一種鍍有金屬反射鏡膜基板的發光二極體及其製造方法
2023-05-11 23:37:51 3
專利名稱：一種鍍有金屬反射鏡膜基板的發光二極體及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種鍍有金屬反射鏡膜基板的發光二極體及其製造方法，其以具金屬反射面基板為永久基板的發光二極體，將LED組件結構成長於一暫時性基板後，再將此LED組件黏貼至一當作永久性具反射鏡的基板上，而後將先前會吸光的暫時性基板去除，使得LED組件所發射的光能不被基板吸收，同時向基板方向的光可被反射出表面以增強其發光亮度。
目前可見光發光二極體的發展趨勢為發光二極體的發光亮度越來越亮，發光二極體的體積越來越小。
美國專利第5008718號及第5233204號中披露出一種具穿透窗層(transparent window layer)結構的發光二極體，此種發光二極體可以改善傳統發光二極體的電流擁塞效應(crowding effect)和增加光從發光二極體射出的量，結果，使得發光二極體的發光亮度有顯著的提升。
另外，美國專利第5237581號和第4570172號提出一種具有半導體多層膜反射層(multilayer reflector)，即多層反光磊晶膜DBR(Distributed Bragg Reflector)結構的發光二極體，此種發光二極體可以將射往吸光基板的光反射回來，使其射出發光二極體，而增加發光二極體的發光亮度。
圖1為傳統發光二極體的橫截面圖，發光二極體100包含一半導體基板102、一形成在半導體基板102背面的第二歐姆接觸電極101、一形成在半導體基板102上的光產生區103、及一形成在光產生區103上的第一歐姆接觸電極106。此種結構的發光二極體，因受限於電流擁塞效應，射出光臨界角和基板吸光等因素，致使發光亮度並不是很理想，該等光產生區103可由p區域及n區域所組成，然後長在GaAs基板102上，因此，光產生區103的材料的晶格常數需大部份與砷化鎵基板102的晶格常數匹配，即可見光發光二極體結構直接成長於砷化鎵基板102上，然而砷化鎵的能隙為1.43eV，小於可見光的能量，又二極體的光為非等向性發光，因此有一部份發光光線會進入基板，被砷化鎵吸收。
美國專利第5008718號和第5233204號提出穿透窗層的結構，以增加光從發光二極體射出的量，如圖2所示，發光二極體200的結構乃是將穿透窗層204成長在圖1結構的發光二極體100上，該穿透窗層204適合的材料包含GaP，GaAsP和AlGaAs等能隙大於AlGaInP光產生區的材料，在此情形下，雖然可以增加射光臨界角和改善電流擁塞效應，而提升發光二極體的發光亮度，但是在電性方面，因為穿透窗層204和AlGaInP光產生區的最上層材料為異質接面(hetero junction)，所以會有能帶差(ΔEc和ΔEv)的問題產生，而使得發光二極體的順向偏壓Vf值增加(Vf的定義為當發光二極體在通過20mA的順向電流時，所量測到的電壓值)，最後造成功率損耗增加。
至於美國專利第5237581號和第4570172號所提出的具有多層膜反射層結構的發光二極體300，此種結構示於圖3，圖3的結構包含一半導體基板302、一形成在半導體基板302上的下多層膜反射層305、一形成在下多層膜反射層305上的光產生區303、一形成在光產生區303上的上多層膜反射層304、一形成在上多層膜反射層304上的第一歐姆接觸電極306，及一形成在半導體基板302背面的第二歐姆接觸電極301，在此公知技術中，下多層膜反射層305能將光產生區射往吸光基板的光的90％反射回去，而上多層膜反射層304則可將光導往發光二極體的上表面，以改善因採用吸光基板致使光被吸光基板吸收的問題，同時也可以改善因射光臨界角所產生亮度不佳的問題，但是，因為多層膜反射層會有許多的異質接面(hetero junction)，所以會使得能帶差(ΔEc和ΔEv)的效應擴大，結果，順向偏壓Vf值大增，同樣地，最後會造成功率損耗增加。
雖然，上述美國專利第5237581及第4570172號中提出的DBR結構將入射至基板方向的光以DBR結構反射回上方表面，但是DBR只對垂直入射的光(如圖3中的D1)產生最高的反射率，對於某些斜向入射的光線(如圖3中的D2、D3、D4)，其反射率有限，因此其對於可見光二極體亮度的改進仍有其限制，反而會因DBR結構的製作而增加薄膜磊晶成長的成本與困難度。
美國專利第5376580號中披露一種晶圓黏著的發光二極體，其系將砷化鎵基板當做磊晶用的暫時性基板，將發光二極體結構(Confinementlayer/Active layer/Confinement layer)成長，再將發光二極體結構黏貼至一透明基板上，而後將GaAs基板去除，如此一來，基板吸光的問題即可完全解決。上述美國專利第5376580號提出的透明基板為GaP，可是GaP基板價格昂貴，且GaP本身呈現橙色，當LED的光進入橙色基板則存在光色度的問題，而且以GaP當作透明基板，需於高溫下長時間進行熱處理(約600-700℃，時間一小時以上)，對LED的pn接面將造成不良影響。
本發明的主要目的是提供一種鍍有金屬反射鏡膜的基板作為永久性基板的發光二極體，例如以鍍AuZn或AuBe(金鋅或金鈹)的金屬反射鏡膜於矽晶圓上當做永久基板，並以此金鋅或金鈹金屬反射鏡膜當做黏貼劑，將LED組件黏貼至此鍍金鋅或金鈹金屬反射膜的矽晶圓，待黏貼後，再用蝕刻劑將GaAs基板去除，如此一來，基板吸收光，光色度的問題與LED的pn接面受溫度影響的問題即可完全解決，並可提高發光亮度。
本發明的另一目的是提供一種鍍有金屬反射鏡膜的基板作為永久性基板的發光二極體，此種以鍍金屬反射鏡膜的基板作為永久性基板的發光二極體的發光區可為任何傳統發光區結構，例如，上披覆層(uppercladding layer)/活性層(active layer)/下披覆層(lower claddinglayer)的雙異質結構(Double hetero structure)發光區、單異質結構(Single hetero structure)發光區及均質結構(Homo structure)發光區，本發明以鍍金屬反射鏡膜的基板作為永久性基板的結構可應用至各種傳統的發光區，用途極為廣泛。
本發明的第三目的是提供一種鍍有金屬反射鏡膜的基板作為永久性基板的發光二極體的製造方法，該方法包括選擇一個暫時性基板如砷化鎵，其上成長LED組件；選擇一鍍金屬反射鏡膜的基板，如鍍金鋅或金鈹金屬反射鏡膜的矽晶圓當作永久性基板且將LED發光區及暫時性基板(即LED組件)黏貼於此永久性基板上；將黏貼LED組件的暫時性基板以機械研磨或化學性蝕刻法去除；再於LED發光區上形成兩歐姆接觸電極。本發明的製造方法能增加發光二極體的發光亮度。
本發明的第四目的是提供一種使用上述方法製作的發光二極體的黏貼夾具，此夾具是利用夾具中兩者材料熱膨脹係數的不同，使晶片及永久性基板在高溫下黏合在一起。本發明黏貼夾具的特色系以不鏽鋼螺絲取代石英套管，由於不鏽鋼的熱膨脹係數比石墨的熱膨脹係數大，於進行高溫黏貼過程中，不鏽鋼將是扮演施力的角色。
圖1為傳統發光二極體的橫截面圖。
圖2為傳統具有穿透窗嘴層的發光二極體的橫截面圖。
圖3為傳統具有多層膜反射層結構的發光二極體。
圖4A至圖4D為本發明的LED組件黏貼至鍍有金屬反射鏡膜的永久性基板上以製作出本發明發光二極體的流程圖。
圖5為本發明一具體實例的LED組件的剖面結構圖。
圖6為本發明的LED組件黏貼至鍍有金屬反射鏡膜的永久性基板的流程圖。
圖7為本發明的黏貼夾具的剖面圖。
圖中100 200發光二極體101 201第二歐姆接觸電極102 202半導體基板103 203光產生層106 206第一歐姆接觸電極200發光二極體204穿透窗層300發光二極體301第二歐姆接觸電極302半導體基板303光產生區304上多層膜反射層305下多層膜反射層
306第一歐姆接觸電極41 LED發光區411第一平面電極412第一平面電極42 暫時性基板43 金屬黏貼層44 永久性基板52 發光區521上披覆層522活性層523 下披覆層524 接觸層525 蝕刻停止層526 緩衝層53 GaAs基板61 清洗永久性基板62 清洗LED晶片63 以熱蒸鍍方式鍍金屬黏貼層64 於水、空氣或酒精中黏貼65 置入夾具且進行熱處理66 去除晶片對上GaAs基板並蝕刻及鍍p、n電極形成歐姆接觸，以製成平面型LED組件7黏貼夾具71 不鏽鋼螺絲72 石墨舟上蓋73 石墨圓柱74 晶片對75 石墨片76 石墨舟下艙本發明系將LED組件結構沉積於一暫時性基板後，再將LED組件黏貼至一當作永久性基板、鍍有金屬反射鏡膜的矽晶圓之上，而後將先前會吸光的暫時性基板去除，使得LED組件所發射的光能不被基板吸收並向上反射，以增強其發光亮度，應用此發明技術的LED組件如圖5所示，而LED組件黏貼至永久性基板的流程圖繪示於圖6。
本發明為一種具鍍金屬反射鏡膜的基板，如鍍金鋅或金鈹的矽晶圓作為永久性基板的發光二極體的製造方法，包括(A)選擇一暫時性基板42，使得於此暫時性基板42上成長LED發光區41，以形成LED組件；(B)選擇一永久性基板44，於該永久性基板44鍍上金屬反射膜43，並以該金屬反射膜43作為一金屬黏貼層，將該LED組件黏貼於該永久性基板44上；(C)將暫時性基板42以機械研磨或化學蝕刻劑去除；(D)製作出平面型LED組件，其基板為該永久性基板44；(E)在平面型LED組件上形成歐姆接觸電極411、412。
其中，如使用金屬黏貼層做為LED接觸電極，可將金屬黏貼層43代替歐姆接觸電極。
而且，該暫時性基板41是選自GaAs或InP；該永久性基板44是選自矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2O3)、玻璃、磷化鎵(GaP)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)或其它可代替的基板，但其中以高熱傳導係數如矽(Si)、氧化鋁(Al2O3)等效果最好；該金屬反射膜(金屬黏貼層)是選自銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、白金(Pt)、鉛(Pb)、鉛錫(PbSn)、金鈹(AuBe)、金鋅(AuZn)、金鍺(Au-Ge)、鎳(Ni)；該蝕刻劑是由氨水及雙氧水、水所組成；該LED組件可為p/n接面或n/p接面，LED發光區與基板間有蝕刻停止層(etching stop layer)525，使得基板可有效去除，該蝕刻停止層的材料主要為抗基板蝕刻液的材料且與暫時性基板的材料不同，如AlxGa1-xAs，x＞0.2或InxGa1-xP，0.55＞X＞0.45。
本發明的實施例技術內容如下。
(1)當進行LED組件(41，42)黏貼至以矽晶圓作為永久性基板44，且鍍金屬反射鏡膜於該永久性基板44，該矽晶圓永久性基板44必需先清洗乾淨；將該永久性基板44置於丙酮中，以超音波振蕩器清洗5分鐘，去除該永久性基板44的粉塵及油脂，而後以H2SO4H2O2H2O於90-100℃的溫度下清洗約10分鐘，目的為去除該永久性基板44上的有機物與重金屬，而後以熱蒸鍍、電子槍蒸鍍或濺鍍法，鍍上金屬反射鏡膜，並以此金屬反射鏡膜當作金屬黏貼層43。在本發明的一具體實例中，該LED組件的詳細結構如圖5所示。
(2)於LED組件進行黏貼時，亦需先將LED組件表面汙染洗淨；將LED組件置於丙酮內以超音波振蕩器清洗5分鐘，去除粉塵，而後以稀釋的HF清洗，去除LED組件表面的氧化層。
(3)將清洗乾淨的LED組件與具鍍金屬黏貼層43的矽晶圓永久性基板44於水、空氣或酒精中進行黏貼，而後選擇適當的黏貼夾具，將LED組件與鍍有金屬黏貼層43的永久性基板44放置於夾具中，請參閱圖4A。夾具的結構請參閱圖7。
(4)將置於夾具中的LED組件41、42與鍍有金屬黏貼層43的矽晶圓永久性基板44進行熱處理，溫度約300-450℃時間約10-20分鐘，再自然降溫，請參閱圖4B。
(5)將經熱處理後的黏貼成功的樣品(LED組件與鍍金屬黏貼層43的矽晶圓永久性基板44)以機械研磨或化學蝕刻劑NH4OHH2O2去除暫時性GaAs基板42，請參閱圖4C。
(6)以具選擇性蝕刻的化學藥品蝕刻LED組件圖案；即以HClH3PO4蝕刻至p-型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P披覆層或n-型(Al0.7 Ga0.3)0.5In0.5P的披覆層，此時如圖4D。
(7)製作出平面電極411、412；即形成p-型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P或n-型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P的歐姆接觸電極，即可得到基板為鍍金屬反射鏡膜於矽晶圓的LED組件。
圖5為本發明一具體實例的LED組件的剖面結構圖。該LED組件包括有一發光區52及一GaAs基板53，該GaAs基板53可以是n型、p型或絕緣(SI)的GaAs基板。該發光區52含一厚度為0.1-0.3μm的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P上披覆層(upper cladding layer)521、一厚度0.2-1μm的未摻雜型[i型]活性層522、一厚度0.2-1μm的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P下披覆層(lower cladding layer)523、一厚度0.01-2μm的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P接觸層(Contact layer)524、一厚度0.01-0.1μm的InGaP蝕刻停止層(etching stop layer)525、及GaAs緩衝層(buffer layer)526。該LED發光區52為p/i/n結構，亦可長成n/i/p結構。InGaP當做蝕刻停止層，亦可用AlGaAs取代。
圖6為本發明的LED組件黏貼至鍍有金屬反射鏡膜的永久性基板的流程圖。圖中，先清洗永久性基板61；清洗LED晶圓62；以熱蒸鍍方式鍍金屬黏貼層63；於水、空氣或酒精中黏貼64；置於夾具中且進行熱處理65；去除晶片對(wafer pair)上的GaAs暫時性基板並蝕刻及鍍p、n電極形成歐姆接觸製成平面型LED組件66。
圖7為本發明的黏貼夾具的剖面圖。該黏貼夾具7包含有黏貼夾具7、不鏽鋼螺絲71、石墨舟上蓋72、石墨圓柱73、晶片對74、石墨片75、石墨舟下艙76、此晶圓黏貼(wafer bonding)夾具是利用夾具中不鏽鋼與石墨兩者材料的熱膨脹係數不同，對兩片晶片施加壓力而使晶片對(wafer pair)在高溫中黏合一起。本發明夾具的特色系以不鏽鋼螺絲取代石英套管，由於不鏽鋼的熱膨脹係數比石墨的熱膨脹係數大，於進行高溫黏貼過程中，不鏽鋼將是扮演施力的角色。
本發明的特點及優點功效(1)本發明系以鍍有金屬反射膜的永久基板取代傳統會吸光的基板(如GaAs)或不吸光而有顏色的基板(如GaP)，藉由鍍有金屬反射膜的反射效果提升發光亮度，且改善色度問題，更特別的是此一金屬反射膜又可作為金屬黏貼層之用。
(2)本發明系在低溫下(約300-450℃)進行熱處理，時間約5至20分鐘，此黏貼條件，對原先LED的pn接面影響不大，又在此低溫下不會有互相汙染擴散的問題。
(3)本發明所使用的黏貼夾具，其剖面圖示於圖7，系利用兩種熱膨脹係數不同的材料所提供的壓力施於對貼的LED樣品(即LED組件與永久基板)，施力大小可藉扭力扳手量測。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施的範圍；即凡依本發明申請專利範圍所作的變化及修飾，皆為本發明的專利範圍所涵蓋。
權利要求
1.一種發光二極體的製造方法，該方法系以鍍有金屬反射膜的基板當作永久性基板，包括(A)選擇一暫時性基板，使得於此暫時性基板上成長LED發光區，以形成LED組件；(B)選擇一永久性基板，並於該永久性基板鍍上金屬反射膜，並以該金屬反射膜作為一金屬黏貼層，將該LED組件黏貼於該永久性基板上；(C)將黏貼有永久性基板的LED組件的另一側的暫時性基板以機械研磨或化學蝕刻劑去除；(D)製作平面型LED組件，其基板為該永久性基板；(E)在平面型LED組件上形成歐姆接觸電極。
2.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該永久性基板是選自矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2O3)、玻璃、磷化鎵(GaP)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)基板。
3.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該金屬反射膜可做為LED接觸電極，該LED接觸電極皆於同一平面；且將該金屬反射膜可代替歐姆接觸電極。
4.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該金屬反射膜的金屬是選自銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、金鈹(AuBe)、金鍺(AuGe)、鎳(Ni)、鉛錫(PbSn)或金鋅(AuZn)金屬。
5.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該暫時性基板是選自GaAs或InP。
6.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該LED組件可為p/n接面、n/i/p接面或n/p接面。
7.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該LED組件的發光區可為傳統結構，包括上披覆層(upper cladding layer)/活性層(active layer)/下披覆層(lower cladding layer)的雙異質結構(Double hetero structure)發光區、單異質結構(Single hetero structure)發光區、及均質結構(Homostructure)發光區。
8.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中，該蝕刻劑是由鹽酸及磷酸所組成。
9.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該LED組件具有一蝕刻停止層(etching stop layer)，該蝕刻停止層設於該LED發光區與該暫時性基板間，使得該暫時性基板可有效去除。
10.如權利要求9所述的發光二極體的製造方法，其中該蝕刻停止層的材料主要為抗基板蝕刻液的材料，其可選AlxGa1-xAs，x＞0.2或InxGa1-xP，0.55＞x＞0.45。
11.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該金屬反射膜，系以熱蒸鍍或電子槍蒸鍍等濺鍍法鍍上該金屬反射膜，且以此金屬反射膜當做該金屬黏貼層。
12.如權利要求1所述的發光二極體的製造方法，其中該金屬反射膜(金屬黏貼層)可將該LED組件黏貼於該永久性基板上，系提供一夾具，將已洗淨的LED組件與鍍有金屬反射膜(金屬黏貼層)的該永久性基板於空氣中、水中或酒精中黏貼，再將此經暫時性黏貼的基板置入該夾具中，並經由一熱處理方式，以提供較佳的黏貼效果。
13.如權利要求12所述的發光二極體的製造方法，其中將該LED組件黏貼於該鍍有金屬反射膜的永久性基板上時，其中所提供的該夾具配合該熱處理方式，系利用夾具中兩者材料熱膨脹係數的不同，對該兩片晶片施加壓力而使晶片對(wafer pair)在高溫中黏貼在一起。
14.如權利要求12所述的發光二極體的製造方法，其中該夾具的主材料為石墨，且其中的螺絲材料為含碳量低、耐高溫且硬度夠的不鏽鋼材料。
15.如權利要求12所述的發光二極體的製造方法，其中該熱處理的方式是在慢速升溫的爐管中進行。
16.一種以具有金屬反射膜的永久性基板的發光二極體，該發光二極體包括一平面發光二極體發光區；一永久性基板；一金屬反射膜，該金屬反射膜可作為金屬黏貼層，將該LED組件黏貼於該永久性基板上，該金屬黏貼層系夾在該LED發光區及永久性基板之間；以及兩個電極，該電極是成長在發光區上適當位置。
17.如權利要求16所述的發光二極體，其中該永久性基板是選自矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2O3)、玻璃、磷化鎵(GaP)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)基板。
18.如權利要求16所述的發光二極體，其中該金屬反射膜是選自銦(In)、錫(Sn)、鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、金鈹(AuBe)、金鍺(AuGe)、鎳(Ni)、鉛錫(PbSn)或金鋅(AuZn)金屬。
19.如權利要求16所述的發光二極體，其中該金屬反射膜，系以熱蒸鍍或電子槍蒸鍍濺鍍法鍍上該金屬反射膜，且以此金屬反射膜當作該金屬黏貼層。
20.如權利要求16所述的金屬反射膜的基板當作永久性基板的發光二極體，其中該兩個電極可使用該鍍金屬反射膜作為LED接觸電極或歐姆接觸電極。
21.如權利要求16所述的金屬反射膜的基板當作永久性基板的發光二極體，其中該發光區可為傳統發光區結構，包括上披覆層(upper cladding layer)/活性層(active layer)/下披覆層(lower cladding layer)的雙異質結構(Double hetero structure)發光區、單異質結構(Single hetero structure)發光區、及均質結構(Homostructure)發光區。
全文摘要
本發明涉及一種鍍有金屬反射鏡膜基板的發光二極體及其製造方法,其以具金屬反射面基板為永久基板的發光二極體,將LED組件結構成長於一暫時性基板後,再將此LED組件黏貼至一當做永久性具反射鏡的基板上,而後將先前會吸光的暫時性基板去除,使得LED組件所發射的光能不被基板吸收,同時向基板方向的光可被反射出表面以增強其發光亮度。
文檔編號H01L33/00GK1373522SQ01109370
公開日2002年10月9日 申請日期2001年3月5日 優先權日2001年3月5日
發明者黃滿芳, 謝其華, 曾鍾揚, 林昆泉, 洪瑞華, 武東星 申請人:全新光電科技股份有限公司