CN101257071A - 发光二极管元件和发光系统及其发光二极管元件制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管元件和发光系统及其发光二极管元件制作方法。以自行对准晶片切割技术(self－aligned wafer singulation technique)制作的发光二极管元件，其以晶片上每一颗发光二极管晶粒的电极作为该晶片上形成刻划线(scribing lines)的对准标记(alignment mark)，而无需在晶片上相邻发光二极管晶粒之间至少沿一方向预先刻蚀出切割道(scribing street)。通过本发明，发光二极管晶粒周缘面积在至少一方向上不被切割道占据，故可增加发光二极管晶粒的发光面积，而提高其发光效率。

Description

发光二极管元件和发光系统及其发光二极管元件制作方法

技术领域

本发明关于一种发光二极管元件和发光系统及其发光二极管元件制作方法；特别关于一种以自行对准晶片切割技术(self-aligned wafersingulation technique)制作的发光二极管元件。

背景技术

传统发光二极管元件的制造方法于蓝宝石(sapphire)或碳化硅(SiC)晶片成长例如氮化镓铟铝(Al InGaN)磊晶层，该氮化镓铟铝磊晶层至少包含N型及P型磊晶层以及介于两者间的发光层，晶片并经处理以分别提供欧姆接触(ohmic contacts)予N型及P型磊晶层，接着使用晶片切割技术以从晶片上分离发光二极管晶粒。图1A为传统发光二极管晶粒成长于晶片上的俯视示意图，图1B为沿图1A的A-A线的剖面示意图及图1C为沿B-B线的剖面示意图。参见图1B所示，传统发光二极管晶粒10的结构至少包含一基底100例如蓝宝石、碳化硅或其它材料、一N型半导体层101磊晶成长于该基底100上、一半导体发光层102磊晶成长于该N型半导体层101及一P型半导体层103磊晶成长于该半导体发光层102上，并且于该N型半导体层101及P型半导体层103上方分别形成N型接触层104及P型接触层105，以提供欧姆接触予该N型接触层104及P型接触层105。复请参见图1A，传统的晶片切割技术于晶片上依序执行刻划(scribing)、断裂(breaking)及分离步骤，以将发光二极管晶粒10从基底100上分离。但在基底100上进行刻划动作之前，会使用光刻及刻蚀工艺先在基底100上相邻发光二极管晶粒10之间形成渠沟式的切割道(street)106，以在所述这些切割道106上形成刻划线107。这些切割道106可刻蚀至发光二极管晶粒10内部的半导体磊晶层或刻蚀至基底100表面(参见图1B及图1C所示)。接着，沿着这些切割道106以机械性方法或激光刻划方法(mechanical scriber or laser scriber)于基底100上进行刻划，以形成刻划线(scribe line)107。这些刻划线107可形成于具有发光二极管晶粒10的基底正面或基底背面。之后，进行断裂及分离步骤，基底100即会沿着这些刻划线107产生断裂，并通过分离步骤，使这些发光二极管晶粒10沿着断裂处从基底100上分离，以完成发光二极管元件的制作。

复请参见图1A，基底100上切割道106的宽度通常约为40至50微米，由于这些切割道106占据相邻的发光二极管晶粒10周缘面积1b，使得每一颗发光二极管晶粒10从面积1a缩减为面积1a’，而减少其发光面积，因而对该发光二极管晶粒10的发光效率有不利影响。

传统的发光二极管晶粒呈正方形几何形状，其尺寸大小可为14×14密尔(mil)、24×24密尔或40×40密尔。但近年来，使用发光二极管晶粒做为液晶显示器的背光源的机率不断提高，特别是应用在可携式电子产品上。由于这些可携式电子产品愈做愈轻薄短小，使得其液晶显示器的导光板(waveguide)厚度愈做愈薄，而发光二极管晶粒为配合该导光板厚度，其几何形状也朝向长方形来制作。晶片上所述这些切割道占据相邻长方形发光二极管晶粒的周缘面积会大于其占据正方形发光二极管晶粒的周缘面积。因此，上述传统的晶片切割技术对于现今采用长方形几何形状的发光二极管晶粒的发光效率十分不利。

发明内容

本发明的一目的是提供一种发光二极管元件，在该发光二极管元件周缘至少一方向上未刻蚀切割道(streets)，使得该发光二极管元件的半导体叠层可延伸至该发光二极管元件未刻蚀有切割道的周缘，进而增加该发光二极管元件的发光面积，以提高其发光效率。

本发明的另一目的是提供一种发光二极管元件制作方法，其以晶片上发光二极管晶粒的电极做为形成刻划线(scribing line)的对准标记(alignmentmark)，使晶片上至少一方向上无需预先刻蚀切割道，可增加每一颗发光二极管晶粒占据晶片的面积，进而提高其发光效率。

为达上述目的，本发明提供一种发光二极管元件，其包括一基底、一半导体叠层、一具有第一导电性接触层及一具有第二导电性接触层。该半导体叠层形成于基底的一第一表面，半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层、一具有第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间。具有第一导电性接触层电性连接至具有第一导电性半导体层，及具有第二导电性接触层电性连接至具有第二导电性半导体层，而半导体叠层朝至少一方向延伸至该发光二极管元件的周缘。

另一方面，本发明提供一种发光二极管元件制作方法，其包括提供一基底，形成一半导体叠层于该基底的一第一表面上，该半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层、一具有第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间，该半导体叠层对应发光二极管元件周缘处在至少一方向上未刻蚀有切割道(streets)，及形成一具有第一导电性接触层于该具有第一导电性半导体层上，以及形成一具有第二导电性接触层于该具有第二导电性半导体层上。

综上所述，本发明方法使发光二极管元件的半导体叠层在至少一方向上可延伸至其周缘，增加其占据晶片的面积。本发明方法可在不增加制造成本的情况下，增加发光二极管元件的发光面积，进而提高其发光效率。

附图说明

图1A为传统发光二极管晶粒成长于晶片上的俯视示意图；

图1B为图1A沿A-A线的剖面示意图；

图1C为图1A沿B-B线的剖面示意图；

图2A为本发明第一具体实施例的发光二极管晶粒成长于晶片上的俯视示意图；

图2B为图2A沿I-I线的剖面示意图；

图2C为图2A沿II-II线的剖面示意图；

图3A为本发明第二具体实施例的发光二极管晶粒成长于晶片上的俯视示意图；

图3B为图3A沿III-III线的剖面示意图；

图3C为图3A沿IV-IV线的剖面示意图；

图4为本发明第一具体实施例的发光二极管晶粒的俯视示意图；

图5为本发明发光二极管晶粒与传统发光二极管晶粒的发光强度分布比较图；

图6A及图6B为本发明第一具体实施例的一变化例的剖面示意图，分别对应图2B及图2C；

图7A及图7B为本发明第二具体实施例的一变化例的剖面示意图，分别对应图3B及图3C；

图8A及图8B为本发明第一具体实施例的另一变化例的剖面示意图，分别对应图2B及图2C；

图9A及图9B为本发明第二具体实施例的另一变化例的剖面示意图，分别对应图3B及图3C；

图10A及图10B为本发明第一具体实施例的又另一变化例的剖面示意图，分别对应图2B及图2C；

图11A及图11B为本发明第二具体实施例的另一变化例的剖面示意图，分别对应图3B及图3C。

主要元件符号说明：

10、20、30----发光二极管晶粒

22、32----反射片

24、34----金属层

100、200、300----基底

101----N型导体层        102----半导体发光层

103----P型半导体层      104----N型接触层

105----P型接触层                106、206----切割道

107、207、306----刻划线

201、301----具有第一导电性半导体层

202、302----半导体发光层

203、303----具有第二导电性半导体层

204、304----具有第一导电性接触层

205、305----具有第二导电性接触层

208----透光介电层               209----金属层

222----第一透光介电层           224----第二透光介电层

307----透光介电层               308----金属层

322----第三透光介电层           324----第四透光介电层

具体实施方式

本发明提供一种自行对准晶片切割方法(self-aligned wafersingulation method)，可在晶片上至少一方向上无需预先刻蚀切割道(streets)以分离晶片上的发光二极管晶粒。本发明方法可选择在晶片上至少一方向上无需预先刻蚀切割道，例如选择晶片上至少沿最容易断裂的晶格方向上无需预先刻蚀切割道，或者在晶片的二方向上都无需预先刻蚀切割道。由于晶片面积沿至少一方向上未被刻蚀切割道占据，故可增加每一颗发光二极管晶粒占据的晶片面积，进而增加其发光面积，使本发明制作的发光二极管元件的发光效率提高。

本发明的发光二极管元件和发光系统及其发光二极管元件制作方法通过以下具体实施例配合所附图式，将予以详细说明如下。

图2A为本发明第一具体实施例的发光二极管晶粒成长于晶片上的俯视示意图，图2B为沿图2A的I-I线的剖面视意图，及图2C为沿图2A的II-II线的剖面视意图。参见图2A所示，本发明第一具体实施例中仅在晶片上平行II-II线的方向上预先刻蚀切割道206，使得每一颗发光二极管晶粒20的周缘面积仅在平行II-II线的方向被切割道206占据，而在平行I-I线的方向上，该发光二极管晶粒20的半导体叠层可延伸至周缘，进而使发光二极管晶粒20拥有发光面积1c，其大于图1A所示传统发光二极管晶粒10的发光面积1a’。参见图2B及图2C所示，发光二极管晶粒20的结构至少包含一基底200、一半导体叠层、一具有第一导电性接触层204及一具有第二导电性接触层205。该半导体叠层形成于基底200的一第一表面，半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层201例如N型半导体层、一具有第二导电性半导体层203例如P型半导体层及一半导体发光层202介于前述两者之间。具有第一导电性接触层204例如是第一导电性电极层电性连接至具有第一导电性半导体层201，及具有第二导电性接触层205例如是第二导电性电极层电性连接至具有第二导电性半导体层203。如图2C所示该半导体叠层沿平行II-II线的方向延伸至发光二极管晶粒20的周缘，但如图2B所示，发光二极管晶粒20周缘沿平行I-I线的方向被刻蚀至基底200表面，以形成切割道206于周缘处。图4为发光二极管晶粒20的俯视示意图，在本发明中，较佳地，具有第一导电性接触层204及具有第二导电性接触层205形成于发光二极管晶粒20的中央区域，以避免在基底200上执行刻划(scribing)步骤以于相邻发光二极管晶粒20之间形成刻划线时损坏到具有第一导电性接触层204及具有第二导电性接触层205，进而可防止本发明制作的发光二极管元件产生漏电流。

本发明以自行对准晶片切割技术(self-aligned wafer singulationtechnique)从基底200上分离这些发光二极管晶粒20，其以这些发光二极管晶粒20上的电极即具有第一导电性接触层204及具有第二导电性接触层205做为具有刻划图案掩膜(mask with a scribing pattern)的对准标记，以在基底200的正面或背面形成刻划线207。在本发明第一具体实施例中，在基底200上形成刻划线207之前，先在基底200上沿平行II-II线的方向上以光刻及刻蚀工艺先形成切割道206于相邻发光二极管晶粒20周缘处。这些切割道206可刻蚀至基底200表面(如图2B所示)或发光二极管晶粒20的半导体叠层内部。在基底200上完成刻划线207之后，接着采用传统的断裂(breaking)及分离技术，即可将这些发光二极管晶粒20沿着这些刻划线207从基底200分离。

图6A及图6B为本发明发光二极管晶粒20的一变化例，在发光二极管晶粒20的基底200相对半导体叠层的另一表面形成一反射片，通过该反射片的设计，使穿透基底200的大部分发射光于基底200与反射片的接口产生全反射，借以使朝向该基底200的发射光被导引朝晶粒正面发光，进而提高发光二极管晶粒20的光输出率，以利于增加晶粒发光强度。该反射片具有至少一透光介电层208相邻于基底200及至少一金属层209，并且透光介电层208具有一折射系数小于基底200及具有一足够厚度例如至少0.1微米(μm)，借以使发光二极管晶粒20朝向该基底200的大部分发射光于基底200与透光介电层208的接口产生全反射，增加其朝向晶粒正面发光的机会。

图8A及图8B为本发明发光二极管晶粒20的另一变化例，在发光二极管晶粒20的基底200相对半导体叠层的另一表面形成类似一布拉格反射器的反射片22。反射片22由复数层第一透光介电层222及第二透光介电层224交互堆栈组成，其中第一透光介电层222的折射系数小于基底200的折射系数，而第二透光介电层224的折射系数大于第一透光介电层222的折射系数，并且第一透光介电层222及第二透光介电层224的厚度为四分之一波长(在此波长指发光二极管晶粒20的发光波长)。换句话说，反射片22由复数层第一透光介电层222及第二透光介电层224交互堆栈组成，并且这些透光介电层两两之间的折射系数呈高低周期性变化。反射片22设计成类似一布拉格反射器，可将朝向基底200的发射光反射回去，以提高发光二极管晶粒20的光输出率。

图10A及图10B为本发明发光二极管晶粒20的又另一变化例，其在发光二极管晶粒20的基底200相对该半导体叠层的另一表面形成类似布拉格反射器的反射片22之外，又在反射片22相对基底200的另一表面形成至少一金属层24，以进一步将穿透反射片22的发射光反射回去。

图3A为本发明第二具体实施例的发光二极管晶粒成长于晶片上的俯视示意图，图3B为沿图3A的III-III线的剖面视意图，及图3C为沿图3A的IV-IV线的剖面视意图。参见图3A所示，在第二具体实施例中，并未在基底300上预先刻蚀切割道，而直接以基底300上发光二极管晶粒的电极层做为具有刻划图案掩膜的对准标记，而在基底300的正面或背面形成刻划线306，接着再执行断裂及分离步骤，以将这些发光二极管晶粒30从基底300分离。由于未在基底300上预先刻蚀切割道，因此这些发光二极管晶粒30的周缘面积不会被刻蚀切割道占据，使得这些发光二极管晶粒30拥有刻划线306所界定的完整晶片面积1a。图1A所示传统发光二极管晶粒10周缘面积被切割道106所占据，使发光二极管晶粒10的面积1a’小于刻划线107所界定的面积1a。故本发明发光二极管晶粒30相较于传统发光二极管晶粒10会拥有较大发光面积。参见图3B及图3C所示，发光二极管晶粒30的结构至少包含一基底300、一半导体叠层、一具有第一导电性接触层304及一具有第二导电性接触层305。该半导体叠层形成于基底300的一第一表面，该半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层301例如N型半导体层、一具有第二导电性半导体层303例如P型半导体层及一半导体发光层302介于前述两者之间。具有第一导电性接触层304例如是第一导电性电极层电性连接至具有第一导电性半导体层301，及具有第二导电性接触层305例如是第二导电性电极层电性连接至具有第二导电性半导体层303。如图3C所示该半导体叠层沿平行IV-IV线的方向延伸至发光二极管晶粒30两端的周缘，但如图3B所示，该半导体叠层沿平行III-III线方向仅延伸至发光二极管晶粒30一端的周缘。

图7A及图7B为本发明发光二极管晶粒30的一变化例，在发光二极管晶粒30的基底300相对该半导体叠层的另一表面形成一反射片，该反射片的设计与图6A及图6B的反射片的设计一样，具有至少一透光介电层307及至少一金属层308。图9A及图9B为发光二极管晶粒30的另一变化例，在发光二极管晶粒30的基底300相对该半导体叠层的另一表面形成类似一布拉格反射器的反射片32。反射片32的设计与图8A及图8B的反射片22设计一样，由复数层第三透光介电层322及第四透光介电层324交互堆栈组成。图11A及图11B为本发明发光二极管晶粒30的又另一变化例，其在发光二极管晶粒30的基底300相对该半导体叠层的另一表面形成类似布拉格反射器的反射片32外，又在反射片32相对基底300的另一表面形成至少一金属层34，以进一步将穿透反射片32的发射光反射回去。

本发明自行对准晶片切割技术制作的发光二极管晶粒可接着进行封装工艺，以形成具有封装结构的发光二极管元件。本发明具有封装结构的发光二极管元件即可应用在各种发光系统做为其光源，例如可应用在液晶显示器的背光源上。

图5为本发明自行对准晶片切割技术制作的发光二极管元件相对于以刻蚀切割道定义面积的传统发光二极管元件的发光强度分布比较图。从图中可明显看出，就本发明发光二极管晶粒而言，每六千颗晶粒中占58％比例的晶粒其发光强度分布在160-170(mcd)之间，而每六千颗传统发光二极管晶粒中仅占18％比例的晶粒发光强度分布在160-170(mcd)之间。因此可清楚看出，本发明提供的自行对准晶片切割技术可在不增加制造成本的情况下增加发光二极管晶粒的面积，进而大为提高其发光效率。

以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围内。

Claims (23)

1. 一种发光二极管元件，其特征在于，所述发光二极管元件包括：

一基底；

一半导体叠层，形成于所述基底的一第一表面，所述半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层、一具有第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间；

一具有第一导电性接触层电性连接至所述具有第一导电性半导体层；及

一具有第二导电性接触层电性连接至所述具有第二导电性半导体层；

其中所述半导体叠层朝至少一方向延伸至所述发光二极管元件的周缘。

2. 根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，还包含一反射片形成于所述基底相对于所述半导体叠层的一第二表面。

3. 根据权利要求2所述的发光二极管元件，其特征在于，自所述第二表面起，所述反射片具有至少一透光介电层及至少一金属层，所述透光介电层具有一折射系数小于所述基底的折射系数。

4. 根据权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于，所述透光介电层的厚度至少为0.1微米。

5. 根据权利要求2所述的发光二极管元件，其特征在于，所述反射片具有复数层透光介电层，所述这些透光介电层两两之间的折射系数呈高低周期性变化。

6. 根据权利要求5所述的发光二极管元件，其特征在于，与所述基底相邻的一所述透光介电层的折射系数小于所述基底的折射系数。

7. 根据权利要求5所述的发光二极管元件，其特征在于，还包含至少一金属层形成于距所述基底最远端的一所述透光介电层的一表面上。

8. 根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，所述发光二极管元件具有一封装结构。

9. 根据权利要求8所述的发光二极管元件，其特征在于，还包含一反射片形成于所述基底相对于所述半导体叠层的一第二表面。

10. 根据权利要求9所述的发光二极管元件，其特征在于，自所述第二表面起，所述反射片具有至少一透光介电层及至少一金属层，所述透光介电层具有一折射系数小于所述基底的折射系数。

11. 根据权利要求8所述的发光二极管元件，其特征在于，所述反射片具有复数层透光介电层，所述这些透光介电层两两之间的折射系数呈高低周期性变化。

12. 一种具有至少一发光二极管元件的发光系统，其特征在于，所述发光二极管元件包括：

一基底；

一半导体叠层，形成于所述基底的一第一表面，所述半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层、一具有第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间；

一具有第一导电性接触层电性连接至所述具有第一导电性半导体层；及

一具有第二导电性接触层电性连接至所述具有第二导电性半导体层；

其中所述半导体叠层朝至少一方向延伸至所述发光二极管元件的周缘。

13. 根据权利要求12所述的具有至少一发光二极管元件的发光系统，其特征在于，还包含一反射片形成于所述基底相对于所述半导体叠层的一第二表面。

14. 根据权利要求13所述的具有至少一发光二极管元件的发光系统，其特征在于，自所述第二表面起，所述反射片具有至少一透光介电层及至少一金属层，所述透光介电层具有一折射系数小于所述基底的折射系数。

15. 根据权利要求13所述的具有至少一发光二极管元件的发光系统，其特征在于，所述反射片具有复数层透光介电层，所述这些透光介电层两两之间的折射系数呈高低周期性变化。

16. 根据权利要求15所述的具有至少一发光二极管元件的发光系统，其特征在于，与所述基底相邻的一所述透光介电层的折射系数小于所述基底的折射系数。

17. 根据权利要求15所述的具有至少一发光二极管元件的发光系统，其特征在于，还包含至少一金属层形成于距所述基底最远端的一所述透光介电层的一表面上。

18. 一种发光二极管元件制作方法，其特征在于，所述发光二极管元件制作方法包括如下步骤：

提供一基底；

形成一半导体叠层于所述基底的一第一表面上，所述半导体叠层包含一具有第一导电性半导体层、一具有第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间，所述半导体叠层对应所述发光二极管元件周缘处在至少一方向上未刻蚀有切割道；

形成一具有第一导电性接触层于所述具有第一导电性半导体层上；及

形成一具有第二导电性接触层于所述具有第二导电性半导体层上。

19. 根据权利要求18所述的发光二极管元件制作方法，其特征在于，还包含形成一反射片于所述基底相对于所述半导体叠层的一第二表面上。

20. 根据权利要求19所述的发光二极管元件制作方法，其特征在于，自所述第二表面起，所述反射片具有至少一透光介电层及至少一金属层，所述透光介电层具有一折射系数小于所述基底的折射系数。

21. 根据权利要求18所述的发光二极管元件制作方法，其特征在于，所述反射片具有复数层透光介电层，所述这些透光介电层两两之间的折射系数呈高低周期性变化。

22. 根据权利要求21所述的发光二极管元件制作方法，其特征在于，与所述基底相邻的一所述透光介电层的折射系数小于所述基底的折射系数。

23. 根据权利要求21所述的发光二极管元件制作方法，其特征在于，还包含至少一金属层形成于距所述基底最远端的一所述透光介电层的一表面上。

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