专利名称：一种发光二极管的结构及其制造方法
技术领域：
本发明是关于一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)晶片的结构及其制造方法。特别是一种有关p、n两电极同向的磷化铝镓铟(AlGaInP)及砷化铝镓发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术：
传统的磷化铝镓铟发光二极管具有一双异质结构(Double Heterostructure；DH)，其构造如图5所示，是在一n型砷化镓(GaAs)基板(Substrate)3上成长一铝含量在70％-100％的n型(AlxGa1-x)0.5In0.5P的下包覆层4、一(AlxGa1-x)0.5In0.5P的活性层5、一铝含量在70％-100％的p型(AlxGa1-x)0.5In0.5P的上包覆层6，以及一p型高能隙的电流分散层(Current Spreading Layer)7，这一层的材料可以是磷化镓、磷砷化镓、磷化铟镓或砷化铝镓等。
接着利用改变活性层5的组成，便可以改变发光二极管发光波长，使其产生从650nm红色至555nm纯绿色的波长。但这种传统的发光二极管有一个缺点，就是活性层产生的光，往下入射至砷化镓基板3时，由于砷化镓基板3的能隙较小，因此入射至砷化镓基板3的光将会被吸收掉，而无法生成高效率的发光二极管。
为了避免基板3的吸光，传统上有一些文献揭露出LED的技术，然而这些技术都有其缺点以及限制。例如Sugawara等人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.61，1775-1777(1992)]便揭示了一种利用加入一层分散布拉格反射层(Distributed Bragg Reflector；DBR)于砷化镓基板上，藉以反射入射向砷化镓基板的光，并减少砷化镓基板吸收。
Kish等人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.64，No.21，2839，(1994)]之文献，名称为「Very high-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP」，揭示一种粘接晶圆(Wafer bonding)的透明式基板(Transparent-Substrate；TS)(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP发光二极管。这种TS AlGaInP LED是利用气相磊晶法(VPE)而形成厚度相当厚(约50μm)的P型磷化镓(GaP)窗户(Window)层，然后再以已知的化学蚀刻法，选择性地移除N型砷化镓(GaAs)基板。接着将此曝露出的N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆层，粘接至厚度约为8-10mil的N型磷化镓基板上。
由于此晶圆粘接(Wafer Bonding)是将两种III-V族化合物半导体直接粘接在一起，因此要在较高温度下，加热加压一段时间才能完成。就发光亮度而言，以这种方式所制得的TS AlGaInP LED，比传统吸收式基板(Absorbing-Substrate；AS)AlGaInP LED的亮度大两倍以上。然而，这种TS AlGaInP LED的缺点就是制造过程太过繁杂，且通常会在接合接口具有一非欧姆接点的高电阻特性。
另一种传统技术，例如Horng等人发表于[Appl.Phys.Lett.Vol.75，No.20，3054(1999)文献，名称为「AlGaInP light-emitting diodes with mirror substratesfabricated by wafer bonding」]。Horng等人揭示了一种利用晶片融合技术以形成镜面基板(Mirror-Substrate；MS)磷化铝镓铟/金属/二氧化硅/硅LED。其使用AuBe/Au作为粘着材料藉以接合硅基板与LED磊晶层。
发明内容
本发明提供一种发光二极管结构，其结构包括具有一发光层的多层磊晶结构，通过金属粘接层与硅基板相结合。此二极管的发光层可为同质结构(Homostructure)、单异质结构(Single heterostructure，SH)、双异质结构(Double heterostructure，DH)或多重量子井结构(Multi quantum wells，MQWs)。
发光二极管结构亦包括第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)和第二欧姆接点金属电极层(也就是N型欧姆接点金属电极层)。第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)藉由通道与第一金属钉线电极层连接，第一金属钉线电极层在第一导电型磊晶层上，或第一金属钉线电极层在金属连接层上，第二金属钉线电极层在第二欧姆接点金属电极层(也就是N型欧姆接点金属电极层)上，使得第一金属钉线电极层与第二金属钉线电极层相对于基板是位于同一侧，经由切割，化学蚀刻或离子蚀刻及保护层以形成串并联晶粒。
此外，本发明更提供一种发光二极管的制造方法。首先，在发光二极管磊晶层上形成第一欧姆接点金属电极层，并在其上沉积镜面保护层，如导电型的氧化铟锡(Indium tinoxide)，或非导体型的镜面保护层。当然若采用非导体型的镜面保护层形时，欲利用金属粘接层或高导电导热基板做电极时，就得对非导体型的镜面保护层进行蚀刻，以形成与第一欧姆接点金属电极层连接的通道。接着，在高导热基板上形成非导体型的保护层，藉由一金属粘接层，如In，Au，Al，Ag等金属，将此发光二极管磊晶层与含非导体型保护层的高导热基板相结合，并把发光二极管基板移除至导电型蚀刻终止层。
其次，分两部分蚀刻，以便能与第一欧姆接点金属电极层相通。第一部份，蚀刻至第一导电型磊晶层。第二部分，由第一导电型磊晶层蚀刻一斜坡金属连接通道，并蚀刻至第一欧姆接点金属电极层。接下来，在第一导电型磊晶层形成第一金属钉线电极层，藉斜坡金属连接通道让第一金属钉线电极层和第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)相通。最后再形成第二欧姆接点金属电极层(也就是N型欧姆接点金属电极层)和第二金属钉线电极层。因此，第一金属钉线电极层与第二金属钉线电极层相对于高导热基板，是位于同一侧。接着，以切割、化学蚀刻或离子蚀刻把两晶粒分开，以介电层填充被蚀刻区及相邻晶粒的侧壁，接着，再形成金属连接层于介电层上以连接第一晶粒的第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)和第二晶粒的第二欧姆接点金属电极层(也就是N型欧姆接点金属电极层)，以完成晶粒串联。
本发明的优点为提供了一种简单的LED芯片粘结结构，可在较低的温度下进行芯片粘结，减少V族元素在粘结过程中挥发的问题；本发明通过通道连接可以得到较佳的光电特性，在相同定电流下，有较小而稳定的电压，以及较佳的电流分布，在相同电压下，可以得到较佳发光强度；本发明采用一个金属粘接层，来接合发光二极管与硅基板，因此，即便发光二极管磊芯片表面不平整，也可以利用粘接层将其紧密地接合在一起；本发明中两个钉线电极在同一侧，和III-V氮族(如GaN，InGaN)相同，易于RGB三个颜色同时封装，同时，可串并联使用；本发明经由切割、化学蚀刻或离子蚀刻把各晶粒间的金属分开，以保护层填充被蚀刻区，再以金属连接形成串联，并联或并串联晶粒。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1至图5是本发明一个较佳实施例的发光二极管的制造流程示意图；图6是传统发光二极管的结构示意图。
图号对照说明2基板欧姆接点电极层3基板4下包覆层5活性层6上包覆层7高能隙电流分散层8磊晶欧姆接点金属电极层9金属钉线电极层10高导热基板12非导体型保护层
14金属粘接层16P型欧姆接点磊晶层18P型磷化铝镓铟上包覆层20磷化铝镓铟活性层22N型磷化铝镓铟下包覆层24蚀刻终止层26N型砷化镓基板28P型欧姆接点金属电极层30镜面保护层30A绝缘型镜面保护层之电性连接通道31连接通道32N型欧姆接点金属电极层34金属钉线电极层36介电层38连接金属层
具体实施例方式本发明揭露了一种发光二极管结构及其制造方法。
如图1A所示，本发明发光二极管的磊晶结构包括依序堆迭的N型砷化镓(GaAs)基板26、蚀刻终止层(Etching Stop Layer)24、N型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P的下包覆(Cladding)层22与磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P的活性层(Active Layer)20，P型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5 In0.5P的上包覆层18以及P型欧姆接点磊晶层(Ohmic ContactEpitaxial Layer)(欧姆接点磊晶层)16。接着，以传统技术在P型欧姆接点磊晶层16上形成P型欧姆接点金属电极层(第一欧姆接点金属电极层)28。随后，在其上再沉积镜面保护层30，上述的镜面保护层30材料是选自氧化铟锡(Indium tin oxide)、氧化铟(Indiumoxide)、氧化锡(Tin oxide)、氧化锌(Zinc oxide)、氧化镁(Magnesium oxide)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)之中的一种。由于氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)为绝缘层。而本发明中除了可应用第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)28作为电极外，亦可以以后续的金属反射层作为电极，因此，在此情况下，就需要以微影及蚀刻技术对镜面保护层30形成连接通道30A，连接通道30A可提供金属粘接层14的注入而与第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)28形成电性连接，其结果参考图1B。P型欧姆接点磊晶层16的材料可以是砷化铝镓、磷化铝镓铟或磷砷化镓，只要其能隙大于活性层20，不会吸收活性层产生的光，且具有高的载流子浓度，以利于形成欧姆接点，便可以选择作为P型欧姆接点磊晶层16的候选者。上述的活性层20，其铝含量的范围是在x＝0~0.45，而上、下包覆层其铝含量约控制在x＝0.5~1.0，当活性层20的铝含量x＝0时，活性层的组成是Ga0.5In0.5P，而发光二极管的波长λd约是在635nm。
上述化合物的比例，例如活性层(AlxGa1-x)0.5In0.5P，仅是举出一个较佳例子，并非用以限制本发明，本发明同样适用于其它的比例。此外在本发明中，AlGaInP活性层20的结构可以是采用传统的同质结构(Homostructure)，单异质结构(SingleHeterostructure)，双异质结构(Double Heterostructure；DH)或是多重量子井(MultipleQuantum Well；MQW)。所谓的双异质结构(DH)即包括第1A图及第1B图所示的N型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆层22与磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P活性层20、P型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P上包覆层18，其中这三层之较佳厚度分别约为0.5~3.0、0.5~2.0、0.5~3.0μm。
在本发明中，蚀刻终止层24的材质可以是任何III-V族元素的化合物半导体，只要其晶格常数可以和砷化镓基板26相匹配以免产生差排，且蚀刻速率是远低于由砷化镓物质所组成的基板26，便可以当作蚀刻终止层24。
在本发明中蚀刻终止层24的较佳材质可为磷化铟镓(InGaP)或砷化铝镓(AlGaAs)。在本实施例中N型磷化铝镓铟下包覆层22的蚀刻速率也远低于砷化镓基板26。因此，只要其厚度较厚，也可以不需要另一层组成不同的磊晶层来当作蚀刻终止层。
如图2所示的结构，此结构包括金属粘接层14，所使用的材质可为In，Au，Al，Ag等金属。而基板10可以采用高热导基板如硅(Si)晶片，碳化硅(SiC)晶片、磷化镓(GaP)晶片或Au，Al，Cu金属等，非导体型保护层12可以为氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)等介电材料或旋涂式玻璃(SOG)、硅树脂(Silicone)、BCB(B-stagedbisbenzo cyclo-butene)、环氧树脂(Epoxy)，聚亚醯胺(Polyimide)等保护层。
接着，将图1A及图1B已形成P型欧姆接点金属电极层28及镜面保护层30的发光二极管晶片及图2的非导体型保护层12和高导热基板10通过金属粘接层14粘在一起，粘着的过程是在200℃~600℃左右的高温加压加热一段时间完成。让金属粘接层14将图1A所示的发光二极管磊晶片与高导热基板10紧密的粘结在一起。
粘着好的磊晶片，接着以腐蚀液(如5H3PO4:3H2O2:3H2O或是1NH4OH:35H2O2)腐蚀，将不透光的N型砷化镓基板26除去。蚀刻终止层24如果采用InGaP或AlGaAs仍然会吸收活性层20产生的光。因此，也必须以腐蚀液完全除去。接着，分两阶段微影技术及干式蚀刻法，例如RIE进行蚀刻。
如图3A及图3B所示，首先，利用将N型磷化铝镓铟下包覆层22、磷化铝镓铟活化层20、P型磷化铝镓铟上包覆层18、及部分P型欧姆接点磊晶层16依序由上而下蚀刻，以暴露出欧姆接点磊晶层16的蚀刻平台。接着，再以微影及蚀刻技术进行第二阶段蚀刻，蚀刻欧姆接点磊晶层16以暴露出P型欧姆接点金属电极层28的连接通道。
接着，形成光阻图案(未图示)于N型磷化铝镓铟下包覆层22上以定义N型欧姆接点金属电极层(第二欧姆接点金属电极层)32。请注意光阻图案仅于N型磷化铝镓铟下包覆层22上有开口以定义N型欧姆接点金属电极层32位置。其余部分都被光阻图案所覆盖。随后再形成N型欧姆接点金属电极层32。最后，再去除形成于光阻上的金属层及光阻以定义N型欧姆接触电极32。
随后，再如同形成N型欧姆接触电极32的方法，以光阻图案定义两个金属钉线电极层34的位置(包含裸露N型欧姆接触电极32的开口及裸露连接通道31之开口)。在P型欧姆接点磊晶层16的光阻图案开口可稍大于连接通道31。随后再以选自铝或金的钉线金属层形成于光阻上，并填满光阻图案的开口以连接P型欧姆接点金属电极层28及形成于N型欧姆接触电极32上，最后再去除光阻上的钉线金属层及光阻图案。因此如图3A及图3B所示，形成了两个金属钉线电极层34相对于高导热基板，都在同一侧的发光二极管结构。
接着，以切割，化学蚀刻或离子蚀刻把各晶粒间的金属分开，再以介电层36，例如氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)等介电材料或旋涂式玻璃(SOG)、硅树脂(Silicone)、BCB(B-staged bisbenzo cyclo-butene)、环氧树脂(Epoxy)，聚亚醯胺(Polyimide)等保护层，填充被蚀刻区，再以金属层38连接第一晶粒的第一欧姆接点金属电极层(也就是P型欧姆接点金属电极层)28和第二晶粒的第二欧姆接点金属电极层(也就是N型欧姆接点金属电极层)32，形成串联晶粒，如图5A所示。图5B所示为一串联晶粒电路示意图。除串联外，也可以并联，或串并联等多种组合。
由于上述发明的结构是通过金属粘接层14将非导体型保护层12和高导热基板10与包含镜面保护层30的发光二极管磊芯片粘在一起。因此，本发明也可以作如下变化，如图4A所示，如第一实施例所述第1阶段蚀刻方法，由下包覆层22依序蚀刻，停止于金属粘接层14。接着，再如同第一实施例所述方法形成钉线金属层34及介电层36，最后结果如图4A(镜面保护层30是导电型)或图4B(镜面保护层30是非导电型)所示，形成了两个金属钉线电极层34相对于高导热基板，都在同一侧的发光二极管结构。
接着，如前所述以切割，化学蚀刻或离子蚀刻把相邻各晶粒间的金属分开，再形成一个介电层36填充被蚀刻区并保护相邻晶粒的侧壁，最后再以lift off(剥离)技术，形成连接金属层38以连接第一晶粒的第一欧姆接点金属电极层和第二晶粒的第二欧姆接点金属电极层，以构成串联晶粒，如图5B所示的电路。
本发明并不限于只适用于高亮度磷化铝镓铟发光二极管，本发明也可以适用于其它发光二极管材料，如砷化铝镓红色及红外线发光二极管。
权利要求
1.一种发光二极管，其特征在于包含两个多层磷化铝镓铟磊晶层结构被以一介电层隔离，而构成第一晶粒及第二晶粒；一金属层形成于介电层上并与所述两个多层磷化铝镓铟磊晶层结构的各一相反电性的电极连接，以构成串联结构；所述每一个磊晶层结构包含一上包覆层、一活性层、以及一下包覆层；一欧姆接点磊晶层形成于所述上包覆层上；一第一欧姆接点金属电极层形成于欧姆接点磊晶层上；一镜面保护层形成于该欧姆接点磊晶层上，并包覆该第一欧姆接点金属电极层；一金属粘接层；一高导热基板；一非导体型保护层形成于高导热基板上，并以金属粘接层粘合于镜面保护层上；一第二欧姆接点金属电极层形成于该下包覆层上；每一多层磷化铝镓铟包含一连接通道于其中，用以电性连接该第一欧姆接点金属电极层；一金属钉线电极层形成于裸露的第一欧姆接点金属电极层上及该第二欧姆接点金属电极层上。
2.如权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于所述镜面保护层是选自导体型的氧化铟锡、氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化镁或非导体型的氧化铝、二氧化硅或氮化硅之中的一种。
3.如权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于所述镜面保护层是选自非导体型的镜面保护层时，更包含至少一个连接通道，用以提供金属粘接层经由该连接通道连接第一欧姆接点金属电极层。
4.如权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于所述高导热基板是选自Au、Al、Cu等金属、硅、磷化镓、或碳化硅等其中一种及其组合。
5.如权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于所述非导体型保护层是选自氧化铝、二氧化硅、氮化硅、旋涂式玻璃、硅树脂、BCB(B-staged bisbenzo cyclo-butene)、环氧树脂，及聚亚醯胺及其混合所组成的族群的其中之一。
6.一种发光二极管的制造方法，其特征在于包含提供一暂时基板；依序形成一蚀刻终止层、一多层磷化铝镓铟磊晶层结构在所述暂时基板上，所述磊晶层结构包含一下包覆层，一活性层，一上包覆层；形成一欧姆接点磊晶层于所述上包覆层上；形成一第一欧姆接点金属电极层于该欧姆接点磊晶层上；形成一个镜面保护层于所述欧姆接点磊晶层并包覆所述第一欧姆接点金属电极层；提供一个高导热基板；形成一个非导体型保护层于高导热基板上；提供一个金属粘接层，用以粘合该非导体型保护层与镜面保护层；去除所述暂时基板与所述蚀刻终止层；以微影及蚀刻技术蚀刻该粘合后的结构体，起始于该下包覆层终止于所述金属粘接层以形成两个第一通道，该两个第一通道相距以一个发光二极管晶粒距离；形成一第二欧姆接点金属电极层于该下包覆层上；形成一个金属钉线电极层于所述欧姆接点金属电极层及所述金属粘接层，以形成四个金属钉线电极层分别连接该发光二极管的四个电极；形成一条隔离沟渠，该隔离沟渠位于所述每一个第一通道的边缘，用以将该发光二极管一分为二；形成介电层以填补该隔离沟渠及形成于隔离沟渠旁的第一通道的侧壁上；及形成一个金属层于介电层上，用以分别连接所述隔离沟渠两旁的第一电极至第二电极上的金属钉线电极层。
7.如权利要求6所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于所述镜面保护层是选自导体型的氧化铟锡、氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化镁。
8.如权利要求6所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于所述镜面保护层是选自非导体型的氧化铝、二氧化硅或氮化硅之中的一种，此时，更包含至少形成一个连接通道于所述镜面保护层之中，用以提供所述金属粘接层经由该连接通道连接所述第一欧姆接点金属电极层。
9.如权利要求6所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于所述高导热基板是选自Au、Al、Cu等金属、硅、磷化镓、或碳化硅之中一种，金属粘接层的材质则选自包括In，Au，Ag，Al等其中的一种金属。
10.如权利要求6所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于所述透明粘接层接合所述高导热基板与所述发光二极管磊晶层表面的步骤，是在200℃~600℃范围内加压及加热而成。
全文摘要
本发明是采用高导电性与高反射率的金属基板，取代传统吸光的砷化镓基板，并在二极管制造完成后再采用半导体制程形成串接导线，以使两相邻的发光二极管形成串联。其技术特征包含以粘以镜面保护层保护发光二极管磊晶片的金属反射层p及n个电极，一高一低，因此而形成具有高导热与高反射率基板的p、n电极同侧的发光二极管。再利用蚀刻技术对两个相邻发光二极管磊晶片连接处施以蚀刻以形成沟渠，再形成一介电层填入沟渠，并保护相邻发光二极管之侧壁。最后再形成连线金属层，用以将一发光二极管的p电极连接至n电极，完成二个发光二极管的串接。本发明的发光二极管大幅度提高了发光二极管的发光效率，增加了发光强度。
文档编号H01L33/00GK1601774SQ20041008582
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月20日 优先权日2004年10月20日
发明者林锦源, 杜全成 申请人:国联光电科技股份有限公司