CN105185882A - 发光二极管芯片、发光装置及发光二极管的晶圆级结构 - Google Patents

发光二极管芯片、发光装置及发光二极管的晶圆级结构 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种半导体发光元件及其发光装置，半导体发光元件包含透光基板、发光二极体结构与光学单元，该透光基板具有相对设置的支撑面及第二主表面；该发光二极体结构设置在该支撑面，且与未和发光二极体结构重叠的至少部分支撑面形成可出光的第一主表面；该光学单元设置在该第一主表面，并包含覆盖边及对应的光发散边，其中该覆盖边面向该透光基板；该光学单元还包含至少一光学结构，设置在该光发散边，以根据光线的波长将该覆盖边所接收光线的至少一部分发散到不同方向。本发明的半导体发光元件可以达到多向性出光、混光与色散的发光效果。

Description

发光二极管芯片、发光装置及发光二极管的晶圆级结构
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片、发光装置及发光二极管的晶圆级结构，属于半导体发光技术领域。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)芯片是一种主要由如Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料所组成的半导体组件。由于此半导体材料具有将电转换为光的特性，因此，当施加电流至半导体材料时，其中的电子会与电洞结合并以光的形式释放过多的能量，进而达到发光的效果。
蓝宝石在LED芯片中常被作为磊晶成长基板。由于蓝宝石是一种可透光的材料，因此，利用蓝宝石所制作的LED芯片会将光散射至所有方向，不会聚光而造成浪费。同时，散射光被LED芯片内的各个半导体层吸收，而使得LED芯片的发光效率降低。
基于上述，需要对现有LED芯片进行改良。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种发光效率高的发光二极管芯片、发光装置及发光二极管的晶圆级结构，其结构稳定，且可有效解决现有技术中的光发生散射而造成浪费、发光效率低的问题。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种发光二极管芯片，包括：
发光二极管结构层，具有第一面以及相对于所述第一面的第二面；
两个电极，配置于所述第一面上；以及
成长基底，包括面向所述发光二极管结构层的第三面、相对于所述第三面的第四面、以及连接在所述第三面与所述第四面之间的侧面，
其中，所述成长基底为可透光且设置于所述发光二极管结构层的所述第二面上，所述第四面的面积大于所述第三面的面积，且从所述第三面至所述第四面的方向上，所述成长基底的所述侧面的至少一部分为倾斜或弧状。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述方向上，邻接于所述第三面的所述侧面的第一部分为倾斜或弧状，且连接于所述第一部分以及所述第四面之间的所述侧面的第二部分为平面且垂直或接近垂直于所述第四面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述成长基底还包括在所述侧面的所述弧状部分上的非平坦结构。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述发光二极管芯片还包括覆盖所述发光二极管结构层的所述第一面的至少一部分的反射层，所述反射层绝缘于两个所述电极。
作为本发明一实施方式的进一步改进，两个所述电极的端面为彼此共面或接近共面。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式还提供了一种发光装置，包括：
如上所述的发光二极管芯片；以及
封装物，所述封装物覆盖所述成长基底的所述第四面，并暴露两个所述电极。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述封装物暴露所述发光二极管结构层的所述第一面，所述封装物具有与所述第一面共面或接近共面的第五面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述发光装置还包括覆盖所述封装物的所述第五面的至少一部份的反射层。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式还提供了一种发光二极管的晶圆级结构，包括：
成长基板，设置为可透光，所述成长基板具有顶面以及在所述顶面上的多个沟槽，所述沟槽将所述成长基板划分为多个基板单元，且每个所述沟槽的宽度沿垂直且远离所述顶面的方向减小；
发光二极管结构层，覆盖所述顶面而未覆盖所述沟槽；以及
多个电极，设置于所述发光二极管结构层上。
作为本发明一实施方式的进一步改进，每个所述沟槽的侧面的至少一部分在所述方向上设置为倾斜或弧状，且每个所述沟槽的深度为所述成长基板的厚度的30-90%。
与现有技术相比，本发明的LED芯片具有至少部分为弧状的侧面，而适于用封装物来进行封装；封装物可由成长基底的特定几何形状而紧密地固定于成长基底上，而有效地防止封装物以及成长基底之间的脱层；并且，通过在成长基底的侧面形成至少一倾斜部分或弧状部分，这样可显著改善LED芯片的发光效率以及光输出的均匀性；再者，本发明的发光二极管芯片在晶圆级结构实施时，可通过批次制程在成长基板上制作，从而具有节省成本、改善产率等优点。
附图说明
附图用以提供对本发明的更进一步理解，且并入并构成本说明书的一部分。图式绘示出本发明的实施例，且与说明一起用以解释本发明的技术方案。
图1为本发明一实施例的发光装置的剖面结构示意图；
图2为施加于图1的成长基底侧面的作用力的分量示意图；
图3为本发明另一实施例的发光装置的剖面结构示意图；
图4A至图4D分别为本发明的不同类型的LED芯片的剖面结构示意图及其光线分布；
图5A至图5D分别为本发明的不同类型的发光装置的剖面结构示意图及其光线分布；
图6A至图6C依序为本发明的一实施例的LED芯片的制造过程的示意图；
图7A至图7C依序为本发明的另一实施例的LED芯片的制造过程的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参看图1，图1为本发明一实施例的发光装置的剖面结构示意图。发光装置100可由封装物120对LED芯片110进行封装而形成。封装物120可包括荧光体。LED芯片110包括具有第一面112a以及相对于第一面112a的第二面112b的LED结构层112，其可形成于成长基底114上。
在本实施例中，成长基底114不会在进行制作LED结构层之后而移除。成长基底114可为蓝宝石基材或其他可应用的基材如硅或碳化硅等。LED结构层112基本上由氮化镓系化合物半导体所形成，如GaN、AlGaN、InGaN等。由于成长基底114为可透光，使得由LED结构层112所发出的部分光可穿透成长基底114，接着再从LED芯片110输出。
成长基底114包括面向LED结构层112的第三面114a、相对于第三面114a的第四面114b、以及连接在第三面114a以及第四面114b之间的侧面114c。两电极132及134设置于LED结构层112的第一面112a上，其中电极132及电极134中的一个为LED芯片110的正极，而另一个为LED芯片110的负极。
在本发明一实施例中，封装物120覆盖第四面114b、成长基底114的侧面114c、以及LED结构层112，其中LED结构层112的第一面112a以及两电极132及134被封装物120暴露。封装物120具有第五面120a，其靠近且实质上平行或接近平行于LED结构层112的第一面112a。较佳地，封装物120的第五面120a实质上与第一面112a共面或接近共面。并且，两电极132及134的端面可实质上彼此共面或接近共面。换句话说，发光装置100的底部几乎为平面，而使发光装置100在焊接制程上容易与外部电路如中介层、印刷电路板(PrintedCircuitBoard,简称PCB)等连接。
此外，本发明的成长基底114以特定几何形状所形成，其中第四面114b的面积大于第三面114a的面积。因此，当没有任何引线架(LeadFrame)而直接在LED芯片110上覆盖封装物120以进行封装之后，具有较大上部部分的成长基底114可紧密地楔入封装物120中，以防止封装物120以及成长基底114之间的脱层，从而可提升发光装置100的结构可靠度。
更具体而言，如图1所示，从一剖面看，从所述第三面至所述第四面的方向上，部分成长基底114的侧面114c是倾斜的。图2表示出施加于倾斜倾角θ的成长基底114侧面114c的作用力的分量示意图。当施加垂直于第三面114b的外力F于成长基底114时，外力F可被分解为垂直分量F*cosθ以及水平分量F*sinθ。可以看出，由于成长基底114的侧面114c是倾斜的，使成长基底114以及封装物120之间的接触面(即，侧面114c)的面积增加，进而提升成长基底114以及封装物120之间的接合效果。此外，由于侧面是倾斜的，因而产生垂直分量F*cosθ，且垂直分量F*cosθ有助于增加成长基底114以及封装物120之间的摩擦力，而可有效地消除封装物120以及成长基底114之间的脱层，提升发光装置100的结构可靠度。
本发明如图1所示，仅部分成长基底114的侧面114c是倾斜的。更具体而言，从所述第三面至所述第四面的方向上，邻接于第三面114a的侧面114c的第一部分P1是倾斜的，且连接于第一部分P1以及第四面114b之间的侧面114c的第二部分P2是平面的且垂直或接近垂直于第四面114b。然而，侧面114c的倾斜部分的比例不受限制。在本发明进一步的其他实施例中，整个侧面114c皆可是倾斜的。
此外，成长基底114的侧面114c的外型并不限制为如图1所示的倾斜面，且可依据设计或其他需求而为其他可应用的外型。
图3为本发明另一实施例的发光装置200的剖面结构示意图。用于本实施例中与前述实施例相同的参考标号，意指为相似或相同特征的组件。发光装置200的LED芯片210类似于图1所示的LED芯片110，除了：部分成长基底214的侧面214c弧状。以下不再重复其他类似或相同于前述所提的特征。
相较于图1所示的侧面114c的倾斜部分，在成长基底214上所形成的侧面214c的弧状部分提供发光装置200更高的结构可靠度。更具体而言，当施加垂直于第三面214a的外力于成长基底214时，侧面214c的弧状部分会产生更大的垂直分量。此外，侧面214c的弧状部分更增加了成长基底214以及封装物220之间的接触面的面积，而更可提升成长基底214以及封装物220之间的接合效果。
在前述所提的两实施例中，发光装置100(或200)还可包括反射层310。反射层310形成于发光装置100或200的底部之上，且覆盖至少部分的封装物120的第五面120a，以反射由LED结构层112所发出的其他部分的光。应注意的是，反射层310可覆盖部分LED结构层112的第一面112a。反射层310可由如铜、银或金的金属或介电材料所形成。在反射层310以及两电极132及134之间可存在间隙，以使两电极132及134绝缘于反射层310。因此，由LED结构层112所发出的朝向封装物120的第五面120a以及LED结构层112的第一面112a的光可被反射层310所反射，以改善发光装置100或200的发光效率。
再者，为进一步改善发光效率以及发光装置的光输出的均匀性，可于成长基底114（或214）的侧面114c（或214c）的倾斜部分或弧状部分上提供非平坦结构320，如凸块、孔洞、微结构等。
图4A至图4D分别为不同类型的LED芯片的剖面结构示意图及其光线分布。图4A所示为具有垂直侧面412的类型1的LED芯片410A的剖面结构示意图及其光线分布；图4B所示为具有倾斜侧面422的类型2的LED芯片410B的剖面结构示意图及其光线分布；图4C所示为具有弧状侧面432的类型3的LED芯片410C的剖面结构示意图及其光线分布；图4D所示为具有弧状侧面442的类型4的LED芯片410D的剖面结构示意图及其光线分布，其中LED芯片410D的弧状侧面442上形成有非平坦结构444如凸块、孔洞、微结构等。以下表格1为实验结果，以表示这些不同类型的LED芯片之间的差异。
依据以上表格1可看出，具有倾斜或弧状侧面(类型2至类型4)的LED芯片的总光效率显著地增加且其光损耗下降。此外，相较于类型2的LED芯片410B以及类型3的LED芯片410C，类型4的LED芯片410D在侧面442上提供有非平坦结构444，进而获得较大的半高宽值(FullWidthofHalfMaximum,简称FWHM)的半强度角(Half-intensity-angle)2θ1/2，这代表类型4的LED芯片410D可提供较类型2或类型3更广且更均匀的光输出。
图5A至图5D分别为不同类型的发光装置的剖面结构示意图及其光线分布。图5A所示为被封装物516所覆盖且具有垂直侧面512的类型5的发光装置500A的剖面结构示意图及其光线分布；图5B所示为被封装物526所覆盖且具有倾斜侧面522的类型6的发光装置500B的剖面结构示意图及其光线分布；图5C所示为被封装物536所覆盖且具有弧状侧面532的类型7的发光装置500C的剖面结构示意图及其光线分布；图5D所示为被封装物546所覆盖且具有弧状侧面542的类型8的发光装置500D的剖面结构示意图及其光线分布，其中发光装置500D的弧状侧面542上形成有非平坦结构544如凸块、孔洞、微结构等。以下表格2为实验结果，以表示这些不同类型的发光装置之间的差异。
依据以上表格2，可看出具有倾斜或弧状侧面(类型6至类型8)的发光装置的总光效率显著地增加且其光损耗下降。此外，相较于类型6的发光装置500B以及类型7的发光装置500C，类型8的发光装置500D在侧面542上设有非平坦结构544，进而获得较大的半高宽值(FWHM)的半强度角2θ1/2，这代表类型8的发光装置500D可提供比类型6或类型7更广且更均匀的光输出。
图6A至图6C依序为本发明的一实施例的LED芯片的制造过程的示意图。
首先，如图6A所示，于成长基板610的顶面612上形成LED结构层620。接着于LED结构层620上形成多个电极630，且电极630的端面632可实质上相互共面或接近共面。成长基板610可为蓝宝石晶圆或其他可应用的基材如硅或碳化硅等。LED结构层620基本上由氮化镓系化合物半导体所形成，如GaN、AlGaN、InGaN等。
接着，如图6B所示，于成长基板610的顶面612上形成多个沟槽640，以将成长基板610划分为多个基板单元610a。在此步骤中，部分LED结构层620以及部分成长基底610可通过如干蚀刻、湿蚀刻、雷射切割、机械切割等来移除。之后，留下来的LED结构层620覆盖顶面612而未覆盖沟槽640。在本实施例中，如附图所示，在垂直且远离所述顶面612的方向上，各个沟槽640具有深度D以及从成长基板610的顶面612沿所述方向逐渐减小的宽度W。各个沟槽640的深度D小于成长基板610的厚度T。例如，各个沟槽640的深度D为成长基板610的厚度T的30-90%。
之后，如图6C所示，沿着沟槽640进行切割步骤以将多个基板单元610a相互分离，进而可获得多个LED芯片650。各个LED芯片650包括基板单元610a、形成在基板单元610a上的LED结构层620、以及形成在LED结构层620上的电极630。
基于上述，LED芯片650可在成长基板610上通过进行批次制程(晶圆级制程)而制作，并具有节省成本、改善产率等优点。
此外，所形成的LED芯片650可如图1中所示为具有倾斜侧面114c的成长基底114的LED芯片110，或如图3中所示为具有弧状侧面214c的成长基底214的LED芯片210。换句话说，成长基底114(或214)的侧面114c(或214c)的外型是由沟槽640的侧面642的外型所决定，其取决于形成沟槽640的方法。举例来说，沟槽640的倾斜或弧状表面642可通过进行如湿蚀刻的等向蚀刻来形成；或着，沟槽640的倾斜表面(未绘示)可通过进行如干蚀刻的异向蚀刻来形成。
应注意的是，沟槽640的侧面642在上述干蚀刻步骤或湿蚀刻步骤之后可为粗糙的。换句话说，非平坦结构(如图1或图3所示的非平坦结构320)可通过上述的蚀刻步骤而形成在沟槽640的侧面642上，其中较小尺寸的非平坦结构可藉由蚀刻步骤而非其他的雷射切割或机械切割步骤而形成。
图7A至图7C依序为本发明的另一实施例的LED芯片的制造过程的示意图。在此实施例中，沟槽形成于形成LED结构层之前。
首先，如图7A所示，于成长基板710的顶面712上形成沟槽740，以将成长基板710划分为多个基板单元710a。在此步骤中，部分成长基板710可通过如干蚀刻、湿蚀刻、雷射切割、机械切割等来移除。在垂直且远离所述顶面712的方向上，各个沟槽740具有深度D以及从成长基板710的顶面712沿所述方向逐渐减小的宽度W。各个沟槽740的深度D小于成长基板710的厚度T。例如，各个沟槽740的深度D为成长基板710的厚度T的30-90%。
接着，参考图7B，于成长基板710的顶面712上形成LED结构层720。LED结构层720覆盖顶面712而未覆盖沟槽740。接着于LED结构层720上形成多个电极730，且电极730的端面732可实质上相互共面或接近共面。成长基板710可为蓝宝石晶圆或其他可应用的基材如硅或碳化硅等。LED结构层720基本上由氮化镓系化合物半导体所形成，如GaN、AlGaN、InGaN等。
之后，如图7C所示，沿着沟槽740进行切割步骤以将多个基板单元710a相互分离，进而可获得多个LED芯片750。各个LED芯片750包括基板单元710a、形成在基板单元710a上的LED结构层720、以及形成在LED结构层720上的电极730。
基于上述，可获得类似于前述所提的LED芯片650的LED芯片750。以下不再重复其他类似或相同于前述所提的特征。
综上所述，本发明的LED芯片从一剖面看具有至少一部分为弧状或倾斜的侧面。当LED芯片通过形成封装物于其上而封装时，封装物可通过成长基底的特定几何形状而紧密地固定于成长基底上，以有效地防止封装物以及成长基底之间的脱层。此外，通过于成长基底的侧面形成至少一弧状部分或倾斜部分，可改善发光效率以及LED芯片的光输出的均匀性，且于弧状部分或倾斜部分上形成非平坦结构，进一步改善光输出的均匀性。再者，本发明的发光二极管芯片在晶圆级结构实施时，可通过批次制程在成长基板上制作，从而具有节省成本、改善产率等优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，上述详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管芯片，其特征在于，包括：
发光二极管结构层，具有第一面以及相对于所述第一面的第二面；
两个电极，配置于所述第一面上；以及
成长基底，包括面向所述发光二极管结构层的第三面、相对于所述第三面的第四面、以及连接在所述第三面与所述第四面之间的侧面，
其中，所述成长基底为可透光且设置于所述发光二极管结构层的所述第二面上，所述第四面的面积大于所述第三面的面积，且从所述第三面至所述第四面的方向上，所述成长基底的所述侧面的至少一部分为倾斜或弧状。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，在所述方向上，邻接于所述第三面的所述侧面的第一部分为倾斜或弧状，且连接于所述第一部分以及所述第四面之间的所述侧面的第二部分为平面且垂直或接近垂直于所述第四面。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述成长基底还包括在所述侧面的所述弧状部分上的非平坦结构。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括覆盖所述发光二极管结构层的所述第一面的至少一部分的反射层，所述反射层绝缘于两个所述电极。
5.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其特征在于，两个所述电极的端面为彼此共面或接近共面。
6.一种发光装置，其特征在于，包括：
如权利要求1或2所述的发光二极管芯片；以及
封装物，所述封装物覆盖所述成长基底的所述第四面，并暴露两个所述电极。
7.根据权利要求6所述的发光装置，其特征在于，所述封装物暴露所述发光二极管结构层的所述第一面，所述封装物具有与所述第一面共面或接近共面的第五面。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置还包括覆盖所述封装物的所述第五面的至少一部份的反射层。
9.一种发光二极管的晶圆级结构，其特征在于，包括：
成长基板，设置为可透光，所述成长基板具有顶面以及在所述顶面上的多个沟槽，所述沟槽将所述成长基板划分为多个基板单元，且每个所述沟槽的宽度沿垂直且远离所述顶面的方向减小；
发光二极管结构层，覆盖所述顶面而未覆盖所述沟槽；以及
多个电极，设置于所述发光二极管结构层上。
10.根据权利要求9所述的发光二极管的晶圆级结构，其特征在于，每个所述沟槽的侧面的至少一部分在所述方向上设置为倾斜或弧状，且每个所述沟槽的深度为所述成长基板的厚度的30-90%。
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