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TWI624960B - 包含定型基板的發光裝置 - Google Patents

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TWI624960B
TWI624960B TW102133707A TW102133707A TWI624960B TW I624960 B TWI624960 B TW I624960B TW 102133707 A TW102133707 A TW 102133707A TW 102133707 A TW102133707 A TW 102133707A TW I624960 B TWI624960 B TW I624960B
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semiconductor structure
light emitting
light
emitting device
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傑若米 荃朵拉 海特
Jerome Chandra Bhat
馬克 麥爾文 巴特華斯
Mark Melvin Butterworth
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皇家飛利浦有限公司
Koninklijke Philips N.V.
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Abstract

本發明之實施例包含一種包含一發光層之半導體結構。包括鋰之一基板附接至該半導體結構。該基板之一表面與該半導體結構之一主平面形成介於60°與75°之間的一角度。

Description

包含定型基板的發光裝置
本發明係關於一種包含一定型基板之半導體發光裝置。
半導體發光裝置(包含發光二極體(LED)、共振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射)屬於當前可用之最高效光源之列。在製造能夠跨越可見光譜操作之高亮度發光裝置中當前所關注之材料系統包含III-V族半導體，尤其是鎵、鋁、銦及氮(亦稱為III-氮化物材料)之二元、三元及四元合金。通常，藉由以下操作來製作III-氮化物發光裝置：藉由金屬有機化學汽相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術在一藍寶石、碳化矽、III-氮化物或其他合適基板上磊晶生長不同組合物及摻雜濃度之半導體層之一堆疊。該堆疊通常包含形成於基板上方之摻雜有(舉例而言)Si之一或多個n型層、形成於該(等)n型層上方之一作用區域中之一或多個發光層及形成於該作用區域上方之摻雜有(舉例而言)Mg之一或多個p型層。在該等n型及p型區域上形成電觸點。
照慣例，藉由MOCVD在一藍寶石基板上生長III-氮化物裝置。然而，由於藍寶石基板與III-氮化物半導體材料之間的晶格常數及熱膨脹係數之差異，因此在生長期間半導體中形成缺陷，此可限制III-氮化物裝置之效率。已開發其他基板來嘗試減輕與藍寶石上之生長相關聯之問題。舉例而言，US 7,173,286闡述「在鈮酸鋰及/或鉭酸鋰基板 上沈積III-氮化物化合物」。
本發明之一目標係提供一種具有改良之光提取之發光裝置。
本發明之實施例包含一種包含一發光層之半導體結構。包括鋰之一基板附接至該半導體結構。該基板之一表面與該半導體結構之一主平面形成介於60°與75°之間的一角度。
一種根據本發明之實施例之方法包含：提供附接至一半導體結構之包括鋰之一基板，該半導體結構包含一發光層。該方法進一步包含：使該基板定型以形成相對於該半導體結構之一主平面以一銳角安置之一表面。
10‧‧‧基板/高折射率基板
12‧‧‧緩衝層/含鋁緩衝層/氮化鋁緩衝層
14‧‧‧n型區域
15‧‧‧III-氮化物裝置結構/裝置結構
16‧‧‧發光或作用區域/發光區域/作用區域
17‧‧‧半導體結構
18‧‧‧p型區域
22‧‧‧p觸點
23‧‧‧半導體結構
24‧‧‧n觸點
25‧‧‧介電層
26‧‧‧p接合墊/接合墊
28‧‧‧n接合墊/接合墊
29‧‧‧結構/裝置
30‧‧‧轉移晶圓/轉移基板
32‧‧‧習用基板/基板/生長基板
36‧‧‧角度
38‧‧‧角度
40‧‧‧截頂角錐/角錐
42‧‧‧波長轉換層
90‧‧‧外壁/壁
92‧‧‧平坦區域
94‧‧‧成角度內壁
圖1圖解說明生長於一高折射率基板上之一半導體結構。
圖2圖解說明生長於一習用生長基板上且接合至一轉移基板之一半導體結構。
圖3圖解說明在移除生長基板且將半導體結構接合至一高折射率基板之後的圖2之結構。
圖4圖解說明在移除轉移基板之後的圖3之結構。
圖5圖解說明處理成覆晶裝置之一晶圓之一部分。
圖6圖解說明具有定型成一角錐之基板之一裝置。
圖7圖解說明具有定型成一截頂、反轉角錐之基板之一裝置。
圖8圖解說明包含定型基板及一波長轉換層之覆晶裝置之一晶圓之一部分。
圖9圖解說明具有經定型以改良光提取之基板之一裝置。
圖10係圖9之結構之一俯視圖。
圖11係圖9之結構之一側視圖。
在本發明之實施例中，組合一III-氮化物半導體結構與一高折射率基板。該半導體結構可生長於該基板上或接合至該基板。舉例而言，該基板可係包括鋰、鈮鉭酸鋰(LiNbaTa1-aO3)(其中0a1)、LiNbO3、LiTaO3或LiVO3、AlxInyGa(1-x-y)N及SiC之一基板。該基板可經選擇以具有緊密地匹配裝置中之III-氮化物材料之彼折射率之一折射率，及/或具有緊密地匹配III-氮化物材料之彼晶格常數之一晶格常數。LiNbO3具有大於2.2之一折射率。舉例而言，在450nm處，LiNbO3可具有2.38之一折射率，該折射率與GaN之折射率(在光之450nm波長下可係2.4)良好匹配。GaN與LiNbO3之間的晶格不匹配可係約6.9%，和GaN與藍寶石之間的匹配(其具有超過15%之一晶格不匹配)相比，此匹配緊密得多。
圖1圖解說明生長於一基板10上之一半導體結構17。半導體結構17包含與基板10直接接觸生長之一緩衝層12，後續接著一III-氮化物裝置結構15。基板10可係上文所闡述之材料中之任一者。該緩衝層可分離基板10與III-氮化物裝置結構15，且可達成III-氮化物裝置結構15之生長。在某些實施例中，不包含緩衝層12且在基板10上直接生長III-氮化物裝置結構15。在某些實施例中，在一單個緩衝層12上直接生長一n型層，如圖1中所圖解說明。在某些實施例中，該裝置中包含相同或不同組合物之多個緩衝層。舉例而言，可在基板10上形成一含鋁緩衝層12(諸如下文所闡述之緩衝層)，接著可在緩衝層12與裝置結構15之間生長一額外緩衝層(諸如一GaN緩衝層)，該額外緩衝層充當裝置結構15之一生長起始層。
舉例而言，緩衝層12可係在一高溫(亦即，介於900℃與1100℃之間)下或在一低溫(亦即，<500℃)下沈積之具有0.5nm至70nm之一厚度之AlGaN或AlN層。在沈積之後，可將該緩衝層退火，其中在零生長率條件下將樣品保持於一升高之溫度下達一段時間。可在高於生長 溫度之一溫度下將在低溫下沈積之一緩衝層退火。另一選擇係，可藉由在基板10之表面上沈積一薄鋁層(亦即<0.5nm)而形成一AlN緩衝層12，接著將該鋁層曝露至一氮源以將其轉換成AlN。可在低溫(亦即介於100℃與500℃之間)下實施鋁沈積。可在曝露至該氮源之後將該AlN緩衝層退火。
在緩衝層12上方生長一裝置結構15。該半導體裝置結構包含夾在一n型區域14與一p型區域18之間的一發光或作用區域16。可首先生長n型區域14，且其可包含不同組合物及摻雜濃度之多個層，舉例而言，包含：製備層(諸如額外緩衝層或成核層)、可係n型的或未經有意摻雜的層、及針對使發光區域高效地發射光所期望之特定光學、材料或電性質而設計之n型或甚至p型裝置層。一發光或作用區域16生長於n型區域14上方。合適的發光區域16之實例包含一單個厚或薄發光層，或包含藉由障壁層分離之多個薄或厚發光層之一多量子井發光區域。在發射可見光之一裝置中，作用區域16中之發光層通常係InGaN。一p型區域18可生長於發光區域16上方。如同n型區域，p型區域18可包含不同組合物、厚度及摻雜濃度之多個層，包含並非有意摻雜之層或n型層。裝置中之所有半導體材料之總厚度在某些實施例中小於10μm，且在某些實施例中小於6μm。在某些實施例中，首先生長p型區域，後續接著作用區域及n型區域。在一項實施例中，n型區域14包含至少一個n型GaN層，作用區域16包含藉由GaN或AlxInyGa(1-x-y)N障壁層分離之InGaN量子井層，且p型區域18包含至少一個p型GaN層。
作為在一高折射率基板10上生長一裝置結構15之一替代方案，可在一習用基板上生長n型區域14、作用區域16及p型區域18，接著將該習用基板接合至基板10，如圖2、圖3及圖4中所圖解說明。在圖2中，在一習用基板32(諸如藍寶石或Si)上生長n型區域14、作用區域 16及p型區域18。接著，舉例而言，藉由陽極接合或藉由經由一或多個介電接合層(未展示)接合而將包含基板32及裝置結構15之晶圓接合至一轉移晶圓30。在移除生長基板32時，轉移基板30支撐裝置結構15。轉移基板30可係包含(舉例而言)Si、玻璃或藍寶石之任何合適材料。
在圖3中，藉由任何合適技術移除生長基板32。舉例而言，可藉由雷射剝離來移除一藍寶石生長基板。可藉由濕式蝕刻或乾式蝕刻來移除一Si生長基板。移除生長基板會曝露n型區域14之底部表面。接著將一高折射率基板10(諸如上文闡述之含鋰基板)接合至藉由移除該生長基板而曝露之n型區域14之表面。舉例而言，可藉由陽極接合或藉由經由一或多個介電接合層(未展示)接合而將基板10接合至裝置結構15。
在圖4中，移除轉移基板30，從而曝露p型區域18之頂部表面。可藉由任何合適技術來移除轉移基板30。舉例而言，可藉由雷射剝離來移除一藍寶石轉移基板，或可藉由濕式蝕刻或乾式蝕刻來移除一Si或玻璃轉移基板。在移除轉移基板30之後剩餘的結構包含附接至裝置結構15之基板10。
接著可將圖1或圖4中所圖解說明之結構中之任一者處理成個別裝置。可使用任何合適裝置結構，諸如一垂直裝置結構、其中透過其上形成有觸點之一表面來提取光之一裝置結構或一覆晶裝置結構。為形成具有安置於基板上之一觸點之一垂直裝置，可藉由減少含H2氛圍來使本文中所闡述之含鋰基板中之某些基板導電。可藉助包含Mg、Cu、Mo、Mn、W、Cr、Co、Fe及Li之任何合適摻雜劑來摻雜該基板。
圖5圖解說明處理成覆晶LED裝置之一晶圓之一部分。為形成覆晶裝置，在半導體結構23之p型區域上形成一金屬p觸點22，半導體結 構23可僅係如圖4中所圖解說明之裝置結構15或如圖1中所圖解說明之裝置結構15及緩衝層12。該p觸點可係反射性的；舉例而言，該p觸點可包含至少一個銀層。藉由標準光微影操作來圖案化及蝕刻半導體結構23，以移除p型區域之整個厚度之一部分及發光區域之整個厚度之一部分，以形成一台面(圖5中未展示)，該台面顯露其上形成有一金屬n觸點24之n型區域之一表面。可以任何合適方式形成該台面以及p觸點及n觸點。形成該台面以及p觸點及n觸點係熟習此項技術者眾所周知的。P觸點22及n觸點24可經重新分佈且藉由一介電層25彼此電隔離。針對每一裝置，將至少一個p接合墊26電連接至p觸點22。將至少一個n接合墊28電連接至n觸點24。
另一選擇係，一半導體結構可生長於一習用生長基板上且被處理成包含諸如厚金屬層之一結構之個別裝置，以在之後移除生長基板期間支撐半導體結構。接著可移除該生長基板且(舉例而言)經由一高折射率接合層將一高折射率基板接合至該半導體結構。在某些實施例中，一合適接合層具有至少2.3之一折射率。一合適接合層之一項實例係一聚矽氧層，其可具有約1.5之一折射率，且充滿高折射率材料(諸如氧化鈦)之膠狀懸浮粒子，該高折射率材料之膠狀懸浮粒子可具有約2.5之一折射率，以使得聚矽氧/粒子接合層具有約2.4之一有效折射率。
在上文中所闡述之晶圓中之任一者經處理以形成個別裝置之後，可接著將其切割成個別裝置或裝置群組，如圖5中之虛線所指示。可藉由任何合適技術切割該晶圓，舉例而言，包含鋸割、斜面鋸割、噴水鋸割、雷射鋸割、雷射劃割及物理斷裂或此等方法之一組合。在切割之前或之後，可將基板10定型以改良光提取，如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10及圖11中所圖解說明。在圖6、圖7、圖9及圖11中，圖5中所圖解說明之半導體及金屬層展示為結構29。在圖6、圖 7、圖9及圖11中，相對於圖5中所圖解說明之定向翻轉該裝置以使得接合墊26及28係在圖6、圖7、圖9及圖11中所圖解說明之結構之底部處。
在圖6中，將基板10定型成一角錐。為達成最佳光提取，該半導體結構之一主平面與該角錐之一側之間的角度36在某些實施例中可係至少60°，且在某些實施例中不超過75°。角錐之高度在某些實施例中可係至少0.15mm，且在某些實施例中不超過3mm。在某些實施例中，該角錐可經截頂以使得基板10具有一實質上平坦的頂部表面。作用區域之中心與反射p觸點之間的距離可介於0.35λ與0.5λ之間，其中λ係半導體結構中之發光層發射之光之波長，以使得自作用區域發射之光可逸出該角錐。
可藉由包含光微影及完全蝕刻或部分蝕刻之任何合適技術將基板10定型成一角錐。舉例而言，可在一Hf/HNO3混合物中濕式蝕刻LiNbO3，或在CF4中或另一合適的含氟化物化學物中乾式蝕刻。在光微影及乾式蝕刻之情形中，可藉由管理LiNbO3與光罩(通常係一聚合物)之差分蝕刻率來形成角錐之形狀。
在圖7中，將基板10定型成一截頂、反轉角錐。為達成最佳光提取，該半導體結構之一主平面與該角錐之一側之間的角度38在某些實施例中可係至少60°，且在某些實施例中不超過75°。(如本文中所使用，該半導體結構之一主平面係指(舉例而言)垂直於生長方向之一表面。)截頂反轉之角錐之高度在某些實施例中可係至少0.5mm，且在某些實施例中不超過3mm。可藉由完全或部分斜面鋸割來形成一截頂、倒置角錐。
可藉由蝕刻或鋸割而形成除圖6及圖7中所圖解說明之形狀以外的其他形狀。
雖然圖6及圖7對應於每一裝置29圖解說明一單個特徵，亦即一 角錐或截頂、反轉角錐，但亦可在一單個裝置上形成多個特徵，如圖8中所圖解說明。在圖8中所圖解說明之結構中，在每一裝置上方形成多個截頂角錐40。個別裝置由虛線指示。在圖8之剖面中圖解說明每裝置兩個截頂角錐。舉例而言，該等截頂角錐在某些實施例中可係至少0.2mm×0.2mm，在某些實施例中可係至少1mm×1mm，在某些實施例中不超過2mm×2mm且在某些實施例中不超過3mm×3mm。可相對於該裝置之底部表面以介於60°與75°之間的一角度安置側壁。較大裝置可需要較高的截頂角錐，以便在一較小裝置中得到相同提取效率增益。儘可能深地蝕刻或鋸割角錐40之間的區域以最大化光提取。然而，若該結構在角錐40之間過薄，則在處置期間該結構可在此應力集中點處斷裂。在某些實施例中，角錐40之間的基板厚度係至少100μm。
在某些實施例中，藉由蝕刻來形成小於光之波長之特徵(亦即角錐、截頂角錐、桿、圓頂或基底處小於(舉例而言)450nm寬之任何其他合適形狀)。
在某些實施例中，如圖8中所圖解說明，可在定型基板10上方形成一波長轉換層42。波長轉換層42通常包含安置於一透明材料中之一或多個波長轉換材料。波長轉換材料吸收由LED之發光層發射之光且發射一不同波長之光。由該LED發射之未經轉換光通常係自該結構提取之光之最終光譜之部分，雖然無須如此。常見組合之實例包含：一藍色發光LED與一黃色發光波長轉換材料組合；一藍色發光LED與綠色及紅色發光波長轉換材料組合；一UV發射LED與藍色及黃色發光波長轉換材料組合，及一UV發射LED與藍色、綠色及紅色發光波長轉換材料組合。可添加發射其他色彩之光之波長轉換材料以修整自該結構發射之光之光譜。
波長轉換材料可係習用磷光體、有機磷光體、量子點、有機半 導體、II-VI或III-V半導體、II-VI或III-V半導體量子點或奈米晶體、染料、聚合物或發冷光之材料。可使用任何合適粉末磷光體，包含但不限於基於石榴石之磷光體(諸如Y3Al5O12：Ce(YAG)、Lu3Al5O12：Ce(LuAG)、Y3Al5-xGaxO12：Ce(YAlGaG)、(Ba1-xSrx)SiO3：Eu(BOSE))及基於氮化物之磷光體(諸如(Ca,Sr)AlSiN3：Eu及(Ca,Sr,Ba)2Si5N8：Eu)。
舉例而言，透明材料可係聚矽氧、樹脂、玻璃或任何其他合適材料。可藉由絲網印刷、噴塗、模板印刷、模製、層壓、電泳或任何其他合適技術來形成波長轉換層42。波長轉換層42可包含一單個波長轉換材料、波長轉換材料之一混合物或形成為單獨層而非混合在一起之多個波長轉換材料。可將發射不同色彩之光之波長轉換材料安置於單獨區域中或混合在一起。
波長轉換層42之厚度取決於波長轉換材料及沈積技術。波長轉換區域之厚度在某些實施例中可係至少0.5μm，在某些實施例中可係至少2μm，在某些實施例中可係至少40μm，在某些實施例中不超過60μm，且在某些實施例中不超過100μm。
在一項實施例中，將紅色及綠色發光粉末磷光體與聚矽氧混合。將該混合物鑄造成一膜。選擇該等磷光體材料及混合至該聚矽氧中之磷光體之數量以補充由LED發射之藍色光，以使得混合之藍色、綠色及紅色光滿足一給定應用之規格。將負載有磷光體之聚矽氧膜層壓於基板10上方。
圖9圖解說明具有經定型用於光提取之一基板之一裝置。圖10係圖9中所圖解說明之結構之一俯視圖，且圖11係圖9中所圖解說明之結構之一側視圖。圖9、圖10及圖11之裝置包含朝向晶片之中心成角度之外壁90。壁90相對於該裝置之底部表面之角度在某些實施例中可係至少60°且在某些實施例中不超過75°。由外壁90形成之角錐係截頂的，從而在該基板之頂部表面上留下實質上平坦區域92。該裝置進一 步包含形成兩個相交凹口之成角度內壁94，該兩個相交凹口對角地平分該截頂角錐。壁94相對於該裝置之底部表面之角度在某些實施例中可係至少60°且在某些實施例中不超過75°。雖然在圖9中圖解說明兩個相交凹口(其中每一凹口具有兩個平坦壁)，但諸如經修圓或經紋理化壁、小面之一不同配置或額外小面之其他形狀亦預期且包含於本發明之範疇內。
上文所闡述之裝置可具有優於習用裝置的優點。因為該基板係一高折射率材料，因此促進自該半導體結構之光提取。無需移除該基板且無需粗糙化半導體材料用於光提取，此可簡化處理。另外，可藉由該基板將波長轉換層42與半導體結構間隔開，此可改良波長轉換材料之效率。
雖然在下文實例中半導體發光裝置係發射藍色光或UV光之III-氮化物LED，但除LED之外的半導體發光裝置(諸如雷射二極體)及自其它材料系統(諸如III-磷化物或III-砷化物裝置)製成之半導體亦可在本發明之範疇內。
儘管已詳細闡述本發明，但熟習此項技術者將瞭解到，在給出本發明揭示內容之情況下，可在不背離本文中所闡述之發明性概念之精神之情況下對本發明做出修改。因此，並不意欲將本發明之範疇限制於所圖解說明及闡述之特定實施例。

Claims (15)

  1. 一種發光裝置，其包括：一半導體結構，其包括一發光層，該半導體結構具有一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面；及包括鋰(lithium)之一基板，該基板具有一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面，該半導體結構之該第一表面設置為鄰近該基板之該第一表面，該基板之該第二表面之至少一部分與圍繞該半導體結構之該第一表面之一平面形成一角度，該角度介於60°與75°之間。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該基板之該第二表面之至少一部份被定型成至少一個角錐(pyramid)。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中該基板之該第二表面之至少一部份被定型成至少一個截頂角錐(truncated pyramid)。
  4. 如請求項3之發光裝置，其進一步包括形成於該截頂角錐中之相交凹口(intersecting notches)，該等相交凹口包括具有多個相交特徵之複數個凹口，其中該等相交凹口具有多個側壁，該等側壁與圍繞該半導體結構之該第一表面之該平面形成介於60°與75°之間的一角度。
  5. 如請求項1之發光裝置，其中該基板係鈮鉭酸鋰(LiNbaTa1-aO3)，其中0
    Figure TWI624960B_C0001
    a
    Figure TWI624960B_C0002
    1。
  6. 如請求項1之發光裝置，其中該基板之該第二表面係形成於該基板中之一特徵之部分，其中複數個特徵形成於對應於一單個發光裝置之該發光層之一部分上方。
  7. 如請求項1之發光裝置，其進一步包括安置於該基板之該第二表面上方之一波長轉換層。
  8. 一種製造一發光裝置之方法，該方法包括：提供包括鋰之一基板，該基板具有一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面，其中一半導體結構包括一發光層且具有一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面，該半導體結構設置為鄰近該基板之該第一表面；及使該基板之該第二表面定型(shaping)以與圍繞該半導體結構之該第一表面之一平面形成一角度，該角度介於60°與75°之間。
  9. 如請求項8之方法，其中該提供包括鋰之該基板進一步包括：在包括鋰之該基板上生長該半導體結構。
  10. 如請求項8之方法，其中該提供包括鋰之該基板進一步包括：在一生長基板上生長該半導體結構；及在該生長之後，將該半導體結構接合至包括鋰之該基板。
  11. 如請求項8之方法，其中該定型包括鋸割(sawing)。
  12. 如請求項8之方法，其中該定型包括蝕刻(etching)。
  13. 如請求項8之方法，其中該定型包括形成至少一個角錐。
  14. 如請求項8之方法，其中該基板包括鈮鉭酸鋰(LiNbaTa1-aO3)、LiNbO3、LiTaO3及LiVO3中之一者，其中0
    Figure TWI624960B_C0003
    a
    Figure TWI624960B_C0004
    1。
  15. 如請求項8之方法，其進一步包括將一波長轉換層安置於該基板上方。
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