TWI403008B - 發光二極體晶片的製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體晶片的製造方法

本發明是有關於一種發光二極體晶片的製造方法，且特別是有關於一種可製作具有良好的散熱能力的發光二極體晶片的方法。

近年來，由於發光二極體的發光效率不斷提升，使得發光二極體在某些領域已漸漸取代日光燈與白熱燈泡，例如需要高速反應的掃描器燈源、液晶顯示器的背光源或前光源汽車的儀表板照明、交通號誌燈，以及一般的照明裝置等。一般常見的發光二極體係屬於一種半導體元件，其材料通常係使用III-V族元素如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等。發光二極體的發光原理是將電能轉換為光，也就是對上述之化合物半導體施加電流，透過電子、電洞的結合而將過剩的能量以光的型態釋放出來，進而達到發光的效果。

圖1A~圖1D為習知之一種發光二極體晶片的製作流程圖。請參照圖1A，首先，提供一半導體基板110，其中此半導體基板110包括一磊晶基板112以及一位於磊晶基板112的一第一表面112a上的一半導體層114。半導體層114包括一n型半導體層114a、一發光層114b以及一p型半導體層114c，其中n型半導體層114a配置於磊晶基板112上，而發光層114b位於n型半導體層114a與p型 半導體層114c之間。

接著，利用雷射製程於半導體基板110上形成多個凹槽120，其中這些凹槽120位於磊晶基板112的一相對第一表面112a的第二表面112b，且這些凹槽120暴露出部分n型半導體層114a，如圖1B所示。

然後，於磊晶基板112的第二表面112b上與凹槽120內形成一導熱材料層130，如圖1C所示。導熱材料層130的材質例如是使用金屬、合金或其他適合的導熱材料，如此，導熱材料層130除了可用以散熱外，也可視為發光二極體晶片的一電極。

之後，於p型半導體層114c上形成另一電極142，如圖1D所示。至此大致完成一種習知垂直式的發光二極體晶片100。一般而言，施加一電壓差於導熱材料層130與電極142之間時，發光層114b將會發光，且在發光層112b發光的同時會有熱產生。

採用前述圖1A至圖1D的製程方法所形成位於第二表面112b上的凹槽120結構雖然有助於提高發光二極體100的散熱面積，從而提升其散熱速度。然而，磊晶基板110的材質通常散熱性質不佳，且厚度偏厚。因此在完成前述技術的步驟後並無法使磊晶基板110的厚度獲得適當地縮減，如此會使得散熱路徑無法有效獲得降低，進而造成發光二極體晶片100的散熱速度提升有限。

另外，在使用雷射製程貫穿基板110以形成暴露出n型半導體層114a的凹槽120結構時，由於磊晶基板110 的厚度並未獲得適當地縮減，因此會增加雷射製程的困難度。再者，雷射貫穿磊晶基板110的厚度大小會與製作成本成正比，因此也會造成製造成本的負擔。

有鑑於此，本發明提供一種發光二極體晶片的製造方法，其可製造出散熱能力較佳、製程困難度較低、以及成本較低廉的發光二極體晶片。

本發明提出一種發光二極體晶片的製造方法，其包括下列步驟。首先，提供一基板，其中基板具有一第一表面以及一相對於第一表面的第二表面。接著，於基板的第一表面上形成多個凹槽，其中凹槽分別具有一深度，且基板的厚度大於凹槽的深度。然後，形成一半導體層於基板的第一表面上，其中半導體層包括一配置於基板上的第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層以及位於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間的一發光層。接著，縮減基板的厚度直到凹槽貫穿基板。然後，於基板的第二表面上與凹槽內形成一導熱材料層。接著，於半導體層上形成至少一電極。

在本發明之一實施例中，縮減基板的方法包括一研磨法。

在本發明之一實施例中，被縮減後的基板的厚度等於深度。

在本發明之一實施例中，被縮減後的基板的厚度小於 深度。

在本發明之一實施例中，被縮減後的基板的厚度實質上介於1μm至100μm之間。

在本發明之一實施例中，凹槽的直徑介於1μm至500μm之間。

在本發明之一實施例中，導熱材料層的厚度實質上介於1μm至100μm之間。

在本發明之一實施例中，導熱材料層可為金屬或合金材料。在本發明之一實施例中，導熱材料層可為銅、銀、金、鑷、鉬、鋁、銀或及其合金。

在本發明之一實施例中，在形成導熱材料層之前，更包括在凹槽內形成多個歐姆接觸層，以與半導體層連接。

在本發明之一實施例中，基板為一絕緣基板，而半導體層的形成方法包括下列步驟。首先，在第一表面上形成第一型摻雜半導體層。然後，在第一型摻雜半導體層上形成發光層。接著，在發光層上形成第二型摻雜半導體層。

在本發明之一實施例中，在形成至少一電極之前，更包括圖案化半導體層，以暴露出部分第一型摻雜半導體層。

在本發明之一實施例中，於半導體層上形成至少一電極包括下列步驟。形成一第一電極於第二型摻雜半導體層上，以及形成一第二電極於被暴露出的第一型摻雜半導體層上。

在本發明之一實施例中，在形成導熱材料層之前，更包括在凹槽內形成多個介電層，以與半導體層連接。

在本發明之一實施例中，在形成第一型摻雜半導體層的過程中，更包括形成一絕緣層於第一型摻雜半導體層內。

在本發明之一實施例中，絕緣層的材質包括氮化鋁、低溫成長之氮化鎵或氮化鋁、氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N,0.001≦X≦0.999)或摻雜碳、鎂之氮化鎵或氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N,0.001≦X≦0.999)。

在本發明之一實施例中，基板為一具有一接合層的導電基板，而形成半導體層於導電基板的方法包括下列步驟。首先，在一磊晶基板上形成第一型摻雜半導體層。然後，在第一型摻雜半導體層上形成發光層。接著，在發光層上形成第二型摻雜半導體層，其中第一型摻雜半導體層、發光層與第二型摻雜半導體層構成半導體層。而後，提供一具有一黏著層的轉移基板，並藉由黏著層使轉移基板與半導體層接合。接著，移除磊晶基板，以將半導體層轉移至轉移基板上。然後，藉由接合層使導電基板與半導體層接合。接著，移除轉移基板。

在本發明之一實施例中，形成第一型摻雜半導體層的過程中，更包括形成一絕緣層於第一型摻雜半導體層內。

基於上述，本發明之發光二極體晶片的製造方法藉由先於基板上形成多個凹槽，而後再形成半導體層於凹槽所在的基板表面上，並縮減基板的厚度直到凹槽貫穿基板。如此，覆蓋導熱材料層於凹槽內時，便可增加基板與導熱材料層的表面積，從而提高散熱速度。同時，基板的厚度被適當地縮減後，亦縮短了散熱路徑，進而更進一步地提 升散熱效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2A至圖2F為本發明一實施例之發光二極體晶片的製作流程剖面圖，而圖2C’至圖2F’為本發明另一實施形態之發光二極體晶片的製作流程剖面圖，其中圖2C’~圖2F’係為延續圖2A至圖2B的製程步驟。首先，請參考圖2A，提供一基板210，其中基板210具有一第一表面212以及一相對於第一表面212的第二表面214。在本實施例中，基板210的材質例如為介電(絕緣)材料。舉例而言，基板210可以是藍寶石基板，或是以氮化鋁或碳化矽為材質的基板。

接著，於基板210的第一表面212上形成多個凹槽216，其中這些凹槽216分別具有一深度H1，且基板210的厚度H2大於這些深度H1，如圖2B所示。在本實施例中，形成凹槽216的方法例如是使用傳統的雷射製程進行蝕刻。舉例而言，可以使用高能量的雷射光束照射於基板210的第一表面212上，藉以形成如圖2B所繪示的凹槽216。此外，根據雷射光束的大小，凹槽216的直徑D亦會隨之而變。在本實施例中，凹槽216的直徑D可以是介於1μm至500μm之間。

另外，由於凹槽216的深度H1小於基板210的厚度 H2，因此，本實施例所使用的雷射製程並無須將基板210貫穿以形成類似習知技術所提及的凹槽120(可同時參照圖1B與圖2B)。換言之，本實施例在進行雷射製程的步驟時，便可縮減製程所需的時間、降低製程的困難度以及製程所需的能量，從而可提高製程的可靠度以及降低整體製作的成本。需要說明的是，凹槽216的深度H1可隨使用者的需求而定，其可以是介於1μm與100μm之間。

之後，形成一半導體層220於基板210的第一表面212上，其中半導體層220包括一配置於基板210上的第一型摻雜半導體層222、一第二型摻雜半導體層224以及位於第一型摻雜半導體層222與第二型摻雜半導體層224之間的一發光層226，如圖2C所示。在本實施例中，形成半導體層220的方法可以是使用傳統磊晶方式依序形成第一型摻雜半導體層222、發光層226與第二型摻雜半導體層224於基板210的第一表面212上，藉以形成如圖2C所繪示的半導體層220。

另外，第一型摻雜半導體層222可以是N型摻雜半導體層，而第二型摻雜半導體層224可以是P型摻雜半導體層。或是，第一型摻雜半導體層222為P型摻雜半導體層，而第二型摻雜半導體層224為N型摻雜半導體層。在本實施例中，發光層226可為一多重量子井結構(Multiple Quantum Well,MQW)。

在另一實施形態中，在形成前述的第一型摻雜半導體層222的過程中，可於第一型摻雜半導體層222內形成一 絕緣層222a，如圖2C’所示。絕緣層222a的材質例如是氮化鋁、低溫成長之氮化鎵或氮化鋁，氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N(0.001≦X≦0.999))或摻雜碳、鎂之氮化鎵或氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N(0.001≦X≦0.999))。詳細而言，低溫成長之氮化鎵或氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N(0.001≦X≦0.999))或摻雜碳、鎂之氮化鎵或氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N(0.001≦X≦0.999))的成長溫度介於攝氏300度到800度之間。此外，摻雜碳的碳摻雜源的材質包括四溴化碳(CBr₄ )或四氯化碳(CCl₄ )。

在分別完成前述圖2C與圖2C’的步驟後，接著，縮減基板210的厚度H2直到凹槽216貫穿基板210，如圖2D與圖2D’所示。在本實施例中，縮減基板210的厚度H2的方法例如是使用一研磨法於第二表面214上進行研磨，藉以縮減基板210的厚度H2直到凹槽216貫穿基板210，意即被縮減後的基板210的厚度H3等於凹槽216的深度H1。

需要說明的是，在凹槽216貫穿基板210之後仍可持續使用研磨法繼續縮減基板210的厚度H3，使得被縮減厚度的基板210的厚度H3小於原凹槽216的深度H1。在本實施例中，被縮減後的基板210的厚度H3實質上可介於1μm至100μm之間。

在分別完成圖2D與圖2D’的步驟後，接著，於基板210的第二表面214上與凹槽216內形成一導熱材料層230，如圖2E與圖2E’所繪示。在本實施例中，形成導熱 材料層230的方法包括濺鍍、化學氣相沉積及電鍍等適合的形成方法。在圖2E中，導熱材料層230可採用金屬、合金或其他適合的導熱材料，如：銅、銀、金、鑷、鉬、鋁、銀或及其合金等等。此時，導熱材料層230可視為發光二極體晶片的一電極。而在圖2E’中，導熱材料層230除了可使用前述的導熱材料外，也可使用一般常見的導熱材料。另外，上述的導熱材料層230的厚度實質上可介於1μm至100μm之間。

在完成圖2E的步驟後，接著，於半導體層220上形成一電極E1，如圖2F所示。在本實施例中，形成電極E1可以是使用金屬氧化化學氣相沉積法或是其他適當的製程。至此大致完成一種垂直式發光二極體晶片200的製作方法。需要說明的是，有時為了提高半導體層220與導熱材料層230之間的導電性，更可在進行圖2E的步驟之前，於凹槽216內形成多個歐姆接觸層242，以與半導體層220連接。如此一來，在進行前述的圖2E與圖2F的步驟後，便會形成另一種垂直式發光二極體晶片200a，如圖2G所繪示。

在另一實施形態中，於完成圖2E’的步驟後，圖案化半導體層220以暴露出部分第一型摻雜半導體層222，並形成一第一電極E2於第二型摻雜半導體層224上以及形成一第二電極E3於被暴露出的第一型摻雜半導體層222上，如圖2F’所示。在本實施例中，圖案化半導體層220的方式例如是使用乾式蝕刻、濕式蝕刻或其他適當的蝕刻 製程。另外，形成電極E2、E3的方式可以是使用金屬氧化化學氣相沉積法或其他適當的製程。至此大致完成一種水平式發光二極體晶片300的製作方法。

在水平式發光二極體晶片300中，由於第一型摻雜半導體層222內形成有絕緣層222a，因此驅動電流I會在第一電極E2與第二電極E3之間的半導體層220進行傳遞，而不同於垂直式發光二極體晶片是以電極E1與導電材料層230作為正負電極的結構。因此，水平式發光二極體晶片300可達到電熱分離的效果。需要說明的是，有時為了避免半導體層220與導熱材料層230產生電性連接而造成短路的可能性，更可在進行圖2E’的步驟之前，於凹槽216內形成多個介電層244，以與半導體層220連接。如此一來，在進行前述的圖2E’與圖2F’的步驟後，便會形成另一種水平式發光二極體晶片300a，如圖2G’所繪示。

承上述，由於垂直式發光二極體晶片200、200a與水平式發光二極體晶片300、300a係採用如圖2A至圖2F以及圖2C’至圖2F’所描述的製作方式，因此可降低製程時間、製程的困難度以及製作成本。另外，透過上述的製作步驟除了製作出可增加基板210與導熱材料層230的表面積的凹槽216結構外，同時更藉由基板210的厚度被適當地縮減，從而縮短了發光二極體晶片200、200a、300、300a的散熱路徑。

另外，當基板210為一具有一接合層218的導電基板C時，則形成其上的半導體層220可以下列方法達成之。

圖3A~圖3E為本發明另一實施例之形成半導體層於基板的製造流程剖面圖。首先，請參照圖3A，在一磊晶基板310上形成前述的第一型摻雜半導體層222。接著，在第一型摻雜半導體層222上形成前述的發光層226。然後，在發光層226上形成前述的第二型摻雜半導體層224，其中第一型摻雜半導體層222、發光層226與第二型摻雜半導體層224構成前述的半導體層220。

之後，請參照圖3B，提供一具有一黏著層322的轉移基板320，並藉由黏著層322使轉移基板320與半導體層220接合。接著，請參照圖3C，移除磊晶基板310以將半導體層220轉移至轉移基板320上。然後，請參照圖3D，藉由接合層218使導電基板C與半導體層220接合。之後，請參照圖3E，移除轉移基板320以將半導體層220轉移至導電基板C上。至此大致完成一種利用轉移基板的方法，將半導體層220轉移至具有接合層218的導電基板C，藉以完成前述形成半導體層220於基板210的步驟。

綜上所述，本發明之發光二極體晶片的製造方法至少具有下列優點。首先，於基板上形成多個凹槽，並於凹槽所在的基板表面上形成半導體層後，縮減基板的厚度直到凹槽貫穿基板。如此將可有效地縮減製程所需的時間、降低製程的困難度以及製程所需的能量，從而可提高製程的可靠度以及降低整體製作的成本。

另外，由於基板的厚度被適當地縮減，因此覆蓋導熱材料層於凹槽內時，除了可增加基板與導熱材料層的表面 積外，亦縮短了散熱路徑，進而更進一步地提升散熱效果。換言之，採用本發明之發光二極體晶片的製造方法可製作出散熱表現較佳、製程較為簡易、以及成本較低廉的發光二極體晶片。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、200a、300、300a‧‧‧發光二極體晶片

110‧‧‧半導體基板

112、310‧‧‧磊晶基板

112a、212‧‧‧第一表面

114、220‧‧‧半導體層

114a‧‧‧n型半導體層

114b、226‧‧‧發光層

114c‧‧‧p型半導體層

120、216‧‧‧凹槽

112b、214‧‧‧第二表面

130、230‧‧‧導熱材料層

142、E1‧‧‧電極

210‧‧‧基板

218‧‧‧接合層

222‧‧‧第一型摻雜半導體層

222a‧‧‧絕緣層

224‧‧‧第二型摻雜半導體層

242‧‧‧歐姆接觸層

244‧‧‧介電層

320‧‧‧轉移基板

322‧‧‧黏著層

C‧‧‧導電基板

D‧‧‧直徑

E2‧‧‧第一電極

E3‧‧‧第二電極

H1‧‧‧深度

H2、H3‧‧‧厚度

圖1A~圖1D為習知之一種發光二極體晶片的製作流程圖。

圖2A至圖2F為本發明一實施例之發光二極體晶片的製作流程剖面圖。

圖2G為本發明另一實施例之發光二極體晶片的剖面圖。

圖2C’至圖2F’為本發明另一實施形態之發光二極體晶片的製作流程剖面圖。

圖2G’為本發明另一實施例之發光二極體晶片的剖面圖。

圖3A~圖3E為本發明另一實施例之形成半導體層220於基板210的製造流程剖面圖。

200‧‧‧發光二極體晶片

210‧‧‧基板

212‧‧‧第一表面

214‧‧‧第二表面

216‧‧‧凹槽

220‧‧‧半導體層

222‧‧‧第一型摻雜半導體層

224‧‧‧第二型摻雜半導體層

226‧‧‧發光層

230‧‧‧導熱材料層

E1‧‧‧電極

Claims (18)

1. 一種發光二極體晶片的製造方法，包括：提供一基板，該基板具有一第一表面以及一相對於該第一表面的第二表面；於該基板的該第一表面上形成多個凹槽，其中該些凹槽分別具有一深度，且該基板的厚度大於該些深度；形成一半導體層於該基板的該第一表面上，其中該半導體層包括一配置於該基板上的第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層以及位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間的一發光層；縮減該基板的厚度直到該些凹槽貫穿該基板；於縮減該基板的厚度之後，於該基板的該第二表面上與該些凹槽內形成一導熱材料層；以及於該半導體層上形成至少一電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中縮減該基板的厚度的方法包括一研磨法。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中被縮減後的該基板的厚度等於該些凹槽的該些深度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中被縮減後的該基板的厚度小於該些凹槽的該些深度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中被縮減後的該基板的厚度實質上介於1μm 至100μm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該些凹槽的直徑介於1 μm至500 μm之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該導熱材料層的厚度實質上介於1μm至100μm之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該導熱材料層為金屬或合金材料。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該導熱材料層為銅、銀、金、鑷、鉬、鋁、銀或及其合金。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，在形成該導熱材料層之前，更包括在該些凹槽內形成多個歐姆接觸層，以與該半導體層連接。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該基板為一絕緣基板，而該半導體層的形成方法包括：在該第一表面上形成該第一型摻雜半導體層；在該第一型摻雜半導體層上形成該發光層；以及在該發光層上形成該第二型摻雜半導體層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製造方法，在形成該至少一電極之前，更包括圖案化該半導體層，以暴露出部分該第一型摻雜半導體層。
13. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中於該半導體層上形成該至少一電極包括：形成一第一電極於該第二型摻雜半導體層上；以及形成一第二電極於被暴露出的該第一型摻雜半導體層上。
14. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製造方法，在形成該導熱材料層之前，更包括在該些凹槽內形成多個介電層，以與該半導體層連接。
15. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶片的製造方法，在形成該第一型摻雜半導體層的過程中，更包括形成一絕緣層於該第一型摻雜半導體層內。
16. 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該絕緣層的材質包括氮化鋁、低溫成長之氮化鎵或氮化鋁，氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N,0.001≦X≦0.999)或摻雜碳、鎂之氮化鎵或氮化鋁鎵(Al_X Ga_1-X N,0.001≦X≦0.999)。
17. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中該基板為一具有一接合層的導電基板，而形成該半導體層於該導電基板的方法包括：在一磊晶基板上形成該第一型摻雜半導體層；在該第一型摻雜半導體層上形成該發光層；在該發光層上形成該第二型摻雜半導體層，其中該第一型摻雜半導體層、該發光層與該第二型摻雜半導體層構成該半導體層； 提供一具有一黏著層的轉移基板，並藉由該黏著層使該轉移基板與該半導體層接合；移除該磊晶基板，以將該半導體層轉移至該轉移基板上；藉由該接合層使該導電基板與該半導體層接合；以及移除該轉移基板。
18. 如申請專利範圍第17項所述之發光二極體晶片的製造方法，其中形成該第一型摻雜半導體層的過程中，更包括形成一絕緣層於該第一型摻雜半導體層內。