TW456058B - Light emitting diode and the manufacturing method thereof - Google Patents

Description

A7 456058 _B7___ 五、發明說明（） 5-1發明領域： 本發明係關於一種發光二極體（Light Emitting Diode ; LED)晶 粒結構及其製造方法，特別是一種有關磷化鋁鎵銦（AlGalnP)及砷化 鋁鎵（AlGaAs)發光二極體之結構及其製造方法。 5-2發明背景： 傳統的磷化鋁鎵銦發光二極體具有一雙異結構（Double Heterostructure; DH)，其構造如第四圖所示，是在一 η型崎化鎵（GaAs) 基板（Substrate)3上成長一紹含量在70%-100%的η型（ALGa,— JuInmP下包覆層4，一（AlxGakVsIno.sP活性層5、一紹含量在 70%-100%的p型（AlxGa丨Juln。/上包覆層6，以及一 p型高能隙 的磷化鎵或砷化鋁鎵電流分散層（Current Spreading Layer)7，利用改 變活性層的組成，便可以改變發光二極體發光波長，使其產生從 650nm紅色至555nm純綠色的波長。但此一傳統的發光二極體有一 缺點，就是活性層產生的光，往下入射至砷化鎵基板時，由於砷化 鎵基板的能隙較小，因此入射至砷化鎵基板的光將會被吸收掉，而 無法產生高效率的發光二極體。 為了避免基板的吸光，傳統上有一些文獻揭露出LED的技術， 然而這些技術都有其缺點以及限制。例如Sugawara等人發表於[Appl. Phys Lett. Vol. 61，1775-1777 (1992)]便揭示了 一種利用加入一層分 散布拉格反射層（Distributed Bragg Reflector; DRB)於坤化鎵基板 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

W ----訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 6 0 5 8 A7 ______B7__ 五、發明說明（） 上，藉以反射入射向砷化鎵基板的光，並減少砷化鎵基板吸收’然 而由於DBR反射層祇對於較接近垂直入射於砷化鎵基板的光能有 效的反射，因此效果並不大。

Kish 等人發表於[Appl‘ Phys Lett. Vol. 64, No.21，2839,(1994)之 文獻，名稱為厂 Very high-efficiency semiconductor wafer-boned transparent-substrate(AlxGaNx)〇.5InD.5P/GaP」]教示一種導接晶圓 (Wafer bonding)之透明式基板（Transparent-Substrate ; TSXAlxGa^ s)05In05P/GaP發光二極體。這種TS AlGalnP LED係利用氣相磊晶 法（VPE)而形成厚度相當厚（約5〇βιη)之p型磷化鎵（GaP)窗戶 (Window)層，然後再以習知之化學蝕刻法選擇性地移除η型砷化鎵 (GaAs)基板。隨後將此曝露出之η型層導接至厚度約為8-10mil之 η型磷化鎵基板上。就發光亮度而言，這種方式所獲得之TS AlGalnP LED 比傳統的吸枚式基板（Absorbing-Substrate ; AS)AlGaInP LED 大兩倍以上。然而，這種TS AlGalnP LED的缺點就是製造過程太 過繁雜。因此，無法獲得高生產良率且難以降低製造成本。

另一種傳統技術，例如Horng等人發表於[Appl. Phys. Lett. Vol.75, Νο·20，3054(1999)文獻，名稱為「AlGalnP light-emitting diodes with mirror substrates fabricated by wafer bonding」]。Horng 等人教示一 種利用晶片融合技術以形成鏡面基板（Mirror-Substrate ; MS)填化紹 鎵銦/金屬/二氧化矽/矽LED。其使用AuBe/Au作為黏著材料藉以 接合矽基板與LED磊晶層。然而，在20mA接合電流下，這種MS AlGalnP LED之發光強度僅約為90 mcd，仍然比TS AlGalnP LED 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線-ίί 5 60 58 A7 _____B7__ 五、發明說明（） 之發光強度少至少百分之四十，.所以其發光強度無法令人滿意。此 外’因為P型電極與n型電極都是形成在同一惻，因此尺寸無法縮 減，所以會造成這種晶粒比傳統p型電極與n型電極位在不同側之 led晶粒之尺寸還要大^•因此，這種類型之LED晶粒無法滿足封 裝尺寸越趨微小之趨勢。 5-3發明目的及概述： 鑒於上述之發明背景中，傳統發光二極體結構的諸多缺點。因 此，本發明針對上述需求，提供一種發光二極體及其製造方法。 綜上所述’本發明提供一種發光二極體，該發光二極體至少包 括益日日結構，該Ba結構上具有複數個ΠΙ-V化合物蟲晶半導體 層’當通入電流之後產生光：一石夕基板，該梦基板之兩側分別具有 一第一與第二歐姆接觸金屬層；以及一低溫焊接層，用以黏合該磊 晶結構與該梦基板。 此外·，本發明更提供一種發光二極體之製造方法， 至少包括：提供一磊晶結構，該磊晶結構上具有複數個 IIL·V化合物磊晶半導體層，當通入電流之後產生光；提 供一梦基板’該石夕基板之兩側分別具·有一第一與第二歐姆接觸金屬 層；以及提供一低溫焊接層，用以黏合該磊晶結構與該砂基板。 本發明之一項優點為本發明提供一垂直堆疊之LED晶粒結構 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂--------線」「 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 5 6'〇58 丨 A7 ____ B7 — . 丨 _ 丨 一 五、發明說明（） 僅需要一單一之導線，使得led的配線變得更容易施行，並且可以 降低製造成本- 本發明之另一項優點為可在較低溫度下進行黏合製程，且可獲 得較佳之連接效果。 本發明之另一項優點為可以大幅降低led晶粒之尺寸，因此 更符合現在封裝尺寸越來越小之趨勢，特別是適合用於表面黏著塑 LED 〇 本發明之另一項優點為具有較佳之散熱效果，因此LED的效 能穩定性較佳且可以被應用於較高的電流強度之下使用。 本發明之另一項優點為可獲得高良率與低成本之量產結果。 5-4圈式簡單說明： 本發明的車乂 it 例將於往後之說明文字中輔以下列圖形做更 詳細的闡述： 第1至第3圖係繪示依據本發明一較佳實施例之發光二極體之 製造流程示意圖；以及 第4圖係繪示傳統之發光二極體結構示意圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 〇--------訂-------- A7 4 5 6 0 5 8 _B7_ 五、發明說明（） 圖號對照說明： 3 :基板 4 :下包覆層 5 :活性層 6 :上包覆層 7 :高能隙電流分散層 10 :表面覆蓋層 12 :上包覆層 14 :活性層 16 :下包覆層 18 :银刻終止層 20 :基板 22 :焊接層 24 :歐姆接觸金屬層 26 :基板 28 :歐姆接觸金屬層 30 :歐姆接觸金屬層 32 :歐姆接觸金屬層 5-5發明詳細說明： 本發明揭露一種發光二極體結構及其製造方法。為了使本發明 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ tr---------線4 . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 45 60 58 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 之敘述更加詳盡與完備’可參照下列描述並配合第1圓至第3圖之

圖示D 首先請先參照第1圖，本發明發光二極體之磊晶結構包括依序 堆疊之η型砷化鎵（GaAs)基板20、n型蝕刻終止層（Etching St〇p Layer)18、η 型磷化鋁鎵銦（Αΐ/3ι.χν5Ιηΰ5ρ 下包覆（L〇wer cladding) 層16與磷化鋁鎵銦（AlxGa,.,)。5：^。5；?活性層（Active Layer)i4，其鋁 含量約為0客x芸0.45、p型磷化鋁鎵銦（AlxGa| x)。5 Ιη。ίΡ上包覆（Upper Cladding)層12以及P+神化鎵（GaAs)表面覆蓋層（Cap Layer)1〇。其 中’ p+砷化鎵表面覆蓋層ίο之較佳厚度約為少於1〇〇〇A。 上述之化合物比’例如（AixGa|_x% 5In() 5P，僅是舉出—較佳例子， 並非用以限制本發明’本發明同樣適用於其他的材料。此外在本發 明中，AlGalnP活性層丨4之結構可以是採用雙異結構(DH)或是多重 量子井（Multiple Quantum Weil; MQW)。所謂的雙異結構(DH)即包 括第1圖所示之η型磷化鋁鎵銦（AIxGai丄5lnQ 5p下包覆層16與一 麟化紹鎵銦（AIxGa^VJn^P活性層14、一 p型碟化鋁鎵銦（AixGa,. Jo.sl1上包覆層12’上下包覆層12與16之鋁含量均约為〇 5客, 其中這三層之較佳厚度分別約為1.0、0 75、。 在本發明中蝕刻終止層18之材質可以是任何ΙΠ_ν之化合物， 只要此一化合物的晶格常數可以和砷化鎵基板2〇相匹配便可以避 免產生差排。另外，本發明之蝕刻終止層丨8之蝕刻速率係遠低於 由砷化鎵物質所組成之基板20。在本發明中蝕刻終止層ι8之較佳 本紙張尺度適时國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公笼） ---^---------L-"--------訂-------線 _* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 456058 經濟部智慧时產苟員1-肖1 Γϊ A7 _________B7__ 五、發明說明（） 材質可為磷化銦鎵（In〇aP)或砷化鋁鎵（AlGaAs)。 提供如第2圖所示之一結構，此結構包括金錫（AuSn)合金焊捿 層（Solder)22 '歐姆接觸金屬24、矽基板26以及另一歐姆接觸金屬 28。本發明所使用之焊接層22之材質並不限於金錫合金，其他具 有類似性質可在較低溫度下產生融溶狀態之導電黏著物質均適用於 本發明，如鉛錫合金或銦。因為，金錫合金可在較低溫度下融化， 這意謂著本發明之製程溫度可以遠低傳統之製程溫度。 然後’形成一層ρ型歐姆接觸金屬30，例如金（Au)，於第1圖 所示之結構上，更明確地說將此p型歐姆接觸金屬層3〇沉積於第ι 圖t的P+砷化鎵表面覆蓋層10上。由於p+型砷化鎵表面覆蓋層1〇 的載子濃度非常高約大於l〇!9cm_3,因此將金蒸鍍上P +型砷化鎵層， 便能夠形成很好的歐姆接觸。而且，ρ型珅化鎵表面覆蓋層丨〇的厚 度相當薄因此可以避免吸收活性層所發出之光。同樣地’在本發明 中P型歐姆接觸金屬30之材質不僅限於金，具有相同性質之高反 射率與高導電性物質’例如鋁（A1)、銀（Ag)，同樣適用於本發明。 另外歐姆接觸金屬30係扮演一具有高反射率之鏡面，以避免 發出之光被基板吸收掉而造成發光強度的減少。 然後，以第2圖的結構，包括以金錫焊接層22作為連接層’ 來連接第1圖結構中的ρ型歐姆接觸金屬3〇。其中，連接金錫合金 22與歐姆接觸金屬層3〇之方法，則包括升高溫度至其融點使原先 •為固態之金錫合金融化成液態，由於歐姆接觸金屬層30接觸金錫 8 本紐尺賴ffi t ®國家標华（CNS)A4規格（2J0 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ------1— 訂·--------線. 經濟部智慧財產笱員1-肖f ¥乍土 456058 Α7 ------ Β7 五、發明說明（） 合金22 ’當溫度降低’金錫合金22回復成固體狀態便與歐姆接觸 層30黏合在一起。至此’第丨圊之磊晶結構就可和第2圖之結構 相黏合在一起。運用本發明之方法，不僅可在較低製程溫度下進行 連接步驟’此外’因為在黏合步驟中焊接層22係呈現液體狀態， 因此可比傳統固態施壓連接之技術獲得更佳之連接效果。 在製程中，因為融化態的焊接層22會直接接觸金30，因此為 了避免金30局部或整層被融化掉而破壞了其鏡面反射的特性，可 以利用形成厚度較厚之金層30,來避免此一現象發生》另一種方法， 則疋在金層3 0與焊接層22之間提供一抗融化層（未顯示），例如麵' 齒、或鎢等金屬層’以避免金層3〇局部融化或甚至整層被融化掉 的問題。由於，鉑等金屬與金錫合金之黏著性不佳，因此也可以在 抗融化金屬層與焊接層之間再加入一金屬層來改善此—黏著性問 題。 由於砷化鎵基板及蝕刻終止層會吸收活性層發出的光，因此接 著以濕式化學蝕刻法或乾式蝕刻法，去除掉蝕刻終止層U與η型 .砷化鎵基板20，以曝露出η型磷化鋁鎵銦下包覆層丨6。其中，化 學蝕刻法之蝕刻劑可以是5Η3Ρ04:3Η202:3Η，0或是 1Ν]Η4〇Η:3 5Η2〇2 ’選用此蝕刻劑可使得填化鎵銦對砷化鎵的姓列速 率比至少為100比1。若是蝕刻終止層之厚度並非太厚，因為吸收 光鼓不嚴重，所以不一定必須去除蝕刻終止層不可。 請參照第3圖，接著，沉積另一歐姆接觸金屬層32於η型磷 9 本紙張尺度適用1f國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^--------訂---------線\ 45 60 58 A7 B7 五、發明說明（） 化鋁鎵銦下包覆層16上，以完成發光二極體的製造。此歐姆接觸 金屬層32之較佳材質可為鎳/鍺金由此可 知，本發明之發光二極體結構在焊接時，僅需要連接出單一之導線 來焊接歐姆接觸金屬層即可，因此可以避免習用結構中p型與η型 電極均是形成在同一侧上’而無法縮減尺寸的缺點。 依據本發明所得之磷化鋁鎵銦發光二極體晶粒在活性層鋁含量 是0%時所發出之光波長約為645nm，且在20mA的操作電流之下， 其光輸出功率約為4mw。本發明發光二極體之光輸出功率可比傳統 吸收式基板磷化鋁鎵銦發光二極體之光輸出功率大兩倍。而且，— 直到操作電流甚至為100mA，本發明之發光二極體之光輸出功率都 可與操作電流呈線性關係。由此可知，本發明所採用之矽基板比傳 統之砷化鎵基板具有較佳的散熱能力。 本發明不祇適用於磷化鋁鎵銦發光.二極體，也適用於钟化銘嫁 (AlGa)As發光二極體，以65〇nm砷化鋁鎵紅色發光二極體為例’ 並參照第1圖，本發明發光二極體之磊晶結構依序為n型砷化鎵基 板20、ng蝕刻終止層18、n型砷化鋁鎵（AixGai JAs下包覆層16 與未摻雜之砷化鋁鎵（AlxGa^.jAs活性層I4、p型砷化鋁鎵（AlGa x)As上包覆層π ’以及P+碑化錄（GaAs)表面覆蓋層丨〇。其中上下 包覆層的铭含量均約在70%-85%左右，而活性層μ的紹含量在發 光波長疋650nm時約是35%。接著，將含此一磊晶結構的晶片與第 2圖所示之石夕晶片結構，利用金錫合金焊接層22接合在一起。然後， 利用化學钮刻法或乾敍刻法去除掉银刻終止層18及n型坤化録其 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

IX---------線·C 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 7 4 5 6 0 5 8

經 齊 I 时 五、發明說明（） 板20’並沉積一歐姆接觸金屬層32於η型神化鋁鎵下包覆層16上 (如第3圖所示），以完成發光二極體的製造。 依據本發明所得650nm砷化鋁鎵發光二極體晶粒，其發光效 率是傳統具吸收基板坤化鋁鎵發光二極體亮度的二倍以上。本發明 的坤化銘鎵發光二極體其波長並不限於65〇nm，祇要砷化鋁鎵活性 層中的銘含量改變’便可改變發光二極體的發光波長從紅光至紅外 線。 本發明之一項優點為本發明提供一垂直堆疊之LED晶粒結構 僅需要一單一之導線，使得LED的配線變得更容易施行，並且可以 降低製造成本。 » 本發明之另一項優點為可以大幅降低led晶粒之尺寸，因此 更符合現在封裝尺寸越來越小之趨勢，特別是適合用於表面黏合型 LED。 本發明之另一項優點為可在較低溫度下進行黏合製程，且可獲 得較佳之焊接效果。 本發明之另一項優點為具有較佳之散熱效果，因此LED的效 能穩定性較佳且可以被應用於較高的電流強度之下使用。 本發明之另一項優點為可獲得高良率與低成本之量產結果。 \—-·· ------------vk--------訂--------線. 二 V (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ίΕ1ϋι=·

IN 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 456058 A7 I "" 1 " B7 五、發明說明（） 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已 > 並非用以限定本發明 之申凊專利靶圍，凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等 效改變或修飾，均應包含在下述之_請專利範圍内。 ----^------1---\^--------訂--------* 線 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

2 H tlsghis 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 45 60 58 A8 BS C8

   六、申請專利範圍 申請專利範圍： 1、 一種發光二極體，至少包括： 一蟲晶結構，該磊晶結構上具有複數個Ιπ、ν化合物蟲晶半導 體層’當通入電流之後產生光： 一石夕基板，該縣板之兩侧分㈣有-第—與第二歐姆接觸金 屬層；以及 低溫;tf·接層’用以黏合該蟲晶結構與該石夕基板。 2. 如f請專利範圍第丨項所述之發光二極體，其中該低溫谭接 層之材€為金-錫合金、錯-錫合金或姻。 3_如申請專利範圍第丨項所述之發光二極體，其中更包括— 高反射率之歐姆接觸金屬層位於該磊晶結構上。 4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體，其中更包括—抗 融化金屬層位於該高反射率之歐姆接觸金屬層與該低溫淳接只之 間。 5. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體，其中該高反射率 之歐姆接觸金屬層之材質係選自於金、紹、與銀所組成之族群。 6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該磊晶結構 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂. .線. ssiil!p 13 ------- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 45 60 58 頜 C8 D8 六、申請專利範圍 包括一表面覆蓋層，該表面覆蓋層的載子濃度大於10l9cm-3 » 7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體，其中該表面覆蓋 層之材質包括砷化鎵（GaAs)。 8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該磊晶結構 包括一材質為填化鋁鎵銦（八1;^3|-.,)〇.5111()/之活性層，其鋁含量為〇 ^χ$0·45 〇 9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該磊晶結構 包括一上包覆層，該上包覆層之材質為磷化鋁鎵銦（A^Ga,. xVJiVsP，其鋁含量為0.5芸X名1。 10·如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該磊晶結 構包括一下包覆層，該下包覆層之#質為磷化鋁錁銦（Ai/a,. χ)〇.5Ϊη0.5Ρ，其鋁含量為 〇.5^xgi。 11.如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該磊晶結 構包括一材質為砷化鋁鎵（A^GaiJAs之活性層。 f 12.如申請專利範圍第n項所述之發光二極體，其中該磊晶結 f 構包括一上包覆層，該上包覆層之材質為砷化鋁鎵（ALGa^) As。 t } 13.如申請專利範圍第Π項所述之發光二極體，其中該磊晶結 14 本紙張尺錢财關(210，297 ffT (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ 訂---------線-(.------------------------- 45 6058 A8 B8 C8 ___ D8 " - . -- — 一――- -— -…一 六、申請專利範圍 構包括一下包覆層，該下包覆層之材質為砷化鋁鎵（A1；iC}ai.x)As。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 14,如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該磊晶結 構包括一量子井結構之活性層。 15·—種發光二極體之製造方法’至少包括： 提供一磊晶結構，該磊晶結構上具有複數個III-V化合物磊晶 半導體層，當通入電流之後產生光； 提供一矽基板，該矽基板之兩側分別具有一第一與第二歐姆接 觸金屬層；以及 提供一低溫焊接層，用以黏合該磊晶結構與該矽基板。 16·如申請專利範圍第15項所述之發光二極體之製造方法，其 中該低温焊接層之材質為金_錫合金、鉛-錫合金或銦。 17·如申請專利範圍第15項所述之發光二極體之製造方法’其 中該;&S晶結構包括依序堆叠之一第一導電型基板、一第一導電型融 刻终止層；一第一導電型之下包覆層、—活性層、一第二導電型之 上包覆層以及一第二導電型之表面覆蓋層。 ： 18·如申請專利範圍第17項所述之發光二極體之製造方法，其 中該第一導電型基板之材質包括神化鎵。 丨9-如申請專利範圍第17項所述之發光二極體之製造方法，其 15 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 45605b A8 B8 C8 08 _ 六、申請專利範圍 中該第一導電型蝕刻終止層之材質為磷化銦鎵與砷化鋁鎵之一者。 20. 如申凊專利範圍第17項之發光二極體之製造方法，其中該 活性層是一量子井結構。 21. 如申請專利範圍第I?項所述之發光二極體之製造方法，其 中在黏合該磊晶結構與該矽基板的步驟之前，更包括形成一高反射 率之第三歐姆接觸金屬層於該第二導電型之表面覆蓋層上。 22. 如申請專利範圍第21項所述之發光二極體之製造方法，其 中該鬲反射率之第三歐姆接觸金屬層之材質係選自於金'鋁'與銀 所組成之族群。 23. 如申請專利範圍第I?項所述之發光二極體之製造方法，其 中在黏合該磊晶結構與該矽基板的步驟之後，更包括去除該第一導 電型基板與該第一導電型蝕刻終止層。 24. 如申請專利範圍第23項所述之發光二極體之製造方法，其 中去除該第一導電型蝕刻終止層與該第一導電型基板之方法包括化 學飯刻法與乾式飯刻法二者之—β 25. 如申請專利範圍第23項所述之發光二極體之製造方法，其 中在去除該第一導電型基板與該第一導電型蝕刻終止層之步驟後更 包括提供一第四歐姆接觸金屬層覆蓋該下包覆層。 16 孓紙張尺度適用♦國國家標準（CNS)M規ϋ_：10 X 297 -------------------r---訂---------線 (請先閒讀背面之注意事項再填寫本頁)