专利名称：发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，尤指一种适用于改善散热 问题、提高效能与稳定性的发光二极管及其制造方法。
背景技术：
自从1960年代发光二极管(Light Emitting Diode， LED)开始商品化 以来，由于具有高耐震性、寿命长，同时耗电量少，所以其应用范围遍及 日常生活中的各项用品，如家电制品及各式仪器的指示灯或光源等。
近年来，因多色彩及高亮度化的发展，应用范围更朝向户外显示器发 展，如大型户外显示广告牌及交通信号灯。但是关键的藍光发光二极管一 直因为材料的因素，发展较为缓慢。直到1993年日亚化工利用氮化镓(GaN) 为材料的藍光发光二极管被开发出來之后，蓝/白光发光二极管才开始逐 渐发展。目前制程中，多以蓝宝石晶片(Sapphire Wafer)为磊晶承载基板， 并于蓝宝石晶片上依序成长多晶氮化铝(polycrystal A1N)薄膜或单晶氮 化铝(singleciystal A1N)薄膜来作为缓冲层，再于缓冲层上长出氮化镓， 可获得质量较佳的氮化镓晶体，以提升发光效率与稳定度。
然而，散热问题仍是发光二极管目前应用最大的问题。由于发光二 极管的热若无法排解，将使发光二极管的工作温度上升，如此一来，发光 二极管便会有(l)发光亮度减弱、(2)使寿命衰减等问题。因此，不管是未 来发光二极管在背光源模块的应用，还是直接制作为显示器的应用，热的 累积问题一直是发光二极管技术里面临的关键课题之一。
在发光二极管制程上，改变材质与几何结构成为增加散热性的必要手 段，关于此目前最常用的两种方式是(l)换替基板(Substrate)的材料。(2)裸晶改采覆晶(Flip-Chip)方式镶嵌(mount)。其中，由于钻石具 有高热导性的性质，能增加发光二极管散热的效率，因此便有人提出以具 有极佳特性的钻石替代现有技术的蓝宝石基板的概念。然而，虽然钻石与 氮化镓的晶格尺寸匹配性优于蓝宝石基板，但氮化镓在钻石膜表面仍然不 易成长出单晶的氮化镓，因此目前主要是在钻石层上成长缓冲层来改善此 问题。此外，亦可利用一接着层对钻石层与磊晶层进行晶片结合制程。然 而，无论是缓冲层或接着层，皆会影响发光二极管发光石的散热问题。
于中国台湾专利公告第573373号揭示一种以层迭方式分二次导接制 程以结合磊晶层与高热导系数基板(如硅、铝、铜、银、碳化硅、钻石、 石墨等的在一种材料)，透过暂时导接基板转接磊晶层取代磊晶成长基板， 再以磊晶层的蚀刻终止层上的第二导接层与高热导系数基板上的第三导 接层，结合形成一永久固接关系的合金层(如铟或金)，再将暂时导接基 板移除，如是制作完成一将磊晶层与高热导系数基板结合并使奥姆接触层 形成于上层，而提供更佳稳定性及光输出效率的发光二极管。
另外，中国台湾专利公告第I223899号则揭示一种发光二极管，其结 构至少包括 一传导层，该传导层用以传导该发光二极管所产生的热，且 该传导层(如金属或非金属)上具有一反射层(如银、金、或铝等)；以
及一磊晶结构，通过由一透明导热胶(如硅胶或环氧树脂等)设于该具有 反射层的传导层上，其中该磊晶结构中至少包括复数个ni-v族化合物半
导体磊晶层，该些in-V族化合物半导体磊晶层至少包括依序堆栈的一第 一电性半导体层、 一活性层、以及一第二电性半导体层，当通入电流后即 可发光。
如图1A至图1D为现有发光二极管的剖面示意图，其是利用一金属接着 层进行基板10与半导体磊晶层的晶片结合的制作流程。首先，如图1A所示， 先提供一基板IO。接着，如图1B所示，于基板10表面形成一金属层11。再 如图1C所示，利用高温压合方式，将一半导体磊晶层12形成金属层11表面； 其中，半导体磊晶层12包含依序形成的一第一电性半导体层121、 一活性 层122、及一第二电性半导体层123。最后如图1D所示，移除部分第二电性
半导体层123、及部分活性层122，以显露其下的第一电性半导体层121;
并且形成一第一电极13于半导体磊晶层12的第二电性半导体层123表面、 以及形成一第二电极14于半导体磊晶层12的第一电性半导体层121表面。
如上所述，便完成如图1D所示的现有侧通式发光二极管。虽然此现有 结构已利用具高热传导性的钻石层作为基板(或传导层基板)，进而增加 发光二极管的散热效率。然而，介于基板10与半导体磊晶层12之间的金属 层ll，则仍会成为热导与发光时的阻碍，使发光二极管的散热效率与发光 效率因此下降，且上述的制程仍属繁琐，并非十分理想。因此，目前仍亟 需一种能有效简化制程、且能改善散热问题的发光二极管及其制造方法。
发明内容
本发明目的是提供一种发光二极管及其制造方法。本发明的一特色包 括通过一种直通式的发光二极管，其制造方法包括以下步骤
(A) 提供一基板；
(B) 于基板表面形成一导电性钻石层；
(C) 于钻石层的上表面形成一掺杂区域；
(D) 接合一半导体磊晶层于钻石层的上表面；其中，半导体磊晶层包 括一第一电性半导体层、 一活性层、及一第二电性半导体层；以及
(E) 移除基板。
本发明的另一特色有关于一种发光二极管的结构，其包括有 一钻石
层、以及一半导体磊晶层。其中，钻石层的上表面形成有一掺杂区域，而 半导体磊晶层形成于钻石层的表面，且半导体磊晶层并包括一第一电性半 导体层、 一活性层、及一第二电性半导体层。
通过此，本发明的制造方法利用钻石层上表面的惨杂区域，使钻石层 与半导体磊晶层直接进行晶片接合，无需如现有技术发光二极管需经由一 接着层来结合钻石层与半导体磊晶层，可大幅简化制程。
此外，本发明所制造的发光二极管，因具有高热传导性的钻石层，除 能增加发光二极管的散热效率外，也因没有现有技术发光二极管利用金属
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成份作为接着层，而可减少金属接着层所造成的光遮蔽问题，而更进一步 增加发光二极管的散热效率。
另外，本发明的制造方法，于步骤(E)之后，可包括一步骤(F)形成一 金属层于钻石层的下表面，且形成一第一电极于半导体磊晶层表面。因此， 可形成一直通式的发光二极管结构，此种直通式的发光二极管，钻石层下 表面上的金属层是作为反射、及电极的功能。 _
通过此，本发明所制造的直通式的发光二极管因具有反射功能的金属 层，可增加光取量，使产品的发光效率更佳，故能提升发光二极管的产品 效能与稳定性的功效。
本发明另一较佳的实施例，为一种侧通式的发光二极管，其制造方法 可利用前述直通式的发光二极管的步骤(A)至步骤(F)，然，该钻石层可以
为绝缘性或导电性钻石层。并于步骤(F)之后，还可包括一步骤(G)移除部
分第二电性半导体层、及部分活性层，以显露其下的第一电性半导体层， 且形成一第二电极于第一电性半导体层表面，以形成一侧通式的发光二极 管。此种侧通式的发光二极管，其钻石层下表面上的金属层系仅作为反射 的功能。
当然，此种侧通式发光二极管，其制造方法也可利用前述直通式的发
光二极管的步骤(A)至步骤(F)，于步骤(F)中，可先移除部分该第二电性 半导体层、及部分该活性层，以显露其下的该第一电性半导体层，再形成 一第一电极于该半导体磊晶层表面，且形成一第二电极于该第一电性半导 体层表面，以形成一侧通式的发光二极管。
此外，于本发明的制造方法中，步骤(B)中的钻石层的形成方法可使 用化学气相沉积(CVD)方法，例如热丝化学气相沉积(HFCVD)、微波等离子 体辅助化学气相沉积(丽CVD)、或其它等效的沉积方法等；或使用物理气 相沉积(PVD)方法，例如阴极电弧、离子束溅镀、蒸镀、激光剥镀法、直 流溅镀法、或其它等效的沉积方法等。
再者，本发明的制造方法中，步骤(C)中的掺杂区域的形成方法可利 用离子植入法将离子加速至具有足够能量与速度，以穿透(植入)钻石层， 到达预定的植入深度，而形成本发明中的掺杂区域。其中，离子植入深度 可由离子束能量大小来决定。此外，掺杂区域亦可以利用等离子体浸没离
子注入法(Plasma Immersion Ion Implantation)形成。
另外，本发明的制造方法中，步骤(D)中的半导体磊晶层的形成方法 可为有机金属化学气相沉积(M0CVD)、分子束磊晶法(MBE)、液相磊晶法 (LPE)、气相磊晶法(VPE)、或其它等效的形成方法。
于本发明的制造方法中，步骤(D)中的半导体磊晶层与该钻石层的接 合方法可为高温压合，其接合温度视掺杂元素而定， 一般温度约介于摄氏 300至1000度之间。
本发明的制造方法中，基板、部分第二电性半导体层、及部分活性层 的移除方法可为蚀刻技术，例如湿式蚀刻、或干式蚀刻；亦可为研磨，例 如物理切割、或化学切割、或其它等效的切割方法。
此外，本发明的制造方法，金属层、第一电极、及第二电极的形成方 法可为物理沉积方法。物理沉积方法包括有热蒸发方法(Thermal evaporation)、 电子束辅助蒸发方法(Electronic beam assisted evaporation)、离子束溅镀方法(Ion-beara sputtering)、或等离子体式 溅镀方法(Plasma sputtering)、或其它等效的方法，当然也可使用化学 沉积方法。
上述本发明所使用的基板可为硅晶材基板、及碳化硅晶材基板的其中 之一。另外，上述半导体磊晶层的第一电性半导体层、及第二电性半导体 层系互为相异电性的二元、三元或四元组成的掺杂半导体。亦即，当第一 电性半导体为N型掺杂半导体层，则第二电性半导体为P型半导体层；或 第一电性半导体为P型掺杂半导体层，则第二电性半导体为N型半导体层。
另外，上述的掺杂区域可包含至少一选自II、 III、 IV、 V族中能与钻 石反应且存在于半导体层中的物质，例如氮、磷、硼、铝、或其它等效的 物质等。
再者，本发明的钻石层可自钻石、类钻碳、及纳米钻石所组群组。其 中，钻石层可为导电性或绝缘性的单晶钻石膜;-多晶钻石膜、或非晶钻石
膜。其中，直通式的发光二极管利用导电性的钻石层，而侧通式的发光二 极管可利用导电性或绝缘性的钻石层。而本发明的第一电极、第二电极、 及金属层所使用的材料并无特定限制，可选自铝、钨、铬、铜、钛、锡、 镍、钼、铂、金、银、铍合金、锗合金、锡合金、氮化钛、铝合金、及铬 合金群组。
此外，本发明的金属层于利用导电性钻石层为基材的直通式的发光二 极管时，可以作为电极与同时兼具反射的功能。当然，本发明也可利用导 电性或绝缘性钻石层为基材形成侧通式的发光二极管。此种侧通式的发光 二极管，钻石层下表面上的金属层系仅作为反射的功能，不需具备电极的 特性。
上述本发明亦可利用覆晶技术将侧通式的发光二极管置于基板，其中 该发光二极管与基板之间设有金或焊锡的凸块作为结合，形成覆晶式的发 光二极管。
由上说明，本发明主要是利用具有高热导性的钻石层增加发光二极管
散热的效率；并利用一掺杂区域完成晶片接合的制程，以减少现有技术的 接着层所造成的热传导阻碍的问题，而更进一步提高散热效率。
此外，本发明的发光二极管底部还可包含一具有反射功能的金属层， 以增加光取量，使产品的发光效率更佳，如此便能达到制程简化及产品效 能与稳定性提升的功效。
图1A至图1D为现有发光二极管的剖面示意图2A至图2E为本发明一较佳实施例的直通式发光二极管的剖面示意
图3A至图3F为本发明另一较佳实施例的侧通式发光二极管的剖面示 意图。
主要组件符号说明
10， 21 基板
11， 24 金属层 121， 231 第一电性半导体层 123， 233 第二电性半导体层 14， 26 第二电极
22 钻石层 12， 23半导体磊晶层 122， 232活性层 13， 25第一电极 221 掺杂区域
具体实施方式
实施例一 .
请参阅图2A至图2E为本发明一较佳具体实施例的直通式的发光二极 管的制作流程。
如图2A所示，首先提供一基板21，在本实施例中，该基板为一硅基 板。接着，如图2B所示，利用化学气相沉积法于基板21表面形成一钻石 层22，以作为增加散热效率的散热层。其中，本实施例的钻石层22为导 电性钻石层。再如图2C所示，在钻石层的上表面处以离子植入法掺杂至 少一选自II、 III、 IV、 V族中能与钻石反应且存在于半导体层中的群组， 例如硼，以形成一掺杂区域221于钻石层22的上表面。
接着，如图2D所示，利用高温压合技术将一半导体磊晶层23接合于 钻石层22的上表面上，并接着移除基板21。本实施例中的半导体磊晶层 23包含第一电性半导体层231、一活性层232、及一第二电性半导体层233。 其中该第一电性半导体层231与第二电性半导体层233互为相异的电性。 本实施例所采用的移除基板21的方法为物理切割法，而半导体磊晶层23 的形成方法为有机金属化学气相沉积(MOCVD)。
最后，如图2E所示，利用溅镀方式于钻石层22的下表面处形成一金 属层24，并溅镀一第一电极25于半导体磊晶层23的第二电性半导体层 233表面处，形成一直通式的发光二极管。在本实施例中，金属层24材料 是利用金作为一电极，且兼具反射的功能，以便能增加光取量，使产品的 发光效率更佳。
通过此，本实施例所制成直通式的发光二极管，因具有高热传导性的
钻石层22，除能增加发光二极管的散热效率外，也因没有现有技术发光二 极管利用金属材料作为接着层，而可减少接着层所造成的光遮蔽与热传导 阻碍的问题，而更进一步增加发光二极管的散热效率。又本实施例因具有 反射功能的金属层24，可增加光取量，使产品的发光效率更佳，故能提升 发光二极管的产品效能与稳定性。
实施例二
请参阅图3A至图3F为本发明另一较佳具体实施例的侧通式的发光二 极管的制作流程。
本实施例发光二极管的图3A至图3E的制作流程，与第一实施例的图 2A至图2E相较，本实施例所使用的钻石层22为绝缘性的材质，其余过程 相同于第一实施例中图2A至图2E所述的制作流程，本实施例最后更包含 一形成一第二电极26的步骤。
在完成图3A至图3E的制作流程后，如图3F所示，利用蚀刻方式， 移除部分第二电性半导体层233、及部分活性层232，以显露其下的第一 电性半导体层231;且溅镀形成一第二电极26于第一电性半导体层231 表面，便完成一侧通式的发光二极管。在本实施例中，金属层24仅当作 反射的功能。
本实施例的侧通式的发光二极管，也具有如同上述第一实施例的功 效，即可减少利用金属材料作为接着层所造成的光遮蔽与热传导阻碍的问 题，而更进一步增加发光二极管的散热效率，及可增加光取量，使产品的 发光效率更佳，故能提升发光二极管的产品效能与稳定性。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自 应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
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权利要求
1. 一种发光二极管的制造方法，其特征在于包括以下步骤(A)提供一基板；(B)形成一钻石层于该基板表面；(C)形成一掺杂区域于该钻石层的上表面；(D)接合该半导体磊晶层于该钻石层的上表面；该半导体磊晶层包括一第一电性半导体层、一活性层、及一第二电性半导体层；以及(E)移除该基板。
2. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，在该 步骤(E)之后，包括一步骤(F)形成一金属层于该钻石层的下表面；且形成一第一电极于该半导体磊晶层表面。
3. 如权利要求2所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该钻石层为导电性材质的钻石层。
4. 如权利要求2所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，在该 步骤(F)之后，包括一步骤(G):移除部分该第二电性半导体层、及部分该 活性层，以显露其下的该第一电性半导体层，且形成一第二电极于该第一 电性半导体层表面。
5. 如权利要求2所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，在该步骤(F)中，先移除部分该第二电性半导体层、及部分该活性层，以显露 其下的该第一电性半导体层，再形成一第一电极于该半导体磊晶层表面， 且形成一第二电极于该第一电性半导体层表面。
6. 如权利要求4、或5所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该钻石层为绝缘性材质、或导电性材质的钻石层。
7. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该第 一电性半导体层、及该第二电性半导体层互为相异的电性。
8. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该基 板选自硅晶材基板、及碳化硅晶材基板群组。
9. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该步 骤(D)中的该半导体磊晶层的形成方法为有机金属化学气相沉积、分子束 磊晶法、液相磊晶法、或气相磊晶法。
10. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该步骤(B)中的该钻石层的形成方法为物理沉积、或化学气相沉积。
11. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该步骤(c)中的该掺杂区域的形成方法为离子植入法、或等离子体浸没离子注入法。
12. 如权利要求l所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该步 骤(C)中的该掺杂区域包含至少一选自II、 III、 IV、 V族中能与钻石反应 且存在于该半导体磊晶层中的群组。
13. —种如权利要求l所述的发光二极管的制造方法所形成的发光二 极管。
全文摘要
本发明一种发光二极管及其制造方法，其方法包括以下步骤(A)提供一基板；(B)形成一钻石层于基板表面；(C)形成一掺杂区域于钻石层的上表面；(D)接合一半导体磊晶层于钻石层的上表面；以及(E)移除基板。通过此，本发明制造的发光二极管，因没有现有技术发光二极管的接着层，可减少树脂接着层所造成的热传导阻碍或金属接着层所造成的光遮蔽的问题，而更进一步增加发光二极管的散热效率，具有制程简化及提升产品效能与稳定性的功效。
文档编号H01L33/00GK101378098SQ200710145819
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者张孝国, 徐志伟, 陈志鹏 申请人:中国砂轮企业股份有限公司