TWI483430B - 發光二極體晶圓級色彩純化之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光二極體晶晶圓，特別是指一種在發光二極體晶圓(wafer)之晶元製程完成後再形成多層濾光膜於其上，以使晶圓發光色彩純化之發光二極體結構。
發光二極體(Light emitting diodes；LED)的發光原理是將電流順向流入半導體的p-n時便會發出光線。其中AlGaInP材料應用於高亮度紅、橘、黃及黃綠光LED，AlGaInN材料應用於藍、綠光LED，常以有機金屬氣相磊晶法(metal Organic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE)進行量產，元件上亦使用同質結構(homo-junction,HOMO)、單異質結構(single-heterostructure,SH)、雙異質結構(double-heterostructure,DH)、單一量子井結構(single-quantum well,SQW)及多重量子井結構(multiple-quantum well,MQW)…等構造或其他結構方式發光。
傳統的發光二極體其結構如圖1A所示，從上而下分別是上電極11(front electrical contact)、透光層15(capping layer or window layer)增加電流分散、活性層12(active layer)、基板10、背電極13(back contact)。而透光層15最典型的是使用透明導體氧化層，提供電流擴散之功能例如氧化銦錫(ITO)。當電流由上電極11注入時，電流會通過透明導體氧化層14擴散，再經活性層12、基板10、流向背電極13。當電流流經活性層12時，便會發出光線。其中，活性層包含一p型包覆層，一本質層(instric layer)及一n型包覆層。此外，為提升透明導體氧化層之導電性，因此，最常見的例子是在透明導體氧化層15內埋入金屬柵16。即金屬柵16先形成於活性層12上，再覆蓋以ITO層15。
基板10隨不同的活性層12選擇不同的材料作為基板。當活性層12的材料AlGaInP時，選用神化鎵材料作為基板；而當活性層12的材料AlGaInN時，選用藍寶石(sapphire)材料作為基板。活性層厚度為0.3～3μm和透光層15厚度為10~50μm，其活性層12及透光層15皆使用有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)製作而成。
以上製程為典型之發光二極體製程。然而，由於磊晶製程均勻度不夠，實務上不管是藍光發光二極體製程，綠光發光二極體製程，或紅光發光二極體製程只要是在二吋以上之晶圓上，在晶圓之中心的晶粒30與邊緣處的晶粒32、33、34，發光二極體發光之中心波長是有偏差的。例如，以藍光發光二極體而言，中心波長約為440nm，而實際上，晶圓邊緣的晶粒34(直徑的一端到另一端)中心波長可能就有30nm-40nm的差值而使得晶粒(die)有色彩偏差。即使是晶圓中心晶粒30(die)亦可能因製程偏差，而使得這一批號和上一批號之晶圓的中心波長偏移了。因此，對於LED晶粒的半導體製造業者是否將整批晶圓打入不良品或經品管測試每一晶粒之出光的色差以淘汰不再範圍之內者是一大困擾。
而對於使用LED晶粒以製造照明燈具的廠商而言中心波長具有少量偏移了或較大的偏移，為可容忍的範圍。，但若要和其它原色LED配光，以產生裝飾或圖案的廠商而言，例如LED背光電視、LED背光筆電、LED背光顯示器、LED背光手機而言。它的要求通常較為嚴苛，是不能被接受的。特別是高階的機種而言。
有鑑於此，本發明提供一晶圓級發光二極體多層濾光膜，用以純化發光二極體色彩。
本發明之主要目的在於提供一種LED晶圓級色彩純化的方法及LED晶圓色彩純化之結構。
本發明揭露一種使發光二極體(LED)晶圓級色彩純化之方法，至少包含以下步驟：首先以習知之半導體製程製造出LED晶圓。在單面出光或雙面出光不限，兩電極則尚未製造。接著，設定發光二極體(LED)晶圓級預定出光之中心波長值。隨後，選取適當之二種透明膜做為多層膜。這二種透明膜中一較佳的實施例是一為低折射率的二氧化矽膜，另一則為折射率相對較高的金屬氧化膜且能與二氧化矽膜相搭配沈積時殘留應力不會隨著膜數增加而增加者，例如二氧化鈦做為第二種透明膜。隨後，依據以下參數，包含中心波長，二材質在中心波長下之折射率、LED晶圓之最上層材質之折率率、及最終預定之多層厚總厚度或透光率下限，計算出由上述二透明膜交替沈積下之預定厚度值。
對LED晶圓進行離子電漿清潔術，緊接著，以離子電漿輔助電子鎗沈積技術，依據每一膜層之預定厚度，交替沈積第一種透明膜、第二種透明膜。最後，再形成p、n電極，切割晶圓成晶元(die)。
習知晶圓在發光二極體製程後有色彩偏差的問題，晶圓核心到周遭之發光之中心波長就可能有差異，而當色彩偏差至超出容忍之限度時，該晶元就被視為不良品，予以作廢。且進行品管時，必須就每一晶元的中心波長進行量度，以做為是否淘汰的依據。
本發明提供一晶圓級發光二極體多層濾光膜及其色彩純化之方法以解決上述問題。當整片晶圓的中心波長都被調為一致性的目標波長時，LED晶粒的半導體製造業者只要淘汰亮度較差者(整片晶圓的中心波長就只有一種)而不用管色差，品管將會變得非常容易。而對於下游業者，使用起來更方便，LED背光電視、LED背光筆電、LED背光顯示器、LED背光手機的品質趨於一致。
如圖1A所示為一習知發光二極體結構的橫截面示意圖。由下而上包含基板10(包含n型半導體層磊晶層)、一活化層120、一透明層15(包含p型半導體層、電流擴散層)，不管是p、n同側的發光二極體，或者p、n不同側的發光二極體晶圓都可應用本發明的方法將LED出光的中心波長設定在一定值。
本發明的結構請參見圖2，它是在圖1A的最頂層15再形成以第一透明層51和第二透明層52交替的多層濾光層50。以一較佳實施例而言，第一透明層51和第二透明層52分別為SiO2
及TiO2
。這兩種材料它們的折射率分別為1.45至1.48及2.2至2.5。當然，第一透明層51並不限於SiO2，
它也可以是其它金屬氧化物，例如氧化鋯(ZrO2
)或氟化物如MgF2。
而第二透明層52則可以是Ti2
O5
、Ta2
O5
、Nb2
O5
。上述之第一透明層51和第二透明層52，具有共同之特色是第一透明層51相較於第二透明層52兩者之折射率不同，且是一低一高交替沉積。又由於以本發明所沉積之多層濾光層50至少是數十層例如至少是八十多層以上，因此，先低後高交替或先高後低交替並不重要。
本發明的方法是使整片晶圓的中心波長都相同，例如，若目標波長為440nm，則整片都是440nm，不管原始LED晶圓半成品(此處所述的半成品是使習知LED晶圓製程已全部完成，除了晶圓上晶粒的最上的金屬電極尚未完成外)的晶圓核心往晶圓的四周方向是否中心波長的變化如何。
本發明的方法是選擇一高折射率的金屬氧化物材料如TiO2
及Ta2
O5
做為第一層51或第二層52鍍於晶圓的最上層，以一實施例而言是晶圓20的最上層是透明導體氧化層15，例如氧化銦錫ITO，再一實施例，則是例如p型磊晶層，二元或四元的磊晶層。
另一較低折射率的氧化物材料如SiO2
做為第二層或第一層鍍於第一層上。一高、一低折射率的兩層鍍膜交替沈積。晶圓的最上層的折射率將影響第一層鍍膜的厚度，而第一層鍍膜的厚度及折射率影響對第二層鍍膜的入射角。依據本發明的方法，邊界條件的設定是必要的，它可以包括(1)設定多層膜的最外層出光的中心波長，並選定一層數後，以多層膜之總層數或(2)該中心波長下之穿透率下限，例如穿透率下限定為95%、或(3)穿透率為50%時是中心波長的±1%或2%或3%之波寬做為邊界條件。另外，也可以(4)以LED晶圓出光進入第一透明膜的入射角做為邊界條件，這個入射角不可小於±45度。再依最外層之折射率及厚度，向第二外層推算其應有之厚度及折射角，依第二外層之折射率、入射角及厚度推算第三外層其應有之厚度，依此類推，直到LED晶圓的最上層為止。
上述的演算，以數學式表示如下所示。依據本發明的一實施例出光之中心波長愈純化將需要愈多的膜層，以一實施例而言，將達百層，因此，計算時，則是將以下的數學式以計算機程式表示，只要輸入最終目標出光之中心波長、允許之波寬最外層預定厚度，第一種材料膜層折射率、第二種材料膜層折射率、晶圓基板的折射率做為參數，即可計算出每一膜層的預定厚度。
因此，待最外層520、第二外層510、第三外層....晶圓最上層，每一層之預定厚度都已知後，再進行離子束輔助電子鎗蒸鍍法進行多層膜50沉積。
將基材與膜層的數學關係式以矩陣的形式表示，將如下：
1. 基板的特性矩陣：
2. 膜層的特性矩陣：
其中，λ
波長，n
為鍍膜材料的折射率，d
為膜層的厚度。
因此單膜層介面的電磁場關係為
其中，i
為虛數，η鍍膜材料的折射率
令Y
為等效導納
而反射係數即為
其中n 0
為最外層外界的折射率，例如空氣。
當鍍上多層膜時，則介面的電磁場關係即可寫為
其中M ij
，i
為鍍膜材料1或2，j
為鍍膜厚度
依據本發明的一較佳實施例，電漿清潔晶圓時，離子源：氬氣流率45sccm,氧氣的流率8sccm,而在電子鎗蒸鍍時，其它條件如下表
其中，中和器作用是放電中和離子源的電荷，因此有匹配的比例。假如離子源的電流值為900mA，中和器匹配的比例為150%,則中和器所放的電流值為1350Ma。
圖3示依據本發明的方法，對藍光LED晶圓、綠光LED晶圓及紅光LED晶圓分別鍍上95層、105層及120層的濾光膜後之中心波長的模擬結果，它是在50%透光率下波寬為中心波長2%的條件下作為邊界條件模擬的。
圖4則示多層濾光膜綠光在105層時交替之兩層之每層膜厚。圖3的結果是依據圖4及圖5的條件所模擬的。
上述的演算法中，膜層與膜層之間的結合性，膜層晶圓基板的最外層的結合性都是必須要加以考慮的。
本發明之優點：
1)本發明將LED晶圓級色彩純化，換言之出光之中心波長都調到相同值，配色使用時將非常方便。
2)本發明提供之LED晶圓級色彩純化將可減少品管成本，品管人員只要將只需以透光率做為品管通過與否的標準。相較習知LED晶圓未進行色彩純後，必須就每一晶元之中心波長判定是否合格，顯然，本發明之優勢立現。
3)本發明可以廣泛應用於藍光、紅光、及綠光之色彩純化。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，不應用於侷限本發明之可實施範圍，凡熟知此類技藝人士皆能明瞭，適當而作些微的改變及調整，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，皆應屬本發明之範者。
10．．．基板
12．．．活性層
13．．．背電極
15．．．透明導體氧化層
15．．．透光層
50．．．多層濾光膜
20．．．發光二極體晶圓
51．．．第一種透明膜
51．．．第二種透明膜
520．．．最外層透明膜
510．．．次外層透明膜
圖1A示習知發光二極體的結構。
圖1B習知發光二極體昌圓之晶粒在中心與邊緣可能會因製程產生中心波光偏移。
圖2顯示本發明將多層膜鍍於LED晶圓上的結構
圖3顯示在以本發明純化LED晶圓後之中心波長，包含藍光用95層濾光膜，綠光為105層濾光膜及紅光為120層濾光膜時之模擬結果。
圖4顯示對應於圖3之綠光及藍光LED晶圓使用之多層膜的每一層厚度值；及
圖5顯示對應於圖3之紅光LED晶圓使用之多層膜的每一層厚度值；
20‧‧‧晶圓
15‧‧‧透明導體氧化層
50‧‧‧多層濾光層
51‧‧‧第一種透明膜
52‧‧‧第一種透明膜
520‧‧‧最外透明膜
510‧‧‧第二最外透明膜
Claims (7)
- 一種發光二極體(LED)晶圓級色彩純化之方法，至少包含：提供一LED晶圓，該LED晶圓已完成n型半導體磊晶層、活化層、p型半導體磊晶層之製程；選取二氧化矽為多層膜之其中第一種透明膜A 之材質；選取一折射率高於該二氧化矽膜之金屬氧化膜為第二種透明膜B之材質；選定沈積順序，A1 B1 A2 B2 ...AT BT ，其中下標為最後一層T的第N層；依據該LED晶圓之光色， 設定該LED晶圓出光之中心波長；進行該第一種透明膜、該第二種透明膜交替沈積下之厚度預定值計算，該厚度預定值係依該中心波長、該第一種透明膜、第二種透明膜、該LED晶圓之最外層膜之折射率計算出該第一種透明膜、該第二種透明膜交替沉積下進行每一層之厚度預定值計算；及依據該些計算所得之膜厚度及選定之沈積順序交替沉積於該LED晶圓上。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含在沈積上述之第一種透明膜於LED晶圓前先施以惰性離子電漿束清潔該該LED晶圓之最外層膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之厚度預定值計算更包含以總膜層厚度或該中心波長下出光的穿透率做為邊界條件。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中上述之厚度預定值計算是在該邊界條件由預定之多層透明膜的最後一層向內推算至該LED晶圓之最外層膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之第二種透明膜是選自TiO2 、Ti2 O5 其中之一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之沉積方法是以離子電漿輔助電子鎗沈積。
- 一種發光二極體(LED)晶圓級色彩純化結構，至少包含：第一種透明膜及第二種透明膜交替沉積共90層以上於一LED晶圓上，該LED晶圓已完成n型半導體磊晶層、活化層、p型半導體磊晶層之製程，以使該LED晶圓出光之中心波長的波寬在預設值的±1%之內，或80層以上以使中心波長的波寬在預設值的±3%之內，其中該第一種透明膜是是低折射率材料膜層，該第二種透明膜是高折射率材料膜層。
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