TWI404228B

TWI404228B - 半導體發光裝置與其製造方法

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Publication number: TWI404228B
Application number: TW096125838A
Authority: TW
Inventors: Min Hsun Hsieh; Chien Yuan Wang
Original assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2013-08-01
Also published as: US8207551B2; TW200903856A; US20110198650A1; US20090014744A1; US7906792B2

Description

半導體發光裝置與其製造方法

本發明係關於一種半導體發光裝置，尤其關於一種具有波長轉換材料結構之半導體發光裝置。

發光二極體(Light Emitting Diode；LED)係一種半導體固態元件，至少包含一p－n接面(p－n junction)，此p－n接面係形成於p型與n型半導體層之間。當於p－n接面上施加一定程度之偏壓時，p型半導體層中之電洞與n型半導體層中之電子將會結合而釋放出光。此光產生之區域一般又稱為發光區(active region)。

LED的主要特徵在於尺寸小、發光效率高、壽命長、反應快速、可靠度高和色度良好，目前已經廣泛使用在電器、汽車、招牌和交通號誌上。隨著全彩LED的問世，LED已逐漸取代傳統的照明設備，如螢光燈和白熱燈泡。

一般通常是採用LED晶粒搭配波長轉換材料(如螢光粉)來產生白光，波長轉換材料在被LED晶粒所發出之藍光照射後會激發黃光、綠光或紅光，將藍光和黃光、綠光或紅光混合之後即可產生白光。為了確使LED晶粒所發出之光可以通過波長轉換材料，而且混合之後可以產生所需之光，波長轉換材料必須完全地覆蓋在LED晶粒可能出光之處。然而光所射出的方向沒有特定方向，若波長轉換材料沒有完全地覆蓋在LED晶粒可能出光之處，使部分光線未能通過波長轉換材料，如邊射的光，會導致光的波長轉換效率降低。另一方面，若波長轉換材料完全地包覆LED晶粒，雖可提高波長轉換的效率，但是卻容易造成散熱不易等問題。

將波長轉換材料均勻地覆蓋在LED晶粒上並不容易。當覆蓋在LED晶粒上的波長轉換材料厚度不均勻時，由於較厚的波長轉換材料會比較薄的波長轉換材料吸收較多之光，射向不同方向之光經過厚度相異之波長轉換材料所激發出來的色光會因此有所差異。雖然有許多複雜的方法能將波長轉換材料均勻地披覆在LED晶粒上(如電泳法)，但其製造成本通常較高或產能較低。此外，波長轉換材料通常藉由黏料固結成形，因此許多光無可避免地會被黏料所吸收，造成波長轉換效率不佳。

本發明在提供一種半導體發光裝置，包含一不透光基板、一半導體發光疊層、一第一接合層及一波長轉換結構，其中半導體發光疊層以第一接合層與波長轉換結構接合。波長轉換結構吸收半導體發光疊層所發之原色光後，產生與原色光波長相異之變色光。此外，不透光基板與半導體發光疊層之間更至少包含一反射層或一透明導電層。

本發明同時提供一種用於製造一半導體發光裝置之方法，包含於一不透光基板形成一半導體發光疊層，再藉由一第二接合層將一波長轉換結構接合於半導體發光疊層。

如第1圖所示之一實施例中，一半導體發光裝置1包含一半導體發光元件10、一第一接合層13和一波長轉換結構22，其中半導體發光元件10包含一半導體發光疊層12和一不透光基板11。半導體發光疊層12係位於不透光基板11之上，其包含緩衝層121、n型半導體層122、發光層123、p型半導體層124與接觸層125。其中，發光層123的材料包含但不限於II-VI族半導體、III-V族半導體，如AlGaInP、AlGaInN或InGaN，碳化矽(SiC)、硒化鋅鎘(ZnCdSe)或上述材料之組合。接觸層125、n型半導體層122與p型半導體層124的材料包含但不限於II-VI族半導體、III-V族半導體、碳化矽(SiC)、硒化鋅鎘(ZnCdSe)、上述材料之組合或其他可與發光層123匹配使用之材料。其中n型半導體層與p型半導體層的位置並不限於上述說明，而可因需求而更動。不透光基板11之材料可為半導體材料、金屬材料、複合材料或上述材料之組合，較佳地係包含但不限於半導體、金屬、矽(Si)、磷化碘(IP)、硒化鋅(ZnSe)、氮化鋁(AlN)、砷化鎵(GaAs)、金屬基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)或上述材料之組合。不透光基板11更包含一布拉格反射層於其上，且可為散熱效率高之基板。

波長轉換結構22係位於第一接合層13之上，大致覆蓋整個半導體發光元件10之上表面，由至少一種波長轉換材料221所組成。當半導體發光疊層12被注入電流後，可激發出一原色光，原色光進入波長轉換結構22，被波長轉換結構22內之波長轉換材料221吸收，產生一波長與原色光波長相異之變色光。因波長轉換材料221不限於一種，因此變色光可能含有多種顏色。波長轉換結構22在與半導體發光疊層12接合之前，係預先形成於一暫時基板(未顯示)上，再藉由第一接合層13接合於半導體發光疊層12，如此可簡化晶粒包裝程序，而且易於控制波長轉換結構22的厚度及品質等等。此外，波長轉換結構22未包覆不透光基板，利用不透光基板的高散熱效率可有效地散發半導體發光疊層12所產生之熱量，提升半導體發光裝置1的性能。

波長轉換結構22更佳地係僅包含波長轉換材料221或為一無膠合波長轉換材料結構。無膠合波長轉換結構22係如波長轉換材料之集合但不含有黏料、如環氧樹脂(Epoxy)或其他膠合材料。若波長轉換結構22僅包含波長轉換材料221，結合波長轉換材料211的方法可採用如沉澱法或其他物理沉積製程，而半導體發光疊層12與波長轉換結構22間之黏結強度可藉由加熱或擠壓波長轉換材料221提升。若為無膠合波長轉換結構22可避免光被黏料或環氧樹酯(Epoxy)吸收，因此可提供較佳的波長轉換效率與顏色呈現。此外，透過調整波長轉換結構22的厚度與其中波長轉換材料221的分布，可控制原色光被波長轉換材料221轉換之比例。未被轉換之原色光與變色光適當地混合後，可產生演色性較佳的白色光。

在本實施例中，波長轉換材料221係為螢光粉，例如Y₃ Al₅ O₁₂ 。除此之外，波長轉換材料221亦包含但不限於Gd₃ Ga₅ O₁₂ ：Ce、(Lu,Y)₃ Al₅ O₁₂ ：Ce、SrS：Eu、SrGa₂ S₄ ：Eu、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)₂ S₄ ：Eu、(Ca,Sr)S：Eu,Mn、(Ca,Sr)S：Ce、(Sr,Ba,Ca)₂ Si₅ N₈ ：Eu、(Ba,Sr,Ca)₂ SiO₄ ：Eu、(Ca,Sr,Ba)Si₂ O₂ N₂ ：Eu或II-VI族半導體；更佳地係為非電絕緣性材料，如CdZnSe。

第一接合層13係位於半導體發光疊層12之上，用以連接半導體發光元件10與波長轉換結構22。第一接合層13之材料係包含但不限於環氧樹脂(Epoxy)、聚亞醯胺(Polyimide)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、過氟環丁烯(PFCB)或其他替代品；更佳地係一透明材料，如苯并環丁烯(BCB)。基本上，第一接合層13係為一完全不含波長轉換材料221且獨立於其他層之結構，但第一接合層13可依需要，摻雜波長轉換材料221於其中。半導體發光裝置1更包含一第一電極14與一第二電極15。第一電極14位於接觸層125之上，貫通過波長轉換結構22及第一接合層13，與半導體發光疊層12電性接觸，第二電極15則形成於不透光基板11之下以完成一電性通路。

本實施例的製造方法如第2-4圖所示，包含於晶圓階段形成一波長轉換元件20，其中包含波長轉換結構22與暫時基板24；接著形成一半導體發光元件10，其中包含半導體發光疊層12與不透光基板11；再藉由第一接合層13接合波長轉換元件20與半導體發光元件10以形成一半導體發光結構30，於半導體發光結構30中，暫時基板24可選擇性地移除或保留。接著，再利用蝕刻等製程形成第一電極(未顯示)與第二電極(未顯示)。最後再將半導體發光結構30經由晶粒製程，形成如第1圖所示之半導體發光裝置1之晶粒，如第5圖所示，圖中晶粒數僅為示意。

波長轉換結構22係形成於暫時基板24上，形成方法包含利用沉降法或沉積法使波長轉換材料221形成在暫時基板24上，或者於暫時基板24上生長波長轉換材料221。當波長轉換結構22係由波長轉換材料221與黏料混合構成時，可利用習知的微影蝕刻法(Lithography)或光阻剝除法(Lift-off)形成半導體發光裝置1；若波長轉換材料221僅由II-VI族半導體組成時，則以光阻剝除法(Lift-off)為佳。此外，亦可採用平板印刷的方法將波長轉換材料221披覆在暫時基板之上。上述所使用之沉積法包含但不限於習知的化學氣相沉積法(CVD)、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、氣相磊晶法(VPE)、液相磊晶法(LPE)或分子束磊晶法(MBE)。前述之暫時基板24可以為透明材料或不透光材料。若暫時基板24為不透光材料，則在波長轉換元件與半導體發光元件10接合後可將其移除。

於一更佳實施例中，相對於不透光基板11與波長轉換結構22而言，半導體發光疊層12的厚度極薄。例如不透光基板11厚度約為100微米，波長轉換結構22厚度為10微米，而半導體發光疊層12之厚度僅為3微米。所以半導體發光疊層12所發之光較少有邊射的情況，而提高原色光通過波長轉換結構22的機率。

如第6圖所示，於另一實施例中，半導體發光裝置2除了包含第一電極14、第二電極15、不透光基板11、半導體發光疊層12、第一接合層13與波長轉換結構22，更包含一透明導電層16、一反射層17、一第二接合層18與一保護結構19。透明導電層16位於半導體發光疊層12之下，可與半導體發光疊層12一併形成，係用以散佈電流或與其他層形成歐姆接觸。透明導電層16之材料係選自由氧化銦錫(ITO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫、氧化鋅、氧化鋅錫、Ni/Au、NiO/Au、TiWN、透明金屬層、上述材料之組合及其他可代替材料所構成之群組。反射層17可依第二接合層18材料性質而位於第二接合層18之上或之下，其材料係為金屬、氧化物、上述材料之組合或其他可反射光之材料。反射層17之材料較佳地係包含但不限於銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、錫(Pb)、鍺(Ge)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈹化金(AuBe)、鍺化金(AuGe)、鋅化金(AuZn)、錫化鉛(PbSn)、氮化矽(SiN_x )、氧化矽(SiO₂ )、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈦(TiO₂ )、氧化鎂(MgO)或其組合。此外，反射層17亦可為一布拉格反射層。

第二接合層18係位於不透光基板11之上，用以接合不透光基板11與半導體發光疊層12。第二接合層18可為金屬，例如錫化金(AuSn)、銀化銦(InAg)、金化銦(InAu)、銦(In)、金(Au)、鋁(Al) 與銀(Ag)等或上述金屬之合金，利用焊接的方式，在一預設溫度下，形成於不透光基板11與半導體發光疊層12間，以連接不透光基板11與半導體發光疊層12。此時，第二接合層18亦可當成鏡面用以反射射向不透光基板11之光；或作為歐姆接觸層，使不透光基板11與半導體發光疊層12形成電性連接。不透光基板11與半導體發光疊層12乃在一適當壓力，如200 g/cm² ~400 g/cm² ，和適當溫度，如200℃~800℃，更好是200℃~250℃下接合。第二接合層18亦可為透明材料，並位於反射層17之上。此時第二接合層18之材料係包含但不限於聚亞醯胺(Polyimide)、過氟環丁烯(PFCB)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、環氧樹酯(Epoxy)或其他之有機黏結材料所構成之族群；更佳地係為苯并環丁烯(BCB)。第二接合層18可為一不含波長轉換材料221且獨立於其他層之結構，或依需要於其中摻雜波長轉換材料221。

保護結構19形成於波長轉換結構22之上，保護波長轉換結構22與其下之其他結構免於受潮或震動等傷害。保護結構19之材料包含但不限於Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烯(PFCB)、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)、矽膠(Silicone)、玻璃、氧化鋁、氧化矽、氧化鈦、SiN_X 、TiO₂ 、上述材料之組合或其他透明材料。保護結構19更包含複數個光學層191與192，每一光學層可依製程條件之不同而具有不同的厚度以紓解保護結構19之熱應力，防止保護結構19破裂。第一光學層191與第二光學層192可為散光器、集光器或其他可調整半導體發光裝置2光發射性質的結構。

本實施例之製造方法如第7－9圖所示，係在晶圓階段於一成長基板41上形成半導體發光疊層12、透明導電層16與反射層17，以形成一半導體元件40。然後藉由第二接合層18接合半導體元件40與不透光基板11，再移除成長基板41，形成半導體發光元件50。然後利用第一接合層13將半導體發光元件50與第2圖所示之波長轉換元件20接合，形成半導體發光結構60。再將半導體發光結構60經由晶粒製程產生半導體發光裝置2之晶粒，如第10圖所示，圖中晶粒數僅為示意。若第二接合層18形成於透明導電層16或反射層17之上，第二接合層18為透明。然而，反射層17亦可於不透光基板11上形成。於半導體發光結構60中，暫時基板24可以選擇性地移除或保留；若暫時基板24為透明基板，可選擇保留作為保護結構19。

於另一實施例中，如第11圖所示，一半導體發光裝置3包含一不透光基板31、一半導體發光疊層32、一第一接合層33、一第一電極34、一第二電極35、一透明導電層36、一反射層37、一第二接合層38、及一波長轉換結構42。第一電極34與第二電極35位於半導體發光裝置3之同側。反射層37位於基材311之上，將射向基材311之光反射至波長轉換結構42，而不會穿過基材311。此時，第二接合層38為透明。另一方面，反射層37亦可置於第二接合層38與透明導電層36之間。

本實施例之製造方法如第12－18圖所示，包含於晶圓階段形成半導體元件70，包含於成長基板71上形成半導體發光疊層32，如第12圖所示；另外形成一暫時接合層82於一過渡基板81，如第13圖所示；然後藉由暫時接合層82接合上述半導體元件70與過渡基板81，如第14圖所示。接著，移除成長基板71，再形成透明導電層36於半導體發光疊層32，如第15圖所示；再藉由第二接合層38接合過渡基板81上之半導體發光疊層32及透明導電層36與包含反射層37之不透光基板31，接著移除過渡基板81與暫時接合層82，形成結構如第16圖所示。另外如第17圖所示形成一波長轉換元件80，其中包含波長轉換結構42與暫時基板44，再將波長轉換元件80藉由第一接合層33與半導體發光疊層32接合，形成半導體發光結構90，如第18圖所示。再經晶粒製程產生半導體發光裝置3之晶粒，如第19圖所示，圖中晶粒數僅為示意。於半導體發光結構90中，暫時基板44可以選擇性地移除或保留；若暫時基板44為透明基板，可選擇保留作為保護結構。

第20圖係繪示出一光源產生裝置示意圖，光源產生裝置5包含本發明任一實施例中之一半導體發光裝置。光源產生裝置5可以是一照明裝置，例如路燈、車燈、或室內照明光源，也可以是交通號誌、或一平面顯示器中背光模組的一背光光源。光源產生裝置5包含以前述半導體發光裝置組成之一光源51、電源供應系統52、以及一控制元件53，用以控制電源供應系統52。

第21圖係繪示出一背光模組剖面示意圖，背光模組6包含前述實施例中的光源產生裝置5，以及一光學元件61。光學元件61可將由光源產生裝置5發出的光加以處理，以應用於平面顯示器。

惟上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟於此項技藝之人士均可在不違背本發明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。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。

1、2、3．．．半導體發光裝置

10、50．．．半導體發光元件

11、31．．．不透光基板

13、33．．．第一黏接層

12、32．．．半導體發光疊層

121．．．緩衝層

122．．．n型半導體層

123．．．發光層

124．．．p型半導體層

125．．．接觸層

14、34．．．第一電極

15、35．．．第二電極

16．．．透明導電層

17．．．反射層

18．．．第二接合層

19．．．保護結構

191．．．第一光學層

192．．．第二光學層

20、80．．．波長轉換元件

22、42．．．波長轉換結構

221．．．波長轉換材料

24、44．．．暫時基板

30、60、90．．．半導體發光結構

311．．．基材

40、70．．．半導體元件

5．．．光源產生裝置

51．．．光源

52．．．電源供應系統

53．．．控制元件

6．．．背光模組

61．．．光學元件

81．．．過渡基板

82．．．暫時接合層

第1圖係顯示依據本發明一實施例之半導體發光裝置之剖面圖。

第2圖係顯示依據本發明之波長轉換結構之剖面圖。

第3圖係顯示依據本發明之半導體發光元件之剖面圖。

第4圖係顯示依據本發明之半導體發光結構之剖面圖。

第5圖係顯示依據本發明一實施例之晶圓之剖面圖。

第6圖係顯示依據本發明另一實施例之半導體發光裝置之剖面圖。

第7圖係顯示採用本發明之之半導體元件之剖面圖。

第8圖係顯示依據本發明之另一半導體發光元件之剖面圖。

第9圖係顯示依據本發明之另一半導體發光結構之剖面圖。

第10圖係顯示依據本發明之另一實施例之晶圓之剖面圖。

第11圖係顯示依據本發明之又另一實施例之剖面圖。

第12圖係顯示依據本發明之另一半導體元件之剖面圖。

第13圖係顯示依據本發明之過渡基板與暫時接合層之剖面圖

第14圖係顯示第12圖與第13圖接合後之剖面圖。

第15圖係顯示第14圖移除成長基板與形成透明導電層之剖面圖。

第16圖係顯示第15圖與不透光基板接合後之剖面圖。

第17圖係顯示依據本發明之另一波長轉換結構之剖面圖。

第18圖係顯示依據本發明之又另一半導體發光結構之剖面圖。

第19圖係顯示依據本發明之又另一實施例之晶圓之剖面圖。．

第20圖係為示意圖，顯示利用本發明實施例之發光元件組成之一光源產生裝置之示意圖。

第21圖係為示意圖，顯示利用本發明實施例之發光元件組成之一背光模組之示意圖。

2．．．半導體發光裝置

11．．．不透光基板

12．．．半導體發光疊層

13．．．第一接合層

14．．．第一電極

15．．．第二電極