TWI431823B

TWI431823B - Production method and finished product of light emitting diode grain element with microlens

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Publication number: TWI431823B
Application number: TW100134581A
Authority: TW
Original assignee: Nat Univ Chung Hsing
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-03-21
Also published as: TW201314968A

Description

具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法及其成品

本發明是有關於一種以光電效應產生光的晶粒元件的製作方法，特別是指一種具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法。

參閱圖1，現有的高功率/高效率的垂直式發光二極體晶粒元件1包含一可導電的基底結構11、一連接在該基底結構11上並與該基底結構電連接的磊晶結構12，及一形成在該磊晶結構12上的電極13。

該基底結構11與該電極13配合對磊晶結構12提供電能，包括一層基底111，及一自該基底111向上形成且可反射光的反射鏡112，該基底111是由金屬，或合金等材料構成，且該反射鏡112更選自具有高反射率的金屬，或合金等材料構成，使得該基底結構11可以導電、導熱，並可反射光，另外，該反射鏡112也有選自不同折射係數的介電材料(非金屬、合金材料)層疊構成，由於此部份技術已為業界所週知，在此不多加詳述。

該磊晶結構12主要是由氮化鎵系列半導體材料在晶格相匹配的磊晶基材(例如藍寶石)磊晶形成後，再轉置到該基底結構11上並與基底結構11形成電連接(即歐姆接觸)，具有分別經過摻雜而成p、n型的p型披覆層121(p-type cladding layer)、n型披覆層122(n-type cladding layer)，及形成在p、n型批覆層121、122之間的主動層123(active layer)，主動層123配合p、n型批覆層121、122而在提供電能時產生電子-電洞複合、釋放能量，進而轉換成光向外射出。

該電極13設置在該磊晶結構12相反於與該基底結構11連接的一面上，並與該磊晶結構12電連接，而可和該基底結構11配合對該磊晶結構12施加電能。

當自該電極13與該基底結構11配合施加電能時，電流通過該磊晶結構12而使該磊晶結構12以光電效應產生光，產生的光部分直接朝向電極13方向行進並穿出頂面向外發射，部分朝向該基底結構11行進的光，則可藉該基底結構11的反射鏡112反射後改變行進方向而穿出頂面向外發射。

另外要說明的是，現有的發光二極體晶粒元件為了提昇出光效率，該磊晶結構12的頂面通常會再粗化而成粗糙面，藉此提高轉換生成的光直接穿經、向外射出的機率，以提升發光亮度；此外，也會在該電極13和該磊晶結構12之間用透明且可導電的金屬氧化物，例如氧化鋅鋁(ZnO：Al)、銦錫氧化物(In₂ O₃ +SnO₂ ，ITO)、氧化錫氟(SnO₂ ：F，FTO)等形成用以橫向導引電流擴散流動的透明導電膜，以提高內部量子效率，進而提昇元件整體的發光效率與亮度，此些技術手段因與本發明技術特徵無直接相關且已為業界所周知，故省略不加以詳述。

上述的發光二極體晶粒元件1的製作過程，是將氮化鎵系列半導體材料磊晶於適當的磊晶基材上，並經過摻雜製作得到該磊晶結構12後，再將預先製作的該基底結構11以合金接合技術(bonding，也稱為晶圓貼合(wafer bonding))貼合在該磊晶結構12上，然後再移除掉磊晶基材讓該磊晶結構12的頂面裸露，最後，於移除掉磊晶基材後裸露的該磊晶結構12頂面上設置電極13，而完成元件的製作。

現有的發光二極體晶粒元件1的問題，在於將該基底結構11與該磊晶結構12接合以及設置該電極13時，都必須進行高溫處理使該基底結構11和該電極13與該磊晶結構12電連接(歐姆接觸)，而此高溫處理過程會使該基底結構11的反射鏡質變，而影響、甚至無法反射光，而喪失藉由反射鏡112的設置進而提升元件整體發光亮度的技術構想。

此外，以合金接合技術進行該基底結構11與該磊晶結構12時，該磊晶結構12與基底結構11的接合處有嚴格的平整度要求，除了技術門檻與製程成本較高之外，具有較高平整度的磊晶結構12與基底結構11的接合面，也會因此增加向該基底結構11方向行進的光產生全反射的機率而降低光取出率，同時，也會讓反射後的光有較高的機會在磊晶結構12中來回反覆行進而轉變成熱，進而導致磊晶結構12的操作接面溫度升高、影響到載子輻射復合效率(radiative recombination efficiency)。

基於上述，目前的發光二極體晶粒元件1本身及其製作過程仍有改善的空間，需要學界、業界提出解決的方式。

因此，本發明之目的，即在提供一種新的製作方法用以製作出具有微透鏡的發光二極體晶粒元件。

於是，本發明一種具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法，包含六個步驟。

第一個步驟是於一磊晶基材向上磊晶形成一供電時以光電效應產生光的磊晶結構。

第二個步驟是用可導電的材料於該磊晶結構上形成一與該磊晶結構電連接的晶種結構，製得一第一晶粒元件半成品。

第三個步驟是在該第一晶粒半成品上佈設多數透光的微透鏡，製得一第二晶粒元件半成品。

第四個步驟是自該第二晶粒元件半成品形成一與該晶種結構連接並蓋覆該等微透鏡的基底結構，製得一第三晶粒元件半成品。

第五個步驟是自該第三晶粒元件半成品移除該磊晶基材，製得一第四晶粒元件半成品。

最後一個步驟是用導電材料於該第四晶粒半成品移除該磊晶基材後的磊晶結構表面形成一與該磊晶結構電連接的電極，製得該具有微透鏡的發光二極體晶粒元件。

另外，本發明一種具有微透鏡的發光二極體晶粒元件，包含一基底結構、一晶種結構、多數微透鏡、一磊晶結構，及一電極。

所述的基底結構具有多數凹孔。

所述的晶種結構以可導電材料構成在該基底結構之形成有該等凹孔的表面上。

所述的微透鏡可透光並分別穿過該晶種結構地對應嵌設於該基底結構的凹孔中。

所述的磊晶結構設置在該晶種結構上，且與該晶種結構電連接，在供電時以光電效應產生光。

所述的電極設置在該磊晶結構之一與該晶種結構接觸的相反面上並與該磊晶結構電連接。

本發明之功效在於：提供一種新的製作方法，用設置多數微透鏡的方式，改善現有發光二極體晶粒元件製作時反射鏡會受到高溫而質變的問題，且整個製作過程中並無例如高平整度的要求，而大幅降低現有技術與製程成本門檻，再者，微透鏡能提供更多的光入射與反射後行進角度而有助於提升元件的發光亮度。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2、圖3，本發明一種具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法的一較佳實施例，是製作出如圖3所示的具有微透鏡的發光二極體晶粒元件3。

先請參閱圖3，由本發明的較佳實施例製作出的具有微透鏡的發光二極體晶粒元件3包含一可導電的基底結構31、一連接在該基底結構31上的晶種結構32、多數顆可透光的微透鏡33、一與該晶種結構32電連接的磊晶結構34，及一形成在該磊晶結構34上的電極35。

該基底結構31經該晶種結構32與該電極35配合共同對磊晶結構34提供電能，包括一層增厚層312、一自該增厚層312向上形成的反射鍍膜311，及多數由該反射鍍膜和增厚層供同界定形成的凹孔310，該增厚層312是由例如金屬，或合金等材料構成，具有良好的導電、導熱特性，該反射鍍膜311是由具有高反射率的金屬，或合金等材料構成，使得該基底結構具有良好的導電、導熱，以及反射光的特性，該等凹孔310供該等微透鏡33容置，另外，該反射鍍膜311也可以是用不同折射係數的介電材料(非金屬、合金材料)層疊構成，由於此部份技術已為業界所週知，在此不多加詳述。

該晶種結構32以導電材料構成並夾設在該磊晶結構34和基底結構31之間，主要作為該基底結構31和磊晶結構34成電連接的媒介構造，並在製程中扮演晶種的角色以形成該基底結構31。如圖4所示，在本例中，該晶種結構32是具有多數二維石墨烯結構的石墨烯薄膜(graphene)，而具有多數相間隔地交錯呈網狀的線形本體321，該等線形本體321與該磊晶結構34連接並電連接後，即作為晶種而可以用例如電鍍、非電鍍、蒸鍍、濺鍍等技術增厚形成該基底結構31；此外，該晶種結構32也可以選用例如金屬、合金、透明導電金屬氧化物，如ITO、IZO、AZO、ATO...等等作為材料，形成如圖4所示的由多數相間隔地交錯的線形本體321構成的網狀態樣，或是如圖5所示的由多數間隔分佈的凸點322構成的結構，或是如圖6所示的由不均勻分佈的島塊323分佈的結構，都可以在電連接磊晶結構34後作為晶種，進而增厚形成該基底結構31。

該等微透鏡33分別穿過該晶種結構32地對應嵌設於該基底結構31多數凹孔310中，更正確地說，是因為製作過程的關係，而在該基底結構31形成過程中對應地蓋覆該等微透鏡33，進而使得最終看起來是該等微透鏡33嵌設於該等凹孔310中的形態；該等微透鏡33是鑽石微粒、二氧化矽(SiO₂ )微粒，二氧化鈦(TiO₂ )微粒、二氧化鉭(TaO₂ )微粒，及/或此等之組合，或是由例如鎳金屬、白金金屬形成的微粒再經過熱處理而自體變形而成，而可在光行進時，提供更多不同入射角度的界面，並配合該基底結構31的反射鍍膜311，而有助於提升反射後出光的機率、減少光在磊晶結構34中來回反覆行進而轉變成熱的機會，提高元件的出光亮度。

該磊晶結構34主要是由氮化鎵系列半導體材料在晶格相匹配的磊晶基材41(例如藍寶石)磊晶形成，再依序形成該晶種結構32、佈設微透鏡33、增厚形成基底結構31後移除磊晶基材41，而與該晶種結構32、微透鏡33、基底結構31連接，具有分別經過摻雜而成p、n型的p型披覆層341(p-type cladding layer)、n型披覆層342(n-type cladding layer)，及形成在p、n型批覆層341、342之間的主動層343(active layer)，主動層343是例如同質結構(homostructure)、單異質結構(single heterostructure)、雙異質結構(double heterostructure)，或多重量子井結構(multiple quantum wells)，配合p、n型批覆層341、342而在提供電能時產生電子-電洞複合、釋放能量，進而轉換成光向外射出。

該電極35設置在該磊晶結構34相反於與該基底結構31連接的一面上，並與該磊晶結構34電連接，而可和該基底結構31配合對該磊晶結構34施加電能。

當自該電極35與該基底結構31配合施加電能時，電流通過該磊晶結構34而使該磊晶結構34以光電效應產生光，產生的光部分直接朝向電極35方向行進並穿出頂面向外發射，部分朝向該基底結構31行進的光，則因為微透鏡33提供更多不同入射角度的界面，並同時配合該基底結構31的反射鍍膜311而大幅提升反射後出光的機率、減少光在磊晶結構34中來回反覆行進而轉變成熱的機會，而達到提高元件整體出光亮度的目的。

以下本發明具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法的較佳實施例，配合上述具有微透鏡的發光二極體晶粒元件3的詳細說明後，當可更加清楚的明白。

參閱圖2，以本發明具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法的較佳實施例，製作該具有微透鏡的發光二極體晶粒元件3時，先進行步驟21，於該磊晶基材41向上磊晶形成該供電時以光電效應產生光的磊晶結構34，由於此過程已為業界所周知，且並非本發明技術重點所在，故略過不加以詳述。

配合參閱圖4，之後進行步驟22，用可導電的材料於該磊晶結構34上形成該與該磊晶結構34電連接的晶種結構32，製得第一晶粒元件半成品501；在本例中，是佈設二維結構而具有多數相間隔地交錯呈網狀的線形本體321的石墨烯薄膜(graphene)並與磊晶結構34電連接作說明。此外，亦可以選用例如金屬、或合金、或透明導電金屬氧化物，如ITO、IZO、AZO、ATO…等等作為材料，利用目前技術成熟的蒸鍍、濺鍍、微影蝕刻等，在磊晶結構34上形成由多數相間隔地交錯的線形本體321構成的網狀態樣結構的晶種結構32，或是如圖5所示的多數間隔均勻分佈的凸點322構成的晶種結構32，或是如圖6所示的不均勻分布的島塊323的晶種結構32後，再進行高溫熱處理與磊晶結構電連接，並作為晶種以利進行後續增厚形成該基底結構的製程。

參閱圖2、圖7，接著進行步驟23，在該第一晶粒半成品501上佈設等多數透光的微透鏡33，製得第二晶粒元件半成品502；在本例中是直接撒佈鑽石微粒而成該等微透鏡33，其他，例如佈撒二氧化矽微粒、二氧化鈦微粒、二氧化鉭微粒也都適用，另外，也可以佈設多數由例如鎳、白金等金屬材料的微粒，再熱處理而使該等微粒自體形變，也可以得到該等微透鏡33，完成此步驟。

參閱圖2，製得該第二晶粒半成品502後即進行步驟24，用可導電的材料自該第二晶粒元件半成品502依序形成和該晶種結構32連接並蓋覆該等微透鏡的基底結構31，製得第三晶粒元件半成品503；在本例中，是先選用同時具有高反射係數的導電材料自該晶種結構32和該等微透鏡33表面先形成該反射鍍膜311後，再選用同時具有高熱傳係數的導電材料自該反射鍍膜311向上形成該增厚層312而成該基底結構31。

製作完該基底結構31後即進行步驟25，自該第三晶粒元件半成品503移除該磊晶基材41，製得第四晶粒元件半成品504；實施本步驟25可以用蝕刻、雷射分離(laser lift off)等技術，鑒於該等技術已成熟地運用，故在此不再多加詳述，或是，可以在步驟21中，即先將多數二維石墨烯結構形成在藍寶石基板上而成該磊晶基材41，再自該磊晶基材41向上磊晶形成該磊晶結構34，如此，即可在本步驟25直接令該等二維石墨烯結構彼此分離而使該磊晶基材41被移除。

最後以步驟26，用導電材料於該第四晶粒半成品504移除該磊晶基材41後的磊晶結構34表面形成與該磊晶結構34電連接的電極35，即完成如圖3所示的具有微透鏡的發光二極體晶粒元件3的製作。

另外要說明的是，為了再提昇出光效率，該磊晶結構34的頂面可以再粗化成粗糙面，以提高轉換生成的光直接穿經、向外射出的機率，進而提升發光亮度；此外，也可以在該電極35和該磊晶結構34之間用透明且可導電的金屬氧化物，例如氧化鋅鋁(ZnO：Al)、銦錫氧化物(InO+SnO，ITO)、氧化錫氟(SnO：F，FTO)等形成用以橫向導引電流擴散流動的透明導電膜，以提高內部量子效率，進而提昇元件整體的發光效率與亮度，由於此些技術手段與本發明技術特徵較無直接相關、且已為業界所週知，故省略不加以詳述。

綜上所述，本發明主要是提出一種新的製作方法，以形成晶種結構32作為晶種之用，再配合撒佈微透鏡33，和以晶種結構32作為晶種進而形成基底結構31的方式，製作具有微透鏡的發光二極體晶粒元件3，如此製得的元件，因為微透鏡33具有更多不同入射角度的界面，而可以同時配合基底結構31的反射鍍膜311大幅提升反射後出光的機率、減少光在磊晶結構34中來回反覆行進而轉變成熱的機會，而達到提高元件整體出光亮度的目的；此外，晶種結構32和電極35與磊晶結構34電連接時的高溫處理過程，並不會影響到微透鏡33，而使微透鏡33質變影響到光的反射；再者，整個製程中並未有關於磊晶結構34、基底結構31等高平整度的要求，可以有效降低製作技術門檻、節省製程、設備成本，確實達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．發光二極體晶粒元件

11．．．基底結構

111．．．基底

112．．．反射鏡

12．．．磊晶結構

121．．．p型披覆層

122．．．n型披覆層

123．．．主動層

13．．．電極

21．．．步驟

22．．．步驟

23．．．步驟

24．．．步驟

25．．．步驟

26．．．步驟

3．．．發光二極體晶粒元件

31．．．基底結構

310．．．凹孔

311．．．反射鍍膜

312．．．增厚層

32．．．晶種結構

321．．．線形本體

322．．．凸點

323．．．島塊

33．．．微透鏡

34．．．磊晶結構

341．．．p型披覆層

342．．．n型披覆層

343．．．主動層

35．．．電極

41．．．磊晶基材

501．．．第一晶粒元件半成品

502．．．第二晶粒元件半成品

503．．．第三晶粒元件半成品

504．．．第四晶粒元件半成品

圖1是一剖視示意圖，說明現有的發光二極體晶粒元件；

圖2是一流程圖，說明本發明具有微透鏡的發光二極體晶粒元件的製作方法的一較佳實施例；

圖3是一剖視示意圖，說明以圖2本發明的較佳實施例所製作出來的具有微透鏡的發光二極體晶粒元件；

圖4是一立體示意圖，說明實施圖2本發明的較佳實施例的一步驟22後製得的第一晶粒元件半成品，其中，該第一晶粒元件半成品的晶種結構是由多數相間隔地交錯的線形本體構成的網狀態樣；

圖5是一立體示意圖，說明實施圖2本發明的較佳實施例的一步驟22後製得的第一晶粒元件半成品，其中，該第一晶粒元件半成品的晶種結構是多數間隔均勻分佈的凸點的結構；

圖6是一立體示意圖，說明實施圖2本發明的較佳實施例的一步驟22後製得的第一晶粒元件半成品，其中，該第一晶粒元件半成品的晶種結構是多數不均勻分布的島塊結構；及

圖7是一立體示意圖，說明實施圖2本發明的較佳實施例的一步驟23後製得的第二晶粒元件半成品。