TW201336123A - 高壓發光二極體晶片及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種高壓發光二極體晶片及其製造方法，該高壓發光二極體晶片可經由形成複數個發光二極體單元於一基板上，以及電性連接該等發光二極體單元而製得，其中各相鄰之該等發光二極體單元間具有一寬度為0.5微米至7微米的溝槽，以隔離各該等發光二極體單元。該高壓發光二極體晶片之製程簡易且展現令人滿意的發光效率。
Description
本發明係關於一種高壓發光二極體晶片及其製造方法，尤其係關於一種具有高深寬比溝槽之高壓發光二極體晶片及其製造方法，該溝槽之寬度為約0.5微米至約7微米。
發光二極體因兼具省電與環保特點而被喻為「綠色照明光源」，其兼具壽命長、亮度高、反應快以及體積小等優點，已逐漸取代傳統照明設備。早期發展之發光二極體晶片僅包含單一發光二極體單元，屬直流電型之發光二極體(direct current light emitting diode，DC LED)晶片，需搭配使用外部變壓器與整流器等轉換設備，除了較高的能源轉換成本，更增加了電力轉換和電路耗損，於產品的封裝應用上亦增加了電路產品體積及組裝、打線等成本。此外，此種直流電型發光二極體晶片常因其操作電壓、尺寸限制及電流叢聚(current crowding)等因素而限制其發光功率及設計，無法全然取代傳統照明設備。
另一種發光二極體晶片為交流電型之發光二極體(alternating current light emitting diode，AC LED)晶片，其係於單一晶片上形成複數個發光二極體單元，並將其等形成電路迴路或惠式電橋，俾可直接用於交流電場中。惟交流電型之發光二極體晶片亦因此種電路佈局之故，無法完善發揮所有發光二極體單元之發光效率，存在發光不穩定的缺失。
經由業界人士不斷地研發與改良，近來已發展出一種高壓發光二極體(high voltage light emitting diode，HV LED)晶片，可免除直流電型發光二極體晶片之需透過電流轉換驅動零件發光的問題，故可有效運用空間，提升發光二極體晶片壽命並增加外型設計變化，且不會有交流電型發光二極體晶片之發光不穩定的情況。為搭配既有機台，現今之高壓發光二極體晶片的製程，大多以交流電型發光二極體晶片之製程為基礎。高壓發光二極體晶片的製程，主要係涉及於一半導體層中形成溝槽(trench)並形成絕緣層以覆蓋該等溝槽，從而孤立各發光二極體單元(即構成高壓發光二極體晶片的各個小單元晶粒)。其中，現有製程大多採用感應耦合式電漿(Inductively Coupled Plasma，ICP)乾式蝕刻法，蝕穿半導體層至下方基板以形成溝槽；最後，以所欲之電路設計來電性連接各發光二極體單元。
在上述現有製程中，乾式蝕刻法雖可將半導體層蝕穿並形成提供隔離效果的溝槽，但存在所形成之溝槽寬度過寬的問題。第1圖為利用乾式蝕刻法所製得之溝槽的掃描式電子顯微鏡影像，由該圖可知，溝槽寬度高達約15.5微米。如此寬廣之溝槽寬度，意味著犧牲掉一特定量比例的發光面積，有損發光二極體單元之發光面積，減少發光效率，同時侷限高壓發光二極體晶片之設計自由度及微型化發展性。此外，乾式蝕刻法仍須搭配黃光微影製程，製造流程較為繁雜，疊加工法也繁瑣且亦會增加製程成本。
鑒於此，本發明係提供一種新穎之製造高壓發光二極體晶片之方法，可免除乾式蝕刻法所帶來的不利之處，形成寬度相對狹窄之溝槽，進而提升高壓發光二極體晶片之經濟效益。
本發明之一目的在於提供一種製造高壓發光二極體晶片之方法，包含：形成複數個發光二極體單元於一基板上，其中各相鄰之該等發光二極體單元間具有一溝槽，該溝槽具有一0.5微米至7微米的寬度，以隔離各該等發光二極體單元；以及電性連接該等發光二極體單元。
本發明之另一目的在於提供一種高壓發光二極體晶片，包含：一基板；以及複數個發光二極體單元，該等發光二極體單元設置於該基板上且彼此電性連接；其中各相鄰之該等發光二極體單元間具有一寬度為0.5微米至7微米的溝槽，以隔離各該等發光二極體單元。
本發明又一目的在於提供一種發光二極體裝置，包含：一載板；以及一如上述之高壓發光二極體晶片，封裝至該載板上。
為讓本發明之上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以部分具體實施態樣進行詳細說明。
以下將透過部分實施態樣搭配所附圖式描述本發明內容；惟，在不背離本發明之精神下，本發明尚可以多種不同形式之態樣來實踐，不應將本發明保護範圍解釋為限於說明書與圖式所述者。此外，除非文中有另外說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。另外，為明確起見，圖式中可能誇示各元件及區域的尺寸，省略與本發明非直接相關之元件。
根據本發明之製造高壓發光二極體晶片之方法，包含形成複數個發光二極體單元於一基板上，以及電性連接該等發光二極體單元。參考第2圖，以說明本發明製造發光二極體晶片之方法之一具體實施態樣。如第2圖所示，本發明製造發光二極體晶片之方法可包含以下步驟：
- 形成一第一半導體層121於一基板110上(步驟(a))；
- 依所欲圖案形成複數個第二半導體結構123於第一半導體層121之至少一部分上(步驟(b))；
- 依所欲圖案切割經暴露之第一半導體層121，以形成複數個第一半導體結構122(步驟(c))；藉此，第一半導體層121轉化成複數個與第二半導體結構123相互配對之第一半導體結構122，每組上下相結合之第一半導體結構122與第二半導體結構123構成一發光二極體單元120，且於各相鄰之發光二極體單元120間存在一溝槽1130，以隔離各發光二極體單元120，避免發光二極體單元120短路；
- 形成導電結構124於各第二半導體結構123上，作為電性連結時之連接點(步驟(d))；
- 形成絕緣結構140於各發光二極體單元120周邊，以保護發光二極體單元120，同時暴露出部分之導電結構124與第一半導體結構122(步驟(e))；以及
- 以預定之電路佈局形成電性連結結構150，以電性連接各發光二極體單元120(步驟(f))。
於本發明所屬技術領域中具有通常知識者，根據本說明書的揭露內容，可依各構件之工作原理使用任何合宜之材料以作為本發明方法所涉構件之材料，以實施本發明方法。舉例言之，基板110可由任何透光性之半導體材料所構成，較佳為氧化鋁(藍寶石)。第一半導體層結構122及第二半導體結構123的材料是對應於所欲之發光波長而定，一般可各自獨立選自以下群組：氮化鎵、銦氮化鎵、砷化鎵及其組合；其中第一半導體結構122與第二半導體結構123的導電型態相異，即一者為p型，另一者為n型。導電結構124通常選用任何可與第二半導體結構123接合之導電材料，一般較佳為透光性及導電性較佳的銦錫氧化物。絕緣結構140可由任何合宜之具有高光學穿透性的絕緣材料所構成，例如二氧化矽、氮化矽或氧化鋁等。電性連接結構150可使用任何合宜之導電材料，一般多為金屬材料，例如金、銀、銅、鈦、鋁、鉻、鉑等等。
如前述，本發明之方法包含一切割步驟，以形成複數個第一半導體結構(如第2圖中之122)以及可隔離各發光二極體單元的溝槽(如第2圖中之1130)。其中，溝槽之寬度應盡可能地窄，避免犧牲、浪費發光面積，以提升所得高壓發光二極體晶片的發光功率，此同時利於裝置的微型化發展。根據本發明，溝槽之寬度實質上係低於約10微米，較佳約0.5微米至約7微米，更佳約0.5微米至約5微米。至於溝槽之深度，則應深至確保如第2圖中各發光二極體單元120的孤立；換言之，溝槽之深度應等於或大於第一半導體結構122之厚度，較佳係第一半導體結構122之厚度加約10微米至約15微米。
根據本發明之方法，切割步驟除可如第2圖所示於形成導電結構124之前進行以外，亦可於其他程序前後進行。舉例言之，如第3圖所示，切割步驟可於形成第二半導體結構123之前進行，即於基材110上形成第一半導體層121之後(步驟(a))，直接以預定圖案切割第一半導體層121，形成複數個第一半導體結構122及溝槽1130(步驟(b))，隨後再於複數個第一半導體結構122上形成複數個第二半導體結構123(步驟(c))。亦或，如第4圖所示，可於形成導電結構124之後進行切割步驟，即於基材110上形成第一半導體層121(步驟(a))、複數個第二半導體結構123(步驟(b))及複數個導電結構124(步驟(c))之後，切割經暴露之第一半導體層121，以形成複數個第一半導體結構122與溝槽1130(步驟(d))。本發明所屬技術領域具有通常知識者在參酌本說明書的揭露內容後，可依製程設計之需要調整切割步驟之順序。
於本發明之方法中，切割步驟除提供隔離各發光二極體單元的溝槽(即如第2圖至第4圖之1130)之外，亦可依需求設計提供劈裂溝槽，以於後續加工中(例如薄化基板後)劈裂基板獲得複數個高壓發光二極體晶片，即晶片切割作業，供各別使用。劈裂溝槽之深度一般可深入基板達約0.5微米或約1微米以上，較佳宜控制在約5微米至約10微米範圍以內，其寬度則為搭配整體製程，可與隔離溝槽等寬，或視需要進行調整。舉例言之，以如第2圖所示之於形成導電結構124之前進行切割步驟為例，第5A圖為根據本發明方法之進行切割步驟以形成溝槽1130與劈裂溝槽1230之俯視示意圖，第5B圖則為第5A圖中沿XX'線的剖面示意圖。如第5B圖所示，溝槽1130的深度等於第一半導體結構122的厚度，劈裂溝槽1230的深度則較溝槽1130深。於形成溝槽1130與劈裂溝槽1230之後，接著進行各後續步驟(例如形成導電結構、形成絕緣結構及電性連接等)，以於基材110上形成複數個(第5A圖所示為6個)高壓發光二極體晶片，再透過劈裂溝槽1230處劈裂基板100以獲得複數個分離的高壓發光二極體晶片。因應不同製程的需要，亦可先形成全部等深之隔離用溝槽，並於依照電路設計完成電性連接佈局之後，對預定圖樣中相鄰之高壓發光二極體晶片間之溝槽進行加深，形成所欲之劈裂溝槽。
根據本發明方法之一較佳具體實施態樣，是以雷射切割來形成溝槽。雷射切割方式可提供較令人滿意的溝槽寬度，窄至約0.5微米至約1.5微米寬。此外，相較於傳統利用乾式蝕刻法(需黃光微影步驟)進行切割，雷射切割在操作上展現便利性，可簡易地提供所欲的切割圖樣，提升高壓發光二極體晶片的設計自由度，帶來較高之經濟效益。舉例言之，可利用雷射切割方式，提供如第6A圖與第6B圖之切割圖樣，其中2130為隔離溝槽，2230為劈裂溝槽。
於使用雷射切割的實施態樣下，可透過調整雷射操作條件來控制溝槽(包含上述之隔離溝槽與劈裂溝槽)之寬度與深度；概言之，於此技術領域中具有通常知識者，根據本案說明書之揭露內容，可依所使用的機台，設定合宜的操作條件如雷射光波長、操作功率、切割速率、雷射光束寬度等，提供所欲的切割結果。第7圖所示為下述具體實施態樣利用雷射切割後所得溝槽之掃描式電子顯微鏡影像，其中溝槽之寬度窄至約2微米，總深度則約17微米，包含約7微米的第一半導體結構厚度並深入基板約5微米至約10微米。
於切割第一半導體層形成溝槽步驟之後，本發明方法可進一步包含一清洗溝槽步驟，以除去切割過程餘留的殘渣並蝕去受損的切割表面。一般而言，清洗溝槽的程序可以濕式蝕刻技術(例如使用高溫磷酸、硫酸、氫氧化鉀或氫氟酸等溶液)實現，惟需適當控制蝕刻液濃度及清洗時間，以免不利地加寬溝槽寬度。
在本發明之部分具體實施態樣中，亦可視需要於形成絕緣結構時，於其中填入螢光物質、導光或散光粒子，改變發光二極體之發光波長及提升出光效率(light extraction efficiency)。其中，螢光物質係配合所欲之整體發光顏色以及發光二極體單元之發光顏色而定，可例如使用市售之釔鋁石榴石(YAG)螢光粉、硫化鋅螢光粉及矽酸鹽螢光粉等，然不以此為限。導光或散光粒子可使用如二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋯、及其組合等，然不以此為限。
本發明方法更包含形成電性連接結構，以電性連接各發光二極體單元，可以串聯方式或串並聯方式連接，亦可形成電路迴路或惠式電橋等連接形式。最後，如第8圖所示，配合整體佈局形成外部導線160，嗣後透過劈裂溝槽1230進行晶片切割作業，獲得複數個單獨之高壓發光二極體晶片100。
本發明亦提供一種高壓發光二極體晶片，可藉由如上述之方法製得。該高壓發光二極體晶片包含：一基板以及複數個發光二極體單元，該等發光二極體單元設置於該基板上且彼此電性連接；其中各相鄰之該等發光二極體單元間具有一寬度為約0.5微米至約7微米，較佳約0.5微米至約5微米的溝槽。
第8圖為進行劈裂前之本發明高壓發光二極體晶片100之一具體實施態樣，其中，高壓發光二極體晶片100包含基板110及複數個發光二極體單元120，各該發光二極體單元120包含一設置於基板110上之第一半導體結構122以及一設置於第一半導體結構122上之第二半導體結構123。高壓發光二極體晶片100更包含位於第二半導體結構123上之導電結構124，以及保護各發光二極體單元120的絕緣結構140，各發光二極體單元120透過導電結構124與電性連接結構150彼此電性連接。同時，根據本發明之晶片，溝槽1130之深度等於或大於第一半導體結構122之厚度(如第8圖所示)，較佳為第一半導體結構122之厚度加約10微米至約15微米。
本發明高壓發光二極體晶片中之基板、第一半導體結構、第二半導體結構、導電結構、絕緣結構及電性連接結構之材料與其他視需要之構件的材料，其選用條件係如前述方法中所描述者，於此不再贅述。
本發明亦提供一種發光裝置，包含一載板及一如前述之高壓發光二極體晶片。可以任何合宜方式將本發明之高壓發光二極體晶片封裝於載板上，例如黏貼、覆晶(Flip-Chip)或Chip On Board(COB)等，以獲得一發光二極體裝置。其中，載板之材料並無特殊限制，可為熱電分離或熱電整合型基板，如矽半導體、氮化鋁半導體或其他金屬基板，如銅鎢基板等。視需要地，本發明發光裝置可更包含一反射層，以提高發光裝置之出光效率。
茲以下列具體實施態樣進一步例示說明本發明，其中該等實施態樣僅為例示之用途，並無限制本發明範圍之意。
參照第2圖之步驟流程製備高壓發光二極體晶片。首先於一氧化鋁基板上形成一厚度為約5微米至約8微米之n型氮化鎵層。隨後利用黃光微影之技術，於n型氮化鎵層上形成複數個厚度為約1微米至約3微米之p型氮化鎵平台(mesa)，相鄰之p型氮化鎵平台間具有一寬度為約20微米至約50微米之間隔。接著以波長為約355奈米、功率為約0.5毫瓦/90千赫茲至約1.45毫瓦/90千赫茲、寬度為約1微米至約3微米之雷射切入該間隔中，以約120毫米/秒之速率移動，將n型氮化鎵層切割成複數個n型氮化鎵平台，所得溝槽結構如第7圖所示。
旋即以溫度為約250℃至約300℃之磷酸-硫酸蝕刻液清洗基板歷時約200秒至約2000秒，以於相鄰之n型氮化鎵平台間形成寬度為約3微米至約5微米之溝槽。接著，於各p型氮化鎵平台上形成一厚度約0.05微米至約0.5微米之ITO導電層，隨後利用電漿輔助型化學氣相沉積法(PECVD)或其他製程方法(例如塗佈方法)來形成例如氮氧化物之絕緣結構，並使用金屬材料以串聯方式電性連接各發光二極體單元且形成外部導線，最後進行劈裂，獲得完整單獨之高壓發光二極體晶片。
由上可知，本發明之方法確實可獲得寬度狹窄且可完全分離n型氮化鎵平台之溝槽，避免發光二極體單元短路。與傳統乾式蝕刻法比較，本發明之方法可大幅降低溝槽寬度，進而相對地增加發光二極體之發光面積並提升整體發光效率。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，並闡述本發明之技術特徵，而非用於限制本發明之保護範疇。任何熟悉本技術者在不違背本發明之技術原理及精神下，可輕易完成之改變或安排，均屬本發明所主張之範圍。因此，本發明之權利保護範圍係如後附申請專利範圍所列。
100．．．高壓發光二極體晶片
110．．．基板
120．．．發光二極體單元
121．．．第一半導體層
122．．．第一半導體結構
123．．．第二半導體結構
124．．．導電結構
1130、2130．．．溝槽
1230、2230．．．劈裂溝槽
140．．．絕緣結構
150．．．電性連接結構
160．．．外部導線
第1圖為一由乾式蝕刻法所得之溝槽之掃描式電子顯微鏡影像；
第2圖為根據本發明方法之一具體實施態樣的流程示意圖；
第3圖為根據本發明方法之另一具體實施態樣的流程示意圖；
第4圖為根據本發明方法之又一具體實施態樣的流程示意圖；
第5A圖為根據本發明方法之形成溝槽與劈裂溝槽之俯視示意圖；
第5B圖為第5A圖中沿XX'線的剖面示意圖；
第6A圖與第6B圖為根據本發明方法之切割圖樣之示意圖；
第7圖為根據本發明之一具體實施態樣利用雷射切割後所得溝槽之掃描式電子顯微鏡影像；以及
第8圖為根據本發明之高壓發光二極體晶片之一具體實施態樣的示意圖。
110．．．基板
120．．．發光二極體單元
121．．．第一半導體層
122．．．第一半導體結構
123．．．第二半導體結構
124．．．導電結構
1130．．．溝槽
140．．．絕緣結構
150．．．電性連接結構
Claims (10)
- 一種製造高壓發光二極體晶片之方法，包含：形成複數個發光二極體單元於一基板上，其中各相鄰之該等發光二極體單元間具有一溝槽，該溝槽具有一0.5微米至7微米的寬度，以隔離各該等發光二極體單元；以及電性連接該等發光二極體單元。
- 如請求項1之方法，其中該溝槽之寬度為0.5微米至5微米。
- 如請求項1之方法，其中該溝槽係藉由一雷射切割步驟而形成。
- 如請求項3之方法，其中於雷射切割步驟之後，更包含一清洗溝槽步驟。
- 一種高壓發光二極體晶片，包含：一基板；以及複數個發光二極體單元，該等發光二極體單元設置於該基板上且彼此電性連接；其中各相鄰之該等發光二極體單元間具有一寬度為0.5微米至7微米的溝槽，以隔離各該等發光二極體單元。
- 如請求項5之高壓發光二極體晶片，其中該溝槽之寬度為0.5微米至5微米。
- 如請求項5之高壓發光二極體晶片，其中各該發光二極體單元包含：一第一半導體結構，設置於該基板上；以及一第二半導體結構，設置於該第一半導體結構上；其中該溝槽之深度係等於或大於該第一半導體結構之厚度。
- 如請求項7之高壓發光二極體晶片，其中該溝槽之深度係該第一半導體結構之厚度加10微米至15微米。
- 如請求項7之高壓發光二極體晶片，其中該第一半導體結構與該第二半導體結構之材料係各自獨立選自以下群組：氮化鎵、銦氮化鎵、砷化鎵及其組合。
- 一種發光二極體裝置，包含：一載板；及一如請求項5至9中任一項之高壓發光二極體晶片，封裝至該載板上。
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