TWI884669B

TWI884669B - 發光二極體結構

Info

Publication number: TWI884669B
Application number: TW112151698A
Authority: TW
Inventors: 林坤德
Original assignee: 台亞半導體股份有限公司
Priority date: 2023-12-29
Filing date: 2023-12-29
Publication date: 2025-05-21
Also published as: TW202527008A; JP2025105437A; US20250221100A1; JP7751048B2; CN120282607A

Abstract

本發明係關於一種發光二極體結構，其包含一永久基板、一鍵合金屬複合層、一鏡面反射複合層及一磊晶半導體複合層。其中，鍵合金屬複合層位於永久基板上，鏡面反射複合層位於鍵合金屬複合層上，磊晶半導體複合層位於鏡面反射複合層上。鍵合金屬複合層與永久基板間為一非平整接面，且該非平整接面之表面粗糙度(Ra)小於0.5微米(μm)。

Description

發光二極體結構

本發明係關於一種發光二極體結構，尤指一種高亮度發光二極體結構。

發光二極體結構(Light-emitting Diode，簡稱LED)具有高亮度、體積小、低耗電量和壽命長等優點，廣泛地應用於照明或顯示產品中。於發光二極體製程中的晶圓接合是一個關鍵步驟，主要是將單一的LED晶片與載體基板接合在一起。這個接合製程其目的在於提高光輸出效率與散熱管理，以提升LED晶片效能。

具體而言，通過將完成半導體磊晶製程的LED晶片以金屬鍵結的方式固定在一個永久基板上，可以更有效地管理光的輸出。基板上可能包含一些光學元件，如鏡面反射層等，有助於提高光線的反射效果，增加光的萃取輸出效率。同時，透過與散射效能良好的基板接合，LED晶片與散熱基板緊密結合後，有助於將LED晶片產生的熱量有效地透過散熱基板傳遞至外界，從而保持LED晶片的適當工作溫度，提高LED晶片的效能和壽命。

然而，在LED晶片與永久基板的接合過程中，可能會對LED晶片上的鏡面反射系統產生影響，從而影響LED的性能。以目前習知的金屬鍵結製程中，為了確保LED晶片鏡面反射系統的反射效率，必須確保LED晶片與永久基板二者的接合表面保持平整，假如此接合表面不平整，接合過程後，LED晶片的鏡面反射系統的平整度亦將受到影響，最終導致後續LED晶片產生的光線在反射過程中造成散射而降低反射效率，最終減少出光效率。為克服上述因金屬鍵結製程影響LED晶片光萃取的問題，業界亟需一種創新的發光二極體結構以兼顧LED晶片與永久基板間的鍵結強度又能提高LED晶片的效能。

本發明的主要目的在於提供一種高亮度之發光二極體結構，藉由調整永久基板與金屬鍵合層間平面的粗糙度，同時達到增強金屬鍵合強度而且又不影響鏡面反射系統的反射效率，藉此改善習知發光二極體結構金屬鍵合製程良率，提升光萃取效率。

為達上述目的，本發明提供一種發光二極體結構，其包含一永久基板、一鍵合金屬複合層、一鏡面反射複合層及一磊晶半導體複合層。其中，鍵合金屬複合層位於永久基板上，鏡面反射複合層位於鍵合金屬複合層上，磊晶半導體複合層位於鏡面反射複合層上。鍵合金屬複合層與永久基板間為一非平整接面，且該非平整接面之表面粗糙度(Ra)小於0.5微米(μm)。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中鍵合金屬複合層包含一第一鍵合金屬層及一第二鍵合金屬層，第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層間為一平整接面。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層之材料係選自於由金(Au)、銦(In)、錫(Sn)所組成之群組其中之一及其組合。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層之厚度約1微米(μm)至2微米(μm)之間。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中鍵合金屬複合層與永久基板間為一圖案化接面，該圖案化接面之圖案深度值小於0.5微米(μm)。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中鏡面反射複合層包含一第一鏡面反射層及一第二鏡面反射層，第一鏡面反射層及第二鏡面反射層間為一平整接面。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中第一鏡面反射層之材料係選自於由二氧化鈦(TiO ₂)、氮化矽(SiN _x)、二氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF ₂)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)所組成之群組其中之一及其組合。

於本發明發光二極體結構之一實施態樣中，其中第二鏡面反射層之材料係選自於由銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎳(Ni)所組成之群組其中之一及其組合。

為達上述目的，本發明另提供一種發光二極體結構，其包含一永久基板、一鍵合金屬複合層、一鏡面反射複合層及一磊晶半導體複合層。其中，鍵合金屬複合層位於永久基板上，鏡面反射複合層位於鍵合金屬複合層上，磊晶半導體複合層位於鏡面反射複合層上，且鏡面反射複合層與磊晶半導體複合層間為一非平整接面。其中，鏡面反射複合層包含一第一鏡面反射層及一第二鏡面反射層，第一鏡面反射層及第二鏡面反射層間為一平整接面。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，此技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示，且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，並非用以限制實際比例。

請參考圖1，其揭露本發明發光二極體結構其中之一實施態樣，發光二極體結構1包含一永久基板10、一鍵合金屬複合層20、一鏡面反射複合層30、一磊晶半導體複合層40及一電極50。其中，鍵合金屬複合層20位於永久基板10上，鏡面反射複合層30位於鍵合金屬複合層20上，磊晶半導體複合層40位於鏡面反射複合層30上，電極50位於磊晶半導體複合層40上。首先須說明的是，圖1所示本發明的發光二極體結構已經是將完成磊晶製程的磊晶複合層從暫時的磊晶成長基板利用本發明創新技術移轉至永久基板上之最終結構，以下將以數個實施態樣具體說明本發明。

具體而言，本發明發光二極體結構1之永久基板10可以是，但不僅限於，矽基板或藍寶石基板，可依據實際應用的需求和製程的特性選擇適當的基板。例如，矽基板提供較佳的機械結構支撐強度，有助於製造過程中的穩定性。此外，矽基板的散熱效果比藍寶石基板較好，有助於控制LED晶片的溫度。而且，矽基板相對來說比藍寶石基板成本低，這在工業量產時是一個重要因素。相對地，藍寶石基板對於藍光和紫外光具有高透明性，有助於提高LED晶片的光輸出效率。此外，藍寶石基板在高溫環境下具有較好的穩定性，這對於高功率LED晶片的應用是重要的。而且，藍寶石是較佳的絕緣體，有助於防止電流的穿透，提高元件的絕緣性能。

此外，於本發明發光二極體結構其中之一實施態樣中，永久基板10上方之磊晶半導體複合層40可以是，但不限於一砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)雙異質結構，此磊晶半導體複合層40原本係於一磊晶成長基板（未繪示）上，例如一磷化銦(InP)基板上磊晶堆疊而成。具體而言，在本實施態樣中，磊晶半導體複合層40之雙異質結構包括一P型磊晶半導體層42、一發光層44、一N型磊晶半導體層46。其中，P型磊晶半導體層42係一碳(C)摻雜之砷化鋁鎵(AlGaAs) 束縛層。發光層44係一多重量子井(Multiple Quantum Well，MQW)結構所形成，其包含以砷化鋁鎵(AlGaAs)作為多重量子井之阻障層，並以砷化銦鎵(InGaAs)作為多重量子井之井層。另外，N型磊晶半導體層46係一矽(Si)摻雜之砷化鋁鎵(AlGaAs) 束縛層。須說明的是，上述實施態樣中所述之材料僅僅為一實施例，本發明並未局限於此。於實際應用中，可依發光波長進行材料及其組成調整，例如磊晶層可為磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、磷化銦鎵 (InGaP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦(InP)等。

其次，在本實施態樣中，鏡面反射複合層30包含第一鏡面反射層32與第二鏡面反射層34。其中，第一鏡面反射層32可以是，但不限於，由低折射率介電材料組成，其係選自於由二氧化鈦(TiO ₂)、氮化矽(SiN _x)、二氧化矽(SiO ₂)、氟化鎂(MgF ₂)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)所組成之群組其中之一及其組合。第二鏡面反射層34可以是，但不限於，由高反射率金屬材料組成，其係選自於由銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎳(Ni) 所組成之群組其中之一及其組合。

於本發明之一實施態樣中，考量發光二極體結構之支撐強度、散熱效能等因素，上述發光二極體結構中磊晶半導體複合層40必須從原磊晶成長基板上，以金屬鍵結之接合方式，轉移接合至上述矽基板之永久基板10上，再將原磊晶成長基板移除。因此，進行金屬鍵結製程前，首先須於永久基板10上以金屬蒸鍍方式形成一第一鍵合金屬層22。其次，再於原磊晶成長基板之鏡面反射複合層30上方以蒸鍍方式形成一第二鍵合金屬層24。其中，第一鍵合金屬層22及第二鍵合金屬層24之材料係選自於由金(Au)、銦(In)、錫(Sn)所組成之群組其中之一及其組合。而且，第一鍵合金屬層22及該第二鍵合金屬層24二者之厚度約為1微米(μm)至2微米(μm)之間。

如同上述習知技藝所揭露，本發明於進行永久基板金屬鍵合時，類似地，必須使第一鍵合金屬層22及第二鍵合金屬層24二者間的接合表面保持平整，以確保鏡面反射系統的反射效率，避免因二者接合表面不平整而降低反射效率。然而，另一方面，本發明為增加第一鍵合金屬層22及第二鍵合金屬層24二者接面的接合強度，以提高金屬鍵合的製程良率，本發明將永久基板10與第一鍵合金屬層22二者間設計為非平整接面，藉由此非平整接面可增加接面面積之方式，達到增加接合強度、提高金屬鍵合製程良率之目的，進而使磊晶半導體結構可以順利轉接至永久基板上。然而，永久基板10與第一鍵合金屬層22二者間非平整程度亦須有一上限，以避免二者接面間因過度地 “粗糙” ，使得第一及第二鍵合金屬層22、24二者進行金屬鍵合時永久基板10與鍵合金屬複合層之第一鍵合金屬層22二者接面間的不平整間接影響鏡面反射複合層30的平整性而降低其光線的反射效率。具體而言，依據本發明之研究，永久基板10與第一鍵合金屬層22二者間非平整接面的粗糙度Ra值必須小於0.5微米(μm)，以確保鏡面反射複合層30平整性之前提下，提高二鍵合金屬層間之結合強度。

於本發明另一實施態樣中，可運用一圖案化製程針達到上述鍵合金屬複合層與永久基板間為一非平整接面之目的。請合併參閱圖2，具體而言，執行完圖案化製程後之第一鍵合金屬層22與永久基板10間形成一圖案化接面，且該圖案化接面之圖案深度值同樣地必須小於0.5微米(μm) ，以於提高二鍵合金屬層間結合強度之目的下仍可確保鏡面反射複合層30之平整性，避免降低鏡面層之反射效率。

須說明的是，於磊晶成長基板上完成磊晶製程後磊晶半導體複合層40表面通常係高低起伏之非平整平面，因此，後續於磊晶半導體複合層40上進行鏡面系統之鍍膜製程時，鏡面反射複合層30中第一鏡面反射層32通常也會保留該非平整方式形成於磊晶半導體複合層40上，進而使鏡面反射複合層30中第一鏡面反射層32與磊晶半導體複合層40間亦為一非平整接面。此際，若繼續進行鏡面反射複合層30中第二鏡面反射層34之金屬鍍膜製程，未進行任何處理，則第一鏡面反射層32與第二鏡面反射層34間亦同樣地為一非平整接面。此非平整接面將降低後續發光二極體光線的反射效率，減少發光二極體之光萃取率。有鑑於此，為避免上述問題發生，請合併參閱圖3，本發明特別地於完成第一鏡面反射層32之鍍膜製程後與進行第二鏡面反射層34鍍膜製程前，進行一拋光製程，改善第一鏡面反射層32表面高低起伏之不平整狀態後，再進行第二鏡面反射層34鍍膜製程。因此，完成鏡面鍍膜製程後，本發明鏡面反射複合層30中第一鏡面反射層32與第二鏡面反射層34二者間乃為一平整接面，以提高鏡面系統的反射效率，進而增加發光二極體之光萃取率。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1 發光二極體結構 10 永久基板 20 鍵合金屬複合層 22 第一鍵合金屬層 24 第二鍵合金屬層 30 鏡面反射複合層 32 第一鏡面反射層 34 第二鏡面反射層 40 磊晶半導體複合層 42 P型磊晶半導體層 44 發光層 46 N型磊晶半導體層 50 電極

圖1為本發明一實施態樣中發光二極體結構之示意圖；圖2為本發明另一實施態樣中發光二極體結構結構之示意圖；及圖3為本發明另一實施態樣中發光二極體結構結構之示意圖。

1:發光二極體結構

10:永久基板

20:鍵合金屬複合層

22:第一鍵合金屬層

24:第二鍵合金屬層

30:鏡面反射複合層

40:磊晶半導體複合層

42:P型磊晶半導體層

44:發光層

46:N型磊晶半導體層

50:電極

Claims

一種發光二極體結構，包含：一永久基板；一鍵合金屬複合層，位於該永久基板上；一鏡面反射複合層，位於該鍵合金屬複合層上；以及一磊晶半導體複合層，位於該鏡面反射複合層上，其中，該鍵合金屬複合層與該永久基板間為一圖案化接面，該圖案化接面之圖案深度值小於0.5微米(μm)。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該鍵合金屬複合層包含一第一鍵合金屬層及一第二鍵合金屬層，該第一鍵合金屬層及該第二鍵合金屬層間為一平整接面。
如請求項2所述之發光二極體結構，其中該第一鍵合金屬層及該第二鍵合金屬層之材料係選自於由金(Au)、銦(In)、錫(Sn)所組成之群組其中之一及其組合。
如請求項2所述之發光二極體結構，其中該第一鍵合金屬層及該第二鍵合金屬層之厚度約1微米(μm)至2微米(μm)之間。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該鏡面反射複合層包含一第一鏡面反射層及一第二鏡面反射層，該第一鏡面反射層及該第二鏡面反射層間為一平整接面。
如請求項5所述之發光二極體結構，其中該第一鏡面反射層之材料係選自於由二氧化鈦(TiO ₂)、氮化矽(SiN _x)、二氧化矽(SiO ₂)、氟化鎂(MgF ₂)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)所組成之群組其中之一及其組合。
如請求項5所述之發光二極體結構，其中該第二鏡面反射層之材料係選自於由銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎳(Ni)所組成之群組其中之一及其組合。
一種發光二極體結構，包含：一永久基板；一鍵合金屬複合層，位於該永久基板上，該鍵合金屬複合層與該永久基板間為一圖案化接面，該圖案化接面之圖案深度值小於0.5微米(μm)；一鏡面反射複合層，位於該鍵合金屬複合層上；以及一磊晶半導體複合層，位於該鏡面反射複合層上，且該鏡面反射複合層與該磊晶半導體複合層間為一非平整接面，其中，該鏡面反射複合層包含一第一鏡面反射層及一第二鏡面反射層，該第一鏡面反射層及該第二鏡面反射層間為一平整接面。
如請求項8所述之發光二極體結構，其中該第一鏡面反射層之材料係選自於由二氧化鈦(TiO ₂)、氮化矽(SiN _x)、二氧化矽(SiO ₂)、氟化鎂(MgF ₂)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)所組成之群組其中之一及其組合。
如請求項8所述之發光二極體結構，其中該第二鏡面反射層之材料係選自於由銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎳(Ni)所組成之群組其中之一及其組合。
如請求項8所述之發光二極體結構，其中該鍵合金屬複合層與該永久基板間為一非平整接面，該非平整接面之表面粗糙度(Ra)小於0.5微米(μm)。
如請求項11所述之發光二極體結構，其中該鍵合金屬複合層包含一第一鍵合金屬層及一第二鍵合金屬層，該第一鍵合金屬層及該第二鍵合金屬層間為一平整接面。
如請求項12所述之發光二極體結構，其中該第一鍵合金屬層及該第二鍵合金屬層之材料係選自於由金(Au)、銦(In)、錫(Sn)所組成之群組其中之一及其組合。
如請求項12所述之發光二極體結構，其中該第一鍵合金屬層及該第二鍵合金屬層之厚度約1微米(μm)至2微米(μm)之間。