CN100573937C - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管(LED)及其制造方法。此发光二极管至少包括：一导电基板具有相对的第一表面以及第二表面；一金属接合层设于导电基板的第一表面上；一金属反射层接合在金属接合层上；一透明导电层，接合在金属反射层的表面上；一N型半导体层设于透明导电层之上；一N型金属接触层由一N型接触层和一金属材料层组成，设于透明导电层与N型半导体层之间且嵌设于透明导电层中，其中N型接触层位于部分的N型半导体层下方，金属材料层设于N型接触层下方；一主动层设于N型半导体层上；一P型半导体层设于主动层上；一窗户层设于P型半导体层上，其中此窗户层的厚度为50μm以上，且窗户层是由透明导电材料所组成；以及一P型电极设于窗户层上。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明有关一种发光二极管(LED)及其制造方法，且特别是有关一种高效率发光二极管及其制造方法。

背景技术

在发光二极管的制作上，III-V族半导体化合物，例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、以及氮化铝铟镓(AlInGaN)等材料，是相当常见的材料。此类由III-V族半导体化合物所构成的发光磊晶结构大多成长于不导电的蓝宝石基板上，而与其他发光元件采用的可导电基板不同。由于，蓝宝石基板为绝缘体，不能直接将电极制作于此蓝宝石基板上。因此，制作III-V族半导体化合物所构成的发光二极管的电极时，必须使电极直接与P型半导体层与N型半导体层各别接触，才能完成此类发光元件的制作。

一般传统的发光二极管结构采用N型砷化镓(GaAs)作为原生基板(GrowthSubstrate)材料。由于N型砷化镓所构成的原生基板会吸收光，因此在发光二极管的主动层所产生的光子中，朝向原生基板方向的光子大部分将为原生基板所吸收，而严重影响发光二极管元件的发光效率。

为避免发光二极管的基板吸光问题，比利时Gent大学I.Pollentirer等人于1990年在Electronics Letters期刊发表将砷化镓发光二极管晶片自砷化镓基板上剥离后直接接合到硅(Si)基板的技术。此外，美国Hewlett-Packard公司在其美国专利第5376580号(申请日1993年3月19日)中揭示将砷化铝镓(AlGaAs)发光二极管晶片自砷化镓基板剥离后直接接合到其他基板的技术。然而，此美国专利第5376580号的缺点是以半导体为贴合介质，因此必须要考虑贴合二半导体晶片间的晶格方向对齐，工艺困难度高，因而导致良率降低。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种发光二极管，具有较厚的窗户层(WindowLayer)，有助于电流扩散，并可提升光取出效率，达到提高发光二极管的亮度的功效。

本发明的另一目的是提供一种发光二极管，为P型朝上的结构，因此较容易对元件表面进行粗糙化处理，而可提升光取出率，进而可提高发光亮度。

本发明的又一目的是提供一种发光二极管的制造方法，其是在原生基板上成长较厚的窗户层，而可在发光二极管之后续工序期间作为暂时支撑结构，因此原生基板的移除、发光磊晶结构的后续工序、以及永久基板的必要工序，均可在晶片贴合程序前完成，如此一来，无须受限于较低温的贴合温度，而可大大地增加工序窗，有效提高工序良率。

本发明的再一目的是提供一种发光二极管的制造方法，其可利用熔点较低的合金来作为晶片贴合的介质，因此可有效提高晶片贴合工序的可靠度。

根据本发明的上述目的，提出一种发光二极管，至少包括：一导电基板，具有相对的第一表面以及第二表面；一金属接合层，设于导电基板的第一表面上；一金属反射层，接合在金属接合层上；一N型半导体层，设于金属反射层之上；一主动层，设于N型半导体层上；一P型半导体层，设于主动层上；一窗户层，设于P型半导体层上，其中此窗户层的厚度为50μm以上，且此窗户层是由透明导电材料所组成；以及一P型电极，设于窗户层上。

依照本发明一较佳实施例，上述的窗户层的厚度介于50μm至200μm之间。

根据本发明的目的，提出一种发光二极管的制造方法，至少包括：提供一原生基板；形成一N型半导体层于原生基板上；形成一主动层于N型半导体层上；形成一P型半导体层于主动层上；形成一窗户层于P型半导体层上，其中窗户层的一厚度为50μm以上，且此窗户层是由透明导电材料所组成；移除原生基板；形成一P型电极于部分的窗户层上；形成一金属反射层于N型半导体层上，其中金属反射层与主动层位于N型半导体层的相对二侧；提供一导电基板，其中此导电基板具有相对的第一表面以及第二表面，且导电基板的第一表面上设有一金属接合层；以及进行一贴合步骤，以使金属反射层与金属接合层接合。

依照本发明一较佳实施例，上述形成窗户层的步骤至少包括利用一有机金属化学气相沉积方式形成窗户层的一部分厚度、以及利用一气相磊晶方式形成窗户层的另一部分厚度。

附图说明

图1至图4是依照本发明一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序剖面图。

具体实施方式

本发明揭示一种发光二极管及其制造方法，具有较厚的窗户层，因此可增进电流扩散，并可提高光取出效率，更有利于元件表面的粗糙化处理，进一步提高光取出率，达到提升发光二极管元件的发光亮度的功效。此外，可于晶片贴合前完成所有必要工序，因此贴合温度更为弹性，而可获得较广的工序窗。更甚者，可使用熔点更低的合金来作为晶片贴合的介质，因此可改善晶片贴合工序的可靠度。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列结合图1至图4的描述。

请参照图1至图4，其是依照本发明一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序剖面图。在本发明中，制作发光二极管元件时，先提供原生基板100，接着可利用例如磊晶方式直接于原生基板100的表面上成长N型半导体层106。在本发明的一实施例中，可选择性地于原生基板100的表面上先形成N型接触层104，再于N型接触层104上磊晶成长N型半导体层106，以提升元件的电性品质。在本发明的另一实施例中，更可选择性地先于原生基板100的表面上沉积蚀刻终止层102，再于蚀刻终止层102上依序磊晶成长N型接触层104与N型半导体层106，以利后续原生基板100的移除工序的进行，如图1所示。在本较佳实施例中，原生基板100上先依序形成有蚀刻终止层102与N型接触层104，在于N型接触层104上形成N型半导体层。N型接触层104的材料可例如为N型砷化镓(GaAs)、N型磷化镓砷(GaAsP)、或N型磷化铝镓铟(AlGaInP)。N型半导体层106的材料可例如为N型磷化铝镓铟[(Al_xGa_{1- x})_0.5In_0.5P]。接下来，利用例如磊晶方式于N型半导体106上成长主动层108，其中主动层108可例如为多重量子井(Multiple Quantum Well；MQW)结构。再利用例如磊晶方式，于主动层108上成长P型半导体层110，其中P型半导体层110的材料可例如为P型磷化铝镓铟[(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P]。随后，于P型半导体层110上形成窗户层112，而形成如图1所示的结构。其中窗户层112是由透明导电材料所组成，且窗户层112的材料可例如为磷化镓(GaP)、磷化镓砷(GaAsP)、或砷化铝镓(AlGaAs)。在本发明中，形成窗户层112时较佳可利用两段式磊晶沉积方式。在本发明的一较佳实施例中，利用有机金属化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)方式形成具有窗户层112的部分厚度的第一薄膜，再利用气相磊晶(Vapor Phase Epitaxy；VPE)方式而于第一薄膜上形成具有窗户层112的其余厚度的第二薄膜。在本发明中，窗户层112的厚度较大，较佳为50μm以上，例如介于50m至200μm之间，以提供晶片足够的结构支撑来进行后续的制作工序。

在本发明中，由于窗户层112的厚度较大，可制作成P型朝上的结构，因此不仅有助于电流扩散，而可提高光取出效率。此外，还由于较厚的窗户层112的位置在上方，而有利于元件表面的粗糙化处理的进行，可进一步提高光取出率，进而可提升元件的亮度。

待完成窗户层112的制作后，以窗户层112作为结构支撑，利用例如蚀刻方式移除原生基板100。此时，若原生基板100的表面上设有蚀刻终止层102，则可以利用蚀刻终止层102来作为蚀刻终点。在本发明中，于原生基板100移除后，较佳是一并移除蚀刻终止层102。在本较佳实施例中，完成原生基板100的移除处理后，由于当初于蚀刻终止层102上形成有N型接触层104，因此于原生基板100移除后暴露出N型接触层104，如图2所示。另一方面，若无设置N型接触层104，则于原生基板100移除后暴露出N型半导体层106。

由于厚度较大的窗户层112所提供的结构强度足以支撑磊晶结构进行后续的制作工序，因此可在窗户层112的支撑下，顺利移除原生基板100。

在原生基板100移除后，可进行后续处理。举例而言，选择性地，首先图案化N型接触层104，接着在N型接触层104上形成金属材料层138而构成N型金属接触层134的堆叠结构，以减少N型金属接触层134的吸光效应，并形成网状或分布点状电极结构，以兼顾欧姆接触品质与光取出率。金属材料层138的材料可例如为金锗合金。再形成透明导电层116覆盖在暴露出的N型半导体层106与这些呈网状或分布点状电极结构的N型金属接触层134上。在本发明中，透明导电层116的表面118与N型半导体层106接合。透明导电层116的材料可例如为氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化铜铝(CuAlO₂)、氧化铜镓(CuGaO₂)、或氧化锶镓(SrCu₂O₂)。接下来，可形成金属反射层120覆盖在透明导电层116的表面上，其中金属反射层120位于相对表面118的透明导电层116的另一表面上，如图3所示。在本发明的其他实施例中，可省略透明导电层116与N型金属接触层134的制作，而直接形成金属反射层120覆盖在暴露出的N型半导体层106上。金属反射层120的材料可例如为金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、铬(Cr)或镍(Ni)。此外，还可选择性地形成扩散阻障层122于覆盖在金属反射层120上，如图3所示。扩散阻障层122的材料可例如为钼(Mo)、铂(Pt)、钨(W)、氧化铟锡、氧化锌或锰(Mn)。另外，利用例如蒸镀沉积方式，形成P型电极114于部分的窗户层112上。

同时，提供永久基板，例如导电基板124。导电基板124较佳是由高导电与高导热材料所组成，其中导电基板124的材料可例如为硅(Si)、锗(Ge)、碳化硅(SiC)、或氮化铝(AlN)。在本发明的一实施例中，可于导电基板124的表面上直接形成金属接合层130。金属接合层130较佳是采用熔点较低的金属，其中金属接合层130的材料可例如为铅锡合金(PbSn)、金锗合金(AuGe)、金铍合金(AuBe)、金锡合金(AuSn)、锡、铟(In)或钯铟合金(PdIn)。在本发明的一较佳实施例中，导电基板124的相对二表面上还可选择性地设置欧姆接触层126与欧姆接触层128，而使欧姆接触层126介于金属接合层130与导电基板124之间，以进一步增进发光二极管元件的电性品质，如图3所示。欧姆接触层126与欧姆接触层128的材料可例如为钛(Ti)、镍、金、或钨。

在本发明中，由于窗户层112具有较大的厚度，因此移除吸光的原生基板100后的磊晶晶片可在晶片贴合步骤进行前完成所需的处理工序，无须受限于较低温的贴合温度，而可扩大工序窗，提升工序良率。

如图3与图4所示，待完成由窗户层112所支撑的磊晶结构晶片与导电基板124的后续处理工序后，即可进行贴合步骤，利用金属接合层130或扩散阻障层122与导电基板124上的金属接合层130作为接合介质，以将金属反射层120与导电基板124予以接合，而完成发光二极管132的制作。经贴合后，金属反射层120可直接与金属接合层130连接，或者金属反射层120是透过扩散阻障层122而间接与金属接合层130连接，如图4所示。

在本发明中，是利用熔点较低的金属或合金来作为贴合的介质，因此贴合温度远低于传统以半导体为介质的贴合温度，而可改善晶片贴合的可靠度，进而达到提高制造良率的目的。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的一优点就是因为本发明的发光二极管具有较厚的窗户层，有助于电流扩散，并可提升光取出效率，达到提高发光二极管的亮度的功效。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另一优点就是因为本发明的发光二极管为P型朝上的结构，因此较容易对元件表面进行粗糙化处理，而可提升光取出率，进而可提高发光亮度。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的又一优点就是因为本发明的发光二极管的制造方法是在原生基板上成长较厚的窗户层，而可在发光二极管的后续工序期间提供足够的结构支撑，因此原生基板的移除、发光磊晶结构的后续工序、以及永久导电基板的必要工序，均可在晶片贴合程序前完成，如此一来，无须受限于较低温的贴合温度，而可大大地增加工序窗，有效提高工序良率。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的再一优点就是因为本发明的发光二极管的制造方法可利用熔点较低的金属或合金来作为晶片贴合的介质，因此可有效提高晶片贴合工序的可靠度。

虽然本发明已以一较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (24)

1.一种发光二极管，至少包括：

一导电基板，具有相对的一第一表面以及一第二表面；

一金属接合层，设于该导电基板的该第一表面上；

一金属反射层，接合在该金属接合层上；

一透明导电层，接合在该金属反射层的表面上；

一N型半导体层，设于该透明导电层之上；

一N型金属接触层由一N型接触层和一金属材料层所组成，设于该透明导电层与该N型半导体层之间且嵌设于该透明导电层中，其中该N型接触层位于部分的该N型半导体层下方，金属材料层设于该N型接触层下方；

一主动层，设于该N型半导体层上；

一P型半导体层，设于该主动层上；

一窗户层，设于该P型半导体层上，其中该窗户层的一厚度为50μm以上，且该窗户层是由一透明导电材料所组成；以及

一P型电极，设于该窗户层上。

2.如材料要求1所述的发光二极管，其特征在于该导电基板的材料为硅、锗、碳化硅或氮化铝。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该金属接合层的材料为铝锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟或钯铟合金。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该金属反射层的材料为金、铝、银、铬或镍。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该N型半导体层的材料为N型磷化铝镓铟[(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P]，该主动层是一多重量子阱结构，且该P型半导体层的材料为P型磷化铝镓铟[(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P]。

6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该窗户层的材料为磷化镓、磷化镓砷、或砷化铝镓。

7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该窗户层的厚度介于50μm至200μm之间。

8.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于还至少包括：

一第一欧姆接触层，接合在该导电基板的该第一表面上，且介于该导电基板与该金属接合层之间；以及

一第二欧姆接触层，接合在该导电基板的该第二表面上。

9.如权利要求8所述的发光二极管，其特征在于该第一欧姆接触层与该第二欧姆接触层的材料为钛、镍、金、或钨。

10.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于还至少包括一扩散阻障层，介于该金属接合层与该金属反射层之间。

11.如权利要求10所述的发光二极管，其特征在于该扩散阻障层的材料为钼、铂，钨，氧化铟锡、氧化锌或锰。

12.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该透明导电层的材料为氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、氧化镉锡、氧化铜铝、氧化铜镓、或氧化锶镓。

13.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该N型接触层的材料为N型砷化镓、N型磷化镓砷或N型磷化铝镓铟。

14.一种发光二极管的制造方法，至少包括：

提供一原生基板；

形成一N型半导体层于该原生基板上；

形成一主动层于该N型半导体层上；

形成一P型半导体层于该主动层上；

形成一窗户层于该P型半导体层上，其中该窗户层的一厚度为50μm以上，且该窗户层是由一透明导电材料所组成；

移除该原生基板；

形成一P型电极于部分的该窗户层上；

形成一金属反射层于该N型半导体层上，其中该金属反射层与该主动层位于该N型半导体层的相对二侧；

提供一导电基板，其中该导电基板具有相对的一第一表面以及一第二表面，且该导电基板的该第一表面上设有一金属接合层；以及

进行一贴合步骤，以使该金属反射层与该金属接合层接合。

15.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该金属接合层的材料为铅锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟或钯铟合金。

16.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该窗户层的材料为磷化镓、磷化镓砷、或砷化铝镓。

17.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该窗户层的厚度介于50μm至200μm之间。

18.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于于设置该金属接合层之前还至少包括：

形成一第一欧姆接触层，接合在该导电基板的该第一表面上，以使该第一欧姆接触层介于该导电基板与该金属接合层之间；以及

形成一第二欧姆接触层，接合在该导电基板的该第二表面上。

19.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于于形成该N型半导体层的步骤前，还至少包括形成一N型接触层，其中该N型接触层介于该N型半导体层与该原生基板之间。

20.如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特征在于于移除该原生基板的步骤与形成该金属反射层的步骤之间，还至少包括形成一透明导电层于该N型接触层上。

21.如权利要求20所述的发光二极管的制造方法，其特征在于于移除该原生基板的步骤与形成该透明导电层的步骤之间，还至少包括形成由一N型接触层与一金属材料层所组成的一N型金属接触层：

图案化该N型接触层，以暴露出部分的该N型半导体层；以及

形成一金属材料层于该N型接触层上，其中该N型接触层与该金属材料层夹设在该N型半导体层与该透明导电层之间。

22.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于于形成该金属反射层的步骤与该贴合步骤之间，还至少包括形成一扩散阻障层于该金属反射层上。

23.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于于形成该N型半导体层的步骤前，还至少包括形成一蚀刻终止层，其中该蚀刻终止层介于该N型半导体层与该原生基板之间。

24.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于形成该窗户层的步骤至少还包括：

利用一有机金属化学气相沉积方式形成该窗户层的一第一薄膜，且该第一薄膜具有该窗户层的一部分厚度；以及

利用一气相磊晶方式形成该窗户层的一第二薄膜位于该第一薄膜上，且该第二薄膜具有该窗户层的另一部分厚度。

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