TWI495156B - 半導體發光元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體發光元件及其製造方法，尤其關於一種半導體發光結構包含複數層半導體層及複數個第一通道之半導體發光元件及其製造方法。
半導體發光元件，例如發光二極體(LED)，在近年來亮度不斷的提昇下，應用領域已從傳統的指示燈或裝飾用途拓展至各類裝置之光源，甚至在不久的將來，極有可能取代傳統之日光燈，成為新一代照明領域之光源。
目前發光二極體之內部量子效率約為50%至80%左右；約有20%至50%之輸入功率無法被轉換成光，而以熱的方式產生在發光二極體內。若無法有效的將發光二極體內部的熱導出，會導致發光二極體溫度上升，而劣化了發光二極體的可靠度。另一方面，發光二極體產生之光線若無法有效被取出，部份光線因全反射因素而侷限在發光二極體內部來回反射或折射，最終被電極或發光層吸收，使亮度無法提升。
本發明提供創新之解決方案，藉由降低發光二極體之熱阻或提高光取出效率，以解決發光二極體之熱累積問題，並提昇元件的可靠度及發光效率。
本發明同時提供一可應用於高功率輸出之發光元件，以應用於照明領域。
本發明提供一半導體發光元件，包括一薄化基板；一一半導體發光結構位於薄化基板之上，包含複數層半導體層及複數個第一通道，其中複數個第一通道具有一特定深度並穿透至少二層之複數層半導體層。
本發明提供一半導體發光元件，包括一載體，具有一第一表面及一第二表面；一中間層位於載體之第一表面；一絕緣層位於中間層之上；一半導體發光結構位於絕緣層之上，包含複數層半導體層、複數個第一通道及複數個第二通道，其中複數個第一通道具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層，複數個第二通道具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層並延伸至絕緣層，且由一介電層及一導電層所組成；以及一導線墊位於載體之第二表面。
本發明提供一半導體發光元件，包括一載體，具有一第一表面及一第二表面；一中間層位於載體之第一表面；一絕緣層位於中間層之上；一半導體發光結構位於絕緣層之上，包含複數層半導體層、複數個第一通道及複數個第二通道，其中複數個第一通道具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層，複數個第二通道具有一特定深度穿
透至少二層之複數層半導體層並延伸至絕緣層，且由一介電層及一導電層所組成；以及一電性連接層連接複數個第二通道。
依本發明之一實施例，所述之薄化基板係以化學機械研磨方式薄化所述之基板。
依本發明之一實施例，所述之複數個第一通道係以雷射形成所述之複數個第一通道。
依本發明之一實施例，所述之複數個第二通道係以乾式蝕刻或濕式蝕刻形成所述之複數個第二通道。
圖1揭示一本發明第一實施例之水平式發光元件1，包括一薄化基板111，具有一上表面S1及一下表面S2；一半導體發光結構12位於薄化基板之上表面S1，包含複數層半導體層及複數個第一通道17；其中複數層半導體層包含一第一導電型半導體層121、一活性層122、以及一第二導電型半導體層123，其中，部分之第一導電型半導體層121經一移除部分之半導體發光結構12而裸露出；一第一導線墊15及一第二導線墊16分別與第一導電型半導體層121及第二導電型半導體層123電性連接，且第一導線墊15及第二導線墊16位於基板之同一側；以及複數個第一通道17具有一特定深度並穿透至少二層之複數層半導體
層。薄化基板111係薄化一用以成長半導體發光結構12之成長基板後所形成，以降低發光元件之熱阻。於本實施例中，於成長半導體發光結構12於成長基板之後，利用化學機械研磨方法薄化成長基板，使其厚度由原來約200或300微米以上減至約不大於50微米以形成薄化基板111。成長基板之材料例如為砷化鎵、磷化鎵、藍寶石、碳化矽、氮化鎵、或氮化鋁等。
複數個第一通道17係以雷射掃描薄化基板之下表面S2，使半導體發光結構12之材料因吸收雷射能量而分解，再使用HCl及KOH進行溼式蝕刻以移除被分解的材料，因而形成第一通道17。第一通道17可包含一透明材質例如：氧化矽、氮化矽、有機高分子、或空氣，其折射率與薄化基板111之折射率差異至少大於0.1，以增加光摘出效率。第一通道17亦可包含一高導熱透明材質，例如碳化矽、氧化鋅、或鑽石等材料，以降低元件之熱阻，並提高光摘出效率。於一實施例中，複數個第一通道17具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層12，較佳為延伸至第二導電型半導體層123。複數個第一通道17係呈一週期性二維排列，但亦可以準週期性、變週期性、或非週期性排列，例如形成直徑1~10微米之圓柱或多邊形柱狀體以二維排列，或形成複數長條形溝渠彼此交聯(cross-linking)呈網狀排列。第一導電型半導體層121、活性層122、或第二
導電型半導體層123之材料包含AlpGaqIn(1-p-q)P或AlxInyGa(1-x-y)N，其中，0p,q1,0x,y1；p、q、x、y均為正數；(p+q)1；(x+y)1。
圖2揭示本發明第二實施例之垂直式發光元件2，相較於圖1所示之發光元件1，發光元件2之第一導線墊25及第二導線墊26係位於基板之相異側。相較於圖1所示之發光元件1，原先用以成長半導體發光結構12之成長基板，於形成半導體發光結構12後完全移除。發光元件2之結構包含：載體13；中間層241位於載體13上；絕緣層242位於中間層241上；半導體發光結構12位於絕緣層242上，包含複數層半導體層、複數個第一通道及複數個第二通道，其中複數層半導體層包含第一導電型半導體層121、活性層122、以及第二導電型半導體層123，部分之第一導電型半導體層121經一移除部分之半導體發光結構12而裸露出；第一導線墊25形成於部份裸露之第一導電型半導體層121上；第二導線墊26形成於載體13之另一側；複數個第一通道17具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層，較佳為延伸至第二導電型半導體層123；複數個第二通道28具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層並延伸至絕緣層242，在第二通道28內側壁先形成一介電層281後，再充填導電物質於第二通道內以形成導電層282，因而形成複數個導電第二通道28；並與第二導電
性半導體層123電性連接。
此外，中間層241係為一接合層，為一導電材質，其組成材料可與導電層282相同或不同，可為金屬或金屬合金材料接合層，例如AuSn、PbSn、AuGe、AuBe、AuSi、Sn、In、Au、PdIn。並形成一絕緣層242於中間層241與半導體發光結構12之間。載體13為一導電材質，例如包含碳化物、金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬複合材料等材料；其中載體13係以直接接合、金屬接合、黏著接合等方式接合於中間層241之下，或以電鍍、蒸鍍、化鍍、有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)法、氣相磊晶(VPE)法等方式形成於中間層241之下。第二通道28的數量及排列為使得電流分佈具有較佳的效果；除此之外，第二通道28因具有較第一導電性半導體層121為高之導熱係數，可將半導體發光結構12所產生的熱直接傳導至載體13。導電第二通道28之導電層282材質包含金屬、金屬合金、金屬氧化物、或導電高分子等導電導熱材質。
圖3揭示本發明第三實施例之水平式發光元件3，相較於圖2所示之發光元件2，發光元件3之第一導線墊25及第二導線墊26係位於基板之相同側。發光元件3之結構包含：載體13；中間層241位於載體13上；絕緣層242位於中間層241上；半導體發光結構12位於絕緣層242上，包含複數層半導體層、複數個第一通道及複數個第二
通道，其中複數層半導體層包含第一導電型半導體層121、活性層122、以及第二導電型半導體層123，第一導電型半導體層121左右二側經移除部份之半導體發光結構12而裸露出；第一導線墊25形成於部份裸露第一導電型半導體層121之右側；複數個第一通道17具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層，較佳為延伸至第二導電型半導體層123；複數個第二通道28具有一特定深度穿透至少二層之複數層半導體層並延伸至絕緣層242，在第二通道28內側壁先形成一介電層281後，再充填導電物質於第二通道內以形成導電層282，因而形成複數個導電第二通道28；且利用一電性連接層18將複數個第二通道內之導電層282連接為一體，並與第二導電性半導體層123電性連接。第二導線墊26形成於裸露出部份第一導電型半導體層121之左側，且與電性連接層18電性連接。
此外，中間層241係為一接合層，可為有機高分子材料接合層，例如苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFBC)、環氧樹脂(Epoxy)、矽膠(Silicone)；或金屬或金屬合金材料接合層，例如AuSn、PbSn、AuGe、AuBe、AuSi、Sn、In、Au、PdIn。並形成一絕緣層242於中間層241與半導體發光結構12之間。載體13為一不導電材質，例如包含矽化物、鑽石、類鑽碳(diamond-like carbon)等材料；其中載體13係以直接接合、金屬接合、黏著接合等方式接合
於中間層241之下，或以電鍍、蒸鍍、化鍍、有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)法、氣相磊晶(VPE)法等方式形成於中間層241之下。複數個第二通道28之導電層282材質包含金屬、金屬合金、金屬氧化物、或導電高分子等導電材質
圖4A-4J揭示一形成圖2之發光元件2之製造方法，包含以下步驟：1.如圖4A所示，首先提供一成長基板11，並於成長基板11上依序成長一半導體發光結構12，包括一第一導電型半導體層121、一活性層122、及一第二導電型半導體層123，接著以微影蝕刻方式移除一部份之半導體發光結構12，以裸露一部份第一導電型半導體層121之表面；2.如圖4B所示，以化學機械研磨方式使成長基板11進行薄化而形成薄化基板111。以雷射光束照射薄化基板111之下表面S2，使半導體發光結構12之材料因吸收雷射能量而分解，再使用HCl及KOH進行溼式蝕刻以移除被分解的材料，半導體發光結構12間因而形成複數個第一通道17；3.如圖4C所示，填充一透明材質或空氣於第一通道17內；4.如圖4D所示，提供一支撐體19，並藉由一黏著層
191貼附於半導體發光疊層12之第二導電型半導體層123表面及裸露之第一導電型半導體層121之表面，並移除薄化基板111；5.如圖4E所示，形成一絕緣層242於第一導電型半導體層121之下表面，再利用感應耦合電漿離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching,ICP RIE)系統進行乾式蝕刻或進行溼式蝕刻穿透絕緣層242，第一導電性半導體層121，活性層122及部份第二導電性半導體層123以形成第二通道28；6.如圖4F所示，利用蒸鍍法如電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)於第二通道28側壁形成一介電層281；7.如圖4G所示，再充填導電物質於第二通道28內以形成一導電層282；8.如圖4H所示，提供一載體13及一中間層241形成於載體上；貼附中間層241及載體13至絕緣層242；9.如圖4I所示，移除黏著層191及支撐體19；10.如圖4J所示，形成第一導線墊25於裸露之第一導電型半導體層121上，以及形成第二導線墊26於載體13之下表面。
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。
1、3‧‧‧水平式發光元件
2‧‧‧垂直式發光元件
11‧‧‧成長基板
111‧‧‧薄化基板
12‧‧‧半導體發光結構
121‧‧‧第一導電型半導體層
122‧‧‧活性層
123‧‧‧第二導電型半導體層
13‧‧‧載體
15、25‧‧‧第一導線墊
16、26‧‧‧第二導線墊
17‧‧‧第一通道
18‧‧‧電性連接層
19‧‧‧支撐體
191‧‧‧黏著層
241‧‧‧中間層
242‧‧‧絕緣層
28‧‧‧第二通道
281‧‧‧介電層
282‧‧‧導電層
S1‧‧‧上表面
S2‧‧‧下表面
圖1為一示意圖，顯示依本發明之水平式發光元件結構之第一實施例。
圖2為一示意圖，顯示依本發明之垂直式發光元件結構之第二實施例。
圖3為一示意圖，顯示依本發明之水平式發光元件結構之第三實施例。
圖4A-4J為示意圖，顯示依本發明之垂直式發光元件結構之第二實施例之製造方法。
1‧‧‧水平式發光元件
111‧‧‧薄化基板
12‧‧‧半導體發光結構
121‧‧‧第一導電型半導體層
122‧‧‧活性層
123‧‧‧第二導電型半導體層
15‧‧‧第一導線墊
16‧‧‧第二導線墊
17‧‧‧第一通道
S1‧‧‧上表面
S2‧‧‧下表面
Claims (18)
- 一種半導體發光元件，包含：一載體，其具有一第一表面以及一第二表面；一半導體發光結構係包含一位於該第一表面上的第一導電型半導體層、一位於該第一導電型半導體層上的活性層、一位於該活性層上的第二導電型半導體層、複數個透明通道及複數個導電通道，其中該些複數個導電通道未穿過該第一導電型半導體層以及該第二導電型半導體層之其中一層，且該些複數個導電通道各包含一導電層，其中該第一導電型半導體層包含一未被該活性層覆蓋的裸露部分；以及一第一導線墊位於該第一導電型半導體層之該裸露部分的正上方。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些複數個導電層其中之一以及該載體之間沒有一絕緣材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些複數個透明通道之折射率與該載體之折射率差異至少大於0.1。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些複數個透明通道包含至少一材料選自於氧化矽、氮化 矽、有機高分子、空氣、氮化鎵、氮化鋁、碳化矽、氧化鋅、以及鑽石。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，更包括一中間層介於該半導體發光結構及該載體之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光元件，其中該中間層包括一電性連接層。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光元件，其中該電性連接層以及該載體之間沒有一絕緣材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該載體包含一導電材質。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些複數個導電通道其中之一包含一介電層環繞該導電層。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些複數個導電通道之材料包含金屬、金屬合金、金屬氧化物、或導電高分子。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些複數個透明通道之直徑介於1至10微米之間。
- 一種半導體發光元件，包含：一載體，其具有一第一表面以及一第二表面；一中間層位於該載體之該第一表面之上；一絕緣層位於該中間層之上； 一半導體發光結構包含一位於該絕緣層上的第一導電型半導體層、一位於該第一導電型半導體層上的活性層、一位於該活性層上的第二導電型半導體層、及複數個導電通道，其中該些複數個導電通道各包含一導電層，該第一導電型半導體層包含一未被該活性層覆蓋的第一裸露部分以及一未被該活性層覆蓋第二裸露部分；一電性連接層位於該中間層內且電性連接該些複數個導電通道中至少其中之二；一第一導線墊位於該第一導電型半導體層之第一裸露部分的正上方；以及一第二導線墊位於該第一導電型半導體層之第二裸露部分的正上方，且該第二導線墊藉由該些複數個導電通道其中之一以及該電性連接層與該第二導電型半導體層電性連接。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體發光元件，其更包括複數個具有一特定深度且穿過該第一導電型半導體層以及該活性層的透明通道。
- 如申請專利範圍第13項所述之半導體發光元件，其中該些複數個透明通道包含至少一材料選自於氧化矽、氮化矽、有機高分子、空氣、氮化鎵、氮化鋁、碳化矽、氧化鋅、以及鑽石。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體發光元件，其中該些複數個導電通道具有一特定深度且穿過至少該半導體發光結構中的兩層並延伸至該絕緣層，且該些複數個導電通道之其中之一包含一介電層環繞部分該導電層。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體發光元件，其更包括複數個未同時穿過該第一導電型半導體層、該活性層以及該第二導電型半導體層的透明通道。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體發光元件，其中該些複數個導電層其中之一以及該載體之間並沒有一絕緣材料，且該載體以及該中間層包含不同材料。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體發光元件，其中該些複數個導電通道之材料包含金屬、金屬合金、金屬氧化物、或導電高分子。
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