CN100345313C

CN100345313C - 发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN100345313C
Application number: CNB031331750A
Authority: CN
Inventors: 陈锡铭
Original assignee: South Epitaxy Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: CN1571172A

Abstract

一种发光二极管及其制造方法，该发光二极管至少包括：一透明基板；一位于所述透明基板的一面上的反射层；一位于所述透明基板的另一面上的接着层；一位于所述接着层上的半导体外延结构，以及一位于半导体外延结构的n型接触层上的透明导电层；其中该半导体外延结构至少包括一n型接触层，且该n型接触层可为具连续平面的结构、具连续的网状或条状表面的结构、或具不连续表面的圆柱或角柱结构。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，尤其涉及一种利用芯片接合技术所制造的高亮度发光二极管及其制造方法。

背景技术

请参照图1，图1为传统的发光二极管结构的剖面图。该发光二极管结构包括依序堆叠的基板100、n型半导体缓冲层(Buffer Layer)102、n型半导体接触层(Contact Layer)104、n型半导体覆盖层(Cladding Layer)106、活性层(ActiveLayer)108、p型半导体覆盖层110、p型半导体接触层112，以及位于部分的p型半导体接触层112上的p型接触垫(Contact Pad)114与位于暴露的n型半导体接触层104上的n型接触垫116。

一般传统的发光二极管结构采用n型砷化镓(GaAs)为基板100的材料。由于n型砷化镓所构成的基板100会吸收光，因此在发光二极管的活性层108所产生的光子中，朝向基板100方向的光子大部分将为基板100所吸收，而严重影响发光二极管组件的发光效率。

为避免发光二极管的基板吸光问题，美国惠普(Hewlett-Packard)公司在其美国专利第5376580号(申请日1993年3月19日)中揭露将砷化铝镓(AlGaAs)发光二极管芯片自砷化镓基板剥离后直接接合到其它基板的技术。然而，该美国专利第5376580号的缺点是必须要考虑贴合芯片间的晶格方向对齐，而导致合格率降低。另外，台湾全新光电公司(Visual Photonics Epitaxy)K.H.Chang等人在其美国专利第6258699号(申请日为1999年5月10日)中揭露将发光二极管芯片自其原生基板(Growth Substrate)上剥离后，利用金属当接合介质的相关技术。但是，该美国专利第6258699号的缺点是贴合后容易剥落，而造成合格率下降。

综上可知，所述现有技术的发光二极管，在实际使用上，显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有发光二极管的基板吸收光子，影响发光二极管组件的发光效率，而发光二极管芯片自基板上剥离直接或利用金属作接合介质接合于其他基板时，必须将芯片间晶格方向对齐或贴合易剥落，造成合格率下降。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，至少包括：一透明基板；一位于透明基板的一面上的反射层；一位于透明基板的另一面上的接着层；一位于接着层上的半导体外延结构；以及一位于半导体外延结构上的透明导电层。

本发明中反射层的材料为金属，接着层的材料为耐高温且高温度传导系数的导电或不导电材料，接着层的材料可为有机材料或金属。

本发明还提供该种发光二极管的制造方法，其至少包括下列步骤：一种发光二极管的制造方法，至少包括：提供一原生基板，其中该原生基板上至少包括依序堆叠的一缓冲层以及一蚀刻终止层(Etching Stop Layer)；在蚀刻终止层上形成一半导体外延结构；移除所述的原生基板、缓冲层、以及蚀刻终止层；提供一透明基板，其中该透明基板的一面至少包括一反射层，且该透明基板的另一面至少包括一接着层；进行一芯片接合步骤借以将半导体外延结构贴合在透明基板的接着层上；以及在半导体外延结构上形成一透明导电层。

本发明在该芯片接合步骤之后，还包括对半导体结构的n型半导体接触层进行蚀刻的步骤，借以使n型半导体接触层形成非平面的连续结构或不连续表面结构，如此一来，可提高电流分散效果。

本发明的发光二极管及其制造方法，通过移除原生基板，可大幅缩减基板吸收光所造成的光强度损失。其次，利用接着材料进行芯片接合，可不需考虑接合芯片的方向配置，从而可提高合格率并降低生产成本。另外，透明基板上的反射层可提供光子再利用，进而可提高光子由组件侧面取出的数量。另外，在蚀刻后的n型半导体接触层上沉积透明导电层，不仅可提高光取出效率，n型接触垫位于组件的正面，还可兼顾电流分散的效果。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的较佳实施例的详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

附图中，

图1为传统的发光二极管结构的剖面图；

图2为本发明一实施例的发光二极管的外延结构的剖面图(未移除原生基板)；

图3为本发明一实施例的发光二极管的外延结构的剖面图(移除原生基板)；

图4为本发明一实施例的发光二极管的透明基板的剖面图；

图5a为本发明一实施例的发光二极管结构的剖面图；

图5b为本发明另一实施例的发光二极管结构的剖面图；

图6为本发明一实施例的发光二极管的光取出方向示意图。

具体实施方式

下文，将详细描述本发明。

在半导体发光组件中，磷化铝镓铟(AlGaInP)为常见的材料。由于磷化铝镓铟为一直接能隙材料，因此通过适当调整磷化铝镓铟材料中铟/(铝+镓)的比例，可使磷化铝镓铟材料与砷化镓基板的晶格常数匹配。若经调整磷化铝镓铟材料中铝及镓的比例，可使发光波长介于550nm(绿光)～680nm(红光)之间。由于磷化铝镓铟材料在组件外延上的调整相当简易，可轻易以线性的方式得到要发光的波长，故非常适用于制造可见光区的发光组件。

此外，由于增加磷化铝镓铟材料中铝的含量可增加磷化铝镓铟材料的能隙。因此，一般会以铝含量高的磷化铝镓铟来当作覆盖层，借以局限掉落到中心发光层(又名为活性层)的载子，以提高载子的注入效率与幅射复合效率，而形成具高发光效率的双异质结构(Double Heterostructure)的发光二极管。其中，由于上述的覆盖层的能隙较发出光子能量大，因此不会吸收活性层所发出的光。

请参照图2至图5a，图2至图5a为本发明一较佳实施例的发光二极管的制程剖面图。本发明的发光二极管的制造过程是：首先提供基板200，其中该基板200为一原生基板，且基板200的材料可为n型砷化镓。再利用例如有机金属化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)的方式于基板200上依序形成缓冲层202以及蚀刻终止层204。接下来，利用例如有机金属化学气相沉积法形成该发光二极管的半导体外延结构，而依序于蚀刻终止层204上依序形成n型半导体接触层206、n型半导体覆盖层208、多层量子阱活性层(Multiple Quantum Well Active Layer)210、p型半导体覆盖层212、以及p型半导体接触层214，而形成如图2所示的结构。在该较佳实施例中，缓冲层202的材料可为n型砷化镓；蚀刻终止层204的材料可为n型磷化铝镓铟；n型半导体接触层206的材料可为n型砷化镓；n型半导体覆盖层208的材料可为磷化铝镓铟；多层量子阱活性层210的材料可为磷化铝镓铟/磷化镓铟(GaInP)；p型半导体覆盖层212的材料可为磷化铝镓铟；以及p型半导体接触层214的材料可为磷化铝镓铟砷(AlGaInAsP)。

待完成发光二极管的半导体外延结构后，可利用蚀刻的方式去除蚀刻终止层204，借以移除缓冲层202以及基板200，而留下发光二极管的外延结构，如图3所示。

在此同时，提供透明基板300，其中该透明基板300的材料可为氧化铝(Al₂O₃)、硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZeO)、磷化镓(GaP)、或玻璃等。接着，利用例如沉积的方式在透明基板300的一面形成反射层304，并利用例如涂布(Coating)、沉积、或蒸镀(Evaporation)等方式在透明基板300的另一面形成接着层302，而形成如图4所示的结构。其中，反射层304较佳是为高光反射的金属，例如铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、及所述金属的合金，且接着层302的材料为导电或不导电的耐高温且高温度传导系数材料，例如有机材料或金属。

然后，利用例如芯片接合技术，将图3的发光二极管的外延结构与图4的透明基板300结构贴合，而使接着层302与p型半导体接触层214接合。利用由耐高温且高温度传导系数材料所构成的接着层302进行芯片接合，不需要考虑接合发光二极管芯片的方向配置，因此可提高合格率，并可降低生产成本。其次，以透明基板300取代基板200后，不仅可有效减少基板光吸收的损失，还可提高发光二极管的光取出效率。再者，透明基板300的反射层304，可提供多层量子阱活性层210所产生的光子再利用，而提高光子由发光二极管组件的侧面取出的数量。

待完成发光二极管的芯片接合后，利用例如电子枪蒸镀法(E-GunEvaporation)、热蒸镀法、或溅镀法(Sputtering)形成透明导电层216覆盖在n型半导体接触层206上，以提高发光二极管的光取出效率。其中，透明导电层216的材料可为钛(Ti)、钛的合金、钛的氧化物或氮化物[例如氮化钛(TiN)]、钽(Ta)的氧化物[例如五氧化二钽(Ta₂O₅)]或氮化物、铂(Pt)、铂的合金、氧化铟锡(Indium Tin Oxide；ITO)、氧化铟(Indium Oxide)、氧化锡(Tin Oxide)、或氧化镉锡(Cadmium Tin Oxide)等。

透明导电层216形成后，利用例如微影与蚀刻方式进行定义，借以移除部分的透明导电层216、部分的n型半导体接触层206、部分的n型半导体覆盖层208、部分的多层量子阱活性层210、以及部分的p型半导体覆盖层212，而暴露出部分的p型半导体接触层214。接着，利用例如沉积以及微影与蚀刻的定义技术分别或同时形成n型接触垫218于部分的透明导电层216上，以及形成p型接触垫220位于暴露的p型半导体接触层214的一部分上，从而完成发光二极管组件的制作，如图5a所示。由于n型半导体的掺杂浓度高于p型半导体，因此n型接触垫218在发光二极管组件的正面，可提供较佳的电流分散效果。

为实现高光取出效率与提高电流分布(Current Spreading)效果，在贴合图3的发光二极管外延结构与图4的透明基板300结构后，可先利用例如显影与干式或湿式蚀刻技术定义n型半导体接触层222，而形成表面不平整的n型半导体接触层222。其中，经蚀刻后所形成的n型半导体接触层222可暴露出部分的n型半导体覆盖层208，也可不暴露出n型半导体覆盖层208。在本发明的一较佳实施例中，n型半导体接触层222可为具不连续表面的圆柱或角柱结构，或者是具连续表面的网状或条状结构。接下来，利用例如电子枪蒸镀法、热蒸镀法、或溅镀法形成透明导电层224覆盖在n型半导体接触层222上。其中，透明导电层224的材料可为钛、钛的合金、钛的氧化物或氮化物、钽的氧化物或氮化物、铂、铂的合金、氧化铟锡、氧化铟、氧化锡、或氧化镉锡等。当n型半导体接触层222暴露出部分的n型半导体覆盖层208时，透明导电层224覆盖在n型半导体接触层222以及暴露的n型半导体覆盖层208上；而当n型半导体接触层222并未暴露出n型半导体覆盖层208时，透明导电层224仅覆盖在n型半导体接触层222上。

同样地，透明导电层224形成后，如图5b所示，利用例如微影与蚀刻方式进行定义，借以移除部分的透明导电层224、部分的n型半导体接触层222、部分的n型半导体覆盖层208、部分的多层量子阱活性层210、以及部分的p型半导体覆盖层212，从而暴露出部分的p型半导体接触层214。接着，利用例如沉积以及微影与蚀刻的定义技术分别或同时形成n型接触垫218于部分的透明导电层224上，以及形成p型接触垫220位于暴露的p型半导体接触层214的一部分上，从而完成发光二极管组件的制作。

请参照图6，图6为本发明一较佳实施例发光二极管的光取出方向示意图。本发明的发光二极管除了具有传统发光二极管的方向1的光取出外，还有方向2、方向3、方向4、方向5、以及方向6等多个增加的光取出方向，因此可获得极高光输出亮度。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的一优点就是因为本发明利用耐高温且高温度传导系数的接着材料来进行发光二极管的芯片接合，所以不必需考虑接合发光二极管芯片的方向配置。因此，可提高合格率，进而达到降低生产成本的目的。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另一优点就是因为移除砷化镓原生基板并将发光二极管外延结构贴合在透明基板，因此不仅可大幅减少基板光吸收的损失，还可提高光取出效率。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的又一优点就是因为本发明在贴合后的发光二极管芯片表面沉积透明导电层，因此可提高光取出效率。而且，在蚀刻后的n型半导体接触层上沉积透明导电膜，除了可以提供高取出效率外，还可以兼顾电流分散效果。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的又一优点就是因为本发明在透明基板的一面形成反射层，因此可提供光子再利用，并提高光子由发光二极管组件的侧面取出的数量。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的再一优点就是因为本发明的发光二极管的n型接触垫位于组件的正面，因此较传统p型接触垫在组件正面的发光二极管，具有较优良的电流分散效果。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims

1、一种发光二极管，其特征在于，至少包括：

一透明基板；

一位于该透明基板的一面上的反射层；

一位于该透明基板的另一面上的接着层；

一位于该接着层上的半导体外延结构，其中该半导体外延结构至少包括依序堆叠的一p型磷化铝镓铟砷接触层、一p型磷化铝镓铟覆盖层、一磷化铝镓铟/磷化镓铟多层量子阱活性层、一n型磷化铝镓铟覆盖层、以及一n型砷化镓接触层，其中该p型磷化铝镓铟砷接触层与该接着层接触；以及

一位于该半导体外延结构上的透明导电层。

2、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该反射层的材料为高光反射金属，且该接着层的材料为耐高温且高温度传导系数材料。

3、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该n型砷化镓接触层为一连续表面结构。

4、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该n型砷化镓接触层为一不连续表面结构，且该不连续表面结构选自于由圆柱结构以及角柱结构所组成的结构其中之一。

5、一种发光二极管的制造方法，其特征在于，至少包括：

提供一原生基板，其中该原生基板上至少包括依序堆叠的一缓冲层以及一蚀刻终止层；

在该蚀刻终止层上形成一半导体外延结构；

移除该原生基板、该缓冲层、以及该蚀刻终止层；

提供一透明基板，其中该透明基板的一面至少包括一反射层，且该透明基板的另一面至少包括一接着层；

进行一芯片接合步骤借以将该半导体外延结构贴合在该透明基板的该接着层上；以及

形成一透明导电层覆盖在该半导体外延结构上。

6、根据权利要求5所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该半导体外延结构至少包括依序堆叠的一p型磷化铝镓铟砷接触层、一p型磷化铝镓铟覆盖层、一磷化铝镓铟/磷化镓铟多层量子阱活性层、一n型磷化铝镓铟覆盖层、以及一n型砷化镓接触层，且于移除该原生基板、该缓冲层、以及该蚀刻终止层之前，该n型砷化镓接触层与该蚀刻终止层接触。

7、根据权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，于该芯片接合步骤后，还至少包括对该n型砷化镓接触层进行一蚀刻步骤，借以使该n型砷化镓接触层形成一非平面连续结构。

8、根据权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，于该芯片接合步骤后，还至少包括对该n型砷化镓接触层进行一蚀刻步骤而暴露出部分的该n型磷化铝镓铟覆盖层，借以使该n型砷化镓接触层形成一不连续表面结构。

9、根据权利要求5所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该反射层的材料为高光反射金属，且该接着层的材料为耐高温且高温度传导系数材料。