TWI408831B - 發光二極體及其製程 - Google Patents

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Description

發光二極體及其製程
本發明涉及一種發光二極體亮度提升與使用壽命延長。
傳統習知的發光二極體包含一半導體基板、一位於半導體基板上之發光結構與二個歐姆接觸電極，該發光結構通常係由多層之含鋁的III-V族化合物半導體層所組成，例如：可發出紅外光及紅光之AlGaAs，或可發出黃綠光、黃光及紅光之AlGaInP。目前全球產業所發展出的不同種類發光二極體能夠發出從紅外線到藍之間不同波長的光線，而業界也有紫色～紫外線的發光二極體，近年來發光二極體最吸引人的發展是在藍光發光二極體上塗上螢光粉，將藍光轉化成白光的白光發光二極體產品。
現時生產的白光二極體大部分是透過在藍光二極體(near-UV,波長450nm至470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的，這種黃色磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+ :YAG)晶體磨成粉末後混和在一種稠密的黏合劑中而製成的。當發光二極體晶片發出藍光，部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個光譜較寬(光譜中心約為580nm)的主要為黃色的光。由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受體，再混合發光二極體本身的藍光，使它看起來就像白色光，而其的色澤常被稱作「月光的白色」。若要調校淡黃色光的顏色，可用其他稀釋金屬鋱或釓取代Ce3+ :YAG中摻入的鈰(Ce)，甚至可以取代YAG中的部份或全部鋁的模式做到。
現行藍光二極體發光效率提升有各式的技術。二極體表面粗化可以改善光線因全反射角而絕大多數反射的問題，增加正向出光的角度。透明導電層可以使原本積聚在平台邊緣及電極正下方的電流，更均勻的分佈在發光面。圖樣化藍寶石基板則是利用磊晶前的蝕刻改善磊晶品質，同時藉由氮化鎵(GaN)與藍寶石(Sapphire)之間微結構的多重反射來提升效率。因此常見的改進方法多為在發光二極體的表面，以及藍寶石正向面製作結構以改善光萃取效率或提升磊晶品質。
發光二極體除了光特性及磊晶品質的改善外，降低量子井區的溫度，也是不可忽略的問題。量子井為發光二極體由電產生光的區域，降低量子井的溫度，可延長發光二極體之壽命，避免溫度過高使得光效率下降。由於藍光二極體所使用的藍寶石基板是一種熱傳導性質不佳的材質(熱傳導係數～42W/m‧K at 20℃)，因此很難將發光二極體在光電效應產生的熱量，做適當地傳導以達散熱效果，隨著使用時間而累積內部接面溫度，容易使發光二極體在使用過程中，發光部位產生過熱使得出光效率與壽命降低的情況發生。
鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上某些利益之需求，本發明提供一種發光二極體可用以解決上述傳統之發光二極體未能達成之標的。
本發明主要內容在於發光二極體結構改良，將發光二極體的透光基板背面形成一種網狀圖型之結構，使發光二極體的光萃取效率，因為透光基板紋理結構的多重反射效應而提升亮度，進而製造出發光二極體。該發光二極體，請參照第一A圖，其主要結構組成包含：一PN半導體層100、一網格基板200以及一散熱層300，前述之PN半導體層100含有一P型電極110與一N型電極120，分別併排在該PN半導體層100上，主要為氮化鎵(GaN)或銦氮化鎵(InGaN)半導體材料；而該網格基板200，其厚度須符合大於或等於1/6該發光二極體導電時發光之波長，並位於該PN半導體層100底下，用以產生多重反射效應；最底層散熱層300，位於該網格基板200底下，用以導散導電發光時所產生之熱能，並選用導熱效果最佳的銅(Cu)作為主要材料。
本發明係利用二極體中間層之網格基板200，使發光二極體的光萃取效率因而提升，前述之網格基板200細部結構更包含一網格層與一金屬覆蓋層，其中該網格層主要材料為Si、LaAlO3 、LiGaO2 、GaN、SiC、藍寶石(Sapphire,Al2 O3 )或鑽石等透光介質，其底部以鑿挖方式佈滿複數個凹孔。該金屬覆蓋層位於該網格層底下，用以高反射金屬材料例如銀(Ag)或鋁(Al)覆蓋於該複數凹孔表面以型成複數金屬凹孔，目的使網格基板200產生鏡面反射效果。
依據上述二極體結構特徵，設計出一種發光二極體製程方法，包括：
1.二極體程序：製作一PN半導體層於一基板上
2.基板程序：一網格基板形成於該PN半導體層之下
3.散熱程序：一散熱層形成於該網格基板之下
特別在基板程序中，更包含一網格步驟以及一金屬覆蓋步驟，在網格步驟中利用雷射刻畫方式，使原本該PN半導體層底下之基板，其底部的鑿挖複數個凹孔，以形成該網格基板200，並使該複數凹孔排列成一凹孔矩陣以形成其網格結構；在金屬覆蓋步驟中以物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)方式，以金屬覆蓋於該複數凹孔表面，型成複數金屬凹孔。
利用上述製程方法所製造的發光二極體，其網格基板200具有一種網狀圖型之結構，使導電發光的二極體藉該網格基板200網格紋理結構，產生多重反射效應而提升發光亮度。另外，位於底層的散熱層300，利用塗抹或電鍍方式，將該網格基板200鋪上一金屬的散熱層300，因為散熱層300使用高導熱金屬材質，使得發光二極體的熱量能適當地被傳導到外部散熱裝置，進而減低內部因通電過程產生的接面溫度，使發光二極體因降溫而延長使用壽命，並提升整體光電效率。
本發明係藉由雷射技術，在藍寶石基板背面刻劃紋理結構，進而沈積、塗佈高反射且高熱傳導性質之金屬，目的是為提升現今發光二極體的出光效率，同時降低接面溫度，減緩熱效應對發光二極體的負面影響。
本發明在此所探討的方向為一種發光二極體及其製程。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發明的施行並未限定於發光二極體及其製程之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
本發明之結構於傳統單面式發光二極體上再做處理。傳統發光二極體結構大約為一層100m打薄的氧化鋁藍寶石基板，上面以磊晶生長出4~5m的氮化銦鎵為主的磊晶層，其中有不同掺雜構成的發光量子井層，再以蝕刻製程製作出平台式結構並鍍上電極。
而本發明可用於傳統發光二極體或所有單面式發光二極體。其結構主要有三個部份。第一個為在發光二極體背面藍寶石基板側使用雷射刻劃方式切出條紋型狀或縱橫交錯之方格狀凹槽佈滿於晶片背部，凹槽寬度與深度皆達數十微米，凹槽週期則可為數微米至數十微米。第二為利用物理氣相沈積或是化學氣相沈積所製作的高導熱係數的反射層，可同時兼顧導熱及反射主要波段的金屬為較佳的選擇，銀是最佳選擇之一的材質。第三為單純導熱係數佳的金屬，因為光已在反射層反射，且此散熱層需要鍍厚以涵蓋凹槽，製作方式可為塗佈或是電鍍方式，銅與銀皆是理想的材料。
在實際製作範例上，本發明使用雷射切割機於已製作元件之發光二極體背側藍寶石基板處，切出約寬度10μm、週期30μm、深度30μm之平行晶片向直線凹槽，並重覆步驟切割垂直晶片方向，以互相垂直構成一棋盤形。接著使用電子槍蒸鍍機鍍上0.5μm厚的銀或鋁做為反射層，同時此反射層以柵狀型在藍寶石基板底部，可將原本往下穿透的光，更有效率的往上反射。最後鍍上一層約30~50μm的銅做為單純散熱層。本發明以藍光二極體作為主要實施例，主要創意在發光二極體背面藍寶石基板，做網狀紋理結構設計，並進而沈積高反射率且高熱傳導性質的金屬，既可增加光線反射效果，增強上方出光效率果；其次經由金屬嵌入藍寶石基板之中，使得基板的有效熱傳導係數增加，將可同時改善發光二極體的散熱效果，減低發光二極體內部熱阻、降低量子井區的溫度。因此，本發明是一項兼具提升出光效能，且能降低熱效應的創新結構技術。
請參照第一A圖與第一B圖，分別為本發明一種發光二極體之立體圖與側視圖，其主要結構組成包含：一PN半導體層100、一網格基板200以及一散熱層300，前述之PN半導體層100含有一P型電極110與一N型電極120，分別併排在該PN半導體層100上，該層材料為氮化鎵(GaN)或銦氮化鎵(InGaN)半導體；網格基板200之厚度符合大於或等於1//6該發光二極體導電時發光波長要求，位於該PN半導體層100之底下，用以產生多重反射效應，網格基板200底部之曲折線條為金屬覆蓋層210，所覆蓋範圍為網格基板200所謂網格層結構；最底層為散熱層300，位於該網格基板200之底下，用以導散發光二極體在導電發光時所產生之熱能，並選用導熱效果最佳的銅(Cu)作為主要材料。
本發明利用上述之結構應用於傳統單面式發光二極體上再做處理。傳統發光二極體結構大約為一層100μm打薄的藍寶石(Sapphire)基板，上面以磊晶生長出4~5μm的氮化銦鎵(InGaN)為主的磊晶層，其中有不同掺雜構成的發光量子井層，再以蝕刻製程製作出平台式結構並鍍上電極P型電極與一N型電極。本發明發光二極體結構，在傳統製程上搭配雷射切割與氣相沈積技術即可達成，其製程方法包括：1.二極體程序：製作一PN半導體層於一基板上；2.基板程序：一網格基板形成於該PN半導體層之下；3.散熱程序：一散熱層形成於該網格基板之下，其中基板程序中，更包含一網格步驟以及一金屬覆蓋步驟，目的是形成該網格基板。請參照第二A圖內容，步驟S1為製作一PN半導體層，即為前述之二極體程序，也等同一般傳統發光二極體製程。步驟S2為一網格基板形成於該PN半導體層之下，主要是將PN半導體層底下之基板加工，即為前述之基板程序。步驟S3為該網格基板底部形成複數凹孔，利用雷射雕刻方式將網格基板200打上複數凹孔，即為前述之網格步驟。步驟S4為以金屬覆蓋於該複數凹孔表面，透過物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)方式，將該金屬沉積於該複數凹孔表面，即為前述之金屬覆蓋步驟，再者，除了將金屬沉積於該複數凹孔表面以形成複數個金屬凹孔以外，更可將網格基板底表面完全填滿。步驟S5為一散熱層300形成於該網格基板之下，目的是將網格基板200鋪上一層金屬的散熱層300，供導散發光二極體導電發光時產生的熱能，即為前述之散熱程序。另外，上述之散熱層300除了可為金屬以外，亦可由陶瓷形成。
請參照第二B圖之圖示，B1為經過步驟S1後的發光二極體，可以明顯看到網格基板200底下尚未有網格處理，須進行步驟S2基板程序。B2是說明將整個發光二極體翻轉180度進行步驟S3，利用雷射光柱L，對網格基板200底面挖鑿出一個個凹孔H，B3是說明步驟S4，使用電子槍蒸鍍機以物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)方式，將該金屬M沉積在每一個凹孔H表面上，使整個網格基板200底下鋪上一層薄薄的金屬覆蓋層210，該金屬M選用高反射率的銀(Ag)或鋁(Al)為最佳。B4是說明步驟S5透過電鍍或塗抹甚至氣相沉積(PVD)的方式，讓金屬M’在該網格基板200之金屬覆蓋層210表面形成一金屬的散熱層300，該金屬M’選用高傳導率的銅(Cu)為最佳。B5是表現發光二極體在整個製程S1～S5的最後結果，如同第一B圖所示具有相同的層次結構。
上述之金屬覆蓋層210除了可藉由化學氣相沉積(CVD)方式製作，尚可利用高密度電漿化學氣相沉積(HDP-CVD,High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)方法形成。同樣地，上述之金屬的散熱層300除了以電鍍或塗抹方式形成，亦可藉由物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)方法製作。在本發明之較佳實施範例中，金屬覆蓋層210結構係藉電子槍蒸鍍機以物理或化學蒸鍍方式製作完成。該網格基板200經過步驟S3～S4後，在其底部形成一種網狀圖型之結構，雷射光柱L以陣列規則方式挖鑿複數個凹孔H，經金屬覆蓋層210鋪設其上，使網格基板200有較佳的光反射性，如第三圖所示該複數個凹孔H具有如棋盤般的網格結構，有助於發光二極體之光萃取效率的提升，加上底下的導熱係數佳的金屬材料散熱層300，能傳導發光二極體之量子井在光電過程產生的溫度，以降低發光二極體整體溫度，可延長發光二極體之使用壽命。
顯然地，依照以上實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此，需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的說明與具體的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上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請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
100．．．PN半導體層
110．．．P型電極
120．．．N型電極
200．．．網格基板
210．．．金屬覆蓋層
300．．．散熱層
L．．．雷射光柱
H．．．凹孔
M．．．金屬
M’．．．金屬
第一A圖係為一發光二極體之立體結構示意圖；
第一B圖係為一發光二極體之側面結構示意圖；
第二A圖係為一發光二極體製作流程圖；
第二B圖係為一發光二極體製程步驟圖示；以及
第三圖為一發光二極體之網格基板上視圖。
110．．．P型電極
120．．．N型電極
200．．．網格基板
210．．．金屬覆蓋層
300．．．散熱層

Claims (26)

  1. 一種發光二極體，包含：一PN半導體層，包含一P型電極與一N型電極分別併排在該PN半導體層；一網格基板，位於該PN半導體層底下，其中上述之網格基板之厚度大於或等於1/6該發光二極體導電時發光之波長，以及一散熱層，位於該網格基板底下，用以導散導電發光所產生之熱能或改變光線行進方向。
  2. 根據申請專利範圍第1項之發光二極體，其中上述之PN半導體層係為氮化鎵(GaN)半導體材料。
  3. 根據申請專利範圍第1項之發光二極體，其中上述之PN半導體層係為銦氮化鎵(InGaN)半導體材料。
  4. 根據申請專利範圍第1項之發光二極體，其中上述之網格基板更包含一網格層與一金屬覆蓋層，其中該網格層底部為佈滿複數凹孔，該金屬覆蓋層位於該網格層底下，且覆蓋於該複數凹孔表面，型成複數金屬凹孔或填滿。
  5. 根據申請專利範圍第5項之發光二極體，其中上述之複數凹孔排列成一凹孔矩陣。
  6. 根據申請專利範圍第5項之發光二極體，其中上述之網格層係為藍寶石(Sapphire)。
  7. 根據申請專利範圍第5項之發光二極體，其中上述之網格層係為Si、LaAlO3 、LiGaO2 、GaN、SiC或鑽石等透光介質。
  8. 根據申請專利範圍第5項之發光二極體，其中上述之金屬覆蓋層係為銀(Ag)。
  9. 根據申請專利範圍第5項之發光二極體，其中上述之金屬覆蓋層係為鋁(Al)。
  10. 根據申請專利範圍第1項高亮度之發光二極體，其中上述之散熱層可為金屬或陶瓷，其中金屬可包含銅(Cu)。
  11. 一種發光二極體製程方法，包含下列步驟：二極體程序，製作一PN半導體層於一基板上；基板程序，一網格基板形成於該PN半導體層之下，其中上述之網格基板之厚度大於或等於1/6該發光二極體導電時發光之波長；以及散熱程序，一散熱層形成於該網格基板之下。
  12. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之PN半導體層係為氮化鎵(GaN)半導體材料。
  13. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之PN半導體層係為銦氮化鎵(InGaN)半導體材料。
  14. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之散熱層係為銅(Cu)。
  15. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之散熱程序，係以塗抹或PVD方式形成該散熱層。
  16. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之散熱程序，係以電鍍方式形成該散熱層。
  17. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之網格基板係為藍寶石(Sapphire)。
  18. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之網格基板係為Si、LaAlO3 、LiGaO2 、GaN、SiC鑽石等透光介質。
  19. 根據申請專利範圍第11項之發光二極體製程方法，其中上述之基板程序更包含：一網格步驟，該基板底部鑿挖複數個凹孔以形成一網格基板，其中上述之網格基板之厚度大於或等於1/6該發光二極體導電時發光之波長；一金屬覆蓋步驟，以金屬覆蓋於該網格基板底表面以形成複數金屬凹孔或填滿。
  20. 根據申請專利範圍第19項之發光二極體製程方法，其中上述複數凹孔排列成一凹孔矩陣。
  21. 根據申請專利範圍第19項之發光二極體製程方法，其中上述之網格步驟，係利用雷射在該基板底部蝕刻出該複數個凹孔。
  22. 根據申請專利範圍第19項之發光二極體製程方法，其中上述金屬係為銀(Ag)。
  23. 根據申請專利範圍第19項之發光二極體製程方法，其中上述金屬係為鋁(Al)。
  24. 根據申請專利範圍第19項之發光二極體製程方法，其中上述金屬覆蓋步驟係物理氣相沉積方式(PVD)，將該金屬覆蓋於該複數凹孔表面。
  25. 根據申請專利範圍第19項之發光二極體製程方法，其中上述金屬覆蓋步驟係化學氣相沉積方式(CVD)，將該金屬覆蓋於該複數凹孔表面。
  26. 根據申請專利範圍第25項之發光二極體製程方法，其中上述金屬覆蓋步驟係高密度電漿化學氣相沉積(HDP-CVD,High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)方法，將該金屬覆蓋於該複數凹孔表面。
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