TWI458141B - 一種具有薄化結構之發光元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種具有薄化結構之半導體發光元件及其製造方法。
半導體發光元件，例如發光二極體(LED)，在近年來亮度不斷的提昇下，應用領域已從傳統的指示燈或裝飾用途拓展至各類裝置之光源，甚至在不久的將來，極有可能取代傳統之日光燈，成為新一代照明領域之光源。
目前發光二極體之內部量子效率約為50%至80%左右；約有20%至50%之輸入功率無法被轉換光，而以熱的方式產生在發光二極體內。若無法有效的將發光二極體內部的熱導出，會導致發光二極體溫度上升，而劣化了發光二極體的可靠度。另一方面，發光二極體產生之光線若無法有效被取出，部份光線因全反射因素而侷限在發光二極體內部來回反射或折射，最終被電極或發光層吸收，使亮度無法提升。本發明提供創新之解決方案，藉由降低發光二極體之熱阻或提高光取出效率，以解決發光二極體之熱累積問題，並提昇元件的可靠度及發光效率。本發明同時提供一可應用於高功率輸出之發光元件，以應用於照明領域。
本發明提供一發光元件，包含：一載體；一半導體發光結構，形成於該載體上；一導電通道，延伸至該半導體發光結構之一深度；一第一導線墊透過該導電通道與該半導體發光結構電性連接；以及一第二導線墊，電性連接該半導體發光結構。
本發明另提出一發光元件，包含：一載體；一半導體發光結構，形成於該載體上；一導電通道，延伸至該半導體發光結構之一深度；一第一導線墊電性連接該半導體發光結構；以及一第二導線墊；其中，該第一及第二導線墊分別形成於該載體的兩側。
圖1揭示一符合本發明一實施例之水平式發光元件1，包括一薄化基板111，具有一上表面S1及一下表面S2；一半導體緩衝層112位於薄化基板111之上表面；一半導體發光結構12形成於半導體緩衝層112上，包含一第一導電型半導體層121、一活性層122、以及一第二導電型半導體層123，其中，一部份之半導體發光結構12係部份移除以裸露出部份之第一導電型半導體層121；一反射層142形成於薄化基板111之下表面；一載體13藉由一中間層141貼附於反射層142；一第一導線墊15及一第二導線墊16分別與第二導電型半導體層123及第一導電型半導體層121電性連接，且第一導線墊15及第二導線墊16位於基板之同一側；以及複數個第一通道17穿透薄化基板111並延伸至半導體緩衝層112之一深度。其中，薄化基板111係薄化一用以成長半導體緩衝層112及半導體發光結構12之成長基板後所形成。成長基板之材料包括至少一材料選自於砷化鎵、藍寶石、碳化矽、氮化鎵、以及氮化鋁所組成之材料群組等，其導熱係數通常不大於載體的導熱係數。為降低發光元件之熱阻，於完成成長半導體緩衝層112及半導體發光結構12於成長基板之後，進行薄化以使成長基板之厚度由原來約200或300微米以上減至約不大於50微米以形成薄化基板111，以有效降低元件之熱阻。薄化基板111之厚度較佳為不大於20微米；更佳為不大於5微米。此外，為保持製程之可靠度，半導體緩衝層112係作為薄化成長基板時之緩衝層，以避免於薄化過程中，因薄化速率或均勻度的差異所造成的製程變異，使半導體發光結構12受到損壞。薄化基板111及半導體緩衝層112所形成之薄化結構仍要保有一定之厚度，較佳為不小於2微米，以保持製程之可靠度。載體13之導熱係數不小於薄化基板111之導熱係數，以降低發光元件之熱阻。載體13包含導熱係數不小於50W/m‧℃之材質；較佳為不小於100 W/m‧℃，例如包含矽化物、碳化物、金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬複合材料、鑽石、類鑽碳(diamond-like carbon)等材料，並可加入低膨脹係數材質以降低載體的產生的應力。第一通道17係包含一透明材質例如：氧化矽、氮化矽、有機高分子、或空氣，其折射率與薄化基板111之折射率差異至少大於0.1，以增加光摘出效率。第一通道17亦可包含一高導熱透明材質，例如碳化矽、氧化鋅、或鑽石等材料，以降低元件之熱阻，並提高光摘出效率。於一實施例中，複數個第一通道17係穿透薄化基板111並延伸至半導體緩衝層112之一深度，較佳為0.1~1微米，使得薄化基板111及複數個第一通道17與半導體緩衝層112相接觸之界面為一凹凸之上表面S1以增加光散射，並進而增加光摘出效率。複數個第一通道17係呈一週期性二維排列，但亦可以準週期性、變週期性、或非週期性排列；例如為以直徑1~10微米之圓柱或多邊形柱狀體形成之二維排列，或以複數長條形溝渠彼此交聯(cross-linking)，例如呈網狀。中間層141可作為一黏著層以黏著載體13及反射層142；於另一實施例中，中間層141可作為一電鍍晶種層，使得載體13得以電鍍形成於其上；於另一實施例，中間層141亦可作為一擴散阻障層，以抑制反射層141與載體13之交互擴散而影響材質特性。第一導電型半導體層121、活性層122、或第二導電型半導體層123之材料包含Alp
Gaq
In(1-p-q)
P或Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N，其中，0p,q1；p、q、x、y均為正數；(p+q)1；(x+y)1。第一導電型半導體層121包括一第一導電型束縛(cladding)層，第二導電型半導體層123包括一第二導電型束縛(cladding)層。
圖2A揭示一符合本發明一實施例之垂直式發光元件2a，相較於圖1所示之發光元件1，發光元件2a之第一導線墊25及第二導線墊26係位於基板之相異側；此外，發光元件2a更包含至少一個傳導通道28a穿透薄化基板111及半導體緩衝層112並延伸至第一導電型半導體層121之一深度且與第一導電性半導體層121電性連接。反射層242a及中間層241a為一導電材質，於一正向偏壓下，於第一導線墊25及第二導線墊26之間形成一通路。如圖2B所示之發光元件2b，其傳導通道28b亦可穿透反射層242b，並且具有與中間層241b相同之材質。圖2C揭示另一垂直式發光元件2c，相較於圖2A所示之發光元件2a，發光元件2c之半導體發光結構12之一部份係部份移除以裸露出部份之第一導電型半導體層121，並且包含至少一個傳導通道28c自裸露之第一導電型半導體層121延伸至反射層142。傳導通道28a、28b、或28c的數量及排列為使得電流分佈具有較佳的效果；除此之外，傳導通道28a、28b、或28c因具有較第一導電性半導體層121為高之導熱係數，可將半導體發光結構12所產生的熱直接傳導至載體13。傳導通道28a、28b、或28c之材質包含金屬、金屬合金、金屬氧化物、或導電高分子等導電導熱材質。
圖3A揭示一符合本發明一實施例之水平式發光元件3a，相較於圖1所示之發光元件1，發光元件3a具有一透明載體33及一複數個透明之第一通道37a，並且以一透明中間層341黏著於薄化基板111。如圖3B所示，通道37b亦可僅形成於薄化基板111內，而不穿透薄化基板111。中間層341可為一透明黏著層，其材質包含苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFBC)、環氧樹脂(Epoxy)、矽膠(Silicone)等有機高分子材質。通道37a及37b係包含一透明材質例如：氧化矽、氮化矽、有機高分子、或空氣，其折射率與薄化基板111之折射率差異至少大於0.1，以增加光摘出效率。通道37a及37b亦可包含一高導熱透明材質，例如氮化鎵、氮化鋁、碳化矽、氧化鋅、或鑽石等材質，以降低元件之熱阻，並提高光摘出效率。通道37a或37b可為具有與中間層341相同或不同材質。
圖4揭示依本發明另一水平式發光元件之實施例。相較於圖1所示之發光元件1，原先用以成長半導體緩衝層112及半導體發光結構12之成長基板，於本實施例中，係於完成半導體緩衝層112及半導體發光結構12之成長後完全移除。發光元件4之詳細結構包含：載體13；中間層141形成於載體13上；反射層142形成於中間層141上；一電流分散層49形成於反射層142上；半導體緩衝層112形成於電流分散層49上；半導體發光結構12形成於半導體緩衝層112之第一區域上，包含第一導電型半導體層121、活性層122、以及第二導電型半導體層123；第一導線墊15形成於第二導電型半導體層123上；第二導線墊16形成於半導體緩衝層112之第二區域上；複數個導電通道47穿透半導體緩衝層112並延伸至第一導電型半導體層121之一深度。另，一部份之複數個導電通道47係形成於第二導線墊16與電流分散層49之間以形成電性導通，另一部份之複數個導電通道47係介於第一導電型半導體層121及電流分散層49之間以分散電流。導電通道47及電流分散層49為一透明導電材質，包含金屬氧化物，例如為氧化銦錫、或導電性良好之半導體層，例如摻雜碳、矽、或鎂之GaP或GaN材質。發光元件4更包含一歐姆接觸層48形成於通道47與第一導電型半導體層121之間，以降低接面電阻；歐姆接觸層48之材質可為一高載子(電子或電洞)濃度之半導體層。為保持製程之可靠度，半導體緩衝層112具有一厚度，較佳地，半導體緩衝層112之厚度係大於2微米，以避免於成長基板之去除過程中，因製程之變異造成半導體發光結構12受到損壞。半導體緩衝層112之厚度介於2至20微米；較佳為介於2至10微米。
圖5A至5G揭示一形成圖2C之發光元件2c之製程方法，包含以下步驟：
1. 如圖5A所示，首先提供一成長基板11，並於成長基板11上依序成長一半導體緩衝層112、一半導體發光結構12，包括一第一導電型半導體層121、一活性層122、及一第二導電型半導體層123於成長基板11之一側，接著以微影蝕刻方式去除一部份之半導體發光結構，以裸露一部份第一導電型半導體層121之表面；
2. 如圖5B所示，以CO2雷射照射裸露之第一導電型半導體層121之表面以形成一第二通道181；
3. 如圖5C所示，提供一支撐體19，並藉由一黏著層191貼附於半導體發光疊層之表面；
4. 如圖5D所示，研磨成長基板11之另一側至一預定厚度以形成一薄化基板111，並露出第二通道181；
5. 如圖5E所示，自薄化基板之另一側向內形成複數個第一通道17穿透薄化基板111並延伸至半導體緩衝層112之一深度，較佳為0.1~1微米，其中，形成通道之方法包括以雷射光束照射；
6. 如圖5F所示，填充一透明材質或形成空洞於第一通道17內，接著形成一反射層142於薄化基板111之表面；
7. 提供一載體13及一中間層141形成於載體上；
8. 貼附中間層141及載體13至反射層142；
9. 如圖5G所示，移除黏著層191及支撐體19；
10. 如圖2C之發光元件2c所示，覆蓋一導電材質於第二通道181內使成為一傳導通道28c，並形成第一導線墊15於第二導電型半導體層123上，以及形成第二導線墊26a於載體13之外表面。
步驟4之研磨的方法包括化學機械研磨(chemical mechanical polishing;CMP)方法，係運用一化學機械研磨設備，藉由一研磨墊以及一化學研磨液(chemical slurry)，同時以物理性及化學性地移除基板。於本發明之一實施例，成長基板之材質為厚度約200~400微米之藍寶石，化學研磨液包含具化學反應性之化學研磨顆粒，例如Silica膠體，分佈於KOH溶液中，並於研磨中與藍寶石反應產生Al2
Si2
O7
而被磨除。於一實施例中，膠體尺寸可選擇直徑0.1 μm以下，以得到一光滑之表面；於另一實施例，膠體尺寸可選擇直徑0.1 μm至1 μm之間，以得到一與發光波長相近尺寸之漫射面。為達到兼具研磨效率及維持良好之均勻度，並避免過度研磨而損壞半導體發光結構12，於研磨初期使用研磨速率較快之研磨方式，例如使用傳統機械研磨設備，以純機械研磨方式快速研磨基板至接近目標值，例如研磨速率約為100 μm/hr，將藍寶石基板快速研磨至約60μm(目標值為20um)，再使用化學機械研磨設備，以化學機械研磨方式研磨，以提高研磨均勻度及精準度，例如以直徑約1 μm之Silica膠體研磨，研磨速率約為60 μm/hr。此外，若欲完全研磨去除成長基板(如本發明圖4之實施例)，並停止於半導體緩衝層112上，半導體緩衝層112之材質可選用對Silica無化學反應性或化學反應性差之材質，例如為氮化鎵(GaN)為主之材料，以作為去除藍寶石基板之停止層，並使用較細小之膠體研磨，例如直徑約0.1 μm之Silica膠體，以提高藍寶石基板對半導體緩衝層112之選擇比(藍寶石基板之研磨速率與半導體緩衝層112之研磨速率之比值)，其對藍寶石之研磨速率約為6 μm/hr；對具有GaN半導體緩衝層112之研磨速率約為1μm/hr；藍寶石基板對GaN半導體緩衝層112之選擇比約為6。
於步驟9之中間層141係為一黏著層用以黏著載體13及薄化基板111；黏著層141可為有機黏著層或金屬黏著層。於另一實施例，中間層141係為一電鍍晶種層，且載體13係電鍍形成於此電鍍晶種層上，電鍍形成之載體13之材質包含電鍍銅；中間層141更可包含一擴散阻絶層形成於反射層142及所述之電鍍晶種層之間，以抑制反射層142與載體13之交互擴散而影響材質特性。
圖6A至圖6C揭示一關於步驟2或步驟5之雷射光照射形成通道之裝置及方法。如圖6A所示為一傳統量測膜厚之橢圓偏光儀6之示意圖包含一待測疊層結構包含一第一材質61以及一第二材質62、一雷射63、一雷射接收器64、以及一資料運算處理裝置65，用以於形成通道前量測第一材質61及第二材質62之膜厚。請同時參考圖6B及圖6C揭示一依本發明形成通道之方法，包括以下步驟：
1.提供一疊層結構包含一第一材料層61(例如為GaN、或如圖2C之121及112)及一第二材料層62(例如為Sapphire或如圖2C之111)；
2.測得第一材料層61之膜厚值T1，以及第二材料層62之膜厚值T2；
3.使用雷射66以一第一雷射參數組合移除照射於第一材料層61之第一照射區域使形成一接近T1深度之通道，以裸露出第二材料層62；
4.以一第二雷射參數組合，於前一步驟中所形成之通道，移除照射於第二材料層62之第二照射區域，使形成一接近(T1+T3)深度之通道，其中T3T2。
前述之第一及第二雷射參數組合包含雷射種類、強度、脈衝週期tpulse
，脈衝時間寬度W等參數設定，以調整雷射光照射之強度及照射時間，以控制移除之深度及移除效率。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
11．．．成長基板
111．．．薄化基板
112‧‧‧半導體緩衝層
12‧‧‧半導體發光結構
121‧‧‧第一導電型半導體層
122‧‧‧活性層
123‧‧‧第二導電型半導體層
13‧‧‧載體
141、241a、241b、341‧‧‧中間層
142、242a、242b‧‧‧反射層
15、25‧‧‧第一導線墊
16、26、26a‧‧‧第二導線墊
17、37a、37b‧‧‧第一通道
181‧‧‧第二通道
191‧‧‧黏著層
19‧‧‧支撐體
28a、28b、28c、47‧‧‧導電通道
48‧‧‧歐姆接觸層
49‧‧‧電流分散層
61‧‧‧第一材料層
62‧‧‧第二材料層
63、66‧‧‧雷射
64‧‧‧雷射接收器
65‧‧‧資料運算處理器
S1‧‧‧上表面
S2‧‧‧下表面
W‧‧‧脈衝時間寛度
tpulse
‧‧‧脈衝週期
圖1為一示意圖，顯示依本發明之水平式發光元件結構之第一實施例。
圖2A至2C為示意圖，顯示依本發明之垂直式發光元件結構之第一至第三實施例。
圖3A及3B為示意圖，顯示依本發明水平式發光元件結構之第二至第三實施例。
圖4為一示意圖，顯示依本發明水平式發光元件結構之第四實施例。
圖5A至5G顯示形成圖2C之發光元件結構之各步驟示意圖。
圖6A顯示一橢圓偏光儀之示意圖。
至6B顯示一雷射形成通道之各步驟示意圖。
圖6C顯示一雷射形成通道之裝置示意圖。
111．．．薄化結構
112．．．半導體緩衝層
12．．．半導體發光結構
121．．．第一導電型半導體層
122．．．活性層
123．．．第二導電型半導體層
13．．．載體
141．．．中間層
142．．．反射層
15．．．第一導線墊
16．．．第二導線墊
17．．．通道
S1．．．上表面
S2．．．下表面
Claims (10)
- 一種半導體發光元件，包含：一載體；一半導體發光結構，形成於該載體上；一導電通道，延伸至該半導體發光結構之一深度；一第一導線墊，與該導電通道物理性相分開且透過該導電通道與該半導體發光結構電性連接；以及一第二導線墊，電性連接該半導體發光結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一半導體歐姆接觸層形成於該導電通道與該半導體發光結構之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一中間層形成在該導電通道及該載體之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，更包含一反射層形成在該半導體發光結構及該中間層之間，其中，該導電通道係穿透該反射層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該導電通道形成於該載體上且該導電通道與該第一導線墊形成於該載體之同一側。
- 一種半導體發光元件，包含： 一載體，具有一第一側及一相對於該第一側之第二側；一半導體發光結構，形成於該載體上；一導電通道，位於該載體之該第一側且延伸至該半導體發光結構之一深度；一第一導線墊，位於該載體之該第一側且電性連接該半導體發光結構；以及一第二導線墊，位於該載體之該第二側。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中，該導電通道未延伸至該載體內。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，更包含一中間層形成於該導電通道及該載體之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中，該導電通道與該中間層具有相同材料。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，更包含一反射層形成在該半導體發光結構及該中間層之間，其中，該導電通道係穿透該反射層。
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