CN102034904A - 高亮度发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种高亮度发光二极管，包括一承载基板以及一设置于所述承载基板上的外延迭层。所述承载基板包括一金属材料与一介质，且所述介质的热膨胀系数小于所述金属材料的热膨胀系数。

Description

高亮度发光二极管

技术领域

本发明是关于一种发光二极管(light emitting diode，LED)，尤指一种具有金属基板的高亮度发光二极管。

背景技术

发光二极管是利用半导体材料所制作而成的组件，并且是一种接受电力后可将电能转换为光能的自主性固态发光(solid sate lighting，SSL)组件。发光二极管因体积小以及驱动电压低、反应速率快等较佳的电力效率，广泛地应用在日常生活的各式电子产品，如一般照明、广告牌以及显示器背光源等用途中。

请参阅图1至图6，其中图1与图2是一公知发光二极管的剖面示意图；而图3至图6则为一公知垂直式发光二极管的剖面示意图。如图1所示，发光二极管100的公知制作方法首先提供一蓝宝石(sapphire)基板102，随后利用外延(epitaxial)方法依序在蓝宝石基板102上形成缓冲层(图未示)、n型半导体层104、活性层(active layer)106与p型半导体层108，其中n型半导体层104与p型半导体层108即包括上述的三族氮化物；而n型半导体层104、活性层106与p型半导体层108构成发光结构，其外延材料可为三族氮化物，如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)与氮化铝铟镓(AlInGaN)等。

请参阅图2。由于蓝宝石为电和热的不良导体，故使用蓝宝石为基板的发光二极管100必须移除部分的p型半导体层108、活性层106与n型半导体层104，而暴露出部分的n型半导体层104，再将电极112、114分别制作于p型半导体层108与暴露的n型半导体层104上。此一发光二极管的电极设计方式如同传统发光二极管，是将p型半导体层108与的n型半导体层104的电极112、114设置于同一边。

为了获得均匀的电流分布以及提升散热效果，公知技术亦发展出利用导电基板置换蓝宝石基板，以提升发光二极管散热效率的方法，如中兴大学于2005年9月所发表的「High-Power GaN-Mirror-Cu Light-Emitting Diodes for Vertical Current Injection Using Laser Litfoff and Electroplating Techniques」所教导：请参阅图3，在蓝宝石基板102上完成缓冲层(图未示)与n型半导体层104、活性层106与p型半导体层108等发光结构后，如图4所示于p型半导体层108上表面形成一较厚的铜层作为金属基板110；随后如图5所示利用激光将蓝宝石基底102剥离(lift-off)，而此一高导热与导电的金属基板110即用以取代蓝宝石基板102。接下来如第6图所示，于金属基板110上形成一P型半导体层108的电极(图未示)；以及于n型半导体层104上形成电极114，最后再通过芯片的切割获得个别的垂直式发光二极管150。

由于新一代照明用的发光二极管多具有高电流密度的特性，因此芯片散热的好坏将直接影响到发光二极管的发光效率及可靠度。金属基板110虽具有高导热的特性，但是金属与发光二极管100发光结构的半导体材料的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，以下简称为CTE)差异常使得发光二极管100在操作时产生应力，甚至造成金属基板110的翘起并导致发光二极管的损坏。另外，在使用金属基板110取代蓝宝石基板102时，金属层的厚度需大于100微米(micrometer，μm)，用来提供足以支持发光二极管100的硬度，但此金属基板110的厚度却使得在分离芯片以获得个别的发光二极管100时，切割速率难以提升，故具有金属基板110的垂直式发光二极管150亦苦于产率无法提高的困境。

因此，如何在维持不牺牲发光二极管散热能力的前提下，避免不同材质间CTE差异而造成的应力及其可能导致的损坏，同时提升发光二极管的产率，仍为业界亟欲解决的问题。

发明内容

因此，本发明的一目的是为提供一种高亮度发光二极管及其制作方法，该高亮度发光二极管是具有良好的散热能力，同时可降低其不同材质间的应力、提升发光二极管的产率。

根据本发明的权利要求，提供一种高亮度发光二极管，所述高亮度发光二极管包括一承载基板，以及一设置于所述承载基板上的外延迭层。所述承载基板进一步包括一金属材料与一介质，而所述介质的热膨胀系数(CTE)小于所述金属材料的热膨胀系数。

根据本发明的权利要求，进一步提供一种高亮度发光二极管的制作方法，所述方法首先提供一暂时基板，随后于所述暂时基板上形成一外延迭层，接下来于所述外延迭层上形成一承载基板，所述承载基板进一步包括一金属材料与一介质，且所述介质的热膨胀系数小于所述金属材料的热膨胀系数。最后进行一剥离步骤，以分离所述外延迭层与所述暂时基板。

根据本发明所提供的高亮度发光二极管及其制作方法，其承载基板中包括的介质用以调变金属的CTE，从而降低承载基板与外延迭层间CTE的差异，避免应力的产生。另外，通过介质的加入亦可调整承载基板的硬度，故更可降低承载基板的厚度，有效地降低芯片切割时间，提高产率。

附图说明

图1与图2为一公知发光二极管的结构示意图；

图3至第6图为一公知垂直式发光二极管的剖面示意图；

图7图至图10为本发明所提供的高亮度发光二极管的一较佳实施例的制作流程剖面示意图。

其中，附图标记说明如下：

100    发光二极管    102    蓝宝石基板

104        n型半导体层         106    活性层

108        p型半导体层         110    金属基板

112、114   电极                150    垂直式发光二极管

200        垂直式发光二极管    202    暂时基板

210        磊晶复合层          212    缓冲层

214        n型外延层           216    活性层

218        p型外延层           220    接触层

230        承载基板            240    电极

具体实施方式

请参阅图7至图10，图7至图10为本发明所提供的高亮度发光二极管的一优选实施例的制作流程剖面示意图。如图7所示，首先提供一暂时基板202，暂时基板202的材质选自与后续成长于其上的外延层晶格较匹配的材料，例如蓝宝石、碳化硅(SiC)或砷化镓(GaAs)等，而在本优选实施例中是以蓝宝石作为暂时基板202。接下来于暂时基板202上依序形成一缓冲层212、一n型外延层214、一活性层216与一p型外延层218，其中活性层216即为发光层，其可为一多重量子井(multiple quantum well，MQW)结构。n型外延层214、活性层216与p型外延层218是构成一外延迭层210。由于本优选实施例中的缓冲层与外延迭层210所包括的各组件层及其适用的材料如三族氮化物半导体材料为本技术领域中具公知常识者所熟知的，故于此不再赘述。

请参阅图8。接下来于外延迭层210上，即p型外延层218上形成一接触层220，接触层220包括透光导电材料，其可选自镍(Ni)、金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铬(Cr)、铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)与铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)及其合金所构成族群中的任一者。

请继续参阅图8。在形成接触层220之后，利用蒸镀、溅镀、电镀或无电极电镀等方法于接触层220上形成一承载基板230。承载基板230主要包括一金属材料层，因此亦可视为一金属基板，其金属材料选自铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)及其合金所构成族群中的任一者。请参阅表格一，由于金属材料的导热性极佳，因此可大大地提升发光二极管的散热能力。

表格一

如表格一所示，铜的CTE为16.5ppm/k、镍的CTE为13.3ppm/k，而钴的CTE为13.36ppm/k，上述金属的CTE都非常大，因此本发明在进行蒸镀、溅镀、电镀或无电极电镀等方法时，进一步掺入了CTE小于金属CTE的介质，较佳为CTE小于(＜)5ppm/k的介质，其可选自钻石(diamond)微粒、类钻碳(diamond-like carbon)微粒、氧化硅(SiO₂)微粒、氮化硅(Si₃N₄)微粒、钛酸锶(SrTiO₃)微粒、钇铝石榴石(Yttrium Aluminum，Y₃Al₅O₁₂)微粒、氧化锆(ZrO₂)微粒、碳化硅(SiC)微粒所组成的一族群。掺入的介质用以调变承载基板230的CTE、平衡承载基板230与外延迭层210的CTE不匹配问题，故可有效地避免发光二极管在操作中因承载基板230与外延迭层210的CTE差异造成应力并导致发光二极管的损坏。另外，为避免掺入的介质影响金属材料的导热能力，本发明的金属材料与调变CTE用的介质具有一比值，而所述比值介于0.1～1。

由于钻石的导热能力是铜的四倍，且根据表格一可知其CTE为1.1ppm/k，因此在本优选实施例中承载基板230掺入的介质是以钻石为例，且金属材料与钻石的比例为4∶6，以于提升承载基板230的散热能力的同时调变金属基板的CTE。除了高导热、低CTE的特点外，钻石更享有高硬度的优势，可进一步提升承载基板230的支持能力，因此在公知垂直式发光二极管中，厚度约100μm的承载金属基板可通过本发明所提供的技术降低至70μm以下，大幅降低形成承载基板230的工艺时间与成本。而电镀承载基板230的方法可参阅熊本县工业技术学院(Kumamoto Industrial Research Institute)于2005年所发表的「Composite electroplating of Ni and surface-modified diamond particles with silane coupling regent」：利用硅烷耦合剂(silane coupling reagent)对钻石微粒进行表面处理，使钻石微粒表面具有全氟族(perfluoro group)，而形成充氧表面(oxygenated surface)。而此一表面改质钻石微粒(surface-modified diamond particles)是悬浮(suspend)于镀镍瓦特浴(Watts nickel bath)中，并通过接口活性剂(surfactant)确保钻石微粒随着工艺电镀于镍层中。据此，可获得一具有金属材料与调变CTE用的介质的金属层，作为承载基板230。当然，熟悉本技术领域的人士应知任何适用于蒸镀、溅镀、电镀或无电极电镀的方法皆可用于形成本发明所提供的具有金属材料与介质的承载基板230，而不限于此。

请参阅图9。接下来，翻转暂时基板202与其上的各膜层，并利用研磨技术、化学蚀刻技术或激光剥除(Laser lift-off)技术等方法移除缓冲层212与暂时基板202，而暴露出外延迭层210的n型外延层214。

请参阅图10。在移除暂时基板202之后，于剩余的外延迭层210相对于接触层220的另一表面，即n型外延层214上形成一电极240。电极240与接触层220相同，进一步包括透光导电层，可选自镍、金、铝、银、铂、钯、铬、ITO与IZO及其合金所构成族群中的任一者。在本优选实施例中，接触层220与电极240是作为接触电极，除了可提供良好的奥姆接触外，利用其设置于不同侧的特性，达到分散电流、使电流分布更均匀的目的。最后，进行切割制程，以形成个别的垂直式发光二极管200。由于本优选实施例所提供的承载基板230厚度小于(＜)70μm，因此在切割个别芯片时，更可有效地降低切割工艺的时间进而提升产率。

根据本发明所提供的高亮度发光二极管，其承载基板中包括的介质是用以调变金属基板的CTE，在不影响承载基板的散热能力的前提下降低承载基板与外延迭层间CTE的差异，避免操作高亮度发光二极管时应力的产生；且根据不同介质的加入，甚至可提升承载基板的散热能力，故本发明所提供的高亮度发光二极管更适用于操作温度较高的环境，如汽车内部，因此可提升高亮度发光二极管的利基点。另外，通过介质的加入亦可调整承载基板的硬度，更可降低承载基板的厚度，有效地降低承载基板的形成工艺时间与芯片切割时间，从而提高单位时间的产率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种高亮度发光二极管，其特征在于包括：

一承载基板，所述承载基板进一步包括一金属材料与一介质；以及

一外延迭层，设置于所述承载基板上；其中

所述介质的热膨胀系数小于所述金属材料的热膨胀系数。

2.如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其中所述金属材料选自铜、镍、钴及其合金所构成族群中的任一者。

3.如权利要求1项所述的高亮度发光二极管，其中所述介质选自钻石微粒、类钻碳微粒、氧化硅微粒、氮化硅微粒、钛酸锶微粒、钇铝石榴石微粒、氧化锆微粒、碳化硅微粒所组成的一族群。

4.如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其中所述介质的热膨胀系数＜5ppm/k。

5.如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其中所述金属材料与该介质具有一比值，且所述比值介于0.1～1。

6.如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其中所述承载基板具有一厚度，且所述厚度＜70微米。

7.如权利要求1所述的高亮度发光二极管，进一步包括一接触层，设置于所述外延迭层与所述承载基板之间。

8.如权利要求7所述的高亮度发光二极管，进一步包括一电极，设置于所述外延迭层相对于所述接触层的另一表面。

9.如权利要求8所述的高亮度发光二极管，其中所述接触层与所述电极进一步包括透光金属层。

10.如权利要求9所述的高亮度发光二极管，其中所述接触层与所述电极选自镍、金、铝、银、铂、钯、铬、铟锡氧化物与铟锌氧化物及其合金所构成族群中的任一者。

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