TWI583021B - 發光二極體晶粒及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種發光二極體晶粒及其製造方法。
習知技術中，為降低發光二極體晶粒之壓電場效應並能夠節約成本，通常在平面藍寶石襯底上利用選擇性磊晶生長成長出無極性之半導體氮化鎵(nonpolar,semipolar GaN)，但是此結構之尖部是缺陷密度最多的地方。同時傳統之發光二極體晶粒一般將p、n電極設置在P型半導體層之側邊及上方，如此在注入電流時因電流會選擇走最短路徑，而此最短路徑就是發光二極體晶粒之尖部缺陷密度最多的地方，從而使在磊晶結構之表面做P、N電極以將次磊晶結構做成發光二極體元件時會有漏電之情況產生。
有鑑於此，有必要提供一種可降低漏電現象之發光二極體晶粒及其製造方法。
一種發光二極體晶粒，包括一基板，依次設於基板上之一預生長層和一發光結構，其中，所述基板包括一第一電極，一包覆第一電極之第二電極和一設於第一電極和第二電極之間的絕緣部，所述第一電極位於所述預生長層下方；所述發光二極體晶粒還包括一絕緣層和一金屬層，所述
金屬層形成於所述第二電極上，所述絕緣層將所述金屬層和所述預生長層間隔；所述第二電極通過所述金屬層與所述發光結構電導通，所述第一電極通過所述預生長層與所述發光結構電導通。
一種發光二極體晶粒之製造方法，其中，該發光二極體晶粒之製造方法包括以下步驟：提供一襯底，在襯底一側外延磊疊生長一緩衝層、一摻雜層和一預生長層；在所述預生長層上形成一第一絕緣層並開設若干均勻分佈之窗口；在所述窗口上生長一發光結構，所述發光結構包括依次磊疊之一第一半導體層、一主動層和一第二半導體層；提供一輔助基板，將上述結構倒扣地固定於輔助基板上，並移除所述襯底，同時蝕刻掉所述緩衝層和摻雜層直至預生長層；蝕刻所述預生長層和第一絕緣層直至第二半導體層；在保留之預生長層週邊形成一第二絕緣層，並鍍上一金屬層；提供一具有第一電極和第二電極之基板，將上述結構倒置於所述基板上，並移除所述輔助基板。
相比於習知技術，本發明之發光二極體晶粒之第一電極和第二電極設於第一半導體層和第二半導體層之下方以達到降低漏電情況的發生，同時可以增加發光二極體晶粒之光取出面積。
100‧‧‧發光二極體晶粒
200‧‧‧單晶粒
110、210‧‧‧基板
211‧‧‧第一電極
212‧‧‧第二電極
213‧‧‧絕緣部
220、340‧‧‧預生長層
230‧‧‧絕緣層
231、350‧‧‧第一絕緣層
2311‧‧‧窗口
232‧‧‧第二絕緣層
240‧‧‧金屬層
250‧‧‧發光結構
251‧‧‧第一半導體層
252‧‧‧主動層
2521‧‧‧量子井
2522‧‧‧量子能障
253‧‧‧第二半導體層
310‧‧‧襯底
320‧‧‧緩衝層
330‧‧‧摻雜層
360‧‧‧光阻片
380‧‧‧輔助基板
390‧‧‧膠體
圖1係本發明實施方式之所述發光二極體晶粒之立體圖。
圖2係圖1中所示相鄰二單晶粒沿中軸之縱向剖面圖。
圖3係圖1中所示發光二極體晶粒之基板之俯視圖。
圖4係圖1中所示發光二極體晶粒之製作流程圖。
圖5係圖2中所示發光二極體單晶粒開設窗口之示意圖。
圖6係圖2中所示發光二極體單晶粒生長發光結構後之示意圖。
圖7係圖3中所述發光二極體晶粒蝕刻掉所述緩衝層和摻雜層後之示意圖。
圖8係圖3中所述發光二極體晶粒鍍上金屬層後之示意圖。
如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發明。
請參見圖1，本發明之發光二極體晶粒100包括一基板110和設於基板上之若干相同之單晶粒200。所述單晶粒200按照規則週期性排列。在本實施方式中，所述單晶粒200緊密排列，每個單晶粒200都與6個相同之其它單晶粒200相接，且被其均勻環繞。
請參見圖2，所述單晶粒200包括一基板210，依次設於所述基板210上之一預生長層220和一發光結構250，設於所述預生長層220週邊之一金屬層240，以及用以間隔所述金屬層240和預生長層220之一絕緣層230。
請同時參見圖3，在本實施方式中，所述基板210為一平面板體。所述基板210包括一第一電極211，環繞所述第一電極211之一第二電極212，以及環繞所述第一電極211並位於所述第一電極211和第二電極212之間的一絕緣部213。所述第一電極211與第二電極212之間相互絕緣，且以所述絕緣部213間隔開。
所述第一電極211為一N型電極，設於所述基板210之中心部位。所述第一電極211呈一六棱柱體結構，其橫截面為一正六邊形，縱截面為一矩形。所述絕緣部213可採用樹脂、氮化鋁(AlN)等高阻值材料。在本實
施方式中，所述絕緣部213是由樹脂材料製成，用以隔絕所述第一電極211和第二電極212之間的直接電導通。所述絕緣部213呈一中空六棱柱體結構，其橫截面為一正六邊形環，縱截面為分列所述第一電極211兩側之二矩形。所述絕緣部213設於所述第一電極211之側面週邊，並完全包覆所述第一電極211之側表面。所述絕緣部213之高度與所述第一電極211之高度相同。所述第二電極212為一P型電極。所述第二電極212呈一中空六棱柱體結構，其橫截面為一正六邊形環，縱截面為分列所述絕緣部213兩側之二矩形。所述第二電極212設於所述絕緣部213之側面週邊，並完全包覆所述絕緣部213之側表面。所述第二電極212之高度與所述絕緣部213之高度相同。
若干單晶粒200之基板210之間按照所述單晶粒200之排列規則週期性排列以形成所述基板110。在本實施方式中，每個基板210都與6個相同之其它基板210相接，且被其均勻環繞。二相鄰之所述基板210之間共用一部分第二電極212，即所述基板210之第二電極212之其中一側面電極與其相鄰之另一基板210之第二電極212的對應電極重合。
請再次參見圖2，所述預生長層220為一N型半導體層。在本實施方式中，所述預生長層220採用氮化鎵(GaN)製成。所述預生長層220呈一六棱柱體結構，其橫截面為一正六邊形，縱截面為一矩形。所述預生長層220設於所述基板210之中央部位，其橫截面尺寸介於所述基板210之絕緣部213之橫截面之內環尺寸與外環尺寸之間。在本實施方式中，所述預生長層220完全覆蓋所述第一電極211，並同時部分覆蓋所述絕緣部213。所述預生長層220與所述基板210之第一電極211直接電性連接。
所述絕緣層230係絕緣材料製成，在本實施方式中，所述絕緣層230採用二氧化矽(SiO2)材料。所述絕緣層230包括一水平設置之第一絕緣層231和一豎直設置之第二絕緣層232。所述第一絕緣層231和所述第二絕緣層
232相互垂直，且所述第二絕緣層232之上端與所述第一絕緣層231之外緣相接。
所述第一絕緣層231自所述預生長層220之上表面之外緣背向所述預生長層220向上凸起形成。所述第一絕緣層231之厚度均勻。所述第一絕緣層230呈一中空之六棱柱體結構，其橫截面之外環為一正六邊形，內環為一圓形，且該外環尺寸與所述預生長層220之橫截面尺寸相等。所述第一絕緣層230之空心內環形成一圓洞形窗口2311。所述窗口2311部分裸露出所述預生長層220之中央區域。
所述第二絕緣層232形成於所述基板210之絕緣部213上並包覆所述預生長層220和所述第一絕緣層231之側表面。所述第二絕緣層232之厚度均勻。所述第二絕緣層232呈一中空六棱柱體結構，其橫截面為一正六邊形環，縱截面為分列所述預生長層220和第一絕緣層231兩側之二矩形。所述第二絕緣層232之高度等於所述預生長層220和第一絕緣層231之高度總和。所述第二絕緣層232和所述預生長層220共同完全覆蓋所述基板210之第一電極211和絕緣部213，即所述第二絕緣層240之橫截面之外環尺寸等於所述基板210之絕緣部213之橫截面之外環尺寸。
所述金屬層240可採用鈦(Ti)，鋁(Al)，鉑(Pt)，金(Au)等金屬材料製成。在本實施方式中，所述金屬層240採用金屬鈦(Ti)。所述金屬層240設於所述基板210之第二電極212上並完全包覆所述第二絕緣層232之側表面。所述金屬層240之厚度均勻。所述金屬層240呈一中空六棱柱體結構，其橫截面為一正六邊形環，縱截面為分列所述第二絕緣層232兩側之二矩形。所述金屬層240之高度等於所述第二絕緣層232之高度。所述金屬層240完全覆蓋所述基板210之第二電極212，即所述金屬層240之橫截面尺寸與所述基板210之第二電極212之橫截面尺寸相等。所述金屬層240
與所述預生長層220之間借由所述第二絕緣層232相互絕緣。所述金屬層240與所述基板210之第二電極212直接電性連接。
與單晶粒200之所述基板210相對應，二相鄰所述單晶粒200之金屬層240之間也共用一部分金屬層240，即金屬層240之其中一面金屬與其相鄰之另一單晶粒200之所述金屬層240之對應金屬相重合。
所述發光結構250呈一六棱椎體結構，該椎體結構設於所述預生長層220上，且完全覆蓋所述預生長層220、絕緣層230和金屬層240。所述發光結構250包括依次磊疊生長之一第一半導體層251、一主動層252和一第二半導體層253。
請同時參見圖6，所述第一半導體層251為一N型半導體層。在本實施方式中，所述第一半導體層251採用與所述預生長層220相同之材料製成，即氮化鎵(GaN)。所述第一半導體層251填充所述第一絕緣層230形成之窗口2311並同時向上凸起成錐體結構。該椎體呈一六棱椎體，其橫截面為一正六邊形，縱截面為一等腰三角形。該椎體之底面尺寸與所述基板210之第一電極211之橫截面尺寸相等。所述第一半導體層251通過所述預生長層220與所述基板210之第一電極211電性連接。
所述主動層252是自所述第一半導體層251之表面外延生長而成。所述主動層252之厚度均勻。所述主動層252之縱截面為倒扣於所述第一半導體層251外表面之一V形。所述主動層252之底面貼附所述絕緣層230，且其底面尺寸介於第二絕緣層232之橫截面之內環尺寸和外環尺寸之間。在本實施方式中，所述主動層252完全覆蓋所述第一半導體層251之外表面和所述第一絕緣層231，並部分覆蓋所述第二絕緣層232。所述主動層252包括可至少一量子井和至少二量子能障。量子井和量子能障相互間隔層疊，且每一量子井由二量子能障夾設其中。在本實施方式中，所述主動層252包括三
層結構：一所述量子井2521和分設所述量子井2521內外表面之二量子能障2522。所述主動層252與所述預生長層220之間借由所述第一絕緣層231避免直接電導通。所述主動層252與所述金屬層240之間通過所述第二絕緣層232阻隔以避免二者直接電導通。
所述第二半導體層253為一P型半導體層。在本實施方式中，所述第二半導體層253採用氮化鎵(GaN)製成。所述第二半導體層253之厚度均勻。所述第二半導體層253形成於所述主動層252上，其縱截面為倒扣於所述主動層252外表面之一V形。所述第二半導體層253之底面貼附所述第二絕緣層232和金屬層240。所述第二半導體層253之底面外環尺寸等於所述金屬層240之橫截面之外環尺寸。所述第二半導體層253之底面內環尺寸介於第二絕緣層232之橫截面之內環尺寸和外環尺寸之間。在本實施方式中，所述第二半導體層253完全覆蓋所述主動層252之表面和所述金屬層240，並部分覆蓋所述第二絕緣層232。所述第二半導體層253通過所述金屬層240與所述基板210之第二電極212電性連接。
與單晶粒200之所述基板210和金屬層240相對應，二相鄰所述單晶粒200之第二半導體層253之間也共用一部分半導體層，即第二半導體層253之其中一部分半導體層與其相鄰之另一單晶粒200之所述第二半導體層253之對應半導體層相重合。
相比於習知技術，本發明之發光二極體晶粒100是由若干單晶粒200組成，每一單晶粒200之第一電極211和第二電極212均設於所述基板210上，且位於所述第一半導體層251和所述第二半導體才253之下方。如此，當電流注入時，電流只有一條路線可走，即，電流從第二電極212經金屬層240流入第二半導體層253直至其椎體尖部；接著在發光結構250內自所述第二半導體層253流向所述第一半導體層251；然後經預生長層220流入第一電
極211以形成回路。因發光結構250之椎體尖部之缺陷密度最大，本發明之結構有效地避免了電流單從其椎體尖部注入，從而可以有效地避免漏電現象的產生。同時，因電流注入時電流會流經整個發光結構250，有效地增加了所述單晶粒200之光取出面積，從而提升整個發光二極體晶粒100之光取出面積。
本發明還提供了一種上述發光二極體晶粒100之製作方法。
圖4為本發明之上述發光二極體晶粒100之製作流程圖。
請參見圖4，本發明的上述發光二極體晶粒100的製作方法包括以下步驟：S1提供一襯底，在襯底一側外延磊疊生長一緩衝層、一摻雜層和一預生長層；S2在所述預生長層上形成一第一絕緣層並開設若干均勻分佈之窗口；S3在所述窗口上生長一發光結構；S4提供一輔助基板，將上述結構倒扣地固定於輔助基板上，並移除所述襯底，同時蝕刻掉所述緩衝層和摻雜層直至預生長層；S5蝕刻所述預生長層和第一絕緣層直至第二半導體層；S6在保留之預生長層週邊形成一第二絕緣層，並鍍上一金屬層；S7提供一具有第一電極和第二電極之基板，將上述結構倒置於所述基板上，並移除所述輔助基板。
請參見圖5，提供一襯底310。在本實施方式，所述襯底310可採用平面藍寶石基板。可以理解的，在其它實施方式中，所述襯底310也可以採用其它材料，具有其它之形狀。在所述襯底310上外延生長一緩衝層320。所述緩衝層320為低溫生長之一半導體層，在本實施方式中，所述緩衝層320
採用氮化鎵(GaN)。所述緩衝層320完全覆蓋所述襯底310。在所述緩衝層320上外延生長一摻雜層330。在本實施方式中，所述摻雜層330為一氮化鎵(GaN)半導體摻雜層。所述摻雜層330完全覆蓋所述緩衝層320。在所述摻雜層330上外延生長一預生長層340。所述預生長層340為一N型半導體層，所述預生長層340採用氮化鎵(GaN)材料。所述預生長層340完全覆蓋所述摻雜層330。
然後在所述預生長層340上形成一第一絕緣層350並開設若干均勻分佈之窗口2311。所述第一絕緣層350採用二氧化矽(SiO2)材料。在本實施方式中，所述窗口2311呈圓洞形。所述窗口2311按照上述單晶粒200排列規則週期性排列。在本實施方式中，每一窗口2311都被6個相同之其它窗口2311均勻環繞。該窗口2311的直徑介於2~5um，相鄰二窗口2311之間之距離介於0.5~1.5um。在本實施方式中，所述窗口2311之直徑約為3um，相鄰二窗口2311之間之距離約為1um。
在本實施方式中，可採用以下方法得到圖5所示結構：先在所述預生長層340之頂面部分區域上鋪設若干均勻分佈之光阻圓，該光阻圓之厚度約100mm。該光阻圓之位置即所述窗口2311之位置。接著在所述預生長層340和所述光阻圓上形成一層二氧化矽(SiO2)。該二氧化矽層完全覆蓋所述預生長層340和光阻圓。所述二氧化矽層之厚度與所述光阻圓之厚度相等。移除所述光阻圓和覆蓋在所述光阻圓上之二氧化矽層，保留覆蓋在所述預生長層340上之二氧化矽層以形成所述第一絕緣層350，原光阻圓所在區域即形成所述窗口2311。在其它實施方式中，也可採用其它方法得到上述結構。
請參見圖6，在所述窗口2311上生長上述單晶粒200之發光結構250。在所述窗口2311之底部外延生長上述第一半導體層251。所述第一半
導體251在生長時以所述窗口2311之底面為基底，豎直向上生長，且其豎直生長速度大於其水平生長速度。通過改變其生長條件直至形成上述第一半導體層251之六棱椎體結構。因所述第一半導體251在豎直方向生長之同時，水平方向也會生長，故其底部會完全填充所述窗口2311並繼續外延生長以形成上述第一半導體251之錐形凸起結構。
在所述第一半導體層251之錐形表面上繼續外延生長上述單晶粒200之主動層252和第二半導體層253。所述主動層252之厚度均勻，且完全覆蓋所述第一半導體層251之表面，並部分覆蓋所述第一絕緣層350。所述第二半導體層253之厚度均勻，且完全覆蓋所述主動層252，並部分覆蓋所述第一絕緣層350。
請參見圖7，提供一輔助基板380，所述輔助基板380可採用矽(Si)基板，銅(Cu)基板或鎢化銅(CuW)基板等。在本實施方式中，所述輔助基板380採用矽基板。利用膠體390將圖6所示結構倒扣地固定於所述輔助基板380一側。然後採用鐳射剝離技術移除所述襯底310，並採用微影蝕刻技術蝕刻所述緩衝層320和摻雜層330直至所述預生長層340。
接著採用微影蝕刻技術蝕刻所述預生長層340以形成上述單晶粒200之預生長層220：在所述預生長層340之部分區域上鍍上若干光阻片360。所述光阻片360呈正六邊形。所述光阻片360按照上述單晶粒200之排列規則週期性排列。在本實施方式中，每一光阻片360都被6個相鄰之其它光阻片360均勻環繞。所述光阻片360之尺寸介於所述主動層252之底面之內環尺寸和外環尺寸之間。蝕刻掉所述預生長層340和所述第一絕緣層350未被所述光阻片360覆蓋之區域直至所述發光結構250。保留被所述光阻片360覆蓋之所述預生長層340和所述第一絕緣層350。
蝕刻完成後，如圖8所示，保留之部分所述預生長層340形成上述單晶粒200之預生長層220，保留之部分所述第一絕緣層350形成上述單晶粒200之第一絕緣層231。
請參見圖8，在所述預生長層220和第一絕緣層231之週邊形成上述第二絕緣層232和金屬層240。在本實施方式中，可採用以下方法得到上述結構：在所述發光結構250之第二半導體層253上鍍上一光阻層，該光阻層呈一中空六棱柱體，其很橫截面為一正六邊形環，縱截面為分列所述預生長層220和第一絕緣層231兩側之二矩形。該光阻層之外環尺寸等於所述第二半導體層253之外環尺寸。該光阻層之內環尺寸介於所述第二半導體層253之內環尺寸和外環尺寸之間。該光阻層之高度高於所述預生長層220之高度。然後在該光阻層和所述預生長層220之間形成一層二氧化矽以形成上述第二絕緣層232。所述第二絕緣層232之高度等於所述預生長層220之高度。接著移除該光阻層，並在該光阻層原所在位置鍍上一層金屬鈦(Ti)以形成上述金屬層240。所述金屬層240之高度等於所述第二絕緣層232之高度。在其它實施方式中，也可採用其它方法得到上述結構。
提供一上述基板210，移除圖8中之所述光阻片360，利用共晶焊接之方式將得到之結構倒置於所述基板210上。固定後，所述預生長層220覆蓋所述第一電極211和部分絕緣部213，所述第二絕緣層232覆蓋部分絕緣部213，所述金屬層240完全覆蓋所述第二電極212。
最後移除所述輔助基板380和膠體390。
如此，本發明之所述發光二極體晶粒100製作完畢，如圖1和圖2所示。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限製本案之
申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
200‧‧‧單晶粒
210‧‧‧基板
211‧‧‧第一電極
212‧‧‧第二電極
213‧‧‧絕緣部
220‧‧‧預生長層
230‧‧‧絕緣層
231‧‧‧第一絕緣層
2311‧‧‧窗口
232‧‧‧第二絕緣層
240‧‧‧金屬層
250‧‧‧發光結構
251‧‧‧第一半導體層
252‧‧‧主動層
2521‧‧‧量子井
2522‧‧‧量子能障
253‧‧‧第二半導體層
Claims (10)
- 一種發光二極體晶粒，包括一基板，依次設於基板上之一預生長層和一發光結構，其改良在於：所述基板包括一第一電極，一包覆第一電極之第二電極和一設於第一電極和第二電極之間的絕緣部，所述第一電極位於所述預生長層下方；所述發光二極體晶粒還包括一絕緣層和一金屬層，所述金屬層形成於所述第二電極上，所述絕緣層將所述金屬層和所述預生長層間隔；所述第二電極通過所述金屬層與所述發光結構電導通，所述第一電極通過所述預生長層與所述發光結構電導通。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶粒，其中，所述絕緣層包括一第一絕緣層和一第二絕緣層；所述第一絕緣層水平設於所述預生長層上表面之外緣，並於所述預生長層之中央正上方形成一窗口；所述第二絕緣層豎直設於所述絕緣部上並包覆所述預生長層和第一絕緣層。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶粒，其中，所述發光結構呈一六棱椎體結構，從內向外依次為一第一半導體層、一主動層和一第二半導體層。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶粒，其中，所述第一半導體層填充所述第一絕緣層之窗口，並繼續外延形成錐形凸起；所述主動層和第二半導體層之底面位於同一平面，且該平面貼附於所述絕緣層和金屬層上。
- 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶粒，其中，所述第一絕緣層設於所述預生長層和所述主動層之間，用以隔絕所述預生長層和所述主動層之間之直接電導通；所述第二絕緣層設於所述金屬層和所述預生長層之間，用以隔絕所述金屬層和所述預生長層之間之直接電導通。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶粒，其中，所述第一半導體層覆蓋所述預生長層，所述預生長層完全覆蓋所述基板之第一電極，所述第一半導體層通過所述預生長層與所述基板之第一電極電性連接。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶粒，其中，所述第二半導體層完全覆蓋所述金屬層，所述金屬層完全覆蓋所述基板之第二電極，所述第二半導體層通過所述金屬層與所述基板之第二電極電性連接。
- 一種如申請專利範圍第1-7項中任意一所述發光二極體晶粒之製造方法，該方法包括以下步驟：提供一襯底，在襯底一側外延磊疊生長一緩衝層、一摻雜層和一預生長層；在所述預生長層上形成一第一絕緣層並開設若干均勻分佈之窗口；在所述窗口上生長一發光結構，所述發光結構包括依次磊疊之一第一半導體層、一主動層和一第二半導體層；提供一輔助基板，將上述結構倒扣地固定於輔助基板上，並移除所述襯底，同時蝕刻掉所述緩衝層和摻雜層直至預生長層；蝕刻所述預生長層和第一絕緣層直至第二半導體層；在保留之預生長層週邊形成一第二絕緣層，並鍍上一金屬層；提供一具有第一電極和第二電極之基板，將上述結構倒置於所述基板上，並移除所述輔助基板。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體晶粒之製造方法，其中，在移除所述襯底時採用鐳射剝離技術。
- 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體晶粒之製造方法，其中，所述蝕刻均採用微影蝕刻技術。
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