TW201310703A - 垂直式發光二極體結構及其製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種垂直式發光二極體聯結構及其製備方法。本發明之垂直式發光二極體結構係包括：複數個發光二體極，其中，該每一發光二極體係包括一第一電極、一半導體磊晶層、及一第二電極，且該每一發光二極體之第二電極與相鄰之發光二極體之第一電極係以串聯或並聯方式相互連接。

Description

垂直式發光二極體結構及其製備方法

本發明係關於一種垂直式發光二極體結構及其製備方法，尤指一種適用於以類鑽碳層作為區隔材料之垂直式發光二極體結構及其製備方法。

自60年代起，發光二極體的耗電量低及長效性的發光等優勢，已逐漸取代日常生活中用來照明或各種電器設備的指示燈或光源等用途。更有甚者，發光二極體朝向多色彩及高亮度的發展，已應用在大型戶外顯示看板或交通號誌。

發光二極體(Light Emitting Diode,LED)之二電極可位於晶片的同一側或相對側，前者稱之為水平式發光二極體，而後者即所謂垂直式發光二極體。水平式發光二極體電流經過半導體發光層時必須轉彎而沿晶片平行方向引出或流入。垂直式發光二極體的電流則可順流而不必在兩極之間轉彎。

水平式發光二極體中，電流轉彎時在內側會匯流而造成熱點使晶片在該處的缺陷加大而造成光度的衰減。除此之外，電流轉彎的外側因電子密度不足則會降低光子產生的數量。由於電流分佈不均勻，水平式發光二極體的晶片不宜加大。與此相較，垂直發光二極體的電流密度平均，不會造成局部過熱或局部暗光的現象，因此晶片面積可以加大。

發光二極體的晶片常以外延生長(Epitaxial Growth)的方式沈積在基材(Substrate)的晶圓上。製造發光二極體晶粒時必須切割晶圓。晶片面積小時切割的損失比率偏高，降低了晶圓上的總發光面積。更有甚者，水平式發光二極體必須犧牲部份的發光層來披覆第二個電極。因此以單位發光面積的成本而論，垂直式比水平式為低。因此白光發光二極體的先進設計乃從水平式逐漸改成垂直式。

然而，發光二極體以直流電發光，其驅動電壓不高，相當於電子與電洞的電位差。以氮化鎵(GaN)產生的白光發光二極體為例，電壓只有約3.1-3.3V。發光二極體製成燈具常以更高的電壓輸入電流，例如以12V的直流電池或110V(220V)的交流家用電源。以高電壓點亮發光二極體常需降壓，不僅增加電流損耗，也提高了組裝成本。

因此，若能提出一種新穎垂直式發光二極體結構，使可提升電壓，可免去降壓之成本，並同時維持優秀的散熱性、使電流獲得提升、單位亮度的發光成本降低、提升信賴性(reliability)，如此則可大幅提升其應用範圍(例如，車用、家用等)，創造更大經濟價值。

藉此，本發明提供了一種垂直式發光二極體(LED)結構，其包括：複數個發光二體極，其中，該每一發光二極體係包括一第一電極、一半導體磊晶層、及一第二電極，且該每一發光二極體之第二電極與相鄰之發光二極體之第一電極係以串聯或並聯方式相互連接。

本發明之垂直式發光二極體結構，較佳係以串聯方式相互連接，可提高驅動電壓，因此可不需使用外加的變壓器而可直接連上車用或家用的電源。本發明的垂直式發光二極體之串聯方式可分為兩種，一種係將發光二極體的正負極交互配置，使正極和負極在同一平面串聯。這時相鄰的發光二極體其射出光的方向相反。在封裝這些發光二極體光源時，逆向射出光點可以斜置的鏡面射向週邊再反射到正面與正向的光線匯合。另一種係將垂直發光二極體同並排列在平面，但另以第一電極(如，金線等金屬線)對應連接隔鄰的正極及負極。這種設計可使發光二極體的光線都自負極未遮敝的N-GaN面射出。串聯的導線必須絕緣，而最好的絕緣材料例如為類鑚碳(DLC)。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該半導體磊晶層較佳可包括一第一半導體磊晶層、一活性層(MQW層或未經摻雜之半導體子層)、以及第二半導體磊晶層。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該發光二極體較佳可更包括一保護層，係設置於該半導體磊晶層之一側壁，保護層204之材質較佳為絕緣性碳化物(例如，類鑚碳(DLC))、或絕緣性氧化物(例如，SiO₂)。

此外，本發明之垂直式發光二極體結構較佳可更包括至少一類鑚碳(DLC)層(作為保護層)，係配置於該些垂直式發光二極體之間，並覆蓋(或包覆)該第一電極。亦即，此類鑚碳層可作為垂直式發光二極體之間的絕緣材料。此外，類鑚碳層較佳更可用於將該垂直式發光二極體所產生之熱量導出。類鑚碳層之藍光吸收率較佳係小於20%。類鑚碳層之層數可為一層或以上，較佳為二層以上，更佳為二層至十層，並且，該類鑚碳層之間較佳可更包括一中間層。

根據本發明之垂直式發光二極體結構，其中，中間層之材質係選擇使用能與碳產生反應，且能合成碳化物(carbide former)之金屬皆可，較佳為可包括至少一選自由鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)、及前述金屬之合金所組成之群組等材料，更佳可選自由：鈦(Ti)、鋯(Zr)、鎢(W)、鉬(Mo)、其合金、及其複合材料所組成之群組。而該中間層之厚度沒有特殊限制，較佳為50-500 nm，更佳為100-300 nm。

沈積類鑚碳層之方法可使用習知技術來達成，例如使用化學氣相沈積(CVD，Chemical Vapor Deposition)法或物理氣相沈積(PVD，Physical Vapor Deposition)法。所使用之碳源可為固體(如石墨或鑽石)或氣體(如甲烷或乙炔)。也可使用液體(如熔化的Adamantane或Teflon)。導電的類鑚碳層內含石墨鍵(sp²)或嵌入金屬。而絕緣的類鑚碳層則含碳的單鍵，包括鑽石(C-C鍵)或烷基(C-H鍵)。

本發明之垂直式發光二極體結構中，較佳可更包括一反射層，係設置於該半導體磊晶層之一側。該反射層可覆蓋部分該反射層，且其材質較佳可選自由：鋁、銀、鎳(Ni)、鈷(Co)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、金(Au)、鋅(Zn)、錫(Sn)、銻(Sb)、鉛(Pb)、銅(Cu)、銅銀(CuAg)、鎳銀(NiAg)、及其混合物所組成之群組。本發明之垂直式發光二極體結構中，該反射層之厚度沒有限制，只要可以達成導引光線及增加發光效率即可，較佳為50-500 nm，更佳為100-300 nm

本發明之垂直式發光二極體結構中，該發光二極體更包括一絕緣層與一基板，該基板係配置於該些發光二極體之一側，絕緣層較佳可覆蓋部分該半導體磊晶層或該反射層，但不可完全覆蓋。該絕緣層之材質較佳可選自由：碳化物(例如，DLC)、氧化物(例如，Al₂O₃、二氧化矽(SiO₂))、氮化物(例如，AlN)、及其混合物所組成之群組。更佳地，絕緣層之材質係類鑚碳(DLC)。基板之材質較佳可選自由：金屬、陶瓷、或高分子材質。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該第一半導體磊晶層以及該第一電極係P型，該第二半導體磊晶層以及該第二電極係N型；或是，該第一半導體磊晶層以及該第一電極係N型，該第二半導體磊晶層以及該第二電極係P型。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該些發光二極體較佳係垂直式發光二極體。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該半導體層磊晶層較佳係具有以第II至VI族元素所構成之化合物。或是，該發光二極體之半導體磊晶層之組成較佳係為氧化鋁(Al₂O₃)(藍寶石)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁(AlP)、氮化鎵(GaN)、石墨(C)、六方氮化硼(hexagonal boron nitride,HBN)、或鑽石(C)。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該些發光二極體較佳係於該基板上以同一平面配置。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該發光二極體較佳係為白光發光二極體。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該絕緣層較佳係用於將該發光二極體所產生之熱量導出。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該類鑚碳層之藍光吸收率較佳係小於20%。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該發光二極體係直接銲於一電路板上。其中，該電路板可為一金屬基板、陶瓷基板、或矽基板，且該電路板可包括有以一類鑚碳層包覆之導線。在此，該金屬基板之材質較佳可選自由：鋁、銅、鎳、銀、金、及其合金所組成之群組；該陶瓷基板之材質較佳可為氮化鋁或氧化鋁。

本發明之垂直式發光二極體結構，其驅動電流較佳係大於1A。

本發明之垂直式發光二極體結構，其整體驅動電壓較佳係大於單一發光二極體之電壓。本發明之垂直式發光二極體結構，較佳係以串聯方式相互連接，可提高驅動電壓，因此可不需使用外加的變壓器而可直接連上車用或家用的電源。

本發明之垂直式發光二極體結構中，該第一電極及/或第二電極之材質係選自由：鈦、金、銅、銀、鋁、鎳、鎢及其合金所組成之群組。

一般的水平式白光發光二極體乃以藍寶石(Al₂O₃)為基材生長異質的氮化鎵半導體磊晶(Hetero-Epitaxy)製作。藍寶石的表面常先披覆過渡層(Buffer Layer)以降低晶片與基材晶格不匹配(Lattice Mismatch)而造成的介面應力。過渡層可為AlN或GaN或其混晶。

氮化鎵可發出藍光，通常正極(P-Type)係摻雜鎂，可提供電洞；而負極(N-Type)係摻雜矽，可提供電子。製作水平式白光發光二極體之磊晶(epitaxy)時，係先形成N型氮化鎵(N-GaN)，再經形成多個量子井(Multiple Quantum Well)後生長P型氮化鎵(P-GaN)。由於藍寶石為絕緣體，因此氮化鎵磊晶(包括量子井的部份)必須部分侵蝕移除，才能鍍上負極，而製作成水平式的發光二極體。

垂直式的發光二極體則直接將正極貼上導電的電極後以雷射(如，氟化氪(KrF)的氣體雷射)自藍寶石面射入紫外光(如，波長248nm之光線)，將鎵(Ga)氣化而剝離藍寶石。暴露的氮化鎵經拋光或侵蝕後可崁入金屬(如，金)製成框架或叉狀的電極線。

水平式發光二極體的藍光乃自正極面射出。為了強化亮度，藍寶石下可披覆反光層(如銀)。然而，由於藍寶石的熱傳導率甚低(約35 W/mK)，為避免熱點溫度太高，發光二極體的輸入電流必須受到控制(如350 mA)。垂直式發光二極體的光子乃自負極射出，故其反射層(如，Ag)可披覆在正極面(P-GaN)。由於晶片可以加大，且沒有藍寶石擋熱，驅動發光二極體的電流可以加大(如>1A)。垂直發光二極體可製成高功率的發光二極體，其單位面積的發光量較大，單位亮度的發光成本也較低。

垂直發光二極體的正極因直接銲在導體上，導體的熱膨脹係數(CTE，Coefficient of Thermal Expansion)必須較低，才能銲在氮化鎵上。一般使用的導體為滲入雜質的矽或鎢銅(CuW)複合材料。氮化鎵的反光層和導體的介面會CTE的差異而產生應力，常造成晶面變形甚至破裂。氮化鎵為壓電材料，介面應力也會干擾發光二極體的電光效應。為了降低介面應力，介面常以多層膜做為緩衝帶。例如以鎢鈦(TiW)/鉑(Pt)或類鑚碳(Diamond Like Carbon,DLC)/鈦(Ti)的多層膜做為緩衝層。其中類鑚碳為緩衝層的首選材料。類鑚碳層的熱膨脹係數不僅可調節，其熱傳導率(>450 W/mK)更可低於鎢鈦或鎢銅之熱傳導率。

類鑚碳之材料具有許多特性。類鑚碳層若含石墨鍵(SP²)則可導電；而不含石墨鍵之情形下則具有絕緣的效果。導電的類鑚碳層可做為垂直發光二極體的P型氮化鎵之電極的緩衝，而絕緣的類鑚碳則可披覆在氮化鎵的周圍，保護包括量子井在內的發光層。一般發光層的保護層為二氧化矽(SiO₂)，但因其熱傳導率遠低於氮化鎵，故常會在高溫製程(如，雷射剝離)時產生微裂縫。此外，在雷射剝離藍寶石時，濺出的鎵會滲入裂縫造成漏電現象。絕緣之類鑚碳層的熱傳導率則和氮化鎵較相近，因此非常適合用於將發光層密封。

此外，一般發光二極體發出藍光，而常摻雜以黃色的螢光粉(如YAG)使組成白光。然而，螢光粉在發光時也會發熱。溫度升高後不僅氮化鎵所發的藍光會衰減，螢光粉發生的黃光更會減弱，這些都是不可逆的劣化現象。若使用二氧化矽(SiO₂)，由於二氧化矽的熱阻比藍寶石大得多，因此以二氧化矽保護發光層更容易加速發光二極體的光衰。相反地，本發明使用了類鑚碳作為保護層及/或絕緣層之材料，其熱傳導率相較二氧化矽來的高，可避免摻雜於發光二極體中之螢光粉過熱，因此可使垂直發光二極體不僅更亮，也更耐久。

習知一般的發光二極體以直流電發光，其驅動電壓不高，相當於電子與電洞的電位差。以氮化鎵產生的白光發光二極體為例，電壓只有約3.1-3.3V。發光二極體製成燈具時，由於係以更高的電壓輸入電流(例如以12V的直流電池或110V(220V)的交流家用電源)，因此需外加變壓器降壓，不僅增加電流損耗，也提高了組裝工時及材料成本。

本發明之垂直式發光二極體結構，可提高驅動電壓，因此可不需使用外加的變壓器而可直接連上車用或家用的電源，故相對於傳統垂直式發光二極體，可更減少電流損耗，並減少組裝工時及材料成本。

本發明另提供一種垂直式發光二極體結構之製備方法，包括步驟：(A)提供一基板；(B)於該基板上形成複數個半導體磊晶層，該半導體磊晶層係具有一第一表面與相對之第二表面；(C)於該每一半導體磊晶層之側壁形成一保護層；(D)形成複數第一電極，使該每一半導體磊晶層之第一表面與該第一電極電性連接；(E)形成一絕緣層使覆蓋該第一電極、該半導體磊晶層、以及該保護層；(F)移除該基板，使顯露該半導體磊晶層之第二表面；以及(G)形成複數第二電極，使該每一第二電極與該半導體磊晶層之第二表面以及相鄰之半導體磊晶層之第一電極連接。

本發明所製得之垂直式發光二極體結構，可提高驅動電壓，因此可不需使用外加的變壓器而可直接連上車用或家用的電源。本發明的垂直式發光二極體之串聯方式可分為兩種，一種係將發光二極體的正負極交互配置，使正極和負極在同一平面串聯。這時相鄰的發光二極體其射出光的方向相反。在封裝這些發光二極體光源時，逆向射出光點可以斜置的鏡面射向週邊再反射到正面與正向的光線匯合。另一種係將垂直發光二極體同並排列在平面，但另以第一電極及/或第二電極(如，金線等金屬線)對應連接隔鄰的正極及負極。這種設計可使發光二極體的光線都自負極未遮敝的N-GaN面射出。串聯的導線必須絕緣，而最好的絕緣材料例如為類鑚碳(DLC)。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該步驟(B)之後較佳可更包括一步驟(B1)：於該每一半導體磊晶層之第一表面形成一反射層。反射層之材質可為至少一選自由：鋁、銀、鎳(Ni)、鈷(Co)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、金(Au)、鋅(Zn)、錫(Sn)、銻(Sb)、鉛(Pb)、銅(Cu)、銅銀(CuAg)、鎳銀(NiAg)、及前述金屬合金所組成之群組，且反射層之厚度沒有限制，只要可以達成導引光線及增加發光效率即可，較佳可為50 nm-500 nm，更佳為100 nm-300 nm。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該半導體磊晶層較佳可具有以第II至VI族元素所構成之化合物；或是，該步驟(B)中，該半導體磊晶層之組成較佳可為氧化鋁(Al₂O₃)(即，藍寶石)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁(AlP)、氮化鎵(GaN)、石墨、六方氮化硼(hexagonal boron nitride,HBN)、或鑽石。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該步驟(F)中，該基板較佳可透過照射紫外光(如，波長248nm之光線)而移除。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該發光二極體較佳可為白光發光二極體，更佳為白光垂直式發光二極體。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該絕緣層較佳可用於將該發光二極體所產生之熱量導出，且該絕緣層之材質較佳可選自由：碳化物(例如，DLC)、氧化物(例如，Al₂O₃、二氧化矽(SiO₂))、氮化物(例如，AlN)、及其混合物所組成之群組。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該絕緣層206之材質較佳可為類鑚碳(DLC)，該類鑚碳層之藍光吸收率較佳可小於20%，且該類鑚碳層之層數較佳可為一層或以上，更佳為二層至十層。此外，本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該類鑚碳層之間較佳可更形成有一中間層。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該中間層之材質係選擇使用能與碳產生反應，且能合成碳化物(carbide former)之金屬皆可，較佳較佳可選自由：鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)、及其複合材料所組成之群組，更佳可選自由：鈦(Ti)、鋯(Zr)、鎢(W)、鉬(Mo)、其合金、及其複合材料所組成之群組。而該中間層之厚度沒有特殊限制，較佳為50-500 nm，更佳為100-300nm。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法，該步驟(E)與步驟(F)之間較佳可更包括一步驟(E1)：於該絕緣層206之一表面形成一電路板。在此，該電路板較佳可為一金屬基板、陶瓷基板、或矽基板，且該電路板包括有以一類鑚碳層包覆之導線。其中，該金屬基板之材質較佳可為鋁或銅；並且，該陶瓷基板之材質較佳可為氮化鋁或氧化鋁。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該步驟(F)與步驟(G)之間較佳可更包括一步驟(F1)：將該半導體磊晶層之第二表面進行表面粗糙化，使增加光輸出。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該垂直式發光二極體結構之驅動電流較佳可大於1A。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該反射層之厚度較佳可為50 nm-500 nm。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該保護層之材質較佳可為絕緣性碳化物(例如，DLC)、絕緣性氮化物(例如AlN)、或絕緣性氧化物(例如，二氧化矽(SiO₂))。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該第一電極及/或第二電極之材質較佳可選自由：鈦、金、銅、銀、鋁、鎳、鎢及其合金所組成之群組。

本發明之垂直式發光二極體結構之製備方法中，該半導體磊晶層較佳可包括一第一半導體磊晶層、一活性層(MQW層或未經摻雜之半導體子層)、以及第二半導體磊晶層。

本發明可使用類鑚碳作為保護層及/或絕緣層之材料，其熱傳導率相較二氧化矽來的高，可避免摻雜於發光二極體中之螢光粉過熱，因此可使垂直發光二極體不僅更亮，也更耐久。

習知一般的發光二極體以直流電發光，其驅動電壓不高，相當於電子與電洞的電位差。以氮化鎵產生的白光發光二極體為例，電壓只有約3.1-3.3V。發光二極體製成燈具時，由於係以更高的電壓輸入電流(例如以12V的直流電池或110V(220V)的交流家用電源)，因此需外加變壓器降壓，不僅增加電流損耗，也提高了組裝工時及材料成本。

本發明所製得之垂直式發光二極體結構，可提高驅動電壓，因此可不需使用外加的變壓器而可直接連上車用或家用的電源，故相對於傳統垂直式發光二極體，可更減少電流損耗，並減少組裝工時及材料成本。

請參閱圖1I，其係根據本發明製造方法所獲得之垂直式發光二極體結構，包括有複數垂直式發光二極體20，係白光發光二極體，該每一垂直式發光二極體20包括有一半導體磊晶層202、一金屬反射層203、P型第一電極205、及N型第二電極209，其中，該半導體磊晶層202之材質為砷化鎵(GaAs)，且包括一P型第一半導體磊晶層2021、一活性層2022(MQW層或未經摻雜之半導體子層)、以及N型第二半導體磊晶層2023。該些垂直式發光二極體20係配置於基板208之同一面，且皆以N型第二半導體磊晶層2023朝上之方式配置。反射層203係設置於該半導體磊晶層202之一側並與第一電極205連接，各個垂直式發光二極體20之間透過P型第一電極205與N型第二電極209的電性連接而串聯起來，因此本實施例之垂直式發光二極體結構的整體驅動電壓係大於單一發光二極體之電壓，且驅動電流係大於1A。該每一垂直式發光二極體20之側壁係覆有一保護層204，保護層204之材質係為類鑚碳(DLC)。反射層203之材質係Ni/Ag；第一電極205之材料為Ti/Au。絕緣層206覆蓋該第一電極205、以及該保護層204。

以下，將詳述本發明之垂直式發光二極體結構之製造方法：

[實施例1]

請參閱圖1A至1I，係本發明製造垂直式發光二極體結構之一具體實施例。首先，如圖1A所示，提供一基材201，在本實施例中基材201為使用藍寶石基板，並可依製程上之所需，選擇使用Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C(石墨)、hBN、C(鑽石)、或至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg之氮化物、磷化物、或砷化物之基板。接著，於基材201上形成一半導體磊晶層202，該半導體磊晶層202係具有以第II至VI族元素所構成之化合物，例如Al₂O₃(藍寶石)、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C(石墨)、hBN、C(鑽石)、或至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg之氮化物、磷化物、或砷化物，在本實施例中係使用GaN作為半導體磊晶層202，半導體磊晶層202包含有未經摻雜之GaN(undoped GaN)活性層2022、P型第一半導體磊晶層2021、以及N型第二半導體磊晶層2023(其中，P型第一半導體磊晶層2021、以及N型第二半導體磊晶層2023之位置可對調，視狀況所需)。其後，如圖1B所示，以感應耦合電漿(ICP)蝕刻半導體磊晶層202使隔離成複數個區域，在此，半導體磊晶層202分別具有一第一表面202’以及一第二表面202”。然後，如圖1C所示，形成一金屬反射層203，以陰極電弧之方式使其沉積並與半導體磊晶層202相互結合，金屬反射層203可為Ni/Ag，其他可選擇為金屬反射層203之材料如Al、Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、Cu、CuAg、NiAg、或前述金屬合金皆可，且金屬反射層203之厚度沒有限制，只要可以達成導引光線及增加發光效率即可，較佳可為50 nm-500 nm，更佳可為100 nm-300 nm，在本實施例中之金屬反射層203之厚度為約200 nm-250 nm左右。

接著，如圖1D所示，以電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)形成類鑚碳為材料之保護層204，使其覆蓋半導體磊晶層202之側壁、部分該第一表面202’、及部分金屬反射層203。金屬反射層203不可完全受到保護層204覆蓋，需保留部分區域未覆蓋。保護層204之材料亦可選擇，例如，二氧化矽、或氮化鋁(AlN)。

然後，如圖1E所示，以電子束蒸鍍(e-beam evaporation)形成第一電極205以提供電性連接功能，第一電極205之材料為Ti/Au，亦可選擇使用如銅(Cu)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鎢(W)、鐵(Fe)、鈦(Ti)、鉻(Cr)等金屬，且形成方法亦可選擇熱蒸鍍(thermo evaporation)法。第一電極205需連接金屬反射層203以及基板201。

其後，如圖1F所示，依序以如濺鍍之方式形成一絕緣層206(即，類鑽碳層)。DLC絕緣層206的厚度沒有特別限制，只要能達成較佳之散熱效果即可，DLC絕緣層206較佳厚度(單一層)為大於100 nm以上皆可，本實施例為約250 nm厚度之絕緣層206。絕緣層206之材質亦可為氧化物(例如，Al₂O₃、二氧化矽(SiO₂))、氮化物(例如，AlN)或其他相似物。

其後，如圖1G所示，於絕緣層206、中間層207之之上電鍍低應力的鎳之後，再鍍銅使厚度達到約150μm而形成一金屬基板208。本實施例中，金屬基板208亦可改以膠黏上電路板(如，包括有以類鑚碳層包覆導線之金屬基板、陶瓷基板、或矽基板)來取代。

而後，如圖1H所示，以氟化氪(KrF)雷射自藍寶石基材201面照射248nm的紫外線，以剝離掉藍寶石基材201，使顯露出半導體磊晶層202之第二表面202”、部分保護層204、部分第一電極205、以及部分絕緣層206。這時的半導體磊晶層202因受到DLC保護層204的密封及保護，因此不致被高溫濺出的雜質污染造成漏電或短路。

最後，如圖1I所示，將半導體磊晶層202之第二表面202”進行粗糙化(以增加光輸出)後，於半導體磊晶層202之第二表面202”形成第二電極209，並使該第二電極209與相鄰之垂直式發光二極體20之第一電極205連接。如此，則形成複數個垂直式發光二極體20的連接結構，而相鄰之垂直式發光二極體20彼此間透過第一電極205以串聯方式連接。

[實施例2]

本實施例之製備方式大致與實施例1相同，而差異在於，絕緣層206形成後，利用氧電漿打出一個洞301，如圖2所示。而使最左邊的垂直式發光二極體20可與金屬基板208電性連接。本實施例中，洞301亦可透過下述方式形成：於形成絕緣層206之前，利用黃光製程，於第一電極205及金屬反射層203上方覆蓋阻質(resist)，於絕緣層206形成後，再將阻質移除。

[實施例3]

如圖3所示，本實施例之製備步驟大致與實施例1之製備步驟相同，但差別在於，在製作絕緣層206時，係重複濺鍍步驟使多層DLC絕緣層206之間穿插有中間層207，而得到Ti/C/Ti/C/Ti/C/Ti/C/Ti/C/Ti/Cu的交互層(厚度共約2微米)結構。關於中間層207之材質係選擇只要是使用能與碳產生反應，且能合成碳化物之金屬皆可，較佳為可包括至少一選自由鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)、及前述金屬之合金所組成之群組等材料，在本實施例中係使用鈦作為中間層207。至於中間層207之厚度沒有限制，較佳為50-500 nm，更佳為100-300 nm，本實施例之中間層約為200 nm。而絕緣層206之厚度沒有特別限制，只要能達成較佳之散熱效果及與中間層207能緊密結合即可，並可因中間層207及絕緣層206以疊層之方式相互堆疊，進一步達成降低發光二極體中各層結構因產生介面應力而造成彎曲之情形，而導致良率降低，絕緣層206單一層的較佳厚度為大於100 nm以上皆可，本實施例以約250 nm厚度之絕緣層206。如此，交互層結構的整體厚度可達到約數個微米(例如1-2μm)。

習知一般的發光二極體以直流電發光，其驅動電壓不高，相當於電子與電洞的電位差。以氮化鎵產生的白光發光二極體為例，電壓只有約3.1-3.3V。發光二極體製成燈具時，由於係以更高的電壓輸入電流(例如以12V的直流電池或110V(220V)的交流家用電源)，因此需外加變壓器降壓，不僅增加電流損耗，也提高了組裝工時及材料成本。

本發明之垂直式發光二極體結構，可提高驅動電壓，因此可不需使用外加的變壓器而可直接連上車用或家用的電源。本發明的垂直式發光二極體係將垂直發光二極體一同排列在平面，以第一電極(如，金線等金屬線)對應連接相鄰發光二極體的N極及P極。這種設計可使發光二極體的光線都自未遮敝的N-GaN面射出。串聯的發光二極體之間必須絕緣，而最好的絕緣材料例如為類鑚碳(DLC)。

類鑚碳之材料具有許多特性。類鑚碳層若含石墨鍵(SP²)則可導電；而不含石墨鍵之情形下則具有絕緣的效果。導電的類鑚碳層可做為垂直發光二極體的P型氮化鎵之電極的緩衝，而絕緣的類鑚碳則可披覆在氮化鎵的周圍，保護包括量子井在內的發光層。一般發光層的保護層為二氧化矽(SiO₂)，但因其熱傳導率遠低於氮化鎵，故常會在高溫製程(如，雷射剝離)時產生微裂縫。此外，在雷射剝離藍寶石時，濺出的鎵會滲入裂縫造成漏電現象。絕緣之類鑚碳層的熱傳導率則和氮化鎵較相近，因此非常適合用於將發光層密封。

本發明使用了類鑚碳作為保護層及/或絕緣層之材料，其熱傳導率相較二氧化矽來的高，可避免摻雜於發光二極體中之螢光粉過熱，因此可使垂直發光二極體不僅更亮，也更耐久。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

20．．．垂直式發光二極體

201．．．基材

202．．．半導體磊晶層

202'．．．第一表面

202"．．．第二表面

203．．．反射層

204．．．保護層

205．．．第一電極

206．．．絕緣層

207．．．中間層

208．．．基板

209．．．第二電極

301．．．洞

圖1A至1I係本發明實施例1之垂直式發光二極體結構之製造方法流程示意圖。

圖2係本發明實施例2之垂直式發光二極體結構示意圖。

圖3係本發明實施例3之垂直式發光二極體結構示意圖。

20．．．垂直式發光二極體

202．．．半導體磊晶層

202"．．．第二表面

203．．．反射層

204．．．保護層

205．．．第一電極

206．．．絕緣層

207．．．中間層

208．．．基板

209．．．第二電極

Claims (38)

1. 一種垂直式發光二極體結構，係包括複數個發光二體極，其中，該每一發光二極體係包括一第一電極、一半導體磊晶層、及一第二電極，且該每一發光二極體之第二電極與相鄰之發光二極體之第一電極係以串聯或並聯方式相互連接。
2. 如申請專利第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該半導體磊晶層係包括一第一半導體磊晶層、一活性層、以及第二半導體磊晶層。
3. 如申請專利第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該發光二極體更包括一保護層，係設置於該半導體磊晶層之一側壁。
4. 如申請專利第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該發光二極體更包括一反射層，係設置於該半導體磊晶層之一側。
5. 如申請專利第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該發光二極體更包括一絕緣層與一基板，該基板係配置於該些發光二極體之一側。
6. 如申請專利第2所述之垂直式發光二極體結構，其中，該第一半導體磊晶層以及該第一電極係P型，該第二半導體磊晶層以及該第二電極係N型。
7. 如申請專利第2項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該第一半導體磊晶層以及該第一電極係N型，該第二半導體磊晶層以及該第二電極係P型。
8. 如申請專利第3項所述之垂直式發光二極體結構，其中該保護層之材質係為絕緣性碳化物、或絕緣性氧化物。
9. 如申請專利第8項所述之垂直式發光二極體結構，其中該保護層之材質係為類鑚碳(DLC)。
10. 如申請專利第4項所述之垂直式發光二極體結構，其中該反射層之材質係選自由：鋁、銀、鎳、鈦、及其混合物所組成之群組。
11. 如申請專利第5項所述之垂直式發光二極體結構，其中該絕緣層之材質係選自由：碳化物、氧化物、氮化物、及其混合物所組成之群組。
12. 如申請專利第11項所述之垂直式發光二極體結構，其中該絕緣層之材質係類鑚碳(DLC)。
13. 如申請專利第5項所述之垂直式發光二極體結構，其中該基板之材質係選自由：金屬、陶瓷、或高分子材質。
14. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該發光二極體係垂直式發光二極體。
15. 如申請專利範圍第5項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該些發光二極體係於該基板上以同一平面配置。
16. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該發光二極體之半導體磊晶層之組成係為氧化鋁(Al₂O₃)(藍寶石)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁(AlP)、氮化鎵(GaN)、石墨(C)、六方氮化硼(hexagonal boron nitride,HBN)、或鑽石(C)。
17. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該發光二極體係為白光發光二極體。
18. 如申請專利範圍第5項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該絕緣層係將該發光二極體所產生之熱量導出。
19. 如申請專利範圍第12項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該類鑚碳之藍光吸收率係小於20%。
20. 如申請專利範圍第12項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該類鑚碳層之層數係為一層。
21. 如申請專利範圍第12項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該類鑚碳層之層數係為二層至十層。
22. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式發光二極體結構，其驅動電流係大於1A。
23. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式發光二極體結構，其中，該第一電極205之材質係選自由：鈦、金、銅、銀、鋁、鎳、鎢及其合金所組成之群組。
24. 一種垂直式發光二極體結構之製備方法，包括步驟：(A)　提供一基板；(B)　於該基板上形成複數個半導體磊晶層，該半導體磊晶層係具有一第一表面與相對之第二表面；(C)　於該每一半導體磊晶層之側壁形成一保護層；(D)　形成複數第一電極，使該每一半導體磊晶層之第一表面與該第一電極電性連接；(E)　形成一絕緣層使覆蓋該第一電極、該半導體磊晶層、以及該保護層；(F)　移除該基板，使顯露該半導體磊晶層之第二表面；以及(G)　形成複數第二電極，使該每一第二電極與該半導體磊晶層之第二表面以及相鄰之半導體磊晶層之第一電極連接。
25. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該步驟(B)之後更包括一步驟(B1)：於該每一半導體磊晶層之第一表面形成一反射層。
26. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該半導體磊晶層係具有以第II至VI族元素所構成之化合物。
27. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該步驟(F)中，該基板係透過照射紫外光而移除。
28. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該步驟(B)中，該半導體磊晶層之組成係為氧化鋁(Al₂O₃)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁(AlP)、氮化鎵(GaN)、石墨、六方氮化硼(hexagonal boron nitride,HBN)、或鑽石。
29. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該發光二極體係為白光發光二極體。
30. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該絕緣層係將該發光二極體所產生之熱量導出，且該絕緣層之材質係選自由：碳化物、氧化物、氮化物、及其混合物所組成之群組。
31. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該絕緣層之材質係類鑚碳(DLC)，且該類鑚碳層之藍光吸收率係小於20%。
32. 如申請專利範圍第31項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該類鑚碳層之層數係為二層至十層。
33. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，該步驟(E)與步驟(F)之間更包括一步驟(E1)：於該絕緣層之一表面形成一電路板。
34. 如申請專利範圍第33所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，該電路板係一金屬基板、陶瓷基板、或矽基板，且該電路板包括有以一類鑚碳層包覆之導線。
35. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，該垂直式發光二極體結構之驅動電流係大於1A。
36. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該保護層之材質為絕緣性碳化物、絕緣性氮化物、或絕緣性氧化物。
37. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該第一電極之材質係選自由：鈦、金、銅、銀、鋁、鎳、鎢及其合金所組成之群組。
38. 如申請專利範圍第24項所述之垂直式發光二極體結構之製備方法，其中，該半導體磊晶層係包括一第一半導體磊晶層、一活性層、以及第二半導體磊晶層。