專利名稱：發光元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光元件，尤其涉及一種具有貫穿半導體層的溝道結構 的發光二極管元件。
背景技術：
發光二極管元件是一種被廣泛使用的光源。相較于傳統的白熾燈泡或熒 光燈管，發光二極管除了具有省電與使用壽命較長的優異特性外，更具有整 體性的成本優勢，因此逐漸取代傳統光源，而應用于各種不同領域，如交通 標識、背光模塊、路燈照明、醫療設備等產業。
隨著發光二極管光源的應用與發展對于亮度的需求越來越高，如何增加 其發光效率而提高其亮度，便成為產業界所共同努力的重要方向。目前已知 的方法之一是利用基板轉移技術將原來具有吸光特性的生長基板移除，轉換 成另 一具有透光或散熱特性的基板，如此可大幅提高出光效率而提高亮度。
圖9為利用已知基板轉移技術所得的一般InGaN發光二極管元件，其結 構由下而上依序為p電極41、永久基板42、連接層43、發光疊層44 (包 含p型半導體層443、發光層442以及n型半導體層441)、 n型歐姆接觸層 45、 n電極46。上述結構是通過金屬粘結工藝步驟所形成的垂直結構，為了 使n電極46能與n型半導體層441上產生歐姆接觸，須先將原本n型半導 體層441上的未摻雜層(圖未示)移除，再形成n型歐姆接觸層45于其上，最 后再將n電極46形成于n型歐姆接觸層45的上方。但此結構由于須將未摻 雜層移除，常造成驅動電壓過高的問題。
發明內容
本發明涉及一種發光元件，包含半導體層、歐姆接觸層以及至少一電極， 并且反應離子束蝕刻(Reactive ion-beam etching)技術，形成貫穿發光元件的 半導體層的溝道，再將該溝道以金屬填滿，形成溝道結構，電學連結上述半 導體層兩側的歐姆接觸層與電極，使得電流可依序經由電極、溝道結構、歐
姆接觸層，傳送到半導體層，驅動整體發光元件。透過此溝道結構的設計， 可以獲得一個具有良好歐姆接觸與較佳發光效率的發光二極管元件。
本發明實施例之一，提出一先利用基板轉移技術，將發光元件的生長基
板耳又代為導電基4反，再利用反應離子束蝕刻(Reactive ion-beam etching)技術， 將發光疊層中的n型半導體層蝕刻形成n型溝道，并將上述n型溝道用金屬 填滿，形成n型溝道結構以及n電極，使得n型半導體層兩側的n型歐姆接 觸層與n電極產生電學連結，而獲得垂直式發光二極管元件。
本發明的另一實施例，提出另一發光元件結構，先利用基板轉移技術， 將發光元件的生長基板取代為散熱基板，再利用反應離子束蝕刻(Reactive ion-beam etching)技術，同時在發光疊層中的n型半導體層與P型半導體層， 分別蝕刻形成n型溝道與p型溝道；并在n型溝道與p型溝道之間，蝕刻形 成貫穿n型半導體層與發光層的阻隔溝道，以作為電性絕緣之用。透過n型 溝道、p型溝道與阻隔溝道的設計，可以獲得一個具有良好歐姆接觸特性的 水平式發光二極管。
本發明的另 一實施例，系在形成如上所述的垂直式或水平式發光二極管 元件后，再在靠近n型半導體層的出光表面進行粗化，形成凹凸不平的粗化 表面，如此可以增加此發光元件的出光效率。
圖1為本發明第一實施例的第一工藝步驟的示意圖。 圖2為本發明第一實施例的第二工藝步驟的示意圖。 圖3為本發明第一實施例的第三工藝步驟的示意圖。 圖4為本發明第一實施例的第四工藝步驟的示意圖。 圖5為本發明第一實施例的第五工藝步驟的示意圖。 圖6為本發明第二實施例的發光二極管結構圖。 圖7為本發明的背光模塊結構圖。 圖8為本發明的照明裝置結構圖。 圖9為已知的發光二極管結構圖。 附圖標記i兌明
100垂直式發光二極管元件 11生長基板
12半導體發光疊層 121 n型半導體層
122發光層123p型半導體層
13n型歐姆接觸層14透明導電層
15介電層16金屬反射層
17n型溝道18 n電極
21永久基板22連接層
200水平式發光二極管元件31 p型歐姆接觸層
32 p型溝道33 p電極
34阻隔溝道700背光模塊裝置
710光源裝置711發光二極管元件
720光學裝置800照明裝置
810光源裝置811發光二極管元件
820電源供應系統830控制元件
具體實施例方式
圖5顯示依本發明第一實施例的垂直式發光二極管元件100。本實施例 是利用基板轉移技術，主要包含芯片粘結(wafer bonding)工藝、基板移除 (substrate lift-off)工藝及反應離子束々蟲刻(Reactive ion-beam etching)工藝，所 制作而成的垂直式發光二極管。相關步驟如圖1~圖5所示，詳細說明如下。
圖l所示為第一工藝步驟，先形成發光結構，包含生長基板ll、半導體 發光疊層12、 n型歐姆接觸層13、透明導電層14、介電層15以及金屬反射 層16;其中發光疊層12還包含n型半導體層121、發光層122及p型半導 體層123。另外，在永久基板21上形成連接層22。如上所述的生長基板ll， 例如為藍寶石基板(Sapphire substrate),更可以在生長基板11上先形成緩沖 層，例如為A1N、 GaN或AlGaN，如此可以使形成于其上的氮化物半導體發 光疊層12,例如為GaN、 AlGaN或InAlGaN,在長晶過程不至于產生大量 的晶格位錯(dislocation)或晶格缺陷(defect);透明導電層14可以是氧化銦錫 (ITO)，不僅能夠有效分散電流，且具有透光的特性，因而能夠增加出光效 率；介電層15可以是無機介電材料，例如二氧化硅(Si02)、氧化鋁(八1203)、 氮化硅(SiNJ、或旋涂玻璃(spin-on glass),也可以是有機介電材料，例如環 氧樹脂(epoxy)、聚亞酰胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)等材料； n型歐姆接觸層13，是可以與n型半導體層21產生歐姆接觸的材料，例如
氧化銦錫(ITO)或鋁(Al)、鎳(Ni)等金屬；金屬反射層16，為具有高反射 率的導電性的材料，例如鋁(Al)或銀(Ag);永久基板21,為具有導電特性的 基板，例如硅基板、銅基板等。
圖2所示為第二工藝步驟，是利用連接工藝，將兩個基板透過連接層22 連結成一體；其中連接工藝可以是直接連接或金屬連接。直接連接一般系在 高溫條件下(〉400。C),施加固定的輔助壓力，使連接界面兩邊的材料熔融在 一起而產生連接。金屬連接是在兩連接界面上，先各自形成金屬層，然后再 施以較低溫度(200°C 300°C )及固定輔助壓力，將兩金屬層連接起來。
圖3所示為第三工藝步驟，是利用基板移除技術將生長基板11移除。 其中基板移除技術為激光剝離技術，是利用準分子激光(Excimer laser)由生長 基板11與半導體發光疊層12相對的表面入射。大部分激光能量在生長基板 上的緩沖層與生長基板間的界面處被吸收，而被吸收的激光能量可分解緩沖 層，例如氮化鋁，進而達到的移除基^1目的。
圖4所示為第四工藝步驟，是利用反應離子束蝕刻(Reactive Ion-beam Etching; RIE)4支術，將n型半導體層121蝕刻形成n型溝道17，而露出n型 歐姆接觸層13。其中反應離子束蝕刻(Reactive ion-beam etching)具備多項優 點，如線寬分辨率高(Resolution)、選擇性良好、蝕刻速率快、反應參數可 獨立控制及無殘渣的問題等，因此在半導體制造過程中有逐漸以反應離子束 蝕刻取代濕法蝕刻的趨勢。本實施例以感應耦合等離子體活性離子蝕刻系統 (ICP-RIE)進行干法蝕刻，并以蝕刻參數分析的方法，通過改變反應氣體 (BCWAr)流量、壓力、感應耦合等離子體ICP(Inductively coupled plasma)功 率及RF功率(即DC-bias偏壓)，找出它們和蝕刻速率、蝕刻選擇性、蝕刻 方向性、蝕刻表面平整度以及光刻膠的影響，以得到最佳的蝕刻參數，蝕刻 出n型溝道17。
圖5所示為第五工藝步驟，系將n型溝道17以金屬填滿，形成n型溝 道結構以及n電極18,使n型歐姆接觸層13與n電極18產生電學連結。同 時在永久基板21的下方，形成金屬層作為p電極23。
利用上述的工藝步驟所形成的垂直式發光二極管元件100，為n電極朝 上的垂直式發光二極管元件結構。此實施例是利用n型溝道17的設計，使 得后續所形成的n電極18，可與n型歐姆接觸層13形成良好的歐姆接觸， 而避免一般常因n電極與n型半導體層的歐姆接觸不良，而產生驅動電壓過
高的情形。
本發明的另一實施例，是在形成如上所述的垂直式發光二極管元件100 后，再在靠近n型半導體層121的出光面進行粗化，形成凹凸不平的粗化表 面，如此可以增加此發光元件的出光效率。
圖6顯示依本發明第二實施例的水平式發光二極管元件200。本實施例 的主要工藝步驟大致與第一實施例相同，是利用連接工藝、基板移除工藝與 反應離子束蝕刻，所形成的水平式的發光二極管元件200，其結構如圖所示， i羊細"i兌明:^口下。
第二實施例所述的水平式發光二極管元件200，其結構由下而上依序包 含永久基板21、連接層22、金屬反射層16、介電層15、透明導電層14、 發光疊層12 (包含n型半導體層121、發光層122及p型半導體層123)、 n 型歐姆接觸層13與p型歐姆接觸層31;接著，利用反應離子束蝕刻技術， 形成貫穿n型半導體層121的n型溝道17，再以金屬填滿，形成n型溝道結 構以及n電極18，使n型歐姆接觸層13與n電極18產生電學連結。并且蝕 刻形成另一貫穿半導體發光疊層12的p型溝道32，并以金屬填滿，形成p 型溝道結構以及p電極33,使p型歐姆接觸層31與p電極33產生電學連結。 最后，在n型溝道17與p型溝道32之間，蝕刻形成貫穿n型半導體層121 與發光層122的阻隔溝道34,以作為電性絕緣之用。透過上迷n型溝道17、 p型溝道32與阻隔溝道34的設計，可以獲得一個具有良好歐姆接觸特性的 水平式發光二極管結構。其中該永久基板為一具有散熱特性的基板，使得該 發光二極管元件，可以獲得良好的散熱效果，增加元件壽命。本發明的另一實施例，是在形成如上所述的水平式發光二極管元件200 后，再在靠近n型半導體層121的出光面進行粗化，形成凹凸不平的粗化表 面，如此可以增加此發光元件的出光效率。
本發明的再一實施例，系形成如上所述的水平式發光二極管元件200， 其中介電層15含有色轉換功能的熒光粉(Phosphor)，且省去金屬反射層16， 并使用透明的連結層22與透明的永久基板21;如此一來，可將發光疊層12 所發出來的光，透過介電層15中的熒光粉的色轉換，產生另一色光與原本 的光進行混色，而經由透明的永久基板21出光。例如是可發出藍色波長的 發光疊層12,與具有黃色熒光粉的介電層15組合搭配，便可以產生白光， 而由透明的永久基板21出光。或者，亦可將上所述水平式發光二極管元件有色轉換功能的色轉換層取代，并搭配透明的連 結層22與透明的永久基板21,亦可以達成如上實施例所述效益，產生混合 的光，而經由透明的永久基板21出光。
圖7顯示依本發明的背光模塊結構。其中背光模塊裝置700包含由本 發明上述任意實施例的發光二極管元件711所構成的光源裝置710;光學裝 置720置于光源裝置710的出光路徑上，將光做適當處理后出光；以及電源 供應系統730，提供上述光源裝置710所需的電源。
圖8顯示依本發明的照明裝置結構。上述照明裝置800可以是車燈、街 燈、手電筒、路燈、指示燈等等。其中照明裝置800包含光源裝置810, 是由本發明上述的任意實施例的發光二極管元件811所構成；電源供應系統 820,提供光源裝置810所需的電源；以及控制元件830控制電流輸入光源 裝置810。
雖然發明已藉各實施例說明如上，然其并非用以限制本發明的范圍。對 于本發明所作的各種修飾與變更，皆不脫本發明的精神與范圍。
權利要求
1.一種發光元件包含氮化物發光疊層，具有n型半導體層、發光層與p型半導體層，其中在該n型半導體層具有第一溝道結構，電學連結n型歐姆接觸層與n電極。
2. 如權利要求1所述的發光元件，還包含連接層，該n電極與該連接層 分別位于該氮化物發光疊層的二相對側，用以連接該發光疊層與導電基板。
3. 如權利要求2所述的發光元件，還包含p電極形成于該導電基板的下方。
4. 如權利要求2所述的發光元件，還包含金屬反射層形成于該發光疊層 與連接層之間。
5. 如權利要求4所述的發光元件，還包含透明導電層形成于該p型半導 體層與該金屬反射層之間。
6. 如權利要求4所述的發光元件，還包含介電層位于該金屬反射層與該 n型半導體層之間。
7. 如權利要求1所述的發光元件，其中該n型半導體層更具粗化表面。
8. —種發光元件包含氮化物發光疊層具有n型半導體層、發光層與p型半導體層，其中具有 第一通結構，道貫穿該n型半導體層，電學連結n型歐姆接觸層與n電極； 以及第二溝道結構，貫穿該發光疊層，電學連結p型歐姆接觸層與p電極。
9. 如權利要求8所述的發光元件，還包含阻隔溝道位于該第一溝道結構 與該第二溝道結構之間，并貫穿該n型半導體層與該發光層。
10. 如權利要求8所述的發光元件，其中還包含連接層，該n電極與 該連接層分別位于該氮化物發光疊層的二相對側，用以連接該發光疊層與永 久基板。
11. 如權利要求10所述的發光元件，其中還包含金屬反射層形成于該 發光疊層與該連接層之間。
12. 如權利要求IO所述的發光元件，其中該永久基板為散熱基板。
13. 如權利要求10所述的發光元件，其中還包含介電層形成于該金屬 反射層與該p型歐姆接觸層。
14. 如權利要求8所述的發光元件，其中還包含透明導電層形成于該p 型歐姆接觸層與該p型半導體層之間。
15. 如權利要求8所述的發光元件，其中該n型半導體層更具粗化表面。
16. 如權利要求10所述的發光元件，其中該連結層與該永久基板為透明材料。
17. 如權利要求16所述的發光元件，其中還包含色轉換層形成于該發 光疊層與該連接層之間。
18. 如權利要求16所述的發光元件，其中還包含介電層形成于該連結 層與該p型歐姆接觸層之間，且該介電層具有色轉換材料。
19. 一種發光元件包含氮化物發光疊層，具有第一半導體層、發光層與第二半導體層，其中于 該第一半導體層具有第一溝道結構，電學連結第一歐姆接觸層與第一電極。
20. 如權利要求19所述的發光元件，其中該第一半導體層更具粗化表面。
21. 如權利要求19所述的發光元件，還包含第二溝道結構，貫穿該氮 化物發光疊層，并電學連結第二歐姆接觸層與第二電極。
22. 如權利要求21所述的發光元件，還包含阻隔溝道位于該第一溝道 結構與該第二溝道結構之間，并貫穿該第一半導體層與該發光層。
23. —種背光模塊裝置包含光源裝置，由權利要求1所述的發光二極管元件所組成； 光學裝置，置于該光源裝置的出光路徑上；以及 電源供應系統，提供該光源裝置所需的電源。
24. —種照明裝置包含光源裝置，由權利要求1所述的發光二極管元件所組成； 電源供應系統，提供該光源裝置所需的電源；以及 控制元件，控制該電源輸入該光源裝置。
全文摘要
本發明公開了一種利用基板轉移技術所形成的發光元件、背光模塊裝置以及照明裝置。該發光元件包含半導體層、歐姆接觸層、溝道結構形成于半導體層之中，及至少一電極。此溝道結構電學連結上述的歐姆接觸層與電極，使得電流可依序經由電極、溝道結構、歐姆接觸層，傳送到半導體層并驅動整體發光元件。透過此溝道結構的設計，可以獲得一個具有良好歐姆接觸與較佳發光效率的水平式或垂直式的發光二極管元件。
文檔編號H05B37/02GK101355121SQ20071013813
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月26日 優先權日2007年7月26日
發明者呂志強, 林錦源, 王百祥, 陳澤澎 申請人:晶元光電股份有限公司