TWI455378B - 一具穿隧栓塞之發光元件及其製造方法 - Google Patents

Description

一具穿隧栓塞之發光元件及其製造方法

本發明係關於一發光元件，利用半導體製程技術將一具導電性的穿隧栓塞形成於此發光元件中，並藉由此穿隧栓塞將電流導入此發光元件。

固態發光元件的應用性逐漸提高，對於製造成本的要求也漸受重視。目前常見的發光元件製造流程，主要是先在前段製程形成一具磊晶結構的發光單元，接著在後段製程以打線(wire bond)或覆晶的方式將此發光單元與電源或其他元件連接。然而，由於發光單元的第一電極與第二電極分別位於不同的高度，在打線(wire bond)或覆晶的過程中，此高低差往往會成為影響製程良率的一個主要因素。而在將不同高度的發光元件連接成一整合裝置時，此高度的差異更是金屬導線跨接時的一大挑戰。

本發明主要是關於一發光元件，其包含一載板及一發光單元位於此載板上。此發光單元包含至少一穿隧栓塞(Through Substrate Via,TSV)穿透此發光單元。此穿隧栓塞為一導體，貫穿發光單元的磊晶層與發光單元所在的載板並延伸至載板的第二表面，再透過發光單元的一第一電極與一第二電極與此發光單元電性連接。所述載板的第二表面可進一步具有複數個連接墊與所對應的穿隧栓塞電性連接。此連接墊可與一外部電源相連，並將電流經由穿隧栓塞傳遞至發光單元中。如此發光單元的第一電極與第二電極之間的高低差不會對導線連接造成影響。而透過穿隧栓塞與連接墊，可以將複數個位於同一載板上相同或相異的發光單元連接形成一電路。

第1圖中所示為本發明一實施例之一發光元件10，包含一載板100，具有一第一表面101與一第二表面102、及一發光單元200位於載板100的第一表面101，具有一第二半導體層202，一發光層203位於第二半導體層202上與一第一半導體層201位於發光層203上。發光單元200與載板100之間可選擇性地加入一反射層(圖未示)，當發光層203射出光線時，射出方向朝載板100的第一表面101的光線可以被反射層反射至所欲導出的出光方向。發光單元200又包含一第一電極204形成於第一半導體層201上、一第二電極205形成於第二半導體層202上、及一第一穿隧栓塞301與一第二穿隧栓塞302，其中第一穿隧栓塞301與第一電極204電性連接，並自第一電極204穿透發光單元200的第一半導體層201、發光層203、第二半導體層202與載板100並延伸至載板100的第二表面102；第二穿隧栓塞302與第二電極205電性連接並自第二電極205穿透發光單元200的第二半導體層202與載板100並延伸至載板100的第二表面102。第一穿隧栓塞301的組成可為一複合結構，包含一導電層300b與圍繞在導電層300b外側的一絕緣層300a。第二穿隧栓塞302的組成可為一複合結構，包含一導電層300b與一圍繞在導電層300b外側的絕緣層300a。當有一電流通過導電層300b時，絕緣層300a可降低或消除此電流對發光單元200的電性干擾。載板100可為發光單元200磊晶時的成長基板；或作為發光單元200依不同需求而須置換基板時之轉移基板，可透過一接合層(bonding layer)將發光單元200固定在載板100上。

第2圖進一步詳細敘述上述實施例，其中載板100的高度為S，第一半導體層201的高度為T1，發光層203的高度為T2，第二半導體層202的高度為T3，第一穿隧栓塞301的高度為V1，第二穿隧栓塞302的高度為V2。其中，V1≧S+T1+T2+T3且V2≧S+T3。

第3(a)-(h)圖描述本發明另一實施例的製造方法。首先如第3(a)圖所示，在一成長基板100a上形成一磊晶層200a，包含一第一第一半導體層201，一發光層203位於第一半導體層201上與一第二半導體層202位於發光層203上。另外，在一載板100的一第一表面101上方形成一反射層103以及一接合層(bonding layer)104。第3(b)圖所示將磊晶層200a的第二半導體層202與接合層104相接，並將磊晶層200a固定在載板100上，再如第3(c)圖所示將成長基板100a移除。接著如第3(d)圖所示透過黃光(Photolithography)與蝕刻(Etch)的技術，將磊晶結構200a切割，並形成複數個發光單元200。如第3(e)圖所示，在每個發光單元200的第一半導體層201與露出的第二半導體層202的部分區域分別形成一第一電極204與一第二電極205。接著如第3(f)圖所示，自載板100的第二表面102形成複數個第一穿隧孔31與複數個第二穿隧孔32，使發光單元200有一第一穿隧孔31自第一電極204穿透第一半導體層201、發光層203、第二半導體層202與載板100並延伸至載板100的第二表面102，以及一第二穿隧孔32自第二電極205穿透第二半導體層202與載板100並延伸至載板100的第二表面102。再如第3(g)圖所示，以薄膜技術先將一具絕緣性質的介電層300a填入第一穿隧孔31與第二穿隧孔32的部分空間，接著將具導電性的金屬、金屬化合物或其組合填入第一穿隧孔31與第二穿隧孔32中形成一導電層300b，使導電層300b的外側為介電層300a所圍繞，如此則完成第一穿隧栓塞301與第二穿隧栓塞302。為增加第一穿隧栓塞、第二穿隧栓塞與第一電極、第二電極的導電性，在填入導電層300b之前，可以一預蝕刻(pre-etch)的步驟將第一穿隧栓塞、第二穿隧栓塞與第一電極、第二電極的接觸面上的介電層300a予以清除。

於完成第一穿隧栓塞與第二穿隧栓塞後，可以如第3(h)圖所示在載板100的第二表面102以薄膜、黃光與蝕刻技術形成複數個連接墊105，此複數個連接墊105可與第一穿隧栓塞301、第二穿隧栓塞302電性連接。外部電源透過連接墊105將電流經由第一穿隧栓塞301與第二穿隧栓塞302傳遞至發光單元200中。另外，如第3(h)圖所示，亦可將一發光單元200的第一電極204透過第一穿隧栓塞301經由一連接墊105與一相鄰的發光單元200的第二穿隧栓塞302相連，再由此第二穿隧栓塞302與其第二電極205相連，如此將彼此相鄰的發光單元200電性連接，可形成一包含複數個發光單元200之串聯電路。於本實施例中，由於發光單元200的第一電極204與第二電極205之間具有至少0.5μm的高低差，若將複數個發光單元200之間的電性連接路徑以傳統打線(wire bond)的方式將導線直接接於一發光單元200的第一電極204與其相鄰的另一發光單元200的第二電極205，此至少0.5μm的高低差會造成打線製程的困難度或造成導線脫落。這種現象在例如AlGaInP的發光單元200，因其所形成的磊晶層較厚，所以第一電極204與第二電極205之間的高低差會超過10um，此高低差對打線製程的良率影響極大。本發明透過第一穿隧栓塞、第二穿隧栓塞與連接墊105將第一表面101上的複數個發光單元200形成一串聯或並聯電路，可以避免相鄰發光單元200的第一電極204與第二電極205之間高低差所帶來的影響，良率可較打線製程提升20%以上。

第4圖描述一發光裝置30包含一載板100，載板100第一表面101上有複數個第一發光單元200a與複數個第二發光單元200b。於本實施例中，第一發光單元200a與複數個第二發光單元200b係彼此交錯排列於載板100的第一表面101，即每一第一發光單元200a係與一第二發光單元200b彼此相鄰。但本發明所揭露的內容不限於此，也可將第一發光單元200a與第二發光單元200b依需要做不同的排列，例如，每一個第一發光單元200a可與一第二發光單元200b或另一第一發光單元200a相鄰。另外，要在此特別提出的是，本發明所揭露的內容並不只限於兩種彼此相異的發光單元，也可包含兩種以上相異的發光單元。

相異的發光單元可先在不同的成長基板上形成，再透過一臨時基板轉移到載板100的第一表面101上，載板100上可具有一接合層104使轉移的各發光單元固定在載板100的一第一表面101上。上述的臨時基板可以一具延展性的材料製作，因此，可藉由拉伸或收縮來調整位於臨時基板上的各發光單元的間距。載板100的第一表面101與接合層104之間也可形成一反射層以增加發光單元的出光效率。

在本實施例中，第一發光單元200a與第二發光單元200b可分別具有不同材質的半導體層及發光層。例如，第一發光單元200a的第一半導體層201、發光層203與第二半導體層202的主要組成材料為InGaN，此第一發光單元200a可為一發藍光、綠光、紅光、或紫外光的發光二極體。第二發光單元200b的第一半導體層201、發光層203與第二半導體層202的主要組成材料為AlGaInAs、AlGaInP、或InGaAs，此第二發光單元200b可為一發綠光或紅光的發光二極體。其中第一發光單元200a與第二發光單元200b其自第一電極204至載板100第一表面101之間的距離分別為k1與k2，且∣k2-k1∣≠0。發光裝置30可進一步包含複數個連接墊105位於載板100的一第二表面102上。相鄰的發光單元200a與200b透過連接墊105連接第一穿隧栓塞301與第二穿隧栓塞302後彼此電性連接。透過此複數個連接墊105可將在載板100第一表面101上的複數個第一發光單元200a與複數個第二發光單元200b形成一串聯或並聯的電路。又由於連接墊105位於載板100的第二表面102，此第二表面102為一平坦的表面，不受第一表面101上彼此相鄰的第一發光單元200a與第二發光單元200b其第一電極204至載板100第一表面101距離k1與k2不同的影響。

第5圖所示為一發光裝置40的上視圖，其中100為載板，具有第一表面101。複數個第一發光單元200a、複數個第二發光單元200b以陣列的形式任意分佈在載板100的第一表面101。複數個連接墊105(以虛線表示)位於載板100下方的第二表面，複數個連接墊105將複數個第一發光單元200a與複數個第二發光單元200b透過複數個第一穿隧栓塞與第二穿隧栓塞電性連接(圖未示)。此發光裝置40又具有兩端點41與42可與外部電源電性連接。另外，在此特別提出的是，前述各發光單元其第一電極至載板第一表面之距離並不只限於兩種距離，換言之，發光裝置也可包含兩種以上第一電極至載板第一表面距離彼此相異的發光單元。

本發明的一實施例如第6圖所示，一發光裝置50所包含的載板100上具有的複數個第一發光單元200a與複數個第二發光單元200b。第一發光單元200a發出波長範圍大約介於440~480nm之藍光，第二發光單元200b發出波長範圍大約介於600~650nm之紅光。在第一發光單元200a與第二發光單元200b的表面又形成一波長轉換層106。波長轉換層106包含至少一種材料選自於藍色螢光粉、黃色螢光粉、綠色螢光粉、紅色螢光粉、硒化鋅、硒化鎘鋅、III族磷化物、III族神化物、以及III族氮化物所組成之材料群組。所述之藍色螢光粉係指能將入射至螢光粉之光線轉換為藍光之螢光粉；其他諸如黃色螢光粉、綠色螢光粉、及紅色螢光粉亦具有類似之意義。各螢光粉材料及其組成係屬該領域之習知技藝，不在此贅述。本實施例的波長轉換層106的材料為一綠色螢光粉。當一外部電源接於此發光裝置30並透過第二表面102上的複數個連接墊105進入第一發光單元200a與第二發光單元200b時，第一發光單元200a先發出一波長範圍大約介於440~480nm之藍光，接著再經波長轉換層106發出一白光；第二發光單元200b先發出一波長範圍大約介於600~650nm之紅光，而由於此波長轉換層106不會吸收波長範圍介於600~650nm的光線，因此此紅光會穿過波長轉換層106並與第一發光單元200a經波長轉換層106轉換而成的白光混合。

本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。

100‧‧‧載板

105‧‧‧連接墊

106‧‧‧波長轉換層

200‧‧‧發光單元

201‧‧‧第一半導體層

202‧‧‧第二半導體層

203‧‧‧發光層

204‧‧‧第一電極

205‧‧‧第二電極

301‧‧‧第一穿隧栓塞

302‧‧‧第二穿隧栓塞

第1圖顯示為本發明一實施例；

第2圖為本發明一實施例各部高度標示圖；

第3(a)~(h)圖顯示為本發明一實施例的製造流程；

第4圖顯示為本發明之一實施例；

第5圖顯示為本發明之一實施例；

第6圖顯示為本發明之又一實施例；

100．．．載板

200．．．發光單元

201．．．第一半導體層

202．．．第二半導體層

203．．．發光層

204．．．第一電極

205．．．第二電極

300a．．．絕緣層

300b．．．導電層

301．．．第一穿隧栓塞

302．．．第二穿隧栓塞

Claims (10)

1. 一發光元件，包含：一載板，具有一第一表面與一第二表面；以及一發光單元位於該載板之第一表面，其中該發光單元包含一第一半導體層，一第一電極，一發光層，一第二半導體層，一第二電極，一第一穿隧栓塞，與一第二穿隧栓塞，其中該第一穿隧栓塞電性連接該發光單元的第一電極，並自該第一電極穿過該第一半導體層、該發光層、該第二半導體層與載板延伸至該載板之第二表面，該第二穿隧栓塞電性連接該發光單元的第二電極，並自該第二電極穿過該第二半導體層與載板延伸至該載板之第二表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，又包含：一第一連接墊位於該載板之第二表面，其中該第一連接墊電性連接該第一穿隧栓塞；以及一第二連接墊位於該載板之第二表面，其中該第二連接墊電性連接該第二穿隧栓塞。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該載板的高度為S，該第一半導體層的高度為T1，該發光層的高度為T2，該第二半導體層的高度為T3，該第一穿隧栓塞的長度為V1，且V1≧S+T1+T2+T3；或該第二穿隧栓塞的長度為V2，且V2≧S+T3。
4. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該載板為發光單元磊晶時的成長基板。
5. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一穿隧栓塞或該第二穿隧栓塞包含一導體與一絕緣層，其中該絕緣層圍繞該導體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該發光單元又包含一反射層與一電流分散層。
7. 一發光元件，包含：一載板，具有一第一表面與一第二表面；複數個發光單元位於該載板之第一表面，其中任一該些發光單元包含：一第一半導體層，一第一電極，一發光層，一第二半導體層與一第二電極，其中該發光層位於該第一半導體層與該第二半導體層之間，且該第一電極位於該第一半導體層上；複數個第一穿隧栓塞，其中任一該些第一穿隧栓塞電性連接該發光單元的該第一電極，並自該第一電極穿過該第一半導體層、該發光層、該第二半導體層與該載板而延伸至該載板之第二表面；複數個第二穿隧栓塞，其中任一該些第二穿隧栓塞電 性連接該發光單元的該第二電極，並自該第二電極穿過該第二半導體層與該載板而延伸至該載板之第二表面；以及複數個連接墊位於該載板的該第二表面，其中任一該些連接墊透過該第一穿隧栓塞與該第二穿隧栓塞電性連結相鄰的發光單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述的發光裝置，其中該些發光單元至少其一其自該第一電極至該載板的第一表面的距離與其它發光單元相異。
9. 如申請專利範圍第7項所述的發光裝置，其中該第一穿隧栓塞或該第二穿隧栓塞包含一導體與一絕緣層，其中該絕緣層圍繞該導體。
10. 一發光元件，包含：一載板，具有一第一表面與一第二表面；複數個發光單元位於該載板之第一表面，其中任一該些發光單元包含：一第一半導體層，一第一電極，一發光層，一第二半導體層與一第二電極，其中該發光層位於該第一半導體層與該第二半導體層之間，且該第一電極位於該第一半導體層上；複數個第一穿隧栓塞，其中任一該些第一穿隧栓塞電性連接該發光單元的該第一電極，並自該第一電極穿過該第一半導體層、該發光層、該第二半導體層與該載板而延伸至該載板之第二表面；複數個第二穿隧栓塞，其中任一該些第二穿隧栓塞電性連接該發光單元的該第二電極，並自該第二電極穿過該第二半導體層與該載板而延伸至該載板之第二表面；複數個連接墊位於該載板的該第二表面，其中任一該些連接墊透過該第一穿隧栓塞與該第二穿隧栓塞電性連結相鄰的發光單元；以及一波長轉換層位於該複數個發光單元的表面。