TWI423482B - Fabrication method of cladding gallium nitride light emitting diodes - Google Patents

Description

覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法

本發明為一種覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，特別是一種將覆晶發光二極體固設於大散熱面積之導熱基板上，且提供一種具有高發光效率及高信賴性之氮化鎵系發光二極體晶粒。

按，一般發光裝置的型式與種類相當繁多，就次世代綠色節能的趨勢下，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)為具有更加省電、以及體積小之優勢，特別是白光發光二極體目前已廣泛性地被應用於手電筒、指示看板、輔助間接照明及液晶面板的背光源等用途，然而目前以氮化鎵系列材料所製作之發光二極體較受到重視。

目前商用化之白光發光裝置主要係利用可發出藍色光之氮化鎵系發光二極體並配合可發出黃、綠色或紅色光波段之螢光粉混合而成，但有鑑於藍寶石基板本身之熱傳導特性不佳之缺失，故造成使用壽命及可靠度受到溫度的影響甚巨，若以目前一般的發光效率而言，約有50%～60%會轉換成熱能，另外，再加上螢光粉係與環氧樹酯或矽膠之膠體材料以一定比例相混合並覆蓋於發光二極體晶粒之周圍，如此使得熱量易囤積於內部以致使發光裝置的發光效率降低、使用壽命縮短，容易因過熱而燒毀等缺失發生，所以，如何將發光裝置所囤積之熱量有效及快速導引、排散至外部冷卻、降溫，對發光裝置的發光效率及信賴性具有極決定性之影響，目前許多商品多利用高散熱性的金屬基板加上熱管或鰭片等方式來作為發光裝置的散熱元件，但此亦往往會降低發光二極體的微小化，輕量化等優勢。

請參閱第十一圖，可由圖中清楚看出，其係包含藍寶石基板A1、N型氮化鎵歐姆接觸層A2、發光層A3、P型氮化鎵歐姆接觸層A4、用以分散電流並提升發光效率之透光導電層A5，以及分別於透光導電層A5和N型氮化鎵歐姆接觸層A2之上形成P型電極襯墊A6、N型電極襯墊A7，之後利用藍寶石基板A1無磊晶層之一側以絕緣膠或導電膠固定於支架A8之上，再經由金屬線材A9，如金線或鋁線電性連結至外部接腳A10，而螢光粉則均勻分佈於覆蓋膠體中，該發光層A3所發出的光線部份必須由P型電極襯墊A6之一側經由穿過透光導電層A5而射向螢光粉及覆蓋膠體，然而，其P型電極襯墊A6本身會遮蔽部分發光面，進而降低該發光二極體的發光效率。

為了解決因電極襯墊遮蔽而導致發光效率降低之缺點，請參閱第十二圖所示，可由圖中清楚看出，美國專利之專利號第5557115號，其主要係利用覆晶方式以增加其有效發光面積，其中該氮化鎵系發光二極體為於藍寶石基板B1上依序形成有緩衝層B2、N型氮化鎵歐姆接觸層B3，並於中央形成有發光層B4及P型氮化鎵歐姆接觸層B5，該P型氮化鎵歐姆接觸層B5為透過P型電極襯墊B6與外部導熱基板相連接且該發光層B4之兩側邊為形成有N型電極B7，其中一N型電極B7並透過N型電極襯墊B8與外部導熱基板相連接，雖然主要出光面B11並無遮蔽光線之缺點，然，該結構為利用金屬結構的P型電極襯墊B6及N型電極襯墊B8來反射，因為該電極襯墊本身之金屬特性易使順向電壓升高，進而發光效率不彰的情況。

再請參閱第十三圖所示，可由圖中清楚看出，美國專利號第6514782號，其係於發光二極體晶粒C1與電路板C2之焊點C11、C21間透過散熱塊C3，如金球或金錫凸塊製程相互電性連接，藉由金球或金錫凸塊製程可有效達到熱傳之成效，然而該製程卻具有成本較高之缺失，另一方面，傳統覆晶式發光二極體之電極襯墊為同時具有電路板電性連接之功能及使發光層的光線反射至藍寶石基板方向發光之反射功能，然而因為該電極襯墊本身之金屬特性容易使順向電壓升高，發光效率不彰的情況，雖該專利揭露電路板上為可形成有金屬反射層，然此種結構卻會造成發光層與金屬反射層因距離較遠而產生較多的光衰。

再請参考第十四圖，可由圖中清楚看出，其係中華民國專利公告第573330號，其係包括有藍寶石基板D1、N型氮化鎵歐姆接觸層D2、發光層D3、P型氮化鎵歐姆接觸層D4、透光導電層D5及導電金屬反射層D6，且N型氮化鎵歐姆接觸層D2及透光導電層D5分別透過電極D7及導電金屬反射層D6連接於電路板D8，其中為了避免電極D7及導電金屬反射層D6產生電性導通，並降低導電金屬反射層D6可能產生的漏電流情形，並進一步加入聚醯亞胺(Polyimide)絕緣層D9於凹槽中，然，若在要將聚醯亞胺絕緣層D9精確地加入於凹槽中，且不影響電極D7及導電金屬反射層D6之表面相對高度，實為困難，當此水平高度之誤差過大，將造成發光二極體與電路板間的電性連接不良致使良率降低等情況。

再請参閱第十五圖，其係中華民國專利新型證書號第M350824號所揭示之覆晶式氮化鎵系發光二極體結構，其藉由於磊晶層上蝕刻有第一磊晶層E1及第二磊晶層E2，藉此使P型電極襯墊E3及N型電極襯墊E4表面具相近之水平高度，但為了降低N型電極襯墊E4與第二磊晶層E2之接觸阻抗，故需將該N型電極襯墊E4製作成延伸式以利與N型氮化鎵歐姆接觸層E21形成歐姆接觸，雖然此技術為具有使P型電極襯墊E3及N型電極襯墊E4為呈相同高度而便利與電路板間的連接，雖其揭露有金屬反射層E5，然而，該金屬反射層E5為位於導電層E6周圍，因此仍參與導電，如此仍無法解決上述順向電壓升高之缺失，另，亦無揭示如何進一步絕緣保護晶粒之溝槽邊緣表面之製程技術，故仍有其不足之處。

上述之結構所皆會使發光二極體容易因耗電量高產生熱能囤積，致使降低發光效率之情況，且習用透過聚醯亞胺絕緣層來降低發光二極體耗電量的升高，仍具有散熱效果不佳之缺失，甚至亦有可能使P型電極襯墊及N型電極襯墊產生高低落差，而無法有效與電路板電性連接的情況，如此便會造成良率降低等問題。

因此，如何針對上述習知技術之問題與缺失而提出一種新穎覆晶式發光二極體結構與方法，長久以來一直是本發明人念茲在茲者，而本發明人基於多年從事於發光二極體相關產品之研究，乃思及改良之意念，經多方研究及設計，終於研究出其製造改良之方法，可解決上述之問題。

故，發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法的發明專利者。

本發明之第一目的乃在於解決傳統兼具反射及導電功能之金屬反射層容易因為其金屬特性，進而造成發光二極體提高順向電壓，而產生耗電量、增加熱能，並使發光效率減弱的情況，其係於透光導電層相對於P型氮化鎵歐姆接觸層之 一側加工而形成有第一絕緣保護層，並於第一絕緣保護層上依序加工而形成有金屬反射層及第二絕緣保護層，之後再利用P型電極襯墊及N型電極襯墊透過焊點與導熱基板相接，此覆晶式發光二極體的製造方式為可使金屬反射層不參與導電，便可降低該發光二極體的順向電壓，減少高耗電量，而可有效避免熱能提升，降低熱囤積所產生的光減弱情況，且該金屬反射層為直接形成於發光二極體內，該金屬反射層與發光層間距離較短亦可達到有效提高發光效率之功效。

本發明之第二目的乃在於第二溝槽內側依序加工而形成有第一絕緣保護層和第二絕緣保護層，此舉便可使該第二溝槽二側之磊晶層間為有具穩定之絕緣保護功能，藉以降低發光二極體於覆晶製程所容易發生漏電短路之信賴性缺失。

本發明之第三目的乃在於發光二極體為透過具大面積的高導熱之導電膠體與導熱基板相接合的方法，不僅具有較低製造成本，亦可在較高生產效率的考量上加速散熱，而可有效提升發光二極體之發光效率、增進其工作壽命。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一圖所示，係為本發明之覆晶式氮化鎵系發光二極體之製造流程：

(1000)提供一氮化鎵系發光二極體磊晶層2之晶圓。

(1001)於該磊晶層2預設位置蝕刻形成有致使基板100露出部分之第一溝槽101。

(1002)於第一溝槽101鄰近與外側分別蝕刻形成有致使N型氮化鎵歐姆接觸層11部分露出之複數第二溝槽102，該第二溝槽102之二側分別具有磊晶層2A、2B。

(1003)於磊晶層2A、2B表面加工而形成有透光導電層14。

(1004)於部分透光導電層14表面分別加工而形成P型電極襯墊15及N型電極襯墊16。

(1005)於P型電極襯墊15、N型電極襯墊16、第一溝槽101及第二溝槽102加工而形成有第一絕緣保護層17。

(1006)鄰近P型電極襯墊15且相對透光導電層14之一側表面加工而形成有金屬反射層18。

(1007)於第一絕緣保護層17及金屬反射層18表面加工而形成有第二絕緣保護層19。

(1008)研磨、劃線、崩裂及晶粒光電特性篩選產生各自獨立之氮化鎵系發光二極體1晶粒。

(1009)將分離獨立之氮化鎵系發光二極體1晶粒覆晶於具導電膠體4之導熱基板3。

請參閱第二至八圖所示，係為配合第一圖各流程之結構示意圖，可由圖中清楚看出，其係於基板100上依序形成有N型氮化鎵歐姆接觸層11、發光層12及P型氮化鎵歐姆接觸層13，並提供一預定位置處設計之光罩，經由曝光及顯影技術，使得欲形成第一溝槽101之位置處無光阻覆蓋，並以蝕刻方式將該無光阻覆蓋處之磊晶層2晶圓結構移除致使露出部分基板100而形成之第一溝槽101，再提供另一預定位置處設計之光罩，經由曝光及顯影技術，使得欲形成第二溝槽102之位置處無光阻覆蓋，並以蝕刻方式將該無光阻覆蓋處之磊晶層2晶圓結構移除致使露出部分N型氮化鎵歐姆接觸層11而形成第二溝槽102。

之後，於P型氮化鎵歐姆接觸層13表面蒸鍍或濺鍍形成透光導電層14，並經由曝光、顯影及金屬剝離(lift-off)技術於透光導電層14部分表面分別形成P型電極襯墊15及N型電極襯墊16，再於該透光導電層14、P型電極襯墊15、N型電極襯墊16、第一溝槽101及第二溝槽102表面形成有第一絕緣保護層17，並經由曝光、顯影及蝕刻技術露出P型電極襯墊15及N型電極襯墊16表面，再次經由曝光、顯影及金屬剝離技術於該第一絕緣保護層17相對於透光導電層14之一側表面形成有金屬反射層18，再於P型電極襯墊15、N型電極襯墊16、金屬反射層18及第一絕緣保護層17之表面再形 成有第二絕緣保護層19，並經由曝光、顯影及蝕刻技術而露出P型電極襯墊15及N型電極襯墊16之表面，上述流程完成後，便將基板100研磨至小於100um之厚度，並以雷射劃線及崩裂製程將每個晶粒獨立分開即完成發光二極體晶粒之製程。

另請參考第九圖，可由圖中清楚得知，該發光二極體1為可透過覆晶方式與導熱基板3電性連接，該導熱基板3可為一導熱效果佳的鋁、銅或陶瓷類等材質所製成，並於該導熱基板3上製作具有電氣隔離之正極焊墊31及負極焊墊32之印刷電路，之後，將導電膠體4，如銀膠、錫球或錫膏等類之材質，以點膠或沾膠方式分別形成於正極焊墊31及負極焊墊32上表面，並將該發光二極體1之P型電極襯墊15及N型電極襯墊16透過導電膠體4分別與導熱基板3之正極焊墊31及負極焊墊32相連接，最後，固化該導電膠體4，即完成覆晶式發光二極體發光裝置，上述發光二極體1為可利用具有較大散熱面積之導電膠體4如銀膠或錫膏類及導熱基板3直接散熱，故可解決習知使用金線或金屬凸塊之傳導面積過小，致使散熱不佳等缺失，上述的作法亦可減少製造工序及縮短製造時間。

上述，該基板100可為透光的藍寶石、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZN/O)、氧化鎂(MgO)、氧化鎵(Ga₂ O₃ )、氮化鋁(AlGaN)、氧化鋰鎵(GaLi O)、氧化鋰鋁(AlliO)或尖晶石(Spinel)基板100，而該透光導電層14可為氧化銦(In₂ O₃ )、氧化錫(SnO₂ )、氧化銦鉬(Indium Molybdenum Oxides，IMO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鈰(CeIn₂ O₃ )、氧化銦錫(Indium Tin Oxides，ITO)；鎳(N)、金(Au)雙層結構；鉑(Pt)、金雙層結構；鈹(Be)、金雙層結構，且該金屬反射層18可為銀(Ag)、鋁(Al)或銠(Rh)金屬之材質之一或者與鎳、鉑、鈹、鈦(Ti)及鉻(Cr)其中之一組合而成，另一方面，第一絕緣保護層17及第二絕緣保護層19可為氧化矽(SiO₂ )、氮化矽(Si₃ N₄ )、液態玻璃、鐵氟龍(Teflon)、聚醯亞胺(Polyimide，PI)、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈦(Ti-O)、氧化鉭(Ta₂ O₅ )、氧化釔(Y₂ O₃ )或鑽石薄膜其中之一或其組合而成，而該P型電極襯墊15及N型電極襯墊16可為鈦、金；鈦、鋁；鉻、金或鉻、鋁其中之一或其組合而成，上述僅為本發明之較佳實施例而已，各層的材料非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內。

另請參考第九、十圖，可由圖中清楚得知，第一溝槽101、第二溝槽102為可蝕刻成U型或V型，然，上述溝槽的型態僅為本發明之實施例說明，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明上述覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，為具有下列之優點：

(一)本發明於金屬反射層18之二側表面分別形成有第一絕緣保護層17及第二絕緣保護層19，使透光導電層14與金屬反射層18不產生導電效果，俾可有效防止金屬反射層18因參與導電所造成發光二極體1提高其順向電壓、耗電量增高，致使發光二極體1之發光效率不彰等情形，且金屬反射層18為直接設置於發光二極體1內，此方式為可直接反射發光層12之光線，避免設置位置過遠而產生的光損失。

(二)本發明之磊晶層2於預設位置處蝕刻致使基板100部分露出形成第一溝槽101，之後再於另預設位置蝕刻有第二溝槽102，並產生具有共同水平高度的磊晶層2A、2B，此舉便能使之後形成的P型電極襯墊15和N型電極襯墊16具有相同高度，可穩定發光二極體1與導熱基板3間的電性連接，提升發光二極體裝置之良率。

(三)本發明為於第二溝槽102二側之磊晶層2A、2B形成有第一絕緣保護層17和第二絕緣保護層19，便可使該二磊晶層2A、2B間具有穩定絕緣之保護，有效避免發光二極體1於覆晶製程中所容易發生之漏電短路的信賴性缺失。

(四)本發明之發光二極體1係透過具大面積的高導熱材質之導電膠體4與導熱基板3電性連接，為可在具有較低製造成本條件下加速散熱，進而可有效提升發光二極體1之發光效率，且該發光二極體1可透過導電膠體4使熱囤積有效快速散出，增進其工作壽命。

綜上所述，本發明之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法於使用時具有顯著之功效增進，誠符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼　審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦發明，倘若　鈞局有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

1．．．發光二極體

100．．．基板

101．．．第一溝槽

102．．．第二溝槽

11．．．N型氮化鎵歐姆接觸層

12．．．發光層

13．．．P型氮化鎵歐姆接觸層

14．．．透光導電層

15．．．P型電極襯墊

16．．．N型電極襯墊

17．．．第一絕緣保護層

18．．．金屬反射層

19．．．第二絕緣保護層

2．．．磊晶層

3．．．導熱基板

31．．．正極焊墊

32．．．負極焊墊

4．．．導電膠體

A1．．．藍寶石基板

A2．．．N型氮化鎵歐姆接觸層

A3．．．發光層

A4．．．P型氮化鎵歐姆接觸層

A5．．．透光導電層

A6．．．P型電極襯墊

A7．．．N型電極襯墊

A8．．．支架

A9．．．金屬線材

A10．．．外部接腳

B1．．．藍寶石基板

B11．．．出光面

B2．．．緩衝層

B3．．．N型氮化鎵歐姆接觸層

B4．．．發光層

B5．．．P型氮化鎵歐姆接觸層

B6．．．P型電極襯墊

B7．．．N型電極

B8．．．N型電極襯墊

C1．．．發光二極體晶粒

C11．．．焊點

C2．．．電路板

C21．．．焊點

C3．．．散熱塊

D1．．．藍寶石基板

D2．．．N型氮化鎵歐姆接觸層

D3．．．發光層

D4．．．P型氮化鎵歐姆接觸層

D5．．．透光導電層

D6．．．導電金屬反射層

D7．．．電極

D8．．．電路板

D9．．．聚醯亞胺絕緣層

E1．．．第一磊晶層

E2．．．第二磊晶層

E21．．．N型氮化鎵歐姆接觸層

E3．．．P型電極襯墊

E4．．．N型電極襯墊

E5．．．金屬反射層

E6．．．導電層

第一圖　係為本發明發光二極體晶粒之製造流程圖。

第二圖　係為本發明發光二極體晶粒之磊晶層示意圖。

第三圖　係為本發明磊晶層蝕刻出第一溝槽之示意圖。

第四圖　係為本發明磊晶層蝕刻出第二溝槽之示意圖。

第五圖　係為本發明於磊晶層表面形成透光導電層、P型電極襯墊及N型電極襯墊之示意圖。

第六圖　係為本發明於透光導電層表面形成第一絕緣保護層及金屬反射層之示意圖。

第七圖　係為本發明形成第二絕緣保護層之示意圖。

第八圖　係為本發明發光二極體切割成型之示意圖。

第九圖　係為本發明發光二極體與導電基板電性連接之示意圖。

第十圖　係為本發明發光二極體具有V型第一溝槽之示意圖。

第十一圖　係為習知氮化鎵發光二極體結構示意圖。

第十二圖　係為習知覆晶式氮化鎵發光二極體之結構示意圖。

第十三圖　係為另一習知覆晶式氮化鎵發光二極體之結構示意圖。

第十四圖　係為再一習知覆晶式氮化鎵發光二極體之結構示意圖。

第十五圖　係為又一習知覆晶式氮化鎵發光二極體之結構示意圖。

Claims (17)

1. 一種覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其製造步驟包括有：(A)提供一氮化鎵系發光二極體磊晶層之晶圓；(B)於磊晶層預設位置蝕刻形成有致使基板露出部分之第一溝槽；(C)於第一溝槽鄰近與外側分別蝕刻形成有致使N型氮化鎵歐姆接觸層部分露出之複數第二溝槽；(D)於磊晶層表面形成有透光導電層；(E)於部分透光導電層表面分別加工而形成P型電極襯墊及N型電極襯墊；(F)於P型電極襯墊、N型電極襯墊、第一溝槽及第二溝槽加工而形成有第一絕緣保護層；(G)鄰近P型電極襯墊且相對透光導電層之一側表面加工而形成有金屬反射層；(H)於第一絕緣保護層及金屬反射層表面加工而形成有第二絕緣保護層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該第二絕緣保護層形成後便透過研磨、劃線、崩裂及晶粒光電特性篩選形成分離獨立之氮化鎵系發光二極體晶粒。
3. 如申請專利範圍第2項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該分離獨立之氮化鎵系發光二極體為覆晶於具導電膠體之導熱基板。
4. 如申請專利範圍第3項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該覆晶發光二極體之P型電極襯墊及N型電極襯墊，係透過導電膠體固設於導熱基板上之正極焊墊和負極焊墊。
5. 如申請專利範圍第3項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該導電膠體之材料可為銀膠、錫球或錫膏。
6. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該形成第一溝槽及第二溝槽之方式可為乾式蝕刻或濕式蝕刻技術。
7. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該氮化鎵發光二極體磊晶層晶圓為包括有N型氮化鎵歐姆接觸層、發光層及P型氮化鎵歐姆接觸層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該第一溝槽可為U或V型。
9. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該第二溝槽可為U或V型。
10. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該第一溝槽之蝕刻深度大於第二溝槽之蝕刻深度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該N型電極襯墊係可延伸至N型氮化鎵歐姆接觸層表面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該第一絕緣保護層將第一溝槽及第二溝槽之內側邊完全包覆。
13. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該金屬反射層之材料可為銀、鋁或銠。
14. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該金屬反射層之材料可為銀、鋁或銠與鎳、鉑、鈹、鈦或鉻之一相互組合而成。
15. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該透光導電層之材料可為鎳、金雙層結構；鉑、金雙層結構；鈹、金雙層結構；氧化銦、氧化錫、氧化銦鉬、氧化鋅、氧化銦鋅、氧化銦鈰或氧化銦錫其中之一或其組合而成。
16. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該第一絕緣保護層及第二絕緣保護層之材料可為氧化矽類、氮化矽類、液態玻璃、鐵氟龍、聚醯亞胺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鉭、氧化釔或鑽石薄膜其中之一或其組合。
17. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式氮化鎵發光二極體之製造方法，其中該P型電極襯墊及N型電極襯墊之材料可為鈦、金；鈦、鋁；鉻、金；鉻、鋁其中之一或其組合。