发光二极管及其制造方法
专利汇可以提供发光二极管及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是采用一种不吸光的透明黏接层，来黏结具有吸光 基板 (Absorption Substrate，AS)的发光 二极管 磊芯片及透明基板(Transparent Substrate，TS)。接着将吸光的基板除去，形成具有透明基板的 发光二极管 ；由于采用透明基板不会吸光，因此可大幅提高发光二极管的 发光效率 ；同时由信道连接欧姆接点与钉线 电极 层，在固定 电流 下可降 低 电压 及提高电流分布，以提升发光二极管的发光效益。，下面是发光二极管及其制造方法专利的具体信息内容。
1、一种发光二极管，其特征在于，包含：
一多层磷化铝镓铟磊晶层结构，该磊晶层结构包含一上包 覆层，一活性层，以及一下包覆层；
一欧姆接点磊晶层形成于该上包覆层上；
一第一欧姆接点金属电极层形成于该欧姆接点磊晶层上；
一透明黏接层；
一透明基板通过所述透明黏接层黏合到该第一欧姆接点金 属电极层上；
一第二欧姆接点金属电极层形成于该下包覆层上；
一第一金属钉线电极层形成于该欧姆接点磊晶层上；
一第二金属钉线电极层形成于该第二欧姆接点金属电极层 上；以及
一电极信道，用以电气连接该第一金属钉线电极层与该第 一欧姆接点金属电极层；
其中，相对于该透明基板，该第一金属钉线电极层与该第 二金属钉线电极层是位于同一侧。
2、如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中 该多层磷化铝镓铟磊晶层结构是为磷化铝镓铟的同质结构、单 异质结构、双异质结构或量子井结构当中一种。
3、如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中 该透明基板是选自复晶基板或非晶系基板。
4、如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中 该透明基板是选自蓝宝石、玻璃、磷化镓、磷砷化镓、硒化锌、 硫化锌、硒化锌硫或碳化硅。
5、如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中 该透明黏接层的材质包括BCB树脂或环氧树脂。
6、如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中 该信道与该第一金属钉线电极层是为同一物质。
7、一种发光二极管的制造方法，其特征在于，至少包括：
提供一基板；
形成一蚀刻终止层；
形成一多层磷化铝镓铟磊晶层结构在该基板上，该磊晶层 结构包含一下包覆层，一活性层，一上包覆层；
形成一欧姆接点磊晶层于该上包覆层上；
形成一第一欧姆接点金属电极层于该欧姆接点磊晶层上；
提供一透明基板；
涂布一软质的透明黏接层于该透明基板上，用以黏合该透 明基板与该第一欧姆接点金属电极层；
去除该基板与该终止蚀刻层；
去除部份的该多层磷化铝镓铟磊晶层结构与该欧姆接点磊 晶层，直到该欧姆接点磊晶层的部分深度，开使得该欧姆接点 磊晶层暴露出来，且在该欧姆接点磊晶层上形成一信道，该信 道使得该第一欧姆接点金属电极层暴露出来；
形成一第一金属钉线电极层于暴露出的该欧姆接点磊晶层 上与该信道内，该信道用以电气连接该第一欧姆接点金属电极 层；
形成一第二欧姆接点金属电极层于该下包覆层上；以及
形成一第二金属钉线电极层于该第二欧姆接点金属电极层 上；
其中该第一和该第二金属钉线电极层，在相对于该透明基 板为同一侧。
8、如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征 在于，其中该多层磷化铝镓铟结构是选自磷化铝镓铟的同质结 构、单异质结构、双异质结构或量子井结构当中一种。
9、如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征 在于，其中该透明基板是选自复晶基板或非晶系基板。
10、如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征 在于，其中该透明基板是选自蓝宝石、玻璃、磷化镓、磷砷化 镓、硒化锌、硫化锌、硒化锌硫或碳化硅。
11、如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征 在于，其中该透明黏接层的材质包括BCB树脂或环氧树脂。
12、如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征 在于，其中该透明黏接层接合该透明基板与该发光二极管磊晶 层表面的步骤，至少包括下列方式：第一阶段在60℃～100℃范 围内加压及加热而成，第二阶段在200℃～600℃范围内加压及 加热而成。
13、一种发光二极管，其特征在于，包含：
一多层砷化铝镓磊晶层结构，该磊晶层结构包含一上包覆 层，一活性层，以及一下包覆层；
一第一欧姆接点金属电极层形成于该多层磷化铝镓磊晶层 结构上；
一透明黏接层；
一透明基板以该透明黏接层黏合于该第一欧姆接点金属电 极层上；
一第二欧姆接点金属电极层形成于该下包覆层上；
一第一金属钉线电极层形成于该第一欧姆接点金属电极层 上；
一第二金属钉线电极层形成于该第二欧姆接点金属电极层 上以形成电气连接；以及
一电极信道，用以电气连接该第一金属钉线电极层与该第 一欧姆接点金属电极层；
其中，相对于该透明基板，该第一金属钉线电极层与该第 二金属钉线电极层是位于同一侧。
14、如权利要求13所述的发光二极管，其特征在于，其 中该多层砷化铝镓磊晶层结构是选自砷化铝镓的同质结构、单 异质结构、双异质结构或量子井结构当中一种。
15、如权利要求13所述的发光二极管，其特征在于，其 中该透明基板是选自复晶基板或非晶系基板。
16、如权利要求13所述的发光二极管，其特征在于，其 中该透明基板是选自蓝宝石、玻璃、磷化镓、磷砷化镓、硒化 锌、硫化锌、硒化锌硫或碳化硅。
17、如权利要求13所述的发光二极管，其特征在于，其 中该透明黏接层的材质包括BCB树脂或环氧树脂。
18、如权利要求13所述的发光二极管，其特征在于，其 中该信道与该第一金属钉线电极层是为同一物质。
19、一种发光二极管的制造方法，其特征在于，至少包括：
提供一基板；
形成一多层砷化铝镓磊晶层结构在该基板上，该磊晶层结 构包含一下包覆层，一活性层，一上包覆层；
形成一第一欧姆接点金属电极层于该多层砷化铝镓磊晶层 结构上；
提供一透明基板；
涂布一软质的透明黏接层于该透明基板上，用以黏合该透 明基板与该第一欧姆接点金属电极层；
去除该基板；
去除部份的该多层砷化铝镓磊晶层结构，直到该上包覆层 的部分深度，并使得该上包覆层暴露出来，且在该上包覆层上 形成一信道，该信道使得该第一欧姆接点金属电极层暴露出 来；
形成一第一金属钉线电极层于暴露出的该上包覆层上与该 信道内，该信道用以电气连接该第一欧姆接点金属电极层；
形成一第二欧姆接点金属电极层于该下包覆层上；以及
形成一第二金属钉线电极层于该第二欧姆接点金属电极层 上；
其中该第一和该第二金属钉线电极层，在相对于该透明基 板为同一侧。
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，其中该多层砷化铝镓结构是选自砷化铝镓的同质结 构、单异质结构、双异质结构或量子井结构当中一种。
21、如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特 征在于，其中该透明基板是选自复晶基板或非晶系基板。
22、如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特 征在于，其中该透明基板是选自蓝宝石、玻璃、磷化镓、磷砷 化镓、硒化锌、硫化锌、硒化锌硫或碳化硅。
23、如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特 征在于，其中该透明黏接层的材质包括BCB树脂或环氧树脂。
24、如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特 征在于，其中该透明黏接层接合该透明基板与该发光二极管磊 晶层表面的步骤，至少包括下列方式：第一阶段在60℃～100℃ 范围内加压及加热而成，第二阶段在200℃～600℃范围内加压 及加热而成。
技术领域
本发明是关于一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED) 芯片结构及其制造方法，特别是一种有关磷化铝镓铟(AlGaInP) 发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术
接着利用改变活性层5的组成，便可以改变发光二极管发 光波长，使其产生从650nm红色至555nm纯绿色的波长。但此 一传统的发光二极管有一缺点，就是活性层产生的光，往下入 射至砷化镓基板3时，由于砷化镓基板3的能隙较小，因此入 射至砷化镓基板3的光将会被吸收掉，而无法产生高效率的发 光二极管。
为了避免基板3的吸光，传统上有一些文献揭露出LED的 技术，然而这些技术都有其缺点以及限制。例如Sugawara等 人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.61，1775-1777(1992)]便 揭示了一种利用加入一层分散布拉格反射层(Distributed Bragg Reflector；DBR)于砷化镓基板上，以反射入射向砷化 镓基板的光，并减少砷化镓基板吸收，然而由于DBR反射层祗 对于较接近垂直入射于砷化镓基板的光能有效的反射，因此效 果并不大。
Kish等人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.64，No.21， 2839，(1994)之文献，名称为“Very high-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate (AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP”，揭示一种黏接晶圆(Wafer bonding) 的透明式基板(Transparent-Substrate；TS) (AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP发光二极管。这种TS AlGaInP LED是利用气 相磊晶法(VPE)而形成厚度相当厚(约50μm)的P型磷化镓(GaP) 窗户(Window)层，然后再以已知的化学蚀刻法，选择性地移除 N型砷化镓(GaAs)基板。接着将此曝露出的N型 (AlxGa1x)0.5In0.5P下包覆层，黏接至厚度约为8-10mil的n型磷化镓 基板上。
由于此晶圆黏接(Wafer Bonding)是将二种III-V族化合 物半导体直接黏接在一起，因此要在较高温度下，加热加压一 段时间才能完成。就发光亮度而言，以这种方式所制得的TS AlGaInP LED，比传统吸收式基板(Absorbing-Substrate； AS)AlGaInP LED其亮度大两倍以上。然而，这种TS AlGaInP LED 的缺点就是制造过程太过繁杂，且通常会在接合界面具有一非 欧姆接点的高电阻特性，因此，无法获得高生产良率且难以降 低制造成本。
另一种传统技术，例如Horng等人发表于[Appl.Phys. Lett.Vol.75，No.20，3054(1999)文献，名称为“AlGaInPlight-emitting diodes with mirror substrates fabricated by wafer bonding”]。Horng等人揭示一种利用芯片融合技 术以形成镜面基板(Mirror-Substrate；MS)磷化铝镓铟/金属/ 二氧化硅/硅LED。其使用AuBe/Au作为黏着材料以接合硅基 板与LED磊晶层。然而，在20mA操作电流下，这种MS AlGaInP LED的发光强度仅约为90mcd，仍然比TS AlGaInP LED的发 光强度少至少百分之四十，所以其发光强度无法令人满意。
发明内容
本发明的制程简单，且可以采用玻璃等低成本之透明基 板，因此可获得高良率与低成本之量产结果。
本发明由信道连接可以得到较佳的光电特性，在相同定电 流下，有较小的电压，以及较佳的电流分布。在相同电压下， 可以得到较佳发光强度。
本发明的发光二极管是采用一透明黏接层，来接合发光 二极管与一透明基板，因此，即便发光二极管磊芯片表面不平 整，也可以利用黏接层将其紧密地接合在一起。
综上所述，本发明提供一种发光二极管结构，其结构包 括一具有一发光层的多层磊晶结构，由一黏接层与一透明基板 相结合。此二极管的发光层可为同质结构(Homostructure)、 单异质结构(Single heterostructure，SH)、双异质结构 (Double heterostructure，DH)或多重量子井结构(Multi quantum wells，MQWs)。
发光二极管结构亦包括第一欧姆接点金属电极层和第二 欧姆接点金属电极层。第一欧姆接点金属电极层由信道与第一 金属钉线电极层连接，第二金属钉线电极层在第二欧姆接点金 属电极层上方，使得第一金属钉线电极层与第二金属钉线电极 层在相对于透明基板是位于同一侧。
此外，本发明更提供一种发光二极管的制造方法。首先， 在发光二极管磊晶层上形成第一欧姆接点金属电极层。接着， 由一透明黏接层，如BCB(B-staged bisbenzocyclobutene；BCB) 树脂，本发明所使用的黏接层的材质并不限于BCB树脂，其 它具有类似性质可形成透明状态之黏着物质，如环氧树脂 (Epoxy)，均适用于本发明。将发光二极管磊晶层、第一欧姆 接点金属电极层与透明基板相结合，并把发光二极管基板移除 至导电型蚀刻终止层。
其次，分两部分蚀刻，以便能与第一欧姆接点金属电极层 相通。第一部份，大面积蚀刻宽约3～6mils，蚀刻至第一导电 型磊晶层。第二部分，蚀刻宽约1～3mils的通道，并蚀刻至第 一欧姆接点金属电极层。接下来，形成第一金属钉线电极层， 让第一金属钉线电极层和第一欧姆接点金属电极层相通。最后 再形成第二欧姆接点金属电极层和第二金属钉线电极层。因 此，第一金属钉线电极层与第二金属钉线电极层在相对于透明 基板，是位于同一侧。
本发明的一项优点，为本发明提供一简单的LED芯片黏结 结构，可在较低的温度下进行芯片黏结，减少V族元素在黏结 过程中挥发的问题。且由于没有基板吸光的缺点，因此可大幅 提升LED的发光效率。
本发明的另一项优点，为制程简单，且可以采用玻璃等低 成本的透明基板，因此可获得高良率与低成本的量产结果。
本发明的再一项优点，为由信道连接可以得到较佳的光电 特性，在相同定电流下，有较小的电压，以及较佳的电流分布。 在相同电压下，可以得到较佳发光强度。
本发明的再一项优点，为本发明的发光二极管是采用一软 质的透明黏接层，来接合发光二极管与一透明基板，因此，即 便发光二极管磊芯片表面不平整，也可以利用黏接层将其紧密 地接合在一起。
附图说明
本发明的较佳实施例将于往后的说明文字中辅以下列附 图做更详细的叙述，其中：
图1至图3是绘示依据本发明一较佳实施例的发光二极管 的制造流程示意图；
图4至图5是绘示本发明的另一较佳实施例发光二极管的 结构示意图；以及
图6是绘示传统的发光二极管结构示意图。
具体实施方式
首先请先参照图1，本发明发光二极管的磊晶结构包括依 序堆栈的N型砷化镓(GaAs)基板26、蚀刻终止层(Etching Stop Layer)24、N型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P的下包覆 (Cladding)层22与磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P的活性层 (Active Layer)20，P型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P的上 包覆层18以及P型欧姆接点磊晶层(Ohmic Contact Epitaxial Layer)16。接着，在P型欧姆接点磊晶层16上形成P型欧姆 接点金属电极层28。
P型欧姆接点磊晶层16的材料可以是砷化铝镓、磷化铝 镓铟或磷砷化镓，祗要其能隙大于活性层20，不会吸收活性 层产生的光，但又必须具有高的载子浓度，以利于形成欧姆接 点，便可以选择为P型欧姆接点磊晶层16。
上述的活性层20，其铝含量的范围是在x＝0～0.45，而上、 下包覆层其铝含量约控制在x＝0.5～1.0，当活性层20的铝含 量x＝0时，活性层的组成是Ga0.5In0.5P，而发光二极管的波长 λd约是在635nm。
上述化合物的比例，例如活性层(AlxGa1-x)0.5In0.5P，仅 是举出一较佳例子，并非用以限制本发明，本发明同样适用于 其它的比例。此外在本发明中，AlGaInP活性层20的结构可 以是采用传统的同质结构(Homostructure)，单异质结构 (Single Heterostructure)，双异质结构(Double Heterostructure；DH)或是多重量子井(Multiple Quantum Well；MQW)。所谓的双异质结构(DH)即包括图1所示的N型磷 化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆层22与一磷化铝镓铟 (AlxGa1-x)0.5In0.5P活性层20、一P型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P上包覆层18，其中这三层的较佳厚度分别约为 0.5～3.0、0.5～2.0、0.5～3.0μm。
在本发明中蚀刻终止层24的材质可以是任何III-V族元 素的化合物半导体，只要其晶格常数可以和砷化镓基板26相 匹配以免产生差排，且蚀刻速率是远低于由砷化镓物质所组成 的基板26，便可以当作蚀刻终止层24。
在本发明中蚀刻终止层24的较佳材质可为磷化铟镓 (InGaP)或砷化铝镓(AlGaAs)。在本实施例N型磷化铝镓铟下 包覆层22的蚀刻速率也远低于砷化镓基板26。因此，只要其 厚度较厚，也可以不需要另一层组成不同的磊晶层来当作蚀刻 终止层。
接着，提供如图2所示的结构，此结构包括透明黏接层14， 所使用的材质可为BCB(B-staged bisbenzocyclobutene；BCB) 树脂和一透明基板(Transparent Substrate；TS)10。本发明 所使用的黏接层14的材质并不限于BCB树脂，其它具有类似 性质可形成透明状态的黏着物质，如环氧树脂，均适用于本发 明。
而透明基板可以采用玻璃、蓝宝石(Sapphire)芯片、碳化 硅(SiC)芯片、磷化镓(GaP)芯片、磷砷化镓(GaAsP)芯片、硒 化锌(ZnSe)芯片、硫化锌(ZnS)芯片及硒硫化锌(ZnSSe)芯片 等，只要这些芯片对于发光层20发出的光不会有很大的吸收， 都可以当作本发明的透明基板10。而且本发明的另一项优点 是所使用的透明基板10不一定要是单芯片，由于发光二极管 发光时，电流并不通过透明基板10，故此透明基板10的目的 只是当作一机械式的支撑来防止发光二极管磊晶层在制造晶粒 过程中破裂。所以，透明基板10也可以使用复晶(Polycrystal) 基板或非晶系(Amorphous)基板，以大幅降低生产成本。
接着将图1已形成P型欧姆接点金属电极层28的发光二 极管芯片及图2的透明基板10由BCB黏接层14黏在一起，黏 着的过程是在250℃左右的高温加压加热一段时间完成。为了 改善发光二极管磊芯片与透明基板10之间的接合特性，也可 以在发光二极管磊芯片及透明基板10的表面涂布上一层接着 促进剂，然后再涂布上BCB，在250℃左右的高温加压加热一 段时间来完成磊芯片与透明基板10的黏合。为了使得黏合的 效果更好，也可以将以BCB14黏接的发光二极管磊芯片及透明 基板10，先在60℃～100℃的低温加热一段时间，再将BCB内 的有机溶剂赶掉，然后再升高温度至200℃～600℃的范围，让 透明黏接层14与发光二极管磊芯片及透明基板10紧密的黏结 在一起。
黏着好的磊芯片，接着以腐蚀液(如5H3PO4∶3H2O2∶3H2O或 是1NH4OH∶35H2O2)腐蚀，将不透光的N型砷化镓基板26除去。 蚀刻终止层24如果采用InGaP或AlGaAs仍然会吸收活性层20 产生的光。因此，也必须以腐蚀液完全除去，或只留下与N型 欧姆接点金属电极层30接触的部分。然后分两部分，以干式 蚀刻法如RIE进行蚀刻。
首先，大面积蚀刻宽约3～6mils，将部分N型磷化铝镓铟 下包覆层22，磷化铝镓铟活化层20及P型磷化铝镓铟上包覆 层18和部份P型欧姆接点磊晶层16除去。接着，在暴露出来 的P型欧姆接点磊晶层16下方宽约1～3mils的部分除去，蚀 刻成一暴露出P型欧姆接点金属电极层28的信道。接着，形 成N型欧姆接点金属电极层30于N型磷化铝镓铟下包覆层22 上。最后，形成钉线金属层32，例如铝(Al)或金(Au)，分别在 P型欧姆接点磊晶层16上与信道中，使得能够与P型欧姆接 点电极层28形成电气连接通，以及N型欧姆接点金属电极层 30上。于是，便形成了两个金属钉线电极层32在相对于透明 基板，都在同一侧的发光二极管结构，如图3所示。
依据本发明所得的磷化铝镓铟发光二极管所发出的光波长 约为635nm，且在20mA的操作电流下，其光输出功率约为4mW， 是传统吸收式基板磷化铝镓铟发光二极管的光输出功率的2倍 以上。
本发明并不限于只适用于高亮度磷化铝镓铟发光二极管， 本发明也可以适用于其它发光二极管材料，如砷化铝镓红色及 红外线发光二极管。
图4是本发明第二实施例的磊晶结构示意图。本发明650nm 砷化铝镓红色发光二极管的磊晶结构包括依序堆栈的N型砷化 镓基板51、N型砷化铝镓下包覆层52，铝含量约70～80％，厚 度约0.5μm～3μm、砷化铝镓活性层53，铝含量约35％，厚度 约0.5μm～2μm、以及一P型砷化铝镓上包覆层54，铝含量约 70～80％，厚度约0.5μm～3μm。然后，如图5所示，形成P型 欧姆接点金属电极层57于P型砷化铝镓上包覆层54上，并将 上述的砷化铝镓红色发光二极管磊芯片与一透明基板56(如 蓝宝石芯片)，以BCB硅树脂55黏合在一起。
黏着好的磊芯片接着以腐蚀液(如NH4OH∶H2O2＝1.7∶1)腐 蚀，将不透光的N型砷化镓基板51除去。然后，以湿式蚀刻 法或干式蚀刻法将部分的N型砷化铝镓下包覆层52，及砷化 铝镓活性层53和P型砷化铝镓上包覆层54除去，并在P型砷 化铝镓上包覆层54上形成信道，暴露出P型欧姆接点金属电 极层57。因此，使得形成的金属钉线电极层59能与P型欧姆 接点金属电极层57相通。最后，形成N型欧姆接点金属电极 层58和金属钉线电极层59，例如铝(Al)或金(Au)，于N型砷 化铝镓下包覆层52上，便形成了两个金属钉线电极层59在相 对于透明基板56，都在同一侧的发光二极管，如图5所示。
依据本发明所得的红色砷化铝镓发光二极管所发出的光波 长约为650nm，且在20mA的操作电流下，其光输出功率是传 统吸收式基板砷化铝镓发光二极管的光输出功率的2倍。
本发明的发光二极管由于采用透明基板10，且藉由信道使 得两个金属钉线电极层32都位在透明基板10的同一侧，因此 可以复晶(Flip Chip)的方式封装，而不需要采用传统的金属打 线(Wire Bonding)，组件的可靠性较佳。且由于透明基板10不 吸光，发光二极管的亮度可以显著增加。此外，透明基板如采 用蓝宝石、玻璃或碳化硅等材质，由于这些材料非常硬，因此 基板厚度可以降低至100微米左右，而不会在晶粒制程或封装 制程中破裂，可制造出厚度较薄且体积较小的发光二极管。
本发明的发光二极管是采用一软质的透明黏接层14来接 合发光二极管与一透明基板10，因此，即便发光二极管磊芯 片表面不平整，也可以利用黏接层14将其紧密地接合在一起。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本 发明的申请专利范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所 完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的申请专利范围内。
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