TWI396299B

TWI396299B - 薄膜發光二極體晶片及製造薄膜發光二極體晶片之方法

Info

Publication number: TWI396299B
Application number: TW097101979A
Authority: TW
Inventors: 塞格佛萊赫爾曼
Original assignee: 歐斯朗奧托半導體股份有限公司
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2013-05-11
Also published as: EP2132791A1; US9142720B2; DE102007004304A1; WO2008092774A1; CN101601143A; CN101601143B; US20100072500A1; TW200847487A; EP2132791B1; KR20090111861A

Description

薄膜發光二極體晶片及製造薄膜發光二極體晶片之方法

本發明涉及一種薄膜發光二極體晶片及其製造方法。

本專利申請案主張德國專利申請案10 2007 004 304.1之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。

在已公開的文件DE 100 40 448 A1中描述一種半導體晶片及以薄膜技術來製造此半導體晶片之方法。在一基板上配置一種由活性的層序列和基層所構成的層複合物。此外，一種強化層和輔助載體層附加至該層複合物上，在基板被剝除之前，這些層以電鍍方式施加至該基層上。在已剝除的基板之此側上以積層方式形成一箔，以操控該由層複合物所形成的半導體晶片。

由新型專利文件DE 202 200 258 U1中已知一種半導體晶片，其包括一種生長在基板上的半導體層，此半導體層藉由一種脈波式雷射光束之照射而與基板相分離且以其由該基板剝除的此側黏合至一載體上。

本發明的目的是提供一種耦合輸出較佳的薄膜發光二極體晶片。此外，本發明提供一種以較簡易的方式來製造薄膜發光二極體晶片的方法，此晶片具有良好的光耦合輸出。

上述目的藉由一種具有層堆疊之薄膜發光二極體晶片來達成，此層堆疊具有一第一主發射面和一第二主發射面，其與第一主發射面相面對，使此薄膜發光二極體晶片具有至少二個主發射方向，其中在第一和第二主發射面上設有多種措施，以使層序列中所產生的光之耦合輸出獲得改進。

就方法而言，上述目的藉由一種薄膜發光二極體晶片之製造方法來達成，此製造方法包括以下的步驟：在一種生長基板上形成一種適合用來發光的層序列，其特別是由半導體材料所構成；在該活性的層序列之第一側上形成導電性的第一接觸材料層；使第一接觸材料層結構化以形成一接觸面；使已結構化的第一接觸材料層與一載體相連接；去除該生長基板；在該活性的層序列之第二側(其與該活性的層序列之第一側相面對)上形成導電性的第二接觸材料層；將第二接觸材料層結構化以形成一接觸面且將該已結構化的第一接觸材料層由該載體中分開。

此薄膜發光二極體晶片是一種半導體組件，其在二個主發射方向中發出光束。因此，此種耦合輸出在二個主發射方向中較佳是具有對稱性。主要的先決條件在於，該薄膜發光二極體晶片之任一側上都未設置一可吸收光束的基板層。至少可藉由薄膜發光二極體晶片之較佳是對稱的形式來確保：發射特性在二個主輻射方向中相同。

藉由在二個主發射面上設置多種措施，以使該層序列中所產生的光之耦合輸出獲得改進，則該薄膜發光二極體晶片之效率可提高。在該層堆疊之界面上，使該層堆疊之材料之折射率之值與周圍材料之折射率之值之間形成一種跳躍現象。於是，光在由層堆疊轉移至周圍環境中時會發生一種折射現象。依據光束或光子入射至該界面上時的角度之不同，則可造成一種全反射。由於該層堆疊之平行的表面，則反射的光束以相同的角度入射至相面對的界面上，使該處發生全反射。結果，光束在層堆疊中無作用地傳送著且因此對光束的發出並無貢獻。藉由在二側上設置有多種措施以使層序列中所產生的光之耦合輸出獲得改進，則光束入射至表面上時的角度會改變。

所謂使耦合輸出獲得改進所用之措施主要是指表面結構化。特別是可藉由微稜鏡結構化來使光束發出或使主發射面之粗糙度提高。就像本發明之一有利的形式一樣，若表面設有粗糙度，則可形成一種不規則的表面，其可使光的耦合輸出獲得改進。就像本發明之另一有利的形式一樣，若設有耦合輸出稜鏡，則會在該耦合輸出稜鏡之區域中使光束入射至界面上時的入射角不同於入射至主發射面之與該耦合輸出稜鏡相鄰的區域時的入射角。因此，在主發射面之不同的區域中上述界面會形成不同的狀態，這樣可使光束之耦合輸出獲得改進。

另一措施是使用光子晶體以作為層堆疊之主發射面上的層。於是，光束之一部份(其以一種等於或大於臨界角之角度入射至該光子晶體上)會轉向，使此部份的光束在一種小於該臨界角之角度下入射至一輻射發射面上且因此即發出。

該光子晶體除了光學功能以外可承擔一種電性功能且因此可用來使電流擴大，即，經由接觸面而傳導的電流在該光子晶體中將分佈在該層堆疊之一種較該接觸面還大的面積上。

較佳是使用該光子晶體作為一種措施，以便例如藉由表面結構化來使耦合輸出獲得改進。

本發明之薄膜發光二極體晶片之特點在於，使該層序列中所產生的光之耦合輸出獲得改進所用的措施是設置在層序列之二個表面上。產生薄膜發光二極體晶片用之傳統技術不允許相同形式的表面形成在一種層堆疊之二側上。

本發明的方法可製成一種對稱的薄膜發光二極體晶片，藉此可在一種層序列之二側上藉由已結構化的接觸材料層來形成各接觸面，且光之耦合輸出獲得改進所用的措施可予以實現。在首先使生長基板用來達成該層序列所需的穩定性且因此使各接觸材料層或稍後各接觸面和各措施可使光在一側上的耦合輸出獲得改進時，則隨後在已結構化的此側上施加一暫時性的載體層，以去除另一側上的生長基板且可對第二側進行處理，以形成各接觸面或使用各措施以使該層序列之第二側上的光之耦合輸出獲得改進。

其它使本發明的薄膜發光二極體晶片之效率獲得改良用的措施在於，須形成各接觸面，使各接觸面在面向該層序列之此側上具有反射性。於是，光在各接觸面中未被吸收而是被反射且發射至相面對的此側上。由於此晶片是一種在二個主發射方向中發出光束的組件，已反射的光不會消失而是在相反的主發射方向中發出。

為了使電流擴大性獲得改進，則可在該層序列之二個表面之一表面上或在該層序列之二個表面上施加一種銦錫氧化物(ITO)。較佳是在p摻雜的層序列之表面上施加一種ITO層，這樣可有利地使該薄膜發光二極體晶片之p摻雜側上的橫向導電性獲得改良。

較佳是在ITO層(其較佳是配置在p摻雜的層序列之表面上)上施加該接觸面。於是，此ITO層可在整面上施加在p摻雜之層序列之表面上。

在上述薄膜發光二極體晶片之另一種形式中，一種佈拉格(Bragg)鏡面施加在該層序列之一表面上。於是，該層序列中所產生的光較佳是可在與佈拉格鏡面相面對的此側上(即，只在二個主發射方向中之一方向中)發出。另一方式是，在該層序列之一表面上施加一種介電質鏡面。藉由一種施加在該層序列之表面上的鏡面，則可獲得一種單側發光之無基板式薄膜發光二極體晶片，其具有小的厚度，此厚度較佳是在5和7μm之範圍中。

本發明的晶片或本發明的方法之其它有利的形式描述在申請專利範圍各附屬項中。

本發明以下將依據實施例來描述。

第1圖中顯示一種薄膜發光二極體晶片，其在二個主發射面上在二個主發射方向中發光。

薄膜發光二極體晶片之特徵特別是以下各點：

-此磊晶層序列具有一種20μm以下的厚度，特別好的情況是10μm。

-此磊晶層序列包含至少一種半導體層，其至少一面有一混合結構。在理想狀況下，此混合結構可使磊晶層序列中的光達成一種近似遍壢(ergodic)之分佈，即，該光具有一種儘可能遍壢之隨機雜散特性。

薄膜發光二極體晶片之基本原理例如已描述在文件I.Schnitzer et al.,Appl.Phys.Lett.63(16),18.October 1993,page 2174-2176中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。

薄膜發光二極體晶片很類似於一種藍伯(Lambertian)表面輻射器且特別適合用在探照燈中。

本發明中該層複合物具有一種活性之層序列以產生電磁輻射，該層序列較佳是以磊晶方式生長在一種生長基板上。為了設定多個薄膜發光二極體晶片，則大面積的層複合物須劃分成個別的層堆疊。所謂劃分例如可藉由切鋸來進行。在本發明的實施例之以下的描述中，將描述個別之薄膜發光二極體晶片之構造或此種晶片之製造方法。當然，本發明亦可延伸至共同來製造多個相同形式的薄膜發光二極體晶片，其稍後將被劃分。

在第1圖所列舉的形式中設有p摻雜的半導體層11和n摻雜的半導體層12，其形成一種發光的層序列。較佳是設置一種氮化物化合物半導體以作為半導體材料，這表示：活性的層堆疊或至少此層堆疊的一層是一種氮化物-III-V-化合物半導體材料，較佳是Al_n Ga_m In_1-n-m N，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n+m≦1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確的組成。反之，其可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此半導體材料之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(Al,Ga,En,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由小量的其它物質(例如，P)來取代。具有氮化物化合物半導體之薄膜發光二極體晶片主要是發出一種波長在可見光譜之短波長的區域中的輻射。

薄膜發光二極體晶片之其它形式在上側和下側上是相同的，因此以下的說明只以上側3作為參考。上側3形成主發射面之一，其中第一主發射方向5垂直於此面。第1圖之實施例中，對應於本發明的不同外觀而使用多種措施。個別的措施亦可在本發明的不同形式中個別地實現。

第一種措施是表面3之粗糙化，此時藉由粗造面7可使層序列2中所產生的光之發射特性獲得改進。光在該經粗糙化的部份7之區域中發生很不相同的射出角度，使此機率(以不會造成全反射的角度入射至該界面上)提高。這些經粗糙化的部份較佳是藉由蝕刻(即，一種濕式化學方法)來產生。晶體在上側上和下側上在蝕刻時通常具有不同的特性，因此，以不同的方法使不同側被粗糙化或被結構化時是有利的。

另一措施是設置多個耦合輸出稜鏡8，其可取代上述的經粗糙化的部份或亦可與上述的經粗糙化的部份相組合。藉由各耦合輸出稜鏡，則同樣可使此角度(一種光束以此角度入射到通往周圍環境之界面上)相對於該表面3之相鄰的區域而改變。因此，此機率(一種入射至此區域之光束已事先在該表面3或4之另一位置上發生反射)可提高。

各耦合輸出稜鏡以微影術而被結構化。可使用一種例如由SiO₂ 或SiN所構成的層來作為蝕刻光罩。然後，可進行一種乾式化學蝕刻。

第三種措施是使接觸面9之下側具有反射性。各下側是指各接觸面之指向該活性之層序列2之此側。藉由鏡面塗層10，則層序列2中所產生的光將經由鏡面塗層10而反射回到層序列2中，此時該光將入射至相面對的界面上且可在該處離開該層序列2。設有鏡面塗層之各接觸面9於是可使效率提高，此乃因被吸收的光不多而是使所產生的全部的光之大部份都發射至主發射方向5或6中之一方向。

作為上述形式的一種變形例時，亦可在各耦合輸出稜鏡8上設置多個電性接觸面9。同樣，亦可使上接觸面和下接觸面9互相偏移，以形成不同的空間狀態。於是，發射特性基本上是對稱的。

為了使電流擴大性獲得改良，可在半導體層11、12之二個表面之一表面上或在半導體層11、12之二個表面上施加一種銦錫氧化物(ITO)層(未顯示)。較佳是在p摻雜的半導體層11之表面上施加一種ITO層，這樣可有利地使薄膜發光二極體晶片之p摻雜之此側上的橫向導電性p獲得改良。在此種情況下，各接觸面9是配置在ITO層上，各接觸面較佳是設有鏡面塗層10。於是，ITO層可整面施加在p摻雜的半導體層11之表面上。

具有各層11和12之層堆疊2典型上所具有的高度小於20μm，較佳是小於10μm。在本發明之一特別有利的形式中，該層堆疊所具有的高度是7μm。層堆疊之高度較小時所具有的優點是：此薄膜發光二極體晶片將具有可撓性且由於機械應力所造成的損傷的危險性較小。於是，利用本發明的薄膜發光二極體晶片，則可製成可撓性的發光箔。

第1圖所示的晶片可設有一種覆蓋層，以保護此晶片或將此晶片埋入至一種較大的單元中。此保護層可含有一種轉換材料，其藉由電致發光而將該層堆疊所產生且發出的光完全或一部份轉換成不同波長的光。發光物質因此是由該層堆疊中所產生的光所激發以發出輻射。此轉換材料可積體化於該覆蓋層中，但亦可形成另一轉換層。

在第2圖的俯視圖中可辨認出：一接觸面以框形的形式配置在該活性之層序列2之上側3上。框形的形式之優點在於所需的面積較少，使發光時可使用的面積可最大化，但同時亦可確保在該薄膜發光二極體晶片之表面上可達成一種良好的電流分佈。在該晶片的角隅上可辨認一種結合面20，其稍後用來使該薄膜發光二極體晶片1可與各導電軌或各結合線相接觸。該層序列中所產生的光之發射特性依據第1圖而獲得改進時所用的措施同樣設置在第2圖之晶片中，但在第2圖中不能辨認出此措施。

第3圖顯示本發明之薄膜發光二極體晶片1之三維空間的視圖。就像第2圖一樣，第3圖中不能辨認出使光的發射特性獲得改進所用的措施。與第1、2圖之實施形式不同之處在於，第3圖中在主發射面之表面之中央區域中設有一閉合之接觸區9，其只覆蓋該主發射面之10至20%之面積，因此仍有一種足夠大的面積可用來發光。

由第4圖中可辨認出，本發明的薄膜發光二極體晶片1如何與載體箔13相連接，以便可達成一種可使用的配置。各載體箔13之間容納著該薄膜發光二極體晶片1。各載體箔13由透明的材料所構成，以便可在二個主發射方向中發射。在載體層13之面對薄膜發光二極體晶片之此側上設有多條接觸軌道14，以便與薄膜發光二極體晶片達成一種電性上的接觸。此接觸較佳是經由銦錫氧化物(ITO)接觸區來達成，因此不需要金屬。另一方式是，各接觸軌道4可具有金或錫。

在一種與第4圖之配置不同的形式中，當薄膜發光二極體晶片1之接觸面位於薄膜發光二極體晶片1之一側上時是有利的。然後，只需設有一種具有接觸軌道14之載體箔13且此配置的一終端已簡化。

在一種與第4圖之配置不同的形式中，在半導體層11、12之一表面上施加一佈拉格鏡面。於是，此層序列中所產生的光可較佳地在與此佈拉格鏡面相面對的此側上發出，即，只在二個主發射方向中之一方向中發出。另一方式是，在半導體層11、12之一表面上可施加一種介電質鏡面。藉由一種施加在半導體層11、12之表面上的鏡面，則可獲得一種單側發射之無基板式薄膜發光二極體晶片，其具有較小的厚度，此厚度較佳是在5和7μm之範圍中。

然後，依據第5A至5H圖來說明，以依據本發明的方法來製成一種薄膜發光二極體晶片。在第一步驟中，在生長基板15上形成一種適合用來發光的具備一種層11和12之層序列。這例如可在藍寶石基板上或SiC基板上藉由多個不同的層之磊晶生長來達成，其中這些層較佳是含有氮化物化合物半導體。

第5B圖中顯示下一製造步驟，其中在該具有層11和12之活性的層序列上施加一種接觸材料層16。此接觸材料層16具有導電性。當製造此接觸材料層16，以便在下側上形成一種包封時特別有利，此包封使該活性的層序列中所產生的光無損耗地或只損耗很少地反射。上述的鏡面塗層例如可藉由一種銀層或一種含銀的層來實現。

該接觸材料層16可整面施加在該具有層11和12之層序列上。另一方式是，該接觸材料層16可一部份例如藉由光罩而施加在一些位置上，這些位置上稍後形成多個接觸面。

在第5B圖中，該接觸材料層16施加在整面上。

第5C圖中，該接觸材料層16被結構化，使接觸面9保持著且該接觸材料層16之其餘部份被去除。同時或在下一步驟中可使該具有層11和12之層序列之表面粗糙化，以便使該活性的層序列中所產生的光的耦合輸出獲得改進。在本方法的另一種方式中，在施加該接觸材料層之前須進行粗糙化。然後，在該接觸材料層結構化之後將存在著經粗糙化的部份。

在第5D圖所示的下一步驟中，一種載體17施加在該接觸材料層16之其餘部份上，該接觸材料層16依據第5D圖只由接觸面9所構成。在施加該載體17之後，在藉由該載體17來繼續進行處理時可確保該具有層11和12之層序列之穩定性，使該生長基板15可去除。相對應的步驟顯示在第5E圖中。該生長基板15之剝除例如可藉由一種雷射剝蝕方法來達成，如WO 98/14986中所述。在雷射剝蝕方法中，基本上經由該生長基板15而對該生長基板15和該活性的層序列之間的界面照射電磁輻射(較佳是雷射輻射)，以便在該界面上藉由輻射的吸收來進行一種材料分解。於是，該生長基板15和該活性的層序列2可未受損地互相分離。該生長基板15可繼續使用。

另一方式是，該生長基板的剝除可藉由蝕刻或其它適當的去除方法來達成。

為了在另一側上獲得一種適合用來發光且同時亦適合作為接觸用的平面結構，則在第5F圖所示的下一步驟中可在該活性的層序列2之另一側上施加一第二接觸材料層18。就像第一接觸材料層18一樣，然後使第二接觸材料層18結構化(第5G圖)，以便獲得各接觸面9。同時或在下一步驟中，使下方的表面粗糙化，以使耦合輸出獲得改進。在以上這些處理步驟中，如上所述可藉由該載體17來確保穩定性。

在下一步驟中，依據第5H圖將該載體17去除，以獲得一種可繼續加工的薄膜發光二極體晶片。

若不使表面粗糙化，則亦可使用多個耦合輸出稜鏡或其它的措施，其適合用來改進該活性的層序列2中所產生的光之耦合輸出。

粗糙化和各耦合輸出稜鏡的產生都可藉由蝕刻來達成，即，對現有的表面中的各結構進行蝕刻。在另一種不同方式的技術中，以乾蝕刻方式藉由離子電漿來對該表面進行加工。

載體箔13可含有一種塑料。適合用作載體箔13之材料例如可包括玻璃、環氧樹脂、PET、聚合物，特別是聚醯亞胺，例如，Kapton或上述材料之組合。

此外，在一較佳的實施形式中該載體箔包括碳纖維，其例如可埋置在一種聚合物膜中且具有較該聚合物膜還高的導熱性，於是整體上可有利地獲得一種具有黏合性和導熱性的載體層。

此外，該載體層可具有一種玻璃織成物，特別是矽酸鹽。ITO(銦錫氧化物)塗佈之玻璃箔特別適合。

就各接觸軌道而言，當使用同時具有導電性和透明性的材料時是有利的，這在所謂”透明的導電氧化物(TCO)”時即屬此種情況。一種適當的材料是銦錫氧化物(ITO)。

本發明中以6μm作為發出輻射之層序列2之厚度的下限。上限大約是20μm。

形成多個發射結構用的其它措施是在該層堆疊2之主發射面3和4上設置光子晶體以例如作為另一層。光子晶體較佳是包括多個具有第一折射率的第一區和多個具有第二折射率之第二區。這些區域規則地配置時特別有利。規則的配置可對應於一種一維的、二維的或三維的柵格。本發明的範圍中光子晶體可具有二維的柵格的結構。於是，二個相鄰的第一區之間或二個相鄰的第二區之間的距離可對應於柵格常數。光子晶體在該柵格常數可依據半導體本體所產生的輻射之波長來調整時可最佳地達成其作用。二個相鄰的第一區之間或二個相鄰的第二區之間的距離大約對應於該層堆疊所產生的輻射之波長。此距離位於10^-9 m和10^-6 m之間時特別有利。

上述的造型中薄膜發光二極體晶片容納在透明的箔之間，除了此種造型之外，亦可實現一種澆注造型，此時二側上所使用的澆注材料是透明的。特別的注意力必須集中在熱發散上。為了確保一種足夠的散熱作用，則可使用一種填入銀的環氧化合物黏合材料膜，其含有80%之銀和20%之非揮發性的環氧樹脂。填入銀的環氧化合物黏合材料施加在薄膜發光二極體晶片1上且然後加熱至80℃至90℃。此黏合材料膜可容易地熔化，這樣可獲得一種良好的主黏合性。然後，該膜在溫度大約150℃時硬化。這樣所形成的載體層2具有導電性且具有一種150℃至155℃之氣體過渡(transition)溫度。此外，載體層13具耐熱性和耐化學性。由於厚度小，因此具有某種程度的彈性。然而，特別是亦可使用其它的每一種材料(較佳是塑料)以作為載體層13的材料，其所具有的特性對應於上述例如依據環氧化合物黏合材料膜所說明的特性。

此外，晶片之全部的側面上的鈍化層例如可設有二氧化矽(SiO₂ )。

載體箔整體上可具有導電性或如第4圖所示只以導電軌來形成，載體箔13之其餘的區域則不具有導電性。

在另一形式中，薄膜發光二極體晶片可應用在照明裝置中或用在一種感測器中。

本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是使光的耦合輸出改進用的不同的措施不只可互相使用，而且亦可個別地使用。各接觸面9之鏡面塗層亦可未設有經粗糙化的部份或未必與多個耦合輸出稜鏡相組合，而是每一種措施都可互相獨立地使用。

1‧‧‧薄膜發光二極體晶片

2‧‧‧層序列

3‧‧‧薄膜發光二極體晶片之上側

4‧‧‧薄膜發光二極體晶片之下側

5，6‧‧‧主發射方向

7‧‧‧經粗糙化的部份

8‧‧‧耦合輸出稜鏡

9‧‧‧接觸面

10‧‧‧鏡面塗層

11‧‧‧p摻雜的半導體層

12‧‧‧n摻雜的半導體層

13‧‧‧載體層

14‧‧‧接觸軌道

15‧‧‧生長基板

16‧‧‧接觸材料層

17‧‧‧載體

18‧‧‧接觸材料層

20‧‧‧結合面

第1圖本發明之薄膜發光二極體晶片之橫切面。

第2圖是第1圖之薄膜發光二極體晶片之主發射面上的俯視圖。

第3圖具有不同形式之接觸面之薄膜發光二極體晶片之三維空間的視圖。

第4圖是第1圖或第3圖之薄膜發光二極體晶片之配置和透明的載體箔。

第5A至5H圖是第1圖和第3圖之薄膜發光二極體晶片在製程之不同階段時的圖解。