CN101226973B - 高效率发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率发光二极管及其制造方法。高效率发光二极管至少包括：永久基板；第一及第二接触金属层，分别设于永久基板的相对二表面；接合层设于第二接触金属层上；扩散阻隔层设于接合层上，其中永久基板、接合层、扩散阻隔层为可导电；反射金属层设于扩散阻隔层上；透明导电氧化层设于反射金属层上；发光外延结构设于透明导电氧化层上，其中发光外延结构具有相对的第一及第二表面；以及第二电性复合电极垫设于发光外延结构的第二表面上。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(LED)及其制造方法，特别是涉及一种高效率发光二极管及其制造方法。
背景技术
在发光二极管的制作上，III-V族半导体化合物，例如磷化镓(GaP)、磷化镓砷(GaAsP)、磷化镓铟(GaInP)、砷化铝镓(AlGaAs)或磷化铝镓(AlGaP)以及磷化铝镓铟(AlGaInP)等材料，为相当常见的材料。一般传统的发光二极管结构采用N型砷化镓(GaAs)作为成长基板(Growth Substrate)材料。由于N型砷化镓所构成的成长基板会吸收光，因此在发光二极管的主动层所产生的光子中，朝向成长基板方向的光子大部分将为成长基板所吸收，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，比利时Gent大学I.Pollentirer等人于1990年在Electronics Letters期刊发表将砷化镓发光二极管芯片自砷化镓基板上剥离后直接接合到硅(Si)基板的技术。此外，美国Hewlett-Packard公司在其美国专利编号第5376580号(申请日1993年3月19日)中提出将砷化铝镓(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。但是，由于此美国专利编号第5376580号是以半导体为贴合介质的芯片直接贴合技术，因此必须要考虑贴合二半导体芯片间的晶格方向对齐，工艺困难度高，导致成品率降低。
此外，传统贴合工艺中，均需先进行贴合，再进行发光外延结构及永久基板上的工艺流程，因而必须局限贴合温度大于发光外延结构的工艺温度，而在较高的贴合温度下，也使得粘着层的材质须为融点较高且硬度较高的材料，这样，发光二极管组件相当容易发生操作劣质化的问题。
此外，为改善电流分散，一般的设计采用增加电极的面积的方式。但是，由于电极不透光，因此电极面积的增加会导致不透光面积增加，而造成发光二极管组件的发光亮度下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率发光二极管，由于发光外延结构与永久基板贴合后不需再进行高温的工艺，故可增加接合材料的选择性，可提供较容易的制造条件，而可扩大贴合程序的工艺窗，进而可有效提升发光二极管组件的可靠度。
本发明的另一目的在于提供一种高效率发光二极管，其可具有P型朝上(P-side Up)的发光外延结构，因而可外延成长较厚且导电性较高的透明电流分散层(Transparent Current Spreading Layer)。因此，可增加光取出效率，改善电流分散，进而减少不透光的电极面积，达到亮度提升的目的。
本发明的另一目的在于提供一种高效率发光二极管，其永久基板的材料可采用硅，由于硅具有高导热及高导电且容易制造处理的特性，并且在大电流操作下具有优异的可靠度。因此，可提高发光二极管组件的操作质量。
本发明的另一目的在于提供一种高效率发光二极管的制造方法，可提供较容易的制造条件，进一步可有效提升发光二极管组件的可靠度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高效率发光二极管，至少包括：一永久基板，具有相对的第一表面以及第二表面，其中永久基板为可导电；一第一接触金属层以及一第二接触金属层分别设于永久基板的第一表面以及第二表面；一接合层设于第二接触金属层上，其中接合层为可导电；一扩散阻隔层设于接合层上，其中扩散阻隔层为可导电；一反射金属层设于扩散阻隔层上；一透明导电氧化层设于反射金属层上；一发光外延结构设于透明导电氧化层上，其中发光外延结构具有相对的第一表面以及第二表面，且发光外延结构至少包括依序堆栈的第一电性局限层、主动层、第二电性局限层以及透明电流分散层，第一电性局限层与第二电性局限层具有相反的电性；一第一电性欧姆接触层凸设于发光外延结构的第一表面的一部分；一第一电性欧姆接触金属层设在第一电性欧姆接触层下，其中第一电性欧姆接触层与第一电性欧姆接触金属层夹设在发光外延结构的第一表面与透明导电氧化层之间且为透明导电氧化层所覆盖；以及一第二电性复合电极垫设于发光外延结构的第二表面的一部分上。
依照本发明一较佳实施例，上述的接合层由粘着层所构成，且粘着层的材料较佳可采用铅锡合金(PbSn)、金锗合金(AuGe)、金铍合金(AuBe)、金锡合金(AuSn)、锡(Sn)、铟(In)或钯铟合金(PdIn)。此外，永久基板的材料采用硅、锗、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、铜或铝，以利于电性导通。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高效率发光二极管的制造方法，至少包括：形成一发光外延结构于一成长基板的一表面上，其中发光外延结构具有相对的第一表面以及第二表面，且发光外延结构的第一表面与成长基板的表面直接接合；形成一第二电性复合电极垫于发光外延结构的第二表面的一部分上；提供一暂时基板；利用一第一接合层将暂时基板贴合至发光外延结构与第二电性复合电极垫，其中第一接合层夹设在暂时基板与发光外延结构的第二表面之间；移除成长基板，以暴露出发光外延结构的第一表面；提供一永久基板；利用一第二接合层将永久基板贴合至发光外延结构的第一表面，其中第二接合层夹设于永久基板与发光外延结构的第一表面之间；以及移除暂时基板与第一接合层。
依照本发明一较佳实施例，上述的第二接合层由第二粘着层所构成，且第二粘着层的材料较佳可采用铅锡合金(PbSn)、金锗合金(AuGe)、金铍合金(AuBe)、金锡合金(AuSn)、锡(Sn)、铟(In)或钯铟合金(PdIn)。此外，永久基板的材料较佳可采用硅、锗、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、铜、或铝，以利于电性导通。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1至图8为依照本发明一较佳实施例的一种高效率发光二极管的工艺剖面图。
其中，附图标记：
100：成长基板 102：第一电性局限层
104：主动层 106：第二电性局限层
108：透明电流分散层 110：发光外延结构
112：表面 114：表面
116：欧姆接触金属层 118：接合金属垫
120：第二电性复合电极垫
122：接合层 124：暂时基板
126：第一电性欧姆接触层
128：第一电性欧姆接触金属层
130：透明导电氧化层 132：反射金属层
134：扩散阻隔层 136：接触金属层
138：永久基板 140：接触金属层
142：接合层 144：发光二极管
146：保护层 148：粘着层
150：保护层 152：蚀刻终止层
具体实施方式
本发明提出一种高效率发光二极管，可提升发光二极管组件的发光亮度，并可提高发光二极管组件的操作可靠度与稳定度。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参考下列描述并配合图1至图8的图示。
请参考图1至图8，其为依照本发明一较佳实施例的一种高效率发光二极管的工艺剖面图。在本发明的一示范实施例中，制作发光二极管组件时，首先提供成长基板100，再利用例如沉积方式直接在成长基板100的表面上成长蚀刻终止层152。接下来，形成第一电性欧姆接触层126于蚀刻终止层152上，其中第一电性欧姆接触层126的材料例如可为砷化镓、磷化镓砷或磷化铝镓铟。接着，可利用例如有机金属化学气相沉积法(Metal Organic ChemicalVapor Deposition；MOCVD)、液相沉积法(Liquid Phase Deposition；LPD)或分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)在第一电性欧姆接触层126上成长发光外延结构110。在一实施例中，发光外延结构110至少包括依序成长堆栈在第一电性欧姆接触层126的表面上的第一电性局限层102、主动层104、第二电性局限层106以及透明电流分散层108，如图1所示。发光外延结构110具有相对的二表面112与表面114，其中发光外延结构110的表面112与第一电性欧姆接触层126的表面直接接合，而发光外延结构110的表面114暴露出。在本发明中，第一电性与第二电性具有相反的电性。在本实施例中，第一电性为N型，且第二电性为P型，以制作出具有P型朝上的发光二极管结构。成长基板100的材料较佳可采用III-V族化合物半导体材料，例如砷化镓、磷化铟(InP)、磷化镓或蓝宝石。第一电性局限层102的材料例如可为砷化铝镓(AlxGa1-xAs，x>0.4)或磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP，x>0.4]。第二电性局限层106的材料例如可为砷化铝镓(AlxGa1-xAs，x>0.4)或磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP，x>0.4]。主动层104的材料例如可为磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP，x<0.5]。透明电流分散层108的材料例如可为磷化镓(GaP)、磷化镓砷(GaAsP)、砷化铝镓或磷化铝镓铟(AlGaInP)。
待完成发光外延结构110的制作后，在发光外延结构110的表面114的部分区域上形成第二电性复合电极垫120，以供外部电路与发光二极管组件电性接合。在本实施例中，第二电性复合电极垫120至少包括欧姆接触金属层116以及接合金属垫118依序堆栈于发光外延结构110的表面114上，如图2所示。欧姆接触金属层116的材料例如可为金铍合金、金锌合金(AuZn)或铬金合金(CrAu)。接合金属垫118的材料例如可为金或铝。
接下来，利用接合层122，而将暂时基板124贴合至发光外延结构110与第二电性复合电极垫120。经贴合后，接合层122夹设在暂时基板124与发光外延结构110的表面114之间，如图3所示。进行暂时基板124的贴合步骤时，可先将接合层122涂布在发光外延结构110的表面114的暴露部分与第二电性复合电极垫120上，再将暂时基板124贴设在接合层122上。在另一实施例中，进行暂时基板124的贴合步骤时，也可先将接合层122涂布在暂时基板124的一表面上，再将接合层122贴合在发光外延结构110的表面114与第二电性复合电极垫120上，而完成暂时基板124与发光外延结构110的接合。贴合暂时基板124的贴合温度较佳控制在介于实质150℃与实质500℃之间。接合层122较佳可包括保护层146、保护层150以及粘着层148，其中粘着层148夹设在保护层146与保护层150之间，且保护层150介于保护层146与暂时基板124之间。保护层146与保护层150的材料例如可为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、镍(Ni)、铬(Cr)、旋转涂布玻璃光刻胶、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)或氧化锌(ZnO)。粘着层148的材料例如可为铅锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟、钯铟合金、苯并环丁烯、环氧树脂、硅、聚亚酰胺或旋转涂布玻璃高分子，其中较佳采用苯并环丁烯或环氧树脂。暂时基板124的材料较佳采用制造容易且成本低并且应与永久基板138(请参考图6)不同的材料，例如为玻璃、硅、砷化镓、铜或铝。
接着，利用例如化学蚀刻法或研磨法移除成长基板100，以暴露出蚀刻终止层152。再利用例如化学蚀刻法或研磨法移除蚀刻终止层152，以暴露出第一电性欧姆接触层126。接下来，图案化第一电性欧姆接触层126，并暴露发光外延结构110的表面112的一部分。再形成第一电性欧姆接触金属层128堆栈在第一电性欧姆接触层126上，以改善组件的电性质量。其中，第一电性欧姆接触金属层128的材料例如可为金锗合金/金复合材料(AuGe/Au)、金/金锗合金/金复合材料(Au/AuGe/Au)或金锗合金/镍/金复合材料(AuGe/Ni/Au)。接着，形成透明导电氧化层130覆盖在第一电性欧姆接触层126、第一电性欧姆接触金属层128以及发光外延结构110的表面112的暴露部分上。透明导电氧化层130的材料例如可为氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化锌、氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化铜铝(CuAlO2)、氧化铜镓(CuGaO2)或氧化锶铜(SrCu2O2)。接下来，形成反射金属层132覆盖透明导电氧化层130，如图4所示，将主动层106射向反射金属层132的光予以反射。反射金属层132的材料例如可为金、铝、银、铬或镍。其中，反射金属层132、透明导电氧化层130、第一电性欧姆接触层126以及第一电性欧姆接触金属层128构成一反射接触结构。此时，可直接进行反射金属层132与永久基板138的接合；或者可选择性的先进行发光外延结构110与永久基板138上的其它额外工艺后，再进行发光外延结构110与永久基板138的接合。
在本实施例中，先在发光外延结构110与永久基板138上进行额外制程后，再进行发光外延结构110与永久基板138的接合。请参考图5，反射金属层132形成后，形成扩散阻隔层134覆盖反射金属层132，而形成如图5所示的结构。扩散阻隔层134的材料例如可为钼(Mo)、铂(Pt)、钨(W)、氧化铟锡、氧化锌或氧化锰(MnO)。
在此同时，提供永久基板138，其中永久基板138的材料例如可为硅、锗、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、铜、铝或蓝宝石。接着，可选择性的形成接触金属层136与接触金属层140分别位于永久基板138的相对二表面上，以改善电性接触质量。在本示范实施例中，贴合永久基板138时，可先将接合层142涂布在永久基板138上方的接触金属层140上，如图6所示，再将接合层142贴合于发光外延结构110的表面112下方的扩散阻隔层134，而完成永久基板138与发光外延结构110的接合，如图7所示。在另一实施例中，贴合永久基板138时，也可先涂布接合层142于发光外延结构110的表面112下方的扩散阻隔层134，再使永久基板138上的接触金属层140与接合层142贴合，而顺利完成永久基板138与发光外延结构110的接合。贴合永久基板138的贴合温度较佳控制在实质150℃与实质500℃之间。接合层122较佳可包括一粘着层，且此粘着层的材料例如可为铅锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟、钯铟合金或硅。
完成永久基板138与发光外延结构110的接合后，可利用蚀刻方式，例如化学蚀刻方式，移除暂时基板124与接合层122，而暴露出发光外延结构110的表面114与第二电性复合电极垫120，而完成发光二极管144的制作，如图8所示。
由上述本发明较佳实施例可知，本发明的一优点就是，因为本发明的发光外延结构与永久基板贴合后不需再进行高温的工艺，因此可增加接合材料的选择性，可提供较容易的制造条件，从而可扩大贴合程序的工艺窗，进而可有效提升发光二极管组件的可靠度。
由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另一优点在于本发明的高效率发光二极管可具有P型朝上的发光外延结构，因而可外延成长较厚且导电性较高的透明电流分散层。因此，可增加组件的光取出效率，改善电流分散，进而减少不透光的电极面积，达到提升发光二极管亮度的目的。
由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另一优点为本发明的发光二极管的永久基板的材料可采用硅，由于硅具有高导热及高导电且容易制造处理的特性，且在大电流操作下具有优异的可靠度。因此，可达到提高发光二极管组件的操作质量的目的。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (25)
1.一种高效率发光二极管，其特征在于，至少包括：
一永久基板，具有相对的一第一表面以及一第二表面，其中该永久基板可导电；
一第一接触金属层以及一第二接触金属层，分别设于该永久基板的该第一表面以及该第二表面；
一接合层，设于该第二接触金属层上，其中该接合层可导电；
一反射接触结构，设于该接合层上；
一发光外延结构，设于该反射接触结构上，其中该发光外延结构具有相对的一第一表面以及一第二表面，且该发光外延结构至少包括从该永久基板侧开始向上依序堆栈的一第一电性局限层、一主动层、一第二电性局限层以及一透明电流分散层，该第一电性局限层与该第二电性局限层具有相反的电性；以及
一第二电性复合电极垫，设于该发光外延结构的该第二表面的一部分上；
其中该第一电性局限层的电性为N型，且该第二电性局限层的电性为P型。
2.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该第一电性局限层的材料选自于由砷化铝镓以及磷化铝镓铟所组成的一族群；
该第二电性局限层的材料选自于由砷化铝镓以及磷化铝镓铟所组成的一族群；以及
该主动层的材料为磷化铝镓铟。
3.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该透明电流分散层的材料选自于由磷化镓、磷化镓砷、砷化铝镓以及磷化铝镓铟所组成的一族群。
4.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该第二电性复合电极垫至少包括依序堆栈在该发光外延结构的该第二表面的一欧姆接触金属层以及一接合金属垫。
5.根据权利要求4所述的高效率发光二极管，其特征在于，该欧姆接触金属层的材料选自于由金铍合金、金锌合金以及铬金合金所组成的一族群，且该接合金属垫的材料选自于由金以及铝所组成的一族群。
6.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该永久基板的材料为硅、锗、碳化硅、氮化铝、铜、或铝。
7.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该接合层由一粘着层所构成，且该粘着层的材料为铅锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟、钯铟合金或硅。
8.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该反射接触结构至少包括：
一反射金属层，设于该接合层上；
一透明导电氧化层，设于该反射金属层上；
一第一电性欧姆接触金属层；以及
一第一电性欧姆接触层，堆栈在该第一电性欧姆接触金属层上，其中该第一电性欧姆接触层与该第一电性欧姆接触金属层夹设在该发光外延结构的该第一表面与该透明导电氧化层之间且为该透明导电氧化层所覆盖。
9.根据权利要求8所述的高效率发光二极管，其特征在于，该反射金属层的材料选自于由金、铝、银、铬以及镍所组成的一族群；
该第一电性欧姆接触层的材料选自于由砷化镓、磷化镓砷以及磷化铝镓铟所组成的一族群；
该第一电性欧姆接触金属层的材料选自于由金锗合金/金复合材料、金/金锗合金/金复合材料以及金锗合金/镍/金复合材料所组成的一族群；以及
该透明导电氧化层的材料选自于由氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、氧化镉锡、氧化铜铝、氧化铜镓以及氧化锶铜所组成的一族群。
10.根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于，该接合层与该反射接触结构之间形成一扩散阻隔层。
11.根据权利要求10所述的高效率发光二极管，其特征在于，该扩散阻隔层的材料为钼、铂、钨、氧化铟锡、氧化锌或氧化锰。
12.一种高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，至少包括：
提供一成长基板；
形成一蚀刻终止层于该成长基板上；
形成一第一电性欧姆接触层于该蚀刻终止层上；
形成一发光外延结构于该第一电性欧姆接触层的一表面上，其中该发光外延结构具有相对的一第一表面以及一第二表面，且该发光外延结构的该第一表面与该第一电性欧姆接触层的该表面直接接合；
形成一第二电性复合电极垫于该发光外延结构的该第二表面的一部分上；
提供一暂时基板；
利用一第一接合层将该暂时基板贴合至该发光外延结构与该第二电性复合电极垫，其中该第一接合层夹设在该暂时基板与该发光外延结构的该第二表面之间；
移除该成长基板，以暴露出该蚀刻终止层；
移除该蚀刻终止层，以暴露出该第一电性欧姆接触层；
提供一永久基板；
利用一第二接合层将该永久基板贴合至暴露出的该第一电性欧姆接触层，其中该第二接合层夹设于该永久基板与该第一电性欧姆接触层之间；以及
移除该暂时基板与该第一接合层，
其中，该发光外延结构至少包括依序成长堆栈在该第一电性欧姆接触层的该表面的一第一电性局限层、一主动层、一第二电性局限层以及一透明电流分散层，其中该第一电性局限层的电性为N型，且该第二电性局限层的电性为P型。
13.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，该第二电性复合电极垫至少包括依序堆栈在该发光外延结构的该第二表面的一欧姆接触金属层以及一接合金属垫。
14.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，该第一接合层至少包括：
一第一保护层；
一第二保护层，介于该第一保护层与该暂时基板之间；以及
一第一粘着层，夹设在该第一保护层与该第二保护层之间。
15.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，贴合该暂时基板时，还至少包括涂布该第一接合层于该发光外延结构的该第二表面与该第二电性复合电极垫上，再将该暂时基板贴设在该第一接合层上。
16.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，贴合该暂时基板时，还至少包括涂布该第一接合层于该暂时基板的一表面上，再将该第一接合层贴合在该发光外延结构与该第二电性复合电极垫上。
17.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，贴合该暂时基板的贴合温度介于150℃与500℃之间。
18.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，贴合该永久基板时，还至少包括涂布该第二接合层于该永久基板上。
19.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，贴合该永久基板的贴合温度介于150℃与500℃之间。
20.根据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，在移除该蚀刻终止层的步骤与提供该永久基板的步骤之间，还至少包括
图案化该第一电性欧姆接触层，并暴露部分的该发光外延结构的该第一表面。
21.根据权利要求20所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，在图案化该第一电性欧姆接触层的步骤与提供该永久基板的步骤之间，还至少包括形成一第一电性欧姆接触金属层堆栈在该第一电性欧姆接触层上。
22.根据权利要求21所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，在形成该第一电性欧姆接触金属层的步骤与提供该永久基板的步骤之间，还至少包括形成一透明导电氧化层覆盖在该第一电性欧姆接触层、该第一电性欧姆接触金属层以及该发光外延结构的该第一表面的暴露部分上。
23.根据权利要求22所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，在形成该透明导电氧化层的步骤与提供该永久基板的步骤之间，还至少包括形成一反射金属层覆盖该透明导电氧化层。
24.据权利要求23所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，在形成该反射金属层的步骤与提供该永久基板的步骤之间，还至少包括形成一扩散阻隔层覆盖该反射金属层。
25.据权利要求12所述的高效率发光二极管的制造方法，其特征在于，在提供该永久基板的步骤与贴合该永久基板的步骤之间，还至少包括形成一第一接触金属层以及一第二接触金属层分别覆盖于该永久基板的相对二表面，其中该第一接触金属层介于该永久基板与该第二接合层之间。
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