CN102194968B - 发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管。此发光二极管包括接合基板、第一电性电极、接合层、外延结构、第二电性电极、生长基板与封胶层。第一电性电极与接合层分别设于接合基板的第二表面与第一表面上。外延结构包括依序堆叠在接合层上的第一电性半导体层、有源层与第二电性半导体层。第一电性半导体层与第二电性半导体层的电性不同。外延结构的外围环状设置有沟槽自第二电性半导体层延伸至第一电性半导体层。第二电性电极与第二电性半导体层电性连接。生长基板设于外延结构上。生长基板具有一凹槽以暴露出部分的外延结构与沟槽。封胶层填设于凹槽中。

Description

发光二极管

技术领域

本发明是有关于一种发光元件，且特别是有关于一种发光二极管(LED)及其制造方法。

背景技术

目前，发光二极管的封装工艺主要是将发光二极管芯片固定在可提供保护的封装支架上，再覆盖一层封胶来保护发光二极管芯片。封装支架除了提供给发光二极管芯片良好的保护外，也需要将外部电路的电源供应给发光二极管芯片，以供发光二极管芯片操作之用。

然而，为了达到上述的封装目的，通常会使得封装结构的体积大幅增加，也会增加制作成本。因此，亟需一种可缩减发光二极管的体积与降低制作成本的技术，以降低元件成本，并可符合元件的轻薄短小的趋势。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供一种发光二极管及其制造方法，其生长基板可取代封装支架，故可缩减发光二极管的封装结构的体积，并可降低制作成本。

本发明的另一目的在于提供一种发光二极管及其制造方法，其可将水平电极式的发光二极管的两个电极的传导位置调整至封装结构的同一侧，因此可省略引线键合步骤，并可直接将发光二极管设置于电路板。所以，可增加发光二极管元件的出光面积，更可避免掉传统设计中引线键合良率不佳的问题。

本发明的又一目的在于提供一种发光二极管及其制造方法，其可利用基板置换技术，来提升发光二极管的散热效率，因此可提升发光二极管的寿命与光电特性稳定度。

根据本发明的上述目的，提出一种发光二极管。此发光二极管包括接合基板、第一电性电极、接合层、外延结构、第二电性电极、生长基板以及封胶层。其中，第一电性与第二电性为不同电性。接合基板包括相对的第一表面与第二表面。第一电性电极设于接合基板的第二表面上。接合层设于接合基板的第一表面上。外延结构包括依序堆叠在接合层上的第一电性半导体层、有源层与第二电性半导体层，其中外延结构的外围环状设置有一沟槽，此沟槽自第二电性半导体层延伸至第一电性半导体层。第二电性电极与第二电性半导体层电性连接。生长基板设于外延结构上，其中生长基板具有一凹槽以暴露出部分的外延结构与沟槽。封胶层填设于凹槽中。

依据本发明的一实施例，上述的第二电性电极位于第二电性半导体层上，且凹槽暴露出第二电性电极。

依据本发明的另一实施例，上述的发光二极管还包括一接触孔，其中该接触孔自第一电性电极延伸至第二电性半导体层，且接触孔暴露出第二电性半导体层的一部分。

根据本发明的上述目的，另提出一种发光二极管的制造方法，包括下列步骤。提供生长基板。形成外延结构于生长基板上，其中此外延结构包括依序堆叠在生长基板上的第二电性半导体层、有源层与第一电性半导体层。第一电性半导体层与第二电性半导体层的电性不同。利用接合层来接合第一电性半导体层与接合基板的第一表面，其中接合基板还包括第二表面相对于第一表面。形成一凹槽于生长基板中，其中该凹槽暴露出部分的外延结构。形成一沟槽于外延结构中，其中该沟槽环状设置于外延结构的外围，且自第二电性半导体层延伸至第一电性半导体层。形成第二电性电极与第二电性半导体层电性连接。形成第一电性电极于接合基板的第二表面上。形成封胶层填入凹槽中。

依据本发明的一实施例，上述形成第二电性电极的步骤还包括使第二电性电极位于第二电性半导体层的暴露部分上。

依据本发明的另一实施例，上述方法于形成第二电性电极的步骤前，还包括形成一接触孔，该接触孔自第一电性电极延伸至第二电性半导体层中，其中该接触孔暴露出第二电性半导体层的一部分。此外，上述的第二电性电极形成于第二电性半导体层的暴露部分上。

根据上述实施例，应用本揭示可缩减发光二极管的封装结构的体积、降低制作成本、增加发光二极管元件的出光面积、提升工艺良率以及增进发光二极管的寿命与光电特性稳定度。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1A至图1F是绘示依照本发明的实施方式的一种发光二极管的工艺剖面图。

图2A至图2F是绘示依照本发明的另一实施方式的一种发光二极管的工艺剖面图。

图3A与图3B是绘示依照本发明的又一实施方式的一种发光二极管的工艺剖面图。

【主要元件符号说明】

100：生长基板              104：表面

108：未掺杂半导体层        112：有源层

116：外延结构              120：反射层

124：接合基板              128：表面

132：沟槽                  136：底面

140：侧面                  144：厚度

148：保护层                152：第一电性电极

156：封胶层                160：第一接触孔

164：隔离层                168：接触孔

172：侧面                  176：发光二极管

180：发光二极管            102：表面

106：缓冲层                110：第二电性半导体层

114：第一电性半导体层      118：第一电性接触层

122：接合层                126：表面

130：凹槽                  134：侧壁

138：侧面                  142：高度

146：第二电性电极          150：反射层

154：光学材料层            158：发光二极管

162：第二电性金属电极层    166：第二接触孔

170：底面                  174：色缘层

178：光学结构        θ：夹角

具体实施方式

请参照图1A至图1F，其是绘示依照本发明的实施方式的一种发光二极管的工艺剖面图。在本实施方式中，制作发光二极管时，先提供生长基板100。生长基板100具有相对的表面102与104。生长基板100的材料可例如包括氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)或砷化镓(GaAs)。

接着，利用例如外延生长方式，在生长基板100的表面102上形成外延结构116。在一实施例中，外延结构116可包括依序堆叠在生长基板100的表面102上的第二电性半导体层110、有源层112与第一电性半导体层114。其中，第一电性半导体层114与第二电性半导体层110具有不同的导电性。例如，第一电性半导体层114与第二电性半导体层110其中之一为n型，另一个则为p型。在图1A所示的实施例中，外延结构116更进一步包括缓冲层106与未掺杂半导体层108。其中，缓冲层106先形成于生长基板100的表面102上，未掺杂半导体层108再生长于缓冲层106，接着才依序生长第二电性半导体层110、有源层112与第一电性半导体层114。外延结构116的材料可包括氮化铟铝镓(InAlGaN)系材料或磷化铟铝镓(InAlGaP)系材料。

在一实施例中，可选择性地形成第一电性接触层118覆盖在第一电性半导体层114上，以提升元件的电性品质。第一电性接触层118可与第一电性半导体层114形成欧姆接触。第一电性接触层118可为单层结构或多层结构，例如可为镍和金的叠层结构、镍和银的叠层结构、氧化铟锡层、氧化锌层、氧化锌镓(GZO)层、氧化锌铝(AZO)层或氧化铟层。此外，如图1A所示，更可依产品需求，而选择性地形成反射层120覆盖在第一电性接触层118上，以提升元件的发光亮度。反射层120可例如包括高反射特性的金属层或布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)。在一实施例中，反射层120的材料可包括铝、银或铂。

接着，如图1B所示，可形成接合层122于反射层120上。接合层122的材料可例如为金属。接下来，先提供接合基板124，其中此接合基板124包括相对的表面126与128。接合基板124的材料可采用高导电与高散热特性的材料。在一实施例中，接合基板124的材料可包括硅、铝、铜、钼、镍、或铜钨合金。再利用接合层122来接合反射层120与接合基板124的表面126，以接合外延结构116的第一电性半导体层114与接合基板124，如图1C所示。在另一实施例中，接合层122亦可先形成于接合基板124的表面126上，再利用接合层122来结合外延结构116与接合基板124。

接着，利用例如干蚀刻或湿蚀刻方式移除部分的生长基板100，以在生长基板100中形成凹槽130，而使生长基板100形成具有侧壁134的环状结构。其中，凹槽130暴露出大部分的外延结构116。在一实施例中，生长基板100的高度142可例如介于0.5微米至400微米之间，侧壁134的厚度144可例如介于1微米至200微米之间。此外，侧壁134与外延结构116之间的夹角θ可例如介于90度与180度之间，以利将光朝元件的外侧反射。凹槽130的主视图的形状可例如为矩形、圆形、椭圆形、正方形或菱形。

然后，利用蚀刻方式来移除部分的外延结构116，以在外延结构116中形成沟槽132。其中，沟槽132环状地设置于外延结构116的外围。此外，如图1D所示，沟槽132自缓冲层106并经由第二电性半导体层110而延伸至第一电性半导体层114。沟槽132包括侧面138与140、以及底面136，其中侧面138与侧壁134的内侧接合。

接着，如图1E所示，形成第二电性电极146于凹槽130所暴露出的外延结构116上，并使第二电性电极146直接或间接地与第二电性半导体层110接合。而且，形成第一电性电极152覆盖在接合基板124的表面128上。在一实施例中，第一电性电极152可例如包括共晶金属(eutectic metal)或非共晶金属。共晶金属可包括金锡、银锡、银锡铜、金锡铜或金铍。而非共晶金属可包括金、铂、铬、钛、镍或铝。

接下来，可选择性地形成保护层148覆盖在部分的第二电性电极146、外延结构116的暴露部分、以及沟槽132的侧面140与底面136上，以避免元件操作时产生短路。保护层148的材料可例如包括二氧化硅、氮化硅、旋涂玻璃、二氧化钛或氧化铝。接下来，形成反射层150覆盖在侧壁134与沟槽132的侧面138上，以利于将元件所发出的光朝外反射。反射层150可例如包括高反射特性的金属层或布拉格反射镜。在一实施例中，金属层150的材料可包括铝、银或铂。

接着，如图1F所示，可选择性地形成光学材料层154，例如光谱转换材料层或光散射材料层，覆盖在凹槽130中外延结构116的暴露部分之上。光学材料层154为光谱转换材料层时，例如荧光粉层，光学材料层154可改变元件的发光光谱的频宽。另外，光学材料层154为光散射材料层时，可提升元件的光取出效率。然后，形成封胶层156填入凹槽130中，以保护外延结构116，而完成发光二极管158的制作。

请参照图2A至图2F，其是绘示依照本发明的另一实施方式的一种发光二极管的工艺剖面图。在本实施方式中，先形成如图1B所示的结构。再利用例如光刻蚀刻方式进行定义，以移除部分的接合层122、部分的反射层120、部分的第一电性接触层118、部分的第一电性半导体层114、部分的有源层112与部分的第二电性半导体层110，从而形成第一接触孔160自接合层122经第一电性半导体层而延伸至第二电性半导体层110如图2A所示。第一接触孔160暴露出部分的第二电性半导体层110。

接下来，形成第二电性电极146于第二电性半导体层110的暴露部分上。如图2B所示，再形成隔离层164填充第一接触孔160，以在后续工艺中保护第二电性电极146。

接着，提供接合基板124。再利用接合层122来接合外延结构116上的反射层120与接合基板124的表面126。接下来，可依产品需求，而选择性地移除部分的接合基板124，以缩减接合基板124的厚度。然后，如图2C所示。形成第一电性电极152于接合基板124的表面128上。

接下来，利用例如光刻与蚀刻方式，对第一电性电极152与接合基板124进行定义，以在第一电性电极152与接合基板124中形成第二接触孔166。再移除隔离层164，以打开第一接触孔160。第二接触孔166与第一接触孔160接合而构成接触孔168。因此，接触孔168自第一电性电极152延伸至第二电性半导体层110中，且接触孔168暴露出第二电性半导体层110的一部分。接触孔168包括底面170与侧面172。在一实施例中，接触孔168的孔径可例如≥1微米且≤100微米。此外，接触孔168的深度可例如介于10微米与400微米之间。

在另一实施例中，可先在接合基板124的表面126中形成第二接触孔166的一部分，待薄化接合基板124后，即可将第二接触孔166的此一部分开启。因此，无需再对接合基板124进行蚀刻。

接着，形成第二电性电极146于第二电性半导体层110的暴露部分上。第二电性电极146仅位于接触孔168的底面170的一部分上。然后，如图2D所示，形成绝缘层174覆盖在第二电性电极146的一部分、以及接触孔168暴露出的底面170与侧面172上，以电性隔离后续形成的第二电性金属电极层162(请参照图2F)与接触孔168的侧面172。绝缘层174可进一步延伸于接触孔168的开口附近的第一电性电极152上。

接着，利用例如干蚀刻或湿蚀刻方式移除部分的生长基板100，以在生长基板100中形成凹槽130，而使生长基板100形成具有侧壁134的环状结构。凹槽130暴露出大部分的外延结构116。如图2E所示，再利用蚀刻方式来移除部分的外延结构116，以在外延结构116中形成沟槽132。沟槽132环状设置于外延结构116的外围，且沟槽132自缓冲层106并经由第二电性半导体层110而延伸至第一电性半导体层114。沟槽132的侧面138与侧壁134的内侧接合。

在本实施方式中，凹槽130与接触孔168的制作顺序可依工艺需求而改变，亦即可先制作凹槽130再制作接触孔168。

接着，可形成第二电性金属电极层162填满接触孔168。第二电性金属电极层162与第二电性电极146接触而呈电性连接。此外，可选择性地形成保护层148覆盖在外延结构116的暴露部分、以及沟槽132的侧面140与底面136上，以避免元件操作时产生短路。接下来，形成反射层150覆盖在侧壁134与沟槽132的侧面138上，以利将元件所发出的光朝外反射。

接着，可选择性地形成光学材料层154，例如光谱转换材料层或光散射材料层，覆盖在凹槽130中外延结构116的暴露部分之上。然后，如图2F所示，形成封胶层156填入凹槽130中，以保护外延结构116，而完成发光二极管176的制作。

请参照图3A与图3B，其是绘示依照本发明的又一实施方式的一种发光二极管的工艺剖面图。在本实施方式中，先形成如图2D所示的结构。再利用例如蚀刻方式，移除部分的生长基板100，以在生长基板100中形成凹槽130。在形成凹槽130的同时，可通过控制蚀刻工艺参数，使生长基板100成为包括光学结构178与侧壁134的环状结构。光学结构178可位于外延结构116的中央区域上。光学结构178的侧视形状可例如为矩形、圆锥、角锥或半椭球形等。在另一实施例中，光学结构178的侧视形状可为多循环结构，例如凸状循环结构、波浪状结构、三角状循环结构等。其中，光学结构178可为规则排列的结构或不规则排列的结构，例如为菲涅耳透镜(FresnelLens)、光栅或光子晶体等。光学结构178的高度可例如介于0.5微米与400微米之间。

如图3A图所示，再利用蚀刻方式来移除部分的外延结构116，以在外延结构116中形成沟槽132。沟槽132环状设置于外延结构116的外围，且沟槽132自缓冲层106并经由第二电性半导体层110而延伸至第一电性半导体层114。沟槽132的侧面138与侧壁134的内侧接合。

接着，可形成第二电性金属电极层162填满接触孔168。第二电性金属电极层162与第二电性电极146接触而呈电性连接。此外，可选择性地形成保护层148覆盖在沟槽132的侧面140与底面136上，以避免元件操作时产生短路。接下来，形成反射层150覆盖在侧壁134与沟槽132的侧面138上，以利将元件所发出的光朝外反射。

接着，可选择性地形成光学材料层154，例如光谱转换材料层或光散射材料层，覆盖在光学结构178上。然后，如图3B所示，形成封胶层156填入凹槽130中，以保护外延结构116，而完成发光二极管180的制作。

由上述可知，本发明的实施方式优点之一就是因为可利用生长基板取代封装支架，因此可缩减发光二极管的封装结构的体积，并可降低制作成本。

由上述可知，本发明的实施方式的另一优点为其可将水平电极式的发光二极管的两个电极的传导位置调整至封装结构的同一侧，因此可省略引线键合步骤，并可直接将发光二极管设置于电路板上。因此，可增加发光二极管元件的出光面积，更可避免掉传统设计中引线键合良率不佳的问题。

由上述可知，本发明的实施方式的又一优点为其可利用基板置换技术，来提升发光二极管的散热效率，因此可提升发光二极管的寿命与光电特性稳定度。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种发光二极管，包括：

接合基板，包括相对的第一表面与第二表面；

第一电性电极，设于该接合基板的第二表面上；

接合层，设于该接合基板的第一表面上；

外延结构，包括依序堆叠在该接合层上的第一电性半导体层、有源层与第二电性半导体层，该第一电性半导体层与该第二电性半导体层的电性不同，其中该外延结构的外围环状设置有一沟槽，该沟槽自该第二电性半导体层延伸至该第一电性半导体层，该环状的沟槽具有第一侧面和位于该第一侧面内侧的第二侧面；以及

第二电性电极，与该第二电性半导体层电性连接；

生长基板，设于该外延结构上，其中该生长基板具有一凹槽，该凹槽暴露出部分的该外延结构与该沟槽，且该凹槽的内壁与该沟槽的第一侧面接合。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其中该接合基板的材料包括硅、铝、铜、钼、镍或铜钨合金。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第一电性电极包括共晶金属或非共晶金属，该共晶金属包括金锡、银锡、银锡铜、金锡铜或金铍，该非共晶金属包括金、铂、铬、钛、镍或铝。

4.如权利要求1所述的发光二极管，还包括第一电性接触层，其中该第一电性接触层介于该接合层与该第一电性半导体层之间。

5.如权利要求4所述的发光二极管，其中该第一电性接触层包括镍和金的叠层结构、镍和银的叠层结构、氧化铟锡层、氧化锌层、氧化锌镓层、氧化锌铝层或氧化铟层。

6.如权利要求4所述的发光二极管，还包括反射层，其中该反射层介于该第一电性接触层与该接合层之间。

7.如权利要求1所述的发光二极管，其中该外延结构还包括：

未掺杂半导体层，位于该第二电性半导体层上；以及

缓冲层，位于该生长基板与该未掺杂半导体层之间。

8.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第二电性电极位于该第二电性半导体层上，且该凹槽暴露出该第二电性电极。

9.如权利要求8所述的发光二极管，还包括保护层，其中该保护层覆盖在部分的该第二电性电极、该外延结构的暴露部分、以及该沟槽的第二侧面与底面上。

10.如权利要求1所述的发光二极管，还包括接触孔，其中该接触孔自该第一电性电极延伸至该第二电性半导体层，且该接触孔暴露出该第二电性半导体层的一部分。

11.如权利要求10所述的发光二极管，其中该第二电性电极位于该第二电性半导体层的该部分上。

12.如权利要求11所述的发光二极管，还包括：

绝缘层，覆盖在部分的该第二电性电极、以及该接触孔的底面与侧面上；以及

第二电性金属电极层，填满该接触孔。

13.如权利要求12所述的发光二极管，还包括保护层，其中该保护层覆盖在该外延结构的暴露部分、以及该沟槽的第二侧面与底面上。

14.如权利要求12所述的发光二极管，还包括光学结构，其中该光学结构位于该外延结构的该暴露部分上，其中该光学结构为该生长基板的一部分。

15.如权利要求1所述的发光二极管，其中该生长基板包括一侧壁，且该发光二极管还包括反射层，该反射层延伸在该侧壁与该沟槽的侧面上。

16.如权利要求1所述的发光二极管，还包括光谱转换材料层或光散射材料层及封胶层，所述光谱转换材料层或光散射材料层覆盖在该外延结构的暴露部分上，该封胶层填设于该凹槽中。

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