发光元件及其制造方法与流程

本发明涉及一种发光元件及其制造方法，更详言之，是涉及一种具有高亮度的发光元件。

背景技术：

发光二极管(light-emittingdiode,led)为p型半导体与n型半导体所组成的光电元件，通过p-n接面上载流子的结合放出光线，可广泛地使用于光学显示装置、交通号志、数据储存装置、通讯装置、照明装置与医疗器材等。传统的发光二极管制作工艺，是在一基板上以外延技术成长半导体叠层，形成晶片，外延完成后需进行切割制作工艺，将晶片分割成多个发光二极管管芯。

现有的晶片切割技术包含先自晶片的表面上形成两组彼此互相垂直的切割线，接着以劈刀对准两方向垂直线进行劈裂，使得晶片沿着切割线裂开而分离成多个发光二极管管芯。另一种晶片切割技术包含由基板表面照射激光光束，通过激光光束在基板内形成变质区，再利用外力使晶片沿变质区分裂形成多个发光二极管管芯。然而受限于上述切割技术，当晶片的切割走道缩减时，或晶片分裂时常造成切割良率不佳的问题。此外，切割所用的激光能量若非控制在最佳条件下操作，除了产生切割良率不佳的问题外，也可能损伤晶片的半导体层。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种发光元件制造方法，包含：提供一半导体晶片，包含：一具有一第一表面以及相对于第一表面的一第二表面的基板；以及一半导体叠层位于基板的第一表面；移除部分半导体叠层以形成一暴露区；形成一第一反射结构于暴露区上；以及由基板的第二表面对应第一反射结构的位置照射一激光光束。

本发明还提供一种发光元件，包含：一基板；一半导体叠层，位于基板 上，包含：一第一半导体层；一第二半导体层；以及一活性层位于第一半导体层及第二半导体层之间；一周围区，围绕活性层及第二半导体层；以及一第一反射结构，位于周围区上。

附图说明

图1a～图1i为本发明一实施例的发光元件制造方法的示意图；

图2为本发明一实施例的波长与反射率关系图；

图3a～图3b分别为本发明一实施例的发光元件上视图及截面结构图；

图4a～图4b分别为本发明另一实施例的发光元件上视图及截面结构图；

图5a～图5b分别为本发明另一实施例的发光元件上视图及截面结构图；

图6a～图6b分别为本发明另一实施例的发光元件上视图及截面结构图；

图7a～图7f为本发明另一实施例的发光元件制造方法的示意图；

图8a～图8b分别为本发明另一实施例的发光元件上视图及截面结构图；

图9a～图9b分别为本发明另一实施例的发光元件上视图及截面结构图。

符号说明

1、11：晶片

2、3、4、5、7、8：发光元件

10：基板

101：第一表面

102：第二表面

103：侧表面

12a、42a：第一反射结构

12b、42b：第二反射结构

14：绝缘层

16：透明导电层

18：沟槽

18’：绝缘区

121、122：介电层

20：半导体叠层

22：第一半导体层

24：活性层

26：第二半导体层

28：开口

201、201a、201b、18”：暴露区

203：平台

220：导光结构

220’：柱状体

30a：第一电极

30b、301：第二电极

301a：打线部

301b：延伸部

32、32a、32b：图案化第二反射结构

34、42a’：图案化第一反射结构

36：电性连结

50：激光光束

60：变质区

70、70a、70b、70c：发光单元

具体实施方式

本发明的实施例会被详细地描述，并且绘制于附图中，相同或类似的部分会以相同的号码在各附图以及说明出现。

图1a至图1i为依据本发明的一实施例的发光元件制造方法。如图1a所示，首先，提供一基板10，包含一第一表面101及一第二表面102，以外延制作工艺在第一表面101上成长半导体叠层20，成为晶片1。基板10可为蓝宝石(sapphire)基板、硅(silicon)基板、碳化硅(sic)基板、氮化镓(gan)基板、或砷化镓(gaas)基板。半导体叠层20由第一表面101往上依序包含了第一半导体层22、第二半导体层26、以及一活性层24位于第一半导体层 22及第二半导体层26之间。其中基板10可为图案化基板(patternedsubstrate)，意即，基板10的第一表面101具有图案化结构(图未示)，由活性层24发出的光线经过基板10上的图案化结构，可以产生光线折射效果，进而提升发光元件的亮度，以及由此图案化结构减缓或局限因基板10与半导体叠层20间的晶格不匹配形成的差排，提升半导体叠层20外延品质。此外，在形成半导体叠层20之前，也可在基板10的第一表面101先形成一缓冲层(图未示)，缓冲层也可以减缓上述晶格不匹配，减少差排的产生，以提升外延品质。第一半导体层22与第二半导体层26通过掺杂n型或p型杂质而具有不同电性，例如第一半导体层可为n型半导体层，第二半导体层可为p型半导体层。半导体叠层20的材料包含iii-v族半导体材料，包含至少一种元素选自于由铝(al)、镓(ga)、铟(in)、氮(n)、磷(p)及砷(as)所构成的群组，例如为algainp、aln、gan、algan、ingan或alingan等的半导体化合物。活性层24的结构可为单异质结构(singleheterostructure；sh)、双异质结构(doubleheterostructure；dh)、双面双异质结构(double-sidedoubleheterostructure；ddh)或多重量子阱结构(multi-quantumwellstructure；mqw)。

接着，如图1b及图1c所示，以蚀刻制作工艺移除部分区域的第二半导体层26及活性层24，并暴露出第一半导体层22，以形成暴露区201。图1c为晶片1经蚀刻制作工艺后的上视及局部放大图，图1b为图1c局部放大区域w中沿aa’线的剖视图。暴露区201可包含多个相互垂直的第一暴露区201a，以及多个第二暴露区201b，在后续制作工艺中，第二暴露区201b可用以在其上方形成电极，第一暴露区201a形成晶片切割制作工艺中的切割走道，晶片1将依第一暴露区201a所形成的切割走道进行管芯分割。接着，如图1d所示，在第一暴露区201a表面形成一第一反射结构12a，以及在第二半导体层26上表面形成一第二反射结构12b，第一反射结构12a与第二反射结构12b在同一道制作工艺形成且具有相同材料。区域r为图1a中第一反射结构12a及第二反射结构12b的局部放大图。如区域r所示，第一反射结构12a与第二反射结构12b为一介电材料叠层，介电材料叠层由多组折射率不同的介电层121及122交互重复堆叠所组成，其材料可包含但不限于氧化硅(siox)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)、氧化钛(tixoy)、五氧化二钽(ta2o5)、氧化铌(nb2o5)、氧化锆(zro2)或前述材料的组合。

接着，如图1e所示，在第二半导体层26以及第二反射结构12b表面形成一透明导电层16，透明导电层16可完全覆盖第二反射结构12b。接着，分别在第二暴露区201b的第一半导体层22表面形成第一电极30a以及在透明导电层16表面形成第二电极30b。其中，第二电极30b形成于第二反射结构12b的对应位置上，第二电极30b的面积可等于或略小于第二反射结构12b的面积，第一电极30a与第二电极30b相对设置于半导体叠层20上且分别邻近半导体叠层20的短边。图1f为本步骤中于图1c沿垂直aa’线方向的另一通过第二电极30b的剖视图。在本发明另一实施例中，如图1g所示，其结构与图1e的剖面结构类似，差异处在透明导电层16也可在第二反射结构12b的对应位置上具有开口28，使第二反射结构12b的部分上表面暴露出来，由剖面观之，此开口28宽度可略小于第二反射结构12b的宽度及/或第二电极30b的最大宽度。第二电极30b形成于透明导电层16与第二反射结构12b上，且填入开口28与第二反射结构12b接触。在本发明又一实施例中，第二反射结构12b与透明导电层16在第二电极30b的下方皆具有开口。由剖面观之，此开口宽度可略小于第二电极30b的最大宽度，使第二电极30b经由开口穿过第二反射结构12b及透明导电层16，并与第二半导体层26接触。

接着，如图1h所示，在基板10的第二表面102对应第一暴露区201a所形成的切割走道的位置，沿各切割走道照射激光光束50。激光光束50可为隐形切割(stealthdicing)激光，沿着切割走道聚焦于基板10内部并在基板10内部形成变质区60，即形成隐形切割线。在一实施例中，隐形切割(stealthdicing)激光可实施多次，聚焦于基板10内的不同深度，以在基板10内同一截面上形成多条基板内部切割线。在另一实施例中，可在实施隐形切割激光之前，在基板10的第二表面102形成一反射层，例如为布拉格反射镜(distributedbraggreflector,dbr)(图未示)，以增进发光元件的出光效率。当隐形切割(stealthdicing)激光聚焦于基板10内部时，部分激光光束50可能穿过基板10的第一表面101散射至半导体叠层20，而损伤半导体叠层20。通过选择第一反射结构12a的介电层材料、其叠层厚度及层数，利用第一反射结构12a将穿过基板10的激光光束50反射远离半导体叠层20，如此一来，散射至半导体层20的激光光束50可被第一反射结构12a所反射，进而抑制并降低激光光束50的能量对半导体层20的损伤。例如，当采用的隐形切割 激光光束50的波长为1064nm时，第一反射结构12a可选用包含厚度为183nm的二氧化硅及厚度为112nm的二氧化钛叠层，依序交叠12次，并由图2的实验模拟结果可知，当所采用的隐形切割激光波长为1064nm时，此第一反射结构12a几乎可完全反射此波段的激光光束。最后，如图1i所示，对晶片1正面或背面施以外力，使晶片1沿基板内的隐形切割线劈裂开，且第一反射结构12a同时也因此被分裂，晶片1被分离成多个发光元件2。

图3a为依据本发明前述制造方法所形成的发光元件2上视图，图3b为图3a沿a-a’线的剖面结构示意图。发光元件2包含基板10，基板具有一第一表面101、一第二表面102以及多个侧表面103，以及设置于基板10第一表面101的半导体叠层20。基板10的第一表面101可具有图案化结构(图未示)，通过基板10上的图案化结构可提升发光元件2的亮度及外延品质。半导体叠层20包含第一半导体层22、第二半导体层26及活性层24位于第一半导体层22与第二半导体层26之间。半导体叠层上20具有一第一暴露区201a及一第二暴露区201b，由移除部分第二半导体层26及活性层24而暴露出第一半导体层22所形成。第一暴露区上201a设置有第一反射结构12a，第二暴露区201b上设置有第一电极30a。如前述的发光元件制造方法中，由于在切割晶片之前，第一反射结构12a设置于由第一暴露区201a所形成的切割走道上，因此第一反射结构12a由上视看来会围绕活性层24及第二半导体层26，且第一电极30a与相邻的活性层24及第二半导体层26的侧壁之间不具有第一反射结构12a。第二半导体层26表面具有第二反射结构12b以及一覆盖第二反射结构12b及第二半导体层的透明导电层16，透明导电层16上方对应第二反射结构12b的位置处具有一第二电极30b，其中第二反射结构12b的面积可等于或略大于第二电极30b的面积，此外，第二反射结构12b与第二电极30b可具有相同或相似的形状。由于在本发明的一制造方法中，晶片1是通过隐形切割(stealthdicing)激光光束在基板10内形成变质区，并以外力沿变质区使晶片1劈裂成多发光元件2，因此在劈裂后的基板10的侧表面103可具有实质上平行于基板10第一表面101及/或第二表面102的条状粗化区(图未示)，条状粗化区即激光光束聚焦在基板10内部时形成的变质区，当实施多次隐形激光切割，则会形成多道条状粗化区。此外，发光元件2在基板10的第二表面102可具有反射层(图未示)，以增进整体出光效率。

由于第一反射结构12a与第二反射结构12b为同一道制作工艺中同时形成，第一反射结构12a与第二反射结构12b具有相同材料。第一反射结构12a与第二反射结构12b的材料包含介电材料叠层，介电材料叠层由多组折射率不同的介电材料交互重复堆叠所组成，其材料可包含但不限于氧化硅(siox)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)、氧化钛(tixoy)、五氧化二钽(ta2o5)、氧化铌(nb2o5)、氧化锆(zro2)或前述材料的组合。在一实施例中，第一反射结构12a与第二反射结构12b为氧化硅与二氧化钛交互堆叠所组成的叠层，氧化硅与二氧化钛叠层可重复堆叠2～12次。由于第二反射结构12b形成在第二半导体层26与透明导电层16之间，其位置与形状与第二电极30b相对应，由介电材料所构成的第二反射结构12b可以防止电流直接经由第二电极30b下方注入第二半导体层26中，以降低在第二电极30b下方产生电子空穴复合的机率。因此，可以提高第二电极30b以外区域的发光效率。

在本发明的另一实施例的发光元件3中，也可在发光元件3周围的第一暴露区201a的第一半导体层22上形成图案化第一反射结构及/或在第二半导体层26上形成图案化第二反射结构。例如，如图4a及图4b所示，图4b为图4a沿a-a’的剖视图，第二电极301包含打线部301a及由打线部301a延伸出的延伸部301b，可在第二半导体层26上方及第二电极301下方设置一图案化的多个第二反射结构32，其中第二反射结构32a位于打线部301a下方，图案化多个第二反射结构32b位于延伸部301b下方。多个第二反射结构32b的图案可由多个不连续的点状、块状或线状结构构成，多个第二反射结构32b的间距可随距打线部301a的距离而递增，亦即，距离打线部301a较远处，多个第二反射结构32b的排列间距较疏。在本发明的另一实施例的发光元件4中，如图5a所示，第一暴露区201a的上方具有图案化的第一反射结构34。图5b为图5a沿b-b’的剖面结构图。这些由介电材料所形成的图案化第一反射结构34可使发光元件4所发出的光，在发光元件4周围形成光散射，因此增进发光元件4出光效益。但本发明发光元件的第一/第二反射结构的设置并不限于此，也可依电流局限或出光效果不同目的而有不同配置方式。

图6a～图6b分别为依据本发明另一实施例的发光元件5的上视图及其沿b-b’的剖视图。与前述实施例不同的是，发光元件5周围的第一暴露区201a的第一半导体层22表面具有导光结构220，且导光结构220的上表面 具有第一反射结构34。导光结构220由多个柱状体220’所形成，柱状体220’的高度可介于1μm～10μm。导光结构220是在形成图案化第一反射结构34后，将图案化第一反射结构34作为遮罩，对第一暴露区201a的第一半导体层22进行蚀刻所形成，例如采用干式蚀刻制作工艺且蚀刻深度可为1μm～10μm。如此一来，部分未被图案化第一反射结构34所覆盖到的第一半导体层22被移除，而在第一半导体层22表面形成多个柱状体220’。通过发光元件5周围第一暴露区201a上的导光结构220及图案化第一反射结构34，可增进发光元件5的出光效益。

图7a至图7f为依据本发明另一实施例的发光元件制造方法。如图7a所示，在基板10的第一表面101以外延方式成长半导体叠层20后，形成晶片11，并以蚀刻制作工艺移除部分区域的第二半导体层26及活性层24，并暴露出第一半导体层22，以形成多个平台203。在另一实施例中，基板10的第一表面101可具有图案化结构(图未示)。接着，同样以蚀刻制作工艺移除在平台203内的部分第一半导体层22，使基板10的第一表面101暴露出来，形成多个沟槽18，以及以沟槽18相互分离的多个发光单元70。接着，如图7b所示，沟槽18包含在部分沟槽18内形成绝缘层14的绝缘区18’，以及两相邻发光单元70间完全未设置绝缘层14的暴露区18”。绝缘区18’内的绝缘层14覆盖相邻发光单元70的侧壁、部分平台203上的第一半导体层22以及第二半导体层26。在后续制作工艺中，暴露区18”将用以定义出晶片切割制作工艺中的切割走道，晶片11将依此切割走道进行分割。接着，如图7c所示，在暴露区18”内第一表面101的上方形成一第一反射结构42a，在部分发光单元70的第二半导体层26上方形成一第二反射结构42b。第一反射结构42a与第二反射结构42b为同时形成且为相同材料。第一反射结构42a与第二反射结构42b为一介电材料叠层，介电材料叠层由多组折射率不同的介电层交互重复堆叠所组成，其材料可包含但不限于氧化硅(siox)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)、氧化钛(tixoy)、五氧化二钽(ta2o5)、氧化铌(nb2o5)、氧化锆(zro2)或前述材料的组合。

接着，如图7d所示，在各发光单元70的第二半导体层26以及第二反射结构42b表面形成一透明导电层16，透明导电层16可完全覆盖第二反射结构42b。接着，在绝缘层14上方形成电性连结36，在部分发光单元70c的第一半导体层上形成第一电极30a，以及在部分发光单元70a的透明导电 层16上方对应第二反射结构42b的位置形成第二电极30b。其中，电性连结36覆盖绝缘层14，并延伸至相邻发光单元的第一半导体层22上及透明导电层16上，使发光单元70a-70c电性串联。第一电极30a及第二电极30b可通过打线或焊接等方式，以连接外部电源或外部电子元件。如此一来，发光单元70a-70c定义为一发光阵列。第二电极30b形成于第二反射结构42b的对应位置上，第二电极30b的面积可等于或略小于第二反射结构42b的面积。在本发明另一实施例中，透明导电层16及第二反射结构42b在第二电极30b的对应位置上具有开口(图未示)，使第二半导体层26的部分上表面暴露出来，第二电极30b形成于透明导电层16与第二反射结构42b上，且填入开口与第二半导体层26接触。

接着，如图7e所示，在基板10的第二表面102对应暴露区18”所形成的切割走道的位置，照射激光光束50。激光光束50可为隐形切割激光，沿着切割走道聚焦于基板10内部并在基板10内部形成变质区60，即形成隐形切割线。在另一实施例中，可在实施隐形切割激光之前，在基板10的第二表面形成一反射层(图未示)，以增进发光元件的出光效率。当隐形切割(stealthdicing)激光聚焦于基板10内部时，部分激光光束50可能穿过基板10的第一表面101散射至半导体层20，而损伤半导体层20。通过选择第一反射结构42a的介电层材料、其叠层厚度及层数，可使第一反射结构42a反射激光光束50，如此一来，散射至半导体层20的激光光束50可被第一反射结构42a所反射，进而抑制并降低激光光束50的能量对半导体层20的损伤。最后，如图7f所示，对晶片11施以外力，使晶片11沿基板10内的隐形切割线劈裂开，且第一反射结构42a同时也被分裂，晶片11被分离成多个发光元件7。每一发光元件7包含了以发光单元70a-70c串联所组成的发光阵列。

图8a为依据本发明前述制造方法所形成的发光元件7上视图，图8b为图8a沿a-a’线的剖面结构图。发光元件7包含基板10，基板具有一第一表面101、一第二表面102以及多个侧表面103，以及设置于基板10第一表面101的发光单元70a-70c。各发光单元包含一发光叠层20，且发光单元70a-70c间以沟槽18在空间上相互分离，沟槽18的底部即为基板10的第一表面101。沟槽18内的第一表面101以及相邻发光单元70的侧壁具有绝缘层14以形成绝缘区18’，绝缘层14上方具有电性连结36。电性连结36覆盖绝缘层14，并接触相邻发光单元的第一半导体层22及透明导电层16，使 发光单元70a-70c达到电性串联。发光单元70a的第二半导体层26表面具有第二反射结构42b以及一覆盖第二反射结构42b及第二半导体层的透明导电层16，透明导电层16上方对应第二反射结构42b的位置处具有第二电极30b。基板10的第一表面101上具有第一反射结构42a，如前述的发光元件制造方法中，由于在切割晶片11之前，第一反射结构42a设置于由暴露区18”所形成的切割走道上，因此第一反射结构42a由上视看来会同时围绕各发光单元70a-70b的第一半导体层22、活性层24及第二半导体层26。由于第一反射结构42a与第二反射结构42b为同时形成，第一反射结构42a与第二反射结构42b具有相同材料，可包含由多组折射率不同的介电材料交互重复堆叠所组成介电材料叠层。在另一实施例中，发光元件结构与发光元件7类似，差异在绝缘层14可与第一反射结构42a、第二反射结构42b于同一道制作工艺完成，绝缘层14的材料可以和第一反射结构42a、第二反射结构42b的材料相同，可包含由多组折射率不同的介电材料交互重复堆叠所组成介电材料叠层的反射结构。

在本发明的发光元件的另一实施例的发光元件8中，也可另在相邻发光单元70a-70c间设置图案化第一反射结构42a’，图案化第一反射结构42a’的结构及材料选择与上述各实施例所揭露的反射结构结构及材料选择相同或可基于此揭露做类似的变化。如图9a及图9b所示，图9b为图9a沿a-a’线的剖面结构图，图案化第一反射结构42a’设置于绝缘区18’内的第一表面101上，由介电材料所组成的图案化第一反射结构42a’具有导光效果，可避免发光单元70a-70c所发出的侧向光因各单元间的距离过近，而导致光相互被吸收，降低发光效率的现象。

上述实施例仅为例示性说明本申请案的原理及其功效，而非用于限制本申请案。任何本申请案所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本申请案的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本申请案的权利保护范围如附上的权利要求所列。