无基板的发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法,且特别涉及一种具有较佳的正面出光效率的可挠性发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light emitting diode,LED)是一种已被广泛应用于发光装置的半导体元件。发光二极管芯片通常是由III-V族化合物的半导体所组成,例如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN);其发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,通过电子与空穴的结合,将能量转换成光的形式释放出,而达到发光的效果。由于发光二极管具有反应速度快(一般约为10-9秒之间)、单色性佳、体积小、低耗电量、低污染(无汞含量)、可靠度高以及工艺上适于批量生产等优点,因此,其应用范围非常地广泛,例如:交通灯号、大体积的显示面板以及许多便携式电子装置的显示界面等等。
基本上,发光二极管是由P型与N型的III-V族化合物以及夹置于二者间的发光层(light emitting layer)所组成,且发光二极管是通过磊晶(epitaxy)的方式制造而成。而发光二极管元件的发光效率高低主要取决于发光层的内部量子效率(Internal quantum efficiency)以及元件的光取出效率(light extraction efficiency),即外部量子效率(Externalquantum efficiency)。
目前发光二极管在应用于可挠性显示器(Flexible Display)时遭遇到下列问题:(1)发光二极管晶粒是属于硬脆性材料,因此,不具可挠性。(2)当发光二极管应用于背光模块时,是将发光二极管灯泡与大面积的基板接合,然而,在长时间的使用下将会造成发光二极管散热不良的情形,进而缩短发光二极管元件的使用寿命。(3)由于发光二极管本身所使用的基板(如GaAs基板)具有吸光性,因此,会降低发光二极管的出光效率。(4)利用现有工艺所制造出的发光二极管的厚度较厚,因此,会影响到应用此发光二极管的显示器无法朝向薄型化的方向发展。
为解决发光二极管所遭遇到的散热不良及发光效率差的问题,便有人提出各种不同的发光二极管结构及其制造方法,以克服上述问题。
在美国专利公开第2003/0085851号专利案中,披露一种发光二极管及其制造方法。请参照图1所示,此发光二极管10的制造方式,是先于磊晶层13的底面形成绝缘的镜面反射层14,并于硅基板11对应于磊晶层13的顶面形成金属粘合层12;其中,磊晶层13包含N型界面13A以及P型界面13B。接下来,利用热压的方式将磊晶层13通过镜面反射层14及金属粘合层12粘着于硅基板11的顶面,并移除磊晶用的暂时基板(图中未示)。之后,再利用镀膜及蚀刻工艺于N型界面13A与P型界面13B上分别形成N型欧姆接触电极15与P型欧姆接触电极16,如此,便完成发光二极管10的制造。
图1中所示的发光二极管10主要是通过镜面反射层14的设置增加光线的反射效率,进而提高其发光效率,并利用硅基板11的高导热特性,以增加其散热效果。然而,由于N型欧姆接触电极15与P型欧姆接触电极16是位于发光二极管10的出光面,因此,会阻碍光线的出射,进而降低其出光效率。此外,由于硅基板11具有一定的厚度,如此,会使得所制造而成的发光二极管10无法达到薄型化的要求。
此外,在美国专利第6555405号专利案中,披露一种形成具有金属基板的半导体元件。图2A及2B表示为具有金属基板的半导体元件的制造流程剖面图。首先,请参照图2A,提供基板21,并于基板21上依次成长N型半导体层22、发光层23以及P型半导体层24。完成磊晶工艺之后,接着在P型半导体层24上形成一厚的金属基板25,此金属基板25的厚度须大于20μm,以支撑半导体磊晶层使其不致破裂。之后,请参照图2B所示,利用蚀刻或是研磨等方式移除基板21,并将此芯片上下倒转,接着,再于N型半导体层22之上形成接触垫26,即完成发光二极管20的制造。
图2B中所示的发光二极管20的特点主要是利用金属基板25取代传统的半导体基板,通过金属基板25的高导热性及高导电性的特性,增加发光二极管20的散热效率,并提高其光输出效率。然而,由于接触垫26是位于发光二极管20的出光面,因此,会降低发光二极管20的出光效率。此外,由于金属基板25及磊晶层的厚度皆有一定的限制,因此,其整体厚度最小约为40μm。
上述两种不同形态的发光二极管虽利用不同的方式解决了部分关于散热及出光效率的问题,然而,这两种发光二极管结构仍无法克服关于可挠性及薄型化的问题。因此,如何通过改变发光二极管的结构,以提高发光二极管的散热及出光效率,并同时兼顾到可挠性及薄型化的需求,实为亟待解决的一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无基板的发光二极管的制造方法,利用此制造方法所制造而成的无基板的发光二极管其第一接触垫与作为电极的导电支撑层皆位于磊晶层的同侧,如此,即可避免电极遮光效应,以提高发光二极管的正面出光效率。此外,由于本发明的无基板的发光二极管是利用金属厚膜作为其电极且同时作为支撑磊晶层的元件,以通过金属的延展性使制造而成的发光二极管具有可挠曲的特性。再者,由于发光二极管中无基板的原故,使整个发光二极管可达到薄型化的要求。
本发明的另一目的是提供一种无基板的发光二极管,此无基板的发光二极管是通过用以支撑其磊晶层的金属厚膜具有高反射及高热传的特性,以提高发光二极管的正向出光效率,并改善发光二极管在组装于大面积基板时所遭遇到的散热问题。
为达上述或是其他目的,本发明提出一种无基板的发光二极管的制造方法,其包含下列步骤:首先,提供转移基板;之后,在转移基板上形成磊晶层,磊晶层包括依次堆叠的第一型掺杂半导体层、发光层以及第二型掺杂半导体层;接下来,于磊晶层上形成金属层;之后,移除上述的转移基板;接着,移除掉部分的金属层、第二型掺杂半导体层以及发光层,以暴露出部分的第一型掺杂半导体层,且被移除后的金属层形成导电性支撑层;最后,于暴露出的第一型掺杂半导体层上形成第一接触垫,此第一接触垫与第一型掺杂半导体层电连接。
在本发明的一实施例中,上述的转移基板的材料包括硅、玻璃、砷化镓、氮化镓、砷化铝镓、磷化镓、碳化硅、磷化铟、氮化硼、氧化铝或氮化铝其中之一。
在本发明的一实施例中,于转移基板上形成第一型掺杂半导体层的步骤包括:于转移基板上形成第一接触层;之后,再于第一接触层上形成第一包覆层。
在本发明的一实施例中,发光层包括多重量子阱结构。
在本发明的一实施例中,形成第二型掺杂半导体层的步骤包括:
于发光层上形成第二包覆层;之后,于第二包覆层上形成第二接触层。
在本发明的一实施例中,第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层分别为N型半导体层与P型半导体层。
在本发明的一实施例中,金属层是利用镀层技术制造而成。更进一步而言,镀层技术包括蒸镀、溅镀、电镀或是无电极电镀。且当利用电镀方式形成上述金属层时,是先于第二型掺杂半导体层上形成电镀种子层,再利用电镀的方式形成金属层。
在本发明的一实施例中,金属层是利用热压合的方式形成于第二型掺杂半导体层上。
在本发明的一实施例中,所形成的金属层的厚度介于20~200μm之间。
在本发明的一实施例中,移除上述转移基板的方式包括干蚀刻工艺、湿蚀刻工艺或是剥离工艺。
在本发明的一实施例中,移除部分的金属层、第二型掺杂半导体层以及发光层的方式包括干蚀刻工艺或是湿蚀刻工艺。
在本发明的一实施例中,移除部分的金属层、第二型掺杂半导体层以及发光层的步骤,还包括移除部份的第一型掺杂半导体层,以暴露出部分的第一型掺杂半导体层。而移除部分的金属层、第二型掺杂半导体层、发光层以及第一型掺杂半导体层的方法包括干蚀刻工艺或是湿蚀刻工艺。
在本发明的一实施例中,此无基板的发光二极管的制造方法还包括于导电性支撑层上形成第二接触垫,其中第二接触垫与导电性支撑层电连接。
为达上述或是其他目的,本发明另提出一种无基板的发光二极管,其包括磊晶层、导电性支撑层以及第一接触垫。磊晶层包括第一型掺杂半导体层、发光层以及第二型掺杂半导体层。发光层是位于第一型掺杂半导体层上,且暴露出部分的第一型掺杂半导体层;第二型掺杂半导体层是位于发光层上。导电性支撑层是位于第二型掺杂半导体层上。第一接触垫是位于发光层所暴露出的第一型掺杂半导体层上,且与第一型掺杂半导体层电连接。
在本发明的一实施例中,第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层分别为N型半导体层与P型半导体层。
在本发明的一实施例中,第一型掺杂半导体层包括第一接触层以及第一包覆层。第一包覆层是位于第一接触层上。
在本发明的一实施例中,发光层包括多重量子阱结构。
在本发明的一实施例中,第二型掺杂半导体层包括第二包覆层以及第二接触层。第二包覆层是位于发光层上。而第二接触层是位于第二包覆层上。
在本发明的一实施例中,导电性支撑层的材料选自由铜、镍、金、钯、铂及上述金属的合金所组成的族群其中之一。且其厚度介于20~200μm之间。
在本发明的一实施例中,无基板的发光二极管还包括第二接触垫,此第二接触垫是位于导电性支撑层之上,且与导电性支撑层电连接。
综上所述,本发明所提出的无基板的发光二极管的制造方法,是先于转移基板上依次形成磊晶层及金属厚膜;之后,移除掉上述的转移基板;再移除掉磊晶层中部分的金属层、第二型掺杂半导体层以及发光层,以暴露出部分的第一型掺杂半导体层;最后,于暴露出来的第一型掺杂半导体层上形成第一接触垫,至此,即完成无基板的发光二极管的制造。由于位于第二型掺杂半导体层上的金属层可作为电极来使用,且金属层与第一接触垫是位于磊晶层的同侧,因此,本发明可避免电极遮光效应,以有效地提高发光二极管的出光效率。
此外,位于磊晶层一侧的金属层不仅可作为电极来使用,且同时具有支撑磊晶层的功能,因此,本发明可通过金属材料所具有的良好的延展性,使所形成的发光二极管具有可挠曲的特性,如此,本发明的发光二极管即可应用于可挠性显示器中。再者,由于金属具有较佳热传导特性,因此,亦可通过金属层的配置而改善发光二极管在组装于大面积基板时所遭遇到的散热问题。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下。
附图说明
图1为公知的一种发光二极管的剖面示意图。
图2A及2B为公知的一种具有金属基板的半导体元件的制造流程剖面图。
图3A~3F为根据本发明的一较佳实施例的发光二极管的制造流程剖面图。
主要元件标记说明
10:发光二极管
11:硅基板
12:金属粘合层
13:磊晶层
13A:N型界面
13B:P型界面
14:镜面反射层
15:N型欧姆接触电极
16:P型欧姆接触电极
20:发光二极管
21:基板
22:N型半导体
23:发光层
24:P型半导体层
25:金属基板
26:接触垫
100:发光二极管
110:转移基板
120:磊晶层
122:第一型掺杂半导体层
122a:第一接触层
122b:第一包覆层
124:发光层
126:第二型掺杂半导体层
126a:第二包覆层
126b:第二接触层
130:金属层
130’:导电性支撑层
132:电镀种子层
142:第一接触垫
144:第二接触垫
具体实施方式
图3A~3F为根据本发明的一较佳实施例的无基板的发光二极管的制造流程剖面图。首先,请参照图3A,提供转移基板110。由于转移基板110在未来元件完成时将会被移除,因此,只要是能够成长出良好的磊晶层结构的基板皆可作为转移基板110。转移基板110可选用的材料包括硅(Si)、玻璃(Glass)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化镓(GaP)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)等半导体或非半导体的材料。
之后,请继续参照图3A,于转移基板110上依次形成第一型掺杂半导体层122、发光层124以及第二型掺杂半导体层126。一般而言,第一型掺杂半导体层122、发光层124与第二型掺杂半导体层126统称为磊晶层120,且第一型掺杂半导体层122与第二型掺杂半导体层126分别N型半导体层与P型半导体层。在本发明的一实施例中,在转移基板110上形成第一型掺杂半导体层122的步骤包括:先在转移基板110上形成第一接触层122a;之后,再于第一接触层122a上形成第一包覆层(first cladding layer)122b。形成第一接触层122a的目的是为使后续的磊晶更加顺利与容易;此外,若后续要利用湿蚀刻工艺移除转极基板110时,第一接触层122a亦可作为蚀刻终止层(etching stop layer)来使用。发光层124是发光二极管中主要用以产生光线的部分。在本发明的一实施例中,发光层124可为多重量子阱结构(Multiple Quantum Well,MQW)。此外,形成第二型掺杂半导体层126的步骤包括:先在发光层124上形成第二包覆层126a;之后,再于第二包覆层126a上形成第二接触层126b。而上述的磊晶层120可为二元化合物的半导体(例如:氮化镓、砷化镓、氮化铟)、三元化合物的半导体(例如:砷化铝镓)或是四元化合物的半导体(例如:磷化铝镓铟),本发明对于磊晶层120的材料不作任何限制。
接下来,请参照图3B,于第二型掺杂半导体层126上形成金属层130。在本发明的一实施例中,使用者可选用具有高反射率及高热传导系数的材料作为金属层130的材料,例如:铜、镍、金、钯、铂及上述金属的合金所组成的族群其中之一,以增加光线的反射效果,进而提高发光二极管的正向出光效率,并可改善其散热效果。此外,使用者可利用镀层技术,例如:蒸镀(evaporation)、溅镀(sputtering)、电镀(electroplating)或无电极电镀(electroless plating)于第二型掺杂半导体层126上形成金属厚膜,以作为此金属层130,或是利用热压合(hot press)方式将金属厚膜压合于第二型掺杂半导体层126上。当选用电镀方式形成金属层130时,可先于第二型掺杂半导体层126上形成电镀种子层(seed layer)132,此电镀种子层132的材料可为金(Au),使金属层130易于成长于第二型掺杂半导体层126上。再者,由于在后续工艺中,转移基板110将会被移除,因此,所形成的金属层130的厚度需介于20~200μm之间,以通过金属层130支撑磊晶层120。
然后,请参照图3C所示,移除转移基板110。在此步骤中,可采用干蚀刻工艺、湿蚀刻工艺或是剥离(Lift-off)工艺移除转移基板110。而当利用湿蚀刻工艺移除转移基板110时,上述的第一接触层122a即可作为蚀刻终止层,以防止蚀刻液蚀刻到磊晶层120。而整个磊晶层120的厚度可薄化至20~200μm之间。
接下来,请参照图3D所示,移除掉部分的金属层130、第二型掺杂半导体层126以及发光层124,以暴露出部分的第一型掺杂半导体层122,而被移除后的金属层130便形成导电性支撑层130’,以支撑磊晶层120。在本发明的一实施例中,可利用干蚀刻工艺或是湿蚀刻工艺以移除掉部分的金属层130、第二型掺杂半导体层126以及发光层124。另外,在此步骤中,当移除掉部分的金属层130、第二型掺杂半导体层126以及发光层124之后,可进一步地移除掉部分的第一型掺杂半导体层122,以暴露出部分的第一型掺杂半导体层122。同样地,可利用干蚀刻工艺或是湿蚀刻工艺,以移除掉部分的第一型掺杂半导体层122。
最后,请参照图3E,在暴露出来的第一型掺杂半导体层122上形成第一接触垫142,此第一接触垫142与第一型掺杂半导体层122电连接。如此,即完成无基板的发光二极管100的制造流程。在无基板的发光二极管100中,第一接触垫142作为N型欧姆接触电极,而导电性支撑层130’则直接作为P型欧姆接触电极。而整个制造完成的无基板的发光二极管100其厚度最小可做到15μm。所制造而成的无基板的发光二极管100其发光方向如图中的黑色箭头所示,而由图3E中可清楚地看出:整个发光二极管100的出光面上没有设置任何电极,因此,可大幅地改善其发光效率。
此外,请参照图3F所示,当完成无基板的发光二极管100的制造流程后,可选择性地于导电性支撑层130’上形成第二接触垫144,以作为无基板的发光二极管100的P型欧姆接触电极。
请参照图3E所示,本发明的无基板的发光二极管100主要包括第一型掺杂半导体层122、发光层124、第二型掺杂半导体层126、导电性支撑层130’以及第一接触垫142。在本发明的一实施例中,第一型掺杂半导体层122与第二型掺杂半导体层126可分别为N型半导体层与P型半导体层。第一型掺杂半导体层122例如是由第一接触层122a及位于其上方的第一包覆层122b所组成。发光层124是位于第一型掺杂半导体层122上,且暴露出部分的第一型掺杂半导体层122。此外,发光层124可由一多重量子阱结构所组成。第二型掺杂半导体层126是位于发光层124上。在本发明的一实施例中,第二型掺杂半导体层126例如是由第二包覆层126a以及第二接触层126b所组成,第二包覆层126a是位于发光层124上,而第二接触层126b是位于第二包覆层126a之上。导电性支撑层130’是位于第二型掺杂半导体层126上,而组成导电性支撑层130’的材料选自由铜、镍、金、钯、铂及上述金属的合金所组成的族群其中之一,且其厚度介于20~200μm之间,使其足以支撑磊晶层120的结构。第一接触垫142是位于发光层124所暴露出的第一型掺杂半导体层122上,且与第一型掺杂半导体层122电连接。在此无基板的发光二极管100中,第一接触垫142作为N型欧姆接触电极,而导电性支撑层130’则直接作为P型欧姆接触电极。
此外,请参照图3F所示,无基板的发光二极管100还可包括位于导电性支撑层130’上方的第二接触垫144,此第二接触垫144与导电性支撑层130’电连接,如此,即可作为P型欧姆接触电极来使用。
综上所述,本发明的发光二极管具有下列优点:
(1)在本发明的无基板的发光二极管中,其第一接触垫与可作为电极的导电支撑层(或第二接触垫)皆位于磊晶层的同侧,如此,即可避免电极遮光效应,以提高发光二极管的正面出光效率。
(2)本发明是将形成于转移基板上的磊晶层与金属厚膜结合,之后,再移除上述转移基板,以利用金属厚膜来支撑磊晶层。由于金属具有良好的延展性,因此,可使制造出来的无基板的发光二极管具有可挠曲的特性,使其可应用于可挠性显示器中。
(3)本发明的无基板的发光二极管是利用金属厚膜来支撑磊晶层,由于金属具有较佳的反射及散热特性,因此,可增加发光二极管的出光效率,并改善发光二极管在组装于大面积基板时所遭遇到的散热问题。
(4)与公知的发光二极管相比其整体厚度最小约为40μm,本发明的无基板的发光二极管其薄化后的厚度最小可达15μm,因此,可以符合应用于电子产品时所需的薄型化要求。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,然其并非用以限定本发明,任何所属技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与改进,因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。