CN101604701B - 具有导热基板的发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有导热基板的发光二极管及其制造方法。发光二极管包括导热的绝缘基板。多个金属图案在绝缘基板上彼此间隔，并且发光单元位于相应金属图案上的区域内。各发光单元包括P型半导体层、主动层以及N型半导体层。同时，金属配线将发光单元的上表面电连接到相邻的金属图案。因此，由于发光单元在导热基板上操作，发光二极管的热耗散属性得到改良。

Description

具有导热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，并且特别是涉及一种具有导热基板的发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(light emitting diode，LED)是一种电发光器件，其具有N型半导体和P型半导体结合到一起的结构，并通过电子和空穴的重组(recombination)进行发光。这种LED已经广泛地用于显示器以及背光系统(backlight)。此外，由于LED与传统的电灯泡或荧光灯相比，其具有更低的电力消耗以及更长的使用寿命，其应用领域已经扩展代替传统的白炽灯和荧光灯而进行普通照明。
LED在AC电源下根据电流方向而反复开/关。因而，如果将LED直接连接到AC电源进行使用，则存在它不能持续地发光并且容易被反向电流中断的问题。
为了解决LED的上述问题，在SAKAI等人的标题为“具有发光元件的发光器件”的国际公开第WO2004/023568A1号中提议了一种可直接连接到高压AC电源而进行使用的LED。
根据WO2004/023568A1的公开内容，LED以二维方式串联连接于绝缘基板(例如，蓝宝石基板)上，以形成LED阵列。两个LED阵列反向并联连接于蓝宝石基板上。结果，提供了一种可通过AC电源驱动的单芯片式发光器件。
然而，由于蓝宝石基板具有较低的导热性，热量无法顺利地消散。这种热消散的局限性导致了发光器件的最大光功率的局限性。因而，需要改良热耗散属性，以便增加在高压AC电源下使用的发光器件的最大光功率。
此外，由于发光器件中的LED阵列在AC电源下交替操作，因此与发光单元同时操作的情况相比，光功率受到了相当大的限制。结果，为了增加最大光功率，必须改良各发光单元的光提取效率。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种发光二极管，其能够在AC电源下进行驱动并且具有改良的热耗散属性。
本发明的另一目的是提供一种具有改良光提取效率的发光二极管。
本发明的再一目的是提供一种具有改良的热耗散属性和/或改良的光提取效率的发光二极管的制造方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有导热基板的发光二极管及其制造方法。根据本发明一方面的发光二极管包括导热的绝缘基板(thermalconductive insulating substrate)。多个金属图案在绝缘基板上彼此间隔，并且发光单元位于相应的金属图案上的区域内。各发光单元包括P型半导体层、主动层以及N型半导体层。同时，金属配线将发光单元的上表面电连接到相邻的金属图案上。由于发光单元在导热基板上进行操作，发光二极管的热耗散属性得到了改良。
此处，导热的绝缘基板是指导热性高于蓝宝石基板的绝缘基板。进一步，绝缘基板包括半绝缘基板，例如半绝缘SiC基板。术语“半绝缘”材料是指高阻材料，其电阻率(specific resistance)在室温下通常是大约105Ω·cm或者更大。
主动层介于P型半导体层和N型半导体层之间，并且发光单元的P型半导体层和N型半导体层的位置可以互换。优选地，各发光单元的P型半导体层与各金属图案接触，并且发光单元的N型半导体层的表面定义发光单元的上表面。N型半导体层的表面可进行粗糙化处理。由于N型半导体层的表面可进行粗糙化处理，光的内部全反射(total internal reflection)降低，并因而增加了发光二极管的光提取效率。
各金属图案可包括彼此结合的至少两个金属层。例如，金属层可包括金属反射层(例如Ag)以及金属导热层(例如Au)，并且可以包括Au和Sn的合金。反射金属层使从发光单元发射的光在其上朝发光单元的上表面反射，由此改良光输出。
根据本发明另一方面的发光二极管的制造方法包括：在第一基板上形成半导体层，并在半导体层上形成第一金属层，半导体层包括缓冲层、N型半导体层、主动层以及P型半导体层。进一步，在与第一基板分离的第二导热的绝缘基板上形成第二金属层。第一基板的第一金属层与第二基板的第二金属层相结合，使得第一和第二金属层彼此面对。随后，从半导体层分离第一基板，并且图案化半导体层和金属层，以形成彼此间隔的金属图案以及位于相应金属图案上的区域内的发光单元。之后，形成金属配线以便将发光单元的上表面连接到相邻的金属图案。因此，可以制造出一种具有导热基板的发光二极管，其导热基板具有改良的热耗散属性。
主动层介于P型半导体层和N型半导体层之间，并且P型半导体层和N型半导体层的位置可以互换。优选地，P型半导体层与第一金属层欧姆接触。此外，在分离第一基板之后，移除缓冲层以便暴露N型半导体层。
对暴露的N型半导体层的表面进行粗糙化处理以便改良光提取效率。
例如，使用光电化学(photoelectrochemical，PEC)蚀刻技术来执行暴露的N型半导体层表面的粗糙化处理。此外，粗糙化暴露的N型半导体层的表面包括在暴露的N型半导体层上形成金属层。对金属层进行热处理，以便形成金属岛状物，并且使用金属岛状物作为蚀刻掩模，对N型半导体层进行部分蚀刻。因此，形成具有粗糙表面的N型半导体层。
根据本发明，可以提供一种能够在AC电源下驱动并具有改良的热耗散属性的发光二极管。进一步，可以提供一种具有改良的光提取效率的发光二极管。此外，可以提供一种具有改良的热耗散属性和/或改良的光提取效率的发光二极管的制造方法。
附图说明
图1是示意根据本发明一实施例的发光二极管的截面图。
图2至图6是示意根据本发明一实施例的发光二极管的制造方法的截面图。
图7至图10是示意根据本发明另一实施例的发光二极管的制造方法的截面图。
具体实施方式
在下文中将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。提供后续实施例仅是出于示意性目的，使得本领域技术人员能够完全地理解本发明的精神。因而，本发明不限于后续实施例，而是可以通过其它形式来实现。在附图中，为了便于理解，夸大了元件的宽度、长度、厚度以及类似尺寸。在整个说明书和附图中，相似的附图标号标识相似的元件。
图1是示意根据本发明一实施例的发光二极管的截面图。
参照图1，多个金属图案40在导热的绝缘基板51上彼此间隔。对导热的绝缘基板51没有任何限制，只要其导热性大于蓝宝石基板。导热的绝缘基板51可以是上表面形成有绝缘层的导电单晶基板。
各金属图案40包括至少两个结合层，例如，第一金属层31a和第二金属层53a。进一步，第一金属层31a可包括反射金属层和导热金属层。例如，反射金属层可由Ag制成，而导热金属层可由Au或Au和Sn的合金制成。进一步，第二金属层可由例如Au或者Au和Sn的合金制成。
发光单元30位于各金属图案上的区域内。发光单元30包括P型半导体层29a、主动层27a以及N型半导体层25a。主动层27a介于P型半导体层29a和N型半导体层25a之间。P型半导体层29a和N型半导体层25a的位置可以互换。
N型半导体层25a由N型AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)形成并且可包括N型衬层。此外，P型半导体层29a可由P型AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)形成并包括P型衬层。N型半导体层25a可通过掺杂Si来形成，并且P型半导体层29a可通过掺杂Zn或Mg来形成。
主动层27a是电子与空穴重组的区域，并且包括InGaN。发光单元所发射的光的波长由构成主动层27a的材料的种类决定。主动层27a可以是多层膜，其中量子井层和阻挡层重复形成。阻挡层和量子井层可以是二元至四元化合物半导体层，其可以表示成通式：AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)。
一般来说，缓冲层介于基板51和发光单元30之间。然而，在本发明的实施例中，介于基板51和发光单元30之间的是金属层31a和53a，而不是缓冲层。
同时，金属配线57用于将N型半导体层25a电连接到相邻的金属图案40。此时，电极焊垫55形成于各N型半导体层25a上。电极焊垫55与N型半导体层25a欧姆接触，以便降低它们的接触电阻。因此，如图所示，金属配线57用于将电极焊垫55电连接到第一金属层31a，由此使发光单元30彼此连接。金属配线57形成具有串联连接的发光单元30的阵列。具有串联连接的发光单元的至少两个阵列形成于基板51上并彼此反向并联连接以便由AC电源驱动。
图10是示意根据本发明另一实施例的发光二极管的截面图。在本图中，与图1相同的附图标号标识相同的元件。因此，仅具体地描述与图1所示的实施例不同的细节。
参照图10，根据本实施例的N型半导体层65a的上表面进行粗糙化处理，这不同于图1所示的N型半导体层25a的上表面。因此，发光单元70具有粗糙的上表面，使得在上表面上由于折射率差异所产生的内部全反射降低，因而提高了发光单元的光提取效率。
N型半导体层65a的整个表面都可以形成粗糙表面，并且电极焊垫75形成于粗糙表面的一部分上。此外，粗糙表面还可以选择性形成于除N型半导体层65a的特定区域以外的另一区域内，并且电极焊垫75形成于此特定区域上。金属配线77用于将电极焊垫75连接至金属图案40，以便形成具有串联连接的发光单元的阵列。
根据本实施例，可对N型半导体层65a的表面进行粗糙化处理以改良从发光单元70向上发射的光的提取效率。
在下文中，将详细地描述根据本发明各实施例的发光二极管的制造方法。
图2至图6是根据本发明第一实施例的发光二极管的制造方法的截面图。
参照图2，包括缓冲层23、N型半导体层25、主动层27以及P型半导体层29的半导体层形成于第一基板21上，并且第一金属层31形成于半导体层上。
第一基板21优选由允许光透过并与半导体层晶格匹配(lattice-match)的基板形成，例如蓝宝石基板。
缓冲层23和半导体层25、27及29可通过以下方式形成：金属有机化合物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)、氢化物气相外延(hydride vapor phaseepitaxy，HVPE)或类似工艺。进一步，半导体层25、27以及29可在同一处理室中依序形成。
对缓冲层23没有具体限制，只要缓冲层能够减轻第一基板21和半导体层25、27及29之间的晶格失配(lattice mismatch)。例如，缓冲层可由无掺杂的GaN形成。
第一金属层31由要与P型半导体层欧姆接触的金属形成。进一步，第一金属层31可包括反射金属层和导热金属层。反射金属层是具有高反射性的金属层并且例如可由Ag形成，但并不具体局限于Ag。此外，导热金属层是具有高导热性的金属层。对导热金属层没有具体限制，并且导热金属层可由Au或者Au和Sn的叠层(laminate)形成。
第二金属层53形成于与第一基板21分开的第二基板51上。第二基板51是导热性高于蓝宝石基板的导热的绝缘基板。
第二金属层53倾向于金属结合到第一金属层31上。对第二金属层没有具体的限制，并且第二金属层可由Au或者Au和Sn的叠层形成。
参照图3，结合第一和第二金属层31和53，使得它们彼此面对。通过施加特定的压力和/或热量很容易进行这种结合。
随后，将激光照射到第一基板21上。例如，激光可以是KrF(248nm)激光。由于第一基板21是透明基板，例如蓝宝石基板，激光通过第一基板21并随后被缓冲层23吸收。因此，所吸收的辐射能量使缓冲层23和第一基板21之间的交界处的缓冲层23分解，使得第一基板21从半导体层分离。
参照图4，在第一基板21分离后，移除剩余的缓冲层23，使得N型半导体层25的表面暴露。可通过蚀刻和抛光技术来移除缓冲层23。
参照图5，使用光刻(photolithography)和蚀刻技术对半导体层25、27及29和金属层31及53进行图案化，以便形成彼此隔离的金属图案40以及位于相应金属图案40上的区域内的发光单元30。
发光单元30包括已经通过图案化形成的P型半导体层29a、主动层27a以及N型半导体层25a。可以将半导体层25a、27a和29a图案化成相同的形状。
同时，由于第二基板51是绝缘基板，形成彼此间隔的金属图案40能够使发光单元30彼此电隔离。
参照图6，形成用于将发光单元30的上表面电连接到相邻的金属图案40的金属配线57。金属配线57将发光单元30彼此连接以便形成具有串联连接的发光单元的阵列。可形成至少两个阵列，并且这些阵列彼此反向并联连接以便提供可在AC电源下驱动的发光二极管。
同时，在形成金属配线之前，在N型半导体层25a上形成电极焊垫55。电极焊垫55与N型半导体层25a欧姆接触。金属配线57将电极焊垫55连接到金属图案40。
根据本实施例，提供了一种发光二极管，其具有位于导热基板上的发光单元，使得其可以在AC电源下驱动并具有改良的热耗散属性。同时，由于形成了金属图案40，可省略在P型半导体层29a上形成附加电极焊垫的过程。
同时，在本发明的实施例中，P型半导体层29和N型半导体层25能够以相反顺序形成。在这种情况下，在移除缓冲层23之后，可以在P型半导体层29上形成透明电极。
图7至图10是示意根据本发明第二实施例的发光二极管的制造方法的截面图。
参照图7，根据本实施例的发光二极管的制造方法所执行的过程与参照图2至图4所描述的方法相同。因此，至少两个金属层31和53以结合状态定位于第二基板51上，并且包括P型半导体层29、主动层27以及N型半导体层25的半导体层定位于第一金属层31上。
在本实施例中，P型半导体层29与第一金属层31欧姆接触，并且N型半导体层25的表面暴露。
参照图8，对暴露的N型半导体层25的表面进行粗糙化处理，以形成具有粗糙表面的N型半导体层65。例如，可通过光电化学(PEC)蚀刻技术对表面进行粗糙化处理。在2004年2月9日出版并且标题为“通过表面粗糙化处理增加基于GaN的发光二极管的提取效率”(Applied Physics Letters，Vol.84，No.6，pp 855-857)的文章中公开了通过PEC蚀刻技术来粗糙化N型半导体层的表面的工艺。根据该文章，可使用KOH溶液和Xe灯通过PEC蚀刻技术来粗糙化N型半导体层的表面，导致改良的光提取效率。
此外，可使用干蚀刻技术来执行粗糙化N型半导体层25的表面的工艺。也就是，在N型半导体层25上形成金属层。随后，对金属层进行加热，使得金属层可形成为金属岛状物。随后，使用金属岛状物作为蚀刻掩模来蚀刻N型半导体层25，以便形成具有粗糙表面的N型半导体层65。使用湿蚀刻技术或类似工艺来移除剩余的金属岛状物。
同时，在此过程中，通过使用掩模在N型半导体层65上的特定区域内形成平坦部分。
参照图9，与参照图5所描述的一样，使用光刻和蚀刻技术来图案化半导体层65、27和29以及金属层31和53，以便形成彼此间隔的金属图案40以及位于相应金属图案40上的区域内的发光单元70。
各发光单元70包括已经通过图案化处理的P型半导体层29a、主动层27a以及N型半导体层65a。可将这些半导体层65a，27a和29a图案化成相同形状。
参照图10，与参照图6所描述的一样，金属配线77形成为将发光单元70的上表面电连接到相邻的金属图案40。进一步，形成电极焊垫75。各电极焊垫75形成于N型半导体层65a上的平坦区域。如果平坦区域不形成于N型半导体层65a上，则电极焊垫75形成于N型半导体层65a的粗糙表面上。
根据本实施例，粗糙化发光单元70的上表面(即，N型半导体层的表面)，以便提供具有改良的光提取效率的发光二极管。

Claims (6)

1.一种发光二极管，包括：
导热的绝缘基板，所述导热的绝缘基板的导热性高于蓝宝石基板的导热性；
多个金属图案，在所述绝缘基板上彼此间隔；
发光单元，位于相应的所述金属图案上的区域内，各所述发光单元包括P型半导体层、主动层以及N型半导体层；以及
金属配线，用于将所述发光单元的上表面电连接到相邻的金属图案，
其中，所述金属配线直接接触所述相邻的金属图案，
各所述金属图案包括第一金属层和位于第一金属层与导热的绝缘基板之间的第二金属层，第一金属层包括用于反射发光单元产生的光的反射金属层和用于向导热的绝缘基板传导发光单元产生的热的导热金属层，第二金属层将第一金属层结合到导热的绝缘基板。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中各所述发光单元的所述P型半导体层与各所述金属图案接触，并且各所述发光单元的所述N型半导体层的表面定义所述发光单元的上表面。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，更包括形成于各所述发光单元的所述N型半导体层上并连接到各所述金属配线的电极焊垫。
4.一种制造发光二极管的方法，包括：
在第一基板上形成半导体层，并在所述半导体层上形成第一金属层，所述半导体层包括缓冲层、N型半导体层、主动层以及P型半导体层；
在第二导热的绝缘基板上形成第二金属层，所述第二导热的绝缘基板的导热性高于蓝宝石基板的导热性；
结合所述第一和第二金属层，使得第一金属层和第二金属层彼此面对；
从所述半导体层分离所述第一基板；
图案化所述半导体层和第一金属层以及第二金属层，以便形成彼此间隔的金属图案以及位于相应的所述金属图案上的区域内的发光单元；以及
形成将所述发光单元的上表面连接到相邻的金属图案的金属配线，所述金属配线直接接触所述相邻的金属图案，
其中，各所述金属图案包括通过图案化第一金属层形成的第一金属图案和通过图案化第二金属层形成的第二金属图案，第二金属图案位于第一金属图案与第二导热的绝缘基板之间，第一金属图案包括用于反射发光单元产生的光的反射金属图案和用于向第二导热的绝缘基板传导发光单元产生的热的导热金属图案，第二金属图案将第一金属图案结合到第二导热的绝缘基板。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述P型半导体层与所述第一金属层欧姆接触。
6.根据权利要求4所述的方法，更包括在分离所述第一基板之后移除所述缓冲层，以暴露所述N型半导体层。
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