TWI759441B

TWI759441B - 光電半導體裝置的製造方法

Info

Publication number: TWI759441B
Application number: TW107107726A
Authority: TW
Inventors: 陳顯德
Original assignee: 優顯科技股份有限公司
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-04-01
Also published as: CN110246749B; US20190280151A1; CN110246749A; CN117476737A; CN117476738A; CN117457708A; US10600932B2; TW201939762A

Abstract

一種光電半導體裝置的製造方法，包括：提供一矩陣基板，矩陣基板包括一基材與一矩陣電路，矩陣電路設置於基材上；由一暫態基材上將多個微尺寸光電半導體元件轉置至矩陣基板上，該些微尺寸光電半導體元件間隔設置於矩陣基板上，且各微尺寸光電半導體元件的至少一電極分別與矩陣電路電性連接；形成一保護層完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件，保護層的高度大於該些微尺寸光電半導體元件的高度；以及研磨保護層，直到各微尺寸光電半導體元件之一背表面上的一殘留物及背表面被去除而露出一新表面為止。

Description

光電半導體裝置的製造方法

本發明係關於一種半導體裝置，特別是關於一種光電半導體裝置及其製造方法。

以氮化鎵(GaN)為基底的發光二極體是磊晶(Epitaxy)於例如藍寶石(sapphire)基材上，在製造光電半導體裝置的過程中，若需去除藍寶石基材，則會先將磊晶片以金屬接合(metal bonding)的方式永久固定在例如矽基板上，再做藍寶石基材的雷射剝離(laser lift-off,LLO)製程。其中，雷射剝離製程就是將位於氮化鎵與藍寶石基材界面的氮化鎵解離成氮氣(N₂)與鎵金屬，並在移除藍寶石基材後，鎵金屬會殘留在氮化鎵的表面。傳統上會以化學藥品(例如鹽酸)清洗氮化鎵表面之鎵金屬殘留物，使得發光二極體發出的光可減少被鎵金屬殘留物擋住。之後，再接續黃光、鍍金、蝕刻等製程以及利用輪刀或雷射切割矽基板而得到一顆一顆的晶粒，最後，再一顆一顆晶粒進行封裝。

然而，在製造微發光二極體的光電半導體裝置時，常將微發光二極體晶粒假固定在的暫態基材(例如為膠帶但不限)上，並於暫態基材的狀態下做藍寶石基材的雷射剝離製程，之後，再接續巨量地將微發光二極體從暫態基材轉移並永久固定至目標基板上。由此可知，此暫態基材的材料需要有假固定力而可穩定地將微發光二極體抓住在該暫態基材上，並且該暫態基材材料亦需可以承受後續的雷射剝離製程，但是，此假固定力又不可太大，否則無法順利進行後續發光二極體的巨量轉置。另外，若於雷射剝離後做化學藥品(例如鹽酸)清洗氮化鎵表面鎵金屬殘留物，此暫態基材又得額外滿足耐化性需求，這會增加暫態基材的材料選擇性上的困難；或者，根本沒有材料可以同時滿足上述要求。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種光電半導體裝置的製造方法。本發明光電半導體裝置的製造方法有別於傳統利用酸洗去除晶背上殘留物的作法，而且還可使光電半導體裝置具有較高的發光效率。

為達上述目的，依據本發明之一種光電半導體裝置的製造方法，包括：提供一矩陣基板，其中矩陣基板包括一基材與一矩陣電路，矩陣電路設置於基材上；由一暫態基材上將多個微尺寸光電半導體元件轉置至矩陣基板上，其中該些微尺寸光電半導體元件間隔設置於矩陣基板上，且各微尺寸光電半導體元件的至少一電極分別與矩陣電路電性連接；形成一保護層完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件，其中保護層的高度大於該些微尺寸光電半導體元件的高度；以及研磨保護層，並將保護層研磨至與該些微尺寸光電半導體元件等高時持續研磨，直到各微尺寸光電半導體元件之一背表面上的一殘留物及背表面被去除而露出各微尺寸光電半導體元件遠離矩陣基板的一新表面為止。

在一實施例中，各微尺寸光電半導體元件分別具有重疊設置的一p半導體層、一發光層、一n半導體層、一未摻雜層與一緩衝層，研磨製程去除緩衝層與部分的未摻雜層。

在一實施例中，研磨製程去除緩衝層，並使未摻雜層的厚度小於1.8微米。

在一實施例中，研磨製程除使微尺寸光電半導體元件的背表面被拋平，亦使微尺寸光電半導體元件的新表面與鄰接的保護層遠離矩陣基板的表面位於同一水平面，且使保護層與微尺寸光電半導體元件的高度差小於0.02微米。

在一實施例中，製造方法更包括：設置一保護基材於該些微尺寸光電半導體元件上，使該些微尺寸光電半導體元件與保護層位於保護基材與矩陣基板之間。

在一實施例中，保護層與保護基材的折射率相等，或相差 10%以內。

在一實施例中，保護層的折射率介於保護基材與微尺寸光電半導體元件之間。

承上所述，在本發明之光電半導體裝置的製造方法中，是形成保護層以完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件後，再利用研磨製程去除微尺寸光電半導體元件之背表面上的殘留物及部分的微尺寸光電半導體元件，以露出微尺寸光電半導體元件遠離矩陣基板的新表面，藉此去除背表面上的殘留物，同時也去除微尺寸光電半導體元件之缺陷最多的緩衝層及部分的未摻雜層。因此，相較於傳統發光二極體光電半導體裝置的製造過程中利用酸洗以去除晶背上殘留物的作法，本發明的光電半導體裝置的製造方法不需使用化學藥品去除殘留物的製程，而且也可提高發光效率。

1、1a、1b‧‧‧光電半導體裝置

11‧‧‧矩陣基板

111‧‧‧基材

112‧‧‧矩陣電路

12、12b‧‧‧微尺寸光電半導體元件

121‧‧‧背表面

122‧‧‧新表面

13‧‧‧保護層

131‧‧‧頂面

132‧‧‧表面

14‧‧‧保護基材

B‧‧‧緩衝層

C‧‧‧導電材料

d‧‧‧厚度

D1、D2‧‧‧電性連接墊

E‧‧‧發光層

E1、E2‧‧‧電極

h1、h2‧‧‧高度

N‧‧‧n半導體層

P‧‧‧p半導體層

R‧‧‧殘留物

S01至S04‧‧‧步驟

U‧‧‧未摻雜層

圖1為本發明較佳實施例之一種光電半導體裝置製造方法的流程步驟示意圖。

圖2A至圖2E分別為本發明一實施例之一種光電半導體裝置的製造過程示意圖。

圖2F為本發明不同實施態樣之光電半導體裝置的示意圖。

圖3A至圖3D分別為本發明另一實施例的光電半導體裝置的製造過程示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之光電半導體裝置的製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

本發明所述的「光電半導體裝置」，可應用於顯示面板、廣告看板、感測裝置、背光模組或照明裝置等。若光電半導體裝置為顯示器時，其可為單色或全彩顯示器。

圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種光電半導體裝置製造方法的流程步驟示意圖。如圖1所示，本發明的光電半導體裝置製造方法可包括：提供一矩陣基板，其中矩陣基板包括一基材與一矩陣電路，矩陣電路設置於基材上(步驟S01)；由一暫態基材上將多個微尺寸光電半導體元件轉置至矩陣基板上，其中該些微尺寸光電半導體元件間隔設置於矩陣基板上，且各微尺寸光電半導體元件的至少一電極分別與矩陣電路電性連接(步驟S02)；形成一保護層完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件，其中保護層的高度大於該些微尺寸光電半導體元件的高度(步驟S03)；以及，研磨保護層，並將保護層研磨至與該些微尺寸光電半導體元件等高時持續研磨，直到各微尺寸光電半導體元件之一背表面上的一殘留物及背表面被去除而露出各微尺寸光電半導體元件遠離矩陣基板的一新表面為止(步驟S04)。

以下，請配合參照圖2A至圖2E，以說明上述步驟S01至步驟S04的詳細內容。其中，圖2A至圖2E分別為本發明一實施例之一種光電半導體裝置1的製造過程示意圖。

如圖2A所示，首先，提供一矩陣基板11，其中矩陣基板11包括一基材111與一矩陣電路112，矩陣電路112設置於基材111上(步驟S01)。基材111可為可透光材質，例如但不限於是玻璃、石英或類似物、塑膠、橡膠、玻璃纖維或其他高分子材料。基材111亦可為不透光材質，例如是金屬-玻璃纖維複合板、金屬-陶瓷複合板。另外，基材111也可以是硬板或軟板。軟板具有可撓性(Flexible)，又稱可撓式基板，例如軟性電路板，其材料可包含有機高分子材料，並為熱塑性材料，例如但不限於為聚醯亞胺(PI)、聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)、聚苯乙烯(PS)、壓克力(丙烯，acrylic)、氟化聚合物(Fluoropolymer)、聚酯纖維(polyester)或尼龍(nylon)等，在此不做任何限制。本實施例的矩陣電路112可包含多個電性連接墊D1、D2，兩個電性連接墊D1、D2可為一組，且間隔配置。此外，依照基材111上所佈設的矩陣電路112的形式，矩陣基板11可為主動矩陣(active matrix)基板，或是被動矩陣(passive matrix)基板。舉例而言，若矩陣基板11為液晶顯示裝置中的主動式矩陣基板(TFT基板)時，其可佈設有交錯的資料線、掃描線與多個主動元件(例如TFT)。由於矩陣電路112與驅動主動式矩陣基板的技術為習知技術，也不是本發明的重點，本領域技術人員可找到相關內容，於此不再進一步作說明。

接著，如圖2B所示，由一暫態基材上將多個微尺寸光電半導體元件12轉置至矩陣基板11上，其中該些微尺寸光電半導體元件12間隔設置於矩陣基板11上，且各微尺寸光電半導體元件12的至少一電極E1分別與矩陣電路112電性連接(步驟S02)。本實施例的各微尺寸半導體元件12分別包含兩個電極E1、E2，而且是間隔設置多個微尺寸半導體元件12在矩陣基板11上，並使該些微尺寸半導體元件12的電極E1、E2可分別對應於矩陣電路11上的該些電性連接墊D1、D2，以通過一導電材料C而分別使電極E1、E2與電性連接墊D1、D2電性連接。

該些微尺寸半導體元件12可依需求而排列成一直行、或一橫列、或行與列的矩陣狀，或是排列成多邊形或不規則狀，並不限制。另外，各微尺寸半導體元件12的邊長尺寸小於等於150微米，例如可介於1微米與150微米之間(1μm≦邊長≦150μm)。在一些實施例中，微尺寸半導體元件12的尺寸可例如為25μm×25μm，而且相鄰兩個微尺寸半導體元件12的最小間距例如可為1微米，或1微米以下，本發明並不限制。

微尺寸半導體元件12可以為雙電極元件(例如但不限於發光二極體)，也可以是三電極元件(例如電晶體)。本實施例是以微尺寸半導體元件12為微發光二極體(μLED)為例。其中，微發光二極體的電極可為p極與n極在同一側(水平結構)，或是p極與n極分別位在上下兩側(上下導通型或垂直結構)。本實施例的微尺寸半導體元件12是以水平結構的μLED為例，且其兩個電極E1、E2分別對應矩陣電路112上的一對電性連接墊D1、D2。此外，若以顯色波長來分類，當微尺寸半導體元件12為μLED時，其可為藍光發光二極體、或紅光、綠光、紅外線或紫外光等發光二極體，或其組合。

在一些實施例中，步驟S02中的暫態基材可例如但不限於為UV光固化膠帶。另外，在進行步驟S02的轉置製程之前，微尺寸光電半導體元件12是先形成在一基材(例如藍寶石基材)上，且反置此基材而使微尺寸光電半導體元件12壓合在暫態基材上，進而使微尺寸光電半導體元件12的電極E1、E2接觸暫態基材而被暫態基材黏住，之後，再以例如雷射剝離(LLO)技術剝離該基材後，使暫態基材黏有多個微尺寸光電半導體元件12，之後再進行轉置製程，以由暫態基材上將多個微尺寸光電半導體元件12轉置至矩陣基板11上，並使各微尺寸光電半導體元件12的電極E1、E2分別與矩陣電路112電性連接。

但是，在進行雷射剝離基材的製程之後，微尺寸光電半導體元件12的晶背(背表面121，即微尺寸光電半導體元件12遠離矩陣基板11之表面)上會留有一些殘留物R(例如但不限於為鎵金屬)，造成微尺寸光電半導體元件12發出的光被阻擋而使發光效率降低，但是因為暫態基材材料的緣故又無法以傳統的化學藥品清洗製程(例如酸洗)去除這些殘留物R。此外，接合電極E1、E2、或電性連接墊D1、D2、或導電材料C若是不耐化學藥品清洗製程(例如酸洗)的材料，也無法於微尺寸光電半導體元件12轉置至矩陣基材11後進行化學藥品清洗製程。

本案是利用非化學藥品清洗製程的方式去除晶背上的殘留物R。在步驟S03中，如圖2C所示，是形成一保護層13完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件12，其中保護層13的高度h1大於該些微尺寸光電半導體元件12的高度h2。本實施例之保護層13的高度h1為矩陣基板11與保護層13之頂面131的距離，而微尺寸光電半導體元件12的高度h2為矩陣基板11與微尺寸光電半導體元件12之背表面121的距離。因此，保護層13將完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件12的背表面121與背表面121上的殘留物R。在一些實施例中，保護層13為絕緣層，其材料例如但不限於環氧樹脂、氧化矽(SiOx)、或氮氧化矽(SiOxNy)，或其組合，或其他有機或無機的絕緣材料。

最後，如圖2D所示，研磨保護層13，並將保護層13研磨至與該些微尺寸光電半導體元件12等高時持續研磨，直到各微尺寸光電半導體元件12之一背表面121上的一殘留物R及背表面121被去除而露出各微尺寸光電半導體元件12遠離矩陣基板11的一新表面122為止。(步驟S04)。於此，可利用研磨設備由保護層13的頂面131往矩陣基板11的方向研磨，待研磨到微尺寸光電半導體元件12的背表面121時繼續研磨，除了會去除背表面121上的殘留物R外更使背表面121被拋平，接著再持續研磨以去除部分的微尺寸光電半導體元件12而露出各微尺寸光電半導體元件12遠離矩陣基板11的新表面122為止，因此，微尺寸光電半導體元件12的新表面122與鄰接的保護層13遠離矩陣基板11的表面132會位於同一水平面上。在一些實施例中，經研磨製程後，保護層13與微尺寸光電半導體元件12的高度差可小於例如0.02微米。另外，微尺寸光電半導體元件12轉置至矩陣基板11後，其背表面121可能會有高低傾斜不一的情況，利用此研磨製程也可將光電半導體裝置1拋磨出一平坦面。此外，保護層13除了具有保護作用之外，更可使該些微尺寸光電半導體元件12可穩固地與矩陣基板11電性連接而不易脫落。

圖2E為本發明一實施例之微尺寸光電半導體元件的示意圖。如圖2E所示，若微尺寸光電半導體元件12以微發光二極體為例時，其可分別具有重疊設置的p半導體層P、發光層E、n半導體層N、未摻雜層U與一緩衝層B，利用步驟S04的研磨製程可去除緩衝層B與部分的未摻雜層U。在一些實施例中，研磨製程可使未摻雜層U的厚度d小於1.8微米。具體來說，微發光二極體在長晶時將依序由長晶缺陷(Defect)最多的緩衝層B及未摻雜(undoped)層U，隨後再長緻密n半導體層N、發光層E與p半導體層P(圖2E為反置)。因此，經上述的剝離與轉置製程後，缺陷最多的緩衝層B與未摻雜層U會朝上，使得由發光層E發出的光線需穿過缺陷多的緩衝層B及未摻雜層U，光線容易遇缺陷而被吸收，因而發光效率會降低。利用上述步驟S04的研磨製程可將缺陷最多的緩衝層B及部分的未摻雜層U拋除掉，藉此也可增加微發光二極體的發光效率。

承上，在本實施例的光電半導體裝置1中，是形成保護層13以完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件12後，再利用研磨製程去除微尺寸光電半導體元件12之背表面121上的殘留物R及部分的微尺寸光電半導體元件12，以露出微尺寸光電半導體元件12遠離矩陣基板11的新表面122，藉此去除背表面121上的殘留物R，同時也去除微尺寸光電半導體元件12之缺陷最多的緩衝層B及部分的未摻雜層U。因此，相較於傳統發光二極體光電半導體裝置的製造過程中利用化學藥品清洗製程以去除晶背上殘留物的作法，本實施例的光電半導體裝置1的製程不需使用化學藥品清洗製程，而且也可提高發光效率。此外，由於微尺寸半導體元件12的尺寸相當小，其設置密度可相當高，使得製得的光電半導體裝置1可具有比較高的解析度，故特別適用於製作高解析度的顯示器，例如VR或AR頭戴式顯示器。

請參照圖2F所示，其為本發明不同實施態樣之光電半導體裝置1a的示意圖。與圖2E的光電半導體裝置1主要的不同在於，本實施例的光電半導體裝置1a的製造方法更可包括：設置一保護基材14於該些微尺寸光電半導體元件12上，使該些微尺寸光電半導體元件12與保護層13位於保護基材14與矩陣基板11之間。於此，可例如利用黏著方式將保護基材14設置在該些微尺寸光電半導體元件12上，藉此保護微尺寸光電半導體元件12。在一些實施例中，保護基材14例如可為可透光的玻璃或一保護膜材。在一些實施例中，保護層13與保護基材14的折射率相等或接近(兩者折射率例如相差10%以內)；或者，保護層13的折射率可介於保護基材14與微尺寸光電半導體元件12材料之間，這樣的目的可使微尺寸光電半導體元件12所發出的光線可減少於微尺寸光電半導體元件12與保護層13的界面，及保護層13與保護基材14的界面被反射，使光線容易由保護基材14射出。

請參照圖3A至圖3D所示，其分別為本發明另一實施例的光電半導體裝置1b的製造過程示意圖。

圖3A至圖3C的光電半導體裝置1b的製造過程可分別對應於圖2B至圖2D的光電半導體裝置1的製造過程，兩者主要的不同在於，本實施例的微尺寸半導體元件12b是以垂直結構的μLED為例。因此，只有一個電極E1藉由導電材料C與矩陣電路112電性連接，而另一電極，如圖3D所示，可於各微尺寸光電半導體元件12的新表面122上形成一導電層來構成此另一電極E2。

此外，光電半導體裝置1b及其製造過程的其他技術特徵可參照光電半導體裝置1的相同元件及其製造過程，在此不再贅述。

綜上所述，在本發明之光電半導體裝置的製造方法中，是形成保護層以完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件後，再利用研磨製程去除微尺寸光電半導體元件之背表面上的殘留物及部分的微尺寸光電半導體元件，以露出微尺寸光電半導體元件遠離矩陣基板的新表面，藉此去除背表面上的殘留物，同時也去除微尺寸光電半導體元件之缺陷最多的緩衝層及部分的未摻雜層。因此，相較於傳統發光二極體光電半導體裝置的製造過程中利用酸洗以去除晶背上殘留物的作法，本發明的光電半導體裝置的製造方法不需使用化學藥品去除殘留物的製程，而且也可提高發光效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

S01至S04‧‧‧步驟

Claims

一種光電半導體裝置的製造方法，包括：提供一矩陣基板，其中該矩陣基板包括一基材與一矩陣電路，該矩陣電路設置於該基材上；由一暫態基材上將多個微尺寸光電半導體元件轉置至該矩陣基板上，其中該些微尺寸光電半導體元件間隔設置於該矩陣基板上，且各該微尺寸光電半導體元件的至少一電極分別與該矩陣電路電性連接；形成一保護層完全覆蓋該些微尺寸光電半導體元件，其中該保護層的高度大於該些微尺寸光電半導體元件的高度；以及由該保護層之一頂面往該矩陣基板的方向研磨該保護層及該些微尺寸光電半導體元件，直到各該微尺寸光電半導體元件之一背表面上的一殘留物及該背表面被去除而露出各該微尺寸光電半導體元件遠離該矩陣基板的一新表面為止。
如申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中各該微尺寸光電半導體元件分別具有重疊設置的一p半導體層、一發光層、一n半導體層、一未摻雜層與一緩衝層，該研磨製程去除該緩衝層與部分的該未摻雜層。
如申請專利範圍第2項所述的製造方法，其中該研磨製程去除該緩衝層，並使該未摻雜層的厚度小於1.8微米。
如申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中該研磨製程除使該微尺寸光電半導體元件的該背表面被拋平，亦使該微尺寸光電半導體元件的該新表面與鄰接的該保護層遠離該矩陣基板的表面位於同一水平面，且使該保護層與該微尺寸光電半導體元件的高度差小於0.02微米。
如申請專利範圍第1項所述的製造方法，更包括：設置一保護基材於該些微尺寸光電半導體元件上，使該些微尺寸光電半導體元件與該保護層位於該保護基材與該矩陣基板之間。
如申請專利範圍第5項所述的製造方法，其中該保護層與該保護基材的折射率相等，或相差10%以內。
如申請專利範圍第5項所述的製造方法，其中該保護層的折射率介於該保護基材與該微尺寸光電半導體元件之間。