專利名稱：一種發(fā)光二極管的結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種發(fā)光二極管(Light Emitting Diode；LED)晶片的結構及其制造方法。特別是一種有關p、n兩電極同向的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)及砷化鋁鎵發(fā)光二極管的結構及其制造方法。
背景技術：
傳統(tǒng)的磷化鋁鎵銦發(fā)光二極管具有一雙異質(zhì)結構(Double Heterostructure；DH)，其構造如圖5所示，是在一n型砷化鎵(GaAs)基板(Substrate)3上成長一鋁含量在70％-100％的n型(AlxGa1-x)0.5In0.5P的下包覆層4、一(AlxGa1-x)0.5In0.5P的活性層5、一鋁含量在70％-100％的p型(AlxGa1-x)0.5In0.5P的上包覆層6，以及一p型高能隙的電流分散層(Current Spreading Layer)7，這一層的材料可以是磷化鎵、磷砷化鎵、磷化銦鎵或砷化鋁鎵等。
接著利用改變活性層5的組成，便可以改變發(fā)光二極管發(fā)光波長，使其產(chǎn)生從650nm紅色至555nm純綠色的波長。但這種傳統(tǒng)的發(fā)光二極管有一個缺點，就是活性層產(chǎn)生的光，往下入射至砷化鎵基板3時，由于砷化鎵基板3的能隙較小，因此入射至砷化鎵基板3的光將會被吸收掉，而無法生成高效率的發(fā)光二極管。
為了避免基板3的吸光，傳統(tǒng)上有一些文獻揭露出LED的技術，然而這些技術都有其缺點以及限制。例如Sugawara等人發(fā)表于[Appl.Phys Lett.Vol.61，1775-1777(1992)]便揭示了一種利用加入一層分散布拉格反射層(Distributed Bragg Reflector；DBR)于砷化鎵基板上，藉以反射入射向砷化鎵基板的光，并減少砷化鎵基板吸收。
Kish等人發(fā)表于[Appl.Phys Lett.Vol.64，No.21，2839，(1994)]之文獻，名稱為「Very high-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP」，揭示一種粘接晶圓(Wafer bonding)的透明式基板(Transparent-Substrate；TS)(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP發(fā)光二極管。這種TS AlGaInP LED是利用氣相磊晶法(VPE)而形成厚度相當厚(約50μm)的P型磷化鎵(GaP)窗戶(Window)層，然后再以已知的化學蝕刻法，選擇性地移除N型砷化鎵(GaAs)基板。接著將此曝露出的N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆層，粘接至厚度約為8-10mil的N型磷化鎵基板上。
由于此晶圓粘接(Wafer Bonding)是將兩種III-V族化合物半導體直接粘接在一起，因此要在較高溫度下，加熱加壓一段時間才能完成。就發(fā)光亮度而言，以這種方式所制得的TS AlGaInP LED，比傳統(tǒng)吸收式基板(Absorbing-Substrate；AS)AlGaInP LED的亮度大兩倍以上。然而，這種TS AlGaInP LED的缺點就是制造過程太過繁雜，且通常會在接合接口具有一非歐姆接點的高電阻特性。
另一種傳統(tǒng)技術，例如Horng等人發(fā)表于[Appl.Phys.Lett.Vol.75，No.20，3054(1999)文獻，名稱為「AlGaInP light-emitting diodes with mirror substratesfabricated by wafer bonding」]。Horng等人揭示了一種利用晶片融合技術以形成鏡面基板(Mirror-Substrate；MS)磷化鋁鎵銦/金屬/二氧化硅/硅LED。其使用AuBe/Au作為粘著材料藉以接合硅基板與LED磊晶層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管結構，其結構包括具有一發(fā)光層的多層磊晶結構，通過金屬粘接層與硅基板相結合。此二極管的發(fā)光層可為同質(zhì)結構(Homostructure)、單異質(zhì)結構(Single heterostructure，SH)、雙異質(zhì)結構(Double heterostructure，DH)或多重量子井結構(Multi quantum wells，MQWs)。
發(fā)光二極管結構亦包括第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)和第二歐姆接點金屬電極層(也就是N型歐姆接點金屬電極層)。第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)藉由通道與第一金屬釘線電極層連接，第一金屬釘線電極層在第一導電型磊晶層上，或第一金屬釘線電極層在金屬連接層上，第二金屬釘線電極層在第二歐姆接點金屬電極層(也就是N型歐姆接點金屬電極層)上，使得第一金屬釘線電極層與第二金屬釘線電極層相對于基板是位于同一側，經(jīng)由切割，化學蝕刻或離子蝕刻及保護層以形成串并聯(lián)晶粒。
此外，本發(fā)明更提供一種發(fā)光二極管的制造方法。首先，在發(fā)光二極管磊晶層上形成第一歐姆接點金屬電極層，并在其上沉積鏡面保護層，如導電型的氧化銦錫(Indium tinoxide)，或非導體型的鏡面保護層。當然若采用非導體型的鏡面保護層形時，欲利用金屬粘接層或高導電導熱基板做電極時，就得對非導體型的鏡面保護層進行蝕刻，以形成與第一歐姆接點金屬電極層連接的通道。接著，在高導熱基板上形成非導體型的保護層，藉由一金屬粘接層，如In，Au，Al，Ag等金屬，將此發(fā)光二極管磊晶層與含非導體型保護層的高導熱基板相結合，并把發(fā)光二極管基板移除至導電型蝕刻終止層。
其次，分兩部分蝕刻，以便能與第一歐姆接點金屬電極層相通。第一部份，蝕刻至第一導電型磊晶層。第二部分，由第一導電型磊晶層蝕刻一斜坡金屬連接通道，并蝕刻至第一歐姆接點金屬電極層。接下來，在第一導電型磊晶層形成第一金屬釘線電極層，藉斜坡金屬連接通道讓第一金屬釘線電極層和第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)相通。最后再形成第二歐姆接點金屬電極層(也就是N型歐姆接點金屬電極層)和第二金屬釘線電極層。因此，第一金屬釘線電極層與第二金屬釘線電極層相對于高導熱基板，是位于同一側。接著，以切割、化學蝕刻或離子蝕刻把兩晶粒分開，以介電層填充被蝕刻區(qū)及相鄰晶粒的側壁，接著，再形成金屬連接層于介電層上以連接第一晶粒的第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)和第二晶粒的第二歐姆接點金屬電極層(也就是N型歐姆接點金屬電極層)，以完成晶粒串聯(lián)。
本發(fā)明的優(yōu)點為提供了一種簡單的LED芯片粘結結構，可在較低的溫度下進行芯片粘結，減少V族元素在粘結過程中揮發(fā)的問題；本發(fā)明通過通道連接可以得到較佳的光電特性，在相同定電流下，有較小而穩(wěn)定的電壓，以及較佳的電流分布，在相同電壓下，可以得到較佳發(fā)光強度；本發(fā)明采用一個金屬粘接層，來接合發(fā)光二極管與硅基板，因此，即便發(fā)光二極管磊芯片表面不平整，也可以利用粘接層將其緊密地接合在一起；本發(fā)明中兩個釘線電極在同一側，和III-V氮族(如GaN，InGaN)相同，易于RGB三個顏色同時封裝，同時，可串并聯(lián)使用；本發(fā)明經(jīng)由切割、化學蝕刻或離子蝕刻把各晶粒間的金屬分開，以保護層填充被蝕刻區(qū)，再以金屬連接形成串聯(lián)，并聯(lián)或并串聯(lián)晶粒。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1至圖5是本發(fā)明一個較佳實施例的發(fā)光二極管的制造流程示意圖；圖6是傳統(tǒng)發(fā)光二極管的結構示意圖。
圖號對照說明2基板歐姆接點電極層3基板4下包覆層5活性層6上包覆層7高能隙電流分散層8磊晶歐姆接點金屬電極層9金屬釘線電極層10高導熱基板12非導體型保護層
14金屬粘接層16P型歐姆接點磊晶層18P型磷化鋁鎵銦上包覆層20磷化鋁鎵銦活性層22N型磷化鋁鎵銦下包覆層24蝕刻終止層26N型砷化鎵基板28P型歐姆接點金屬電極層30鏡面保護層30A絕緣型鏡面保護層之電性連接通道31連接通道32N型歐姆接點金屬電極層34金屬釘線電極層36介電層38連接金屬層
具體實施例方式本發(fā)明揭露了一種發(fā)光二極管結構及其制造方法。
如圖1A所示，本發(fā)明發(fā)光二極管的磊晶結構包括依序堆迭的N型砷化鎵(GaAs)基板26、蝕刻終止層(Etching Stop Layer)24、N型磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P的下包覆(Cladding)層22與磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P的活性層(Active Layer)20，P型磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5 In0.5P的上包覆層18以及P型歐姆接點磊晶層(Ohmic ContactEpitaxial Layer)(歐姆接點磊晶層)16。接著，以傳統(tǒng)技術在P型歐姆接點磊晶層16上形成P型歐姆接點金屬電極層(第一歐姆接點金屬電極層)28。隨后，在其上再沉積鏡面保護層30，上述的鏡面保護層30材料是選自氧化銦錫(Indium tin oxide)、氧化銦(Indiumoxide)、氧化錫(Tin oxide)、氧化鋅(Zinc oxide)、氧化鎂(Magnesium oxide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)之中的一種。由于氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)為絕緣層。而本發(fā)明中除了可應用第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)28作為電極外，亦可以以后續(xù)的金屬反射層作為電極，因此，在此情況下，就需要以微影及蝕刻技術對鏡面保護層30形成連接通道30A，連接通道30A可提供金屬粘接層14的注入而與第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)28形成電性連接，其結果參考圖1B。P型歐姆接點磊晶層16的材料可以是砷化鋁鎵、磷化鋁鎵銦或磷砷化鎵，只要其能隙大于活性層20，不會吸收活性層產(chǎn)生的光，且具有高的載流子濃度，以利于形成歐姆接點，便可以選擇作為P型歐姆接點磊晶層16的候選者。上述的活性層20，其鋁含量的范圍是在x＝0~0.45，而上、下包覆層其鋁含量約控制在x＝0.5~1.0，當活性層20的鋁含量x＝0時，活性層的組成是Ga0.5In0.5P，而發(fā)光二極管的波長λd約是在635nm。
上述化合物的比例，例如活性層(AlxGa1-x)0.5In0.5P，僅是舉出一個較佳例子，并非用以限制本發(fā)明，本發(fā)明同樣適用于其它的比例。此外在本發(fā)明中，AlGaInP活性層20的結構可以是采用傳統(tǒng)的同質(zhì)結構(Homostructure)，單異質(zhì)結構(SingleHeterostructure)，雙異質(zhì)結構(Double Heterostructure；DH)或是多重量子井(MultipleQuantum Well；MQW)。所謂的雙異質(zhì)結構(DH)即包括第1A圖及第1B圖所示的N型磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆層22與磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P活性層20、P型磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P上包覆層18，其中這三層之較佳厚度分別約為0.5~3.0、0.5~2.0、0.5~3.0μm。
在本發(fā)明中，蝕刻終止層24的材質(zhì)可以是任何III-V族元素的化合物半導體，只要其晶格常數(shù)可以和砷化鎵基板26相匹配以免產(chǎn)生差排，且蝕刻速率是遠低于由砷化鎵物質(zhì)所組成的基板26，便可以當作蝕刻終止層24。
在本發(fā)明中蝕刻終止層24的較佳材質(zhì)可為磷化銦鎵(InGaP)或砷化鋁鎵(AlGaAs)。在本實施例中N型磷化鋁鎵銦下包覆層22的蝕刻速率也遠低于砷化鎵基板26。因此，只要其厚度較厚，也可以不需要另一層組成不同的磊晶層來當作蝕刻終止層。
如圖2所示的結構，此結構包括金屬粘接層14，所使用的材質(zhì)可為In，Au，Al，Ag等金屬。而基板10可以采用高熱導基板如硅(Si)晶片，碳化硅(SiC)晶片、磷化鎵(GaP)晶片或Au，Al，Cu金屬等，非導體型保護層12可以為氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)等介電材料或旋涂式玻璃(SOG)、硅樹脂(Silicone)、BCB(B-stagedbisbenzo cyclo-butene)、環(huán)氧樹脂(Epoxy)，聚亞醯胺(Polyimide)等保護層。
接著，將圖1A及圖1B已形成P型歐姆接點金屬電極層28及鏡面保護層30的發(fā)光二極管晶片及圖2的非導體型保護層12和高導熱基板10通過金屬粘接層14粘在一起，粘著的過程是在200℃~600℃左右的高溫加壓加熱一段時間完成。讓金屬粘接層14將圖1A所示的發(fā)光二極管磊晶片與高導熱基板10緊密的粘結在一起。
粘著好的磊晶片，接著以腐蝕液(如5H3PO4:3H2O2:3H2O或是1NH4OH:35H2O2)腐蝕，將不透光的N型砷化鎵基板26除去。蝕刻終止層24如果采用InGaP或AlGaAs仍然會吸收活性層20產(chǎn)生的光。因此，也必須以腐蝕液完全除去。接著，分兩階段微影技術及干式蝕刻法，例如RIE進行蝕刻。
如圖3A及圖3B所示，首先，利用將N型磷化鋁鎵銦下包覆層22、磷化鋁鎵銦活化層20、P型磷化鋁鎵銦上包覆層18、及部分P型歐姆接點磊晶層16依序由上而下蝕刻，以暴露出歐姆接點磊晶層16的蝕刻平臺。接著，再以微影及蝕刻技術進行第二階段蝕刻，蝕刻歐姆接點磊晶層16以暴露出P型歐姆接點金屬電極層28的連接通道。
接著，形成光阻圖案(未圖示)于N型磷化鋁鎵銦下包覆層22上以定義N型歐姆接點金屬電極層(第二歐姆接點金屬電極層)32。請注意光阻圖案僅于N型磷化鋁鎵銦下包覆層22上有開口以定義N型歐姆接點金屬電極層32位置。其余部分都被光阻圖案所覆蓋。隨后再形成N型歐姆接點金屬電極層32。最后，再去除形成于光阻上的金屬層及光阻以定義N型歐姆接觸電極32。
隨后，再如同形成N型歐姆接觸電極32的方法，以光阻圖案定義兩個金屬釘線電極層34的位置(包含裸露N型歐姆接觸電極32的開口及裸露連接通道31之開口)。在P型歐姆接點磊晶層16的光阻圖案開口可稍大于連接通道31。隨后再以選自鋁或金的釘線金屬層形成于光阻上，并填滿光阻圖案的開口以連接P型歐姆接點金屬電極層28及形成于N型歐姆接觸電極32上，最后再去除光阻上的釘線金屬層及光阻圖案。因此如圖3A及圖3B所示，形成了兩個金屬釘線電極層34相對于高導熱基板，都在同一側的發(fā)光二極管結構。
接著，以切割，化學蝕刻或離子蝕刻把各晶粒間的金屬分開，再以介電層36，例如氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)等介電材料或旋涂式玻璃(SOG)、硅樹脂(Silicone)、BCB(B-staged bisbenzo cyclo-butene)、環(huán)氧樹脂(Epoxy)，聚亞醯胺(Polyimide)等保護層，填充被蝕刻區(qū)，再以金屬層38連接第一晶粒的第一歐姆接點金屬電極層(也就是P型歐姆接點金屬電極層)28和第二晶粒的第二歐姆接點金屬電極層(也就是N型歐姆接點金屬電極層)32，形成串聯(lián)晶粒，如圖5A所示。圖5B所示為一串聯(lián)晶粒電路示意圖。除串聯(lián)外，也可以并聯(lián)，或串并聯(lián)等多種組合。
由于上述發(fā)明的結構是通過金屬粘接層14將非導體型保護層12和高導熱基板10與包含鏡面保護層30的發(fā)光二極管磊芯片粘在一起。因此，本發(fā)明也可以作如下變化，如圖4A所示，如第一實施例所述第1階段蝕刻方法，由下包覆層22依序蝕刻，停止于金屬粘接層14。接著，再如同第一實施例所述方法形成釘線金屬層34及介電層36，最后結果如圖4A(鏡面保護層30是導電型)或圖4B(鏡面保護層30是非導電型)所示，形成了兩個金屬釘線電極層34相對于高導熱基板，都在同一側的發(fā)光二極管結構。
接著，如前所述以切割，化學蝕刻或離子蝕刻把相鄰各晶粒間的金屬分開，再形成一個介電層36填充被蝕刻區(qū)并保護相鄰晶粒的側壁，最后再以lift off(剝離)技術，形成連接金屬層38以連接第一晶粒的第一歐姆接點金屬電極層和第二晶粒的第二歐姆接點金屬電極層，以構成串聯(lián)晶粒，如圖5B所示的電路。
本發(fā)明并不限于只適用于高亮度磷化鋁鎵銦發(fā)光二極管，本發(fā)明也可以適用于其它發(fā)光二極管材料，如砷化鋁鎵紅色及紅外線發(fā)光二極管。
權利要求
1.一種發(fā)光二極管，其特征在于包含兩個多層磷化鋁鎵銦磊晶層結構被以一介電層隔離，而構成第一晶粒及第二晶粒；一金屬層形成于介電層上并與所述兩個多層磷化鋁鎵銦磊晶層結構的各一相反電性的電極連接，以構成串聯(lián)結構；所述每一個磊晶層結構包含一上包覆層、一活性層、以及一下包覆層；一歐姆接點磊晶層形成于所述上包覆層上；一第一歐姆接點金屬電極層形成于歐姆接點磊晶層上；一鏡面保護層形成于該歐姆接點磊晶層上，并包覆該第一歐姆接點金屬電極層；一金屬粘接層；一高導熱基板；一非導體型保護層形成于高導熱基板上，并以金屬粘接層粘合于鏡面保護層上；一第二歐姆接點金屬電極層形成于該下包覆層上；每一多層磷化鋁鎵銦包含一連接通道于其中，用以電性連接該第一歐姆接點金屬電極層；一金屬釘線電極層形成于裸露的第一歐姆接點金屬電極層上及該第二歐姆接點金屬電極層上。
2.如權利要求1所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于所述鏡面保護層是選自導體型的氧化銦錫、氧化銦、氧化錫、氧化鋅、氧化鎂或非導體型的氧化鋁、二氧化硅或氮化硅之中的一種。
3.如權利要求1所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于所述鏡面保護層是選自非導體型的鏡面保護層時，更包含至少一個連接通道，用以提供金屬粘接層經(jīng)由該連接通道連接第一歐姆接點金屬電極層。
4.如權利要求1所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于所述高導熱基板是選自Au、Al、Cu等金屬、硅、磷化鎵、或碳化硅等其中一種及其組合。
5.如權利要求1所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于所述非導體型保護層是選自氧化鋁、二氧化硅、氮化硅、旋涂式玻璃、硅樹脂、BCB(B-staged bisbenzo cyclo-butene)、環(huán)氧樹脂，及聚亞醯胺及其混合所組成的族群的其中之一。
6.一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于包含提供一暫時基板；依序形成一蝕刻終止層、一多層磷化鋁鎵銦磊晶層結構在所述暫時基板上，所述磊晶層結構包含一下包覆層，一活性層，一上包覆層；形成一歐姆接點磊晶層于所述上包覆層上；形成一第一歐姆接點金屬電極層于該歐姆接點磊晶層上；形成一個鏡面保護層于所述歐姆接點磊晶層并包覆所述第一歐姆接點金屬電極層；提供一個高導熱基板；形成一個非導體型保護層于高導熱基板上；提供一個金屬粘接層，用以粘合該非導體型保護層與鏡面保護層；去除所述暫時基板與所述蝕刻終止層；以微影及蝕刻技術蝕刻該粘合后的結構體，起始于該下包覆層終止于所述金屬粘接層以形成兩個第一通道，該兩個第一通道相距以一個發(fā)光二極管晶粒距離；形成一第二歐姆接點金屬電極層于該下包覆層上；形成一個金屬釘線電極層于所述歐姆接點金屬電極層及所述金屬粘接層，以形成四個金屬釘線電極層分別連接該發(fā)光二極管的四個電極；形成一條隔離溝渠，該隔離溝渠位于所述每一個第一通道的邊緣，用以將該發(fā)光二極管一分為二；形成介電層以填補該隔離溝渠及形成于隔離溝渠旁的第一通道的側壁上；及形成一個金屬層于介電層上，用以分別連接所述隔離溝渠兩旁的第一電極至第二電極上的金屬釘線電極層。
7.如權利要求6所述的一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述鏡面保護層是選自導體型的氧化銦錫、氧化銦、氧化錫、氧化鋅、氧化鎂。
8.如權利要求6所述的一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述鏡面保護層是選自非導體型的氧化鋁、二氧化硅或氮化硅之中的一種，此時，更包含至少形成一個連接通道于所述鏡面保護層之中，用以提供所述金屬粘接層經(jīng)由該連接通道連接所述第一歐姆接點金屬電極層。
9.如權利要求6所述的一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述高導熱基板是選自Au、Al、Cu等金屬、硅、磷化鎵、或碳化硅之中一種，金屬粘接層的材質(zhì)則選自包括In，Au，Ag，Al等其中的一種金屬。
10.如權利要求6所述的一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述透明粘接層接合所述高導熱基板與所述發(fā)光二極管磊晶層表面的步驟，是在200℃~600℃范圍內(nèi)加壓及加熱而成。
全文摘要
本發(fā)明是采用高導電性與高反射率的金屬基板，取代傳統(tǒng)吸光的砷化鎵基板，并在二極管制造完成后再采用半導體制程形成串接導線，以使兩相鄰的發(fā)光二極管形成串聯(lián)。其技術特征包含以粘以鏡面保護層保護發(fā)光二極管磊晶片的金屬反射層p及n個電極，一高一低，因此而形成具有高導熱與高反射率基板的p、n電極同側的發(fā)光二極管。再利用蝕刻技術對兩個相鄰發(fā)光二極管磊晶片連接處施以蝕刻以形成溝渠，再形成一介電層填入溝渠，并保護相鄰發(fā)光二極管之側壁。最后再形成連線金屬層，用以將一發(fā)光二極管的p電極連接至n電極，完成二個發(fā)光二極管的串接。本發(fā)明的發(fā)光二極管大幅度提高了發(fā)光二極管的發(fā)光效率，增加了發(fā)光強度。
文檔編號H01L33/00GK1601774SQ20041008582
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權日2004年10月20日
發(fā)明者林錦源, 杜全成 申請人:國聯(lián)光電科技股份有限公司