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CN111628062A - 顶发射式半导体发光器件 - Google Patents

顶发射式半导体发光器件 Download PDF

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CN111628062A
CN111628062A CN202010280757.6A CN202010280757A CN111628062A CN 111628062 A CN111628062 A CN 111628062A CN 202010280757 A CN202010280757 A CN 202010280757A CN 111628062 A CN111628062 A CN 111628062A
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CN
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light emitting
semiconductor light
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emitting devices
wavelength converting
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CN202010280757.6A
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B.J.莫兰
M.A.德桑伯
G.巴辛
N.A.M.斯维格斯
M.M.巴特沃尔思
K.万波拉
C.马泽伊尔
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Bright Sharp Holdings Ltd
Lumileds Holding BV
Original Assignee
Bright Sharp Holdings Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明的实施例包括一种半导体结构，包括夹在n型区与p型区之间的发光层。将生长衬底附连到半导体结构。生长衬底具有至少一个成角侧壁。反射层布置在成角侧壁上。从半导体结构和生长衬底提取的大部分光是通过生长衬底的第一表面提取的。

Description

顶发射式半导体发光器件
本案为分案申请，母案是申请号为201480033532.3的进入国家阶段的PCT申请，其发明名称为“顶发射式半导体发光器件”，申请日为2014年3月31日。
技术领域
本发明涉及顶发射式、波长转换半导体发光器件。
背景技术
包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器的半导体发光器件是当前可获得的最高效的光源之一。当前在能够跨可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是还被称为III氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。典型地，通过借由金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III氮化物或其它合适衬底上外延生长具有不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制作III氮化物发光器件。堆叠通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、在一个或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层、以及在有源区之上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电气接触件形成在n和p型区上。
仅从通常称为“顶”表面的表面发射光的LED（即其中来自LED的侧表面的光发射大幅减少或消除的器件）通常通过在生长衬底上生长LED半导体结构，将半导体结构附连到底座，然后移除生长衬底来形成。
发明内容
本发明的目的是提供一种器件，其从器件的顶表面发射大部分光，而不要求移除生长衬底。
本发明的实施例包括一种半导体结构，包括夹在n型区与p型区之间的发光层。生长衬底附连到半导体结构。生长衬底具有至少一个成角侧壁。反射层布置在成角侧壁上。从半导体结构和生长衬底提取的大部分光是通过生长衬底的顶表面提取的。
本发明的实施例包括一种半导体结构，包括夹在n型区与p型区之间的发光层。具有小于150微米厚度的生长衬底附连到半导体结构。反射层布置在生长衬底的侧壁和半导体结构的侧壁上。从半导体结构和生长衬底提取的大部分光是通过生长衬底的顶表面提取的。
根据本发明的实施例的一种方法包括将多个半导体发光器件附连到载体。反射材料布置在半导体发光器件之间的区域中。使两个相邻的半导体发光器件分离。分离包括切割反射材料。
附图说明
图1图示了III氮化物LED的一个示例。
图2图示了附连到临时载体的LED的晶片。
图3图示了在形成生长衬底中的槽之后的图2的结构。
图4图示了在将波长转换构件附连到LED之后的图3的结构。
图5图示了在利用反射材料填充LED之间的区域之后的图4的结构。
图6图示了在使LED分离之后的图5的结构。
图7图示了附连到临时载体的LED。
图8图示了在将波长转换构件附连到LED之后的图7的结构。
图9图示了在利用反射材料填充LED之间的区域之后的图8的结构。
图10图示了在利用反射材料填充LED之间的区域之后的图7的结构。
图11图示了在形成LED之上的波长转换层之后的图10的结构。
图12图示了附连到临时载体的波长转换构件。
图13图示了在将LED附连到波长转换构件之后的图12的结构。
图14图示了在利用反射材料填充LED之间的区域之后的图13的结构。
图15图示了具有附连到临时载体的大体保形波长转换层的LED。
图16图示了在利用反射材料填充LED之间的区域之后的图15的结构。
图17图示了具有附连到临时载体的LED的顶部之上所形成的掩模层的LED。
图18图示了在形成反射层之后的图17的结构。
图19图示了在移除掩模层之后的图18的结构。
图20图示了在形成结构之上的波长转换层之后的图19的结构。
具体实施方式
在本发明的实施例中，生长在生长衬底上的半导体LED的晶片被处理成单独的器件或器件的组，其中大部分光是通过每一个LED的顶表面提取的。反射材料布置在器件的侧面上以防止光从器件的侧面逸出，或者以减少从器件的侧面提取的光的量。反射材料还可以增加通过LED的顶表面提取的光的量。
虽然在以下示例中，半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III氮化物LED，但是可以使用除LED之外的半导体发光器件，诸如由诸如其它III-V材料、III磷化物、III砷化物、II-VI材料、ZnO或基于Si的材料之类的其它材料系统制成的激光二极管和半导体发光器件。
图1图示了可以使用在本发明的实施例中的III氮化物LED。可以使用任何合适的半导体发光器件并且本发明的实施例不限于图1中图示的器件。图1的器件通过在生长衬底10上生成III氮化物半导体结构12来形成，如本领域中已知的。生长衬底通常是蓝宝石，但是可以是任何合适的衬底，诸如例如SiC、Si、GaN或复合衬底。可以在生长之前图案化、粗糙化和纹理化其上生成III氮化物半导体结构的生长衬底的表面，这可以改进来自器件的光提取。与生长表面（即在倒装芯片配置中通过其提取大部分光的表面）相对的生长衬底的表面可以在生长之前或之后图案化、粗糙化或纹理化，这可以改进来自器件的光提取。
半导体结构包括夹在n和p型区之间的发光或有源区。n型区16可以首先生长并且可以包括具有不同组成和掺杂剂浓度的多个层，包括例如可以是n型或非有意掺杂的诸如缓冲层或成核层之类的准备层，以及被设计用于得到对于使发光区高效发射光而言合期望的特定光学、材料或电气性质的n或甚至p型器件层。在n型区之上生长发光或有源区18。合适的发光区的示例包括单个厚或薄的发光层，或者包括通过阻挡层分离的多个薄或厚发光层的多量子阱发光区。然后可以在发光区之上生长p型区20。如n型区那样，p型区可以包括具有不同组成、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。
在生长之后，在p型区的表面上形成p接触件。p接触件21通常包括多个传导层，诸如反射金属和防护金属，其可以防止或减少反射金属的电迁移。反射金属通常是银，但是可以使用一个或多个任何合适的材料。在形成p接触件21之后，移除部分的p接触件21、p型区20和有源区18以暴露在其上形成n接触件22的n型区16的部分。n和p接触件22和21通过间隙25与彼此电气隔离，间隙25可以填充有诸如硅的氧化物或任何其它合适的材料之类的电介质。可以形成多个n接触件过孔；n和p接触件22和21不限于图1中所图示的设置。n和p接触件可以重新分布以形成具有电介质/金属堆叠的键合垫，如本领域中已知的。
为了形成到LED的电气连接，在n和p接触件22和21上形成一个或多个互连26和28或者将其电气连接到n和p接触件22和21。互连26电气连接到图1中的n接触件22。互连28电气连接到p接触件21。互连26和28通过电介质层24和间隙27从n和p接触件22和21以及从彼此电气隔离。互连26和28可以是例如焊料、凸块、金层或任何其它合适的结构。许多单独的LED形成在单个晶片上，然后从器件的晶片切分。LED晶片的n和p接触件22和21和半导体结构在以下图中通过块12表示。LED晶片的互连26和28通过块14表示。
衬底10可以在半导体结构的生长之后或在形成如以上参照图1描述的单独器件之后减薄。在减薄之后，衬底在一些实施例中可以为至少50μm厚，在一些实施例中不超过150μm厚，在一些实施例中至少80μm厚，并且在一些实施例中不超过120μm厚。
图2、3、4、5和6图示了形成根据本发明的实施例的器件。
在图2中，在将LED晶片切分成单独的LED或LED的组之前，通过互连14将晶片附连到临时载体30。临时载体30针对随后的处理步骤稳定化晶片。临时载体30可以是任何合适的材料，诸如例如晶片处置带。
在图3中，在生长衬底10中形成槽32。在一些实施例中槽32不超过50μm宽（例如在槽的顶部具有成角侧壁，如图2中所图示的）。槽布置在其中将切割结构的LED之间的区中，如以下描述的，以将晶片分离成单独的LED或LED的组。槽可以通过任何合适的技术形成，包括例如湿法或干法蚀刻、激光划片、或诸如利用金刚石刀片进行切锯之后的机械切割。槽32可以延伸通过衬底10的整个厚度，尽管它们不需要如此。槽32可以具有成角侧壁，如图3中图示的，尽管不要求成角侧壁。
在图4中，将波长转换构件34附连到衬底10的顶部，使得波长转换构件与单独的LED或LED的组对准。波长转换构件34一般是与LED晶片分离形成然后附连到衬底10的波长转换结构。因此，波长转换构件34是自支撑结构，而非就地形成在衬底10上的结构。合适的波长转换构件34的示例包括例如通过烧结形成到陶瓷板中的磷光体，和/或布置在诸如玻璃、硅树脂或环氧树脂之类的透明材料中的磷光体或其它波长转换材料，其被浇铸或以其它方式形成为片，然后切割成单独的波长转换构件34。
波长转换构件34中的波长转换材料可以是例如常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI或III-V半导体、II-VI或III-V半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或发光的其它材料。波长转换材料吸收由LED发射的光并且发射一个或多个不同波长的光。由LED发射的未经转换的光通常是从结构提取的光的最终光谱的部分，尽管它不需要是这样。常见组合的示例包括与黄色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与绿色和红色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与蓝色和黄色发射波长转换材料组合的UV发射LED、以及与蓝色、绿色和红色发射波长转换材料组合的UV发射LED。可以添加发射其它颜色光的波长转换材料以定制从结构发射的光的光谱。
波长转换构件34可以通过例如利用诸如硅树脂或任何其它合适的粘合剂之类的材料的胶合、直接键合或任何其它合适的技术而附连到衬底10。
在图5中，反射材料36布置在图3中所形成的槽32中。反射材料可以是例如布置在透明材料中的反射或其它颗粒。颗粒和透明材料可以选择成具有基本上不同的折射率以便导致光学散射。在一些实施例中，透明材料具有低折射率（例如，硅树脂可以具有1.4或更小的折射率）并且颗粒具有较高的折射率（例如，TiO2具有2.6的折射率）。可以使用任何合适的反射颗粒，包括例如TiO2、ZnO或Al2O3。合适的透明材料的示例包括硅树脂模制化合物、液体硅树脂、环氧树脂和玻璃。在一些实施例中，反射颗粒、透明材料和/或反射颗粒与透明材料的组合具有比常见硅树脂材料更高的热导率。常见硅树脂材料典型地具有约0.1-0.2W/mK的热导率。
反射材料36可以通过任何合适的技术布置在槽32中，诸如例如分发或模制。反射材料36可以完全填充槽32，如图5中图示的，使得在一些实施例中反射材料36的顶部与波长转换构件34的顶部共平面。在一些实施例中，反射材料36不完全填充槽32。在一些实施例中，在将反射材料36布置在槽中之后，移除过量的反射材料36。例如，可以通过任何合适的技术移除覆盖LED或在槽32的顶部上方延伸的反射材料，诸如机械磨损、研磨或微爆破。
在图6中，通过切穿LED之间的区38中的LED晶片和反射材料36来使单独的LED从晶片分离。可以通过任何合适的技术从晶片切割单独的LED，包括例如金刚石切锯、激光切割或划片和断裂。由切割形成的切痕可以例如不超过20μm宽。为了使反射材料正确地起作用，在切割之后保留在图6中的LED的侧面上的反射材料36的必要厚度可以取决于反射材料的类型。对于反射金属膜，在一些实施例中要求不超过1μm。对于诸如硅树脂中的TiO2之类的漫反射体，反射率可以取决于厚度。例如，至少90%反射的漫反射体在一些实施例中可以是20μm厚或更小，并且至少95%反射的漫反射体在一些实施例中可以是50μm厚或更小。
在切割之后，通过任何合适的技术从临时载体30移除经抛光的LED，诸如例如热学释放、转移到不同的载体或直接拾取。
图2-6中图示的方法和所得器件的一个缺点在于，用于波长转换构件34和反射材料36的可用区域受到生长衬底晶片10上的LED的原始间距的限制。相邻LED之间的区域受限（例如出于成本原因），其限制波长转换构件34的大小和反射材料36的厚度。图7、8和9图示了可替换的实施例，其中单独的LED首先从晶片分离，然后以较大间距重新布置在临时载体上。
在图7中，将单独的LED放置在载体30上，载体30可以是诸如以上参照图2描述的那些之类的临时载体。LED在一些实施例中可以间隔开至少100μm，在一些实施例中间隔开不超过800μm、在一些实施例中间隔开至少400μm，并且在一些实施例中间隔开不超过600μm。每一个LED上的生长衬底10可以具有大体竖直侧壁，而不是图2-6中描述的实施例中所图示的成角侧壁，尽管不要求竖直侧壁，并且侧壁的形状可以取决于用于使LED分离的技术。
在图8中，波长转换元件34附连到每一个LED的生长衬底10，如以上参照图4所描述的。
在图9中，在LED之间的间隙中布置反射材料36，如以上参照图5描述的。单独的器件可以通过切割反射材料而分离，如以上参照图6描述的，然后从临时载体移除，如以上参照图6描述的。
图10和11图示了可替换的实施例，其中单独的LED首先从生长晶片分离，然后布置在临时载体上。在图10中，将单独的LED放置在载体30上（如图7中所图示的），载体30可以是诸如以上参照图2描述的那些之类的临时载体。反射材料36布置在LED之间的区中，如以上参照图5描述的。
在图11中，波长转换层40形成在LED和反射材料36之上。波长转换层40可以例如是布置在诸如硅树脂之类的透明材料中的磷光体。波长转换层40可以通过任何合适的技术形成，包括例如层压、模制、分发、喷涂或旋涂。然后通过切穿结构使LED分离，例如在相邻LED之间的区38中，如以上参照图6描述的。然后将LED从临时载体30移除，如以上参照图6描述的。
图12、13和14图示了可替换的实施例。在图12中，将单独的波长转换元件34放置在载体30上，载体30可以是诸如以上参照图2描述的那些之类的临时载体。以上参照图4描述了波长转换元件34。
在图13中，将LED附连到波长转换元件34。可以使用以上参照图4描述的方法和材料附连LED。
在图14中，将反射材料36布置在LED之间的区中，如以上参照图5所描述的。然后通过切穿结构使LED分离，例如在相邻LED之间的区38中，如以上参照图6所描述的。然后从临时载体30移除LED，如以上参照图6描述的。
图15和16图示了可替换的实施例。在图15中，将LED附连到临时载体30，临时载体30可以是诸如以上参照图2描述的那些之类的临时载体。在将LED附连到临时载体30之前或之后，在一些实施例中LED的顶部以及在一些实施例中LED的顶部和侧面覆盖有波长转换层42。波长转换层42可以是例如与透明材料混合的波长转换材料，并且可以通过任何合适的技术形成，包括例如层压、模制或电泳沉积。
在图16中，将反射材料36布置在LED之间的区中，如以上参照图5描述的。反射材料36可以通过限制对大体保形的波长转换层42的破坏的技术来形成。合适的技术的一个示例是在LED之间的区域中分发与液体硅树脂混合的反射颗粒，然后使液体硅树脂固化。然后通过切穿结构来使LED分离，例如在相邻LED之间的区38中，如以上参照图6描述的。然后从临时载体30移除LED，如以上参照图6描述的。
图17、18、19和20图示了可替换的实施例。在图17中，将LED附连到临时载体30，临时载体30可以是诸如以上参照图2描述的那些之类的临时载体。在将LED附连到临时载体之前或之后，LED的顶部覆盖有掩蔽层44。在一些实施例中，在通过切割生长衬底单分LED之前，将掩蔽层应用于LED晶片的生长衬底。掩蔽层44可以是例如光致抗蚀剂、电介质材料或任何其它合适的材料。掩蔽层44可以通过任何合适的技术形成，包括例如旋涂、辊涂、浸涂、层压、喷涂、蒸发、溅射以及诸如玻璃片之类的片状部分的直接拾取和放置。在一些实施例中，例如通过光刻、阴影掩蔽和/或湿法或干法化学蚀刻来图案化掩蔽层44。
在图18中，在图17中图示的结构之上布置反射涂层46。反射涂层46可以是任何合适的材料，包括例如二向色镜、分布式布拉格反射镜（DBR）、金属化膜或其它合适的电介质堆叠。反射涂层46可以通过任何合适的技术形成，包括例如物理气相沉积、CVD、溅射、蒸发和喷涂。反射涂层46可以大体保形地涂敷结构，如图18中图示的，尽管不要求这样。
在图19中，通过任何合适的过程移除LED顶部之上的掩蔽层44和反射涂层46，诸如例如剥离过程。在移除掩蔽层44之后，反射涂层46保留在LED的侧壁和LED之间的区上。
在图20中，在图19中图示的结构之上形成波长转换层48。波长转换层48可以是例如与透明材料混合的波长转换材料，并且可以通过任何合适的技术形成，包括例如层压、模制、喷涂或旋涂。波长转换层48可以填充LED之间的区，如图20中图示的，或者波长转换层48可以是大体保形层。然后通过切穿结构来使LED分离，例如在相邻LED之间的区38中，如以上参照图6描述的。然后从临时载体30移除LED，如以上参照图6描述的。
在一些实施例中，在经抛光的LED之上形成透镜或其它光学元件，其可以是以上描述的任何器件。在以上描述的任何器件中，在一些实施例中，生长衬底的侧壁可以成角。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将领会到，给定本公开，可以做出对本发明的修改而不脱离于本文所描述的发明概念的精神。因此，不意图将本发明的范围限于所图示和描述的具体实施例。

Claims (11)

1.一种器件，包括：
包括在n型区与p型区之间的发光层的半导体结构；
附连到半导体结构的生长衬底；以及
布置在生长衬底的与附连到半导体结构的生长衬底的表面相对的表面之上的波长转换层；
布置在生长衬底的侧壁、波长转换层的侧壁以及半导体结构的侧壁上的反射层，使得反射层的顶表面与波长转换层的顶表面共面。
2.权利要求1的器件，其中波长转换层与半导体结构分离地形成并且附连到生长衬底。
3.一种方法，包括：
在生长衬底上形成多个半导体发光器件；
将所述多个半导体发光器件附连到载体；
移除半导体发光器件之间的生长衬底的第一部分而同时生长衬底的多个第二部分保留在半导体发光器件上；
在半导体发光器件和生长衬底的第二部分之间的区域中布置反射材料，使得反射层的顶表面与生长衬底的顶表面共面；
通过切割反射材料来使两个相邻的半导体发光器件分离，使得每一个半导体发光器件包括其上生长半导体发光器件的半导体部分的生长衬底的第二部分之一；以及
移除载体。
4.权利要求3的方法，其中将多个半导体发光器件附连到载体包括将多个半导体发光器件形成于其上的生长衬底晶片附连到载体，方法还包括在半导体发光器件之间的区域中的生长衬底晶片中形成槽，其中在半导体发光器件之间的区域中布置反射材料包括在槽中布置反射材料。
5.权利要求3的方法，还包括在半导体发光器件之间的区域中布置反射材料之前，将波长转换构件附连到多个半导体发光器件中的每一个，其中波长转换构件与半导体发光器件分离地形成。
6.权利要求3的方法，还包括在半导体发光器件之间的区域中布置反射材料之后，在多个半导体发光器件之上形成波长转换层。
7.权利要求3的方法，其中将多个半导体发光器件附连到载体包括将多个波长转换构件附连到载体；以及将半导体发光器件附连到每一个波长转换构件。
8.权利要求3的方法，还包括在将多个半导体发光器件附连到载体之前，在多个半导体发光器件中的每一个上布置波长转换层。
9.权利要求3的方法，其中在半导体发光器件之前的区域中布置反射材料包括：
在半导体发光器件的第一表面上形成掩模层；
在多个半导体发光器件的侧壁和掩模层之上形成反射层；以及
移除掩模层；
方法还包括在移除掩模层之后，在半导体发光器件的第一表面之上形成波长转换层。
10.权利要求1的方法，其中生长衬底具有小于150微米的厚度。
11.权利要求1的方法，其中生长衬底具有成角侧壁。
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