专利名称：发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明是关于一种发光二极管及其制造方法，尤其指一种适用于降低 制造成本、及简化制造流程的发光二极管的制造方法及其所形成的发光二 极管。
背景技术：
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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号志灯。但是关键的蓝光发光二极管一 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) 为材料的蓝光发光二极管被开发出来后，蓝/白光发光二极管才开始逐渐发 展。目前制备流程中，多以蓝宝石晶片(SapphireWafer)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(singlecrystal 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所在。由于发 光二极管的热若无法排解，将进而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到的关键课题之一。
在发光二极管制备流程上，改变材质与几何结构成为增加散热性的必 要手段，关于此种手段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公知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。
美国CREE公司专利US 2005/0164482号揭示一种以宽带隙半导体材 料形成一高功率、高频率装置的方法，及以此方法所得的半导体结构及装 置，其中该高功率、高频率装置具有较低的接合温度、运作期间的较高功
率密度及在额定功率密度下经改良的可靠性。该方法包含添加一钻石层 至一碳化硅晶片上以增加所得复合晶片的热导率；其后利用离子值布方式 分离减小该复合晶片的该碳化硅部分的厚度，同时保持足够碳化硅厚度以 支撑其上的磊晶成长；制备该复合晶片的碳化硅表面以利其上的磊晶成
长；以及添加一m族氮化物异质结构至该晶片的所制备的碳化硅面。
请参阅图1A至1E，是公知发光二极管的剖面示意图，其利用一碳化硅 层作为基板，并以具高热传导性的钻石层作为增加散热效率的散热层。首 先，如图1A所示，先提供一碳化硅基板ll。接着，如图1B所示，于碳化 硅基板11表面形成一钻石层12，以作为发光二极管的散热层。接着，如图 1C所示，移除部份碳化硅基板ll，以作为发光二极管的磊晶缓冲层。然则， 由于碳化硅材的硬度大，并不容易移除部份碳化硅，因此该移除步骤为该 公知的制备流程上的瓶颈所在。再如图1D所示，于碳化硅基板ll表面形成 一半导体磊晶层13。其中，半导体磊晶层13包含依序形成的一第一电性半 导体层131、 一活性层132、及一第二电性半导体层133。最后如图1E所示， 形成一第一电极14于半导体磊晶层13的第二电性半导体层133表面，并于 钻石层12表面形成一金属层15。其中，此金属层15作为第二电极，且兼具 反射的功效。
如上所述，便完成如图1E所示的公知直通式发光二极管。虽然此公知 结构已利用具高热传导性的钻石层作为高散热层，进而增加发光二极管的 散热效率。并且，以介于钻石层12与半导体磊晶层13之间的碳化硅基板11 作为磊晶缓冲层，以解决钻石层12不易磊晶的问题。然而，如上述的公知 制备流程，由于在制备流程中，必须提供一足够磊晶成长厚度的碳化硅材 作为基板，而碳化硅材的成本高，因而提高了制作成本。再者，制备流程 中需移除部份碳化硅材的步骤，由于碳化硅的硬度大，因此增添了此公知 移除制备流程的困难度。因此，并非十分理想，目前仍亟需一种能有效降 低制作成本，并制作容易的发光二极管的制作方法，以有效制得一高效能 与高稳定性的发光二极管。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制造方法。 为实现上述目的，本发明提供的发光二极管的制造方法，包括以下步
骤
(A) 提供一基板；… . -
(B) 形成一碳化硅膜层于该基板表面；
(C) 形成一钻石层于该碳化硅膜层表面，且移除该基板；其中，该钻 石层包括有一第一表面、及一第二表面，该第二表面紧邻该碳化硅膜层表 面；
(D) 利用磊晶成长方式形成一半导体磊晶层于该碳化硅膜层表面，其 中，该半导体磊晶层包括依序形成的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) 形成一第一电极于该半导体磊晶层表面，且形成一金属层于该钻
石层的该第一表面。
所述发光二极管的制造方法，其中，该钻石层为导电性材质的钻石层。
所述发光二极管的制造方法，其中，于该步骤(E)中，先形成一奥姆电
极于该半导体磊晶层表面，再形成一第一电极于该奥姆电极表面。
所述发光二极管的制造方法，其中，于该步骤(E)后，还包括一步骤(F) 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。
所述发光二极管的制造方法，其中，于该步骤(E)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。
所述发光二极管的制造方法，其中，该钻石层为绝缘性材质、或导电 性材质的钻石层。
所述发光二极管的制造方法，其中，该第一电性半导体层、及该第二
电性半导体层互为相异电性。
所述发光二极管的制造方法，其中，该基板为单晶硅晶材料。 所述发光二极管的制造方法，其中，该碳化硅膜层为单晶碳化硅材质。 所述发光二极管的制造方法，其中，该碳化硅膜层为导电性碳化硅、
或非导电性碳化硅。
所述发光二极管的制造方法，其中，该钻石层选自单晶钻石膜、多晶
钻石膜、及非晶钻石膜群组。
所述发光二极管的制造方法，其中，该步骤(B)中该碳化硅膜层的形成
方法为物理沉积、或化学气相沉积。
所述发光二极管的制造方法，其中，该步骤(c)中该钻石层的形成方法
为物理沉积、或化学气相沉积。
所述发光二极管的制造方法，其中，该步骤(c)中该基板的移除方法为
蚀刻、离子植布、或研磨。
由此，本发明的制造方法是利用一硅晶材料为基板以依序沉积一层碳 化硅膜层及一钻石层膜，随后再移除硅基板。由于在制备流程上，移除硅 基板极为容易，因此能大幅降低在公知制备流程中移除部分碳化硅层的困 难度。此外，本发明是利用沉积法在硅基板上形成一高质量的碳化硅膜层， 而硅基板的成本并不高，因此能有效改善公知利用足够磊晶成长厚度的单 晶碳化硅作为基板所造成成本较高的缺点。
再者，利用本发明的制造方法所制得的发光二极管，因具有高热导性 的钻石层，故能有效增加散热效率，以提升产品效能及稳定性。且本发明 是以碳化硅膜层作为发光二极管的磊晶缓冲层，故能有效解决钻石层不易 磊晶的问题，以得到高质量的产品。另外，本发明所制得的发光二极管更 利用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。
综上所述，本发明所提供的直通式的发光二极管的制作方法，可大幅 简化制备流程并降低制作成本，以制得一高效能与高稳定性的发光二极 管。
图1 A至图1E是公知发光二极管的剖面示意图。
图2A至图2G是本发明一较佳实施例的直通式发光二极管的剖面示意图。
图3A至图3G是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。
附图中主要组件符号说明
11,21基板
12,23钻石层
13，25半导体磊晶层
131,251第一电性半导体层
132,252活性层
133,253第二电性半导体层
14，28第一电极
15，29第二电极
22 碳化硅膜层
231 第一表面
232 第二表面 24 金属层 26 奥姆电极
具体实施例方式
本发明主要是利用单晶硅材料为基板，以沉积一层薄膜式的碳化硅膜 层，可免去公知移除部份碳化硅制备流程的困难度，并减少制作成本。此 外，利用单晶硅材料作为基板，可于基板表面形成规则结构较佳的钻石层 与碳化硅层，以形成高质量的发光二极管。
本发明的制造方法，主要包括以下步骤
(A) 提供一基板；
(B) 形成一碳化硅膜层于该基板表面；
(C) 形成一钻石层于该碳化硅膜层表面，且移除该基板；其中，该钻 石层包括有一第一表面、及一第二表面，该第二表面紧邻该碳化硅膜层表 面；
(D) 利用磊晶成长方式形成一半导体磊晶层于该碳化硅膜层表面，其 中，该半导体磊晶层包括依序形成的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) 形成一第一电极于该半导体磊晶层表面，且形成一金属层于该钻 石层的该第一表面。
本发明的制造方法中，于步骤(D)后，也可还包括一步骤(D1)形成一奥 姆电极于半导体磊晶层表面，之后再执行步骤(E)，在此种情况下，第一电
极形成于奥姆电极表面。
另外，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(E)，然，该钻 石层可以为绝缘性或导电性钻石层。并于步骤(E)后，可还包括一步骤(F) 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，钻石层表面上的金属层仅作为反射 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(E)，于步骤(E)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。
再者，本发明的制造方法中，于步骤(B)中的碳化硅膜层及步骤(C)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(MWCVD)、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。
此外，本发明的制造方法中，于步骤(C)中的基板、及步骤(F)中的部 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、离子植布分离法、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。
于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(MOCVD)、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。
另外，本发明的制造方法，步骤(E)中的金属层、第一电极、及步骤(F) 中的第二电极的形成方法可为物理沉积方法。其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-beam sputtering)、或等离子体式溅镀方 法(Plasma sputtering)、或其它等效的方法，当然也可为化学沉积方法。
此外，上述本发明所使用的基板可为硅晶材料、或其它等效的材质。 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互为 相异电性的二元组成的掺杂半导体，例如氮化铝(A1N)、或氮化镓(GaN); 或三元组成的掺杂半导体，例如氮化镓铝(AlGaN)或氮化铟镓(InGaN);或 四元组成的掺杂半导体，例如氮化铝铟镓(AlInGaN)。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。
再者，本发明的钻石层可选自钻石、类钻碳、及纳米钻石群组。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系利用导电性的钻石层，而侧通式的发光二极 管系可利用导电性或绝缘性的钻石层。另，本发明的碳化硅膜层可为导电 或绝缘性单晶碳化硅膜。
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、及铬合金所组群组。又，本发明奥姆电极所使 用的材料可选自氧化铟锡、镍/金、氧化锡、氧化镍/金、氧化镁、及三氧 化二铟所组群组。
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的侧通式的发光二极管。此种侧通式的发光二 极管，钻石层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。
实施例一
请参阅图2A至图2G，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21为一单晶 硅材料，以作为沉积高质量膜层的承载板。接着，如图2B所示，利用化学 气相沉积法于基板21表面形成一碳化硅膜层22，以作为发光二极管的磊晶 缓冲层；其中，本实施例的碳化硅膜层22为导电性单晶碳化硅膜层。随之， 如图2C所示，利用化学气相沉积法于碳化硅膜层22表面形成一钻石层23， 并移除基板21。其中，钻石层包括有一第一表面231、及一第二表面232， 第二表面232紧邻碳化硅膜层22表面。在本实施例中，钻石层23为导电性 钻石层，而所采用的移除基板21的方式为蚀刻法。
接着，如图2D所示，利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)，以形 成一半导体磊晶层25于碳化硅膜层22表面。其中，该半导体磊晶层25包括 依序形成的一第一电性半导体层251、 一活性层252、以及一第二电性半导 体层253。
之后，如图2E所示，利用溅镀方式于钻石层23的第一表面231(请同时 参阅图2D)形成一金属层24。最后，如图2F所示，利用溅镀方式于半导体 磊晶层25的第二电性半导体层253表面形成一第一电极28，以形成一直通 式的发光二极管。
此外，本实施例亦可以如图2G所示，可于前述图2E的步骤后，先溅镀 一奥姆电极26于半导体磊晶层25的第二电性半导体层253表面，再利用溅 镀方式于奥姆电极26表面形成一第一电极28，以形成一直通式的发光二极 管。故本发明可直接于第二电性半导体层253表面形成第一电极28;亦可 以先形成一透明的奥姆电极26于第二电性半导体层253表面，再于奧姆电 极26表面形成第一电极28。
在本实施例中，金属层24材料可利用金作为另一电极的功能，且兼具 反射的功能，能增加光取量，使发光二极管产品的发光效率更佳。
由上说明，本实施例的制造方法是利用一硅晶材料基板21依序沉积一
层碳化硅膜层22及一钻石层23，随后再移除硅晶材料基板21，可大幅降低 在公知制备流程中移除部分碳化硅层的困难度。此外，本实施例是利用沉 积法在硅基板21上形成一高质量的碳化硅膜层22，可有效改善公知利用足 够磊晶成长厚度的单晶碳化硅作为基板所造成成本较高的缺点。
再者，利用本实施例的制作方法所制得的直通式的发光二极管，因具 有高热导性的钻石层23，故能有效增加散热效率，以提升产品效能及稳定 性。且本实施例是以碳化硅膜层22作为发光二极管的磊晶缓冲层，故也能 有效解决钻石层23不易磊晶的问题，以得到高质量的产品。另外，本实施 例的直通式的发光二极管是利用一金属层24作为电极的功能，且兼具有反 射功能，可增加光取量，使产品的发光效率更佳。
实施例二
请参阅图3A至图3G，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，本实施例所使用的碳化硅膜层22与钻石层23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 最后还包含一形成一第二电极29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253、及部分活性层252，以显露其下的第一电性 半导体层251。且溅镀形成一第一电极28于半导体磊晶层25的第二电性半 导体层253表面、及溅镀形成一第二电极29于第一电性半导体层251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。
此外，本实施例亦可以如图3G所示，可于前述图3E的步骤后，先溅镀 一奥姆电极26于半导体磊晶层25的第二电性半导体层253表面，再利用蚀 刻方式，移除部分奥姆电极26、部分第二电性半导体层253、及部分活性 层252，以显露其下的第一电性半导体层251。且溅镀形成一第一电极28于
奥姆电极26表面、及溅镀形成一第二电极29于第一电性半导体层251表面， 以形成一侧通式的发光二极管。故本发明可直接于第二电性半导体层253 表面形成第一电极28;亦可以先形成一奥姆电极26于第二电性半导体层 253表面，再于奥姆电极26表面形成第一电极28。
本实施例的侧通式发光二极管的制造方法，也具有如同上述第一实施 例的功效，即可大幅降低在公知制备流程中移除部分碳化硅层的困难度， 也可有效改善公知利用大块单晶碳化硅作为基板所造成成本较高的缺点。 另本实施例的制作方法所制得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，即能有效增加散热效率，增加光取量，使产品的发光效 率更佳，以提升产品效能及稳定性。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而己，本发明所主张的权利要求 范围自应以申请的权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1、一种发光二极管的制造方法，包括以下步骤(A)提供一基板；(B)形成一碳化硅膜层于该基板表面；(C)形成一钻石层于该碳化硅膜层表面，且移除该基板；其中，该钻石层包括有一第一表面、及一第二表面，该第二表面紧邻该碳化硅膜层表面；(D)利用磊晶成长方式形成一半导体磊晶层于该碳化硅膜层表面，其中，该半导体磊晶层包括依序形成的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)形成一第一电极于该半导体磊晶层表面，且形成一金属层于该钻石层的该第一表面。
2、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该钻石层为导电 性材质的钻石层。
3、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，于该步骤(E)中， 先形成一奥姆电极于该半导体磊晶层表面，再形成一第一电极于该奥姆电 极表面。'
4、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，于该步骤(E)后， 还包括一步骤(F)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l所述发光二极管的制造方法，其中，于该步骤(E)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所述发光二极管的制造方法，其中，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所述发光二极管的制造方法，其中，该第一电性半导 体层、及该第二电性半导体层互为相异电性。
8、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该基板为单晶硅 晶材料。
9、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该碳化硅膜层为 单晶碳化硅材质。
10、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该碳化硅膜层 为导电性碳化硅、或非导电性碳化硅。
11、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该钻石层选自 单晶钻石膜、多晶钻石膜、及非晶钻石膜群组。
12、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该步骤(B)中该 碳化硅膜层的形成方法为物理沉积、或化学气相沉积。
13、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该步骤(C)中该 钻石层的形成方法为物理沉积、或化学气相沉积。
14、 如权利要求l所述发光二极管的制造方法，其中，该步骤(C)中该 基板的移除方法为蚀刻、离子植布、或研磨。
15、 一种如权利要求1所述发光二极管的制造方法所形成的发光二极管。
全文摘要
本发明是有关于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)形成一碳化硅膜层于基板表面；(C)形成一钻石层于碳化硅膜层表面，且移除基板，其中，钻石层包括有一第一表面及一第二表面，第二表面紧邻碳化硅膜层表面；(D)形成一半导体磊晶层于碳化硅膜层表面；以及(E)形成一第一电极于半导体磊晶层表面，且形成一金属层于钻石层的第一表面。以此，本发明的制造方法可有效降低制作成本及简化制作流程，以制得散热效率且磊晶质量佳的发光二极管。
文档编号H01L33/00GK101378099SQ20071014794
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月27日 优先权日2007年8月27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