TWI488295B

TWI488295B - 發光二極體陣列與其形成方法

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Publication number: TWI488295B
Application number: TW101118755A
Authority: TW
Inventors: Yi An Lu
Original assignee: Phostek Inc
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2015-06-11
Also published as: TW201349473A

Description

發光二極體陣列與其形成方法

本發明係關於一種發光二極體陣列與其製法，特別是發光二極體陣列的電性連接結構與方法。

圖1顯示一種習知水平式發光二極體(LED)的示意圖。參見圖1，水平式發光二極體100包括磊晶基材102、磊晶結構104、電極單元106。磊晶結構104是利用一磊晶程序而成長於磊晶基材102上。電極單元106形成在磊晶結構104上，以提供其電能。磊晶基材102之材料例如藍寶石或碳化矽(SiC)，使得三族氮化物可磊晶成長於磊晶基材102上，其中三族氮化物例如氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)以及氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等。

磊晶結構104通常是三族氮化物所製成。在磊晶過程中，磊晶結構104於磊晶基材102上成長，而形成N型摻雜層108與P型摻雜層110。當提供電能於磊晶結構104，位於N型摻雜層108與P型摻雜層110接合處(junction)的發光結構112會產生一電洞捕抓現象。藉此，發光部分112的電子能階會降低，而以光子形式釋放能量。例如，發光部分112是一種單量子井(single quantum well)結構或是多重量子井(multiple quantum well，MQW)結構，可限制電子電洞的移動空間，以提升電子電洞的碰撞機率，因而增加電子電洞複合率，如此可提高發光效率。

電極單元106具有第一電極114與第二電極116。第一電極114與第二電極116分別與N型摻雜層108與P型摻雜層110歐姆接觸。電極114/116是用於提供電能予磊晶結構104。當施加一電壓於第一電極114與第二電極116，一電流從第二電極116通過磊晶結構104流向第一電極114，並在磊晶結構104內橫向分佈。因此，藉由磊晶結構104內的一光電效應產生一些光子。藉由橫向的電流分佈，水平式發光二極體100從磊晶結構104發出光。

水平式發光二極體100的製程雖然十分簡單，但也可能於製程中造成一些問題，例如電流擁擠(current crowding)、電流分佈不均，以及熱累積等問題。這些問題可能會降低發光二極體100的發光效率及/或損壞發光二極體100。

為克服上述問題，本領域發展出一種垂直式發光二極體。圖2為傳統垂直式發光二極體的示意圖。垂直式發光二極體200具有磊晶結構204與電極單元206。電極單元206位於磊晶結構204上以提供其電能。類似於圖1所示的水平式發光二極體100，磊晶結構204可利用磊晶程序，以氮化鎵基(GaN-based)或氮化銦鎵基(InGaN-based)等半導體材質製成。在磊晶過程中，氮化鎵基或氮化銦鎵基材料從一磊晶基材(未圖示)上成長，形成N型摻雜層208、發光結構212，與P型摻雜層210。接著，脫去磊晶基材，結合電極單元206與磊晶結構204。電極單元206具有第一電極214與第二電極216。第一電極214與第二電極216分別與N型摻雜層208及P型摻雜層210歐姆接觸。此外，第二電極216可連接一散熱基材202以增加散熱效率。當施加電壓於第一電極214與第二電極216，電流垂直流動，因而改善習知水平式發光二極體的電流擁擠、電流分佈不均，以及熱累積等問題。

由於天然基材的缺乏，氮化鎵或相關氮基化合物通常是形成在藍寶石基材上。傳統發光二極體，例如前述者，因光子以全方向發光，使其發光效率不高。大比例的光被藍寶石基材限制，無法被利用。此外，藍寶石基材的熱傳導係數低，使發光二極體的散熱效率不佳。

為取代藍寶石基材，本領域利用磊晶轉移技術製作各種超高亮度的發光二極體，例如薄膜式P型朝上氮化鎵發光二極體(P-side up thin-film LEDs)、薄膜式N型朝上氮化鎵發光二極體(N-side up thin-film LEDs)等等。

不管是哪一種發光二極體，當其形成一陣列，發光二極體之間，以及發光二極體陣列與外部，皆需要設計電性連接結構。

本發明的主要目的在於提供一種發光二極體陣列與其製法，特別是發光二極體陣列的電性連接結構與方法。

本發明一實施例提供一種發光二極體陣列的形成方法，包含：形成磊晶結構在暫時基板上，其中磊晶結構包含第一型摻雜層、發光層以及第二型摻雜層；蝕刻磊晶結構，以形成複數個發光二極體；蝕刻一或多個發光二極體，移除發光層以及第二型摻雜層，並暴露至少部分第一型摻雜層，藉此形成一或多個接觸單元；藉由內連線電性耦合(electrically coupled)接觸單元及/或發光二極體；形成功能結構在複數個發光二極體與接觸單元上方；以及移除暫時基板。

本發明另一實施例提供一種發光二極體陣列，包含：一功能性結構，至少具有永久基板；複數個發光二極體，位於功能性結構上，其中每個發光二極體包含第一型摻雜層、發光層以及第二型摻雜層；一或多個接觸單元，位於功能性結構上，具有第一型摻雜層；一或多個內連線，用以電性耦合接觸單元及/或發光二極體。

10‧‧‧暫時基板

12‧‧‧磊晶結構

12a‧‧‧第一型摻雜層

12b‧‧‧發光層

12c‧‧‧第二型摻雜層

12d‧‧‧緩衝層

14/14A/14B/14C‧‧‧發光二極體

16‧‧‧接觸單元

16a‧‧‧第一表面

16b‧‧‧第二表面

18a‧‧‧第一內部電極

18b‧‧‧第二內部電極

20‧‧‧絕緣層

22‧‧‧內連線

24‧‧‧功能結構

24a‧‧‧永久基板

24b‧‧‧反射層

24c‧‧‧絕緣層

24d‧‧‧黏膠層

24e‧‧‧種子層

26a‧‧‧第一外部電極

26b‧‧‧第二外部電極

100‧‧‧水平式發光二極體

102‧‧‧磊晶基材

104‧‧‧磊晶結構

106‧‧‧電極單元

108‧‧‧N型摻雜層

110‧‧‧P型摻雜層

112‧‧‧發光部分

114‧‧‧第一電極

116‧‧‧第二電極

200‧‧‧垂直式發光二極體

202‧‧‧散熱基材

204‧‧‧磊晶結構

206‧‧‧電極單元

208‧‧‧N型摻雜層

210‧‧‧P型摻雜層

212‧‧‧發光結構

214‧‧‧第一電極

216‧‧‧第二電極

圖1例示一種習知水平式發光二極體的結構。

圖2例示一種習知垂直式發光二極體的結構。

圖3A至圖3G顯示一種根據本發明第一實施例的發光二極體陣列的製造方法。

圖4A至圖4G顯示一種根據本發明第一實施例的發光二極體陣列的製造方法。

圖5為根據本發明一實施例的發光二極體陣列的上視圖。

圖6為根據本發明另一實施例的發光二極體陣列的上視圖。

本發明為美國專利申請案，申請號13/287,542，發明名稱「LED ARRAY FORMED BY INTERCONNECTED AND SURROUNDED LED CHIPS」的相關申請案。上述專利申請案的全文併入本文，視為本案說明書的一部分。

圖3A至圖3G顯示根據本發明第一實施例之發光二極體陣列的形成方法。

如圖3A所示，在暫時基板10上形成磊晶結構12。磊晶結構12可包含第一型摻雜層12a、一發光層12b、一第二型摻雜層12c。於本實施例，第一型摻雜層12a為N型摻雜層，例如N型氮化鎵層；發光層12b為多重量子井層；第二型摻雜層12c為P型摻雜層，例如P型氮化鎵層。

如圖3A’所示，在另一實施例，磊晶結構更包含緩衝層12d，位於暫時基板10與第一型摻雜層12a之間。緩衝層12d可包含下列群組的其中之一或其任意組合：未摻雜氮化鎵(GaN)、n型氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎂、氮化矽。

以下製程接續圖3A的結構，但相同方法也可以接續圖3A’的結構。如圖3B所示，接著，蝕刻磊晶結構12，以形成複數個發光二極體，例如，圖中所示的發光二極體14A與發光二極體14B，並且，蝕刻一或多個發光二極體，移除其發光層12b以及第二型摻雜層12c，並暴露至少部分第一型摻雜層12a，藉此形成一或多個接觸單元16。於部分實施例中，接觸單元的形成步驟也可以蝕刻至部分第一型摻雜層12a，以確定暴露出第一型摻雜層12a。蝕刻的方法，可包含，但不限於感應耦合電漿反應離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching，ICP-RIE)或雷射蝕刻。

如圖3C所示，接著，可在發光二極體14A/B上，形成第一內部電極18a與第二內部電極18b，其中，第一內部電極18a電性耦合(electrically coupled)第一型摻雜層12a，第二內部電極18b電性耦合第二型摻雜層12c。

如圖3D所示，接著，形成絕緣層20覆蓋發光二極體14A/B以及接觸單元16，並暴露出第一內部電極18a、第二內部電極18b與接觸單元16。於本實施例，形成絕緣層20的方法，是將用於形成絕緣層20的絕緣材料或高分子材料，例如，二氧化矽、聚甲基戊二醯亞胺(polymethyl glutarimide，PMGI)或光阻SU-8，形成於發光二極體14A/B以及接觸單元16上方，並填充發光二極體之間的間隙(gap)，形成絕緣層20。接著，形成具有圖案的光罩於絕緣層20上方，光罩的開口對應第一內部電極18a、第二內部電極18b、接觸單元16。接著，蝕刻移除部分的絕緣層20，以暴露第一內部電極18a、第二內部電極18b、接觸單元16。

如圖3E所示，接著，形成內連線22於絕緣層20上方。內連線22可連接接觸單元16與相鄰發光二極體14A的第二內部電極18b，以及連接相鄰發光二極體14A/B的第一內部電極18a與第二內部電極18b。藉由內連線20，可電性耦合接觸單元16與發光二極體 14A，以及電性耦合兩相鄰發光二極體，例如發光二極體14A與發光二極體14B。

如圖3F所示，接著，在內連線22、發光二極體14A/B、接觸單元16上方，形成一功能結構24，並使所形成結構反轉，之後，再移除暫時基板10，以暴露出第一型摻雜層12a。此外，可執行一粗化步驟(例如：濕式蝕刻法)使第一型摻雜層12a暴露出的表面粗化。值得注意的是，如果磊晶結構12包含如圖3A’的緩衝層12d，則暫時基板10與緩衝層12d一併移除。移除暫時基板10及緩衝層12d的方法，可以是，但不限於，雷射剝離技術(laser lift-off)、濕式蝕刻法。此外，功能結構24至少具有永久基板24a，其餘則視需要而定。於本實施例，除了永久基板24a，功能結構24尚包含反射層24b、絕緣層24c、黏膠層24d。如圖3F’所示，在另一實施例，功能結構24包含永久基板24a、種子層24e、反射層24b、絕緣層24c。在另一實施例，功能結構24僅包含絕緣層24c與永久基板24a，其中絕緣層24c位於發光二極體14A/B與永久基板24a之間。如圖3F的功能結構24，可預先被形成，再利用其黏膠層24d與內連線22等結合。

如圖3F’的結構，可以原位形成法，例如化學氣相沉積、電鍍等方法形成。功能結構24各層的材料與形成方法，可參見前述美國專利申請案「LED ARRAY FORMED BY INTERCONNECTED AND SURROUNDED LED CHIPS」。

如圖3G所示，接觸單元16具有第一表面16a與第二表面16b，其中，第一表面16a相對於第二表面16b，第一表面16a用以電性耦合內連線22，第二表面16b作為外部電性耦合端點。例如，於本實施例，可在接觸單元16的第二表面16b上，形成第一外部電極26a，其電性耦合接觸單元16的第一型摻雜層12a。此外，可在至少一該發光二極體，例如，發光二極體14B的第一型摻雜層12a表面，形成第二外部電極26b，其電性耦合發光二極體14B的第一型摻雜層12a。藉此，發光二極體陣列透過第一外部電極26a與第二外部電極26b，可與外界電性連接；透過內連線22，完成接觸單元16與相鄰發光二極體14A，以及發光二極體14A/B之間的電性耦合。

圖4A至圖4G顯示根據本發明第二實施例的發光二極體陣列的形成方法。本實施例與圖3A至3G實施例的不同處，僅在於接觸單元16的結構；因此，以下僅做簡要說明，其餘細節可參考先前實施例。

如圖4A所示，在暫時基板10上形成磊晶結構12。磊晶結構12可包含第一型摻雜層12a、一發光層12b、一第二型摻雜層12c。

如圖4A’所示，在另一實施例，磊晶結構更包含緩衝層12d，位於暫時基板10與第一型摻雜層12a之間。

如圖4B所示，接著，蝕刻磊晶結構12，以形成複數個發光二極體，例如，圖中所示的發光二極體14A與發光二極體14B，並且，蝕刻其中的一或多個發光二極體，移除其部分發光層12b以及部分第二型摻雜層12c，並暴露至少部分第一型摻雜層12a，藉此形成一或多個接觸單元16。於部分實施例中，接觸單元的形成步驟也可以蝕刻至部分第一型摻雜層12a，以確定暴露出第一型摻雜層12a。其中，鄰接接觸單元16的磊晶結構12，形成一尺寸較小的發光二極體14C。

如圖4C所示，接著，可在發光二極體14A/B/C上，形成第一內部電極18a與第二內部電極18b，其中，第一內部電極18a電性耦合第一型摻雜層12a，第二內部電極18b電性耦合第二型摻雜層12c。

如圖4D所示，接著，形成絕緣層20覆蓋發光二極體14A/B/C以及接觸單元16，並暴露出第一內部電極18a、第二內部電極18b與接觸單元16。

如圖4E所示，接著，形成內連線22於絕緣層20上方。內連線22可連接接觸單元16與發光二極體14C的第二內部電極18b，以及連接相鄰發光二極體14A/B/C的第一內部電極18a與第二內部電極18b。藉由內連線20，可電性耦合接觸單元16與相鄰發光二極體14C，以及電性耦合兩相鄰發光二極體14A/B/C。

如圖4F所示，接著，在內連線22、發光二極體14A/B、接觸單元16上方，形成一功能結構24，並使所形成結構上下反轉，之後，再移除暫時基板10，以暴露出第一型摻雜層12a。此外，可執行一粗化步驟使第一型摻雜層12a暴露出的表面粗化。如果磊晶結構12包含如圖4A’的緩衝層12d，則暫時基板10與緩衝層12d一併移除。於本實施例，功能結構24包含永久基板24a、反射層24b、絕緣層24c、黏膠層24d。如圖4F’所示，在另一實施例，功能結構24包含永久基板24a、種子層24e、反射層24b、絕緣層24c。在另一實施例，功能結構24僅包含絕緣層24c與永久基板24a，其中絕緣層24c位於發光二極體14A/B與永久基板24a之間。

如圖4G所示，接觸單元16具有第一表面16a與第二表面16b，其中，第一表面16a相對於第二表面16b，第一表面16a用以電性耦合內連線22，第二表面16b作為外部電性耦合端點。例如，於本實施例，可在接觸單元16的第二表面16b上，形成第一外部電極26a，其電性耦合接觸單元16的第一型摻雜層12a。此外，可在至少一該發光二極體，例如，發光二極體14B的第一型摻雜層12a表面，形成第二外部電極26b，其電性耦合發光二極體14B的第一型摻雜層12a。藉此，發光二極體陣列透過第一外部電極26a與第二外部電極26b，可與外界電性連接；透過內連線22，完成接觸單元16與相鄰發光二極體14C，以及相鄰發光二極體14A/B/C之間的電性耦合。

圖5顯示根據本發明實施例的一種發光二極體陣列，其可利用圖3A至3G所述的方法製成。此發光二極體陣列為一串聯陣列，第一外部電極26a與第二外部電極26b大致位於陣列的兩個角落位置。於本實施例，絕緣層20位於相鄰發光二極體14之間，以及接觸單元16與相鄰發光二極體14之間。

圖6顯示根據本發明實施例的另一種發光二極體陣列，其可利用圖4A至4G所述的方法製成。發光二極體陣列包含複數組串聯發光二極體，每一組串聯發光二極體的一端係為接觸單元16，且位於接觸單元16上的第一外部電極26a，透過連接結構28彼此電性連接。此外，每一組串聯發光二極體的另一端的發光二極體14具有第二外部電極26b，且彼此間透過連接結構28電性連接。於本實施例，絕緣層20位於相鄰發光二極體14之間，相鄰接觸單元16之間，以及接觸單元16與相鄰發光二極體14之間。

本發明實施例藉由蝕刻發光二極體陣列中的一或多個發光二極體，形成接觸單元，作為與外部連接的端點，其所需步驟可整合於原先的陣列製程，因此可節省大量製造成本。

根據本說明書，本領域熟悉技藝人士可據以做各種修飾、改變或替換。因此，本說明書僅是用於教示本領域熟悉技藝人士，例示如何實踐本發明，所述的實施例僅為較佳實施例。本領域熟悉技藝人士閱讀本案說明書後，知悉本案實施例中的哪些元件與材料可做替換，哪些元件或製程步驟順序可變更，哪些特徵可被單獨應用。凡其他未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包括在下述之申請專利範圍內。