TW201344956A - 半導體發光裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種半導體發光裝置及其製造方法。半導體發光裝置包括一基板及一第一磊晶結構位於該基板之上。第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層、及一第二摻雜層。第一摻雜層包括一第一摻雜型，第二摻雜層包括一第二摻雜型。一第二磊晶結構包括一第三摻雜層、一第二發光層、及一第四摻雜層。一黏著層位於第一磊晶結構和第二磊晶結構之間。至少一柱體位於黏著層中。

Description

半導體發光裝置及其製造方法
本發明是有關於一種半導體發光元件，且特別是有關於一種發光二極體(LED)模組及其製造方法。
美國專利第7,575,340號由Kung等所發明的專利案以該案內容為參考文獻涵蓋於本發明內容中，該案描述利用氣體放電燈(gas discharge lamp)作為光學引擎(optical engine)的傳統光線投影機(light projector)及其缺陷，以及如何利用發光二極體(light-emitting diode，LED)模組作為光源系統(light source system)中的光學引擎而可以克服其中部分的問題。但傳統使用氣體放電燈光源的投影機(光學系統)可能較為昂貴且具有較短的壽命。且氣體放電燈光源亦可放出紫外光，則需要將光學放電燈隔離開來以免受到紫外光的損害。由於光學放電燈所使用的能量及其使用汞，也通常不被視作對環境保護(environmental friendly)或是「綠色產品(green product)」。
為了解決以上光學放電燈的問題，美國專利第7,575,340號專利案的第1圖描述了一種使用三個發光二極體模組12、14、和16作為光學引擎的光源系統10。然而，此光源系統的三個發光二極體模組是分別單獨設置的(例如三組分別是紅光、藍光、以及綠光發光二極體模組)。此三個分別設置的發光二極體模組放出的光合併而形成光源系統(例如是光線投影系統)所放出的光，然而，使用 多組發光二極體模組以及多個相對應的元件，例如各需要一個二極體透鏡蓋(diode lens cap)以及一個主透鏡單元(primary lens unit)，如此一來，則整個裝置的體積可能較大也較昂貴。因此，對於提供一種具有較小尺寸的光學引擎以及降低製造成本的光源系統的需求仍存在。
一實施例中，半導體發光裝置包括一基板及一第一磊晶結構位於該基板之上。第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層及一第二摻雜層。第一摻雜層包括一第一摻雜型，第二摻雜層包括一第二摻雜型。一第二磊晶結構包括一第三摻雜層、一第二發光層及一第四摻雜層。一黏著層位於第一磊晶結構和第二磊晶結構之間。至少一柱體位於黏著層中。
一實施例中，一種半導體發光裝置之製造方法包括以下步驟。提供一第一磊晶結構於一第一基板之上，第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層及一第二摻雜層，第一摻雜層包括一第一摻雜型，第二摻雜層包括一第二摻雜型。形成至少一柱體於第一磊晶結構之上。提供一第二磊晶結構於一第二基板之上，第二磊晶結構包括一第三摻雜層、一第二發光層及一第四摻雜層。接合(bonding)第二磊晶結構至一第三基板。自第二磊晶結構移除第二基板。藉由一黏著層接合第一磊晶結構至第二磊晶結構，其中至少一柱體位於黏著層中。
一實施例中，一種半導體發光裝置之製造方法包括以 下步驟。提供一第一磊晶結構於一第一基板之上，第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層及一第二摻雜層，第一摻雜層包括一第一摻雜型，第二摻雜層包括一第二摻雜型。提供一第二磊晶結構於一第二基板之上，第二磊晶結構包括一第三摻雜層、一第二發光層及一第四摻雜層。接合第二磊晶結構至一第三基板。自第二磊晶結構移除第二基板。形成至少一柱體於第二磊晶結構之上。藉由一黏著層接合第一磊晶結構至第二磊晶結構，至少一柱體位於黏著層中。
為了對本發明上述之裝置及方法之特徵及功效有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。實施例所提出的細部結構和步驟僅為舉例說明之用，並非對本發明欲保護之範圍做限縮。
本文中之「耦合(coupled)」係指物體或元件之間直接地連接或不直接地連接(例如一個或以上的介於兩者之間的連接元件(intervening connections))。
第2圖繪示一實施例之一種水平式發光二極體100之側視示意圖。發光二極體100包括磊晶結構104位於基板102上。一實施例中，磊晶結構104藉由薄膜沈積製程(thin film deposition process)形成於基板102上，例如是磊晶成長製程(epitaxial growth process)。一實施例中，基板102的材質包括藍寶石(sapphire)、鍺(germanium，Ge)、碳化 矽(silicon carbide，SiC)、砷化鎵(gallium arsenide，GaAs)、氧化鋅(zinc oxide，ZnO)、或氧化鋰鋁(lithium aluminum oxide，γ-LiAlO2)。一實施例中，基板102是極性基板(polar substrate)、半極性基板(semi-polar substrate)、或非極性基板(non-polar substrate)。當基板102是藍寶石基板或碳化矽基板時，第三族氮化物(group-III nitride)可以磊晶成長於基板102上，例如是氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、以及氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。一實施例中，基板102是圖案化基板，例如是圖案化的藍寶石基板。一實施例中，基板102包括一反射層位在基板的上表面。反射層可包括分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，DBR)、全向性反射鏡(omni-directional reflector，ODR)、銀、鋁、鈦、以及/或其他反射性金屬。
一實施例中，在磊晶成長製程中，第三族氮化物材料磊晶成長於基板102上以形成n型摻雜層108及p型摻雜層110。一實施例中，發光層112位於n型摻雜層108和p型摻雜層110之間。一實施例中，磊晶結構104包括未摻雜層114，未摻雜層114位於基板102和n型摻雜層108之間。
一實施例中，一導電層形成於p型摻雜層110的頂端。導電層可以例如是藉由一沈積製程(deposition process)形成於p型摻雜層110的頂端。實施例中，導電層是一實質上透明的導電層。舉例來說，導電層可以包括銦錫氧化物(ITO)。實施例中，導電層用以幫助p型摻雜層110的電流散佈(current spreading)。
當施加電能至磊晶結構104時，位於n型摻雜層108和p型摻雜層110的交界處的發光層112產生電子電洞捕捉現象(electron-hole capture phenomenon)。如此一來，發光層112中的電子會掉入一較低的能階且以光子模式放出能量。實施例中，發光層112是一個單一量子井(single quantum well，SQW)結構或多重量子井(multiple quantum well，MQW)結構，能夠侷限電子和電洞在空間中的移動。因此，電子和電洞碰撞的機率提高，使得電子電洞捕捉現象較容易發生，進而提高發光效率。
當施加電壓在n型摻雜層108和p型摻雜層110之間，電流會從流經耦合於n型摻雜層108的電極和耦合於p型摻雜層110的電極之間且水平分佈在磊晶結構104中。於是，許多光子由磊晶結構104裡的光電效應(photoelectric effect)而產生。發光二極體100因為電流水平分佈在磊晶結構104中而發光。
第3圖繪示一實施例之發光二極體100之基板102、n型摻雜層108、p型摻雜層110、以及發光層112之簡化側視示意圖。實施例中，發光二極體100是一水平式發光二極體。舉例來說，發光層112可以發出藍光、綠光、或紅光。
一實施例中，兩個發光二極體100可以合併(例如是堆疊)而形成一個發光二極體模組且發出具有相同波長的光束。一實施例中，兩個發光二極體100可以合併(例如是堆疊)而形成一個發光二極體模組且發出具有兩個分別具有不同波長的光束。舉例來說，一個綠光發光二極體可以 和藍光發光二極體形成一個發光二極體模組，如此一來，發光二極體發出彼此分開的綠色光束與藍色光束。第4~10圖繪示一實施例中以兩個發光二極體100形成一個堆疊發光二極體模組的多個步驟之製造流程。第4圖繪示一實施例之底發光二極體(bottom LED)100A用於堆疊發光二極體模組(stacked LED module)中之側視示意圖。實施例中，底發光二極體100A包括基板102A和磊晶結構104A。磊晶結構104A包括n型摻雜層108A、p型摻雜層110A、以及發光層112A。基板102A可以是藍寶石基板，發光層112A可以是綠光發光層。由此，實施例中，底發光二極體100A是綠光發光二極體。實施例中，基板102A包括一反射層位於基板的上表面。反射層可包括分佈式布拉格反射鏡、全向性反射鏡、銀、鋁、鈦、以及/或其他反射性金屬。
一實施例中，如第4圖所示，一個以上的柱體116形成於磊晶結構104A的頂端(例如是p型摻雜層110A的頂端)。一實施例中，一導電層(例如是銦錫氧化物(ITO)層)形成於p型摻雜層110A的頂端，而一個以上的柱體116形成於導電層上。柱體116可以例如是藉由一個或多個沈積製程(deposition process)形成。一實施例中，柱體116例如是以p型摻雜層110A的一部份而形成(例如柱體是在p型摻雜層成長或沈積完成之後，由p型摻雜層的材料而形成)。一實施例中，柱體116係由金屬或導電材料沈積於p型摻雜層110A上而製成。舉例來說，柱體116可以由銦錫氧化物製成。柱體116係由金屬或導電材料製成且歐姆接觸(ohmic contact)於p型摻雜層110A，可以增加p型摻 雜層的電流分佈。一實施例中，柱體116係由絕緣材料(例如是氧化矽)而製成。
實施例中，底發光二極體100A的頂表面是平坦的。形成的柱體116可以具有實質上與底發光二極體100A的平坦頂表面相似的高度。此實施例中，底發光二極體100A的基板102A可以是一個圖案化基板並且/或者n型摻雜層108A的底表面或未摻雜層係為圖案化。圖案化基板102A及/或n型摻雜層108A的底表面或未摻雜層可以提高堆疊發光二極體模組的光萃取(light extraction)。
一實施例中，底發光二極體100A的頂表面係為粗化(例如p型摻雜層110A的頂表面係為粗化)。粗化底發光二極體100A的頂表面可以提高堆疊發光二極體模組的光萃取。然而，具有粗化的頂表面可能使得形成於p型摻雜層110A上的多個柱體116之間具有不同的高度。
實施例中，頂發光二極體的頂表面可以接合至一個暫時基板以形成發光二極體模組。第5圖繪示一實施例之頂發光二極體100B用於堆疊發光二極體模組中之側視示意圖。實施例中，頂發光二極體100B包括基板102B和磊晶結構104B。磊晶結構104B包括n型摻雜層108B、p型摻雜層110B、以及發光層112B。基板102B可以是藍寶石基板，發光層112B可以是藍光發光層。由此，實施例中，頂發光二極體100B是藍光發光二極體。
實施例中，頂發光二極體100B的頂表面(相對於基板102B的表面)藉由黏著層122耦合於(例如是接合至)暫時基板120。暫時基板120可以是玻璃基板或陶瓷基板。黏 著層122的材質可以包括環氧樹脂黏膠、蠟、旋塗式玻璃(spin-on-glass，SOG)、光阻、單體、高分子(例如是聚亞醯胺(polyimide))、苯環丁烯(benzocyclobutene，BCB)、或任何已知可用來將氮化鎵層連接至陶瓷層或玻璃層的黏膠材質。
將頂發光二極體100B接合至暫時基板120之後，如第6圖所示，自頂發光二極體100B的底部移除基板102B以暴露出頂發光二極體100B的底表面。基板102B可以以例如是雷射剝離(laser lift-off，LLO)製程移除。移除基板102B則暴露出n型摻雜層108B的底表面。一實施例中，當基板102B與n型摻雜層108B之間有一個未摻雜層，則亦移除未摻雜層以暴露出n型摻雜層。n型摻雜層108B暴露出來使得可以利用多個電極與n型摻雜層電性連接。一實施例中，如第6圖所示，n型摻雜層108B暴露出的底表面係粗化。舉例來說，底表面可以藉由一濕式蝕刻製程粗化。
移除基板102B之後，如第7圖所示，頂發光二極體100B係接合至底發光二極體100A。為了接合頂發光二極體100B至底發光二極體100A，n型摻雜層108B暴露出的底表面可以接合至底發光二極體100A的p型摻雜層110A之上表面(例如是頂發光二極體相對於基板102A的頂表面)。實施例中，頂發光二極體100B暴露出的底表面係結合至形成於底發光二極體100A的p型摻雜層110A上的導電層之上表面。導電層可以包括例如銦錫氧化物。實施例中，頂發光二極體100B藉由黏著層124接合至底發 光二極體100A。實施例中，黏著層124是具有低折射率的黏膠材質(例如折射率大約為1.5)。舉例來說，黏著層124的材質可以包括環氧樹脂黏膠、蠟、旋塗式玻璃、光阻、單體、高分子(例如是聚亞醯胺)、或苯環丁烯。利用黏著層124將頂發光二極體100B接合至底發光二極體100A，使得多個發光二極體之間不需使用基板而能夠彼此接合。發光二極體之間不設有基板可以提高堆疊發光二極體模組的光萃取。
柱體116具有之高度係為黏著層124的期望(選定)厚度。柱體(形成於p型摻雜層110A上)接觸頂發光二極體100B的n型摻雜層108B之表面，如此一來柱體定義摻雜層之間的距離。在利用黏著層124的連接製程步驟中，柱體116維持住p型摻雜層110A和n型摻雜層108B之間的距離。實施例中，在利用黏著層124的連接製程步驟中，柱體116維持住形成於p型摻雜層110A上的導電層和n型摻雜層108B之間的距離。因此，柱體116之高度決定黏著層124的厚度。實施例中，n型摻雜層108B的表面係粗化提供複數個突峰(peak)，可以增加柱體116和n型摻雜層108B之間的接觸面積。一實施例中，柱體116形成於頂發光二極體100B的接合面(bonding surface)，而非底發光二極體100A。舉例來說，柱體116可以在基板102B移除後形成於頂發光二極體100B的接合面。一實施例中，柱體116由基板102B形成(例如經由移除基板的多個部分)。
頂發光二極體100B和底發光二極體100A接合之 後，如第8圖所示，自頂發光二極體移除暫時基板120和黏著層122以形成堆疊發光二極體模組150。移除暫時基板120和黏著層122的方式例如是雷射剝離製程、酸蝕刻製程、或其他適合的蝕刻製程。形成具有柱體116在黏著層122中的堆疊發光二極體模組150，使得接合/堆疊製程步驟中可以具有高對位誤差(alignment tolerance)，甚至可以不需對位。舉例來說，對於應用墊對墊(pad-to-pad)接合技術的堆疊發光二極體製程來說，可以改善對位誤差。
實施例中，堆疊發光二極體模組150係形成以提供具有單一波長的光。舉例來說，實施例中，底發光二極體100A和頂發光二極體100B發出相同波長的光以提供高電壓堆疊發光二極體模組。一實施例中，底發光二極體100A的發出的光和頂發光二極體100B的發出的光係組合以發出具有單一波長的光。此實施例中，底發光二極體100A和頂發光二極體100B堆疊設置且經由兩個串連的電極而供應電源。黏著層124中的柱體116可以是導電性柱體(例如是金屬柱體或者是銦錫氧化物柱體)，因此可以使p型摻雜層110A電性耦合於n型摻雜層108B。
第9圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組150具有兩個電極形成於其上之側視示意圖。移除暫時基板120和黏著層122後，如第9圖所示，形成電極152、154於堆疊發光二極體模組150上。電極152、154例如是接合墊(bonding pad)，用以連接至堆疊發光二極體模組150中的多個摻雜層。電極152、154可以藉由一次或多次蝕刻製程(例如是感應耦合電漿蝕刻(inductively coupled plasma， ICP))後再進行一次或多次電極材料(例如是金屬)沈積的步驟而形成。舉例來說，一次或多次的蝕刻製程可以用來移除部分頂發光二極體100B的多個膜層，而形成一接觸墊用以使電極152接觸於n型摻雜層108A。蝕刻製程之後，電極材料可以形成(沈積)在接觸墊上，如此一來電極152、154分別歐姆接觸於其下之膜層。一實施例中，電極154形成於p型摻雜層110B上，且p型摻雜層並未被蝕刻。一實施例中，電極154形成於一導電層上，而導電層形成於p型摻雜層110B上。電極152可以歐姆接觸於n型摻雜層108B，電極154可以歐姆接觸於p型摻雜層110B(或者是形成於p型摻雜層110B上的導電層)。實施例中，電極152、154提供電能給底發光二極體100A和頂發光二極體100B。
實施例中，形成的堆疊發光二極體模組150發出具有多重波長(multiple wavelengths)的光。於此，底發光二極體100A和頂發光二極體100B可發出具有不同波長的光。舉例來說，發光層112A發出的光具有之波長可較長(例如是綠光)，發光層112B發出的光具有之波長可較短(例如是藍光)。此實施例中，底發光二極體100A和頂發光二極體100B係堆疊且經由兩組電極提供電源，此兩組電源並聯設置且彼此之間係物理性及電性隔離(physically and electrically isolated)，則可以分別獨立地被施加偏壓(biased)。黏著層124中的柱體116可以是絕緣柱體(例如是碳化矽)以抑制p型摻雜層110A和n型摻雜層108B可能經由柱體而產生的電性耦合。
第10圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組150具有四個電極形成於其上之側視示意圖。移除暫時基板120和黏著層122後，形成電極156、158、160及162於堆疊發光二極體模組150上。電極156、158、160及162例如是接合墊，用以連接至堆疊發光二極體模組150中的多個摻雜層。電極156、158、160及162可以藉由一次或多次蝕刻製程(例如是感應耦合電漿蝕刻(inductively coupled plasma，ICP))後再進行一次或多次電極材料(例如是金屬)沈積的步驟而形成。舉例來說，一次或多次的蝕刻製程可以用來移除部分頂發光二極體100B和底發光二極體100A的多個膜層，而形成多個接觸墊用以使電極接觸於p型摻雜層110A、110B(或形成於p型摻雜層上的導電層)以及n型摻雜層108A、108B。蝕刻製程之後，電極材料可以形成(沈積)在接觸墊上，如此一來電極156、158、160及162分別歐姆接觸於其下之膜層。舉例來說，電極156歐姆接觸於n型摻雜層108A，電極158歐姆接觸於p型摻雜層110A(或形成於p型摻雜層110A上的導電層)，電極160歐姆接觸於n型摻雜層108B，電極162歐姆接觸於p型摻雜層110B(或形成於p型摻雜層110B上的導電層)。實施例中，電極156、158提供電能給底發光二極體100A，電極160、162提供電能給頂發光二極體100B。
實施例中，如第10圖所示，電極156、158、160及162係形成為面向同一個方向。舉例來說，電極156、158、160及162的頂表面可以面向遠離基板102A的方向(例如電極的接觸墊位於堆疊發光二極體模組150的上表面)。由 於電極156、158、160及162的(暴露的)頂表面面向遠離基板102A的方向，堆疊發光二極體模組150可以由同一側連接至(例如是接合至)電極156、158、160及162。電極156、158、160及162連接至堆疊發光二極體模組150的上表面上可以縮減以堆疊發光二極體模組所製成的光學裝置之尺寸。
實施例中，電極156、158係為物理性地(physically)及電性地(electrically)隔離(isolated)於電極160、162，使得底發光二極體100A和頂發光二極體100B可以分別獨立地被控制(controlled)。舉例而言，電極156、158、160及162可以分別位於堆疊發光二極體模組150的四個角落的其中之一。第11圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組150的各個電極156、158、160及162位於或鄰近於堆疊發光二極體模組的多個角落其中之一之示意圖。
如第11圖所示，電極156位於或鄰近於底發光二極體100A的一個第一角落，電極158位於或鄰近於底發光二極體的相對於第一角落的一個第二角落。電極160和162分別位於或鄰近於頂發光二極體100B的一個第三角落和一個第四角落。於此，電極156和158位於底發光二極體100A延對角線164相對的兩個角落，而電極160和162位於頂發光二極體100B的延對角線166相對的兩個角落。如第11圖所示，對角線164與對角線166相交(cross)。
將底發光二極體100A和頂發光二極體100B的各個電極設置於相交的不同對角線上，可以使得底發光二極體100A和頂發光二極體100B的磊晶結構分別獨立地被控制 (controlled)。舉例來說，底發光二極體100A的磊晶結構104A和頂發光二極體100B的磊晶結構104B可以分別獨立地被施加偏壓(biased)。分別獨立地對磊晶結構104A和磊晶結構104B施加偏壓使得發光層112A和發光層112B可以分別獨立地被控制。如此一來，實施例中，發光層112A和發光層112B發出的具有不同波長的光則分別獨立地被控制。一實施例中，發光層112A發出的光具有之波長較長，發光層112B發出的光具有之波長較短。例如發光層112A可發出綠光，發光層112B可發出藍光，兩者分別獨立地被控制。
由於底發光二極體100A和頂發光二極體100B可以分別獨立地被控制，堆疊發光二極體模組150發出的光可以具有波長範圍介於底發光二極體之發光的波長至頂發光二極體之發光的波長之間。舉例來說，在使用過程中的任意時點，堆疊發光二極體模組150發出的光可以具有底發光二極體100A之發光的波長、頂發光二極體100B之發光的波長、或是根據施加於此兩者的偏壓而產生的兩者發光波長的組合。
實施例中，堆疊發光二極體模組150包括三個發光二極體(例如是一個底發光二極體、一個中發光二極體、以及一個頂發光二極體)。此三個發光二極體發出的光可以具有相同的波長或不同的波長(例如紅光、藍光、和/或綠光的波長)。此三個發光二極體可以經由並聯或串聯的方式供應電源，以提供一個可發出單一波長光的高電壓發光二極體模組(串聯方式供電)，或者是提供一個可發出具有多重波 長光的發光二極體模組(並聯方式供電)。第12圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組150’具有三個發光二極體(底發光二極體100A、中發光二極體(middle LED)100C、以及頂發光二極體100B)之側視示意圖。如第12圖所示，底發光二極體100A、中發光二極體100C以及頂發光二極體100B堆疊設置且經由串聯的電極152、154供應電源。然實際應用時，底發光二極體100A、中發光二極體100C以及頂發光二極體100B亦可以堆疊設置且經由並聯的三個電極供應電源(各個電極對應各個發光二極體)，且電極彼此之間物理性及電性隔離(如第10~11圖所示的堆疊發光二極體模組)。
如第12圖所示，底發光二極體100A、中發光二極體100C以及頂發光二極體100B係堆疊設置，底發光二極體經由黏著層124A接合至中發光二極體，中發光二極體經由黏著層124B接合至頂發光二極體。經由黏著層124A接合底發光二極體100A和中發光二極體100C的方式，可以例如是經由如本發明實施例中所描述之形成具有兩個發光二極體的堆疊發光二極體模組150的多個步驟(例如如第4~8圖所示之實施例)而完成。類似的步驟亦可應用至接合中發光二極體100C和頂發光二極體100B，其中接合係經由黏著層124B以及例如是應用頂發光二極體的一暫時基板。
一實施例中，黏著層124A、124B中的柱體116係為導電性柱體(例如是銦錫氧化物或金屬)，可以增進p型摻雜層110A和110C中的電流分佈。一實施例中，導電層(例 如是銦錫氧化物)形成於p型摻雜層110A和110C上。同時應用導電性柱體與導電層可以更進一步增進p型摻雜層110A和110C中的電流分佈。形成具有柱體116在黏著層124A、124B中的堆疊發光二極體模組150’使得接合/堆疊製程步驟中可以具有高對位誤差(alignment tolerance)，甚至可以不需對位。舉例來說，對於應用墊對墊接合技術的堆疊發光二極體製程來說，可以改善對位誤差。
實施例中，如第4~8圖所示之實施例描述的方式形成的堆疊發光二極體模組150可以上下顛倒翻轉且耦合至一個導電性基板。於此，顛倒翻轉後的堆疊發光二極體模組具有一個NPNP(一個n型摻雜層設置於一個p型摻雜層之上，再設置在一個n型摻雜層之上，再設置在一個p型摻雜層之上)結構，此結構相對於如第8圖所示之堆疊發光二極體模組150具有的PNPN(一個p型摻雜層設置於一個n型摻雜層之上，再設置在一個p型摻雜層之上，再設置在一個n型摻雜層之上)結構。第13~16圖繪示一實施例中以兩個發光二極體形成一個NPNP堆疊發光二極體模組的多個步驟之製造流程。
實施例中，頂發光二極體的頂表面接合於一個導電性基板以形成NPNP堆疊發光二極體模組。第13圖繪示一實施例之頂發光二極體100B接合至導電性基板180之側視示意圖。實施例中，頂發光二極體100B包括基板102B和磊晶結構104B。磊晶結構104B包括n型摻雜層108B、p型摻雜層110B及發光層112B。基板102B可以是藍寶石基板，發光層112B可以是藍光發光層。於此實施例中， 頂發光二極體100B是一藍光發光二極體。
實施例中，頂發光二極體100B的頂表面(p型摻雜層110B的表面)耦合於(例如是接合至)導電性基板180。導電性基板180可以例如是金屬基板或矽基板。導電性基板180可以經由共晶接合(eutectic bonding)的方式接合至p型摻雜層110B。一實施例中，導電性基板180例如是經由共晶接合製程(electroplating process)形成於p型摻雜層110B上。
頂發光二極體100B接合至導電性基板180後，如第14圖所示，自頂發光二極體的底部移除基板102B以暴露出頂發光二極體的底表面。基板102B可以以例如是雷射剝離製程移除。移除基板102B則暴露出n型摻雜層108B的底表面。一實施例中，當基板102B與n型摻雜層108B之間有一個未摻雜層，亦移除未摻雜層以暴露出n型摻雜層。一實施例中，如第14圖所示，n型摻雜層108B暴露出的底表面係粗化。舉例來說，底表面可以藉由一濕式蝕刻製程粗化。
移除基板102B之後，如第15圖所示，頂發光二極體100B係接合至底發光二極體100A(如第4圖所示)。為了接合頂發光二極體100B至底發光二極體100A，n型摻雜層108B暴露出的底表面可以接合至底發光二極體100A的p型摻雜層110A之上表面(例如是底發光二極體相對於基板102A的頂表面)。實施例中，n型摻雜層108B暴露出的底表面可以接合至形成於底發光二極體100A之p型摻雜層110A上表面上的導電層。實施例中，頂發光二極體 100B經由黏著層124及其中的柱體116接合至底發光二極體100A。
頂發光二極體100B接合至底發光二極體100A後，如第16圖所示，基板102A可以自底發光二極體移除以形成堆疊發光二極體模組150”。基板102B可以以例如是雷射剝離製程、酸蝕刻製程、或其他適合的蝕刻製成移除。堆疊發光二極體模組150”可以如第16圖所示上下顛倒翻轉以形成一個NPNP堆疊發光二極體模組，其中導電性基板180位於堆疊發光二極體模組的底部。可以如本發明實施例所述的方式形成一個以上的電極於堆疊發光二極體模組150”上，以提供電源至底發光二極體100A及頂發光二極體100B。實施例中，底發光二極體100A及頂發光二極體100B係堆疊設置且經由串聯方式供應電源。底發光二極體100A及頂發光二極體100B可以發出具有相同波長的光，以提供一個高電壓堆疊發光二極體模組。黏著層124中的柱體116可以是導電性柱體(例如是銦錫氧化物或金屬柱體)，如此可使得p型摻雜層110A電性耦合於n型摻雜層108B。
實施例中，形成的堆疊發光二極體模組150”發出具有多重波長的光。底發光二極體100A和頂發光二極體100B可發出具有不同波長的光。舉例來說，發光層112A發出的光具有之波長可較長(例如是綠光)，發光層112B發出的光具有之波長可較短(例如是藍光)。此實施例中，底發光二極體100A和頂發光二極體100B係堆疊且經由兩組電極提供電源，此兩組電源併聯設置且彼此之間係物理性 及電性隔離，則可以分別獨立地被施加偏壓。黏著層124中的柱體116可以是絕緣柱體(例如是碳化矽)以抑制p型摻雜層110A和n型摻雜層108B可能經由柱體而產生的電性耦合。
實施例中，底發光二極體100A和頂發光二極體100B兩者其中之一可以在接合之前上下顛倒翻轉，以形成具有PNNP結構或者是NPPN結構的堆疊發光二極體模組。舉例來說，底發光二極體100A和頂發光二極體100B兩者其中之一可以上下顛倒翻轉且在接合至另一個發光二極體之前先接合至一個暫時基板。然實際應用時，形成PNNP結構或者是NPPN結構的步驟應亦包括形成其他本文內雖未描述但已為領域內所熟知的元件。不過，形成的PNNP結構或者是NPPN結構至少包括一個具有柱體(例如是柱體116)於其中的黏著層。一實施例中，位於PNNP結構或者是NPPN結構的黏著層中的柱體係為絕緣性柱體(例如是碳化矽柱體)，以抑制接合層間的電性耦合，以及使得電源可以並聯方式提供至結構中的各個發光二極體。一實施例中，位於PNNP結構或者是NPPN結構的黏著層中的柱體係為導電性柱體，使得接合層間係電性耦合，並提供共同電極(common electrodes)。
實施例中，柱體116設置在形成於頂發光二極體100B之上的一電極圖案之下。第17圖繪示一實施例之頂發光二極體100B上的電極圖案170顯示其下之柱體116位置的俯視示意圖。由於電極圖案本身會遮蔽光線，因此將柱體116設置於電極圖案170的多個電極之下，可降低光線 被柱體遮蔽的數量。並且，將柱體只設置於電極圖案170的多個電極之下，可以減少柱體的使用量，並且減少因為柱體設置在頂發光二極體100B的其他區域之下會造成的光線遮蔽。
第4~16圖繪示實施例中以兩個或三個發光二極體形成的堆疊發光二極體模組的一個或多個步驟之製造流程，然實際應用時，其中描述的一個或多個步驟亦可用來形成多層堆疊發光二極體模組於單一基板或多層基板上。舉例來說，以上描述的步驟可以應用在例如是晶片對晶片(wafer-to wafer)的接合上，其中多層(multiple)底發光二極體形成於第一晶片上，而第一晶片接合至具有多層頂發光二極體形成於其上的第二晶片或暫時基板。
實施例中，一個或多個堆疊發光二極體模組可以應用於光線投影系統。舉例來說，經由並聯方式供應電源的堆疊發光二極體模組可以應用於類似如第1圖所示的光源系統10的光線(光源)投影系統中的光學引擎或是光學引擎的一部份。應用堆疊發光二極體模組於光線投影系統，經由結合具有兩個不同波長的光源在單一發光二極體模組(例如是堆疊發光二極體模組150)中，可以縮減整個系統的尺寸。結合具有兩個不同波長的光源以及縮減光線投影系統的尺寸，可以降低製造及操作光線投影系統的成本。
本發明並不限定於上述系統，而可對之進行更動。另外，在此所使用之用語僅用以描述特定的實施例，而非用於限定本發明。此處所使用之單數形式「一」及「該」亦用以包含複數形式，除非在文中已清楚指明另有其他含 義。舉例而言，用語「一裝置」包含了二個或以上的裝置之組合，並且，用語「一材料」包含了多種材料的混合物。
綜上所述，實施例所提出的細部結構和製程步驟僅為舉例說明之用，並非對本發明欲保護之範圍做限縮。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，例如可簡單置換元件與材料、改變製程的步驟順序、以及單獨應用本發明中所揭露之各個單獨的技術特徵。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧光源系統
12、14、16‧‧‧發光二極體模組
100‧‧‧發光二極體
100A‧‧‧底發光二極體
100B‧‧‧頂發光二極體
100C‧‧‧中發光二極體
102、102A、102B‧‧‧基板
104、104A、104B‧‧‧磊晶結構
108、108A、108B‧‧‧n型摻雜層
110、110A、110B‧‧‧p型摻雜層
112、112A、112B‧‧‧發光層
116‧‧‧柱體
120‧‧‧暫時基板
122、124、124A、124B‧‧‧黏著層
150、150’、150”‧‧‧堆疊發光二極體模組
152、154、156、158、160、162‧‧‧電極
164、166‧‧‧對角線
170‧‧‧電極圖案
180‧‧‧導電性基板
第1圖繪示一種傳統利用三個發光二極體模組作為光學引擎的光源系統之示意圖。
第2圖繪示一實施例之一種水平式發光二極體之側視示意圖。
第3圖繪示一實施例之發光二極體之基板、n型摻雜層、p型摻雜層、以及發光層之簡化側視示意圖。
第4圖繪示一實施例之底發光二極體具有柱體形成於其上以應用於堆疊發光二極體模組之側視示意圖。
第5圖繪示一實施例之頂發光二極體(top LED)用於堆疊發光二極體模組(stacked LED module)中之側視示意圖。
第6圖繪示一實施例之頂發光二極體的基板自其底部移除以暴露出頂發光二極體的底表面之側視示意圖。
第7圖繪示一實施例之頂發光二極體接合至底發光二極體之側視示意圖。
第8圖繪示一實施例之暫時基板與黏著層自頂發光二極體移除以形成堆疊發光二極體模組之側視示意圖。
第9圖繪示一實施例之電極形成於堆疊發光二極體模組上之側視示意圖。
第10圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組150具有四個電極形成於其上之側視示意圖。
第11圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組的各個電極位於或鄰近於堆疊發光二極體模組的多個角落其中之一之示意圖。
第12圖繪示一實施例之堆疊發光二極體模組具有三個發光二極體之側視示意圖。
第13圖繪示一實施例之頂發光二極體接合至導電性基板之側視示意圖。
第14圖繪示一實施例之頂發光二極體接合至導電性基板而其他基板係自頂發光二極體之底部移除之側視示意圖。
第15圖繪示一實施例之頂發光二極體接合至底發光二極體和導電性基板之側視示意圖。
第16圖繪示一實施例之基板自底發光二極體移除以形成堆疊發光二極體模組之側視示意圖。
第17圖繪示一實施例之頂發光二極體上的電極圖案顯示其下之柱體位置的俯視示意圖。
100A‧‧‧底發光二極體
100B‧‧‧頂發光二極體
102A‧‧‧基板
108A、108B‧‧‧n型摻雜層
110A、110B‧‧‧p型摻雜層
112A、112B‧‧‧發光層
116‧‧‧柱體
124‧‧‧黏著層
150‧‧‧堆疊發光二極體模組
156、158、160、162‧‧‧電極

Claims (16)

  1. 一種半導體發光裝置，包括：一基板；一第一磊晶結構位於該基板之上，該第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層及一第二摻雜層，其中該第一摻雜層包括一第一摻雜型，該第二摻雜層包括一第二摻雜型；一第二磊晶結構，包括一第三摻雜層、一第二發光層及一第四摻雜層；一黏著層位於該第一磊晶結構和該第二磊晶結構之間；以及至少一柱體位於該黏著層中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該第一磊晶結構之該第一發光層位於該第一摻雜層之上且該第二摻雜層位於該第一發光層之上，該第二磊晶結構之該第二發光層位於該第三摻雜層之上且該第四摻雜層位於該第二發光層之上，該黏著層位於該第一磊晶結構之該第二摻雜層和該第二磊晶結構之該第三摻雜層之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該第三摻雜層包括該第一摻雜型，該第四摻雜層包括該第二摻雜型，其中該第一摻雜型包括一n型摻質，該第二摻雜型包括一p型摻質。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該第三摻雜層包括該第二摻雜型，該第四摻雜層包括 該第一摻雜型，其中該第一摻雜型包括一n型摻質，該第二摻雜型包括一p型摻質。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該至少一柱體包括一導電性材料或一絕緣性材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該至少一柱體之一高度決定該黏著層之一厚度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該至少一柱體電性耦合於該第一磊晶結構之該第二摻雜層和該第二磊晶結構之該第三摻雜層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，其中該黏著層接合該第二磊晶結構之一表面，該表面包括一粗化表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，更包括一電極圖案(electrode pattern)位於該第二磊晶結構的一上表面上，其中該至少一柱體係位於該電極圖案之複數個電極之下。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光裝置，更包括一第一電極和一第二電極，該第一電極耦合於該第四摻雜層，該第二電極耦合於該第一摻雜層。
  11. 一種半導體發光裝置之製造方法，包括：提供一第一磊晶結構於一第一基板之上，該第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層及一第二摻雜層，其中該第一摻雜層包括一第一摻雜型，該第二摻雜層包括一第二摻雜型；形成至少一柱體於該第一磊晶結構之上； 提供一第二磊晶結構於一第二基板之上，該第二磊晶結構包括一第三摻雜層、一第二發光層及一第四摻雜層；接合(bonding)該第二磊晶結構至一第三基板；自該第二磊晶結構移除該第二基板；以及藉由一黏著層接合該第一磊晶結構至該第二磊晶結構，其中該至少一柱體位於該黏著層中。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包括自該第二磊晶結構移除該第三基板。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包括自該第一磊晶結構移除該第一基板。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，在接合該第一磊晶結構至該第二磊晶結構之前，更包括粗化該第二磊晶結構之一表面。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包括：形成一第一電極耦合於該第四摻雜層；以及形成一第二電極耦合於該第一摻雜層。
  16. 一種半導體發光裝置之製造方法，包括：提供一第一磊晶結構於一第一基板之上，該第一磊晶結構包括一第一摻雜層、一第一發光層及一第二摻雜層，其中該第一摻雜層包括一第一摻雜型，該第二摻雜層包括一第二摻雜型；提供一第二磊晶結構於一第二基板之上，該第二磊晶結構包括一第三摻雜層、一第二發光層及一第四摻雜層；接合該第二磊晶結構至一第三基板； 自該第二磊晶結構移除該第二基板；形成至少一柱體於該第二磊晶結構之上；以及藉由一黏著層接合該第一磊晶結構至該第二磊晶結構，其中該至少一柱體位於該黏著層中。
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