專利名稱：直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種直立式發(fā)光二板管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，尤其是指一種以藍(lán)寶石(Sapphire)為基板的藍(lán)光發(fā)光二極管，其主要是在藍(lán)寶石基板中以第一電極為中心而在其基板上采用對稱方式蝕設(shè)有至少一個(gè)通道，并在中空通道內(nèi)存在有一導(dǎo)電材質(zhì)，致使該發(fā)光二極管的導(dǎo)電線路可自然形成而被有效地規(guī)劃及應(yīng)用。
發(fā)光二極管(LED；Light-Emitting Diode)自從50年代發(fā)展至今，由于具備有壽命長、體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、反應(yīng)速度快、及單性光發(fā)光的特性及優(yōu)點(diǎn)，所以在短短幾十年間，發(fā)光二極管已經(jīng)應(yīng)用在各種日常生活產(chǎn)品及儀器設(shè)備中，凡是電腦外圍設(shè)備、時(shí)鐘顯示器、廣告板、交通號志燈、通信業(yè)、或消費(fèi)電子產(chǎn)品中都可發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管的大量使用證據(jù)，而此產(chǎn)品應(yīng)用范圍的廣泛不得不令人咋舌。尤其是當(dāng)藍(lán)光發(fā)光二極管問市后，紅、綠、藍(lán)三色光先后都已先后被研究開發(fā)制造成功，故可組合成一全彩化的完整基本結(jié)構(gòu)，不僅在色彩上更顯多變以便利用，即使應(yīng)用在取代傳統(tǒng)白熱照明光源上也讓人精神振奮。
現(xiàn)今在藍(lán)光發(fā)光二極管的制作上，主要是可分為以碳化硅(SiC)為基板或以藍(lán)寶石(Sapphire)為基板兩大主軸。請參閱

圖1所示的傳統(tǒng)以碳化硅為基扳的直立式發(fā)光二極管構(gòu)造剖面示意圖，在碳化硅基板10上形成一摻雜有鋁、鎵、磷、氮等三五族的緩沖薄膜層12，再在緩沖薄膜層12上濺鍍或蒸鍍一具有p-n界面而可發(fā)射藍(lán)色光源的發(fā)光二極管(LED)磊晶層14，由于碳化硅基板10為一導(dǎo)電體，所以只需在磊晶層14與碳化硅基板10的部分表面上個(gè)別鍍上第一電極(正面電極)16及第二電極(負(fù)面電極)18，如此而成為一直立式發(fā)光二極管，其電流導(dǎo)電線路如虛線100所示。
而上述實(shí)施例中，由于其第一電極16大部分都為不透明材質(zhì)所制成，因此其位于第一電極16下的電流線路所發(fā)射出的發(fā)射光將受到第一電極16所吸收或阻隔，而造成無助于整體光亮度提升的電流，因此，有些發(fā)光二極管即在一些限制層上再利用一次以上的有機(jī)金屬氣相磊晶(MOVPE)制造程序來另外設(shè)有一電流阻隔層145，以增加有效發(fā)光區(qū)域的電流密度及發(fā)光效率，如圖2所示，而這些技術(shù)可見于美國專利第5，153，889號《SEMICONDUCTOR LIGHTEMITTING DEVICE》或臺(tái)灣地區(qū)專利公告第264573號《具有電流阻隔層的發(fā)光二極管》中。
雖然，以碳化硅為基板的發(fā)光二極管可設(shè)計(jì)成一直立式藍(lán)光發(fā)光二極管，以符合光電產(chǎn)品輕薄短小的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但是由于碳化硅為基板的發(fā)光二極管亮度、對比等物理特性上，或在導(dǎo)電率等電性能上都遠(yuǎn)比以藍(lán)寶石為基板的發(fā)光二極管來的遜色，故在未來發(fā)展性及高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管上還是以選用藍(lán)寶石為基板的為主流。
請參閱圖3所示的傳統(tǒng)以藍(lán)寶石為基板的藍(lán)光發(fā)光二極管構(gòu)造剖視圖；在藍(lán)寶石基板20上形成一氮化鎵薄膜層(GaN)22，再在氮化鎵薄膜層22上濺鍍或蒸鍍一具有p-n界面而可發(fā)射藍(lán)色光源的發(fā)光二極管(LED)磊晶層24，由于藍(lán)寶石基板20為一絕緣體，所以只能選擇在LED磊晶層24的頂層上再個(gè)別鍍上同平面的第一電極(正面電極)26及第二電極(負(fù)面電極)28，而只能成為平面式發(fā)光二極管，其電流導(dǎo)電線路如虛線200所示。之后，同樣以鉆石切割或激光切割方式切割成實(shí)際所需大小晶粒即可。
而傳統(tǒng)以藍(lán)寶石為基板的發(fā)光二極管同樣存在有其自身的問題及缺憾1、由于藍(lán)寶石基板20本身為一絕緣體材質(zhì)，不具有導(dǎo)電特性，所以其發(fā)光二極管的正、反電極26、28必須鍍在同一平面上，如此作用面積無法大而致使其發(fā)光二極管體積難以縮小，相對無法有效達(dá)到產(chǎn)品輕薄短小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2、由于藍(lán)寶石基板20本身為一絕緣體材質(zhì)，在制作時(shí)容易引起靜電作用，相對也就容易造成產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)的不良率；
3、由于藍(lán)寶石基板10上的GaN薄膜層12(厚度為H11)在退火降溫時(shí)容易引起其作用在基板的應(yīng)力不平均，而造成藍(lán)寶石基板10的破裂，增加制造程序上的麻煩，所以其基板厚度H1不可小于280微米(μm)，一般在批量生產(chǎn)時(shí)，基板厚度H1都大致高于300微米，而H11則約為3～4微米，所以其H1與H11的厚度比例約為100∶1，如此高厚度的基板在切割成晶粒程序時(shí)將遭遇到極大的困難；4、為方便后續(xù)鉆石切割或激光切割的可行性，所以在發(fā)光二極管制造完成后，還需要以鉆石等高硬度材質(zhì)研磨其藍(lán)寶石基板10約200微米以上，不僅造成成本上升，也徒增制造程序上的麻煩；5、其電流導(dǎo)電線路無法做有效的規(guī)劃，所以其發(fā)射光亮度將受到其第一電極的影響甚大，無法將其亮度區(qū)域做最有效的安排。
因此，如何針對上述的問題提出一種新穎的解決方法，不僅讓以藍(lán)寶石為基板的發(fā)光二極管可有直立式的態(tài)樣而得以縮小其平面作用面積及產(chǎn)品體積大小，又可適度規(guī)劃其電流流動(dòng)線路，以有效提升其有效發(fā)光區(qū)域的電流密度及發(fā)光效率，且在切割成晶粒時(shí)可精確且方便制作流程，長久以來一直是使用者的殷切盼望。
本發(fā)明的主要目的是提供一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，由于其通道可貫穿其硬度甚高的藍(lán)寶石基板，而電流又僅可經(jīng)過其通道，所以可適度規(guī)劃電流導(dǎo)電流動(dòng)線路，以有效提升發(fā)光有效區(qū)域的電流密度及發(fā)光效率。
本發(fā)明的次要目的是提供一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，無需利用繁雜的有機(jī)金屬氣相磊晶(MOVPE)制造程序來設(shè)立一電流阻隔層，即可有效規(guī)劃其電流流動(dòng)在有效發(fā)光區(qū)域。
本發(fā)明的又一目的是提供一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，基板上蝕設(shè)有若干個(gè)通道，而在切割磊晶片成單一晶粒時(shí)可方便制造程序的進(jìn)行。
本發(fā)明的再一目的是提供一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，在藍(lán)寶石基板上開設(shè)有至少一通道，提供上下兩層正負(fù)電極間的電流通過管道，故可成為一直立式光電二極管晶粒，藉以縮小其作用面積及簡化其后續(xù)必須研磨基板的制造程序。
本發(fā)明的另一目的是提供一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，在藍(lán)寶石的上下層分別形成一厚度相同的氮化鎵薄膜層，而可在其退火冷卻時(shí)所形成的應(yīng)力相互抵消，因此其所需基板厚度可大幅降低至150微米以下，不僅可預(yù)防藍(lán)寶石基板的可能破裂憾事發(fā)生，也可節(jié)省基板材料的資源使用，及相對簡化其事后研磨基板的制造程序步驟。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的其主要構(gòu)造包括有一基板，基板的適當(dāng)位置蝕設(shè)有至少一個(gè)可貫穿基板的通道，而在中空通道內(nèi)存在有至少一導(dǎo)電材質(zhì)；一形成于該基板頂層的緩沖薄膜層；一具有一p-n界面的發(fā)光二極管磊晶層，長晶在該緩沖薄膜層上，且在磊晶層的部分表面上再形成有一第一電極；以及一形成在該基板底層上的導(dǎo)電層，致使該發(fā)光二極管的電流導(dǎo)電線路自然形成，可從第一電極起依序經(jīng)由緩沖薄膜層、磊晶層、基板內(nèi)的每一通道、終至導(dǎo)電層。
其中該基板內(nèi)是以第一電極為中心而在其四周以對稱方式各設(shè)有至少一個(gè)通道。
其中該基板通道內(nèi)的導(dǎo)電材質(zhì)是由與該緩沖薄膜層及導(dǎo)電層相同的材質(zhì)在此觸接而成。
其中該基板為一藍(lán)寶石基板。
其中該緩沖薄膜層是由一氮化鎵材質(zhì)所制成的氮化鎵薄膜層。
其中該導(dǎo)電層是由一非金屬導(dǎo)電材質(zhì)所制成。
其中該導(dǎo)電層是由一氮化鎵材質(zhì)所制成的氮化鎵薄膜層。
其中上下二層氮化鎵薄膜層具有相同厚度。
其中該緩沖薄膜層與導(dǎo)電層的厚度是相近似的。
其中該第一電極是由一透明導(dǎo)電材質(zhì)所制成的。
其中該導(dǎo)電層中不與基板相連的部分表面上也可設(shè)有一第二電極，致使其導(dǎo)電線路可從第一電極依序經(jīng)由緩沖薄膜層、磊晶層、每一基板內(nèi)的通道、導(dǎo)電層、終至該第二電極。
本發(fā)明是一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，尤指一種以藍(lán)寶石(Sapphire)為基板的藍(lán)光發(fā)光二極管，其主要是在藍(lán)寶石基板中以第一電極為中心而采用對稱方式蝕設(shè)有至少一個(gè)的通道，并在中空通道內(nèi)存在有一導(dǎo)電材質(zhì)，致使該發(fā)光二極管的導(dǎo)電線路可自然形成而成為直立式藍(lán)光發(fā)光二極管，不僅可有效規(guī)劃電流流動(dòng)的導(dǎo)電線路，而增加其有效區(qū)域的電流密度及發(fā)光效率。
下面以較佳實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征及功效圖1是傳統(tǒng)直立式發(fā)光二極管的構(gòu)造剖視圖；圖2是傳統(tǒng)的包括有一電流阻隔層的直立式發(fā)光二極管構(gòu)造剖視圖；圖3是傳統(tǒng)的以藍(lán)寶石為基板的藍(lán)光發(fā)光二極管的構(gòu)造剖視圖；圖4至圖8是本發(fā)明以藍(lán)寶石為基板的發(fā)光二極管各制作步驟構(gòu)造剖視圖；圖9是如圖4所示構(gòu)造的單晶片俯視圖；圖10是如圖5所示構(gòu)造的單晶片俯視圖；圖11是如圖8所示構(gòu)造的單晶片俯視圖；圖12是本發(fā)明直立式發(fā)光二極管單一晶粒的立體示意圖；圖13是本發(fā)明另一實(shí)施例構(gòu)造剖視圖。
首先，請參閱圖4至圖8及圖9至圖11，其分別為本發(fā)明藍(lán)光發(fā)光二極管一較佳實(shí)施例的各制造程序步驟構(gòu)造剖視圖及部分制造程序構(gòu)造的俯視圖；如圖所示，本發(fā)明的主要制造步驟包括有步驟1選擇一厚度不大于100微米的藍(lán)寶石基板30(Sapphire)，并在其間利用化學(xué)蝕刻或光罩印刻方式來開設(shè)有至少一個(gè)貫穿基板30，且具有斜度或直線態(tài)樣的通道31，如圖4所示。而貫穿藍(lán)寶石基板30的通道31排列方式是以一第一電極(如后述)為中心而在其四周以對稱方式設(shè)有相對應(yīng)的通道31，如圖9所示步驟2在藍(lán)寶石基板30的頂層以有機(jī)金屬氣相磊晶法(MOVPE)等磊晶方式來形成一層緩沖薄膜層322，如氮化鎵薄膜層，且使該氮化鎵薄膜322的部分材質(zhì)存在于通道31的空間中，如圖5及圖10所示；步驟3在藍(lán)寶石基板30底層利用磊晶或?yàn)R鍍等磊晶方法以形成一層導(dǎo)電層326，可是一由非金屬導(dǎo)電材質(zhì)所制成，且使該導(dǎo)電層326材質(zhì)也存在于通道31的部分空間中，并與先前存在于通道31內(nèi)的氮化鎵薄膜322材質(zhì)相互觸接，由于氮化鎵薄膜322本身即為導(dǎo)電材質(zhì)，故如此的觸接將自然形成一完整的電流導(dǎo)電通路，如圖6所示；步驟4在氮化鎵薄膜層322的頂層以濺鍍或蒸鍍方式以形成一具有p-n界面而可發(fā)射藍(lán)色光源的LED磊晶層34，當(dāng)然也可為n-p界面，如刮號所示，如圖7所示；以及步驟5分別在LED磊晶層34頂層及導(dǎo)電層326底層鍍上一相對應(yīng)的第一電極36及第二電極38，如此即可形成一直立式的發(fā)光二極管磊晶片，而其導(dǎo)電線路300可從第一電極36依序經(jīng)由氮化鎵薄膜層322、LED磊晶層34、每一基板內(nèi)的通道31、導(dǎo)電層326、終至該第二電極38為止，形成一完整導(dǎo)電線路，如圖8所示。
請?jiān)賲㈤唸D8、圖11及圖12，其分別為本發(fā)明在完成磊晶片時(shí)的剖視圖、俯視圖及單一晶粒的立體示意圖；由此可清楚看出本發(fā)明是以第一電極36為中心點(diǎn)，而在相對其四周的基板30中蝕設(shè)有若干個(gè)貫穿藍(lán)寶石基板30的通道31，所以其電流導(dǎo)電線路300將可依循通道31的位置而被有效規(guī)劃來流動(dòng)，當(dāng)然，其就可選擇致使電流流散避開第一電極36的底下位置，而在其它有效發(fā)光區(qū)域中增加其電流密度，并相對增加其發(fā)光亮度，而這些功效卻無需利用一電流阻隔層即可達(dá)成。另外，整齊設(shè)計(jì)的通道31位置也可作為磊晶片欲切割成單一晶粒時(shí)的有效幫助，因?yàn)槠涑苏R的切割線外，通道相對在藍(lán)寶石基板容易切割是其最主要原因。
又，由于通道31內(nèi)的填充導(dǎo)電材質(zhì)主要作為導(dǎo)電使用，所以，在上述較佳實(shí)施例中以上下兩層的氮化鎵材質(zhì)與非金屬導(dǎo)電材質(zhì)觸接而成，但是只要通道31內(nèi)存在有一導(dǎo)電材質(zhì)(未顯示)，且該導(dǎo)電材質(zhì)可確定與氮化鎵薄膜層322與導(dǎo)電層326觸接即可。
最后，請參閱圖13，其為本發(fā)明的另一實(shí)施例構(gòu)造剖面示意圖；如圖所示，在此實(shí)施例中為結(jié)合圖3中所揭露的技術(shù)，所以其導(dǎo)電層326的非金屬導(dǎo)電材質(zhì)也可選用與氮化鎵薄膜層322相同的材質(zhì)，且其上下兩層的厚度(H3、H4)都為相似或完全相同，藉此不僅可抵消氮化鎵薄膜層322、324在退火冷卻時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，以維護(hù)藍(lán)寶石基板30的不被破壞，以及可大幅降低藍(lán)寶石基板30的使用厚度，即使在物料管理上也較為方便。當(dāng)然，位于LED磊晶層34上的第一電極36為了提高發(fā)光亮度的考慮也可選用透明材質(zhì)制成，而形成透明電極。又，由于導(dǎo)電層326或氮化鎵薄膜層324本身即為導(dǎo)電材質(zhì)制成，所以第二電極38也可被導(dǎo)電層326或氮化鎵薄膜層324所取代而不予設(shè)立。
然而，以上所述，僅為本發(fā)明的一較佳實(shí)施例而已，并非用來限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，例如可在LED磊晶層與氮化鎵薄膜層之間添加一些雜質(zhì)層，如磷銦鋁鎵層，或在其它簿膜層上增加其它如SiC、AIN、SiO2、InGaN、SnO2、AIInGaP層等，凡是依本發(fā)明申請專利范圍所述的形狀、構(gòu)造、特征及精神所為的均等變化與修飾，均應(yīng)包括在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其主要構(gòu)造包括有一基板，基板的適當(dāng)位置蝕設(shè)有至少一個(gè)可貫穿基板的通道，而在中空通道內(nèi)存在有至少一導(dǎo)電材質(zhì)；一形成于該基板頂層的緩沖薄膜層；一具有一p-n界面的發(fā)光二極管磊晶層，長晶在該緩沖薄膜層上，且在磊晶層的部分表面上再形成有一第一電極；以及一形成在該基板底層上的導(dǎo)電層，致使該發(fā)光二極管的電流導(dǎo)電線路自然形成，可從第一電極起依序經(jīng)由緩沖薄膜層、磊晶層、基板內(nèi)的每一通道、終至導(dǎo)電層。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該基板內(nèi)是以第一電極為中心而在其四周以對稱方式各設(shè)有至少一個(gè)通道。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該基板通道內(nèi)的導(dǎo)電材質(zhì)是由與該緩沖薄膜層及導(dǎo)電層相同的材質(zhì)在此觸接而成。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該基板為一藍(lán)寶石基板。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該緩沖薄膜層是由一氮化鎵材質(zhì)所制成的氮化鎵薄膜層。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該導(dǎo)電層是由一非金屬導(dǎo)電材質(zhì)所制成。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該導(dǎo)電層是由一氮化鎵材質(zhì)所制成的氮化鎵薄膜層。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中上下二層氮化鎵薄膜層具有相同厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該緩沖薄膜層與導(dǎo)電層的厚度是相近似的。
10.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該第一電極是由一透明導(dǎo)電材質(zhì)所制成的。
11.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造，其特征在于其中該導(dǎo)電層中不與基板相連的部分表面上也可設(shè)有一第二電極，致使其導(dǎo)電線路可從第一電極依序經(jīng)由緩沖薄膜層、磊晶層、每一基板內(nèi)的通道、導(dǎo)電層、終至該第二電極。
全文摘要
一種直立式發(fā)光二極管及其導(dǎo)電線路構(gòu)造,是在藍(lán)寶石基板中以第一電極為中心而用對稱方式蝕設(shè)有至少一個(gè)通道,并在基板的上下兩層分別形成有一厚度相近似的氮化鎵薄膜層,且讓上下兩層的氮化鎵材質(zhì)觸接在該中空通道內(nèi),致使該發(fā)光二極管的導(dǎo)電線路可自然形成,而從第一電極依序經(jīng)由緩沖薄膜層、磊晶層、基板內(nèi)的每一通道、終至導(dǎo)電層,藉此成為一以藍(lán)寶石為基板的直立式發(fā)光二極管,可相對增加有效發(fā)光區(qū)域的電流密度及發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/00GK1291794SQ9911893
公開日2001年4月18日 申請日期1999年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月30日
發(fā)明者莊豐如 申請人:光磊科技股份有限公司