專利名稱：發(fā)光二極管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管晶粒的結構，特別涉及一種具有保護段的發(fā) 光二極管及其制造方法。
背景技術：
發(fā)光二極管具有許多的優(yōu)勢，例如元件尺寸小(compact size)，可以整合 到中小型尺寸的元件或是需要小型化的元件中，并可以直流電源操作，驅(qū)動 電路設計簡單，消耗功率小及容易應用在移動式的元件中。再者，發(fā)光二極 管符合歐盟的有害物質(zhì)禁令(Rohs)的無汞工藝，具有環(huán)保的優(yōu)勢，其采用半 導體工藝，故產(chǎn)品穩(wěn)固而耐摔。所有可見光頻譜中的各色光都可以通過發(fā)光 二極管發(fā)射，發(fā)光二極管的應用從簡單的指示信號邁向其它的應用，例如照 明或是提供白色的背光源。
相較于發(fā)光二極管，傳統(tǒng)的光源，例如白熾燈泡，主要的發(fā)射能量是在 紅外線，而紅外線除了不被人眼看到之外，還會產(chǎn)生許多的熱，對于以發(fā)光 為目的而言是較耗能的。發(fā)光二極管的頻譜集中，不會有紅外線光源的產(chǎn)生， 相較于白熾燈泡是相當節(jié)能的光源。而陰極射線管所產(chǎn)生的光源，例如日光 燈，使用的壽命相較于發(fā)光二極管而言相當?shù)亩蹋⑶倚枰粋€安定器去驅(qū) 動燈管。另外，日光燈管是使用陰極射線去激發(fā)汞蒸氣，也不符合現(xiàn)代的環(huán) 保要求。因此，在傳統(tǒng)的照明方面，高亮度發(fā)光二極管有大量的市場需求。
要提高發(fā)光二極管的亮度，有幾種方式。最直覺的方式就是提高在發(fā)光 二極管內(nèi)通過的電流密度，因為發(fā)光亮度與在發(fā)光二極管內(nèi)通過的電流密度 成正比。另夕卜，就是提供較大尺寸的發(fā)光二極管晶粒，例如40X40米爾(mil; 千分之一英吋)的晶粒，發(fā)光面積增加，發(fā)光的亮度當然增加。
除了直接提高亮度的方式，另一種方式就是將沒有利用的光線再加利 用。主要的方式就是使用反射金屬層將射向背面的光線反射到正面，例如圖 1所示。在圖1中，在磊晶基板10上磊晶形成發(fā)光二極管磊晶結構層12，在磊晶基板10的下面，形成所謂的復合金屬反射層，包含金屬鋁20、金屬 鈦22、金屬銀24、以及金錫層26。 一般使用復合金屬反射層之后，發(fā)光亮 度可以增加30%到50%左右。
在發(fā)光二極管形成之后，需要將發(fā)光二極管封裝以便進行其應用。目前， 在封裝的時候，晶粒是使用固晶膠將晶粒固定在封裝基材上。 一般的固晶膠 主要是環(huán)氧樹脂摻雜金屬銀，又稱作銀膠。慘雜銀可以讓環(huán)氧樹脂具有導電 與導熱的效果，特別是在發(fā)光二極管的晶粒結構為異面電極時，需要使用可 以導電的固晶膠。經(jīng)過烘烤之后，環(huán)氧樹脂會將發(fā)光二極管固定在封裝基板 上。
另一種將發(fā)光二極管固定在封裝基材上的方式是使用共晶(eutectic)接 合，即將晶粒使用金屬共晶的方式固定在封裝基材上。如圖2所示，發(fā)光二 極管的最下面一層的金錫層26可以與位于封裝基材上的焊錫30形成金屬共 晶。使用共晶接合將發(fā)光二極管固定在封裝基材上有許多的優(yōu)點，例如接合 更緊密，可以讓發(fā)光二極管可以承受更高的推拉力。另外，金屬的散熱較環(huán) 氧樹脂更佳，發(fā)光二極管可以有較佳的散熱效果。
然而，在共晶接合的工藝中，焊錫受到擠壓時，會沿著晶粒的邊緣攀爬。 在該工藝中，攀爬的焊錫會進入到反射金屬層之間，如圖3所示。在圖3中， 攀爬的焊錫40可能會沿著發(fā)光二極管的側(cè)邊進入到磊晶基板10與金屬鋁20 之間、金屬鋁20與金屬鈦22之間、金屬鈦22與金屬銀24之間、或是金屬 銀24與金錫層26之間。侵入到復合反射金屬層之間的焊錫40，會降低發(fā)光 二極管的反光效果，并且造成產(chǎn)品的壽命降低等問題。
綜上所述，市場上亟需要一種避免焊錫侵入疊層內(nèi)部的發(fā)光二極管晶粒 的結構，并能改善上述現(xiàn)有發(fā)光二極管的各種缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)光二極管，其能提升發(fā)光二極管的質(zhì)量與 制造合格率，在發(fā)光二極管的基板相對于磊晶結構的一面形成保護段，可防 止發(fā)光二極管在共晶接合階段，焊錫進入復合反射金屬層之間所造成的問題。
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管，包含一具有一第一面與一第二面的基材，一位于該基材的第一面上的可發(fā)光的磊晶結構，以及一位于該基材的第二面 上的復合反射層。其中該第二面具有一保護段。
上述發(fā)光二極管的一種制造方法，包含在一基材的第一面形成一可發(fā)光 的磊晶結構，之后在該基材的第二面形成一保護段，以及在該基材的第二面 形成一復合反射層。上述的基材用于磊晶的基材，可為藍寶石基板、碳化硅 基板、砷化鎵基板、硅基板、磷化銦基板、磷化鎵基板、或氧化鋅基板。
上述發(fā)光二極管的另一種制造方法，包含依序在一暫時基材上形成一可 發(fā)光的磊晶結構，在該可發(fā)光的磊晶結構上形成一基材。之后移除該暫時基 桐、在上述基材上形成一保護段，并且在基材上形成一復合反射層。
上述的保護段為至少一溝渠，或是多個溝渠圖案占滿該基材。溝渠圖案 與發(fā)光二極管的外輪廓(外觀)接近或是不相同。
上述的復合反射層可為Ni/Au/Al/Ti/Au、 ITO/Al/Ti/Au、 ITO/Al/Ti/Ag、 ITO/Si02/Al/Si02、 Si02/Al/Si02/Ag、或Al/Ti/Ag。在復合反射層外還包含一 層金錫層以提供發(fā)光二極管以共晶接合方式固定于封裝基材上。
本發(fā)明的有益技術效果在于通過本發(fā)明的發(fā)光二極管，能提升發(fā)光二 極管的質(zhì)量與制造合格率，在發(fā)光二極管的基板相對于磊晶結構的一面形成 保護段，可防止發(fā)光二極管在共晶接合階段，焊錫進入復合反射金屬層之間 所造成的問題。


圖1為以傳統(tǒng)的方式形成具有反射金屬層的發(fā)光二極管的截面結構示意
圖2為以圖1的發(fā)光二極管進行共晶接合的示意圖； 圖3為以傳統(tǒng)的技術進行共晶接合時所遇到的問題；
圖4為以本發(fā)明的方法形成具有保護段的發(fā)光二極管的截面結構示意
圖5為以圖4的具有保護段的發(fā)光二極管在焊錫攀爬侵入的俯視示意
圖6為以圖4的具有保護段的發(fā)光二極管在焊錫攀爬侵入的另一種俯視 示意圖；圖7為以本發(fā)明的方法形成具有保護段的發(fā)光二極管的各步驟的截面結 構示意圖，其中光致抗蝕劑已經(jīng)具有溝渠的圖案；
圖8為以本發(fā)明的方法形成具有保護段的發(fā)光二極管的各步驟的截面結 構示意圖，其中硬屏蔽層在蝕刻后形成溝渠的圖案；
圖9為以本發(fā)明的方法形成具有保護段的發(fā)光二極管的各步驟的截面結 構不意圖，其中基板在蝕刻后形成溝渠的圖案；
圖10為以本發(fā)明的方法形成具有保護段的發(fā)光二極管的各步驟的截面 結構示意圖，其中復合金屬反射層依序形成在具有溝渠的基板上；以及
圖11為以本發(fā)明的方法形成具有保護段的發(fā)光二極管的各步驟的截面 結構示意圖，其中用以共晶接合的金錫層形成在復合金屬反射層上。
其中，附圖標記說明如下
12磊晶結構層 22 26
40焊錫
110發(fā)光磊晶結構 122 金屬鈦 126金錫層 140焊錫 200硬屏蔽層
焊錫
r晶
10 幕晶 20 24 30 100 120 124
130焊錫 142焊錫 210光致抗蝕劑層 220、 222-1、 222-2、
222-3、 222-4、 222-
溝渠
具體實施例方式
本實施例所涉及的示意圖，均為以附圖的方式闡明本發(fā)明的實施例并不 用以限制本發(fā)明的范圍。附圖的內(nèi)容為結構示意圖，不能以附圖的尺寸限縮 本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的目的在于在發(fā)光二極管的基材上形成保護段，防止在共晶接合 階段，焊錫會進入復合金屬反射層之間。保護段可以在磊晶之后，晶粒切割 的工藝中進行，也可以在磊晶之前直接形成。在晶粒切割的工藝中，可以在發(fā)光二極管的電極形成之前先形成保護段以及復合金屬反射層；也可以在形 成發(fā)光二極管的電極與保護層之后，磊晶晶圓切割成芯片之前形成保護段與 復合金屬反射層。
保護段在本發(fā)明的實施例中，主要是在基板上形成溝渠，使得焊錫要進 入復合金屬反射層之間的縫隙時，會增加進入的距離；并且，焊錫鉆入縫隙 的方向改變，使得焊錫鉆入的難度增加，因此可以阻擋焊錫的進入。
溝渠的圖案可以跟晶粒的外輪廓相同，是方形，另夕卜，也可以是圓形或 是其它的形狀，例如橢圓形、菱形、規(guī)則的圖案或是不規(guī)則的圖案。溝渠的 深度不受限制，主要的目的是可增加焊錫進入復合金屬反射層之間縫隙的難 度。溝渠的寬度不受限制，主要可讓復合金屬反射層可以以共形的方式形成 在溝渠內(nèi)。溝渠的數(shù)量可以是一個、兩個、三個，或是形成在整個晶粒的背 面。溝渠的形成方式可以使用蝕刻，而蝕刻劑的選擇依賴基材的不同而不同。
基材可以是磊晶基板，也可以是其它的基板。例如，在原先的磊晶基板 上磊晶之后形成一第二基板，然后將原先的磊晶基板移除。這樣的工藝稱為 基板掀離(lift-off)工藝。例如，將砷化鎵基板移除，并且在磊晶結構的另一端 形成磷化鎵基板或金屬基板，或是將藍寶石基板以激光掀離工藝移除，并且 在磊晶結構的另一端形成金屬基板。
接下來，以圖4說明本發(fā)明實施例的結構示意圖。圖4為發(fā)光二極管的
截面結構示意圖，在磊晶基板100的第一面上形成發(fā)光磊晶結構110，其中 可發(fā)光的磊晶結構110包含一 n型化合物半導體層以及一 p型化合物半導體 層。磊晶基板100可以是藍寶石基板、碳化硅基板、砷化鎵基板、硅基板、 磷化銦基板、磷化鎵基板、或是氧化鋅基板等。磊晶結構110可以是III-V 族化合物半導體材料，例如三族砷化物、三族磷化物及三族氮化物，其可
包含砷化鎵、磷化鎵、磷化鋁鎵、磷化銦鎵、磷化鋁銦鎵、氮化鎵、氮化鋁
鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁銦鎵。磊晶結構iio也可以是其它的n-vi族化
合物半導體材料。磊晶結構110—般是在化學氣相沉積室里面進行反應磊晶， 例如有機金屬氣相磊晶(OMVPE; OrganoMetal Vapor Phase Epitaxy),氫化物 氣相磊晶(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy)。目前，在n型化合物半導體 層與p型化合物半導體層之間，會形成一主動層以增進發(fā)光效率。主動層與 n型化合物半導體層及p型化合物半導體層形成所謂的雙異質(zhì)結構(DoubleHetrostructure)。另一種主動層具有多重量子井(MQW; Multiple Quantum Well)
結構，可以更進一步提升發(fā)光二極管的效率。
在形成磊晶結構IIO之后，在磊晶基板100的第二面(一般是指發(fā)光二極 管的背面)形成至少一個溝渠220。溝渠220的深度以不影響發(fā)光二極管的出 光效果為佳。復合金屬反射層中，包含金屬鋁120、金屬鈦122、金屬銀124 等以共形(conformal)的方式依序形成在具有溝渠220的磊晶基板100的第二 面上。復合金屬反射層最后的金錫層126將溝渠220填平，以有利于與封裝 基板上的焊錫130之間進行共晶接合。
圖5為圖4中的截面結構的一種俯視圖。當基板與磊晶結構均為透明時， 圖5為從基板的第一面俯視圖4的示意圖。在圖5中，兩個溝渠220-1與220-2 的外形接近發(fā)光二極管晶粒的外輪廓，在附圖中溝渠220與溝渠以外的部分 均為相同的材質(zhì)，而為了附圖的方便而單獨用影線標示。攀爬的焊錫140從 發(fā)光二極管的側(cè)邊侵入，遇到溝渠220-1后很難再繼續(xù)進入。溝渠的數(shù)量愈 多，焊錫侵入的機會愈小。
圖6為圖4中的截面結構的另一種俯視圖。在這個實施例中，共有五個 溝渠222-1、 222-2、 222-3、 222-4、及222-5，每個溝渠均為圓形。在圖6的 實施例中，每個溝渠的寬度均不一樣，可以是有規(guī)則的變化，或是無規(guī)則的 變化。攀爬的焊錫142從發(fā)光二極管的側(cè)邊侵入，遇到溝渠222-1后很難再 繼續(xù)進入。即便是攀爬的焊錫142可以通過溝渠222-1，后面還有其它的溝 渠可以阻擋攀爬的焊錫142進入。
形成如圖4所示的發(fā)光二極管的各步驟的截面的結構示意圖如圖7到圖 11所示。
如圖7所示，在磊晶基板100的第一面形成發(fā)光二極管的磊晶結構110。 在磊晶基板100的第二面形成一硬屏蔽層200，在本實施例中硬屏蔽層200 的材質(zhì)為二氧化硅。在硬屏蔽層200上形成一經(jīng)過圖案轉(zhuǎn)移過的(pattemed) 光致抗蝕劑層210。 二氧化硅的形成方式可以是物理氣相沉積、化學氣相沉 積、或旋轉(zhuǎn)涂布(SOG; spin on coating),例如常壓化學氣相沉積、低壓化學 氣相沉積、等離子體增益化學氣相沉積、高密度等離子體化學氣相沉積、或 是以四乙基硅酸鹽方式旋涂等。硬屏蔽層200也可以使用其它的材料，例如 氮化硅、氮氧化硅、或是其它可在跟磊晶基材100之間有蝕刻選擇性的材料，并且蝕刻選擇性愈高愈好。
光致抗蝕劑層210可以選擇正光致抗蝕劑或是負光致抗蝕劑，通常使用
旋轉(zhuǎn)涂布的方式形成在硬屏蔽層200上，然后經(jīng)過預烤(prebake)，曝光 (exposure),顯影(develop)，后烘烤(post bake)之后形成如圖所示的有圖案的 光致抗蝕劑層210。
在本實施例中以藍寶石作為磊晶基板100，然而亦可以應用到其它的磊 晶 基板，在此不再贅述。
之后，如圖8所示，以光致抗蝕劑層210作為屏蔽，蝕刻硬屏蔽層200。 在本實施例中，蝕刻的方式可以是干蝕刻或是濕蝕刻。在濕蝕刻中，蝕刻二 氧化硅的蝕刻劑可為氫氟酸。在干蝕刻中， 一般使用氟碳化物的氣體等離子 體，以活性離子反應器(RIE)、磁場強化活性離子反應器(MERIE)、電子回旋 共振式等離子體蝕刻機(ECR)、感應耦合式等離子體蝕刻機(ICP)、或是螺旋 波等離子體蝕刻機(HWP)等進行干式蝕刻。
然后，如圖9所示，以硬屏蔽層200為屏蔽，蝕刻磊晶基板100形成溝 渠220，其中蝕刻的方式可為濕蝕刻或是干蝕刻。在本實施例中，以藍寶石 作為磊晶基板100，因此在濕蝕刻中選擇的蝕刻劑為硫酸與磷酸，而在干蝕 刻中使用以三氯化硼為基底的氣體等離子體。干蝕刻可以在活性離子反應 器、磁場強化活性離子反應器、電子回旋共振式等離子體蝕刻機、感應耦合 式等離子體蝕刻機、或是螺旋波等離子體蝕刻機等進行。兩種蝕刻方式的差 異在于蝕刻的輪廓。在本實施例中以干式蝕刻較佳，因為攀爬的焊錫要進入 復合金屬反射層之間的縫隙時需要克服接近垂直的轉(zhuǎn)角，侵入的困難更大。
接著，如圖10所示，依序形成復合金屬反射層。先形成金屬鋁120，然 后是金屬鈦122，之后是金屬銀124。在本實施例中，三層金屬層均為共形 層(conformal layer)。三層的金屬層的形成方式可為化學氣相沉積或是物理氣 相沉積，例如使用蒸鍍的方式，熱源可以是電子束加熱，或是使用射頻、加 熱片等，亦可以使用濺鍍、分子束磊晶法、以及電鍍、化鍍等方式。
然而，共形層可以只形成在第一層金屬鋁120上，之后的第二層的金屬 鈦122可以將溝渠填滿，或是第三層的金屬銀124將溝渠填滿。
除了在本實施例中所使用復合金屬反射層之外，亦可以使用其它的復合 金屬反射層，例如Ni/Au/Al/Ti/Au、 ITO/Al/Ti/Au、或是ITO/Al/Ti/Ag。另夕卜，亦可以使用其它的材料，例如ITO/Si02/Al/Si02、或是Si02/Al/Si02/Ag的復
合反射層。
之后，如圖11所示，形成金錫層126。在本實施例中，金錫層126需要 將所有凹進去的溝渠填平。形成金錫層126的方式可為化學氣相沉積或是物 理氣相沉積，例如使用蒸鍍的方式，熱源可以是電子束加熱、或是使用射頻、 加熱片等，亦可以使用濺鍍、分子束磊晶法、以及電鍍、化鍍等方式。
對于使用基板掀離工藝的發(fā)光二極管，并非是磊晶基板100的基板一般 也可以應用于本發(fā)明中。然而，如果并非是磊晶基板100的基板是金屬的， 可以有幾種方式形成溝渠。 一種簡單的方式是在p型化合物半導體層上，繼 續(xù)磊晶足夠厚度的p型半導體化合物層，然后在p型半導體化合物層上形成 溝渠，之后的金屬基板為共形層，具有溝渠的圖案。另一種方式是直接在金 屬基板上形成溝渠。
本發(fā)明的技術內(nèi)容及技術特點已如上述記載，然而熟悉本領域的技術人 員仍可能基于本發(fā)明的教導及記載而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修 飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應不限于實施例所涉及的內(nèi)容，而應包括各種 不背離本發(fā)明的替換及修飾，并涵蓋在以下的權利要求書的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1. 一種發(fā)光二極管，包含一基材，具有一第一面與一第二面，其中該第二面具有一保護段；一可發(fā)光的磊晶結構，位于該基材的第一面上；以及一復合反射層，位于該基材的第二面上。
2. —種制造發(fā)光二極管的方法，包含提供一基材，該基材具有一第一面與一第二面；在該基材的第一面形成一可發(fā)光的磊晶結構；在該基材的第二面形成一保護段；以及在該基材的第二面形成一復合反射層。
3. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管或權利要求2所述的制造發(fā)光二極管的方法，其中該基材以磊晶為基材，可以是藍寶石基板、碳化硅基板、砷化鎵基板、硅基板、磷化銦基板、磷化鎵基板或氧化鋅基板。
4. 一種制造發(fā)光二極管的方法，包含提供一暫時基材；在該暫時基材上形成一可發(fā)光的磊晶結構；在該可發(fā)光的磊晶結構上形成一基材；移除該暫時基材；在該基材上形成一保護段；以及在該基材上形成一復合反射層。
5. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管或權利要求2或4所述的制造發(fā)光二極管的方法，其中該復合反射層可為Ni/Au/Al/Ti/Au、 ITO/Al/Ti/Au、ITO/Al/Ti/Ag、 ITO/Si02/Al/Si02、 Si02/Al/Si02/Ag或Al/Ti/Ag。
6. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管或權利要求2或4所述的制造發(fā)光二極管的方法，其中該保護段為至少一溝渠。
7. 根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光二極管或制造發(fā)光二極管的方法，其中該溝渠的圖案占滿該基材。
8. 根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光二極管或制造發(fā)光二極管的方法，其中該溝渠的圖案與該發(fā)光二極管的外輪廓接近。
9. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管或權利要求2或4所述的制造發(fā)光二極管的方法，其中在該復合反射層外還包含一層金錫層以提供該發(fā)光二極管以共晶接合方式固定于封裝基材上。
10. —種發(fā)光二極管，包含一磊晶基材，具有一第一面與一第二面，其中該第二面具有多個溝渠；一可發(fā)光的磊晶結構，位于該磊晶基材的第一面上；以及--復合金屬反射層，位于該磊晶基材的第二面上，該復合金屬反射層可提供該發(fā)光二極管以共晶接合方式固定于一封裝基材上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管及其制造方法，該發(fā)光二極管包含一具有一第一面與一第二面的基材，一位于該基材的第一面上的可發(fā)光的磊晶結構，以及一位于該基材的第二面上的復合反射層。其中該第二面具有一保護段。通過本發(fā)明的發(fā)光二極管，能提升發(fā)光二極管的質(zhì)量與制造合格率，在發(fā)光二極管的基板相對于磊晶結構的一面形成保護段，可防止發(fā)光二極管在共晶接合階段，焊錫進入復合反射金屬層之間所造成的問題。
文檔編號H01L33/00GK101465397SQ20071030203
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月20日 優(yōu)先權日2007年12月20日
發(fā)明者詹世雄, 黃志強 申請人:先進開發(fā)光電股份有限公司