鬼佬大哥大
  • / 18
  • 下載費用:30 金幣  

垂直式發光二極管及其制造方法.pdf

關 鍵 詞:
垂直 發光二極管 及其 制造 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
摘要
申請專利號:

CN201110281347.4

申請日:

2011.09.21

公開號:

CN102593277B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 33/00申請日:20110921|||公開
IPC分類號: H01L33/00(2010.01)I 主分類號: H01L33/00
申請人: 錸鉆科技股份有限公司
發明人: 宋健民; 甘明吉; 林逸樵; 胡紹中
地址: 中國臺灣新竹縣湖口鄉
優先權: 2011.01.05 TW 100100357
專利代理機構: 中科專利商標代理有限責任公司 11021 代理人: 湯保平
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201110281347.4

授權公告號:

102593277B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.09.19|||2012.07.18

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種垂直式發光二極管的制造方法,其包括下列步驟:提供一襯底;于襯底上形成一半導體層,該半導體層是具有以第II至VI族元素所構成的化合物;形成一金屬反射層,使其與半導體層相互結合;形成至少一中間層及至少一類鉆碳層;形成一復合材料層;移除襯底;以及形成一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于半導體層及復合材料層的一側;其中,至少一中間層及至少一類鉆碳層是以疊層的方式相互堆疊于金屬反射層的一側。本發明亦提供一種依前述制造方法制得的垂直式發光二極管。

權利要求書

1.一種垂直式發光二極管的制造方法,其包括下列步驟:
提供一襯底;
于該襯底上形成一半導體層,該半導體層具有以第II至VI族元素所構
成的化合物;
形成一金屬反射層,使其與該半導體層相互結合;
形成至少一中間層及至少一類鉆碳層;
形成一復合材料層;
移除該襯底;以及
形成一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于該半導體層及該復
合材料層的一側;
其中,該至少一中間層及該至少一類鉆碳層是以疊層的方式相互堆疊
于該金屬反射層的一側。
2.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該襯底
是為Al2O3、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C、hBN或C的基板;或為
至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物或砷化物的基
板。
3.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該襯底
的移除步驟是由一激光使其與該半導體層剝離。
4.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該半導
體層、該金屬反射層、該至少一中間層、及該至少一類鉆碳層是以陰極電
弧、濺鍍、蒸鍍、電鍍、無電電鍍或涂布沉積形成。
5.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該半導
體層的組成是為Al2O3、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C、hBN或C;
或為至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物或砷化物。
6.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該金屬
反射層是至少一選自由Ag、Al、Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、
Cu、CuAg、NiAg及前述金屬合金所組成的群組。
7.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該金屬
反射層的厚度為100-500nm。
8.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該中間
層是包括至少一選自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W及前述金屬
的合金所組成的群組。
9.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該中間
層的厚度為50-500nm。
10.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層包括至少一金屬及鉆石所組成的復合材料,且該鉆石于該復合材
料層中是以一單層、多層或隨機分布的布鉆排列。
11.如權利要求10所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石占該復合材料層總體積的25-60%。
12.如權利要求10所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石占該復合材料層總體積的30-50%。
13.如權利要求10所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該金
屬是至少一選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、Cr及B所組成的群組。
14.如權利要求10所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石為合成鉆石磨粒。
15.如權利要求10所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石的粒徑為1μm-1mm。
16.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層的厚度為100-500μm。
17.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層具有熱膨脹系數為2-10ppm/℃。
18.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,還包
括有一將該復合材料層的表面拋光至Ra<1μm的步驟。
19.如權利要求1所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,還包
括有一透明類鉆碳層形成于該半導體層的一側。
20.如權利要求19所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該透
明類鉆碳層是以等離子體化學氣相沉積法形成。
21.如權利要求19所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該透
明類鉆碳層包括有氫原子于其中。
22.如權利要求21所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,以該
透明類鉆碳層全部計算,該氫原子是占15-40at%。
23.一種垂直式發光二極管的制造方法,其包括下列步驟:
提供一襯底;
于該襯底上形成一半導體層,該半導體層具有以第II至VI族元素所構
成的化合物;
形成一金屬反射層,使其與該半導體層相互結合;
形成一復合材料層;
移除該襯底;以及
形成一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于該半導體層及該復
合材料層的一側。
24.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層是以Au或Au-Sn于300℃直接軟焊接合至該金屬反射層,或直接
以高溫接合的方式結合該復合材料層及該金屬反射層。
25.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該襯
底是為Al2O3、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C、hBN或C的基板;或
為至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物或砷化物的
基板。
26.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該襯
底的移除步驟是由一激光使其與該半導體層剝離。
27.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該半
導體層及該金屬反射層是以陰極電弧、濺鍍、蒸鍍、電鍍、無電電鍍或涂
布沉積形成。
28.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該半
導體層的組成是為Al2O3、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C、hBN或C;
或為至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物或砷化物。
29.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該金
屬反射層是至少一選自由Ag、Al、Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、
Cu、CuAg、NiAg及前述金屬合金所組成的群組。
30.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該金
屬反射層的厚度為100-500nm。
31.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層包括至少一金屬及鉆石所組成的復合材料,且該鉆石于該復合材
料層中是以一單層、多層或隨機分布的布鉆排列。
32.如權利要求31所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石占該復合材料層總體積的25-60%。
33.如權利要求31所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石占該復合材料層總體積的30-50%。
34.如權利要求31所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該金
屬是至少一選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、Cr及B所組成的群組。
35.如權利要求31所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石為合成鉆石磨粒。
36.如權利要求31所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該鉆
石的粒徑為1μm-1mm。
37.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層的厚度為100-500μm。
38.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該復
合材料層具有熱膨脹系數為2-10ppm/℃。
39.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,還包
括有一將該復合材料層的表面拋光至Ra<1μm的步驟。
40.如權利要求23所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,還包
括有一透明類鉆碳層形成于該半導體層的一側。
41.如權利要求40所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該透
明類鉆碳層是以等離子體化學氣相沉積法形成。
42.如權利要求41所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,該透
明類鉆碳層包括有氫原子于其中。
43.如權利要求42所述的垂直式發光二極管的制造方法,其中,以該
透明類鉆碳層全部計算,該氫原子占15-40at%。
44.一種垂直式發光二極管,其包括:
一半導體層,其具有以第II至VI族元素所構成的化合物;
一金屬反射層,與該半導體層相互結合;
至少一中間層;
至少一類鉆碳層;
一復合材料層;以及
一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于該半導體層及該復合材
料層的一側;
其中,該至少一中間層及該至少一類鉆碳層是以疊層的方式相互堆疊
于該金屬反射層的一側。
45.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該半導體層的組
成為Al2O3、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C、hBN或C;或為至少一
陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物或砷化物。
46.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該金屬反射層是
至少一選自由Ag、Al、Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、Cu、CuAg、
NiAg及前述金屬合金所組成的群組。
47.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該金屬反射層的
厚度為100-500nm。
48.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該中間層包括至
少一選自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W及前述金屬的合金所組
成的群組。
49.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該中間層的厚度
為50-500nm。
50.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層包
括至少一金屬及鉆石所組成的復合材料,且該鉆石于該復合材料層中是以
一單層、多層或隨機分布的布鉆排列。
51.如權利要求50所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石占該復合
材料層總體積的25-60%。
52.如權利要求50所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石占該復合
材料層總體積的30-50%。
53.如權利要求50所述的垂直式發光二極管,其中,該金屬是至少一
選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、Cr及BCu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、
Cr所組成的群組。
54.如權利要求50所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石為合成鉆
石磨粒。
55.如權利要求50所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石的粒徑為
1μm-1mm。
56.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層的
厚度為100-500μm。
57.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層具
有熱膨脹系數為2-10ppm/℃。
58.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,該該復合材料層
的表面具有拋光至Ra<1μm。
59.如權利要求44所述的垂直式發光二極管,其中,還包括有一透明
類鉆碳層于該半導體層的一側。
60.如權利要求59所述的垂直式發光二極管,其中,該透明類鉆碳層
包括有氫原子于其中。
61.如權利要求60所述的垂直式發光二極管,其中,以該透明類鉆碳
層全部計算,該氫原子占15-40at%。
62.一種垂直式發光二極管,其包括:
一半導體層,其具有以第II至VI族元素所構成的化合物;
一金屬反射層,與該半導體層相互結合;
一復合材料層;以及
一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于該半導體層及該復合材
料層的一側。
63.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層以
Au或Au-Sn于300℃直接軟焊接合至該金屬反射層,或直接以高溫接合的
方式結合該復合材料層及該金屬反射層。
64.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該半導體層的組
成是為Al2O3、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C、hBN或C;或為至少
一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物或砷化物。
65.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該金屬反射層是
至少一選自由Ag、Al、Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、Cu、CuAg、
NiAg及前述金屬合金所組成的群組。
66.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該金屬反射層的
厚度為100-500nm。
67.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層包
括至少一金屬及鉆石所組成的復合材料,且該鉆石于該復合材料層中以一
單層、多層或隨機分布的布鉆排列。
68.如權利要求67所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石占該復合
材料層總體積的25-60%。
69.如權利要求67所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石占該復合
材料層總體積的30-50%。
70.如權利要求67所述的垂直式發光二極管,其中,該金屬是至少一
選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、Cr及BCu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、
Cr所組成的群組。
71.如權利要求67所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石為合成鉆
石磨粒。
72.如權利要求67所述的垂直式發光二極管,其中,該鉆石的粒徑為
1μm-1mm。
73.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層的
厚度為100-500μm。
74.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該復合材料層具
有熱膨脹系數為2-10ppm/℃。
75.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,該該復合材料層
的表面具有拋光至Ra<1μm。
76.如權利要求62所述的垂直式發光二極管,其中,還包括有一透明
類鉆碳層于該半導體層的一側。
77.如權利要求76所述的垂直式發光二極管,其中,該透明類鉆碳層
包括有氫原子于其中。
78.如權利要求77所述的垂直式發光二極管,其中,以該透明類鉆碳
層全部計算,該氫原子占15-40at%。

說明書

垂直式發光二極管及其制造方法

技術領域

本發明是關于一種垂直式發光二極管及其制作方法,尤指一種具有大
功率、且具大尺寸的垂直式發光二極管及其制作方法。

背景技術

自60年代起,發光二極管的耗電量低及長效性的發光等優勢,已逐
漸取代日常生活中用來照明或各種電器設備的指示燈或光源等用途。更有
甚者,發光二極管朝向多色彩及高亮度的發展,已應用在大型戶外顯示看
板或交通號志。

然而,已知技術中所使用的發光二極管100,其結構多如圖1所示,
是將正電極107及負電極108都作在同一側。再者,已知的發光二極管所
使用的襯底101(如藍寶石)不導電,因此電流在半導體層102中必須由垂
直順流轉變為水平橫流,故而使得電流會集中在內彎處,無法完全使用P-N
接口的電子層和電洞層,減少發光效率。此外,前述電流會在半導體層102
的集中處產生熱點,使半導體層102中的晶格產生缺陷,因此影響發光二
極管100的使用壽命;或者僅能以降低功率以避免熱點的產生,惟此會降
低發光二極管100的發光效果并限制其用途。

發光二極管中造成電流轉彎的問題無法以封裝設計的改良來改善,例
如即使以覆晶方式來制作發光二極管,仍無法避免電流轉彎產生熱點、造
成晶格缺陷、影響發光效率、及使用壽命降低等缺點。

因此,另有一種垂直式發光二極管將電極制作在該發光二極管兩側以
改善電流方向的構想產生。然而,現在所使用的垂直式發光二極管,多使
用碳化硅(SiC)襯底來生長碳化鎵。但因SiC單晶基板價格太高,一般以
Si或金屬等基板取代,并以金-金、金錫-金錫、銦-銦等金屬結合外延層。
然而,由于此外延層與金屬基板或金屬結合層二種材料間的熱膨脹系數差
異較大,在后續的剝離工藝中往往導致發光二極管的良率不佳。

因此,目前亟需一種大功率、散熱效果佳、且具大尺寸的發光二極管
及其制作方法。

發明內容

為達前述目的,本發明提供一種垂直式發光二極管的制造方法,其包
括下列步驟:提供一襯底;于襯底上形成一半導體層,該半導體層是具有
以第II至VI族元素所構成的化合物;形成一金屬反射層,使其與半導體層
相互結合;形成至少一中間層及至少一類鉆碳層;形成一復合材料層;移
除襯底;以及形成一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于半導體層
及復合材料層的一側;其中,至少一中間層及至少一類鉆碳層是以疊層的
方式相互堆疊于金屬反射層的一側。

根據本發明的制造方法,其中將襯底移除的方式沒有特殊限制,只要
不會造成移除襯底時,導致發光二極管中各層結構因產生接口應力而造成
彎曲。較佳的移除方式是由一激光使襯底與半導體層產生剝離。

此外,根據本發明的制造方法,可依工藝上而選擇半導體層、金屬反
射層、至少一中間層、及至少一類鉆碳層的形成方法,其中較佳可使用以
陰極電弧、濺鍍、蒸鍍、電鍍、無電電鍍、或涂布等沉積形成。

承上,根據本發明的制造方法,其中襯底可為Al2O3(藍寶石)、Si、
SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C(石墨)、hBN、或C(鉆石)的基板;或為至
少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物、或砷化物的基
板;半導體層的組成可為Al2O3(藍寶石)、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、
C(石墨)、hBN、或C(鉆石);或為至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、
Mg的氮化物、磷化物、或砷化物;金屬反射層可為至少一選自由Ag、Al、
Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、Cu、CuAg、NiAg、及前述金屬合
金所組成的群組,且金屬反射層的厚度沒有限制,只要可以達成導引光線
及增加發光效率即可,較佳可為100-500nm,最佳為200nm。

根據本發明的制造方法,其中,中間層的材質是選擇使用能與碳產生
反應,且能合成碳化物(carbide?former)的金屬皆可,較佳為可包括至少
一選自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、及前述金屬的合金所組成
的群組等材料。而該中間層的厚度沒有限制,較佳為50-500nm,更佳為
100nm。

根據本發明的制造方法,類鉆碳層是用以排除發光二極管在發光時所
產生的廢熱,并以傳導的方式迅速排除,以延長發光二極管的使用壽命。

根據本發明的制造方法,復合材料層可包括至少一金屬及鉆石所組成
的復合材料,且鉆石于復合材料層中可以一單層、多層、或隨機分布的布
鉆排列,其中鉆石約占復合材料層總體積的25-60%,較佳為30-50%。至
于金屬的組成可為至少一選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、Cr及B所
組成的群組;鉆石可為合成鉆石磨粒(synthetic?diamond?grits),且鉆
石的較佳粒徑為1μm-1mm。

根據本發明的制造方法,復合材料層的厚度沒有特別限制,較佳的厚
度為100-500μm,更佳為150μm。此外,復合材料層的熱膨脹系數是可依
所需而進行調整,以避免制造過程中因接口應力而導致發光二極管的半導
體層產生彎曲或內部缺陷,進而使產品良率下降而增加生產成本或光衰減
效應;根據根據本發明的制造方法,復合材料層較佳的熱膨脹系數為在
2-10ppm/℃間。再者,根據本發明的制造方法,其中還包括有一將該復合
材料層的表面拋光至Ra<1μm的步驟,主要是使襯底與發光二極管結構剝
離時,仍可保持剝離面的平坦面的誤差小于1mm。

根據本發明的制造方法,其中還包括有一透明類鉆碳層形成于半導體
層的一側,其作用主要將發光二極管中所產生的熱輻射(如螢光粉層)能迅
速排除,以增加方光效率及產品周期。至于透明類鉆碳層可依所需使用任
何沉積法而得,較佳為使用等離子體化學氣相沉積法(PECVD)來形成。此
外,上述透明類鉆碳層可進一步包括有氫原子于其中,其含量若以透明類
鉆碳層全部計算,氫原子可約占15-40原子百分比,以增加熱排除效應及
發光二極管的發光效率。

本發明亦提供一種垂直式發光二極管的制造方法,其包括下列步驟:
提供一襯底;于襯底上形成一半導體層,半導體層是具有以第II至VI族元
素所構成的化合物;形成一金屬反射層,使其與半導體層相互結合;形成
一復合材料層;移除該襯底;以及形成一第一電極層及一第二電極層,其
分別設置于該半導體層及該復合材料層的一側。至于根據本制造方法,其
中的方法步驟及各層結構(如襯底、半導體層、金屬反射層、復合材料層、
及第一電極層及第二電極層)的定義是如上述。

本發明的另一目的在提供一種垂直式發光二極管,其包括:一半導體
層,其是具有以第II至VI族元素所構成的化合物;一金屬反射層,是與半
導體層相互結合;至少一中間層;至少一類鉆碳層;一復合材料層;以及
一第一電極層及一第二電極層,其分別設置于半導體層及復合材料層的一
側;其中,至少一中間層及至少一類鉆碳層是以疊層的方式相互堆疊于金
屬反射層的一側。

根據本發明的垂直式發光二極管,其中半導體層的組成可為Al2O3(藍
寶石)、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C(石墨)、hBN、或C(鉆石);或
為至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物、或砷化物;
金屬反射層可為至少一選自由Ag、Al、Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、
Pb、Cu、CuAg、NiAg、及前述金屬合金所組成的群組,且金屬反射層的厚
度沒有限制,只要可以達成導引光線及增加發光效率即可,較佳可為
100-500nm,最佳為200nm。

根據本發明的垂直式發光二極管,其中,中間層的材質是選擇使用能
與碳產生反應,且能合成碳化物(carbide?former)的金屬皆可,較佳為可
包括至少一選自由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、及前述金屬的合
金所組成的群組等材料。而該中間層的厚度沒有限制,較佳為50-500nm,
更佳為100nm。

根據本發明的垂直式發光二極管,類鉆碳層是用以排除發光二極管在
發光時所產生的廢熱,并以傳導的方式迅速排除,以延長發光二極管的使
用壽命。

根據本發明的垂直式發光二極管,復合材料層可包括至少一金屬及鉆
石所組成的復合材料,且鉆石于復合材料層中可以一單層、多層、或隨機
分布的布鉆排列,其中鉆石約占復合材料層總體積的25-60%,較佳為
30-50%。至于金屬的組成可為至少一選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、
Cr及B所組成的群組;鉆石可為合成鉆石磨粒(synthetic?diamond?
grits),且鉆石的較佳粒徑為1μm-1mm。

根據本發明的垂直式發光二極管,復合材料層的厚度沒有特別限制,
較佳的厚度為100-500μm,更佳為150μm。此外,復合材料層的熱膨脹系
數是可依所需而進行調整,以避免制造過程中因接口應力而導致發光二極
管的半導體層產生彎曲或內部缺陷,進而使產品良率下降而增加生產成本
或光衰減效應;根據根據本發明的制造方法,復合材料層較佳的熱膨脹系
數為在2-10ppm/℃間。再者,根據本發明的垂直式發光二極管,其中復合
材料層的表面具有拋光至Ra<1μm。

根據本發明的垂直式發光二極管,其中還包括有一透明類鉆碳層形成
于半導體層的一側,其作用主要將發光二極管中所產生的熱輻射(如螢光
粉層)能迅速排除,以增加方光效率及產品周期。至于透明類鉆碳層可依
所需使用任何沉積法而得,較佳為使用等離子體化學氣相沉積法(PECVD)
來形成。此外,上述透明類鉆碳層可進一步包括有氫原子于其中,其含量
若以透明類鉆碳層全部計算,氫原子可約占15-40原子百分比,以增加熱
排除效應及發光二極管的發光效率。

根據本發明的再一目的,在提供一種垂直式發光二極管,其包括:一
半導體層,其具有以第II至VI族元素所構成的化合物;一金屬反射層,是
與半導體層相互結合;一復合材料層;以及一第一電極層及一第二電極層,
其分別設置于半導體層及復合材料層的一側;其中,復合材料層是以Au
或Au-Sn于約300℃直接軟焊接合至金屬反射層,或直接以高溫接合的方
式。至于根據本垂直式發光二極管的結構,其中各層結構(如襯底、半導
體層、金屬反射層、復合材料層、及第一電極層及第二電極層)的定義是
如上述。

由上述可知,已知所使用的發光二極管由于正負兩電極都射在同側,
且因已知的發光二極管所使用的襯底(如藍寶石)不導電,因此電流在半導
體層中必須由垂直順流轉變為水平橫流,故而使得電流會集中在內彎處,
無法完全使用P-N接口的電子層和電洞層,減少發光效率。此外,前述電
流會在集中處產生熱點,使半導體層中的晶格產生缺陷,因此影響發光二
極管的使用壽命。然而,根據本發明的垂直式發光二極管及制造方法,其
不僅使用由至少一金屬及鉆石所組成的復合材料層,并同時使用至少一中
間層及至少一類鉆碳層,且將第一電極層及一第二電極層分別設置于分光
二極管結構的兩側。由此,本發明由類鉆碳層所具有高的熱傳導率,以迅
速排除發光二極管發光時所產生的廢熱,并使半導體層中不會因電流密度
分布不均而產生內部晶格缺陷所導致光衰或使用壽命等問題。

因此,根據本發明的發光二極管及其制造方法,可實現一種具有大尺
寸(>1mm)、大電流(>1A/mm2)、及大功率(>10W)的垂直式發光二極管,其
顯會優于并聯多顆已知使用電流以彎流式的發光二極管。根據本發明的垂
直式發光二極管及其制造方法,具有發光效率更佳使其更光亮,且由類鉆
碳層優異的熱傳導率以排除發光時所產生的廢熱,以及解決內部缺陷使其
更耐久等優點。

附圖說明

為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,并配
合附圖作詳細說明如下,其中:

圖1是已知中發光二極管結構示意圖。

圖2A至2E是本發明一較佳實施例的垂直式發光二極管的制造方法流
程示意圖。

圖3是本發明另一較佳實施例的直式發光二極管結構示意圖。

圖4是本發明再一較佳實施例的直式發光二極管結構示意圖。

圖5A至5B是已知中發光二極管結構中電鍍金屬和半導體層接口若僅
以機械式而無化學鍵結時,產生剝離的電子顯微鏡照片示意。

圖6是本發明一較佳實施例的直式發光二極管部分結構電子顯微鏡照
片。

圖7是本發明一較佳實施例中鉆-銅復合材料層的熱擴散系數及熱傳
導系數的比較圖。

圖8至圖9是本發明一較佳實施例中復合材料層的鉆石體積分率比較
圖。

具體實施方式

請參閱圖2E及圖3,其是根據本發明制造方法所獲得的垂直式發光二
極管結構,包括有一半導體層202,其是具有以第II至VI族元素所構成的
化合物;一金屬反射層203,是與半導體層202相互結合;至少一中間層
204;至少一類鉆碳層205;一復合材料層206;以及一可為負電極的第一
電極層207及一可為正電極的第二電極層208,其分別設置于半導體層202
及復合材料層206的一側;其中,至少一中間層204及至少一類鉆碳層205
是以疊層的方式相互堆疊于金屬反射層的一側。

以下,將詳述本發明垂直式發光二極管的制造方法:

實施例1

請參閱圖2A至2E,是本發明制造垂直式發光二極管的一具體實施例。
首先,如圖2A所示,提供一襯底201,在本實施例中襯底201為使用藍寶
石基板,并可依工藝上的所需,選擇使用Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、
C(石墨)、hBN、C(鉆石)、或至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的
氮化物、磷化物、或砷化物的基板。接著如圖2B,于襯底201上形成一半
導體層202,該半導體層202是具有以第II至VI族元素所構成的化合物,
例如Al2O3(藍寶石)、Si、SiC、GaAs、GaP、AlP、GaN、C(石墨)、hBN、
C(鉆石)、或至少一陽離子為B、Al、Ga、In、Be、Mg的氮化物、磷化物、
或砷化物,在本實施例中是使用GaN作為半導體層202。其后如圖2C所示,
形成一金屬反射層203,以陰極電弧的方式使其沉積并與半導體層202相
互結合,金屬反射層203可為Ag或Al,其它可選擇為金屬反射層203的
材料如Ni、Co、Pd、Pt、Au、Zn、Sn、Sb、Pb、Cu、CuAg、NiAg、或前述
金屬合金皆可,且金屬反射層203的厚度沒有限制,只要可以達成導引光
線及增加發光效率即可,較佳可為100-500nm,在本實施例中的金屬反射
層203為約200nm。

接著,如圖2D所示,依序以如濺鍍的方式形成一中間層204及一類
鉆碳層205,其中關于中間層204的材質是選擇只要是使用能與碳產生反
應,且能合成碳化物的金屬皆可,較佳為可包括至少一選自由Ti、V、Cr、
Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、及前述金屬的合金所組成的群組等材料,在本
實施例中是使用鈦作為中間層204。至于中間層204的厚度沒有限制,較
佳為50-500nm,本實施例的中間層約為100nm。而類鉆碳層205的厚度沒
有特別限制,只要能達成較佳的散熱效果及與中間層204能緊密結合即可,
并可因中間層204及類鉆碳層205以疊層的方式相互堆疊,進一步達成降
低發光二極管中各層結構因產生接口應力而造成彎曲的情形,而導致良率
降低,類鉆碳層205較佳厚度為大于300nm以上皆可,本實施例以約500nm
厚度的類鉆碳層205。此外,更可依工藝上的所需,選擇性地再形成一較
薄的中間層204(約60nm)于上類鉆碳層205,而形成如圖2D所示的結構。

最后,如圖2E,形成一復合材料層206于前述結構上,并移除襯底
201;其后并形成一第一電極層207及一第二電極層208,其分別設置于半
導體層202及復合材料層206的一側。而復合材料層206可包括至少一金
屬及鉆石所組成的復合材料,且鉆石于該復合材料層中也可選擇性地以一
單層、多層、或隨機分布的布鉆排列。其中鉆石約占復合材料層206總體
積的25-60%,較佳可如本實施例使用鉆石是占復合材料層總體積的30-50%
的比例。至于金屬的組成可為至少一選自由Cu、Ag、Co、Ni、W、Fe、Ti、
Cr及B所組成的群組,在本實施例中是以金屬鎳為其組成;鉆石可為合成
鉆石磨粒(synthetic?diamond?grits),且鉆石的較佳粒徑為1μm-1mm。換
句話說,本實施例的復合材料層206是為使用一鎳-鉆石復合材料。至于
復合材料層206的厚度較佳的厚度為100-500μm,本實施例中復合材料層
206的厚度為約150μm。

根據本實施例,襯底201移除的方式是由一氣體激光(KrF,波長約248
nm)使襯底與半導體層產生剝離。由此方法不僅較為迅速簡便,且因本實
施例所制備而得的垂直式發光二極管結構,也不會造成移除襯底201時,
導致發光二極管中各層結構因產生接口應力而造成彎曲。再者,根據本實
施例,將復合材料層206的表面進行拋光至Ra<1μm的步驟,主要是使襯
底201與發光二極管結構剝離時,仍可保持剝離面的平坦面的誤差小于
1mm。

此外,根據本實施例的制造方法,可依工藝上而選擇半導體層202、
金屬反射層203、中間層204、及類鉆碳層205的形成方法,其中亦可使
用以陰極電弧、濺鍍、蒸鍍、電鍍、無電電鍍、涂布、焊接、或沉積等方
式形成。

承前所述,復合材料層206的熱膨脹系數是可依所需而進行調整,以
避免制造過程中因接口應力而導致發光二極管的半導體層202產生彎曲或
內部缺陷,進而使產品良率下降而增加生產成本或光衰減效應;根據本實
施例的復合材料層206,其熱膨脹系數約在10ppm/℃。

根據本實施例的制造方法,可進一步選擇將一透明類鉆碳層(圖未示)
形成于半導體層的一側,其作用主要將發光二極管中所產生的熱輻射(如
螢光粉層)能迅速排除,以增加發光效率及產品周期。至于透明類鉆碳層
可依所需使用任何沉積法而得,例如可使用等離子體化學氣相沉積法
(PECVD)來形成。此外,上述透明類鉆碳層可進一步包括有氫原子于其中,
其含量若以透明類鉆碳層全部計算,氫原子可約占15-40原子百分比,以
增加熱排除效應及發光二極管的發光效率。

實施例2

在本實施例中所使用的制造方法與實施例1相似,故結構亦可直接參
照如圖2E,差異在于制造過程中將金屬反射層203(如銀)是以濺鍍的方式
形成于半導體層202(如GaN)上,且是使用一銅-鉆石復合材料作為復合材
料層206。因此,根據本實施例的復合材料層206,其熱膨脹系數約在
5ppm/℃。至于其它各層的結構與特征是如實施例1中所定義。

實施例3

如圖3所示,在本實施例中所使用的制造方法與實施例1及實施例2
相似,差異在于制造過程中將制作中間層304及類鉆碳層305依序相互堆
疊,且該中間層304及類鉆碳層305的疊層結構總厚度約為3μm,且在本
實施例中是使用一銅-鎳-鉆石復合材料作為復合材料層306。因此,根據
本實施例的復合材料層306,其熱膨脹系數可依工藝上的所需調整約在
2-10ppm/℃。至于其它各層的結構與特征是如實施例1中所定義。

實施例4

如圖4所示,在本實施例中所使用的制造方法與實施例1及實施例2
相似,差異在于在本實施例中沒有形成類鉆碳層及中間層,而是形成一第
一電極407/半導體層402/金屬反射層403/復合材料層406/第二電極408
的結構,而其中復合材料層406是以Au或Au-Sn于約300℃直接軟焊接合
至金屬反射層403,或可依工藝所需,直接以高溫接合直接結合復合材料
層406及金屬反射層403的方式。至于根據本實施例的各層結構(如襯底、
半導體層、金屬反射層、復合材料層、及第一電極層及第二電極層)是如
實施例1所定義。

根據前述實施例,并請參閱圖5A至圖7,已知中發光二極管結構在進
行激光剝離的步驟前,會在半導體層上制作一層反射金屬層(如銀),其后
并再接上一導電的支撐體。然而,金屬反射層往往因熱膨脹系數遠大于半
導體層(如GaN),所以接口會產生應力。鑒此,已知的發光二極管在通電
時電流乃沿電阻最小處滲透前進,應力較大的局部溫度會快速升高,金屬
反射層會把半導體層的晶格撐大。并由于發光二極管開關頻繁,半導體層
晶格會被重復拉扯以致不斷產出缺陷,且易造成金屬反射層與半導體層間
的剝離(如圖5A及圖5B),以致造成發光二極管的亮度就會快速減低。在
此時,若如本發明使用藉類鉆碳層所具有高的熱傳導率,以迅速排除發光
二極管發光時所產生的廢熱,且因具大幅降低接口應力的功效,并能使半
導體層中不會因電流密度分布不均而產生內部晶格缺陷所導致光衰或使
用壽命等問題(如圖6)。

再者,根據本發明所包括的復合材料層及類鉆碳層,以包括鉆-銅復
合材料層的發光二極管結構為例,其分析是如圖7所示,明顯可見根據本
發明可有效控制熱膨脹系數,也能降低熱阻。

承前,本發明上述實施例中的復合材料層的熱膨脹系數(CTE)可依鉆
石粒徑和體積百分率而進行調整,如前所述,為了控制較佳CTE値(如在
2-10ppm/℃間),故較佳的鉆石體積分率為30-50Vol%(如圖8所示),以及
較佳的鉆石粒徑如圖9所示;更可依需要,可選擇性地使用碳化物助劑的
重量百分率為2-5wt%,該碳化物助劑可為Fe、Co、Ni、Cr、Ti、或B等。

因此,根據本實施例的制造方法所獲得的發光二極管,可實現一種具
有大尺寸(>1mm)、大電流(>1A/mm2)、及大功率(>10W)的垂直式發光二極
管,其顯會優于并聯多顆已知使用電流以彎流式的發光二極管。因此,并
具有發光效率更佳使其更光亮,且由類鉆碳層優異的熱傳導率以排除發光
時所產生的廢熱,以及解決內部缺陷使其更耐久等優點。

上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已,本發明所主張的權利范圍
自應以權利要求范圍所述為準,而非僅限于上述實施例。

關于本文
本文標題:垂直式發光二極管及其制造方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6420908.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大