专利名称:发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明是关于一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)晶片结构及其制造方法，特别是一种有关磷化铝镓铟(AlGalnP)发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术：
常用的磷化铝镓铟发光二极管具有一只异质结构(DoubleHeterostructure；DH)，其构造如图1所示，是在一n型砷化镓(GaAs)基板(Substrate)3上成长一铝含量在70-100％的n型(AlxGa1-x)0.5ln0.5P下包覆层4，一(AlxGa1-x)0.5ln0.5P活性层5、一铝含量在70-100％的p型(AlxGa1-x)0.5ln0.5P上包覆层6，以及一p型高能隙的电流分散层(Current SpreadingLayer)7，这一层的材料可以是磷化镓、磷砷化镓、磷化铟镓或砷化铝镓等，利用改变活性层的组成，便可以改变发光二极管发光波长，使其产生从650nm红色至555nm纯绿色的波长。但此一传统的发光二极管有一缺点，就是活性层产生的光，往下入射至砷化镓基板时，由于砷化镓基板的能隙较小，因此人射至砷化镓基板的光将会被吸收掉，而无法产生高效率的发光二极管。
为了避免基板的吸光，常用一些文献揭露出LED的技术，然而这些技术都有其缺点以及限制。例如Sugawara等人发表于(Appl，Phys Lett，Vol，61，1775-1777；1992)揭示了一种利用加入一层分散布拉格反射层(DistribuiedBragg Reflector；DBR)于砷化镓基板上，借以反射入射向砷化镓基板的光，并减少砷化镓基板吸收，然而由于DBR反射层只对于较接近垂直人射于砷化镓基板的光能有效的反射，因此效果并不大。
Kish等人发表于
Appl.Phys Lett.Vol.64，No.21，2839，(1994)
的文献，名称为「Very high-efficiencysemiconductor wafer-bondedtransparent-substrate(AlxGa1-x)0.5ln0.5P/GaP」]提供一种粘接晶圆(Waferbonding)的透明式基板(Transparent-Substrate；TS)(AlxGa1-x)0.5ln0.5P/GaP发光二极管。这种TS AlGalnPLED是利用气相外延法(VPE)而形成厚度相当厚约50μm的P型磷化镓(GaP)窗户层，然后再以习知常用的化学蚀刻法选择性地移除N型砷化镓(GaAs)基板。
随后将此暴露出的N型(AlxGa1-x)0.5ln0.5P下包覆层粘接至厚度约为8-10mil的n型磷化镓基板上。由于此晶圆粘接是将二种III-V族化合物半导体直粘接在一起，因此要在较高温度，加热加压一段时间才能完成。就发光亮度而言，这种方式所获得的TS AlGalnPLED比传统的吸收式基板(Absorbing，Substrate；AS)AlGalnPLED大两倍以上。然而，这种TS AlGalnPLED的缺点就是制造过程太过繁杂。因此，无法获得高生产优良率，且难以降低制造成本。
另一种传统技术，例如Horng等人发表于(Appl，Phys，Lett，Vol.75，No.20，3054(1999)文献，名称为「AlGalnP light-emitting diodes withmirror substratesabricatedbvwafer bonding」
。Horng等人揭示一种利用晶片融合技术以形成镜面基板(Mirror，Substrate；MS)磷化铝镓铟/金属/二氧化硅/硅LED。其使用AuBe/Au作为粘着材料借以接合硅基板与LED外延层。其主要缺陷在于在20mA操作电流下，这种MS AlGalnP LED的发光强度仅为90mcd，仍然比TS AlGalnP LED的发光强度少40％，所以其发光强度无法令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管结构，其包括一具有一发光层的多层外延结构，借由一粘接层与一透明基板相结合。此二极管的发光层可为同质结构(Homostructure)、单异质结构(single heterostructure，SH)、双异质结构(Double heterostructure，DH)或多重量子井结构(Multi quantumwells，MQWs)；同时亦包括第一欧姆接触金属电极层和第二欧姆接触金属电极层，分别与第一导电型外延层及第二导电型外延层相接触，且第一欧姆接触金属电极层与第二欧姆触金属电极层都是位于同一侧。
本发明的另一目的在于提供一种发光二极管的制造方法，藉由一粘接层，如旋涂式玻璃(SOG)或硅树脂(Silicone)等，将发光二极管外延层与透明基板相结合，并把发光二极管基板移除至第一导电型蚀刻终止层，以形成第一欧姆接触金属电极层，同时部分蚀刻至第二导电型外延层，形成一第二欧姆接触金属电极层，且第一欧姆接触金属电极层与第二欧姆接触金属电极层都是位于同一侧。
本发明的目的是这样实现的一种发光二极管，至少包括一发光二极管外延片，其特征在于该外延片上具有一多层磷化铝镓铟外延层形成的发光二极管结构成长在一吸光基板上、一透明基板及利用一透明粘接层将该透明基板与发光二极管外延体表面接合在一起。
该基板为砷化镓。该发光二极管结构是与磷化铝镓铟的同质结构。该发光二极管结构是磷化铝镓铟单异质结构。该发光二极管结构是磷化铝镓铟双异质结构。该发光二极管结构是磷化铝镓铟量子井结构。该透明粘接层的材质包括旋涂式玻璃。该透明粘接层的材质包括聚亚酰胺。该透明粘接层的材质包括硅树脂。在透明基板与发光二极管接合后将吸光的基板除去。该透明基板是蓝宝石。该透明基板是玻璃。该透明基板是磷化镓。该透明基板是磷砷化镓。该透明基板是硒化锌、硫化锌或硒化锌硫。其该透明基板是碳化硅。在透明基板及具发光二极管结构的外延片表面沉积一层二氧化硅。
一种发光二极管的制造方法，其特征在于；至少包括提供一发光二极管外延片，该外延片上具有一多层砷化铝镓外延层形成的发光二极管结构成长在一吸光基板上；利用一透明粘接层将该透明基板与发光二极管外延层表面接合在一起。
该基板为砷化镓。该发光二极管结构是与砷化铝镓的同质结构。该发光二极管结构是砷化铝镓单异质结构。该发光二极管结构是砷化铝镓双异质结构。该发光二极管结构是砷化铝镓量子井结构。该透明粘接层的材质包括旋涂式玻璃。该透明粘接层的材质包括聚亚酰胺。该透明粘接层的材质包括硅树脂。在透明基板与发光二极管接合后将吸光的基板除去。该透明基板是篮宝石。该透明基板是玻璃。该透明基板是磷化镓、磷砷化镓。该透明基板是硒化锌、硫化锌或硒化锌硫。该透明基板是碳化硅。在透明基板及具发光二极管结构的外延片表面沉积一层二氧化硅，以利于用SOG将两者接合在一起。所述的利用该透明粘接层将该透明基板与该发光二极管外延层表面接合在一起的步骤，至少包括下列方式第一阶段包括在50-300℃范围内加压及加热而成，第二阶段包括在300-700℃范围内加压及加热而成。
本发明的主要优点是提供一简单的LED晶片粘结结构，可在较低的温度下进行晶片粘结，减少V族元素在粘结过程中挥发的问题。且由于没有基板吸光的缺点，因此可大幅提升LED的发光效率。
本发明的另一优点为制程简单，且可以采用玻璃等低成本的透明基板，因此可获得高优良率舆低成本的功效。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
图1是常用发光二极管的结构示意图。
图2是本发明的发光二极管的外延结构示意图。
图3是本发明的发光二极管的透明基板与粘接层结构示意图。
图4是本发明的发光二极管的结构示意图。
图5是本发明的实施例2的发光二极管的结构示意图。
图6是本发明实施例2的发光二极管的结构示意图(局部剖视)。
具体实施方式
实施例1参阅图2一图4，本发明的发光二极管结构及其制造方法。图2为本发明发光二极管的外延结构，包括依序堆叠的N型砷化镓(GaAs)基板26、蚀刻终止层(Etching Stop Layer)24、N型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5ln0.5P下包覆(Cladding)层22与磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5ln0.5P活化层(Active Layer)20，P型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5ln0.5P上包覆层18以及P型欧姆接触外延层(Ohmic Contact Epitaxial Layer)16。
P型欧姆接触外延层的材料可以是砷化铝镓或磷化铝镓铟或磷砷化镓，只要其能隙大于活化层，不会吸收活性层产生的光，但又必须具有高的载子浓度，以利于形成欧姆接触，便可以选择为P型欧姆接触外延层。
上述的活性层，其铝含量的范围是在x＝0～0.45，而上、下包覆层其铝含量约控制在x＝0.5～1.0，当活性层的铝含量x＝0时，活性层的组成是Ga0.5ln0.5p，而发光二极管的波长λd约是6 35nm。
上述的化合物比，例如活性层(AlxGa1-x)0.5ln0.5P，仅是举出一较佳例子，并非用以限制本发明，本发明同样适用于其他的比例。此外在本发明中，AlGalnP活性层20的结构可以是采用传统的同质结构(Homostructure)，单异质结构(Single Heterostructure)，双异质结构(DoubleHeterostructure；DH)或是多重量子井(MultipleQuantumWell；MQw)。所谓的双异质结构(DH)即包括图2所示的N型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5ln0.5P下包覆层22与一磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5ln0.5P活性层20、一P型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5ln0.5P上包覆层18，其中这三层的较佳厚度分别约为0.5～3.0、0.5～2.0、0.5～3.0μm。
在本发明中蚀刻终止层24的材质可以是任何III-V族元素的化合物半导体，只要其晶格常数可以和砷化镓基板26相匹配以免产生差排，且蚀刻速率是远低于由砷化镓物质所组成的基板26，便可以当作蚀刻终止层。在本发明中蚀刻终止层24的较佳材质可为磷化铟镓(InGaP)或砷化铝镓(AlGaAs)。在本实施例中，N型磷化铝镓铟下包覆层的蚀刻速率也远低于砷化镓基板。因此，只要其厚度较厚，也可以不需要另一层组成不同的外延层来当作蚀刻终止层。
接着，如图3所示，此结构包括透明粘接层l4，其材质可为旋涂式玻璃(SpinOn Glass；SOG)和一透明基板(Transparent Substrate，TS)10。本明所使用的粘接层14的材质并不限于旋涂式玻璃，其他具有类似性质，可形成透明状态的粘着物质，如聚亚酰胺(Polyimide)或硅树脂(Silicone)均通用于本发明。透明基板可以采用玻璃、蓝宝石(Sapphire)晶片、碳化硅(SiC)晶片、磷化镓(GaP)晶片、磷砷化镓(GaAsP)晶片、硒化锌(ZnSe)晶片、硫化锌(ZnS)晶片及硒硫化锌(ZnSSe)晶片等，只要这些晶片其对于发光层发出的光不会有很大的吸收，都可以当作本发明的透明基板，且本发明的另一项优点是所使用的透明基板不一定要是单晶片，由于发光二极管发光时，电流并不通过透明基板，透明基板的目的只是当作一机械式的支撑来防止发光二极管外延层在制造晶粒过程中破裂。因此，也可以使用复晶(Polycrystal)基板或非晶是(Amorphorus)基板，而大幅降低生产成本。
接着将图2的发光二极管外延片及图3的透明基板借由SOG粘接层粘在一起，粘着的过程是在400℃左右的高温加压加热一段时间完成。为了改善发光二极管外延片与透明基板之间的接合特性，也可以在发光二极管外延片及透明基板的表面沉积、蒸镀或溅镀上一层二氧化硅，然后再涂布上SOG，接着在400℃左右的高温加压加热一段时间，来完成外延片与透明基板的粘合，为了使得粘合的效果更好，也可以将以SOG粘接的发光二极管外延片及透明基板，先在50-300℃的低温加热一段时间，来将SOG内的有机溶剂赶掉，然后再升高温度至300-700℃的范围，让SOG与发光二极管外延片及透明基板紧密的粘结在一起。粘着好的外延片，接着以腐蚀液如(5H3PO4∶3H2O2∶3H2O或是INH4OH∶35H2O2)腐蚀，将不透光的N型砷化镓基板除去。蚀刻终止层如果采用lnGaP或AlGaAs仍然会吸收活性层产生的光，因此，也必须以腐蚀液完全除去或只留下与N型欧姆接触金属电极层接触的部分。然后再以乾式蚀刻法如R1E将部分N型磷化铝镓铟下包覆层、磷化铝镓铟活化层及P型磷化铝镓铟上包覆层除去，并曝露P型欧姆接触外延层。接着形成P型欧姆接触金属电极层28于P型欧姆接接触外延层16上，及形成N型欧姆接触金属电极层30于N型磷化铝镓铟下包覆层22上，便形成了一个P、N欧姆接触金属电极层都在同一侧的发光二极管结构，如图4所示。
本发明所得的磷化铝镓铟发光二极管所发出的光波长约为635nm，且在20mA的操作电流下，其光输出功率约为4mW，是传统吸收式基板磷化铝镓铟发光二极管的光输出功率的2倍以上。
本发明并不限于只适用于高亮度磷化铝镓铟发光二极管，本发明也可以适用于其他发光二极管材料，如砷化铝镓红色及红外线发光二极管。
实施例2参阅图5、6，是本发明实施例二的外延结构示意图。本发明650nm砷化铝镓红色发光二极管的外延结构包括依序堆叠的N型砷化镓基板51、N型砷化铝镓下包覆层52，铝含量约70～80％，厚度约0.5-3μm、砷化铝镓活性层53，铝含量约35％，厚度约0.5～2μm、以及一P型砷化铝镓上包覆层54，铝含量约70～80％，厚度约0.5-3μm。然后将上述的砷化铝镓红色发光二极管外延片与一透明基板56，如篮宝石晶片以硅树脂55粘合在一起。粘着好的外延片接着以腐蚀液如NH4OH∶H2O2＝1.7∶1腐蚀，将不透光的N型砷化镓基板除去。然后，接着以湿式蚀刻法或乾式蚀刻法将部分N型砷化铝镓下包覆层及砷化铝镓活性层除去，并暴露P型砷化铝镓上包覆层。接着，形成P型欧姆接触金属电极层57于P型砷化铝镓上包覆层54上，及形成N型欧姆接触金属电极层58于N型砷化铝镓下包覆层52上，便形成了一个P、N欧姆接触金属电极体层都在同一侧的发光二极管，如图6所示。
依据本发明所得的红色砷化铝镓发光二极管所发出的光波长约为650nm，且在20mA的操作电流下，其光输出功率是传统吸收式基扳砷化铝镓发光二极管的光输出功率的2倍。
本发明的发光二极管由于采用透明基板，且P、N欧姆接触金属电极都位在透明基板的另一侧，因此可以以覆晶(Flip Chip)的方式封装，而不需要采用传统的金属打线(Wire Bonding)，元件的可靠性较佳。且由于透明基板不吸光，发光二极管的亮度可以显掌著增加。此外，透明基板如采用蓝宝石、玻璃或碳化硅等材质，由于这些材料非常硬，因此基板厚度可以降低至100微米左右，而不会在晶粒制程或封装制程中破裂，可制造出厚度较薄且体积较小的发光二极管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种发光二极管，至少包括一发光二极管外延片，该外延片上具有一多层磷化铝镓铟外延层形成的发光二极管结构成长在一吸光基板上、一透明基板及利用一透明粘接层将该透明基板与发光二极管外延体表面接合在一起，其特征在于在透明基板及具有发光二极管结构的外延片表面沉积一层二氧化硅。
2.一种发光二极管的制造方法，它至少包括提供一发光二极管外延片，该外延片上具有一多层砷化铝镓外延层形成的发光二极管结构成长在一吸光基板上；利用一透明粘接层将该透明基板与发光二极管外延层表面接合在一起，其特征在于在透明基板及具有发光二极管结构的外延片表面沉积一层二氧化硅，以利于用SOG将两者接合在一起。
3.如权利要求
2所述的发光二极管的制造方法，其特征在于所述的利用该透明粘接层将该透明基板与发光二极管外延层表面接合在一起的步骤，至少包括下列方式第一阶段包括在50-300℃范围内加压及加热而成，第二阶段包括在300-700℃范围内加压及加热而成。
专利摘要
一种发光二极管及其制造方法，其通过一粘接层将发光二极管外延层与不会吸光的透明基板相结合，并把发光二极管基板移除至第一导电型蚀刻终止层，以形成第一欧姆接触金属电极层，同时部分蚀刻至第二导电型外延层，形成第二欧姆接触金属电极层，且第一欧姆接触金属电极层与第二欧姆接触金属电极层都是位于同一侧。大幅提高发光二级体的发光效率。
文档编号H01L21/02GKCN1142599SQ00132549
公开日2004年3月17日 申请日期2000年11月27日
发明者陈泽澎, 张智松, 杨光能 申请人:国联光电科技股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan