CN107564895A

CN107564895A - 紫外线发射装置及其形成方法

Info

Publication number: CN107564895A
Application number: CN201710449818.5A
Authority: CN
Inventors: 刘赛锦; 王小宁; 廖翊韬; 道格拉斯·A·柯林斯
Original assignee: RayVio Corp
Current assignee: RayVio Corp
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2018-01-09
Also published as: US20180006203A1

Abstract

本申请案涉及一种紫外线发射装置及其形成方法。本发明的实施例包含紫外发光二极管(UVLED)，所述UVLED包含具有安置在n型区域与p型区域之间的有源层的半导体结构。所述有源层发射紫外线辐射。所述UVLED安置在支架上。反射层安置在环绕所述UVLED的所述支架的表面上。

Description

紫外线发射装置及其形成方法

技术领域

本发明涉及发光装置领域。

背景技术

相关技术描述

包含(Al，Ga，In)—N及其合金的III族氮化物材料的带隙从InN(0.7eV)的非常窄的间隙延伸到AlN(6.2eV)的非常宽的间隙，使得III族氮化物材料非常适合于光电子应用，例如从近红外线延伸到深紫外线的广泛光谱范围内的发光二极管(LED)、激光二极管、光学调制器及检测器。可使用有源层中的InGaN获得可见光LED及激光器，而紫外线LED(UVLED)及激光器需要较大的AlGaN带隙。

预期发现发射波长在230到350nm范围内的UVLED的各种各样的应用，其中大多数是基于UV辐射与生物材料之间的相互作用。典型应用包含表面灭菌、空气消毒、水消毒、医疗装置及生物化学，用于超高密度光学记录的光源、白光照明、荧光分析、感测及零排放汽车。

来自此类UVLED的提取效率通常是不合需要地低。

发明内容

一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括：发光二极管(UVLED)，其包括半导体结构，所述半导体结构包括安置在n型区域与p型区域之间的有源层，其中所述有源层发射紫外线辐射；支架，其中所述UVLED安置在所述支架上；以及反射层，其安置在环绕所述UVLED的所述支架的表面上。

另一方面，本发明提供一种方法，所述装置包括：将第一及第二电气垫安置在支架上；安置上覆于所述第一及第二电气垫的第一部分的反射层；图案化所述反射层以形成暴露所述第一及第二电气垫的第二部分的开口；以及将发光二极管(UVLED)电及物理地连接到所述第一及第二电气垫，所述发光二极管包括半导体结构，所述半导体结构包括安置在n型区域与p型区域之间的有源层，其中所述有源层发射紫外线辐射。

附图说明

图1是两个封装的紫外线发射装置(UVLED)的横截面图。

图2是倒装芯片UVLED中的多个像素的平面图。

图3是UVLED中的一个像素的横截面图。

图4说明大面积UVLED中的辐射功率的吸收。

图5说明小面积UVLED中的辐射功率的提取。

图6是图1中所说明的装置中的一者的俯视图。

图7、8、9、10及11说明形成图1中所说明的装置的一种方法。

图12说明包含与接合垫及支架接触的反射层的封装UVLED。

图13、14及15说明上面可安装有封装装置的三个结构。

具体实施方式

虽然本文所描述的装置是III族氮化物装置，但是由例如其它III-V族材料、II-VI族材料、Si的其它材料形成的装置在本发明的实施例的范围内。本文描述的装置可经配置以发射可见的UV A(340nm与400nm之间的峰值波长)、UV B(290nm与340nm之间的峰值波长)或UV C(210nm及290nm之间的峰值波长)辐射。由本文描述的UVLED发射的辐射功率为节约语言可被描述为“光”。

本发明的实施例针对用于增加从UVLED的提取效率的结构及技术。

图1说明根据本发明的实施例的安置在支架上的UVLED。在图1的结构中，两个UVLED 1附接到支架40。下文在伴随图2及3的文本中详细描述合适的UVLED的一个实例。

支架40可为高度导热的(例如，在一些实施例中具有至少170W/mK的热导率)、高度电绝缘的及机械刚性的(例如，具有匹配或接近UVLED 1的热膨胀系数)任何合适的材料。用于支架40的合适材料的实例包含(但不限于)陶瓷、金刚石、AlN、氧化铍、硅或导电材料(例如硅、金属、合金，Al或Cu)，只要导电材料适当地涂覆有绝缘层，例如氧化硅、氮化硅或氧化铝，或任何其它合适的材料。在一些实施例中，电路及/或其它结构(例如瞬态电压抑制电路、驱动器电路或任何其它合适的电路)可安置在支架40内，或者安装在支架40的表面上，使得电路或其它结构在必要时电连接到UVLED 1。

导电垫42形成在支架的顶部表面上。UVLED 1通过垫42电及物理连接到支架40。每个UVLED 1提供至少两个电隔离垫42，一个耦合到UVLED 1的n型区域，且一个耦合到UVLED1的p型区域。垫42可为(例如)适于接合UVLED 1的任何材料，其包含(例如)金、银、锡-银-铜(SAC)或金-锡(AuSn)。垫42可通过包含(例如)电镀的任何合适的技术形成在支架40的表面上。

UVLED 1的触点(下文描述)通过互连件46连接到垫42，互连件46可为任何合适的材料，例如焊料或金。UVLED 1可通过任何合适的技术连接到垫42，所述技术包含(例如)金-金互连、焊接或焊剂辅助的共晶回流焊技术。

环绕UVLED 1的支架40上的区涂覆有反射层44。反射层44是对由UVLED 1发射的辐射功率具有高度反射性的材料。反射层44可为任何合适的材料，其包含(例如)金属、铝、多层金属堆栈、合金或安置在透明材料(例如抗紫外线硅酮)中的反射性颗粒，例如聚四氟乙烯(PTFE，其商品名称可通称为)或氧化铝。在一些实施例中，反射层44反射波长在250nm与350nm之间的辐射功率的至少70％；并且在一些实施例中，反射层44反射波长在250nm与350nm之间的辐射功率的至少85％。

例如铝的金属反射层44可通过(例如)电镀、电子束沉积或蒸发来形成。反射层44可为金属堆栈。例如，可在金属反射层44之前形成促进金属反射层44粘附到下伏表面(例如，支架40的表面及/或垫42的表面)的一或多个层。此类粘合层的实例包含镍、钛或其合金。合适的金属堆栈的一个实例是与下伏表面直接接触而安置的100nm的Ti，然后是500nm的Al。金属堆栈可通过任何合适的技术形成。在一个实施例中，金属堆栈可通过电子束沉积形成，并且图案可通过所属领域中已知的光阻剥离工艺形成。

作为安置在透明材料中的反射性颗粒的反射层44可通过(例如)点胶、模制、钢网漏印、丝网印刷或任何其它合适的技术形成。反射性颗粒可为Al₂O₃、聚四氟乙烯(PTFE)或Al，其安置在硅胶或任何其它合适的材料(其为低折射率、抗紫外线，并且对于例如250nm与350nm之间的光是透明的)中。在一些实施例中，透明材料是电绝缘的。在一些实施例中，颗粒与透明材料之间的折射率差引起入射在反射层44上的光的散射。例如，市售的UV适合的硅胶(例如Schott UV-200)可具有不超过1.42的折射率。Al₂O₃颗粒可具有1.8的折射率。1.42与1.8之间的差异可引起合适的散射。颗粒可为微米尺寸或纳米尺寸。

反射层44可改进从图1所说明的装置的光萃取率。

光学元件(例如透镜46)安置在UVLED 1上方。尽管图1中说明圆顶透镜，但可使用任何合适的光学件，例如菲涅尔(Fresnel)透镜、其它透镜或其它光学件。在一些实施例中，透镜46是固体材料。透镜46可为(例如)旋转对称、椭圆形、圆形，正方形、矩形、三角形或任何其它合适的形状。圆顶透镜可具有半球形、椭圆形或抛物线形状。透镜46由对UVLED 1发射的波长的紫外线辐射透明，并能够承受紫外线辐射而不会降解的材料形成。例如，在一些实施例中，当光学件的典型高度约为UVLED 1的宽度的2倍时，光学件可由透射至少85％的280nm的紫外线辐射的材料形成。在暴露于280nm的紫外线辐射1000小时之后，材料的透明度可能降低不超过1％。在一些实施例中，透镜46由可模制的材料形成，例如熔融硅石、玻璃、可从五十铃玻璃公司(Isuzu Glass,Inc.)购得的IHU UV透射玻璃、以及抗紫外线的硅酮。在一些实施例中，透镜46由可通过(例如)研磨及抛光成形的材料(例如石英或蓝宝石)形成。通过模制形成的光学件可能更便宜；通过研磨及抛光形成的光学件可具有更好的光学质量。

在一些实施例中，透镜46在最高点处的高度保持较小以维持透明度。透镜46相对于反射层44的顶部表面的最高点的高度在一些实施例中可为至少50μm、在一些实施例中为不超过1mm、在一些实施例中为不超过750μm、并且在一些实施例中为不超过500μm。在一些实施例中，光学元件46不是经设计以更改提取光束的透镜，而是可为清晰的材料薄片，例如石英板，其保护UVLED 1而不会显著更改提取的光束。

图6是图1中所说明的装置中的一者的俯视图。透镜46延伸超过UVLED 1。UVLED1的轮廓是图6中的虚线。在图6所说明的实施例中，垫42具有与UVLED 1基本相同的横向延伸，使得垫42的横向延伸显著小于反射层44的横向延伸。因此，如图12中所说明，反射层44的一部分安置在垫42上，并且反射层44的一部分直接安置在支架40上。在一些实施例中，垫42可具有较大的横向延伸，使得其安置在反射层的较大部分下方，或安置在反射层44的全部的下方。如果反射层44是导电的，那么两个反射层44可由间隙48分隔开，以避免UVLED 1的n-及p-触点短接。如果反射层44不导电，那么可省略间隙48。

接合垫47可形成在支架的顶部表面上，以促进UVLED 1与另一结构之间的电连接。接合垫47必须电连接到垫42。如果反射层44是导电的(例如，铝)，那么接合垫可形成在反射层44上。

市售的UVA、UVB及UVC LED可用于各种实施例中。图2及3说明可在本发明的实施例中使用的受让人自己的UVB及UVC LED的一个实例的一部分。图2是由UVLED像素12的阵列组成的UVLED的一部分的俯视图。图3是单个UVLED像素12的二等分横截面。可使用任何合适的UVLED，并且本发明的实施例不限于图2及3中所说明的结构。

UVLED通常是III族氮化物，且通常是GaN、AlGaN及InGaN。紫外线发射像素12的阵列形成在例如透明蓝宝石衬底的单个衬底14上。其它衬底是可能的。虽然所述实例展示像素12是圆形的，但是其可具有任何形状，例如正方形。光穿过透明衬底射出，如图3中所展示。像素12可各自为倒装芯片，其中阳极及阴极电极面向支架。

半导体层在衬底14上外延生长。(装置可包含一或多个半导体层，例如不经外延生长但经沉积或以其它方式形成的导电氧化物，例如氧化铟锡)。AlN或其它合适的缓冲层(未展示)生长，随后是n型区域16。n型区域16可包含具有不同组成、掺杂剂浓度及厚度的多个层。n型区域16可包含至少一个经Si、Ge及/或其它合适的n型掺杂剂n型掺杂的Al_aGa_1-aN膜。n型区域16可具有约100nm到约10微米的厚度，并直接生长在缓冲层上。n型区域16中的Si的掺杂水平可在从1×10¹⁶cm^-3到1×10²¹cm^-3的范围内。取决于预期的发射波长，公式中的AlN摩尔分数“a”可从针对以360nm发射的装置的0％变化到针对经设计为以200nm发射的装置的100％。

有源区域18在n型区域16上方生长。有源区域18可包含单个量子阱或由势垒层分离的多个量子阱(MQW)。量子阱及势垒层含有Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN，其中0<x<y<1，x表示量子阱层的AlN摩尔分数，且y表示势垒层的AlN摩尔分数。由UV LED发射的峰值波长通常取决于AlGaN量子阱有源层中Al的相对含量。

p型区域22生长在有源区域18上方。类似于n型区域16，p型区域22可包含具有不同组成、掺杂剂浓度及厚度的多个层。p型区域22包含一或多个p型掺杂(例如掺杂Mg)AlGaN层。AlN摩尔分数范围可从0到100％，且此层或多层的厚度范围可从约2nm到约100nm(单层)或到约500nm(多层)。在此区域中使用的多层可改进横向电导率。Mg掺杂水平可从1×10¹⁶cm^-3到1×10²¹cm^-3变化。掺杂Mg的GaN接触层可在p型区域22中最后生长。

上述半导体层中的全部或一些可在过量的Ga条件下生长，如US 2014/0103289中更详细描述，其以引用的方式并入本文中。

半导体结构15经蚀刻以在显示n型区域16的表面的像素12之间形成沟槽。像素12的侧壁12a可为垂直或倾斜，相对于垂直于生长衬底的主表面成锐角12b。每一像素12的高度138可在0.1微米与5微米之间。每一像素12的底部及顶部处的宽度131及139可为至少5微米。也可使用其它尺寸。

在蚀刻半导体结构15以形成沟槽之前或之后，在每一像素12的顶部上沉积及图案化金属p型触点24。P触点24可包含形成欧姆触点的一或多个金属层，以及形成反射器的一或多个金属层。合适的p触点24的一个实例包含Ni/Ag/Ti多层触点。

n触点28经沉积及图案化，使得n触点28被安置在像素12之间的n型区域16的大体上平坦的表面上。n触点28可包含单个或多个金属层。n触点28可包含(例如)与n型区域16直接接触的欧姆n触点130，及形成在欧姆n触点130上方的n迹线金属层132。欧姆n触点130可为(例如)V/Al/Ti多层触点。n迹线金属132可为(例如)Ti/Au/Ti多层触点。

n触点28及p触点24通过介电层134电隔离。介电层134可为任何合适的材料，例如通过任何合适的方法形成的一或多种硅的氧化物及/或一种或多种硅的氮化物。介电层134覆盖n触点28。形成在介电层134中的开口暴露p触点24。

P迹线金属136形成在装置的顶部表面上方，并且大体上保形地覆盖整个顶部表面。p迹线金属136电连接到形成在介电层134中的开口中的p触点24。p迹线金属136通过介电层134与n-触点28电隔离。

电连接到p迹线金属136及n触点28的稳固的金属垫提供在图的外部，用于连接到支架。多个像素12被包含在单个UVLED中。像素通过大面积的p迹线金属136及大面积的n迹线金属132电连接。可基于应用及/或所要辐射输出来选择像素的数目。包含多个像素的单个UVLED在下图中说明为UVLED 1。

在一些实施例中，衬底14是蓝宝石。衬底14可为(例如)大约一百微米厚。在一些实施例中，衬底14可保持为装置的部分，并且在一些实施例中可从半导体结构去除衬底14。

当从衬底14的顶部表面查看时，在相对于图3中所说明的定向翻转装置时，UVLED可为正方形、矩形或任何其它合适的形状。

在一些实施例中，UVLED 1保持较小以改进光提取。图4及5说明UVLED 1的大小如何影响从UVLED 1的辐射功率的提取。图4说明大装置，且图5说明小装置。在图4及5两者的UVLED中，生长衬底14通常是蓝宝石。蓝宝石与环绕UVLED的空气相比具有高的折射率，因此入射在衬底14与周围空气之间的界面上的一些辐射功率被全内反射反射，如图4中的射线50及图5中的射线52所说明。如果反射的辐射功率入射到半导体结构上(如图4的大装置中所说明)，那么其通常会被吸收。在图5所说明的小装置中，可从衬底14的侧壁提取反射光。

图4的UVLED的长度可为例如至少1mm。图5的小UVLED的一侧的长度在一些实施例中可为至少50μm、在一些实施例中不超过500μm、在一些实施例中不超过300μm、且在一些实施例中不超过200μm。小装置可为矩形、正方形或任何其它合适的形状。建模说明：在正方形装置中，将一侧的长度从1mm减小到500μm可将辐射功率的提取增加31％，并且将一侧的长度从1mm减小到200μm可将辐射功率的提取增加75％。蓝宝石衬底的厚度在一些实施例中可为200μm、在一些实施例中可为大于200μm、在一些实施例中为小于1mm。

图7、8、9、10及11说明形成图1中所说明的装置。

在图7中，形成垫42的金属沉积在支架40上，并且例如通过光刻被图案化。

在图8中，掩模材料沉积在支架40及垫42上方并被图案化，使得掩模区段50安置在待去除反射层44的区(对应于UVLED 1将被定位的区)中。

在图9中，反射层44形成在垫42及掩模区段50上方。上文描述用于形成反射层44的技术。

在图10中，去除掩模区段50及上覆于掩模区段50的反射层44，留下具有将放置UVLED 1的开口52的反射层44。

在图11中，UVLED 1定位在开口52中，并通过互连件46附接到支架40上的垫42。互连件46可在将UVLED 1安装在支架40上之前安置在UVLED 1上，垫42上或两者上。

透镜46可安置在如图1中所说明的个别UVLED 1上方，例如通过模制或通过将预形成的透镜附接到UVLED 1的顶部表面、附接到支架的表面或形成在支架上的层或两者。

在一些实施例中，将封装的装置的面板切成个别装置。在这种情况下，相邻装置之间的间隔54可为在不引起损坏的情况下对支架40进行单切所需的间隙，或为需要的间隙加上对于特定光学特性所需的支架的宽度。

在一些实施例中，多个封装的UVLED形成最终产物。在这种情况下，可将相邻UVLED之间的间隔54选择为足够大，使得相邻的UVLED彼此吸收很少的光或不吸收光。在一些实施例中，间隔54是UVLED 1相对于支架40的顶部表面或形成在支架40上的层42、44的顶部表面的高度的至少三倍。间隔54在一些实施例中为至少100μm、在一些实施例中不超过1mm、在一些实施例中不超过800μm且在一些实施例中不超过600μm。

图13、14及15说明上面可安装有上述封装的UVLED的三种结构。在图13中，结构60经成形为反射器杯。如上文在本发明的实施例中所描述的安置在支架40上的UVLED 1安置在反射器杯的底部处，并经由接合垫66附接到结构60。导线接合件62将支架40电连接到与支架40邻近的垫64。垫64可连接到安置在结构60的底部上的垫68。

在图14中，多个UVLED 1安置在支架40上。支架40安置在例如铜块的导电块70上。支架40被导线接合78到垫76，其通过绝缘层72与导电块70电隔离。垫74可将结构电连接到另一结构。

在图15中，一个或多个UVLED 1安置在支架40上。多个支架40安置在例如铜块的导电块70上以形成阵列。支架40彼此导线接合700，并且导线接合700到垫74，其通过绝缘层72与导电块70电隔离。垫74可将结构电连接到另一结构。

在已经详细描述了本发明的情况下，所属领域的技术人员将了解，鉴于本发明，在不脱离本文所描述的发明概念的精神的情况下，可对本发明做出修改。特定来说，本文描述的不同装置的不同特征及组件可在任何其它装置中使用，或者可从任何装置省略特征及组件。在一个实施例的上下文中描述的结构的特性可适用于任何实施例。因此，不希望本发明的范围限于所说明及描述的特定实施例。

Claims

1.一种装置，其包括：

发光二极管(UVLED)，其包括半导体结构，所述半导体结构包括安置在n型区域与p型区域之间的有源层，其中所述有源层发射紫外线辐射；

支架，其中所述UVLED安置在所述支架上；以及

反射层，其安置在环绕所述UVLED的所述支架的表面上。

2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括安置在所述UVLED上方的透镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括电连接垫，其中所述UVLED附接到所述电连接垫，并且所述反射层安置在所述电连接垫的部分上方。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述反射层包括铝，并且所述电连接垫包括金。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述反射层包括安置在透明材料中的颗粒，并且所述电连接垫包括金。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述颗粒是聚四氟乙烯PTFE及Al₂O₃中的一者。

7.一种方法，其包括：

将第一及第二电气垫安置在支架上；

安置上覆于所述第一及第二电气垫的第一部分的反射层；

图案化所述反射层以形成暴露所述第一及第二电气垫的第二部分的开口；以及

将发光二极管(UVLED)电及物理地连接到所述第一及第二电气垫，所述发光二极管UVLED包括半导体结构，所述半导体结构包括安置在n型区域与p型区域之间的有源层，其中所述有源层发射紫外线辐射。

8.根据权利要求7所述的方法，其中安置上覆于所述第一及第二电气垫的第一部分的反射层包括铝的电子束沉积。

9.根据权利要求7所述的方法，其中安置上覆于所述第一及第二电气垫的第一部分的反射层包括丝网印刷、钢网漏印、点胶及模制颗粒与透明材料的混合物中的一者。