TWI688114B

TWI688114B - 發光元件及其製造方法

Info

Publication number: TWI688114B
Application number: TW106146548A
Authority: TW
Inventors: 邱柏順; 郭得山; 楊治政; 黃俊儒; 李建輝; 陳英傑; 林資津
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2020-03-11
Also published as: TW201813123A

Abstract

一發光二極體晶粒，包含：一基板，包含一上表面、一下表面及複數個側面；以及一半導體疊層，位於基板之上表面；其中複數個側面之一包含：一第一區，靠近上表面且具有一第一粗糙度；一第二區，具有一或複數條粗化痕，大致平行於上表面或下表面，且粗化痕或複數條粗化痕之任一具有一第二粗糙度；以及一第三區，介於第一區及第二區之間或/及複數條粗化痕之間，且具有一第三粗糙度；其中，第一粗糙度不大於第二粗糙度，且第三粗糙度小於第一粗糙度；以及基板之厚度介於150至250μm。

Description

發光元件及其製造方法

本發明係有關於一種發光二極體及其製造方法，特別係關於一種發光二極體晶圓之分割技術。

發光二極體(light-emitting diode,LED)為p型半導體與n型半導體所組成之光電元件，透過p-n接面上載子的結合放出光線，可廣泛地使用於光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置與醫療器材等。傳統的發光二極體製程，乃是在一基板上以磊晶技術成長半導體疊層，形成晶圓，磊晶完成後需進行切割製程，將晶圓分割成複數個發光二極體晶粒。

習知的晶圓切割技術係先自發光二極體晶圓之表面上形成兩組彼此互相垂直之切割線，接著以劈刀對準兩方向垂直線進行劈裂，使得晶圓沿著切割線裂開而分離成複數個發光二極體晶粒。然而受限於此切割技術，倘若基板厚度增加，將造成劈裂良率不佳。此外，晶圓在切割製程中所產生的碎屑或微塵易殘留於晶粒上，造成吸光而使得晶粒整體出光效果不佳、亮度降低。

1:晶圓

3:發光二極體晶粒

10:基板

20:半導體疊層

22:第一半導體層

24:活性層

26:第二半導體層

32:第一電極

34:第二電極

50:第二雷射光束

60:反射結構

100:切割線

101:第一表面

102:第二表面

103:側表面

104:第二切割線

108:第一切割線

200:第二區

210、220、230、240:粗化痕

250:刻痕

300:第一區

400:第三區

〔圖1A至1F〕為本發明之製造方法之一實施例。

〔圖2〕為本發明之製造方法之另一實施例。

〔圖3〕為本發明之製造方法之另一實施例。

〔圖4〕為依本發明之一實施例之結構示意圖。

〔圖5A及5B〕為依本發明之一實施例之電子顯微鏡掃描圖。

〔圖6〕為依本發明之另一實施例之結構示意圖。

〔圖7〕為依本發明之製造方法所量測在不同厚度基板下之發光二極體晶粒之功率比較圖。

本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。

依本發明之發光二極體晶粒製造方法之第一實施例，如第1A圖所示，提供一基板10，包含一第一表面101及一第二表面102，以磊晶製程在第一表面101上成長半導體疊層20，成為晶圓1。基板10可為藍寶石(Sapphire)基板、矽(Silicon)基板、碳化矽(SiC)基板、氮化鎵(GaN)基板、或砷化鎵(GaAs)基板。基板10的厚度不小於150μm，較佳地，可介於150μm至250μm。半導體疊層20包含了第一半導體層22、第二半導體層26、以及一活性層24位於第一半導體層22及第二半導體層26之間。其中第一半導體層22與第二半導體層26具有不同電性。半導體疊層20之材料係包含至少一種元素選自於由鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)、砷(As)及矽(Si)所構成之群組，例如為AlGaInP、AlN、GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN等之半導體化合物。活性層24之結構可為單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙面雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)或多重量子井結構(multi-quantum well structure；MQW)。

接著，如第1B圖所示，以蝕刻製程移除部分區域之第二半導體層26及活性層24，並暴露出第一半導體層22，以形成複數蝕刻平台201。再以一第一雷射光束從半導體疊層20之一表面照射，經由第一雷射切割製程將晶圓1之表面形成複數條切割線100，切割線100穿透半導體疊層20，劃切到基板10至一深度。第1C圖為經由第一雷射光束所照射後之上視圖，切割線100包含複數條第一切割線108以及複數條第二切割線104，且藉由複數蝕刻平台201的排列，第一切割線108與第二切割線104可大致上相互垂直。接著，如第1D圖所示，在半導體疊層20上形成電流阻擋層(圖未示)、電流擴散層(圖未示)、一第一電極32與一第二電極34。接著，如第1E圖所示，以第二雷射光束50沿著上述切割線100從基板10之第二表面102照射，將第二雷射光束聚焦於基板內部，在基板10中形成與切割線100相對應之粗化痕200。第二雷射光束可為隱形切割(Stealth Dicing)雷射，粗化痕200即是隱形切割線。為了避免半導體疊層20受雷射光束散射等影響而受損，導致電性失效，在基板10內部第二雷射光束聚焦及形成粗化痕200的位置，應至少距離半導體疊層20 80μm以上。

上述步驟完成後，對晶圓施1以外力，將晶圓1分離成複數個發光二極體晶粒3，如第1F圖所示。由於上述第一或第二雷射切割製程中，晶圓或基板容易產生微塵或碎屑等殘留物，一但此殘留物附著於發光二極體晶粒之表面或側表面，會吸光而造成晶粒出光效果不佳，亮度降低等不良影響。因此，在上述第一及/或第二雷射切割製程實施後，可採用一濕式蝕刻製程，將殘留物從晶粒表面上去除，濕式蝕刻液可採用酸性溶液，包含但不限於磷酸溶液、硫酸溶液或兩者之混合溶液等。

第2圖為本發明之發光二極體晶粒製造方法之另一實施例。在本實施例中，使用較厚的基板10以增加發光二極體晶粒之出光面積及出光角度，而磊晶成長製程、第一雷射切割製程、電極形成等製程與第一實施例中所述相同，故不再贅述。當基板厚度增加，可沿著前述之切割線100對基板10之第二表面102實施多次隱形切割雷射，以在基板10內部之同一截面上形成多條不同的隱形切割線210及220，例如，多次的隱形切割雷射可先聚焦在基板中深度較深處(即較接近半導體疊層的深度處)，之後的隱形切割雷射會聚焦在基板中深度較淺處(即較遠離半導體疊層之深度處)，依序進行，也可以在一次的隱形切割雷射中即形成兩條隱形切割線，但本發明之實施方式不限於此。接著，如前面實施例中所述，在實施多次的隱形切割雷射製程後，以外力將晶圓分離成複數個發光二極體晶粒。複數條隱形切割線可導引後續劈裂製程中之裂痕方向，使分離晶粒時不沿著晶格易裂方向裂開，而是沿著切割應力方向垂直向下裂開，縮減斜裂距離，提升切割良率。實施隱形切割雷射之次數可依基板厚度來決定，重複次數不大於(基板厚度-100)(單位μm)÷50無條件進位至整數之數值。例如，當基板厚度介於150μm至200μm，可於基板實施不超過兩次隱形切割雷射製程；當基板厚度為200μm至250μm，可於基板實施不超過三次隱形切割雷射製程，以此類推。當採用厚基板時，實施隱形切割雷射製程次數若不足，會造成切割良率不佳；而在特定基板厚度下，若實施隱形切割雷射製程次數過多時，除了使得成本增加外，由於多次的雷射能量可能散射至半導體疊層，會造成損傷導致發光二極體晶粒之電性劣化，例如漏電流增加等不良影響。

在本發明之發光二極體晶粒製造方法之另一實施例中，同樣先對具有厚度不小於150μm基板之晶圓表面照射第一雷射光束，再對基板之第二表面實施多次隱形切割雷射。為了避免半導體疊層20受雷射光束散射等影響而受損，在基板10內部接近半導體疊層20之一深度處實施隱形切割雷射時，其功率可小於在較遠離半導體疊層20之另一深度處實施隱形切割雷射之功率，而其切割速度可大於在較遠離半導體疊層20之另一深度處實施雷射之切割速度。意即，在基板10內部接近半導體疊層20處所實施之隱形切割雷射，可採用低功率及高切割速度之雷射規格，於較佳實施例中，隱形切割雷射之功率可介於0.05至0.15W(瓦特)，其切割速度可介於400至1000mm/sec(釐米/秒)。

第3圖為本發明之發光二極體晶粒製造方法之另一實施例。在本實施例中，於實施隱形切割雷射製程後，在基板10之第二表面102形成反射結構60，以反射來自半導體疊層20之光，增進晶粒出光效率，後續再進行晶粒分離之製程。反射結構60之材料可為金屬材料，包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鎢(W) 或上述材料之合金等。反射結構60也可以是布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)，包含至少兩種以上折射率不同之材料交互堆疊形成。布拉格反射結構可為絕緣材料或導電材料，絕緣材料包含但不限於聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、氧化鎂(MgO)、Su8、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鎂(MgO)、氧化矽(SiO_x)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)、氮化矽(SiN_x)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。導電材料包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)或氧化銦鋅(IZO)。反射結構60也可以是由介電層與金屬層所形成之全方向反射鏡(omnidirectional reflector,ODR)。

第4圖為依據本發明之一製造方法所形成之發光二極體晶粒結構示意圖。發光二極體晶粒包含基板10，基板具有一第一表面101、一第二表面102以及複數個側表面103，以及設置於基板10第一表面101之半導體疊層20。基板厚度不小於150μm，較佳地，介於150μm至250μm。複數個側表面103具有一第一區300、一包含單條或複數條大致平行於第一表面101或第二表面102之粗化痕210/220之第二區200、以及一介於第一區300與第二區200之間或/及介於複數條粗化痕210/220之間的第三區400。第一區300是經由第一雷射切割製程劃切基板10至一深度所形成，位於基板側表面103接近半導體疊層20處，且具有一第一表面粗糙度(Root Mean Square,RMS)。第二區200之單條或複數條粗化痕210/220乃是經由實施單次或多次第二雷射切割製程所形成，即隱形切割線，粗化痕210/220具有一第二表面粗糙度。第三區400為基板劈裂面，具有一第三表面粗糙度。於較佳實施例中，第一區300之第一表面粗糙度(RMS)不大於1μm，第二區200中粗化痕210/220之第二表面粗糙度(RMS)介於1μm至5μm，第三區400之表面粗糙度(RMS)小於第一表面粗糙度及第二表面粗糙度。此外，本實施例在基板10之第二表面102可包含一反射結構(圖未示)，以增進整體晶粒出光效率。

具體來說，第5A圖為依據本發明之一製造方法所形成之發光二極體晶粒之電子顯微鏡掃描圖，基板側表面接近半導體疊層處具有第一區300、包含複數條粗化痕210/220/230之第二區200以及第三區400，第5B圖為第5A圖中粗化痕220之局部放大圖，每條粗化痕由複數條大致垂直於基板10第一表面或第二表面的條狀刻痕250所組成。於較佳實施例中，單條或複數條粗化痕210、220、230在基板10側表面上之寬度(即刻痕250之長度)小於60μm，與半導體疊層20之距離不小於80μm，但本實施例並不限於此。

第6圖為依據本發明之另一製造方法所形成之發光二極體晶粒結構示意圖。在接近半導體疊層20之基板10側表面103上具有一第一粗化痕230，在較遠離半導體疊層之基板側表面上具有一第二粗化痕240。與第4圖所示之發光二極體晶粒結構示意圖之差異在於，由於在基板10中接近半導體疊層20處所實施之隱形切割雷射製程為採用低功率及高切割速度之雷射規格，第一粗化痕230中刻痕間距大於第二粗化痕240中刻痕間距。

第7圖為採用不同厚度基板之發光二極體晶粒依本發明之製造方法，在不同切割製程條件下所測量之功率(Power)比較圖。A組為僅採用由半導體疊層之表面進行照射之雷射切割技術，即僅採用第一雷射切割製程，B組為採用第一雷射切割並搭配單次隱形切割雷射，C組為採用第一雷射切割並搭配兩次隱形切割雷射，D組為採用第一雷射切割並搭配三次隱形切割雷射。在本實驗中，以150μm基板之晶圓實施第一雷射切割技術，以外力分離後所得之發光二極體晶粒作為對照組，亦即，將其測得功率值定為100%。將各組切割製程條件所得之發光二極體晶粒測得之功率值與對照組相比，搭配隱形切割雷射之實驗組在各個基板厚度下，功率可提升0.7%以上，當基板厚度為250μm時，約可提升至4%。而200μm基板之發光二極體在實施雷射切割並搭配三次隱形切割雷射後，所測得之功率下降，推估為過多次的隱形切割雷射造成半導體疊層之電性異常。

於本發明中使用厚度不小於150μm的基板，可獲得較多出光面積及出光角度，使用雷射切割製程搭配單次或多次的隱形雷射切割製程，以提升切割良率。此外，基板側表面上之粗化痕可對晶粒側表面形態進行調整，避免光滑面所造成之內部全反射效應，增進晶粒側面出光及散射效果，而達到改善發光二極體晶粒之整體出光效率。

惟上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效，而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本申請案之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本申請案之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。