CN102800764A - 半导体发光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光装置的制造方法，包含：(a)提供一暂时基材；(b)形成一具有至少一个发光单元的多层发光二极管(LED)磊晶结构于暂时基材上，其中发光单元的一第一表面接触暂时基材，发光单元包含一N型层、一发光区、一P型层；(c)形成一N型电极于N型层上；(d)形成一P型电极于P型层上；(e)结合一永久基材于发光单元、N型电极、P型电极上；(f)移除暂时基材以暴露出发光单元；以及(g)蚀刻暴露出的发光单元，以暴露N型电极与P型电极两者中的至少一者。

Description

半导体发光装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光装置及其制造方法，特别是一种具有横向结构(lateral structure)的发光二极管装置。
背景技术
参见图1，一种用于制造具有横向结构(lateral structure)半导体发光芯片1的方法包含下列步骤：(a)磊晶成长一磊晶层单元12于一磊晶基材11上，磊晶层单元12是由氮化镓(GaN)系列的半导体材料制成且具有与磊晶基材11接触的一N型披覆层(n-type cladding layer)121、一P型披覆层122，以及位于N型披覆层121与P型披覆层122之间的一发光层123；(b)蚀刻磊晶层单元12以暴露出部分N型披覆层121，并定义出多个磊晶区域15；(c)在每个磊晶区域15，形成一第一电极13于暴露出的N型披覆层121上并与之欧姆接触，以及形成一第二电极14于P型披覆层122上并与之欧姆接触；以及(d)切割磊晶层单元12与磊晶基材11，以获得多个半导体发光芯片。图2显示半导体发光芯片1的结构。
磊晶基材11是由氮化镓系列半导体在其表面可轻易成长磊晶层单元12的材质所制成。在一范例，磊晶基材11的材质为蓝宝石。
此外，可形成一透明导电层(未图示)，例如一氧化铟镓(indium tinoxide，ITO)层，于第二电极14与P型披覆层122之间，以改善芯片1的电传导。
当一外部电压被施加于半导体发光芯片1时，可产生一电流从第二电极14流向磊晶层单元12，使其电荷载子，亦即电子与电洞，产生流动并横向扩散。根据电致发光效应(electroluminescence effect)，电子与电洞可在磊晶层单元12的发光层123内复合(recombine)，而以光子的形式发出能量。因此，半导体发光芯片1可从磊晶层单元12发光。
前述具有横向结构的半导体发光芯片1的方法的制造方法较为简单。然而，芯片1的磊晶基材11的热传导系数(thermal conductivity)低，导致芯片1操作时产生热累积(thermal accumulation)，因此降低芯片1的寿命。
图3与图4显示具有垂直结构的半导体发光芯片2及其制造方法。如图4所示，利用一磊晶制程，成长一具有一N型披覆层221、一P型披覆层222、一发光层223的磊晶层单元12于一磊晶基材21上。接着，一永久基材23结合磊晶层单元12于磊晶基材21的相反侧，结合后移除磊晶基材21。永久基材23具有高热传导系数，并可作为一电极。接着，在升温条件下，形成另一电极24于磊晶层单元12相对于永久基材23的一侧，并与磊晶层单元12欧姆接触。接着，在切割磊晶层单元12与永久基材23后，即可得到一垂直式结构的半导体发光芯片2，如图3所示。
前述具横向结构的芯片1的缺陷，亦即热累积问题，藉由具垂直结构的芯片2，以高热传导系数的永久基材23取代低热传导系数的磊晶基材21而克服。
然而，在高温条件下，形成电极24于磊晶层单元22上是在永久基材23与磊晶层单元22的结合步骤之后。高温可能会导致永久基材23以及用于结合的一黏着层的变形或裂解。因此，芯片2可能会有变形或漏电流等问题。
此外，芯片1或芯片2的电极14/24是位于磊晶层单元12/22上，可能会遮蔽磊晶层单元12/22的发光层123/223所发出的光，使得芯片1/2的发光效率降低。此外，现有制造方法的芯片1与芯片2必须个别封装。之后的一系列的芯片1/2串联或并联，导致由芯片1/2制成的发光产品具有较大体积以及复杂的电路设计。
发明内容
因此，本发明的目的之一是提供一种半导体发光装置及其制造方法，以克服现有技术的缺陷。
本发明第一实施例提供一种半导体发光装置的制造方法，其包含下列步骤：(a)提供一暂时基材；(b)形成一具有至少一个发光单元的多层发光二极管(LED)磊晶结构于暂时基材上，其中发光单元的一第一表面接触暂时基材，发光单元包含一N型层、一发光区、一P型层；(c)形成一N型电极于N型层上；(d)形成一P型电极于P型层上；(e)结合一永久基材于发光单元、N型电极、P型电极上；(f)移除暂时基材以暴露出发光单元；以及(g)蚀刻暴露出的发光单元，以暴露N型电极与P型电极两者中的至少一者。
本发明第二实施例提供一种半导体发光装置，其包含：一永久基材；一多层发光二极管(LED)磊晶结构位于永久基材上且包含至少一发光单元，发光单元包含一N型层、一发光区、一P型层；一N型电极联结N型层并位于永久基材与发光单元之间；以及一P型电极联结P型层并位于永久基材与发光单元之间；其中，N型电极与P型电极两者中的至少一者暴露其表面。
附图说明
图1显示一种具有横向结构的半导体发光芯片的现有制造方法。
图2显示由图1现有制造方法所制造的半导体发光芯片结构。
图3显示一种具有垂直结构的现有半导体发光芯片的结构示意图。
图4显示如图3所示半导体发光芯片的现有制造方法。
图5至图8显示根据本发明第一优选实施例的半导体发光装置的制造方法。
图9显示根据本发明第一实施例制造方法所制造的半导体发光装置。
图10显示根据本发明第二实施例的半导体发光装置的制造方法的一电性连接步骤。
图11显示一种半导体发光装置，其为图10实施例的半导体发光装置的修饰。
图12显示根据本发明第三实施例的半导体发光装置的制造方法的一电性连接步骤。
主要组件符号说明
1                 半导体发光芯片
2                 半导体发光芯片
6                 半导体发光装置
11                磊晶基材
12                磊晶层单元
13                第一电极
14                第二电极
15                磊晶区域
21                磊晶基材
22                磊晶层单元
23                永久基材
24                电极
61                永久基材
62                多层发光二极管磊晶结构
63                N型电极
64                P型电极
65                发光单元
66                黏胶
67            开口
68            开口
71            暂时基材
88            导电膜
89            绝缘墙
121           N型披覆层
122           P型披覆层
123           发光层
221           N型披覆层
222           P型披覆层
223           发光层
611           基底
612           反射层
613           绝缘层
614           电路层
621           N型层
622           P型层
623           发光区
624           第一表面
6241          第一粗糙表面
6243          第二粗糙表面
具体实施方式
以下将配合图式说明本发明优选实施例的细节，其中附图中相同的符号代表相似的组件。
参见图5至图8，本发明第一优选实施例的半导体发光装置6的制造方法包含以下步骤。
如图5所示，一多层发光二极管(LED)磊晶结构62被形成于一暂时基材71上。多层LED磊晶结构62包含多个发光单元65，每个发光单元65包含与暂时基材71接触的一第一表面624。此外，每个发光单元65包含由N型半导体材料构成的一N型层621、由P型半导体材料构成的一P型层622，以及位于N型层621与P型层622之间的一发光区623。在本实施例，多层LED磊晶结构62由一氮化镓(GaN)系列的半导体材料制成，而暂时基材71由可在其表面磊晶成长氮化镓系列半导体材料的蓝宝石制成。接着，蚀刻发光单元65，以暴露出部分N型层621。
在一范例，N型层621的第一表面624接触暂时基材71。在另一范例，发光单元62可再包含一位于暂时基材71与N型层621之间的接触层，其可包含下列结构层的其中之一或其任意组合：一未掺杂层、一缓冲层，以及一超晶格(super lattice)层。且前述接触层可具有接触暂时基材71的第一表面624。
如图6所示，在每个发光单元65，一N型电极63被形成在N型层621上并与之耦接(coupled)，一P型电极64被形成在P型层622上并与之耦接(coupled)。
如图7A所示，在形成N型电极63与P型电极64后，一具有高热传导系数的永久基材61结合发光单元65、N型电极63、P型电极64于暂时基材71的相对侧，使得N型电极63与P型电极64位于永久基材61与多层LED磊晶结构62的发光单元65之间。接着，移除暂时基材71，暴露出发光单元65的第一表面624。
在本实施例，发光单元65的P型层622与永久基材61结合。然而，发光单元65可还包含其它层状结构，例如一氧化铟锡(ITO)层、一氧化层、一黏着层，或者前述层状结构的任意组合，并利用其中之一与永久基材61结合。
在本实施例，永久基材61利用一黏胶66与发光单元65、N型电极63、P型电极64结合。优选地，黏胶66是一种光学胶。或者，不使用黏胶66，而是利用金属接合(metal bonding)、共晶接合(eutecticbonding)等方式结合永久基材61与N型电极63及P型电极64。
优选地，永久基材61包含一基底611以及一反射层612。基底611由一具有高热传导系数的材料制成，反射层612位于基底611与黏胶66之间，以将发光区623发出的光反射至N型层621方向。
在移除暂时基材71之后，蚀刻暴露出的发光单元65，使在每个发光单元65暴露N型电极63和/或P型电极64。所述蚀刻步骤可选择使整个电极或部分电极暴露出来。如图8所示，在本发明第一优选实施例，发光单元65的第一表面624被部分蚀刻，暴露出N型电极63与P型电极64。
接着，切割多层LED磊晶结构62与永久基材61，以获得多个单独的半导体发光装置6。
值得注意的是，在移除暂时基材71期间，每个发光单元65的第一表面624可同时被粗糙化，以形成一第一粗糙表面6241，其具有一相对较低的粗糙度，如图7B所示。或者，在移除暂时基材71之后，执行一粗糙化步骤使第一表面624粗糙化，以形成一第二粗糙表面6243，其具有一相对较高的粗糙度，如图7C所示。此粗糙化步骤可在前述蚀刻步骤之前或之后执行。在发光单元65的第一表面624粗糙化之后，半导体发光芯片6可具有更优的光萃取效率。
参见图9，一种由前述第一实施例的方法所制造的半导体发光装置6包含：一永久基材61，具有一基底611与一反射层612；一多层发光二极管(LED)磊晶结构62位于永久基材61上且包含一发光单元65，发光单元65包含一N型层621、一发光区623、一P型层622；一N型电极63耦接N型层621并位于永久基材61与发光单元65之间；一P型电极64耦接P型层622并位于永久基材61与发光单元65之间；两开口67形成于发光单元65上，以暴露N型电极63与P型电极64；以及一黏胶66使发光单元65、N型电极63、P型电极64与永久基材61黏着。
特别地，开口67是利用移除发光单元65远离永久基材61的一些区域而形成。
当透过N型电极63与P型电极64施加一电压于半导体发光装置6时，发光单元65的电子以光子形式释放能量，造成电致发光效应，半导体发光装置6得以等方向性地发光。在操作时，半导体发光装置6内部产生的热，可透过永久基材61中具有高热传导系数的基底611散出。
发光单元65发出的光通过N型层621，从半导体发光装置6朝外射出。N型层621的第二粗糙表面6243可允许更多的光穿透。此外，由于P型电极64是位于发光单元65下方，没有任何电极设置于光萃取路径，使半导体发光装置6的发光效率得以提高。此外，发光单元65朝向永久基材61发出的光，可由反射层612反射，藉此可进一步改善半导体发光装置6的光萃取效率。
如图10所示，本发明第二实施例的半导体发光装置6的制造方法，具有与第一实施例相同的步骤，但还包含在发光单元65的N型电极63与P型电极64上形成多个导电膜88的一步骤。在此第二实施例，永久基材61还包含一绝缘层613位于反射层612且相对于基底611的表面上，且绝缘层613黏附于发光单元65的N型电极63与P型电极64，使发光单元65的N型电极63与P型电极64彼此电性绝缘。
具体上，在移除部分发光单元65以暴露出N型电极63与P型电极64之后，本实施例制造方法还包含用于在发光单元65的N型电极63与P型电极64上形成多个导电膜88的一步骤。每个导电膜88电性连接一个发光单元65上的N型电极63与相邻发光单元65上的P型电极64，亦即，发光单元65彼此之间透过导电膜88串联。
优选地，在形成导电膜88之前，一绝缘墙89被形成于多层LED磊晶结构62的一预定区域，位于每一个发光单元65的N型电极63与相邻发光单元65的P型电极64之间。接着导电膜88再个别地被形成于每个绝缘墙89上。绝缘墙89是用于电性绝缘发光单元65与导电膜88。
在形成导电膜88后，切割多层LED磊晶结构62与永久基材61，以获得多个半导体发光装置6，其中每个发光装置6具有所需数量的发光单元65。
由第二实施例方法所制造的半导体发光装置6包含：一永久基材61；一多层发光二极管(LED)磊晶结构62位于永久基材61上且包含多个发光单元65，每个发光单元65包含一N型层621、一发光区623、一P型层622；多个N型电极63，每一个N型电极63联结个别发光单元65的N型层621并位于永久基材61与个别发光单元65之间；多个P型电极64，每个P型电极64联结个别发光单元65的P型层622并位于永久基材61与个别发光单元65之间；多个开口68形成于发光单元65上，以暴露发光单元65至少部分的N型电极63与P型电极64；多个导电膜88位于N型电极63与P型电极64上，每个导电膜88电性连接一发光单元65的N型电极63与相邻发光单元65的P型电极64；以及多个绝缘墙89位于导电膜88与发光单元65之间。
在本实施例，永久基材61具有一基底611，一反射层612位于基底611上，以及一绝缘层613位于反射层612上并利用一黏胶66黏附于发光单元65的N型电极63与P型电极64，使N型电极63与P型电极64彼此电性绝缘。
由于导电膜88是在封装程序进行之前形成，第二实施例半导体发光装置6的体积得以小型化。
图11显示另一实施例的半导体发光装置6，其为图10实施例的修饰。在本实施例，永久基材61还包含一电路层614位于反射层612相对于基底611的表面上，且电路层614贴附并电性连接发光单元65的N型电极63。而绝缘层613是位于电路层614与P型电极64之间，使两者彼此电性绝缘。此外，黏胶66(参见先前图示，本图未示)黏接发光单元65与N型电极63及P型电极64。
优选地，电路层614是由透明导电材料制成，且其表面上具有一电路布局(layout)。
图12显示根据本发明第三实施例半导体发光装置的制造方法。第三实施例与第二实施例的不同处在于，开口68仅形成于发光单元65的N型电极63上，因此仅暴露出N型电极63，未暴露P型电极64。
此外，在本实施例，导电膜88被形成在暴露出的N型电极63，以电性连接一个发光单元65的N型电极63与相邻发光单元65的N型电极；亦即，发光单元65的N型电极63彼此并联。绝缘墙89被形成在导电膜88与发光单元65之间。此外，永久基材61具有一基底611、一反射层612、一电路层614、一绝缘层613。反射层612位于基底611上。电路层614位于反射层612相对于基底611的表面上，且电路层614贴附并电性连接发光单元65的N型电极63。绝缘层613位于电路层614与发光单元65的P型电极64之间，使两者彼此电性绝缘。
总之，根据本发明具有横向结构的半导体发光装置的制造方法，在形成N型电极63与P型电极64后，利用将一永久基材61结合至一多层LED磊晶结构62而改善现有制造方法形成电极时，由于高温使得基材与黏胶变形或劣化，进而造成芯片变形或漏电流的问题。操作时，半导体发光装置6内部产生的热，可由永久基材61的基底611散出，如此可提高散热效率、延长半导体发光装置6的可靠度与使用寿命。
此外，半导体发光装置6的第二粗糙表面6243，可增加发光单元65所发出的光的穿透率，藉此改善半导体发光装置6的光萃取效率与发光效率。
在本发明第二与第三实施例所制造的半导体发光装置6，可在封装程序进行前彼此电性连接，如此可减少由半导体发光装置6所制作的最终产品的体积。
以上所述仅为本发明之优选实施例而已，并非用以限定本发明；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (23)

1.一种半导体发光装置的制造方法，包括：
(a)提供一暂时基材；
(b)形成一具有至少一个发光单元的多层发光二极管(LED)磊晶结构于所述暂时基材上，其中所述发光单元的一第一表面接触所述暂时基材，且所述发光单元包含一N型层、一发光区、一P型层；
(c)形成一N型电极于所述N型层上；
(d)形成一P型电极于所述P型层上；
(e)结合一永久基材于所述发光单元、所述N型电极、所述P型电极上；
(f)移除步骤，移除所述暂时基材以暴露出所述发光单元；以及
(g)蚀刻步骤，蚀刻暴露出的所述发光单元，以暴露所述N型电极与所述P型电极两者中的至少一者。
2.如权利要求1的制造方法，其中所述N型层具有与所述暂时基材接触的所述第一表面。
3.如权利要求1的制造方法，其中所述发光单元还包含一接触层位于所述N型层与所述暂时基材之间，所述接触层包含下列群组的其中之一或其任意组合：一未掺杂层、一缓冲层、一超晶格层。
4.如权利要求3的制造方法，其中所述接触层具有与所述暂时基材接触的所述第一表面。
5.如权利要求1的制造方法，其中移除所述暂时基材的移除步骤暴露出所述发光单元的所述第一表面，并且所述蚀刻步骤是从所述第一表面蚀刻。
6.如权利要求1的制造方法，其中在移除所述暂时基板的移除步骤同时，还包含粗糙化所述发光单元，以在所述蚀刻步骤之前，暴露粗糙化的所述发光单元。
7.如权利要求1的制造方法，其中在移除所述暂时基板的移除步骤后，还包含一粗糙化所述发光单元的步骤，以在所述蚀刻步骤之前，暴露粗糙化的所述发光单元。
8.如权利要求1的制造方法，其中所述永久基材藉由黏着结合、金属结合，或共熔结合与所述发光单元、所述N型电极、所述P型电极结合。
9.如权利要求8的制造方法，其中所述永久基材包含一基底与一反射层。
10.如权利要求8的制造方法，其中所述多层LED磊晶结构包含多个所述发光单元。
11.如权利要求10的制造方法，其中所述永久基材包含一基底、一反射层，以及位于所述反射层上且相对于所述基底的一侧的一绝缘层，该绝缘层贴附于所述发光单元的所述N型电极与所述P型电极使所述N型电极与所述P型电极彼此电性绝缘。
12.如权利要求11的制造方法，还包含在步骤(g)之后，形成多个导电膜覆盖所述发光单元的N型电极与P型电极，其中每个导电膜电性连接一个所述发光单元的所述N型电极及其相邻发光单元的所述P型电极。
13.如权利要求10的制造方法，其中所述永久基材包含一基底、一反射层、一电路层、一绝缘层，该反射层位于所述基底上，所述电路层位于所述反射层上且位于所述基底的相对侧且贴附并电性连接所述发光单元的所述N型电极，所述绝缘层位于所述电路层与发光单元的所述P型电极之间，以电性绝缘所述发光单元的所述N型电极与所述P型电极。
14.如权利要求13的制造方法，还包含在步骤(g)之后，形成多个导电膜覆盖所述发光单元的N型电极与P型电极，其中每个导电膜电性连接一个所述发光单元的所述N型电极及其相邻发光单元的所述P型电极。
15.一种半导体发光装置，包含：
一永久基材；
一多层发光二极管(LED)磊晶结构，位于所述永久基材上且包含至少一个发光单元，该发光单元包含一N型层、一发光区、一P型层；
一N型电极联结所述N型层并位于所述永久基材与所述发光单元之间；以及
一P型电极联结所述P型层并位于所述永久基材与所述发光单元之间；
其中，所述N型电极与所述P型电极两者中的至少一者暴露其表面。
16.如权利要求15的半导体发光装置，其中所述永久基材包含一反射层与位于该反射层上且位于该多层LED磊晶结构的相对侧的一基底。
17.如权利要求15的半导体发光装置，其中一开口藉由移除一部分发光单元而形成于远离所述永久基材之处，藉此暴露所述N型电极与所述P型电极两者中的至少一者。
18.如权利要求15的半导体发光装置，其中所述多层LED磊晶结构包含多个所述发光单元。
19.如权利要求18的半导体发光装置，其中所述永久基材包含一基底、位于该基底上的一反射层，以及位于该反射层上且相对于该基底的一侧的一绝缘层，该绝缘层贴附于所述发光单元的所述N型电极与所述P型电极使所述N型电极与所述P型电极彼此电性绝缘。
20.如权利要求19的半导体发光装置，还包含多个导电膜覆盖所述发光单元的所述N型电极与所述P型电极，其中每个所述导电膜电性连接一个所述发光单元的所述N型电极及其相邻发光单元的所述P型电极。
21.如权利要求18的半导体发光装置，其中所述永久基材包含一基底、一反射层、一电路层、一绝缘层，该反射层位于该基底上，该电路层位于该反射层上且位于该基底的相对侧且贴附并电性连接所述发光单元的所述N型电极，该绝缘层位于该电路层与所述发光单元的所述P型电极之间，以电性绝缘所述发光单元的所述N型电极与所述P型电极。
22.如权利要求21的半导体发光装置，还包含多个导电膜覆盖所述发光单元的N型电极，其中每个导电膜电性连接一个所述发光单元的所述N型电极及其相邻发光单元的所述N型电极。
23.如权利要求21的半导体发光装置，还包含多个导电膜覆盖所述发光单元的N型电极与P型电极，其中每个导电膜电性连接一个所述发光单元的所述N型电极及其相邻发光单元的所述P型电极。
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