专利名称：半导体发光装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种可提高光萃取效率的半导体发光装置及其制造方法。
背景技术：
半导体发光装置,例如发光二极管(light-emitting diode, LED)芯片，是一种半导体光源。依其结构，可分为水平式、垂直式发光二极管芯片等等。图I显示一种水平式发光二极管芯片100，其包括基材102、磊晶结构104，以及电极单元106。磊晶结构104是利用磊晶工艺从基材102上形成，电极单元106则提供磊 晶结构104所需电能。基材102的材质可以是蓝宝石(sapphire)或碳化娃(SiC),以便在其表面成长III族-氮化物,例如氮化镓基(GaN-based)、氮化铟镓基(indium galliumnitride-based, InGaN-based)等化合物。此处“氮化镓基(based) ”是指主要成分为氮化镓,但可再包含其它成分；本文中的其它类似表示亦同。磊晶结构104是利用磊晶工艺，从基材102上成长氮化镓基或氮化铟镓基化合物，以形成N型层108、P型层110、发光层112。当电能提供给磊晶结构104，位于N型层108与P型层110接口的发光层112会产生电子电洞结合，造成能阶被降低，并以光子形式释放能量而发光。发光层112可以是用于限制电子电洞移动的多重量子井(multiple quantumwell, MQW)，藉由增加电子电洞碰撞机率，因而增加了电子电洞结合率与发光效率。电极单元106包括第一电极114与第二电极116，分别与N型层108与P型层110欧姆接触(ohmic contact)。当分别提供电压于第一电极114与第二电极116时，电流从第二电极116通过基材102流向第一电极114，并且横向分布于磊晶结构104中，使其发生光电效应而产生光子。水平式发光二极管的工艺简单,但具有电流拥挤(current crowding)、发光不均、热累积等问题。为了解决这些问题，垂直式发光二极管被开发出来。图2显示一种垂直式发光二极管芯片200，其包括磊晶结构204与电极单元206。与水平式发光二极管芯片100相似，磊晶结构204是利用磊晶工艺，从一基材(未图示)上成长氮化铟镓基或氮化镓基化合物，以形成N型层208、发光层212、P型层210。接着，脱去该基材，并在磊晶结构204上形成电极单元206。电极单元206包括第一电极214与第二单元216，分别与N型层208及P型层210欧姆接触。此外，散热基材202可附着于第二电极216下方，以增加散热效率。当分别提供电压予第一电极214与第二电极216时，电流是以垂直方向流动；因此，可有效改善电流拥挤、发光不佳、散热不佳等问题。然而，垂直式发光二极管芯片200仍有电极遮蔽效应，导致发光效率下降。此外，工艺繁复也是待改善的问题。由于天然基材缺乏，因此通常将氮化镓与类似化合物沉积于蓝宝石晶圆上。传统发光二极管，例如前述的水平式或垂直式发光二极管芯片，因为光子以全方向发射，导致发光效率不佳；大量的光被蓝宝石基材限制，无法输出利用。此外，蓝宝石基材的散热效率不佳。
为了更好的发光效率，或取代蓝宝石基材，P型朝上(P-Side up)与N型朝上(n-side up)发光二极管芯片被发展出来；然而，发光效率仍有需要改善的空间。因此，如何提升半导体发光装置的发光亮度与散热效率、简化工艺、降低成本，是本领域的重要课题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可提高光萃取效率的半导体发光装置与其制造方法。本发明一实施例提供一种半导体发光装置，包括一基材，位于该基材的一顶面的一嘉晶结构，以及一反射层。该嘉晶结构包括一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层，该反射层覆盖该基材的侧壁的至少一部分表面。本发明另一实施例提供一种半导体发光装置的制造方法，包括下列步骤提供一 具有一磊晶结构的基材，其中该磊晶结构位于该基材的顶面且包括一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层；藉由一遮蔽材料覆盖该磊晶结构；在该基材的侧壁的至少部分表面，镀上一反射层；以及移除该遮蔽材料。本发明实施例的半导体发光装置，藉由在基材的侧壁镀上反射层，如此可降低发光装置发出的光被其它组件反射回基材侧壁的光吸收率、提高光萃取效率。
图I显示一种现有的水平式发光二极管芯片。图2显示一种现有的垂直式发光二极管芯片。图3A与图3B显示根据本发明一实施例的P型朝上发光二极管芯片。图4A与图4B显示根据本发明一实施例的N型朝上发光二极管。图5A至显示根据本发明一实施例发光二极管芯片的制造方法。图6A至6E显示根据本发明另一实施例发光二极管芯片的制造方法。主要组件符号说明100 发光二极管芯片 402 N型层102 基材404 发光层104 磊晶结构406 P型层106 电极单元407 氮化镓层108 N型层408 结合层/黏着层110 P型层410 绝缘层112 发光层412 镜面层114 第一电极414 永久基材116 第二电极416 第一电极200 发光二极管芯片 418 第二电极202 散热基材420 反射层204 磊晶结构500 发光二极管芯片206 电极单元502 磊晶结构208 N 型层502a 正面
210P 型层502b侧面212发光层504非磊晶结构/永久基材214第一电极504a侧面216第二电极504b底面300发光二极管芯片506固态遮蔽材料302P型层508反射层304发光层600发光二极管芯片 306N型层602磊晶结构307氮化镓层602a正面308结合层/黏着层602b 侧面310镜面层604非磊晶结构312永久基材604a侧面314第一电极604b底面316第二电极606(a)液态遮蔽材料318透明导电层606(b)固化遮蔽材料320反射层608反射层400发光二极管芯片
具体实施例方式这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本案的范围内，并以权利要求为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部这些特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表组件实际的尺寸或数量，除非有特别说明。本文中所述的方向，是以图示为主。本申请的发明人发现，无论是哪种形式的发光二极管装置(例如发光二极管芯片)，由发光层发出的光都容易被其它组件反射回发光二极管的基材侧壁而被吸收(因为基材的厚度通常远大于磊晶结构的厚度)，从而导致光萃取(light extraction)效率下降。当发光二极管芯片排列成数组时，基材侧壁吸收反射光的情形会更加明显。为了克服此问题，本发明的一实施例提出一种低光吸收率的半导体发光装置，优选为一种发光二极管芯片，其至少包括一磊晶结构、一基材、一反射层，其中磊晶结构位于基材的一顶面，反射层覆盖基材的侧壁的至少部分表面，以防止侧壁吸光。磊晶结构至少包含一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层，如图I的嘉晶结构104或图2的嘉晶结构204。此外，当反射层是导电材质时，反射层与基材的侧壁之间可包括一介电层，作为绝缘层，以避免发光二极管芯片发生短路的情形。在一范例中，整个发光二极管芯片(包含磊晶结构以及基材)的侧壁先涂布一介电层，再将反射层涂布于介电层表面。在另一范例中，基材是用于成长该磊晶结构的一成长基材。成长基材的材质可包括蓝宝石、硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓等。另外，基材的厚度小于或等于200 ii m，优选地小于或等于150 u m。由于一般的成长基材为透明或半透明材质，在又一范例中，基材相对于顶面的一底面的至少一部分或全部，也可被反射层覆盖。藉此增加发光二极管的正面光反射量。在再一范例中，用于成长磊晶结构的成长基材被移除，藉由一结合层(bondinglayer)结合嘉晶结构与一永久基材。结合层可以是一共晶合金层(eutectic alloy layer)或一黏着层(adhesive layer),如果结合层是共晶合金层，则基材的材质包括娃、金属、合金，且基材的材质与所欲结合表面的材质，例如金属或半导体，在一共晶(eutectic)温度下形成共晶而结合；如果结合层是黏着层，则基材的材质包括硅、金属、合金(例如铜/钨)、碳/金属复合材料(例如钻/铜)、陶瓷、聚合物。此外，结合层与基材之间，可再包含一镜面层，或一绝缘层与一镜面层，镜面层的功能为增加发光二极管的正面光反射量。前述反射层的材质可选自下列群组的其中之一或其组合银、铝、钛/铝、钛/银、金、钛/金、铬/金。或者，前述反射层的材质包括分布型布拉格反射材料。本发明的概念，可应用于任何半导体发光装置，例如，任何形式的发光二极管芯片，包括水平式、垂直式、P型朝上，或N型朝上发光二极管芯片；较佳者可为P型朝上与N型朝上发光二极管芯片。图3A与图3B显不根据本发明一实施例的P型朝上(p_side up)发光二极管芯片300，其中图3A未具有反射层，图3B具有反射层。参见图3A，P型朝上发光二极管300包括P型(氮化镓)层302、发光层304、N型(氮化镓)层306。发光层304可以是多重量子井。在某些实施例，未掺杂的氮化镓层307耦接(coupled)于N型层306的下表面。于本文中，“耦接”指的是直接连接或间接连接。氮化镓层307可以作为一磊晶缓冲层(epitaxialbuffer layer)。在某些实施例，P型层302可具有表面粗化(roughened)的上表面,氮化镓层307可具有表面粗化的下表面。表面粗化可利用湿蚀刻完成；藉由表面粗化，可增加发 光效率。此外，氮化镓层307的下表面可利用结合层308，例如黏着层308，连接镜面层310，而镜面层310可连接永久基材312。黏着层308可以是具有低折射率(refractive index),例如折射率大约I. 4的黏胶。镜面层310可以是分布型布拉格镜面反射层(distributedBragg reflector, DBR)、全方位镜面反射层(Omidirectional Reflectors, 0DR)、银、招、钛，或其它反射层。此外，第一电极314与第二电极316可分别形成于P型层302与N型层306上。第一电极314作为P型层302的一触点(contact)，第二电极316作为N型层306的一触点。在某些实施例，第一电极314与P型层302之间可具有一透明导电层318,用于使电流分布平均，其上表面可被粗化、材质可以是氧化铟锡(ITO)，但不限于此。此外，参见图3B，为防止发光二极管芯片300的侧壁吸光，在永久基材312、反射层310、黏着层308的侧面，可镀有反射层320。除了侧面之外，永久基材312的底面，即，相对于永久基材312顶面的表面，其至少一部分或全部也可镀有反射层320。反射层320的材质选用可视发光二极管芯片所发射光的波长而定，例如，如果是发红光的发光二极管芯片，则可选用金作为反射层；如果是发蓝光的发光二极管芯片，则可选用钛/铝、钛/银作为反射层。
图4A与图4B显示根据本发明一实施例的N型朝上(n_side up)发光二极管400，其中图4A未具有反射层，图4B具有反射层。参见图4A，N型朝上发光二极管400包括N型(氮化镓)层402、发光层404、P型(氮化镓)层406。发光层404可以是多重量子井。在某些实施例，未掺杂的氮化镓层407耦接(coupled)于P型层406的下表面。氮化镓层407可以作为一嘉晶缓冲层(epitaxial buffer layer)。在某些实施例，N型层402可具有表面粗化(roughened)的上表面，氮化镓层407可具有表面粗化的下表面。表面粗化可利用湿蚀刻完成；藉由表面粗化，可增加发光效率。此外，氮化镓层407的下表面可利用结合层408，例如黏着层408，连接绝缘层410，绝缘层410连接镜面层412，而镜面层412连接永久基材414。黏着层408可以是具有低折射率(refractive index),例如折射率大约I. 4的黏胶。绝缘层412可以是氧化物、氮化物，或其它具高透明度的绝缘材料。镜面层412可以是分布型布拉格反射层(distributedBragg reflector, DBR)、全方位反射层(Omidirectional Reflectors, 0DR)、银、招、钦，或其它反射层。
此外，第一电极416与第二电极418可分别形成于P型层406与N型层402上。第一电极416作为P型层406的一触点(contact)，第二电极418作为N型层402的一触点。第一电极416与第二电极418可被嵌入于发光二极管400，如此可减少电极遮蔽效应、增加发光效率。此外，参见图4B，为防止发光二极管芯片400的侧壁吸光，在永久基材414、黏着层408、反射层412的侧面，镀有反射层420。除了侧面之外，永久基材312的底面，亦即相对于永久基材414顶面的表面，其至少一部分或全部也可镀有反射层420。本发明的一实施例揭露一种半导体发光装置的制造方法，首先提供一具有一磊晶结构的基材，其中磊晶结构位于基材的一顶面上并且包括一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层。其次，藉由一遮蔽材料覆盖磊晶结构。接着，在基材的侧壁的至少部分表面，镀上一反射层。最后，移除遮蔽材料，其中遮蔽材料的厚度等于或大于该磊晶结构的厚度。在一范例中，遮蔽材料为固态遮蔽材料。在另一范例中，遮蔽材料原本为液态遮蔽材料，在镀上反射层之前，经固化处理后形成固化遮蔽材料。图5A至显示根据本发明一实施例半导体发光装置的制造方法。参见图5A，首先，提供一半导体发光装置500，其包括磊晶结构502与非磊晶结构504。非磊晶结构504包括永久基材，选择性地包括结合层、绝缘层、镜面层等。磊晶结构502位于非磊晶结构504 (例如一永久基材)的一顶面上。磊晶结构502包括第一型掺杂层、发光层、第二型掺杂层，或可还包括前述的电极单元，以及磊晶缓冲层。参见图5B，接着，以一固态遮蔽材料506覆盖磊晶结构502所暴露出的表面，该表面包括正面502a与侧面502b。在本实施例中，固态遮蔽材料506可以是胶带，但不限于此。优选地，因为必须包覆磊晶结构502的正面502a与侧面502b，固态遮蔽材料506的厚度大于或等于磊晶结构502的厚度。在某些实施例，磊晶结构502的厚度大约是6 ym。参见图5C，接着，在非磊晶结构504露出的表面，包括侧面504a与底面504b上，以现有的方法，例如溅镀、热蒸镀、电镀或无电电镀，镀上一反射层508。反射层508的材质如前所述，不再赘述。此外，在某些实施例，能够在以适当方法，例如研磨或蚀刻，减少非磊晶结构504中的永久基材的厚度之后，例如，将厚度研磨至小于或等于200 iim，优选的是介于大约120iim至150 iim之后，再镀上反射层508。参见图K)，接着，移除固态遮蔽材料506。为避免在移除时损害磊晶结构502，固态遮蔽材料506应选用不损害磊晶结构的材料。图6A至6E显示根据本发明另一实施例发光二极管芯片的制造方法。参见图6A，首先，提供一发光二极管芯片600，该发光二极管芯片600包含前述的磊晶结构602与非磊晶结构604。参见图6B，接着，以一液态遮蔽材料606(a)覆盖磊晶结构602所暴露出的表面，该暴露出的表面包括正面602a与侧面602b。在本实施例，液态遮蔽材料606 (a)可以是光阻(photo resist)或黏胶(glue),但不限于此。优选地，因为必须包覆嘉晶结构602的正面602a与侧面602b，液态遮蔽材料606(a)的厚度大于或等于磊晶结构602的厚度。在某些实施例，磊晶结构602的厚度大约是6 ii m。参见图6C，接着，依据液态遮蔽材料606 (a)的特性，使其固化，成为固化遮蔽材料606 (b)。参见图6D，接着，在非磊晶结构504露出的表面，包括侧面604a与底面604b上，以现有的方法，例如溅镀、热蒸镀、电镀或无电电镀，镀上一反射层608。反射层608的材质如前所述，不再赘述。此外，在某些实施例中，在能够以 适当方法，例如研磨或蚀刻，减少例如永久基材的非磊晶结构604的厚度之后，例如，将厚度研磨至小于或等于200 ii m,优选介于大约120iim至150 y m之后,再镀上反射层。参见图6E，接着，移除固化遮蔽材料606 (b)。为避免在移除时损害磊晶结构602，用以移除固化遮蔽材料606 (b)的溶剂应选用不损害磊晶结构者。注意在图5A至图5D，以及图6A至图6E实施例中，非磊晶结构所露出的表面皆镀有反射层；在其它实施例，可在所露出表面的至少部分，镀上反射层。本发明实施例的半导体发光装置，藉由在基材等组件的侧壁镀上反射层，达到降低侧壁光吸收率、提高光萃取效率的目的。并且，相较于基材，反射层具有较高热传导系数，因此能一并提高发光装置的散热效率。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明；凡在其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种半导体发光装置，包括 一基材； 一磊晶结构，该磊晶结构位于所述基材的一顶面上，其中所述磊晶结构包括一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层；以及 一反射层，该反射层覆盖所述基材的侧壁的至少部分表面。
2.如权利要求I的半导体发光装置，还包括位于所述反射层与所述基材的侧壁之间的一介电层。
3.如权利要求I的半导体发光装置，其中所述基材是用于成长所述磊晶结构的一成长基材。
4.如权利要求3的半导体发光装置，其中所述基材的厚度小于或等于200ym。
5.如权利要求4的半导体发光装置，其中所述基材相对于所述顶面的一底面的至少一部分也被所述反射层覆盖。
6.如权利要求I的半导体发光装置，其中所述基材通过一结合层结合所述磊晶结构的至少一个表面。
7.如权利要求6的半导体发光装置，其中所述反射层也覆盖所述结合层的侧壁的至少一部分表面。
8.如权利要求6的半导体发光装置，其中所述结合层是共晶合金层。
9.如权利要求6的半导体发光装置，其中所述结合层是黏着层。
10.如权利要求I的半导体发光装置，其中所述反射层的材质选自下列群组的其中之一或其组合银、铝、钛/铝、钛/银、金、钛/金、铬/金、分布型布拉格反射材料。
11.如权利要求I的半导体发光装置，其中所述半导体发光装置包括水平式发光二极管芯片、垂直式发光二极管芯片、P型朝上发光二极管芯片，或N型朝上发光二极管芯片。
12.—种半导体发光装置的制造方法，包括下列步骤 提供一具有一磊晶结构的基材，其中该磊晶结构位于所述基材的一顶面上并且包括一第一型掺杂层、一发光层、一第二型掺杂层； 藉由一遮蔽材料覆盖所述磊晶结构； 在所述基材的侧壁的至少部分表面，镀上一反射层； 移除所述遮蔽材料。
13.如权利要求12的制造方法，其中所述遮蔽材料的厚度等于或大于所述磊晶结构的厚度。
14.如权利要求12的制造方法，其中所述遮蔽材料包括一胶带。
15.如权利要求12项的制造方法，在镀上所述反射层之前，还包含固化所述遮蔽材料的步骤。
16.如权利要求15的制造方法，其中所述遮蔽材料包括光阻或黏胶。
17.如权利要求12的制造方法，其中所述基材是用于成长所述磊晶结构的一成长基材。
18.如权利要求17的制造方法，在镀上所述反射层之前，还包含用于减少所述基材的厚度的步骤。
19.如权利要求17的制造方法，其中所述基材相对于所述顶面的一底面的至少一部分，也镀有所述反射层。
20.如权利要求12的制造方法，其中所述磊晶结构与所述基材之间还包括一结合层，该结合层是黏着层或共晶合金层，所述反射层也覆盖所述结合层的侧壁的至少一部分表面。
全文摘要
本发明实施例提供一种半导体发光装置，其制造方法可包括下列步骤提供一具有一磊晶结构的基材；藉由一遮蔽材料覆盖磊晶结构；在基材的侧壁的至少部分表面，镀上一反射层；移除遮蔽材料。
文档编号H01L33/46GK102969427SQ20111025890
公开日2013年3月13日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者洪志欣 申请人:华夏光股份有限公司