TWI575769B - 發光二極體晶片、發光裝置以及發光二極體的晶圓級結構 - Google Patents

發光二極體晶片、發光裝置以及發光二極體的晶圓級結構 Download PDF

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李仁智
潘錫明
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Description

發光二極體晶片、發光裝置以及發光二極體的晶圓級結構
本發明是有關於一種發光二極體(light emitting diode,LED)晶片、發光裝置以及發光二極體的晶圓級結構。
LED晶片是一種主要由例如III-V族化合物半導體材料所組成的半導體元件。由於此半導體材料具有將電轉換為光的特性，因此，當施加電流至半導體材料時，其中的電子會與電洞結合並以光的形式釋放過多的能量，進而達到發光的效果。
藍寶石在LED晶片中常被作為磊晶成長基板。由於藍寶石是一種可透光的材料，因此，利用藍寶石所製作的LED晶片會將光散射至所有方向，不會聚光而造成浪費。同時，散射光被LED晶片內的各個半導體層吸收，而使得LED晶片的發光效率降低。
基於上述，需要對現有LED晶片進行改良。
本發明提供一種發光裝置，包括一發光二極體(light emitting diode,LED)晶片以及一封裝物。LED晶片包括具有一第一面以及相對於第一面的一第二面的一LED結構層、配置於第一面上的兩電極、以及一成長基底。成長基底包括面向LED結構層的一第三面、相對於第三面的一第四面、以及連接在第三面以及第四面之間的一側面，其中成長基底為可透光且配置於LED結構層的第二面上，第四面的面積大於第三面的面積，且從一剖面看，成長基底的側面的至少一部分為傾斜或弧狀。此外，封裝物覆蓋成長基底的第四面並暴露兩個電極。
基於上述，本發明的發光裝置提供具有特定幾何形狀的成長基底，以防止封裝物以及成長基底之間的脫層，進而提升發光裝置的結構可靠度。
本發明更提供一種發光二極體的晶圓級結構。晶圓級結構包括一成長基板、一LED結構層以及多個電極。可透光的成長基板具有一頂面以及在頂面上的多個溝槽，以將成長基底定義為多個基板單元。從一剖面看，各個溝槽具有從頂面延一方向逐漸減小的一寬度。LED結構層覆蓋頂面而未覆蓋溝槽。多個電極配置於LED結構層上。
當本發明於晶圓級結構中實施時，發光二極體晶片可藉由批次製程在成長基板上製作，而具有節省成本、改善產率等優點。各個發光二極體晶片可在切割後沿著溝槽而相互分離，接著 再被封裝物包覆。
本發明更提供一種LED晶片，其包括具有一第一面以及相對於第一面的一第二面的一LED結構層、配置於第一面上的兩電極、以及一成長基底。成長基底包括面向LED結構層的一第三面、相對於第三面的一第四面、以及連接在第三面以及第四面之間的一側面。其中成長基底為可透光且配置於LED結構層的第二面上。第四面的面積大於第三面的面積，且從一剖面看，成長基底的側面的至少一部分為傾斜或弧狀。
本發明之LED晶片具有至少部分為弧狀的側面，而適於用封裝物來進行封裝。封裝物可由於成長基底的特定幾何形狀而緊密地固定於成長基底上，而有效地防止封裝物以及成長基底之間的脫層。此外，藉由在成長基底的側面形成至少一弧狀部分可改善LED晶片的發光效率以及光輸出的均勻性。
100、200、500A、500B、500C、500D‧‧‧發光裝置
110、210、410A、410B、410C、410D、650、750‧‧‧LED晶片
112、620、720‧‧‧LED結構層
112a‧‧‧第一面
112b‧‧‧第二面
114、214‧‧‧成長基底
114a、214a‧‧‧第三面
114b、214b‧‧‧第四面
114c、214c、412、422、432、442、512、522、532、542、642‧‧‧側面
120‧‧‧封裝物
120a‧‧‧第五面
132、134、430、730‧‧‧電極
310‧‧‧反射層
320、444、544‧‧‧非平坦結構
610、710‧‧‧成長基板
610a、710a‧‧‧基板單元
612、712‧‧‧頂面
632、732‧‧‧端面
640、740‧‧‧溝槽
D‧‧‧深度
F‧‧‧外力
P1‧‧‧第一部分
P2‧‧‧第二部分
T‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
θ‧‧‧傾角
所附圖式用以提供對本發明的更進一步理解，且併入並構成本說明書的一部分。圖式繪示出本發明的實施例，且與說明一起用以解釋本發明的技術方案。
圖1繪示出依據本發明一實施例的一種發光裝置。
圖2表示出施加於圖1的成長基底側面的作用力的分量示意圖。
圖3繪示出依據本發明另一實施例的發光裝置。
圖4A至圖4D分別表示出依據本發明的不同類型的發光裝置的光線分布。
圖5A至圖5D分別表示出依據本發明的其他不同類型的發光裝置的光線分布。
圖6A至圖6C依序繪示出依據本發明的一實施例的LED晶片的製造過程。
圖7A至圖7C依序繪示出依據本發明的另一實施例的LED晶片的製造過程。
現在將詳細地說明本發明的實施例。盡可能地，用於附圖和說明中的相同的參考標號意指相同或相似的部分。
圖1繪示出依據本發明一實施例的一種發光裝置100。發光裝置100可藉由封裝物120對LED晶片110進行封裝而形成。封裝物120可包括螢光體。LED晶片110包括具有第一面112a以及相對於第一面112a的第二面112b的LED結構層112，其可形成於成長基底114上。
在本實施例中，成長基底114不會在進行製作LED結構層之後而移除。成長基底114可為藍寶石基材或其他可應用的基材如矽或碳化矽等。LED結構層112基本上由氮化鎵系化合物半導體所形成，如GaN、AlGaN、InGaN等。由於成長基底114為可透光，使得藉由LED結構層112所發出的部分光可穿透成長基底 114，接著再從LED晶片110輸出。
成長基底114包括面向LED結構層112的第三面114a、相對於第三面114a的第四面114b、以及連接在第三面114a以及第四面114b之間的側面114c。兩電極132及134提供於LED結構層112的第一面112a上，其中電極132及134中之一為LED晶片110的正極，而另一者為LED晶片110的負極。
在本發明中，封裝物120覆蓋第四面114b、成長基底114的側面114c、以及LED結構層112，其中LED結構層112的第一面112a以及兩電極132及134被封裝物120暴露。封裝物120具有第五面120a，其靠近且實質上平行或接近平行於LED結構層112的第一面112。較佳地，封裝物120的第五面120a實質上與第一面112a共面或接近共面。並且，兩電極132及134的端面可實質上彼此共面或接近共面。換句話說，發光裝置100的底部幾乎為平面，而使發光裝置100在焊接製程上容易與外部電路如中介層、印刷電路板(printed circuit board,PCB)等連接。
此外，本發明的成長基底114以特定幾何形狀所形成，其中第四面114b的面積大於第三面114a的面積。因此，當沒有藉由任何引線架(lead frame)而直接在LED晶片110上覆蓋封裝物120以進行封裝之後，具有較大上部部分的成長基底114可緊密地楔入封裝物120中，以防止封裝物120以及成長基底114之間的脫層，而可提升發光裝置100的結構可靠度。
更具體而言，如圖1所示，從一剖面看，部分成長基底 114的側面114c是傾斜的。圖2表示出施加於傾斜傾角θ的成長基底114側面114c的作用力的分量示意圖。當施加垂直於第三面114b的外力F於成長基底114時，外力F可被分解為垂直分量F．cos θ以及水平分量F．sin θ。可以看出，由於成長基底114的側面114c是傾斜的，使成長基底114以及封裝物120之間的接觸面(即，側面114c)的面積增加，進而提升成長基底114以及封裝物120之間的接合效果。此外，由於側面是傾斜的，因而產生垂直分量F．cos θ，且垂直分量F．cos θ有助於增加成長基底114以及封裝物120之間的摩擦力，而可有效地消除封裝物120以及成長基底114之間的脫層，提升發光裝置100的結構可靠度。
本發明如圖1所示，僅部分成長基底114的側面114c是傾斜的。更具體而言，鄰接於第三面114a的側面114c的第一部分P1是傾斜的，且連接於第一部分P1以及第四面114b之間的側面114c的第二部分P2是平面的且垂直或接近垂直於第四面114b。然而，側面114c的傾斜部分的比例不受限制。在本發明進一步的其他實施例中，整個側面114c皆可是傾斜的。
此外，成長基底114的側面114c的外型並不限制為如圖1所示的傾斜面，且可依據設計或其他需求而為其他可應用的外型。
圖3繪示出依據本發明另一實施例的發光裝置200。用於本實施例中與前述實施例相同的參考標號，意指為相似或相同的元件。發光裝置200的LED晶片210類似於圖1所示的LED晶片 110，除了：部分成長基底214的側面214c弧狀。以下不再重複其他類似或相同於前述所提的特徵。
相較於圖1所示的側面114c的傾斜部分，在成長基底214上所形成的側面214c的弧狀部分提供發光裝置200更高的結構可靠度。更具體而言，當施加垂直於第三面214a的外力於成長基底214時，側面214c的弧狀部分會產生更大的垂直分量。此外，側面214c的弧狀部分更增加了成長基底214以及封裝物220之間的接觸面的面積，而更可提升成長基底214以及封裝物220之間的接合效果。
在前述所提的兩實施例中，發光裝置100(或200)可更包括反射層310。反射層310形成於發光裝置100或200的底部之上，且覆蓋至少部分的封裝物120的第五面120a，以反射由LED結構層112所發出的其他部分的光。應注意的是，反射層310可更覆蓋部分LED結構層112的第一面112a。反射層310可由如銅、銀或金的金屬或介電材料所形成。在反射層310以及兩電極132及134之間可存在間隙，以使兩電極132及134絕緣於反射層310。因此，由LED結構層112所發出朝向封裝物120的第五面120a以及LED結構層112的第一面112a的光可被反射層310所反射，以改善發光裝置100或200的發光效率。
再者，為進一步改善發光效率以及發光裝置的光輸出的均勻性，可更於成長基底114(或214)的側面114c或214c的傾斜或弧狀部分上提供非平坦結構320如凸塊、孔洞、微結構等。
圖4A至圖4D分別表示出依據本發明的不同類型的LED晶片的光線分布。圖4A至圖4D各自表示出不同類型的LED晶片的結構示意圖及其光線分布。圖4A所示為具有垂直側面412的類型1的LED晶片410A。圖4B所示為具有傾斜側面422的類型2的LED晶片410B。圖4C所示為具有弧狀側面432的類型3的LED晶片410C。圖4D所示為具有弧狀側面442的類型4的LED晶片410D，其中弧狀側面442上形成有非平坦結構444如凸塊、孔洞、微結構等。以下表格1為實驗結果，以表示此些LED晶片之間的差異。
依據以上表格1，可看出具有傾斜或弧狀側面(類型2至類型4)的LED晶片的總光效率顯著地增加且其光損耗下降。此外，相較於類型2的LED晶片410B以及類型3的LED晶片410C， 類型4的LED晶片410D在側面442上提供有非平坦結構444，進而獲得較大的半高寬值(full width of half maximum,FWHM)的半強度角(half-intensity-angle)2 θ1/2，這代表類型4的LED晶片410D可提供較類型2或類型3更廣且更均勻的光輸出。
圖5A至圖5D分別表示出依據本發明的其他不同類型的發光裝置的光線分布。圖5A至圖5D各自表示出不同類型的發光裝置的結構示意圖及其光線分布。圖5A所示為被封裝物516所覆蓋且具有垂直側面512的類型5的發光裝置500A。圖5B所示為被封裝物526所覆蓋且具有傾斜側面522的類型6的發光裝置500B。圖5C所示為被封裝物536所覆蓋且具有弧狀側面532的類型7的發光裝置500C。圖5D所示為被封裝物546所覆蓋且具有弧狀側面542的類型8的發光裝置500D，其中弧狀側面542上形成有非平坦結構544如凸塊、孔洞、微結構等。以下表格2為實驗結果，以表示此些發光裝置之間的差異。
依據以上表格2，可看出具有傾斜或弧狀側面(類型6至類型8)的LED晶片的總光效率顯著地增加且其光損耗下降。此外，相較於類型6的發光裝置500B以及類型7的發光裝置500C，類型8的發光裝置500D在側面542上設有非平坦結構544，進而獲得較大的半高寬值(FWHM)的半強度角2 θ1/2，這代表類型8的發光裝置500D可提供較類型6或類型7更廣且更均勻的光輸出。
圖6A至圖6C依序繪示出依據本發明的一實施例的LED晶片的製造過程。
首先，如圖6A所示，形成LED結構層620於成長基板610的頂面612之上。接著形成多個電極630於LED結構層620之上，且電極630的端面632可實質上相互共面或接近共面。於此，成長基板610可為藍寶石晶圓或其他可應用的基材如矽或碳化矽等。LED結構層620基本上由氮化鎵系化合物半導體所形成，如GaN、AlGaN、InGaN等。
接著，如圖6B所示，形成多個溝槽640於成長基板610的頂面612上，以將成長基板610定義為多個基底單元610a。在此步驟中，部分LED結構層620以及部分成長基底610可藉由如乾蝕刻、濕蝕刻、雷射切割、機械切割等來移除。之後，留下來的LED結構層620覆蓋頂面612而未覆蓋溝槽640。在本實施例中，各個溝槽640在剖面圖中具有深度D以及從成長基板610的頂面612沿一方向逐漸減小的寬度W。各個溝槽640的深度D小於成長基板610的厚度T。例如，各個溝槽640的深度D為成長 基板610的厚度T的30-90%。
之後，如圖6C所示，沿著溝槽640進行切割步驟以將多個基板單元610a相互分離，進而可獲得多個LED晶片650。各個LED晶片650包括基板單元610a、形成在基板單元610a上的LED結構層620、以及形成在LED結構層620上的電極630。
基於上述，LED晶片650可在成長基板610上藉由進行批次製程(晶圓級製程)而製作，並具有節省成本、改善產率等優點。此外，所形成的LED晶片650可如圖1中所示為具有傾斜側面114c的成長基底114的LED晶片110，或如圖3中所示為具有弧狀側面214c的成長基底214的LED晶片210。換句話說，成長基底114(或214)的側面114c(或214c)的外型是由溝槽640的側面642的外型所決定，其取決於形成溝槽640的方法。舉例來說，溝槽640的傾斜或弧狀表面642可藉由進行如濕蝕刻的等向蝕刻來形成。或著，溝槽640的傾斜表面(未繪示)可藉由進行如乾蝕刻的異向蝕刻來形成。
應注意的是，溝槽640的側面642在上述乾蝕刻步驟或濕蝕刻步驟之後可為粗糙的。換句話說，非平坦結構(如圖1或圖3所示的非平坦結構320)可藉由上述的蝕刻步驟而形成在溝槽640的側面642上，其中較小尺寸的非平坦結構可藉由蝕刻步驟而非其他的雷射切割或機械切割步驟而形成。
圖7A至圖7C依序繪示出依據本發明的另一實施例的LED晶片的製造過程。在此實施例中，溝槽形成於形成LED結構 層之前。
首先，如圖7A所示，形成溝槽740於成長基板710的頂面712之上，以將成長基板710定義為多個基板單元710a。在此步驟中，部分成長基板710可藉由如乾蝕刻、濕蝕刻、雷射切割、機械切割等來移除。各個溝槽740在剖面圖中具有深度D以及從成長基板710的頂面712沿一方向逐漸減小的寬度W。各個溝槽740的深度D小於成長基板710的厚度T。例如，各個溝槽740的深度D為成長基板710的厚度T的30-90%。
接著，參考圖7B，形成LED結構層720於成長基板710的頂面712之上。LED結構層720覆蓋頂面712而未覆蓋溝槽740。接著形成多個電極730於LED結構層720之上，且電極730的端面732可實質上相互共面或接近共面。於此，成長基板710可為藍寶石晶圓或其他可應用的基材如矽或碳化矽等。LED結構層720基本上由氮化鎵系化合物半導體所形成，如GaN、AlGaN、InGaN等。
之後，如圖7C所示，沿著溝槽740進行切割步驟以將多個基板單元710a相互分離，進而可獲得多個LED晶片750。各個LED晶片750包括基板單元710a、形成在基板單元710a上的LED結構層720、以及形成在LED結構層720上的電極730。
基於上述，而可獲得類似於前述所提的LED晶片650的LED晶片750。以下不再重複其他類似或相同於前述所提的特徵。
綜上所述，本發明的LED晶片從一剖面看具有至少一部 分為弧狀或傾斜的側面。當LED晶片藉由形成封裝物於其上而封裝時，封裝物可藉由成長基底的特定幾何形狀而緊密地固定於成長基底上，以有效地防止封裝物以及成長基底之間的脫層。此外，發光效率以及LED晶片的光輸出的均勻性可藉由於成長基底的側面形成至少一弧狀部分或傾斜部分而改善，且可於弧狀部分或傾斜部分上形成非平坦結構，以更改善光輸出的均勻性。再者，本發明的發光二極體晶片在晶圓級結構實施時，可藉由批次製程在成長基板上製作，而具有節省成本、改善產率等優點。
所屬領域的通常知識者很顯然地可在不脫離本發明的範圍或精神之下將本發明的結構作多種的調整與變化。針對上述內容，其目的在於使本發明涵蓋落入以下發明專利範圍及其均等範圍之中的本發明所提供的調整及改變。
112‧‧‧LED結構層
112a‧‧‧第一面
120‧‧‧封裝物
120a‧‧‧第五面
200‧‧‧發光裝置
210‧‧‧LED晶片
214‧‧‧成長基底
214a‧‧‧第三面
214c‧‧‧側面
310‧‧‧反射層
320‧‧‧非平坦結構

Claims (7)

  1. 一種發光裝置，包括：一發光二極體晶片，包括：一發光二極體結構層，具有一第一面以及相對於該第一面的一第二面；兩電極，配置於該第一面上；以及一成長基底，包括面向該發光二極體結構層的一第三面、相對於該第三面的一第四面、以及連接在該第三面以及該第四面之間的一側面，其中該成長基底為可透光且配置於該發光二極體結構層的該第二面上，該第四面的面積大於該第三面的面積，且從一剖面看，該成長基底的該側面的至少一部分為傾斜或弧狀；以及一封裝物，覆蓋該成長基底的該第四面，並暴露該兩電極，其中該封裝物暴露該發光二極體結構層的該第一面，該封裝物具有一第五面與該第一面實質上平行或接近平行，且該封裝物之該第五面與該第一面共面或接近共面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，更包括覆蓋該封裝物的該第五面的至少一部份的一反射層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中從所述剖面看，鄰接於該第三面的該側面的一第一部分為傾斜或弧狀，且連接於該第一部分以及該第四面之間的該側面的一第二部分為平面且垂直或接近垂直於該第四面。
  4. 如申請專利範圍第1至3項之任一項所述的發光裝置，其中該成長基底更包括在該側面的該弧狀部分上的非平坦結構。
  5. 如申請專利範圍第1至3項之任一項所述的發光裝置，更包括覆蓋該發光二極體結構層的該第一面的至少一部分的一反射層，且該反射層絕緣於該兩電極。
  6. 如申請專利範圍第1至3項之任一項所述的發光裝置，其中該兩電極的端面為彼此共面或接近共面。
  7. 一種發光二極體的晶圓級結構，包括：一成長基板，為可透光，其中該成長基板具有一頂面以及在該頂面上的多個溝槽，以將該成長基板定義為多個基板單元，且從剖面看，各個該些溝槽具有從該頂面延一方向減小的一寬度，其中各個該些溝槽的一側面的至少一部分從一剖面看為傾斜或弧狀，且各個該些溝槽的深度為該成長基板的厚度的30-90%；一發光二極體結構層，覆蓋該頂面而未覆蓋該些溝槽；以及多個電極，配置於該發光二極體結構層上。
TW104116281A 2014-06-04 2015-05-21 發光二極體晶片、發光裝置以及發光二極體的晶圓級結構 TWI575769B (zh)

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