CN103426895A - 发光二极管阵列与其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供发光二极管阵列与其形成方法。其中，发光二极管阵列中的一或多个发光二极管，被蚀刻形成接触单元，以作为发光二极管阵列与外部电耦合的端点。

Description

发光二极管阵列与其形成方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管阵列与其制法，特别是发光二极管阵列的电连接结构与方法。

背景技术

图1显示一种已知水平式发光二极管(LED)的示意图。参见图1，水平式发光二极管100包括磊晶基材102、磊晶结构104、电极单元106。磊晶结构104是利用磊晶程序而成长于磊晶基材102上。电极单元106形成在磊晶结构104上，以提供其电能。磊晶基材102的材料例如蓝宝石或碳化硅(SiC)，使得三族氮化物可磊晶成长于磊晶基材102上，其中三族氮化物例如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)以及氮化铝铟镓(AlInGaN)等。

磊晶结构104通常是三族氮化物所制成。在磊晶过程中，磊晶结构104在磊晶基材102上成长，而形成N型掺杂层108与P型掺杂层110。当提供电能到磊晶结构104时，位于N型掺杂层108与P型掺杂层110接合处(junction)的发光结构112会产生一电洞捕抓现象。因此，发光部分112的电子能阶会降低，而以光子形式释放能量。例如，发光部分112是一种单量子井(single quantum well)结构或是多重量子井(multiple quantum well，MQW)结构，可限制电子电洞的移动空间，以提升电子电洞的碰撞机率，因而增加电子电洞复合率，如此可提高发光效率。

电极单元106具有第一电极114和第二电极116。第一电极114和第二电极116分别与N型掺杂层108和P型掺杂层110欧姆接触。电极114/116是用于提供电能给磊晶结构104。当施加一电压到第一电极114和第二电极116，一电流从第二电极116通过磊晶结构104流向第一电极114，并在磊晶结构104内横向分布。因此，通过磊晶结构104内的一光电效应产生一些光子。通过横向的电流分布，水平式发光二极管100从磊晶结构104发出光。

水平式发光二极管100的工艺虽然十分简单，但也可能在工艺中造成一些问题，例如电流拥挤(current crowding)、电流分布不均，以及热累积等问题。这些问题可能会降低发光二极管100的发光效率及/或损坏发光二极管100。

为克服上述问题，本领域发展出一种垂直式发光二极管。图2为传统垂直式发光二极管的示意图。垂直式发光二极管200具有磊晶结构204和电极单元206。电极单元206位于磊晶结构204上以提供其电能。类似于图1所示的水平式发光二极管100，磊晶结构204可利用磊晶程序，以氮化镓基(GaN-based)或氮化铟镓基(InGaN-based)等半导体材质制成。在磊晶过程中，氮化镓基或氮化铟镓基材料从一磊晶基材(未图示)上成长，形成N型掺杂层208、发光结构212，和P型掺杂层210。接着，脱去磊晶基材，结合电极单元206和磊晶结构204。电极单元206具有第一电极214和第二电极216。第一电极214和第二电极216分别与N型掺杂层208和P型掺杂层210欧姆接触。此外，第二电极216可连接一散热基材202以增加散热效率。当施加电压于第一电极214和第二电极216时，电流垂直流动，因而改善已知水平式发光二极管的电流拥挤、电流分布不均，以及热累积等问题。

由于天然基材的缺乏，氮化镓或相关氮基化合物通常是形成在蓝宝石基材上。传统发光二极管，例如前述者，因光子以全方向发光，使其发光效率不高。大比例的光被蓝宝石基材限制，无法被利用。此外，蓝宝石基材的热传导系数低，使发光二极管的散热效率不佳。

为取代蓝宝石基材，本领域利用磊晶转移技术制作各种超高亮度的发光二极管，例如薄膜式P型朝上氮化镓发光二极管(P-side upthin-film LEDs)、薄膜式N型朝上氮化镓发光二极管(N-side up thin-filmLEDs)等等。

不管是哪一种发光二极管，当其形成一阵列，发光二极管之间，以及发光二极管阵列与外部，都需要设计电连接结构。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种发光二极管阵列与其制法，特别是发光二极管阵列的电连接结构与方法。

本发明一实施例提供一种发光二极管阵列的形成方法，包含：形成磊晶结构在暂时基板上，其中磊晶结构包含第一型掺杂层、发光层以及第二型掺杂层；蚀刻磊晶结构，以形成多个发光二极管；蚀刻一或多个发光二极管，移除发光层以及第二型掺杂层，并暴露至少部分第一型掺杂层，由此形成一或多个接触单元；通过内联机电耦合(electrically coupled)接触单元及/或发光二极管；形成功能结构在多个发光二极管与接触单元上方；以及移除暂时基板。

本发明另一实施例提供一种发光二极管阵列，包含：一功能性结构，至少具有永久基板；多个发光二极管，位于功能性结构上，其中每个发光二极管包含第一型掺杂层、发光层以及第二型掺杂层；一或多个接触单元，位于功能性结构上，具有第一型掺杂层；一或多个内联机，用以电耦合接触单元及/或发光二极管。

附图说明

图1例示一种已知水平式发光二极管的结构。

图2例示一种已知垂直式发光二极管的结构。

图3A至图3G显示一种根据本发明第一实施例的发光二极管阵列的制造方法。

图4A至图4G显示一种根据本发明第一实施例的发光二极管阵列的制造方法。

图5为根据本发明一实施例的发光二极管阵列的俯视图。

图6为根据本发明另一实施例的发光二极管阵列的俯视图。

附图标记说明

10                 暂时基板

12                 磊晶结构

12a                第一型掺杂层

12b                发光层

12c                第二型掺杂层

12d                缓冲层

14/14A/14B/14C     发光二极管

16                 接触单元

16a                第一表面

16b                第二表面

18a                第一内部电极

18b                第二内部电极

20                 绝缘层

22                 内联机

24                 功能结构

24a                永久基板

24b                反射层

24c                绝缘层

24d                黏胶层

24e                种子层

26a                第一外部电极

26b                第二外部电极

100                水平式发光二极管

102                磊晶基材

104                磊晶结构

106                电极单元

108                N型掺杂层

110                P型掺杂层

112                发光部分

114                第一电极

116                第二电极

200                垂直式发光二极管

202                散热基材

204                磊晶结构

206                电极单元

208                N型掺杂层

210                P型掺杂层

212                发光结构

214                第一电极

216                第二电极

具体实施方式

本发明为美国专利申请案，申请号13/287,542，发明名称「LEDARRAY FORMED BY INTERCONNECTED AND SURROUNDED LEDCHIPS」的相关申请案。上述专利申请案的全文并入本文，视为本案说明书的一部分。

图3A至图3G显示根据本发明第一实施例的发光二极管阵列的形成方法。

如图3A所示，在暂时基板10上形成磊晶结构12。磊晶结构12可包含第一型掺杂层12a、一发光层12b、一第二型掺杂层12c。在本实施例中，第一型掺杂层12a为N型掺杂层，例如N型氮化镓层；发光层12b为多重量子井层；第二型掺杂层12c为P型掺杂层，例如P型氮化镓层。

如图3A’所示，在另一实施例中，磊晶结构还包含缓冲层12d，位于暂时基板10与第一型掺杂层12a之间。缓冲层12d可包含下列群组的其中之一或其任意组合：未掺杂氮化镓(GaN)、n型氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化镁、氮化硅。

以下工艺接续图3A的结构，但相同方法也可以接续图3A’的结构。如图3B所示，接着，蚀刻磊晶结构12，以形成多个发光二极管，例如，图中所示的发光二极管14A与发光二极管14B，并且，蚀刻一或多个发光二极管，移除其发光层12b以及第二型掺杂层12c，并暴露至少部分第一型掺杂层12a，由此形成一或多个接触单元16。在部分实施例中，接触单元的形成步骤也可以蚀刻至部分第一型掺杂层12a，以确定暴露出第一型掺杂层12a。蚀刻的方法，可包含，但不限于感应耦合电浆反应离子蚀刻(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching，ICP-RIE)或激光蚀刻。

如图3C所示，接着，可在发光二极管14A/B上，形成第一内部电极18a与第二内部电极18b，其中，第一内部电极18a电耦合(electrically coupled)第一型掺杂层12a，第二内部电极18b电耦合第二型掺杂层12c。

如图3D所示，接着，形成绝缘层20覆盖发光二极管14A/B以及接触单元16，并暴露出第一内部电极18a、第二内部电极18b和接触单元16。在本实施例中，形成绝缘层20的方法，是将用于形成绝缘层20的绝缘材料或高分子材料，例如，二氧化硅、聚甲基戊二酰亚胺(polymethyl glutarimide，PMGI)或光阻SU-8，形成于发光二极管14A/B以及接触单元16上方，并填充发光二极管之间的间隙(gap)，形成绝缘层20。接着，形成具有图案的光罩于绝缘层20上方，光罩的开口对应第一内部电极18a、第二内部电极18b、接触单元16。接着，蚀刻移除部分的绝缘层20，以暴露第一内部电极18a、第二内部电极18b、接触单元16。

如图3E所示，接着，形成内联机22于绝缘层20上方。内联机22可连接接触单元16与相邻发光二极管14A的第二内部电极18b，以及连接相邻发光二极管14A/B的第一内部电极18a与第二内部电极18b。通过内联机20，可电耦合接触单元16与发光二极管14A，以及电耦合两相邻发光二极管，例如发光二极管14A与发光二极管14B。

如图3F所示，接着，在内联机22、发光二极管14A/B、接触单元16上方，形成一功能结构24，并使所形成结构反转，之后，再移除暂时基板10，以暴露出第一型掺杂层12a。此外，可执行一粗化步骤（例如：湿式蚀刻法）使第一型掺杂层12a暴露出的表面粗化。值得注意的是，如果磊晶结构12包含如图3A’的缓冲层12d，则暂时基板10与缓冲层12d一并移除。移除暂时基板10及缓冲层12d的方法，可以是，但不限于，激光剥离技术(laser lift-off)、湿式蚀刻法。此外，功能结构24至少具有永久基板24a，其余则视需要而定。在本实施例中，除了永久基板24a，功能结构24还包含反射层24b、绝缘层24c、黏胶层24d。如图3F’所示，在另一实施例中，功能结构24包含永久基板24a、种子层24e、反射层24b、绝缘层24c。在另一实施例中，功能结构24仅包含绝缘层24c和永久基板24a，其中绝缘层24c位于发光二极管14A/B与永久基板24a之间。

如图3F的功能结构24，可预先被形成，再利用其黏胶层24d与内联机22等结合。如图3F’的结构，可以原位形成法，例如化学气相沉积、电镀等方法形成。功能结构24各层的材料与形成方法，可参见前述美国专利申请案「LED ARRAY FORMED BY INTERCONNECTEDAND SURROUNDED LED CHIPS」。

如图3G所示，接触单元16具有第一表面16a与第二表面16b，其中，第一表面16a相对于第二表面16b，第一表面16a用来电耦合内联机22，第二表面16b作为外部电耦合端点。例如，在本实施例中，可在接触单元16的第二表面16b上，形成第一外部电极26a，其电耦合接触单元16的第一型掺杂层12a。此外，可在至少一该发光二极管，例如，发光二极管14B的第一型掺杂层12a表面，形成第二外部电极26b，其电耦合发光二极管14B的第一型掺杂层12a。由此，发光二极管阵列透过第一外部电极26a与第二外部电极26b，可与外界电连接；透过内联机22，完成接触单元16与相邻发光二极管14A，以及发光二极管14A/B之间的电耦合。

图4A至图4G显示根据本发明第二实施例的发光二极管阵列的形成方法。本实施例与图3A至3G实施例的不同处，仅在于接触单元16的结构；因此，以下仅做简要说明，其余细节可参考先前实施例。

如图4A所示，在暂时基板10上形成磊晶结构12。磊晶结构12可包含第一型掺杂层12a、一发光层12b、一第二型掺杂层12c。

如图4A’所示，在另一实施例中，磊晶结构还包含缓冲层12d，位于暂时基板10与第一型掺杂层12a之间。

如图4B所示，接着，蚀刻磊晶结构12，以形成多个发光二极管，例如，图中所示的发光二极管14A与发光二极管14B，并且，蚀刻其中的一或多个发光二极管，移除其部分发光层12b以及部分第二型掺杂层12c，并暴露至少部分第一型掺杂层12a，由此形成一或多个接触单元16。在部分实施例中，接触单元的形成步骤也可以蚀刻至部分第一型掺杂层12a，以确定暴露出第一型掺杂层12a。其中，邻接接触单元16的磊晶结构12，形成一尺寸较小的发光二极管14C。

如图4C所示，接着，可在发光二极管14A/B/C上，形成第一内部电极18a与第二内部电极18b，其中，第一内部电极18a电耦合第一型掺杂层12a，第二内部电极18b电耦合第二型掺杂层12c。

如图4D所示，接着，形成绝缘层20覆盖发光二极管14A/B/C以及接触单元16，并暴露出第一内部电极18a、第二内部电极18b与接触单元16。

如图4E所示，接着，形成内联机22于绝缘层20上方。内联机22可连接接触单元16与发光二极管14C的第二内部电极18b，以及连接相邻发光二极管14A/B/C的第一内部电极18a与第二内部电极18b。通过内联机20，可电耦合接触单元16与相邻发光二极管14C，以及电耦合两相邻发光二极管14A/B/C。

如图4F所示，接着，在内联机22、发光二极管14A/B、接触单元16上方，形成一功能结构24，并使所形成结构上下反转，之后，再移除暂时基板10，以暴露出第一型掺杂层12a。此外，可执行一粗化步骤使第一型掺杂层12a暴露出的表面粗化。如果磊晶结构12包含如图4A’的缓冲层12d，则暂时基板10与缓冲层12d一并移除。在本实施例中，功能结构24包含永久基板24a、反射层24b、绝缘层24c、黏胶层24d。如图4F’所示，在另一实施例中，功能结构24包含永久基板24a、种子层24e、反射层24b、绝缘层24c。在另一实施例，功能结构24仅包含绝缘层24c与永久基板24a，其中绝缘层24c位于发光二极管14A/B与永久基板24a之间。

如图4G所示，接触单元16具有第一表面16a和第二表面16b，其中，第一表面16a相对于第二表面16b，第一表面16a用来电耦合内联机22，第二表面16b作为外部电耦合端点。例如，在本实施例中，可在接触单元16的第二表面16b上，形成第一外部电极26a，其电耦合接触单元16的第一型掺杂层12a。此外，可在至少一该发光二极管，例如，发光二极管14B的第一型掺杂层12a表面，形成第二外部电极26b，其电耦合发光二极管14B的第一型掺杂层12a。由此，发光二极管阵列透过第一外部电极26a与第二外部电极26b，可与外界电连接；透过内联机22，完成接触单元16与相邻发光二极管14C，以及相邻发光二极管14A/B/C之间的电耦合。

图5显示根据本发明实施例的一种发光二极管阵列，其可利用图3A至3G所述的方法制成。此发光二极管阵列为一串联阵列，第一外部电极26a与第二外部电极26b大致位于阵列的两个角落位置。于本实施例，绝缘层20位于相邻发光二极管14之间，以及接触单元16与相邻发光二极管14之间。

图6显示根据本发明实施例的另一种发光二极管阵列，其可利用图4A至4G所述的方法制成。发光二极管阵列包含复阵列串联发光二极管，每一组串联发光二极管的一端是接触单元16，且位于接触单元16上的第一外部电极26a，透过连接结构28彼此电连接。此外，每一组串联发光二极管的另一端的发光二极管14具有第二外部电极26b，且彼此间透过连接结构28电连接。在本实施例中，绝缘层20位于相邻发光二极管14之间，相邻接触单元16之间，以及接触单元16与相邻发光二极管14之间。

本发明实施例通过蚀刻发光二极管阵列中的一或多个发光二极管，形成接触单元，作为与外部连接的端点，其所需步骤可整合于原先的阵列工艺，因此可节省大量制造成本。

根据本说明书，本领域技术人员可据以做各种修饰、改变或替换。因此，本说明书仅是用于教导本领域技术人员，例示如何实践本发明，所述的实施例仅为优选实施例。本领域技术人员阅读本申请说明书后，知悉本申请实施例中的哪些组件与材料可做替换，哪些组件或工艺步骤顺序可变更，哪些特征可被单独应用。凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成之等效改变或修饰，均应包括在权利要求范围内。

Claims (15)

1.一种发光二极管阵列的形成方法，包含：

形成一磊晶结构在一暂时基板上，所述磊晶结构包含一第一型掺杂层、一发光层以及一第二型掺杂层；

蚀刻所述磊晶结构，以形成多个发光二极管；

蚀刻一或多个所述发光二极管，移除所述发光层以及所述第二型掺杂层，并暴露至少部分所述第一型掺杂层，由此形成一或多个接触单元；

通过一或多个内联机电耦合(electrically coupled)所述接触单元及/或所述发光二极管；

形成一功能结构在所述多个发光二极管与所述一或多个接触单元上方；以及

移除所述暂时基板。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触单元的所述第一型掺杂层与相邻发光二极管的所述第二型掺杂层通过所述内联机电耦合，并且其它相邻发光二极管通过所述内联机彼此电耦合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触单元具有一第一表面用以电耦合所述内联机，以及一第二表面作为外部电耦合端点，所述第一表面相对于所述第二表面。

4.根据权利要求1所述的方法，所述磊晶结构还包含一缓冲层，所述缓冲层位于所述暂时基板与所述第一型掺杂层之间，在移除所述暂时基板后，还包含移除所述缓冲层与粗化所述第一型掺杂层。

5.一种发光二极管阵列，包含：

一功能性结构，至少具有一永久基板；

多个发光二极管，位于所述功能性结构上，其中每个所述发光二极管包含一第一型掺杂层、一发光层以及一第二型掺杂层；

一或多个接触单元，位于所述功能性结构上，具有所述第一型掺杂层；

一或多个内联机，用来电耦合所述接触单元及/或所述发光二极管。

6.根据权利要求5所述的发光二极管阵列，其中所述接触单元的所述第一型掺杂层与相邻发光二极管的所述第二型掺杂层通过所述内联机电耦合(electrically coupled)，并且其它相邻发光二极管通过所述内联机彼此电耦合。

7.根据权利要求5所述的发光二极管阵列，其中所述接触单元具有一第一表面用以电耦合所述内联机，以及一第二表面作为外部电耦合端点，所述第一表面相对于所述第二表面。

8.根据权利要求7所述的发光二极管阵列，还包含一第一外部电极，其位于所述接触单元的所述第二表面上，所述第一外部电极电耦合所述第一型掺杂层。

9.根据权利要求8所述的发光二极管阵列，还包含一第二外部电极，其位于至少一所述发光二极管的所述第一型掺杂层表面，所述第二外部电极电耦合所述第一型掺杂层。

10.根据权利要求5所述的发光二极管阵列，其中所述内联机位于所述功能性结构与所述发光二极管之间，每个所述发光二极管还包含：

一第一内部电极，其电耦合所述第一型掺杂层；与

一第二内部电极，其电耦合所述第二型掺杂层；

其中，所述第一内部电极与所述第二内部电极位于所述功能性结构与所述些发光二极管之间，用来与所述内联机连接，由此电耦合所述接触单元及/或所述发光二极管。

11.根据权利要求5所述的发光二极管阵列，还包含一绝缘层，其位置关系如下列族群中之一者或其任意组合：相邻发光二极管之间、相邻接触单元之间、以及所述接触单元与相邻发光二极管之间。

12.根据权利要求11所述的发光二极管阵列，其中所述内联机位于所述绝缘层与所述功能性结构之间。

13.根据权利要求5所述的发光二极管阵列，其中所述功能结构还包含一反射层，所述反射层位于所述永久基板与多个所述发光二极管之间。

14.根据权利要求9所述的发光二极管阵列，其中所述发光二极管阵列是一串联阵列，所述第一外部电极与所述第二外部电极大致位于所述阵列的对角位置。

15.根据权利要求9所述的发光二极管阵列，其中所述发光二极管阵列包含复阵列串联发光二极管，每一组串联发光二极管的一端是所述接触单元，位于所述接触单元上的所述第一外部电极彼此连接。

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