TWI549318B - 發光裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係相關於一種發光裝置及其製造方法。
例如發光二極體(light emitting diode,LED)之發光裝置以化合物半導體之PN接合被作為之半導體光源並發出不同顏色的光。
舉例而言，以例如氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)及氮化鋁(AlN)之III-V族之化合物所製作之氮化基LED可廣泛地用作為發出短波長的光(紫外光及綠光)、及特別是藍光的發光裝置。發光裝置提供長效、緊緻且輕量之設計及低電壓驅動，因為其所發出之光的高方向性。此外，發光裝置對衝擊與振動係為高度抵抗的，不需要預熱時間或複雜之操作。發光裝置亦可以不同之形狀與尺寸進行封裝且可被廣泛地用於各種應用上。
作為例如LED的發光裝置之製造的一種方式，已提出一種垂直結構。該方式包含堆疊化合物半導體層於絕緣基板上，例如已知最佳滿足用以長晶之晶格匹配(lattice matching)條件的藍寶石基板，以及移除該絕緣基板。此等垂直發光裝置係被分類為P及N電極係設置於該化合物半導體結構之同一表面的發光裝置以及N及P電極係設置於該化合物半導體結構之相反表面的發光裝置。當降低由於該電極的存在而阻擋了光之傳遞的缺點時，N及P電極係設置於該化合物半導體結構之同一表面的發光裝置可提供
較佳地電流散佈(current spreading)性能。
傳統地，當電極形成於化合物半導體結構及基板上時，為了在具有相反極性之電極之間具有電性絕緣，電極材料係以絕緣材料覆蓋。此外，為了提供基板與化合物半導體層之間的電性傳導，晶圓級晶片尺寸封裝件之製造程序包含形成絕緣材料以及沉積導電材料於該絕緣材料上。此可能造成對準偏移(misalignment)，導致高失效率(failure rate)。此方式亦可能需要與化合物半導體層相鄰之空間以形成絕緣層並沉積導電材料於該絕緣層上，因此減少了相較於該化合物半導體層之面積的發光面積。
本發明係提供一種發光裝置及其製造方法，其簡化了製造程序並藉由允許電極材料通過沉積之絕緣材料以減少具有不同極性之電極材料之間的電性傳導。
其它態樣將於下列之敘述中闡明一部份，且一部份藉由該敘述或藉由實踐中學習本發明之實施例將變得顯而易見。
依據本發明之一態樣，一種發光裝置包含：化合物半導體結構，係具有第一N型化合物半導體層、主動層及P型化合物半導體層；P型電極層，係設置於該P型化合物半導體層上並與該P型化合物半導體層電性連接；複數個絕緣壁，係設置於該化合物半導體結構及該P型電極層之兩側；複數個N型電極層，係穿透該複數個絕緣壁；以及導電基板，其中，分別地對應於該N型電極層之複數個N
型電極連接層係與對應於該P型電極層之P型電極連接層分開。
依據本發明之另一態樣，一種發光裝置包含：化合物半導體結構，係具有第一N型化合物半導體層、主動層及P型化合物半導體層；P型電極層，係設置於該P型化合物半導體層上並與該P型化合物半導體層電性連接；絕緣壁，係形成於該化合物半導體結構及該P型電極層之中間部分；N型電極層，係通過該絕緣壁；以及導電基板，其上，對應於該N型電極層之N型電極連接層係與對應於該P型電極層之複數個P型電極連接層分開。
依據本發明之又一態樣，一種製造發光裝置之方法包含：形成複數個絕緣壁於基板上；形成化合物半導體結構及P型電極層於由該複數個絕緣壁所定義之內空間中；形成對應之N型電極層於該複數個絕緣壁中；以及黏合導電基板，其中，複數個N型電極連接層係與P型電極連接層分開。
現將詳細地參考實施例，附圖中所顯示之範例，於該附圖中，相似之元件符號係自始至終關聯於相似之元件。在這方面，本發明之實施例可具有不同之形式且不應以此處之敘述為限。因此，該等實施例僅敘述如下，參考附圖以說明本發明之態樣。
第1圖係為依據本發明之一實施例的一種發光裝置之剖面圖。
參照第1圖，依據本發明之實施例的發光裝置100包含化合物半導體結構120、形成於該化合物半導體結構120之任一側的絕緣壁131及132以及電極結構。
該化合物半導體結構120包含成長於預定基板(第1圖中之101)的P型化合物半導體層121、主動層122、以及第一N型化合物半導體層123。提供作為長晶之基底的該基板101可如下述地被移除。
舉例而言，該化合物半導體結構120可為藉由成長例如氮化鎵、氮化銦及氮化鋁之III-V族化合物半導體晶體而形成之氮化半導體二極體。可使用例如滿足用於長晶之晶格匹配條件之藍寶石基板的絕緣基板製造此氮化半導體二極體。該P型化合物半導體層121具有P型傳導性(conductivity)，而該第一N型化合物半導體層123則具有N型傳導性。依據應用，該P型及該N型化合物半導體層121及123可具有不同於上述之傳導性。
該主動層122係設置於該P型及該第一N型化合物半導體層121及123之間。該主動層122可具有多重量子井(multiple-quantum-well,MQW)結構。該MQW結構係由複數個量子井層以及插入該複數個量子井層之間的複數個量子阻障層(quantum barrier layer)所組成。舉例而言，當該化合物半導體結構120係為氮化鎵LED時，可以氮化鎵摻雜P型不純物(impurity)形成該P型化合物半導體層121。可以氮化鎵摻雜N型不純物(impurity)形成該第一N型化合物半導體層123。該主動層122可藉由交替地堆疊
氮化銦鎵(indium gallium nitride,InGaN)量子井層及量子阻障層以形成。
該絕緣壁131及132係形成於該化合物半導體結構120之二側邊緣。該絕緣壁131及132可以例如聚亞醯胺的一般絕緣材料製作。
該電極結構包含N及P型電極結構。
該N型電極結構包含N型電極層141及142、覆蓋該化合物半導體結構120及該絕緣壁131及132之第二N型化合物半導體層110，以及設置於導電基板170之二側邊緣之N型電極連接層171及172，該導電基板170係藉由導電黏著劑層160黏合於該化合物半導體結構120及該絕緣壁131及132之下表面。
該P型電極結構包含與該P型化合物半導體層121之下表面接觸的P型電極層150，以及設置於該導電基板170之該N型電極連接層171及172之間的P型電極連接層173。
該N型電極連接層171及172係藉由分隔壁181及182與該P型電極連接層173電性絕緣。即，該分隔壁181及182穿透該導電基板170及該導電黏著劑層160，從而分別地與該絕緣壁131及132接觸。因此，該N型電極結構可與該P型電極結構電性絕緣。
該P型電極層150係形成於該絕緣壁131及132之間，從而與該化合物半導體結構120之下表面接觸，且不以此為限。舉例而言，若該P型電極層150可藉由該分隔
壁181及182與該N型電極層141及142和該N型電極連接層171及172電性分隔開，該P型電極層150可形成於該絕緣壁131及132之間的空間之外。
該N型電極結構之傳導路徑包含該N型電極連接層171及172、該導電黏著劑層160、該N型電極層141及142、該第二N型化合物半導體層110以及該第一N型化合物半導體層123。
該P型電極結構之傳導路徑包含該P型電極連接層173、該導電黏著劑層160、該P型電極層150以及該P型化合物半導體層121。
該第二N型化合物半導體層110係以與該第一N型化合物半導體層123相同之材料製作，且具有凹凸結構111形成於該第二N型化合物半導體層110上表面。磷光質(phosphor)層190係敷蓋於該凹凸結構111上。
由該P型化合物半導體層121及該第一N型化合物半導體層123射出之電洞與電子在該主動層122中會合以產生光。由該主動層122所產生之光經過該第二N型化合物半導體層110及覆蓋該化合物半導體結構120之磷光質層190射出。
在依據本發明之實施例的第1圖之發光裝置100中，該絕緣壁131及132係藉由切割晶圓之一部分S1(見第3圖)形成於該化合物半導體結構120之任一側。第12圖係為依據本發明之另一實施例的一種發光裝置200之剖面圖。
參照第12圖，依據本發明之實施例的發光裝置200包含化合物半導體結構220、形成於該化合物半導體結構220之中間部分的絕緣壁231、以及電極結構。
該化合物半導體結構220包含P型化合物半導體層221、主動層222、以及第一N型化合物半導體層223。
該絕緣壁231係藉由切割如第3圖所示之晶圓的一部分S2形成於該化合物半導體結構220之中間部分。
該電極結構包含N型及P型電極結構。
該N型電極結構包含通過該絕緣壁231內部之N型電極層241、覆蓋該化合物半導體結構220及該絕緣壁231之第二N型化合物半導體層210、以及設置於導電基板270之中間部分之N型電極連接層271，該導電基板270係藉由導電黏著劑層260黏合於該化合物半導體結構220及該絕緣壁231之下表面。
該P型電極結構包含與該P型化合物半導體層221之下表面接觸的P型電極層250，以及設置於該導電基板270之該N型電極連接層271之任一側的P型電極連接層272及273。
該N型電極連接層271係藉由分隔壁281及282與該P型電極連接層272及273電性絕緣。即，該分隔壁281及282係位於N型電極連接層271之任一側，從而穿透該導電基板270及該導電黏著劑層260且與該絕緣壁231接觸。因此，該N型電極結構可與該P型電極結構電性絕緣。
該N型電極結構之傳導路徑包含該N型電極連接層
271、該導電黏著劑層260、該N型電極層241、該第二N型化合物半導體層210、以及該第一N型化合物半導體層223。
該P型電極結構之傳導路徑包含該P型電極連接層272及273、該導電黏著劑層260、該P型電極層250、以及該P型化合物半導體層221。
該第二N型化合物半導體層210係以與該第一N型化合物半導體層223相同之材料製作，且具有凹凸結構211形成於該第二N型化合物半導體層210上表面。磷光質層290係敷蓋於該凹凸結構211上。
該絕緣壁131及132(231)之位置並不以第1圖及第12圖所示為限。該絕緣壁131及132(231)依據在晶圓上之切割的位置而位於不同於該二側邊緣或中間部分的其它位置。
第2至11圖例示依據本發明之一實施例的第1圖中的發光裝置100之製造方法。因為除了該絕緣壁131及132(231)之位置以外，第12圖中的發光裝置200之製造方法包含如參考第2至11圖所描述之方法相同的製程，故於此不再贅述。
參照第2圖，該第二N型化合物半導體層110係形成於該基板101上。可合適地選擇該基板101以對於化合物半導體可以該基板101成長晶體。舉例而言，若成長氮化半導體之單晶，該基板101可為藍寶石基板、氧化鋅(zinc oxide,ZnO)基板、氮化鎵(gallium nitride,GaN)基板、
碳化矽(silicon carbide,SiC)基板及氮化鋁(Aluminum nitride,AlN)基板中之一者。
參照第3圖，絕緣層130係於該第二N型化合物半導體層110上形成至預定厚度。之後，以光罩P覆蓋該絕緣層130，該光罩P具有係形成在對應於該絕緣層130用以形成該絕緣壁131、132及133之部分的位置上的圖案，然後以紫外光(ultraviolet rays,UV rays)輻射。隨後，該絕緣壁131及132之間與該絕緣壁131及133之間的空間係使用微影蝕刻製程進行蝕刻。該微影蝕刻製程於本領域中係廣為人知，故省略其詳細敘述。
現將描述選擇第3圖中所示之晶圓的該部分S1之製造發光裝置的方法。
參照第4圖，在該空間(第3圖中的134)中，該第一N型化合物半導體層123、該主動層122以及該P型化合物半導體層121係連續地成長在該第二N型化合物半導體層110上以形成該化合物半導體結構120。然後形成P型電極層150於該化合物半導體結構120上。
可藉由成長例如氮化鎵、氮化銦及氮化鋁之III-V族化合物半導體以形成該化合物半導體結構120。舉例而言，當該化合物半導體結構120係為氮化鎵LED時，該P型化合物半導體層121、該主動層122及該第一N型化合物半導體層123可以藉由有機金屬化學汽相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)設備磊晶成長具有表示為AlxInyGa1-x-yN(0x1,0y1,0x+y1)之成
分的半導體材料而形成。即，可以氮化鎵(GaN)或氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)摻雜例如鎂(magnesium,Mg)、鋅(Zn)或鈹(beryllium,Be)之第二傳導性類型的不純物以形成該P型化合物半導體層121。該主動層122可具有氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井(InGaN/GaN MQW)結構或單一重量子井結構或雙異質結構(double heterostructure)。可以氮化鎵或氮化鎵/氮化鋁鎵摻雜例如矽(Si)、鍺(Ge)或錫(Sn)之第一傳導性類型的不純物以形成該第一及第二N型化合物半導體層123及110。
可藉由分別地沉積鋁/鈦/鉑(Al/Ti/Pt)層至200nm/1200nm/20nm之厚度以形成該P型電極層150。
參照第5圖，開孔136及137穿透該絕緣壁131及132，以此方式暴露一部分之該第二N型化合物半導體層110。該開孔136及137可以各種方式中的一者形成，例如機械鑽孔、超音波鑽孔、雷射鑽孔、噴砂及乾式蝕刻或該等方式之組合。
參照第6圖，係使用濺鍍或化學氣相沉積(CVD)填充例如Al/Ti/Pt之導電材料至形成於該絕緣壁131及132中的該開孔136及137，從而形成與該第二N型化合物半導體層110接觸之該N型電極層141及142。
參照第7圖，該導電基板170係隨後以該導電黏著劑層160黏合至該絕緣壁131及132、該N型電極層141及142及該P型電極層150上。在300℃以上之溫度下，施加預定之壓力於該導電黏著劑層160以便將該導電基板170
黏合至該導電黏著劑層160。該導電基板170係提供作為該發光裝置100之最後支撐，並且，因為係在300℃以上之溫度下執行該黏合，該導電基板170可具有與該基板101相似的熱膨脹係數。該導電基板170可為矽(Si)基板、砷化鎵(GaAs)基板及鍺(Ge)基板中之一者。
參照第8及9圖，形成穿過該導電基板170及該導電黏著劑層160的開孔174及175。該開孔174及175可以各種方式中的一者形成，例如機械鑽孔、超音波鑽孔、雷射鑽孔、噴砂及乾式蝕刻或該等方式之組合。
該N型電極連接層171及172係藉由該開孔174及175與該P型電極連接層173分隔開。係使用濺鍍或化學氣相沉積(CVD)填充例如聚亞醯氨之絕緣材料至該開孔174及175中，從而形成絕緣分隔壁181及182。在此情況下，該開孔174及175可暴露一部分之該絕緣壁131及132，以便該分隔壁181及182避免該N型電極連接層171及172及該P型電極連接層173之間的電性傳導。
參考第7至9圖所描述之製程可以由不同的順序實施。更具體而言，該導電黏著劑層160可形成於該導電基板170上，且形成穿過該導電基板170及該導電黏著劑層160的開孔174及175。然後，可以絕緣材料填充該複數個開孔174及175，以便形成分隔壁181及182，其電性地分隔開該N型電極連接層171及172及該P型電極連接層173。隨後，將該導電基板170黏合至該絕緣壁131及132、該N型電極層141及142、及該P型電極層150上，從而
該N型電極連接層171及172分別地對應至該N型電極層141及142且該P型電極連接層173對應至該P型電極層150。
參照第10圖及第11圖，從該第二N型化合物半導體層110移除該基板101。為了增加該發光裝置100之光提取(light extraction)效率，在移除該基板101之後，自其中提取光的該第二N型化合物半導體層110可具有凹凸結構111形成在該第二N型化合物半導體層110之上表面上。該磷光質層190係形成於該凹凸結構111上，從而實現各種顏色的光。
應該了解到此處所敘述之範例實施例僅考慮作為描述性之意義而非為了限制之目的。應認為各實施例中的技術特徵或樣態之描述可用於其他實施例中相似的其他技術特徵或態樣。
100、200‧‧‧發光裝置
101‧‧‧基板
110、210‧‧‧第二N型化合物半導體層
111、211‧‧‧凹凸結構
120、220‧‧‧化合物半導體結構
121、221‧‧‧P型化合物半導體層
122、222‧‧‧主動層
123、223‧‧‧第一N型化合物半導體層
131、132、133、231‧‧‧絕緣壁
134‧‧‧空間
136、137‧‧‧開孔
141、142、241‧‧‧N型電極層
150、250‧‧‧P型電極層
160、260‧‧‧導電黏著劑層
170、270‧‧‧導電基板
171、172、271‧‧‧N型電極連接層
173、272、273‧‧‧P型電極連接層
174、175‧‧‧開孔
181、182、281、282‧‧‧分隔壁
190、290‧‧‧磷光質層
由下列實施例之敘述，結合附圖，此些及/或其它態樣將變得顯而易見且易於了解，其中：第1圖係為依據本發明之一實施例的一種發光裝置之剖面圖；第2至11圖例示依據本發明之一實施例的一種發光裝置之製造方法；以及第12圖係為依據本發明之另一實施例的一種發光裝置之剖面圖。
100‧‧‧發光裝置
110‧‧‧第二N型化合物半導體層
111‧‧‧凹凸結構
120‧‧‧化合物半導體結構
121‧‧‧P型化合物半導體層
122‧‧‧主動層
123‧‧‧第一N型化合物半導體層
131,132‧‧‧絕緣壁
141,142‧‧‧N型電極層
150‧‧‧P型電極層
160‧‧‧導電黏著劑層
170‧‧‧導電基板
171,172‧‧‧N型電極連接層
173‧‧‧P型電極連接層
181,182‧‧‧分隔壁
190‧‧‧磷光質層
Claims (14)
- 一種發光裝置，包括：化合物半導體結構，包含第一N型化合物半導體層、主動層及P型化合物半導體層；P型電極層，係設置於該P型化合物半導體層上並與該P型化合物半導體層電性連接；複數個絕緣壁，係設置於該化合物半導體結構及該P型電極層之兩側；複數個N型電極層，係穿透該複數個絕緣壁；導電基板，其中，分別地對應於該N型電極層之複數個N型電極連接層係與對應於該P型電極層之P型電極連接層分開；以及導電黏著劑層，形成於該導電基板上，以使該複數個N型電極連接層係各自地與該N型電極層電性連接，且使該P型電極連接層係與該P型電極層電性連接，其中，該導電基板與該導電黏著劑層包含複數個分隔壁，係將該複數個N型電極連接層與該P型電極連接層分開以避免其間之電性傳導。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，另包括第二N型化合物半導體層，係覆蓋該第一N型化合物半導體層及該複數個絕緣壁，並將該N型電極層連接至該第一N型化合物半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，該複數個分隔壁係與該複數個絕緣壁接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，第二N型化合物半導體層具有凹凸結構，形成於該第二N型化合物半導體層之上表面。
- 一種發光裝置，包括：化合物半導體結構，包含第一N型化合物半導體層、主動層及P型化合物半導體層；P型電極層，係設置於該P型化合物半導體層上並與該P型化合物半導體層電性連接；絕緣壁，係形成於該化合物半導體結構及該P型電極層之中間部分；N型電極層，係通過該絕緣壁；導電基板，其中，對應於該N型電極層之N型電極連接層係與對應於該P型電極層之複數個P型電極連接層分開；以及導電黏著劑層，形成於該導電基板上，以使該N型電極連接層係與該N型電極層電性連接，且使該複數個P型電極連接層係與該P型電極層電性連接，其中，該導電基板與該導電黏著劑層包含複數個分隔壁，係將該N型電極連接層與該複數個P型電極連接層分開以避免其間之電性傳導。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光裝置，另包括第二N型化合物半導體層，係覆蓋與該第一N型化合物半導體層及該絕緣壁，並將該N型電極層連接至該第一N型化合物半導體層。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光裝置，其中，該複數個分隔壁係與該絕緣壁接觸。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光裝置，其中，第二N型化合物半導體層具有凹凸結構，形成於該第二N型化合物半導體層之上表面。
- 一種製造發光裝置之方法，包括：形成複數個絕緣壁於基板上；形成化合物半導體結構及P型電極層於由該複數個絕緣壁所定義之內空間中；形成對應之N型電極層於該複數個絕緣壁中；以及黏合導電基板，其中，複數個N型電極連接層係與P型電極連接層分開，其中，形成該複數個絕緣壁於該基板上包括：形成第二N型化合物半導體層於該基板上；形成絕緣層於該第二N型化合物半導體層上；以及圖案化該絕緣層以形成複數個分別隔開的絕緣壁於該基板之任一側，其中，形成對應之N型電極層於該複數個絕緣壁中包括穿透該對應之複數個絕緣壁以形成由該複數個絕緣壁之上表面延伸至該第二N型化合物半導體之上表面的複數個開孔，並以金屬材料填充該複數個開孔，且其中，該黏合導電基板包括：形成導電黏著劑層於該導電基板上；穿透該導電基板與該導電黏著劑層以形成複數個 開孔；以絕緣材料填充各該開孔並形成複數個分隔壁以分開該P型電極連接層與該複數個N型電極連接層；以及黏合該導電基板，以使該複數個N型電極連接層分別地對應於該複數個N型電極層，及使該P型電極連接層對應於該P型電極層。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，形成化合物半導體結構及P型電極層包括連續地堆疊第一N型化合物半導體層、主動層及P型化合物半導體層以形成該化合物半導體結構，並形成該P型電極層於該P型化合物半導體層上。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，該複數個分隔壁係與該絕緣壁接觸。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法，另包括移除該基板。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，第二N型化合物半導體層具有凹凸結構，形成於該第二N型化合物半導體層之上表面。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，另包括形成磷光質層於該凹凸結構上。
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