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CN105023983A - 覆晶式半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

覆晶式半导体发光元件及其制造方法 Download PDF

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CN105023983A CN201410167575.2A CN201410167575A CN105023983A CN 105023983 A CN105023983 A CN 105023983A CN 201410167575 A CN201410167575 A CN 201410167575A CN 105023983 A CN105023983 A CN 105023983A
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Abstract

一种覆晶式半导体发光元件，包括从上到下依次排列的基板、N型半导体层、发光活性层、P型半导体层及分别形成在P型半导体层及N型半导体层上的P电极、N电极，基板远离发光活性层的一侧表面为上表面，所述上表面上设置有间隔的、尺寸为微米级的主体部，所述主体部的外表面上设置有尺寸为纳米级的凸起。一种覆晶式半导体发光元件的制作方法。

Description

覆晶式半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件及其制造方法，特别涉及一种覆晶式半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
发光二极管因具有生产成本低、结构简单、低能耗低污染、体积小及其容易安装等优势被大量用于照明光源及显示技术中。
一般传统的发光二极管，是直接将发光二极管磊晶结构制作于基材上，并将N电极与P电极分别制作于发光二极管磊晶结构的N型半导体层及P型半导体层上，这样的发光二极管，虽具有较佳的电流分布效果，然而其采用金线来当做发光二极管与导线架的连接导线，这样会导致发光二极管封装面积增加。因此，近年来逐渐发展覆晶式的半导体发光元件。
如图1所示，所谓的覆晶式半导体发光元件是将晶片翻转朝下，并由金属连接球20、21与承载基板10作结合的积体电路构装体，覆晶式半导体发光元件的承载基板10与晶片间必须是一对一匹配，以便将晶片与承载基板10上的电极作精确的结合。而且覆晶式半导体发光元件采用金属连接球20、21作为其与承载基板10的连接点，相较于传统的打线方式，覆晶式半导体发光元件不但可以大幅度的提高构装密度，很好的控制离讯的干扰，而且还可以减少构装体积、提高元件的电性和散热性能。
虽然覆晶式半导体发光元件比传统的半导体发光元件的出光面积大，但是光从发光活性层50发出经过N型半导体层60、基板80、最后从空气中出去，然而此一过程中光线因全反射效应会使光再次被N型半导体层60吸收而导致出光减少，这样导致覆晶式半导体发光元件的光输出强度降低。
发明内容
有鉴于此，有必要提出一种覆晶式半导体发光元件的结构及其制作方法，使覆晶式半导体发光元件不但拥有覆晶式的结构优势，而且可以增加覆晶式半导体发光元件的出光强度，提高出光效率。
一种覆晶式半导体发光元件，包括从上到下依次排列的基板、N型半导体层、发光活性层、P型半导体层及分别形成在P型半导体层及N型半导体层上的P电极、N电极，所述基板远离发光活性层的一侧表面为上表面，所述上表面上设置有间隔的、尺寸为微米级的主体部，所述主体部的外表面上设置有尺寸为纳米级的凸起。
一种覆晶式半导体发光元件的制作方法，步骤如下：
提供一覆晶式半导体发光元件半成品，包括基材、缓冲层、N型半导体层、发光活性层、P型半导体层、 P电极和N电极、金属连接球及承载基板，使用黄光微影蚀刻技术，把基材远离缓冲层的一侧表面蚀刻形成多个间隔设置的微米级的主体部，所述基材没有被蚀刻的部分形成基板；
提供二氧化硅纳米小球，利用基板一侧主体部外表面与二氧化硅纳米小球间范德瓦尔斯力相互作用，使得二氧化硅纳米小球移动并附着至主体部的外表面；
转印二氧化硅纳米小球形状到具有微米级的主体部的外表面；
去除二氧化硅纳米小球，而使主体部外表面上设置有尺寸为纳米级的凸起。
在本发明中的，发光活性层出光后，依次经过N型半导体层、缓冲层、基板射出覆晶体，本发明通过在基板上表面部分设置主体部和凸起，当光线进入基板后自基板上表面出设时，先经主体部第一次折射，再经过凸起的第二次折射后射入空气，这样，主体部和凸起使得光线先聚集，最后发散，阻止光线自基板表面射入放空气时基板材料和空气较大的折射率差异而发生全反射，导致出光减少，主体部和凸起结构的设置使最终出光光场更扩散，使覆晶式半导体发光元件的出光效率提高。本发明中主体部和凸起的制作方法比一般的贱渡方式制造起来更方便、且生产成本低，更具有市场竞争性。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为现有技术中覆晶式半导体发光元件的光路图。
图2为本实施例中覆晶式半导体发光元件的剖视图。
图3为图2中覆晶式半导体发光元件的微结构的部分放大图。
图4为覆晶式半导体发光元件另一实施例的部分微结构的部分放大图。
图5至图10为本实施例中所述覆晶式半导体发光元件中微结构的制造流程图。
主要元件符号说明
承载基板 10
金属连接球 20、21
P电极 30
N电极 31
P型半导体层 40
发光活性层 50
N型半导体层 60
缓冲层 70
基板 80
上表面 801
微结构 81
主体部 811
凸起 812、812a
二氧化硅纳米小球 90
甲苯 91
基材 100
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参考图2至图3，本实施例的一种覆晶式半导体发光元件包括从上到下依次排列的微结构81、基板80、缓冲层70、N型半导体层60、发光活性层50及P型半导体层40，一P电极30及一N电极31分别形成在P型半导体层40及N型半导体层60裸漏的同侧表面，金属连接球20和21导电连接P电极30、N电极31与承载基板10。
承载基板10采用散热性能良好的半导体材料制成，用于承载覆晶式半导体发光元件及吸收并散发覆晶式半导体发光元件产生的热量。
金属连接球20和金属连接球21为Sn、Pb、Au或者Ag等金属材料。所述的金属连接球20连接P电极30和承载基板10，所述的金属连接球21连接N电极31和承载基板10，所述的承载基板10上的电极和覆晶式半导体发光元件的P电极30和N电极31间必须是一对一匹配，如此才能将晶片与承载基板10上的电极作精确地结合。
所述的P电极30、N电极31为金属电极，厚度在200nm到5000nm之间，采用导电导热性能良好的金属材料制成，如Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的一种或者合金材料制成，首选材质为Cr、Pt、Au。
P型半导体层40提供电洞，主要为P型氮化镓(GaN)材料，N型半导体层60提供电子，材料主要为掺杂的氮化镓（GaN）材料，如AlGaN。
缓冲层70由不掺杂氮化镓（GaN）材料制成，主要用来降低N型半导体层60的晶格缺陷。
发光活性层50产生光线，其材质为氮化镓基材料，如InGaN、GaN等，主要使电子及电洞局限在一起，增加发光强度。
基板80主要材质为蓝宝石，主要利用蓝宝石材料机械强度高，易于加工处理，所述的基板80在远离发光活性层50的面为上表面801，所述上表面801上设置有微结构81。
所述微结构81包括多个主体部811和形成于主体部811外表面的凸起812。主体部811为自基板80上表面801向上凸伸的半球状结构，所述主体部811间隔排列。凸起812为自主体部811表面上凸伸形成的若干间隔分布的突出结构，所述凸起812为均匀间隔排布的半球状。所述主体部811及凸起812用于将发光活性层50的光线尽可能多的散射出去，以提高覆晶式半导体发光元件的出光效率。
每一主体部811的底端长度为L。主体部811底端的长度L大于其它部分的长度，并且L的长度介于2 um ~7 um，优选的，L为3 um。每一主体部811的高度为H，所述高度H的尺寸介于1 um ~2.5 um，优选的，所述高度H为1.6 um。相邻的主体部811之间的距离自远离发光活性层50的方向逐渐增大，也即也即相邻的主体部811之间的距离自底端向顶端逐渐增大。相邻的主体部811的底端之间的距离最小，为D，所述D的尺寸介于0.2 um ~ 1 um，优选的，D的尺寸为0.3 um。所述凸起的直径为R，所述R的尺寸介于100 nm~1 um，优选的，R的尺寸为200 nm。
在本发明中，发光活性层50出光后，大部分光依次经过N型半导体层60、缓冲层70、基板80射出覆晶体，本发明通过在基板80远离发光活性层50的上表面801上设置微结构81，当光线进入基板80自基板80的上表面801上设置的微结构81出设时，光线首先会经主体部811的折射，再经过凸起812的折射后射入空气，这样，微结构81折射的结果使得光线先聚集，后发散，阻止光线自基板80的上表面801射入放空气时因基板80材料和空气较大的折射率差异而发生全反射，导致光线被反射回覆晶式半导体发光元件进而使出光减少的问题，微结构81使最终出光光场更扩散，而且使覆晶式半导体发光元件的出光效率提高。
如图4所示，在其他实施例中，所述凸起812a呈锯齿状结构，所述凸起812a的最大宽度W介于100 nm~1 um，优选的，W的尺寸为200 nm。
请参考图5至图10，所述覆晶式半导体发光元件的制作方法如下：
步骤一：如图5所示，提供一覆晶式半导体发光元件半成品，包括基材100、缓冲层70、N型半导体层60、发光活性层50、P型半导体层40、分别形成在P型半导体层和N型半导体层上的P电极30和N电极31、金属连接球20、21及承载基板10。使用黄光微影蚀刻技术，把基材100远离缓冲层70的一侧表面蚀刻形成多个间隔设置的半球状微米级的主体部811，所述基材100没有被蚀刻的部分形成基板80；
步骤二：如图6所示，在敞口容器中装入甲苯91和二氧化硅纳米小球90，因二氧化硅纳米小球90的密度小于甲苯91，因此二氧化硅纳米小球90会浮在甲苯91上面；
步骤三：如图7所示，将经步骤一所得的元件放入敞口容器中，利用基板80远离缓冲层一侧表面形成的主体部811外表面与二氧化硅纳米小球90间范德瓦耳斯力相互作用，使得二氧化硅纳米小球90移动至主体部811外表面；
步骤四：如图8所示，等待敞口容器中甲苯91挥发后，二氧化硅纳米小球90将附着在主体部811外表面上；
步骤五：如图9所示，接着使用等离子体蚀刻机台以蚀刻方式把二氧化硅纳米小球90形状转印到主体部811上；
步骤六：如图10所示，最后使用超音波振荡器将二氧化硅纳米小球90给去除掉，如此，便形成了本发明的主体部811及均匀间隔形成在主体部811外表面的凸起812、812a，覆晶式半导体发光元件制造完成；
上述制作过程中，使用等离子蚀刻机台等向性蚀刻而形成所述半球状的凸起812。可以理解的，在其它实施例中，使用等离子蚀刻机台非等向性蚀刻而形成所述锯齿状的凸起812a。
本发明中微结构81的制作首先使用黄光微影蚀刻技术，把基板80上表面801蚀刻为半球状微米级的主体部811，再使用二氧化硅纳米球90并搭配范德瓦耳斯力作用附着在主体部811上，之后再利用等离子蚀刻机台蚀刻方式就可形成凸起812、812a的结构。本发明中所述覆晶式半导体发光元件制造方法比一般的贱渡方式制造起来更方便易行、且生产成本低，更具有市场竞争性。

Claims (13)

1.一种覆晶式半导体发光元件，包括从上到下依次排列的基板、N型半导体层、发光活性层、P型半导体层及分别形成在P型半导体层及N型半导体层上的P电极、N电极，其特征在于：基板远离发光活性层的一侧表面为上表面，所述上表面上设置有间隔的、尺寸为微米级的主体部，所述主体部的外表面上设置有尺寸为纳米级的凸起。
2.如权利要求1所述的覆晶式半导体发光元件，其特征在于：所述主体部自所述上表面向外凸伸，所述凸起自所述主体部的外表面凸伸。
3.如权利要求2所述的覆晶式半导体发光元件，其特征在于：所述主体部为半球状的凸起，所述主体部底端的宽度为2um~7um。
4.如权利要求2所述的覆晶式半导体发光元件，其特征在于：所述主体部的高度为1um~2.5um。
5.如权利要求2所述的覆晶式半导体发光元件，其特征在于：所述主体部与主体部之间的间隔宽度为0.2~1um。
6.如权利要求1所述的覆晶式半导体发光元件，其特征在于：所述纳米级的凸起为半球状或者齿轮状，其与所述主体部相连的底端的宽度为100nm~1um。
7.一种覆晶式半导体发光元件的制造方法如下，其步骤包括：
提供一覆晶式半导体发光元件半成品，包括基材、缓冲层、N型半导体层、发光活性层、P型半导体层、 P电极和N电极、金属连接球及承载基板，使用黄光微影蚀刻技术，把基材远离缓冲层的一侧表面蚀刻形成多个间隔设置的微米级的主体部，所述基材没有被蚀刻的部分形成基板；
提供二氧化硅纳米小球，利用基板一侧主体部外表面与二氧化硅纳米小球间范德瓦尔斯力相互作用，使得二氧化硅纳米小球移动并附着至主体部的外表面；
转印二氧化硅纳米小球形状到具有微米级的主体部的外表面；
去除二氧化硅纳米小球，而使主体部外表面上设置有尺寸为纳米级的凸起。
8.如权利要求7所述的覆晶式半导体发光元件的制造方法，其特征在于：使用等离子蚀刻机台将二氧化硅纳米小球形状转印到微米级的主体部的外表面。
9.如权利要求7所述的覆晶式半导体发光元件的制造方法，其特征在于：使用超音波振荡器去除二氧化硅纳米小球。
10.如权利要求7所述的覆晶式半导体发光元件的制造方法，其特征在于：所述主体部为半球状的凸起，所述主体部的底端宽度为2um~7um。
11.如权利要求7所述的覆晶式半导体发光元件的制造方法，其特征在于：所述主体部的高度为1um~2.5um。
12.如权利要求7所述的覆晶式半导体发光元件的制造方法，其特征在于：所述主体部与主体部之间的间隔宽度为0.2~1um。
13.如权利要求7所述的覆晶式半导体发光元件的制造方法，其特征在于：所述纳米级的凸起为半球状或者齿轮状，其与所述主体部相连的底端的宽度为100nm~1um。
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