TWI397989B - 發光二極體陣列 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光二極體陣列結構。
發光二極體(light-emitting diode；LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具。
傳統的陣列式發光二極體，如第1圖所示，包含一藍寶石基板101、複數個發光疊層100形成於藍寶石基板101上，並可選擇性地形成一緩衝層102於上述藍寶石基板101與上述發光疊層100之間。上述發光疊層100包含一n型半導體層103、一主動層104、以及一p型半導體層105。由於藍寶石基板101不導電，複數個發光疊層100之間由經蝕刻發光疊層100至藍寶石基板形成的溝渠並覆蓋以絕緣層108做為隔離。另外再於部分蝕刻複數個發光疊層100至n型半導體層103後，於n型半導體層103暴露區域以及p型半導體層105上形成一第一連接電極106以及一第二連接電極107。藉由導線109連接複數個發光疊層100之第一連接電極106及第二連接電極107，使複數個發光疊層100之間形成串聯電路結構。
如第1圖所示的串聯電路結構就電性而言為一水平結構，且導線在基板之同一側做電性連接。其電流的橫向傳導須靠半導體層來完成，然而p型半導體層105其橫向傳導能力較差，通常可用n型半導體層朝上(n side up)之結構來解決此問題。但若要形成n型半導體層朝上(n side up)之結構，需磨除或雷射剝除藍寶石基板，使已形成之電性連接結構遭到破壞，因而造成製程上之困難。
本發明擬提出一種新的發光二極體陣列結構，以解決先前技術所產生之問題。
一種發光二極體陣列結構製造方法，其步驟至少包含：提供一暫時基板；依序交錯形成複數個第一發光疊層及第二發光疊層；形成一第一絕緣層覆蓋部分第一發光疊層；形成一導線於第一絕緣層之上並與第一發光疊層及第二發光疊層電性連接；形成一第二絕緣層完全覆蓋第一發光疊層、導線及部分第二發光疊層；形成一金屬連接層於第二絕緣層之上，並與第二發光疊層電性連接；形成一導電基板於金屬連接層之上；移除暫時基板；及形成一第一電極連接第一發光疊層，使第一發光疊層與第二發光疊層形成一串聯電路結構。
本發明揭示一種發光二極體陣列結構及其製作方法。為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合第2A圖至第4圖之圖示。
第2A圖至第2K圖為根據本發明第一實施例製造流程之結構示意圖。如第2A圖所示，包含一暫時基板201、複數個第一發光疊層200A及複數個第二發光疊層200B，其中複數個第一發光疊層200A及複數個第二發光疊層200B依序交錯形成於暫時基板201上。第一發光疊層200A包括一形成在暫時基板201上之n型半導體層203，一第一主動層2041形成在n型半導體層203之上、以及一第一p型半導體層2051形成在第一主動層2041之上。第二發光疊層200B包括一形成在暫時基板201上之n型半導體層203，一第二主動層2042形成在n型半導體層203之上、以及一第二p型半導體層2052形成在第二主動層2042之上。此外，在n型半導體203與暫時基板201中也可選擇性的形成一緩衝層202。
接著，如第2B圖所示，藉由蝕刻部分上述第一發光疊層200A及第二發光疊層200B至緩衝層202或暫時基板201，使n型半導體層被區分為第一n型半導體層2031、第二n型半導體層2032及一島狀之第三n型半導體層2033。其中第一發光疊層200A包括第一n型半導體層2031、第三n型半導體層2033、第一主動層2041、以及第一p型半導體層2051。第二發光疊層200B則包括第二n型半導體層2032、第二主動層2042、以及第二p型半導體層2052。
接著，如第2C圖所示，形成一第一絕緣層206覆蓋第三n型半導體層2033與第一p型半導體層2051之間的溝渠。
之後，如第2D圖所示，分別於第一p型半導體層2051與第二p型半導體層2052之上形成第一p型電極2071與第二p型電極2072。在第三n型半導體2033上形成第一n型電極208，並以導線209電性連接上述第一p型電極2071與第一n型電極208，使得第一p型電極2071之電流可導入第一n型電極208之中。
接著，如第2E圖所示，形成一第二絕緣層210於第一發光疊層200A與第二發光疊層200B之上，其中第一發光疊層200A被第二絕緣層210覆蓋，但第二發光疊層200B中部份的第二p型電極2072則未被第二絕緣層210覆蓋。
接著，如第2F圖所示，提供一第一金屬連接層211A形成於上述第二絕緣層210及第二p型電極2072之上。另外提供一導電基板212，並於其一側形成一第二金屬連接層211B，並將第一金屬連接層211A與第二金屬連接層211B鍵合在一起。
接著，如第2G圖所示，翻轉晶片(flip wafer)並移除暫時基板201。接下來，如第2H圖所示，移除緩衝層202。
最後，如第2I圖所示，形成一第一電極2131連接上述第一發光疊層200A的第三n型半導體層2033及第二發光疊層200B的第二n型半導體層2032，另外，形成一第二電極2132連接第一發光疊層200A的第一n型半導體層2031。如第2I圖箭頭所示，電流可從第二發光疊層200B的第二p型電極2072流向第一電極2131，電流再藉由第一電極2131流向第一發光疊層200A的第三n型半導體層2033後經過第一n型電極208、導線209、第一p型電極2071後流向第二電極2132，以形成一垂直串聯發光二極體陣列結構。
此外，如第2J圖所示，也可以依上述製程，依序形成第二發光疊層200B、第一發光疊層200A、第一發光疊層200A及第二發光疊層200B之發光二極體陣列結構。在此結構中，如箭頭所示，可使電流由兩側的第二發光疊層200B之第二p型電極2072流向第一電極2131，電流再藉由第一電極2131流向第一發光疊層200A的第三n型半導體層2033後經過第一n型電極208、導線209、第一p型電極2071後流向一連接中央兩第一發光疊層200A之兩第一n型半導體層2031的第三電極214，以形成一串並聯發光二極體陣列結構。電路圖如第2K圖所示，其中兩側之第二發光疊層200B、第一發光疊層200A為串聯電路結構而兩組串聯電路結構又可依上述電流傳導方向結合為一並聯電路結構。
另外，本發明之發光二極體陣列結構也可依照設計或製程需要彈性的組合上述第一發光疊層200A及第二發光疊層200B，並依電流的傳導方向形成一水平或垂直串聯或並聯電路結構，以下實施例列舉其中幾種可能的連接方式。
如第3A圖所示，可連續形成兩個第一發光疊層200A，其中各層之組成與標號與第二圖相同，在此不再贅述。另外，形成一第四電極301連接左側第一發光疊層200A之第三n型半導體層2033，並形成一第五電極302連接左側第一發光疊層200A之第一n型半導體層2031及右側第一發光疊層200A之第三n型半導體層2033。如箭頭所示，電流方向可從左側第一發光疊層200A之第四電極301流經第三n型半導體層2033後流向第一n型電極208、導線209、第一p型電極2071後，流向第五電極302，再流入右側第一發光疊層200A之第三n型半導體層2033後流向其第一n型電極208、導線209、第一p型電極2071後，流向第二電極2132，以形成一水平串聯發光二極體陣列結構。
在另一實施例中，如第3B圖所示，可連續形成兩個第一發光疊層200A’，其中各層之組成與標號與第二圖相同，在此不再贅述，但在本實施例中，第一發光疊層200A’不需形成第三n型半導體層2033及第一n型電極208。另外，形成一第四電極301連接左側第一發光疊層200A’之導線209，並形成一第五電極302連接左側第一發光疊層200A’之第一n型半導體層2031及右側第一發光疊層200A之導線209。如箭頭所示，電流方向可從左側第一發光疊層200A之第四電極301流經導線209、第一p型電極2071後流向第五電極302後，再流入右側第一發光疊層200A之導線209、第一p型電極2071後流向第二電極2132，以形成一水平串聯發光二極體陣列結構。
在另一實施例中，如第4圖所示，可依序形成一第一發光疊層200A’及一第二發光疊層200B’。但在本實施例中，第一發光疊層200A’不需形成第三n型半導體層2033及第一n型電極208，且在第二發光疊層200B’之第二n型半導體層之上形成一第二n型電極2082。如箭頭所示，電流方向可從左側第二發光疊層200B’之第二p型電極2072流向第二n型半導體層2032後流向第二n型電極2082，再經由導線209流入右側第一發光疊層200A’、第一p型電極2071後流向第二電極2132，以形成一垂直串聯發光二極體陣列結構。
上述各實施例中之暫時基板201之材料可選自藍寶石(Sapphire)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)或矽、玻璃、石英、或陶瓷等高導熱基板；緩衝層202之材料可選自氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)等與暫時基板適當匹配之材料；上述第一n型半導體層2031、第二n型半導體層2032、第三n型半導體層2033、第一主動層2041、第二主動層2042、第一p型半導體層2051及第二p型半導體層2052之材料包含一種或一種以上之物質選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。第一絕緣層206及第二絕緣層210之材料可選自氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、等各式氧化物，或其他高分子材料、聚醯亞胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、旋塗玻璃等各種絕緣材料均可選擇；第一p型電極2071、第二p型電極2072、第一n型電極208、第二n型電極2082、第一電極2131、第二電極2132、第三電極214、第四電極301、第五電極302及導線209之材料可選自金、鋁、合金或多層金屬結構。連接層211之材料可選自銀、金、鋁、或銦等其他適用於接合基板之金屬；導電基板212之材料可選自銅、鋁、陶瓷、或矽等導電性材料。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
100．．．發光疊層
101．．．藍寶石基板
102．．．緩衝層
103．．．n型半導體層
104．．．主動層
105．．．p型半導體層
106．．．第一連接電極
107．．．第二連接電極
108．．．絕緣層
109．．．導線
200A．．．第一發光疊層
200B．．．第二發光疊層
201．．．暫時基板
202．．．緩衝層
203．．．n型半導體層
2031．．．第一n型半導體層
2032．．．第二n型半導體層
2033．．．第三n型半導體層
2041．．．第一主動層
2042．．．第二主動層
2051．．．第一p型半導體層
2052．．．第二p型半導體層
206．．．第一絕緣層
2071．．．第一p型電極
2072．．．第二p型電極
208．．．第一n型電極
2082．．．第二n型電極
209．．．導線
210．．．第二絕緣層
211．．．金屬連接層
212．．．導電基板
2131．．．第一電極
2132．．．第二電極
214．．．第三電極
301．．．第四電極
302．．．第五電極
根據以上所述之較佳實施例，並配合所附圖式說明，讀者當能對本發明之目的、特徵和優點有更深入的理解。但值得注意的是，為了清楚描述起見，本說明書所附之圖式並未按照比例尺加以繪示。
圖式簡單說明如下：
第1圖為傳統陣列式發光二極體示意圖；
第2A圖至第2K圖為本發明製造流程與結構示意圖；
第3A圖至第3B圖為本發明實施例之結構示意圖；
第4圖為本發明實施例之結構示意圖。
200A‧‧‧第一發光疊層
200B‧‧‧第二發光疊層
2031‧‧‧第一n型半導體層
2032‧‧‧第二n型半導體層
2033‧‧‧第三n型半導體層
2041‧‧‧第一主動層
2042‧‧‧第二主動層
2051‧‧‧第一p型半導體層
2052‧‧‧第二p型半導體層
206‧‧‧第一絕緣層
2071‧‧‧第一p型電極
2072‧‧‧第二p型電極
208‧‧‧第一n型電極
209‧‧‧導線
210‧‧‧第二絕緣層
211‧‧‧金屬連接層
212‧‧‧導電基板
2131‧‧‧第一電極
2132‧‧‧第二電極
Claims (34)
- 一種發光二極體陣列結構製造方法，其步驟至少包含：提供一暫時基板；形成一第一發光疊層及一第二發光疊層於該暫時基板之上；形成一第一絕緣層覆蓋部分該第一發光疊層；形成一導線於該第一絕緣層之上並與該第一發光疊層及該第二發光疊層電性連接；形成一第二絕緣層完全覆蓋該第一發光疊層、該導線及部分該第二發光疊層；形成一金屬連接層於該第二絕緣層之上，並與該第二發光疊層電性連接；形成一導電基板於該金屬連接層之上；移除該暫時基板；及形成一第一電極連接該第一發光疊層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列結構製造方法，更包含提供一緩衝層形成在該暫時基板與該第一發光疊層及第二發光疊層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一發光疊層包括一第一n型半導體層、一第 一p型半導體層、及一第一主動層形成於該第一n型半導體層與該第一p型半導體層之間；該第二發光疊層包括一第二n型半導體層、一第二p型半導體層、及一第二主動層形成於該第二n型半導體層與該第二p型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一電極形成於該第一n型半導體層之上。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體陣列結構製造方法，更包含一第一n型電極形成於該第二n型半導體層之上並與該導線電性連接。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一發光疊層更包含一第三n型半導體層形成於該暫時基板之上並與該導線電性連接。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體陣列結構製造方法，更包含一第二電極連接該第三n型半導體層與該第二n型半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一絕緣層也可覆蓋部分該第二發光疊層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一發光疊層與該第二發光疊層為一串聯電路 結構。
- 一種發光二極體陣列結構製造方法，其步驟至少包含：提供一暫時基板；形成一第一發光疊層及一第二發光疊層於該暫時基板之上；形成一第一絕緣層覆蓋部分該第一發光疊層及部分該第二發光疊層；形成一第一導線在該第一絕緣層之上並覆蓋部分該第一發光疊層；形成一第二導線在該絕緣層上並覆蓋部分該第二發光疊層；形成一第二絕緣層完全覆蓋該第一發光疊層、該第二發光疊層、該第一導線及該第二導線；形成一金屬連接層於該第二絕緣層之上；形成一導電基板於該金屬連接層之上；移除該暫時基板；及形成一第一電極連接該第一發光疊層與第二發光疊層。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一發光疊層與該第二發光疊層為一串聯電路結構。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體陣列結構製 造方法，更包含提供一緩衝層形成在該暫時基板與該第一發光疊層及第二發光疊層之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一發光疊層包括一第一n型半導體層、一第一p型半導體層、及一第一主動層形成於該第一n型半導體層與該第一p型半導體層之間；該第二發光疊層包括一第二n型半導體層、一第二p型半導體層、及一第二主動層形成於該第二n型半導體層與該第二p型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體陣列結構製造方法，更包括形成一第三n型半導體層形成於該暫時基板之上並與該導線電性連接及一第四n型半導體層形成於該暫時基板之上並與該導線電性連接。
- 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一電極形成於部分該第二n型半導體層及部分該第三n型半導體層之上。
- 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體陣列結構製造方法，更包含一第二電極形成於該第二n型半導體層之上。
- 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體陣列結構製 造方法，更包含一第三電極形成於該第一n型半導體層之上。
- 一種發光二極體陣列結構，至少包含：一第一發光疊層及一第二發光疊層；一第一絕緣層覆蓋部分該第一發光疊層；一導線形成於該第一絕緣層之上並與該第一發光疊層及該第二發光疊層電性連接；一第二絕緣層完全覆蓋該第一發光疊層、該導線及部分該第二發光疊層；一金屬連接層覆蓋於該第二絕緣層之上，並與該第二發光疊層電性連接；一導電基板形成於該金屬連接層之上；及一第一電極形成於該第一發光疊層之上。
- 如申請專利範圍第18.項所述之發光二極體陣列結構，其中該第一發光疊層與該第二發光疊層形成一串聯電路結構。
- 如申請專利範圍第18.項所述之發光二極體陣列結構，其中該第一發光疊層包括一第一n型半導體層、一第一p型半導體層、及一第一主動層形成於該第一n型半導體層與 該第一p型半導體層之間；該第二發光疊層包括一第二n型半導體層、一第二p型半導體層、及一第二主動層形成於該第二n型半導體層與該第二p型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第20.項所述之發光二極體陣列結構，其中該第一發光疊層更包含一與第一n型半導體層分開之島狀第三n型半導體層。
- 一種發光二極體陣列結構，至少包含：一第一發光疊層及一第二發光疊層；一第一絕緣層覆蓋部分該第一發光疊層及部分該第二發光疊層；一第一導線在該絕緣層上並覆蓋部分該第一發光疊層；一第二導線在該絕緣層上並覆蓋部分該第二發光疊層；一第二絕緣層完全覆蓋該第一發光疊層、該第二發光疊層、該第一導線及該第二導線；一金屬連接層形成於該第二絕緣層之上；一導電基板形成於該金屬連接層之上；及一第一電極連接該第一發光疊層與第二發光疊層。
- 如申請專利範圍第22項所述之發光二極體陣列結構，其中該第一發光疊層與該第二發光疊層為一串聯電路結構。
- 如申請專利範圍第22項所述之發光二極體陣列結構，該第一發光疊層包括一第一n型半導體層、一第一p型半導體層、及一第一主動層形成於該第一n型半導體層與該第一p型半導體層之間；該第二發光疊層包括一第二n型半導體層、一第二p型半導體層、及一第二主動層形成於該第二n型半導體層與該第二p型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第24項所述之發光二極體陣列結構，其中該第一發光疊層更包含一與第一n型半導體層分開之島狀第三n型半導體層，該第二發光疊層更包含一與第三n型半導體層分開之島狀第四n型半導體層。
- 如申請專利範圍第25項所述之發光二極體陣列結構，其中該第一電極形成於部分該第二n型半導體層及部分該第三n型半導體層之上。
- 如申請專利範圍第24項所述之發光二極體陣列結構，更包含一第二電極形成於該第二n型半導體層之上。
- 如申請專利範圍第24項所述之發光二極體陣列結構，更包含一第三電極形成於該第一n型半導體層之上。
- 一種發光二極體陣列結構製造方法，其步驟包含：提供一暫時基板； 形成一第一發光疊層、一第二發光疊層、一第三發光疊層及一第四發光疊層於該暫時基板之上，其中該第二發光疊層包含一第一n型半導體層及一第二n型半導體層；該第四發光疊層包含一第三n型半導體層及一第四n型半導體層；該第一發光疊層包含一第五n型半導體層；該第三發光疊層包含一第六n型半導體層；形成第一絕緣層覆蓋部分該第二發光疊層及部分該第三發光疊層；形成一第一導線于該第二發光疊層之上的該第一絕緣層之上並電性連接該第二發光疊層的該第二n型半導體層；形成一第二導線于該第三發光疊層的該第一絕緣層之上並電性連接該第三發光疊層及該第四發光疊層的該第四n型半導體層；形成一第二絕緣層完全覆蓋該第二發光疊層、該第三發光疊層、該第一導線及該第二導線並覆蓋部分該第一發光疊層及該第四發光疊層；形成一第一電極連接該第一發光疊層的該第五n型半導體層及該第二發光疊層的第二n型半導體層；形成一第二電極連接該第四發光疊層的第三n型半導體層 及該第四n型半導體層；及形成一第三電極連接該第二發光疊層的第一n型半導體層與該第三發光疊層的第六n型半導體層。
- 如權利要求29所述的發光二極體陣列結構製造方法，其中該第一發光疊層與該第二發光疊層為一串聯電路結構，且該第三發光疊層與該第四發光疊層為一串聯電路結構。
- 如權利要求30所述的發光二極體陣列結構製造方法，其中該串聯的第一發光疊層及第二發光疊層與串聯之第三發光疊層及第四發光疊層可連接形成一並聯電路結構。
- 一種發光二極體陣列結構，包含：一第一發光疊層、一第二發光疊層、一第三發光疊層及一第四發光疊層，其中該第二發光疊層包含一第一n型半導體層及一第二n型半導體層，該第四發光疊層包含一第三n型半導體層及一第四n型半導體層，該第一發光疊層包含一第五n型半導體層；該第三發光疊層包含一第六n型半導體層；一第一絕緣層覆蓋部分該第二發光疊層及部分該第三發光疊層；一第一導線形成于該第二發光疊層之上的該第一絕緣層之 上並與該第一發光疊層電性連接；一第二導線形成于該第三發光疊層之上的該第一絕緣層之上並與該第三發光疊層及該第四發光疊層的該第四n型半導體層電性連接；一第二絕緣層完全覆蓋該第二發光疊層、該第三發光疊層、該第一導線及第二導線並覆蓋部分該第一發光疊層及該第四發光疊層；一金屬連接層形成於該第二絕緣層之上，並與該第一發光疊層及該第四發光疊層電性連接；一導電基板形成於該金屬連接層之上；一第一電極連接該第一發光疊層的該第五n型半導體層及該第二發光疊層的該第二n型半導體層；一第二電極連接該第三發光疊層的該第六n型半導體層及該第四發光疊層的該第四n型半導體層；及一第三電極連接該第二發光疊層的第一n型半導體層與該第三發光疊層的該第六n型半導體層。
- 如權利要求32所述的發光二極體陣列結構，其中該第一發光疊層與該第二發光疊層為一串聯電路結構，且該第三發光疊層與該第四發光疊層為一串聯電路結構。
- 如權利要求33所述的發光二極體陣列結構，其中該串聯的第一發光疊層及第二發光疊層與串聯之第三發光疊層及第四發光疊層可連接形成一並聯電路結構。
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