TW201347225A - 類垂直式發光二極體及其製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種類垂直式發光二極體及其製作方法，本發明類垂直式發光二極體是將發光外延層先完成大部份的晶圓結構後，在晶圓正面鍍上絕緣層再晶圓鍵合在支撐基板上，通過機械研磨晶圓背面藍寶石襯底至一定厚度後，在其表面以電漿乾法刻蝕形成一粗糙面，然後在藍寶石襯底上形成通孔，再利用金屬將此通孔加以回填，使上下電氣導通。本發明保留了藍寶石襯底，避免了垂直結構發光二極體因雷射剝離襯底所造成的發光外延層損傷和省去倒裝結構發光二極體植球固晶等繁瑣的技術難度。具有高散熱晶圓鍵合基板降低熱阻和高反射DBR層增加光取出效率。

Description

類垂直式發光二極體及其製作方法

本發明涉及一種類垂直式發光二極體及其製作方法，屬於半導體光電子技術領域。

LED的晶片結構主要有三種：正裝結構、倒裝結構和垂直結構。正裝結構LED製作簡單，但由於電極的存在而犧牲了一部分發光面積。由於P-GaN的載流子濃度低，則要在P-GaN上鍍上一層透明導電層，這樣就會存在光的損失。而且這種結構的熱量需要從晶片下部藍寶石襯底處匯出，這就導致了LED的出光效果和散熱效果都不好。

倒裝結構的出現就剛好解決了正裝結構散熱不好，效率低的問題，光在晶片中的路徑是經過藍寶石襯底(或者先在晶片底部反射後經藍寶石襯底)再出射到環境中。倒裝結構還有一個好處就是藍寶石襯底的折射率(n=1.75)和環氧樹脂(n=1.56)的折射率比較接近，而GaN的折射率是n=2.3，所以光從藍寶石襯底出射到環氧樹脂的全反射角較大，光的提取效率就高。另外，LED的主要發熱是在PN結(PN junction)，而在這種結構下PN結距離散熱片比較接近，可以達到優良的散熱效果。

正裝結構和倒裝結構都存在的問題是，它們都需要利用電漿蝕刻(ICP)進行刻蝕得到N電極，這樣既犧牲了一部分發光區，也對PN結有所損傷，降低內量子效率。同時兩者都存在著橫向電流擴展的問題，要實現電流分佈均勻也存在著難度，從而產生垂直結構LED，這種結構同時具備發光面積大，散熱效果好等優點，但也失去了一些正裝結構和倒裝結構的好處。

緣此，本發明目的在於提供發光二極體另一個增加出光效率和改善散熱的技術途徑，結合正裝結構、倒裝結構和垂直結構的優點，本發明的一種類垂直式發光二極體，保留了原來外延成長所使用的藍寶石襯底，避免垂直結構的發光二極體在雷射剝離藍寶石襯底所造成的應力損傷和省去倒裝結構的發光二極體植球固晶等繁瑣且精密的加工技術。其製作方法包括提供一散熱支撐基板和一含正面和背面的藍寶石襯底，並進行包含以下之步驟：a.通過電漿乾法刻蝕在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面；b.在該粗糙化的襯底正面向外依次生長主要的N-GaN層、發光層、P-GaN層；c.在該P-GaN層上蒸鍍透明導電層形成歐姆接觸；d.利用電漿乾法刻蝕使N-GaN層曝露，並在該N-GaN層上蒸鍍電極形成歐姆接觸；e.在晶圓正面蒸鍍一層絕緣層；f.利用電漿乾法刻蝕部份絕緣層至透明導電層；g.在晶圓正面蒸鍍晶圓鍵合金屬介層和晶圓鍵合支撐基板；h.將晶圓背面的藍寶石襯底機械研磨至一定厚度；i.在研磨減薄後的藍寶石襯底背面上，以電漿乾法刻蝕形成另一粗糙面；j.從藍寶石襯底背面上形成雷射通孔至N-GaN層上的電極；k.將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填，使上下電氣導通；1.最後在回填通孔上方蒸鍍打線電極。

如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其蒸鍍透明導電層可以是氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)或氧化銦鋅(IZO)。

如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其絕緣層可以是氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、氧化鋁、氮化鋁或氧化鈦和由不同透明介電層所組成的布拉格反射層(DBR)。

如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其晶圓鍵合金屬介層可以是單層金或鋁和金所形成的合金，其厚度在1-10um；如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其支撐基板可以是金屬或矽，其厚度在80-150um；如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其中機械研磨藍寶石襯底至10-100um；如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其中藍寶石襯底雷射通孔孔徑10-50um，孔深15-105um；如上述之類垂直式發光二極體的製作方法，其中將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填的方式可以是電鍍或化鍍。

一種類垂直式發光二極體結構，從上至下包括打線電極，藍寶石襯底，N-GaN層，發光層，P-GaN層，透明導電層，絕緣層，晶圓鍵合金屬介層，支撐基板。其中該藍寶石襯底正背兩面皆具有電漿乾法刻蝕形成的粗糙面，透過金屬回填藍寶石襯底雷射通孔，使N-GaN層上的電極和打線電極相連接。

以下，茲以較佳實施例配合參考圖式說明如后。

圖1是顯示根據本發明的第一實施例，在藍寶石襯底1上通過電漿乾法刻蝕在藍寶石襯底1的正面形成第一粗糙面。

圖2是顯示根據本發明的第一實施例，在藍寶石襯底1之第一粗糙面正面向外依次生長主要的N-GaN層2、發光層3、P-GaN層4。

圖3是顯示根據本發明的第一實施例，在P-GaN層4上蒸鍍透明導電層5形成歐姆接觸，此透明導電層5可以是氧化銦錫(ITO)，氧化鋅(ZnO)，氧化鋁鋅(AZO)，氧化銦鋅(IZO)。再利用電漿乾法刻蝕使N-GaN層2曝露，並在N-GaN層2上蒸鍍電極6形成歐姆接觸，據此，形成基本的晶圓架構。

圖4是顯示根據本發明的第一實施例，在晶圓正面蒸鍍一層絕緣層7，該絕緣層7可以是氧化矽，氮化矽，氧氮化矽，氧化鋁，氮化鋁，氧化鈦和由不同透明介電層所組成的布拉格反射層(DBR)。

圖5是顯示根據本發明的第一實施例，利用電漿乾法刻蝕部份絕緣層7至透明導電層5。

圖6是顯示根據本發明的第一實施例，在晶圓正面蒸鍍一晶圓鍵合金屬介層8，該晶圓鍵合金屬介層可以是單層金或鋁和金所形成的合金，其厚度在1-10um。

圖7是顯示根據本發明的第一實施例，晶圓鍵合一支撐基板9，該支撐基板9可以是金屬或矽，其厚度在80-150um。

圖8是顯示根據本發明的第一實施例，將晶圓背面的藍寶石襯底1機械研磨至厚度10-100um，並在研磨減薄後的藍寶石襯底1背面以電漿乾法刻蝕形成第二粗糙面。

圖9是顯示根據本發明的第一實施例，由藍寶石襯底1背面上雷射通孔10至N-GaN層上的電極6，藍寶石襯底1雷射通孔10孔徑10-50um，孔深15-105um。

圖10是顯示根據本發明的第一實施例，將雷射在藍寶石襯底1上所形成的通孔用金屬11加以回填，使上下電氣導通，回填的方式可以是電鍍或化鍍。

圖11是顯示根據本發明的第一實施例，在回填通孔上方蒸鍍打線電極12完成類垂直式發光二極體。

下面說明根據本發明的第二實施例，和第一實施例的差別在於雷射通孔是從藍寶石襯底的正面來實施，並利用電鍍或化鍍的方式在晶圓鍵合支撐基板前回填此一孔洞。

根據本發明的實施例所完成的類垂直式發光二極體，結合正裝結構、倒裝結構和垂直結構的優點，本發明的一種類垂直式發光二極體，保留了原來外延成長所使用的藍寶石襯底，避免垂直結構的發光二極體在雷射剝離藍寶石襯底時，所造成的應力損傷和省去倒裝結構發光二極體植球固晶等繁瑣且精密的工藝。具有高散熱晶圓鍵合基板降低熱阻和高反射DBR層增加光取出效率。使用本發明的實施例，發光面積增加10-20%，熱阻不到相同尺寸正裝結構晶片的1/3，亮度提高30%以上。

經由以上說明可知，本發明確實已達到預設之目的，完全符合產業利用性及專利要件，爰依法提出專利申請，惟，以上所述者僅為本創作之較佳實施例，並非用以限定本創作，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．藍寶石襯底

2．．．N-GaN層

3．．．發光層

4．．．P-GaN層

5．．．透明導電層

6．．．蒸鍍電極

7．．．絕緣層

8．．．金屬介層

9．．．支撐基板

10．．．雷射通孔

11．．．金屬

12．．．打線電極

圖1是在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面的結構示意圖。

圖2是在粗糙化的襯底正面生長主要發光所需外延層後的結構示意圖。

圖3是完成大部份的發光二極體結構後的結構示意圖。

圖4是在晶圓正面蒸鍍一層絕緣層後的結構示意圖。

圖5是刻蝕部份絕緣層至透明導電層後的結構示意圖。

圖6是在晶圓正面蒸鍍晶圓鍵合金屬介層後的結構示意圖。

圖7是晶圓鍵合支撐基板後的結構示意圖。

圖8是在研磨減薄後的藍寶石襯底表面形成一粗糙面後的結構示意圖。

圖9是從藍寶石襯底背面上行雷射通孔至N-GaN層上的電極後的結構示意圖。

圖10是將圖9所形成的通孔用金屬加以回填後的結構示意圖。

圖11是在回填通孔上方蒸鍍打線電極完成類垂直式發光二極體後的結構示意圖。

1．．．藍寶石襯底

2．．．N-GaN層

3．．．發光層

4．．．P-GaN層

5．．．透明導電層

6．．．蒸鍍電極

7．．．絕緣層

8．．．晶圓鍵合金屬介層

9．．．支撐基板

11．．．金屬

12．．．打線電極

Claims (9)

1. 一種類垂直式發光二極體製作方法，該方法係提供一散熱支撐基板以及一含正面和背面的藍寶石襯底，包含以下步驟：a.利用電漿乾法刻蝕在藍寶石襯底的正面形成第一粗糙面；b.在該第一粗糙面向外依次生長主要的N-GaN層、發光層、P-GaN層；c.在該P-GaN層上蒸鍍一透明導電層形成歐姆接觸；d.利用電漿乾法刻蝕使該N-GaN層曝露，並在該N-GaN層上蒸鍍電極形成歐姆接觸，構成晶圓基礎；e.在晶圓正面蒸鍍絕緣層；f.利用電漿乾法刻蝕部份絕緣層至透明導電層；g.在晶圓正面蒸鍍晶圓鍵合金屬介層和晶圓鍵合支撐基板；h.將晶圓背面的藍寶石襯底機械研磨至一定厚度；i.在減薄後的藍寶石襯底背面上，以形成第二粗糙面；j.從第二粗糙面雷射挖孔至N-GaN層上的電極，形成一通孔；k.將該通孔用金屬加以回填，使上下電氣導通；l.最後在回填的通孔上方蒸鍍打線電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之類垂直式發光二極體製作方法，其特徵在於：該蒸鍍透明導電層可選自氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)或氧化銦鋅(IZO)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之類垂直式發光二極體製作方法，其特徵在於：該絕緣層可選自氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、氧化鋁、氮化鋁或氧化鈦和由不同透明介電層所組成的布拉格反射層(DBR)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種類垂直式發光二極體製造方法，其特徵在於：該晶圓鍵合金屬介層可選自單層金或鋁和金所形成的合金，其厚度在1-10um。
5. 如申請專利範圍第1項所述之類垂直式發光二極體製作方法，其特徵在於：該支撐基板可選自金屬或矽，其厚度在80-150um。
6. 如申請專利範圍第1項所述之類垂直式發光二極體製作方法，其特徵在於：機械研磨藍寶石襯底至10-100um。
7. 如申請專利範圍第1項所述之類垂直式發光二極體製作方法，其特徵在於：藍寶石襯底雷射通孔孔徑10-50um，孔深15-105um。
8. 如申請專利範圍第1項所述之類垂直式發光二極體製作方法，其特徵在於：將雷射在藍寶石襯底上所形成的通孔用金屬加以回填的方式可為電鍍或化鍍。
9. 一種類垂直式發光二極體結構，從上至下包括打線電極，藍寶石襯底，N-GaN層，發光層，P-GaN層，透明導電層，絕緣層，晶圓鍵合金屬介層，支撐基板；其特徵在於：該藍寶石襯底正背兩面皆具有電漿乾法刻蝕形成的粗糙面，透過金屬回填藍寶石襯底上雷射所形成的通孔，使N-GaN層上的電極和打線電極相連接。