的氮化铟镓系列材料高功率蓝色及绿色发光二极管，且形成后的元件晶粒，为一从正面射出的倒装晶片(flip-chip)形式的发光元件而言。针对蓝宝石基底的发光元件，在其上成长具P/N接面的发光二极管外延层，包括至少一第一导电性外延层，一发光的活性层，一第二导电性外延层，一欧姆接触层，其制程为先形成一半导体缓冲层，再形成前述必要的堆栈结构，及一反射层，和一第一电极，位于前述堆栈结构的第一导电性外延层暴露出的部分，本发明的特征在于该第一电极与部分的反射层区域外，镀上一厚度为50至100μm作为阻隔用的阻隔壁，再以电镀方式在前述非阻隔壁的区域上形成一不低于该阻隔壁厚度的金属柱，最后利用一准分子激光均匀照射在蓝宝石基底上，促使蓝宝石基底脱离该半导体缓冲层；更进一步以腐蚀法腐蚀该第一导电性外延层表面，促使该第一导电性外延层表面形成粗糙的表面形式。
这样完成一结构由上而下依序为一表面为粗糙面的第一导电性外延层、一发光的活性层、一第二导电外延层、一欧姆接触层、一反射层，及一第一电极，该第一电极位于前述堆栈结构的第一导电性外延层暴露出的部分，一阻隔壁位于该第一电极与部分的反射层区域外下方，一金属柱形成于前述非阻隔壁的区域。
通过该电镀方式形成的导热良好的金属柱可使得封装后的半导体发光元件的导电电极具有良好的散热性，对于需大电流的高功率蓝色及绿色发光二极管将使元件本身具有良好的散热性，将更适合应用在高电流需求的发光二极管中；同时，该表面形成粗糙表面的第一导电性外延层，光的取出效率将因为全反射机率的降低而增加，促使半导体发光元件的亮度增加。
附图说明
图1是本发明实施前的半导体发光元件的结构示意图。
图2是本发明方法的实施过程中的半导体发光元件的结构示意图。
图3是本发明的方法制作的半导体发光元件的示意图。
具体实施方式
有关本发明的详细内容及技术说明，现结合附图说明如下：
首先本发明的方法建立在基材上的各层物质，可以通过本领域所熟知的方法执行，例如，有机气相分子沉积(MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)制程、氢化物气相外延(hydridevapor phase epitaxy，HVPE)制程。
请先参阅图1所示，是本发明实施前半导体发光元件的结构示意图。如图所示，本发明是针对使用蓝宝石基底10的氮化铟镓系列材料高功率蓝色及绿色发光二极管，且形成后的元件晶粒，为一从正面射出的倒装晶片形式的发光元件而言，其制作方法步骤及该方法制作的半导体发光元件如下：
先在该蓝宝石基底10上形成一半导体缓冲层20，其中半导体缓冲层20是一III-V(三/五)族化合物半导体，如：氮化镓(GaN)，一第一导电性外延层30覆盖在该半导体缓冲层20上，在该第一导电性外延层30上形成一发光的活性层40，在该活性层40上形成一第二导电性外延层50。其中，该第一导电性外延层30、第二导电性外延层50为任何现有技术中的或将来可能出现的半导体材料，优选为III-V(三/五)族化合物半导体，例如氮化铝镓铟(AlxGayIn1-x-yN)，其中(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1)，并视情况进一步被P/N型掺质所掺杂，此等材料的种类与性质，为本领域的技术人员所熟知。而该活性层40也为现有技术中的或将来可能出现的半导体材料与结构，例如氮化铝镓铟(AlGaInN)、磷化铝镓铟(AlGaInP)，结构为单量子井(Single Quantum Well，SQW)、多量子井(Multiple Quantum Well，MQW)、与双异质(DoubleHeterosture，DH)。
利用微影蚀刻方法移除部分第二导电性外延层50及活性层40，并暴露出部分的第一导电性外延层30后，在该第一导电性外延层30暴露出的部分上形成一第一电极31。再在该第二导电性外延层50上镀一层欧姆接触层60，其材质可为金属，如Ni/Au或氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化锌(ZnO)等材料。再在该欧姆接触层60上镀上一反射层70，该反射层70是一反射率大于80％以上的铝、银、金等材质，用以反射该活性层40所产生的光。这样即完成如图1所示的结构。
请再参阅图2所示，为本发明的方法的实施过程中半导体发光元件的结构示意图，本发明是在如前述图1的结构的后续制程中，镀上一厚度为50至100μm作为阻隔用的阻隔壁80，其中该阻隔壁80的材料是聚酰亚胺(polyimide)、苯环丁烯(bisbenzocyclobutene，BCB)以及抗光蚀剂(photoresist)的其中之一。利用微影蚀刻方法移除位于该第一电极31与部分反射层70的区域外的阻隔壁80，再以电镀方式在该区域上形成一金属柱90，作为半导体发光元件的电极，且厚度不低于该阻隔壁80的厚度，其中该金属柱90的材质是可为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、铜(Cu)、锡(Sn)的其中之一。
这样，通过电镀方式形成导热良好的金属柱90，使得封装后的半导体发光元件的导电电极具有良好的散热性，对于需大电流的高功率蓝色及绿色发光二极管将可使元件本身具有良好的散热性；同时该金属柱90对一从正面射出的倒装晶片形式的发光元件而言，可提供强力支撑的功能。
最后其半导体发光元件的制作方法进一步包括利用一准分子激光(优选为一能量密度400mJ/cm2、波长248nm、脉冲宽度38ns的KrF准分子激光)均匀照射在蓝宝石基底10上，并置于升温至60℃的加热板，以促使蓝宝石基底10脱离该半导体缓冲层20的激光分离法。
完成该蓝宝石基底10分离的步骤后，请再参阅图3所示，是本发明的方法制作的半导体发光元件的示意图，本发明更进一步利用如氢氧化钾(KOH)的溶液，以腐蚀法腐蚀该第一导电性外延层30的表面，促使该第一导电性外延层30的表面形成粗糙表面。藉此粗糙表面将使活性层40的光的取出效率因为全反射机率的降低而增加，使得发光元件的光取出效率增加，其详细理论与功效可见本申请人的中国台湾专利公报公告号第472400号的“将半导体元件表面粗化以提升外部量子效率的方法”。对氮化铝铟镓系列的发光元件而言，本发明得到的效果相对于对照组，可使亮度提升40％以上。
本发明需特别注意的地方是，当后续封装制程温度大于400℃时，该阻隔壁80就必需移除，以避免在后续封装制程中该阻隔壁80的熔化、以及造成的产品不合格。
综前所述，本发明的方法制作的半导体发光元件是一种针对蓝宝石基底10的发光元件，且形成后的元件晶粒，为一从正面射出的倒装晶片形式的发光元件，其结构由上而下依序包括至少一第一导电性外延层30、一活性层40、一第二导电性外延层50、一欧姆接触层60、一反射层70，及一第一电极31，该第一电极位于前述堆栈结构的第一导电性外延层30暴露出的部分，本发明的特征在于：
一阻隔壁80位于该第一电极31与部分的反射层70区域外下方，一不小于该阻隔壁80厚度的金属柱90形成于前述非阻隔壁80的区域，且该第一导电性外延层30的表面被腐蚀成为一粗糙表面。
其中，该阻隔壁80的厚度为50至100μm，材料为聚酰亚胺、苯环丁烯、以及抗光蚀剂的其中之一。而该金属柱90材质是铝、银、金的其中之一。
然而，当后续封装制程温度大于400℃时，该阻隔壁80就必需移除，以避免在后续封装制程中该阻隔壁80的熔化，以及造成的产品不合格。
这样，通过该电镀方式形成的导热良好的金属柱90将使得封装后的半导体发光元件的导电电极具有良好的散热性，对于需大电流的高功率蓝色及绿色发光二极管将可使元件本身具有良好的散热性，将更适合应用在高电流需求的发光二极管中；另外，该金属柱90对一从正面射出的倒装晶片形式的发光元件而言，可提供强力支撑的功能。同时，该表面形成粗糙表面的第一导电性外延层30可促使活性层40的光取出效率因全反射机率的降低而增加，从而使得半导体发光元件的亮度增加。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则的内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种半导体发光元件的制作方法，是针对蓝宝石基底(10)的发光元件，在其上生长具有P/N接面的发光二极管外延层，包括至少一第一导电性外延层(30)、一发光的活性层(40)、一第二导电性外延层(50)、一欧姆接触层(60)，其制程为先形成一半导体缓冲层(20)，再形成前述发光二极管外延层，及一反射层(70)，和一第一电极(31)，位于前述发光二极管外延层的所述第一导电性外延层(30)暴露出的部分；
其特征在于，后续制程的方法为：
在所述第一电极(31)与部分的反射层(70)区域外，形成一阻隔壁(80)层；以及
以电镀方式在前述非阻隔壁(80)的区域上形成一不低于所述阻隔壁(80)厚度的金属柱(90)，作为整个半导体发光元件的具有良好的散热性、及支撑功能的电极；
进一步利用一准分子激光均匀照射在所述蓝宝石基底(10)上，促使所述蓝宝石基底(10)脱离所述半导体缓冲层(20)；
再进一步利用溶液腐蚀所述第一导电性外延层(30)的表面形成一粗糙面，使得所述第一导电性外延层(30)的光的全反射机率降低，从而增加半导体发光元件的光的取出效率。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述阻隔壁(80)的厚度为50至100μm。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述阻隔壁(80)材料是聚酰亚胺、苯环丁烯、以及抗光蚀剂的其中之一。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金属柱(90)材质是铝、银、金、镍、铜、锡的其中之一。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，当所述后续封装制程的温度大于400℃时，所述阻隔壁(80)需移除，以避免在所述后续封装制程中所述阻隔壁(80)的熔化、以及造成的产品不合格。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述准分子激光优选是一能量密度400mJ/cm2、波长248nm、脉冲宽度38ns的KrF准分子激光。
7.一种半导体发光元件，为一从正面射出的倒装晶片形式的发光元件，其结构由上而下依序包括至少一第一导电性外延层(30)、一发光的活性层(40)、一第二导电性外延层(50)、一欧姆接触层(60)、一反射层(70)、及一第一电极(31)，所述第一电极位于所述第一导电性外延层(30)暴露出的部分；
其特征在于：
一阻隔壁(80)层位于所述第一电极(31)与部分反射层(70)区域以外的下方；
一不小于所述阻隔壁(80)厚度的金属柱(90)形成于前述非阻隔壁(80)的区域，所述金属柱(90)的相对两侧均存在有所述阻隔壁(80)，用以支撑所述金属柱(90)；且
所述第一导电性外延层(30)的表面被腐蚀成为一粗糙表面。
8.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述阻隔壁(80)的厚度为50至100μm。
9.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述阻隔壁(80)材料是聚酰亚胺、苯环丁烯、以及抗光蚀剂的其中之一。
10.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，当后续封装制程温度大于400℃时，所述阻隔壁(80)需移除，以避免在所述后续封装制程中所述阻隔壁(80)的熔化、以及造成的产品不合格。
11.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述金属柱(90)材质是铝、银、金、镍、铜、锡的其中之一。
12.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体发光元件不包含一基底。
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