发光二极管组件及其制造方法

摘要

本发明涉及一种可以提高发光二极管光提取效率的发光二极管组件及其制造方法，本发明利用蚀刻基板形成具有自然晶格斜面的凹槽，再使发光二极管磊晶层结构选择性地生长在该凹槽内，形成一种具有多边斜面的发光二极管组件，使发光二极管组件通过多边斜面减少内部全反射的几率，提高发光二极管的光提取效率。

权利要求

1.一种发光二极管制造方法，其特征在于，其步骤包括有：

(a)提供一基板(100)，在所述基板(100)表面形成一钝化层(110)，并定义出多个多边形的蚀刻区域(111)；

(b)对所述基板(100)进行蚀刻，在所述蚀刻区域(111)蚀刻出多个具有自然晶格斜面与底面(121)的凹槽(120)；

(c)在前述凹槽(120)的底面(121)形成一发光二极管结构(130)，所述发光二极管结构(130)是依序磊晶结合一n型III-V族化合物层(131)、一活性层(132)与一p型III-V族化合物层(133)，其中所述活性层(132)作为发光区形成在所述n型III-V族化合物层(131)与所述p型III-V族化合物层(133)之间，且所述p型III-V族化合物层(133)与一p型欧姆接触电极(134)电性连接，所述n型III-V族化合物层(131)与一n型欧姆接触电极(135)电性连接，用以提供一顺向偏压；及(d)将所述基板(100)研磨，并切割崩裂形成发光二极管晶粒。

2.根据权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述基板(100)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝基板其中之一。

3.根据权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述钝化层(110)的宽度为5微米至50微米，所述蚀刻区域(111)的内径为200微米至2000微米。

4.根据权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述蚀刻区域(111)为四边形、三角形、星形所组成的族群其中之一。

5.根据权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述凹槽(120)的深度为0.5微米至50微米。

6.根据权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述步骤b延长蚀刻时间，直到所述钝化层(110)被除去。

7.根据权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述步骤b还包括一步骤b-1，所述步骤b-1是对所述凹槽(120)的底面(121)进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面(122)，用以增加光提取效率。

8.一种发光二极管制造方法，其特征在于其步骤包括有：

(a)提供一基板(400)，于所述基板(400)表面形成一钝化层(410)，并定义出多个多边形的蚀刻区域；

(b)对所述基板(400)进行蚀刻，于前述蚀刻区域蚀刻出多个具有自然晶格斜面与底面的凹槽(420)，并对所述凹槽(420)的底面进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面(421)；

(c)在前述凹槽(420)的底面形成一发光二极管结构(430)，所述发光二极管结构(430)是依序磊晶结合一n型III-V族化合物层(431)、一活性层(432)与一p型III-V族化合物层(433)，其中所述活性层(432)作为发光区形成在所述n型III-V族化合物层(431)与所述p型III-V族化合物层(433)之间；

(d)蒸镀一P型欧姆接触金属层(440)在所述p型III-V族化合物层(433)上，并将所述P型欧姆接触金属层(440)接合于一导热基板(450)；

(e)移除所述基板(400)；

(f)蒸镀一N型欧姆接触金属(460)在所述n型III-V族化合物层(431)上；及(g)切割崩裂形成发光二极管晶粒。

9.根据权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述基板(400)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝基板其中之一。

10.根据权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述钝化层(410)的宽度为5微米至50微米，所述蚀刻区域的内径为200微米至2000微米。

11.根据权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述蚀刻区域为四边形、三角形、星形所组成的族群其中之一。

12.根据权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述凹槽(420)的深度为0.5微米至50微米。

13.根据权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述导热基板(450)是选自金、铝、铜、硅、磷化镓及碳化硅其中一种或其组合。

14.根据权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，移除所述基板(400)的方法是湿式蚀刻、干式蚀刻、激光剥离法及利用热膨胀系数的差异在升降温中自然分离法其中一种。

15.一种发光二极管组件，其特征在于，包括有：

一基板(100)，且所述基板(100)表面进行蚀刻形成一具有自然晶格斜面与底面(121)的凹槽(120)；及一发光二极管结构(130)，其磊晶形成于前述凹槽(120)的底面(121)，所述发光二极管结构(130)是依序结合一n型III-V族化合物层(131)、一活性层(132)与一p型III-V族化合物层(133)，其中所述活性层(132)作为发光区形成在所述n型III-V族化合物层(131)与所述p型III-V族化合物层(133)之间，且所述p型III-V族化合物层(133)与一p型欧姆接触电极(134)电性连接，所述n型III-V族化合物层(131)与一n型欧姆接触电极(135)电性连接，用以提供一顺向偏压。

16.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述基板(100)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝基板其中之一。

17.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述基板(100)表面设有一钝化层(110)于所述凹槽周缘。

18.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述凹槽(120)为圆形及多边形所组的族群其中之一。

19.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述凹槽(120)的深度为0.5微米至50微米，内径为200微米至2000微米。

20.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述凹槽(120)的底面(121)为一凹凸表面(122)。

21.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述活性层(132)是双异质接面构造、单量子井结构及多量子井结构其中之一。

22.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其特征在于，所述发光二极管结构(130)是通过所述p型欧姆接触电极(134)与n型欧姆接触电极(135)电性连接在一散热反射基板(300)上。

23.根据权利要求22所述的发光二极管组件，其特征在于，所述散热反射基板(300)是包括一反射金属层(310)与一导热基板(320)，所述反射金属层(310)一表面与所述发光二极管结构(130)电性连接，其另一表面与所述导热基板(320)连接。

24.根据权利要求23所述的发光二极管组件，其特征在于，所述反射金属层(310)是选自金、铝及铜其中一种或其组合。

25.根据权利要求23所述的发光二极管组件，其特征在于，所述导热基板(320)是选自金、铝、铜、硅、磷化镓及碳化硅其中一种或其组合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管组件及其制造方法，尤其涉及一种高光提取效率的发光二极管组件及其制造方法。

背景技术

传统的发光二极管的制作为标准的矩型外观，因为一般半导体材料与封装材料的折射率相差甚多，使得全反射角小，所以发光二极管所产生的光到达与空气的界面时，大于临界角的光将产生全反射回到发光二极管晶粒内部。此外，矩形的四个截面互相平行，光子在交界面离开半导体的机率变小，让光子只能在内部全反射直到被吸收殆尽，使光转成热的形式，造成发光效果不佳。
因此，改变发光二极管形状是一个有效提升发光效率的方法，例如美国专利US6229160，HP与Lumileds公司所披露的倒金字塔型(Truncated Inverted Pyramid，TIP)的发光二极管晶粒结构，将磷化铝镓铟/磷化镓(AlGaInP/GaP)发光二极管晶粒侧面机械加工，由此使四个截面不再是互相平行，由此发光二极管组件的光就可以很有效地被引出来，外部量子效率则大幅提升至55％，发光效率高达100lm/W，是第一个达到此目标的发光二极管。然而，此专利中所提出TIP型晶粒结构，只能适用于使用磷化铝镓铟/磷化镓(AlGaInP/GaP)的红色光二极管上，并不适用于一般的氮化镓发光二极管，因为氮化镓一般产业是磊晶于蓝宝石(Sapphire)基板上，由于蓝宝石非常坚硬，要对其进行机械加工相当困难，所以该专利技术的商业化生产依然无法突破。
所以，依据前述机械加工技术，美国专利US6768136揭露一种以碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)为基板，利用其加工比蓝宝石容易的特性，改变发光二极管的晶体形状以提升发光效率，其中氮化铟镓(InGaN)及氮化镓(GaN)这两者的发光效率可提升为传统结构的二倍，但是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等基板的价格相当昂贵，使得发光二极管晶粒制造成本较高，因此目前该技术难以使用于商用产品。
另外，中国台湾专利公告第565957号，揭露一种利用氢化物气相磊晶生长(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)技术，于基板上形成具有自然斜面的厚膜氮化镓磊晶层材料，再使用有机金属化学气相磊晶(Metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)技术，将发光二极管生长于其上方，此组件具有较佳的发光效率。然而此技术虽然改进机械加工与基板成本的问题，但是需要二次磊晶生长的制程，使得制造过程较为繁琐。

发明内容

于是为解决上述的缺点，本发明提供一种发光二极管组件及其制造方法，利用蚀刻基板的技术，在基板上形成具有自然晶格斜面图案的凹槽，再将发光二极管磊晶层选择性生成于其中，直接形成一种多边斜面的发光二极管，无须机械加工或二次磊晶生长的制造。
本发明的发光二极管制造方法，其步骤包括有：(a)提供一基板，在该基板表面形成一钝化层，并定义出多个多边形的蚀刻区域；其中该基板是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)基板其中之一；该钝化层的宽度为5微米至50微米，该蚀刻区域的内径为200微米至2000微米，该蚀刻区域为四边形、圆形、三角形、星形及多边形所组成的族群其中之一。(b)对该基板进行蚀刻，在前述蚀刻区域蚀刻出多个具有自然晶格斜面与底面的凹槽；其中该凹槽的深度为0.5微米至50微米。制作上也可以延长蚀刻时间，直到该钝化层被除去。或进一步可对凹槽的底面进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面，用以增加光提取效率。(c)在前述凹槽的底面形成一发光二极管结构，该发光二极管结构是依序磊晶结合一n型III-V族化合物层、一活性层(active layer)与一p型III-V族化合物层，其中该活性层作为发光区形成在该n型III-V族化合物层与该p型III-V族化合物层之间，且该p型III-V族化合物层与一p型欧姆接触电极电性连接，该n型III-V族化合物层与一n型欧姆接触电极电性连接，用以提供一顺向偏压；及(d)最后将该基板研磨，并切割崩裂形成发光二极管晶粒。
通过上述方法所形成的发光二极管组件，其包括有一基板，且该基板表面进行蚀刻形成一具有自然晶格斜面与底面的凹槽；及一发光二极管结构，其磊晶形成于前述凹槽的底面，该发光二极管结构是依序结合一n型III-V族化合物层、一活性层与一p型III-V族化合物层，其中该活性层作为发光区形成在该n型III-V族化合物层与该p型III-V族化合物层之间，且该p型III-V族化合物层与一p型欧姆接触电极电性连接，该n型III-V族化合物层与一n型欧姆接触电极电性连接，用以提供一顺向偏压。
其中该活性层是双异质接面构造(DH)、单量子井结构(SQW)及多量子井结构(MQW)其中之一。
另外，该发光二极管结构也可通过该p型欧姆接触电极与n型欧姆接触电极电性连接于一散热反射基板上，该散热反射基板包括一反射金属层与一导热基板，该反射金属层一表面与该发光二极管结构电性连接，其另一表面与该导热基板连接。其中该反射金属层是选自金(Au)、铝(Al)及铜(Cu)等其中一种及其组合；该导热基板是选自金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、硅(Si)、磷化镓(GaP)及碳化硅(SiC)等其中一种及其组合。
本发明的发光二极管组件及其制造方法另可移除该基板，其方法步骤包括有：(a)提供一基板，在该基板表面形成一钝化层，并定义出多个多边形的蚀刻区域。(b)对该基板进行蚀刻，在前述蚀刻区域蚀刻出多个具有自然晶格斜面与底面的凹槽，并对凹槽的底面进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面。(c)在前述凹槽的底面形成一发光二极管结构，该发光二极管结构是依序磊晶结合一n型III-V族化合物层、一活性层与一p型III-V族化合物层，其中该活性层作为发光区形成于该n型III-V族化合物层与该p型III-V族化合物层之间。(d)蒸镀一P型欧姆接触金属层于该p型III-V族化合物层上，并将该P型欧姆接触金属层接合于一导热基板。其中该导热基板是选自金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、硅(Si)、磷化镓(GaP)及碳化硅(SiC)等其中一种及其组合。(e)移除该基板，移除该基板的方法可以是湿式蚀刻、干式蚀刻、激光剥离法(Laser lift off)及利用热膨胀是数的差异于升降温中自然分离法其中一种。(f)蒸镀一N型欧姆接触金属于该n型III-V族化合物层上。(g)最后就可切割崩裂形成发光二极管晶粒。
通过上述移除该基板的方法所形成的发光二极管组件，其包括一具有斜面的发光二极管结构，其斜面是通过前述方法的基板表面进行蚀刻形成具有自然晶格斜面与底面的凹槽，在该凹槽的底面上依序磊晶结合一n型III-V族化合物层、一活性层(active layer)与一p型III-V族化合物层所形成，其中该活性层作为发光区形成在该n型III-V族化合物层与该p型III-V族化合物层之间；一P型欧姆接触金属层位于该p型III-V族化合物层上；一导热基板接合于该P型欧姆接触金属层表面；及一N型欧姆接触金属位于该n型III-V族化合物层上。
其中该n型III-V族化合物层的表面为一凹凸表面。
本发明的优点在于利用蚀刻基板的技术在基板上形成具有自然晶格斜面图案的凹槽，再将发光二极管磊晶层选择性生成在凹槽中，直接形成一种多边斜面的发光二极管，通过多边斜面可减少发光二极管组件内部全反射的机率，提高发光二极管的光提取效率。且本发明因为制成简单，可降低生产成本，适合产业化批量生产。

附图说明

图1-1至1-5为本发明的制造方法流程示意图。
图2-1至2-5为本发明无钝化层的制造方法流程示意图。
图3-1至3-4为本发明具凹凸表面的制造方法流程示意图。
图4为本发明的覆晶封装结构示意图。
图5-1至5-5为本发明除去基板的制造方法流程示意图。

具体实施方式

在此，有关本发明的详细内容及技术说明，现以实施例来作进一步说明，但应了解的是，该实施例仅为示例性说明之用，而不应被解释为对本发明的限制。
本发明利用蚀刻基板的技术，在基板上形成具有自然晶格斜面图案的凹槽，再将发光二极管磊晶层选择性生长在凹槽中，直接形成多边斜面的发光二极管，由此制作出光提取效率高的发光二极管组件。
请参阅图1-1至图1-5，为本发明的制造方法流程示意图。本发明的制造步骤包括有：(a)提供一基板100，并在该基板100表面形成一钝化层110，并定义出多个多边形的蚀刻区域111(如图1-1所示)。其中该基板100为蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)基板其中之一；该钝化层110的宽度为5微米至50微米，该蚀刻区域111的内径为200微米至2000微米，该蚀刻区域111为四边形、圆形、三角形、星形及多边形所成的族群其中之一。
(b)对该基板100进行蚀刻，在前述蚀刻区域111蚀刻出多个具有自然晶格斜面与底面121的凹槽120(如图1-2所示)；其中该凹槽120的深度为0.5微米至50微米。近年来，湿式蚀刻(wetetching)蓝宝石基板技术已经被广为发展研究，所以蚀刻蓝宝石基板已经不再是一项困难工作，本发明可利用将如蓝宝石基板等基板蚀刻成具有自然晶格斜面图案的凹槽120。例如可使用湿式蚀刻溶液，硫酸∶磷酸＝5∶2，加热至温度约270℃，即可蚀刻蓝宝石基板，当该钝化层110的方向平行蓝宝石基板的平边时，可以蚀刻出对称的复合接面，此复合接面与底面121的角度约43°；当该钝化层110的方向垂直蓝宝石基板的平边时，可以蚀刻出一自然晶格斜面，此晶格斜面与底面121的角度约32°，以及晶格斜面的复合面，复合面与底面121的角度约60°。
(c)在前述凹槽120的底面121形成一发光二极管结构130，该发光二极管结构130可使用有机金属化学气相磊晶法(Metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)选择性生长依序磊晶结合一n型III-V族化合物层131、一活性层132与一p型III-V族化合物层133(如图1-3所示)。其中该活性层132作为发光区形成在该n型III-V族化合物层131与该p型III-V族化合物层133之间。该发光二极管结构130只会选择性生长于凹槽120的底面121，并不会生长于蚀刻所形成自然晶格面，也不会生长于凹槽120外围凸部钝化层110上方。再以干式蚀刻定义欧姆接触区域，用以形成一p型欧姆接触电极134与该p型III-V族化合物层133电性连接，及一n型欧姆接触电极135与该n型III-V族化合物层131电性连接，用以提供一顺向偏压(如图1-4所示)。
(d)最后将该基板100研磨，并切割崩裂形成所要的发光二极管组件晶粒(如图1-5所示)。
通过上述方法所形成的发光二极管组件(如图1-5所示)，其包括有该基板100，且该基板100表面进行蚀刻形成具自然晶格斜面与底面121的凹槽120；及该发光二极管结构130，其磊晶形成于前述凹槽120的底面121，该发光二极管结构130是依序结合该n型III-V族化合物层131、该活性层132与该p型III-V族化合物层133，其中该活性层132作为发光区形成在该n型III-V族化合物层131与该p型III-V族化合物层133之间。其中该活性层132是双异质接面构造(DH)、单量子井结构(SQW)及多量子井结构(MQW)其中之一。另该p型III-V族化合物层133与该p型欧姆接触电极134电性连接，该n型III-V族化合物层131与该n型欧姆接触电极135电性连接，用以提供一顺向偏压。
本发明作法上也可增加对该基板100进行蚀刻的时间直到无该钝化层110。请参阅图2-1至图2-5的制造方法流程示意图。如同前述作法，但在步骤b延长对该基板100进行蚀刻的时间，直到该钝化层110被移除，但还是在该蚀刻区域111蚀刻出多个具有自然晶格斜面与底面121的凹槽120(如图2-2所示)。后续的制程步骤c(如图2-3与图2-4所示)与步骤d(如图2-5所示)就如前面所述相同。但最后切割崩裂形成所要的发光二极管组件晶粒(如图2-5所示)与前述图1-5的不同，在该基板100的凹槽120周缘将不会有该钝化层110的存在。
本发明作法上进一步可以包括一步骤b-1对该凹槽120的底面121进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面122，用以增加光提取效率。请参阅图3-1至图3-4其制造方法流程示意图。如同前述作法，但在步骤b增加一蚀刻制程对凹槽120的底面121进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面122。后续的制程步骤c(如图3-2与图3-3所示)与步骤d(如图3-4所示)就如前面所述相同。但最后切割崩裂形成所要的发光二极管组件晶粒如图3-4所示。与前述图1-5所示不同之处在于该对凹槽120的底面121已变成为该凹凸表面122，该凹凸表面122可以用来增加发光二极管组件的光提取效率。
请参阅图4，该发光二极管结构130也可通过该p型欧姆接触电极134与n型欧姆接触电极135透过二导电柱210与220电性连接于一散热反射基板300上。该散热反射基板300包括一反射金属层310与一导热基板320，该反射金属层310一表面透过该些导电柱210与220与该发光二极管结构130电性连接，而另一表面与该导热基板320连接，形成一种覆晶封装(Flip Chip)发光二极管组件。其中该反射金属层310是选自金(Au)、铝(Al)及铜(Cu)等其中一种及其组合；该导热基板320是选自金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、硅(Si)、磷化镓(GaP)及碳化硅(SiC)等其中一种及其组合。
本发明作法上另可移除基板，请参阅图5-1至图5-5为本发明除去基板的制造方法流程示意图。其方法步骤包括有：
(a)提供一基板400，在该基板400表面形成一钝化层410，并定义出多个为四边形、圆形、三角形、星形及多边形所组成的族群其中之一的蚀刻区域。其中该基板400为蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)基板其中之一；该钝化层410的宽度为5微米至50微米，该蚀刻区域的内径为200微米至2000微米，该蚀刻区域为四边形、圆形、三角形、星形及多边形所组成的族群其中之一。(b)对该基板400进行蚀刻，在前述蚀刻区域蚀刻出具有自然晶格斜面的多个凹槽420，并对凹槽420的底面进行图样化蚀刻，蚀刻出一凹凸表面421(如图5-1所示)。其中该凹槽420的深度为0.5微米至50微米。(c)在前述凹槽420的底面形成一发光二极管结构430，该发光二极管结构430是依序磊晶结合一n型III-V族化合物层431、一活性层432与一p型III-V族化合物层433，其中该活性层432作为发光区形成在该n型III-V族化合物层431与该p型III-V族化合物层433之间(如图5-2所示)。(d)蒸镀一P型欧姆接触金属层440于该发光二极管结构430的p型III-V族化合物层433上，并将该P型欧姆接触金属层440接合于一导热基板450(如图5-3所示)。其中该导热基板450是选自金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、硅(Si)、磷化镓(GaP)及碳化硅(SiC)等其中一种及其组合。(e)移除该基板400，移除该基板400的方法可以是湿式蚀刻、干式蚀刻、激光剥离法(Laser lift off)及利用热膨胀系数的差异在升降温中自然分离法其中一种。然后(f)蒸镀一N型欧姆接触金属460该发光二极管结构430在该n型III-V族化合物层431上，而此接合面因为前述的凹凸表面421，所以在移除该基板400后也为一凹凸表面434(如图5-4所示)。(g)最后就可切割崩裂形成发光二极管晶粒(如图5-5所示)。
通过上述移除基板400的方法所形成的发光二极管晶粒如图5-5所示，其包括一具有斜面的发光二极管结构430，其斜面是通过前述基板400表面进行蚀刻形成具有自然晶格斜面与凹凸表面421的底面的凹槽420，在该凹槽420的凹凸表面421上依序磊晶结合该n型III-V族化合物层431、该活性层432与该p型III-V族化合物层433所形成。其中该活性层432作为发光区形成在该n型III-V族化合物层431与该p型III-V族化合物层433之间；该P型欧姆接触金属层440位于该p型III-V族化合物层433上，其中该活性层432是双异质接面构造(DH)、单量子井结构(SQW)及多量子井结构(MQW)其中之一。该导热基板450接合于该P型欧姆接触金属层440表面，且该N型欧姆接触金属460位于该n型III-V族化合物层431上，其中该n型III-V族化合物层431的表面为一凹凸表面434。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。凡根据本发明申请专利范围所做的等同变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。