CN102610722B - 发光二极管装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管装置及其制造方法。该发光二极管装置包含一绝缘基底，具有一上表面及一下表面；一图形化导电层，配置于该绝缘基底的部分上表面；一缓冲层，配置于该绝缘基底未被该图形化导电层所覆盖的上表面；一第一半导体层，配置于该缓冲层之上；一发光层，配置于该第一半导体层之上；一第二半导体层，配置于该发光层之上；以及，一电极，配置于该第二半导体层之上。
Description
技术领域
本发明是关于一种发光二极管装置及其制造方法，特别关于一种具有垂直电极结构的发光二极管装置及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)因其具有高亮度、体积小、重量轻、不易破损、低耗电量和寿命长等优点，所以被广泛地应用各式显示产品中，其发光原理如下：施加一电压于二极管上，驱使二极管里的电子与空穴结合，此结合所产生的能量是以光的形式释放出来。
图1为一已知具有蓝宝石(sapphire)基底的发光二极管10的剖面结构示意图。该发光二极管10包括一蓝宝石基底12、一缓冲层13、一半导体元件层15、一第一电极20以及第二电极22。半导体元件层15包括一N型半导体层14、一发光层16以及一P型半导体层18。该发光二极管10的形成方式是在蓝宝石基底12上依序形成该缓冲层13、N型半导体层14、发光层16、以及P型半导体层18，然后再其一侧蚀刻一凹槽露出部分的N型半导体层14，最后镀上金属层后以光罩光刻蚀刻，以分别在N型半导体层14及P型半导体层18形成第一电极20及第二电极22。该第一电极20及第二电极22皆在同一侧(基底的反侧)，如此安排的原因为蓝宝石基底不导电，无法在芯片的反面制造电极。如此一来，除了必需牺牲部分发光面积来形成N型半导体层14的接触电极使得该发光二极管10的有效发光面积减少外，如此结构亦会造成电流集中于两电极20、22之间的最短路径25而无法均匀分布至整个发光二极管10，使得发光二极管10的整体发光效率不佳而且发光不均匀。
为解决上述问题，一种已知技术为达到垂直电极的设计，是先在蓝宝石基底上形成所需的磊晶层，然后在借由使用激光剥离(laser lift-off)制程进一步将发光二极管芯片的蓝宝石基底移除，并改以散热较佳基板如硅基底取代。然而，上述作法的制造良率并不高，且使得制造成本大幅提高。
基于上述，业界亟需一种创新的发光二极管装置来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种发光二极管装置，包含一绝缘基底，具有一上表面及一下表面；一图形化导电层，配置于该绝缘基底的部分上表面；一缓冲层，配置于该绝缘基底未被该图形化导电层所覆盖的上表面；一第一半导体层，配置于该缓冲层之上；一发光层，配置于该第一半导体层之上；一第二半导体层，配置于该发光层之上；以及，一电极，配置于该第二半导体层之上。
此外，本发明亦提供一种发光二极管装置制造方法，包含：提供一绝缘基底，该绝缘基底具有一上表面及一下表面；形成一图形化导电层于该绝缘基底的部分上表面；形成一缓冲层于该绝缘基底未被该图形化导电层所覆盖的上表面；形成一第一半导体层于该缓冲层之上；形成一发光层于该第一半导体层之上；形成一第二半导体层于该发光层之上；以及，形成一电极，配置于该第二半导体层之上。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是一剖面结构图，绘示已知技术所述的发光二极管结构。
图2A、3A、7A、10A、11A、12A、13A、及图14A为一系列的上视图，用以说明本发明实施例的发光二极管装置的制造流程。
图2B、3B、7B、10B、11B、12B、13B、及图14B为图2A、3A、7A、10A、11A、12A、13A、及图14A沿的A-A’切线的剖面结构图。
图4、5、及图6为一系列的上视图，用以说明本发明其他实施例所述的发光二极管装置其图形化导电层的设计。
图8为一上视图，用以说明本发明另一实施例所述的配置于绝缘基底侧面的图形化导电层的形成方式。
图9为一剖面结构图，用以说明本发明另一实施例所述的发光二极管装置其图形化导电层的设计。
图15及图16为一系列剖面结构图，用以说明本发明另一实施例所述的发光二极管装置的制造流程。
图17为一剖面结构图，绘示本发明另一实施例所述的发光二极管装置。
图18为一剖面结构图，绘示本发明又一实施例所述的发光二极管装置。
主要元件符号说明：
10～发光二极管；
12～蓝宝石基底；
13～缓冲层；
14～N型半导体层；
15～半导体元件层；
16～发光层；
18～P型半导体层；
20～第一电极；
22～第二电极；
25～最短路径；
101～上表面；
102～绝缘基底；
103～下表面；
104～侧壁；
106～图形化导电层；
108～缓冲层；
110～第一半导体层；
112～发光层；
114～第二半导体层；
115～半导体元件复合层；
116～透明电极；
118～金属电极；
120～导线架；
125～第一电路；
127～第二电路；
129～导线；
150～贯孔；
200～晶片；
300～发光二极管芯片；
400～发光二极管装置；以及
A-A’～切线。
具体实施方式
为解决先前技术所遭遇到的问题，本发明提供一种发光二极管装置及其制造方法，使得具有绝缘基底的发光二极管装置具有垂直电极的架构，除了不需牺牲部分发光区域(降低有效发光面积)外，可改善电子流有效注入发光层的均匀性(使电流流经途径均匀分布至整个发光二极管)，提升整体发光效率。
根据本发明一实施例，该发光二极管装置可包含：一绝缘基底，具有一上表面及一下表面；一图形化导电层，配置于该绝缘基底的部分上表面；一缓冲层，配置于该绝缘基底未被该图形化导电层所覆盖的上表面；一第一半导体层，配置于该缓冲层之上；一发光层，配置于该第一半导体层之上；一第二半导体层，配置于该发光层之上；以及，一电极，配置于该第二半导体层之上。根据本发明另一实施例，该图形化导电层更可以进一步延伸至该绝缘基底的侧壁。此外，该图形化导电层亦可进一步延伸以覆盖该绝缘基底的部分下表面。
本发明所述的发光二极管装置其绝缘基底的上表面，是被该图形化导电层及该缓冲层完全覆盖，而该缓冲层可进一步坦覆性(blanket)覆盖该图形化导电层。值得注意的是，形成于该基底上表面的图形化导电层，至少一部分是紧邻该上表面的边界。此外，该图形化导电层的设计重点在于，该形成于该基底上表面的图形化导电层占该基板上表面面积的10-50％。若该图形化导电层占该基板上表面面积的比率小于10％时，则会使得该发光二极管装置的电流分布集中，导致电场均匀度降低；相反的，该图形化导电层占该基板上表面面积也不宜太大，否则会使得形成于基底上表面的缓冲层所占的基板上表面面积过低，影响到后续膜层(发光层、第一半导体层、第二半导体层)的磊晶品质。该图形化导电层的可配置于该基板上表面的周围(紧邻该上表面的边界)，或是具有格状结构。该缓冲层的厚度可大于或等于该图形化导电层，缓冲层较佳是坦覆性覆盖该图形化导电层。该电极包含一透明电极、一金属电极、或其组合。
本发明所述的发光二极管装置可更包含一导线架，该导线架可具有一第一电路及一第二电路，其中该绝缘基底可配置于该导线架上，且该图形化导电层与该第一电路电性接触。此外，该电极与该第二电路电可借由一导线达到电性连结。
以下将配合图示，以说明根据本发明所提供的发光二极管装置及其制造方法。
根据本发明一实施例，发光二极管装置的制造方法包含以下步骤：
首先，请参照图2A，提供一绝缘基底102，该绝缘基底102具有一上表面101、一下表面103、及侧壁104，请参照图2B，其为沿图2A的A-A’切线的剖面结构。该绝缘基底102可为已知的绝缘基底，例如蓝宝石(氧化铝)基底、氮化铝基底、或氧化锌基底等。
接着，请参照图3A，形成导电层于该绝缘基底102的上表面101，并进行图形化，得到一图形化导电层106。值得注意的是，该图形化导电层106并未覆盖该绝缘基底102的整个上表面101因此，在形成该图形化导电层106于基板后，仍会露出未被覆盖的绝缘基底102上表面101，请参照图3B，其为沿图3A的A-A’切线的剖面结构。该图形化导电层106可具有格状、螺旋、圆环、指叉等、点状或条状结构，具体图形并无限定，可视需要加以变化，如图4及图5所示。此外，该图形化导电层亦可仅配置于该基板上表面的周围(紧邻该上表面的边界)，或再进一步的覆盖该基板的侧边，如图6所示。该图形化导电层106可包含透明或不透明的导电材料，例如：铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锌铝氧化物(AZO)、氧化锌(ZnO))、钯、铂、镍、金、银、铝、钨、铜、或其组合。此外，该图形化导电层106亦可为一复合膜层，例如进一步包含欧姆接触材料、扩散阻障层、金属结合层(metal bonding layer)、反射层、或上述的组合。
根据本发明另一实施例，请参照图7A，在形成该图形化导电层106时，较佳可同时将该图形化导电层106形成于该绝缘基底102的侧壁104，以利后续发光二极管装置的电性连结。请参照图7B，其为沿图7A的A-A’切线的剖面结构，该图形化导电层106是由该绝缘基底102上表面101的边界处进一步延伸至该绝缘基底102的侧壁104。该图形化导电层106可在晶片步骤(未进行切割前)或芯片步骤(将晶片切割成数片芯片后)中形成，形成方式可为热蒸镀、溅射或等离子强化式化学气相沉积方式。举例来说，若为晶片步骤中形成，请参照图8，可预先在该晶片200上形成沟道或多个贯孔150，当形成该导电层于晶片200的时，该导电层材料除了会形成于基底102的上表面外，更可借由该沟道或贯孔150而延伸并覆盖该绝缘基底102的侧壁104。再者，在形成该图形化导电层106于该绝缘基底102的上表面101及侧壁104的步骤后，可更包含形成一底导电层107于该绝缘基底102的部分下表面103并与形成于侧壁的图形化导电层106电性接触，换言之，可使得该图形化导电层106进一步延伸至覆盖该绝缘基底102的部分下表面103，请参照图9。
在此以图3A所示结构为例，接续描述本发明所述的该发光二极管装置的制造。接着，请参照图10A，形成一缓冲层108于该绝缘基底102未被该图形化导电层106所覆盖的上表面101。该缓冲层108的厚度可大于或等于该图形化导电层106，请参照图10B，其为沿图10A的A-A’切线的剖面结构。此外，根据本发明另一实施例，该缓冲层108的厚度较佳是大于该图形化导电层106，并坦覆性覆盖该图形化导电层106，请参照图11A及图11B(为沿图11A的A-A’切线的剖面结构)。本发明对所使用的缓冲层108材质并无限定，可为已知的任何用于发光二极管的缓冲材料，例如未掺杂的半导体层(可选自于III-V族的化学元素、II-VI族的化学元素、IV族的化学元素、IV-IV族的化学元素的任意组合)。
在此以图11A所示结构为例，接续描述本发明所述的该发光二极管装置的制造。接着，请参照图12A，形成一半导体元件复合层115于该缓冲层108，该半导体元件复合层115依序包含一第一半导体层110、一发光层112、及一第二半导体层114，请参照图12B(为沿图12A的A-A’切线的剖面结构)。该发光层112为一半导体材料层，可具有为多重量子井(Multiple Quantun Well，MQW)结构，可选自于III-V族的化学元素、II-VI族的化学元素、IV族的化学元素、IV-IV族的化学元素、或其组合，例如：AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、或A1GaAs。该第一半导体层110及该第二半导体层114可分别为一N型磊晶层及一P型磊晶层，当然其亦可互换，于此并不加以限制，其材质同样可分别选自于III-V族的化学元素、II-VI族的化学元素、IV族的化学元素、IV-IV族的化学元素、或其组合。举例来说，若第一半导体层110为N型氮化镓系半导体，则第二半导体层114为P型氮化镓系半导体，若第一半导体层110为P型氮化镓系半导体，则第二半导体层114为N型氮化镓系半导体，且发光层112可为氮化镓系半导体。在形成该半导体元件复合层115的步骤后，接着，形成一透明电极116于该第二半导体层114上，请参照图13A及图13B(为沿图13A的A-A’切线的剖面结构)。该透明电极116可为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锌铝氧化物(AZO)、氧化锌(ZnO)或其结合，而其形成方式可为热蒸镀、溅射或等离子强化式化学气相沉积方式。接着，形成一金属电极118于该透明电极116之上，得到一发光二极管芯片300，请参照图14A及图14B(为沿图13A的A-A’切线的剖面结构)。该金属电极118可为钯、铂、镍、金、银、铝、钨、铜、或其组合，而其形成方式可为热蒸镀、溅射或等离子强化式化学气相沉积方式。
在完成该发光二极管芯片300的制造后，本发明所述的该发光二极管装置制造方法可更包含将该发光二极管芯片300固合于一导线架120上，请参照图15，该导线架上配置有已预先设计好的一第一电路125及一第二电路127。在将该发光二极管芯片300固合于该导线架120，需使该图形化导电层106与该第一电路125的突出部接触。再者，可利用一导线129将该金属电极118与该第二电路127进行电性连结，请参照图16，如此一来，可达到驱动该发光二极管芯片300的目的，得到一发光二极管装置400。
此外，在本发明另一实施例中，是利用图7A所示结构(图形化导电层延伸至该绝缘基底102的侧壁104)经由图11A至图14A所示的制造流程(依续成长缓冲层、N型半导体层、发光层、P型半导体层、及电极层)，得到一发光二极管芯片300。接着，将该发光二极管芯片300固合于一导线架120上，该导线架上配置有已预先设计好的一第一电路125及一第二电路127。在将该发光二极管芯片300固合于该导线架120，该图形化导电层覆盖该绝缘基底102的部分下表面103与该第一电路125接触。再者，可利用一导线129将该金属电极118与该第二电路127进行电性连结，请参照图17，得到一发光二极管装置400。由于该发光二极管芯片300本身具有延伸至该绝缘基底102侧壁104的图形化导电层106，因此可直接与平坦的第一电路125接触，达到电性连结。
根据本发明另一实施例，是利用图9所示结构(图形化导电层106除延伸至该绝缘基底102的侧壁104外，一形成于该绝缘基底102的部分下表面103的底导电层107是进一步与该图形化导电层106电性连结)经由图11A至图14A所示的制造流程，得到一发光二极管芯片300。接着，将该发光二极管芯片300固合于一导线架120上，该导线架上配置有已预先设计好的一第一电路125及一第二电路127。在将该发光二极管芯片300固合于该导线架120，该图形化导电层覆盖该绝缘基底102的部分下表面103与该第一电路125接触。再者，可利用一导线129将该金属电极118与该第二电路127进行电性连结，请参照图18，得到一发光二极管装置400。由于该发光二极管芯片300本身具有延伸至该绝缘基底102侧壁104及底部103的图形化导电层106，因此可直接与平坦的第一电路125接触，达到电性连结。
基于上述，借由本发明所提供的发光二极管装置及其制造方法，可使得具有绝缘基底的发光二极管装置具有垂直电极的架构，除了不需牺牲部分发光区域(降低有效发光面积)外，可改善电子流有效注入发光层的均匀性(使电流流经途径均匀分布至整个发光二极管)，提升整体发光效率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种发光二极管装置，包含：
一绝缘基底，具有一上表面及一下表面；
一图形化导电层，配置于该绝缘基底的部分上表面，并延伸以覆盖该绝缘基底的侧壁，其中配置于该绝缘基底上表面的该图形化导电层是占该绝缘基底上表面面积的10-50％；
一缓冲层，配置于该绝缘基底未被该图形化导电层所覆盖的上表面，并覆盖该图形化导电层；
一第一半导体层，配置于该缓冲层之上；
一发光层，配置于该第一半导体层之上；
一第二半导体层，配置于该发光层之上；以及
一电极，配置于该第二半导体层之上。
2.如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该图形化导电层是配置于该绝缘基底上表面的周围。
3.如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该图形化导电层为格状、螺旋、圆环、指叉、或其结合的结构。
4.如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该电极包含一透明电极、一金属电极、或其组合。
5.如权利要求1所述的发光二极管装置，还包含：
一导线架，具有一第一电路及一第二电路，其中该绝缘基底配置于该导线架上，且该图形化导电层与该第一电路电性接触。
6.一种发光二极管装置制造方法，包含：
提供一绝缘基底，该绝缘基底具有一上表面及一下表面；
形成一图形化导电层于该绝缘基底的部分上表面，并延伸以覆盖该绝缘基底的侧壁，其中配置于该绝缘基底上表面的该图形化导电层是占该绝缘基底上表面面积的10-50％；
形成一缓冲层于该绝缘基底未被该图形化导电层所覆盖的上表面，并覆盖该图形化导电层；
形成一第一半导体层于该缓冲层之上；
形成一发光层于该第一半导体层之上；
形成一第二半导体层于该发光层之上；以及
形成一电极，配置于该第二半导体层之上。
7.如权利要求6所述的发光二极管装置制造方法，其特征在于，在形成该图形化导电层于该绝缘基底的部分上表面的步骤后，还包含：
形成一底导电层于该绝缘基底的部分下表面，并使该底导电层与该图形化导电层电性接触。
8.如权利要求6所述的发光二极管装置制造方法，其特征在于，形成该电极的步骤包含：
形成一透明电极于该第二半导体层之上；以及
形成一金属电极于该透明电极之上。
9.如权利要求6所述的发光二极管装置制造方法，其特征在于，还包含：
提供一导线架，该导线架具有一第一电路及一第二电路；以及
将该绝缘基底固合于该导线架，使该图形化导电层与该第一电路电性接触。
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