CN106159073B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光元件及其制造方法，该发光元件包含：一导电支持基板，包含一第一表面、一相对于第一表面的第二表面、一形成一导电通道的第一部件、一第二部件、一由第一部件及第二部件定义的环状开口，环状开口由第一表面延伸至第二表面、以及一填入环状开口的绝缘材料；一发光叠层结构，包含一具有一第一半导体层、一第二半导体层以及一位于第一半导体层与第二半导体层间的活性层的半导体叠层、以及一第一导电层，电连接第一半导体层或第二半导体层与导电通道；以及一导电接合层，利用导电接合层接合发光叠层结构于第一表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件及其制造方法，更详言之，是涉及一种具有高亮度的发光元件。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode,LED)为P型半导体与N型半导体所组成的光电元件，通过P-N接面上载流子的结合放出光线，加上具有体积小、低耗电量、寿命长、反应速度快等优点，广泛地使用于光学显示装置、交通号志、数据存储装置、通讯装置、照明装置与医疗器材等。现有的发光二极管结构有水平式结构以及垂直式结构。在水平式结构以及垂直式结构发光二极管中，芯片的正面(出光面)有电极遮蔽，使得出光受限制，因此发展出将芯片倒置，使得电极面向下而光线经由蓝宝石基板面射出的结构，也就是倒装式结构。倒装式结构发光二极管可通过电极或凸块与封装结构中的散热结构直接接触，除了提升散热效果之外，也可省去打线、导线支架等制作工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光元件及其制造方法，尤其是关于一种具有高亮度的发光元件。
为达上述目的，本发明提供一种发光元件，包含：一导电支持基板，包含一第一表面、一相对于第一表面的第二表面、一形成一导电通道的第一部件、一第二部件、一由第一部件及第二部件定义的环状开口，环状开口由第一表面延伸至第二表面、以及一填入环状开口的绝缘材料；一发光叠层结构，包含一具有一第一半导体层、一第二半导体层以及一位于第一半导体层与第二半导体层间的活性层的半导体叠层、以及一第一导电层，电连接第一半导体层或第二半导体层与导电通道；以及一导电接合层，利用导电接合层接合发光叠层结构于第一表面。
本发明提供一种发光元件制造方法，包含：提供一具有第一半导体层、活性层以及第二半导体层于一成长基板上的发光叠层结构；形成一第一接合层于发光叠层结构上；提供一具有一第一表面以及一相对于该第一表面的第二表面的基板，蚀刻该基板的第一表面至一深度以形成一环状封闭沟槽；在环状封闭沟槽内填充一绝缘材料；利用接合第一接合层接合发光叠层结构与基板；由第二表面将基板减薄至暴露出绝缘材料，形成一第三表面；以及在第三表面形成一电极垫。
附图说明
图1为本发明第一实施例的发光元件截面结构图；
图2A～图2D、图3A～图3C以及图4A～图4D为本发明第一实施例的制造方法的示意图；
图5A～图5C分别为本发明第二实施例的发光元件的上视图、沿AA’截面的结构图以及沿BB’截面的结构图；
图6为本发明第三实施例的发光元件截面结构图；
图7为本发明第四实施例的发光元件截面结构图。
符号说明
1、2、3、4：发光元件
5、6、7、8：发光叠层结构
10、12：支持基板
100、200：第一导电通道
300：第二导电通道
101、102、102’：表面
120：环状开口
120a：环状封闭沟槽
60、601、602、603：绝缘层
14：成长基板
18a、18b：电极垫
20：半导体叠层
22：第一半导体层
24：活性层
26：第二半导体层
30：金属接触层
32：开口
36：绝缘材料
38：通孔
40、40’：金属导电层
401、402：第一、第二导电层
403：电极延伸层
46、46’：导电接合层
50：保护层
52：粗化结构
308：暴露区
具体实施方式
本发明的实施例会被详细地描述，并且绘制于附图中，相同或类似的部分会以相同的号码在各附图以及说明出现。
图1为本发明第一实施例的发光元件1截面结构图。如图1所示，发光元件1具有一发光叠层结构5，以一导电接合层46’接合固定在一支持基板10上。发光叠层结构5，例如为发光二极管叠层结构或激光叠层结构，包含一半导体叠层20，包含一第一半导体层22、一第二半导体层26以及一活性层24位于第一半导体层22与一第二半导体层26之间。第一半导体层22及第二半导体层26例如为可提供载流子的包覆层(cladding layer)或可局限载流子的限制层(confinement layer)，使电子、空穴于活性层24中结合以发光。第一半导体层22、活性层24、及第二半导体层26的材料包含一种以上的元素，此元素可选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)、氮(N)、锌(Zn)、镉(Cd)与硒(Se)所构成的半导体化合物，例如AlxInyGa(1-x-y)N或AlxInyGa(1-x-y)P，其中0≦x,y≦1；(x+y)≦1。依据活性层24的材料，半导体叠层20可发出波长介于610nm及650nm之间的红光、波长介于530nm及570nm之间的绿光、波长介于450nm及490nm之间的蓝光，或是波长小于400nm的近紫外光(near UV)或紫外光(UV)，包括波长介于400nm及315nm之间的UVA，315nm及280nm之间的UVB，以及280nm以下的UVC。活性层24的结构可为单异质结构、双异质结构、双侧双异质结构、多重量子阱或量子点。第一半导体层22与第二半导体层26电性相异，在本实施例中，第一半导体层22掺杂p型杂质，为p型半导体层，而第二半导体层26掺杂n型杂质，为n型半导体层。第一半导体层22的表面具有一电流扩散层(图未示)、一金属接触层30以及一选择性形成的反射层(图未示)。一第一导电层401位于金属接触层30的表面，电连接第一半导体层22，并于垂直方向延伸至支持基板10。在半导体叠层20中具有多个通孔38，通孔38通过移除第一半导体层22与活性层24所形成，并使部分第二半导体层26暴露出来，多个第二导电层402设置于多个通孔38中，与通孔38底部所暴露出的第二半导体层26连接。通孔38及第二导电层402的数量与设置可依注入电流大小及电流分散目的而有不同设计方式。第二半导体层26相对于活性层24的表面可选择性地形成一粗化结构52，用以降低全反射以增进出光效益。第一导电层401与第二导电层402优选为金属材料，包含但不限于金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铬(Cr)、铝(Al)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、锡(Sn)、上述材料的合金或其叠层组合。金属接触层30上具有绝缘层60，绝缘层60延伸并覆盖多个通孔38内的半导体叠层20侧壁以及部分的通孔底部，并设置于第一导电层401和第二导电层402之间，以确保第一导电层401和第二导电层402间的绝缘性。
支持基板10具有一第一表面101以及一相对于第一表面101的第二表面102。支持基板10中具有一环状开口120，由第一表面101延伸至第二表面102，环状开口是指此开口由第一表面101或第二表面102俯视为一环状。环状可以是圆环或是其他形状的环状，例如方型环状。由环状开口120包围的为支持基板10的一部分，由支持基板10的第一表面101或第二表面102向下蚀刻出环状开口，保留环状开孔120中间的支持基板10。环状开口120内填充了绝缘材料36，当支持基板10为导电材料时，环状开口120包围的支持基板10可形成一导电通道100，而绝缘材料36可使导电通道100与支持基板10之间达到电性绝缘。支持基板10的导电材料包含但不限于磷化镓(GaP)、硅(Si)、钼(Mo)、铜(Cu)、其他金属材料、金属合金或金属基印刷电路板(Metal Core PCB；MCPCB)。在支持基板10的第一表面101具有导电接合层46’，用以接合发光叠层结构5，并使发光叠层结构5的第一导电层401、第二导电层402分别与导电通道100、支持基板10电连接。导电接合层46’优选为金属材料，包含但不限于铜、金、锡、其他金属或金属合金材料。支持基板10的第二表面102设有第一电极垫18a与第二电极垫18b，用以与外部电源及/或电路元件进行电连接，也可具有散热功能。第一电极垫18a设置于导电通道100的第二表面102上，第二电极垫18b设置于环状开口120以外的第二表面102上。当支持基板10为导电材料且对发光元件1施以外部电压时，位于第二表面102的第一电极垫18a可经由导电通道100、第一导电层401以及金属接触层30与第一半导体层22形成导通；同样地，第二电极垫18b可经由支持基板10、导电接合层46’以及多个第二导电层402与第二半导体层26形成导通。环状开口120中的绝缘材料36可确保第一电极垫18a与第二电极垫18b之间的电性绝缘。发光元件1另具有保护层50，覆盖第二半导体层26表面及发光叠层结构5的侧壁，可保护半导体叠层20以及发光叠层结构5。
在本实施例中，通过多个通孔38及多个第二导电层402的设置，可使电流均匀分散；由于电极垫18a、18b都设置于支持基板10的第二表面102，除了使电极垫18a、18b与外部电子元件的接合制作工艺更加简便外，也有助于发光元件1的散热。发光元件1的出光面(即第二半导体层26相对于支持基板10的表面)无任何电极结构遮蔽，可增进发光元件1的整体发光效率。
图2A至图2C、图3A至图3C以及图4A至图4D为依据本发明第一实施例的制造方法。图2A至图2C为其中发光叠层结构5的制造方法。如图2A所示，在一成长基板14上以外延制作工艺形成一半导体叠层20，依序包含一第二半导体层26、一活性层24以及一第一半导体层22，也可在形成第二导体层26前形成一缓冲层(图未示)于成长基板14，用以降低后续外延制作工艺所形成的晶格缺陷。成长基板14的材料包含但不限于蓝宝石(sapphire)、氧化镁铝(MgAl2O4)、铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化镁(MgO)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)或硅(Si)等。此外，成长基板14欲进行外延的表面可另具有图案化结构。接着，在第一半导体层22的表面进行蚀刻，以移除部分的第一半导体层22及活性层24，暴露出第二半导体层26并形成多个通孔38。接下来，如图2B所示，在第一半导体层22的表面形成电流扩散层(图未示)、金属接触层30及/或选择性地形成反射层(图未示)后，在金属接触层30上方以及多个通孔38的侧壁形成绝缘层601。绝缘层601覆盖多个通孔38中的半导体叠层20的侧壁、通孔38内的部分底部以及金属接触层30。部分的金属接触层30上方未被绝缘层601覆盖，形成开口32。接着，在开口32的正上方、多个通孔38内以及绝缘层601上方以金属镀膜制作工艺形成一金属层40’。接着，如图2C所示，以黄光制作工艺移除开口32正上方以外的金属层40’，形成导电层401、第二导电层402以及金属导电层40。接着，如图2D所示，在第一导电层401与第二导电层402之间再形成绝缘层构成绝缘层602。金属导电层40在后续制作工艺中将作为接合层使用，开口32中及其上方区域的金属层为第一导电层401，多个通孔38内的金属层为第二导电层402。本实施例的制造方法中，第一导电层401、第二导电层402与金属导电层40为同样材料，但本发明实施例并不限于此。例如，在另一实施例中，也可使用一金属材料在开口32以及多个通孔38中形成第一导电层401及第二导电层402，此金属材料可与第二半导体层26形成欧姆接触，之后在第一导电层401、第二导电层402以及绝缘层601上方以另一金属材料形成金属导电层40。金属导电层40在后续制作工艺中将作为接合层使用，因此材料可选择与第一/第二导电层不同的金属，包含但不限于金、其他金属叠层或其它合金。
图3A至图3C为依据本发明第一实施例中支持基板10的制造方法。如图3A所示，在一支持基板10的第一表面101以蚀刻制作工艺形成深度约200μm的环状封闭沟槽120a，亦即，此沟槽由支持基板10的第一表面101俯视为一封闭环状，此环状可以是一圆环或其他形状的环状，且环状封闭构槽120a中间的支持基板10保留着未被蚀刻掉的支持基板10，在后续制作工艺中将用以形成导电通道100。接着，如图3B所示，在第一表面101上及环状封闭沟槽120a中形成绝缘材料36，使绝缘材料36填充至环状封闭沟槽120a内。在本实施例中，可利用旋转涂布的方式在第一表面101上以及环状封闭沟槽120a内形成绝缘材料36。绝缘材料36可为聚亚酰胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、氧化镁(MgO)、Su8、环氧树脂(Epoxy)、丙烯酸树脂(Acrylic Resin)、环烯烃聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiOx)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(SiNx)、旋涂玻璃(SOG)、四乙氧基硅烷(TEOS)、氟化镁(MgF2)或上述材料的组合。接着，如图3C所示，保留环状封闭沟槽120a对应位置上的绝缘材料36，移除环状封闭沟槽120a的环形之内以及之外的绝缘材料36，并在移除绝缘材料36后的支持基板10的第一表面101上形成一金属接合层46。若没有保留部分的支持基板10，而是在支持基板中形成圆形开口，并在圆形开口内填入绝缘材料，此结构在圆形开口中填充胶材时易产生气泡，使得制作工艺难度增加，且若圆形开孔过大会有支撑性不足的问题。相较于上述作法，本实施例保留部分支持基板100以形成环状封闭沟槽120a，环状封闭沟槽120a的宽度比圆形开孔来得小，通过旋转涂布在较窄的环状沟槽120a内填入绝缘材料，可达到优选的覆盖性，以避免在通孔内形成绝缘材料时所产生的气泡，而造成绝缘性不佳等问题。
图4A至图4D为依据本发明第一实施例中，将发光叠层结构5与支持基板10接合以形成发光元件1的制造方法。如图4A所示，将发光叠层结构5倒置，使其表面的金属导电层40与第一导电层401作为接合层，并与支持基板10上的金属接合层46作接合，在本实施例中，可采用晶片接合(Wafer Bonding)方式，例如为金属-金属接合(Metal-Metal Bonding)。在接合制作工艺中，需将第一导电层401与环状封闭沟槽120a中的支持基板10对位，以达到电性导通。图4B为本步骤中支持基板10与发光叠层结构5的对应接合面的平面图。接合后，绝缘层602与绝缘层36接触，金属导电层40与金属接合层46接合形成导电接合层46’。接着，如图4C所示，移除成长基板14，例如利用激光剥离(Laser Lift-Off)制作工艺。接着，如图4D所示，将半导体叠层20分离成多个发光叠层结构5，此外，也可选择性地在发光叠层结构5相对于支持基板10的表面形成粗化结构52，以及在发光叠层结构5的表面及侧壁形成保护层50。接着，将支持基板10由相对于接合面的第二表面102’进行薄化，例如采用研磨方式，使支持基板10的第二表面102’减薄至暴露出环状封闭沟槽120a，以形成一第三表面102，暴露出的环状封闭沟槽120a即形成了环状开口120。并在导电通道100的第三表面102形成第一电极垫18a，以及在环状封闭沟槽开口120外的支持基板10的第三表面102形成第二电极垫18b。最后，利用激光或钻石刀等其他方式将各发光叠层结构5所对应的支持基板10切割开，以形成多个如图1所示的发光元件1。在本实施例的制造方法中，也可选择性地在发光叠层结构5的表面形成波长转换层(图未示)，例如为荧光粉或量子点材料。
在本实施例与其制作方法中，利用蚀刻出环状封闭沟槽120a并保留中间支持基板10来形成导电通道100，无需额外填入金属层作为导电通道，因此简化了制作工艺。此外，在环状封闭沟槽120a填入绝缘材料36，可增加绝缘材料的覆盖性，确保导电通道100与支持基板10间的绝缘性。以导电材料作为支持基板，发光叠层结构5的电流可通过导电接合层46’、支持基板10以及导电通道100传导至第一/第二电极垫18a/18b，与外部元件或电源作连结，发光元件1的出光面无任何电极遮蔽。电流在半导体叠层内的散布，可通过多个通孔38及多个第二导电层402的设置来达成，因此降低发光叠层结构5的顺向偏压(forward voltage；Vf)，发光效率进而提升。
图5A为本发明第二实施例的发光元件2的上视图，图5B及图5C分别为沿AA’截面及BB’截面的结构图，上视是指由发光元件2的出光面观之。如图5A～图5C所示，发光元件2具有一发光叠层结构6，以一导电接合层46’接合固定在一支持基板10上。支持基板10为导电材料，具有一填有绝缘材料36的环状开口120，以及位于环状开口120中的导电通道100，导电通道100的第二表面102与环状开口120外的支持基板10第二表面分别设有第二电极垫18b与第一电极垫18a。支持基板10的结构与制作方法与本发明第一实施例相同，因此不再赘述。发光叠层结构6包含一半导体叠层20，其中具有一暴露区308，暴露区308由移除部分第一半导体层22与活性层24，而暴露出部分第二半导体层26所形成。电极延伸层403设置于暴露区308内的第二半导体层26上，绝缘层603填入暴露区308内并覆盖电极延伸层403与暴露区308内的半导体叠层20侧壁。通孔38位于暴露区308内，在垂直方向上穿过绝缘层603并连通至电极延伸层403。与第一实施例相同，通孔38内设有第二导电层402，与电极延伸层403相连接并可达到电性导通。通孔38内的第二导电层402在垂直方向上延伸并连接至导电通道100，与第二电极垫18b电连接。第一半导体层22上同样具有一电流扩散层(图未示)、一金属接触层30以及一反射层(图未示)。导电接合层46’设置于金属接触层30上，与支持基板10接合。电流可由第一电极垫18a，经过支持基板10与导电接合层46’传递至第一半导体层22，并通过电极延伸层403在半导体叠层20内均匀分散，再由第二半导体层26经过第二导电层402与导电通道100传递至第二电极垫18b。因此暴露区308及电极延伸层403的形状与配置、通孔38与第二导电层402的设置，可依电流大小及分散目的有不同设计方式。发光叠层结构6与支持基板10的接合方法与第一实施例相同，因此不再赘述。
图6为本发明第三实施例的发光元件3的截面结构图。如图6所示，发光元件3具有一发光叠层结构7，以一导电接合层46’接合固定在一支持基板12上。本实施例的发光叠层结构7的结构与制作方法跟第一实施例相同，因此不再赘述。在本实施例中，支持基板12为非导电材料，包含但不限于氮化铝(AlN)、钻石、蓝宝石(sapphire)、玻璃、陶瓷以及高分子复合材料(polymer matrix composite,PMC)等。支持基板12具有第一表面101与相对于第一表面101的第二表面102，一第一导电通道200与一第二导电通道300位于支持基板中，由第一表面101延伸至第二表面102并贯穿支持基板12。第一/第二导电通道200/300由在支持基板中12形成开口，并填入导电材料(例如金属)所形成。导电接合层46’形成于发光叠层结构7与支持基板12之间，连接并覆盖第二导电通道300，用以与发光叠层结构7接合，同样地，如同在第一实施例的制作方法中所述，在接合时需将第一导电层401与第一导电通道200对位。第一电极垫18a及第二电极垫18b设置于第二表面102，分别与第一导电通道200及第二导电通道300连接。第一半导体层22可通过金属接触层30、第一导电层401以及第一导电通道200与第一电极垫18a形成电性导通；同样地，第二半导体层26可通过多个第二导电层402、导电接合层46’以及第二导电通道300与第二电极垫18b形成电性导通。第一导电通道200与第二导电通道300的数量不限于单一个，可依导电或散热目的设置多个。第一电极垫18a与第二电极垫18b的面积与配置，也可因封装结构、打线制作工艺或散热目的而有不同设计方式，例如第一电极垫18a与第二电极垫18b的面积可为相等或不相等。
图7为本发明第四实施例的发光元件4的截面图。如图7所示，发光元件4具有一发光叠层结构8，以一导电接合层46’接合固定在一支持基板12上。本实施例的发光叠层结构8的结构与制作方法跟第二实施例相同，而支持基板12为非导电材料，其结构与制作方法跟第三实施例相同，因此不再赘述。导电接合层46’设置于金属接触层30上，用以接合发光叠层结构8与支持基板12，第二导电层402与第二导电通道300连接。如此一来，第一半导体层22通过金属接触层30、导电接合层46’以及第一导电通道200与第一电极垫18a电连接，第二半导体层26通过第二导电层402以及第二导电通道300与第二电极垫18b电连接。
上述实施例仅为例示性说明本申请案的原理及其功效，而非用于限制本申请案。任何本申请案所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本申请案的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本申请案的权利保护范围如附上的权利要求所列。
Claims (12)
1.一种发光元件，包含：
支持基板，包含：
第一部件，形成一导电通道；
第二部件；以及
环状开口，由该第一部件及该第二部件所定义，该第一部件及该第二部件分别包含第一表面，以及相对于该第一表面的第二表面，该环状开口由该第一表面延伸至该第二表面；
绝缘材料，填入该环状开口；
发光叠层结构，包含：
半导体叠层，具有第一半导体层、第二半导体层以及位于该第一半导体层与该第二半导体层间的活性层；
第一导电层，设置于该第一部件上方且位于该半导体叠层及该第一部件之间以电连接于该导电通道；
第二导电层，设置于该第二部件上方，且位于该半导体叠层及该第二部件之间，以电连接该半导体叠层与该第二部件；以及
导电接合层，分别设置于该第一导电层与该第一部件之间，以及第二导电层与该第二部件之间，其中利用该导电接合层接合该发光叠层结构于该第一表面。
2.如权利要求1所述的发光元件，还包含第一电极垫，位于该第一部件的该第二表面，以及第二电极垫，位于该第二部件的该第二表面并与该第一电极垫相互分离。
3.如权利要求1所述的发光元件，还包含多个穿过该第一半导体层及该活性层的通孔，该第二导电层设置于各通孔中，以电连接该第二半导体层与该导电接合层，且其中该第一导电层电连接该第一半导体层与该导电通道。
4.如权利要求3所述的发光元件，其中该第一导电层与该第二导电层之间，以及该半导体叠层与该导电接合层之间具有绝缘层。
5.如权利要求1所述的发光元件，还包含：
通孔，穿过该第一半导体层及该活性层，该第一导电层设置于该通孔中，以电连接该第二半导体层与该导电通道，且其中该第二导电层电连接该第一半导体层与该导电接合层；以及
电极延伸层，位于该第二半导体层上，且连接该第一导电层。
6.如权利要求5所述的发光元件，其中该发光叠层结构还包含绝缘层，覆盖该通孔的侧壁。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中该导电通道与该支持基板为相同材料。
8.如权利要求1所述的发光元件，其中该支持基板的材料为磷化镓(GaP)、硅(Si)、钼(Mo)、铜(Cu)、金属材料、金属合金或金属基印刷电路板(Metal Core PCB；MCPCB)。
9.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光叠层结构相对于该支持基板的表面具有波长转换层。
10.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一半导体层上具有反射层。
11.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二半导体层表面上具有粗化结构。
12.一种发光元件制造方法，包含：
提供一发光叠层结构，包含：第一半导体层、活性层以及第二半导体层于一成长基板上；
形成一第一接合层，在该发光叠层结构上；
提供一基板，该基板具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面；
蚀刻该基板的该第一表面至一深度以形成一环状封闭沟槽，其中该基板通过该环状封闭沟槽区分为环状封闭沟槽内的第一部件以及环状封闭沟槽外的第二部件；
在该环状封闭沟槽内填充一绝缘材料；
将发光叠层结构中的第一导电层或第二导电层与基板的第一部件对位；
利用该第一接合层接合该发光叠层结构与该基板的第一部件及第二部件；
由该第二表面将该基板减薄至暴露出该绝缘材料，形成一第三表面；以及
在该第三表面形成一电极垫。
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