TWI453952B - Light emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

發光元件及其製造方法

本發明係關於一種將半導體作為構成材料發光之發光元件之構造及其製造方法。

使用半導體之發光二極體(LED)之照明機器，由於相較於習知白熱燈泡或螢光燈耗電低且發熱性低，因此期盼將來能夠全面取代此等白熱燈泡或螢光燈。然而，相較於白熱燈泡或螢光燈等，LED照明機器現狀非常高價，因此其低價格化為最大課題。

另一方面，將半導體之pn接合作為發光面之LED，由於製造大面積者不易，因此為了將其使用為照明機器，必須排列複數個小LED元件以實質上構成大面積。因此，為了使LED照明機器低價格化，使小LED元件保持高發光效率之狀態下排列複數個之製造技術非常重要。

專利文獻1揭示其一例之製造方法。此處，在一片半導體晶圓中形成有複數個發光二極體之後，為了使各發光二極體分離，在切割載帶上將半導體晶圓切割(切斷)。之後，在因切割載帶膨脹而擴張之發光二極體間之空間填充透光性絕緣層。圖7係顯示藉由此製造方法製造之發光元件90之剖面形狀。在發光元件90，在內部具有發光層之半導體層91之上下面隔著導電性接著劑層92形成有電極93，在側面形成有透光性絕緣層94。半導體層91係由GaN等構成，其n型層與p型層在圖中之上下方向積層構成。發光層主要為此pn接合界面附近。n型層與p型層分別連接於上下之電極93，在上下之電極93間使此發光二極體之順向電流流過，藉此使此發光元件90發光。

此構造之發光元件90係從一片半導體晶圓作成複數個，將其排列成所欲形態以構成照明器具。

專利文獻1：日本特開平10-144631號公報

圖7之構造之發光元件90中，導電性接著劑層92、電極93對發光二極體發出之光並非透明。因此，在使用此發光元件90時，如圖7中之箭頭所示，從側面通過透光性絕緣層94取出發光。然而，半導體層91之發光層為在圖7中之左右方向延伸之pn接合界面，因此其發光強度特別高之處為圖中之上下方向，在左右方向較弱。因此，圖7之構造中不易使發光效率變高。

又，圖7之構造中，若以透明材料構成導電性接著劑層92、電極93，則從上方向亦可取出光。然而，在例如對圖7中之上側電極93從外部施加電氣連接之情形，在電極93上施加引線接合或焊料接合，亦即必須藉由此等方法將金屬製配線連接。因此，即使在此情形，往上方向發出之光亦被此配線或焊料遮蔽。此時，配線之粗細、施加引線接合或焊料接合之電極之尺寸具有下限，因此不易縮小此被遮光區域之面積。其結果，不易高效率取出往上方向發出之光。

如上述，不易獲得能以高效率取出光之發光元件。

本發明係有鑑於上述問題點而構成，其目的在於提供解決上述問題點之發明。

本發明為了解決上述課題，揭示以下之構成。

本發明之發光元件，係使用具備在內部設有發光層之半導體層形成在基板上之構成之發光二極體，其特徵在於，具備：該發光二極體；透光性絕緣層，與該發光二極體之側面相鄰形成；透明電極，覆蓋該發光二極體之上面及該透光性絕緣層之上面，與該發光二極體之一極電氣連接；以及電極墊，係形成在該透明電極上中成為該透光性絕緣層之上面之區域。

本發明之發光元件中，該基板係矽單晶；該半導體層包含由III-V族化合物半導體材料構成之n型半導體層與p型半導體層。

本發明之發光元件中，該基板係導電性；在該基板之下面形成有與該發光二極體之另一極電氣連接之背面電極。

本發明之發光元件中，在該半導體層之上面側，分別具備二組與該發光二極體之一極、另一極分別電氣連接之該透明電極及該電極墊。

本發明之發光元件中，在該透光性絕緣層中混入有螢光材料。

本發明之發光元件之製造方法，該發光元件係使用具備發光層形成在半導體層中之構成且該半導體層之上面成為一極之發光二極體，其特徵在於，具備：發光二極體分離步驟，將形成有該半導體層之晶圓中與形成有該半導體層之側相反側之面黏貼在切割載帶上之後，切斷該晶圓以分離成各發光二極體；擴張步驟，使該切割載帶膨脹；透光性絕緣層形成步驟，在膨脹後之該切割載帶上，在相鄰之該發光二極體間填充透光性絕緣材料，藉此形成與該發光二極體相鄰之透光性絕緣層；透明電極形成步驟，形成覆蓋該發光二極體上面與該透光性絕緣層之上面之透明電極；電極墊形成步驟，在該透明電極上中成為該透光性絕緣層之上面之區域形成電極墊；以及切斷步驟，藉由形成將該透明電極及透光性絕緣層從上面貫通至下面之槽，製得具備該發光二極體與該透光性絕緣層相鄰之構成之各發光元件。

本發明之發光元件之製造方法中，使用具備在導電性基板上形成有該半導體層之構成之該晶圓；具備在該基板之下面形成背面電極之背面電極形成步驟；在該切斷步驟，以貫通該背面電極之方式形成該槽。

本發明係由上述方式構成，因此可獲得能以高效率取出光之發光元件。

以下，說明本發明實施形態之發光元件及其製造方法。在此發光元件，使用發光層形成在半導體層中之發光二極體。與此發光二極體之側面相鄰形成透光性絕緣層，發光二極體之上面與透光性絕緣層之上面係藉由共通之透明電極覆蓋。在透明電極上中成為透光性絕緣層之上面之區域形成電極墊。由於發光二極體之上面係作為發光二極體之一極，因此該電極墊與該極電氣連接。在此構造中，由於來自發光二極體之發光較少被遮蔽，因此可獲得高發光效率。

圖1係此發光元件之立體圖(a)、及其A-A方向之剖面圖(b)。

在此發光元件10，使用發光二極體20。發光二極體20係以導電性之基板(Si基板21)、與藉由磊晶成長形成在其上之半導體層形成。此半導體層係由n型GaN層(n型半導體層)22、與p型GaN層(p型半導體層)23構成。在此發光二極體20，n型GaN層22與p型GaN層23之界面之pn接合附近成為主要之發光層。此時，藉由使順向電流流過此pn接合，能使此發光二極體20發光。

如圖1(b)所示，在此發光二極體20之側面相鄰形成有透光性絕緣層30。透光性絕緣層30係對例如發光二極體20發出之光為透明且絕緣性之材料，使用例如環氧樹脂或聚醯亞胺等。

在發光二極體20與透光性絕緣層30相鄰形成之構成之下面形成背面電極41，在上面形成透明電極42。背面電極41，作為隔著Si基板21與n型GaN層22達成電氣連接之材料，以例如鋁(Al)構成。透明電極42，作為能與p型GaN層23歐姆接觸且對發光二極體20發出之光為透明之材料，以例如ITO(銦錫氧化物：Indium-Tin-Oxide)或ZnO(Zinc-Oxide)等構成。此外，為了使與p型GaN層23之間之歐姆性或與透光性絕緣層30之間之密合性等提升，在此等之間插入薄鈦(Ti)層或鎳(Ni)層亦可。

在此構成中，發光二極體20與透光性絕緣層30之上面皆被共通之透明電極42覆蓋。然而，由於透光性絕緣層30為絕緣性，因此在此構造中，電流僅流過Si基板21、n型GaN層22、p型GaN層23中。因此，對背面電極41與透明電極42施加電壓使電流順向流過此發光二極體20，藉此能使此發光二極體20發光。

在透明電極42中透光性絕緣層30上之區域形成電極墊43。電極墊43係以能在其上施加引線接合或焊料接合之金屬構成，以例如鈦(Ti)/金(Au)之積層構造或Al等構成。其厚度充分厚至能在其上施加引線接合或焊料接合之程度，可為使發光二極體20發出之光不透射過之程度之厚度。

為了使此發光元件10動作，使順向電流在發光二極體20中一極(p型GaN層23)與另一極(n型GaN層22)之間流過。其中，如上述，對p型GaN層23，能從連接於其之電極墊43通過接合引線或焊料接合之配線使電流從外部流過。另一方面，對n型GaN層22，若將此發光元件10以例如導電性接著劑固定於電極上，則能經由間接連接於其之背面電極41使電流流過。

在上述構造中，來自發光二極體20之發光，與專利文獻1記載之技術同樣地，係從圖1(b)之橫方向取出，但進一步亦可經由透明電極42從上側取出。此時，由於電極墊43未形成在發光二極體20上，因此光不會被電極墊43或連接於電極墊43上之接合引線或焊料、焊料接合之配線等遮蔽。因此，可獲得高發光效率。

此時，若以對光之反射率高之Al或銀(Ag)等構成電極墊43，則能使光被電極墊43吸收之比例減少，進一步提高發光效率。

此外，在圖1之發光元件10，雖為在從上面觀察其之矩形之一頂點側設置發光二極體20之構成，但將發光二極體20設在此矩形之中央部，透光性絕緣層30包圍其全周之構成亦可。

又，設構成透光性絕緣層30之材料不是光透射率高之透明材料而是螢光材料、或將螢光材料混入其亦可。此情形，螢光材料會吸收來自發光二極體20之發光光，能使此螢光材料發出與此發光光不同波長之光之多色發光。例如，在發光二極體發出之光為藍色之情形，若使用YAG(釔鋁石榴石)系之螢光材料，亦可獲得此二種類之波長之光混合後之擬似白色之發光。

又，在透光性絕緣層30上之電極墊43施加引線接合之情形，施加高壓或超音波。為了與此等對應，若在透光性絕緣層30中施加玻璃填劑等，則提高透光性絕緣層30之機械強度，可提高引線接合時之耐性。又，藉由在透光性絕緣層30之表面設置凹凸，提高與透明電極42之間之密合性亦可。

此構造之發光元件10可藉由以下說明之製造方法輕易製造。圖2(a)～(h)、圖3(i)～(1)係顯示此製造方法的步驟剖面圖，圖3顯示接續圖2之步驟。又，圖4(a)～(h)、圖5(i)～(1)係從發光元件10之上面側觀察與此製造方法之圖2、圖3之各步驟對應之形態的俯視圖。此外，在此等圖中簡化記載，圖中之尺寸比例或切斷所得之發光元件10之個數等與實際情形不同。

首先，如圖2(a)所示，製造在導電性之Si基板21上依序形成有n型GaN層22、p型GaN層23之構成之晶圓24(晶圓形成步驟)。Si基板21係矽單晶基板，摻雜有雜質而成為導電性。又，適當設定其面方位以能在其上使良質之n型GaN層22、p型GaN層23異質磊晶成長。將n型GaN層22、p型GaN層23形成在此Si基板21上之步驟，能藉由MBE(分子束磊晶：Molecular Beam Epitaxy)法、或MOCVD(有機金屬化學氣相沉積：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法進行。在n型GaN層22適當摻雜有成為施體之雜質，在p型GaN層23適當摻雜有成為受體之雜質。n型GaN層22之厚度為例如5.0μm，p型GaN層23之厚度為例如0.2μm程度。

接著，如圖2(b)所示，將上述晶圓24之Si基板21側黏貼在切割載帶(擴張載帶)100。切割載帶100係能藉由熱處理而均勻膨脹之載帶，其大小如圖4(b)所示，大於上述晶圓24。

接著，如圖2(c)所示，在切割載帶100上形成複數個槽110以從p型GaN層23側之表面貫通至Si基板21(發光二極體分離步驟)。此槽110，如圖4(c)所示，在垂直二方向遍布形成。槽110，係使用例如切割鋸或雷射切割形成。

接著，如圖2(d)所示，對切割載帶100施加熱處理，使其膨脹(擴張步驟)。藉此，以p型GaN層23、n型GaN層22、Si基板21構成之各發光二極體20分離形成。又，在相鄰之發光二極體20間形成較槽110寬廣之空隙。

接著，如圖2(e)所示，在此狀態下，將透光性絕緣材料塗布於上面整面(透光性絕緣層形成步驟)。藉此，由透光性絕緣材料構成之透光性絕緣層30係形成在發光二極體20間。此時，使透光性絕緣層30之表面與發光二極體20(p型GaN層23)之表面成為大致相同面上。又，較佳為，此透光性絕緣材料不殘留在發光二極體20之上面(p型GaN層23之上面)之形態，因此，在此步驟前預先遮蔽此面，在透光性絕緣材料之塗布後將此光罩除去亦可。或者，在透光性絕緣材料之塗布後選擇性蝕刻發光二極體20之上面之透光性絕緣層亦可。

接著，如圖2(f)所示，在此狀態下，在表面整面形成透明電極42(透明電極形成步驟)。可藉由對例如作為透明電極42使用之上述材料使用濺鍍等方法進行此步驟。此外，圖2(e)中，雖記載透光性絕緣層30之表面與發光二極體20之表面(p型GaN層23之表面)構成相同平面，但只要在圖2(f)之步驟透明電極42在發光二極體20上與透光性絕緣層30上之間不分斷，嚴格來說此等不需要構成相同平面。

接著，如圖2(g)所示，在此狀態下，移除切割載帶100。在此狀態下，各發光二極體20(Si基板21)雖不分斷，但由於透光性絕緣材料(透光性絕緣層30)遍布整面形成，因此可處理圖2(g)所示之構造。此外，此步驟亦可在透明電極形成步驟(圖2(f))之前進行。

接著，如圖2(h)所示，在此構造之背面形成背面電極41(背面電極形成步驟)。背面電極41之成膜亦能與透明電極42之成膜同樣地進行。

接著，如圖3(i)(接續圖2)所示，在此構造之表面中透光性絕緣層30上之區域中透明電極42上形成電極墊43(電極墊形成步驟)。作為其形成方法，可使用在整面使構成電極墊43之金屬材料成膜，在所欲之部位形成光阻等之光罩後進行蝕刻，將所欲之部位以外之金屬材料除去(蝕刻法)，(2)在所欲之部位以外形成光阻等之光罩後在整面使上述金屬材料成膜，之後除去光罩以除去所欲之部位以外之金屬材料(剝離法)之任一方法。此外，此步驟只要在透明電極形成步驟(圖2(f))之後，則在背面電極形成步驟(圖2(h))之前進行亦可。

接著，如圖3(j)所示，將此構造中背面電極41側黏貼於與上述切割載帶100相同之切割載帶101。

接著，如圖3(k)所示，形成從表面側貫通透明電極42、透光性絕緣層30、背面電極41側之複數個槽120，切斷上述構造(切斷步驟)。此步驟與發光二極體分離步驟(圖2(c))相同。然而，此情形被切斷者為具有透光性絕緣層30之部位，如圖5(k)所示，槽120在垂直二方向遍布形成。藉此，將各發光元件10分離。

之後，如圖3(1)所示，與擴張步驟(圖2(d))相同，使切割載帶101膨脹。藉此，圖1所示形態之發光元件10係在切割載帶101上其間隔寬廣之狀態下分離獲得。發光元件10之大小為例如200μm(縱)×200μm(橫)×200μm(高)程度，可進行例如使用將其真空吸附之晶粒筒夾等之處理治具使其移動並排列之作業。是以，能使發光元件10排列製造照明器具等。此外，若在圖3(k)、圖5(k)所示之狀態下可處理各發光元件10，則不需要圖3(l)、圖5(l)之步驟。

此時，處理之發光元件之尺寸小之情形，使用處理治具使其移動等之作業變難。相對於此，在此發光元件10直接有助於發光者為發光二極體20，由於在其相鄰處或周圍形成有透光性絕緣層30，因此發光元件10之實際大小大於發光二極體20。是以，能使發光元件10實質上變大，使其處理變容易。或者，在使發光元件10之大小為一定之情形，由於能使發光二極體20更小，因此可從相同大小之晶圓製造更多發光元件10。

因此，藉由此製造方法可輕易且低成本獲得上述發光元件10。

此外，上述之製造方法中，如圖1所示，製造在從上面觀察其之矩形之一頂點側設置發光二極體20之構成之發光元件10。然而，即使為將發光二極體20設在此矩形之中央部，透光性絕緣層30包圍其全周之構成，藉由適當設定例如圖3(k)、圖5(k)所示之切斷步驟中槽12之位置，很明確亦可同樣地製造。

在圖1之構成之發光元件10，作為連接於發光二極體20之一極(p型GaN層23)之電極，透明電極42或電極墊43係形成在上面側，作為與另一極(n型GaN層22)連接之電極，背面電極41係隔著Si基板21形成在下面側。在此構成中，由於在晶圓24作為形成發光層之半導體層之基板之Si基板21具有導電性，因此能使背面電極41與n型GaN層22電氣連接。

相對於此，使用形成在絕緣性基板上之半導體層形成同樣之發光元件亦可。圖6係此構成之發光元件50的立體圖(a)、俯視圖(b)、及其B-B方向的剖面圖(c)。在此發光元件50，在上面側形成二組透明電極與電極墊，各組電氣連接於發光二極體之二個極。

此構成之發光二極體60係以形成在基板61上之n型GaN層62、p型GaN層63構成。然而，在此構成中，作為基板61，係使用絕緣性材料即例如藍寶石等作為基板61。因此，不易透過基板61取得對n型GaN層62之電氣連接。即使是將無摻雜之矽等非絕緣性但導電率低之材料使用為基板61之情形亦相同。

因此，在此發光二極體60，p型GaN層63僅形成在圖6(c)中之右側區域。在圖6中之左側區域取而代之形成n側電極71。為了製造此構造，首先在基板61上依序形成n型GaN層62、p型GaN層63後，藉由蝕刻選擇性除去圖6中左側區域之p型GaN層63以使n型GaN層62露出。之後，可藉由在露出之n型GaN層62上選擇性形成n側電極71來製造。n側電極71能使用可與n型GaN層62歐姆接觸之金屬材料形成。然而，由於在其下部不存在發光層，因此對此發光二極體60發出之光不需為透明。

透光性絕緣層70，與圖1之構成之發光元件10相同，與發光二極體60相鄰形成，但在上面側電氣獨立形成二條透明電極81,82。透明電極81係覆蓋p型GaN層63及相鄰之透光性絕緣層70形成，透明電極82係覆蓋n側電極71及相鄰之透光性絕緣層70形成。在透明電極81之透光性絕緣層70上之區域形成電極墊83，在透明電極82之透光性絕緣層70上之區域形成電極墊84。藉由在電極墊83,84上施加引線接合，能與外部電氣連接，順向電流在發光二極體60流過，能使其發光。亦即，在此構成中，連接於發光二極體60之二個極之二個電極皆從上面側(相同側)取出。此外，與圖1所示之發光元件10不同，不需要背面電極。

此構成中，由於來自p型GaN層63上之光不會被電極墊83,84等遮蔽，因此很明確可獲得高發光效率。

在製造此構成之發光元件50時，例如，對形成有上述構成之發光二極體60之晶圓同樣地進行上述圖2(b)以後之步驟即可。此時，在透明電極形成步驟(圖2(f))之後，使透明電極81,82分離之動作，在電極墊形成步驟(圖3(i))在透明電極81上形成電極墊83、在透明電極82上形成電極墊84之動作，及不進行背面電極形成步驟(圖2(h))之動作不同。又，在透光性絕緣層形成步驟(圖2(e))，不僅在p型GaN層63上，在n側電極71上亦必須使透光性絕緣材料不殘留。關於此等點以外，與上述發光元件10相同，亦可容易製造此構成之發光元件50。

此外，在此發光元件50，如上述，能使用絕緣性基板61。然而，即使基板61為導電性，很明確亦可使用相同之構成。與基板61之種類無關，在必須將連接於發光二極體60之二個極之二個電極皆形成在上面側之情形，可使用此構成。

此外，在上述構成之發光元件10、發光元件50，皆使用使用有藉由磊晶成長形成在基板上之半導體層之發光二極體，但即使是使用使用有形成在塊體半導體晶圓中之層之發光二極體之情形，亦可為同樣之構成，很明確可達成相同之效果。

又，在上述構成中，雖藉由n型GaN層與p型GaN層之界面之pn接合形成發光層，但亦可使用其他構成。例如，在半導體層中含有異質構造亦可，將積層有GaN層與InGaN層之MQW(多量子井：Multi Quantum Well)層形成在n型GaN層與p型GaN層間亦可。此外，n型半導體層與p型半導體層之上下關係等發光二極體之構造亦為任意。

又，作為形成發光二極體中尤其是發光層之材料，可依據發光波長使用任意之材料。又，例如，如上述在將螢光材料添加於透光性絕緣層之情形，必須將發出波長較此螢光材料發出之光短之光之材料使用於發光層。是以，在此情形，作為發出短波長之光之材料，較佳為使用例如GaN、InGaN等之III族氮化物半導體或ZnO等之氧化物半導體。又，使用GaAs或GaP等之III-V族化合物半導體亦可。

又，以上述所示之製造方法以外之製造方法製造上述構成之發光元件10、發光元件50亦可。

10,50,90．．．發光元件

20,60．．．發光二極體

21．．．Si基板(基板)

22,62．．．n型GaN層(n型半導體層)

23,63．．．p型GaN層(p型半導體層)

24．．．晶圓

30,70,94．．．透光性絕緣層

41．．．背面電極

42,81,82．．．透明電極

43,83,84．．．電極墊

61．．．基板

71．．．n側電極

91．．．半導體層

92．．．導電性接著劑層

93．．．電極

100,101．．．切割載帶

110,120．．．槽

圖1係本發明實施形態之發光元件的立體圖(a)及其A-A方向的剖面圖(b)。

圖2(a)～(h)係顯示本發明實施形態之發光元件之製造方法的步驟剖面圖。

圖3(i)～(1)係顯示本發明實施形態之發光元件之製造方法的步驟剖面圖(接續圖2)。

圖4(a)～(h)係從上面觀察本發明實施形態之發光元件之製造方法之各步驟的圖。

圖5(i)～(l)係從上面觀察本發明實施形態之發光元件之製造方法之各步驟的圖(接續圖4)。

圖6係本發明實施形態之發光元件之變形例的立體圖(a)、俯視圖(b)、及其B-B方向的剖面圖(c)。

圖7係習知發光元件之一例的剖面圖。

10．．．發光元件

20．．．發光二極體

21．．．Si基板(基板)

22．．．n型GaN層(n型半導體層)

23．．．p型GaN層(p型半導體層)

30．．．透光性絕緣層

41．．．背面電極

42．．．透明電極

43．．．電極墊

Claims (5)

1. 一種發光元件，係使用具備在內部設有發光層之半導體層形成在基板上之矩形體形狀之構造之發光二極體，其特徵在於，具備：該發光二極體；透光性絕緣層，與構成該矩形體形狀之該半導體層及該基板之側面相鄰形成；透明電極，覆蓋該發光二極體之上面及該透光性絕緣層之上面，與該發光二極體之一極電氣連接；以及電極墊，係形成在該透明電極上中成為該透光性絕緣層之上面之區域。
2. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中，該基板係矽單晶；該半導體層包含由III-V族化合物半導體材料構成之n型半導體層與p型半導體層。
3. 如申請專利範圍第1或2項之發光元件，其中，該基板係導電性；在該基板之下面形成有與該發光二極體之另一極電氣連接之背面電極。
4. 如申請專利範圍第1或2項之發光元件，其中，在該半導體層之上面側，分別具備二組與該發光二極體之一極、另一極分別電氣連接之該透明電極及該電極墊。
5. 如申請專利範圍第1或2項之發光元件，其中，在該透光性絕緣層中混入有螢光材料。