TWI533465B - 串聯分段式發光二極體 - Google Patents

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TWI533465B
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Description

串聯分段式發光二極體
本發明關於一種發光裝置及其製造方法。
發光二極體(Light emitting diodes，LEDs)是一種能夠將電能轉換成光線的重要固態元件。這些元件的改良使其被運用在設計來取代傳統白熾燈與螢光燈光源的照明燈具上。LEDs的壽命明顯比較長，並且在某些情況下，在將電能轉換成光線的效率方面明顯比較高。
為了討論，LED可視為具有三層，活性層夾在其他兩層之間。當來自外側層的電洞與電子在該活性層內結合時，該活性層會發出光線。利用將電流通過LED，產生該等電洞與電子。常見的配置方式為，透過一位於頂層上方的電極以及一提供電氣連接至底層的接點，供電給該LED。
LEDs的成本及其功率轉換效率為決定這項新技術取代傳統光源以及運用於高功率應用之比例的重要因素。LED的轉換效率定義為LED在所要光譜範圍內所發出之光功率與光源所消耗之電功率之比率。所消耗的電功率取決於該等LED的轉換效率，以及將AC電源轉換成(可用於直接供電給該等LED晶粒的)DC源的電路所損耗之功率。未轉換成光線就離開LED的電功率，會轉換成熱，讓LED的溫度上升。散熱通常限制了LED運作的功率位準。此外，LED的轉換效率隨著電流提高而下降。因此，儘管藉由提高電流來增加LED的光輸出會提高總光輸出，不過電轉換效率也會因此下降。此 外，在高電流運作下LED的壽命也會縮短。最後，將電流傳送至發光區域且位於該LED的高阻抗p型層內之導體，其內部阻抗耗損隨著電流提高而快速增加。因此，LED具有一最佳化電流。
LED的驅動電壓取決於製作材料，對於GaN型LED來說通常是3伏特的等級。典型的光源需要多個LEDs，因為對許多應用來說，單一個LED以最佳電流運作並無法產生充足的光線。該等LEDs可以並聯、串聯或並串聯結合的方式連接。若該等LEDs並聯連接，通常為3伏特等級的低驅動電壓，而需要較高的電流。因此，較佳為使用串聯連接以避免這種高電流配置固有的功率耗損。此外，若電源供應器的輸出驅動電壓接近AC電源振幅，則將大多數應用中使用之AC電源轉換成驅動該等LEDs所需之DC源明顯便宜許多。因此，較佳的配置方式為該等LEDs串聯連接以提供陣列較高的驅動電壓。
串聯連接係藉由連接光源內個別LED的配線，或藉由在一絕緣基板上製造每一LED與相鄰LED電氣隔離的LED陣列而形成。在上述後者串聯連接方式中，運用黃光微影法，在隔離的LEDs之間設置串聯電極。雖然第二方法具有降低封裝成本的潛力，不過僅限於用在特定製造系統。在此種製造系統中，LED層成長於藍寶石這類絕緣基板上，藉由在個別LED之間設置往下延伸至基板的溝渠等絕緣屏障，可隔離該等個別LEDs。
在矽晶圓等特定非絕緣基板上製造LED具有顯著的成本優勢。傳統生產線已經針對矽晶圓最佳化。此外，矽晶圓明顯比藍寶石晶圓便宜。最後，從一矽晶圓切割個別光源的過程大體上比藍寶石型系統中的對應切割過程來得容易。
因此，需要一種在矽晶圓或其他導電基板上產生串聯式LEDs之方法。
本發明包括一種光源以及製造該光源的方法。該光源包括一發光結構，其接合至一導電基板。該發光結構包括：一具第一導電性半導體材料之第一層，其位於該基板上方；一活性層，其位於該第一層上方；以及一具與第一導電性相反之導電性的半導體材料之第二層，其位於該活性層上方。一屏障將該發光結構分成彼此電氣隔離的第一和第二區段。一連接電極將該第一區段內的該第一層連接至該第二區段內的該第二層。一反射鏡與該等區段中每一區段內的該第一層電接觸，該連接電極將該第一區段內的該反射鏡連接至該第二區段內的該第二層。該基板包括第一和第二隔離區，讓該第一和第二區段內的該反射鏡彼此電氣隔離。該光源可由沉積在矽基板上的GaN半導體層(GaN半導體層包括AlInGaN的所有合金)所構成。
21‧‧‧矽基板
22‧‧‧n型層
22a‧‧‧散射部件
23‧‧‧活性層
24‧‧‧p型層
25‧‧‧反射鏡
26‧‧‧阻障金屬層
27‧‧‧絕緣層
28‧‧‧接合金屬層
31‧‧‧基板
32‧‧‧接合金屬層
34‧‧‧層
35‧‧‧往下蝕刻的三個LED層
37‧‧‧串聯電極
38‧‧‧p接點
39‧‧‧n接點
40‧‧‧最終串聯LED光源
51‧‧‧藍寶石基板
52‧‧‧n型層
53‧‧‧p型層
55‧‧‧活性層
56‧‧‧銦錫氧化物層
57、57a‧‧‧絕緣層
58‧‧‧開口區
59‧‧‧串聯電極
60‧‧‧光源
61、62‧‧‧電極
64、65‧‧‧區段
66‧‧‧隔離溝渠
67‧‧‧台地
68、69‧‧‧溝渠
71、77‧‧‧溝渠
73‧‧‧第二晶圓
74‧‧‧n型井
74a‧‧‧接合金屬層
78‧‧‧絕緣層
79‧‧‧阻障金屬層
81、82‧‧‧電源接點
90‧‧‧光源
第一圖為一光源的俯視圖。
第二圖為第一圖所示光源的截面圖。
第三圖至第七圖顯示一個具體實施例的光源之製造方法。
第八圖例示在成長基板移除後，裸露的n面已經蝕刻之具體實施例。
第九圖至第十三圖顯示另一具體實施例的串聯式光源之製造方法。
參照第一圖和第二圖可更容易瞭解本發明提供其優點的方式，此二圖描繪一習知串聯式GaN型LED光源。第一圖為光源60的俯視圖，而第二圖為第一圖的光源60沿切線2-2所取之截面圖。光源60包括兩個區段64和65；不過，從下列討論中將瞭解，使用相同設計可建構具有更多區段的光源。光源60由一具有三層的LED結構 所構成，其中該等層成長於一藍寶石基板51上。n型層52成長於基板51上，接著活性層55和p型層53成長於n型層52上。熟悉本領域技藝者了解，這些層可由子層構成，而且實際上LED具有許多其他層。為了本專利的目的，「位於上方的」層表示該等層可彼此接觸或有中間層介於其間。
區段64和65由一隔離溝渠66分隔，該溝渠穿過層52延伸至基板51，藉此電氣隔離區段64和65。隔離溝渠66包括一僅部分延伸進入層52的平坦區(plateau)67。一絕緣層57覆蓋隔離溝渠66的壁，該絕緣層57包括一開口區58，以供與每一區段的層52之部分進行電接觸。絕緣層57可由提供無孔洞缺陷的絕緣層之任何材料所構成。例如，可使用SiOx或SiNx作為絕緣材料。其他材料可包括聚硫亞氨(polyimide)、BCB、旋塗玻璃(spin-on-glass)以及半導體產業常用於元件平坦化的材料。
在光源60的端部上設有類似溝渠，如68和69所示。一串聯電極59沈積在隔離溝渠66內，如此一來，電極59經由絕緣層57內的開口58接觸層52。電極59也與相鄰區段內的ITO層56電接觸。因此，通過電極61和62提供電源時，區段64和65係以串聯的方式連結。結果是，光源60係以並聯連結的兩個相似LEDs的兩倍電壓和一半電流來運作。
絕緣層57延伸到電極59和61下方，如第二圖所示之57a。因為電極59不透明，所以會擋住在其正下方的活性層55部分所產生之光線。在此方面，請注意圖式所示該等層的厚度並未依照比例。實際上，層53的厚度遠小於層52的厚度，因此電極59擋住其下方所產生的大部分光線。因此，通過電極59下方之層55的電流大體上被浪費掉了，因為此電流所產生的大部分光線都耗損了。該絕緣層之延伸阻擋電流流過層55的這個被浪費的區域，因此改善光源的整體效率。電極61下方存在類似的問題，因此該絕緣層也延伸到該電極下方。
上述建構技術取決於屬於絕緣體且在溝渠產生期間提供良好的蝕刻停止功能的基板51。若基板51為矽晶圓這類導電基板，則兩個LED區段不會彼此隔離。因此，在一導電基板上形成LED結構時，將對此技術產生挑戰。如上所述，運用矽基板來形成LED結構具有顯著的優勢。本發明提供一種機制，允許LED結構形成在一矽基板上，同時仍提供具有複數個串聯連結的區段之單層LED結構之好處。
此時請參閱第三圖至第七圖，這些圖描繪本發明一具體實施例的光源之製造方法。請參閱第三圖。一開始，在一矽基板21上沉積n型層22、活性層23以及p型層24。基板21較佳為一<111>基板。該n型層可包括一或多層緩衝層，該(等)緩衝層有助於GaN族層成長在該矽基板上。緩衝層的範例包括AlN、AlGaN、AlxGal-xN及其組合。一銀金屬化層在該p型層位於LED內的區域之上圖案化，以提供一反射鏡與一p接點。這些反射鏡標示為25。為了保護銀，鉑這類阻障金屬層沉積在銀之上，標示為26。或者，可使用鈦(titanium，Ti)、鈦鎢(titanium-tungsten，TiW)或氮化鈦鎢(titanium-tungsten-nitride，TiWN)的阻障層。接著，以一包含一介電材料的絕緣層27覆蓋這些層。最後，在絕緣層27上沉積一接合金屬層28。AuSn可用來當成接合材料；不過也可運用其他材料。
此時請參閱第四圖，此圖描繪製程的下一個步驟。在此步驟，晶圓反轉並放置在一基板31之上，基板31被AuSn這類接合金屬層32所覆蓋。基板31可由任何數量的材料構成；不過在傳統製造設施中，較佳為有一第二矽基板以利於處理晶圓。為了降低成本，基板31較佳為一<100>晶圓。在兩個結構都已經壓在一起並接合之後，利用蝕刻、化學機械平坦化(chemical mechanical planarization，CMP)、研磨或其組合來去除晶圓21。也可使用其他合適的製程。該等晶圓可壓在一起，並且使用包括共熔金屬的接合技術來接合。合成的結構顯示於第五圖。
此時請參閱第六圖，此圖描繪製程的下一個步驟。去除基板21之後，往下蝕刻三個LED層至金屬層26，標示為35，以形成一終止於金屬層26上的溝渠。蝕刻較佳為使用採用磷酸這類酸性物質的濕式化學蝕刻來進行，不過也可採用其他濕式蝕刻劑或以電感耦合電漿(inductively coupled plasma，ICP)蝕刻或反應式離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)來完成。一絕緣層形成於LED層疊結構的一壁上，使該層疊結構的側壁不會接觸接下來沉積的串聯電極。SiNx或SiOx為用於層34的較佳絕緣體；不過若層的厚度足以避免p型層和活性層與n型層短路，可使用其他材料。
此時請參閱第七圖，此圖為最終串聯LED光源40的截面圖。一金屬層在第六圖所示之基板之上圖案化，以提供複數個將一個LED內p型層連接至相鄰LED內n型層的串聯電極37。一n接點39和一p接點38形成在兩個末端LEDs上且用於供電給該光源。
請注意，光源40的上表面為裸露n面的n-GaN表面。此表面很容易蝕刻來提供散射特徵，以提高從LED萃取光的效率。在第一圖與第二圖所示的傳統串聯配置當中，該裸露的表面為p-GaN層的Ga面。Ga面比較耐蝕刻。此外，p-GaN層較佳為盡可能薄，以減少阻抗比n-GaN材料高得多的p-GaN材料中的功率耗損。因此，本發明此具體實施例在光萃取效率方面提供額外好處。蝕刻可在第五圖所示、成長基板已經移除的階段進行。此時請參閱第八圖，此圖描繪成長基板經移除後，裸露的n面已經被蝕刻之具體實施例。在此例中，層22的上表面經蝕刻以提供散射特徵22a。該等散射特徵的尺寸較佳為大於LED所產生光線的波長。晶圓的剩餘製程大體上與上面參考第六圖至第七圖所說明的製程相同。
如上面所提及，LED型光源要考慮到散熱的問題。因此，基板31較佳為一良好的熱導體。矽是良好的熱導體，因此運用矽晶圓作為安裝基板的具體實施例具有額外的優點。藉由消除上述具體實施例中標示為27的絕緣層，可進一步改善本發明光源之熱傳特性。此 時請參閱第九圖至第十二圖，這些圖描繪本發明另一個具體實施例的串聯式光源之製造。光源90的建構一開始以類似於上面討論的建構方式進行，不過省略了絕緣層27。接合金屬層28直接施予在金屬層26上。接著，往下切割溝渠71至p型層24，如第九圖中標示為71。
成長基板相對於第二晶圓73顛倒放置，其中第二晶圓73為具有複數個n型井74的p型矽晶圓，如第十圖所示。每一n型井74都位於對應的一個LED區段下方，並由一用來接合至該等LED區段上的對應層之接合金屬層74a所覆蓋。該等n型井將該等LED區段彼此隔開，因此不需要上面討論的絕緣層27。接著，運用該等金屬層接合兩晶圓。最後，移除基板21留下第十一圖所示的結構。
此時請參閱第十二圖。切出溝渠77以將LED層分成複數個區段。該等溝渠往下延伸至阻障金屬層79。接著，沉積一絕緣層78，使每一區段的邊緣不受形成串聯電極(如第十三圖所示)之後續金屬沉積所影響。絕緣層可由提供無孔洞缺陷的絕緣層之任何材料所建構而成。例如，可使用SiNx作為絕緣材料。其他材料可包括聚醯亞胺(polyimide)、BCB以及玻璃。在形成該等串聯電極時也沉積電源接點81和82，作為相同圖案化金屬沉積過程的一部分。
上述具體實施例使用GaN半導體層。不過，須瞭解的是，可使用其他材料。例如，LED層可由GaN族材料中的其他成員所構成。為了討論，GaN族材料定義為GaN、InN和AlN的所有合金組成物。不過，根據本發明的教示，也可建構使用其他材料系統與基板的具體實施例。本發明特別適用於矽基板上的GaN型LEDs。請注意，最終安裝基板並不需要為半導體，例如可使用金屬基板。這些基板比矽便宜得多，且熱傳導性明顯較高。上述具體實施例將矽基板用於最終裝置，因為傳統半導體製造設施常處理這種基板，同時仍舊提供良好的導熱性。
上述具體實施例使用具有三層的LED結構，不過，須瞭解的是，這些層中的每一層可包括複數子層。
上述本發明的具體實施例係提供以例示本發明各種態樣，不過須瞭解的是，在不同特定具體實施例中顯示的本發明不同態樣可結合，以提供本發明的其他具體實施例。此外，從上面的描述以及附圖，熟悉本領域技藝者明白可對本發明進行許多修改。因此，本發明只受限於下列申請專利範圍。
22‧‧‧n型層
23‧‧‧活性層
24‧‧‧p型層
26‧‧‧阻障金屬層
37‧‧‧串聯電極
38‧‧‧p接點
39‧‧‧n接點
40‧‧‧最終串聯LED光源

Claims (15)

  1. 一種光源，包含：一導電基板，其係包含具第一導電性的矽；一發光結構，包含：一具該第一導電性的半導體材料之第一半導體層，其位於該基板上方；一活性層，其位於該第一半導體層上方；以及一具第二導電性的半導體材料之第二半導體層，其位於該活性層上方，該第二導電性係與該第一導電性相反；一屏障，其將該發光結構分成彼此電氣隔離的第一和第二區段；一連接電極，其將該第一區段內的該第一半導體層連接至該第二區段內的該第二半導體層；以及一反射鏡，其與該等區段中每一區段的該第一半導體層電接觸，該連接電極將該第一區段內的該反射鏡連接至該第二區段內的該第二半導體層；其中該基板包含第一和第二隔離區，讓該第一和第二區段內的該反射鏡彼此電氣隔離，且其中該第一和第二隔離區包含位於該基板內的一具該第二導電性之區。
  2. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該基板藉由一金屬層接合至該發光結構。
  3. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該第一半導體層包含一p型GaN族成員。
  4. 一種製造光源的方法，該方法包含：在一第一基板上沉積一發光結構，該發光結構包含：一具第一導電性的第一半導體層，其沉積於該基板上； 一活性層，其位於該第一半導體層上方；以及一具第二導電性的第二半導體層，其位於該活性層上方，該第二導電性係與該第一導電性相反；在該第二半導體層之上圖案化一金屬反射鏡層，且該金屬反射鏡層與該第二半導體層電接觸；沉積一位於該反射鏡層上方的金屬接合層；將該金屬接合層接合至一第二基板，該第二基板係包含具該第一導電性的矽；移除該第一基板，藉此裸露出該第一半導體層；產生一屏障，其將該發光結構分成彼此電氣隔離的第一和第二區段；以及沉積一串聯電極，其將該第一區段內的該第一半導體層連接至該第二區段內的該第二半導體層；其中該第二基板包含第一和第二隔離區，該第一和第二隔離區係該第二基板內的具該第二導電性之區，且該第一和第二隔離區讓該第一和第二區段內的該反射鏡彼此電氣隔離。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該第二基板包含一矽晶圓。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該第一半導體層包含一n型GaN族成員。
  7. 一種發光裝置，包含：一矽基板；一發光結構，其形成於該矽基板上，該發光結構包含：一具第一導電性的第一半導體層，其形成於該矽基板之上；一活性層，其位於該第一半導體層之上；以及一具與該第一導電性相反之導電性的第二半導體 層，其形成於該活性層之上；一溝渠，其將該發光結構分成彼此電氣隔離的第一和第二區段；一反射鏡，其與該第一和第二區段中每一區段的該第一半導體層電接觸；一阻障層，其相鄰於該反射鏡而形成，且形成於該第一和第二區段中每一區段的該反射鏡與該矽基板之間，該阻障層的上表面與該第一半導體層的下表面實質上位於同一平面，該阻障層的該上表面係部分裸露出該溝渠；以及一連接電極，其連接該第一區段內之裸露出該溝渠之該阻障層的該上表面，且將第一區段內之該阻障層連接至該第二區段內之該第二半導體層，以使該第一區段內之該第一半導體層與該第二區段內之該第二半導體層電相接；其中該矽基板係包含第一和第二隔離區，讓該第一和第二區段內的該反射鏡彼此電氣隔離。
  8. 如申請專利範圍第7項之發光裝置，其中該等隔離區包含一位於該反射鏡與該矽基板之間的絕緣層。
  9. 如申請專利範圍第7項之發光裝置，其中該矽基板藉由一金屬層接合至該發光結構。
  10. 如申請專利範圍第7項之發光裝置，其中該第一半導體層包含一p型GaN族成員。
  11. 一種製造發光裝置的方法，該方法包含：於第一矽基板上沉積一發光結構，該發光結構包含：一第一半導體層，其形成於該矽基板之上；一活性層，其位於該第一半導體層之上；以及一第二半導體層，其形成於該活性層之上；於該第二半導體層之上圖案化金屬反射鏡層，且該金屬反射鏡層與該第二半導體層電接觸； 於該反射鏡層與該第二半導體層上形成阻障層；於該阻障層上形成一金屬接合層；將該金屬接合層接合至第二矽基板；移除該第一矽基板；蝕刻該發光結構直到該阻障層之上表面裸露，使該發光結構分成彼此電氣隔離的第一和第二區段，該阻障層之該上表面與該第二半導體層的下表面實質上位於同一平面；以及形成連接電極，其係接觸該第一區段內的該阻障層之該上表面，且將該第一區段內的該阻障層連接至該第二區段內的該第一半導體層。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第二矽基板係包含第一和第二隔離區，讓該第一和第二區段內的該反射鏡彼此電氣隔離。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該第一和第二隔離區其包含一位於該反射鏡與該第二矽基板之間的絕緣層。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第二矽基板係包含矽。
  15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第一半導體層包含一n型GaN族成員。
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