專利名稱：發(fā)光元件結(jié)構(gòu)與制造方法
. 發(fā)光元件結(jié)構(gòu)與制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，尤其是有關(guān)于一種采用延伸基板 的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)及其制造方法。背景技術(shù)：
ni-v或II-VI族元素化合物半導體材料所構(gòu)成的發(fā)光二極管 (light emitting diode，LED)是一種具各種能隙(bandgap)的發(fā)光 元件，它所發(fā)出的光線由紅外光一直到紫外光，涵蓋了所有可見光的波 段。近年來隨著高亮度氮化鎵(GaN)藍/綠光發(fā)光二極管的快速發(fā)展， 如全彩發(fā)光二極管顯示器、白先發(fā)光二極管、及發(fā)光二極管交通號志等， 得以實用化，而其它各種發(fā)光二極管的應(yīng)用也更加普及。
發(fā)光二極管元件的基本結(jié)構(gòu)包含P型及N型的半導體元素化合物磊 晶層(epitaxial layer),以及其間的主動層(active layer)(或稱 為發(fā)光層)。發(fā)光二極管元件的發(fā)光效率高低為取決于主動層的內(nèi)部量 子效率(internal quantum efficiency),以及該元件的光取出效率 (light extraction eff iciency)。增加內(nèi)部量子效率的方法，主要是 改善主動層的長晶質(zhì)量及其磊晶層額的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而增加光取出效率的 關(guān)鍵，則在于減少主動層所發(fā)出的光在發(fā)光二極管內(nèi)部全反射、吸收等 所造成的能量損失。
目前一般氮化鎵發(fā)光二極管元件的正負電極為成型于元件的同一 面。由于正負電極會遮敝光線(因此會降低光取出效率)，所以氮化鎵 發(fā)光二極管目前常采用覆晶式(flip-chip)的結(jié)構(gòu)。第la圖所示為習 知覆晶式發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的剖面示意圈。如圖所示，晶粒ioo的正負電 極(未圖示)是向下面對不透明的基板106和電路板110，然后以凸塊 (bump) 102和焊墊104連接，再由焊墊104以金/鋁導線108和電路板110連接。 一般還會另外在朝向基板106的晶粒100底面鍍上反射層 (未圖示)，以將向下的光線反射朝上射出。采用覆晶式結(jié)構(gòu)的缺點是 金/鋁導線108脆弱易斷，容易在制程及使用過程中斷裂，造成發(fā)光二 極管元件的失效。
發(fā)光二極管另一傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式為表面黏著式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)方 式又可分為支架型與電路板型二種。支架型是利用金屬支架與耐高溫塑 料材料射出成型，作為發(fā)光二極管晶粒固定的基座，而電路板型則是以 復合材料電路板作為發(fā)光二極管晶粒固定的基座，隨后再進行打線、封 膠等動作。第lb圖所示為習知電路板型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的剖面示意圈。 如圖所示，為了將向下的光線反射朝上射出，晶粒100是設(shè)置于壁面具 有金屬電極112與反射層114的凹槽內(nèi)。支架型與電路板型的共同缺點 是不耐高溫，特別是發(fā)光二極管元件與其它電路板線路接合時需過高 溫爐(約250-30(TC)，導致元件容易產(chǎn)生異常不良現(xiàn)象；另外，散熱性 不佳，元件在運作時通常會隨著熱量的累積(尤其是高功率的發(fā)光二極 管)，發(fā)生發(fā)光效率跟質(zhì)量的下降；同時，元件微小化時其反射凹槽基 本上在傳統(tǒng)制程中是很難制作的。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出一種實用可行的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)及其制造方法，來 制備高效率、散熱性佳的發(fā)光元件。
本發(fā)明適用于半導體的發(fā)光元件(例如發(fā)光二極管)，其主要特征 為將半導體發(fā)光元件設(shè)置于一延伸基板上，然后將半導體發(fā)光元件的電 極重新配置于較大之延伸基板上。本發(fā)明除了制造過程相當簡單，極具 工業(yè)價值外，本發(fā)明所提出的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)點
(1) 有效的避免大面積電極遮蔽光線，將半導體發(fā)光元件的發(fā)光面 積有效的裸露出來，提高其光取出效率。
(2) 將原先較小的散熱面積擴大到新的延伸基板上，大幅提升散熱 效果，有效的延長其使用壽命。(3)本發(fā)明利用電極重新配置，有效的增加發(fā)光面積，故可以用較 小的半導體發(fā)光元件得到與原來較大面積半導體發(fā)光元件同樣的發(fā)光 效果，大幅降低生產(chǎn)的成本。
為了使本發(fā)明之上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯，下文特舉本 發(fā)明實施例，并配合所附圖示，作詳細說明如下


圖la所示為公知覆晶式發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的剖面示意圈。
圖lb所示為公知電路板型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的剖面示意圈。
圖2a 2c所示為依據(jù)本發(fā)明第一實施例的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的透視、
剖面、與上視示意圈。
圖3a 3c所示為依據(jù)本發(fā)明第二實施例的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的透視、
剖面、與上視示意圈。
圖4a~4c所示為依據(jù)本發(fā)明第三實施例的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的透視、
剖面、與上視示意圈。
具體實施方式
請注意到，本發(fā)明適用于半導體的發(fā)光元件，例如發(fā)光二極管或是 半導體激光等，但為了簡化起見，以下說明主要是以發(fā)光二極管為例。 第2a 2c圖所示為本發(fā)明第一實施例之發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的透視、剖面、與 上視示意圈。本實施例所適用的發(fā)光二極管晶粒1其p-n-電極為位于晶 粒的上下兩面、且所發(fā)射的光線為可從正反二面透出者。這樣的發(fā)光二 極管晶粒1通常是采用透明、導電性的二極管基板(substrate),如果 發(fā)光二極管晶粒1是采用不透明、或是非導電性的二極管基板，發(fā)光二 極管晶粒1需以化學蝕刻或機械研磨或激光掃瞄方式去除基板，使發(fā)光 二極管晶粒1的磊晶層露出。請注意到，本發(fā)明對于發(fā)光二極管晶粒1 (或是其它類似的發(fā)光元件)所采用的技術(shù)(例如包括各種現(xiàn)存習知的 或未來可能的、如以III-V族及II-VI族的半導體發(fā)光技術(shù))、制造過程、與形狀并不特別設(shè)限。
本發(fā)明接著需提供一導電性的延伸基板2，延伸基板2的材質(zhì)可以 是硅、玻璃、碳化硅、砷化鎵、氮化鎵/鋁、藍寶石、氧化鈹?shù)然衔?晶體、或是金屬、或是具有鉆石/碳化硅膜之晶圓等，延伸基板2本身 可具導電性、或是其一表面設(shè)置有導電層，而延伸基板2該表面的面積 應(yīng)適當?shù)拇笥诰Я?的面積，此外在延伸基板2的適當位置處，預先設(shè) 置有導電性的黏接層3。
如圖示，本發(fā)明接著使用固晶設(shè)備，將晶粒l正面朝下，固著于預 先制作好的黏接層3上。本發(fā)明也可以延伸基板2制作成大片晶圓，然 后將多顆晶粒l固接在晶圓上排列整齊，前后左右距離一致。
接下來，本發(fā)明以半導體鍍膜、黃光微蝕刻等技術(shù)制作絕緣層4。 絕緣層4是涵蓋晶粒1朝上的反面的一部分，然后沿晶粒1 一側(cè)邊表面 向下延伸，最后再沿著延伸基板2的上表面延伸一適當范圍。
本發(fā)明接著再制作晶粒1的電極，其中的第一電極5是以金屬薄膜 與晶粒l朝上的反面、未被絕緣層4覆蓋的部分接合，然后沿著絕緣層 4 一直延伸的延伸基板2上。請注意第一電極5之范圍，除了與晶粒1 接合的部分外，都在絕緣層4的范圍內(nèi)。另外的第二電極6，因為延伸 基板2的導電性則是直接制作在延伸基板2的上表面上的適當位置處。 另外也請注意到，本發(fā)明在沒有犧牲發(fā)光二極管晶粒1的發(fā)光面積下， 大幅增加了電極的面積，除了可以承載更大電流外，連同增大的延伸基 板2，散熱的效果可以大幅的提升。
如前所述，若是將延伸基板2制作成大片晶圓，然后將多顆晶粒l 固接在晶圓上的話，則在完成前述每個晶粒l的第一電極5、第二電極 6后，可接著將這些晶粒1予以切割分離。
接下來，本發(fā)明就可以采用習知的封裝作法，例如在電極5、 6上 制作焊接墊、然后再進行打線、以環(huán)氧樹脂塑模、切割(如果有需要的 話)而完成晶粒l的制備。這些習知的制程在此就不贅述。第3a 3c圖所示為本發(fā)明第二實施例之發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的透視、剖 面、與上視示意圈。其與第2a 2c圖所示的第一實施例結(jié)構(gòu)相同，差別 只在本實施例的第一電極5、第二電極6設(shè)置有垂直貫通電極5、 6與延 伸基板2的穿孔(via)7以便于與其它的電路板建立電氣連結(jié)。其施作的 過程也和前一實施例幾乎完全一樣，不過在第一電極5、第二電極6制 備完成前，先利用鉆孔設(shè)備完成鉆孔7，再進行前述其它的步驟。
第4a 4c圖所示為本發(fā)明第三實施例之發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的透視、剖 面、與上視示意圈。本實施例所適用的發(fā)光二極管晶粒1其電極均位于 其同一面。氮化鎵發(fā)光二極管通常就是采用這種電極配置方式。通常這 類發(fā)光二極管最上層是P形層，而其一側(cè)蝕刻到暴露出N形層，而發(fā)光 二極管的電極即分別形成于P形層和N形層上。
本發(fā)明首先提供一具有導電性或非導電性的延伸基板2，延伸基板 2的材質(zhì)可以是硅、玻璃、碳化硅、砷化鎵、氮化鎵/鋁、藍寶石、氧化 鈹?shù)然衔锞w、或是金屬、或是具有鉆石/碳化硅膜之晶圓等。延伸 基板2的面積應(yīng)適當?shù)拇笥诰Я?的面積。延伸基板2的適當位置處， 預先設(shè)置有導電性或非導電性的黏接層3。
如圖所示，本發(fā)明接著使用固晶設(shè)備，將晶粒l反面朝下(正面朝 上)，固著于預先制作好的黏接層3上。本發(fā)明也可以延伸基板2制作 成大片晶圓，然后將多顆晶粒1固接在晶圓上排列整齊，前后左右距離 一致。 接下來，本發(fā)明以半導體鍍膜、黃光微蝕刻等技術(shù)制作絕緣層4。 絕緣層4的一部份是涵蓋P形層上表面的一部分，然后沿晶粒1 一側(cè)邊 表面向下延伸，最后再沿著延伸基板2的上表面延伸一適當范圍。絕緣 層4的另一部份則是涵蓋N形層上表面的一部分，然后沿晶粒1另一側(cè) 邊表面向下延伸，最后再沿著延伸基板2的上表面延伸一適當范圍。
本發(fā)明接著再制作晶粒1的電極。其中的第一電極5是以金屬薄膜 與晶粒1的P形層上表面、未被絕緣層4覆蓋的部分接合，然后沿著絕緣層4一直延伸的延伸基板2上。請注意第一電極5之范圍，除了與晶 粒l接合的部分外，都在絕緣層4的范圍內(nèi)。另外的第二電極6是以金 屬薄膜與晶粒1的N形層上表面、未被絕緣層4覆蓋的部分接合，然后 沿著絕緣層4一直延伸的延伸基板2上。請注意第二電極6之范圍，除 了與晶粒l接合的部分外，都在絕緣層4的范圍內(nèi)。另外也請注意到， 本發(fā)明在沒有犧牲發(fā)光二極管晶粒1的發(fā)光面積下，大幅增加了電極的 面積，除了可以承載更大電流外，連同增大的延伸基板2，散熱的效果 可以大幅的提升。
如前所述，若是將延伸基板2制作成大片晶圓，然后將多顆晶粒1 固接在晶圓上的話，則在完成前述每個晶粒1的第一、第二電極5、 6 后，可接著將這些晶粒1予以切割分離。
如有需要，也可以和前述實施例一樣在完成電極前制作穿孔7。最 后，完成前述步驟后本發(fā)明就可以采用習知的封裝作法，例如在電極5、 6上制作焊接墊、然后再進行打線、以環(huán)氧樹脂塑模、切割(如果有需 要的話)而完成晶粒l的制備。這些習知的制程在此不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，適用于一半導體晶粒，該半導體晶粒的P、N電極分別位于元件相對之正反二面，該發(fā)光元件結(jié)構(gòu)至少包含一具有導電性的延伸基板，該晶粒正面朝下且以一導電性黏接層固接于該延伸基板的上表面上；一絕緣層，涵蓋該晶粒朝上反面的一部分，然后沿該晶粒一側(cè)邊表面向下延伸，最后再沿著該延伸基板之上表面延伸一適當范圍；一第一電極，與該晶粒朝上之反面且未被該絕緣層覆蓋之部分接合，然后沿著該絕緣層一直延伸到該延伸基板上；以及一第二電極，位于該延伸基板之上表面的適當位置處。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于其延伸基板的材 質(zhì)為硅、玻璃、碳化硅、砷化鎵、氮化鎵/鋁、藍寶石、氧化鈹化合物 晶體、金屬、具有鉆石/碳化硅膜之晶圓的其中一種。
3. 如權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于該延伸基板之材 質(zhì)若不具有導電性，則其上表面將設(shè)置有一導電層。
4. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于該第一、第二電 極至少有一個具有一垂直貫通該電極與該延伸基板的穿孔。
5. —種發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，適用于一正面分別暴露出P電極與N電極的 半導體晶粒，其至少包含有一延伸基板，該晶粒正面朝上且以一黏接層 固接于該延伸基板的上表面上； 一絕緣層，其第一部份涵蓋該晶粒P形 層的一部分，然后沿該晶粒的一個側(cè)邊表面向下延伸，最后再沿著該延 伸基板的上表面延伸一適當范圍，其另一第二部份涵蓋該晶粒N形層的 一部分，然后沿該晶粒的另一側(cè)邊表面向下延伸，最后再沿著該延伸基 板的上表面延伸一適當范圍； 一第一電極，其與該晶粒P形層的上表面、 未被該絕緣層第一部份覆蓋的部分接合，然后沿著該絕緣層第一部份一 直延伸到該延伸基板上；以及一第二電極，與該晶粒N形層的上表面、 未被該絕緣層第二部分覆蓋的部分接合，然后沿著該絕緣層第二部分一 直延伸到該延伸基板上。
6. 如權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于該延伸基板的材 質(zhì)為硅、玻璃、碳化硅、砷化鎵、氮化鎵/鋁、藍寶石、氧化鈹化合物 晶體、金屬或具有鉆石/碳化硅膜之晶圓的其中之一種。
7. 如權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于該第一、第二電 極至少有一個具有一垂直貫通該電極與該延伸基板的穿孔。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于該半導體晶粒是 一種發(fā)光二極管。
9. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其特征在于該半導體晶粒是 一種半導體激光。
10. —種發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，適用于一半導體晶粒，該半導 體晶粒的P、 N電極分位于改元件相對的正反二面，該制造方法至少包 含下列步驟提供一具有導電性的延伸基板；將該晶粒正面朝下且以一 導電性黏接層固接于該延伸基板之一上表面；提供一絕緣層，該絕緣層 涵蓋該晶粒朝上之反面的一部分，然后沿該晶粒的一側(cè)邊表面向下延 伸，最后再沿著該延伸基板的上表面延伸一適當范圍；提供一第一電極， 該第一電極為與該晶粒朝上之該反面、未被該絕緣層覆蓋之部分接合， 然后沿著該絕緣層一直延伸到該延伸基板上；以及提供一第二電極，該 第二電極位于該延伸基板上表面的適當位置處。
11. 如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于 該延伸基板的材質(zhì)為硅、玻璃、碳化硅、砷化鎵、氮化鎵/鋁、藍寶石、 氧化鈹化合物晶體、金屬或具有鉆石/碳化硅膜之晶圓的其中之一種。
12. 如權(quán)利要求11所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于 該延伸基板的材質(zhì)若不具有導電性，則在其上表面提供一導電層。
13. 如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，進一步包含下 列步驟提供至少一穿孔，該穿孔垂直貫通第一、第二電極其中之一以 及該延伸基板。
14. 如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，進一步包含下列步驟若該晶粒采用不透明、或是非導電性的基板，則先將該基板去 除以暴露出該晶粒的磊晶層。
15. 如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于 該半導體晶粒為一種發(fā)光二極管。
16. 如權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于 該半導體晶粒為一種半導體激光。
17. —種發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，適用于一正面分別暴露出P電極與N 電極的半導體晶粒，至少包含下列步驟提供一延伸基板；將該晶粒正面朝 上且以一導電性黏接層固接于該延伸基板的上表面；提供一絕緣層，該絕 緣層之第一部份涵蓋該晶粒P形層的一部分，然后沿該晶粒的一側(cè)邊表 面向下延伸，最后再沿著該延伸基板的上表面延伸一適當范圍，該絕緣 層的另一第二部份涵蓋該晶粒之N形層的一部分，然后沿該晶粒另一側(cè) 邊表面向下延伸，最后再沿著該延伸基板的上表面延伸一適當范圍；提 供一第一電極，該第一電極與該晶粒P形層的上表面、未被該絕緣層第 一部份覆蓋的部分接合，然后沿著該絕緣層第一部份一直延伸到該延伸 基板上；以及提供一第二電極，該第二電極與該晶粒N形層的上表面、 未被該絕緣層第二部分覆蓋的部分接合，然后沿著該絕緣層第二部分一 直延伸到該延伸基板上。
18. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于 該延伸基板的材質(zhì)為硅、玻璃、碳化硅、砷化鎵、氮化鎵/鋁、藍寶石、 氧化鈹化合物晶體、金屬或具有鉆石/碳化硅膜之晶圓的其中之一種。
19. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，進一步包含下 列步驟提供至少一穿孔，該穿孔垂直貫通該第一、第二電極其中之一 以及該延伸基板。
20. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該半導體晶粒為一種發(fā)光二極管。
21. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于該半導體晶粒為一種半導體激光。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高效率、低成本的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)及其制造方法，是將半導體發(fā)光元件設(shè)置于一大面積的延伸基板上，然后將半導體發(fā)光元件的電極重新配置于較大的延伸基板上，以有效避免大面積電極遮蔽光線，同時因其散熱路徑能有效擴大到較大面積的延伸基板上，故可有效的延長其使用壽命；另一方面，本發(fā)明的制程相當簡單，極具工業(yè)價值。
文檔編號H01L23/48GK101308886SQ20071004073
公開日2008年11月19日 申請日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者莊坤儒 申請人:莊坤儒