CN101101949B - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种倒装芯片半导体发光元件，其包含衬底以及半导体多层结构。该半导体多层结构具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，并且该半导体多层结构以该第一表面接合于该衬底的表面上，并且该第二表面具有多个凸点，该多个凸点呈周期性排列。
Description
技术领域
本发明关于一种半导体发光元件(Semiconductor light emitting device)以及其制造方法，特别地，本发明关于一种倒装芯片(Flip chip)半导体发光元件以及其制造方法。
背景技术
由于具有寿命长、轻巧、低耗电量以及不含水银等有害物质等优点，半导体发光元件，如发光二极管(Light emitting diode，LED)，已成为一种非常理想的新式照明光源，并且正蓬勃发展。发光二极管应用的市场非常广，包含如，资讯、通讯、消费性电子、汽车市场、号志、看板以及照明市场。目前较热门的应用市场主要是通讯产业的手机背光源及按键光源；汽车产业的各种灯饰以及仪表板；以及号志、广告看板以及照明等。
为了将发光二极管更广泛地运用到各相关领域，发光二极管的亮度势必需要被提高。而要提高发光二极管的亮度主要可以从两个方向进行，一是提高其效率，二是提高其功率。
就提高发光二极管的效率而言，又可提升分为内部量子效率与外部取出效率(Extraction efficiency)两个部分。内部量子效率是半导体晶片通电后，电光转化的效能。近年来，由于晶片材质的改变，由早期的磷化镓(GaP)进展到四元高亮度的磷化铝镓铟(AlGaInP)，使发光二极管的内部量子效率几乎可达到100％。
然而，由于外部取光效率的低落仍导致发光二极管最终亮度小于晶片转换效能。而造成外部取光效率低落的原因，主要归咎于不同介质间的全反射损失与构装材料本身的吸收。根据斯涅耳定律(Snell’s Law)，光从高折射率介质进入低折射率介质时，其介面会发生全反射现象，使得光无法有效导出。由于发光二极管具有多层半导体结构，并且各层的折射率皆不尽相同，因此从有源层发出的光线经过多层半导体结构以及外部的封装结构后，大部分的光线被反射回晶片内部，造成亮度效能受损。此外，发光二极管的衬底(Substrate)以及封装材料等也会吸收由内部发出的光线而减低发光二极管的外部取光效率。
因此，熟悉该领域者致力于解决前述的问题，以提升发光二极管的外部取光效率。举例而言，藉由晶元接合(Wafer bonding)以及衬底移除等技术，将吸光衬底移除，再以倒装芯片(Flip chip)方式将移除吸光衬底后的发光二极管接合于一透明衬底或高反射层上，以提升光子取出效率。然而，由于该发光二极管的结构缺少具有足够厚度的光窗层(Window layer)，致使光子于该发光二极管表面的全反射更明显，造成该发光二极管的外部取光效率的减低。
发明内容
因此，本发明的一范畴是提供一种半导体发光元件以及其制造方法，并且该半导体发光元件是倒装芯片半导体发光元件，该倒装芯片半导体发光元件的外部取光效率较习知半导体发光元件更高，因此能解决上述习知半导体发光元件的缺失。
根据本发明的一较佳具体实施例的一种倒装芯片半导体发光元件包含衬底以及半导体多层结构。该半导体多层结构具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面。此外，该半导体多层结构以该第一表面接合于该衬底的表面上，并且该第二表面具有多个凸点，该多个凸点呈周期性排列。
此外，该多个凸点包含第一凸点以及与该第一凸点相邻的第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有峰点，且该第二表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
进一步，本发明的另一范畴是提供一种制造一倒装芯片半导体发光元件的方法。根据本发明的一较佳具体实施例的一种制造倒装芯片半导体发光元件的方法包含下列步骤：首先，形成半导体多层结构于第一衬底之上。随后，将该半导体多层结构以倒装芯片方式接合于第二衬底上。接着，移除该第一衬底，致使该半导体多层结构的第一表面裸露。最后，于该半导体多层结构的该第一表面上形成多个凸点，该多个凸点呈周期性排列。而该多个凸点包含第一凸点以及与该第一凸点相邻的第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有峰点，且该第一表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
根据本发明的另一较佳具体实施例的一种制造倒装芯片半导体发光元件的方法包含下列步骤：首先，形成半导体多层结构于生长衬底之上。随后，将该半导体多层结构以倒装芯片方式接合于支持衬底上。接着，移除该生长衬底，使该半导体多层结构的暂时表面裸露。之后，于该半导体多层结构的该暂时表面上形成光窗层，并且该光窗层具有第二表面。最后，于该第二表面上形成多个凸点，该多个凸点呈周期性排列。而该多个凸点包含第一凸点以及与该第一凸点相邻的第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有峰点，且该第二表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的实施方式对本的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1是绘示根据本发明的一具体实施例的一种倒装芯片半导体发光元件的剖面视图；
图2是绘示根据本发明的一具体实施例的一种倒装芯片半导体发光元件的剖面视图；
图3是绘示根据本发明的一具体实施例关于前述的第二表面的剖面视图；
图4是绘示根据本发明的一具体实施例关于前述的第二表面的剖面视图；
图5是绘示根据本发明的制造一倒装芯片半导体发光元件的方法的流程图；
图6是绘示根据本发明的制造一倒装芯片半导体发光元件的方法的流程图。
主要元件符号说明
1、3：倒装芯片半导体发光元件 12、32：衬底
14、34：半导体多层结构 142、342：第一表面
144、344、4：第二表面 1442、3442：凸点
141、341：金属接合层 143、343：反射层
145、345：有源层 147、347：表面层
L：方向 349：光窗层
422：第一凸点 424：第二凸点
422t、424t：峰点 426：底点
D：垂直距离 W：水平距离
S60～S93：流程步骤
具体实施方式
本发明提供一种倒装芯片(Flip chip)半导体发光元件(Semiconductor light emitting device)。根据本发明的较佳具体实施例揭露如下。
首先，本发明所谓的倒装芯片半导体发光元件，如中国台湾专利公告号第251388号，名称为“贴附式发光二极管晶粒制造过程及其产品”的发明专利所揭露，是指于该半导体发光元件的制作过程中，先于一第一衬底上生长一半导体多层结构(Multi-layer structure)，并且该多层结构具有裸露的一第一表面。接着将该第一衬底去除或磨薄，再以该半导体多层结构的该第一表面接合于一第二衬底，以完成该倒装芯片半导体发光元件。
或者，该倒装芯片半导体发光元件也可以先以该半导体多层结构的该第一表面接合于该第二衬底，再将该第一衬底去除或磨薄，以完成该倒装芯片半导体发光元件。
于一较佳具体实施例中，根据本发明的倒装芯片半导体发光元件包含一衬底以及一半导体多层结构。该半导体多层结构具有一第一表面以及相对于该第一表面的一第二表面。并且该半导体多层结构以该第一表面接合于该衬底的表面上。此外，该第二表面具有多个凸点，并且该多个凸点呈周期性排列。
请参阅图1，图1是绘示根据本发明的一具体实施例的一种倒装芯片半导体发光元件的剖面视图。如图1所示，该倒装芯片半导体发光元件1包含该衬底12以及该半导体多层结构14。该半导体多层结构14具有一第一表面142以及相对于该第一表面142的一第二表面144。该半导体多层结构14以该第一表面142接合于该衬底12的表面上，并且该第二表面144具有多个凸点1442。请注意，于本具体实施例中，该多个凸点1442呈周期性排列。
同样如图1所示，该半导体多层结构14进一步包含一有源层(Active layer)145、一金属接合层(Metal bonding layer)141、一反射层(Reflecting layer)143以及一表面层(Surface layer)147。
如图1所示，该金属接合层141具有该第一表面142，也就是说，该半导体多层结构14以该金属接合层141与该衬底12接合。此外，该反射层143位于该有源层145以及该金属接合层141之间，用以反射该有源层145所发射的光线，致使该有源层145所发射的光线沿着方向L传递。此外，于本具体实施例中，该表面层147具有该第二表面144。
于实际应用中，该有源层与该第二表面上的一个凸点的垂直距离介于0.1μm至10μm之间。于实际应用中，该表面层可以为一磷化铝镓铟材料((AlxGa1-x)yIn1-yP)，如一n型磷化铝镓铟材料(AlGaInP)或一p型磷化铝镓铟材料，或一砷化铝镓(AlxGa1-xAs)材料所形成，其中0≤x≤1，并且0≤y≤1。
请参阅图2，图2是绘示根据本发明的一具体实施例的一种倒装芯片半导体发光元件的剖面视图。如图2所示，该倒装芯片半导体发光元件3同样包含该衬底32以及该半导体多层结构34。并且，该半导体多层结构34同样具有一第一表面342以及相对于该第一表面342的一第二表面344。该半导体多层结构14以该第一表面342接合于该衬底32的表面上，并且该第二表面344具有多个凸点3442。请注意，于本具体实施例中，该多个凸点3442呈周期性排列。
该半导体多层结构34除了同样包含前述的有源层345、金属接合层341、反射层343以及表面层347之外，进一步包含一光窗层(Window layer)349。该光窗层349形成于该表面层347之上，并且该光窗层349具有该第二表面344。于实际应用中，该光窗层可由一导电材料所形成，并且该导电材料可以是ITO、SiO2、SiN、TiO2、ZnO以及ZnSe等材料。
进一步请参阅图3，图3是绘示根据本发明的一具体实施例关于前述的第二表面的剖面视图。如图3所示，该第二表面4上的多个凸点42呈周期性排列。并且该多个凸点42包含一第一凸点422与以及与该第一凸点422相邻的一第二凸点424，该第一凸点422与该第二凸点424各具有一峰点422t、424t。此外，该第二表面4于该第一凸点422与该第二凸点424间包含有一底点426，并且该等峰点422t、424t至该底点426的垂直距离(D)以及两个峰点422t、424t间的水平距离(W)的比介于0.01至10之间。
进一步请参阅图4，图4是绘示根据本发明的另一具体实施例关于前述的第二表面的剖面视图。以第一凸点422为例，于本具体实施例中，根据本发明的多个凸点中的各个凸点的凸点宽度M介于0.1μm至10μm之间。并且，以第一凸点422以及第二凸点424为例，于本具体实施例中，该第一凸点422与该第二凸点424间的凸点距离N介于0.1μm至10μm之间。
此外，于一具体实施例中，本发明的倒装芯片半导体发光元件的多个凸点的凸点面积占该倒装芯片半导体发光元件的总发光面积的约1-100％。
根据本发明的一较佳具体实施例，一种制造一倒装芯片半导体发光元件的方法被提供。
请参阅图5，图5是绘示根据本发明的制造一倒装芯片半导体发光元件的方法的流程图。如图5所示，该方法包含下列步骤：首先，制备一第一衬底以及一第二衬底(S61)。接着，形成一半导体多层结构于该第一衬底之上(S63)。随后，将该半导体多层结构以倒装芯片方式接合于该第二衬底上(S65)。之后，移除该第一衬底，致使该半导体多层结构的第一表面裸露(S67)。最后，于该半导体多层结构的该第一表面上形成多个凸点，以完成该倒装芯片半导体发光元件(S69)。请注意，该多个凸点呈周期性排列。
进一步，该多个凸点包含一第一凸点以及与该第一凸点相邻的一第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有一峰点，且该第一表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有一底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
于实际应用中，步骤S65与步骤S67可视需求互将交换。并且于实际应用中，步骤S69中的多个凸点藉由一显影工艺配合一蚀刻工艺而形成。进一步，该蚀刻工艺可以为一湿式蚀刻工艺(Wet etching)或一干式蚀刻工艺(Dry etching)。此外，于实际应用中，该半导体多层结构以一金属接合层接合于该第二衬底。此外，于实际应用中，该半导体多层结构也可藉由非金属接合层或藉由施加高温高压的方式接合于该支持衬底。
请参阅图6，图6是绘示根据本发明的制造一倒装芯片半导体发光元件的方法的流程图。如图6所示，该方法包含下列步骤：首先，制备一生长衬底以及一支持衬底(S81)。随后，形成一半导体多层结构于该生长衬底之上(S83)。接着，将该半导体多层结构以倒装芯片方式接合于该支持衬底上(S85)。之后，移除该生长衬底，使该半导体多层结构的一暂时表面裸露(S87)。并且，于该半导体多层结构的该暂时表面上形成一光窗层，并且该光窗层具有第二表面(S89)。最后，于该第二表面上形成多个凸点，以完成该倒装芯片半导体发光元件(S91)。请注意，该多个凸点呈周期性排列。
进一步，该多个凸点包含一第一凸点以及与该第一凸点相邻的一第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有一峰点，且该第二表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有一底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
于实际应用中，步骤S85与步骤S87可视需求互将交换。并且于实际应用中，步骤S91中的多个凸点藉由一显影工艺配合一蚀刻工艺而形成。进一步，该蚀刻工艺可以为一湿式蚀刻工艺或一干式蚀刻工艺。于实际应用中，该半导体多层结构以一金属接合层接合于该支持衬底。此外，于实际应用中，该半导体多层结构也可藉由非金属接合层或藉由施加高温高压的方式接合于该支持衬底。
藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
Claims (21)
1.一种倒装芯片半导体发光元件，该半导体发光元件包含：
衬底；以及
半导体多层结构，该半导体多层结构具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，并且该半导体多层结构以该第一表面接合于该衬底的表面上，并且该第二表面具有多个凸点，该多个凸点呈周期性排列；
其中该多个凸点包含第一凸点以及与该第一凸点相邻的第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有峰点，且该第二表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
2.如权利要求1所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该半导体多层结构包含有源层，并且该有源层与该第二表面上的一个凸点的垂直距离介于0.1μm至10μm之间。
3.如权利要求2所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该半导体多层结构包含金属接合层，并且该金属接合层具有该第一表面。
4.如权利要求3所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该半导体多层结构包含反射层，并且该反射层位于该有源层以及该金属接合层之间，用以反射该有源层所发射的光线。
5.如权利要求1所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该半导体多层结构包含表面层，并且该表面层具有该第二表面，并且该表面层以(AlxGal-x)yInl-yP材料或AlxGal-xAs材料形成，其中0≤x≤1，并且0≤y≤1。
6.如权利要求1所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该半导体多层结构包含表面层以及光窗层，该光窗层形成于该表面层之上，并且该光窗层具有该第二表面。
7.如权利要求6所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该光窗层以导电材料所形成，并且该导电材料选自由ITO、SiO2、SiN、TiO2、ZnO以及ZnSe所组成的群组中的一种导电材料。
8.如权利要求1所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该多个凸点中的各个凸点的凸点宽度介于0.1μm至10μm之间，并且该第一凸点与该第二凸点间的凸点距离介于0.1μm至10μm之间。
9.如权利要求1所述的倒装芯片半导体发光元件，其中该多个凸点的一凸点面积占该倒装芯片半导体发光元件的总发光面积的1-100％。
10.一种制造倒装芯片半导体发光元件的方法，该方法包含下列步骤：
(a)形成半导体多层结构于第一衬底之上；
(b)将该半导体多层结构以倒装芯片方式接合于第二衬底上；
(c)移除该第一衬底，致使该半导体多层结构的第一表面裸露；以及
(d)于该半导体多层结构的该第一表面上形成多个凸点，该多个凸点呈周期性排列；
其中该多个凸点包含第一凸点以及与该第一凸点相邻的第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有一峰点，且该第一表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
11.如权利要求10所述的方法，其中第(d)步骤中该多个凸点藉由显影工艺配合蚀刻工艺而形成。
12.如权利要求11所述的方法，其中该蚀刻工艺是湿式蚀刻工艺或干式蚀刻工艺。
13.如权利要求10所述的方法，其中第(b)步骤中该半导体多层结构以金属接合层接合于该第二衬底。
14.如权利要求10所述的方法，其中该多个凸点中的各个凸点的凸点宽度介于0.1μm至10μm之间，并且该第一凸点与该第二凸点间的凸点距离介于0.1μm至10μm之间。
15.如权利要求10所述的方法，其中该多个凸点的一凸点面积占该倒装芯片半导体发光元件的总发光面积的1-100％。
16.一种制造倒装芯片半导体发光元件的方法，该方法包含下列步骤：
(a)形成半导体多层结构于生长衬底之上；
(b)将该半导体多层结构以倒装芯片方式接合于支持衬底上；
(c)移除该生长衬底，使该半导体多层结构的暂时表面裸露；
(d)于该半导体多层结构的该暂时表面上形成光窗层，并且该光窗层具有第二表面；以及
(e)于该第二表面上形成多个凸点，该多个凸点呈周期性排列；
其中该多个凸点包含第一凸点以及与该第一凸点相邻的第二凸点，该第一凸点与该第二凸点各具有峰点，且该第二表面于该第一凸点与该第二凸点间包含有底点，其中该峰点至该底点的垂直距离以及两个峰点间的水平距离比介于0.01至10之间。
17.如权利要求16所述的方法，其中第(d)步骤中该多个凸点藉由显影工艺配合蚀刻工艺而形成。
18.如权利要求17所述的方法，其中该蚀刻工艺是湿式蚀刻工艺或干式蚀刻工艺。
19.如权利要求16所述的方法，其中第(b)步骤该半导体多层结构以金属接合层接合于该支持衬底。
20.如权利要求16所述的方法，其中该多个凸点中的各个凸点的凸点宽度介于0.1μm至10μm之间，并且该第一凸点与该第二凸点间的凸点距离介于0.1μm至10μm之间。
21.如权利要求16所述的方法，其中该多个凸点的一凸点面积占该倒装芯片半导体发光元件的总发光面积的1-100％。
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