TWI479689B - Double - sided Coarse Vertical Guided Light Emitting Diodes and Their Making Methods - Google Patents

Description

雙面粗化垂直導通式發光二極體及其製作方法

本發明是有關於一種發光二極體與其製作方法，特別是指一種垂直導通式發光二極體及其製作方法。

參閱圖1，目前垂直導通式發光二極體1包含一永久基板11、一設置在永久基板11上並在提供電能時以光電效應產生光的磊晶膜12，及一設置在磊晶膜12上的頂電極14。

永久基板11可導電並與頂電極14配合對磊晶膜12提供電能，包括一層基底111，及一自基底111向上形成且可反射光的反射膜112；一般，基底111是由金屬，或合金構成，且反射膜112更選自具有高反射率的金屬，或合金構成，使得構成的永久基板11可以導電、導熱，並可反射光，另外，反射膜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。

磊晶膜12主要是由氮化鎵系列半導體材料在一基板磊晶形成，再經過基板轉換而置換至永久基板11上並與永久基板11相歐姆接觸，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)，及一層形成在p、n型批覆層121、122之間的主動層123(active layer)，p、n型批覆層121、122相對主動層123形成載子能障，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；而為了提昇出光效率，磊晶膜12相反於永久基板11的第一表面124(即n型批覆層122的頂面)是經過粗化而成的粗糙面，如此可以降低全反射發生的機率，而盡量使轉換生成的光直接穿經、向外射出。

頂電極14設置在該磊晶膜12的第一表面124上，與永久基板11配合對磊晶膜12施加電能。

當自頂電極14與永久基板11配合施加電能時，電流向下流通過磊晶膜12而以光電效應產生光子，產生的光部分直接朝向頂電極14方向行進，並因粗化後的第一表面124而較有較大的機率穿出向外發射，部分朝向永久基板11行進的光，藉永久基板11的反射膜112反射後改變行進方向，並類似地藉著粗化的第一表面124而有較大的機率穿出向外發射。

上述垂直導通式發光二極體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板上，並經過摻雜製作得到磊晶膜12後，再將預先製作的永久基板11以合金接合(bonding，也稱為晶圓貼合(wafer bonding))方式貼合在磊晶膜12上，然後再移除磊晶基板讓磊晶膜12的第一表面124(即n型披覆層122的頂面)裸露出來以進行粗化製程，之後，於粗化後的第一表面124設置頂電極14後，即完成整個製程，製得垂直導通式發光二極體1。

目前垂直導通式發光二極體1的較大問題，在於磊晶膜12與永久基板11接合處以合金接合技術進行，所以磊晶膜12與永久基板11的連接面都必須是完整的平面才能進行晶圓貼合。

然而，事實上，為使合金接合的永久基板11與磊晶膜12彼此的整個連接面且一致地相歐姆接觸，必須進行高溫製程與晶圓接合製程，且於製程中無法掌控元件特性，導致製程複雜度提升，與製程良率低，甚至因反射膜112亦擔任歐姆接觸功能，反而降低反射率，進而無法提升垂直導通式發光二極體1的發光亮度。

基於上述，目前垂直導通式發光二極體1與製作過程仍有改善的空間，須要學界、業界提出解決的方式。

因此，本發明之一目的，即在提供一種新的結構、且發光亮度均勻的雙面粗化垂直導通式發光二極體。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種新的結構、且發光亮度均勻的雙面粗化垂直導通式發光二極體的製作方法。

於是，本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體，包含一永久基板、一磊晶膜、一黏著層，及一頂電極。

該永久基板可導電並具有一可反射光的頂面。

該磊晶膜設置在該永久基板上並提供電能時以光電效應產生光，具有相反且經過粗化的一第一表面與一第二表面，該第二表面的高低落差不小於300nm，且多數相對遠離該第一表面的峰域與該頂面接觸並相歐姆接觸。

該黏著層是光學等級，填覆於該第二表面與該反射層之間並黏結該永久基板與該磊晶膜。

該頂電極可導電並與該磊晶膜相歐姆接觸，與該永久基板配合對該磊晶膜提供電能。

再者，本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的製作方法，包含以下七個步驟。

首先於一磊晶基板上磊晶成長一在提供電能時以光電效應產生光的磊晶膜。

接著粗化該磊晶膜的一相反於連接該磊晶基板的第一表面，並製作與該第一表面相歐姆接觸的頂電極。

再將一暫時基板可分離地貼覆在該形成有頂電極的第一表面後，移除該磊晶基板而使該磊晶膜之一相反於該第一表面的第二表面裸露。

再粗化該磊晶膜的第二表面，且使粗化後的第二表面的高低落差不小於300nm，製得一第一半成品。

同步準備一可導電並具有一可反射光的頂面的永久基板。

將該永久基板以該頂面接觸該第一半成品的第二表面，並用一光學等級的黏著層黏結該永久基板與第一半成品，製得一第二半成品。

最後，移除該第二半成品的暫時基板，製得該雙面粗化垂直導通式發光二極體。

本發明之功效在於：提供一種新的具有雙粗化面的雙面粗化垂直導通式發光二極體及其製作方法，利用光學等級的黏著層黏結，並讓粗化的第二表面的峰域與永久基板頂面連接並相歐姆接觸，而有效分散電流實際流通過磊晶膜的分布密度，進而使垂直導通式發光二極體發光亮度提高且均勻、實際工作壽命增加。

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三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，本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的一第一較佳實施例，包含一永久基板21、一磊晶膜22、一黏著層23，及一頂電極24。

永久基板21可導電並與頂電極24配合對磊晶膜22提供電能，包括一層基底211，及一自基底211向上形成且頂面213可反射光的反射膜212；在本例中，基底211是由金屬，或合金構成，且反射膜212更選自具有高反射率的金屬，或合金構成，而使得構成的永久基板21可導電、導熱(將磊晶膜作動產生的熱導離磊晶膜本身)，並可反射光。另外，反射膜212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，基底當然也可以選擇其他可導電的、導熱的複合材料、半導體材料等等，由於此等構成材料的創作並非本發明的創作重點所在，故在此不再多加詳述。

磊晶膜22設置在永久基板21上並提供電能時以光電效應產生光，是由氮化鎵系列半導體材料在一適當的磊晶基板41磊晶形成，如圖4所示，請容後再敘，再經過基板轉換而置換至永久基板21上，磊晶膜22具有分別經過摻雜而成n、p型的n型披覆層221(n-type cladding layer)、p型披覆層222(n-type cladding layer)，及一層形成在n、p型批覆層221、222之間的主動層223(active layer)，n、p型批覆層221、222相對主動層223形成載子能障，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，特別地，磊晶膜22還具有相反且經過粗化的一第一表面224(即p型批覆層222表面)與一第二表面225(即n型批覆層221表面)，且第二表面225的高低落差不小於300nm，同時，第二表面225多數相對遠離第一表面224的峰域226與頂面213接觸並相歐姆接觸。

黏著層23是光學等級，填覆於第二表面225與永久基板21的頂面213之間並黏結永久基板21與磊晶膜22；在此，光學等級的黏著層是指對應磊晶膜22產生的光為透明，並可對光產生折射、反射，而讓磊晶膜22產生並向永久基板21行進的光實質改變方向行進，且具有黏結力的黏著層，為配合製作方法，較佳地，該黏著層23是在180℃~200℃呈液態的熱固型膠，同時還可以具有導電性，由於此等光學等級的黏著層多數由專業的相關業者開發，且黏著層本身並非本發明的創作重點，故不多再詳述。

頂電極24是由可導電的材料構成設置在磊晶膜22第一表面224上並與磊晶膜22相歐姆接觸，與永久基板21配合對磊晶膜22提供電能。

當自頂電極24與永久基板21配合施加電能時，電流向下流通過磊晶膜22，由於磊晶膜22僅以隨機粗化的第二表面225的峰域226與永久基板21頂面213連接，所以流通過磊晶膜22的電流密度，是對應地被此些成隨機分布的峰域226強迫分流-即磊晶膜22與永久基板21頂面213有接觸的地方才有電流流通過-進而使得磊晶膜22能相對均勻以光電效應產生光子，而有效提昇內部量子效率。

而磊晶膜22產生的光，部分直接朝向頂電極24方向行進，並因粗化後的第一表面224而較有較大的機率穿出向外發射，部分朝向永久基板21行進的光，同樣地因粗化後的第二表面225而有較大的機率穿出向外發射，並因光學膠23的輔助折射與反射，以及永久基板21的反射膜212反射後改變行進方向，而朝向頂電極24方向行進，並類似地藉著粗化的第一表面224而有較大的機率穿出向外發射，進而以高的發光亮度發光。

參閱圖3，上述本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的第一較佳實施例，在通過以下製作方法的說明後，當可更佳清楚的明白。

配合參閱圖4，上述第一較佳實施例所述的雙面粗化垂直導通式發光二極體的製作方法，是先進行步驟31，於磊晶基板41上磊晶成長在提供電能時以光電效應產生光的磊晶膜22。

參閱圖3、圖5，接著進行步驟32，粗化磊晶膜22的相反於連接磊晶基板44的第一表面224(即p型批覆層222表面)，並設置與第一表面224相歐姆接觸的頂電極24；此步驟的目的在於讓第一表面224成粗糙面，以減少磊晶膜22出光時產生全反射的機率，並避免設置頂電極時的高溫製程影響後續的製程，由於粗化過程本身及設置頂電極的實施方式並無特殊限制，在此不多加贅述。

參閱圖3、圖6，再進行步驟33，將一暫時基板42可分離地貼覆在設置有頂電極24的第一表面224上，然後移除磊晶基板41，而使磊晶膜22相反於第一表面224的第二表面225裸露。

參閱圖3、圖7，再進行步驟34，粗化磊晶膜22的第二表面225，且使粗化後的第二表面225的高低落差不小於300nm，製得一第一半成品51；在本步驟中，是隨機(random)粗化第二表面225，而形成多數相對遠離第一表面224的峰域226，另外，也可以於磊晶基板41磊晶成長磊晶膜22時，即預先採用圖形化的磊晶基板41，而在移除磊晶基板41後即令磊晶膜22成此具有特定高低落差的第二表面。

參閱圖3，於此同時，可同步進行步驟35，準備可導電並具有可反射光的頂面213的永久基板21。

參閱圖3、圖8，繼續進行步驟36，將永久基板21以頂面213接觸第一半成品51的粗化的第二表面225，並用該光學等級的黏著層23黏結永久基板21與第一半成品51，製得一第二半成品52。

參閱圖3、圖2，移除第二半成品52的暫時基板42，，即完成上述雙面粗化垂直導通式發光二極體2的製作。

經過上述的說明可知，為配合本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體2的較佳實施例，發明人特別設計出如上的製作方法，通過整體的製作過程，製作出雙面粗化(即磊晶膜22的第一、二表面224、225均是粗糙面)垂直導通式發光二極體，且由於這樣的製作過程並未進行永久基板與磊晶膜歐姆接觸時的高溫處理，只是藉著光學等級的黏著層23令磊晶膜22第二表面225的峰域226歐姆接觸地連接永久基板21且彼此相黏結，所以可以避免掉目前的垂直導通式發光二極體的製程中，為了讓永久基板11與磊晶膜12形成歐姆接觸而必須實施的高溫處理步驟，而這樣的高溫處理步驟往往導致永久基板11的反射膜112出現質變，進而影響反射的效果、降低元件的光取出效率的問題，進而讓製作得的雙面粗化垂直導通式發光二極體2具有更高的發光亮度。

而要另外說明的是，進行步驟36將永久基板21以頂面213接觸第一半成品51的第二表面225時，當然也可以運用合金接合技術，將第二表面225的多數峰域226與頂面213相合金接合，如此，再輔以光學等級的黏著層的黏結，可以達到磊晶膜22與永久基板21更緊密結合的功效，同時，也有助於磊晶膜22藉等峰域226與永久基板21彼此的歐姆接觸。

參閱圖9，本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的一第二較佳實施例，是與上例相似，其不同處僅在於永久基板21的頂面213包括複數相間隔並與磊晶膜22第二表面225的峰域226接觸的凸部214，及一連結等凸部214的基部215，而成凹凸起伏的態樣；藉著永久基板21以人工刻意設計形成之間隔分佈的凸部214，與磊晶膜22第二表面225隨機、無規則的粗化過程所形成的峰域226彼此配合，可以使得通過磊晶膜22的電流密度分布更為均勻，而有效提高量子效率、提昇整體發光亮度。

而對應這樣態樣的永久基板21，在製作方法上並無變動，僅是在準備永久基板21的過程較為複雜而已，例如，成型出上表面即成凹凸起伏的基底211，而後在基底211凹凸起伏之上表面213成型出對應形狀的反射膜212，如此即可製作出具有凸部214與基部215之頂面213的永久基板21；或是成型出均成平板狀的基底與反射膜，之後，蝕刻移除反射膜部分預定厚度的區域，也可以製作出具有凸部與基部之頂面的永久基板；由於此等具有凸部與基部之頂面的永久基板的製作方式眾多，在此不再多加詳述。

參閱圖10，本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的一第三較佳實施例，是與第一較佳實施例相似，其不同處僅在於磊晶膜22上還形成有一與頂電極24歐姆接觸的透明導電膜25，透明導電膜25是由透明且可導電的金屬氧化物，例如氧化鋅鋁、銦錫氧化物、氧化錫氟等形成在磊晶膜22的第一表面224上，用以橫向導引電流擴散流動後再向下通過磊晶膜22，進而使得流通過磊晶膜22的電流分布更為均勻，而有效提高量子效率、提昇整體發光亮度。

而在製作方法上也與前述相似，不同處僅在於粗化第一表面224後，先於第一表面224上濺鍍形成透明導電膜25後，再設置形成頂電極24即可，由於僅多增加一道業界所熟知的濺鍍製程而已，故在此不再多作贅述。

綜上所述，本發明主要提出一種新的、具有雙面粗化垂直導通式發光二極體，並同時設計提出此種新的具有雙面粗化垂直導通式發光二極體製作方法，藉著粗化的第二表面與永久基板形成非全面的歐姆接觸，並搭配光學等級的黏著層黏結，不但可以有效調整電能通過磊晶膜的分佈狀況，提昇磊晶膜的量子效應，進而提高發光二極體的發光效能，同時也可以藉著粗化的表面有效提高光取出率，增進元件的整體發光亮度，確實能達成本發明之目的。

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。

2．．．垂直導通式發光二極體

21．．．永久基板

211．．．基底

212．．．反射膜

213．．．頂面

214．．．凸部

215．．．基部

22．．．磊晶膜

221．．．n型披覆層

222．．．p型披覆層

223．．．主動層

224．．．第一表面

225．．．第二表面

226．．．峰域

23．．．黏著層

24．．．頂電極

25．．．透明導電膜

31．．．步驟

32．．．步驟

33．．．步驟

34．．．步驟

35．．．步驟

36．．．步驟

37．．．步驟

41．．．磊晶基板

42．．．暫時基板

51．．．第一半成品

52．．．第二半成品

圖1是一示意圖，說明習知的垂知導通式發光二極體；

圖2是一示意圖，說明本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的一第一較佳實施例；

圖3是一流程圖，說明本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的第一較佳實施例的製作方法；

圖4是一示意圖，配合圖3的製作方法，說明於一磊晶基板上磊晶形成一以光電效應產生光的磊晶膜；

圖5是一示意圖，配合圖3的製作方法，說明於粗化磊晶膜的一第一表面；

圖6是一示意圖，配合圖3的製作方法，說明將一暫時基板連接於磊晶膜粗化後的第一表面並移除磊晶基板；

圖7是一示意圖，配合圖3的製作方法，說明將粗化磊晶膜的一第二表面；

圖8是一示意圖，配合圖3的製作方法，說明將一永久基板以光學膠黏著在磊晶膜粗化的第二表面上；

圖9是一示意圖，說明本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的一第二較佳實施例；及

圖10是一示意圖，說明本發明雙面粗化垂直導通式發光二極體的一第三較佳實施例。

31．．．步驟

32．．．步驟

33．．．步驟

34．．．步驟

35．．．步驟

36．．．步驟

37．．．步驟

Claims (9)

1. 一種雙面粗化垂直導通式發光二極體，包含：一永久基板，可導電並具有一可反射光的頂面；一磊晶膜，設置在該永久基板上並提供電能時以光電效應產生光，具有相反且經過粗化的一第一表面與一第二表面，該第二表面的高低落差不小於300nm，且多數相對遠離該第一表面的峰域與該頂面接觸並相歐姆接觸；一光學級的黏著層，填覆於該第二表面與該永久基板的頂面之間並黏結該永久基板與該磊晶膜；及一頂電極，可導電並與該磊晶膜相歐姆接觸，與該永久基板配合對該磊晶膜提供電能。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之雙面粗化垂直導通式發光二極體，其中，該第二表面的多數峰域與該頂面是合金接合。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之雙面粗化垂直導通式發光二極體，其中，該永久基板具有一基底，及一自該基底向上形成且反射光的反射膜。
4. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述之雙面粗化垂直導通式發光二極體，其中，該永久基板的頂面包括複數相間隔並與該磊晶膜第二表面的峰域接觸的凸部，及一連結該等凸部的基部。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之雙面粗化垂直導通式發光二極體，還包含一由透明且可導電的材料形成在該磊晶膜與該頂電極之間的透明導電膜。
6. 一種雙面粗化垂直導通式發光二極體的製作方法，包含：(a)於一磊晶基板上磊晶成長一在提供電能時以光電效應產生光的磊晶膜；(b)粗化該磊晶膜的一相反於連接該磊晶基板的第一表面，並製作與該第一表面相歐姆接觸的頂電極；(c)將一暫時基板可分離地貼覆在形成有該頂電極的第一表面上，移除該磊晶基板而使該磊晶膜之一相反於該第一表面的第二表面裸露；(d)粗化該磊晶膜的第二表面，且使粗化後的第二表面的高低落差不小於300nm，製得一第一半成品；(e)準備一可導電並具有一可反射光的頂面的永久基板；(f)將該永久基板以該頂面接觸該第一半成品的第二表面，並用一光學等級的黏著層黏結該永久基板與第一半成品，並令該粗化後的第二表面的峰域歐姆接觸地連接該永久基板，製得一第二半成品；及(g)移除該第二半成品的暫時基板，製得該雙面粗化垂直導通式發光二極體。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之雙面粗化垂直導通式發 光二極體的製作方法，其中，該步驟(b)先用一透明且可導電的材料在該第一表面上形成一透明導電膜後，再將該頂電極與該第一表面相歐姆接觸地設置在該透明導電膜上。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之雙面粗化垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該步驟(f)將該永久基板以該頂面接觸該第一半成品的第二表面時，同時將該第二表面的多數峰域與該頂面相合金接合。
9. 依據申請專利範圍第6或8項所述之雙面粗化垂直導通式發光二極體的製作方法，其中，該步驟(e)準備的基板頂面具有複數彼此相間隔的凸部，及一連接該等凸部的基部。