TWI437724B - 基板剝離之強健發光二極體結構 - Google Patents

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Description

基板剝離之強健發光二極體結構
本發明係關於覆晶發光二極體(LED)，及特別言之，本發明係關於製備移除生長基板之LED並在該位置附加一發光元件之製程。
Philips Lumileds Lighting Company(LLC)已經開發一種用於形成高效率LED之技術，其中LED被形成為覆晶且在覆晶被安裝在子基板之後生長基板被移除。在覆晶中，n及p接點皆被形成在與生長基板側相對之LED晶粒之同一側上。
先前技術圖1-3圖解一般基板剝離製程及與附加一光學元件取代被移除基板相關之問題。進一步的詳細資料可在受讓人美國專利公開案第US 2006/0281203 A1號及2005/0269582 A1號中找到，皆以引用的方式併入本文中。
在圖1中，LED半導體磊晶層10包含一n層、一活性層及一p層，該LED半導體磊晶層被長成在生長基板12上，諸如藍寶石基板上。在實例中，層10係以GaN為基，且該活性層發藍光。
金屬電極14被形成，其電接觸p層，及金屬電極16被形成，其電接觸n層。在該實例中，電極是金凸塊，其等被超音波地焊接至一陶瓷子基板22上的陽極及陰極金屬墊18及20。子基板22具有傳導通孔24，其通向底部金屬墊26及28用於接合至一印刷電路板。
然後一側填滿材料30被注入LED下方及周圍用於支撐結構，以填充空氣間隙及保護晶片免受污染物之影響。側填滿30可以是液態矽樹脂，然後其被固化而變硬。
然後，使用雷射剝離製程移除基板12。選擇的雷射(例如，一準分子雷射)之光子能量高於LED材料之能帶隙且低於藍寶石基板之吸收邊緣(例如，在3.44eV與6eV之間)。來自雷射之脈衝穿透藍寶石而在LED材料之前100nm內被轉變成熱能。產生的溫度超過1000℃且使鎵與氮解離。所得之高氣體壓力推動基板遠離磊晶層以將基板從該等層中釋放，及然後該鬆脫的基板易於從LED結構移除。側填滿有助於防止薄的LED層在高壓下斷裂。
生長基板可替代藉由蝕刻移除，諸如反應性離子蝕刻(RIE)。另一技術可視LED及基板之類型使用。在一實例中，基板是基於Si的及基板與LED層之間的絕緣材料是藉由濕蝕刻技術蝕刻以移除基板。
暴露的LED材料可被進一步蝕刻以移除受損之材料及使LED變薄以增強光輸出。圖2繪示所得結構。
由於側填滿30最初為基板12之側涵蓋，故在基板被移除之後側填滿之邊緣保留以有效地形成圍繞LED層10之壁。提供精確數量的側填滿以僅填充LED層之下方及周圍而不接觸基板是極其困難的，因此圖2之結構是典型的。在實際裝置中，側填滿30典型地進一步橫向延伸超過圖中所繪示的。
如圖3所繪示，一透明黏合性材料32(例如，矽樹脂)被沈積在暴露之LED表面層上。欲使一執行的磷光體板34被精確定位於LED之上且黏合至LED之頂部表面。由於LED周圍之凸起側填滿壁，因此板34之任一未對準將使板34不能適當地落座在LED上。磷光體板34可以是由一YAG磷光體或者由燒結的或者由一透明黏結劑形成。當藉由藍色LED供能時，YAG磷光體發射黃-綠光。黃-綠光與洩漏穿透板34之藍光結合產生白光。由於板34未適當落座，故LED之發光屬性將不是最佳的且板34可能易於從LED中分層。
需要的是一改良之技術，當將一磷光體板或任一其它光學元件固著至LED之表面取代移除之基板時，該技術可避免上述提及之對準問題。
本發明揭示一種LED結構，在基板被移除之後，該LED結構提供一較大容限用於將一磷光體板或另一光學元件固著至LED晶片之頂部表面。
在LED/基板被單切且被安裝到子基板上之前，在LED/基板晶圓上執行一額外蝕刻步驟。蝕刻步驟蝕刻穿過完全圍繞基板晶圓上的每一LED之LED磊晶層，以在晶圓上的每一LED之間形成一間隙。基板未被蝕刻。然後藉由於近似LED之間的蝕刻間隙之間的一半處切割(或斷裂)基板晶圓而單切LED，使得每一LED將使基板之邊緣延伸少量超過LED之邊緣(例如，0.1毫米-0.25毫米)。與先前技術相比，每一LED之基板表現為一擴大的基板。由於LED已經經歷蝕刻以暴露n層以形成覆晶n電極，額外蝕刻步驟不需要LED之額外處理，僅需要一額外遮罩及蝕刻步驟。
然後每一經單切之LED/基板被安裝在一子基板上。在一側填滿被沈積且被固化之後，側填滿填入LED之下且涵蓋"擴大之"基板之側之至少一部分。當基板被移除之後，在包圍LED之側填滿之壁與LED自身之間存在一間隙。當將磷光體板放置在LED頂部時，此間隙使容限放寬使得板被直接地固著至LED之表面。額外地，磷光體板可被形成比LED表面大以使藍色發射側免受LED超過板邊緣周圍之影響。因此，所得光顏色將更均勻。
亦說明此技術之變體，諸如單切步驟發生在LED被安裝在子基板晶圓之後。
替代磷光體板，一透鏡，一反射體，或另一光學元件可受益於本發明提供之增加容限。
如前述內容，一習知LED被形成在生長基板上。在使用之實例中，LED是基於GaN之LED，諸如一AlInGaN或InGaN LED，用於產生藍光。典型地，使用習知技術，一相對厚的n型GaN層被長成在藍寶石生長基板上。相對厚的GaN層典型地包含一低溫晶核形成層及一或多個額外層以便提供一低缺陷晶格結構給n型包覆層及活性層。然後一或多個n型包覆層被形成在厚的n型層上，繼之為活性層，一或多個p型包覆層，及一p型接觸層(用於金屬化)。
對於一覆晶而言，部分p層及活性層被蝕刻以暴露一n層用於金屬化。以此方式，p接點及n接點係在晶片之同一側且可直接地電附著至子基板接觸墊。來自n金屬接點之電流最初橫向流過n層。
可用於本發明之另一類型LED包含AlInGaP LED，其可產生紅色至黃色範圍的光。
美國專利案第6,649,440號及第6,274,399號，及美國專利公開案第US 2006/0281203 A1號及第2005/0269582 A1號說明形成LED之實例，以上均受讓予Philips Lumileds且以引用的方式併入本文中。
圖4是包含一基板之晶圓36之頂視圖，諸如一藍寶石生長基板，磊晶LED層形成在其上。LED層包含n層，一活性層，及p層。光被產生在活性層。晶圓36被交錯劃線以繪示個別LED 40之邊界。在一實際實例中，可能存在數百或上千個形成在單一晶圓上的LED。
圖5是晶圓36之一小部分之剖面圖。LED層被遮罩且歷經乾式蝕刻42，諸如RIE，以蝕刻穿過磊晶層以產生一完全圍繞每一LED 40之狹窄間隙44。使用習知技術執行遮罩及蝕刻可適用於特定LED材料及基板46。基板46沒有被蝕刻。LED 40可具有一頂部表面面積，其數量級在1平方毫米或不足1平方毫米。間隙44可具有任一適宜寬度，諸如0.1毫米-0.5毫米。可在如圖5所示之蝕刻步驟前、中、後針對n電極執行前述蝕刻步驟以獲得對n層之通道。
然後，各種金屬化步驟被執行以產生LED之表面上的金屬連接及電極，參考圖1之說明。
基板46最終將被斷裂或切割用於單切之位置如虛線48所示。線48近乎穿透間隙44之中間。因此，基板46將延伸超過經單切LED晶粒之每一邊緣大約係晶圓上鄰近LED間的間隙之一半(例如，0.05毫米-0.25毫米)。
在一實施例中，在單切之前，晶圓36上的LED同時皆被接合至一子基板晶圓上之對應墊。接合可以是藉由超音波焊接，如先前所述。然後，藉由鋸切或劃分/斷裂將結構單切以產生安裝在子基板上的個別LED。或者，圖5之基板46被沿著線48斷裂且然後經單切之LED/基板被個別安裝到個別子基板上。
一般地，LED層具有一厚度在5-20微米之間，且基板46的厚度大於100微米。
圖6圖解被安裝到一習知子基板22後之所得LED 40及基板46，諸如參考圖1所述。子基板被單切以獲得至LED 40之通道用於側填滿製程。一絕緣側填滿52被注入LED 40下方及周圍用於支撐結構，以填充空氣間隙，且防止晶片免受污染物之影響。側填滿52可以是液態矽樹脂，然後其被固化而變硬。側填滿52接觸基板46之側以確保側填滿52之適度涵蓋。
如參考圖1所述，一準分子雷射光束54被應用於藍寶石基板46之表面，以移除基板46。基板46可以是藉由前述方法之任一者移除。在基板被移除之後，LED磊晶層可以被蝕刻以移除受損之材料及使LED變薄用於改良之光提取。LED 40可類似於參考圖1及2說明之LED 10，例外處在於其相對於被移除之基板46之尺寸。
參見圖7，由於從LED 40之邊緣分離側填滿52之壁，故用於一磷光體板或任一其它光學元件之可允許區域比圖3繪示之區域寬。與圖3需要之定位相比，此允許板或光學元件之定位具有一較不嚴格的容限。
如圖8所示，一適宜之透明黏合劑56被注入、噴灑或以其它方式沈積在LED上。然後，使用習知自動取放設備，一光學元件58(諸如一磷光體板、一Fresnel(菲涅耳)透鏡或其它類型透鏡，或甚至一反射體)被定位在LED 40上。然後元件58被供給向下壓力，且黏合劑56被固化。
用於定位元件58之較大允許區域使元件58得以比LED 40自身寬。因此，由LED之側發出的任一向上的光仍係藉由光學元件予以轉換。允許位置區域可以是任一適當尺寸以獲得自取放步驟中之期望良率。歸因於蝕刻，在放置區域之尺寸與損耗LED材料之間存在一折衷。
在一實施例中，LED 40晶粒發藍光，及來自磷光體板之磷光體發射結合藍光導致一白光被產生。例如，磷光體板可為藍光貢獻黃色分量或紅色與綠色分量以產生白光。一此適宜磷光體是一YAG磷光體。
雖然本發明之特別實施例已被繪示且已被說明，但熟悉此項技術者應瞭解在不脫離本發明之廣泛態樣下，可做改變及修改，因此，附隨請求項將在其等範圍內包含所有在本發明之真實精神及範圍內之改變及修改。
10．．．LED半導體磊晶層
12．．．基板
14．．．金屬電極
16．．．金屬電極
18．．．陽極金屬墊
20．．．陰極金屬墊
22．．．陶瓷裝配
24．．．傳導通孔
26．．．金屬墊
28．．．金屬墊
30．．．側填滿材料
32．．．黏合性材料
34．．．板
36．．．晶圓
40．．．發光二極體(LED)
42．．．乾式蝕刻
44．．．間隙
46．．．基板
48．．．虛線
52．．．側填滿
54．．．準分子雷射光束
56．．．黏合劑
58．．．光學元件
圖1是一先前技術覆晶LED/基板之剖面圖，該倒裝LED/基板被安裝在一具有側填滿之子基板上，該側填滿在LED及基板下方及周圍。
圖2圖解圖1中基板已移除之結構。
圖3圖解圖2之結構在一光學元件被期望直接固著至暴露之LED之上表面但存在一些未對準時之問題。
圖4是一包含形成在一單一基板上之多個LED之晶圓之上視圖。
圖5是圖4之晶圓之一小部分之剖面圖，圖4圖解根據本發明之一實施例使用之額外蝕刻步驟。
圖6係一經單切覆晶LED連同其"擴大"基板之剖面圖，"擴大之"基板被安裝在一具有側填滿之子基板上，該側填滿在LED及基板下方及周圍。
圖7圖解圖6中已移除基板之結構，其中在側填滿壁與暴露之LED表面之間存在一間隙。
圖8圖解當一光學元件被放置在LED之上且直接固著至LED之頂部表面時獲得的增加容限。
14．．．金屬電極
16．．．金屬電極
18．．．陽極金屬墊
20．．．陰極金屬墊
22．．．陶瓷裝配
24．．．傳導通孔
26．．．金屬墊
28．．．金屬墊
40．．．發光二極體(LED)
52．．．側填滿
56．．．黏合劑
58．．．光學元件

Claims (18)

  1. 一種製造一發光裝置之方法，該方法包含：在一基板上提供一覆晶(flip-chip)發光二極體(LED)晶粒，其中該LED被安裝在一子基板上使得該LED晶粒位於該子基板與該基板之間，該基板比該LED晶粒寬且長，使得該基板之邊緣延伸超過該LED晶粒之邊緣；在該LED晶粒與該子基板之間及該LED晶粒之邊緣周圍與基板之間提供一絕緣側填滿(underfill)；從該LED晶粒移除該基板，其中由圍繞該基板之該等邊緣之該側填滿之部分形成圍繞該LED晶粒之壁，該等壁之內邊界與該LED晶粒之該等邊緣中橫向地分離；及在該基板已經被移除之後，在該LED晶粒之一暴露之表面上放置一光學元件，該光學元件之邊緣之至少部分係在該側填滿之該等壁之內，該光學元件具有在被放置於該LED晶粒之該暴露之表面上之前所形成之一預形成形狀，該光學元件具有長度及寬度之外部尺寸，其中該光學元件之長度尺寸係小於該等壁之該等內邊界之長度尺寸，且其中該光學元件之寬度尺寸係小於該等壁之該等內邊界之寬度尺寸，俾使將該光學元件被放置於該LED晶粒之該暴露之表面上時，具有一緩和容限(relaxed tolerance)，且其中預形成之該光學元件之所有邊緣向外凸出(overhang)該LED晶粒之邊緣。
  2. 如請求項1之方法，其中移除該基板包含使用一雷射剝離技術移除該基板。
  3. 如請求項1之方法，其中在一基板上提供一LED晶粒包含：提供具有形成在一基板晶圓上之LED層之一晶圓；蝕刻圍繞一LED區域之LED材料之磊晶層以使沿著該LED區域之側邊緣之該基板之部分暴露；及將該LED區域從該晶圓分離以在該基板上形成該LED晶粒，使得該基板之該等邊緣延伸在該LED晶粒之該等邊緣上。
  4. 如請求項1之方法，其中該基板是一生長基板。
  5. 如請求項4之方法，其中該基板是藍寶石。
  6. 如請求項1之方法，其中在一基板上提供一LED晶粒，其中該LED被安裝在一子基板上，包含將該LED晶粒之一表面上的電極接合至該子基板之一表面上的對應電極。
  7. 如請求項1之方法，其中提供一絕緣側填滿包含在該LED晶粒與該子基板之間及該LED晶粒之邊緣周圍與基板之間注入一側填滿。
  8. 如請求項1之方法，其中該基板之一邊緣延伸在該LED晶粒之一邊緣上至少0.05毫米。
  9. 如請求項1之方法，其中該基板之一邊緣延伸在該LED晶粒之一邊緣上至少0.1毫米。
  10. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒之一暴露表面上放置一光學元件包含在該LED晶粒之該暴露表面上放置一磷光體板。
  11. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒之一暴露表面上放 置一光學元件包含：將該光學元件黏著地固定到該LED晶粒之該暴露表面上。
  12. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒之一暴露表面上放置一光學元件包含：放置一表面尺寸比該LED晶粒之表面尺寸大之光學元件在該LED晶粒之該暴露表面上，使得該光學元件之至少一邊緣延伸在該LED晶粒之一邊緣上。
  13. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒之一暴露表面上放置一光學元件包含在該LED晶粒之該暴露表面上放置一透鏡。
  14. 一種發光裝置，其包含：一覆晶發光二極體晶粒，其中該LED晶粒被形成在已從該LED晶粒移除之一基板上；一子基板，該LED晶粒被安裝在該子基板上；一絕緣側填滿，其位於該LED晶粒與該子基板之間及該LED晶粒之邊緣周圍，其中該側填滿材料之壁延伸在該LED之一暴露表面上方及周圍，且其中該等壁之內邊界與該LED晶粒之邊緣橫向地分離；及一光學元件，其位於該LED晶粒之該暴露表面上並固著(affixed)於其上，該光學元件之邊緣之至少部分係在該側填滿之該等壁之該等內邊界內，該光學元件具有在被固著於該LED晶粒之該暴露之表面上之前所形成之一預形成形狀，該光學元件具有長度及寬度之外部尺寸，其中該光學元件之長度尺寸係小於該等壁之該等內邊 界之長度尺寸，且其中該光學元件之寬度尺寸係小於該等壁之該等內邊界之寬度尺寸，俾使將該光學元件固著於該LED晶粒之該暴露之表面上時，具有一緩和容限，且其中預形成之該光學元件之所有邊緣向外凸出該LED晶粒之邊緣。
  15. 如請求項14之裝置，其中該光學元件是一磷光體板，其被固定至該LED晶粒之該暴露表面。
  16. 如請求項14之裝置，其中該光學元件是一透鏡，其被固定至該LED晶粒之該暴露表面。
  17. 如請求項14之裝置，其中該等壁之該等內邊界被橫向地從該LED晶粒之邊緣中分離至少0.05毫米。
  18. 一種使用以下方法形成之發光裝置，該方法包含：在一基板上提供一覆晶發光二極體(LED)晶粒，其中該LED被安裝在一子基板上使得該LED晶粒位於該子基板與該基板之間，該基板比該LED晶粒寬且長，使得該基板之邊緣延伸在該LED晶粒之邊緣上；在該LED晶粒與該子基板之間及該LED晶粒之邊緣周圍與該基板之間提供一絕緣側填滿；從該LED晶粒移除該基板，其中由圍繞該基板之該等邊緣之該側填滿之部分形成圍繞該LED晶粒之壁，該等壁之內邊界與該LED晶粒之該等邊緣橫向地分離；及在該基板已被移除之後，將一光學元件放置在該LED晶粒之一暴露表面上，該光學元件之邊緣之至少部分係在該側填滿之該等壁內，該光學元件具有在被放置於該 LED晶粒之該暴露之表面上之前所形成之一預形成形狀，該光學元件具有長度及寬度之外部尺寸，其中該光學元件之長度尺寸係小於該等壁之該等內邊界之長度尺寸，且其中該光學元件之寬度尺寸係小於該等壁之該等內邊界之寬度尺寸，俾使將該光學元件被放置於該LED晶粒之該暴露之表面上時，具有一緩和容限，且其中預形成之該光學元件之所有邊緣向外凸出該LED晶粒之邊緣。
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