專利名稱：發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管及其制造方法，尤指一種適用于改善散熱 問題、提高效能與穩(wěn)定性的發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
自從1960年代發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)開始商品化 以來，由于具有高耐震性、壽命長，同時耗電量少，所以其應(yīng)用范圍遍及 日常生活中的各項用品，如家電制品及各式儀器的指示燈或光源等。
近年來，因多色彩及高亮度化的發(fā)展，應(yīng)用范圍更朝向戶外顯示器發(fā) 展，如大型戶外顯示廣告牌及交通信號燈。但是關(guān)鍵的藍光發(fā)光二極管一 直因為材料的因素，發(fā)展較為緩慢。直到1993年日亞化工利用氮化鎵(GaN) 為材料的藍光發(fā)光二極管被開發(fā)出來之后，藍/白光發(fā)光二極管才開始逐 漸發(fā)展。目前制程中，多以藍寶石晶片(Sapphire Wafer)為磊晶承載基板， 并于藍寶石晶片上依序成長多晶氮化鋁(polycrystal A1N)薄膜或單晶氮 化鋁(singleciystal A1N)薄膜來作為緩沖層，再于緩沖層上長出氮化鎵， 可獲得質(zhì)量較佳的氮化鎵晶體，以提升發(fā)光效率與穩(wěn)定度。
然而，散熱問題仍是發(fā)光二極管目前應(yīng)用最大的問題。由于發(fā)光二 極管的熱若無法排解，將使發(fā)光二極管的工作溫度上升，如此一來，發(fā)光 二極管便會有(l)發(fā)光亮度減弱、(2)使壽命衰減等問題。因此，不管是未 來發(fā)光二極管在背光源模塊的應(yīng)用，還是直接制作為顯示器的應(yīng)用，熱的 累積問題一直是發(fā)光二極管技術(shù)里面臨的關(guān)鍵課題之一。
在發(fā)光二極管制程上，改變材質(zhì)與幾何結(jié)構(gòu)成為增加散熱性的必要手 段，關(guān)于此目前最常用的兩種方式是(l)換替基板(Substrate)的材料。(2)裸晶改采覆晶(Flip-Chip)方式鑲嵌(mount)。其中，由于鉆石具 有高熱導(dǎo)性的性質(zhì)，能增加發(fā)光二極管散熱的效率，因此便有人提出以具 有極佳特性的鉆石替代現(xiàn)有技術(shù)的藍寶石基板的概念。然而，雖然鉆石與 氮化鎵的晶格尺寸匹配性優(yōu)于藍寶石基板，但氮化鎵在鉆石膜表面仍然不 易成長出單晶的氮化鎵，因此目前主要是在鉆石層上成長緩沖層來改善此 問題。此外，亦可利用一接著層對鉆石層與磊晶層進行晶片結(jié)合制程。然 而，無論是緩沖層或接著層，皆會影響發(fā)光二極管發(fā)光石的散熱問題。
于中國臺灣專利公告第573373號揭示一種以層迭方式分二次導(dǎo)接制 程以結(jié)合磊晶層與高熱導(dǎo)系數(shù)基板(如硅、鋁、銅、銀、碳化硅、鉆石、 石墨等的在一種材料)，透過暫時導(dǎo)接基板轉(zhuǎn)接磊晶層取代磊晶成長基板， 再以磊晶層的蝕刻終止層上的第二導(dǎo)接層與高熱導(dǎo)系數(shù)基板上的第三導(dǎo) 接層，結(jié)合形成一永久固接關(guān)系的合金層(如銦或金)，再將暫時導(dǎo)接基 板移除，如是制作完成一將磊晶層與高熱導(dǎo)系數(shù)基板結(jié)合并使奧姆接觸層 形成于上層，而提供更佳穩(wěn)定性及光輸出效率的發(fā)光二極管。
另外，中國臺灣專利公告第I223899號則揭示一種發(fā)光二極管，其結(jié) 構(gòu)至少包括 一傳導(dǎo)層，該傳導(dǎo)層用以傳導(dǎo)該發(fā)光二極管所產(chǎn)生的熱，且 該傳導(dǎo)層(如金屬或非金屬)上具有一反射層(如銀、金、或鋁等)；以
及一磊晶結(jié)構(gòu)，通過由一透明導(dǎo)熱膠(如硅膠或環(huán)氧樹脂等)設(shè)于該具有 反射層的傳導(dǎo)層上，其中該磊晶結(jié)構(gòu)中至少包括復(fù)數(shù)個ni-v族化合物半
導(dǎo)體磊晶層，該些in-V族化合物半導(dǎo)體磊晶層至少包括依序堆棧的一第 一電性半導(dǎo)體層、 一活性層、以及一第二電性半導(dǎo)體層，當(dāng)通入電流后即 可發(fā)光。
如圖1A至圖1D為現(xiàn)有發(fā)光二極管的剖面示意圖，其是利用一金屬接著 層進行基板10與半導(dǎo)體磊晶層的晶片結(jié)合的制作流程。首先，如圖1A所示， 先提供一基板IO。接著，如圖1B所示，于基板10表面形成一金屬層11。再 如圖1C所示，利用高溫壓合方式，將一半導(dǎo)體磊晶層12形成金屬層11表面； 其中，半導(dǎo)體磊晶層12包含依序形成的一第一電性半導(dǎo)體層121、 一活性 層122、及一第二電性半導(dǎo)體層123。最后如圖1D所示，移除部分第二電性
半導(dǎo)體層123、及部分活性層122，以顯露其下的第一電性半導(dǎo)體層121;
并且形成一第一電極13于半導(dǎo)體磊晶層12的第二電性半導(dǎo)體層123表面、 以及形成一第二電極14于半導(dǎo)體磊晶層12的第一電性半導(dǎo)體層121表面。
如上所述，便完成如圖1D所示的現(xiàn)有側(cè)通式發(fā)光二極管。雖然此現(xiàn)有 結(jié)構(gòu)已利用具高熱傳導(dǎo)性的鉆石層作為基板(或傳導(dǎo)層基板)，進而增加 發(fā)光二極管的散熱效率。然而，介于基板10與半導(dǎo)體磊晶層12之間的金屬 層ll，則仍會成為熱導(dǎo)與發(fā)光時的阻礙，使發(fā)光二極管的散熱效率與發(fā)光 效率因此下降，且上述的制程仍屬繁瑣，并非十分理想。因此，目前仍亟 需一種能有效簡化制程、且能改善散熱問題的發(fā)光二極管及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種發(fā)光二極管及其制造方法。本發(fā)明的一特色包 括通過一種直通式的發(fā)光二極管，其制造方法包括以下步驟
(A) 提供一基板；
(B) 于基板表面形成一導(dǎo)電性鉆石層；
(C) 于鉆石層的上表面形成一摻雜區(qū)域；
(D) 接合一半導(dǎo)體磊晶層于鉆石層的上表面；其中，半導(dǎo)體磊晶層包 括一第一電性半導(dǎo)體層、 一活性層、及一第二電性半導(dǎo)體層；以及
(E) 移除基板。
本發(fā)明的另一特色有關(guān)于一種發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其包括有 一鉆石
層、以及一半導(dǎo)體磊晶層。其中，鉆石層的上表面形成有一摻雜區(qū)域，而 半導(dǎo)體磊晶層形成于鉆石層的表面，且半導(dǎo)體磊晶層并包括一第一電性半 導(dǎo)體層、 一活性層、及一第二電性半導(dǎo)體層。
通過此，本發(fā)明的制造方法利用鉆石層上表面的慘雜區(qū)域，使鉆石層 與半導(dǎo)體磊晶層直接進行晶片接合，無需如現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光二極管需經(jīng)由一 接著層來結(jié)合鉆石層與半導(dǎo)體磊晶層，可大幅簡化制程。
此外，本發(fā)明所制造的發(fā)光二極管，因具有高熱傳導(dǎo)性的鉆石層，除 能增加發(fā)光二極管的散熱效率外，也因沒有現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光二極管利用金屬
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成份作為接著層，而可減少金屬接著層所造成的光遮蔽問題，而更進一步 增加發(fā)光二極管的散熱效率。
另外，本發(fā)明的制造方法，于步驟(E)之后，可包括一步驟(F)形成一 金屬層于鉆石層的下表面，且形成一第一電極于半導(dǎo)體磊晶層表面。因此， 可形成一直通式的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，此種直通式的發(fā)光二極管，鉆石層下 表面上的金屬層是作為反射、及電極的功能。 _
通過此，本發(fā)明所制造的直通式的發(fā)光二極管因具有反射功能的金屬 層，可增加光取量，使產(chǎn)品的發(fā)光效率更佳，故能提升發(fā)光二極管的產(chǎn)品 效能與穩(wěn)定性的功效。
本發(fā)明另一較佳的實施例，為一種側(cè)通式的發(fā)光二極管，其制造方法 可利用前述直通式的發(fā)光二極管的步驟(A)至步驟(F)，然，該鉆石層可以
為絕緣性或?qū)щ娦糟@石層。并于步驟(F)之后，還可包括一步驟(G)移除部
分第二電性半導(dǎo)體層、及部分活性層，以顯露其下的第一電性半導(dǎo)體層， 且形成一第二電極于第一電性半導(dǎo)體層表面，以形成一側(cè)通式的發(fā)光二極 管。此種側(cè)通式的發(fā)光二極管，其鉆石層下表面上的金屬層系僅作為反射 的功能。
當(dāng)然，此種側(cè)通式發(fā)光二極管，其制造方法也可利用前述直通式的發(fā)
光二極管的步驟(A)至步驟(F)，于步驟(F)中，可先移除部分該第二電性 半導(dǎo)體層、及部分該活性層，以顯露其下的該第一電性半導(dǎo)體層，再形成 一第一電極于該半導(dǎo)體磊晶層表面，且形成一第二電極于該第一電性半導(dǎo) 體層表面，以形成一側(cè)通式的發(fā)光二極管。
此外，于本發(fā)明的制造方法中，步驟(B)中的鉆石層的形成方法可使 用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，例如熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)、微波等離子 體輔助化學(xué)氣相沉積(麗CVD)、或其它等效的沉積方法等；或使用物理氣 相沉積(PVD)方法，例如陰極電弧、離子束濺鍍、蒸鍍、激光剝鍍法、直 流濺鍍法、或其它等效的沉積方法等。
再者，本發(fā)明的制造方法中，步驟(C)中的摻雜區(qū)域的形成方法可利 用離子植入法將離子加速至具有足夠能量與速度，以穿透(植入)鉆石層， 到達預(yù)定的植入深度，而形成本發(fā)明中的摻雜區(qū)域。其中，離子植入深度 可由離子束能量大小來決定。此外，摻雜區(qū)域亦可以利用等離子體浸沒離
子注入法(Plasma Immersion Ion Implantation)形成。
另外，本發(fā)明的制造方法中，步驟(D)中的半導(dǎo)體磊晶層的形成方法 可為有機金屬化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束磊晶法(MBE)、液相磊晶法 (LPE)、氣相磊晶法(VPE)、或其它等效的形成方法。
于本發(fā)明的制造方法中，步驟(D)中的半導(dǎo)體磊晶層與該鉆石層的接 合方法可為高溫壓合，其接合溫度視摻雜元素而定， 一般溫度約介于攝氏 300至1000度之間。
本發(fā)明的制造方法中，基板、部分第二電性半導(dǎo)體層、及部分活性層 的移除方法可為蝕刻技術(shù)，例如濕式蝕刻、或干式蝕刻；亦可為研磨，例 如物理切割、或化學(xué)切割、或其它等效的切割方法。
此外，本發(fā)明的制造方法，金屬層、第一電極、及第二電極的形成方 法可為物理沉積方法。物理沉積方法包括有熱蒸發(fā)方法(Thermal evaporation)、 電子束輔助蒸發(fā)方法(Electronic beam assisted evaporation)、離子束濺鍍方法(Ion-beara sputtering)、或等離子體式 濺鍍方法(Plasma sputtering)、或其它等效的方法，當(dāng)然也可使用化學(xué) 沉積方法。
上述本發(fā)明所使用的基板可為硅晶材基板、及碳化硅晶材基板的其中 之一。另外，上述半導(dǎo)體磊晶層的第一電性半導(dǎo)體層、及第二電性半導(dǎo)體 層系互為相異電性的二元、三元或四元組成的摻雜半導(dǎo)體。亦即，當(dāng)?shù)谝?電性半導(dǎo)體為N型摻雜半導(dǎo)體層，則第二電性半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體層；或 第一電性半導(dǎo)體為P型摻雜半導(dǎo)體層，則第二電性半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體層。
另外，上述的摻雜區(qū)域可包含至少一選自II、 III、 IV、 V族中能與鉆 石反應(yīng)且存在于半導(dǎo)體層中的物質(zhì)，例如氮、磷、硼、鋁、或其它等效的 物質(zhì)等。
再者，本發(fā)明的鉆石層可自鉆石、類鉆碳、及納米鉆石所組群組。其 中，鉆石層可為導(dǎo)電性或絕緣性的單晶鉆石膜;-多晶鉆石膜、或非晶鉆石
膜。其中，直通式的發(fā)光二極管利用導(dǎo)電性的鉆石層，而側(cè)通式的發(fā)光二 極管可利用導(dǎo)電性或絕緣性的鉆石層。而本發(fā)明的第一電極、第二電極、 及金屬層所使用的材料并無特定限制，可選自鋁、鎢、鉻、銅、鈦、錫、 鎳、鉬、鉑、金、銀、鈹合金、鍺合金、錫合金、氮化鈦、鋁合金、及鉻 合金群組。
此外，本發(fā)明的金屬層于利用導(dǎo)電性鉆石層為基材的直通式的發(fā)光二 極管時，可以作為電極與同時兼具反射的功能。當(dāng)然，本發(fā)明也可利用導(dǎo) 電性或絕緣性鉆石層為基材形成側(cè)通式的發(fā)光二極管。此種側(cè)通式的發(fā)光 二極管，鉆石層下表面上的金屬層系僅作為反射的功能，不需具備電極的 特性。
上述本發(fā)明亦可利用覆晶技術(shù)將側(cè)通式的發(fā)光二極管置于基板，其中 該發(fā)光二極管與基板之間設(shè)有金或焊錫的凸塊作為結(jié)合，形成覆晶式的發(fā) 光二極管。
由上說明，本發(fā)明主要是利用具有高熱導(dǎo)性的鉆石層增加發(fā)光二極管
散熱的效率；并利用一摻雜區(qū)域完成晶片接合的制程，以減少現(xiàn)有技術(shù)的 接著層所造成的熱傳導(dǎo)阻礙的問題，而更進一步提高散熱效率。
此外，本發(fā)明的發(fā)光二極管底部還可包含一具有反射功能的金屬層， 以增加光取量，使產(chǎn)品的發(fā)光效率更佳，如此便能達到制程簡化及產(chǎn)品效 能與穩(wěn)定性提升的功效。


圖1A至圖1D為現(xiàn)有發(fā)光二極管的剖面示意圖2A至圖2E為本發(fā)明一較佳實施例的直通式發(fā)光二極管的剖面示意
圖3A至圖3F為本發(fā)明另一較佳實施例的側(cè)通式發(fā)光二極管的剖面示 意圖。
主要組件符號說明
10， 21 基板
11， 24 金屬層 121， 231 第一電性半導(dǎo)體層 123， 233 第二電性半導(dǎo)體層 14， 26 第二電極
22 鉆石層 12， 23半導(dǎo)體磊晶層 122， 232活性層 13， 25第一電極 221 摻雜區(qū)域
具體實施方式
實施例一 .
請參閱圖2A至圖2E為本發(fā)明一較佳具體實施例的直通式的發(fā)光二極 管的制作流程。
如圖2A所示，首先提供一基板21，在本實施例中，該基板為一硅基 板。接著，如圖2B所示，利用化學(xué)氣相沉積法于基板21表面形成一鉆石 層22，以作為增加散熱效率的散熱層。其中，本實施例的鉆石層22為導(dǎo) 電性鉆石層。再如圖2C所示，在鉆石層的上表面處以離子植入法摻雜至 少一選自II、 III、 IV、 V族中能與鉆石反應(yīng)且存在于半導(dǎo)體層中的群組， 例如硼，以形成一摻雜區(qū)域221于鉆石層22的上表面。
接著，如圖2D所示，利用高溫壓合技術(shù)將一半導(dǎo)體磊晶層23接合于 鉆石層22的上表面上，并接著移除基板21。本實施例中的半導(dǎo)體磊晶層 23包含第一電性半導(dǎo)體層231、一活性層232、及一第二電性半導(dǎo)體層233。 其中該第一電性半導(dǎo)體層231與第二電性半導(dǎo)體層233互為相異的電性。 本實施例所采用的移除基板21的方法為物理切割法，而半導(dǎo)體磊晶層23 的形成方法為有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。
最后，如圖2E所示，利用濺鍍方式于鉆石層22的下表面處形成一金 屬層24，并濺鍍一第一電極25于半導(dǎo)體磊晶層23的第二電性半導(dǎo)體層 233表面處，形成一直通式的發(fā)光二極管。在本實施例中，金屬層24材料 是利用金作為一電極，且兼具反射的功能，以便能增加光取量，使產(chǎn)品的 發(fā)光效率更佳。
通過此，本實施例所制成直通式的發(fā)光二極管，因具有高熱傳導(dǎo)性的
鉆石層22，除能增加發(fā)光二極管的散熱效率外，也因沒有現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光二 極管利用金屬材料作為接著層，而可減少接著層所造成的光遮蔽與熱傳導(dǎo) 阻礙的問題，而更進一步增加發(fā)光二極管的散熱效率。又本實施例因具有 反射功能的金屬層24，可增加光取量，使產(chǎn)品的發(fā)光效率更佳，故能提升 發(fā)光二極管的產(chǎn)品效能與穩(wěn)定性。
實施例二
請參閱圖3A至圖3F為本發(fā)明另一較佳具體實施例的側(cè)通式的發(fā)光二 極管的制作流程。
本實施例發(fā)光二極管的圖3A至圖3E的制作流程，與第一實施例的圖 2A至圖2E相較，本實施例所使用的鉆石層22為絕緣性的材質(zhì)，其余過程 相同于第一實施例中圖2A至圖2E所述的制作流程，本實施例最后更包含 一形成一第二電極26的步驟。
在完成圖3A至圖3E的制作流程后，如圖3F所示，利用蝕刻方式， 移除部分第二電性半導(dǎo)體層233、及部分活性層232，以顯露其下的第一 電性半導(dǎo)體層231;且濺鍍形成一第二電極26于第一電性半導(dǎo)體層231 表面，便完成一側(cè)通式的發(fā)光二極管。在本實施例中，金屬層24僅當(dāng)作 反射的功能。
本實施例的側(cè)通式的發(fā)光二極管，也具有如同上述第一實施例的功 效，即可減少利用金屬材料作為接著層所造成的光遮蔽與熱傳導(dǎo)阻礙的問 題，而更進一步增加發(fā)光二極管的散熱效率，及可增加光取量，使產(chǎn)品的 發(fā)光效率更佳，故能提升發(fā)光二極管的產(chǎn)品效能與穩(wěn)定性。
上述實施例僅為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自 應(yīng)以申請專利范圍所述為準，而非僅限于上述實施例。
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權(quán)利要求
1. 一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于包括以下步驟(A)提供一基板；(B)形成一鉆石層于該基板表面；(C)形成一摻雜區(qū)域于該鉆石層的上表面；(D)接合該半導(dǎo)體磊晶層于該鉆石層的上表面；該半導(dǎo)體磊晶層包括一第一電性半導(dǎo)體層、一活性層、及一第二電性半導(dǎo)體層；以及(E)移除該基板。
2. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在該 步驟(E)之后，包括一步驟(F)形成一金屬層于該鉆石層的下表面；且形成一第一電極于該半導(dǎo)體磊晶層表面。
3. 如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該鉆石層為導(dǎo)電性材質(zhì)的鉆石層。
4. 如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在該 步驟(F)之后，包括一步驟(G):移除部分該第二電性半導(dǎo)體層、及部分該 活性層，以顯露其下的該第一電性半導(dǎo)體層，且形成一第二電極于該第一 電性半導(dǎo)體層表面。
5. 如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，在該步驟(F)中，先移除部分該第二電性半導(dǎo)體層、及部分該活性層，以顯露 其下的該第一電性半導(dǎo)體層，再形成一第一電極于該半導(dǎo)體磊晶層表面， 且形成一第二電極于該第一電性半導(dǎo)體層表面。
6. 如權(quán)利要求4、或5所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該鉆石層為絕緣性材質(zhì)、或?qū)щ娦圆馁|(zhì)的鉆石層。
7. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該第 一電性半導(dǎo)體層、及該第二電性半導(dǎo)體層互為相異的電性。
8. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該基 板選自硅晶材基板、及碳化硅晶材基板群組。
9. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該步 驟(D)中的該半導(dǎo)體磊晶層的形成方法為有機金屬化學(xué)氣相沉積、分子束 磊晶法、液相磊晶法、或氣相磊晶法。
10. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該步驟(B)中的該鉆石層的形成方法為物理沉積、或化學(xué)氣相沉積。
11. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該步驟(c)中的該摻雜區(qū)域的形成方法為離子植入法、或等離子體浸沒離子注入法。
12. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，該步 驟(C)中的該摻雜區(qū)域包含至少一選自II、 III、 IV、 V族中能與鉆石反應(yīng) 且存在于該半導(dǎo)體磊晶層中的群組。
13. —種如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管的制造方法所形成的發(fā)光二 極管。
全文摘要
本發(fā)明一種發(fā)光二極管及其制造方法，其方法包括以下步驟(A)提供一基板；(B)形成一鉆石層于基板表面；(C)形成一摻雜區(qū)域于鉆石層的上表面；(D)接合一半導(dǎo)體磊晶層于鉆石層的上表面；以及(E)移除基板。通過此，本發(fā)明制造的發(fā)光二極管，因沒有現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光二極管的接著層，可減少樹脂接著層所造成的熱傳導(dǎo)阻礙或金屬接著層所造成的光遮蔽的問題，而更進一步增加發(fā)光二極管的散熱效率，具有制程簡化及提升產(chǎn)品效能與穩(wěn)定性的功效。
文檔編號H01L33/00GK101378098SQ200710145819
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者張孝國, 徐志偉, 陳志鵬 申請人:中國砂輪企業(yè)股份有限公司