TW415117B - Substrate structure improvement of light-emitting diode (LED) - Google Patents

Description

415117 五、發明說明 本發 指一 極體 亦可 年代 耗電 以在 產品 告看 現發 不得 綠、 一全 用， .奮。 種以 構造 簡化 發光 發展 量小 短短 及儀 板、 光二 不令 藍三 彩化 即使 (1) 明係有關於一種發光二極體之基 藍寶石（Sapphire)為基板而可發 改良，不僅可大幅縮小藍寶石基 其後續研磨製程，並提高生產良 二極體（LED; Light-Emitting 至今，由於具備有壽命長、體積 、反應速度快、及單性光發光之 幾十年間，發光二極體已經應用 器設備中，舉凡電腦週邊設備、 交通號誌燈、通訊業、或消費電 極體之大量使用證據，而此產品 人咋舌。尤其係當藍光發光二極 色光先後皆已先後被研發產製完 之完整基本結構，不僅在色彩上 應用在取代傳統白熱照明光源上 板構造& 射藍光& 板之使用 率者。 D i ode )自 小、發熱 特性及優 在各種日 時鐘顯示 子產品中 應用範固 體問市後 成，故可 更顯多變 亦讓人精 良，$ 發光二 厚度’ 從5 0 量低、 點，所 常生活 器、廣 皆可發 之廣泛 ’紅、 矣且合成 以茲利 神振 現今在藍光發光二極體之製作上，主要係可八 寶石基板（Sapphire)或以碳化矽基板（SiC)為兩i為以愍 但由於藍寶石基板之亮度、對比等物性上或導電 主麵， 上皆比碳化梦基板來的出色’其可期待性及未來發等電性 然也就相對高於碳化矽基板。 展性當 請參閱第1囷及第2圖，係為習用藍寶石基 薄膜層構造、及以藍寶石為基板之發光二極體構$與緩衝 ;一般藍光發二極體之主要構造係於藍寶石基板到视阐 丄〇上形

415117 -----—_________ _________ 五、發明說明（2) 成一緩衝薄膜層1 2 ’例如氮化鎵（GaN)薄膜層，再於氮 化鎵薄膜層1 2上濺鑛或蒸錢一具有p_ n界面而可發射藍 色光源之發光二極體（LED)磊晶層1 4 ，由於藍寶石基板 1 0係為一絕緣體’所以只能選擇在LED蟲晶層1 4之頂 層上再個別鍍上同平面之第一電極（正面電極）1 6及第 二電極（負面電極）1 8 ，而成為平面式發光二極體。 而在製作流程上，為了在藍寶石基板1 〇上可方便濺 鍍或蒸鍍一發光二極體（LED)磊晶層1 4，所以首先會在 藍寶石基板1 〇上形成一緩衝薄膜層1 2 ，例如氮化鎵（ GaN)薄膜層。但由於該緩衝薄膜層1 2在退火冷卻時，常 常會因為其物理特性關係而對藍寶石基板1 0施予一作用 應力（如虛線所示），若使用之藍寶石基板1〇厚度（H10) 未超過一定量時（約為300um，真正厚度臨界值與緩衝薄膜 層之厚度Η丨有關），則無法阻擋住該施予應力’所以會在 藍寶石基板1 〇上形成一道道破裂隙縫1 0 4，造成藍黉 石基板1 0之生產不良率。故，現行一般在量產時，基板 厚度Η〗皆大致高於300微米，而Η!則約為3~ 4微米，所以其 Η與H#厚度比例約為loo : 1。 而如此厚度之藍寶石基板1 〇，在後續以鑽石或雷射 切割成晶粒過程中將碰上非常大之困難，因為不管係使用 雷射切割或鑽石切割都難以切割如此之基板厚度’所以， 一般在切割製程前，必須先利用如鐵石等高硬度材質研磨 該藍寶石基板1 〇約近200ιιπιί|·度以上，如此不僅造成資 源之浪費及成本之提升，更徒增製程上之麻煩》

第5頁 本發明之次要目的 415117 五、發明說明（3) 因此，如何針對上述問題而提出一種新顆之 體基板構造改良，不僅可大幅降低藍寶石基板之 以節省成本支出及簡化研磨製程’又可相對提高 率者’長久以來一直是使用者殷切紛望及本發明 茲者，而本發明人基於多年從事於半導體元件相 研究、開發、及銷售實務經驗’乃思及改良之意 個人之專業知識’經多方研究設計、專題探討’ 出一種發光二極體之基板構造改良’可解決上述 爰是 本發明之主要目的，在於提供一種發光二極 構造改良’於藍寶石之上下兩層分別形成一厚度 全相同之氮化鎵薄膜層，可於一起退火冷卻時將 施予基板上之應力相互抵銷，因此其所需之基板 大幅降低，不僅可預防藍寶石基板之可能破裂減 提高產品生產良率，亦可藉+ 精此知4基板材料使用 構造改良，可將所需Z其2於提供^種發光 化其後續研磨基板之麻 厚度大幅降低，巧 以提升其產品良率者。煩製程，亦可相對簡# 兹為使責審查委畐拟| 功效有更進一步之瞭组 本發明之結構特德 配合詳細之說明，⑨明如：識’謹佐以較佳之 首先，請參閲第3A囷及第3Bg)， 發光二極 厚度大小 其產品良 人念茲在 關產品之 念，窮其 終於研究 之問題。 體之基板 近似或完 所形成而 厚度將可 事發生以 及成本支 體之基板 可相對簡 切割製成 所達成之 施例囷及

第6頁 發明在製

415117 五、發明說明（4) 作藍寶石基板時之一較佳實施例流程構造示意圖；如圖所 示，首先可選用一厚度（H 2)相較習用為小之藍寶石基板2 0 ，並在藍寶石基板2 ◦—表面上以濺鍍或蒸鍍等方式形 成一抗力薄膜層2 2 4 ，如第3 A圖所示。之後，將此基 板垂直翻轉，而讓抗力薄膜層2 2 4成為藍寶石基板2 0 之底層下，且立即在藍寶石基板2 0之頂層表面上以同樣 以濺鍍或蒸鍍等方式形成一可方便發光二極體磊晶層形成 之緩衝薄膜層2 2 2 ，例如氮化鎵（GaN)薄膜層，如第3 B圖所示。 由於，此時作用反應室内還是處於高溫狀態，所以基 本上緩衝薄膜層2 2 2或抗力薄膜層2 2 4單獨對藍寶石 基板2 0所產生作用應力相較於退火冷卻時所產生及影響 者相差甚多，因此可相對忽略之。而緩衝薄膜層2 2 2或 抗力薄臈層2 2 4之材料選用及形成厚度大小（分別為113 及HO上皆可事先實驗設計所得，主要係選用在退火冷卻 時可得到一大小相當但方向相反之作用應力"如此當一起 退火冷卻時，其作用於藍寶石基板2 0上下兩邊之作用應 力將可互相抵銷而大幅降低其合應力產生，甚至可將合應 力消弭於無形，因此，藍寶石基板2 0之厚度（H2)將可獲 大幅縮小，通常不大於15 0微米（um)，甚至小於lOOum，如 此無需再利用鑽石等高硬度物質來研磨藍寶石基板1 0厚 度之製程，當然也就方便事後欲切割成晶粒時之製程。 再者，請參閱第4圖，係為本發明另一實施例構造示 意圊；由於本發明主要係應用在於藍光發光二極體基板上

第7頁 415117 五、發明說明（5) ，所以其緩衝薄膜層係為一氮化鎵（GaN)薄膜層2 2 6 ， 而為使其冷卻退火時所產生之應力完全可被相互抵銷，所 以其抗力薄膜層亦可選用相同之氮化鎵（GaN)薄膜層2 2 8 ，而且其厚度（H3ia Η μ)係完全相同，所以在同樣之冷卻 環境下’其所產生作用於藍寶石基板20之應力將會是完 全相同但方向相反者，因此其合應力即可消弭於無形，並 致使其藍寶石基板2 〇之厚度（Η 0即可大幅縮小且確保 其產品良率。 最後’請參閱第5圖’係為利用本發明藍寶石基板所 完成之發光二極體構造剖視圖；如圖所示’利用本發明先 前完成之藍寶石基板2 〇、第一 GaN薄膜層226及第二 GaN薄膜層228 ，再於第一氮化鎵薄膜層226上濺鍍 或蒸鍍一具有ρ-η界面（或n-P界面’如括號所示）而可發射 藍色光源之發光二極體（LED)磊晶層24 ，由於藍寶石基 板2 0係為一絕緣體，所以只能選擇在LEM晶層2 4之 頂層上再個別鍍上同平面之第一電極（正面電極）2 6及 第二電極（負面電極）28 ，而成為一平面式藍光發光二 極體。 另外，在此值得一提的是，利用本發明完成之藍寶石 基板、緩衝薄膜層及抗力薄膜層，亦可經過另一通道蝕刻 設計而成為一直立式之藍光發光二極體，如此即可大幅降 低發光二極體之作用面積，所以，其抗力薄膜層必須係為 一導電材質製成，尤其係由非金屬導電材質製成更佳，而 此類技術已同時在於另一專利申請中，故在此不再贅述》

415117 五、發明說明（6) 綜上所述，本發明係有關於一種發光二極體之基板構 造改良，尤指一種以藍寶石（Sapphire)為基板而可發射藍 光之發光二極體構造改良，不僅可大幅縮小藍寶石基板之 長晶厚度，亦可簡化其後續研磨基板及切割晶粒之製程，· 並提高生產良率者。故本發明實為一具有新穎性、進步性 及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請 要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准 專利，至感為禱。 惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並 非用來限定本發明實施之範圍，例如其藍寶石基板並非一 定要不大於1 0 0微米，且其基板亦非一定要使用藍寶石材 質，或在其它薄膜層上增加其它如SiC、AIN、Si02、InGaN 、Sn02、A1 InGaP層等，舉凡依本發明申請專利範圍所述 之 形 狀 、構造 特 徵及精 神所為 之 均等變化 與 修 飾 包 括 於本發明 之 中 請專利 範圍内 0 圖 號 簡單說明 • 1 0 藍寶 石 基 板 1 2 緩衝 薄 膜 層 1 4 LED 蟲 晶 層 1 6 第一 電 極 1 8 第二 電 極 1 0 4 破裂 隙 縫 2 0 藍寶 石 基 板 2 2 2 緩衝 薄 膜 層 2 2 4 抗力 薄 膜 層 2 2 6 GaN 薄 膜 層 2 2 8 GaN 薄 膜 層 2 4 LED 蟲 晶 層 2 6 第一 電 極 2 8 乐 電 極

415117 圖式簡單說明 第1圖：係習用藍寶石基板與緩衝薄膜層之構造剖視圖； 第2圖：係習用以藍寶石為基板之發光二極體構造剖視圖 ， 第3 A圖、第3 B圖：係本發明在製做藍寶石基板時之各 製程步驟構造剖視圖； 第4圖：係本發明另一實施例構造示意圖；及 第5圖：係利用本發明基板所完成之發光二極體構造剖視 圖。

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Claims (1)

1. 415117 六、申請專利範圍 1 * 一種發光二極體之基板，其主要構造係包括有： 一藍寶石基板； 一形成於該藍寶石基板頂層之第一氮化鎵（GaN)薄膜 層；及 ， 一形成於該藍寶石基板底層之第二氮化鎵薄膜層，該 第二氮化鎵薄膜層可在退火冷卻時將產生與第一氮 化鎵薄膜層所生應力方向相反之應力者。 2 如申請專利範圍第1項所述之募板，其中第一氮化鎵 薄膜層與第二氮化鎵薄膜層之厚度係相同者。 3 如申請專利範圍第1項所述之基板，其中該藍寶石基 1 板之厚度係大於0微米但不大於1 5 0微米（um)者。 4 · 一種發光二極體之基栢，其主要構造係包括有： 一基板； 一形成於該基板頂層之緩衝薄膜層；及 一形成於該基板底層之抗力薄膜層，該抗力薄膜層可 在退火冷卻時將產生與該緩衝薄膜層所產生應力方 向相反之應力者。 5 *如申請專利範圍第4項所述之基板，其中該緩衝薄膜 層係為一氮化鎵（GaN)薄膜層。 % 6 *如申請專利範圍第5項所述之基板，其中該抗力薄膜 f 層係為一氮化鎵（GaN)薄膜層。 7 .如申請專利範圍第6項所述之基板，其中上下兩氣化 鎵薄膜層之厚度係為相同者。 8 ·如申請專利範圍第4項所述之基板，其中該基板之厚

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