發光二極體元件和發光系統及其發光二極體元件製作方法

2023-06-18 23:32:31

專利名稱：發光二極體元件和發光系統及其發光二極體元件製作方法
技術領域：
本發明關於一種發光二極體元件和發光系統及其發光二極體元件製作方法；特別關於 一 種以自行對準晶片切割技術(self-aligned wafer singulation technique)製作的發光二才及管元件。
背景技術：
傳統發光二極體元件的製造方法於藍寶石(sapphire)或碳化矽(SiC)晶 片成長例如氮化鎵銦鋁(AlInGaN)磊晶層，該氮化鎵銦鋁蟲晶層至少包含N型 及P型磊晶層以及介於兩者間的發光層，晶片並經處理以分別提供歐姆接觸 (ohmic contacts)予N型及P型磊晶層，接著使用晶片切割技術以從晶片上 分離發光二極體晶粒。圖IA為傳統發光二極體晶粒成長於晶片上的俯視示意 圖，圖1B為沿圖1A的A-A線的剖面示意圖及圖IC為沿B-B線的剖面示意圖。 參見圖IB所示，傳統發光二極體晶粒10的結構至少包含一基底100例如藍 寶石、碳化矽或其它材料、一 N型半導體層101磊晶成長於該基底100上、 一半導體發光層102磊晶成長於該N型半導體層101及一 P型半導體層103 磊晶成長於該半導體發光層102上，並且於該N型半導體層101及P型半導 體層103上方分別形成N型接觸層104及P型接觸層105，以提供歐^f接觸予 該N型接觸層104及P型接觸層105。復請參見圖1A，傳統的晶片切割技術 於晶片上依序執行刻劃(scribing)、斷裂(breaking)及分離步驟，以將發光 二極體晶粒10從基底100上分離。但在基底100上進行刻划動作之前，會使 用光刻及刻蝕工藝先在基底10 0上相鄰發光二極體晶粒10之間形成渠溝式的 切割道(street)106,以在所述這些切割道106上形成刻劃線107。這些切割 道106可刻蝕至發光二極體晶粒10內部的半導體磊晶層或刻蝕至基底100表 面(參見圖1B及圖1C所示)。接著，沿著這些切割道106以機械性方法或激it《寸戈'J^"^ (mechanical scriber or laser scriber) f H 100 JLiibfft寸戈'J， 以形成刻劃線(scribe line) 107。這些刻劃線107可形成於具有發光二極體 晶粒10的基底正面或基底背面。之後，進行斷裂及分離步驟，基底IOO即會 沿著這些刻劃線107產生斷裂，並通過分離步驟，使這些發光二極體晶粒IO 沿著斷裂處乂人基底100上分離，以完成發光二極體元件的製作。復請參見圖1A，基底100上切割道106的寬度通常約為40至50微米， 由於這些切割道106佔據相鄰的i光二極體晶粒10周緣面積lb，使得每一顆 發光二極體晶粒10從面積la縮減為面積la，，而減少其發光面積，因而對該 發光二極體晶粒10的發光效率有不利影響。傳統的發光二極體晶粒呈正方形幾何形狀，其尺寸大小可為14 x 14密 爾(mil)、 24 x 24密爾或40 x 40密爾。但近年來，使用發光二極體晶粒做 為液晶顯示器的背光源的機率不斷提高，特別是應用在可攜式電子產品上。 由於這些可攜式電子產品愈做愈輕薄短小，使得其液晶顯示器的導光板 (waveguide)厚度愈做愈薄，而發光二極體晶粒為配合該導光板厚度，其幾何 形狀也朝向長方形來製作。晶片上所述這些切割道佔據相鄰長方形發光二才及 管晶粒的周緣面積會大於其佔據正方形發光二極體晶粒的周緣面積。因此， 上述傳統的晶片切割技術對於現今採用長方形幾何形狀的發光二極體晶粒的 發光效率十分不利。 發明內容本發明的一目的是提供一種發光二極體元件，在該發光二極體元件周緣 至少一方向上未刻蝕切割道(streets),使得該發光二極體元件的半導體疊層 可延伸至該發光二極體元件未刻蝕有切割道的周緣，進而增加該發光二極體 元件的發光面積，以提高其發光效率。本發明的另一目的是提供一種發光二極體元件製作方法，其以晶片上發 光二極體晶粒的電極做為形成刻劃線(scribing line)的對準標記(alignment mark),使晶片上至少一方向上無需預先刻蝕切割道，可增加每一顆發光二極體晶粒佔據晶片的面積，進而提高其發光效率。為達上述目的，本發明提供一種發光二極體元件，其包括一基底、 一半 導體疊層、 一具有第一導電性接觸層及一具有第二導電性接觸層。該半導體 疊層形成於基底的一第 一表面，半導體疊層包含一具有第 一導電性半導體層、 一具有第二導電性半導體層及一半導體發光層介於前述兩者之間。具有第一導電性接觸層電性連接至具有第 一導電性半導體層，及具有笫二導電性接觸 層電性連接至具有第二導電性半導體層，而半導體疊層朝至少 一方向延伸至 該發光二極體元件的周緣。另一方面，本發明提供一種發光二極體元件製作方法，其包括提供一基 底，形成一半導體疊層於該基底的一第一表面上，該半導體疊層包含一具有 第 一導電性半導體層、 一具有第二導電性半導體層及一半導體發光層介於前 述兩者之間，該半導體疊層對應發光二極體元件周緣處在至少一方向上未刻蝕有切割道(streets),及形成一具有第一導電性接觸層於該具有第一導電性 半導體層上，以及形成一具有第二導電性接觸層於該具有第二導電性半導體 層上。綜上所述，本發明方法使發光二極體元件的半導體疊層在至少一方向上 可延伸至其周緣，增加其佔據晶片的面積。本發明方法可在不增加製造成本 的情況下，增加發光二極體元件的發光面積，進而提高其發光效率。


圖1A為傳統發光二極體晶粒成長於晶片上的俯視示意圖； 圖1B為圖1A沿A-A線的剖面示意圖； 圖1C為圖1A沿B-B線的剖面示意圖；圖2A為本發明笫一具體實施例的發光二極體晶粒成長於晶片上的俯視示 意圖；圖2B為圖2A沿I-1線的剖面示意圖；圖2C為圖2A沿n-n線的剖面示意圖；圖3A為本發明第二具體實施例的發光二極體晶粒成長於晶片上的俯視示 意圖；圖3B為圖3A沿III-III線的剖面示意圖； 圖3C為圖3A沿IV-IV線的剖面示意圖；圖4為本發明笫一具體實施例的發光二極體晶粒的俯視示意圖； 圖5為本發明發光二極體晶粒與傳統發光二極體晶粒的發光強度分布比 較圖；圖6A及圖6B為本發明第一具體實施例的一變化例的剖面示意圖，分別 對應圖2B及圖2C;圖7A及圖7B為本發明第二具體實施例的一變化例的剖面示意圖，分別 對應圖3B及圖3C;圖8A及圖8B為本發明第一具體實施例的另一變化例的剖面示意圖，分 別對應圖2B及圖2C;圖9A及圖9B為本發明第二具體實施例的另一變化例的剖面示意圖，分 別對應圖3B及圖3C;圖IOA及圖IOB為本發明笫一具體實施例的又另一變化例的剖面示意圖， 分別對應圖2B及圖2C;圖IIA及圖11B為本發明第二具體實施例的另一變化例的剖面示意圖， 分別對應圖3B及圖3C。主要元件符號說明10、 20、 30——發光二極體晶粒22、 32——反射片24、 34——金屬層100、 200、 300----基底101——N型導體層 102--—半導體發光層103——P型半導體層 104——N型接觸層105——P型接觸層 106、 206——切割道107、 207、 306——刻劃線201、 301--—具有笫一導電性半導體層202、 302——半導體發光層203、 303——具有第二導電性半導體層204、 304——具有第一導電性接觸層205、 305——具有第二導電性接觸層208——透光介電層 209——金屬層222——第一透光介電層 224——第二透光介電層307——透光介電層 308——金屬層3"——第三透光介電層 324——第四透光介電層具體實施方式
本發明提供一種自行對準晶片切割方法(self-aligned wafer singulation method),可在晶片上至少 一方向上無需預先刻蝕切割道 (streets)以分離晶片上的發光二極體晶粒。本發明方法可選擇在晶片上至少 一方向上無需預先刻蝕切割道，例如選擇晶片上至少沿最容易斷裂的晶格方 向上無需預先刻蝕切割道，或者在晶片的二方向上都無需預先刻蝕切割道。 由於晶片面積沿至少一方向上未被刻蝕切割道佔據，故可增加每一顆發光二 極管晶粒佔據的晶片面積，進而增加其發光面積，使本發明製作的發光二極 管元件的發光效率提高。本發明的發光二極體元件和發光系統及其發光二極體元件製作方法通過 以下具體實施例配合所附圖式，將予以詳細說明如下。圖2A為本發明第一具體實施例的發光二極體晶粒成長於晶片上的俯視示 意圖，圖2B為沿圖2A的I-I線的剖面視意圖，及圖2C為沿圖2A的II-II 線的剖面^見意圖。參見圖2A所示，本發明第一具體實施例中僅在晶片上平行 II-II線的方向上預先刻蝕切割道206，使得每一顆發光二極體晶粒20的周頁緣面積僅在平行II-II線的方向被切割道206佔據，而在平行I-I線的方向 上，該發光二極體晶粒20的半導體疊層可延伸至周緣，進而使發光二極體晶 粒20擁有發光面積lc,其大於圖1A所示傳統發光二極體晶粒10的發光面積 la，。參見圖2B及圖2C所示，發光二極體晶粒20的結構至少包含一基底200、 一半導體疊層、一具有第一導電性接觸層204及一具有第二導電性接觸層205。 該半導體疊層形成於基底200的一第一表面，半導體疊層包含一具有第一導 電性半導體層201例如N型半導體層、 一具有第二導電性半導體層203例如P 型半導體層及一半導體發光層202介於前述兩者之間。具有第一導電性接觸 層204例如是第一導電性電極層電性連接至具有第一導電性半導體層201，及 具有第二導電性接觸層205例如是第二導電性電極層電性連接至具有第二導 電性半導體層203。如圖2C所示該半導體疊層沿平行II-II線的方向延伸至 發光二極體晶粒20的周緣，但如圖2B所示，發光二極體晶粒20周緣沿平行 I-I線的方向被刻蝕至基底200表面，以形成切割道206於周緣處。圖4為發 光二極體晶粒20的俯視示意圖，在本發明中，較佳地，具有第一導電性接觸 層204及具有第二導電性接觸層205形成於發光二極體晶粒20的中央區域， 以避免在基底200上執行刻劃(scribing)步驟以於相鄰發光二極體晶粒20之 間形成刻劃線時損壞到具有第一導電性接觸層204及具有第二導電性接觸層 205,進而可防止本發明製作的發光二極體元件產生漏電流。本發明以自行對準晶片切割技術(self-aligned wafer singulation technique)從基底200上分離這些發光二極體晶粒20,其以這些發光二極體 晶粒20上的電極即具有第一導電性接觸層204及具有笫二導電性接觸層205 做為具有刻劃圖案掩膜(mask with a scribing pattern)的對準標記，以在 基底200的正面或背面形成刻劃線207。在本發明第一具體實施例中，在基底 200上形成刻劃線207之前，先在基底200上沿平行II-II線的方向上以光刻 及刻蝕工藝先形成切割道206於相鄰發光二極體晶粒20周緣處。這些切割道 206可刻蝕至基底200表面(如圖2B所示)或發光二極體晶粒20的半導體疊層內部。在基底200上完成刻劃線207之後，接著採用傳統的斷裂(breaking) 及分離技術，即可將這些發光二極體晶粒20沿著這些刻劃線207從基底200 分離。圖6A及圖6B為本發明發光二極體晶粒20的一變化例，在發光二極體晶 粒20的基底200相對半導體疊層的另一表面形成一反射片，通過該反射片的 設計，使穿透基底200的大部分發射光於基底200與反射片的接口產生全反 射，藉以使朝向該基底200的發射光被導引朝晶粒正面發光，進而提高發光 二極體晶粒20的光輸出率，以利於增加晶粒發光強度。該反射片具有至少一 透光介電層208相鄰於基底200及至少一金屬層209，並且透光介電層208具 有一折射係數小於基底200及具有一足夠厚度例如至少0.1微米(Min),藉以 4t發光二極體晶粒20朝向該基底200的大部分發射光於基底200與透光介電 層208的接口產生全反射，增加其朝向晶粒正面發光的機會。圖8A及圖8B為本發明發光二極體晶粒20的另一變化例，在發光二極體 晶粒20的基底200相對半導體疊層的另一表面形成類似一布拉格反射器的反 射片22。反射片22由複數層笫一透光介電層222及第二透光介電層224交互 堆棧組成，其中第一透光介電層222的折射係數小於基底200的折射係數， 而第二透光介電層224的折射係數大於第一透光介電層222的折射係數，並 且第一透光介電層222及第二透光介電層224的厚度為四分之一波長(在此波 長指發光二極體晶粒20的發光波長)。換句話說，反射片22由複數層第一透 光介電層222及第二透光介電層224交互堆棧組成，並且這些透光介電層兩 兩之間的折射係數呈高低周期性變化。反射片22設計成類似一布拉格反射器， 可將朝向基底200的發射光反射回去，以提高發光二極體晶粒20的光輸出率。圖10A及圖10B為本發明發光二極體晶粒20的又另一變化例，其在發光 二極體晶粒20的基底200相對該半導體疊層的另一表面形成類似布拉格反射 器的反射片22之外，又在反射片22相對基底200的另一表面形成至少一金 屬層24,以進一步將穿透反射片22的發射光反射回去。圖3A為本發明第二具體實施例的發光二極體晶粒成長於晶片上的俯視示 意圖，圖3B為沿圖3A的III-III線的剖面視意圖，及圖3C為沿圖3A的IV-IV 線的剖面視意圖。參見圖3A所示，在第二具體實施例中，並未在基底300上 預先刻蝕切割道，而直接以基底300上發光二極體晶粒的電極層做為具有刻 劃圖案掩膜的對準標記，而在基底300的正面或背面形成刻劃線306，接著再 執行斷HA分離步驟，以將這些發光二極體晶粒30從基底300分離。由於未 在基底300上預先刻蝕切割道，因此這些發光二極體晶粒30的周緣面積不會 被刻蝕切割道佔據，使得這些發光二極體晶粒30擁有刻劃線306所界定的完 整晶片面積la。圖1A所示傳統發光二極體晶粒10周緣面積被切割道106所 佔據，使發光二極體晶粒10的面積la，小於刻劃線107所界定的面積la。故 本發明發光二極體晶粒30相較於傳統發光二極體晶粒10會擁有較大發光面 積。參見圖3B及圖3C所示，發光二極體晶粒30的結構至少包舍一基底300、 一半導體疊層、一具有第一導電性接觸層304及一具有第二導電性接觸層305。 該半導體疊層形成於基底300的一第一表面，該半導體疊層包含一具有第一 導電性半導體層301例如N型半導體層、 一具有第二導電性半導體層303例 如P型半導體層及一半導體發光層302介於前述兩者之間。具有第一導電性 接觸層304例如是第一導電性電極層電性連接至具有第一導電性半導體層 301，及具有第二導電性接觸層305例如是第二導電性電極層電性連接至具有 第二導電性半導體層303。如圖3C所示該半導體疊層沿平行IV-IV線的方向 延伸至發光二極體晶粒30兩端的周緣，但如圖3B所示，該半導體疊層沿平 行III-III線方向僅延伸至發光二極體晶粒30—端的周緣。圖7A及圖7B為本發明發光二極體晶粒30的一變化例，在發光二極體晶 粒30的基底300相對該半導體疊層的另一表面形成一反射片，該反射片的設 計與圖6A及圖6B的反射片的設計一樣，具有至少一透光介電層307及至少 一金屬層308。圖9A及圖9B為發光二極體晶粒30的另一變化例，在發光二 極管晶粒30的基底300相對該半導體疊層的另一表面形成類似一布拉格反射器的反射片32。反射片32的設計與圖8A及圖8B的反射片22設計一樣，由 複數層第三透光介電層322及第四透光介電層324交互堆棧組成。圖IIA及 圖11B為本發明發光二極體晶粒30的又另一變化例，其在發光二極體晶粒30 的基底300相對該半導體疊層的另一表面形成類似布拉格反射器的反射片32 夕卜，又在反射片32相對基底300的另一表面形成至少一金屬層34,以進一步 將穿透反射片32的發射光反射回去。本發明自行對準晶片切割技術製作的發光二極體晶粒可接著進行封裝工 藝，以形成具有封裝結構的發光二極體元件。本發明具有封裝結構的發光二 極管元件即可應用在各種發光系統做為其光源，例如可應用在液晶顯示器的 背光源上。圖5為本發明自行對準晶片切割技術製作的發光二極體元件相對於以刻 蝕切割道定義面積的傳統發光二極體元件的發光強度分布比較圖。從圖中可 明顯看出，就本發明發光二極體晶粒而言，每六千顆晶粒中佔58°/。比例的晶粒 其發光強度分布在160-170 (mcd)之間，而每六千顆傳統發光二極體晶粒中僅 佔18%比例的晶粒發光強度分布在160-170 (mcd)之間。因此可清楚看出，本 發明提供的自行對準晶片切割技術可在不增加製造成本的情況下增加發光二 極管晶粒的面積，進而大為提高其發光效率。以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並非用以限定本發明的申請專 利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均 應包含在申請專利範圍內。
權利要求
1. 一種發光二極體元件，其特徵在於，所述發光二極體元件包括一基底；一半導體疊層，形成於所述基底的一第一表面，所述半導體疊層包含一具有第一導電性半導體層、一具有第二導電性半導體層及一半導體發光層介於前述兩者之間；一具有第一導電性接觸層電性連接至所述具有第一導電性半導體層；及一具有第二導電性接觸層電性連接至所述具有第二導電性半導體層；其中所述半導體疊層朝至少一方向延伸至所述發光二極體元件的周緣。
2. 根據權利要求1所述的發光二極體元件，其特徵在於，還包舍一反射 片形成於所述基底相對於所述半導體疊層的一第二表面。
3. 根據權利要求2所述的發光二極體元件，其特徵在於，自所述第二表 面起，所述反射片具有至少一透光介電層及至少一金屬層，所述透光介電層 具有一折射係數小於所述基底的折射係數。
4. 根據權利要求3所述的發光二極體元件，其特徵在於，所述透光介電 層的厚度至少為0. l微米。
5. 根據權利要求2所述的發光二極體元件，其特徵在於，所述反射片具 有複數層透光介電層，所述這些透光介電層兩兩之間的折射係數呈高低周期 性變化。
6. 根據權利要求5所述的發光二極體元件，其特徵在於，與所述基底相 鄰的一所述透光介電層的折射係數小於所述基底的折射係數。
7. 根據權利要求5所述的發光二極體元件，其特徵在於，還包含至少一 金屬層形成於距所述基底最遠端的一所述透光介電層的一表面上。
8. 根據權利要求1所述的發光二極體元件，其特徵在於，所述發光二極 管元件具有一封裝結構。
9. 根據權利要求8所述的發光二極體元件，其特徵在於，還包舍一反射 片形成於所述基底相對於所述半導體疊層的一第二表面。
10. 根據權利要求9所述的發光二極體元件，其特徵在於，自所述第二表 面起，所述反射片具有至少一透光介電層及至少一金屬層，所述透光介電層 具有一折射係數小於所述基底的折射係數。
11. 根據權利要求8所述的發光二極體元件，其特徵在於，所述反射片具有複數層透光介電層，所述這些透光介電層兩兩之間的折射係數呈高低周期 性變化。
12. —種具有至少一發光二極體元件的發光系統，其特徵在於，所述發光 二極體元件包括一基底；一半導體疊層，形成於所述基底的一第一表面，所述半導體疊層包含一 具有笫一導電性半導體層、 一具有第二導電性半導體層及一半導體發光層介於前述兩者之間；一具有第 一導電性接觸層電性連接至所述具有第 一導電性半導體層；及 一具有第二導電性接觸層電性連接至所述具有第二導電性半導體層；其中所述半導體疊層朝至少一方向延伸至所述發光二極體元件的周緣。
13. 根據權利要求12所述的具有至少一發光二極體元件的發光系統，其 特徵在於，還包含一反射片形成於所述基底相對於所述半導體疊層的一第二 表面。
14. 根據權利要求13所述的具有至少一發光二極體元件的發光系統，其 特徵在於，自所述第二表面起，所述反射片具有至少一透光介電層及至少一 金屬層，所述透光介電層具有一折射係數小於所述基底的折射係數。
15. 根據權利要求13所述的具有至少一發光二極體元件的發光系統，其 特徵在於，所述反射片具有複數層透光介電層，所述這些透光介電層兩兩之 間的折射係數呈高低周期性變化。
16. 根據權利要求15所述的具有至少一發光二極體元件的發光系統，其 特徵在於，與所述基底相鄰的一所述透光介電層的折射係數小於所述基底的 折射係數。
17. 根據權利要求15所述的具有至少一發光二極體元件的發光系統，其 特徵在於，還包含至少 一金屬層形成於距所述基底最遠端的 一所述透光介電 層的一表面上。
18. —種發光二極體元件製作方法，其特徵在於，所述發光二極體元件制 作方法包括如下步驟提供一基底；形成一半導體疊層於所述基底的一第一表面上，所述半導體疊層包含一 具有第 一導電性半導體層、 一具有第二導電性半導體層及一半導體發光層介於前述兩者之間，所述半導體疊層對應所述發光二極體元件周緣處在至少一 方向上未刻蝕有切割道；—形成一具有第 一導電性接觸層於所述具有第 一導電性半導體層上；及形成一具有第二導電性接觸層於所述具有第二導電性半導體層上。
19. 根據權利要求18所述的發光二極體元件製作方法，其特徵在於，還 包含形成一反射片於所述基底相對於所述半導體疊層的一第二表面上。
20. 根據權利要求19所述的發光二極體元件製作方法，其特徵在於，自 所述第二表面起，所述反射片具有至少一透光介電層及至少一金屬層，所述 透光介電層具有一折射係數小於所述基底的折射係數。
21. 根據權利要求18所述的發光二極體元件製作方法，其特徵在於，所 述反射片具有複數層透光介電層，所述這些透光介電層兩兩之間的折射係數 呈高低周期性變化。
22. 根據權利要求21所述的發光二極體元件製作方法，其特徵在於，與所述基底相鄰的一所述透光介電層的折射係數小於所述基底的折射係數。
23. 根據權利要求21所述的發光二極體元件製作方法，其特徵在於，還包含至少一金屬層形成於距所述基底最遠端的一所述透光介電層的一表面 上。
全文摘要
本發明提供一種發光二極體元件和發光系統及其發光二極體元件製作方法。以自行對準晶片切割技術(self-aligned wafer singulation technique)製作的發光二極體元件，其以晶片上每一顆發光二極體晶粒的電極作為該晶片上形成刻劃線(scribing lines)的對準標記(alignment mark)，而無需在晶片上相鄰發光二極體晶粒之間至少沿一方向預先刻蝕出切割道(scribing street)。通過本發明，發光二極體晶粒周緣面積在至少一方向上不被切割道佔據，故可增加發光二極體晶粒的發光面積，而提高其發光效率。
文檔編號H01L33/00GK101257071SQ20071008613
公開日2008年9月3日 申請日期2007年3月2日 優先權日2007年3月2日
發明者恆 劉, 莫慶偉 申請人:普瑞光電股份有限公司