TWI411130B - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體及其製造方法

一種發光元件，特別是一種關於進行兩次基板切割之發光元件及其製造方法。

發光二極體(light-emitting diode,LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具，已逐漸取代傳統光源，並且應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等。

第1圖係習知之發光元件結構示意圖，如第1圖所示，習知之發光元件100，包含有一透明基板10、一位於透明基板10上之半導體疊層12，以及至少一電極14位於上述半導體疊層12上，其中上述之半導體疊層12由上而下至少包含一第一導電型半導體層120、一活性層122，以及一第二導電型半導體層124。

此外，上述之發光元件100更可以進一步地與其他元件組合連接以形成一發光裝置(light-emitting apparatus)。第2圖為習知之發光裝置結構示意圖，如第2圖所示，一發光裝置200包含一具有至少一電路202之次載體(sub-mount)20；至少一焊料(solder)22位於上述次載體20上，藉由此焊料22將上述發光元件100黏結固定於次載體20上並使發光元件100之基板10與次載體20上之電路202形成電連接；以及，一電性連接結構24，以電性連接發光元件100之電極14與次載體20上之電路202；其中，上述之次載體20可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置200之電路規劃並提高其散熱效果。

然而，如第1圖所示，於習知之發光元件100中，由於透明基板10之表面係一平整表面，且透明基板10之折射率與外部環境之折射率不同，因此活性層122所發出之光線A由基板進入外部環境時，容易形成全反射(Total Internal Reflection,TIR)，降低發光元件100之光摘出效率。

此外，在氮化物發光元件之結構中，藍寶石(sapphire)及碳化矽(SiC)為其基板之主要材料。在氮化物發光元件之製程中，包括以晶圓作為基板並於其上形成發光疊層，再將晶圓切割成晶片的製程。傳統的切割方法係利用一鑽石刀作為切割工具；另一種晶圓切割成晶片之方法係利用雷射光束的高能量密度，將基板中原子與原子之鍵結裂解，來達到切割並分離晶圓之目的。然而在雷射切割的製程中，因雷射光束之高能量密度所產生的局部高溫，使基板晶體鍵結裂解後於切割道上堆積許多副產物，此副產物會吸收發光元件所發出的光線，進而降低晶片的出光效率。因此於雷射切割後如何有效去除副產物，以提昇晶片的出光效率，為改善發光元件性能之一重要課題。

另外，若是基板在形成發光疊層的另一側具有金屬層，更使雷射無法從金屬層這一側被基板吸收，而增加雷射切割基板的困難度。

一種發光元件製造方法，其步驟至少包含：提供一基板，包含第一表面與第二表面，其中第一表面與第二表面相對；形成至少一發光疊層於基板之第一表面上；形成一金屬層於基板之第二表面上；提供一第一雷射於金屬層開出複數條走道區並裸露出部分第二表面；以及提供一第二雷射照射於金屬層走道區裸露出之部分第二表面以在基板內形成複數個聚光區。

本發明揭露一種發光元件，特別是一種關於進行兩次基板切割之發光元件及其製造方法。為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合第3A圖至第3K圖之圖式，圖中各層的比例僅為示意，並非依照實際尺寸放大。

第3A圖至第3K圖為本發明製造流程結構示意圖，如第3A圖所示，提供一基板30，其中基板30包含一第一表面304與一第二表面302，其中第一表面304係與第二表面302相對；接著，如第3B圖所示，形成複數半導體磊晶層31於此基板30之第一表面304上，其中半導體磊晶層31由下而上至少包含一第一導電型半導體層310、一活性層312，以及一第二導電型半導體層314。

隨後，如第3C圖所示，利用微影蝕刻技術蝕刻上述半導體磊晶層31，以裸露部分基板30並且使半導體磊晶層31形成複數台狀結構之發光疊層32，其中每一發光疊層32均裸露部分之第一導電型半導體層310。

上述之基板30之材質可以是藍寶石(Sapphire)、氧化鋅(ZnO)等透明基板，於本實施例中則係採用藍寶石基板；而發光疊層32由下而上包含第一導電型半導體層310、活性層312以及第二導電型半導體層314，其材料包含一種或一種以上之物質選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成之群組，諸如氮化鎵(GaN)系列材料或磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列材料等。

之後，再如同第3D圖所示，於發光疊層32上形成一蝕刻保護層34，於其他實施例中，此蝕刻保護層34亦可以同時覆蓋於發光疊層32與基板30上，其中上述之蝕刻保護層34之材質可以是二氧化矽(SiO₂ )或氮化矽(SiN_x )等材料。

之後，研磨基板30的第二表面302至厚度少於200μm，並在基板30之第二表面302上形成一金屬層50。

隨後，如第3E-3F圖所示，提供一第一雷射60，以能量小於1.5W，速度大於40mm/sec之雷射光束照射金屬層50，於金屬層50之上形成複數條走道區36，其於近基板30側之寬度W1約為30-50μm，並使部分基板30之第二表面302裸露出來。第3G圖為第3F圖之上視結構示意圖，如第3G圖所示，於本發明實施例中，以第一雷射光束形成之複數條走道區36係圍繞於複數發光疊層32之周圍。在一實施例中，此雷射光束可為一Nd-YAG UV laser。

在一實施例中，接著，可以酸液、水或氣體清洗走道區36之上的雷射副產物。在一實施例中，可以蝕刻液於攝氏100至300度之溫度條件下蝕刻上述走道區36約10至50分鐘以清除雷射造成之副產物，於本實施例中，較佳之操作條件係於攝氏150至250度之溫度條件下，以硫酸(H₂ SiO₄ )與磷酸(H₃ PO₄ )之濃度比為三比一之蝕刻液蝕刻約20至40分鐘；於其他實施例中，蝕刻液亦可選用磷酸溶液；於其他實施例中，也可使用氮氣或水清洗之。

之後，如第3H圖所示，提供一第二雷射70，以雷射能量0.05~0.35W，速度100~600mm/sec且焦距為距離基板30-60μm之雷射光束照射基板30之第二表面302，使第二雷射70聚焦於在基板30內部，而在基板內部形成複數個聚光區37，因此基板30表面不會遭到損壞，可減少吸光效應。此聚光區之長度L2可約為10-100μm，寬度W2可為小於5μm，聚光區之形狀可為圓點狀、長方體或其他圖形。在一實施例中，此雷射光束可為一紅外線或綠光雷射，例如可為Nd-YAG頻率femto-second或pico-second laser、Nd-YVO₄ laser、Nd-YLF laser或鈦藍寶石雷射(titanium laser)。

最後，再如第3I圖所示，劈裂基板30之第一表面304，以形成複數發光元件300。不僅如此，更可以如第3J圖所示，於劈裂前，形成至少一透明導電氧化(Transparent Conductive Oxide,TCO)層38於發光疊層32上以及至少一電極40於透明導電氧化層38上後，再劈裂基板30之第一表面304，以形成複數發光元件300。在一實施例中，如圖第3K所示，也可先於基板30之第一表面304形成一凹溝90後，再劈裂以形成複數發光元件300。

透明導電氧化層38之材質選自包含一種或一種以上之材料選自氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化銻鋅(AZO)與氧化鋅(ZnO)所構成之群組。

在本發明一實施例中，上述第一雷射60與第二雷射70可整合在同一雷射系統400，500之中，且第一雷射60與第二雷射70可為不同的雷射光源。請參照下列描述並配合第4圖至第5C圖之圖式。

第4圖為雷射系統結構與製程示意圖，如第4圖所示，在製作上述第3E圖之製程時，將基板之第一表面304向下擺放於第一平台401之上，而使金屬層50露出。之後依上述製程，先以第一雷射60照射金屬層50，於金屬層50之上形成複數條走道區36，並使基板30之部份第二表面302裸露出來之後，再以第二雷射70照射基板30裸露出之第二表面302，而在基板30內部形成複數個聚光區37。在一實施例中，也可在照射第二雷射70之前，先在第一平台401上清洗走道區36上之雷射副產物。在另一實施例中，也可在第一平台401上以酸液、水或氣體清洗走道區36上之雷射副產物的同時進行第二雷射70之照射。

在另一實施例中，第5A-5C圖為雷射系統結構與製程示意圖，如第5A圖所示，在製作上述第3E圖之製程時，將基板之第一表面304向下擺放於第一平台501之上，而使金屬層50露出。之後依上述製程，先以第一雷射60照射金屬層50，於金屬層50之上形成複數條走道區36，並使基板30之部份第二表面302裸露出來之後，將基板傳送至第二平台502再以第二雷射70照射基板30之裸露第二表面302，而在基板30內部形成複數個聚光區37。如第5C圖所示，在一實施例中，也可在照射第一雷射60之後，先將基板30傳送至第三平台503上以清洗劑80，如酸液、水或氣體清洗走道區36上之雷射副產物。之後，再將基板30傳送至第二平台502上進行第二雷射70之照射。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使發明技術所屬領域中具有通常知識者能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100．．．發光元件

10．．．透明基板

12．．．半導體疊層

14．．．電極

120．．．第一導電型半導體層

122．．．活性層

124．．．第二導電型半導體層

200．．．發光裝置

20．．．次載體

202．．．電路

22．．．焊料

24．．．電性連接結構

30．．．基板

302．．．第二表面

304．．．第一表面

32．．．發光疊層

310．．．第一導電型半導體層

312．．．活性層

314．．．第二導電型半導體層

36．．．走道區

37．．．聚光區

60．．．第一雷射

70．．．第二雷射

300．．．發光元件

38．．．透明導電氧化層

40．．．電極

90．．．凹溝

400．．．雷射系統

401．．．第一平台

500．．．雷射系統

501．．．第一平台

502．．．第二平台

503．．．第三平台

80．．．清洗劑

第1圖為習知之發光元件結構示意圖。

第2圖為習知之發光裝置結構示意圖。

第3A圖至第3K圖為本發明製造流程結構示意圖。

第4圖為雷射系統結構與製程示意圖

第5A-5C圖為雷射系統結構與製程示意圖

30．．．基板

302．．．第二表面

304．．．第一表面

32．．．發光疊層

34．．．保護層

36．．．走道區

37．．．聚光區

50．．．金屬層

70．．．第二雷射

Claims (15)

1. 一種發光元件製造方法，其步驟至少包含：提供一基板，包含第一表面與第二表面，其中該第一表面與該第二表面相對；形成至少一發光疊層於該基板之該第一表面上；形成一金屬層於該基板之該第二表面上；提供一第一雷射於該金屬層以開出複數條走道區並裸露出部分該第二表面；以及提供一第二雷射照射於該金屬層走道區裸露出部分該基板之該第二表面以在該基板內形成複數個聚光區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，更包含於該基板的第一表面沿著該些聚光區劈裂該基板以形成複數個發光元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，其中該第一雷射可為一Nd-YAG UV laser，且能量可小於1.5W，速度可大於40mm/sec。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，其中該第二雷射可為一紅外線雷射，且能量可為0.05~0.35W，速度可為100~600mm/sec，焦距可為距離基板30-60μm。
5. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件製造方法，其中該紅外線雷射可為一Nd-YAG頻率femto-second或pico-second laser、Nd-YVO₄ laser、Nd-YLF laser或鈦藍寶石雷射(titanium laser)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，其中形成該發光疊層之步驟，至少包含：形成一第一導電型半導體層於該基板之上；形成一活性層於該第一導電型半導體層上；形成一第二導電型半導體層於該活性層上；利用微影蝕刻技術蝕刻該第一導電型半導體層、該活性層以及該第二導電型半導體層，以形成至少一台狀結構之發光疊層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，其中該些走道區之寬度可約為30-50μm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，其中該些聚光區之形狀可為圓點狀、長方體或其他圖形，且寬度可為小於5μm，長度可為10-100μm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件製造方法，其中該第一雷射與該第二雷射可整合為一雷射系統，且該第一雷射與該第二雷射可為不同雷射。
10. 一種發光元件，至少包含：一基板，包含一第一表面與一第二表面，其中該第一表面與該第二表面之間具有複數個聚光區；至少一發光疊層形成於該基板之第一表面之上；以及一金屬層形成於該基板之第二表面之上，其中該金屬層具有複數條走道區且裸露出部分該第二表面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該些聚光區之形狀可為圓點狀、長方體或其他圖形，且長度可約為小於5μm，且寬度可約為10-100μm。
12. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該發光疊層至少包含：一第一導電型半導體層，位於該基板之上；一活性層，位於部分該第一導電型半導體層上；以及一第二導電型半導體層，位於該活性層上，且該發光疊層之材料包含一種或一種以上之物質選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成之群組。
13. 一種可承載請求項10之發光元件之雷射系統，至少包含：一第一雷射，其中該第一雷射可用來切割該金屬層；一第二雷射，其中該第二雷射可用來切割該基板；以及一第一平台以承載待切割之該發光元件。
14. 如申請專利範圍第13項所述之雷射系統，更包含一第二平台，其中該第一雷射可於該第一平台上進行操作且該第二雷射可於該第二平台上進行操作。
15. 如申請專利範圍第13項所述之雷射系統，更包含一第三平台，且該第一平台或該第三平台上可進行一以酸蝕刻或以水或氣體清洗雷射副產物之步驟。