TWI474516B - 覆晶式發光二極體結構及其製造方法 - Google Patents

Description

覆晶式發光二極體結構及其製造方法

本發明是有關於一種覆晶式發光二極體結構及其製造方法，且特別是有關於一種提高發光效率的覆晶式發光二極體結構及其製造方法。

傳統發光二極體元件包含一矽基板及一半導體複合層，半導體複合層包含依序形成於矽基板上的第一型半導體層、發光層及第二型半導體層。矽基板可作為半導體複合層的載板。

然而，矽基板具有吸光性質，導致發光二極體元件的發光效率變差。

本發明係有關於一種覆晶式發光二極體結構及其製造方法，一實施例中，可省略矽基板，以提升發光效率。

根據本發明之一實施例，提出一種覆晶式發光二極體結構。覆晶式發光二極體結構包括一承載基板、一發光晶粒結構、一反射層、一第一開口、一介電層、一第一接合層及一第二接合層。承載基板設有第一電極及第二電極。發光晶粒結構位於承載基板上且包括一第一型半導體磊晶層、一第二型半導體磊晶層及一發光層。發光層形成於第一型半導體磊晶層與第二型半導體磊晶層之間。反射層位 在第一型半導體磊晶層上。第一開口貫穿第一型半導體磊晶層、發光層以及第二型半導體磊晶層。介電層覆蓋第一開口之內壁且延伸至部分反射層表面上。第一接合層設置在無介電層覆蓋之反射層上。第二接合層設置在部分介電層上，且溝填第一開口，且經由第一開口電性連接第二型半導體磊晶層。其中，第一電極及第二電極分別與第一接合層連接及第二接合層連接。

根據本發明之另一實施例，提出一種覆晶式發光二極體結構的製造方法。製造方法包括以下步驟。形成一發光晶粒結構於一成長基板上，其中發光晶粒結構包括一第二型半導體磊晶層位在成長基板上、一發光層位在第二型半導體磊晶層上，及一第一型半導體磊晶層位在發光層上；於一預定的一第二電極區，形成一第一開口經過第一型半導體磊晶層、發光層及第二型半導體磊晶層；形成一反射層於部分第一型半導體磊晶層上；形成一介電層於第一開口內壁上，並延伸至部分反射層表面上；於一預定的一第一電極區形成一第一接合層於無介電層覆蓋之反射層上；形成一第二接合層於介電層上，並經由第一開口連接至第二型半導體磊晶層；移除成長基板，以露出第二型半導體磊晶層；以及，翻轉發光晶粒結構，藉由位在第一、第二電極區之第一、第二接合層，與一表面包括有一第一、第二電極之承載基板接合固著，其中第一電極及第二電極分別與第一接合層連接及第二接合層連接。

根據本發明之另一實施例，提出一種覆晶式發光二極體結構的製造方法。製造方法包括以下步驟。形成一發光 晶粒結構於一成長基板上，其中發光晶粒結構包括一第一型半導體磊晶層位在成長基板上、一發光層位在第一型半導體磊晶層上，及一第二型半導體磊晶層位在發光層上；移除成長基板，以露出第一型半導體磊晶層；於一預定的一第二電極區，形成一第一開口經過第一型半導體磊晶層及第二型半導體磊晶層；形成一反射層於部分第一型半導體磊晶層上；形成一介電層於第一開口之內壁上，並延伸至部份反射層表面上；於一預定的一第一電極區，形成一第一接合層於無介電層覆蓋之反射層上；形成一第二接合層於介電層上，並經由第一開口連接至第二型半導體磊晶層；以及，藉由位在第一、第二電極區之第一、第二接合層，與一表面包括有一第一、第二電極之承載基板接合固著，其中第一電極及第二電極分別與第一接合層連接及第二接合層連接。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1A圖，其繪示依照本發明一實施例之覆晶式發光二極體結構的剖視圖。覆晶式發光二極體結構100包括承載基板110、發光晶粒結構120、反射層130、第一開口140、介電層150、第一接合層160及第二接合層170。

承載基板110例如是一封裝基板。承載基板110上設有第一電極111與第二電極112，發光晶粒結構120透過第一接合層160連接第一電極111，及透過第二接合層170 連接第二電極112，以電性連接承載基板110。

發光晶粒結構120包括一第一型半導體磊晶層121、一發光層122及一第二型半導體磊晶層123，其依序形成於承載基板110上，其中發光層122形成於第一型半導體磊晶層121與第二型半導體磊晶層123之間。

發光晶粒結構120可透過一般半導體製程(例如薄膜沈積、微影、蝕刻、摻雜)來形成。第一型半導體磊晶層121例如是P型半導體層，而第二型半導體磊晶層123則為N型半導體層；或是，第一型半導體磊晶層121是N型半導體層，而第二型半導體磊晶層123則為P型半導體層。其中，P型半導體層例如是摻雜硼(B)、銦(In)、鎵(Ga)或鋁(Al)等三價元素之氮基半導體層，而N型半導體層例如是摻雜磷(P)、銻(Ti)、砷(As)等五價元素之氮基半導體層。發光層122可以是三五族二元素化合物半導體(例如是砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN))、三五族多元素化合物半導體(例如是砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、砷化鋁銦鎵(AlInGaAs))或二六族二元素化合物半導體(例如是硒化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe))。

反射層130及發光層122分別形成於第一型半導體磊晶層121之相對第一面121s1與第二面121s2上，其中反射層130面向承載基板110，以將射向承載基板110的光線反射至上方出光。此外，反射層130例如是由金屬製成。

本例中，第一開口140貫穿整個第一型半導體磊晶層121、整個發光層122及整個第二型半導體磊晶層123，亦 即，第一開口140貫穿整個發光晶粒結構120，然此非用以限制本發明實施例。

介電層150覆蓋第一開口140之內壁，且延伸至反射層130的部分表面上。介電層150可隔離第二接合層170與第一型半導體磊晶層121，避免第二接合層170與第一型半導體磊晶層121電性連接。

第一接合層160設置在未受到介電層150覆蓋之反射層130上。

第二接合層170設置在部分介電層150上。第二接合層170溝填第一開口140，且經由第一開口140電性連接第二型半導體磊晶層123。第二接合層170與第一接合層160之間存有一間隙G，其曝露出部分介電層150，以將發光晶粒結構區分成一含有第一接合層160之第一電極區161與一含有第二接合層170之第二電極區171。承載基板110上之第一電極111與第二電極112分別與第一電極區161上的第一接合層160連接以及與第二電極區171上的第二接合層170連接。此外，第一接合層160和第二接合層170例如是金屬共晶材質，例如是銀錫合金(Ag-Sn)、錫銅合金(Sn-Cu)、錫鉍合金(Sn-Bi)、銀銦合金(Ag-In)或其它具有共晶點特性的合金。

此外，請參照第1B圖，其繪示第1A圖之仰視圖(未繪示承載基板)。較佳但非限定地，第一接合層160與第二接合層170的面積至少大於發光二極體結構100的整個底部面積的20%。

如第1A圖所示，覆晶式發光二極體結構100更包括 透光材料層180及導電層190。透光材料層180形成於第二型半導體磊晶層123上，且具有一對準第一開口140之第三開口181。導電層190形成於透光材料層180上，並經由第三開口181連接至第一開口140中的第二接合層170。故，第二接合層170可透過透光材料層180與導電層190電性連接於第二型半導體磊晶層123。

其中，透光材料層180的材質例如是透明導電材料(Transparent Conductive Oxide,TCO)或透明的有機導電材料，其中，透明導電材料如銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)或銦鋅氧化物(indium zinc oxide,IZO)。

覆晶式發光二極體結構100更包括透光基板195及光轉換層197，光轉換層197位於透光基板195與透光材料層180之間。光轉換層197可將來自於發光晶粒結構120的光線轉換成具有預期光色的光線。光轉換層197例如是包括螢光粉(未繪示)及透明封膠(未繪示)，其中螢光粉摻雜於透明封膠內，其中透明封膠的折射率介於1.3至2.0之間，且穿透率大於85%，然此非用以限制本發明實施例；或者，光轉換層197包括螢光粉及透明板，其中螢光粉摻雜於透明板內，透明板例如單晶基板、多晶基板、或由透明石英材料、透明玻璃材料或透明高分子聚合物材料所製成之基板。

透光基板195之一表面上更包括至少一粗糙結構1951，其鄰接光轉換層197。透光基板195例如單晶基板、多晶基板、或由透明石英材料、透明玻璃材料或透明高分子聚合物材料所製成之基板。本例中，透光基板195的剖 面係矩形；另一例中，透光基板195的剖面可以是梯形、三角形、任意曲線構成的形狀或其組合。

請參照第1C圖，其繪示第1A圖之俯視圖(未繪示承載基板)。導電層190係長條形導電層，且沿透光材料層180的邊緣延伸。此外，導電層190可以是單層或多層結構，以多層結構來說，其選自於鉻層、鉑層、金層、鋁層及其組合所構成的群組。

請參照第2圖，其繪示依照本發明另一實施例之覆晶式發光二極體結構的剖視圖。覆晶式發光二極體結構200包括承載基板110、發光晶粒結構120、反射層130、第一開口140、介電層150、第一接合層160、第二接合層170、透光材料層180、透光基板195及光轉換層197。

第一開口140貫穿整個第一型半導體磊晶層121、整個發光層122及部分第二型半導體磊晶層123，亦即，第一開口140僅貫穿部分發光晶粒結構120，未貫穿整個發光晶粒結構120。

第一接合層160與第二接合層170之間存有一間隙G，其曝露部分介電層150，以將發光晶粒結構區分成一含有第一接合層160之第一電極區161與一含有第二接合層170之第二電極區171。介電層150具有第二開口151，其位於第一電極區161內，且暴露部分反射層130，其中第一接合層160經由第二開口151電性連接反射層130。此外，相似的第二開口151亦可應用於上述覆晶式發光二極體結構100中。

請參照第3A至3G圖，其繪示依照本發明一實施例之 覆晶式發光二極體結構的製造過程圖。

如第3A圖所示，採用例如是半導體製程，形成發光晶粒結構120於成長基板115上，其中發光晶粒結構120包括第一型半導體磊晶層121、發光層122及第二型半導體磊晶層123，第一型半導體磊晶層121形成於成長基板115上，發光層122形成於第一型半導體磊晶層121上，而第二型半導體磊晶層123形成於發光層122上。此處的半導體製程例如是金屬有機化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)磊晶製程、薄膜沈積、微影、蝕刻及/或摻雜。

如第3A圖所示，可採用例如是濺鍍製程，形成透光材料層180於第二型半導體磊晶層123上，其中透光材料層180具有第三開口181。

如第3A圖所示，形成導電層190於透光材料層180上，其中導電層190延伸至第三開口181內。另一實施例中，亦可省略透光材料層180，在此設計下，導電層190直接形成於第二型半導體磊晶層123上。

如第3B圖所示，可採用塗佈製程，形成光轉換層197於透光材料層180上，並覆蓋導電層190。當上述透光材料層180被省略，光轉換層197可直接形成於第二型半導體磊晶層123。另一例中，光轉換層197亦可預先形成於透光材料層180上，然後再透過透光材料層180貼附於第二型半導體磊晶層123上。

如第3B圖所示，可採用貼合製程，形成透光基板195於光轉換層197上，其中透光基板195具有至少一粗糙結 構1951，粗糙結構1951崁入光轉換層197內。

如第3C圖所示，移除成長基板115，以露出第一型半導體磊晶層121。

如第3D圖所示，於一預定的第二電極區171形成第一開口140貫穿整個第一型半導體磊晶層121、整個發光層122及整個第二型半導體磊晶層123，以露出導電層190。第一開口140對準透光材料層180之第三開口181，其中，第一開口140的開口面積大於第三開口181的開口面積；另一例中，第一開口140的開口面積可小於或等於第三開口181的開口面積。此外，第一開口140與第三開口181亦可於同時形成。

如第3E圖所示，可採用例如是濺鍍製程，形成反射層130於部分第一型半導體磊晶層121上。塗佈製程例如是印刷、噴塗或旋塗。

如第3E圖所示，可採用例如是塗佈製程，形成介電層150於第一開口140的內壁上，並延伸至部分反射層130的表面上。介電層150可隔離第一型半導體磊晶層121與後續形成之第二接合層170。本例中，介電層150係一薄層，其並未填滿第一開口140。

如第3F圖所示，於預定的第一電極區161形成一第一接合層160於反射層130上。

如第3F圖所示，形成第二接合層170於介電層150上，並經由第一開口140連接至第二型半導體磊晶層123。由於介電層150的隔離，避免第二接合層170與第一型半導體磊晶層121電性連接。

如第3G圖所示，設置發光晶粒結構120於一表面包括有第一電極111及第二電極112的承載基板110上，其中發光晶粒結構120藉由位在第一電極區161之第一接合層160及第二電極區162之第二接合層170與承載基板110接合固著。更詳細地說，發光晶粒結構120透過第一接合層160連接第一電極111，及透過第二接合層170連接第二電極112，以電性連接承載基板110。

然後，可切割第3G圖的結構，以形成至少一如第1A圖所示之覆晶式發光二極體結構100。另一例中，切割步驟亦可於接合步驟(第3G圖)前執行。

請參照第4A至4G圖，其繪示依照本發明另一實施例之覆晶式發光二極體結構的製造過程圖。

如第4A圖所示，可採用例如是磊晶技術，形成發光晶粒結構120於成長基板115上，其中發光晶粒結構120包括第一型半導體磊晶層121、發光層122及第二型半導體磊晶層123，其中第二型半導體磊晶層123形成於成長基板115上，發光層122形成於第二型半導體磊晶層123上，而第一型半導體磊晶層121形成於發光層122上。

如第4A圖所示，於預定的第二電極區171形成第一開口140貫穿整個第一型半導體磊晶層121、整個發光層122及部分第二型半導體磊晶層123。

如第4B圖所示，形成反射層130於部分第一型半導體磊晶層121上。

如第4C圖所示，形成介電層150於第一開口140的內壁上，並延伸至部分反射層130的表面上。介電層150 可隔離第一型半導體磊晶層121與後續形成之第二接合層170。本例中，介電層150係一薄層，其並未填滿第一開口140。

如第4C圖所示，形成第二開口151於部分介電層150上，以露出反射層130的部分表面，使得後續形成的第一接合層160可經由第二開口151連接至反射層130。

如第4D圖所示，於預定的第一電極區161形成一第一接合層160於反射層130上。

如第4D圖所示，於預定的第二電極區171形成第二接合層170於介電層150上，並經由第一開口140連接至第二型半導體磊晶層123。由於介電層150的隔離，避免第二接合層170與第一型半導體磊晶層121電性短路。

如第4E圖所示，移除成長基板115，以露出第二型半導體磊晶層123。移除成長基板115之前，可以具有黏結層214的暫時基板215黏住第一接合層160及第二接合層170，以利成長基板115的移除。

如第4F圖所示，可採用塗佈製程，形成光轉換層197於第二型半導體磊晶層123上。

如第4F圖所示，可採用貼合製程，形成透光基板195於光轉換層197上。透光基板195具有至少一粗糙結構1951，粗糙結構1951崁入光轉換層197內。

然後，可分離暫時基板215與發光晶粒結構120，以露出第一接合層160及第二接合層170。

然後，翻轉發光晶粒結構120，使第一接合層160及第二接合層170朝下，藉由位在第一電極區161之第一接 合層160及第二電極區171之第二接合層170與一表面包括有第一電極111及第二電極112之承載基板110接合固著，而形成至少一如第2圖所示之覆晶式發光二極體結構200。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧覆晶式發光二極體結構

110‧‧‧承載基板

111‧‧‧第一電極

112‧‧‧第二電極

115‧‧‧成長基板

120‧‧‧發光晶粒結構

121‧‧‧第一型半導體磊晶層

122‧‧‧發光層

123‧‧‧第二型半導體磊晶層

130‧‧‧反射層

140‧‧‧第一開口

150‧‧‧介電層

151‧‧‧第二開口

160‧‧‧第一接合層

162‧‧‧第一電極區

170‧‧‧第二接合層

171‧‧‧第二電極區

180‧‧‧透光材料層

181‧‧‧第三開口

190‧‧‧導電層

197‧‧‧光轉換層

195‧‧‧透光基板

1951‧‧‧粗糙結構

214‧‧‧黏結層

215‧‧‧暫時基板

G‧‧‧間隙

第1A圖繪示依照本發明一實施例之覆晶式發光二極體結構的剖視圖。

第1B圖繪示第1A圖之仰視圖(未繪示承載基板)。

第1C圖繪示第1A圖之俯視圖(未繪示承載基板)。

第2圖繪示依照本發明另一實施例之覆晶式發光二極體結構的剖視圖。

第3A至3G圖繪示依照本發明一實施例之覆晶式發光二極體結構的製造過程圖。

第4A至4G圖繪示依照本發明另一實施例之覆晶式發光二極體結構的製造過程圖。

100‧‧‧覆晶式發光二極體結構

110‧‧‧承載基板

111‧‧‧第一電極

112‧‧‧第二電極

120‧‧‧發光晶粒結構

121‧‧‧第一型半導體磊晶層

122‧‧‧發光層

123‧‧‧第二型半導體磊晶層

130‧‧‧反射層

140‧‧‧第一開口

150‧‧‧介電層

160‧‧‧第一接合層

161‧‧‧第一電極區

170‧‧‧第二接合層

171‧‧‧第二電極區

180‧‧‧透光材料層

181‧‧‧第三開口

190‧‧‧導電層

197‧‧‧光轉換層

195‧‧‧透光基板

1951‧‧‧粗糙結構

G‧‧‧間隙

Claims (19)

1. 一種覆晶式發光二極體結構，包括：一承載基板，設有一第一電極及一第二電極；一發光晶粒結構，位於該承載基板上，且包括：一第一型半導體磊晶層；一第二型半導體磊晶層；及一發光層，形成於該第一型半導體磊晶層與該第二型半導體磊晶層之間；一反射層，位在該第一型半導體磊晶層上；一第一開口，貫穿該第一型半導體磊晶層、該發光層以及該第二型半導體磊晶層；一介電層，覆蓋該第一開口之內壁且延伸至部份該反射層表面上；一第一接合層，設置在無該介電層覆蓋之該反射層上，並且接合固著於該承載基板之該第一電極上；以及一第二接合層，設置在部份該介電層上，且溝填該第一開口，且經由該第一開口電性連接該第二型半導體磊晶層，其中該第二接合層與該第一接合層位於該發光晶粒結構之同一側且接合固著於該承載基板之該第二電極上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式發光二極體結構，其中該第一接合層與該第二接合層之間存有一間隙，曝露部分該介電層，以將該發光晶粒結構區分成一含有該第一接合層之第一電極區與一含有該第二接合層之第二電極區。
3. 如申請專利範圍第2項所述之覆晶式發光二極體結構，其中在該第一電極區更包括一第二開口，位在該介電層上而暴露部份該反射層，該第一接合層經由該第二開口電性連接該反射層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式發光二極體結構，其中該覆晶式發光二極體結構更包括：一透光材料層，形成於該第二型半導體磊晶層上，且具有一對準該第一開口之第三開口；以及一導電層，形成於該透光材料層上，並經由該第三開口連接至形成於該第一開口中的該第二接合層。
5. 如申請專利範圍第4項所述之覆晶式發光二極體結構，其中該導電層係長條形導電層，且沿該透光材料層的邊緣延伸。
6. 如申請專利範圍第5項所述之覆晶式發光二極體結構，更包括：一透光基板；以及一光轉換層，位於該透光材料層與該透光基板之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之覆晶式發光二極體結構，其中該透光基板更包括一粗糙結構，崁入該光轉換層內。
8. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式發光二極體結構，其中該第一開口係貫穿部分或全部之該第二型半導體磊晶層。
9. 如申請專利範圍第1項所述之覆晶式發光二極體結構，其中該第一接合層與第二接合層係金屬共晶材質。
10. 一種覆晶式發光二極體結構的製造方法，包括：形成一發光晶粒結構於一成長基板上，其中該發光晶粒結構包括一第二型半導體磊晶層位在該成長基板上、一發光層位在該第二型半導體磊晶層上，及一第一型半導體磊晶層位在該發光層上；於一預定的一第二電極區，形成一第一開口經過該第一型半導體磊晶層、該發光層及該第二型半導體磊晶層；形成一反射層於部分該第一型半導體磊晶層上；形成一介電層於該第一開口內壁上，並延伸至部份該反射層表面上；於一預定的一第一電極區形成一第一接合層於無該介電層覆蓋之該反射層上；形成一第二接合層於該介電層上，並經由該第一開口連接至該第二型半導體磊晶層；移除該成長基板，以露出該第二型半導體磊晶層；以及翻轉該發光晶粒結構，藉由位在該第一、第二電極區 之該第一、第二接合層，與一表面包括有一第一、第二電極之承載基板接合固著，其中該第一接合層與該第二接合層皆位於該發光晶粒結構之一下表面，且該第一接合層與該第二接合層分別具有一第一露出面及一第二露出面，該第一電極及該第二電極分別與該第一接合層之該第一露出面連接及該第二接合層之該第二露出面連接。
11. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，更包括：形成一光轉換層於該第二型半導體磊晶層上。
12. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該光轉換層係直接形成於該第二型半導體磊晶層上，或者先形成於一透光材料層後再貼附於該第二型半導體磊晶層上。
13. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中於形成該第一開口之該步驟中，該第一開口係貫穿部分之該第二型半導體磊晶層的厚度。
14. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，其中該第一接合層及該第二接合層分別係由金屬共晶材質所構成。
15. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包括：一透光基板，具有一粗糙結構，該些粗糙結構崁入該 光轉換層內。
16. 一種覆晶式發光二極體結構的製造方法，包括：形成一發光晶粒結構於一成長基板上，其中該發光晶粒結構包括一第一型半導體磊晶層位在該成長基板上、一發光層位在該第一型半導體磊晶層上，及一第二型半導體磊晶層位在該發光層上；移除該成長基板，以露出該第一型半導體磊晶層；於一預定的一第二電極區，形成一第一開口經過該第一型半導體磊晶層及該第二型半導體磊晶層；形成一反射層於部分該第一型半導體磊晶層上；形成一介電層於該第一開口之內壁上，並延伸至部份該反射層表面上；形成一第二開口露出該反射層；於一預定的一第一電極區，形成一第一接合層於無該介電層覆蓋之該反射層上，該第一接合層經由該第二開口連接至該反射層；形成一第二接合層於該介電層上，並經由該第一開口連接至該第二型半導體磊晶層；以及藉由位在該第一、第二電極區之該第一、第二接合層，與一表面包括有一第一、第二電極之承載基板接合固著，其中該第一電極及該第二電極分別與該第一接合層連接及該第二接合層連接。
17. 如申請專利範圍第16項所述之製造方法，更包 括：形成一透光材料層於該第二型半導體磊晶層上，其中該透光材料層上具有一第三開口，該第三開口對準該第一開口；以及形成一導電層於該透光材料層上，其中該導電層延伸至該第三開口內；其中，對準該第一開口之該第三開口可於形成該第一開口之該步驟中直接貫穿該發光晶粒結構而形成，或者在該第一開口形成後，再於該透光材料層上另外形成。
18. 如申請專利範圍第17項所述之製造方法，其中該導電層係長條形導電層，且沿該透光材料層的邊緣延伸。
19. 如申請專利範圍第16項所述之製造方法，其中於形成該第一開口之該步驟中，該第一開口係貫穿整個該第二型半導體磊晶層的厚度。