CN100573947C

CN100573947C - 半导体发光元件及其制造方法

Info

Publication number: CN100573947C
Application number: CNB2007101970236A
Authority: CN
Inventors: 谢明勋; 蔡嘉芬
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: CN101174668A

Abstract

本发明揭露一种半导体发光元件及其制造方法，此半导体发光元件具有一不透光基板、形成于此不透光基板上的一结合结构、形成于此结合结构上的一半导体发光叠层、以及形成于此半导体发光叠层上的一荧光材料结构，且此半导体发光叠层是分离自一原始成长基板。本发明的半导体发光元件的制造方法包括有分离一半导体发光叠层自一原始成长基板、结合半导体发光叠层至一不透光基板上、及形成一荧光材料结构于半导体发光叠层上方。

Description

半导体发光元件及其制造方法

本申请是申请日为2004年9月10日且发明名称为“半导体发光元件及其制造方法”的中国专利申请No.200410077053.X的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种半导体发光元件，特别是涉及一种具有荧光材料结构的半导体发光元件。

背景技术

半导体发光元件，诸如：发光二极管(Light Emitting Diode)、有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode)以及激光二极管(Laser Diode)等，具有体积小、发光效率佳、寿命长、反应速度快、可靠性高及单色性佳等优点，已广泛应用于各类电子装置、汽车工业、广告看板及交通显示号志上，其中，发光二极管(LED；Light Emitting Diode)更由于近年来全彩技术的突破，而有逐渐取代传统照明光源的趋势。

传统上，为了形成白光多使用蓝光发光二极管晶粒及荧光材料(如：荧光粉体等)的组合，藉由蓝光激发荧光材料以产生黄光或绿光及红光，再由蓝光、黄光或绿光及红光混合以形成白光。现今的白光发光二极管一般使用蓝宝石(sapphire；Al₂O₃)、SiC或其它透明基板作为基板，由于光线会从透明基板向外射出，为了使所有光线均可以经由荧光材料(如荧光粉体)的转换而形成所需要的色彩，荧光材料必须在发光二极管晶片(Wafer)切割(Dicing)为晶粒(Chip)后，再于封装(Package)工艺时覆盖于整个发光二极管晶粒上，以避免未经荧光材料转换的光线经由透明基板射出而影响整体发光二极管所发出光线的色彩。

此外，当基板为透明时，荧光材料除需要覆盖于透明基板或发光二极管晶粒的上方外尚需要覆盖于透明基板或发光二极管晶粒的四周，然而要使得荧光材料均匀地覆盖于透明基板或发光二极管晶粒的四周并不容易，往往造成透明基板或发光二极管晶粒上方及四周的荧光材料的厚度分布不均，当发光二极管所产生的光线通过厚度不均的荧光材料时，厚度较厚处会吸收较多的光线，厚度较薄处则会吸收较少的光线，且经由不同厚度的荧光材料所转换的光线色彩亦将不同，因此造成发光二极管所产生的光线于不同方向上有不同的色彩。如美国专利第6,642,652号所揭示者为一种具有荧光材料结构的倒装芯片式(Flip-Chip)半导体发光元件，为使得荧光材料可以均匀地覆盖于半导体发光元件的上方及四周，而使用复杂的制造方法，如：电泳法(electrophoresis)等，然而藉由复杂的制造方法往往造成制造成本的增加以及成品率下降，并不能有效且简单地解决荧光材料厚度不均的问题。

检视以上的问题点，本发明提出一种半导体发光元件及其制造方法，可以于晶粒封装前即可以于晶片上形成荧光材料层，且可以避免光线自透明基板射出以及因荧光材料覆盖不均所造成的色彩差异。

发明内容

本发明的半导体发光元件至少包括：一半导体发光叠层；一萤光材料结构，位于该半导体发光叠层的一侧；一基板，位于该半导体发光叠层的另一侧，且相异于该半导体发光叠层的一原始成长基板；一结合结构，位于该半导体发光叠层及该基板之间；及一电接点，位于该萤光材料结构的一空缺中，并与该半导体发光叠层电接触，且具有相互平行的上表面和下表面。

本发明的半导体发光元件的制造方法包括：形成一半导体发光叠层于一基板上，其中，该基板相异于该半导体发光叠层的一原始成长基板；形成一荧光材料结构于该半导体发光叠层上方；及形成一电接点位于该萤光材料结构的一空缺中，并与该半导体发光叠层电接触，且具有相互平行的上表面和下表面。

优选地，该半导体发光元件还包括位于该半导体发光叠层的另一侧的欧姆接触层。该半导体发光元件还包括位于该半导体发光叠层的另一侧的反射层。该半导体发光元件还包括位于该半导体发光叠层的另一侧的金属结构。该结合结构是透明的。该结合结构中至少包含金属。该结合结构是由该基板与半导体发光叠层直接键结形成。

附图说明

图1a～1c为显示一本发明的优选实施例的半导体发光元件的结构示意图；及

图2a及2b为显示一本发明另一优选实施例的半导体发装置的结构示意图。

简单符号说明

10～半导体发光元件；11～不透光基板；12～结合结构；1201～第一中介层；1202～粘结层；1203～第二中介层；13～半导体发光叠层；1301～电接点；1302～沟槽；14～荧光材料结构；1401～荧光材料；15～保护结构；1501～光学层；1502～光学层；及16～反射层。

具体实施方式

为使贵审查委员更了解本发明的特点，以下列举数个优选实施例，配合图式，详述如下：

第一实施例

图1a～1c为显示本发明一优选实施例中半导体发光元件的结构示意图。本发明所揭示的半导体发光元件10包括有：不透光基板11、结合结构12、半导体发光叠层13以及荧光材料结构14。其中半导体发光叠层13可以产生原始光线，且因为原始光线不会穿透不透光基板11而使得半导体发光元件10的出光区大都集中于不透光基板11的相反侧，亦即半导体发光元件10形成有荧光材料结构14之侧。当原始光线射入荧光材料结构14时，荧光材料结构14中的荧光材料1401将吸收原始光线并产生转换后光线，优选地，原始光线与转换后光线混合后可以产生白光。此外，本发明的半导体发光叠层13可以为垂直结构(电接点位于相异侧)亦可以为水平结构(电接点位于同一侧)。

不透光基板11的材料可以为半导体基板、金属基板、上述材料的组合或其它不透光材料，优选地，不透光基板11的材料可以为Si、GaN/Si、GaAs或其组合，此外，如图1b所示，不透光基板11可以为一晶片(Wafer)，而晶片11上可以形成沟槽1302以分隔出二个以上的半导体发光叠层13，优选地，半导体发光叠层13可以于荧光材料结构14形成后再进行晶粒切割(chipdicing)的步骤。

如第1c图所示，不透光基板11亦可以为包括有透明基板1101及反射层16。利用反射层16反射射向透明基板1101的光线使得原始光线或/及转换后光线皆能朝向荧光材料14的方向前进，并且避免原始光线或/及转换后光线由透明基板1101处射出。其中，透明基板1101的材料可以为GaP、SiC、ZnO、GaAsP、AlGaAs、Al₂O₃、玻璃、上述材料的组合或其它可替代材料。

结合结构12用以结合不透光基板11与半导体发光叠层13。结合结构12可以为金属，使金属于一适当温度下与不透光基板11与半导体发光叠层13产生键结，且可以利用金属的物理性质形成一镜面以反射射向不透光基板的光线，或于不透光基板11与半导体发光叠层13间形成一欧姆接触层而使得不透光基板11与半导体发光叠层13间电连接。

此外，结合结构12亦可以由不透光基板11与半导体发光叠层13直接键结而形成，利用一较高温度，如1000℃并施加适当的压力使不透光基板11及半导体发光叠层13的接触面产生键结而结合。

优选地，结合结构12以胶合方式结合不透光基板11及半导体发光叠层13，此方法可以于较低温度下进行而降低了半导体发光叠层13于高温下受损的机率，并可以达到适当的粘结效果。结合结构12的材料可以为聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烯(PFCB)或其它的有机粘结材料。此外，结合结构12的材料可以为透明，如上所述的苯并环丁烯(BCB)即为一例，当结合结构12为透明时，可以与下述的反射层相配合将多数半导体发光元件10的出射光皆导引至相同的方向。

当不透光基板11与半导体发光叠层13可以形成电连接时，半导体发光叠层13便可以于垂直方向形成一电通路而成为一垂直结构型式的半导体发光元件10，此时，半导体发光元件10的一个电接点1301可以设置于垂直方向上，而不透光基板11本身亦成为另一个电接点，或于不透光基板11上另形成一个电接点。

荧光材料结构14中可以包括有一种或多种荧光材料1401，且荧光材料1401可以吸收来自半导体发光叠层13所产生的原始光线并产生转换后光线，此转换后光线泛指不同于原始光线者，而非仅指定一种光线，亦可以配合二种以上的荧光材料1401而产生多种的转换后光线，并且，于本发明中荧光材料结构14形成于半导体发光元件10上并大体上符合半导体发光叠层13的形状，因此，可以简化后续的封装工艺。其中，荧光材料1401可以利用胶合剂(Binder；未显示)而固定于半导体发光叠层13之上，此胶合剂可以与荧光材料1401预先混合后再形成于半导体发光叠层13之上，或可以将胶合剂先形成于半导体发光叠层13之上，再利用此胶合剂将荧光材料1401固定于半导体发光叠层13之上，再者亦可以于半导体发光叠层13上先形成其它种结构(未显示)用以承载、充填或固定荧光材料1401。

此外，优选地，荧光材料结构14可以仅包括荧光材料1401，或为一种非胶结荧光材料结构(non-glued fluorescent material structure)，所谓非胶结荧光材料结构指非经由胶合剂或其它环氧树脂及其它具有胶结功能的材料而聚合成块状的荧光材料，因此荧光材料1401可以直接聚合成块而覆盖于半导体发光叠层13上。将荧光材料1401直接聚合的方法可以使用如沉积法(Sedimentation)、或其它的薄膜沉积法等，并经由适当的聚合程序(如：加压、加热等)加强荧光材料1401间的聚合力，使荧光材料1401紧密地接合成块而覆盖于半导体发光叠层13上。由于荧光材料结构13藉由荧光材料1401直接地聚合成块，因此，可以避免胶合剂或环氧树脂等胶合材料不当地吸光而提供更佳的光转换效率及色彩表现。

如上所例示的荧光材料结构14虽形成于半导体发光叠层13上，然而其并不需要与半导体发光叠层13直接接触，亦可以于半导体发光叠层13上形成其它结构(如保护层、光学层等)后再形成荧光材料结构14。此外，荧光材料1401可以为一种粉体，优选地可以为一种硫化物粉体，为获得优选的光转换效率此粉体的直径可以介于约0.1～100μm之间。

第二实施例

图2a～2b显示本发明另一优选实施例中半导体发光装置的结构示意图，与第一实施例相同的元件将使用相同的标号且不再赘述，合先陈明。

如上例所述结合结构12用以结合不透明基板11与半导体发光叠层13，本实施例中结合结构12还可以包括有：第一中介层1201、粘结层1202及第二中介层1203。第一中介层1201及第二中介层1203可以分别形成于不透光基板11及半导体发光叠层13之上，再于第一中介层1201及第二中介层1203间形成粘结层1202以粘结第一中介层1201及第二中介层1203，利用第一中介层1201及第二中介层1203可以增加粘结层1202与不透光基板11及半导体发光叠层13间的结合力。

结合结构12中的粘结层1202的材料可以为聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烯(PFCB)或其它的有机粘结材料。第一中介层1201与第二中介层1203的材料可以为SiN_x、Ti、Cr或其它可以增加粘结层1202与不透光基板11及/或半导体发光叠层13间的结合力的材料。

仍参照图2a及2b所示，本发明的半导体发光元件10还可以具有保护结构15，其设置于荧光材料结构14之上，可以用来保护荧光材料结构14或其下的其它结构。保护结构15的材料可以为Su8、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂(Epoxy)、丙烯酸树脂(Acrylic Resin)、环烯烃聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸二乙酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、硅胶(Silicone)、玻璃、上述材料的组合及其它可以透光的材料。

保护结构15内还可以包括有多个光学层1501、1502，此多个光学层1501、1502更具有不等的厚度，优选地，多个光学层1501、1502的厚度分别随远离半导体发光叠层13的距离而增加，亦即外层厚度大于内层厚度，即光学层1502的厚度大于光学层1501，藉由此渐增的厚度分布而使得因半导体发光元件12动作时产生的高温于保护结构15上所引起的热应力(Thermal Stress)可以获得纾解，而避免保护结构15因热应力产生龟裂。此外，此多个光学层1501、1502中可以为散光层(diffuser)、聚光层或其它可以调整半导体发光元件10出光性质的结构。

此外，半导体发光元件10还可以设置反射层16以反射射向不透光基板11的光线，使得多数光线均朝向荧光材料结构14的方向前进。反射层16可以设置于结合结构12及不透光基板11之间，此时结合结构12为透明，如图2a所示。或者反射层16可以设置于结合结构12及半导体发光叠层13之间，如图2b所示。亦或者反射层16可以设置于半导体发光叠层13中(未显示)，如布拉格反射层(Bragg Reflector)等。

其中，反射层16的材料可以为金属、氧化物、其组合或其它可以反射光线的材料。优选地，反射层16的材料可以为In、Sn、Al、Au、Pt、Zn、Ag、Ti、Pb、Ge、Cu、Ni、AuBe、AuGe、AuZn、PbSn、SiN_x、SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO或上述材料的组合。

本发明中的半导体发光叠层13中还可以包括有一透明导电层(未显示)以提高电流分散的效果，或与其它叠层形成优选的欧姆接触。此透明导电层的材料可以为氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡、氧化锌、氧化锌锡、Ni/Au、NiO/Au、TiWN、透光金属层、上述材料的组合或其它可代替材料。

第三实施例

参照图1a～1c及2a～2b，本发明的半导体发光元件10的制造方法可以包括有：分离半导体发光叠层13自一原始成长基板(未显示)；结合半导体发光叠层13至不透光基板11上；及形成荧光材料结构14于半导体发光叠层13上方。其中结合步骤可以将半导体发光叠层13与不透光基板11于一适当温度及压力下直接结合；或者可以于半导体发光叠层13及不透光基板11间形成结合结构12，结合结构12可以为一粘结层(未显示)以胶合半导体发光叠层13及不透光基板11；或者结合结构12可以为金属(未显示)，于一适当温度及压力下使此金属与半导体发光叠层13及不透光基板11产生键结，并且亦可以于金属上形成一镜面(未显示)以反射光线使其朝向荧光材料结构14的方向。

优选地，结合步骤包括有：形成第一中介层1201于不透光基板11上；形成第二中介层1203于半导体叠层13上；及藉由粘结层1202以胶合不透明载体11及半导体发光叠层13，并使粘结层1202位于第一中介层1201及第二中介层1203之间，利用第一中介层1201及第二中介层1203可以加强粘结层1202与不透明载体11及半导体发光叠层13间的结合力。

本发明方法中荧光材料结构14优选地可以藉由直接沉积(Sedimentation)荧光材料1401而形成于半导体发光叠层13上方，或者荧光材料结构14可以藉由将荧光材料1401与一胶合剂(Binder；未显示)混合后再形成于半导体发光叠层13上方。

优选地，本发明的方法还可以设置保护结构15于荧光材料结构14上方，且保护结构15可以包括有多层结构1501及1502，藉由保护结构15可以保护其下的其它结构或纾解高温所造成的热应力。

再者，亦可以形成反射层16于不透光基板11及结合结构12之间，或形成反射层16于结合结构12及半导体发光叠层13之间，亦可以将反射层16，如：布拉格反射层等，直接形成于半导体发光叠层12中以反射光线使其朝向荧光材料结构14的方向

此外，本发明的方法可以于晶片或晶粒上形成荧光材料结构14，若荧光材料结构14是形成于晶片上，可以于半导体发光叠层13上先形成沟槽1302，再于半导体发光叠层13上形成荧光材料结构14，此外于荧光材料结构14或保护结构15完成后进行晶片切割以形成半导体发光元件10的晶粒。

虽然本发明已以具体的实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims

1、一种半导体发光元件，至少包括：

一半导体发光叠层；

一萤光材料结构，位于该半导体发光叠层的一侧；

一基板，位于该半导体发光叠层的另一侧，且相异于该半导体发光叠层的一原始成长基板；

一结合结构，位于该半导体发光叠层及该基板之间；及

一电接点，位于该萤光材料结构的一空缺中，并与该半导体发光叠层电接触，且具有相互平行的上表面和下表面。

2、如权利要求1所述的半导体发光元件，还包括：

一欧姆接触层，位于该半导体发光叠层的另一侧。

3、如权利要求1所述的半导体发光元件，还包括：

一反射层，位于该半导体发光叠层的另一侧。

4、如权利要求1所述的半导体发光元件，还包括：

一金属结构，位于该半导体发光叠层的另一侧。

5、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该结合结构是透明的。

6、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该结合结构中至少包含金属。

7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该结合结构是由该基板与半导体发光叠层直接键结形成。

8.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该结合结构包括选自聚酰亚胺、苯并环丁烯、过氟环丁烯的有机粘结材料。

9、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该荧光材料结构符合该半导体发光叠层的形状。

10、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该萤光材料结构覆盖该半导体发光叠层的一个表面的一部分。

11、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该萤光材料结构包括一种或多种荧光材料。

12、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该萤光材料结构与该结合结构互相接触。

13、如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，该原始成长基板包括蓝宝石或SiC。

14、一种半导体发光元件的制造方法，包括：

形成一半导体发光叠层于一基板上，其中，该基板相异于该半导体发光叠层的一原始成长基板；

形成一荧光材料结构于该半导体发光叠层上方；及

形成一电接点位于该萤光材料结构的一空缺中，并与该半导体发光叠层电接触，且具有相互平行的上表面和下表面。