CN103515500A - 半导体发光结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光结构包含磊晶结构、第一绝缘结构、第一导体结构、第二绝缘结构及第二导体结构。其中，磊晶结构具有第一接触及第二接触；第一绝缘结构覆盖部分第一接触及部分第二接触；第一导体结构覆盖部分第一绝缘结构，并电性耦合第一接触；第二绝缘结构覆盖部分第一导体结构及部分第一绝缘结构；第二导体结构覆盖部分的第二绝缘结构，并电性耦合第二接触。
Description
技术领域
本案关于一种半导体结构及其制造方法，尤其关于覆晶式半导体发光结构及其制造方法。
背景技术
发光二极管(light emitting diode, LED)可将电信号转变为光信号，逐渐普及于显示板、指示灯、照明等用途，与传统光源相比，具有节能、效率较高、反应速度较快、寿命较长、较不易破损等优点。
发光二极管发光原理利用磊晶结构中P型半导体与N型半导体相接，再于发光二极管的正负两端施予电压，当电流通过时，使电子电洞结合，结合的能量以光的形式发出，不过，结合时所产生的热，对于发光二极管的特性、寿命及可靠度都有不良的影响，因此，现有技术透过覆晶式的封装方式尝试解决散热问题。
请参见图1，图1为现有覆晶式(flip)发光二极管10侧面示意图，现有技术在覆晶式发光二极管元件与电路板17联机时，是利用发光二极管元件的导体16a、16b与电路板17的电极17a、17b电性耦合，两导体16a、16b的一端各自垂直配置于磊晶结构12的不同电性掺杂层上，另一端则各自与电极17a、17b相接。
据此，于覆晶式发光二极管元件耦接至电路板17后，彼此间仍存有许多空隙，为巩固结构，利用毛细作用将绝缘胶N进行底部填充(underfill)该些空隙，然而，毛细作用无法均匀填满空隙，而且发光二极管的磊晶结构12厚度d很小，再加上与电路板17之间未填满的空隙，使整体结构更加薄弱，于雷射剥离基板或有其它轻微外力撞击时，皆容易造成磊晶结构12破裂(cracking)。再者，发明人发现以绝缘胶N进行底部填充空隙，散热的效率并不佳。
有鉴于此，如何使磊晶结构不易受外力影响而破裂，提高发光二极管的可靠度，及增强散热效率以提高其效能，是为发展本发明的主要目的。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种半导体发光结构，以达保护磊晶结构，提高其可靠度，及增强散热效率以提高其效能的目的。为达前述目的，半导体发光结构包含磊晶结构、第一绝缘结构、第一导体结构、第二绝缘结构、第二导体结构。其中磊晶结构具有第一接触及第二接触，其中第一接触及第二接触位于磊晶结构的同一侧；第一绝缘结构覆盖部分第一接触及部分第二接触；第一导体结构覆盖部分第一绝缘结构，并电性耦合第一接触；第二绝缘结构覆盖部分第一导体结构及部分第一绝缘层；第二导体结构覆盖部分第二绝缘结构，并电性耦合第二接触。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构中，第一导体结构具有第一支撑部，第二导体结构具有第二支撑部，第二绝缘结构具有第二水平部，第一支撑部、第二支撑部及第二水平部皆平行于磊晶结构的延伸表面，第二水平部位于第一支撑部及第二支撑部之间。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构的磊晶结构包括第一掺杂层、第二掺杂层及发光层。其中，第一掺杂层与第一接触电性耦合；第二掺杂层与第二接触电性耦合，其中第二掺杂层与第一掺杂层的电性相反；发光层位于第一掺杂层与第二掺杂层之间。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构中，第一绝缘结构具有第一水平部，第一水平部平行于该等接触的延伸表面，第一水平部位于第二接触及第一支撑部之间。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构的磊晶结构包括第一掺杂层、第二掺杂层及发光层。其中，第一掺杂层，与第二接触电性耦合；第二掺杂层，与第一接触电性耦合，其中第二掺杂层与第一掺杂层的电性相反；发光层位于第一掺杂层及第二掺杂层之间。
在本发明的一实施例中，上述的第一支撑部位于第一接触及第二水平部之间。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构的磊晶结构包括至少两组磊晶单元，两组磊晶单元之间具有穿隧接面，磊晶单元包括第一掺杂层、第二掺杂层、发光层。其中，第二掺杂层与第一掺杂层电性相反；发光层，位于第一掺杂层及第二掺杂层中间，发光层包含至少一量子井结构。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构的第一绝缘结构及第二绝缘结构的材料包含透明氧化物；第一导体结构及第二导体结构的材料包含金属。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构更包括电路板，电路板上具有第一电极及第二电极，第一电极与第一导体结构电性耦合，且第二电极与第二导体结构电性耦合。
本发明的一目的在于提供半导体发光结构制造方法，以达保护磊晶结构，提高其可靠度，及增强散热效率以提高其效能的目的。为达前述目的，半导体发光结构制造方法的步骤包括提供磊晶结构；于磊晶结构上形成第一接触及第二接触，其中第一接触及第二接触位于磊晶结构的同一侧；形成第一绝缘结构，用以覆盖部分第一接触及部分第二接触；于第一绝缘结构上形成第一导体结构，其中第一导体结构电性耦合第一接触；于部分第一导体结构上形成第二绝缘结构，且第二绝缘结构覆盖部分第一绝缘结构；以及于第二绝缘结构上形成第二导体结构，其中第二导体结构电性耦合第二接触。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构制造方法，其步骤更包括提供电路板，且电路板上具有第一电极及第二电极；以及将第一电极电性耦合至第一导体结构，及将第二电极电性耦合至第二导体结构。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构制造方法中，磊晶结构的形成步骤包括提供基板；于基板上形成第一掺杂层；于第一掺杂层上形成发光层；于发光层上形成与第一掺杂层电性相反的第二掺杂层；以及蚀刻部分第二掺杂层及部分发光层，用以露出部分第一掺杂层。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构制造方法，其中于第一掺杂层的露出部分上形成第一接触，于第二掺杂层上形成第二接触。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构制造方法，其中于第一掺杂层的露出部分上形成第二接触，于第二掺杂层上形成第一接触。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构制造方法，其中形成第一导体结构及第二导体结构的方法包括进行电镀制程。
在本发明的一实施例中，上述的半导体发光结构制造方法，其中基板为不透明基板，则上述步骤更包括移除基板，以曝露磊晶结构。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1是现有覆晶式发光二极管侧面示意图。
图2A是本发明的第一实施例关于半导体发光结构的侧面示意图。
图2B是本发明的第一实施例关于覆晶式半导体发光结构的侧面示意图。
图3为本发明第二实施例关于覆晶式半导体发光结构的侧面示意图。
图4为本发明第三实施例关于覆晶式半导体发光结构串联侧面示意图。
图5是本发明第四实施例关于覆晶式半导体发光结构并联的侧面示意图。
图6是本发明第五实施例关于磊晶结构的侧面示意图。
具体实施方式
本发明技术适于应用在半导体发光结构，尤其是覆晶式半导体发光结构。请参见图2A，图2A是本发明的一实施例关于半导体发光结构的侧面示意图。首先，提供基板21，其材料可为硅、碳化硅、铝、氧化铝、氮化镓、氮化铟、氮化铝、氧化锌、蓝宝石、玻璃、石英或其组合，但不限定于此。此外，基板包括极化(polar)基板、半极化(semi-polar)基板或非极化(non-polar)基板。
接着，于基板21上形成磊晶结构22，磊晶结构22的第一侧22a相对于基板21，磊晶结构22的第一掺杂层221位于基板21上，其第二掺杂层223形成于第一掺杂层221上，而两掺杂层221、223之间具有发光层222，其可为单层量子井结构或多重量子井结构。另外，两掺杂层221、223的电性相反，例如，第一掺杂层221可为N型掺杂层，而第二掺杂层223可为P型掺杂层，当然，两掺杂层221、223的电性亦可互相置换。磊晶结构22的材料可为三族氮化物，例如氮化铟(InN)、氮化镓(GaN) 、氮化铝(AlN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝镓(InAlGaN)等，但不限定于上述。
于磊晶结构22上相对第一侧22a的另一侧上进行蚀刻制程，蚀刻掉部分的第二掺杂层223及发光层222，以露出部分的第一掺杂层221的表面2211，及露出第二掺杂层223与发光层222的侧壁2231，留下未被蚀刻掉的第二掺杂层223的表面2232。接着，于第二掺杂层223的表面2232上形成第二接触24。
于本实施例中，接着形成第一绝缘结构25a，用于覆盖第二掺杂层223与发光层222的侧壁2231，以及大部分的第二接触24，第一绝缘结构25a中覆盖侧壁2231以及部分的第一掺杂层221的表面2211，并且第一绝缘结构25a具有一第一水平部251，第一水平部251平行于磊晶结构22的延伸表面而覆盖第二接触24。接着，于第一掺杂层221的表面2211上形成第一接触23，并与第一绝缘结构25a相邻，且因第一绝缘结构25a而与第二掺杂层223及发光层222绝缘。
若第一掺杂层221为N型掺杂层，则与之相邻的第一接触23材料可由钛、铝、铬、铂、金所构成群组之一或其组合，例如铬/铂/金(Cr/Pt/Au)、钛/铝/铂/金(Ti/Al/Pt/Au) 或钛/铂/金(Ti/Pt/Au)；若第二掺杂层223为P型掺杂层，则与之相邻的第二接触24的材料可由镍、铂、银、氧化铟锡所构成群组之一或其组合，例如镍/银(Ni/Ag)、镍/铂/银 (Ni/Pt/Ag)或氧化铟锡/银(ITO/Ag)。若第一掺杂层221及第二掺杂层223的电性相互置换，而第一接触23与第二接触24的材料亦相互置换。
接着，利用电镀制程于第一接触23上形成第一导体结构26a，且第一导体结构26a与第一接触23电性耦合。第一导体结构26a沿着与磊晶结构22表面，也就是第二掺杂区223的表面2232 平行的方向延伸形成一第一支撑部261，第一支撑部261覆盖大部分的第一绝缘结构25a。通过第一绝缘结构25a使第一导体结构26a与第二接触24绝缘。
接下来，形成第二绝缘结构25b，用以覆盖部分第一水平部251，且第二绝缘结构25b具有一第二水平部252。第二水平部252包覆大部分的第一支撑部261，但需曝露部分第一支撑部261的表面261S。进一步，再利用电镀制程于第二接触24上形成第二导体结构26b，且第二导体结构26b与第二接触24电性耦合。第二导体结构26b沿着与磊晶结构表面，也就是第二掺杂区223的表面2232 平行的方向延伸形成一第二支撑部262。通过第二绝缘结构25b使第一导体结构26a与第二导体结构26b绝缘。
值得注意的是，于本实施例中，第二水平部252位于第一支撑部261及第二支撑部262之间，利用该些导体结构26a、26b与该些绝缘结构25a、25b交错相迭，形成如图2A所示的具有结构稳固特性的半导体发光结构20，可达保护磊晶结构22的目的。再者，该些导体结构26a及26b具有一定厚度dm，总厚度2dm范围可为20微米至50微米，足以增强对磊晶结构22的保护。据此，则不需再透过底部填充绝缘胶N的方式来稳固磊晶结构22，致使改善现有技术填充不均匀的缺失。
请参见图2A与2B，图2B是本发明的一实施例关于覆晶式半导体发光结构的侧面示意图。接着，将图2A所示的半导体发光结构20翻转(flip)180度，与电路板27做联机，将电路板27的第一电极271对应至第一导体结构26a未被覆盖住的表面261S即可，使两者电性耦合；以及将电路板27的第二电极272对应至第二导体结构26b的第二支撑部262的表面任一处，使两者电性耦合。值得注意的是，上述半导体发光结构20的结构设计，致使电路板27方便与之联机，完成本实施例的覆晶式半导体发光结构20’，并改善现有技术中，如两导体16a、16b与两电极17a、17b不易相互对准的缺失。
关于电路板的材质可为金属基印刷电路板、铜箔印刷式电路板、陶瓷基板或硅基板。另外，该些绝缘结构25a、25b的材料包含透明的氧化物，例如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、二氧化钛（TiO2）、氧化钽（Tantalum pentoxide，Ta2O5）等。而该些导体结构26a、26b的材料可为金属，而金属材质有助于覆晶式半导体发光结构20’散热，由此改善现有技术散热效能不彰的问题。
因此，对覆晶式半导体发光结构20’加入顺方向电压，使少数的电子电洞载体分别注入P型掺杂层及N型掺杂层，于P型掺杂层中，多数的电洞与被注入的少数电子再结合；而于N型掺杂层中，多数的电子与被注入的少数电洞再结合，于发光层中结合时即产生光。若第一掺杂层221为N型掺杂层，而第二掺杂层223为P型掺杂层，则第一电极271则应为负极，第二电极272则为正极，用以对PN接面施以顺方向电压。若该些掺杂层221、223的电性互换，则该些电极271、272的正负极亦互换。在一实施例中，基板21是为透明基板，可供由发光层所发出的光射向磊晶结构22的第一侧22a，并穿过透明基板21射出。在另一实施例中，基板21为一不透明基板，则需移除不透明基板21，以曝露磊晶结构22。
请参见图3，图3为本发明第二实施例关于覆晶式半导体发光结构的侧面示意图，与前一实施例相同的特征在于，利用导体结构与绝缘结构交错相迭，据以保护磊晶结构22免受外力破坏。于覆晶式半导体发光结构30中，第一接触33与第二掺杂层223的表面2232相邻，且与之电性耦合；而第二接触34与第一掺杂层221的露出表面2211相邻，且与之电性耦合。
于本实施例中，第一绝缘结构35a覆盖侧壁2231、部分的第一掺杂层221的表面2211以及少部分的第一接触33，并与第二接触34相邻。接着，于第一接触33上进行电镀制程以形成第一导体结构36a，并与第一接触33电性耦合。第一导体结构36a沿着第二掺杂区223的表面2232 平行的方向延伸形成第一支撑部361，其覆盖大部分的第一接触33。
另外，为使第一导体结构36a与后续形成的第二导体结构36b绝缘，第二绝缘结构35b于第一绝缘结构35a上沿着第二掺杂区223的表面2232 平行的方向延伸形成第二水平部352，第二水平部352包覆第一支撑部361，不过，仍保留少部分第一支撑部361的表面361S，留予电路板作电性耦合。接着，于第二接触34上进行电镀制程以形成第二导体结构36b，其与第二接触34电性耦合，并具有沿着与第二掺杂层223的侧壁2231平行方向形成的第二支撑部362。第二支撑部362覆盖部分的第一绝缘结构35a，以及大部分的第二绝缘结构35b。
最后，将电路板37的第一电极371对应至第一导体结构36a未被覆盖住的表面361S即可，使两者电性耦合；以及将电路板37的第二电极372对应至第二导体结构36b的第二支撑部362的表面任一处，使两者电性耦合。据此形成本实施例的覆晶式半导体发光结构30，通过该些导体结构36a、36b及该些绝缘结构35a、35b相互交错堆栈，以达稳固整体结构，保护磊晶结构不易受外力破坏，以及增加散热效果的本案目的。
于另一实施例中，可将前述制程稍做改良，以串联至少两个如图2B的覆晶式半导体发光结构，请参见图4，图4为本发明第三实施例关于覆晶式半导体发光结构串联侧面示意图。于本实施例中，于同一制程形成结构相同的半导体发光结构20(1)及20(2)，惟与前述制程不同之处在于，于形成第一绝缘结构25a(1)、25a(2)时，同时形成第三绝缘结构25c于两个半导体发光结构20(1)、20(2)之间，用以使第一接触23(1)与第二接触24(2)绝缘。另外，于形成第二导体结构26b(2)时，使其与第一导体结构26a(1)电性耦合。
接着，将两个半导体发光结构20(1)、20(2)翻转180度（如图4所示），使半导体发光结构20(1)的第一导体结构26a(1)与半导体发光结构20(2)的第二导体结构26b(2)电性耦合，再将电路板47的第一电极471电性耦合至半导体发光结构20(2)的第一导体结构26a(2)，并将电路板47的第二电极472电性耦合至半导体发光结构20(1)的第二导体结构26b(1)，用以与电路板47作电性耦合，完成覆晶式半导体发光结构的串联结构40。
请参见图5，图5是本发明第四实施例关于覆晶式半导体发光结构并联的侧面示意图。同样地将前述制程稍做改良，改变光罩图案，用以形成两个结构相同但左右对称的半导体发光结构20(1)、20(2)，并使两个第一导体结构26a(1)、26a(2)电性耦合，再将电路板57的第一电极571与第一导体结构26a(1)/26a(2)电性耦合，以及将其第二电极572与第二导体结构26b(1)、26b(2)电性耦合，用以完成至少两个覆晶式半导体发光结构的并联结构50。
请参见图6，图6是本发明第五实施例关于磊晶结构的侧面示意图。如图6所示，磊晶结构22可包含复数个磊晶单元，以两组磊晶单元22(a)、22(b)为例：磊晶单元22(a)包含第一掺杂层221(a)、第二掺杂层223(a)，及位于两个掺杂层中间的发光层(图未示)，且两掺杂层221(a)、223(a)的电性相反；磊晶单元22(b)包含第一掺杂层221(b)、第二掺杂层223(b)，及位于两个掺杂层中间的发光层(图未示)，且两掺杂层221(b)、223(b)的电性相反。通过穿隧接面(tunnel junction)224来堆栈两磊晶单元22(a)、22(b)而形成磊晶结构22。另补充说明，可通过改变磊晶结构的材料种类，以改变发光层的能系值，也就能改变出射光的波长，而发出不同颜色的光。
综上所述，通过该些绝缘结构及导体结构交错堆栈，达到增强结构稳固性、保护磊晶结构，且避免底部填充绝缘胶所致填充不均匀的缺失，以及提升半导体发光结构散热效果的目的。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (16)
1.一种半导体发光结构，其特征在于：包括一磊晶结构、一第一绝缘结构、一第一导体结构、一第二绝缘结构和一第二导体结构；该磊晶结构具有一第一接触及一第二接触，其中该第一接触及该第二接触位于该磊晶结构的同一侧；该第一绝缘结构覆盖部分该第一接触及部分该第二接触；该第一导体结构覆盖部分该第一绝缘结构，并电性耦合该第一接触；该第二绝缘结构，覆盖部分该第一导体结构及部分该第一绝缘层；该第二导体结构，覆盖部分该第二绝缘结构，并电性耦合该第二接触。
2.如权利要求1所述的半导体发光结构，其特征在于：该第一导体结构具有一第一支撑部，该第二导体结构具有一第二支撑部，该第二绝缘结构具有一第二水平部，该第一支撑部、该第二支撑部及该第二水平部皆平行于该磊晶结构的延伸表面，该第二水平部位于该第一支撑部及该第二支撑部之间。
3.如权利要求2所述的半导体发光结构，其特征在于：该磊晶结构包括：
一第一掺杂层，与该第一接触电性耦合；
一第二掺杂层，与该第二接触电性耦合，其中该第二掺杂层与该第一掺杂层的电性相反；以及
一发光层，位于该第一掺杂层与该第二掺杂层之间。
4.如权利要求3所述的半导体发光结构，其特征在于：该第一绝缘结构具有一第一水平部，该第一水平部平行于该等接触的延伸表面，该第一水平部位于该第二接触及该第一支撑部之间。
5.如权利要求2所述的半导体发光结构，其特征在于：该磊晶结构包括：
一第一掺杂层，与该第二接触电性耦合；
一第二掺杂层，与该第一接触电性耦合，其中该第二掺杂层与该第一掺杂层的电性相反；以及
一发光层，位于该第一掺杂层及该第二掺杂层之间。
6.如权利要求5所述的半导体发光结构，其特征在于：该第一支撑部位于该第一接触及该第二水平部之间。
7.如权利要求1所述的半导体发光结构，其特征在于：该磊晶结构包括至少两磊晶单元，该两磊晶单元之间通过一穿隧接面而堆栈，每一该磊晶单元包括：
一第一掺杂层；
一第二掺杂层，与该第一掺杂层电性相反；以及
一发光层，位于该第一掺杂层及该第二掺杂层之间，其中该发光层包含至少一量子井结构。
8.如权利要求1所述的半导体发光结构，其特征在于：该第一绝缘结构及该第二绝缘结构的材料包含透明氧化物，且该第一导体结构及该第二导体结构的材料包括金属。
9.如权利要求1所述的半导体发光结构，其特征在于：该半导体发光结构更包括一电路板，该电路板上具有一第一电极及一第二电极，该第一电极与该第一导体结构电性耦合，且该第二电极与该第二导体结构电性耦合。
10.一种半导体发光结构的制造方法，其步骤包括：
提供一磊晶结构；
于该磊晶结构上形成一第一接触及一第二接触，其中该第一接触及该第二接触位于该磊晶结构的同一侧；
形成一第一绝缘结构，用以覆盖部分该第一接触及部分该第二接触；
于该第一绝缘结构上形成一第一导体结构，其中该第一导体结构电性耦合该第一接触；
于部分该第一导体结构上形成一第二绝缘结构，且该第二绝缘结构覆盖部分该第一绝缘结构；以及
于该第二绝缘结构上形成一第二导体结构，其中该第二导体结构电性耦合该第二接触。
11.如权利要求10所述的半导体发光结构的制造方法，其步骤更包括：
提供一电路板，且该电路板上具有一第一电极及一第二电极；以及
将该第一电极电性耦合至该第一导体结构，及将该第二电极电性耦合至该第二导体结构。
12.如权利要求10所述的半导体发光结构的制造方法，其中提供该磊晶结构的步骤包括：
提供一基板；
于该基板上形成一第一掺杂层；
于该第一掺杂层上形成一发光层；
于该发光层上形成与该第一掺杂层电性相反的一第二掺杂层；以及
蚀刻部分该第二掺杂层及部分该发光层，用以露出部分的该第一掺杂层。
13.如权利要求12所述的半导体发光结构的制造方法，其中于该第一掺杂层的露出部分上形成该第一接触，于该第二掺杂层上形成该第二接触。
14.如权利要求12所述的半导体发光结构的制造方法，其中于该第一掺杂层的露出部分上形成该第二接触，于该第二掺杂层上形成该第一接触。
15.如权利要求12所述的半导体发光结构的制造方法，其中该基板为一不透明基板，则上述步骤更包括移除该基板，以曝露该磊晶结构。
16.如权利要求10所述的半导体发光结构的制造方法，其中形成该第一导体结构及该第二导体结构的方法包括进行一电镀制程。
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