CN105074942A - 具有多个发光元件的发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多个发光元件的发光二极管及其制造方法。所述发光二极管包括：设置在基板上的多个发光元件；用于分离相邻发光元件的分离槽；用于填充所述分离槽的至少一部分的绝缘材料；用于电连接两个相邻发光元件的电线；和用于使所述电线与所述发光元件的侧面隔离的绝缘层。每个所述发光元件包括第一导电型半导体层、活化层和第二导电型半导体层，其中，所述第一导电型半导体层具有通过除去所述第二导电型半导体层和所述活化层获得的暴露的上表面，所述暴露的上表面与所述分离槽相邻，并且所述电线定位于所述绝缘材料的顶部之上。用所述绝缘材料填充所述分离槽，以防止切割所述电线，并且以增大发光区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种在单个基板上具有多个发光元件的发光二极管及其制造方法。
背景技术
LED是一种具有很多优点(例如环保、节能、使用寿命长等)的发光装置。但是，由于LED是一种直流驱动装置，因此为了使用交流电源(例如家用交流电源)，LED需要转换器。LED的使用寿命变短是由转换器的使用寿命比LED的使用寿命短造成的。此外，LED存在很多问题，例如由于交流/直流转换造成效率减少20％到30％、由于使用转换器造成可靠性降低、环境污染、产品空间大、设计约束等。为了解决这些问题，正在开发一种可以不需要典型转换器驱动的LED。
这样的LED通常包括在基板上的多个发光元件，且各种电路可以通过互连线路电连接发光元件来进行配置。
图1是具有多个发光元件的典型发光二极管的示意性截面图。
参照图1，发光二极管包括基板21、多个发光元件30、透明电极29、绝缘层31和布线33，其中发光元件30包括n型半导体层23、有源层25以及p型半导体层27。
多个发光元件30在基板21上通过隔离沟槽30h相互电隔离。此外，n型半导体层23的上表面经由蚀刻凹槽27a暴露，所述蚀刻凹槽27a通过除去p型半导体层27和有源层25来形成。
布线33将一个(第一)发光元件30的n型半导体层23电连接到另一个(第二)发光元件30的p型半导体层27。如图1所示，布线33可将n型半导体层23的暴露的上表面连接到透明电极29。绝缘层31设置于布线33与发光元件30之间并将布线33与发光元件30的侧面隔离。
通常，发光二极管包括通过布线33串联连接并可由高压交流电驱动的多个发光元件30。
在典型的发光二极管中，形成到达基板21的上表面的隔离沟槽30h，以确保发光元件30之间的电隔离。布线33的一部分形成于隔离沟槽30h中的发光元件30的侧面上。发光元件30通常具有约5μm或更大的高度，且因此，当发光元件30的侧面急剧倾斜时，难以在发光元件30的侧面上形成布线33，并且布线33可能会断开。为了防止布线33断开，发光元件30的侧面通常形成为具有平缓斜坡。
然而，当发光元件30的侧面具有平缓斜坡时，隔离沟槽30h的入口通常具有约30μm的相对较宽的宽度用于发光元件30之间的电隔离，从而减小发光区域。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面是提供一种包括多个发光元件的发光二极管，更具体地，提供一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管可防止布线断开并增大发光区域，同时保证发光元件之间的电隔离。
技术方案
根据本发明的一个方面，发光二极管包括：基板；设置在基板上的多个发光元件；使相邻的发光元件彼此隔离的隔离沟槽；填充隔离沟槽的至少一部分的绝缘材料；将两个相邻的发光元件彼此电连接的布线；以及使布线与发光元件的侧面隔离的绝缘层。每个发光元件包括第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层。另外，第一导电型半导体层具有通过除去第二导电型半导体层和有源层而暴露的上表面；第一导电型半导体层的上表面与隔离沟槽邻接；并且布线设置在绝缘材料的上侧上。
由于隔离沟槽填充有绝缘材料，因此无需在隔离沟槽中形成布线。于是，由于无需形成具有平缓倾斜侧壁的隔离沟槽，因此隔离沟槽入口可具有减小的宽度。因此，发光二极管可具有比典型发光二极管更大的发光区域。
绝缘材料可具有与第一导电型半导体层的暴露的上表面齐平或者设置在其下方的上表面。
布线可将第一发光元件的第一导电型半导体层的上表面电连接至第二发光元件的第二导电型半导体层，并且第二发光元件的侧面的覆盖有布线的部分可具有比隔离沟槽的侧壁平缓的斜坡。
可使用干法或湿法蚀刻或使用激光加工来形成隔离沟槽。当通过激光加工形成隔离沟槽时，隔离沟槽可延伸至基板的内部。
绝缘材料可包括聚酰亚胺或纳米颗粒。
隔离沟槽入口可具有5μm或更小的宽度，并且可具有任何宽度，只要隔离沟槽可使发光元件电隔离即可。例如，隔离沟槽入口可具有1μm或更大的宽度。另外，隔离沟槽的侧壁可具有反向斜坡。
绝缘层的一部分可覆盖绝缘材料的上表面。
根据本发明的另一方面，一种用于制造发光二极管的方法包括：在基板上生长第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；通过蚀刻第二导电型半导体层和有源层来形成使第一导电型半导体层暴露的蚀刻凹槽；形成隔离沟槽以将多个发光元件彼此电隔离，使得隔离沟槽的至少一部分形成在蚀刻凹槽中；用绝缘材料填充隔离沟槽的至少一部分；形成覆盖多个发光元件的侧面的绝缘层；以及形成使相邻发光元件电连接的布线。
形成隔离沟槽可以包括通过蚀刻或激光加工除去第一导电型半导体层，并且可进一步包括进行硫酸-磷酸处理。
有益效果
在根据本发明的实施例的发光二极管中，可通过用绝缘材料填充隔离沟槽来使在发光元件上具有布线的发光元件形成为具有降低的台阶高度。因此，可以防止布线断开，并且通过形成具有陡峭倾斜侧壁的隔离沟槽使隔离沟槽入口具有减小的宽度。利用这种结构，发光二极管由于隔离沟槽的形成，可以防止发光区域减小。此外，使用绝缘材料填充隔离沟槽使发光二极管具有改善的光提取效率。
附图说明
图1是典型的发光二极管的剖视图。
图2是根据本发明的一个实施例的发光二极管的剖视图。
图3是根据本发明的另一实施例的发光二极管的剖视图。
图4至图11分别是根据本发明的各个实施例的发光二极管的剖视图。
图12至图16是根据本发明的实施例的用于制造发光二极管的方法的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。应理解，本发明不限于以下实施例且可以以不同方式实施，且提供这些实施例是为了使公开完整并且本领域技术人员彻底理解本发明。在附图中，为方便起见，部件的宽度、长度、厚度等可能被放大。在整个说明书中，将用相同的参考数字表示相同的部件。
图2是根据本发明的一个实施例的发光二极管的剖视图。
参照图2，发光二极管包括基板51、多个发光元件60、隔离沟槽60h、绝缘材料60i、透明电极59、绝缘层61和布线63。发光元件60包括第一导电型半导体层53、有源层55和第二导电型半导体层57。
基板51可为其上可以生长基于氮化镓的半导体层的生长基板，例如蓝宝石基板、SiC基板、尖晶石基板等。第一导电型半导体层53、有源层55和第二导电型半导体层57可通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)的生长技术在基板51上生长。此处，第一导电型半导体层53比第二导电型半导体层57相对更厚。例如，第一导电型半导体层53具有约3μm或更大的厚度，且第二导电型半导体层57具有小于约1μm的厚度。通常，第一导电型半导体层53为n型半导体层且第二导电型半导体层57为p型半导体层。
通过排列第一导电型半导体层53、有源层55和第二导电型半导体层57来形成多个发光元件60。通过隔离沟槽60h将发光元件60彼此电隔离，且每个发光元件60的第一导电型半导体层53具有通过蚀刻凹槽57a而暴露的上表面。虽然蚀刻凹槽57a可连续形成于发光元件60周围，但蚀刻凹槽57a可限于其上形成布线63的一些区域。隔离沟槽60h形成于发光元件60周围，且隔离沟槽60h的至少一部分形成于蚀刻凹槽57a内。如图2所示，蚀刻凹槽57a具有侧壁，侧壁形成的斜坡比隔离沟槽60h的侧壁更缓。隔离沟槽60h的侧壁可具有相对陡峭的斜坡且隔离沟槽60h的入口可具有小于5μm的宽度。此处，使用干法或湿法蚀刻形成隔离沟槽60h。
透明电极59设置在每个发光元件60的第二导电型半导体层59上，并与第二导电型半导体层59形成欧姆接触。透明电极59可以由例如铟锡氧化物(ITO)的透明氧化物或例如镍/金(Ni/Au)的透明金属层形成。
绝缘材料60i填充隔离沟槽60h。绝缘材料60i可包括聚酰亚胺。聚酰亚胺由于其良好的耐热性而表现出较小的热收缩性，并表现出突出的耐冲击性、尺寸稳定性和绝热性能。此外，聚酰亚胺具有比氮化镓的折射率(约2.45)更低的折射率(约1.7)，且因此适合于在第一导电型半导体层53中传播的光的全反射。
绝缘材料60i设置在隔离沟槽60h中且可具有与第一导电型半导体层53的暴露的上表面齐平或设置在其下方的上表面。
绝缘层61覆盖发光元件60的侧面，并具有使第一导电型半导体层53的上表面和透明电极59的上表面暴露的开口。绝缘层61可由氧化硅或氮化硅形成，且绝缘层61的一部分可覆盖绝缘材料60i的上表面。
布线63将一个(第一)发光元件的第一导电型半导体层53电连接到另一个(第二)发光元件的第二导电型半导体层57。如图2所示，布线63可将第一导电型半导体层53的暴露的上表面连接到透明电极59。
布线63设置在绝缘材料60i的上侧之上，并通过绝缘层61与第二发光元件60的侧面绝缘。此外，被布线63所覆盖的发光元件60的侧面具有相对平缓斜坡。此外，布线63形成于其上的发光元件60的侧面的一部分具有比发光元件60的总高度或隔离沟槽60h的高度更小的高度。因此，由于布线63可具有比典型发光二极管的布线更短的长度，因此可减少通过布线63的光吸收，并且可以更容易地形成布线63且可以防止其断开。
根据所述实施例，由于不必将布线63形成于隔离沟槽60h中，因此隔离沟槽60h可以具有窄的宽度。因此，可以减轻由于形成隔离沟槽60h而引起的发光区域的减小。
图3是根据本发明的另一实施例的发光二极管的剖视图。
参照图3，除了隔离沟槽70h是由激光加工形成之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图2的发光二极管。
也就是说，隔离沟槽70h由激光辐射形成，且因此可延伸至基板51的内部。由于隔离沟槽70h由激光辐射形成，因此隔离沟槽70h可随着隔离沟槽70h与基板51之间的距离的减小而具有更小的宽度。当隔离沟槽70h由激光辐射形成时，进行磷酸处理(90℃至120℃，5分钟至12分钟)以除去由于激光辐射形成的氮化镓层缺陷。
根据所述实施例，隔离沟槽70h由激光加工形成且因此可具有进一步减小的宽度。
图4是根据本发明的再一个实施例的发光二极管的剖视图。
参照图4，除了绝缘材料70i是由纳米颗粒形成之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图2的发光二极管。
也就是说，根据所述实施例，绝缘材料70i包括纳米颗粒，且这些纳米颗粒可为(例如)纳米级球形二氧化硅。使用具有相对较低的折射率(特别是约1.46的折射率)的纳米颗粒，从而通过纳米颗粒经第一导电型半导体层53中传播的光的反射来提高光提取效率。此外，由于折射率为1的空气保留在纳米颗粒之间，因此光可更好地被反射。
图5是根据本发明的又一实施例的发光二极管的剖视图。
参照图5，除了如参照图4所描述的绝缘材料70i是由纳米颗粒形成之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图3的发光二极管。
图6是根据本发明的又一实施例的发光二极管的剖视图。
参照图6，除了空气隙70v保留在绝缘材料60i与基板51之间外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图3的发光二极管。也就是说，绝缘材料60i没有完全填充隔离沟槽70h，且空气隙70v形成于隔离沟槽70h的下部中。
由于空气隙70v具有的反射率为1且因此比聚酰亚胺60i更有利于全内反射，因此发光二极管可具有进一步改善的光提取效率。
图7是根据本发明的又一实施例的发光二极管的剖视图。
参照图7，除了设置纳米颗粒70i代替空气隙70v之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图6的发光二极管。
也就是说，纳米颗粒70i设置于隔离沟槽70h的下部中，且聚酰亚胺60i可设置在纳米颗粒70i上。
图8是根据本发明的又一实施例的发光二极管的剖视图。
参照图8，除了隔离沟槽80h具有反向倾斜的侧壁之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图2的发光二极管。
由于在第一导电型半导体层53中传播的光可通过调整侧壁的斜坡而容易地发射到外面，因此发光二极管可具有进一步改善的光提取效率。
可通过形成图2中的隔离沟槽60h来形成隔离沟槽80h，接着进行硫酸-磷酸处理(H2SO4﹕H3PO4＝3﹕1，280℃，约5分钟)。
图9是根据本发明的又一个实施例的发光二极管的剖视图。
参照图9，除了隔离沟槽90h具有反向倾斜的侧壁之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图3的发光二极管。
可通过形成图3中的隔离沟槽70h来形成隔离沟槽90h，接着进行硫酸-磷酸处理(H2SO4﹕H3PO4＝3﹕1，280℃，约5分钟)。因此，延伸至基板51内部的隔离沟槽70h保留下来。
图10是根据本发明的又一个实施例的发光二极管的剖视图。
参照图10，除了如参照图4所描述的绝缘材料70i是由纳米颗粒形成之外，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图8的发光二极管。
图11是根据本发明的又一个实施例的发光二极管的剖视图。
参照图11，除了纳米颗粒70i设置于隔离沟槽90h的下部中且聚酰亚胺60i设置于隔离沟槽90h的上部中，根据所述实施例的发光二极管大体上类似于图10的发光二极管。
图12和图13是根据本发明的一个实施例的用于制造发光二极管的方法的剖视图。
参照图12，首先，在基板51上生长第一导电型半导体层53、有源层55和第二导电型半导体层57。半导体层由基于氮化镓的半导体形成并可使用例如MOCVD、MBE等的生长技术来生长。虽然未在图12中示出，在生长第一导电型半导体层53之前可以生长缓冲层。
接下来，通过蚀刻第二导电型半导体层57和有源层55来形成暴露第一导电型半导体层53的蚀刻凹槽57a。第一导电型半导体层53具有通过蚀刻凹槽57a暴露的上表面。如图12所示，蚀刻凹槽57a具有侧壁，其具有相对缓的斜坡。
参照图13，形成将多个发光元件60彼此电隔离的隔离沟槽60h。在形成隔离沟槽60h之前，可形成覆盖除隔离沟槽60h之外的其它区域的掩模图案58。掩模图案58可由氧化硅或氮化硅形成。
接下来，可通过干法或湿法蚀刻通过掩模图案58所暴露出来的区域形成隔离沟槽60h。
可在形成隔离沟槽60h之后除去掩模图案58。接着，可形成绝缘材料60i(见图2)以填充隔离沟槽60h，随后形成透明电极59、绝缘层61和布线63，从而制成如图2中所示的发光二极管。可通过旋涂感光性聚酰亚胺形成绝缘材料60i，随后曝光和显影以除去除了隔离沟槽60h中的聚酰亚胺之外的剩余区域中的聚酰亚胺。
可在形成隔离沟槽60h、掩模图案58或绝缘材料60i之前形成透明电极59。
可通过用纳米颗粒，即绝缘材料70i(见图4)，代替绝缘材料60i填充隔离沟槽60h来形成如图4所示的发光二极管。可通过在水或另一溶剂中分散纳米颗粒，接着进行旋涂来形成绝缘材料70i。
图14是根据本发明的另一实施例的用于制造发光二极管的方法的剖视图。
参照图14，可在如参照图12和图13所描述的在除去掩模图案58之前且在形成隔离沟槽60h之后进行硫酸-磷酸处理(H2SO4﹕H3PO4＝3﹕1，280℃，约5分钟)，从而形成具有反向倾斜侧壁的隔离沟槽80h。
接着，可除去掩模图案58，随后形成绝缘材料60i(见图8)、透明电极59、绝缘层61和布线63，从而制成如图8所示的发光二极管。
图15是根据本发明的再一个实施例的用于制造发光二极管的方法的剖视图。
参照图15，除了隔离沟槽70h由激光加工形成之外，根据所述实施例的用于制造发光二极管的方法大体上类似于参照图12和图13所描述的用于制造发光二极管的方法。
也就是说，将发光元件60彼此隔离的隔离沟槽70h可以由激光辐射形成，并且可进行磷酸处理以除去被激光辐射损坏的氮化镓。隔离沟槽70h可形成为通过激光加工延伸至基板51的内部。
根据所述实施例，掩模图案58可以预先形成，以便在激光辐射之前限定隔离沟槽70h的入口，但未将其局限于此。例如，由于掩模材料可以通过激光辐射除去，因此其中形成有隔离沟槽70h的半导体层被掩模材料层覆盖，随后进行直接激光辐射，从而形成隔离沟槽70h。
在形成隔离沟槽70h之后，将掩模图案58除去，接着形成绝缘材料60i(见图3)、透明电极59、绝缘层61和布线63，从而制成如图3所示的发光二极管。可形成绝缘材料60i使得空气隙70v(见图6)得以保留，从而制成如图6所示的发光二极管。此外，纳米颗粒70i(见图5)可以代替绝缘材料60i来填充隔离沟槽70h，从而制成如图5所示的发光二极管。另外，纳米颗粒和聚酰亚胺也可进行组合，从而制成如图7所示的发光二极管。
图16是根据本发明的另一实施例的用于制造发光二极管的方法的剖视图。
参照图16，根据所述实施例的用于制造发光二极管的方法还包括通过在如以上图15中所述的除去掩模图案58之前和形成隔离沟槽70h之后进行硫酸-磷酸处理(H2SO4﹕H3PO4＝3﹕1，280℃，约5分钟)来形成具有反向倾斜侧壁的隔离沟槽90h。
接着，将掩模图案58除去，随后用绝缘材料60i、绝缘材料70i或其组合填充隔离沟槽90h，从而制成如图9、图10或图11所示的发光二极管。
Claims (20)
1.一种发光二极管，包括：
基板；
设置在所述基板上的多个发光元件；
将相邻发光元件彼此隔离的隔离沟槽；
填充所述隔离沟槽的至少一部分的绝缘材料；
将两个相邻发光元件彼此电连接的布线；以及
将所述布线与所述发光元件的侧面隔离的绝缘层，
其中，每个所述发光元件包括第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层，
所述第一导电型半导体层具有上表面，所述上表面通过除去所述第二导电型半导体层和所述有源层而暴露，并邻接所述隔离沟槽，并且
所述布线设置在所述绝缘材料的上侧。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述绝缘材料具有与所述第一导电型半导体层的暴露的上表面齐平或者设置于其下方的上表面。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述布线将第一发光元件的所述第一导电型半导体层的所述上表面与第二发光元件的所述第二导电型半导体层电连接。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其中，所述第二发光元件的侧面的由所述布线覆盖的一部分具有比所述隔离沟槽的侧壁平缓的斜坡。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述隔离沟槽延伸至所述基板的内部。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其中，所述隔离沟槽由激光加工形成，并其宽度随着所述隔离沟槽与所述基板之间的距离逐渐减少而逐渐变窄。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述绝缘材料为聚酰亚胺。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述绝缘材料为纳米级二氧化硅。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，空气隙设置在所述绝缘材料与所述基板之间。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述绝缘材料包括纳米级二氧化硅和设置于所述二氧化硅上的聚酰亚胺。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述隔离沟槽的侧壁具有反向斜坡。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述隔离沟槽具有宽度为5μm或更小的入口。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述绝缘层的一部分覆盖所述绝缘材料的上表面。
14.一种用于制造发光二极管的方法，包括：
在基板上生长第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；
通过蚀刻所述第二导电型半导体层和所述有源层来形成使所述第一导电型半导体层暴露的蚀刻凹槽；
形成隔离沟槽以将多个发光元件彼此电隔离，所述隔离沟槽的至少一部分形成于所述蚀刻凹槽中；
用绝缘材料填充所述隔离沟槽的至少一部分；
形成覆盖所述多个发光元件的侧面的绝缘层；和
形成电连接所述相邻发光元件的布线。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述绝缘材料具有与所述蚀刻凹槽的底面齐平或设置于其下方的上表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述绝缘层的一部分覆盖所述绝缘材料的所述上表面。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述蚀刻凹槽的侧壁具有比所述隔离沟槽的侧壁平缓的斜坡。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述形成隔离沟槽包括通过蚀刻或激光加工来除去所述第一导电型半导体层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述形成隔离沟槽还包括通过蚀刻或激光加工除去所述第一导电型半导体层之后执行硫酸-磷酸处理。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述绝缘材料包括聚酰亚胺或纳米级二氧化硅。
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