TWI635631B - 垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法，提供生長基板，在生長基板上形成磊晶層，再將金屬組合基板接合至磊晶層上，接著去除生長基板，在磊晶層頂部設有複數電極單元，對應其數量分割磊晶層以形成複數磊晶晶粒，據此形成的每一垂直型發光二極體晶粒的結構包含金屬組合基板具有第一金屬層及其上下表面的第二金屬層，磊晶電極層位在金屬組合基板上，第一金屬層及第二金屬層藉由切割、真空加熱及研磨拋光的方式組合，本發明提供的金屬組合基板具有高熱傳導係數、低熱膨脹係數與初始磁導率，使其所形成的發光二極體晶粒更具競爭力。

Description

垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法

本發明係關於一種發光二極體晶粒結構及其製造方法，特別是一種具有高熱傳導係數、低熱膨脹係數與初始磁導率之垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)係藉由半導體技術所製成的光源，由三五族(III-V 族)化合物半導體所形成，LED 的發光原理是利用半導體中電子和電洞結合而發出光子，不同於傳統燈泡需在上千度的高溫操作，也不必像日光燈需使用的高電壓激發電子束，LED 和一般的電子元件相同，只需要 2~4 伏(V)的電壓，且在一般溫度即可正常運作，因此發光壽命也比傳統光源長。

LED可分為兩種結構，水平型結構(Horizontal)和垂直型結構(Vertical)，水平型LED的二電極係位在LED晶片的同一側，而垂直型LED的二電極則是分別位在 LED之磊晶層的二側，垂直型LED與水平型LED相比，垂直型LED更具有亮度高、散熱快、光衰小及穩定性高等優點，並且，無論在結構、光電參數、熱學特性、光衰及成本等方面，垂直型LED的散熱功效均遠遠優於水平型LED。垂直型LED的良好散熱特性，可以將晶片產生的熱量及時導出，進而將晶片和螢光粉的性能衰減至最低，使LED具有亮度高、散熱快、光衰小及光色漂移小，提供更可靠的穩定性。

然而，現今一般LED的運用很廣，例如可以運用在智慧型手機上，一旦當智慧型手機使用產生過熱時，同時會影響裝設在其中的LED晶片，連帶影響LED晶片中用於放置晶粒與連接智慧型手機或其它裝置之基板，倘若此基板的熱膨脹係數不好，容易使基板經溫度變化而彎曲變形，進而影響LED晶片的發光效率。

因此，有鑑於上述習知LED之缺失，本發明提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法，藉由特殊的結構及製造方法，產生一成本低且具有高熱傳導係數、低熱膨脹係數與初始磁導率的基板。

本發明的主要目的是在提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法，提供一種更適合用於LED製程中的金屬組合基板，其具有高於一般矽基板的引線接合，低於一般金屬基板的製造成本，且更匹配於LED製程的熱膨脹係數及高熱傳導係數，使得安裝後的LED，不會因為溫度影響基板及不會產生形變，維持穩定高效率的發光。

本發明的另一目的是在提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法，提供的金屬組合基板除了具有高熱傳導及低熱膨脹係數外，還具有初始磁導率，可以使發光二極體晶粒導通微電流，以達成無線發光之應用。

本發明的再一目的是在提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法，具有初始磁導率的金屬組合基板還可以解決現今Micro LED的巨量移轉困擾，以提供LED在生產製程中可以大量傳輸或移轉作業之用。

本發明的再一目的是在提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構及其製造方法，提供一種散熱效率高於水平型LED的垂直型LED晶粒結構，在形成LED封裝製程後，提供更高發光效能的LED模組。

為了達成上述的目的，本發明提供一種垂直型發光二極體晶粒的結構，包含有一金屬組合基板及一磊晶電極層，金屬組合基板具有一第一金屬層及二第二金屬層，第二金屬層分別位在第一金屬層的上、下表面上，第一金屬層及第二金屬層藉由切割、真空加熱及研磨拋光的方式組合，以使金屬組合基板具有高熱傳導係數、低熱膨脹係數與初始磁導率，磊晶電極層位在金屬組合基板上。

另外，本發明亦提供一種垂直型發光二極體晶粒的製造方法，包含下列步驟，先提供一生長基板，並在其上形成一磊晶層，提供一金屬組合基板經切割、真空加熱及研磨拋光形成，在金屬組合基板上形成連接金屬層，金屬組合基板藉由連接金屬層接合至磊晶層上，去除生長基板，在磊晶層頂部表面設置複數電極單元，對應電極單元數量進行分割，以使金屬組合基板上形成複數磊晶晶粒。

在本發明中，磊晶電極層包含有一連接金屬層，其係位在金屬組合基板上，至少一磊晶晶粒位在連接金屬層上，每一磊晶晶粒上具有一電極單元。

在本發明中，第一金屬層係鎳鐵合金，第二金屬層係銅。

在本發明中，金屬組合基板的第二金屬層、第一金屬層、第二金屬層之厚度比為1：2.5~3.5；1。

在本發明中，金屬組合基板厚度係小於或等於200μm。

在本發明中，切割係雷射切割，拋光研磨係化學機研磨或銅金屬拋光方法。

在本發明中，金屬組合基板可藉由初始磁導率以往磊晶電極層導通一微電流。

在本發明中，形成磊晶晶粒後，更可依磊晶晶粒之組數進行分割，並藉由打線及封裝，以形成發光二極體。

在本發明中，發光二極體具有無線生電功能，以進行無線發光。

在本發明中，生長基板係藉由化學溶液或雷射方法去除。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

為了穩定以及提升LED的發光效率，並且有效應用在垂直型LED，本發明藉由改良晶粒之結構及製造方法，予以改變晶粒下的基板之熱膨脹係數及提高熱傳導，使得日後LED在溫度較高的環境下，也不會因為基板的形變，導致發光強度的改變，並且藉由基板的特殊材料，形成具有可以無線生電以進行無線發光的應用。

首先，請先參照本發明第一圖所示，一種垂直型發光二極體晶粒10的結構包含一金屬組合基板12及一磊晶電極層13，磊晶電極層13還包含一連接金屬層14、至少一磊晶晶粒16及至少一電極單元18，在本實施例中，先以一個磊晶晶粒16為例說明，連接金屬層14位在金屬組合基板12上，磊晶晶粒16位在連接金屬層14上，而電極單元18位在磊晶晶粒16上。

承接上段，更進一步地，金屬組合基板12包含有一第一金屬層122及二第二金屬層124，此二第二金屬層124分別位在第一金屬層122的上、下表面上，在本實施例中第一金屬層122係為鎳鐵合金，其係為鎳含量為36%的鎳鐵合金，第二金屬層124係為銅，而第一金屬層122與第二金屬層124的厚度比為2.5~3.5：1，以形成從下至上為第二金屬層124：第一金屬層122：第二金屬層124為1：2.5~3.5：1，在本實施例中先以第一金屬層122與第二金屬層124的厚度比為3：1說明，例如第一金屬層122的最佳厚度為60μm，第二金屬層124的最佳厚度為20μm，本發明不以此為發明限制，金屬組合基板12的厚度可以小於或等於200μm。

承上，更進一步地，連接金屬層14包含有一接觸層142、一反射層144及一電流散佈層146，接觸層142位在金屬組合基板12上，反射層144位在接觸層142上，電流散佈層146位在反射層144上，反射層144上則設有磊晶晶粒16。在本實施例中，接觸層142係為一p-contact，反射層144係為一Reflector，電流散佈層146係為一p-GaP。

承上，更進一步地，磊晶晶粒16更包含有一第一磷化鋁鎵銦(AlGaInP)層162、一多量子井(MQWs)層164、一第二磷化鋁鎵銦層166及一砷化鎵(GaAs)層168，第一磷化鋁鎵銦層162係位在電流散佈層146上，多量子井層164係位在第一磷化鋁鎵銦層162上，第二磷化鋁鎵銦層166係位在多量子井層164上，砷化鎵層168則係位在第二磷化鋁鎵銦層166上，且砷化鎵層168上設有電極單元18。在本實施例中，第一磷化鋁鎵銦層162係為一p-AlGaInP，而第二磷化鋁鎵銦層166係為n-AlGaInP，砷化鎵層168則係為一n-GaAs。

在說明完本發明的結構後，接著詳細說明本發明垂直型發光二極體晶粒的製造方法，請參照本發明第二圖及第三a圖~第三f圖。首先，如步驟S10所示，並請同時參照本發明的第三a圖，先提供一生長基板20，並在生長基板20上形成一磊晶層22，並在磊晶層22上設置一連接金屬層14，其由下至上依序包含有電流散佈層146、反射層144、接觸層142，在本實施例中的生長基板20係為砷化鎵(GaAs)基板。如步驟S12所示，並請同時參照本發明的第三b圖，接著提供一金屬組合基板12，其係利用雷射切割、真空加熱及研磨拋光的方式形成如圖所示之二第二金屬層124分別位在第一金屬層122上、下之結構，本實施例中 的研磨拋光係為半導體製程的化學機研磨(CMP)，另外使用者亦可選用銅金屬拋光方法，無論使用何種研磨拋光方法，可以將第二金屬層124之銅表面拋光為0.5~0.01μm之表面粗糙度，並可用作為接合面，雷射切割係使用UV-雷射(266nm)規格，真空加熱溫度範圍為150~250度，壓力可在100~250torr的範圍，加熱時間為10分鐘~30分鐘，可以消除金屬組合基板12的應力，並行平坦度會小於100μm的金屬片。如步驟S14所示，並請同時參照本發明的第三c圖，接著將金屬組合基板12接合至磊晶層22上，本發明不限制接合的方式。如步驟S16所示，當金屬組合基板12接合至磊晶層22後，可以利用化學溶液將生長基板20去除，去除生長基板20後之結構請參照第三d圖所示，在本實施例中的化學溶液係為氨水(NH4OH)及雙氧水(H2O2)的混合溶液，除了使用化學溶液外，也可以使用雷射切割方法切割，本發明不以實施例的切割作為限制。如步驟S18所示，並請參照本發明的第3e圖，藉由退火製程在磊晶層22頂部表面上設置複數電極單元18，其係由锗金合金(AuGe)及金(Au)透過2：3的比例，藉由溫度360度的退火製程混製而成，因在第3e圖中為剖面示意圖的呈現方式，僅先以二電極單元18為例說明，但本發明不限制電極單元18的數量，可依照使用者需求進行電極單元18的配置，電極單元18的數量係可為複數個。如步驟S20所示，並請參照本發明的第三f圖，對應電極單元18的數量分割磊晶層22，以使每一連接金屬層14上形成一磊晶晶粒16，其上至下依序包含有第一磷化鋁鎵銦層162、多量子井層164、第二磷化鋁鎵銦層166、砷化鎵層168，最底部則係為包含有第一金屬層122及第二金屬層124的金屬組合基板12，第三f圖同第三e圖，因此在數量上僅顯示出二磊晶晶粒16，但本發明不以此為限制，磊晶晶粒16可依照電極單元18的數量分割，上述二磊晶晶粒16及其上的二電極單元18僅係為一組組數，並且在分割的方式上，本發明不限制需使用雷射切割或是化學蝕刻等方式形成。

本發明藉由上述的製造方法所形成的垂直型發光二極體晶粒結構，金屬組合基板的條件不同於以往的矽基板，在後續的打線封裝製程上，具有更佳的生產良率，且比起其它金屬基板成本更低，例如鉬(Mo)、鎢銅(CuW)及其混合金屬，且本發明的金屬組合基板係藉由兩種金屬與一混和金屬的組合層疊，不同於一般的金屬基板，本發明所提供的金屬組合基板熱之膨脹係數範圍在5~7 ppm/K間，最佳實施例則係為6.1(ppm/K@20C)，不會太高或太低，並且具有高熱傳導係數，本發明的金屬組合基板之熱傳導係數係在20~40 W/mK(垂直方向)及170~280 W/mK(水平方向)，透過連接金屬層以更匹配地接合至磊晶層，且此一金屬組合基板的薄度夠薄，也不需要更多額外的薄化製程，即可提供一種具有絕佳的低熱膨脹係數、高熱傳導係數、成本低、良率高且容易接合磊晶層的金屬組合基板。另外，本發明的金屬組合基板還具有初始磁導率(Initial Magnetic Permeability)之軟磁性，其係大於2000，可以使金屬組合基板藉由初始磁導率以往磊晶電極層導通微電流，使得本案所形成的垂直型發光二極體晶粒結構在組裝成LED模組後，具備無線生電功能，並且可以達到無線發光的新應用，以達到高功率LED的應用需求。此外，本發明的金屬組合基板上述的軟磁性，使得本身可以作為磁導結構，可以有效應用在生產作業過程中，因為每一發光二極體晶粒的體積十分微小，不易透過人工方式進行夾取，即便透過機器的夾取，也需要十分精密，因此再大量傳輸上，具有相當的難度。然而，未來只要結合帶有磁性的器材，例如微小的磁性針頭，應用在機器手臂上，即可大量吸取本發明帶有軟磁性的垂直型發光二極體晶粒結構，將可在生產作業過程，運用此一磁力達到巨量轉移的效果，有效的提升產業生產的競爭力，並且解決現今Micro LED的巨量轉移技術的缺失。

再者，本發明所形成的垂直型發光二極體晶粒，在形成磊晶晶粒後，可以依照每一兩兩為一組的磊晶晶粒及電極單元進行切割，可以切割出複數組，並藉由打線及封裝的製程，以形成垂直型發光二極體，本發明不限制後續的製程流程及結構，也不對數量進行限制，上述的實施例僅係切割後為一組的圖式，但本發明不限制切割後的組數，可以依照複數磊晶晶粒形成複數組，且每一組包含二磊晶晶粒及電極單元的垂直型發光二極體晶粒，可供使用者的需求而設計，主要是藉此所形成的垂直型發光二極體，無論在何種溫度環境下，會比一般垂直型發光二極體，具有更佳熱膨脹係數的金屬組合基板，以避免因為溫度的變化而產生形變，本發明則可穩定維持發光二極體的高效率發光功效。

例如，本發明不限制磊晶電極層應係何種結構，其中在連接金屬層上的磊晶晶粒數量為至少一，也可以是二個或更多，端看日後使用者對於LED之磊晶分割製程之限制。因此，本發明再提出一種雙磊晶結構，請參照本發明第四圖所示，一種垂直型發光二極體晶粒30的結構包含一金屬組合基板32及一磊晶電極層33，磊晶電極層33則包含有一連接金屬層34、二磊晶晶粒36及二電極單元38，連接金屬層34位在金屬組合基板32上，二磊晶晶粒36位在連接金屬層34上，而二電極單元38分別位在磊晶晶粒36上。金屬組合基板32包含有一第一金屬層322及二第二金屬層324，此二第二金屬層324分別位在第一金屬層322的上、下表面上。連接金屬層34由下而上依序設有一接觸層342、一反射層344及一電流散佈層346，接觸層342位在金屬組合基板32上，反射層344上則設有二磊晶晶粒36。每一磊晶晶粒36上依序設有一第一磷化鋁鎵銦層362、一多量子井層364、一第二磷化鋁鎵銦層366及一砷化鎵層368，第一磷化鋁鎵銦層362位在電流散佈層346上，砷化鎵層368上設有電極單元38。此實施例的組成限制及製程方式與上述實施例相同，差別僅在對應磊晶晶粒36分割時，本實施例係以二磊晶晶粒36為一組分割以切成如第四圖所示的垂直型發光二極體晶粒30，並同時在二磊晶晶粒36中切割至連接金屬層34為止。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍。

10‧‧‧垂直型發光二極體晶粒

12‧‧‧金屬組合基板

122‧‧‧第一金屬層

124‧‧‧第二金屬層

13‧‧‧磊晶電極層

14‧‧‧連接金屬層

142‧‧‧接觸層

144‧‧‧反射層

146‧‧‧電流散佈層

16‧‧‧磊晶晶粒

162‧‧‧第一磷化鋁鎵銦層

164‧‧‧多量子井層

166‧‧‧第二磷化鋁鎵銦層

168‧‧‧砷化鎵層

18‧‧‧電極單元

20‧‧‧生長基板

22‧‧‧磊晶層

30‧‧‧垂直型發光二極體晶粒

32‧‧‧金屬組合基板

322‧‧‧第一金屬層

324‧‧‧第二金屬層

33‧‧‧磊晶電極層

34‧‧‧連接金屬層

342‧‧‧接觸層

344‧‧‧反射層

346‧‧‧電流散佈層

36‧‧‧磊晶晶粒

362‧‧‧第一磷化鋁鎵銦層

364‧‧‧多量子井層

366‧‧‧第二磷化鋁鎵銦層

368‧‧‧砷化鎵層

38‧‧‧電極單元

第一圖為本發明垂直型發光二極體晶粒第一實施例的結構之示意圖。 第二圖為本發明垂直型發光二極體晶粒第一實施例的製造方法之步驟流程圖。 第三a圖~第三f圖為本發明製作第一實施例結構之各步驟結構示意圖。 第四圖為本發明垂直型發光二極體晶粒第二實施例的結構之示意圖。

Claims (15)

1. 一種垂直型發光二極體晶粒的結構，包含：一金屬組合基板，其係包含一第一金屬層，及二第二金屬層分別位在該第一金屬層的上、下表面上，該第一金屬層及該二第二金屬層係藉由切割、真空加熱及研磨拋光的方式組合，以使該金屬組合基板具有高熱傳導係數、低熱膨脹係數與初始磁導率，該金屬組合基板的厚度係小於或等於200μm；以及一磊晶電極層，其係位於該金屬組合基板上。
2. 如請求項1之垂直型發光二極體晶粒的結構，其中該磊晶電極層更包含：一連接金屬層，其係位於該金屬組合基板上；及至少一磊晶晶粒，其係位於該連接金屬層上，每一該磊晶晶粒上具有一電極單元。
3. 如請求項1之垂直型發光二極體晶粒的結構，其中該第一金屬層係為鎳鐵合金，該第二金屬層係為銅。
4. 如請求項1之垂直型發光二極體晶粒的結構，其中該金屬組合基板的該第二金屬層、該第一金屬層、該第二金屬層的厚度比為1：2.5~3.5；1。
5. 如請求項1之垂直型發光二極體晶粒的結構，其中該切割係為雷射切割，該拋光研磨係為化學機研磨或銅金屬拋光方法。
6. 如請求項1之垂直型發光二極體晶粒的結構，其中該金屬組合基板可藉由該初始磁導率以往該磊晶電極層導通一微電流。
7. 一種垂直型發光二極體晶粒的製造方法，包含：提供一生長基板，並在該生長基板上形成一磊晶層；提供一金屬組合基板，其經由切割、真空加熱及研磨拋光形成；在該金屬組合基板上形成連接金屬層，該金屬組合基板藉由該連接金屬層以接合至該磊晶層上；去除該生長基板；在該磊晶層頂部表面上設置複數電極單元；以及對應該等電極單元的數量進行分割，以使該金屬組合基板上形成複數磊晶晶粒。
8. 如請求項7所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中形成該等磊晶晶粒後，更可依該等磊晶晶粒之組數進行分割，並藉由打線及封裝，以形成發光二極體。
9. 如請求項8所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該發光二極體具有無線生電功能，以進行無線發光。
10. 如請求項7所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該金屬組合基板係具有高熱傳導係數、低熱膨脹係數與初始磁導率。
11. 如請求項7所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該金屬組合層更包含：一第一金屬層；及二第二金屬層，其係分別位在該第一金屬層的上、下表面上。
12. 如請求項11所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該第一金屬層係為鎳鐵合金，該第二金屬層係為銅。
13. 如請求項7所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該金屬組合基板的該第二金屬層、該第一金屬層、該第二金屬層的厚度比為1：2.5~3.5；1。
14. 如請求項7所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該金屬組合基板的厚度係小於或等於200μm。
15. 如請求項7所述之垂直型發光二極體晶粒的製造方法，其中該生長基板係藉由化學溶液或雷射方法去除。