發光二極體裝置及其製造方法

2023-05-23 19:20:56 5

專利名稱：發光二極體裝置及其製造方法
技術領域：
本發明關於一種發光裝置，特別是關於一種發光二極體裝置。
技術背景發光二極體(light-emitting diode, LED)是一種由半導體材料製作而成 的發光元件。由於發光二極體屬冷發光，具有耗電量低、元件壽命長、反應 速度快等優點，再加上體積小容易製成極小或陣列式的元件，因此近年來， 隨著技術不斷地進步，其應用範圍涵蓋了電腦或家電產品的指示燈、液晶顯 示器的背光源乃至交通號誌或是車用指示燈，甚至將來亦有機會作為照明用 的光源。然而，發光二極體仍然存在著一些待改善的問題，例如散熱、發光功率 不足及發光效率不佳等問題，皆是現今發光二極體尚無法全面取代光源用途 的缺點。除上述缺點之外，請參照圖1A,其圖1A為常規的發光二極體裝置的示 意圖。常規的一種發光二極體裝置1所發出的光線主要是集中於其光軸0S1 附近，意即，越接近光軸0S1的區域，光線的強度越強。因此，發光二極體 裝置1適用於小角度、能量集中的照明器材，例如手電筒、檯燈或交通號誌。 倘若應用於液晶顯示器的背光源時，則必須搭配導光板及擴散板的使用，以 提供液晶顯示面板均勻的背光源。另外，請參照圖1B，其為常規的另一種發光二極體裝置的示意圖。常 規的一種發光二極體裝置2為了能提供均勻且具有大範圍的發光面積，其利 用透鏡21以覆蓋發光二極體元件22。透鏡21在靠近光軸OS2的周圍具有 凹部211，並通過凹部211將發光二極體22所產生的光線有效地予以折射， 使其遠離光軸0S2的後再射出透鏡21 ，由此增加其發光面積。承上所述，雖然上述方式增加了發光二極體的發光面積，然而一般的發 光二極體所造成的光場形狀為圓形，如圖1C所示，當多個發光二極體3同 時排列在一起並發光時，其光場形狀將會有重疊區域AOl的產生，如此一來,光強度不均勻的現象仍然無法改善。援因於此，如何提供一種能夠調整光場形狀及光場強度分布的發光二極 管裝置及其製造方法，實屬當前重要課題之一。發明內容有鑑於上述課題，本發明的目的為提供一種能夠產生均勻的光強度分布 的發光二極體裝置及其製造方法。本發明的另一目的為提供一種能夠配合其應用場合不同，而可調整設計 其光場形狀的發光二極體裝置及其製造方法。緣是，為達上述目的，依據本發明的一種發光二極體裝置包括導熱基板、 第一半導體層、發光層以及第二半導體層。第一半導體層形成於導熱基板之上，發光層形成於第一半導體層上，而第二半導體層形成於發光層上。其中 第二半導體層的出光面具有多個臺階凸塊。為達上述目的，依據本發明的一種發光二極體裝置的製造方法包括以下步驟形成第一半導體層於導熱基板之上；形成發光層於第一半導體層上； 形成第二半導體層於發光層上；以及移除部分的第二半導體層，並於第二半 導體層的出光面形成多個臺階凸塊。為達上述目的，依據本發明的另一種發光二極體裝置的製造方法包括以 下步驟形成第一半導體層於原始基板上；形成發光層於第一半導體層上； 形成第二半導體層於發光層上；將導熱基板與第二半導體層結合；移除原始 基板；以及移除部分的第一半導體層，並於第二半導體層的出光面形成多個 臺階凸塊。承上所述，因依據本發明的一種發光二極體裝置及其製造方法，在發光 二極體裝置的出光面的半導體層上形成臺階凸塊，而臺階凸塊可為二元光學 (Binary optical)凸塊，因此可通過臺階凸塊將發光層所射出的光束的光場 形狀，調整為所需要的三角形、四邊形或其他形狀，並且可調整各臺階凸塊 的設計，以達到使光束均勻分布的目的。又再者，除了臺階凸塊的設計之夕卜， 亦可在發光路徑上另外設置一適當的透鏡Uens),亦即，將透鏡設置於臺階 凸塊與光束照射的目的物之間，由此調整光束的光學特性，而使得應用更為 廣泛。


圖1A為常規的發光二極體裝置的示意圖。 圖1B為常M^的另一種發光二極體裝置的示意圖。 圖1C為常M^的發光二極體所造成的光場形狀的示意圖。 圖2A為依據本發明優選實施例的一種發光二極體裝置的示意圖。 圖2B至圖2D為圖2A中虛線圓部分的各種臺階凸塊的剖面示意圖。 圖3A與圖3B為依據本發明優選實施例的發光二極體所造成的光場形 狀的示意圖。圖4為依據本發明優選實施例的一種發光二極體裝置的另一示意圖。 圖5為依據本發明第 一 實施例的 一種發光二極體裝置的製造方法的流程圖。圖6A至圖6D為與圖5配合的發光二極體裝置的示意圖。圖7為圖5中步驟S04的詳細步驟流程。圖8A至圖8C為與圖7配合的發光二極體裝置的示意圖。圖9為依據本發明第二實施例的 一種發光二極體裝置的製造方法的流程圖。圖IOA至圖IOG為與圖7配合配合的發光二極體裝置的示意圖。附圖標記說明 1、 2、 3、 4、發光二極體裝置21:透鏡211.凹部22:發光二4 l管元件41、51:導熱基板42、52:第一半導體層43、53:發光層44、54:第二半導體層441出光面45:絕緣層46:粘著層47:反射層50:原始基板 A01:重疊區域 COl、 Cll:臺階凸塊 MA1:光掩模 0S1、 OS2:光軸 PR1:光致抗蝕劑層具體實施方式
以下將參照相關圖式，說明依據本發明優選實施例的發光二極體裝置及 其製造方法。 .請參照圖2A，本發明優選實施例的發光二極體裝置4包括導熱基板41、 第一半導體層42、發光層43以及第二半導體層44。在本實施例中，導熱基板41的材料可選自矽、砷化鎵、磷化鎵、碳化 矽、氮化硼、鋁、氮化鋁、銅及其組合所構成的組。第一半導體層42形成於導熱基板41之上。發光層43形成於第一半導 體層42上，且發光層43產生一光束。第二半導體層44形成於發光層43上， 且於第二半導體層44的一出光面441具有多個臺階凸塊COl,而發光層43 所產生的光束射向第二半導體層44的出光面441。在本實施例中，第一半導體層42可為p型摻雜層而第二半導體層44可 為n型摻雜層，當然，第一半導體層42亦可為n型摻雜層而第二半導體層 44亦可為p型4參雜層，在此並不加以限制。上述的第二半導體層44的這些臺階凸塊COl依據所需要的光場形狀及 光場強度的不同，其可為軸對稱排列、非軸對稱排列或不規則排列，在此， 以不規則排列為例。另外，在本實施例中，所形成的這些臺階凸塊COl為具 有平坦表面的二元光學(binary optical)凸塊來呈現，換言之，這些臺階凸 塊C01具有2N個階層，其中N為例如1、 2、 3...等的正整數。然而，本發明並不限制於此，例如，這些臺階凸塊COl除了可為具有平 坦表面的二元光學凸塊之外，亦可為具有一曲形表面的凸塊，其剖面可為凸 狀(如圖2B所示)、凹狀(如圖2C所示)、波浪狀(如圖2D所示)或其他 形狀。需注意的是，為清楚顯示，圖2B至圖2D僅繪出圖2A中虛線圓部分 的各種臺階凸塊的剖面示意圖，然實際應用時則是代表發光二極體裝置4的第二半導體層44的所有臺階凸塊C01的形式。接著，請參照圖3A，其發光二極體裝置4的光場形狀的俯視圖。通過 本實施例中的這些臺階凸塊C01的調整，發光二極體裝置4的光場強度分布 可任意調整，且其光場形狀為四邊形。然本發明並不限制於此，依據臺階凸 塊C01設計的不同，其所造成的光場形狀亦可為三角形、六邊形或八邊形的 多邊形，在此並不加以限制。再如圖3B所示，當多個發光二極體裝置4以並列或陣列方式設置時， 其所造成的光場形狀可緊密排列而不會相互重疊，再加上其光場強度均勻的 分布，將可提供均勻的面光源。其次，請參照圖4,其為依據本發明優選實施例的一種發光二極體裝置 的另一示意圖。在本實施例中，導熱基板41與第一半導體層42之間更可依 序設置絕緣層45、粘著層46及反射層47,以加強其光束使用效率或鍵結能 力。其中，反射層的材料選自鉑、金、銀、釔、鎳、鉻、鈦及其組合所構成 的組，絕緣層的材料選自氮化鋁或碳化矽，而粘著層的材料選自錫膏、錫銀 膏、銀膏及其組合所構成的組。值得一提的是，絕緣層45、粘著層46及反射層47的設置順序亦不限定 於上述的順序，其可依據功效設計的不同而可互換順序，或僅存在至少其中 之一。針對上述發光二極體裝置4,以下將分別以第一實施例及第二實施例來 說明發光二極體裝置4的製造方法。[第一實施例]請參照圖5並同時參照圖6A至圖6D，圖5為依據本發明第一實施例的 一種發光二極體裝置的製造方法的流程圖，而圖6A至圖6D為與圖5配合 的發光二極體裝置的示意圖。本發明第 一 實施例的發光二極體裝置4的製造 方法包括步驟S01至步驟S04。如圖6A所示，步驟SOl形成第一半導體層42於導熱基板41上，在本 實施例中，第一半導體層42為n型摻雜層。如圖6B所示，步驟S02形成發 光層43於第一半導體層42上。如圖6C所示，步驟S03形成第二半導體層 44於發光層43上，在本實施例中，第二半導體層44為p型摻雜層。如圖 6D所示，步驟S04移除部分的第二半導體層44，以在其出光面441形成多個臺階凸塊COl。承上所述，在移除部分的第二半導體層44的步驟以灰階曝光(Gray level)的方式並搭配蝕刻工藝。詳而言之，請參照圖7同時搭配圖8A至圖 8C所示，步驟S04還包括步驟S041至步驟S043。如圖8A所示，步驟S041形成光致抗蝕劑層PR1於第二半導體層44上。 在本實施例中，光致抗蝕劑層PR1可為正光致抗蝕劑數的光致抗蝕劑層，當 然亦可為負光致抗蝕劑數的光致抗蝕劑層。如圖8B所示，步驟S042透過光掩模MA1對光致抗蝕劑層PR1進行曝 光。在本實施例中，曝光的步驟為灰階曝光，換言之，其可經由多道曝光的 程序以對光致抗蝕劑層PR1造成不同程度的曝光效果，或在光掩模MA1上 形成灰階圖案，以對光致抗蝕劑層PR1造成不同程度的曝光效果。如圖8C所示，步驟S043依據曝光結果以移除光致抗蝕劑層PR1及部 分的第二半導體層44,以在第二半導體層44的出光面441形成臺階凸塊 COl。在本實施例中，光致抗蝕劑層PR1及部分的第二半導體層44的移除 動作，通過蝕刻的方式移除。其選用對第二半導體層44及光致抗蝕劑層PR1 的蝕刻率相當的蝕刻液，以將灰階曝光的結果轉置於第二半導體層44上， 以形成臺階凸塊COl。[第二實施例]以下，請參照圖9並同時"t荅配圖10A至圖10G所示，圖9為依據本發 明第二實施例的一種發光二極體裝置的製造方法的流程圖，而圖10A至圖 IOG為與圖7配合配合的發光二極體裝置的示意圖。本發明第二實施例的發 光二極體裝置5的製造方法包括步驟Sll至步驟S17。如圖IOA所示，步驟S11形成第一半導體層52於原始基板50上，在本 實施例中，原始基板50為外延成長用的基板。如圖10B所示，步驟S12形 成發光層53於第一半導體層52上。如圖10C所示，步驟S13形成第二半導 體層54於發光層53上。如圖10D所示，步驟S14將導熱基板51與第二半 導體層54結合。如圖10E所示，步驟S15移除原始基板50,在本實施例 中，原始基板50可以雷射剝除(laser lift-off)工藝完成。如圖10F所示， 步驟S16翻轉發光二極體裝置5。如圖IOG所示，步驟S17移除部分的第一 半導體層52,並於第一半導體層52的出光面521形成多個臺階凸塊Cll。需注意者，移除部分的第一半導體層52的步驟與第一實施例中，移除 部分的第二半導體層54的步驟具有相同的詳細程序，其差異僅是將第二半 導體層44置換為第一半導體層52，故於此不再多加贅述。另外，值得一提的是，在上述第一實施例及第二實施例的發光二極體裝 置的製造方法中，在導熱基板及第一半導體層或第二半導體層之間，為了加 強光束利用效率或是鍵結能力，其可再形成或設置反射層、絕緣層及/或粘著 層，然由於其設置或形成順序依據實際的設計不同，有多種的順序變化，故 於此未多加贅述。綜上所述，因依據本發明的一種發光二極體裝置及其製造方法，在發光 二極體裝置的出光面的半導體層上形成臺階凸塊，而臺階凸塊可為二元光學 凸塊，因此可通過臺階凸塊將發光層所射出的光束的光場形狀，調整為所需 要的三角形、四邊形或其他形狀，並且可調整各臺階凸塊的設計，以達到使 光束的光場強度均勻分布的目的。又再者，除了臺階凸塊的設計的外，亦可 在發光路徑上另外設置一適當的透鏡(lens)，亦即，將透鏡設置於臺階凸塊 與光束照射的目的物之間，由此調整光束的光學特性，而使得應用更為廣泛。以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明的精神與範 疇，而對其進行的等同修改或變更，均應包含於後附的權利要求範圍中。
權利要求
1. 一種發光二極體裝置，包括導熱基板；第一半導體層，形成於該導熱基板之上；發光層，形成於該第一半導體層上；以及第二半導體層，形成於該發光層上，其中該第二半導體層的出光面具有多個臺階凸塊。
2、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，其中該第一半導體層為p型 摻雜層，該第二半導體層為n型摻雜層，或者該第一半導體層為n型摻雜層， 該第二半導體層為p型摻雜層。
3、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，其中這些臺階凸塊為二元光 學凸塊，且這些臺階凸塊具有2N個階層，N為正整數。
4、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，其中這些臺階狀凸塊分別具 有平坦表面或曲形表面。
5、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，其中該第二半導體層的這些 臺階凸塊為軸對稱排列、非軸對稱排列或不規則排列。
6、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，其中該發光層產生一光束， 並射向該第二半導體層的該出光面。
7、 如權利要求6所述的發光二極體裝置，其中該光束於射出該出光面 所形成的光場形狀為三角形、四邊形或多邊形。
8、 如權利要求6所述的發光二極體裝置，其中該光束自該發光層至照 射目的物之間形成發光路徑，且在該發光路徑上設置有一透鏡由此調整該光 束的光學特性，而使得該發光二極體裝置的應用更為廣泛。
9、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，還包括反射層，其設置於該 導熱基板與該第一半導體層之間，且該反射層的材料選自鉑、金、銀、4巴、 鎳、鉻、鈦及其組合所構成的組。
10、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，還包括絕緣層，其設置於該 導熱基板與該第一半導體層之間，且該絕緣層的材料選自氮化鋁或碳化矽。
11、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，還包括粘著層，其設置於該 導熱基板與該第一半導體層之間，且該粘著層的材料選自錫膏、錫銀膏、銀膏及其組合所構成的組。
12、 如權利要求1所述的發光二極體裝置，其中該導熱基板的材料選自 矽、砷化鎵、磷化鎵、碳化矽、氮化硼、鋁、氮化鋁、銅及其組合所構成的組。
13、 一種發光二極體裝置的製造方法，包括以下步驟 形成第一半導體層於導熱基板之上； 形成發光層於該第一半導體層上；形成第二半導體層於該發光層上；以及移除部分的該第二半導體層，並在其出光面形成多個臺階凸塊。
14、 如權利要求13所述的製造方法，其中移除部分該第二半導體層的 步驟包括形成光致抗蝕劑層於該第二半導體層上； 透過光掩模對該光致抗蝕劑層進行曝光；以及 依據曝光結果移除該光致抗蝕劑層及部分的該第二半導體層，以形成這 些臺階凸塊。
15、 一種發光二極體裝置的製造方法，包括以下步驟 形成第一半導體層於原始基板上； 形成發光層於該第一半導體層上；形成第二半導體層於該發光層上；將導熱基板與該第二半導體層結合； 移除該原始基板；以及移除部分的該第一半導體層，並在其出光面形成多個臺階凸塊。
16、 如權利要求13或15所述的製造方法，其中透過該光掩模對該光致 抗蝕劑層進行曝光的步驟為灰階曝光。
17、 如權利要求13或15所述的製造方法，其中這些臺階凸塊為二元光 學凸塊，且這些臺階凸塊具有2N個階層，N為正整數。
18、 如權利要求13或15所述的製造方法，其中這些臺階狀凸塊分別具 有平坦表面或曲形表面。
19、 如權利要求15所述的製造方法，其中於將該導熱基板與該第二半 導體層結合後，還包含步驟翻轉該發光二極體裝置。
20、如權利要求15所述的製造方法，其中移除部分該第一半導體層的步驟包括形成光致抗蝕劑層於該第 一半導體層上； 透過光4務模對該光致抗蝕劑層進行曝光；以及 依據曝光結果移除該光致抗蝕劑層及部分的該第一半導體層，以形成這 些臺階凸塊。
全文摘要
一種發光二極體裝置包括導熱基板、第一半導體層、發光層以及第二半導體層。第一半導體層形成於導熱基板之上，發光層形成於第一半導體層上，而第二半導體層形成於發光層上。其中第二半導體層的出光面具有多個臺階凸塊。另外，本發明亦揭露一種發光二極體裝置的製造方法。
文檔編號H01L33/00GK101241958SQ20071000549
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月8日 優先權日2007年2月8日
發明者王宏洲, 陳煌坤, 高旗宏 申請人:臺達電子工業股份有限公司