一种结合led外延结构与led封装基板为一体的垂直式led阵列元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明关于一种垂直式LED阵列元件，特别是关于一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件。
【背景技术】
[0002]LED光源元件价格(lm/$)是导致LED照明市场是否能够全面启动的最重要因素，因此不管是LED裸片制造商或LED封装元件制造商无不戮力在各自的领域上设法降低产品的制造成本。多数的LED裸片制造商亦跨足了 LED封装元件制造领域，期望能以缩短LED光源供应链的方式来达到降低成本及售价的目的。
[0003]现有制作垂直式LED阵列元件的方式是将垂直式LED裸片以固晶(Die Bonding)的方式接合在具有电路的LED封装基板上，垂直式LED裸片下方的正极接合到LED封装基板上的正极。垂直式LED裸片上方的负极再以打线(WireBonding)的方式连接到LED封装基板上的负极，以串联、并联或串、并联方式封装成垂直式LED阵列元件。
[0004]此外，现有制作垂直式LED阵列元件的方式，对于LED裸片及LED封装而言，总共要使用到三个不同的基板，即用于生长外延层的外延基板(Ep1-Substrate)、用于晶片键合(Wafer Bonding)移转后承载外延层的导电承载基板(Chip Carrier),以及最后承载垂直式LED裸片的封装电路基板(Package Substrate)。其中，现有LED外延承载基板为了导电需在半导体基板晶片上做离子布值，还需在LED外延承载基板底部制作正电极，此制程上的需求造成现有垂直式LED阵列元件的制程复杂度与成本无法进一步的降低。
[0005]请参阅图1，图1绘示现有垂直式LED阵列元件的示意图。再者，现有垂直式LED阵列元件10在大功率及高光通量的应用时，由于多晶模组封装及功率密度较高，又由于LED裸片12与LED封装基板14之间又有一额外导电接合材料层16，导致整个高功率密度垂直式LED封装元件10的热阻值不易降低，当该垂直式LED封装元件元件10在高功率操作下，将导致LED的结点温度居高不下，进而造成光衰及光源有效寿命减短。
[0006]因此，针对现有垂直式LED阵列元件所面临的问题，市场上迫切需要一种新颖的LED元件，其能同时解决制程复杂度、因光衰而导致光源有效寿命短及生产成本的问题。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提出一种可直接在半导体晶片上制造的结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件，其包含有一基板以及多个垂直式LED外延结构。基板具有一上表面。多个垂直式LED外延结构形成于基板的上表面,每一 LED外延结构包含一 LED外延层、一第一电极结构以及一第二电极结构。LED外延层包含有一 N型半导体层、一多重量子阱结构层以及一 P型半导体层。第一电极结构形成于LED外延层的下方并与基板的上表面相接合。第二电极结构形成于该LED外延层的上方。其中，多个垂直式LED外延结构周围形成一介电层结构，介电层结构于选择性的区域内向基板方向延伸并穿越第一电极结构而伸入基板之中，并在基板的上表面以下形成一介电层沟槽，本发明通过介电沟槽以防止该多个LED外延结构间可能发生的漏电现象。
[0008]此外，本发明垂直式LED阵列元件的第一电极结构为承载该多个LED外延结构的一外延基板晶片与一封装基板晶片经过晶片键合(Wafer Bonding)后所形成的一接合金属层，为了进一步降低封装基板成本，该封装基板晶片可为经过IC制程后的再生晶片(Reclaimed Wafer)或已废弃无法再回收使用于IC制程的再生晶片。相较于现有垂直式LED元件的制作程序，本发明具有制程简单及节省成本的优点。
[0009]再者，本发明垂直式LED阵列元件另包含有一导体材料层、一第三电极结构以及一第四电极结构。导体材料层形成于每一 LED外延结构周围的该介电层结构上，用以电连接该相邻LED外延结构间的第一电极结构及第二电极结构。第三电极结构形成于该基板的该上表面并位于该多个LED外延结构之外；而第四电极结构形成于基板的上表面并位于该多个LED外延结构之外，第三电极结构及第四电极结构与该多个LED外延结构间的第一电极结构及第二电极结构之间以相互电连接而形成一电路，其中该第三电极结构及该第四电极结构的极性相异，并分别用以连接一外部电源。而于实际应用上，该多个LED外延结构之间还可以以串联、并联以及串并联的形式进行电性连结。相较于现有技术，由于本发明垂直式LED阵列元件可利用半导体IC制程制作导电连接，可提供一种LED外延结构间的电信连结稳定。
[0010]最后，本发明垂直式LED阵列元件的基板另具有一下表面，该下表面可作为封装元件的导热基板底部以用来直接接触或间接接触一导热元件或一散热元件，以排除本发明垂直式LED阵列元件因高功率密度通电发光所产生的热能。再者，于本发明垂直式LED阵列元件的LED外延结构的上，另形成有一高透光率且具低导热率的透明物质层结构，用以隔绝本发明垂直式LED阵列元件因高光通量密度在元件上表面所产生的热能，可能回传至该多个LED外延结构本身进而导致发光效率递减的现象。相较于现有技术，本发明垂直式LED阵列元件具有绝对的散热优势。
[0011]承上所述，本发明提出一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体垂直式LED阵列元件，相较于现有技术，本发明垂直式LED阵列元件具有散热佳、制程简单及节省成本的特点。
【附图说明】
[0012]图1绘示现有垂直式LED阵列元件的示意图。
[0013]图2绘示根据本发明的一具体实施例在一晶片基板上的垂直式LED阵列元件的示意图
[0014]图3绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的平面示意图。
[0015]图4绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的剖面示意图。
[0016]图5绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的晶片键合前的示意图。
[0017]图6绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的电路示意图。
[0018]【符号说明】
[0019]10:垂直式LED阵列元件12 =LED裸片
[0020]14:LED封装基板16:导电接合材料层
[0021]100:垂直式LED阵列元件102:基板、封装基板
[0022]104:LED外延结构106:上表面
[0023]108:LED外延层110:第一电极结构、接合金属层
[0024]111:外延基板上的接合金属层
[0025]113:封装基板上的接合金属层
[0026]112:第二电极结构114:N型半导体层
[0027]116:多重量子阱结构层118:P型半导体层
[0028]120:光反射层122:介电层结构
[0029]124:介电沟槽126:导体材料层
[0030]128:第三电极结构130:第四电极结构
[0031]132:焊料层134:下表面
[0032]136:突光层138:透明物质层结构
[0033]140:外延基板101:垂直式LED阵列元件的晶片
【具体实施方式】
[0034]请参阅图2至图4，图2绘示根据本发明的一具体实施例在一晶片基板上的垂直式LED阵列元件的示意图，图3绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的平面示意图，图4绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的剖面示意图。本发明提出一种结合LED外延结构与LED封装基板为一体的垂直式LED阵列元件100，其包含有一基板102以及多个垂直式LED外延结构104。于实际应用上，在一形成多个垂直式LED外延结构的垂直式LED阵列元件的晶片101可依应用需要而将其设计、制作成不同尺寸的垂直式LED阵列元件100。于本实施例中，本发明垂直式LED阵列元件100包含9个垂直式LED外延结构104(如图2所示)，但于实际应用上并不以此设计为限。基板102具有一上表面106，基板102可为一娃(Silicon)基板或任何半导体基板其中的一者,于本具体实施例中，基板102为一娃基板。此外，该多个垂直式LED外延结构104形成于基板102的上表面106的上。每一 LED外延结构104包含一 LED外延层108、一第一电极结构110以及一第二电极结构112。LED外延层108包含有一 N型半导体层114、一多重量子阱结构层116以及一 P型半导体层118，另有一光反射层120形成于该第一电极结构110与LED外延层108之间。于实际应用上,LED外延层108是在另一外延基板140上生长形成并经晶片键合(Wafer Bonding)技术而移转至该基板102的上表面106，而每一 LED垂直式外延结构104也可以是由多个具有正、负电极的微小外延结构所构成。再者，第一电极结构110形成于LED外延层108的下方并与基板102的上表面106相接合。第二电极结构112形成于LED外延层108的上方。其中，该多个垂直式LED外延结构104周围形成一介电层结构122，介电层结构122于选择性的区域内向基板102的方向延伸，同时并穿越第一电极结构110而伸入基板102之中，并在基板102的上表面106以下形成一介电层沟槽124，而本发明垂直式LED阵列元件100通过介电沟槽124以防止该多个LED外延结构104的第一电极结构110间，因封装基板102为半导体材料而可能发生的漏电现象。
[0035]请参阅图5，图5绘示本发明的一具体实施例的垂直式LED阵列元件的晶片键合前的示意图。本发明垂直式LED阵列元件100的第一电极结构110为生长该多个LED外延层108的一外延基板140上的接合金属层111，与一封装基板102上的接合金属层113经过晶片键合(Wafer Bonding)后所形成的一接合金属层110,其中接合金属层110由该外延基板晶片的接合金属层113与封装基板晶片的接合金属层111经过晶片键合(Wafer Bonding)制程所形成的单一金属键合层(如图5所示)，而该金属键合层亦同时做为本发明垂直式LED阵列元件100中每一 LED外延结构104的第一电极结构110以及本发明垂直式LED阵列元件100中连接外部电源的第三电极结构128及第四电极结构130。再者，本发明所采用的基板102材质为娃(Silicon),厚度为300?600微米(μ m)之间，而该封装基板晶片可以是晶格为(100)的6吋或8吋或12吋的娃晶片并在表面形成一金属键合层113。该封装基板晶片并可以采用经过IC制程后的再生晶片(Reclaimed Wafer)加工而成或经过多次回收再生后而无法再使用于IC制程的厚度小于600微米(μπι)的报废晶片加工而成。相较于现有垂直式LED元件的制作程序，本发明垂直式LED阵列元件100仅需要使用到两个基板，即用于生长LED外延层108的外延基板140以及将用于晶片键合(Wafer Bond