CN102437261B

CN102437261B - 半导体发光元件及其制造方法

Info

Publication number: CN102437261B
Application number: CN201010299240.8A
Authority: CN
Inventors: 谢明勋; 陈威佑; 张利铭; 王健源; 姚久琳
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN102437261A

Abstract

本发明公开一种半导体发光元件及其制造方法。此半导体发光元件包含一半导体发光结构及一薄化基板，且此半导体发光结构包含多层半导体层及多个第一通道，其中多个第一通道具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层。

Description

半导体发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体发光元件及其制造方法，尤其是涉及一种半导体发光结构包含多层半导体层及多个第一通道的半导体发光元件及其制造方法。

背景技术

半导体发光元件，例如发光二极管(LED)，在近年来亮度不断的提升下，应用领域已从传统的指示灯或装饰用途拓展至各类装置的光源，甚至在不久的将来，极有可能取代传统的日光灯，成为新一代照明领域的光源。

目前发光二极管的内部量子效率约为50％至80％左右；约有20％至50％的输入功率无法被转换成光，而以热的方式产生在发光二极管内。若无法有效的将发光二极管内部的热导出，会导致发光二极管温度上升，而劣化了发光二极管的可靠度。另一方面，发光二极管产生的光线若无法有效被取出，部分光线因全反射因素而局限在发光二极管内部来回反射或折射，最终被电极或发光层吸收，使亮度无法提升。

发明内容

本发明的目的在于提供创新的解决方案，即一种半导体发光元件及其制造方法，其通过降低发光二极管的热阻或提高光取出效率，以解决发光二极管的热累积问题，并提升元件的可靠度及发光效率。

本发明的另一目的在于提供一可应用于高功率输出的发光元件，以应用于照明领域。

为达上述目的，本发明提供一半导体发光元件，其包括一薄化基板；一一半导体发光结构位于薄化基板之上，包含多层半导体层及多个第一通道，其中多个第一通道具有一特定深度并穿透至少二层的多层半导体层。

本发明提供一半导体发光元件，其包括一载体，具有一第一表面及一第二表面；一中间层位于载体的第一表面；一绝缘层位于中间层之上；一半导体发光结构位于绝缘层之上，包含多层半导体层、多个第一通道及多个第二通道，其中多个第一通道具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层，多个第二通道具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层并延伸至绝缘层，且由一介电层及一导电层所组成；以及一导线垫位于载体的第二表面。

本发明提供一半导体发光元件，其包括一载体，具有一第一表面及一第二表面；一中间层位于载体的第一表面；一绝缘层位于中间层之上；一半导体发光结构位于绝缘层之上，包含多层半导体层、多个第一通道及多个第二通道，其中多个第一通道具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层，多个第二通道具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层并延伸至绝缘层，且由一介电层及一导电层所组成；以及一电连接层连接多个第二通道。

依本发明的一实施例，所述的薄化基板是以化学机械研磨方式薄化所述的基板。

依本发明的一实施例，所述的多个第一通道是以激光形成所述的多个第一通道。

依本发明的一实施例，所述的多个第二通道是以干式蚀刻或湿式蚀刻形成所述的多个第二通道。

附图说明

图1为一示意图，其显示依本发明的水平式发光元件结构的第一实施例；

图2为一示意图，其显示依本发明的垂直式发光元件结构的第二实施例；

图3为一示意图，其显示依本发明的水平式发光元件结构的第三实施例；

图4A-图4J为示意图，其显示依本发明的垂直式发光元件结构的第二实施例的制造方法。

主要元件符号说明

1、3：水平式发光元件2：垂直式发光元件

11：成长基板111：薄化基板；

12：半导体发光结构；121：第一导电型半导体层；

122：活性层；123：第二导电型半导体层；

13：载体；15、25：第一导线垫；

16、26：第二导线垫；17：第一通道；

18：电连接层；19：支撑体；

191：粘着层；241：中间层；

242：绝缘层；28：第二通道；

281：介电层；282：导电层；

S1：上表面；S2：下表面。

具体实施方式

图1揭示一本发明第一实施例的水平式发光元件1，包括一薄化基板111，具有一上表面S1及一下表面S2；一半导体发光结构12位于薄化基板的上表面S1，包含多层半导体层及多个第一通道17；其中多层半导体层包含一第一导电型半导体层121、一活性层122、以及一第二导电型半导体层123，其中，部分的第一导电型半导体层121经一移除部分的半导体发光结构12而裸露出；一第一导线垫15及一第二导线垫16分别与第一导电型半导体层121及第二导电型半导体层123电连接，且第一导线垫15及第二导线垫16位于基板的同一侧；以及多个第一通道17具有一特定深度并穿透至少二层的多层半导体层。薄化基板111是薄化一用以成长半导体发光结构12的成长基板后所形成，以降低发光元件的热阻。在本实施例中，在成长半导体发光结构12于成长基板之后，利用化学机械研磨方法薄化成长基板，使其厚度由原来约200或300微米以上减至约不大于50微米以形成薄化基板111。成长基板的材料例如为砷化镓、磷化镓、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、或氮化铝等。

多个第一通道17是以激光扫描薄化基板的下表面S2，使半导体发光结构12的材料因吸收激光能量而分解，再使用HCl及KOH进行湿式蚀刻以移除被分解的材料，因而形成第一通道17。第一通道17可包含一透明材质例如：氧化硅、氮化硅、有机高分子、或空气，其折射率与薄化基板111的折射率差异至少大于0.1，以增加光摘出效率。第一通道17也可包含一高导热透明材质，例如碳化硅、氧化锌、或钻石等材料，以降低元件的热阻，并提高光摘出效率。在一实施例中，多个第一通道17具有一特定深度穿透至少两层的多层半导体层12，较佳为延伸至第二导电型半导体层123。多个第一通道17呈一周期性二维排列，但也可以准周期性、变周期性、或非周期性排列，例如形成直径1～10微米的圆柱或多边形柱状体以二维排列，或形成多个长条形沟槽彼此交联(cross-linking)呈网状排列。第一导电型半导体层121、活性层122、或第二导电型半导体层123的材料包含Al_pGa_qIn_(1-p-q)P或Al_xIn_yGa_(1-x-y)N，其中，0≤p，q≤1，0≤x，y≤1；p、q、x、y均为正数；(p+q)≤1；(x+y)≤1。

图2揭示本发明第二实施例的垂直式发光元件2，相较于图1所示的发光元件1，发光元件2的第一导线垫25及第二导线垫26位于基板的相异侧。相比较于图1所示的发光元件1，原先用以成长半导体发光结构12的成长基板，在形成半导体发光结构12后完全移除。发光元件2的结构包含：载体13；中间层241位于载体13上；绝缘层242位于中间层241上；半导体发光结构12位于绝缘层242上，包含多层半导体层、多个第一通道及多个第二通道，其中多层半导体层包含第一导电型半导体层121、活性层122、以及第二导电型半导体层123，部分的第一导电型半导体层121经一移除部分的半导体发光结构12而裸露出；第一导线垫25形成于部分裸露的第一导电型半导体层121上；第二导线垫26形成于载体13的另一侧；多个第一通道17具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层，较佳为延伸至第二导电型半导体层123；多个第二通道28具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层并延伸至绝缘层242，在第二通道28内侧壁先形成一介电层281后，再充填导电物质于第二通道内以形成导电层282，因而形成多个导电第二通道28；并与第二导电性半导体层123电连接。

此外，中间层241为一接合层，为一导电材质，其组成材料可与导电层282相同或不同，可为金属或金属合金材料接合层，例如AuSn、PbSn、AuGe、AuBe、AuSi、Sn、In、Au、PdIn。并形成一绝缘层242于中间层241与半导体发光结构12之间。载体13为一导电材质，例如包含碳化物、金属、金属合金、金属氧化物、金属复合材料等材料；其中载体13以直接接合、金属接合、粘着接合等方式接合于中间层241之下，或以电镀、蒸镀、化镀、有机金属化学气相磊晶(MOCVD)法、气相磊晶(VPE)法等方式形成于中间层241之下。第二通道28的数量及排列为使得电流分布具有较佳的效果；除此之外，第二通道28因具有较第一导电性半导体层121为高的导热系数，可将半导体发光结构12所产生的热直接传导至载体13。导电第二通道28的导电层282材质包含金属、金属合金、金属氧化物、或导电高分子等导电导热材质。

图3揭示本发明第三实施例的水平式发光元件3，相比较于图2所示的发光元件2，发光元件3的第一导线垫25及第二导线垫26位于基板的相同侧。发光元件3的结构包含：载体13；中间层241位于载体13上；绝缘层242位于中间层241上；半导体发光结构12位于绝缘层242上，包含多层半导体层、多个第一通道及多个第二通道，其中多层半导体层包含第一导电型半导体层121、活性层122、以及第二导电型半导体层123，第一导电型半导体层121左右二侧经移除部分的半导体发光结构12而裸露出；第一导线垫25形成于部分裸露第一导电型半导体层121的右侧；多个第一通道17具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层，较佳为延伸至第二导电型半导体层123；多个第二通道28具有一特定深度穿透至少二层的多层半导体层并延伸至绝缘层242，在第二通道28内侧壁先形成一介电层281后，再充填导电物质于第二通道内以形成导电层282，因而形成多个导电第二通道28；且利用一电连接层18将多个第二通道内的导电层282连接为一体，并与第二导电性半导体层123电连接。第二导线垫26形成于裸露出部分第一导电型半导体层121的左侧，且与电连接层18电连接。

此外，中间层241为一接合层，可为有机高分子材料接合层，例如苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFBC)、环氧树脂(Epoxy)、硅胶(Silicone)；或金属或金属合金材料接合层，例如AuSn、PbSn、AuGe、AuBe、AuSi、Sn、In、Au、PdIn。并形成一绝缘层242于中间层241与半导体发光结构12之间。载体13为一不导电材质，例如包含硅化物、钻石、类钻碳(diamond-likecarbon)等材料；其中载体13以直接接合、金属接合、粘着接合等方式接合于中间层241之下，或以电镀、蒸镀、化镀、有机金属化学气相磊晶(MOCVD)法、气相磊晶(VPE)法等方式形成于中间层241之下。多个第二通道28的导电层282材质包含金属、金属合金、金属氧化物、或导电高分子等导电材质

图4A-图4J揭示一形成图2的发光元件2的制造方法，包含以下步骤：

1、如图4A所示，首先提供一成长基板11，并在成长基板11上依序成长一半导体发光结构12，包括一第一导电型半导体层121、一活性层122、及一第二导电型半导体层123，接着以光刻蚀刻方式移除一部分的半导体发光结构12，以裸露一部分第一导电型半导体层121的表面；

2、如图4B所示，以化学机械研磨方式使成长基板11进行薄化而形成薄化基板111。以激光光束照射薄化基板111的下表面S2，使半导体发光结构12的材料因吸收激光能量而分解，再使用HCl及KOH进行湿式蚀刻以移除被分解的材料，半导体发光结构12间因而形成多个第一通道17；

3、如图4C所示，填充一透明材质或空气于第一通道17内；

4、如图4D所示，提供一支撑体19，并通过一粘着层191贴附于半导体发光叠层12的第二导电型半导体层123表面及裸露的第一导电型半导体层121的表面，并移除薄化基板111；

5、如图4E所示，形成一绝缘层242于第一导电型半导体层121的下表面，再利用感应耦合等离子体离子蚀刻(InductivelyCoupledPlasmaReactiveIonEtching，ICPRIE)系统进行干式蚀刻或进行湿式蚀刻穿透绝缘层242，第一导电性半导体层121，活性层122及部分第二导电性半导体层123以形成第二通道28；

6、如图4F所示，利用蒸镀法如等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)于第二通道28侧壁形成一介电层281；

7、如图4G所示，再充填导电物质于第二通道28内以形成一导电层282；

8、如图4H所示，提供一载体13及一中间层241形成于载体上；贴附中间层241及载体13至绝缘层242；

9、如图4I所示，移除粘着层191及支撑体19；

10、如图4J所示，形成第一导线垫25于裸露的第一导电型半导体层121上，以及形成第二导线垫26于载体13的下表面。

本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims

1.一种半导体发光元件，包含：

载体，具有第一表面及第二表面；

一中间层位于该载体之该第一表面之上；

一绝缘层位于该中间层之上；

以及

半导体发光结构包含一位于该绝缘层上的第一导电型半导体层、一位于该第一导电型半导体层上的活性层、一位于该活性层上的第二导电型半导体层、及复数个导电通道，其中该些复数个导电通道穿透该第一导电型半导体层以及该活性层，该些复数个导电通道各包含一导电层，该第一导电型半导体层包含一未被该活性层覆盖的第一裸露部分以及一未被该活性层覆盖第二裸露部分；

一电连接层位于该中间层内且电性连接该些复数个导电通道；

一第一导线垫位于该第一导电型半导体层之第一裸露部分的正上方；以及

一第二导线垫位于该第一导电型半导体层之第二裸露部分的正上方，且该第二导线垫藉由该些复数个导电通道以及该电连接层与该第二导电型半导体层电性连接。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该些复数个导电通道未穿透该第二导电型半导体层的上表面。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该载体包含至少一材质选自于砷化镓、磷化镓、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、及氮化铝，且该半导体发光结构材料包含Al_pGa_qIn_(1-p-q)P或Al_xIn_yGa_(1-x-y)N，其中，0≤p，q≤1，0≤x，y≤1；p、q、x、y均为正数；(p+q)≤1；(x+y)≤1。

4.如权利要求1所述的发光元件，其更包括复数个透明通道穿透该第一导电型半导体层以及该活性层。

5.如权利要求4所述的发光元件，其中该些透明通道的折射率与该载体的折射率差异至少大于0.1。

6.如权利要求4所述的发光元件，其中该些透明通道包含一材料选自于氧化硅、氮化硅、有机高分子、空气、氮化镓、氮化铝、碳化硅、氧化锌、以及钻石。

7.如权利要求1所述的发光元件，其中该载体包含不导电材质。

8.如权利要求1所述的发光元件，其中该中间层包含金属或金属合金材料。

9.如权利要求1所述的发光元件，其中该些导电通道由介电层及导电层所组成。