TW201440265A - 一種結合磊晶結構與封裝基板爲一體之整合式ｌｅｄ元件及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

一種LED元件，是將LED的磊晶結構、電極、導線等直接形成在一基板上而成為一獨立之整合式LED元件。該LED元件為一多晶模組結構，亦可為一單晶結構。該LED元件可嵌入一裸空之承載體內，並介由此裸空承載體的支撐而使該LED元件之基板下表面可直接安置並接觸在一導熱或散熱元件上。該LED元件是直接在晶圓上製作完成並切割下來成為一獨立之元件。該LED元件的結構可依不同的製作方式而成為垂直結構或橫向結構。

Description

一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件及其製作方法
本發明係關於一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件及其製作方法，特別地，關於能將承載LED磊晶結構的承載基板直接做為封裝基板，並將原本LED粒晶的封裝製程在該基板上完成的LED元件，而使該LED元件在應用時該基板能直接被安置並接觸一導熱或散熱元件上。該整合LED元件是直按在晶圓上製造並切割下來成為一獨立元件，並可依製程的差異而製作出垂直結構或橫向結構的LED元件。
對於LED照明產業而言，一般的產品及產業分工模式是將LED晶粒的製作與LED封裝分開成為兩個完全獨立的製程。無論是利用何種基板(藍寶石、碳化矽、氮化鎵、矽)來進行LED的磊晶製程，最終總要將整個晶圓上的LED發光單元(無論是單晶單元或微小多晶單元)經過測試、切割後製作成為一顆顆具有正(+)負(-)電極的完整晶粒(Chip)產品。又由於LED晶粒在晶圓切割製程上的操作性考量，最終LED晶粒的形狀，不管它是橫向結構或垂直結構，不管它是打線製程或覆晶製程，通常它都是被設計並製作成為矩形的型式。這個矩形結構的LED晶粒產品再經過LED封裝製程被一顆顆的以固晶的方式安置在以一襯底基板上然後再以SMT方式焊接在封裝的電路基板上，或直接的將晶粒以COB的固晶方式安置在最終的封裝電路基板上而成為一LED封裝元件。由於LED元件有散熱問題，因此，該LED元件的封裝電路基板需要安置在一散熱元件上，而LED磊晶粒結構中因電流通過所產生的熱則需藉由層層的基板及介面的傳導而將熱經由散熱元件進行散熱。當LED封裝元件的功率或功率密度很高時，LED元件將會因為元件的熱阻而導至LED的結點溫度過高而影嚮了LED 元件的壽命並造成光學特性的劣化。
請參閱圖一，圖一A以及圖一B為先前技術中LED晶粒、LED封裝以及散熱之示意圖。LED晶粒1是由LED磊晶結構10及磊晶承載基板11構成。LED晶粒1是由晶圓上經測試及切割下來而成為一顆顆的商品。LED晶粒1必需藉由封裝來成為一LED元件。如圖一A所示，LED晶粒1是在一具有電路的襯底基板12上進行固晶、打線、螢光粉塗佈等製程而完成封裝元件。該以襯底基板12做為封裝基板的LED元件在實際應用時必需再以SMT方式安置在一具導熱的印刷電路基板上，此電路基板13再被安裝並接觸在一散熱元件14上。一般照明上對於高功率元件的應用需求，另一種方式，如圖一B所示，LED晶粒1是直接在一具導熱的印刷電路基板13上以固晶、打線、螢光粉塗佈等製程完成封裝元件，此即所謂COB(Chip-on-Board)封裝。此COB元件可安裝並接觸在一散熱元件14上。然而，圖一A以及圖一B的先前技術，LED晶粒1以及LED封裝為兩個完全獨立的產品而且亦屬於兩個完全不同製程。
一般LED晶粒的結構分為橫向結構(Lateral LED)及垂直結構(Vertical LED)。橫向結構LED是在磊晶基板的晶圓上形成LED磊晶結構及正負電極，此磊晶基板做為LED磊晶結構的承載基板，必需經過晶圓背部研磨打薄製程，然後切割成一顆顆LED晶粒。而垂直結構LED則是要將LED磊晶結構由磊晶基板晶圓移轉至一承載基板之受體晶圓上。而此承載基板，亦必需經過晶圓背部研磨打薄製程，並製作背部電極，然後再切割成一顆顆LED晶粒。無論是橫向結構的LED晶粒或垂直結構的LED晶粒都需要透過固晶、打線、螢光粉塗佈等封裝製程而需要額外之封裝基板，以便於接通外部電源及安置在散熱元件上。對於要滿足LED照明對於高功率密度、高輸出光通量、高有效使用壽命、低製造成本之進一步要求，圖一A以及圖一B的先前技術的LED元件，有其先天上之發展限制。
因此，本發明提供一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件及其製作方法，以解決先前技術之問題。
本發明之整合式LED元件係安置於一裸空承載體之一裸空 區域，該裸空承載體具有二個極性相異之導通電極，用以連接一外部電源，該整合式LED元件包含有：一基板，該基板具有一上表面及一下表面；N個LED磊晶結構係形成於該基板之該上表面，該N個LED磊晶結構中至少一LED磊晶結構包含至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構，其中N為大於1之自然數，且該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；以及至少一第三電極結構及至少一第四電極結構係形成於該基板之上表面並位於該N個LED磊晶結構之外，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構與該N個LED磊晶結構之該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之間以相互電性連接而形成一電路，且該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；其中，該裸空承載體之該至少二個極性相異之導通電極用以電性連接該整合式LED元件之該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極，且該基板之該下表面312係裸露於該裸空承載體之外。
於另一具體實施例中，本發明亦提供一種結合磊晶結構與封裝基板為一體的整合式LED元件，該整合式LED元件安置於一裸空承載體之一裸空區域，該裸空承載體具有二個極性相異之導通電極，用以連接一外部電源，該整合式LED元件包含有：一基板，具有一上表面及一下表面；一LED磊晶結構，形成於該基板之該上表面，該LED磊晶結構包含至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構，該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；以及至少一第三電極結構及至少一第四電極結構，形成於該上表面並位於該LED磊晶結構之外，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構與該LED磊晶結構間之該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之間以相互電性連接而形成一電路，其中該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；其中，該裸空承載體之該二個極性相異之導通電極用以電性連接該整合式LED元件之該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極，該基板之該下表面係裸露於該裸空承載體之外。
再者，本發明亦提供該結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件的製作方法，由於該整合式LED元件的基板除做為LED磊晶結構的承載基板外又同時做為LED的封裝基板，又由於該基板下表面 可以直接的被安置並接觸燈具系統的導熱或散熱元件上，因此該整合式LED元件從LED磊晶結構的PN結點至該基板下表面的熱傳導路徑最短，產生熱阻之材科介面最少，也因此整個整合式LED元件的熱阻值(Rjc)將大幅地降低。本發明之整合式LED元件結構有助於設計並發展高功率密度之LED光源；再者，本發明之整合式LED元件結構，可同時適用於垂直結構及橫向結構之LED元件設計及製作。
綜上所述，本發明之整合式LED元件由於製程的簡化以及材料耗量的降低可大幅降低其製作成本。
1‧‧‧LED晶粒
10‧‧‧LED磊晶結構
11‧‧‧磊晶承載基板
12‧‧‧襯底封裝基板
13‧‧‧電路基板
14‧‧‧散熱元件
2‧‧‧整合式LED元件
20‧‧‧LED磊晶結構
22‧‧‧基板
221‧‧‧上表面
222‧‧‧下表面
24‧‧‧散熱元件
26‧‧‧導熱元件
3‧‧‧整合式LED元件
30‧‧‧裸空承載體
301‧‧‧裸空區域
302、303‧‧‧導通電極
31‧‧‧基板
311‧‧‧上表面
312‧‧‧下表面
32‧‧‧LED磊晶結構
321‧‧‧第一電極結構
322‧‧‧第二電極結構
323‧‧‧導體材料
324‧‧‧介電層
325‧‧‧透鏡
326‧‧‧N型半導體層
327‧‧‧P型半導體層
328‧‧‧多重量子井
329‧‧‧反射層
33‧‧‧第三電極結構
34‧‧‧第四電極結構
35‧‧‧散熱元件
36‧‧‧焊料
41‧‧‧基板
42‧‧‧LED磊晶結構
421‧‧‧第一電極結構
422‧‧‧第二電極結構
423‧‧‧導體材料
424‧‧‧介電層
43‧‧‧第三電極結構
44‧‧‧第四電極結構
511‧‧‧上表面
52‧‧‧LED磊晶結構
53‧‧‧第三電極結構
54‧‧‧第四電極結構
611‧‧‧上表面
62‧‧‧LED磊晶結構
63‧‧‧第三電極結構
64‧‧‧第四電極結構
7‧‧‧晶圓
70‧‧‧整合式LED元件
71‧‧‧基板
72‧‧‧LED磊晶結構
8‧‧‧整合式LED元件
80‧‧‧裸空承載體
801‧‧‧裸空區域
802、803‧‧‧導通電極
81‧‧‧基板
811‧‧‧上表面
812‧‧‧下表面
82‧‧‧LED磊晶結構
83‧‧‧第三電極
84‧‧‧第四電極
S20~S29‧‧‧流程步驟
S30~S35‧‧‧流程步驟
圖一A以及圖一B為先前技術中LED磊晶結構、LED晶粒、LED封裝以及LED散熱的結構示意圖。
圖二A以及圖二B係繪示本發明之整合式LED元件所繪示之LED磊晶結構、LED封裝及其安置於裸空承載體及LED散熱元件的結構示意圖。
圖三係繪示本發明之整合式LED元件之一具體實施例之示意圖。
圖四A係根據本發明之一具體實施例所繪示之LED磊晶結構為垂直結構時的示意圖。
圖四B係根據本發明之一具體實施例所繪示之LED磊晶結構為橫向結構時的示意圖。
圖五A以及圖五B分別係根據本發明之一具體實施例所繪示之LED磊晶結構之上表面的形狀示意圖。
圖六係根據本發明之一具體實施例所繪示之垂直結構LED之LED磊晶結構與電極為並聯電路的上視圖
圖七係繪示根據本發明之一具體實施例之不同尺寸整 合式LED元件在一晶圓上之示意圖。
圖八A至圖八C分別繪示本發明之整合式LED元件、裸空承載體，以及該整合式LED元嵌入於該裸空承載體後之正面示意圖。
圖九A至圖九C分別繪示本發明之整合式LED元件、裸空承載體，以及該整合式LED元嵌入於該裸空承載體後之背面示意圖。
圖十係繪示本發明之垂直結構LED之整合式LED元件的製作方法的流程圖。
圖十一係分別繪示本發明之橫向結構LED之整合式LED元件的製作方法的流程圖。
因此，本發明的一種結合磊晶結構與封裝基板為一體的整合式LED元件及製作方法可以有效的減少LED元件的製造製程、節省材料、降低成本，並有效的減少LED元件熱傳導的層層熱阻，提高LED元件的特性，並解決先前技術之問題。
請參閱圖二A及圖二B，圖二A以及圖二B係分別繪示本發明之整合式LED元件所繪示之LED磊晶結構、LED封裝及其安置於裸空承載體及LED散熱及導熱元件的結構示意圖。根據一具體實施例，本發明之結合磊晶結構與封裝基板為一體整合式LED元件2，可藉由嵌入一裸空承載體30之一裸空區域301中，而使該基板22之下表面222可以直接安置接觸一導熱或散熱元件上。如圖二A所示，該基板22之該上表面221上形成有LED磊晶結構20，亦即，該整合式LED元件2的基板22除做為LED磊晶結構20的承載基板外還同時做為封裝基板，且該基板22的下表面222可直接接觸在一散熱元件24上。如圖二B所示，該整合式LED元件2的基板22的下表面222則直接接觸在一導熱元件26上，該導熱元件26為一端面整平之微熱導管。
為了更清楚闡述本發明之結構，請參閱圖三，圖三係繪示本發明之整合式LED元件之一具體實施例之示意圖。根據圖三之一具體實施例，本發明之整合式LED元件3係被嵌入於一裸空承載體30之一裸空區域301，該裸空承載體30具有二個極性相異之導通電極302、303，用以連接一外部電源，該整合式LED元件3包含有：一基板31，該基板31具有一上表面311及一下表面312；N個LED磊晶結構32係形成於該基板31之該上表面311，該N個LED磊晶結構32中至少一LED磊晶結構32包含至少一第一電極結構321以及至少一第二電極結構322，其中N為大於1之自然數，且該至少一第一電極結構321及該至少一第二電極結構322之極性相異；以及至少一第三電極結構33及至少一第四電極結構34係形成於該上表面311並位於該N個LED磊晶結構32之外，該至少一第三電極結構33及該至少一第四電極結構34與該N個LED磊晶結構32之該至少一第一電極結構321及該至少一第二電極結構322之間以相互電性連接而形成一電路，且該至少一第三電極結構33及該至少一第四電極結構34之極性相異；其中，該裸空承載體30之該至少二個極性相異之導通電極302、303用以電性連接該整合式LED元件3之該基板31之該上表面311之該至少一第三電極33及該至少一第四電極34，且該基板31之該下表面312係裸露於該裸空承載體30之外。
於本具體實施例中，該至少一第一電極結構321及該至少一第三電極33係相互連通，於該N個LED磊晶結構外，均分別罩有一透鏡325，且各個LED磊晶結構32中包含有一N型半導體層326、一P型半導體層327、一多重量子井結構層328以及一光反射層329，其中，於該N型半導體層326上覆蓋有一介電層324，該介電層324上製作有一導體材料323，用以電性連接該至少一第二電極結構322及該至少一第一電極結構321，再者，該裸空承載體30之該至少二個極性相異之導通電極302、303係透過一可焊性金屬層36電性連接至該整合式LED元件3之該基板31之該上表面311之該至少一第三電極33及該至少一第四電極34，使得該至少一第三電極結構33及該至少一第四電極結構34與該N個LED磊晶結構32之該至少一第一電極結構321及該至少一第二電極結構322之間以相互電性連接而形成一電路。然而，本發明不以此為限，該至少一第一電極結 構321及該至少一第三電極33亦可為一體成型之設計。
此外，本發明之整合式LED元件3，其該基板31之該下表面312可以接觸一導熱元件或一散熱元件35。且，該基板31可為一矽(Silicon)基板、碳化矽(SiC)基板、氮化鎵(GaN)基板、砷化鎵(GaAs)基板、藍寶石(Sapphire)基板或任何非導體基板其中之一者；於另一具體實施例中，本發明之該基板31亦可為一銅基板、其它金屬基板或合金基板，且在該銅基板、其它金屬基板或合金基板之該下表面形成一絕緣結構層(Dielectric layer)。再者，該基板31可由一物理沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)或化學沈積(Chemical Vapor Deposition,CVD)方式形成。
請一併參閱圖四A及圖四B，圖四A係根據本發明之一具體實施例所繪示之LED磊晶結構為垂直結構時的示意圖；圖四B係根據本發明之一具體實施例所繪示之LED磊晶結構為橫向結構時的示意圖。於本發明之整合式LED元件中，該N個LED磊晶結構42可以是一垂直(Vertical)結構(如圖四A)或一橫向(Lateral)結構(如圖四B)，若該LED磊晶結構42為垂直結構時，該LED磊晶結構42之該至少一第一電極結構421係為一接合金屬層；且，該LED磊晶結構42是從一磊晶基板上移轉於該基板41上。若該LED磊晶結構42為橫向結構時，該LED磊晶結構42是以一磊晶製程直接形成在該基板42上。此外，以垂直結構(圖四A)為例，該LED磊晶結構42中包含至少一第一電極結構421以及至少一第二電極結構422，且該至少一第一電極結構421及該至少一第二電極結構422之極性相異；以及至少一第三電極結構43及至少一第四電極結構44係形成於該基板41之上表面並位於該LED磊晶結構42之外，該LED磊晶結構42包含一介電層424，該介電層424上製作有一導體材料423，用以電性連接該至少一第二電極結構422及該至少一第四電極結構44。以橫向結構(如圖四B)為例，該至少一第三電極結構43及該至少一第四電極結構44與該LED磊晶結構42之該至少一第一電極結構421及該至少一第二電極結構422之間以分別以一導體材料423電性連接而形成一電路，且該至少一第三電極結構43及該至少一第四電極結構44之極性相異。
於本具體實施例中，本發明之每一LED磊晶結構可以是由複數個具有正、負電極之微小磊晶結構所構成；圖五A以及圖五B分 別係根據本發明之一具體實施例所繪示之LED磊晶結構之上表面的形狀示意圖。如圖五A及圖五B所示，該N個LED磊晶結構52之上表面之形狀可為六角型或圓型.該N個LED磊晶結構上可各別製作形成一光學鏡面結構，且該至少一第三電極結構53及該至少一第四電極結構54係形成於該基板之該上表面511並位於該N個LED磊晶結構52之外。然而，本發明不以此為限制，該N個LED磊晶結構52之上表面之形狀亦可以設計並製作成其它異於矩型的幾何形狀或任意幾何形狀的混合，目的都在提高出光效率。
請參閱圖六，圖六係根據本發明之一具體實施例所繪示之垂直結構LED之LED磊晶結構與電極為並聯電路的上視圖。於本具體實施例中，該N個LED磊晶結構62之該至少一第一電極結構可電性連接至該上表面611之該至少一第三電極結構63，該N個LED磊晶結構62之該至少一第二電極結構電性連接至該上表面611之該至少一第四電極結構64，進而形成一並聯電路。N個磊晶結構所形成的並聯電路可以使施加在該整合式LED元件上的電流經分流而降低至每一個磊晶結構中.然而，本發明不以此為限制，於另一具體實施例中，該至少一第一電極結構及至少一第三電極結構係為一正電極結構，該至少一第二電極結構及該至少一第四電極結構係為一負電極結構，其中，該N個LED磊晶結構之間以串聯的形式將該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構電性連接，同時並與該上表面之該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構電性連接，進而形成一串聯電路。更甚者，本發明之整合式LED元件中，該N個LED磊晶結構可以區分為M個LED磊晶結構群，每一LED磊晶結構群中之每一LED磊晶結構之間以串聯的形式將該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構電性連接，該M個LED磊晶結構群之間以並聯的形式電性連接於該上表面之該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構，進而形成一串、並聯混合電路，其中M為大於一之自然數。
請再次參閱圖三，根據本發明之另一具體實施例，在該基板31之該上表面311及在該N個LED磊晶結構32之表面上連接該至少一第一電極結構321、該至少一第二電極結構322、該至少一第三電極結構33、該至少一第四電極結構34間之該導體材料323是形成在一介電層324之 上。其中該基板31之該上表面311之該至少一第三電極33及該至少一第四電極34可做為在一晶圓上直接以探針量測該整合式LED元件3特性之電極。當該至少一第三電極結構33及該至少一第四電極結構34接通該外部電源，以使該N個LED磊晶結構32因電流通過產生光電效應並發出光子時，該基板31之該上表面311與該下表面312之間係呈現電絕緣狀態。
請參閱圖七，圖七係繪示根據本發明之一具體實施例係在一晶圓基板7上可依設計需要而製作不同尺寸、不同內容之整合式LED元件之示意圖。如圖七所示，本發明之整合式LED元件70可於晶圓7上切割成不同大小的尺寸，因此，位於該基板71上之該LED磊晶結構72的數目亦會隨不同的設計而變化。
請一併參閱圖八A至圖八C以及圖九A至圖九C，圖八A至圖八C分別繪示本發明之整合式LED元件、裸空承載體，以及該整合式LED元嵌入於該裸空承載體後之正面示意圖。圖九A至圖九C分別繪示本發明之整合式LED元件、裸空承載體，以及該整合式LED元嵌入於該裸空承載體後之背面示意圖。於本具體實施例中，該整合式LED元件8之該上表面811上形成有N個LED磊晶結構82，且該整合式LED元件8可進一步安置於該裸空承載體80之該裸空區域801內以使該基板81之該下表面812裸露，該裸空承載體80具有至少二個極性相異的導通電極802、803用以連接一外部電源；當該整合式LED元件8安置於該裸空承載體80之該裸空區域801內時，該基板81之該上表面811之該至少一第三電極83及該至少一第四電極84與該裸空承載體80之導通電極802、803形成電性連接。需特別說明地是，該裸空承載體80之一下表面與該基板81之該下表面812呈共平面；而該裸空承載體80為一預鑄的導線架晶片承載體，或一印刷電路板。其中該基板81透過該裸空承載體80的支撐而使該基板81之該下表面812可直接平整地被安置在一導熱元件或一散熱元件上。
根據本發明之另一具體實施例，本發明之整合式LED元件可以是一直流式(DC)LED元件或是一交流式(AC)LED元件。該基板可包含一防靜電元件或一控制元件或一感測元件。其中，該N個LED磊晶結構可 進一步成為一雷射二極體(Laser Diode)磊晶結構，且該整合式LED元件成為一整合式雷射二極體元件；或，該N個LED磊晶結構亦可改為一太陽能電池磊晶結構，且於此時，該整合式LED元件成為一整合式太陽能電池元件。
此外，本發明提供一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件在實際應同上將設計為一多晶模組之元件，亦即在該基板上形成複數個LED磊晶結構。在單位輸入功率下，每單位面積可形成許多微小之磊晶結構，並透過並聯或串並聯方式降低每一個磊晶結構所通過之電流，以此來達到提昇該整合式LED元件之發光效率。
於本發明之另一實施例中，該整合式LED元件在該基板上表面僅僅形成一單一之大型磊晶結構以及至少一第三電極結構及至少一第四電極結構。該LED磊晶結構包含至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構，該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；且該至少一第三電極結構及至少一第四電極結構係形成於該上表面並位於該LED磊晶結構之外，其中該LED磊晶結構之該至少一第一電極結構與該上表面之該至少一第三電極結構連接，該至少一第二電極結構與該上表面之該至少一第四電極結構連接而形成一電路。本實施例是在簡化該整合式LED元件之結構，對於功率較低的應用提供了另一種設計選擇。
本發明提供一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件的製作方法，以解決先前技術之問題。請參閱圖十，圖十係繪示本發明之垂直結構LED之整合式LED元件的製作方法的流程圖，其具體實施例包含下列步驟：在一磊晶晶圓基板上形成一LED磊晶結構層S20；在該LED磊晶結構層上形成一光反射層，並在該光反射結構層上形成一第一金屬接合結構層S21；在一受體晶圓基板上形成一第二金屬接合結構層S22；將該受體晶圓基板之該第二金屬接合結構層與該第一金屬接合結構層以晶圓接合方式結合為一第三金屬結構層並做為LED磊晶結構層之一第一電極結構，以形成一具有該LED磊晶結構層之複合晶圓體S23；自該複合晶圓體中移除該磊晶晶圓基板，使得第三金屬結構層、該光反射結構層及該LED磊晶結構層形成在該受體晶圓基板上S24；在該受體晶圓基板上形成M個LED磊晶結構群S25，該M個LED磊晶結構群包含 N個LED磊晶結構以及獨立於該N個LED磊晶結構外之至少一第三電極結構以及至少一第四電極結構，其中M及N皆為大於1之自然數，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；在該M個LED磊晶結構群之該N個LED磊晶結構層上形成一第二電極結構S26；在該M個LED磊晶結構群中選擇性地範圍內鍍上一介電質結構層S27；在該介電質結構層上製作一導電材料結構層S28，以將該至少一第一電極結構、該至少一第二電極結構與該至少一第三電極結構、該至少一第四電極結構彼此之間電性連接形成一電路；以及將該M個LED磊晶結構群由該受體晶圓基板上切割下來而成為M個獨立之該整合式LED元件S29。本實施例中所製作的該整合式LED元件為一垂直結構之LED元件，該N個LED磊晶結構是從一磊晶基板晶圓上形成後移轉至該基板上的。
於本具體實施例中，該整合式LED元件的製作方法另包含有：在該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構上製作一可焊性之金屬結構以做為用以焊接外部電源之電極；在該N個LED磊晶結構表面製作一螢光材料結構層，當該個LED磊晶結構所發出來的光是藍光或UV光時可藉由此螢光材料作用而發出白光；在該M個獨立之整合式LED元件上製作一透明保護層，該保護層是用來保護該整合式LED元件之用；在該N個LED磊晶結構上各別製作一光學鏡片結構，此各別之微小光學鏡片結構可各別的調整每一個磊晶結構所發出的光而使之能提高該整合式LED元件之出光效率並達到設計之光型。當該M個整合式LED元件在晶圓上經測試並切割下來後，可將該整合式LED元件嵌入裸空的承載體中，該裸空承載體具有至少二個極性相異的外部電極及至少二個極性相異之內部電極，且極性相同的外部電極與內部電極相互導通。該至少二個極性相異之外部電極用以連接一外部電源，該至少二個極性相異之內部電極用以連接該至少一第三電極及該至少一第四電極。該整合式LED元件結合了帶有電路結構的裸空承載體，就成為一完整可供終端客戶應用的LED元件，裸空承載體的作用除了提供易於連接外部電源的接線端子外，本身亦做為該整合式LED元件該基板的支撐體，而讓該整合式LED元件之該基板下表面能直接平整的接觸燈具系統的導熱或散熱元件。
此外，本發明提供一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之 整合式LED元件的製作方法，請參閱圖十一，圖十一係分別繪示本發明之橫向結構LED之整合式LED元件的製作方法的流程圖。於本具體實施例中包含下列步驟：在一磊晶晶圓基板上形成一LED磊晶結構層S30；在該具LED磊晶結構層的晶圓上形成M個LED磊晶結構群S31，該M個LED磊晶結構群包括N個LED磊晶結構以及獨立於該N個LED磊晶結構外之至少一第三電極結構以及至少一第四電極結構，其中M及N皆為大於1之自然數，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；在該M個LED磊晶結構群之該N個LED磊晶結構層上各自形成至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構S32，其中該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；在該M個LED磊晶結構群中選擇性地範圍內鍍上一介電質結構層S33；在該介電質結構層上製作一至少一導電材料結構層，以將該至少一第一電極結構、該至少一第二電極結構與該至少一第三電極結構、該至少一第四電極結構彼此之間電性連接形成一電路S34；以及將該M個LED磊晶結構群從該磊晶晶圓基板上切割下來而成為M個獨立之該整合式LED元件S35。本實施例中所製作的該整合式LED元件為一橫向結構之LED元件，該N個LED磊晶結構是直接在一磊晶基板晶圓上形成的。
於本具體實施例中，整合式LED元件的製作方法另包含：在該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構上製作一可焊性之金屬結構層；在該N個LED磊晶結構表面製作一螢光材料結構層；在該M個獨立之整合式LED元件上製作一透明保護層；在該N個LED磊晶結構上各別製作一光學鏡片結構；或將該整合式LED元件嵌入裸空的承載體中，該裸空承載體具有至少二個極性相異的外部電極及至少二個極性相異之內部電極，且極性相同的外部電極與內部電極相互導通，該至少二個極性相異之外部電極用以連接一外部電源，該至少二個極性相異之內部電極用以連接該至少一第三電極及該至少一第四電極。
綜上所述，本發明之整合式LED元件由於製程的簡化以及材料耗量的降低可大幅降低原有技術在LED晶粒封裝製程的製作成本.。由於該整合式LED元件的基板除做為LED磊晶結構的承載基板外又同時做為LED的封裝基板，又由於該基板下表面可以直接的被安置並接觸燈具系統 的導熱或散熱元件上，因此該整合式LED元件從LED磊晶結構的PN結點至該基板下表面的熱傳導路徑最短，產生熱阻之材科介面最少，也因此整個整合式LED元件的熱阻值(Rjc)將大幅地降低。本發明之整合式LED元件結構有助於設計並發展高功率密度之LED光源；再者，本發明之整合式LED元件結構，可同時適用於垂直結構及橫向結構之LED元件設計及製作。因此，本發明一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件及其製作方法是一種開發及發展降低製造成本的高功率密度LED光源元件的通用性技術平台。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本創作之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請之專利範圍的範疇內。
3‧‧‧整合式LED元件
30‧‧‧裸空承載體
301‧‧‧裸空區域
302、303‧‧‧導通電極
31‧‧‧基板
311‧‧‧上表面
312‧‧‧下表面
32‧‧‧LED磊晶結構
321‧‧‧第一電極結構
322‧‧‧第二電極結構
323‧‧‧導體材料
324‧‧‧介電層
325‧‧‧透鏡
326‧‧‧N型半導體層
327‧‧‧P型半導體層
328‧‧‧多重量子井
329‧‧‧反射層
33‧‧‧第三電極結構
34‧‧‧第四電極結構
35‧‧‧散熱元件
36‧‧‧可焊性金屬層

Claims (40)

  1. 一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件，該整合式LED元件安置於一裸空承載體之一裸空區域，該裸空承載體具有二個極性相異之導通電極，用以連接一外部電源，該整合式LED元件包含有：一基板，具有一上表面及一下表面；N個LED磊晶結構，形成於該基板之該上表面，該N個LED磊晶結構中至少一LED磊晶結構包含至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構，其中N為大於1之自然數，該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；以及至少一第三電極結構及至少一第四電極結構，形成於該上表面並位於該N個LED磊晶結構之外，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構與該N個LED磊晶結構之該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之間以相互電性連接而形成一電路，其中該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；其中，該裸空承載體之該至少二個極性相異之導通電極用以電性連接該整合式LED元件之該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極，該基板之該下表面係裸露於該裸空承載體之外。
  2. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該基板之該下表面可以接觸一導熱元件或一散熱元件。
  3. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該裸空承載體之一下表面與該基板之該下表面呈共平面。
  4. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該基板透過該裸空承載體的支撐而使該基板之該下表面可直接平整地被安置在一導熱元件或一散熱元件上。
  5. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該基板可為一矽(Silicon)基板、鍺(Germanium)基板、碳化矽(SiC)基板、氮化鎵(GaN)基板、砷化鎵(GaAs)基板、藍寶石(Sapphire)基板或任何非導體基板。
  6. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該基板可為一銅基板、其它金屬基板或合金基板，該銅基板、其它金屬基板或合金基板之該下表面形成一絕緣結構層。
  7. 根據申請專利範圍第6項之整合式LED元件，其中該基板可由一物理或化學沈積方式形成。
  8. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構可以是一垂直(Vertical)結構或一橫向(Lateral)結構。
  9. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構是從另一磊晶基板上移轉於該基板之該上表面。
  10. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構是以一磊晶製程直接形成在該基板之該上表面。
  11. 根據申請專利範圍第8項之整合式LED元件，其中該垂直結構之該N個LED磊晶結構之該至少一第一電極結構係為一接合金屬層。
  12. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中每一LED磊晶結構可以是由複數個具有正、負電極之微小磊晶結構所構成。
  13. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構之上表面之形狀可為六角型、圓型、其它幾何形狀或不同幾何形狀的混合。
  14. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構上各別形成一光學鏡面結構。
  15. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該至少一第一電極結構及至少一第三電極結構係為一正電極結構，該至少一第二電極結構及該至少一第四電極結構係為一負電極結構。
  16. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構之間以串聯的形式將該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構電性連接，同時並與該上表面之該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構電性連接，進而形成一串聯電路。
  17. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構之該至少一第一電極結構電性連接至該上表面之該至少一第三電極結構，該N個LED磊晶結構 之該至少一第二電極結構電性連接至該上表面之該至少一第四電極結構，進而形成一並聯電路。
  18. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構可以區分為M個LED磊晶結構群，每一LED磊晶結構群中之每一LED磊晶結構之間以串聯的形式將該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構電性連接，該M個LED磊晶結構群之間以並聯的形式電性連接於該上表面之該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構，進而形成一串、並聯混合電路，其中M為大於一之自然數。
  19. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中在該基板之該上表面及在該N個LED磊晶結構之表面上可以以一導體材料連接該至少一第一電極結構、該至少一第二電極結構、該至少一第三電極結構、該至少一第四電極結構，該導體材料是形成在一介電質材料層之上。
  20. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極可做為在一晶圓上直接以探針量測該整合式LED元件特性之電極。
  21. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中當該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構接通該外部電源，以使該N個LED磊晶結構因電流通過產生光電效應並發出光子時，該基板之該上表面與該下表面之間是呈現電絕緣狀態。
  22. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該整合式LED元件可以是一直流(DC)LED元件或是一交流(AC)LED元件。
  23. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該基板另包含有一防靜電元件或一控制元件或一感測元件。
  24. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構係進一步成為一雷射二極體(Laser Diode)磊晶結構，且該整合式LED元件成為一整合式雷射二極體元件。
  25. 根據申請專利範圍第1項之整合式LED元件，其中該N個LED磊晶結構可改為一聚光型太陽能電池磊晶結構，且該整合式LED元件成為一整合式聚光型太陽能電池元件。
  26. 一種結合磊晶結構與封裝基板為一體的整合式LED元件，該整合式LED元件安置於一裸空承載體之一裸空區域，該裸空承載體具有二個極性相異之導通電極，用以連接一外部電源，該整合式LED元件包含有：一基板，具有一上表面及一下表面；一LED磊晶結構，形成於該基板之該上表面，該LED磊晶結構包含至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構，該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；以及至少一第三電極結構及至少一第四電極結構，形成於該上表面並位於該LED磊晶結構之外，該至少一第 三電極結構及該至少一第四電極結構與該LED磊晶結構間之該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之間以相互電性連接而形成一電路，其中該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；其中，該裸空承載體之該二個極性相異之導通電極用以電性連接該整合式LED元件之該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極，該基板之該下表面係裸露於該裸空承載體之外。
  27. 根據申請專利範圍第26項之整合式LED元件，其中該LED磊晶結構係進一步成為一雷射二極體(Laser Diode)磊晶結構，且該整合式LED元件成為一整合式雷射二極體元件。
  28. 根據申請專利範圍第26項之整合式LED元件，其中該LED磊晶結構可改為一聚光型太陽能電池磊晶結構，且該整合式LED元件成為一整合式聚光型太陽能電池元件。
  29. 一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件的製作方法，其包含下列步驟：在一磊晶晶圓基板上形成一LED磊晶結構層；在該LED磊晶結構層上形成一光反射層，並在該光反射結構層上形成一第一金屬接合結構層；在一受體晶圓基板上形成一第二金屬接合結構層； 將該受體晶圓基板之該第二金屬接合結構層與該第一金屬接合結構層以晶圓接合方式結合為一第三金屬結構層並做為LED磊晶結構層之一第一電極結構，以形成一具有該LED磊晶結構層之複合晶圓體；自該複合晶圓體中移除該磊晶晶圓基板，使得該第三金屬結構層、該光反射結構層及該LED磊晶結構層形成在該受體晶圓基板上；在該受體晶圓基板上形成M個LED磊晶結構群，該M個LED磊晶結構群包含N個LED磊晶結構以及獨立於該N個LED磊晶結構外之至少一第三電極結構以及至少一第四電極結構，其中M及N皆為大於1之自然數，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；在該M個LED磊晶結構群之該N個LED磊晶結構層上形成至少一第二電極結構；在該M個LED磊晶結構群中選擇性地範圍內鍍上一介電質結構層；在該介電質結構層上製作至少一導電材料結構層，以將該至少一第一電極結構、該至少一第二電極結構與該至少一第三電極結構、該至少一第四電極結構彼此之間電性連接形成一電路；以及將該M個LED磊晶結構群由該受體晶圓基板上切割下來而成為M個獨立之該整合式LED元件。
  30. 根據專利申請範圍第29項之整合式LED元件的製作方法另包含有：在該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構上製作一可焊性之金屬結構。
  31. 根據專利申請範圍第29項之整合式LED元件的製作方法另包含有：在該N個LED磊晶結構表面製作一螢光材料結構層。
  32. 根據專利申請範圍第29項之整合式LED元件的製作方法另包含有：在該M個獨立之整合式LED元件上製作一透明保護層。
  33. 根據專利申請範圍第29項之整合式LED元件的製作方法另包含有：在該N個LED磊晶結構上各別製作一光學鏡片結構。
  34. 根據申請專利範圍第29項之整合式LED元件的製作方法另包含有：將該整合式LED元件嵌入一裸空承載體之一裸空區域中，該裸空承載體具有至少二個極性相異之導通電極，用以連接一外部電源，該至少二個極性相異之導通電極用以電性連接該整合式LED元件之該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極，該基板之該下表面係裸露於該裸空承載體之外。
  35. 一種結合磊晶結構與封裝基板為一體之整合式LED元件的製作方法，包含下列步驟： 在一磊晶晶圓基板上形成一LED磊晶結構層；在該具LED磊晶結構層的晶圓上形成M個LED磊晶結構群，該M個LED磊晶結構群包括N個LED磊晶結構以及獨立於該N個LED磊晶結構外之至少一第三電極結構以及至少一第四電極結構，其中M及N皆為大於1之自然數，該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構之極性相異；在該M個LED磊晶結構群之該N個LED磊晶結構層上各自形成至少一第一電極結構以及至少一第二電極結構，其中該至少一第一電極結構及該至少一第二電極結構之極性相異；在該M個LED磊晶結構群中選擇性地範圍內鍍上一介電質結構層；在該介電質結構層上製作至少一導電材料結構層，以將該至少一第一電極結構、該至少一第二電極結構與該至少一第三電極結構、該至少一第四電極結構彼此之間電性連接形成一電路；以及將該M個LED磊晶結構群從該磊晶晶圓基板上切割下來而成為M個獨立之該整合式LED元件。
  36. 根據專利申請範圍第35項之整合式LED元件的製作方法另包含：在該至少一第三電極結構及該至少一第四電極結構上製作一可焊性之金屬結構。
  37. 根據專利申請範圍第35項之整合式LED元件的製作方法另包含：在該N個LED磊晶結構表面製作一螢光材料結構層。
  38. 根據專利申請範圍第35項之整合式LED元件的製作方法另包含：在該M個獨立之整合式LED元件上製作一透明保護層。
  39. 根據專利申請範圍第35項之整合式LED元件的製作方法另包含：在該N個LED磊晶結構上各別製作一光學鏡片結構。
  40. 根據申請專利範圍第35項之整合式LED元件的製作方法另包含：將該整合式LED元件嵌入一裸空承載體之一裸空區域中，該裸空承載體具有至少二個極性相異之導通電極，用以連接一外部電源，該至少二個極性相異之導通電極用以電性連接該整合式LED元件之該基板之該上表面之該至少一第三電極及該至少一第四電極，該基板之該下表面係裸露於該裸空承載體之外。
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