CN101937950A

CN101937950A - 覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法

Info

Publication number: CN101937950A
Application number: CN2009101467570A
Authority: CN
Inventors: 吕联祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-05

Abstract

本发明是一种覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，在磊晶层预设位置处蚀刻致使基板部分露出形成第一沟槽，且磊晶层另一预设位置再蚀刻有使N型氮化镓欧姆接触层部分露出的第二沟槽，所述的第一沟槽一侧的P型氮化镓欧姆接触层表面，依序形成有透光导电层、N型电极衬垫、第一绝缘保护层、金属反射层以及第二绝缘保护层，而第一沟槽另一侧的N型氮化镓欧姆接触层表面，则依序形成有透光导电层、N型电极衬垫、第一绝缘保护层以及第二绝缘保护层，上述，不仅能使P型电极衬垫与N型电极衬垫呈一齐平而顺利电性连接于电路板，且因金属反射层不参与导电便能有效避免顺向电压的不当升高，以减少耗电量以及热能，有效提升发光二极管的发光效率。

Description

覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法

技术领域

本发明涉及一种制造覆晶式氮化镓发光二极管的方法，特别是一种将覆晶发光二极管固设在大散热面积的导热基板上，且提供一种具有高发光效率以及高信赖性的氮化镓系发光二极管晶粒。

背景技术

一般发光装置的型式与种类相当繁多，就次世代绿色节能的趋势下，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有更加省电、以及体积小的优势，特别是白光发光二极管目前已广泛性地被应用于手电筒、指示看板、辅助间接照明以及液晶面板的背光源等用途，然而目前以氮化镓系列材料所制作的发光二极管较受到重视。

目前商用化的白光发光装置主要是利用可发出蓝色光的氮化镓系发光二极管并配合可发出黄、绿色或红色光波段的荧光粉混合而成，但有鉴于蓝宝石基板本身的热传导特性不佳的缺失，故造成使用寿命以及可靠度受到温度的影响甚巨，若以目前一般的发光效率而言，约有50％～60％会转换成热能，另外，再加上荧光粉是与环氧树脂或硅胶的胶体材料以一定比例相混合并覆盖在发光二极管晶粒的周围，如此使得热量易囤积在内部以致使发光装置的发光效率降低、使用寿命缩短，容易因过热而烧毁等缺失发生，所以，如何将发光装置所囤积的热量有效以及快速导引、排散至外部冷却、降温，对发光装置的发光效率以及信赖性具有极决定性的影响，目前许多商品多利用高散热性的金属基板加上热管或鳍片等方式来作为发光装置的散热元件，但此也往往会降低发光二极管的微小化，轻量化等优势。

请参阅图11，可由图中清楚看出，其是包含蓝宝石基板A1、N型氮化镓欧姆接触层A2、发光层A3、P型氮化镓欧姆接触层A4、用来分散电流并提升发光效率的透光导电层A5，以及分别在透光导电层A5和N型氮化镓欧姆接触层A2的上形成P型电极衬垫A6、N型电极衬垫A7，之后利用蓝宝石基板A1无磊晶层的一侧以绝缘胶或导电胶固定在支架A8上，再经由金属线材A9，如金线或铝线电性连结至外部接脚A10，而荧光粉则均匀分布在覆盖胶体中，所述的发光层A3所发出的光线部份必须由P型电极衬垫A6的一侧经由穿过透光导电层A5而射向荧光粉以及覆盖胶体，然而，其P型电极衬垫A6本身会遮蔽部分发光面，进而降低所述的发光二极管的发光效率。

为了解决因电极衬垫遮蔽而导致发光效率降低的缺点，请参阅图12所示，可由图中清楚看出，美国专利的专利号第5557115号，其主要是利用覆晶方式以增加其有效发光面积，其中所述的氮化镓系发光二极管在蓝宝石基板B1上依序形成有缓冲层B2、N型氮化镓欧姆接触层B3，并在中央形成有发光层B4以及P型氮化镓欧姆接触层B5，所述的P型氮化镓欧姆接触层B5为通过P型电极衬垫B6与外部导热基板相连接且所述的发光层B4的两侧边为形成有N型电极B7，其中一N型电极B7并通过N型电极衬垫B8与外部导热基板相连接，虽然主要出光面B11并无遮蔽光线的缺点，然而，所述的结构利用金属结构的P型电极衬垫B6以及N型电极衬垫B8来反射，因为所述的电极衬垫本身的金属特性易使顺向电压升高，进而发光效率不彰的情况。

再请参阅图13所示，可由图中清楚看出，美国专利号第6514782号，其是在发光二极管晶粒C1与电路板C2的焊点C11、C21间通过散热块C3，如金球或金锡凸块制程相互电性连接，凭借金球或金锡凸块制程可有效达到热传的成效，然而所述的制程却具有成本较高的缺失，另一方面，传统覆晶式发光二极管的电极衬垫同时具有电路板电性连接的功能以及使发光层的光线反射至蓝宝石基板方向发光的反射功能，然而因为所述的电极衬垫本身的金属特性容易使顺向电压升高，发光效率不彰的情况，虽所述的专利揭示电路板上可形成有金属反射层，然此种结构却会造成发光层与金属反射层因距离较远而产生较多的光衰。

再请参考图14，可由图中清楚看出，其是中国台湾专利公告第573330号，其是包括有蓝宝石基板D1、N型氮化镓欧姆接触层D2、发光层D3、P型氮化镓欧姆接触层D4、透光导电层D5以及导电金属反射层D6，且N型氮化镓欧姆接触层D2以及透光导电层D5分别通过电极D7以及导电金属反射层D6连接于电路板D8，其中为了避免电极D7以及导电金属反射层D6产生电性导通，并降低导电金属反射层D6可能产生的漏电流情形，并进一步加入聚酰亚胺(Polyimide)绝缘层D9在凹槽中，然而，若在要将聚酰亚胺绝缘层D9精确地加入在凹槽中，且不影响电极D7以及导电金属反射层D6的表面相对高度，实为困难，当此水平高度的误差过大，将造成发光二极管与电路板间的电性连接不良致使合格率降低等情况。

再请参阅图15，其是中国台湾专利新型证书号第M350824号所揭示的覆晶式氮化镓系发光二极管结构，其凭借于磊晶层上蚀刻有第一磊晶层E1以及第二磊晶层E2，如此使P型电极衬垫E3以及N型电极衬垫E4表面具相近的水平高度，但为了降低N型电极衬垫E4与第二磊晶层E2的接触阻抗，故需将所述的N型电极衬垫E4制作成延伸式以利与N型氮化镓欧姆接触层E21形成欧姆接触，虽然此技术为具有使P型电极衬垫E3以及N型电极衬垫E4为呈相同高度而便利与电路板间的连接，虽其揭示有金属反射层E5，然而，所述的金属反射层E5为位于导电层E6周围，因此仍参与导电，如此仍无法解决上述顺向电压升高的缺失，另，也无揭示如何进一步绝缘保护晶粒的沟槽边缘表面的制程技术，故仍有其不足之处。

上述的结构所都会使发光二极管容易因耗电量高产生热能囤积，致使降低发光效率的情况，且现有通过聚酰亚胺绝缘层来降低发光二极管耗电量的升高，仍具有散热效果不佳的缺失，甚至也有可能使P型电极衬垫以及N型电极衬垫产生高低落差，而无法有效与电路板电性连接的情况，如此便会造成合格率降低等问题。

因此，如何针对上述现有技术的问题与缺失而提出一种新颖覆晶式发光二极管结构与方法，长久以来一直是本发明人念兹在兹者，而本发明人基于多年从事在发光二极管相关产品的研究，乃思以及改良的意念，经多方研究以及设计，终于研究出其制造改良的方法，可解决上述的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，解决现有技术中存在的发光二极管容易因耗电量高产生热能囤积，致使降低发光效率的情况的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其制造步骤包括有：

(A)提供一氮化镓系发光二极管磊晶层的晶圆；

(B)在磊晶层预设位置蚀刻形成有致使基板露出部分的第一沟槽；

(C)在第一沟槽邻近与外侧分别蚀刻形成有致使N型氮化镓欧姆接触层部分露出的复数第二沟槽；

(D)在磊晶层表面形成有透光导电层；

(E)在部分透光导电层表面分别加工而形成P型电极衬垫以及N型电极衬垫；

(F)在P型电极衬垫、N型电极衬垫、第一沟槽以及第二沟槽加工而形成有第一绝缘保护层；

(G)邻近P型电极衬垫且相对透光导电层的一侧表面加工而形成有金属反射层；

(H)在第一绝缘保护层以及金属反射层表面加工而形成有第二绝缘保护层。

与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：

1.本发明的解决传统兼具反射以及导电功能的金属反射层容易因为其金属特性，进而造成发光二极管提高顺向电压，而产生耗电量、增加热能，并使发光效率减弱的情况，其是在透光导电层相对于P型氮化镓欧姆接触层的一侧加工而形成有第一绝缘保护层，并在第一绝缘保护层上依序加工而形成有金属反射层以及第二绝缘保护层，的后再利用P型电极衬垫以及N型电极衬垫通过焊点与导热基板相接，此覆晶式发光二极管的制造方式为可使金属反射层不参与导电，便可降低所述的发光二极管的顺向电压，减少高耗电量，而可有效避免热能提升，降低热囤积所产生的光减弱情况，且所述的金属反射层为直接形成在发光二极管内，所述的金属反射层与发光层间距离较短也可达到有效提高发光效率的功效。

2.本发明在第二沟槽内侧依序加工而形成有第一绝缘保护层和第二绝缘保护层，此举便可使所述的第二沟槽两侧的磊晶层间为有具稳定的绝缘保护功能，以降低发光二极管在覆晶制程所容易发生漏电短路的信赖性缺失。

3.本发明的发光二极管通过具大面积的高导热的导电胶体与导热基板相接合的方法，不仅具有较低制造成本，也可在较高生产效率的考量上加速散热，而可有效提升发光二极管的发光效率、增进其工作寿命。

附图说明

图1是本发明发光二极管晶粒的制造流程图；

图2是本发明发光二极管晶粒的磊晶层示意图；

图3是本发明磊晶层蚀刻出第一沟槽的示意图；

图4是本发明磊晶层蚀刻出第二沟槽的示意图；

图5是本发明在磊晶层表面形成透光导电层、P型电极衬垫以及N型电极衬垫的示意图；

图6是本发明在透光导电层表面形成第一绝缘保护层以及金属反射层的示意图；

图7是本发明形成第二绝缘保护层的示意图；

图8是本发明发光二极管切割成型的示意图；

图9是本发明发光二极管与导电基板电性连接的示意图；

图10是本发明发光二极管具有V型第一沟槽的示意图；

图11是现有氮化镓发光二极管结构示意图；

图12是现有覆晶式氮化镓发光二极管的结构示意图；

图13是另一现有覆晶式氮化镓发光二极管的结构示意图；

图14是再一现有覆晶式氮化镓发光二极管的结构示意图；

图15是又一现有覆晶式氮化镓发光二极管的结构示意图。

附图标记说明：1-发光二极管；100-基板；14-透光导电层；101-第一沟槽；15-P型电极衬垫；102-第二沟槽；16-N型电极衬垫；11-N型氮化镓欧姆接触层；17-第一绝缘保护层；12-发光层；18-金属反射层；13-P型氮化镓欧姆接触层；19-第二绝缘保护层；2-磊晶层；3-导热基板；31-正极焊垫；32-负极焊垫；4-导电胶体；A1-蓝宝石基板；A2-N型氮化镓欧姆接触层；A7-N型电极衬垫；A3-发光层；A8-支架；A4-P型氮化镓欧姆接触层；A9-金属线材；A5-透光导电层；A10-外部接脚；A6-P型电极衬垫；B1-蓝宝石基板；B11-出光面；B5-P型氮化镓欧姆接触层；B2-缓冲层；B6-P型电极衬垫；B3-N型氮化镓欧姆接触层；B7-N型电极；B4-发光层；B8-N型电极衬垫；C1-发光二极管晶粒；C11-焊点；C21-焊点；C2-电路板；C3-散热块；D1-蓝宝石基板；D2-N型氮化镓欧姆接触层；D6-导电金属反射层；D3-发光层；D7-电极；D4-P型氮化镓欧姆接触层；D8-电路板；D5-透光导电层；D9-聚酰亚胺绝缘层；E1-第一磊晶层；E4-N型电极衬垫；E2-第二磊晶层；E5-金属反射层；E21-N型氮化镓欧姆接触层E6-导电层；E3-P型电极衬垫。

具体实施方式

为达成上述目的以及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，兹绘图就本发明的较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利于完全了解。

请参阅图1所示，是本发明的覆晶式氮化镓系发光二极管的制造流程：

(100)提供一氮化镓系发光二极管磊晶层2的晶圆。

(101)在所述的磊晶层2预设位置蚀刻形成有致使基板100露出部分的第一沟槽101。

(102)在第一沟槽101邻近与外侧分别蚀刻形成有致使N型氮化镓欧姆接触层11部分露出的复数第二沟槽102，所述的第二沟槽102的两侧分别具有磊晶层2A、2B。

(103)在磊晶层2A、2B表面加工而形成有透光导电层14。

(104)在部分透光导电层14表面分别加工而形成P型电极衬垫15以及N型电极衬垫16。

(105)在P型电极衬垫15、N型电极衬垫16、第一沟槽101以及第二沟槽102加工而形成有第一绝缘保护层17。

(106)邻近P型电极衬垫15且相对透光导电层14的一侧表面加工而形成有金属反射层18。

(107)在第一绝缘保护层17以及金属反射层18表面加工而形成有第二绝缘保护层19。

(108)研磨、划线、崩裂以及晶粒光电特性筛选产生各自独立的氮化镓系发光二极管1晶粒。

(109)将分离独立的氮化镓系发光二极管1晶粒覆晶在具导电胶体4的导热基板3。

请参阅图2至图8所示，是配合图1各流程的结构示意图，可由图中清楚看出，其是在基板100上依序形成有N型氮化镓欧姆接触层11、发光层12以及P型氮化镓欧姆接触层13，并提供一预定位置处设计的光罩，经由曝光以及显影技术，使得欲形成第一沟槽101的位置处无光阻覆盖，并以蚀刻方式将所述的无光阻覆盖处的磊晶层2晶圆结构移除致使露出部分基板100而形成的第一沟槽101，再提供另一预定位置处设计的光罩，经由曝光以及显影技术，使得欲形成第二沟槽102的位置处无光阻覆盖，并以蚀刻方式将所述的无光阻覆盖处的磊晶层2晶圆结构移除致使露出部分N型氮化镓欧姆接触层11而形成第二沟槽102。

之后，在P型氮化镓欧姆接触层13表面蒸镀或溅镀形成透光导电层14，并经由曝光、显影以及金属剥离(lift-off)技术在透光导电层14部分表面分别形成P型电极衬垫15以及N型电极衬垫16，再在所述的透光导电层14、P型电极衬垫15、N型电极衬垫16、第一沟槽101以及第二沟槽102表面形成有第一绝缘保护层17，并经由曝光、显影以及蚀刻技术露出P型电极衬垫15以及N型电极衬垫16表面，再次经由曝光、显影以及金属剥离技术在所述的第一绝缘保护层17相对于透光导电层14的一侧表面形成有金属反射层18，再在P型电极衬垫15、N型电极衬垫16、金属反射层18以及第一绝缘保护层17的表面再形成有第二绝缘保护层19，并经由曝光、显影以及蚀刻技术而露出P型电极衬垫15以及N型电极衬垫16的表面，上述流程完成后，便将基板100研磨至小于100um的厚度，并以激光划线以及崩裂制程将每个晶粒独立分开即完成发光二极管晶粒的制程。

另请参考图9，可由图中清楚得知，所述的发光二极管1为可通过覆晶方式与导热基板3电性连接，所述的导热基板3可为一导热效果佳的铝、铜或陶瓷类等材质所制成，并在所述的导热基板3上制作具有电气隔离的正极焊垫31以及负极焊垫32的印刷电路，之后，将导电胶体4，如银胶、锡球或锡膏等类的材质，以点胶或沾胶方式分别形成在正极焊垫31以及负极焊垫32上表面，并将所述的发光二极管1的P型电极衬垫15以及N型电极衬垫16通过导电胶体4分别与导热基板3的正极焊垫31以及负极焊垫32相连接，最后，固化所述的导电胶体4，即完成覆晶式发光二极管发光装置，上述发光二极管1为可利用具有较大散热面积的导电胶体4如银胶或锡膏类以及导热基板3直接散热，故可解决现有使用金线或金属凸块的传导面积过小，致使散热不佳等缺失，上述的作法也可减少制造工序以及缩短制造时间。

上述，所述的基板100可为透光的蓝宝石、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZN/O)、氧化镁(MgO)、氧化镓(Ga₂O₃)、氮化铝(AlGaN)、氧化锂镓(GaLiO)、氧化锂铝(AlliO)或尖晶石(Spinel)基板，而所述的透光导电层14可为氧化铟(In₂O₃)，氧化锡(SnO₂)，氧化铟钼(Indium Molybdenum Oxides，IMO)，氧化锌(ZnO)，氧化铟锌(IZO)，氧化铟铈(CeIn₂O₃)，氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)，镍(N)、金(Au)双层结构，铂(Pt)、金双层结构，铍(Be)、金双层结构，且所述的金属反射层18可为银(Ag)、铝(Al)或铑(Rh)金属，或者所述的金属反射层18可为银(Ag)、铝(Al)以及铑(Rh)其中之一与镍、铂、铍、钛(Ti)以及铬(Cr)其中之一组合而成，另一方面，第一绝缘保护层17以及第二绝缘保护层19可为氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、液态玻璃、铁氟龙(Teflon)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钛(Ti-O)、氧化钽(Ta₂O₅)、氧化钇(Y₂O₃)或钻石薄膜其中之一或其组合而成，而所述的P型电极衬垫15以及N型电极衬垫16可为钛金合金；钛铝合金；铬金合金以及铬铝合金其中之一或其组合而成，上述仅为本发明的较佳实施例而已，各层的材料非因此即局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书以及图式内容所为的简易修饰以及等效结构变化，均应同理包含在本发明的专利范围内。

另请参考图9、图10，可由图中清楚得知，第一沟槽101、第二沟槽102为可蚀刻成U型或V型，然，上述沟槽的型态仅为本发明的实施例说明，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书以及图式内容所为的简易修饰以及等效结构变化，均应同理包含在本发明的专利范围内。

综上所述，本发明上述覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，具有下列的优点：

(一)本发明在金属反射层18的两侧表面分别形成有第一绝缘保护层17以及第二绝缘保护层19，使透光导电层14与金属反射层18不产生导电效果，俾可有效防止金属反射层18因参与导电所造成发光二极管1提高其顺向电压、耗电量增高，致使发光二极管1的发光效率不彰等情形，且金属反射层18为直接设置在发光二极管1内，此方式为可直接反射发光层12的光线，避免设置位置过远而产生的光损失。

(二)本发明的磊晶层2在预设位置处蚀刻致使基板100部分露出形成第一沟槽101，的后再在另预设位置蚀刻有第二沟槽102，并产生具有共同水平高度的磊晶层2A、2B，此举便能使的后形成的P型电极衬垫15和N型电极衬垫16具有相同高度，可稳定发光二极管1与导热基板3间的电性连接，提升发光二极管装置的合格率。

(三)本发明为在第二沟槽102两侧的磊晶层2A、2B形成有第一绝缘保护层17和第二绝缘保护层19，便可使所述的二磊晶层2A、2B间具有稳定绝缘的保护，有效避免发光二极管1在覆晶制程中所容易发生的漏电短路的信赖性缺失。

(四)本发明的发光二极管1是通过具大面积的高导热材质的导电胶体4与导热基板3电性连接，为可在具有较低制造成本条件下加速散热，进而可有效提升发光二极管1的发光效率，且所述的发光二极管1可通过导电胶体4使热囤积有效快速散出，增进其工作寿命。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其制造步骤包括有：

(A)提供一氮化镓系发光二极管磊晶层的晶圆；

(D)在磊晶层表面形成有透光导电层；

2.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的第二绝缘保护层形成后便通过研磨、划线、崩裂以及晶粒光电特性筛选形成分离独立的氮化镓系发光二极管晶粒。

3.根据权利要求2所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的分离独立的氮化镓系发光二极管为覆晶在具导电胶体的导热基板。

4.根据权利要求3所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的覆晶发光二极管的P型电极衬垫以及N型电极衬垫，是通过导电胶体固设在导热基板上的正极焊垫和负极焊垫上。

5.根据权利要求3所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的导电胶体的材料为银胶、锡球或锡膏。

6.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的形成第一沟槽以及第二沟槽的方式可为干式蚀刻或湿式蚀刻技术。

7.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的氮化镓发光二极管磊晶层晶圆包括有N型氮化镓欧姆接触层、发光层以及P型氮化镓欧姆接触层。

8.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的第一沟槽为U或V型。

9.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的第二沟槽为U或V型。

10.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的第一沟槽的蚀刻深度大于第二沟槽的蚀刻深度。

11.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的N型电极衬垫延伸至N型氮化镓欧姆接触层表面。

12.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的第一绝缘保护层将第一沟槽以及第二沟槽的内侧边完全包覆。

13.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的金属反射层的材料为银、铝或铑。

14.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的金属反射层的材料是银、铝或铑金属，或者所述的金属反射层的材料是银、铝以及铑其中之一与镍、铂、铍、钛以及铬其中之一组合而成。

15.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的透光导电层的材料是镍、金双层结构，铂、金双层结构，铍、金双层结构，氧化铟，氧化锡，氧化铟钼，氧化锌，氧化铟锌，氧化铟铈以及氧化铟锡其中之一或上述所有材料中至少任意两个组合而成。

16.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的第一绝缘保护层以及第二绝缘保护层的材料是氧化硅类、氮化硅类、液态玻璃、铁氟龙、聚酰亚胺、氧化铝、氧化钛、氧化钽、氧化钇或钻石薄膜其中之一或其组合。

17.根据权利要求1所述的覆晶式氮化镓发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的P型电极衬垫以及N型电极衬垫的材料是钛金合金，钛铝合金，铬金合金以及铬铝合金其中之一或其组合。