专利名称：用于发光二极管的芯片塑形的光电化学蚀刻的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于发光二极管(LED)的芯片塑形的光电化学蚀刻(PEC)。
背景技术：
(注意本申请案参考贯穿说明书由括号内的一个或一个以上参考编号(例如， [X])指示的多个不同公开案。根据这些参考编号排序的这些不同公开案的列表可在下文标题为“参考文献”的章节中找到。这些出版物中的每一者以引用方式并入本文中。)在LED中，尤其在基于GaN(氮化镓)及GaP(磷化镓)的装置中，外部量子效率受到捕集于材料中的发射成引导模式的光的限制。通常，当切割晶片时，所得侧壁平滑且垂直，从而致使大部分光反射回到所述材料中，其在所述材料处最终损失，其中仅小百分比的光提取到空气中。若干个先前专利及研究文章已论述修改LED芯片的几何形状或形状以克服这些问题的益处。举例来说，众所周知[1-6]，芯片塑形成棱锥几何形状将显著增加提取效率，因为光以小于用于提取到空气中的临界角度入射于斜坡侧壁上具有高得多的可能性。然而， 此类设计通常并非线性(直线)，例如，侧表面(不平行于外延层)以相对于法线(即，表面法线)的不同角度形成。芯片塑形可涉及LED装置及材料的塑形，伴随有衬底材料的塑形，其可具有不同的组成(例如，蓝宝石)。通常，晶片是通过使用斜切刀的机械锯割[1]、外来基座的湿式蚀刻[3，5]或使用具有倾斜小面的蚀刻掩模[4]或零偏置蚀刻[6]的干式蚀刻塑形而塑形成此几何形状。通常，蚀刻为优选方法。然而，在基于III-V半导体的装置中，蚀刻工艺受到限制， 因为不能使用简单的湿式蚀刻。此外，湿式蚀刻及干式蚀刻两者给出的对所得经蚀刻侧壁的角度的控制非常小，因此提供的芯片形状选项较少。因此，此项技术中需要用于基于III-V半导体的装置的芯片塑形的经改善的蚀刻工艺。本发明满足此需要。
发明内容
为克服上文所描述的现有技术中的限制，且为克服在阅读且理解本发明后将变得明了的其它限制，本发明揭示一种经执行以用于由III-V半导体材料构成的装置的芯片塑形的PEC蚀刻，以便提取捕集于所述III-V半导体材料中的发射成引导模式的光。所述III-V半导体材料可包含η型层、ρ型层及生长于模板或衬底上的作用区，其中产生光且将所述光发射成所述引导模式的所述作用区位于所述P型层与所述η型层之间中。举例来说，所述III-V半导体材料可为III氮化物半导体材料。举例来说，所述III氮化物材料的定向(生长平面)及所述作用区的发光表面可为m平面或a平面。所述芯片塑形涉及在所述PEC蚀刻期间使入射光的角度变化以控制所述III-V半导体材料的所得表面(例如，侧壁)的角度。所述侧壁可有斜坡也可垂直，以便将所述引导模式散射出所述III-V半导体材料，而非将所述引导模式反射回到所述III-V半导体材料中。举例来说，所述侧壁可成角度，以使得光更有可能以大于总体内部反射(TIR)的临界角度的入射角度入射于侧壁上。 更具体来说，表面中的每一者可为成角度的侧壁，使得所述侧壁在第一遍中朝向装置的顶表面全内反射更多的引导模式，以使得更多的经全内反射的引导模式在光提取的临界角度内入射于所述顶表面处。所述芯片塑形可进一步包含使入射光的角度变化以控制侧壁的平滑度及表面粗糙度。举例来说，侧壁的表面粗糙度可充分小于发射成引导模式的光的波长以防止引导模式的光因表面粗糙度而散射，以使得侧壁的表面对于所述波长为镜面。作为本发明的结果， 可获得并非大致由III-V半导体材料的结晶学确定的侧壁角度及侧壁表面粗糙度。然而， 可获得任意平滑或粗糙(包括经图案化)侧壁。除对芯片进行塑形以便提取发射成引导模式的光以外，所述芯片可经塑形以充当透镜，以聚焦其输出光，或以特定方式导引其输出光。举例来说，所述表面可包含一个或一个以上弯曲表面且所述芯片塑形可进一步包含使入射光的角度变化以制作所述弯曲表面 (例如，入射光的角度可对弯曲表面进行塑形及定位以界定聚焦或导引作用区所发射的光的透镜)。因此，所述透镜可包含在所述作用层的顶部上生长并塑形或在衬底或模板中塑形的III氮化物半导体材料层。也可执行PEC蚀刻以将包含多个装置的晶片切割成不同芯片。因此，本发明进一步揭示一种LED，其包含III氮化物半导体材料，所述III氮化物半导体材料包含用于产生并发射光的作用区；所述III氮化物材料的具有表面平滑度的一个或一个以上经蚀刻表面；及所述表面的相对于所述作用区的发光表面成一个或一个以上斜坡角度的倾斜度，其中所述倾斜度及所述表面平滑度增强对捕集于所述III氮化物半导体材料中的发射成引导模式的光的提取。最后，本发明揭示一种用于制作半导体装置的设备，其包含电化学单元，其用于在PEC蚀刻期间以化学方式蚀刻III-V半导体材料；光源，其用于将入射光发射到所述 III-V半导体材料上；及用于相对于所述电化学单元中的所述III-V半导体材料重新定位所述入射光的构件，其中所述重新定位在所述PEC蚀刻期间使所述入射光的角度变化以控制所述PEC蚀刻的方向，借此控制所述III-V半导体材料的所得侧壁的角度且对由所述 III-V半导体材料构成的所述装置芯片进行塑形以便提取捕集于所述III-V半导体材料中的发射成引导模式的光。
现在参照图式，在所有图式中相同参考编号表示对应部件图1是PEC蚀刻设备的图示。图2是借助有角度照射的PEC蚀刻的图示。图3(a)到(d)包含借助有角度照射PEC蚀刻的样本的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中图3(a)是显示一个装置的具有50 μ m的比例尺的较高放大倍数图像，图3(b)是显示3个装置的具有50 μ m的比例尺的图像，图3 (c)是显示多个装置的具有200 μ m的比例尺的较低放大倍数图像，且图3(d)是显示多个装置的具有Imm比例尺的更低放大倍数图像。图4(a)及4(b)是用于蓝宝石上的GaN的LED塑形工艺的第一实例的图示。图5(a)及5(b)是用于蓝宝石上的GaN的LED塑形工艺的第二实例的图示。图6是图解说明本发明的方法的流程图。图7到10是可使用本发明的PEC蚀刻实现的芯片几何形状的实例，其中所述实例是基于美国专利第7，268，371及7，279，345号，其中图7是具有梯形横截面且基于美国专利第7，268，371号的图2的芯片的横截面示意图，图8是基于美国专利7，268，371的图11 的芯片几何形状的横截面示意图，图9是基于美国专利第7，268，371号的图30的芯片几何形状的横截面示意图，且图10是具有弯曲表面且基于美国专利第7，268，371号的图33的芯片几何形状的横截面示意图。
具体实施例方式在优选实施例的以下说明中参照形成本文的一部分的附图，且附图中以图解说明方式显示可以其实践本发明的具体实施例。应理解，可利用其它实施例且可在不背离本发明范围的情况下做出结构性改变。MM本发明描述将PEC蚀刻用于基于III-V半导体的装置(例如，基于GaN及基于GaAs 的LED)的芯片塑形。使用本发明的技术，可直接蚀刻当LED生长于III-V衬底上时位于其之间中的材料，且通过使入射光的角度变化，可控制所得侧壁的角度，从而产生斜坡侧壁， 其会将引导模式散射出所述材料而非将其反射回。使用PEC蚀刻，可通过在蚀刻期间控制入射光的方向而获得非线性芯片形状，而不需要使用外来衬底的机械切割或结晶学湿式蚀刻。技术说明
侖名法本文中所使用的术语“ (Al,Ga, In)N”或III氮化物既定广泛地解释为包括单种物质(AlWa及In)的相应氮化物以及此类族III金属物质的二元、三元及四元组合物。相应地，术语(Al，Ga，h)N涵盖化合物A1N、GaN及MN以及三元化合物AlGaN、GalnN及AUnN 及四元化合物AlfeilnN，这些便是此种命名法中所包括的物质。当存在(Ga，Al，In)组成物质中的两者或两者以上时，可在本发明的宽广范围内采用所有可能组合物，包括化学计量比例以及“非化学计量”比例(关于存在于组合物中的(Ga，Al，In)组成物质中的每一者所存在的相对摩尔分数)。相应地，将了解，下文参照GaN材料对本发明的论述适用于各种其他(Al，fei，In)N材料物质的形成。此外，在本发明的范围内的(Al,( ，In)N材料可进一步包括较小量的掺杂剂及/或其它杂质或夹杂材料。设备PEC蚀刻是可用来蚀刻III-V半导体(例如，GaN及GaAs以及其合金)的光辅助湿式蚀刻工艺。图1是PEC蚀刻设备的图示，其中PEC蚀刻由光源100及电化学单元102 组成，其中浸没于电解质106(例如，KOH或HNO3)中的半导体(例如，GaN样本104)充当阳极且具有与其接触或直接图案化于其上以充当阴极108的金属(通常为钛/钼双层)。光 110在半导体104中产生电子-空穴对，且经由阴极108提取电子(_)，而空穴(+)参与半导体表面处的氧化反应，从而致使其溶解于电解质106中。图2是借助从光源202到具有不透明掩模206的GaN衬底204上的有角度照射 200的PEC蚀刻的图示。通过此技术，可直接蚀刻LED 210之间中的材料208，且通过使入射光200的角度212变化，可控制所得侧壁216的角度214，从而产生装置210的斜坡侧壁 216，其会将引导模式散射出材料218而非将其反射回。举例来说，使角度212相对于材料 218的表面216变化。蚀刻沿光线200的方向进行。在图2中，有角度小面216将平行于入射光200的方向，且对此方向进行选择以获得经优化的光提取。因此，图1及图2图解说明用于制作半导体装置210的设备，其包含电化学单元 102，其用于在PEC蚀刻期间以化学方式蚀刻III-V半导体材料104、218 ；光源100、202，其用于将入射光110、200发射到III-V半导体材料104、218上；及用于相对于电化学单元102 中的III-V半导体材料104、218重新定位入射光110、200的构件，其中所述用于重新定位的构件在所述PEC蚀刻期间使所述入射光的角度212变化以控制所述PEC蚀刻的方向及 III-V半导体材料104、218的所得侧壁216的角度214，借此对由III-V半导体材料104、 218构成的装置210芯片进行塑形以便提取否则将捕集于III-V半导体材料104、218中的发射成引导模式的光。在图2中，角度214等于角度212。可使用此项技术中已知的任何手段或方法实现入射光110、200的重新定位，例如通过重新定位光源100、202(例如，但不限于使用可移动座架)或使光束110、200方向变化 (例如，但不限于使用反射镜)。实验结果图3 (a)到(d)是借助有角度照射PEC蚀刻的样本300的SEM图像，从而产生会将引导模式散射出材料306而非将其反射回的斜坡侧壁302、304。使用PEC蚀刻，可通过在蚀刻期间控制入射光的方向而非通过外来衬底的机械切割或结晶学湿式蚀刻来获得此形状 (包含相对于顶表面308有角度的侧壁302、304)。此外，可执行PEC蚀刻以将晶片切割成不同芯片。举例来说，PEC蚀刻可在没有针对增加的光提取的任何芯片塑形或塑形的情况下用于晶片切割。通常使用宽带Xe灯作为照射源来执行GaN的PEC蚀刻，其中KOH或HNO3作为电解质，如图1及2中所示。基于优选蚀刻速率及形态学来选择灯强度及蚀刻剂浓度。对于LED塑形，必需相当快速地蚀刻以实现深蚀刻，因此发明人进行的实验设置使用1000W照射、IM HN03及Pt蚀刻掩模(其还充当阴极)。在此情况下，所述实验设置使用m平面310 GaN衬底312而非完全LED结构作为对概念的证明。对于此样本300 (显示于图3(a)到(d)中)，进行了两次蚀刻，一次蚀刻使样本300倾斜以使得样本300的左侧 314较靠近灯，从而在台面316的左侧314上产生斜坡侧壁302，且然后另一次蚀刻使右侧 318较高，从而对装置320的右侧318进行塑形。对于完全LED工艺，将必需执行四个蚀刻，以使得样本300的前部322及背部324 也具有有角度侧壁，或者使用反射镜来同时从所有侧进行蚀刻。或者，可使激光跨越样本 300以各种角度扫掠，从而直接控制蚀刻形态学而不需要蚀刻掩模。也可使用其它电解质。大多数酸及碱将在这些条件下蚀刻GaN，且特定来说，众所周知KOH是用于GaN的良好蚀刻剂。对于其它材料系统，存在广泛的文献记载的适当电解质及光源。优点及改善本发明提供若干个益处及优点。举例来说，可直接通过入射光的分布来控制芯片形状。激光器可已经经编程以映射出特定路径及形状，以使得其将相对简单地将此应用于将LED蚀刻成任意芯片形状。当相对低浓度的电解质用于PEC蚀刻时，蚀刻速率与入射光的强度成正比，其中暗蚀刻速率极低，因此此技术实现各种各样的芯片形状。在另一实例中，以此方式塑形的LED将具有增加的提取效率。具体来说，此工艺将改善III-V LED的性能，尤其是在基于GaN的装置中，因为行业继续朝着使用生长于GaN衬底上的装置发展。此外，此工艺是廉价的且如果将激光器用作光源那么可使此工艺快速且自动化。随着基于GaN的LED越来越多地同质外延生长于GaN衬底上，此技术提供另外的益处，因为可使用PEC蚀刻不仅蚀刻穿过GaN模板层(通常为几微米厚)而且还蚀刻穿过整个GaN衬底，从而消除对衬底切割、薄化或移除的需要，且通过提取在衬底中引导的模式而改善光提取。除对芯片进行塑形以获得最佳提取以外，还可对芯片进行塑形以充当透镜，聚焦输出光，或以特定方式导引所述输出光。可能的芯片形状的几个实例显示于图4到10中。工艺步骤图4(a)及图4(b)是用于蓝宝石402上的GaN 400的LED塑形工艺的第一实例的图示，其包括以下步骤(1)将驻留于蓝宝石衬底402上的GaN模板400接合到基座404 (其由玻璃、硅等构成)，如图4(a)中所示；(2)执行激光剥离以移除蓝宝石衬底402 (未显示)； 及(3)执行PEC蚀刻以在GaN模板400中形成有斜坡侧壁406，如图4(b)中所示。还显示 LED装置层408，其包含作用层、η型层及ρ型层等。图5(a)及图5(b)是用于蓝宝石504上的GaN 502的LED 500塑形工艺的第二实例的图示，其包括以下步骤(1)将LED 500蚀刻到驻留于蓝宝石衬底504上的GaN模板502中，如图5 (a)中所示；(2)将GaN模板502接合到基座506 (其由玻璃、硅等构成)，如图5(a)中所示；(3)执行激光剥离以移除蓝宝石衬底504(未显示)；及(4)使用激光执行 PEC蚀刻以在GaN模板502中形成任意形状(例如，形成透镜508的弯曲表面)，如图5 (b) 中所示。图6图解说明包含以下步骤的用于制作半导体装置的更一般方法。框600表示获得包含η型层、ρ型层及生长于模板或衬底上的作用区的III-V半导体材料，其中用于产生并发射光(例如，发射成引导模式)的所述作用区位于所述P型层与所述η型层之间中。举例来说，所述III-V半导体材料可为III氮化物半导体材料。举例来说，所述III氮化物材料的定向(例如，生长平面或表面)及所述作用区的发光表面可为III氮化物的m平面、a平面、半极平面或c平面。框602表示执行PEC蚀刻以用于由III-V半导体材料构成的装置的芯片塑形，以便提取捕集于所述III-V半导体材料中的发射成引导模式的光。如果电解质的浓度足够低，那么蚀刻速率可与入射光的强度成比例。框604表示在所述PEC蚀刻期间使入射光的角度变化以控制所述III-V半导体材料的一个或一个以上所得表面(例如，顶表面或侧壁)的一个或一个以上角度，借此实现芯片塑形。举例来说，可使入射光的角度变化，以使得III-V半导体材料的侧壁有斜坡，以便将引导模式散射出III-V半导体材料而非将引导模式反射回到III-V半导体材料中。在另一实例中，所述表面中的每一者可为成侧壁角度的侧壁以使得源自作用区的光更有可能以大于TIR的临界角度的入射角度入射于所述侧壁上，以使得所述侧壁在第一遍中朝向所述装置的顶表面全内反射更多的引导模式且以使得更多的经全内反射的引导模式在用于提取的临界角度内入射于所述顶表面处。可使入射光的角度及强度变化以控制侧壁的平滑度及表面粗糙度。举例来说，可使入射光的角度或强度变化以使得侧壁的表面粗糙度充分小于由装置的作用区发射成引导模式的光的波长，以防止引导模式的光因表面粗糙度而散射。在另一实例中，侧壁的表面对于所述波长为平面或镜面。在此方面，本发明能够(如果需要)制作并非大致由III-V 半导体材料的结晶学确定的角度及表面粗糙度。所述表面可包含一个或一个以上弯曲表面且所述芯片塑形可进一步包含使入射光的角度及/或强度分布变化以制作具有经设计曲率的弯曲表面。装置芯片可经塑形以充当透镜，聚焦其输出光，或以特定方式导引其输出光。举例来说，入射光的角度或强度分布可对弯曲表面进行塑形及定位以界定聚焦或导引作用区所发射的光的透镜，其中所述透镜包含III氮化物半导体材料。举例来说，所述透镜可为在作用层的顶部上、下面或侧上生长并塑形或在衬底或模板中塑形的层。所述弯曲表面可具有任何形状或曲率。框606表示执行PEC蚀刻以将包含多个装置的晶片切割成不同芯片。所述步骤可包含在所述PEC蚀刻期间使入射光的角度变化以将包含多个所述装置(例如，为针对增强的光提取塑形的芯片的装置)的晶片切割成不同芯片。然而，所述PEC蚀刻也可在没有针对增强的光提取的任何芯片塑形或塑形的情况下用于晶片切割，即，大体任何装置的晶片切割。因此，框606表示用于晶片切割的方法，其包含使用或执行PEC蚀刻以将晶片切割成不同装置芯片。举例来说，框608表示使用本发明的方法获得的经塑形光电子装置芯片，例如发光装置(LED或激光二极管)。所述装置可为通过PEC蚀刻从晶片切割的不同芯片。可视需要添加或省略步骤。装置实施例图7到10是可使用根据本发明的PEC蚀刻实现的芯片几何形状的实例，其中所述实例是基于美国专利第7，268，371号[2]及第7，279，345号[7]，所述美国专利以引用方式并入本文中。来自本发明的图7、图8、图9及图10分别类似于来自美国专利第7，268，371 号[2]的图2、图11、图30及图33，但所述形状是使用不同的工艺(本发明的方法)形成且所述层由不同材料(本发明的实例使用III氮化物材料)制成且因此包含不同的结构。具体来说，图7图解说明光电子装置芯片(半导体LED芯片700)的实施例，其包含III氮化物半导体材料，所述III氮化物半导体材料包含顶部GaN窗层702、底部GaN 窗层704、所述顶部层702与底部层704之间的p-η结区，其中所述p_n结区包含ρ型GaN 层708与η型GaN层710之间的InGaN作用区706，且作用区706用于产生并发射光712、 714;所述III氮化物材料的具有表面平滑度的一个或一个以上经蚀刻表面(侧壁716)；及侧壁716的相对于作用区706的发光表面720成一个或一个以上斜坡或歪斜角度718的倾斜度，其中所述倾斜度及表面平滑度增强对否则将捕集于所述III氮化物半导体材料中的发射成引导模式712、714的光的提取。在本发明的图7中，顶部窗层702及底部窗层704包含经掺杂III氮化物材料。顶部窗层702可为剩余层706、708、710及704在其上外延生长的衬底或模板。或者，底部窗层704可为剩余层706、708、710及702在其上外延生长的衬底或模板。层706、708、710、 702及704可由按照惯例用于生长III氮化物(或III-V)LED的任何III氮化物材料(或 III-V材料)制成。举例来说，III氮化物材料的顶表面722及发光表面720可为(但不限于)ΠΙ氮化物的无极m平面或a平面。图7中还显示分别在顶部层702及底部层704上的顶部及底部电欧姆触点724、 726，其分别用于将空穴及电子注入到p-n结区中。作用区706中的电子与空穴的重组产生从作用区706发射的光712、714([2]，第7栏，第22到25行)。顶部窗702的侧壁716相对于垂直方向730以一角度(或若干角度)728定向，以使得顶表面722的面积广度大于作用区706的表面720的面积([2]，第7栏，第43到46 行)。因此，侧壁716的定向可增加LED 700的光提取表面面积。半导体与外部媒介(光 712、714提取到其中)之间的界面(侧壁716及顶表面722)的表面面积相对于顶部触点 724的表面面积或作用区706的表面720面积的相对增加还减小光子吸收于那些区处的可能性([2]，第7栏，第59到62行)。侧壁716的定向还致使(1)撞击侧壁716的光712在装置700的顶表面722处 TIR为逃逸角锥，如图7中的光线712所示，及(2)在顶表面722处TIR的许多光在侧壁716 处重新导引为逃逸角锥，如光线714所示(侧光可计及总体外部发射光的40%或更多)，借此产生第一遍光712、714提取的增加([2]，第7栏，第51到58行)。角度728可依据装置高度而恒定(如图7中所示)，或可根据装置高度不断变化以产生部分或完全凹入或凸起侧壁716形状([2]，第7栏，第48到51行)。可相对于表面法线η测量TIR的临界角度θ。(其中η垂直于光在其处入射的表面)。光线712以大于相对于η的θ。的角度入射于界面716处(此为TIR)且以小于θ。的角度入射于表面722处并被提取。对于具有折射指数η = 2. 3的III氮化物半导体材料及具有折射指数next的外部媒介，θ。= arcsin(next/n)。当空气(Iiext = 1)为所述外部媒介时，θ。 ^°。因此，角度718、7观可使得光712更有可能以大于TIR的临界角度的入射角度入射于侧壁716上，以使得表面716在第一遍中朝向装置700的顶表面722全内反射更多的引导模式712且以使得更多的经全内反射的引导模式712在光提取的临界角度内入射于顶表面722处。角度728、718的选择将取决于应用及所需输出性质。装置700可以更大的效率朝向顶表面722执行TIR，此取决于所使用的材料及几何形状。本发明可实现如什马托夫 (Shmatov)等人的标题为“使用光线追踪技术的倒置截头棱锥发光二极管几何形状优化 (Truncated-inverted-pyramid light emitting diode geometry optimisation using ray tracing technique) ”的参考文献[8] (IEEE光电子学会志，2003年6月，第150卷，第 3期)中所描述的几何形状及/或角度(例如，718、7观)，所述参考文献以引用方式并入本文中。然而，本发明能够实现任何角度718、7观且不限于特定角度。实际限制可(如果需要)影响对角度718、7观的选择(具体来说，面积产量考虑因素)([2]，第7栏，第64到 67行)。可在美国专利第7，268, 371号中找到更多信息，所述专利以引用方式并入本文中 [2]0图7图解说明其中侧壁716界定具有至少双边截头棱锥形状(然而，多边棱锥(例如，四边或六边棱锥)也是可行的)的LED芯片700的实例，其中在基底处具有角度718。 然而，本发明可实现任何任意所需形状。举例来说，图8描绘LED 800的另一实施例，其中LED 800的侧壁802的倾斜度增强对捕集于III氮化物半导体材料812中的由作用区806发射成引导模式808、810的光 804的提取。还显示将III氮化物η型层814、III氮化物ρ型层816以及欧姆触点818及 820两者(分别制成到η型层814及ρ型层816)制成到LED 800的底部表面。III氮化物透明顶部窗层822未经掺杂或无意地经掺杂。图9图解说明LED芯片900的另一实施例，其中III氮化物半导体材料的经蚀刻表面或侧壁902、904有斜坡(例如，成角度906、908)，以使得源自作用区910的光更有可能以小于Θ。的角度入射于侧壁902、904处，以便将引导模式散射出III氮化物半导体材料，而非将引导模式反射回到III氮化物半导体材料中。LED 900的侧壁912、914的倾斜度(例如，成有斜坡角度916、918，以使得源自作用区910的光更有可能以大于θ。的角度入射于侧壁912、914处，借此致使源自作用区910的光朝向顶表面(例如，916)TIR)还增强对捕集于III氮化物半导体材料中的由作用区916发射成引导模式的光的提取，因为光更有可能以小于θ。的角度入射于顶表面916处。相对于平行于η型层922与顶部窗层拟4之间的界面920的平面显示角度906、908、916、918。III氮化物材料包含η型层922、ρ型层926、 发光作用层910及顶部窗层924。顶部窗层拟4可为层922、拟6及910在其上外延生长的 GaN衬底。将欧姆触点拟8及930制成到η型层922及ρ型层924。ρ型层拟6与η型层 922的位置可反转。在作用区910的顶表面932中还显示；角度906、908、916及918也是相对于此表面932。其它形状(包括但不限于角锥)也是可行的。
图10图解说明具有芯片形状的光电子装置芯片1000的又一实施例，其中LED 1000的III氮化物材料的一个或一个以上经蚀刻表面包含一个或一个以上经蚀刻弯曲表面1002。具体来说，所述一个或一个以上弯曲表面1002经塑形及定位以界定聚焦或导引 III氮化物作用区1006所发射的光的透镜1004。透镜1004包含III氮化物半导体材料 1008且为在作用层1006的顶部上生长并塑形的层1010。III氮化物半导体材料1008可为 III氮化物作用区1006、III氮化物ρ型层1012及III氮化物η型层1014在其上外延生长且透镜1004在其中塑形的模板或衬底。还显示分别接触ρ型层1012及η型层1014的欧姆触点1016及1018。在以上实施例中，可(如果需要)独立于III-V半导体材料的结晶学(结晶学属性或结晶平面定向)而选择侧壁(例如，716、802、902、904、912、914、1002)的角度(例如， 718、728、906、908、916、918)及/或表面平滑度。此外，由于光电子装置芯片塑形包含在 PEC蚀刻期间使入射光的角度变化以控制III-V半导体材料的所得侧壁716、802、902、904、 912、914、1002的角度718、728、906、908、916、918及/或表面粗糙度，因此作用区、ρ型层、η 型层及表面粗糙度或平滑度不因离子损坏、锯割、喷砂或结晶学蚀刻而降级或由其来确定。本发明的方法使得能够形成装置的具有任何所需轮廓(例如，平滑、粗糙或经图案化)的侧壁716或弯曲表面。举例来说，侧壁716、1002的表面租糙度可充分小于作用区 706、1006所发射的光的波长，以使得光不因表面粗糙度而散射且侧壁对于光的波长为镜面、似镜或具反射性。虽然不测量侧壁粗糙度(且在一些情况(例如，一些倾斜表面)下， 不可能使用原子力显微镜(AFM)来测量侧壁粗糙度)，但据估计，本发明可使侧壁粗糙度从几纳米(nm)的均方根(RMS)变化为几百nm，此取决于蚀刻条件。然而，可获得侧壁或表面上的任何任意粗糙度或图案。因此，本发明能够制作更平滑、更为镜面且更具反射性且成不同于参考文献[1-6] 中所描述的那些角度的角度(以及类似于参考文献[1-6]中所描述的那些角度的角度)的侧壁及其它表面(例如，III-V材料(例如，III氮化物)的侧壁及其它表面)。本发明的制作比其它方法便宜且简单，其可将侧壁的表面平滑度及角度制作为使得与未经塑形的装置相比实现从10%到大于两倍之间的光提取增强(参见参考文献)。因此，本发明可制作具有比参考文献[1-6]中所描述的装置更高的提取效率及输出功率的装置。举例来说，本发明能够制作以宽广范围的波长发射的装置，从紫外波长到红色波长(例如，400nm到700nm)。此外，本发明可以改善的准确性制作侧壁角度(例如，718、728、906、908、916、 918)。所述准确性将取决于对光学器件的控制程度。举例来说，本发明可非常精确地(精确到好于1度)制作侧壁角度(例如，718、728、906、908、916、918)。可通过其它(更困难或昂贵的)方法制作倒置棱锥形状，但尚未展示任意形状 (例如，透镜)。参考文献以下参考文献以引用方式并入本文中[1]克拉姆斯(Krames)等人的“展现> 50%外部量子效率的高功率倒置截头棱维.AlxGal2x. 0. 5InO. 5P/GaP 发光二极管(High-power truncated-inverted-pyramid. AlxGal2x. 0. 5InO. 5P/GaP light-emitting diodes exhibiting>50% external quantum efficiency)”，应用物理学快报75，第16期，2365 (1999)。此出版物描述将机械锯割与AlGalnP 一同使用来形成倒置截头棱锥，与未经塑形的LED相比具有1. 4x的增强。[2]克拉姆斯(Krames)等人的“通过芯片塑形从半导体发光装置进行光提取 (Light Extraction From a Semiconductor Light Emitting Device By Chip Shaping)，，， 美国专利第7，268，371号，在2007年9月11日发布。此专利描述用于GaP LED的芯片塑形且的确提及使用PEC蚀刻。对GaN的唯一提及是作为可能的透明基座。[3]李(Lee)等人的“通过采用几何蓝宝石塑形结构的基于GaN的高亮度倒装发光二极管(High brightness GaN-based flip-chip light-emitting diodes by adopting geometric sapphire shaping structure) ”，半导体科学与技术 23，025015 (2008)。此出版物描述一种用以结晶学湿式蚀刻蓝宝石的方法。所述蚀刻相当浅，且由于衬底如此厚，因此与[1]中的结果相比其为对芯片形状的微扰。所述出版物陈述观察到了光提取效率的
的增强。[4]朱(am)等人的“具有侧壁反射器的倒装发光二极管的增强的输出(Enhanced output of flip-chip light-emitting diodes with a sidewall reflector) ”，固态电子学51，67M2007)。此出版物描述使用抗蚀剂回流及干式蚀刻以磨蚀材料且获得有角度蚀刻来制作经蚀刻台面，其中侧涂覆有Si02/Ag反射器。所述出版物描述相当浅的蚀刻及仅 11%的增强。[5]村井等人的“基于ZnO与GaN直接晶片接合的六边形棱锥塑形的发光二极管 (Hexagonal pyramid shaped light-emitting diodes based on ZnO and GaN direct wafer bonding) ”，应用物理学快报89，171116(2006)。此出版物描述本发明的受让人UCSB 对ZnO的使用。具体来说，所述出版物描述晶片接合的ZnO与ρ-GaN作为透明ρ触点且执行结晶学湿式蚀刻以获得仍附接有蓝宝石衬底的棱锥结构。所述出版物描述与具有薄Ni/ Au透明ρ触点的标准LED相比2. 2x的增强。[6]魁皇(Kao)等人的“具有22°底切侧壁的基于氮化物的发光二极管的光输出i曾强(Light-Output Enhancement in a Nitride-Based Light-Emitting Diode With 22° Undercut Sidewalls) ”，IEEE 光子学技术快报 17，19-21 (2005)。此出版物描述 GaN干式蚀刻的LED。所述出版物描述使用零偏置干式蚀刻来获得以22°倾斜的小面及在LED周围到2. 5 μ m的深度的蚀刻。所述出版物陈述光提取增强1. 7x。[7]卡姆拉斯(Camras)等人的“形成具有改善的光提取效率的发光装置的方法(Method of forming light emitting devices with improved light extraction efficiency) ”，美国专利第7，279，345号，在2007年10月9日发布。[8]托夫等人的“使用光线追踪技术的倒置截头棱锥发光二极管几何形状优化 (Truncated-inverted-pyramid light emitting diode geometry optimisation using ray tracing technique)”，IEEE 光电子学会志，2003 年 6 月，第 150 卷，第 3 期。[9]尔特姆波利、伊夫林L.胡、马修C.史密特、中村修二及史蒂文P.丹巴尔斯在2009年5月12日提出申请且标题为“P型半导体异质结构的光电化学蚀刻 (Photoelectroehemical Etching of P-type Semiconductor Heterostructures)，， 的同在申请中且共同转让的美国实用新型申请案第12/464,723号(代理档案号 30794. 272-US-U1 (2008-533))，所述申请案请求阿黛尔特姆波利、伊夫林L.胡、马修C.史密特、中村修二及史蒂文P.丹巴尔斯在2008年5月12日提出申请且标题为“P型半导体异质结构的光电化学蚀刻(Photoelectroehemical Etching of P-type Semiconductor Heterostructures) ” 的美国临时申请案第 61/052，421 号(档案号 30794. 272-US-P1 (2008-533))的 35U. S. C Section 119(e)项下的权益。此专利申请案描述本发明的受让人UCSB对ρ型半导体的PEC蚀刻。注意，以上参考文献[3]到[6]关注基于GaN的LED。仅参考文献[4]及[6]关注 GaN的蚀刻，且其受到限制，因为不提取蓝宝石衬底中的引导模式。Mrk现在对本发明优选实施例的说明加以总结。下文描述用于实现本发明的一些替代实施例。已出于图解说明及说明目的呈现对本发明的一个或一个以上实施例的上述说明。 本说明并非打算包罗无遗或将本发明限制于所揭示的精确形式。根据以上教示可做出许多种修改及变化。本发明的范围不打算受此详细说明的限制而是受所附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种用于制作半导体装置的方法，其包含执行光电化学(PEC)蚀刻以用于由III-V半导体材料构成的装置的芯片塑形，以便提取捕集于所述III-V半导体材料中的发射成引导模式的光。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述芯片塑形包含在所述PEC蚀刻期间使入射光的角度变化以控制所述III-V半导体材料的一个或一个以上所得表面的一个或一个以上角度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述表面中的每一者为成所述角度的侧壁，使得所述侧壁在第一遍中朝向所述装置的顶表面全内反射更多的所述引导模式，其中更多的所述经全内反射的引导模式在用于提取的临界角度内入射于所述顶表面处。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述表面中的每一者为侧壁，且所述芯片塑形进一步包含使所述入射光的所述角度变化以控制所述侧壁的平滑度及表面粗糙度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述侧壁的所述表面粗糙度充分小于发射成所述引导模式的所述光的波长以防止所述引导模式的光因所述表面粗糙度而散射，以使得所述侧壁的表面对于所述波长为镜面。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述角度及所述表面粗糙度并非大致由所述 III-V半导体材料的结晶学确定。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述表面为侧壁，且所述侧壁的所述角度使得所述III-V半导体材料的所述侧壁有斜坡，以便将所述引导模式散射出所述III-V半导体材料而非将所述引导模式反射回到所述III-V半导体材料中。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述表面包含一个或一个以上弯曲表面，且所述芯片塑形进一步包含使所述入射光的角度或强度分布变化以制作所述弯曲表面。
9.根据权利要求2所述的方法，其进一步包含获得所述III-V半导体材料，所述III-V半导体材料包含生长于模板或衬底上的η型层、P型层及作用区，其中用于产生所述光且将所述光发射成所述引导模式的所述作用区位于所述P型层与所述η型层之间，且所述III-V半导体材料为III氮化物半导体材料；及执行所述PEC蚀刻步骤以形成所述III氮化物半导体材料的至少一个所得表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述入射光的所述角度对所述弯曲表面进行塑形及定位以界定聚焦或导引所述作用区所发射的所述光的透镜，且所述透镜包含III氮化物半导体材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述透镜为在作用层的顶部上生长并塑形或在所述衬底或模板中塑形的层。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述III氮化物材料的定向及所述作用区的发光表面为m平面或a平面。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置经塑形以充当透镜，以聚焦其输出光， 或以特定方式导引其输出光。
14.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述PEC蚀刻以将包含多个所述装置的晶片切割成不同芯片。
15.一种发光二极管(LED)，其包含III氮化物半导体材料，其包括用于产生并发射光的作用区；其中所述III氮化物半导体材料包括具有表面平滑度的一个或一个以上经蚀刻表面；其中所述经蚀刻表面具有相对于所述作用区的发光表面成一个或一个以上有斜坡角度的倾斜度；且其中所述经蚀刻表面的所述表面平滑度及所述倾斜度增强对捕集于所述III氮化物半导体材料中的发射成引导模式的光的提取。
16.根据权利要求15所述的LED，其中所述有斜坡角度使得所述表面在第一遍中朝向所述LED的顶表面全内反射更多的所述弓I导模式，且更多的所述经全内反射的弓I导模式在用于提取的临界角度内入射于所述顶表面处。
17.根据权利要求15所述的LED，其中所述III氮化物半导体材料包括模板或衬底、η 型层、P型层、所述P型层与所述η型层之间的作用区，以使得所述η型层、ρ型层及作用层均生长于所述模板或衬底上。
18.根据权利要求15所述的LED，其中所述经蚀刻表面为具有充分小于所述作用区所发射的所述光的波长的表面粗糙度的一个或一个以上侧壁，以使得所述光不因所述表面粗糙度而散射且所述侧壁的表面对于所述光的波长为镜面。
19.根据权利要求15所述的LED，其中所述经蚀刻表面有斜坡以便将所述引导模式散射出所述III氮化物半导体材料而非将所述引导模式反射回到所述III氮化物半导体材料中。
20.根据权利要求15所述的LED，其中所述经蚀刻表面包含一个或一个以上弯曲表面。
21.根据权利要求20所述的LED，其中所述弯曲表面经塑形及定位以界定聚焦或导引所述作用区所发射的所述光的透镜，且所述透镜由所述III氮化物半导体材料构成。
22.根据权利要求21所述的LED，其中所述透镜为在所述作用层的顶部上生长并塑形或在所述衬底或模板中塑形的层。
23.根据权利要求15所述的LED，其中所述III氮化物半导体材料的顶表面及所述发光表面为m平面或a平面。
24.根据权利要求15所述的LED，其中所述角度及所述表面平滑度并非大致由所述III 氮化物半导体材料的结晶学确定。
25.根据权利要求15所述的LED，其中所述LED为通过光电化学(PEC)蚀刻从晶片切割的不同芯片。
26.一种用于晶片切割的方法，其包含使用光电化学(PEC)蚀刻来将晶片切割成不同装置芯片。
27.一种用于制作半导体装置的设备，其包含电化学单元，其用于在光电化学(PEC)蚀刻期间以化学方式蚀刻III-V半导体材料；光源，其用于将入射光发射到所述III-V半导体材料上；及用于相对于所述电化学单元中的所述III-V半导体材料重新定位所述入射光的构件， 其中所述用于重新定位的构件在所述PEC蚀刻期间使所述入射光的角度变化以控制所述 III-V半导体材料的所得侧壁的角度，借此对由所述III-V半导体材料构成的所述装置进行芯片塑形以便提取捕集于所述III-V半导体材料中的发射成引导模式的光。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述芯片经塑形以充当透镜，以聚焦其输出光， 或以特定方式导引其输出光。
29.根据权利要求27所述的设备，其中所述PEC蚀刻经执行以将晶片切割成不同芯片。
全文摘要
执行光电化学(PEC)蚀刻以用于由III-V半导体材料构成的装置的芯片塑形，以便提取捕集于所述III-V半导体材料中的发射成引导模式的光。所述芯片塑形涉及在所述PEC蚀刻期间使入射光的角度变化以控制所述III-V半导体材料的所得侧壁的角度。所述侧壁可有斜坡也可垂直，以便将所述引导模式散射出所述III-V半导体材料，而非将所述引导模式反射回到所述III-V半导体材料中。除对所述芯片进行塑形以便提取发射成引导模式的光以外，所述芯片可经塑形以充当透镜，以聚焦其输出光，或以特定方式导引其输出光。
文档编号H01L33/00GK102171846SQ200980139674
公开日2011年8月31日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者伊夫琳·琳恩·胡, 詹姆斯·斯蒂芬·斯佩克, 阿戴尔·坦博利 申请人:加利福尼亚大学董事会