TWI483419B - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體及其製造方法

本發明涉及一種發光元件，尤其涉及一種發光二極體及其製造方法。

發光二極體(Light Emitting Diode；LED)在高功率照明的運用上，除了須持續提昇亮度外，散熱問題為另一亟需解決的主要問題。當發光二極體的光取出效率不佳時，無法穿出發光元件(發光二極體及其封裝體)的光線會轉換為熱能。若無法有效地將此熱能導出發光元件，發光二極體在操作時溫度會上升，因而造成元件可靠性問題。

為解決發光元件的散熱問題，對發光二極體進行封裝時，目前常採用以覆晶接合(flip-chip bonding)取代傳統的導線接合(wire bonding)。覆晶接合即直接將發光二極體晶片面朝下用焊料或者導電膠接合至一導熱基板上。此種方式可使發光二極體的散熱性能得到提昇。然而，習知發光二極體的晶片較薄，在覆晶接合或後續加工過程中容易碎裂。

有鑒於此，有必要提供一種較高強度的發光二極體，並提供一種該發光二極體的製造方法。

一種發光二極體，包括一發光二極體晶片，該發光二極體晶片包括第一半導體層、第一電極、活性層、第二半導體層及第二電極，該活性層設於該第一半導體層上，該第二半導體層形成於該活性層上，該第二電極設於該第二半導體層上，由該第一半導體層、活性層、第二半導體層及第二電極構成一疊層，其中該疊層的中部設有盲孔，該盲孔依次貫穿第二電極、第二半導體層及活性層，並延伸至該第一半導體層內，該第一電極設於第一半導體層上並對應設於該盲孔內，該第一電極上設有一第一支撐層，該第二電極上設有一第二支撐層，該第二支撐層與第一支撐層相間隔。

一種發光二極體的製造方法，包括如下步驟：提供一磊晶片，該磊晶片包括一基底及設於該基底上的一磊晶層，該磊晶層包括依次設於該基底上的一第一半導體層、一活性層及上第二半導體層，該磊晶片上開設有至少一盲孔，該盲孔依次貫穿第二半導體層及活性層，並延伸至該第一半導體層內；在該盲孔內於第一半導體層上製作第一電極，並於該第二半導體層上製作第二電極；以及在第一電極上製作一鍍層以作為第一支撐層，並在第二電極上製作一鍍層為作為第二支撐層。

與習知技術相比，上述發光二極體中，藉由在第一電極及第二電極上分別形成第一支撐層與第二支撐層，可提高發光二極體晶片的強度。因此，當發光二極體晶片採用覆晶方式安裝於導熱基板上時，不易碎裂。另外，該第一支撐層以及該第二支撐層還可以增加發光二極體的散熱功能。

10、10a、40‧‧‧導熱基板

100、200‧‧‧發光二極體

101、401‧‧‧磊晶片

102‧‧‧磊晶層

11、41‧‧‧第一接合墊

12、42‧‧‧第二接合墊

20、50‧‧‧發光二極體晶片

21、51‧‧‧基底

22、52‧‧‧第一半導體層

221、521‧‧‧粗化面

23、53‧‧‧活性層

24、54‧‧‧第二半導體層

26、56、11a‧‧‧第一電極

25、55、12a‧‧‧第二電極

27、57‧‧‧絕緣層

271、571‧‧‧第一部分

272、572‧‧‧第二部分

29、59‧‧‧第一支撐層

28、58‧‧‧第二支撐層

291‧‧‧主體部

292、592‧‧‧接合部

30‧‧‧疊層

31、61‧‧‧盲孔

32‧‧‧收容空間

圖1為本發明發光二極體第一實施例的剖視結構示意圖。

圖2為用於製造圖1所示發光二極體的一磊晶片的俯視圖。

圖3為圖2所示磊晶片沿III-III線的剖視圖。

圖4為圖3所示磊晶片上形成第二電極後的剖視結構示意圖。

圖5為於圖4所示磊晶片的盲孔內及第二電極上設置一絕緣層後的剖視結構示意圖。

圖6為圖5的俯視圖。

圖7為於圖5所示磊晶片的盲孔內形成第一電極後的剖視結構示意圖。

圖8為於圖7所示發光二極體晶片的第一電極及第二電極上分別形成支撐層後的剖視結構示意圖。

圖9為圖8的俯視圖。

圖10為將圖1所示發光二極體的基底自第一半導體層上移除後的剖視結構示意圖。

圖11為圖10所示發光二極體經表面粗化後的剖視結構示意圖。

圖12為本發明發光二極體第二實施例的剖視結構示意圖。

圖13為本發明發光二極體第三實施例的剖視結構示意圖。

圖14為用於製造圖13所示發光二極體的一磊晶片的俯視圖。

圖15為於圖14所示磊晶片上形成絕緣層後的俯視圖。

圖16為圖13所示發光二極體中的發光二極體晶片倒裝於導熱基板 之前的俯視圖。

圖17為圖13所示發光二極體去除基底並經表面粗化處理後的剖視結構示意圖。

如圖1所示為本發明發光二極體100的第一實施例。該發光二極體100包括一導熱基板10及採用覆晶方式接合於該導熱基板10上的一發光二極體晶片20。

請一併參閱圖8-9，該發光二極體晶片20包括一基底21、一第一半導體層22、一活性層(active layer)23、一第二半導體層24、一第一電極26、一第二電極25、一絕緣層27、一第一支撐層29及一第二支撐層28。其中，該發光二極體晶片20的材料可以為氮化物半導體、III-V族化合物半導體或II-VI族化合物半導體。該第一半導體層22可以為N型半導體層，該第二半導體層24可為P型半導體層，該活性層23可以為多層量子井(multiple-quantum-well，MQW)。

該基底10材料可為藍寶石(亦即鋁氧化合物，Al2O3)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵(GaAs)等。

該第一半導體層22形成於該基底21上，該活性層23形成於該第一半導體層22上，該第二半導體層24形成於該活性層23上，該第二電極25形成於該第二半導體層24上，即該第一半導體層22、活性層23、第二半導體層24及第二電極25依次疊置於該基底21上，從而由該第一半導體層22、活性層23、第二半導體層24及第二電極 25構成一疊層30。該疊層30上設有一柱形的盲孔31，該盲孔31由上自下依次貫穿第二電極25、第二半導體層24及活性層23，並延伸至該第一半導體層22內。

該第一電極26形成於第一半導體層22上並位於該盲孔31內。所述第一電極26呈圓柱狀，該第一電極26與疊層30之間形成一環形的收容空間32(如圖7所示)。該絕緣層27包括一環形的第一部分271及一第二部分272。絕緣層27的第一部分271覆蓋於盲孔31的周面上，絕緣層27的第二部分272由該第一部分271的頂端周緣水準向外延伸，以將第二電極25靠近盲孔31的一部分覆蓋。該第二支撐層28形成於該第二電極25上，並位於該絕緣層27的周邊。該第一支撐層29形成於該第一電極26上並與第二支撐層28相間隔。該第一支撐層29包括一主體部291及由該主體部291向下延伸的一環形的接合部292。該主體部291覆蓋於該第一電極26的外端面上，主體部291的周緣向外延伸以部分覆蓋該絕緣層27的第二部分272，該接合部292由主體部291向下延伸至收容空間32內，所述接合部292圍設於第一電極26的周邊，並位於第一電極26的周面與絕緣層27的第一部分271之間。所述第一支撐層29與第二支撐層28大致上同高，即第一支撐層29背向第一電極26的一外端面與第一支撐層28背向第二電極25的一外端面呈大致同平面設置。

如圖2-3所示，製造該發光二極體100時，首先提供一磊晶片101，該磊晶片101包括基底21及設於該基底21上的一磊晶層102，該磊晶層102包括第一半導體層22、活性層23及第二半導體層24。磊晶層102的中央位置設有盲孔31。該盲孔31可以利用微影技術以及蝕刻方式製成。

如圖4所示，於該磊晶片101的第二半導體層24上製作第二電極25，該第二電極25的材料為金(Au)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鋁(Al)、銅(Cu)、氧化銦錫(Indium Tin Oxides；ITO)、錫(Sn)、鈦(Ti)、銦(In)、鍺(Ge)及鉻(Cr)中的一種，或為上述材料的組合。

如圖5-6所示，在磊晶片101的盲孔31的周面及第二電極25靠近盲孔31的部分上形成絕緣層27。

如圖7所示，在盲孔31內於第一半導體層22上形成第一電極26，該第一電極26可採用與第二電極25相同的材料製成。

如圖8-9所示，接著利用電鍍或化學鍍的方法，在第一電極26上鍍一層金屬以形成第一支撐層29，並在第二電極25上鍍一層金屬以形成第二支撐層28，以及，從而製成該發光二極體晶片20。該第一支撐層29位於發光二極體晶片20的中部，該第二支撐層28圍設於該第一支撐層29的周邊。該第一支撐層29及第二支撐層28均由金屬製成，其材料為鎳(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、銦(In)或錫(Sn)，第一支撐層29及第二支撐層28的厚度為10μm以上。

請再次參閱圖1，完成第一支撐層29與第二支撐層28的製作後，再提供導熱基板10，該導熱基板10上設有第一接合墊11與一第二接合墊12，該第一接合墊11及第二接合墊12的形狀可分別與圖9中所示第一支撐層29及第二支撐層28的形狀相對應。然後，將圖8所示的發光二極體晶片20倒置後設於該導熱基板10上，並將該發光二極體100的第一支撐層29與第二支撐層28分別與導熱基板10的第一接合墊11及第二接合墊12相接合，從而將發光二極體晶 片20倒裝於導熱基板10上，即採用覆晶方式將發光二極體晶片20安裝至導熱基板10上。

發光二極體100中，藉由在第一電極26及第二電極25上分別形成第一支撐層29與第二支撐層28，該第一支撐層29與第二支撐層28均由金屬製成，可提高發光二極體晶片20的強度。因此，當發光二極體晶片20採用覆晶方式安裝於導熱基板10上時，不易碎裂，使得發光二極體100的良率大為提昇。另外，該第一支撐層29與第二支撐層28還充當反射層，可以將發光二極體晶片20發出的光反射至出光面，從而提高出光效率。再則，第一支撐層29的外端面與第二支撐層28的外端面呈同平面設置，將發光二極體晶片20倒裝於導熱基板10上時，可提高接合的可靠度，以提昇散熱效率。

如圖10-11所示，位於該發光二極體100出光側的基底21可以藉由鐳射剝離技術(laser lift-off)、研磨、蝕刻等方式自發光二極體晶片20的第一半導體層22上移除。再利用物理或化學的方法，例如鐳射或化學蝕刻，對第一半導體層22背向活性層23的一外表面進行粗化處理而得到一具凹凸結構的粗化面221，以破壞光線在第一半導體層22內的全反射，從而進一步提昇發光二極體100的出光效率。由於發光二極體100設有第一支撐層29與第一支撐層28，移除該基底21時，發光二極體晶片20亦不易碎裂。

發光二極體100中，由於第一支撐層29的外端面與第二支撐層28的外端面呈同平面設置，從而導熱基板10亦可不包含第一、第二接合墊11、12。如圖12所示為本發明發光二極體的第二實施例。本實施例中，導熱基板10a上未設置接合墊而包含一電路結構， 該電路結構包括一第一電極11a與一第二電極12a，其中發光二極體晶片20直接安裝在導熱基板10a上，且發光二極體晶片20的第一支撐層29與第二支撐層28分別與導熱基板10a的電路結構的第一電極11a與第二電極12a電連接。相較於習知技術，可以不需在導熱基板10a上額外製作接合墊，而直接於發光二極體100上形成支撐層28、29並直接黏著於導熱基板10a上並電連接導熱基板10a的電路結構，如此一來，不僅可以降低元件的高低差，亦可以去除於導熱基板10a上製作接合墊的時間以及成本。

如圖13所示為本發明發光二極體200的第三實施例。該發光二極體200包括一導熱基板40及採用覆晶方式接合於該導熱基板40上的一具較大尺寸的發光二極體晶片50，該發光二極體晶片50的結構與第一實施例中發光二極體晶片20的結構相似，同樣包括基底51、第一半導體層52、活性層53、第二半導體層54、第二電極55、第一電極56、絕緣層57、第一支撐層59及第二支撐層58。兩者之間的區別在於：本實施例中的發光二極體晶片50中，第一電極56的數量為四個(圖13所示剖視圖中僅示出兩個)，且呈矩陣排列。

本實施例的發光二極體200同樣可按照第一實施中所述的製造方法製成，只不過在製造本實施例中的發光二極體200時，所提供的磊晶片401上需要設置四個盲孔61(如圖14所示)，並且在每個盲孔61中形成一第一電極56。在製作絕緣層57時，絕緣層57包括位於第一電極56的周面與對應的盲孔61的周面之間的複數第一部分571、以及位於第二電極55與第一支撐層59之間且連為一體的一第二部分572(如圖13與15所示)。另外，第一支撐層59同 時覆蓋四個第一電極56，並由絕緣層57將第一支撐層59與第二電極55相絕緣，且第一支撐層59對應每一第一電極56設有一接合部592。該第二支撐層58圍設於該第一支撐層59的周邊並與第一支撐層59相間隔(圖13與圖16所示)。本實施例中，第一支撐層59背向第一電極56的一外端面與該第二支撐層58背向第二電極55的一外端面亦呈同平面設置。該發光二極體晶片50設於導熱基板40上時，第一支撐層59及第二支撐層58亦分別與導熱基板40上的一第一接合墊41及一第二接合墊42相接合(圖13所示)。該發光二極體晶片50中，第一電極56的數量及佈置方式並不局限如此，還可根據具體需求對第一電極56的數量及佈置方式做相應的改變，例如第一電極56的數量為3個並呈三角形排列，或第一電極56的數量為5個並呈環形排列。

如圖17所示，為提高該發光二極體200的出光效率，亦可以將基底51自第一半導體52上移除，並對第一半導體層52的表面進行粗化處理而得到一具凹凸結構的粗化面521。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧導熱基板

100‧‧‧發光二極體

11‧‧‧第一接合墊

12‧‧‧第二接合墊

20‧‧‧發光二極體晶片

21‧‧‧基底

22‧‧‧第一半導體層

23‧‧‧活性層

24‧‧‧第二半導體層

25‧‧‧第二電極

26‧‧‧第一電極

27‧‧‧絕緣層

28‧‧‧第二支撐層

29‧‧‧第一支撐層

Claims (11)

1. 一種發光二極體，包括一發光二極體晶片，該發光二極體晶片包括第一半導體層、第一電極、活性層、第二半導體層及第二電極，該活性層設於該第一半導體層上，該第二半導體層形成於該活性層上，該第二電極設於該第二半導體層上，由該第一半導體層、活性層、第二半導體層及第二電極構成一疊層，其改良在於：該疊層的中部設有盲孔，該盲孔依次貫穿第二電極、第二半導體層及活性層，並延伸至該第一半導體層內，該第一電極設於第一半導體層上並對應設於該盲孔內，該第一電極上設有一第一支撐層，該第二電極上設有一第二支撐層，該第二支撐層與第一支撐層相間隔，其中，該第一支撐層包括主體部及自所述主體部向第一電極延伸形成一接合部，所述主體部覆蓋所述第一電極的頂面，所述接合部覆蓋於第一電極的周緣側面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該第一電極的周面與疊層之間設有一絕緣層，該絕緣層將第一電極與疊層的活性層、第二半導體層及第二電極相絕緣。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體，其中該絕緣層設於盲孔的周面，絕緣層的外端周緣向外延伸以部分覆蓋第二電極。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該盲孔的數量為兩個以上，該第一電極的數量與該第一電極的盲孔相等並對應設於所述盲孔內，該第一支撐層覆蓋全部的第一電極。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中該發光二極體上設有一絕緣層，該絕緣層包括位於第一電極的周面與對應盲孔的周面之間的複數第一部分、以及位於第二電極與第一支撐層之間的一第二部分，該絕緣 層的第一部分將第一電極與疊層的活性層、第二半導體層及第二電極相絕緣，該絕緣層的第二部分將第一支撐層與第二電極相絕緣。
6. 如申請專利範圍第4或5項所述之發光二極體，其中該第一支撐層對應每一第一電極向相應的盲孔內延伸形成一接合部，該接合部覆蓋於第一電極的周面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該第一半導體層具有背向活性層的一出光側，該出光側形成有一具凹凸結構的粗化面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中還包括一導熱基板，該發光二極體晶片採用覆晶方式安裝於該導熱基板上，且該導熱基板上設有一第一接合墊及一第二接合墊，該第一接合墊及第二接合墊分別與第一支撐層及第二支撐層接合。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中還包括一導熱基板，該發光二極體晶片採用覆晶方式安裝於該導熱基板上，且該導熱基板上設有電路結構，該電路結構與該第一支撐層及該第二支撐層接合。
10. 一種發光二極體的製造方法，包括如下步驟：提供一磊晶片，該磊晶片包括一基底及設於該基底上的一磊晶層，該磊晶層包括依次設於該基底上的一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層，該磊晶片上開設有至少一盲孔，該盲孔依次貫穿第二半導體層及活性層，並延伸至該第一半導體層內；在該盲孔內於第一半導體層上製作第一電極，並於該第二半導體層上製作第二電極；以及在第一電極上製作一鍍層以作為第一支撐層，並在第二電極上製作一鍍層為作為第二支撐層，其中還包括在製作該第一支撐層及該第二支撐層之前於盲孔的周面設置一絕緣層的步驟，且該絕緣層的頂端周緣向外延伸以部分覆蓋該第二電極，該第一支撐層向盲孔內延伸形成一接合部， 該接合部位於該絕緣層與第一電極之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體的製造方法，其中還包括在該第一半導體層形成一出光側，該出光側具凹凸結構的粗化面。