CN101783377A - 发光二极管晶粒等级封装 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种发光二极管晶粒等级封装结构，包含永久基板，具有第一平面及第二平面；第一电极位于永久基板的第一平面上；第二电极位于永久基板的第二平面上；黏接层位于永久基板的第一平面除第一电极之外区域上；成长基板位于粘接层之上；图形化半导体结构位于成长基板之上；第三电极及第四电极位于图形化半导体结构上，且分别与图形化半导体结构电性连结；电性连接结构位于图形化半导体结构的侧壁，以作为第三电极和第四电极与第一电极间的电性连接；及绝缘层位于图形化半导体结构的侧壁与电性连接结构之间，以电性隔绝图形化半导体结构。

Description

发光二极管晶粒等级封装
技术领域
本发明有关于一种发光二极管元件，特别是关于发光二极管晶粒等级封装。
背景技术
发光二极管产业蓬勃发展，而封装业已成为其中的一个主力战场，从以往经验我们可以理解轻薄短小、低成本、高效率是不变的设计标竿。目前，发光二极管晶粒须与其他元件组合以形成一发光装置(light-emittingapparatus)。图11为习知的发光装置结构示意图，如图11所示，一发光装置600包含一具有至少一电路的次载体(sub-mount)64；至少一焊料62(solder)位于上述次载体64上；一发光二极管晶粒400位于上述次载体64上，其至少具有一基板58；一半导体外延叠层54位于上述基板58上；一电极56位于上述半导体外延叠层54上；以及一电性连接结构66。藉由焊料62将上述发光二极管晶粒400黏结固定于次载体64上并使发光二极管晶粒400的基板58与次载体64上的电路形成电性连接，再利用电性连接结构66将发光二极管晶粒400的电极56与次载体64上的电路形成电性连接。其中，上述的次载体64可以是导线架(lead frame)或大尺寸镶嵌基底(mountingsubstrate)，以方便发光装置600的电路规划并提高其散热效果。使用支架与射出成型的塑胶碗杯技术都可能成为过去式，取而代之的是晶片等级封装(Wafer Level Package)、晶粒等级封装(Chip Level Package)，甚至是三维立体封装(3D Package)。从节省成本与轻薄短小的角度而言，晶粒等级封装(ChipLevel Package)是较可行的方式。
发明内容
本发明藉由晶粒等级封装技术，达到缩小发光二极管元件封装尺寸与简化封装工艺的目的，同时提升发光二极管元件出光效率。
本发明的一实施例提供一永久基板可以内埋无源元件，且无源元件与外延半导体层结构之间可以串联或并联方式电性连接。
本发明的一实施例提供一永久基板，可为绝缘材料与高导热率材料复合而成。其中绝缘材料可为陶瓷材料、玻璃、或高分子材料，高导热率材料可为银、铜、石墨、碳化硅、或金。其中在高导热率材料区域具有多个热传导通孔，以达到高散热的功效。
本发明的一实施例提供一出光微结构位于外延半导体层结构之上，其形状可以是柱状、Fresnel透镜状、锯齿状等，其目的为增加光取出效率。
本发明的一实施例提供一光子晶体(photonic crystal)结构，利用压印技术形成。其目的在使局限于发光二极管中的光不会向任意方向发射，大幅增加了光向上方发射机会，进而降低发光二极管发散角并提升其效率。
本发明的一实施例提供一以交流电操作的光电元件，其由多个发光二极管元件以串联方式电性连结所组成。
附图说明
图1A～图1L描述本发明第一实施例发光二极管元件100的工艺；
图2描述本发明第一实施例发光二极管元件100结构的另一设计；
图3描述本发明第一实施例发光二极管元件100结构的另一设计；
图4描述本发明第一实施例发光二极管元件100结构的再一设计；
图5A～图5H描述本发明第二实施例发光二极管元件200的工艺；
图6描述本发明第二实施例发光二极管元件200结构的另一设计；
图7描述本发明第二实施例发光二极管元件200结构的再一设计；
图8A～图8G描述本发明第三实施例发光二极管元件300的工艺；
图9描述本发明第三实施例发光二极管元件300结构的另一设计；
图10描述本发明第三实施例发光二极管元件300结构的再一设计；
图11描述习知的发光装置结构示意图。
主要元件符号说明
100，200，300～发光二极管元件；
101～成长基板；            101a～成长基板第一平面；
101b～成长基板第二平面；   102～暂时基板；
103～永久基板；            110～第一电性半导体层；
112～有源层；              114～第二电性半导体层；
116～外延结构；        118～图形化半导体结构；
120a～第三电极；       120b～第四电极；
122～连接层；          124～反射层；
126～金属粘接层；      127～绝缘层；
130～导电物质；        132a～第一电极；
132b～第二电极；       134～电性连接结构；
136～出光微结构；      137～光子晶体结构；
138～透明黏接层；      140～热传导通孔；
54～半导体外延叠层；   56～电极；
58～基板；             62～焊料；
64～次载体             66～电性连接结构；
400～发光二极管晶粒；  600～发光装置。
具体实施方式
以下配合图1A～图1I描述本发明第一实施例发光二极管元件100的工艺。首先，请参照图1A，提供一成长基板101，包含一第一平面101a及一第二平面101b，其材料为氧化铝(sapphire)，于成长基板101的第一平面101a上形成一外延结构116。外延结构116藉由一外延工艺所形成，例如有机金属气相沉积外延法(MOCVD)、液相外延法(LPE)或分子束外延法(MBE)等外延工艺。此外延结构116至少包含一第一电性半导体层110，例如为一n型氮化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yN层；一有源层112，例如为氮化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yN所形成的多重量子阱结构；以及一第二电性半导体层114，例如为一p型氮化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yN层。另外，本实施例的有源层112可由例如同质结构、单异质结构、双异质结构、或是多重量子阱结构所堆叠而成。请参照图1B，将成长基板101之上的外延结构116蚀刻形成图形化半导体结构118。请参照图1C，分别在第一电性半导体层110及第二电性半导体层114之上形成一第三电极120a及一第四电极120b。请参照图1D，提供一暂时基板102，利用连接层122将图形化半导体结构118与暂时基板102连接。请参照图1E，以研磨或蚀刻方式去除至少部份成长基板101，使得成长基板厚度至10μm左右。请参照图1F，依序于成长基板101的第二平面101b上形成一反射层124及一金属粘接层126。再切割金属粘接层126、反射层124及成长基板101等，如图1G所示。接着于图形化半导体结构118、成长基板101及反射层124的侧壁形成一绝缘层127，如图1H所示。
请参照图1I，提供一永久基板103，包含一第一平面103a及一第二平面103b；其材料可为陶瓷材料、玻璃、复合材料、或高分子材料。于永久基板103形成多个孔洞以贯通整个永久基板，并将多个孔洞充填导电物质130；且分别于永久基板的第一平面103a及第二平面103b分别形成第一电极132a及第二电极132b。藉由金属粘接层126将图1H的结构与图1I的永久基板黏接，并移除暂时基板102及连接层122，如图1J所示。再藉由电镀或镀膜相关工艺形成电性连接结构134将发光二极管元件的第三电极120a，第四120b与永久基板上的第一电极132a做连接，如图1K所示。切割形成如图1L所示结构的发光二极管元件100。发光二极管元件100藉由永久基板上的第二电极132b与发光装置的电路板电性连接，不须再藉由连接次载体达到散热效果。
请参照图2，于发光二极管元件100的永久基板可为绝缘材料与高导热率材料复合而成。其中绝缘材料可为陶瓷材料、玻璃、或高分子材料，高导热率材料可为银、铜、石墨、碳化硅、或金。且在高导热率材料区域具有多个热传导通孔140，以达到散热的功效。
请参照图3，分别于发光二极管元件100的第一电性半导体层110上表面未覆盖电极的区域及第二电性半导体层114上表面未覆盖电极的区域形成一出光微结构136，其形状可以是柱状、Fresnel透镜状、锯齿状等，此出光微结构目的为增加光取出效率。请参照图4，也可于发光二极管元件100的第一电性半导体层110上表面未覆盖电极的区域及第二电性半导体层114上表面未覆盖电极的区域形成一光子晶体(photonic crystal)结构137。此光子晶体结构可使得局限于发光二极管中的光不会向任意方向发射，大幅增加了光导向上方发射机会，进而降低发光二极管发散角并提升其效率。
本发明第二实施例发光二极管元件200的工艺，前半段工艺与实施例一工艺图1A至1D相同。再参照图5A，将成长基板101藉由化学选择性蚀刻或研磨方式去除。请参照图5B，依序于第一电性半导体层110下方形成一绝缘反射层124及一金属粘接层126。接着，如图5C所示切割金属粘接层126及绝缘反射层124，再于图形化半导体结构118及绝缘反射层124的侧壁形成一绝缘层127，如图5D所示。
请参照图5E，提供一永久基板103，包含一第一平面103a及一第二平面103b；其材料可为陶瓷材料、玻璃、复合材料、或高分子材料。于永久基板103形成多个孔洞以贯通整个永久基板，并将多个孔洞充填导电物质130；分别于永久基板的第一平面103a及第二平面103b分别形成第一电极132a及第二电极132b。藉由金属粘接层126将图5D的结构与图5E的永久基板黏接，并移除暂时基板102及连接层122，如图5F所示。再藉由电镀或镀膜相关工艺形成电性连接结构134，将发光二极管元件的第三电极120a，第四120b与永久基板上的第一电极132a做连接，如图5G所示。最后切割形成如图5H所示结构的发光二极管元件200。发光二极管元件200藉由永久基板上的第二电极132b与发光装置的电路板电性连接，不须再藉由连接次载体达到散热效果。
请参照图6，分别于发光二极管元件200的第一电性半导体层110上表面未覆盖电极的区域及第二电性半导体层114上表面未覆盖电极的区域形成一出光微结构136，其形状可以是柱状、Fresnel透镜状、锯齿状等，此出光微结构目的为增加光取出效率。请参照图7，也可于发光二极管元件200的第一电性半导体层110上表面未覆盖电极的区域及第二电性半导体层114上表面未覆盖电极的区域形成一光子晶体(photonic crystal)结构137。此光子晶体结构可使得局限于发光二极管中的光不会向任意方向发射，大幅增加了光导向上方发射机会，进而降低发光二极管发散角并提升其效率。
以下配合图8A～图8G描述本发明第三实施例发光二极管元件300的工艺。首先，请参照图8A，提供一成长基板101，包含一第一平面101a及一第二平面101b，其材料为砷化镓(GaAs)，于成长基板101的第一平面101a上形成一外延结构116。外延结构116藉由一外延工艺所形成，例如有机金属气相沉积外延法(MOCVD)、液相外延法(LPE)或分子束外延法(MBE)等外延工艺。此外延结构116至少包含一第一电性半导体层110，例如为一n型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yP层；一有源层112，例如为磷化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yP所形成的多重量子阱结构；以及一第二电性半导体层114，例如为一p型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yP层。另外，本实施例的有源层112可由例如同质结构、单异质结构、双异质结构、或是多重量子阱结构所堆叠而成。接着，形成一透明粘接层138于外延结构116之上。
请参照图8B，提供一永久基板103，包含一第一平面103a及一第二平面103b；其材料可为陶瓷材料、玻璃、复合材料、或高分子材料。于永久基板103形成多个孔洞以贯通整个永久基板，并将多个孔洞充填导电物质130；分别于永久基板的第一平面103a及第二平面103b分别形成第一电极132a及第二电极132b。接着，在永久基板的第一平面103a上除了第一电极132a区域外形成一透明黏接层138。藉由透明粘接层138将图8A的结构与图8B的永久基板黏接，如图8C所示。请参照图8D，将成长基板101藉由化学选择性蚀刻或研磨方式去除，将外延结构116及透明黏接层138蚀刻形成图型化半导体结构118。请参照图8E，分别在第一电性半导体层110及第二电性半导体层114之上形成一第三电极120a及一第四电极120b。再于图形化半导体结构118的侧壁形成一绝缘层127。接着，藉由电镀或镀膜相关工艺形成电性连接结构134，将发光二极管元件的第三电极120a，第四120b与永久基板上的第一电极132a做连接，如图8F所示。切割形成如图8G所示结构的发光二极管元件300。发光二极管元件300藉由永久基板上的第二电极132b与发光装置的电路板电性连接，不须再藉由连接次载体达到散热效果。
请参照图9，分别于发光二极管元件300的第一电性半导体层110上表面未覆盖电极的区域及第二电性半导体层114上表面未覆盖电极的区域形成一出光微结构136，其形状可以是柱状、Fresnel透镜状、锯齿状等，此出光微结构目的为增加光取出效率。请参照图10，也可于发光二极管元件300的第一电性半导体层110上表面未覆盖电极的区域及第二电性半导体层114上表面未覆盖电极的区域形成一光子晶体(photonic crystal)结构137。此光子晶体结构可使得局限于发光二极管中的光不会向任意方向发射，大幅增加了光导向上方发射机会，进而降低发光二极管发散角并提升其效率。
在晶粒工艺的布局也可以采用多电极串联设计以达到交流电操作需求，且永久基板可以内埋相关无源元件如电阻或电容，可以达到节省空间的设计。
以上提供的实施例用以描述本发明不同的技术特征，但根据本发明的概念，其可包括或运用于更广泛的技术范围。须注意的是，实施例仅用以揭示本发明工艺、装置、组成、制造和使用的特定方法，并不用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。因此，本发明的保护范围，当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种发光二极管元件，包括：
永久基板，其中该永久基板具有第一平面及第二平面；
第一电极位于该永久基板的该第一平面上；
黏接层位于该永久基板的第一平面上除该第一电极之外区域；
图形化半导体结构，位于该黏接层之上，其中该图形化半导体结构至少包括第一型半导体层和第二型半导体层；
第三电极及第四电极，位于该图形化半导体结构上，且分别与该第一型半导体层和该第二型半导体层电性连结；
电性连接结构，位于该图形化半导体结构的侧壁，且为该第三电极和该第四电极与该第一电极之间电性连接；及
绝缘层，位于该图形化半导体结构的侧壁与该电性连接结构之间，以电性隔绝该图形化半导体结构与该电性连接结构。
2.如权利要求1所述的发光二极管元件，还包括位于该黏接层与该图形化半导体结构之间的成长基板，其中该成长基板可以磨薄或移除。
3.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该永久基板还具有热传导通孔。
4.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该永久基板可以内埋无源元件，且该无源元件与该图形化半导体结构之间可以串联或并联方式电性连接。
5.如权利要求2所述的发光二极管元件，还包括位于该成长基板与该黏接层之间的反射层。
6.如权利要求1所述的发光二极管元件，还包括出位于该图形化半导体结构之上的光微结构，其中该出光微结构的形状可为柱状、Fresnel透镜状、或锯齿状。
7.如权利要求1所述的发光二极管元件，还包括位于该图形化半导体结构之上的光子晶体结构。
8.如权利要求1所述的发光二极管元件，还包括位于该永久基板的该第二平面上的第二电极。
9.如权利要求8所述的发光二极管元件，其中该永久基板具有多个充填导电物质的孔洞，以导通该第一电极与该第二电极。
10.一种以交流电操作的光电元件，包括：
电路板；以及
多个发光二极管元件位于该电路板之上，其中该发光二极管元件由权利要求1所述的结构而成。
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