專利名稱：可安裝于表面的晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種發(fā)光元件，特別是有關(guān)于一種可安裝于表面的發(fā)光 元件。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LEDs)的進(jìn)步已經(jīng)使得某些裝置使用其作為光源而取代傳統(tǒng) 光源如日光燈及白熾燈泡。發(fā)光二極管光源具有接近或超越傳統(tǒng)光源的能量 轉(zhuǎn)換效率。此外，發(fā)光二極管光源具有遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)光源的壽命(lifetimes)。舉 例來說，日光燈光源大約有10000小時(shí)的壽命，然而發(fā)光二極管則大約有 100000小時(shí)的壽命。再者，日光燈光源失去作用時(shí)完全沒有任何預(yù)兆。相較 之下，發(fā)光二極管光源在壞掉之前有變暗的傾向，因此可給予使用者適當(dāng)?shù)?警告。
不幸地，發(fā)光二極管被用來替換傳統(tǒng)光源時(shí)有某些缺點(diǎn)。首先，發(fā)光二 極管發(fā)出相對窄頻譜的光，提供一光源其僅可被査覺到一特定的顏色，因此 一定數(shù)目可發(fā)出不同窄頻譜的光的發(fā)光二極管需被封裝在一起，或者發(fā)光二 極管需要覆蓋一種或多種熒光粉使發(fā)光二極管激發(fā)熒光粉，以提供想要的輸 出光譜。
此外，單一的發(fā)光二極管有一受限的光輸出。即使高功率的發(fā)光二極管 最佳也僅有幾瓦功率。再來，如上所述， 一定數(shù)目的發(fā)光二極管需要結(jié)合在 一發(fā)光元件中提供一想要的輸出光譜。因此， 一光源如要提供具有超過數(shù)瓦 的任何輸出光譜， 一定數(shù)目的發(fā)光二極管需要結(jié)合在一個獨(dú)立單元。
為了提供此多重的發(fā)光二極管元件，通常一定數(shù)目的發(fā)光二極管晶粒被連接至某種型式的基板。連接的方式可以分成兩種類型。第一種類型依靠打
線(wirebond)以連接晶粒上一或多個電極至該基板相對應(yīng)的電極上。這種連接 方式有一些問題。第一，打線需被單獨(dú)實(shí)施。第二，打線易損壞，需要被保 護(hù)。典型的保護(hù)方法包括將該晶粒及打線放入某些透明封裝材料中。不幸地， 該封裝材料會老化造成光吸收。此外，該封裝材料施加應(yīng)力于打線，可能會 導(dǎo)致元件提早損壞。再者，封裝是一額外的組裝步驟造成額外的成本花費(fèi)。 更進(jìn)一步，該封裝材料通常使元件的最大容忍溫度受到限制。此外，該封裝 材料施加應(yīng)力于發(fā)光二極管材料使得需要的操作電壓上升。第三，該打線通 常會阻擋部分發(fā)光二極管發(fā)出的光線，而減少光源的效率。最后，須注意的 是該打線的損壞會是整個元件損壞的一個重大因素。
第二種連接方法，原理上，避免打線，因此可解決因?yàn)榇蚓€造成的問題。 這些方法通常為覆晶(flip-chip)方法。在這些方法中，通過沉積多層在基板上， 該發(fā)光二極管可被制造在一透明基板上。因?yàn)檫@些被用來建構(gòu)發(fā)光二極管的 多層為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，所以這些層的細(xì)節(jié)在此不做討論。 一發(fā)光 —極管包含主要的三層，一 n型層通常最先沉積在基板上， 一主動層用來產(chǎn) 生光以及一 p型層。從n型層流向主動層區(qū)域的電子會與從p型層流向主動 層區(qū)域的空穴在主動層中結(jié)合。
為了點(diǎn)亮發(fā)光二極管，該n型層及該p型層之間需要被提供一電位。但 是該n型層被埋在前述多層堆迭中。因此有兩種基本構(gòu)造用來處理此一連接 問題。在第一種構(gòu)造中，該n型及p型的連接透過這些層的外表面上的電極 達(dá)成。這種型式的元件在以下討論中被歸類為垂直型元件(verticaldevice)。第 二種型式的元件被歸類為側(cè)向型元件(lateral device)。在側(cè)向型元件中，掩埋 層的連接通過刻蝕該掩埋層的上方層以裸露該掩埋層來提供。在上文描述的 例子，該元件的部分p型層及部份主動層被移除而裸露下方的n型層。通過 沉積一金屬層在該裸露層上而提供連接至該n型層。在經(jīng)由打線連接的元件 中，其中一條打線附著在該金屬層上。此種元件被稱作側(cè)向型元件是因?yàn)殡娏鞅仨殢穆懵兜钠脚_側(cè)向地流動抵達(dá)該主動層。覆晶發(fā)光二極管是此種側(cè)向 型元件的一種例子。
在一覆晶發(fā)光二極管中，通過刻蝕該元件的部份P型層及部份主動層以
裸露該n型層，可達(dá)成該n型層的連接。 一導(dǎo)電層沉積在裸露的該n型層平
臺上及用來達(dá)成該層的連接。為了安裝該晶片在一載體例如印刷電路板上， 該晶片被倒置，以使該發(fā)光二極管頂部的接觸匹配該印刷電路板上的焊墊
(pads)。該晶片因此被接合至該印刷電路板。
雖然覆晶式發(fā)光二極管可避免打線造成的問題，但也產(chǎn)生一些新的問題。 首先，晶片必須置放在一印刷電路板或其類似物件上。此一操作需要高度精 確性，因?yàn)檫@些接觸非常小且彼此靠近。終端產(chǎn)品制造者在一般經(jīng)濟(jì)考量下 可能沒有達(dá)成此種精確放位的設(shè)備。因此，這些元件通常被封裝于類似小型 印刷電路板的一個獨(dú)立載體上，該獨(dú)立載體上的焊墊彼此相隔較遠(yuǎn)，所以可 降低終端產(chǎn)品制造者放置該元件所需要的精確性。不幸地，此種解決辦法增 加該封裝后元件的體積，也因此限制了在終端產(chǎn)品中發(fā)光二極管的密度。此 外，此解決辦法增加最終發(fā)光二極管的成本花費(fèi)，因?yàn)檫@些發(fā)光二極管必須 個別地連接至該載體。
第二，覆晶接合至該載體，無論是最終的印刷電路板或上述的中間載體， 包含的工藝步驟可能會導(dǎo)致發(fā)光二極管的層與層之間的短路。這些短路現(xiàn)象 發(fā)生在接合過程中或元件的生命期經(jīng)過一段時(shí)間之后。這些短路現(xiàn)象造成發(fā) 光二極管的良率下降而增加成本花費(fèi)。
第三，用以提供該n型層接觸的切割出來的平臺占據(jù)該晶粒相當(dāng)部份的 表面積。此相當(dāng)部份的面積不會產(chǎn)生光，因?yàn)樵摫磺懈畛鰜淼钠脚_通過該主 動層。因此，離開該元件的每單位面積的總光量大幅地減少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一元件包含一電路裝置及一基部，該電路裝置包含具有一頂層及一底層的多層半導(dǎo)體層，該頂層包含一頂表面具有一頂部接觸于該頂表 面及該底層具有一底表面及一底部接觸于該底表面，操作該電路裝置需要一 電位差施加在該頂部接觸及該底部接觸；及該基部包含具有一基部頂表面及 一基部底表面的一基底，該基部頂表面接合至該底層及該基部底表面包含互 相電性隔離的一第一底電極及一第二底電極，該底部接觸通過一第一導(dǎo)體連
接至該第一底電極及該第二底電極通過一第二導(dǎo)體連接至該頂部接觸；其中
該底層包含一絕緣層接合在該底層的一表面上及其中該第二導(dǎo)體包含一金屬 層接合至該絕緣層，該絕緣層防止該第二導(dǎo)體與該底層的接觸。
本發(fā)明可被用來建構(gòu)一可安裝于表面的發(fā)光元件，該發(fā)光元件包含一主 動層，及一第一半導(dǎo)體層及一第二半導(dǎo)體層，該主動層位于該第一及第二半 導(dǎo)體層之間。該第一半導(dǎo)體層具有包含該頂部接觸的一頂表面，及該第二半 導(dǎo)體層具有包含該底部接觸的一底表面。當(dāng)一電位施加于該頂部接觸及該底 部接觸之間，空穴及電子在該發(fā)光元件中結(jié)合產(chǎn)生光。


圖1是安裝在一印刷電路板上的一覆晶發(fā)光二極管截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的發(fā)光二極管上視圖。
圖3是圖2中沿線3-3的截面圖。
圖4是發(fā)光二極管40的底視圖。
圖5是具有多個發(fā)光二極管的部分晶圓上視圖。
圖6是圖5沿線6-6的截面圖。
圖7是具有多個元件的部分基部上視圖。
圖8是圖7沿線8-8的截面圖。
圖9是部分發(fā)光部及部份基部接合前的截面圖。
圖IO是部份發(fā)光部及部份基部接合后的截面圖。
圖11是部份發(fā)光部及部份基部接合后且移除基底的截面圖。實(shí)施例的發(fā)光二極管上視圖。 圖13是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的發(fā)光二極管上視圖。
圖14是圖13沿線14-14的截面圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的一基部晶圓上視圖。
圖16是圖15沿線16-16的截面圖。
圖17至圖20是例示一具有發(fā)光二極管200結(jié)構(gòu)的一發(fā)光二極管的制造 方法。
圖21是切割前的部分已接合晶圓的上視圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的發(fā)光二極管截面圖。
具體實(shí)施例方式
通過參考一發(fā)光二極管，可更容易了解本發(fā)明。然而，如同以下的詳細(xì) 討論，本發(fā)明可被用來建構(gòu)一些具有基部的不同電路裝置，所述這些電路裝 置大致上具有與集成電路晶片相同的大小。所述這些基部提供一項(xiàng)功能類似 于上文討論的次安裝基部(the sub-mounts)，但不具有上文討論的限制。
參考圖1，本發(fā)明的發(fā)光二極管提供的優(yōu)點(diǎn)可更容易了解。圖1安裝在一 印刷電路板31上的一覆晶發(fā)光二極管20的截面圖。發(fā)光二極管20通過沉積 如上文所述的一 n型層22、 一主動層23及一 p型層24而被制造在一透明基 底21上。 一反射電極29沉積在層24上方，該反射電極29既可作為散布電 流于層24的電性接觸，也可作為一鏡面用來反射于該主動層中產(chǎn)生且朝向該 電極29的發(fā)光。電極29通過一錫球27連接至印刷電路板31上一對應(yīng)的電 極32。
如上文所述，為了提供電性連接予層22，如圖中25所示的一平臺(mesa) 在堆迭層中被刻蝕出來。 一電極26被沉積在該平臺上并經(jīng)由電極28及錫球 30連接至印刷電路板31上一對應(yīng)的電極33。
該平臺25的大小較佳盡可能地小，因?yàn)樵撈脚_25所占的面積34不能產(chǎn)生任何發(fā)光，因此，從產(chǎn)生發(fā)光的觀點(diǎn)來看，其代表浪費(fèi)的空間。另一方面，
平臺25須足夠大以容納錫球30。因此，典型的平臺25，大約占據(jù)晶粒表面 積的30%，也因此造成最大光輸出的減少。
應(yīng)注意的是如圖l所示的配置，從層22中電流擴(kuò)散的觀點(diǎn)來看，該配置 并未達(dá)到最佳化。理想上，該n型接觸應(yīng)提供均勻的電流遍及主動層23。然 而，如圖1中所示的配置產(chǎn)生非均勻的電流，其中最接近平臺的面積相較遠(yuǎn) 離平臺的面積接收到更多的電流。
另外，從發(fā)光二極管20產(chǎn)生的發(fā)光需經(jīng)由該基底21離開?；?1的材 料選擇受限于作為該層22的材料的晶格常數(shù)，而該層22的材料由該發(fā)光二 極管20所欲產(chǎn)生的光頻譜所決定。
現(xiàn)在請參考圖2至圖4，其是例示本發(fā)明的一發(fā)光二極管。圖2是一發(fā)光 二極管40的上視圖，圖3是圖2中沿線3-3的發(fā)光二極管40的截面圖，及圖 4是發(fā)光二極管40的底視圖。發(fā)光二極管40可被視為包含兩個主要部份，一 發(fā)光部58及一基部59接合在一起。應(yīng)注意的是該發(fā)光二極管40是一垂直型 元件，因此，可避免上述側(cè)向型元件的問題。
發(fā)光部58包含一 n型層41及一 p型層42其中夾持一主動層43，當(dāng)空穴 及電子分別從該層42及該層41注入該主動層43并結(jié)合時(shí)產(chǎn)生發(fā)光。如上所 述，這些層中的每一層可包含一些子層；然而這些子層并非本發(fā)明的焦點(diǎn)， 所以它們的功能就不在此詳細(xì)描述。電能分別透過電極45及44施加在該層 41及42之間。為了防止發(fā)光部58接觸周遭環(huán)境， 一透明絕緣層49用來包覆 該發(fā)光部59。
基部59可視為提供一些金屬導(dǎo)線在該絕緣基底48上或穿過該絕緣基底 48。基部59提供兩項(xiàng)功能。第一，基部59提供該電極44及45分別與發(fā)光 二極管40底部共平面的接觸51及52的連接。本發(fā)明通過一垂直走向的金屬 導(dǎo)線46連接金屬層53至接觸51，以達(dá)成電極44及接觸51之間的連接。金 屬層53被接合至電極44。通過一金屬填塞通道47提供電極45及接觸52之間的連接。應(yīng)注意的是 電極45也可是一金屬填塞通道。該金屬填塞通道45延伸通過該發(fā)光部58， 并且該金屬填塞通道45通過圖中57所示的一絕緣材料層與該主動層43及p 型層42隔離。
基部59也提供發(fā)光二極管40的支持結(jié)構(gòu)。典型發(fā)光部58的厚度小于5 微米Oim)。因此，當(dāng)需要將發(fā)光二極管40貼附到許多產(chǎn)品上而處理及接合該 發(fā)光二極管40時(shí)，該發(fā)光部常因太脆弱而不能生存?；?9典型上的厚度 大約為100|im。
另外，基部59提供一足夠大的接合墊(mounting pads)允許發(fā)光二極管40 可表面安裝至一印刷電路板或其類似物件。承如下文的詳細(xì)討論，該電極45 的截面積盡可能越小越好。因此，電極45及47的對位(alignment)需要一些精 確度。承如下文的詳細(xì)討論，通過使用一分離基部可提供所要的精確度，該 分離基部可接著以較低的精確度貼附至該印刷電路板。
如上所述，電極45的大小盡可能越小越好。該發(fā)光部被電極45消耗的 部分不能產(chǎn)生大量的發(fā)光從該發(fā)光二極管40的頂部表面脫離。因此，最小化 電極45的截面積可最大化總光輸出。然而，基于多重考量之一，電極45必 須大于某最小尺寸。第一，通過層41至43的通道(via)直徑具有一最小尺寸， 其受制于用來建構(gòu)該通道的該刻蝕系統(tǒng)。通常，從該通道開口工藝中可獲得 一最大高寬比(aspect ratio)。該高寬比通常小于10: 1。也就是說，該通道不 能具有一深度大于其直徑10倍以上。在本發(fā)明此一實(shí)施例中，該通道的深度 是該層41至43的厚度，承如上文提及，大概小于5pm。因此，該通道可小
于l,o
第二項(xiàng)考量是電極45的電阻值。在高功率發(fā)光二極管中，在不需要顯著 電壓差的情況下，電極45被要求導(dǎo)通大于350mA的電流。由于該導(dǎo)通路徑 的電阻值與該通道截面積成反比，前述要求的電流施加另一限制在該電極45 的截面積。某種程度上，可通過采用一具有較高導(dǎo)電率的金屬如銅或金來克
1服此限制；然而，該通道的截面積仍具有一較低限制。在高電流的應(yīng)用中， 該通道通常大于50pm。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的發(fā)光二極管的制造方法將被被詳細(xì)討論如下。如 上所述，根據(jù)本發(fā)明的一發(fā)光二極管可被視為接合一發(fā)光部及一基部在一起。 現(xiàn)在請參考圖5及圖6，其例示該發(fā)光二極管的制造方法。圖5是一具有多個 發(fā)光二極管的部分晶圓60的上視圖。例示性的發(fā)光二極管如68及69所顯示。 圖6是顯示圖5中沿線6-6的部分晶圓60截面圖。
首先，該n型層73、 p型層71及主動層72沉積在一基底75上。之后， 一金屬層被沉積在該p型層上方及圖案化以提供該p型電極64。該金屬層可 包含多層子層提供不同的功能如焊接性(solderability)及附著性(adhesion)。此 外，子層材料的適當(dāng)選擇可使一電極作為一高度反射鏡面。因?yàn)樗鲞@些結(jié) 構(gòu)為熟知的技術(shù)且非本發(fā)明的核心技術(shù)，在此就不做詳細(xì)討論。讀者可參考 美國專利第6,552,359號、第5,585,648號、第6,492,661號及第6,797,987號， 以詳細(xì)了解這些功能。
這些半導(dǎo)體層接著被刻蝕以提供邊界區(qū)域61及通道62。這些邊界區(qū)域 61隔開不同的發(fā)光二極管及包含切割道(scribelanes)用以分離最終產(chǎn)品。所述 這些通道62內(nèi)襯一絕緣材料66。所述這些邊界區(qū)域61也可內(nèi)襯如圖中67所 示的絕緣體。所述這些邊界區(qū)域61的襯墊層是可選擇的。本發(fā)明可通過減少 用來防止該絕緣材料進(jìn)入邊界區(qū)域的光罩步驟將此一襯墊層涵括進(jìn)來而簡化 工藝步驟。該絕緣體沉積之后，該發(fā)光部的頂表面可進(jìn)行平面化處理，以利 于接合至該基部，如果該接合工藝需要一較平坦的表面。如有需要，可使用 化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)提供一較平坦的表面。
現(xiàn)在請參考圖7及圖8，例示說明前述基部的制造方法。圖7是部分基部 80的上視圖，及圖8是顯示圖7中沿線8-8的截面圖。該基部司被建構(gòu)在任 何合適的基底81上。如上述的例子，該基部不包含任何電子元件除了用來連 接至該基部底表面上電極的所述這些導(dǎo)體。因此，任何絕緣基底皆可使用只要其可提供需要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及提供可讓所述這些導(dǎo)體被制造在其上的一表 面。然而，該基部包含電路元件的實(shí)施例亦可被建構(gòu)出來。在此情況下，該 基底依照被包含的電路元件的性質(zhì)及所述這些電路元件的制造方法所決定。 舉例來說，硅基底應(yīng)用在一硅底材電路元件上是一具有吸引力的候選材料。
基部80包含電極在其頂部表面及底部表面上，通過垂直走向的導(dǎo)體被連 接在一起。所述這些垂直導(dǎo)體通常通過刻蝕一通道從基底81的頂部表面延伸 至底部表面及填入適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電金屬而被制造出來。該基部80頂部表面上的所 述這些電極提供連接至發(fā)光部上相對應(yīng)的電極。通常，有兩種電極對應(yīng)每一
發(fā)光二極管。這些電極被顯示在圖中的82及83。下面將做更詳細(xì)的說明，電 極83提供連接至發(fā)光二極管的該n型層，及電極82提供連接至該p型層。 該基部的頂部表面上的電極之間的區(qū)域可選擇性地，填入如圖中86及87所 示的絕緣材料。如果電極82及83之間的區(qū)域被填入絕緣體，則圖中87所示 的區(qū)域也可被填入絕緣體的實(shí)施例可容易地被建構(gòu)出來，因?yàn)榭梢栽谙嗤?操做步驟填入絕緣材料于此區(qū)域。沉積絕緣體之后，基部80的頂表面可以，
選擇性地，使用一工藝如化學(xué)機(jī)械研磨將其平坦化。該表面是否需要被平坦 化取決于基部接合至發(fā)光部的工藝可容納不平坦表面的程度。
如上文所述，基部80的頂部表面所述這些電極被連接至該底部表面上相 對應(yīng)的所述這些電極。電極82經(jīng)由一填塞金屬通道88被連接至電極85。電 極83較佳是填塞金屬通道89的頂部表面，該填塞金屬通道89被連接至該底 部表面的電極84。為了更清楚該底部表面上所述這些電極的形狀，這些電極 以虛線顯示在圖7中。
在一實(shí)施例中，該基部從一薄化至所欲的厚度的傳統(tǒng)硅晶圓建構(gòu)出來。 在此實(shí)施例中，首先使用反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)于該晶圓刻蝕出所述這些通道 開口。使用一熱氧化工藝以形成一二氧化硅絕緣層覆蓋住硅晶圓整個裸露的 表面包括所述這些通道開口。 一少量的金屬沉積在該通道開口表面，在該金 屬上形成鍍層，以增加該垂直通道導(dǎo)體的厚度。雖然所述這些通道開口不需要被金屬完全填滿，但也可以被金屬填滿。本發(fā)明用來鍍膜這些通道開口的 典型金屬是銅。因?yàn)殄儗拥墓に嚂谒鲞@些通道開口周圍造成一不平坦表 面，晶圓的表面需使用化學(xué)機(jī)械研磨進(jìn)行平坦化。該化學(xué)機(jī)械研磨不會移除 該二氧化硅絕緣層。平坦化之后，該頂部及底部圖案化金屬層沉積在該二氧 化層上。
應(yīng)注意到的是所述這些通道開口不需要完全填滿金屬。 一金屬層內(nèi)襯所 述這些通道開口內(nèi)部且具有一足夠的厚度提供該基部頂部表面及底部表面所 述這些金屬層的垂直連接即可。
所述這些發(fā)光部及基部以晶圓等級制備。該發(fā)光部及基部接著接合在一 起及在該發(fā)光部執(zhí)行進(jìn)一步工藝以完成與該基部的電性連接。
現(xiàn)在參考圖9，如上文所述，其是部分發(fā)光部及基部接合前的截面圖。該
發(fā)光部被上下顛倒置放，以使得圖中62所示的通道被定位在電極83 —端上 方。在發(fā)光部60上如圖中64所示的所述這些電極被定位鄰接于該基部上相 對應(yīng)的電極82。
現(xiàn)在參考圖10，該基部及該發(fā)光部接合后的截面圖。每一部上的所述這 些電極被接合至其他部上相對應(yīng)的電極。本發(fā)明可使用任何適當(dāng)?shù)慕雍戏绞健?該接合操作步驟較佳在晶圓級進(jìn)行。晶圓級接合技術(shù)為熟知的技術(shù)，因此， 在此不做詳細(xì)討論。應(yīng)注意的是熱壓接合(thermal compression bonding)技術(shù)很 適合用來接合本發(fā)明的這些部。這些技術(shù)涉及將兩部壓在一起并加熱，以使 每一部上相對應(yīng)的所述這些金屬墊被接合。熱壓接合技術(shù)(thermal compression bonding)已被描述于銅、金及鋁所建構(gòu)的焊墊。此外，對應(yīng)該絕緣體的區(qū)域具 有平坦的表面并列于該絕緣體是由二氧化硅所建構(gòu)的其他平坦絕緣體表面。 最后，接合技術(shù)可應(yīng)用于一適當(dāng)錫球覆蓋所述這些表面其中一者。
現(xiàn)在請參考圖11，是一發(fā)光部及基部接合后且移除基底75的截面圖?；?底75移除的方式通常取決于基底75的組成。建構(gòu)在藍(lán)寶石(sapphire)上的氮 化鎵發(fā)光二極管，通過使用一光源，其可發(fā)射某一波長的光，此波長的光無法被藍(lán)寶石吸收但是可被氮化鎵強(qiáng)烈吸收，使其經(jīng)由藍(lán)寶石基底照射在所述 這些氮化鎵層上，該基底可與所述這些氮化鎵層分離。從此光源發(fā)出的能量 被集中在該氮化鎵-藍(lán)寶石接面，造成鎵原子沿著藍(lán)寶石接面液化。之后，該 藍(lán)寶石基底可與該氮化鎵層分離，而該氮化鎵層仍然貼附于該基部。此種工
藝為眾所皆知的激光剝離方法(laser lift off)，已描述在美國專利第6,071,795 號，第6，420，242號及第5,335,263號。此工藝適合用在由AIGaAs， AlInGaP, AlInGaN，或GaAsP所建構(gòu)的發(fā)光部。應(yīng)被注意到該半導(dǎo)體部在此元件中的 厚度小于10pm。
參考圖ll，采用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)移除該基底時(shí)，部分n型層73也會 被移除而留下所述這些通道開口端。若該基底使用上述的激光剝離法(laserlift off)移除時(shí)，擋住所述這些通道開口端的該絕緣層必須使用一額外工藝步驟移 除。舉例來說，必須使用罩幕遮住該層73及施予刻蝕劑以移除該絕緣體的端 部部份。另外，本發(fā)明也可在該裸露層施予化學(xué)機(jī)械研磨，以移除該通道開 口端的該絕緣體?？杀Ａ魧?yīng)該主動層及該p型層的區(qū)域上的該絕緣體的任 何適當(dāng)方法皆可以被采用。
用來連接該n型電極的所述這些通道開口再次打開后， 一金屬沉積在該 氮化鎵中這些絕緣通道開口中，以完成如圖中95所示層73及電極83之間的 連接。所述這些邊界區(qū)域96的所述這些開口可選擇性填入金屬或是光阻層以 用來達(dá)成該金屬連接95的沉積。在一實(shí)施例中，所述這些邊界區(qū)域的所述這 些開口在最后金屬化工藝中保持打開。然后沉積一透明絕緣體層覆蓋住層73。 然后該層填塞所述這些邊界區(qū)域96以提供如圖3中49所示的該包覆層 (encapsulation layer)。為了利于該晶圓切割成獨(dú)立晶粒，沿著切割道的所述這 些邊界區(qū)域96可以不用被包覆。
復(fù)參考圖3。發(fā)光二極管40操作時(shí)電極45提供電子至層41，及電極44 提供空穴。理想上的電流為均勻擴(kuò)散以使電子及空穴均勻的遍及該主動層43 的表面。實(shí)質(zhì)上此目標(biāo)的完成通過電極44注入空穴至層42，因?yàn)殡姌O44覆蓋層42的大部份表面。相反地，電極45只覆蓋住該層41的一小部分表面，
因此，層41中的電子分布大體上小于所希望的電子分布。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，此問題通過一包含多支薄輻條的頂部電極解決，
所述這些薄輻條可使電流均勻地散布在該層41的表面?，F(xiàn)在參考圖12，是根 據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一發(fā)光二極管上視圖。發(fā)光二極管100具有一頂層101 類似于上述的層41。電極102通過層101中心的一金屬填塞通道103連接至 發(fā)光層。多支薄電極102從該金屬填塞通道103朝外延伸以提供直接的電流 途徑至層101的其他部分。由于光線是從層101發(fā)出，所述這些輻條的大小 及其數(shù)目經(jīng)選擇以使由于該輻條金屬的光反射或光吸收造成的光損失最小 化。雖然該薄電極被配置成輻射狀圖案(radial pattern),應(yīng)注意的是可使該電 極不會阻擋太多該表面面積且同時(shí)可均勻地散布電流的其它圖案也可被采 用。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，被該薄電極占據(jù)的該發(fā)光表面面積少于該發(fā)光 區(qū)域的20%。
本發(fā)明的上述實(shí)施例采用該n型層位于整個晶片的頂部表面及光線從該 表面發(fā)射出去的構(gòu)造。此一構(gòu)造符合大多數(shù)常用來制造發(fā)光二極管的方法， 其中該n型層先沉積至該基底上以使該p型摻質(zhì)擴(kuò)散至其他層的問題最小化。
從許多材料系統(tǒng)中該p型層比該n型層具有較大的電阻值，電流擴(kuò)散以 提供主動層一均勻的電荷密度對于p型層來說是一較大的問題此一觀點(diǎn)來看， 上述的構(gòu)造具有優(yōu)勢。如前面提及的，上述實(shí)施例中，該p型層接觸較大的 該頂部電極，因此不會有通過該層的非均勻電流的重大問題。
然而，本發(fā)明可采用其他發(fā)光二極管構(gòu)造。為了簡化下面的討論，若光 從該層發(fā)出則該層被定義為該發(fā)光二極管的頂層，與基部連接的該層則被定 義為底層。上述定義與所述這些特定層的摻雜無關(guān)。舉例來說，在某些用來 制造發(fā)光二極管的材料系統(tǒng)中，該p型層可先沉積而不會有太大的擴(kuò)散問題。 在此例子中，該頂層將會是該p型層。
在本發(fā)明上述實(shí)施例中，該發(fā)光二極管為簡單三層元件，其中該主動層被夾持于一 p型層及一 n型層之間。實(shí)際上該三層的每一層可包含多層是包 含有不同的合金組成及不同的摻雜程度，以提高特性，例如光輸出、歐姆接 觸、效率及電流擴(kuò)散。這些結(jié)構(gòu)為本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員熟知。
在本發(fā)明上述實(shí)施例中，該發(fā)光二極管為簡單三層元件，其中該主動層
被夾持于一p型層及一n型層之間。此種結(jié)構(gòu)通常被稱做一p-i-n二極管。如
上述，在許多材料系統(tǒng)中，該p型層會造成電流擴(kuò)散及電阻值的問題。應(yīng)注
意到該n型層及p型層可視為會損耗功率的電阻，及該損耗功率不會產(chǎn)生任 何光。因此，高電阻層導(dǎo)致低效率及高操作溫度。許多復(fù)雜的發(fā)光二極管設(shè) 計(jì)嘗試最小化該p型層的厚度以減緩這些問題。在這些元件中，元件的其他 層皆為n型層以提供較佳的電流擴(kuò)散。因?yàn)榇朔N發(fā)光二極管為本技術(shù)領(lǐng)域技 術(shù)人員知的，所以在此不做詳細(xì)討論。應(yīng)注意的是一穿隧二極管接面(atimnd diode junction)被引入該發(fā)光二極管本體，以提供一 p型層的轉(zhuǎn)換(a transition of a p-type layer)。也就是，該發(fā)光二極管具有一 n-p-i-n結(jié)構(gòu)，其中該n-p接面 是一反向偏壓穿隧二極管，及該p型層相當(dāng)薄。由于該電流擴(kuò)散功能是由該n 型層達(dá)成，該p型層可以相對的薄，也因此，伴隨p型材料的高電阻值造成 的問題可以明顯地減緩。正確選擇材料及摻質(zhì)顯示出該穿隧接面造成的損失 大過提升電流擴(kuò)散獲得的補(bǔ)償及降低元件電阻值。
在本發(fā)明上述實(shí)施例中，通過一金屬填塞通道從該發(fā)光二極管的頂部表 面通過該發(fā)光二極管延伸至該發(fā)光二極管的底部表面，以連接發(fā)光部的頂層 至該基部頂表面相對應(yīng)的一電極，接著被連接至該基部底部表面上的一焊墊。 然而，其他連接該發(fā)光二極管的頂層至該基部底部表面上一電極的其他模式 也可被采用。
現(xiàn)在請參考圖13及圖14，其例示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的發(fā)光二極管。 圖13是一發(fā)光二極管200的上視圖，及圖14s是實(shí)施例的發(fā)光二極管。圖13 是一發(fā)光二極管200的上視圖，及圖14三顯示在圖13中沿線14-14的發(fā)光二 極管200的截面圖。發(fā)光二顯示在圖13中沿線14-14的發(fā)光二極管200的截面圖。發(fā)光二極管200包含一發(fā)光部210及一基部其執(zhí)行類似關(guān)于發(fā)光二極 管40的上述功能。發(fā)光部210包含一主動區(qū)212夾持于一 p型層213及一 n 型層211之間。電極217提供電性接觸予層213，電極217被沉積在層213的 表面上。電極215提供電性接觸予層211，電極215在該發(fā)光部已經(jīng)被接合至 基部220后沉積在層211的表面上。
基部220包含多個電極沉積在一絕緣基底221上。電極223及224提供接 觸以連接電極217及215至一外部電路。在發(fā)光部210接合至基部220之前， 電極214先沉積在基底221上。電極214將該兩部接合在一起及提供部分電性 路徑以連接層213至電極223。此一電性路徑的其余部分由一垂直導(dǎo)體222提 供。同樣地， 一垂直導(dǎo)體218被用來完成電極215與電極224之間的連接。
一具有發(fā)光二極管200構(gòu)造的發(fā)光二極管的制造方法將于下文詳細(xì)討論。 首先參考圖15及圖16,其例示一部份的基部晶圓240，準(zhǔn)備接合至一發(fā)光部 晶圓。圖15是一晶圓240的上視圖，及圖16是顯示圖15中沿線16-16的三 個基本元件241至243的部分晶圓240截面圖。晶圓240被建構(gòu)在一絕緣基 底250上。顯示在圖中252的所述這些深溝渠先被刻蝕出來及被鍍上金屬以 提供基底250的該頂部及底部表面的電性連接。選擇性地，這些溝渠可完全 被金屬所填滿。顯示在這些圖中的這些范例，所述這些溝渠的截面為矩形； 然而，其他形狀也可被采用。所述這些溝渠被刻蝕之后，圖案化金屬層251 及257被沉積在基底250的該頂部及底部表面上，以提供該不同電極予每一 元件的該基部。
該發(fā)光部的制備方法類似于圖5及圖6的方法，因此，不再重復(fù)討論。 應(yīng)注意到在本實(shí)施例中，顯示在圖5及圖6中62的通道沒有被制造出來。
現(xiàn)在請參考圖17至圖20，其例示具有發(fā)光二極管200構(gòu)造的一發(fā)光二極 管制造方法。 一開始將具有發(fā)光部的一晶圓接合至具有基部的一晶圓。圖17 顯示已經(jīng)對位但是仍然分離還未接合的兩個晶圓。發(fā)光晶圓270包含一主動 層274其夾持于一 p型層273及已經(jīng)沉積至一基底271上的n型層272之間。發(fā)光晶圓270也包含一圖案化電極層275，其提供一電性連接至層272。溝渠 276已經(jīng)被刻蝕穿過層272至275。
該兩晶圓使得每一發(fā)光二極管中的電極275及電極251接合在一起，及 介于電極251之間的間隙對位于圖中276所示的溝渠內(nèi)。注意到在每一元件 中部份溝渠252位于部分電極251下方，如圖中281所示的位置，使該溝渠 252與電極251在281所示的位置電性連接。溝渠252的其余部分并未接觸電 極251，因此，有一非導(dǎo)電間隙282介于溝渠252及晶圓中鄰近元件對應(yīng)的部 份電極251之間?，F(xiàn)在參考圖18。所述這些晶圓被接合之后，基底271被移 除及溝渠276如圖中277被填入一絕緣體例如Si02-。絕緣體277中一溝渠278 被刻蝕出來如圖19所示。該溝渠位于部分溝渠252上方。溝渠278可延伸至 溝渠252的長度或只是該長度的一部份。之后， 一圖案化電極279被沉積在 部份層272上方，如圖19所示。電極279也延伸進(jìn)入溝渠278。視需要，--或更多額外的透明材料層可施予在晶圓上，以保護(hù)該頂部表面。為了簡化圖 式，這些層被省略。
在工藝的最后步驟中，通過切割接合后的晶圓而分離這些元件。在一實(shí) 施例中，所述這些元件沿著圖20所示的切割線285被切割。此一切割使溝渠 252分離成為兩垂直走向的電極287及288。電極287成為如圖14中的電極 222，及電極288成為如圖14中的電極218。
現(xiàn)在請參考圖21， 一切割前之部分已接合晶圓的上視圖。如上述，該頂 部電極279可包含多個線狀導(dǎo)體291其擴(kuò)散電流至該發(fā)光元件的該頂部表面。
如上述的實(shí)施例中， 一絕緣層防止底層與該垂直導(dǎo)休發(fā)生短路，該垂直 導(dǎo)體用來連接基部至該元件的頂層。在上文討論的一個實(shí)施例中，該絕緣層 延伸至該頂層的該頂部表面。然而，應(yīng)注意到該絕緣層并不需要延伸至該頂 部表面。只要該絕緣層覆蓋部分該底層及主動層，使該垂直導(dǎo)體不會與其他 層中任一層發(fā)生短路，本發(fā)明即可運(yùn)作。
雖然本發(fā)明以發(fā)光二極管作為發(fā)光元件進(jìn)行討論，然本發(fā)明的實(shí)施例中
18用來接合至該基部的該元件也可以是由不同集成電路或電路元件所建構(gòu)出 來。為了簡化下面的討論，該集成電路被定義包含由一獨(dú)立電路元件組成的 裝置。本發(fā)明特別有用于該裝置需要被接合至該基部，其需要一第一接觸位 于該裝置的該頂部表面及一第二接觸位于該裝置的該底部表面，及該裝置具 有一或更多層需要被保護(hù)以防止與該導(dǎo)體發(fā)生短路，當(dāng)該導(dǎo)體連接至該裝置 的上表面時(shí)。舉例來說， 一垂直面射型激光(VCSELS)具有類似結(jié)構(gòu)，也因此，
可根據(jù)本發(fā)明提供一可安裝于表面的VCSELs其接合一基部。
應(yīng)注意到根據(jù)本發(fā)明一元件的該基部面積大小接近最終產(chǎn)品的面積，也 因此，相較于傳統(tǒng)集成電路封裝中由晶粒或晶片組成的集成電路元件，所述 這些最終產(chǎn)品可被更緊密地放置。本發(fā)明特別有用于提供一可安裝于表面的 晶片，其屮該基部的面積兩倍小于該集成電路晶片或晶粒的頂部表面面積。
本發(fā)明特別有用于建構(gòu)的元件是其中該電路裝置是由可置放在一硅或陶
瓷基板上的AlGaAs， AlInGaP， AlInGaN，或GaAaP家族材料所建構(gòu)出來。 如上述，可采用激光照射方法使氮化鎵元件層與其下方藍(lán)寶石基底分離。此 外，硅基底提供足夠的熱傳遞，因此適合用于高功率元件。
如上述本發(fā)明的實(shí)施例可直接視為一具有兩個電極的電路裝置， 一電極 位于底部表面及一電極位于頂部表面。在此例子中，該基部也包含兩個相對 應(yīng)的電極其連接至該電路裝置的電極，并且終止在該最終晶片的底部表面上 的焊墊。然而，具有多于兩個裝置電極及多于兩個焊墊在該基部底部表面的 元件也可被建構(gòu)。
如上述本發(fā)明的實(shí)施例采用單一層電極位于該發(fā)光二極管上方及該基層 的頂表面上。然而，具有一或多個該電極包含多層的實(shí)施例也可被建構(gòu)。再 者，該多層也可包含具有不同的空間圖案的絕緣子層其在這些層中通過垂直 連接做連接。舉例來說，這些層有用于該發(fā)光二極管具有多個接觸點(diǎn)位于表 面被接線到基層的其他位置而不是直接在這些接觸下方。
此外，這些層有用于所述這些垂直連線具有非常大直徑的例子。如果采用 一厚基部，所述這些垂直通道的最小化尺寸可通過形成所述這些通道的刻
蝕工藝來設(shè)定。由于這些工藝限制所述這些刻蝕孔洞的高寬比(aspect mtio)， 也典型地限制所述這些通道直徑大于該通道孔洞的深度的1/4，該通道頂表面 的大小可相對地大，以限制該發(fā)光二極管的該底部電極的大小及位置。此問 題可通過覆蓋一薄絕緣層于該基部的頂表面而減輕，而該絕緣層具有一較小 通道位在較大金屬填塞通道一端上方。然后一具有希望的大小及位置的電極 可被沉積在該絕緣層上。
現(xiàn)在參考圖22，是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一發(fā)光二極管截面圖。發(fā)光 二極管300包含一發(fā)光部310類似上述的發(fā)光部。層313的連接由電極311 提供，而電極311連接至垂直導(dǎo)體312。為了簡化圖式，具有垂直導(dǎo)體312通 過的該通道內(nèi)的絕緣層已經(jīng)被省略。垂直導(dǎo)體312的截面積較佳具有一小的 截面積，但仍需保有提供至層313電性連接的能力。
電極311通過金屬填塞通道322被連接至底部電極323。如上述，該通道 的最小直徑由刻蝕穿過該層形成該通道的該層厚度所決定。發(fā)光部310通常 比基部320薄很多。舉例來說，發(fā)光部310可以為lO微米Omi)。相較下，基 部320必須足夠厚，以防止最后部件的斷裂，也因此通常具有大于100微米 的厚度。因此，通道322的寬度典型地大于通道312很多。在某些情況下， 通道322很寬以致于電極314的大小需要被限制以防止與通道322中的金屬 發(fā)生短路。然而發(fā)光部底部表面上的電極盡可能愈大愈好以最佳化發(fā)光部內(nèi) 的電流擴(kuò)散。圖22的實(shí)施例采用一三層頂部電極325來克服此一問題，其中 該三層頂部電極325具有兩層圖案化金屬層由一絕緣層326隔開。該上方金 屬層被圖案化以提供電極328及329。電極328透過在層329中的-vj、通道提 供連接至通道322，也因此提供從通道312至通道322的轉(zhuǎn)接而不用對電極 314的大小做太多限制。電極329經(jīng)由電極331提供電極314及電極332之間 的連接，該電極331是電極325的下方圖案化層。
本發(fā)明上述的實(shí)施例利用金屬填塞通道以實(shí)施該垂直導(dǎo)體。然而，其他型式的垂直導(dǎo)體也可被采用。舉例來說，垂直導(dǎo)體具有適當(dāng)?shù)墓钃诫s也可被 采用。所述這些結(jié)構(gòu)為習(xí)知，因此，不在此做詳細(xì)討論。
本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的前述說明及附隨的圖式可做不同的修 飾。因此，本發(fā)明主要限定于權(quán)利要求的范疇。
權(quán)利要求
1.一元件包含一電路裝置及一基部，該電路裝置包含具有一頂層及一底層的多層半導(dǎo)體層，該頂層包含一頂表面具有一頂部接觸于該頂表面及該底層具有一底表面及一底部接觸于該底表面，操作該電路裝置需要一電位差施加在該頂部接觸及該底部接觸；及該基部包含具有一基部頂表面及一基部底表面的一基底，該基部頂表面是接合至該底層及該基部底表面包含互相電性隔離的一第一底電極及一第二底電極，該底部接觸通過一第一導(dǎo)體連接至該第一底電極及該第二底電極通過一第二導(dǎo)體連接至該頂部接觸；其中該底層包含一絕緣層是接合在該底層的一表面上及其中該第二導(dǎo)體包含一金屬層接合至該絕緣層，該絕緣層防止該第二導(dǎo)體與該底層的接觸。
2. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該基部包含一頂電極接合至該基部頂表 面，該第一導(dǎo)體包含一導(dǎo)體是連接該頂電極至該第一底電極。
3. 如權(quán)利要求2所述的元件，其中該電路裝置包含一發(fā)光裝置是包含一主 動層，及一第一半導(dǎo)體層及一第二半導(dǎo)體層，該主動層位于該第一及第二半 導(dǎo)體層之間，該第一半導(dǎo)體層具有包含該頂部接觸的一頂表面及該第二半導(dǎo) 體層具有包含該底部接觸的一底表面，當(dāng)一電位施加于該頂部接觸及該底部 接觸之間，空穴及電子在該發(fā)光裝置中結(jié)合產(chǎn)生光。
4. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該電路裝置包含AlGaAs， AlInGaP， AlInGaN，或GaAsP。
5. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該基底包含一硅晶片或一陶磁材料。
6. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該發(fā)光裝置包含一發(fā)光二極管。
7. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該發(fā)光裝置包含一激光二極管。
8. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該發(fā)光裝置包含一導(dǎo)電路徑從該第一半 導(dǎo)體層的該頂表面延伸至該第二半導(dǎo)體層的該底表面，該導(dǎo)電路徑包含一金屬層通過該絕緣層及該主動層而電性絕緣于該第二半導(dǎo)體層及該主動層。
9. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該第一半導(dǎo)體層、該主動層，及該第二半導(dǎo)體層包含外表面及其中該絕緣層包含一絕緣層接合至該外表面。
10. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該頂部接觸覆蓋少于20%的該第一半 導(dǎo)體層。
11. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該電路裝置厚度小于IO微米。
12. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該底部接觸包含一鏡面具有大于50% 的反射率。
13. 如權(quán)利要求3所述的元件，其中該基部的厚度是該電路裝置厚度的五倍。
14. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該第二導(dǎo)體包含一金屬導(dǎo)電路徑以連 接該基部頂表面至該第二底電極。
15. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該第二導(dǎo)體包含一金屬層接合至該基 底的一外表面。
16. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該第一導(dǎo)體包含一金屬層以接合至該 基底的另一表面。
17. 如權(quán)利要求2所述的元件，其中該第一導(dǎo)體包含一金屬導(dǎo)電路徑以連 接該頂電極至該第一底電極。
18. 如權(quán)利要求1所述的元件，其中該基部的該底表面具有一面積是該第 二半導(dǎo)體層的該頂表面面積的兩倍以下。
全文摘要
一種可安裝于表面的晶片包含一電路裝置及一基部。該電路裝置包括一頂層及一底層其分別具有一頂部接觸及一底部接觸。該基部包含具有一基部頂表面及一基部底表面的一基底。該基部頂表面包含一頂電極結(jié)合至該底部接觸，且該基部底表面包含彼此電性隔離的第一及第二底電極。該頂電極連接至該第一底電極，及該第二底電極通過一垂直導(dǎo)體連接至該頂部接觸。一絕緣層結(jié)合至該電路裝置的一表面及覆蓋該底層的一垂直表面的一部分。該垂直導(dǎo)體包含一金屬層接合至該絕緣層。
文檔編號H01L33/48GK101517758SQ200780035432
公開日2009年8月26日 申請日期2007年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者法蘭克·T·蕭 申請人:普瑞光電股份有限公司