CN101635325B - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发光二极管及其工艺，其包含金属反射层，以提高光线在发光二极管内部的反射效率，同时也可降低电阻，降低功率损耗。另外，上述金属反射层与半导体之间还包含缓冲层，此缓冲层为金属与非金属透明介质的混合结构，以降低半导体与金属间的应力，减少晶粒崩裂的可能。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管及其工艺。

背景技术

公知的发光二极管包含半导体衬底、位于半导体衬底上的发光结构与两个欧姆接触电极，其中此两个欧姆接触电极分别形成在发光结构上以及在衬底的另一面上。

发光结构通常由多层的含铝的III-V族化合物半导体层所组成，例如：可发出红外光及红光的AlGaAs，或可发出黄绿光、黄光及红光的AlGaInP。上述的发光结构所发出的光射向所有方向(也即同向性)，然而，上述衬底的能隙能量通常小于可见光的能量，因此衬底会吸收发光结构所发出大部分的光，而使得发光二极管的外部量子效率(external quantum efficiency)大幅降低，因此发光二极管的亮度也会随之减低。

现已有多种方法提出，以解决衬底吸光的问题。除了将衬底上的发光结构夹在上、下两个分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors，DBRs)之间的公知方法以外，美国专利US 4570172与US5237581也提出了相关的改良结构。在使用布拉格反射镜的情形下，当发光结构所发出的光射向衬底时，会被反射回去，因而解决了衬底的光吸收问题。然而，分布布拉格反射镜仅对垂直进入的入射光有高的反射率，而当光的入射角增加时，其反射率会随之降低。因此，即使使用分布布拉格反射镜，发光二极管的外部量子效率及其亮度的提升仍会受到限制。

美国专利US5376580提出另两种利用晶片粘贴(wafer bonding)技术的方法。第一种方法为先在GaAs衬底上成长发光二极管外延结构，然后再利用晶片粘贴技术将发光二极管外延结构接合到透明衬底。第二种方法为先在GaAs衬底上成长发光二极管外延结构，然后再利用晶片粘贴技术将发光二及体外延结构接合到反射镜。上述两种方法均通过移除会吸光的GaAs衬底来提升发光二极管的外部量子效率，其中，第一种方法利用透明衬底来透光，而第二种方法利用反射镜来反射光。然而，第一种方法中使用透明衬底的问题为：晶片粘贴需在高回火温度下进行，因此会造成其中掺杂物的重新分布，进而降低发光二极管的性能。第二种方法中使用反射镜的问题为：在晶片粘贴过程中直接以反射镜的反射表面来进行接合，因此会造成反射表面粗糙或变质，而使反射镜的反射表面受到污染。

美国专利US6797987也提出一种使用反射金属层的发光二极管，其将铟锡氧化物(ITO)层的透明导电氧化物层夹在反射金属层与发光结构之间，以使反射金属层在晶片粘贴过程中不会与发光结构发生反应。为了增进ITO层与发光结构之间的欧姆接触，上述专利所提出的结构在ITO层中形成欧姆接触格子形图案(ohmic contact grid pattern)或通道(channels)，或在ITO层与发光结构之间形成合金金属网目(alloy metal mesh)。由于上述的结构的工艺颇为复杂，因此其制造成本会增加。合金金属网目需利用高温合金工艺来制造，且要将合金金属蚀刻成网目的形状时相当困难。此外，合金的厚度也需注意，若合金金属层太薄，则合金金属与发光结构之间的欧姆接触将会不佳，但若合金金属层太厚，则晶片粘贴之后的接合力将会不足。

发明内容

鉴于上述的发明背景中，为了符合产业上某些利益的需求，本发明提供一种发光二极管可用以解决上述传统的发光二极管未能达成的目标。

本发明的一个目的是提供一种发光二极管，其在衬底上形成发光结构，并且此发光结构包含第一半导体层与第二半导体层，其中第一半导体层与第二半导体层位于发光结构的两侧。首先，形成介质层于第半导体层上，再配置光阻于介质层上，以通过光阻将介质层蚀刻出多个空隙，形成多个介质结构；或是配置光阻于第一半导体层上，以通过光阻间的空隙沉积出多个介质结构于第一半导体上，再移除光阻以形成多个介质结构之间的多个空隙，其中上述的多个介质结构组成介质阵列。随后，再形成多个金属结构于多个空隙中，以组成金属阵列，并且介质阵列与金属阵列交错排列以形成上述的缓冲层。之后，形成反射层于缓冲层上。

完成上述结构之后，再形成替代衬底于反射层上，以替代发光二极管的原始衬底，并将发光二极管的原始衬底脱离，以形成接触电极于上述的第二半导体层上。

本发明包括一种发光二极管，包含：发光结构，包含第一半导体层与第二半导体层，分别位于该发光结构的两侧；缓冲层，位于该第一半导体层上，并且该缓冲层包含介质阵列与金属阵列，其中该金属阵列位于该介质阵列间的空隙；以及反射层，位于该缓冲层上，以反射通过该介质阵列透射的光线。

在所述的发光二极管中，还包含替代衬底与接触电极，其中该替代衬底位于该反射层上，并且该接触电极位于该第二半导体层上，其中该介质阵列的厚度大于或等于1/6该发光二极管光源的波长，并且该介质阵列与该金属阵列的比例为1∶1.16。

本发明包括一种发光二极管，包含：发光结构，包含第一半导体层与第二半导体层，分别位于该发光结构的两侧；多个介质结构，位于该第一半导体层上；多个金属结构，位于该第一半导体层上，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及反射层，位于该多个介质结构与该多个金属结构上，以反射光线。

在所述的发光二极管中，还包含替代衬底与接触电极，其中该替代衬底位于该反射层上，并且该接触电极位于该第二半导体层上，其中该介质结构的侧视图为梯形，使反射层在梯形的斜边上形成斜面，以反射光线，并且或多个介质结构或该多个金属结构排列成网状。

本发明包括一种半导体元件的反射结构，包含：缓冲层，位于该半导体元件的半导体层上，并且该缓冲层包含介质阵列与金属阵列，其中该金属阵列位于该介质阵列间的空隙；以及反射层，位于该缓冲层上，以反射通过该介质阵列透射的光线。

本发明包括一种半导体元件的反射结构，包含：多个介质结构，位于该半导体元件的半导体层上；多个金属结构，位于该半导体层上，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及反射层，位于该多个介质结构与该多个金属结构上，以反射光线。

本发明包括一种发光二极管的制造方法，包含下列步骤：形成发光二极管的发光结构于衬底上；形成介质层于该发光结构的第一半导体层上；配置光阻于该介质层上；通过光阻将该介质层蚀刻出多个空隙，以形成多个介质结构；形成多个金属结构于该多个空隙中，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及形成反射层于该多个介质结构与该多个金属结构上。

在所述的发光二极管的制造方法中，还包含：形成替代衬底于该反射层上；以激光或化学蚀刻剥离方法分离该衬底；以及形成接触电极于第二半导体层上，其中该第一半导体层与该第二半导体层相对位于该发光结构的两侧；其中该多个金属结构通过蒸镀形成，并且反射层通过蒸镀、溅镀、化镀或电镀等方式形成。

本发明包括一种发光二极管的制造方法，包含下列步骤：形成发光二极管的发光结构于衬底上；配置光阻于该发光结构的第一半导体层上；通过该光阻间的空隙沉积出多个介质结构于该第一半导体上；移除该光阻以形成多个空隙于该多个介质结构之间；形成多个金属结构于该多个空隙中，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及形成反射层于该多个介质结构与该多个金属结构上。

在所述发光二极管的制造方法中，还包含：形成替代衬底于该反射层上；以激光或化学蚀刻剥离方法分离该衬底；以及形成接触电极于第二半导体上，其中该第一半导体层与该第二半导体相对位于该发光结构的两侧；其中该多个介质结构通过物理气相沉积(PVD)或高密度电浆化学气相沉积(HDP-CVD，High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)方法形成，该多个金属结构通过蒸镀形成，并且该反射层通过蒸镀、溅镀、化镀或电镀等方式形成。

本发明可以提高光线在发光二极管内部的反射效率，同时也可降低电阻，降低功率损耗，且降低半导体与金属间的应力，减少晶粒崩裂的可能。

附图说明

图1A为发光二极管的侧面结构示意图；

图1B为发光二极管反射结构的结构示意图；

图1C、图1D与图1E为发光二极管反射结构的俯视结构示意图；以及

图2与图3为发光二极管的工艺流程图。

其中，附图标记说明如下：

110发光结构

112第一半导体层

114第二半导体层

116反应层

120缓冲层

122介质结构

124金属结构

126介质阵列

128金属阵列

130反射层

140替代衬底

150接触电极

160介质层

180衬底

190光阻

210～290步骤

310～380步骤

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种发光二极管及其工艺。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤及其组成。显然地，本发明的施行并未限定于发光二极管及其工艺的技术人员所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述在细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的优选实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以所附的权利要求书为准。

为了加强公知发光二极管的光取出性能，美国专利US7335924提出一种具有反射层的发光二极管，其包含发光结构，以及在发光结构上依序形成的非合金欧姆接触层、第一反射层及衬底。上述发明的主要特征为非合金欧姆接触层与第一反射层的接合效果(joint effect)，以解决衬底的吸光问题。第一反射层作为反射镜，其材料为具有优异反射性的纯金属或金属氮化物。非合金欧姆接触层夹在发光结构与第一反射层之间，并且非合金欧姆接触层的材料可具有光学透明性。然而，具有光学透明性的导电材料，通常会有较高的电阻，或是较低的透光率。

美国专利US20050205886提出的发光二极管包含透明穿透反射层。一般而言，透明穿透反射层的透光率通常较低，因而导致光线在上述发光二极管内部的反射率下降。此外，透明穿透反射层也会具有较高的膨胀系数，不利于发光二极管的制造，还会降低其合格率。

美国专利US20040041164提出的发光二极管，其主要特征为此发光二极管中包含光取出阵列作为反射结构，其中此光取出阵列配置于发光二极管的衬底上。当光线通过光取出阵列入射到衬底时，光线即可被反射。然而，此种反射需利用全反射的方式，仍有其限制条件，也不及金属直接反射的效果，

另外，「LED R&D Lab.，LG Electronics Institute of Technology：Electrochimica Acta 52(2007)5258-5265」发表了在发光二极管中以电沉积铜薄膜的应力现象(Stress behavior of electrodeposited copper films as mechanicalsupporters for light emitting diodes)，其利用金属与半导体直接接合，因此内应力无法释放，会导致晶粒翘起、崩裂。

有鉴于上述种种缺点，本发明提出一种发光二极管，其包含金属反射层，以提高光线在发光二极管内部的反射效率，同时也可降低电阻，降低功率损耗。再者，上述金属反射层与半导体之间还包含缓冲层，此缓冲层为金属与非金属透明介质的混合结构，以降低半导体与金属间的应力，减少晶粒崩裂的可能。

上述的结构形成于公知的发光二极管上，其中公知的发光二极管在衬底上形成发光结构，并且此发光结构包含反应层及其两侧的第一半导体层、第二半导体层。首先，可先形成介质层于第一半导体层上，再配置光阻于介质层上，以通过光阻将介质层蚀刻出多个空隙，形成多个介质结构；或是先配置光阻于第一半导体层上，以通过光阻间的空隙沉积出多个介质结构于第一半导体上，再移除光阻以形成多个介质结构之间的多个空隙，其中上述的多个介质结构组成介质阵列。随后，再形成多个金属结构于多个空隙中，以组成金属阵列，并且介质阵列与金属阵列交错排列以形成上述的缓冲层。之后，形成反射层于缓冲层上。

因为介质结构与金属结构间隔交错配置的排列方式，可以调配缓冲层的热膨胀系数，使金属遇热时可利用缓冲层的介质结构作为延伸空间，降低半导体与金属间的应力，减少晶粒崩裂机率，提升合格率。另外，上述的反射层还可为金属材料，以利用其高反射率的特性提升发光效率。

完成上述结构之后，再形成替代衬底于反射层上，以替代发光二极管的原始衬底，并将发光二极管的原始衬底脱离，以形成接触电极于上述的第二半导体层上。

参考图1A所示，其为上述发光二极管的侧面结构示意图。此发光二极管包含发光结构110、缓冲层120、反射层130、替代衬底140与接触电极150。上述的发光结构110包含第一半导体层112、第二半导体层114与反应层116，其中，第一半导体层112与第二半导体层114分别位于发光结构110的两侧，并且反应层116位于第一半导体层112与第二半导体层114之间。此第一半导体层112可为P-GaN，并且第二半导体层114可为N-GaN。

上述的缓冲层120位于第一半导体层112上，并且此缓冲层120包含多个介质结构122与多个金属结构124，其中，多个金属结构124与多个介质结构122间隔排列。上述的反射层130位于缓冲层120上，并且每一个介质结构122的侧视图形可为梯形，使反射层130在梯形介质结构122的斜边上形成斜面，以反射光线，如图1B所示，其中反射层130的材料可为铝(Al)。

上述缓冲层120的另一个实施范例可包含介质阵列126与金属阵列128，其中金属阵列128位于介质阵列126间的空隙，并且反射层130与介质阵列126相连接处形成多个斜面，以反射光线。上述的介质阵列126可为网状结构，其余空隙则为金属阵列128，如图1C所示。另外，上述的介质阵列126可为独立分散结构的阵列，以使排列于剩余空间的金属阵列128形成网状结构，如图1D所示。当然，介质阵列126与金属阵列128也可为不规则排列的结构，如图1E所示。

此介质阵列126也可由上述的多个介质结构122所排列而成，同理，金属阵列128也可由上述的多个金属结构124所排列而成。另外，上述的介质结构122或介质阵列126的厚度大于或等于1/6发光二极管光源的波长，并可为空气、SiO_x、SiO_xN_y、类钻碳(diamond like carbon)或钻石等透光介质。上述的金属结构124或金属阵列128可由铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)所组成，或是由镍(Ni)与金所组成。而在本发明的优选范例中，此介质结构122或介质阵列126为SiO₂，并且介质结构122与金属结构124的比例，或是介质阵列126与金属阵列128的比例为Pd/Pt/Au∶SiO₂＝1∶1.16。

请再参考图1A所示，上述的替代衬底140为于反射层130上，以取代形成发光结构110的原始衬底，其中，此替代衬底140可为铜(Cu)。另外，接触电极150为于第二半导体上。

上述缓冲层120与反射层130所组成的反射结构除了可用于发光二极管之外，还可应用于其他具有反射光线的相同目的的半导体元件中，并不限于发光二极管的反射结构。

参考图2所示，本发明还提出一种发光二极管的制造方法，包含下列步骤：首先，如步骤210，形成发光二极管的发光结构110于衬底180上。如步骤220所示，再形成介质层160于发光结构110的第一半导体层112上。再根据步骤230所示，配置光阻190于介质层160上。随后，通过光阻190将介质层160蚀刻出多个空隙，以形成多个介质结构122，如步骤240所示。之后再如步骤250所示，形成多个金属结构124于多个空隙中，其中多个金属结构124与多个介质结构122间隔排列。然后，形成反射层130于多个介质结构122与多个金属结构124上，如步骤260所示。再根据步骤270所示，形成替代衬底140于反射层130上。随后，分离上述的衬底180，如步骤280所示。最后，如步骤290所示，形成接触电极150于第二半导体层116上，其中第半导体层112与第二半导体层116相对位于发光结构110的两侧。

上述的多个金属结构124可通过物理气相沉积(PVD)方法形成，并且在本发明的优选实施范例中，多个金属结构124以蒸镀形成。上述的反射层130可通过蒸镀、溅镀、化镀或电镀等方式形成，并且在本发明的优选实施范例中，反射层130以蒸镀形成。另外，上述的分离衬底180的方法包含激光或化学蚀刻剥离。

参考图3所示，本发明还提出另一种发光二极管的制造方法，包含下列步骤：首先，如步骤310，形成发光二极管的发光结构110于衬底180上。如步骤320所示，配置光阻190于发光结构110的第一半导体层112上，再通过光阻190间的空隙沉积出多个介质结构122于第一半导体112上。随后，移除光阻190以形成多个空隙于多个介质结构122之间，如步骤330所示。之后再如步骤340所示，形成多个金属结构124于多个空隙中，其中多个金属结构124与多个介质结构122间隔排列。然后，形成反射层130于多个介质结构122与多个金属结构124上，如步骤350所示。再根据步骤360所示，形成替代衬底140于反射层130上。随后，分离上述的衬底180，如步骤370所示。最后，如步骤380所示，形成接触电极150于第二半导体层116上，其中第一半导体层112与第二半导体层116相对位于发光结构110的两侧。

上述的多个介质结构可通过物理气相沉积(PVD)或高密度电浆化学气相沉积(HDP-CVD，High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)方法形成。同样地，上述的多个金属结构124也可通过物理气相沉积(PVD)方法形成，并且在本发明的优选实施范例中，多个金属结构124以蒸镀形成。上述的反射层130也可通过蒸镀、溅镀、化镀或电镀等方式形成，并且在本发明的优选实施范例中，反射层130以蒸镀形成。另外，上述的分离衬底180的方法包含激光或化学蚀刻剥离。

显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求；但凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修改，均应包含在所述权利要求书内。

Claims (8)

1.一种发光二极管，包含：

发光结构，包含第一半导体与第二半导体层，分别位于该发光结构的两侧；

多个介质结构，位于该第一半导体层上；

多个金属结构，位于该第一半导体层上，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及

反射层，位于该多个介质结构与该多个金属结构上，该反射层与该多个介质结构相连接处形成多个斜面，以反射光线。

2.根据权利要求1的发光二极管，还包含替代衬底与接触电极，其中该替代衬底位于该反射层上，并且接触电极位于该第二半导体层上，其中该介质结构的侧视图为梯形，该反射层在梯形的斜边上形成所述斜面，以反射光线，并且或多个介质结构或该多个金属结构排列成网状。

3.一种半导体元件的反射结构，包含：

缓冲层，位于该半导体元件的半导体层上，并且该缓冲层包含介质阵列与金属阵列，其中该金属阵列位于该介质阵列间的空隙；以及

反射层，位于该缓冲层上，该反射层与该介质阵列相连接处形成多个斜面，以反射通过该介质阵列透射的光线。

4.一种半导体元件的反射结构，包含：

多个介质结构，位于该半导体元件的半导体层上；

多个金属结构，位于该半导体层上，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及

反射层，位于该多个介质结构与该多个金属结构上，该反射层与该多个介质结构相连接处形成多个斜面，以反射光线。

5.一种发光二极管的制造方法，包含下列步骤：

形成发光二极管的发光结构于衬底上；

形成介质层于该发光结构的第一半导体层上；

配置光阻于该介质层上；

通过光阻将该介质层蚀刻出多个空隙，以形成多个介质结构；

形成多个金属结构于该多个空隙中，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及

形成反射层于该多个介质结构与该多个金属结构上，且该反射层与该多个介质结构相连接处形成多个斜面。

6.根据权利要求5的发光二极管的制造方法，还包含：

形成衬底于该反射层上；

以激光或化学蚀刻剥离方法分离该衬底；以及

形成接触电极于该第二半导体层上，其中该第一半导体层与该第二半导体层相对位于该发光结构的两侧；

其中该多个金属结构通过蒸镀形成，并且反射层通过蒸镀、溅镀、化镀或电镀方式形成。

7.一种发光二极管的制造方法，包含下列步骤：

形成发光二极管的发光结构于衬底上；

配置光阻于该发光结构的第一半导体层上；

移除该光阻以形成多个空隙于该多个介质结构之间；

形成多个金属结构于该多个空隙中，其中该多个金属结构与该多个介质结构间隔排列；以及

形成反射层于该多个介质结构与该多个金属结构上，且该反射层与该多个介质结构相连接处形成多个斜面。

8.根据权利要求7的发光二极管的制造方法，还包含：

形成替代衬底于该反射层上；

以激光或化学蚀刻剥离方法分离该衬底；以及

形成接触电极于第二半导体上，其中该第一半导体层与该第二半导体相对位于该发光结构的两侧；

其中该多个介质结构通过物理气相沉积(PVD)或高密度电浆化学气相沉积(P-CVD，High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)方法形成，该多个金属结构通过蒸镀形成，并且该反射层通过蒸镀、溅镀、化镀或电镀方式形成。

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