TW201318236A - 具增大面積之氮化鎵發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種發光裝置及其製造方法。利用製程將例如LEDs這類個別發光裝置分隔來形成個別晶粒，該製程中第一窄溝渠切割該裝置的該發光部分，並且第二溝渠切割固定該發光部分的該基板。該第一溝渠小於10 μm。因此，正常用於該晶圓上切割道的一半導體區域會實質上縮小，藉此增加裝置產量。用此方法產生的該等裝置也可包含導電並且導熱的底座構件，其中該底座構件直接接合至該等發光層，藉此提供較佳的導熱性。

Description

具增大面積之氮化鎵發光二極體及其製造方法
本發明關於一種發光裝置及其製造方法。
發光二極體(Light emitting diodes，LEDs)是一種能夠將電能轉換成光線的重要固態裝置類型。這些裝置的改良可運用在照明燈具上，用來取代傳統白熾燈與螢光燈光源。LED的壽命明顯比較長，並且在某些情況下，在將電能轉換成光線的效率方面明顯比較高。
為了說明書討論之便，LED可視為具有三層主動層夾在其他兩層之間。當來自外側層的電洞與電子在該主動層內結合時，該主動層發出光線。利用將電流通過LED，產生該等電洞與電子。在一般結構組態中，透過重疊在該頂端層上的電極以及提供電連接至該底端層的接點，供電給該LED。
LED的成本為決定這項新技術將取代傳統光源並且運用在高功率應用方面的比例之重要因素。該等LEDs的成本一部分係由該等LEDs(來自其上要建構該等LEDs的晶圓)的產量所決定。一般來說，該晶圓包括大量LEDs，每一LED係由切割道與相鄰LEDs分隔。當該等LEDs從該晶圓分離時，往切割道區域切割來釋放個別晶粒。該等切割道的尺寸通常為100 μm。此區域基本上就是浪費的空間。若該等LEDs遠大於該等切割道，則該等切割道所佔用的總百分比相對小，因此可以接受。不幸的是，在許多LED應用中，切割道尺寸相對於LED晶粒的比例相當顯著。例如，該等 切割道所導致之1 mm晶粒既有的耗損造成晶圓面積百分之二十的耗損，在許多應用中，晶粒需要小到半公釐，在這些情況下的耗損更糟。
據此，提供一種切割道更小的切割法是有利的。不幸的是，根據機械切割或雷射畫線的切割法受限於50 μm等級切割道。再者，根據蝕刻底下晶圓的方法也受限於該晶圓厚度，因為溝渠寬度與溝渠深度的縱深比受到限制。
此外，切割具有大量小晶粒的晶圓所需之時間相當長。因為此處理的時間會增加晶粒的成本，所以能夠一次就切割所有晶粒之切割法是有利的。
本發明包含發光裝置及其製造方法。該發光裝置包含夾在相反類型的第一半導體層和第二半導體層間之一主動層，當該主動層中的電洞和電子結合時會發出一預定波長的光線。一反射鏡層接觸該第二半導體層未與該主動層接觸的一表面，該反射鏡層的表面積實質上等於該主動層的表面積。此結構接合至一底座構件，該構件具有與該反射鏡層接觸的一第一表面，並具有一面積實質上等於該反射鏡層的面積。該底座構件在遠離該第一表面的位置上具有一截面積，該截面積小於該第一表面的面積。該底座構件可以導電，並且提供一電源端子來供電給該裝置，同時提供一良好的導熱路徑，以便去除來自該主動層以及第一半導體層和第二半導體層的熱量。
該裝置利用在一第一基板上磊晶成長一發光層來建 構，該發光層包含夾在相反類型的第一半導體層與第二半導體層之間的一主動層。當該主動層中的電洞與電子結合時會發出一預定波長的光線。一反射層沉積在該等半導體層之一者的一裸露表面之表面上。該反射層接合至一第二基板的一第一表面。然後去除該第一基板，留下該剩餘結構接合至該第二基板。將一第一溝渠切割通過此結構。將一第二溝渠從尚未接合至該結構的該表面，切割通過該第二基板。該等兩溝渠的結合可分離具有該等發光裝置的晶粒。
在此參考第一圖至第三圖可更容易瞭解本發明所提供優點，這些圖為多LED載體20之部分剖面圖。第一圖為多LED載體20在將該載體20分割成獨立LED光源之前的剖面圖。圖式中所顯示的載體20的部分包含兩個LED光源35和36；不過應當了解，一實際生產晶圓應該具有數百或數千個晶粒。該等LED光源由三層氮化鎵結構以及一金屬層21所構成。結構21包含一n-GaN層22、一主動層23和p-GaN層24。該等個別LED光源由在接點33與導電基板29之間施予適當電位來供電。主動層23內產生的光線透過粗化表面34脫離該等裝置。高反射金屬層25形成一反射鏡，將往下前進的光線反射回表面34。在本說明書內，GaN層一詞用來代表AlGaInN材料的一般合金系統。在下列的討論中，三個半導體層21將稱為「LED層」。
雖然第一圖中所示該等具體實施例運用上述三個層， 不過應當瞭解，每一層可包含複數個子層。為了簡化討論，已經省略這些子層，因為子層對於本發明的了解無關緊要。
結構21接合至其上表面具有一絕緣層27的一導電基板29。在此具體實施例中，由一共晶金屬層26提供上述接合。填入導電金屬的貫穿孔30提供基板29與共晶金屬層26之間的電連接。共晶金屬層26包含每一光源之間的一間隙32，該等光源最終從載體20分離出來。一絕緣焊墊31佔據此間隙的上部份。
在下列討論中，載體20將稱為前驅物載體，因為該等個別光源係由將載體20區分成個別晶粒來製造。載體20在兩步驟製程中區分成個別光源。此時請參閱第二圖，其中例示已經執行第一步驟之後的載體20。在該第一步驟中，蝕刻窄溝渠41通過該等LED層，包含氮化鎵層、金屬層25以及貫穿焊墊31。溝渠41決定每一LED光源的發光區域之最終尺寸。因此，若溝渠41的寬度小於上面討論的傳統切割道寬度，則會實質上減少切割製程中損失的面積總量。
請注意，第二圖繪製時並未依照許多層厚度的比例。尤其是，吾人應該注意，顯示為21的該等層一般為5 μm的數值等級，而基板29具有幾百微米的厚度。溝渠41較佳使用乾式蝕刻製程來切割。穿過該等GaN層的溝渠41的部分可使用Cl2系化學方法(Cl2-based chemistry)來切割，這將停止於SiO2層上。然後切換至F2系化學方法(F2-based chemistry)來去除該SiO2層。
該溝渠的縱深比定義為該溝渠的深度除以該溝渠的寬 度。針對乾式蝕刻製程，可達成大於一的縱深比。因此，溝渠41的寬度可製作成小於該等LED層的厚度。例如，溝渠41的寬度可固定為小於10 μm。在本發明的其他態樣中，溝渠41小於5 μm。如此，相較於傳統切割方法，在該切割製程中損失的該GaN面積減少一個數量級(an order of magnitude)。
本發明係根據以下觀察：基板29無法因為基板29較大的厚度，而利用挖掘一條限制為相同寬度的溝渠來分割，從基板29去除某些多餘材料對於該等LED光源所產生的光線或者該等光源的機械強度並不具有實質上的影響。
此時請參閱第三圖，例示移除部分基板29，以從前驅物載體20釋放該等個別光源。載體20一開始固定至第二載體42，這通常稱為藍帶。一旦許多光源從載體20上分離，則載體42會固定住這些光源。載體20固定至載體42之後，從基板29的底側蝕刻第二溝渠43。由於基板29的厚度，此溝渠在基板29底部表面上的寬度一般很明顯地比溝渠通過層27的點上之寬度還要寬。不過，因為這增加的寬度遠離該等光源的主動區，所以不會造成困難。該等結果光源可看成具有一光產生層，其中包括該等LED層以及一底座構件，其中該底座構件具有接近該光產生層的第一寬度，以及遠離該光產生層的第二寬度，該第二寬度小於該第一寬度。
藉由任意手段讓基板29在適當位置上切割，不留下足以讓該等主動層破裂的該等主動層懸浮部分，來產生溝渠43。在本發明的一個態樣中，利用黃光微影蝕刻基板29來 提供此溝渠。此方法具有同時切割所有晶粒的優點。依照原理，可利用切割鋸或雷射畫線來產生溝渠43。不過這些方法要有較長的完成時間，特別是其中前軀物載體20分成非常大量小晶粒的情況下。
在本發明的一個態樣中，層24為該p-GaN層並且層22為該n-GaN層。層22讓光線通過的面經過粗化，以改善來自該光源的光萃取。該表面經過蝕刻或光微影圖案製作，提供具有尺寸大於或約略等於該主動層內所產生光波長的散射特徵。此面為GaN晶體的N面(N-face)。因為該N面實質上比在其中該p-GaN層在頂端上的傳統配置中蝕刻之該Ga面(Ga-face)容易蝕刻，因此若要將該外側表面粗化，則這些具體實施例將可提供額外的優點。
底下將參閱第四圖至第七圖，更詳細討論用於產生第一圖所顯示結構的一種方法，其例示根據本發明用於產生光源的製程。此時請參閱第四圖。初始時，一些層磊晶成長於基板51之上。這些層包含上面討論的該等LED層，換言之就是一n-GaN緩衝層52，以及由一n-GaN層55、一主動層56以及一p-GaN層54組成的LED結構53。最後，例如銀這類高反射金屬層57沉積在層54上。請注意，層57可包含一保護層，將該銀與隨後沉積於其上的層隔離。
此時請參閱第五圖。接下來，在層57的表面上產生由絕緣區59分隔的複數個接合焊墊58。在本發明的一個態樣中，該等接合焊墊包含一共晶金屬，並且該絕緣焊墊由例如在後續接合操作期間，不會被該接合焊墊材料弄溼的SiO2這類材料所建構。請注意，絕緣焊墊59的厚度加上LED 結構53的厚度，決定上面討論的該光產生結構之厚度以及該底座構件之寬度。利用增加區域59的厚度可提高該發光結構的強度；上述增加區域59的厚度也會導致被切割來形成上述討論的溝渠41之結構厚度增加。
此時請參閱第六圖。接下來，第二基板61具有其上放置黏貼墊62的一絕緣SiO2層63，該結構放置在晶圓51之上。該等黏貼墊由與上面討論的該共晶金屬墊接合之金屬所構成。在本發明的一個態樣中，基板61為一矽晶圓。在本發明的一個具體實施例，基板61變成上面討論的該底座構件。
此時請參閱第七圖。然後基板61抵住基板51上的外側層，並且將該等兩基板加熱讓該共晶金屬接合基板61上的該等黏貼墊。然後利用蝕刻或研磨來移除基板51。然後為一n-GaN層的緩衝層52可粗化，最終提供上面討論過的該散射表面，然後在該粗化層上圖案化上面討論的該等接點焊墊，達到類似於第一圖所示的結構。
請再次參閱第三圖。在上述具體實施例中，用矽構成如第三圖所示的最終底座構件。矽提供優良的熱傳導性並且容易在傳統生產線上處置。反射鏡25存在就可去除有關矽的光吸收問題。因為該矽晶圓並不包含任何半導體裝置，所以不貴的矽晶圓就可用於晶圓。不過，提供更好的熱傳導體當成最後安裝基板會更好。
此時請參閱第八圖，此圖為類似於第五圖所示一部分晶圓在一製程階段上之剖面圖。在此具體實施例中，在電鍍共晶金屬層82之前，一合適金屬的厚層81電鍍到反射 鏡層57的頂端表面上。層81可由具有良好導熱性與導電性以及合適機械強度的任何金屬所構成，例如，層81可由銅或鎳製造。層81的厚度通常約略為100 μm。層81經過圖案化來提供間隙，當成底部溝渠用於將該晶圓最終區分成個別晶粒。在本發明的一個態樣中，該等金屬焊墊之間的該間隙大約50 μm。這些間隙類似於第三圖所示的溝渠43。
然後第八圖所示的結構80接合至第九圖所示的第二基板85，該圖為結構80接合至基板85並且去除成長基板51之後的剖面圖。然後該裸露的n層之頂端表面粗化，以88顯示，並且在該n層上形成電接點87。最後，溝渠86往下切割該等LED層至該等銅金屬層之間的該間隙。然後將該結構加熱，釋放該等個別晶粒來去除基板85。
請注意，基板85可為多種材料任一種。基板85在該製程期間僅當成個別晶粒的載體，其中已經去除該成長基板並且已經執行提供該粗化表面以及接點的該最終製造步驟。基板85與金屬焊墊81之間的接合，必須能夠承受在這些步驟中以及提供溝渠86的後續溝渠蝕刻步驟所遇到的處理情況。同樣，隨著傳統生產線設定來處理這種晶圓，則矽晶圓成為特別有吸引力的載體85之候選者。請再次注意，矽晶圓所需的品質實質上低於許多LED層成長當中所使用晶圓的品質。此外請注意，矽晶圓85在與結構剩餘部分分離之後可重複使用，因為該分離製程並未摧毀該晶圓。
在上述具體實施例中，該前驅物載體分成個別晶粒，包含一個LED。不過，從該前驅物載體分開的該等光源可 包含串聯、並聯或兩者組合的複數個LEDs。
上述本發明的具體實施例運用GaN型發光裝置。請注意，上述一GaN層可由該GaN族材料的其他構件所構成。為了討論，GaN族材料定義為GaN、InN和AIN的全合金組合物。GaN該詞定義成包含該GaN族材料的任何構件。不過，也可根據本發明的教示，建構運用其他材料系統與基板的具體實施例。
上述具體實施例運用共晶金屬，將該發光結構接合至該等結構，提供支援最終光源內該等發光結構所需的機械強度。該等接合材料應該經過選擇，如此接合溫度才不會導致裝置效能劣化。在本發明的一個態樣中，該等材料經過選擇，如此接合溫度低於350℃。在本發明的一個態樣中，該共晶金屬從AuSn、AuGe、AlGe、AuIn或SnAgCu構成的群組當中選取。
雖然上述具體實施例運用共晶接合，不過也可運用其他接合方法。例如，使用熱壓縮接合來接合該等結構，其中每一結構都包含同一種金屬表面。業界內已知使用Au對Au、Cu對Cu或其他金屬的基板之壓縮接合。
在上述具體實施例中，該反射鏡層直接沉積在該發光結構的該p-GaN表面上。如此，該反射鏡層當成一反射鏡與一電流擴散層，用於補償該p-GaN材料的高電阻抗。該較佳的反射鏡層材料為銀。若該底下p-GaN材料表面的粗化度太大，該銀層的反射能力實質上會因為表面電漿效應而降低。因此在一些具體實施例中，在該p-GaN表面與該銀層之間提供一轉換層(a transition layer)就有用處。該轉換 層可由介電質構成，例如旋塗式玻璃，當正確沉積時提供足夠光滑的一表面，確定沉積在該表面上的銀層將擁有超過百分之九十的反射能力。
不幸的是，這種介電層會與該反射鏡層所提供的該p接觸功能產生干擾。為了提供該p接觸功能，在該介電層內必須建立貫穿孔，將該反射鏡層連接至該p-GaN層。這種貫穿孔的密度需要足夠，以便儘管在該p-GaN的高阻抗之下提供足夠的電流擴散。另外，一透明導體層，例如氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)可先沉積在該p-GaN表面上來提供擴散功能，如此需要較低密度的貫穿孔。然後，該介電層沉積在該ITO層之上。然後該銀層沉積在該介電層之上，並且利用該介電層內的貫穿孔連接至該ITO層。
此時請參閱第十圖，其為運用一介電層改善該反射鏡的反射能力之一部分前驅物載體90的剖面圖。載體90類似於第一圖顯示的載體20，其中包含一p-GaN層92的發光結構91已經轉換成一新基板96。該發光結構內包含一ITO層93，來提供一電流擴散層。具有貫穿孔97的一介電層94沉積在ITO層93之上。反射鏡層95包含一層沉積在該介電層上的銀，如此該層延伸通過該等貫穿孔與ITO層93接觸。
上述本發明的具體實施例用來例示本發明許多態樣，不過吾人瞭解，在不同特定具體實施例顯示的本發明不同態樣可結合，以提供本發明的其他具體實施例。此外，從上面的描述以及附圖當中可瞭解本發明的許多修改。因此，本發明只受限於下列申請專利範圍的範疇。
20‧‧‧多LED載體
21‧‧‧金屬層
22‧‧‧n-GaN層
23‧‧‧主動層
24‧‧‧p-GaN層
25‧‧‧金屬層
26‧‧‧共晶金屬層
27‧‧‧絕緣層
29‧‧‧導電基板
30‧‧‧貫穿孔
31‧‧‧絕緣焊墊
32‧‧‧間隙
33‧‧‧接點
34‧‧‧粗化表面
35-36‧‧‧LED光源
41‧‧‧溝渠
42‧‧‧第二載體
43‧‧‧第二溝渠
51‧‧‧基板
52‧‧‧n-GaN緩衝層
53‧‧‧LED結構
54‧‧‧p-GaN層
55‧‧‧n-GaN層
56‧‧‧主動層
57‧‧‧層
58‧‧‧接合焊墊
59‧‧‧絕緣區
61‧‧‧第二基板
62‧‧‧黏貼墊
63‧‧‧絕緣SiO2層
80‧‧‧結構
81‧‧‧厚層
82‧‧‧共晶金屬層
85‧‧‧第二基板
86‧‧‧溝渠
87‧‧‧電接點
88‧‧‧n層
90‧‧‧前驅物載體
91‧‧‧發光結構
92‧‧‧p-GaN層
93‧‧‧ITO層
94‧‧‧介電層
95‧‧‧反射鏡層
96‧‧‧基板
97‧‧‧貫穿孔
第一圖為一多LED載體在將該載體分成獨立LED光源之前的剖面圖。
第二圖例示在該個別晶粒的切割製程形成一第一溝渠之後的該載體。
第三圖例示在該個別晶粒的切割製程形成一第二溝渠之後的該載體。
第四圖至第七圖例示根據本發明產生光源的製程。
第八圖至第九圖例示根據本發明的光源之其他具體實施例。
第十圖為運用一介電層改善該反射鏡的反射能力之一部分前驅物載體剖面圖。
20‧‧‧多LED載體
21‧‧‧金屬層
22‧‧‧n-GaN層
23‧‧‧主動層
24‧‧‧p-GaN層
25‧‧‧金屬層
26‧‧‧共晶金屬層
27‧‧‧絕緣層
29‧‧‧導電基板
30‧‧‧貫穿孔
31‧‧‧絕緣焊墊
32‧‧‧間隙
33‧‧‧接點
34‧‧‧粗化表面
35-36‧‧‧LED光源

Claims (15)

  1. 一種裝置，包括：一主動層，其夾在相反類型的第一半導體層與第二半導體層之間，當電洞與電子在該主動層內結合時，該主動層發出一預定波長的光線；一反射鏡層，其與該第二半導體層不與該主動層接觸的一表面接觸，該反射鏡層具有一表面積實質上等於該主動層的表面積；以及一底座構件，其具有一第一表面與該反射鏡層接觸並具有一面積實質上等於該反射鏡層的面積，該底座構件在遠離該第一表面的位置上具有一截面積，該截面積小於該第一表面的該面積。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一層包括具有一表面的一n-GaN層，該表面包含尺寸大於該預定波長的散射特徵。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該底座構件的厚度大於100 μm。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該底座構件包括一導電體。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該導電體為結晶矽。
  6. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該底座構件包括一金屬。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該金屬為銅或鎳。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反射鏡層與一共晶金屬層接觸。
  9. 一種製造一發光裝置的方法，該方法包括：在一第一基板上磊晶成長一發光層，該發光層包括一主動層，其夾在相反類型的第一半導體層與第二半導體層之間，當電洞與電子在該主動層內結合時，該主動層發出一預定波長的光線；在該第一半導體層的一表面上沉積一反射層；將該反射層接合至一導電基板的一第一表面；移除該第一基板，以形成接合至該導電基板之一結構；處理該第二半導體層的一表面，以提供從該第二半導體層的該表面延伸通過該結構之一第一溝渠；以及處理該導電基板的一第二表面，以提供從該表面延伸至該溝渠的一第二溝渠。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第一溝渠的寬度小於10 μm。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第二溝渠比該第一溝渠寬。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，更包括在該反射層上沉積一圖案化金屬層，該圖案化金屬層具有位於該第一溝渠下方的開口，該等開口提供該第二溝渠。
  13. 如申請專利範圍第9項之方法，其中將該反射層接合至該導電基板包括在該反射層上沉積一圖案化共晶 金屬層，該共晶金屬層接合至該導電基板的一表面，該圖案化共晶金屬層包括位於該第一溝渠下方的開口。
  14. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第一基板為一矽晶圓。
  15. 如申請專利範圍第9項之方法，其中處理該第二半導體層的該表面更包括在該表面內導入散射特徵，該等散射特徵的尺寸大於該預定波長。
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