JP7092496B2 - 垂直型発光ダイオードダイの構造およびその製造方法 - Google Patents

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本発明は発光ダイオード(LED)ダイの構造およびその製造方法に関し、特に、高い熱伝導率、低い熱膨張係数および初透磁率を有する、垂直型発光ダイオード(VLED)ダイの構造およびその製造方法に関する。
発光ダイオード(Light Emitting Diode,LED)は半導体技術により作られる光源であり、III-V族化合物半導体により形成される。LEDの発光原理は半導体の中にある電子と正孔が結合して光子を放出するものである。LEDは、数千度の高温で動作する従来の電球とは異なり、蛍光灯のように高電圧で電子ビームを励起する必要がなく、一般的な電子素子と同様に、電圧が2~4Vであれば一般的な温度でも正常動作可能であるため、発光寿命も従来の光源より長い。
LEDの構造は水平型(Horizontal)構造と垂直型(Vertical)構造の二種類に別けられ、水平型LEDの2つの電極はLEDチップと同一側に位置し、垂直型LEDの2つの電極はLEDのエピタキシャル層の両側にそれぞれ位置する。垂直型LEDは、水平型LEDと比較して、輝度が高く、放熱が速く、光の減衰が小さく、安定性が高い等の長所を有し、かつ、構造、光電パラメーター、熱特性、光の減衰およびコスト等のほか、垂直型LEDの放熱効率も水平型LEDよりはるかに優れている。垂直型LEDの優れた放熱特性により、チップから発生した熱を直ちに放出させ、チップと蛍光体の性能を最低限まで低下させることで、LEDの輝度を高く、放熱を速く、光の減衰を小さく、色ズレを小さくし、その結果、より信頼できる安定性を提供する。
しかし、現在一般的なLEDはとても広く活用されており、例えばスマートフォンに用いられることが可能である。この場合は、使用によりスマートフォンが過熱すると、その中に搭載されたLEDチップに影響を与えるとともに、LEDチップの中の、ダイを載置しスマートフォンまたはその他のデバイスに接続するための基板にも影響を与える。この基板の熱膨張係数が良くない場合、温度変化により基板が湾曲変形しやすくなり、LEDチップの発光効率にも影響を及ぼす。
上述した従来LEDの欠点を考慮し、本発明は、特殊な構造および製造方法により、低コストで、高い熱伝導率、低い熱膨張係数および初透磁率を有する基板を製造可能な垂直型発光ダイオードダイの構造およびその製造方法を提供する。
本発明の主な目的は、一般的なシリコン基板より優れたワイヤーボンディングを有し、一般的な金属基板より製造コストが低く、LED製造工程に適した低い熱膨張係数および高い熱伝導率を有し、LED製造工程により適した金属複合基板を提供し、これにより搭載後のLEDが温度によって基板に影響を与えたり基板が変形したりすることなく、安定的で高効率の発光を維持できる、垂直型発光ダイオードダイの構造およびその製造方法を提供することにある。
本発明のもう1つの目的は、高い熱伝導率および低い熱膨張係数以外に、初透磁率を有することによりLEDダイに微小電流を導通させ、無線発光への応用を達成できる金属複合基板を供給可能な垂直型発光ダイオードダイの構造およびその製造方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、初透磁率を有する金属複合基板により現在のマイクロLEDが抱える大量移送の問題を解決し、製造工程においてLEDを大量に搬送または移送可能な垂直型発光ダイオードダイの構造およびその製造方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、水平型LEDよりも放熱効率が高い垂直型発光ダイオードダイの構造を提供し、LEDパッケージを形成する製造工程を経て、LEDモジュールの発光効率をより高くできる、垂直型発光ダイオードダイの構造およびその製造方法を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明に係る垂直型発光ダイオードダイの構造は金属複合基板およびエピタキシャル電極層を含み、金属複合基板は第一金属層および2つの第二金属層を有し、第二金属層は第一金属層の上下表面にそれぞれ位置し、第一金属層および第二金属層が切断、真空加熱およびポリッシングの方式によって組み合わせられることにより、金属複合基板が高い熱伝導率、低い熱膨張係数および初透磁率を有するようになり、エピタキシャル電極層は金属複合基板上に位置する。
また、本発明に係る垂直型発光ダイオードダイの製造方法は、成長基板を提供するとともに、その上にエピタキシャル層を形成するステップと、切断、真空加熱およびポリッシングにより形成される金属複合基板を提供するステップと、金属複合基板上に接続金属層を形成し、接続金属層によって金属複合基板とエピタキシャル層とを接合するステップと、成長基板を除去するステップと、エピタキシャル層の上面に複数の電極ユニットを設置するステップと、電極ユニットの数量に応じて分割を行い、金属複合基板上に複数のエピタキシャルダイを形成するステップと、を含む。
本発明において、エピタキシャル電極層は、金属複合基板上に位置する接続金属層を含み、少なくとも1つのエピタキシャルダイが接続金属層上に位置し、各エピタキシャルダイ上には電極ユニットを備える。
本発明において、第一金属層はニッケル-鉄合金であり、第二金属層は銅である。
本発明において、金属複合基板の第二金属層、第一金属層、第二金属層の厚さの比は1:2.5~3.5:1である。
本発明において、金属複合基板の厚さは200μm以下である。
本発明において、切断はレーザー切断であり、ポリッシングは化学的機械研磨または銅金属ポリッシング方法である。
本発明において、金属複合基板は初透磁率によりエピタキシャル電極層に微小電流を導通可能にする。
本発明において、エピタキシャルダイを形成した後、エピタキシャルダイの組数に基づいて分割を行い、ワイヤーボンディングおよびパッケージングによりLEDを形成する。
本発明において、LEDは無線発電機能を有して無線発光する。
本発明において、成長基板は化学溶液またはレーザー方式により除去される。
LEDの発光を安定させて効率を高め、かつ垂直型発光ダイオードへ効果的に応用するために、本発明はダイの構造および製造方法を改良する。これにより、ダイ下の基板の熱膨張係数を変えて熱伝導率を高めることで、将来的にLEDが高温環境下に置かれても、基板の変形により発光強度が変わることがないほか、基板の特殊材料を用いることで、無線発電により無線発光するといった応用が可能になる。
本発明の垂直型発光ダイオードダイの第一実施例における構造を示す図である。 本発明の垂直型発光ダイオードダイの第一実施例における製造方法のステップを示すフローチャートである。 本発明の第一実施例の構造を製造する際の、各ステップにおける構造を示す図である。 本発明の第一実施例の構造を製造する際の、各ステップにおける構造を示す図である。 本発明の第一実施例の構造を製造する際の、各ステップにおける構造を示す図である。 本発明の第一実施例の構造を製造する際の、各ステップにおける構造を示す図である。 本発明の第一実施例の構造を製造する際の、各ステップにおける構造を示す図である。 本発明の第一実施例の構造を製造する際の、各ステップにおける構造を示す図である。 本発明の垂直型発光ダイオードダイの第二実施例における構造を示す図である。
本発明の目的、技術的内容、特徴および達成される効果のさらなる理解のため、具体的な実施例と添付の図面を併せて、以下に詳しく説明する。
まず、本発明の図1を参照されたい。垂直型発光ダイオードダイ(以下、VLEDダイと称する)10の構造は金属複合基板12およびエピタキシャル電極層13を含む。エピタキシャル電極層13はさらに接続金属層14、少なくとも1つのエピタキシャルダイ16および少なくとも1つの電極ユニット18を含む。本実施例では、まず1つのエピタキシャルダイ16を例に挙げて説明する。接続金属層14は金属複合基板12上に位置し、エピタキシャルダイ16は接続金属層14上に位置し、電極ユニット18はエピタキシャルダイ16上に位置する。
上の段落に続いて、金属複合基板12は第一金属層122および2つの第二金属層124を有する。この2つの第二金属層124は第一金属層122の上下表面上にそれぞれ位置する。本実施例において、第一金属層122はニッケル含有量が36%のニッケル-鉄合金であり、第二金属層124は銅である。第一金属層122と第二金属層124の厚さの比は2.5~3.5:1であり、下から上に向かって形成された第二金属層124:第一金属層122:第二金属層124の厚さの比は1:2.5~3.5:1となる。本実施例では、まず、第一金属層122と第二金属層124の厚さの比を3:1として説明する。例えば、第一金属層122の最適な厚さが60μmだとすると、第二金属層124の最適な厚さは20μmとなるが、これに限定されない。金属複合基板12の厚さは200μm以下であってもよい。
さらに、接続金属層14はコンタクト層142、反射層144および電流拡散層146を有し、コンタクト層142は金属複合基板12上に位置し、反射層144はコンタクト層142上に位置し、電流拡散層146は反射層144上に位置し、反射層144上にはエピタキシャルダイ16が設けられる。本実施例において、コンタクト層142はp-コンタクトであり、反射層144はリフレクターであり、電流拡散層146はp-GaPである。
そして、さらにエピタキシャルダイ16は、第一AlGaInP層162、多重量子井戸(MQWs)層164、第二AlGaInP層166およびGaAs層168を含む。第一AlGaInP層162は電流拡散層146上に位置し、多重量子井戸層164は第一AlGaInP層162上に位置し、第二AlGaInP層166は多重量子井戸層164上に位置し、GaAs層168は第二AlGaInP層166上に位置し、かつGaAs層168上には電極ユニット18が設けられる。本実施例において、第一AlGaInP層162はp-AlGaInPであり、第二AlGaInP層166はn-AlGaInPであり、GaAs層168はn-GaAsである。
本発明の構造を説明した後は、本発明のVLEDダイの製造方法について詳しく説明する。図2および図3a~図3fを参照されたい。まず、図2と図3aを同時に参照すると、ステップS10では、成長基板20を提供するとともに、成長基板20上にエピタキシャル層22を形成し、エピタキシャル層22上に接続金属層14を設置する。接続金属層14は下から上の順に電流拡散層146、反射層144、コンタクト層142を含む。本実施例の成長基板20はGaAs基板である。次に、図2と図3bを同時に参照すると、ステップS12では、レーザー切断、真空加熱およびポリッシングの方式を利用し、図のような、2つの第二金属層124が第一金属層122の上下にそれぞれ位置する構造を形成する金属複合基板12を提供する。本実施例において、ポリッシングは半導体製造工程の化学的機械研磨(CPM)であるが、使用者が銅金属を用いたポリッシング方法を選ぶこともできる。いかなるポリッシング方法を用いるとしても、表面粗さが0.5~0.01μmとなるように第二金属層124の銅表面を接合面としてポリッシングすることができる。レーザー切断の場合はUV-レーザー(266nm)規格を使用し、真空加熱温度の範囲が150~250℃、圧力が100~250Torrの範囲、加熱時間が10~30分となり、これにより、金属複合基板12の応力を除去でき、厚さが200μmより小さい平坦な金属片を形成する。次に、本発明の図3cを合わせて参照すると、ステップS14で示すように、金属複合基板12をエピタキシャル層22に接合するが、本発明は接合方式を限定しない。ステップS16で示すように、金属複合基板12をエピタキシャル層22に接合した後、化学溶液を用いて成長基板20を除去してもよい。成長基板20を除去した後の構造は図3dを参照されたい。本実施例では、化学溶液がNHOHおよびHの混合溶液であり、化学溶液を使用する以外に、レーザー切断方法を用いて切断を行ってもよいが、本発明は実施例の切断方法に限定されない。次に、図3eを合わせて参照すると、ステップS18で示すように、アニール処理によりエピタキシャル層22の上面に複数の電極ユニット18を設置する。電極ユニット18は、AuGeとAuの比率を2:3とし、360℃の温度でアニール処理を施すことで形成される。図3eは断面図の方式で示しており、2つの電極ユニット18を例に挙げて説明するが、本発明は電極ユニット18の数量を限定せず、使用者の要求に応じて電極ユニット18を配置してもよく、電極ユニット18の数量が複数であってもよい。次に、図3fを合わせて参照すると、ステップS20で示すように、電極ユニット18の数量に応じてエピタキシャル層22を分割し、各接続金属層14上にエピタキシャルダイ16を形成する。エピタキシャルダイ16は上から下の順に第一AlGaInP層162、多重量子井戸層164、第二AlGaInP層166およびGaAs層168を含む。垂直型発光ダイオードダイ10の最底部は第一金属層122および第二金属層124を有する金属複合基板12である。図3fは図3eと同様に、2つのエピタキシャルダイ16のみを示しているが、本発明はこれに限定されず、電極ユニット18の数量に基づいてエピタキシャルダイ16を分割してもよい。上述の2つのエピタキシャルダイ16とその上の2つの電極ユニット18は一組とされる。なお、本発明では、分割方法がレーザー切断または化学エッチング等を用いた方法に限定されない。
本発明は上述の製造方法により形成されたVLEDダイ構造では、金属複合基板の条件が従来のシリコン基板と異なり、後続のワイヤーボンディング・パッケージング工程においてより良い歩留まり率を有し、Mo、CuWおよびその混合金属のような他の金属基板と比べてさらに低コストである。また、本発明の金属複合基板は2種類の金属と1つの混合金属を組み合わせて積層されたため、一般的な金属基板と異なり、熱膨張係数の範囲が5~7ppm/Kであり、最適な実施例おいて熱膨張係数が6.1(ppm/K@20℃)となり、高すぎず低すぎない。また、本発明の金属複合基板は、高い熱伝導率を有し、その熱伝導率が20~40W/mK(垂直方向)および170~280W/mK(水平方向)となる。また、金属複合基板は接続金属層を介してエピタキシャル層に接合し、かつこの金属複合基板は十分に薄いため、余分な薄化処理を施す必要がない。すなわち、本発明は、最も好ましい低膨張係数、高熱伝導率、低コスト、高歩留まり率を有するほか、エピタキシャル層に容易に接合する金属複合基板を提供することが可能である。また、本発明の金属複合基板は、2000よりも大きい初透磁率(Initial Magnetic Permeability)の軟磁性を有するため、初透磁率によりエピタキシャル電極層に微小電流を導通可能にする。こうすることで、本発明により形成されたVLEDダイ構造をLEDモジュールに搭載することで、無線発電機能が備わり、無線発光という新しい活用法を実現でき、高効率のLEDの適用ニーズにも対応できる。また、本発明の金属複合基板は、上述した軟磁性によって金属複合基板自体が透磁構造となり、製造作業過程に効果的に応用できる。各LEDダイの体積が非常に微小であるため、手作業でLEDダイを挟み取るのは容易ではない。一方、機械によってLEDダイを挟み取るにしても、非常に精密さが求められるので、大量伝送は相当困難となる。しかし、将来的には、微小な磁針のような磁性を有する器材と組み合わせてロボットアームに応用すれば、本発明の軟磁性を有するVLEDダイの構造を大量に吸い付けることができ、製造作業過程においてこの磁力を活用して大量移送の効果を達成でき、工業生産の競争力を効果的に高めるとともに、現在のマイクロLEDが抱える大量移送技術の欠点を解決することができる。
本発明により形成されたVLEDダイは、エピタキシャルダイが形成された後、2つずつで一組となるエピタキシャルダイと電極ユニットの組数に基づいて複数組に切断されるとともに、ワイヤーボンディングおよびパッケージングの工程により、VLEDが形成される。本発明は後続の工程手順、構造および数量を限定しない。上述した実施例はエピタキシャルダイを一組のみに切断した場合の図である。なお、本発明は切断後の組数を限定せず、複数のエピタキシャルダイにより複数組を形成でき、かつ各組が2つのエピタキシャルダイおよび電極ユニットを含むVLEDダイを、使用者のニーズに合わせて設計できる。主にこのように形成されたVLEDは、どのような温度環境下でも、一般的なVLEDと比べて優れた熱膨張係数の金属複合基板を備えるので、温度の変化による変形の発生を回避できる。本発明はLEDの高効率の発光効果を安定に維持できる。
例えば、本発明のエピタキシャル電極層の構造は限定されない。また、接続金属層上のエピタキシャルダイの数量は少なくとも1つであるが、2つ以上であってもよく、将来的に使用者によるLEDのエピタキシャルダイの分割工程への制限によって定められる。したがって、本発明が次に提案するダブルエピタキシャル構造については、図4を参照されたい。VLEDダイ30の構造は金属複合基板32およびエピタキシャル電極層33を含み、エピタキシャル電極層33は接続金属層34、2つのエピタキシャルダイ36および2つの電極ユニット38を含み、接続金属層34は金属複合基板32上に位置し、2つのエピタキシャルダイ36は接続金属層34上に位置し、2つの電極ユニット38はエピタキシャルダイ36上にそれぞれ位置する。金属複合基板32は第一金属層322および2つの第二金属層324を有し、この2つの第二金属層324は第一金属層322の上下表面上にそれぞれ位置する。接続金属層34には、下から上の順でコンタクト層342、反射層344および電流拡散層346が設けられ、コンタクト層342は金属複合基板32上に位置し、反射層344上には2つのエピタキシャルダイ36が設けられる。各エピタキシャルダイ36には、第一AlGaInP層362、多重量子井戸層364、第二AlGaInP層366およびGaAs層368が順に設けられる。第一AlGaInP層362は電流拡散層346上に位置し、GaAs層368上には電極ユニット38が設けられる。この実施例の構成および製造工程方式は前述の実施例と同じであるが、エピタキシャルダイ36に応じて分割するとき、2つのエピタキシャルダイ36を一組として分割することで、図4で示すVLEDダイ30を切り出すとともに、接続金属層34までに2つのエピタキシャルダイ36を切断する点で前述の実施例と異なる。
上述の実施例は本発明の技術思想および特徴を説明するためのものに過ぎず、その目的は、この技術分野を熟知する者が本発明の内容を理解し実施できるようにすることにあり、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。したがって、本発明の精神に基づいてなされた変更や潤色はすべて、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。
10 垂直型発光ダイオード(VLED)ダイ
12 金属複合基板
122 第一金属層
124 第二金属層
13 エピタキシャル電極層
14 接続金属層
142 コンタクト層
144 反射層
146 電流拡散層
16 エピタキシャルダイ
162 第一AlGaInP層
164 多重量子井戸層
166 第二AlGaInP層
168 GaAs層
18 電極ユニット
20 成長基板
22 エピタキシャル層
30 垂直型発光ダイオード(VLED)ダイ
32 金属複合基板
322 第一金属層
324 第二金属層
33 エピタキシャル電極層
34 接続金属層
342 コンタクト層
344 反射層
346 電流拡散層
36 エピタキシャルダイ
362 第一AlGaInP層
364 多重量子井戸層
366 第二AlGaInP層
368 GaAs層
38 電極ユニット

Claims (10)

  1. 第一金属層、および前記第一金属層の上下表面上にそれぞれ位置する2つの第二金属層を有する金属複合基板と、
    前記金属複合基板上に位置するエピタキシャル電極層と、
    を含み、
    前記第一金属層は、ニッケル-鉄合金であって、ニッケルを36%含むインバーであり、
    前記第二金属層は、銅であり、
    前記金属複合基板は、
    熱伝導率が、垂直方向において20~40W/mK、水平方向において170~280W/mKであり、
    熱膨張係数が5~7ppm/Kであり、
    初透磁率が2000H/mより大きく、
    前記金属複合基板は、前記初透磁率により前記エピタキシャル電極層に微小電流を導通可能にする、
    垂直型発光ダイオードダイの構造。
  2. 前記エピタキシャル電極層は、
    前記金属複合基板上に位置する接続金属層と、
    前記接続金属層上に位置し、各々が電極ユニットを備える、少なくとも1つのエピタキシャルダイと、
    をさらに含む、請求項1に記載の垂直型発光ダイオードダイの構造。
  3. 前記金属複合基板の前記第二金属層、前記第一金属層、前記第二金属層の厚さの比は1:2.5~3.5:1である、請求項1又は請求項2に記載の垂直型発光ダイオードダイの構造。
  4. 前記金属複合基板の厚さは200μm以下である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の垂直型発光ダイオードダイの構造。
  5. 成長基板を提供するとともに、前記成長基板上にエピタキシャル層を形成することと、
    切断、真空加熱およびポリッシングにより形成された金属複合基板を提供することと、
    前記金属複合基板上に接続金属層を形成し、前記金属複合基板を前記接続金属層により前記エピタキシャル層に接合することと、
    前記成長基板を除去することと、
    前記エピタキシャル層の上面に複数の電極ユニットを設置することと、
    複数の前記電極ユニットの数量に応じて分割を行い、前記金属複合基板上に複数のエピタキシャルダイを形成することと、
    を含み、
    前記金属複合基板は、
    ニッケル-鉄合金であって、ニッケルを36%含むインバーからなる第一金属層と、
    前記第一金属層の上下表面上にそれぞれ位置し、銅からなる2つの第二金属層と、
    を含み、
    熱伝導率が、垂直方向において20~40W/mK、水平方向において170~280W/mKであり、
    熱膨張係数が5~7ppm/Kであり、
    透磁率が2000H/mより大きく、
    発光ダイオードは無線発電機能を有して無線発光する、
    垂直型発光ダイオードダイの製造方法。
  6. 前記複数のエピタキシャルダイを形成した後、前記複数のエピタキシャルダイの組数に基づいて分割を行い、ワイヤーボンディングおよびパッケージングにより発光ダイオードを形成する、請求項記載の垂直型発光ダイオードダイの製造方法。
  7. 前記切断はレーザー切断であり、前記ポリッシングは化学的機械研磨または銅金属ポリッシング方法である、請求項5又は請求項6のいずれか1項に記載の垂直型発光ダイオードダイの製造方法。
  8. 前記金属複合基板の前記第二金属層、前記第一金属層、前記第二金属層の厚さの比は1:2.5~3.5:1である、請求項~請求項のいずれか1項に記載の垂直型発光ダイオードダイの製造方法。
  9. 前記金属複合基板の厚さは200μm以下である、請求項~請求項のいずれか1項に記載の垂直型発光ダイオードダイの製造方法。
  10. 化学溶液またはレーザー方式により前記成長基板を除去する、請求項~請求項のいずれか1項に記載の垂直型発光ダイオードダイの製造方法。
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