具有改进的热耗散和光提取的高压led的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种照明装置。该照明装置包括多边形管芯。该多边形管芯包括多个发光二极管(LED)。每个LED都包括多个外延层，外延层包括p型层、n型层以及设置在p型层和n型层之间的多量子阱(MQW)。每个LED都包括分别与p型层和n型层电连接的p型电极和n型电极。多边形管芯还包括基台，每个LED与基台连接。p型电极和n型电极位于基台和外延层之间。基台包括多个传导元件，该多个传导元件被配置为串联地电连接多个LED的至少一部分。本发明还提供了具有改进的热耗散和光提取的高压LED。
【专利说明】具有改进的热耗散和光提取的高压LED
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请是于2012年9月14日提交的名称为“High Voltage LED with ImprovedHeat Dissipation and Light Extraction” 的美国临时专利申请第 61/701，198 号的专利申请(代理人卷号为48047.137)，其全部内容通过引用结合于此作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明一般地涉及发光器件，更具体地，涉及具有改进的热耗散、更有效的光提取和更好的电连接的高压发光二极管(LED)。
【背景技术】
[0004]LED是当施加电压时发光的半导体光子器件。由于诸如器件尺寸小、寿命长、有效的能耗、以及良好的耐久性和可靠性的有利特征，LED越来越受欢迎。最近几年，LED已经应用于包括电感器、光敏传感器、交通灯、宽带数据传输、LCD显示器的背光单元、和其他合适的照明装置的各种用途中。例如，LED通常应用于代替传统的白炽灯泡(诸如在典型的灯中使用的那些)所提供的照明装置中。
[0005]然而，现有的LED仍然具有缺点。例如，常规的高压LED被配置成处理高电压(例如，几百伏特)，但是它们可能遭受诸如很差的热耗散和频繁的电故障的问题。常规的倒装芯片LED可能具有比常规的高压LED更好的热耗散，但是常规的倒装芯片LED不能处理高压并且具有不良的光提取效率。而且除了以上讨论的这些问题中的一些以外，其他类型的LED也可能需要困难的切割工艺。
[0006]因此，虽然现有的LED通常足以满足它们的预期目的，但是它们不能在每个方面都完全符合要求。继续探寻具有更好的热耗散、更有效的光提取和更稳定的电连接的高压LED。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种照明装置，包括:多边形管芯，包括多个发光二极管(LED)，每个LED都包括:多个外延层，所述外延层包括P型层、η型层以及设置在所述P型层和所述η型层之间的多量子阱(MQW);以及P型电极和η型电极，分别与所述P型层和所述η型层电连接；基台，每个所述LED都与所述基台连接，所述P型电极和所述η型电极位于所述基台和所述外延层之间，所述基台包括多个传导元件，所述多个传导元件被配置为串联地电连接所述多个LED的至少一部分，并且从上往下看时，所述多个LED中的至少一些具有非矩形形状。
[0008]在该照明装置中，从上往下看时，至少一些所述LED具有与剩余的所述LED不同的形状。
[0009]在该照明装置中，从上往下看时，至少一些所述LED具有非矩形的多边形形状。
[0010]在该照明装置中，从上往下看时，至少一些所述LED具有一些曲边。[0011]在该照明装置中，分离相邻LED的第一子集的第一距离大于分离相邻LED的第二子集的第二距离。
[0012]在该照明装置中，所述照明装置包括多个多边形管芯。
[0013]在该照明装置中，所述基台包括金属材料、绝缘体上硅、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种。
[0014]在该照明装置中，至少一些所述传导元件包括:形成在所述硅基台上方的互连层的金属线或形成在所述MCPCB基台上方的金属导线。
[0015]在该照明装置中，所述多个LED包括X个LED，选择数量X，使得所述X个LED在串联地电连接在一起时具有大于约170伏特的最大工作电压。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种照明装置，包括:管芯，包括多个发光二极管(LED)，并且每个LED均包括:多个外延层，所述外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层以及设置在所述P掺杂的II1-V族化合物层和所述η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW);和第一电极和第二电极，分别与所述P掺杂的II1-V族化合物层和所述η掺杂的II1-V族化合物层电连接；以及基台，与所述管芯接合，所述第一电极和所述第二电极位于所述基台和所述外延层之间；其中，以下的至少一种情况是真实的:从上往下看时，一些LED具有与其他LED不同的图案；从上往下看时，一些LED具有非矩形的多边形形状；以及从上往下看时，一些LED具有一个或多个曲边。
[0017]在该照明装置中，所述基台包括多个传导元件，所述多个传导元件被配置为至少将所述多个LED的子集串联地电连接在一起。
[0018]在该照明装置中，所述照明装置包括多个多边形管芯，所述管芯是所述多边形管芯中的一个。
[0019]在该照明装置中，所述基台包括金属材料、绝缘体上硅、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种。
[0020]在该照明装置中，至少一些所述传导元件包括:形成在所述硅基台上方的互连层的金属线或形成在所述MCPCB基台上方的金属导线。
[0021]根据本发明的又一方面，提供了一种制造高压发光二极管装置的方法，所述方法包括:在一种或多种外延工艺期间在生长衬底上方生长多个外延层，其中，所述多个外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层以及设置在所述P掺杂的II1-V族化合物层和所述η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW);根据光刻图案，通过蚀刻去除所述生长衬底上方的所述外延层的一部分以形成分离的LED之间的间隙，所述图案包括非矩形LED ;在每个所述LED的上方形成P型电极和η型电极，所述P型电极与所述P掺杂的II1-V族化合物层电连接，并且所述η型电极与所述η掺杂的II1-V族化合物层电连接；将所述LED接合至基台，使得接合之后所述P型电极和所述η型电极位于所述基台和所述外延层之间；以及此后减薄或去除所述生长衬底。
[0022]在该方法中，实施去除，使得以下至少一种情况是真实的:从上往下看时，至少一些LED具有与剩余的LED不同的形状；从上往下看时，至少一些LED具有非矩形的多边形形状；以及从上往下看时，至少一些LED具有一条或多条曲边。
[0023]在该方法中，所述生长衬底包括蓝宝石材料；所述基台包括金属材料、绝缘体上硅、硅基台、陶瓷基台和金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种；所述基台包括多个传导元件；以及实施接合使得至少所述LED的子集通过所述传导元件串联地电连接。
[0024]在该方法中，多个分离的LED是多边形管芯的部分。
[0025]在该方法中，所述接合包括晶圆级接合工艺。
[0026]在该方法中，所述接合包括管芯级接合工艺。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚讨论起见，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。
[0028]图1是高压LED的示意性俯视图。
[0029]图2是根据本发明的各个方面包括多个管芯的晶圆的俯视图。
[0030]图3至图7是根据本发明的各个方面包括多个LED的管芯的示意性部分截面侧视图。
[0031]图8是根据本发明的各个方面包括多个LED的示例性管芯的示意性俯视图。
[0032]图9是包括多个管芯的晶圆、包括多个LED的该多个管芯中的一个管芯、和该多个LED中的一个LED的示例性形状的示意性俯视图。
[0033]图10是根据本发明的各个方面包括图3至图7的管芯的照明模块的示意性截面侧视图。
[0034]图11是根据本发明的各个方面包括图10的LED照明装置的照明模块的示意图。
[0035]图12是示出根据本发明的各个方面制造高压LED照明装置的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0036]应该理解，为了实施各个实施例的不同部件，以下公开的内容提供了许多不同的实施例或实例。以下描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅是实例并不打算限定。例如，以下描述中的第一部件形成在第二部件的上方或上可以包括其中以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且也可以包括其中额外的部件形成在第一部件和第二部件之间，使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。再者，术语“顶部”、“底部”、“在...下方”、“在...上方”等是为了方便使用而并不打算将实施例的范围限制为任何特定定向。为了简明，还可以任意地以不同的尺寸绘制各个部件。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字母。这种重复仅是为了简明的目的且其本身并不指定所讨论的各个实施例和/或结构之间的关系。
[0037]半导体器件可以用于制造诸如发光二极管(LED)的光子器件。当LED导通时，可以发出诸如可见光谱中的不同颜色的光的辐射，以及具有紫外线或红外线波长的辐射。与传统的光源(例如，白炽灯泡)相比，利用LED作为光源的照明装置提供诸如尺寸更小、能耗更低、寿命更长、可用的颜色多样以及持续时间更长和可靠性更高的优点。在最近几年中，这些优点和使LED更便宜和更稳定的LED制造技术中的进步促进了基于LED的照明装置的日益普及。
[0038]然而，现有的LED仍然具有缺点。例如，参照图1，示出了高压LED (HVLED)管芯20的俯视图。HVLED管芯20包括设置在蓝宝石衬底30上的多个LED25。HVLED管芯20被配置为处理高电压，例如大于12伏特的电压。通过将多个LED25串联地电连接在一起(例如，通过导电体35)来实现HVLED管芯20，使得可以通过每个LED分散和承担高压。然而，HVLED管芯20具有很差的热耗散。导热路径是从LED25向下到达下面的蓝宝石衬底30。蓝宝石衬底是不良的热导体而且通常很厚，例如100至200微米(um)。由于不良的导热性和相对很长的导热路径，HVLED管芯会易于变得过热。另外，经由电导体35的电连接非常不稳定。电导体35会容易地断开，而由于所有的LED25都是串联连接的，所以单个断开会导致整个管芯20的缺陷。
[0039]倒装芯片LED可以比以上讨论的HVLED20具有更好的热耗散特征。然而，这种倒装芯片LED可能具有其他缺点。一个缺点是由于电流拥挤问题，它们趋向于具有很差的光提取效率。倒装芯片LED的另一缺点是难实现它们的电连接。
[0040]根据本发明的实施例，公开了一种改进的HVLED照明装置，该照明装置提供良好的热耗散、改进的热提取效率以及一种稳定和易于实现电连接的方案。以下参照图1至图9讨论用于根据一些实施例制造这种HVLED的工艺，本发明简化了图1至图9。
[0041]现在参照图2，示出了晶圆40的俯视图(或平面图)。在一些实施例中，晶圆40包括适合用于在其上生长II1-V族化合物材料的蓝宝石材料。II1-V族化合物包含来自元素周期表的“III”族(或系)的元素和来自元素周期表的“V”族(或系)的另一元素。例如，III族元素可以包括硼、铝、镓、铟和钛，而V族元素可以包括氮、磷、砷、锑和铋。
[0042]晶圆40包括多个管芯45 (或管芯区域，因为在图2所示的制造阶段处在晶圆40上还没有生长II1-V族化合物外延层)。为了提供实例，示出管芯45，管芯45的实际形状和尺寸可以改变。例如，虽然示出了管芯45的矩形形状(在俯视图中)，但是在各个实施例中管芯45实际上可以具有其他多边形形状，例如三角形或六边形。根据本发明的各个方面，在每个管芯45上形成多个LED。为了简洁，图3至图7示出处于各个制造阶段的单个管芯45的简化截面侧视图。应该理解，其他管芯45可以经历相同的制造工艺。
[0043]现在参照图3，管芯45包括生长衬底50。如上文所讨论的，生长衬底50可以包括适合用于外延生长诸如氮化镓的II1-V族化合物的蓝宝石材料。衬底50的厚度可以在约50um至约IOOOum的范围内。在一些实施例中，低温缓冲膜可以形成在衬底50的上方。然而，为了简洁，本文中没有示出低温缓冲膜。
[0044]然后，在一个或多个外延工艺期间在生长衬底50的上方生长多个外延层60。
[0045]外延层60可以包括形成在衬底50上方的未掺杂的半导体层。未掺杂的半导体层没有P型掺杂剂或η型掺杂剂。在一些实施例中，未掺杂的半导体层包括化合物，该化合物包含来自元素周期表的“III”族(或系)的元素和来自元素周期表的“V”族(或系)的另一兀素，例如，未掺杂的氮化镓(GaN)材料。未掺杂的半导体层可以用作衬底50和要在未掺杂的半导体层的上方形成的层之间的缓冲层(例如，为了减小应力)。为了有效地实施其作为缓冲层的功能，未掺杂的半导体层具有减少的位错缺陷和良好的晶格结构质量。在某些实施例中，未掺杂的半导体层的厚度在约Ium至约5um的范围内。
[0046]外延层60包括形成在未掺杂的半导体层上方的II1-V族化合物层。II1-V族化合物层掺杂有η型掺杂剂，例如碳(C)或硅(Si)。在本实施例中，II1-V族化合物层包括氮化镓(GaN)，因此被称为n-GaN层。在一些实施例中，n_GaN层的厚度在约2um至约6um的范围内。[0047]外延层60可以包括形成在n-GaN层上的预应变层。预应变层可以掺杂有诸如硅的η型掺杂剂。在各个实施例中，预应变层可以包含多对(例如20至40对)交替的InxGahN和GaN子层，其中，X大于或等于O但是小于或等于I。预应变层可以用于释放应变并降低量子限制斯塔克效应(QCSE)(描述外部电场对在其上形成的量子阱层的光吸收谱的影响)。在一些实施例中，预应变层的总厚度可以在约30纳米(nm)至约80nm的范围内。
[0048]外延层60包括形成在预应变层上方的多量子阱(MQW)层。MQW层包括多个交替的(或交错的)有源和阻挡子层。例如，有源子层可以包括氮化镓铟(InxGahN)，而阻挡子层可以包括氮化镓(GaN)。在一些实施例中，阻挡子层的厚度均可以在约2nm至约5nm的范围内，而有源子层的厚度均可以在约4nm至约17nm的范围内。
[0049]可选地，外延层60可以包括形成在MQW层上方的电子阻挡层。电子阻挡层有助于将电子空穴载流子再结合限制在MQW层80内，从而可以改进MQW层的量子效率和减少非期望带宽的辐射。在一些实施例中，电子阻挡层可以包括掺杂的InxAlyGa1^N材料，其中，X和y都大于或等于O但是小于或等于1，并且掺杂剂可以包括诸如镁的P型掺杂剂。电子阻挡层的厚度可以在约7nm至约25nm的范围内。
[0050]外延层60包括形成在电子阻挡层上方的II1-V族化合物层。II1-V族化合物层掺杂有P型掺杂剂。在本实施例中，II1-V族化合物层包括氮化镓(GaN)，因此可以被称为p-GaN层。在一些实施例中，p-GaN层的厚度在约150nm至约200nm的范围内。
[0051]这些外延层60构成LED的核心部分。当对LED的掺杂层施加电压(或电荷)时，MQW层发出诸如光的辐射。MQW层发出的光的颜色对应于辐射的波长。辐射可以是诸如蓝光的可见光或诸如紫外线(UV)光的 不可见光。可以通过改变组成MQW层的材料的组成和结构来调节光的波长(因此调节光的颜色)。
[0052]现在参照图4，通过光刻工艺(例如，通过一种或多种蚀刻工艺)将外延层60图案化为多个台式结构(mesa structures) 60A-60C。台式结构60A-60C也可以被称为LED或LED芯片60A-60C。实施光刻工艺使得可以接近每个LED60的p-GaN层和η-GaN层这两者。而且，虽然在图4的截面图中未示出，但是通过调节光刻工艺(例如，通过改变用于光刻工艺中的光掩模的图案)可以灵活地配置LED60A-60C的俯视图的形状。
[0053]现在参照图5，附加元件形成在LED60A-60C上以制备在以下讨论的接合工艺中与基台接合的LED60A-60C。这些附加元件包括(但是不限于)反射镜层70、p型电极75、η型电极80、钝化层85、P型接合金属90、和η型接合金属95。
[0054]反射镜层70包含辐射反射材料，例如，诸如铝或银的金属，从而将LED60所发出的光反射回LED60。
[0055]P型电极75和η型电极80包含导电材料(诸如，金属)从而分别与LED60的p_GaN层和η-GaN层提供电连接。尽管图5的截面图示出了每个LED60的单个p型电极75和单个η型电极80，但是应该理解，可以在每个LED60上形成一个以上的P型电极75或一个以上的η型电极80。
[0056]钝化层85被配置成保护LED60以及P型电极75和η型电极80的暴露表面免受诸如空气中的颗粒和/或湿气的污染。在一些实施例中，钝化层85包含介电材料。
[0057]P型接合金属90和η型接合金属95包含金属材料以促进P型电极75和η型电极80与基台之间的接合，在图6中示出了基台并且以下更详细地讨论该基台。[0058]现在参照图6，在接合工艺中将管芯45 “上面朝下”翻转并且与基台100接合。更详细地，以在接合之后P型电极75和η型电极80设置在基台100和LED60(即，外延层)之间的方式通过焊料元件110将管芯45的LED60A-60C接合至基台100。基台100包括基台衬底105、焊料元件110、基台金属115、电路120和绝缘材料125。在一些实施例中，基台衬底105可以包括基于金属的材料，诸如铜或铝。在其他实施例中，基台衬底105还可以包括绝缘体上硅(SOI)。在可选实施例中，基台衬底还可以是硅衬底、陶瓷衬底或金属芯印刷电路板(MCPCB)衬底。
[0059]绝缘材料125可以形成在基台衬底100上方，并且电路120和基台金属115可以形成在绝缘材料内从而提供LED的电布线。例如，电路120可以是形成在硅衬底上方的互连结构的一个或多个互连层中的金属线。作为另一个实例，电路120可以是形成在PCB衬底上方的金属导线，诸如铜导线。无论如何，在与LED60的接合工艺发生之前，已经在基台100上预形成电路120和基台金属115。在接合之后，可以发现，LED的p-GaN层和η-GaN层通过电极75/80、接合金属90/95、焊料元件110以及基台金属115与电路120电连接。
[0060]在一些实施例中，例如，在图6所示的实施例中，LED串联地电连接在一起。即，一个LED60的ρ-GaN层与相邻的LED60的η-GaN电连接，反之亦然。以这种方式，可以整体上对LED60施加例如大于约50至100伏特(诸如，170伏特)的高压。由于串联地电连接，每个LED60仅需要分担一部分高压，例如约3至3.5伏特。因此，串联地电连接在一起的LED60的数量越多，它们可以共同处理的电压就越大。如此，管芯45(包括多个LED60)能够用作高压LED(HVLED)，例如高达170伏特的电压。因此，可以说，管芯45具有大于约170伏特的最大工作电压。
[0061]应该发现，本文建立了 LED60之间的电连接而没有使用环绕每个LED所形成的接合引线和导电连接层。这是优选的，因为使用接合引线和导电连接层会导致可靠性问题。在一些情况下，接合引线或导电连接层可能易于破损(尤其是在大电流条件下)或剥落。而且，由于LED串联地电连接在一起，所以接合引线或导电连接层的单个故障会导致整个HVLED的缺陷。相比之下，本文中通过在接合之前在基台100中已经预形成的电路120和基台金属115建立电连接。电路120和基台金属115在耐受不利条件和高电压/电流情况方面更可靠，因此提供了 LED60的更稳定的电布线方案。
[0062]另外，管芯45由于其设计而提供改进的光提取效率。更详细地，每个LED都是相对很小的台式结构。例如，与常规的倒装芯片LED相比，台式结构具有明显更小的横向尺寸(宽度)。然而，倒装芯片LED由于其横向外延层尺寸大所导致的易于具有电流拥挤现象，而本文中的LED台式结构很小的横向尺寸大幅地减少了电流拥挤现象。相反，电流路径将利用基本上所有的外延层区域。相应地，外延层(尤其是MQW层)会产生更多的光，从而提高了管芯45的光提取效率。在某种程度上，根据本发明的各个方面甚至可以进一步细分LED台式结构，以进一步提闻管芯45的光提取效率。
[0063]虽然未明确说明，但是应该理解，可以在晶圆级或管芯级上实施管芯45与基台100的接合。在晶圆级接合工艺中，上面形成有管芯45和其他类似的管芯的整个晶圆(例如，图2所示的晶圆40)与基台100接合。在接合之后，稍后可以实施晶圆切割和附加封装工艺。在管芯级接合工艺中，晶圆可以粘到胶带上，然后可以切割晶圆，以使每个管芯45都与相邻的管芯分离。每个管芯都独立地与它们在基台上的相应元件接合(也可以同时实施接合)。
[0064]现在参照图7，例如，在激光剥离工艺中可以从LED60去除生长衬底50。在一些其他实施例中，可以减薄生长衬底50。为了更好地说明本发明的一些构思，图7还示出用于管芯45的热耗散路径150、光传播路径155和导电路径160。
[0065]如热耗散路径150所示，由LED60所生成的热向下消散至基台100。LED60和基台之间的距离相对很短，并且基台衬底105相对很薄。尽管本文未示出，但是散热器可以设置在基台衬底105的下面。因此，由LED60生成的热在到达基台衬底105之前不需要传播很远。另外，沿着热耗散路径150的各种材料具有良好的导热性，从而使热耗散甚至更有效。
[0066]如光传播路径155所示，由LED60生成的光远离基台100向上传播。无论多少数量的光在向下的方向传播都通过反射镜层70和电极80向上反射回来。由于光在其预期的传播路径中碰见很少的阻碍，所以光输出会很好。如上所讨论的，LED60的小横向尺寸减轻电流拥挤效应并且进一步改进LED60的光提取效率。
[0067]如导电路径160所示，电流流经电路120、基台金属115、焊料元件110、接合金属90和95、电极75和80、以及外延层60 ( S卩，LED)。以这种方式，LED串联地电连接在一起而没有使用接合引线或导电层(用于常规的HVLED)，从而使管芯45的导电性更可靠和稳定。应该理解，在一些实施例中，不需要串联地电连接所有的LED。相反，在一些实施例中，仅串联地电连接经选择的子集中的LED。
[0068]图8示出了根据本发明的一些实施例的管芯45的简化示意性俯视图。在图8所示的实施例中，管芯45包括18个LED (或LED芯片)60。每个LED60都可以类似于以上讨论的LED60A-60C并且可以根据相同的工艺进行制造。LED60与包括图6和图7所示的基台衬底105的基台100接合。LED60(或其子集)利用诸如基台100中的电路120的传导元件(conductive component)串联地电连接在一起,例如,该传导元件可以包括互连层中的金属线或PCB上的铜导线。
[0069]如图8的俯视图所示，每个LED60都具有基本上三角形的形状或图案。可以说成对布置LED60。与其他相邻的LED相比，每对中的LED都更接近最靠近的相邻LED ( S卩，它的成对构件)。每对相邻的LED60都共同地形成类似于矩形或正方形的俯视图的图案。然而，仅作为实例示出了该布置，而且LED可以在其他实施例中呈现任何形状或几何尺寸，而且这同样适用于管芯45的俯视的图案。
[0070]为了更好地说明以上构思，图9根据晶圆级、管芯级和芯片级的本发明的不同实施例示出了多个俯视图。可以发现，在晶圆级俯视图中，晶圆包括多个HVLED管芯，每个LED管芯都可以与以上讨论的管芯45类似。在管芯级俯视图中，每个HVLED管芯都可以包括多个LED (或LED芯片)。在俯视图中，每个HVLED管芯可以呈现矩形、正方形、菱形、六边形、或可以通过现有的或将来开发的切割技术提供的任何其他合适的多边形。
[0071]在俯视图中，在芯片级(即，LED级)处，每个LED都可以呈现矩形、正方形、菱形、三角形、六边形、任何其他合适的多边形或者甚至具有一条或多条曲边或边缘的不规则形状。由于通过光刻工艺图案化LED的事实本发明的LED提供了这些多种多样的俯视图形状，可以调节光刻工艺(例如通过改变光掩模的图案)以实现每个LED的任何期望的俯视图形状。
[0072]除了俯视图形状灵活性以外，每个LED管芯均可以呈现与其余的LED管芯不同的俯视图形状。例如，在单个管芯内，一个LED可以具有三角形俯视图形状，另一 LED可以具有矩形俯视图形状，又一 LED可以具有六边形俯视图形状，并且又一 LED可以具有带有至少一条非直边/边缘的不规则俯视图形状。根据设计需求和制造考虑，可以将LED配置成生成俯视图形状的任何布置。LED或LED芯片的形状的灵活性和多样性可以带来诸如提高的光提取效率、更好的热耗散等的优点。
[0073]为了完成HVLED管芯45的制造，也可以实施诸如切割、封装和测试工艺的附加工艺，但是为了简洁本文中未示出这些工艺。
[0074]可以作为照明装置的一部分来实现HVLED管芯45。例如，可以作为基于LED的照明装置300的一部分来实现HVLED管芯45，图10示出了照明装置300的简化截面图。图10所示的基于LED的照明装置300的实施例包括HVLED管芯45的多个LED60，其中，LED (或所选择的它们的子集)串联地电连接在一起。虽然图10所示的实施例中仅示出了这些LED60中的三个，但是应该理解可以实施任何其他数量的LED使得HVLED管芯可以耐受高压，例如，高达170伏特的电压。
[0075]如以上所讨论的，每个LED60都包括η掺杂的II1-V族化合物层、P掺杂的II1-V族化合物层以及设置在η掺杂的II1-V族化合物层和P掺杂的II1-V族化合物层之间的MQW层。由于以上讨论的LED60的构造，与传统的LED相比，本文中的HVLED的LED60提供更好的热耗散、光提取和导电可靠性性能。
[0076]在一些实施例中，LED60均具有在上面涂覆的荧光体层。荧光体层可以包括磷光材料和/或荧光材料。可以在浓缩的粘性流体介质(例如，液体胶)中将荧光体层涂覆在LED60的表面上。由于粘性流体固定或固化，荧光体材料变成LED封装件的一部分。在实际的LED应用中，荧光体层可以用于转换LED60所发出的光的颜色。例如，荧光体层可以将LED60所发出的蓝光转换成不同波长的光。通过改变荧光体层的材料组成，可以获得通过LED60发出的期望光的颜色。
[0077]LED60安装在基台320上。在一些实施例中，基台320与以上讨论的基台100类似。例如，基台320可以包括金属芯印刷电路板(MCPCB)。MCPCB包括可以由铝(或它的合金)制成的金属基座。MCPCB还包括设置在金属基座上的导热但是电绝缘的介电层。MCPCB还可以包括设置在介电层上的由铜制成的薄金属层。在可选实施例中，基台320可以包括其他合适的导热结构，诸如硅基台或陶瓷基台。
[0078]照明装置300包括扩散覆盖件350。扩散覆盖件350提供下面的LED60的盖子。换句话说，可以通过扩散覆盖件350和衬底320共同地封装LED60。在一些实施例中，扩散覆盖件350具有弧形的表面或轮廓。在一些实施例中，弧形的表面可以基本上遵循半圆形的轮廓，使得通过LED60所发出的每束光都可以以基本上垂直的入射角(例如，在90几度内)到达扩散覆盖件350的表面。扩散覆盖件350的弧形形状有助于降低由LED60所发出的光的全内反射(TIR)。
[0079]扩散覆盖件350可以具有纹理表面。例如，纹理表面可以是粗糙的，或可以包含诸如多边形或圆的多个小图案。这种纹理表面有助于分散LED60所发出的光使得光分布更均匀。在一些实施例中，用包含扩散体颗粒的扩散体层涂覆扩散覆盖件350。
[0080]在一些实施例中，可以通过空气填充LED60和扩散覆盖件350之间的空间360。在其他实施例中，可以通过光学级硅基粘合材料(也被称为光学凝胶)来填充空间360。在该实施例中，突光体颗粒可以混合在光学凝胶内以便进一步扩散由LED60所发出的光。
[0081]尽管所示的实施例示出了封装在单个扩散覆盖件350内的所有的LED60，但是应该理解，在其他实施例中可以使用多个扩散覆盖件。例如，每个LED60都可以被封装在多个扩散覆盖件中的相应一个内。
[0082]照明装置300还可以任选地包括反射结构370。反射结构370可以安装在衬底320上。在一些实施例中，反射结构的形状类似杯子，因此也可以被称为反射杯。通过俯视图，反射结构以360度围绕或环绕LED60和扩散覆盖件350。通过俯视图，反射结构370可以具有圆形轮廓、蜂窝状六边形轮廓或环绕扩散覆盖件350的另一合适的蜂窝状轮廓。在一些实施例中，LED60和扩散覆盖件350位于反射结构370的底部附近。换言之，反射结构370的顶部开口或上开口位于LED60和扩散覆盖件350之上或上方。
[0083]反射结构370可操作地反射从扩散覆盖件350传播出来的光。在一些实施例中，反射结构370的内表面涂覆有诸如铝、银或它们的合金的反射膜。应该理解，在一些实施例中，反射结构370的侧壁的表面以类似于扩散覆盖件350的纹理表面的方式可以是有纹理的。因此，反射结构370可操作地实施通过LED60所发出的光的进一步散射，从而减少照明装置300的光输出的强度(glare)并且使得光输出对于人眼更柔和。在一些实施例中，反射结构370的侧壁具有倾斜或楔形的轮廓。反射结构370的楔形轮廓提高了反射结构370的光反射效率。
[0084]照明装置300包括热耗散结构380，也被称为散热器380。散热器380通过衬底320与LED60 (其在工作过程中产生热)热连接。换句话说，散热器380附接至衬底320，或者衬底320位于散热器380的表面上。散热器380被配置为促进热消散至环境大气中。散热器380包含诸如金属材料的导热材料。可以将散热器380的形状和几何尺寸设计成提供常见的灯泡的框架而同时从LED60扩散出或导出热。为了增强热传递，散热器380可以具有从散热器380的主体向外突出的多个鳍片390。鳍片390可以具有暴露给环境大气以有助于热传递的大量表面积。
[0085]图11示出包括以上讨论的照明装置300的一些实施例的照明模块400的简化示意图。照明模块400具有基座410、附接至基座410的主体420和附接至主体420的灯430。在一些实施例中，灯430是筒灯(或筒灯照明模块)。灯430包括以上参照图10讨论的照明装置300。灯430可操作地有效投射光束440。另外，与传统的白炽灯泡相比，灯430可以提供更好的持久性和更长的寿命。应该理解，其他照明应用可以从利用以上讨论的本发明的LED获益。例如，本发明的LED可以应用于包括(但不限于)车辆头灯或尾灯、车辆仪表板显示器、投影仪的光源、电子器件(诸如，液晶显示器(LCD)电视或LCD监控器、平板电脑、移动电话或笔记本电脑/便携式电脑)的光源的照明应用。
[0086]图12是示出根据本发明的各个方面制造高压发光二极管(HVLED)装置的简化方法500的流程图。HVLED装置可以包括一个或多个管芯，每个管芯都包括多个LED。
[0087]方法500包括步骤510，其中，在一种或多种外延工艺中，在生长衬底上方生长多个外延层。在一些实施例中，生长衬底包括蓝宝石材料。多个外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层和设置在P掺杂的II1-V族化合物层和η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW)。
[0088]方法500包括步骤520，其中，外延层通过光刻工艺转换成多个分离的LED。多个分离的LED是多边形管芯的一部分。在一些实施例中，实施步骤520中的转换工艺，使得以下的至少一种情况是真实的:在俯视图中，至少一些LED具有与剩余的LED不同的形状；在俯视图中，至少一些LED具有非矩形多边形；以及在俯视图中，至少一些LED具有一条或多条曲边。
[0089]方法500包括步骤530，其中，p型电极和η型电极形成在每个LED的上方。ρ型电极与P掺杂的II1-V族化合物层电连接，而η型电极与η掺杂的II1-V族化合物层电连接。
[0090]方法500包括步骤540，其中，LED与基台接合，使得接合之后P型电极和η型电极位于基台和外延层之间。在一些实施例中，基台包括基于金属材料、绝缘体上硅材料、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种。在一些实施例中，基台包括多个传导元件。在一些实施例中，实施步骤540中的接合工艺使得至少LED的子集通过传导元件串联地电连接。在一些实施例中，步骤540中的接合工艺包括晶圆级接合工艺。在一些其他实施例中，步骤540中的接合工艺包括管芯级接合工艺。
[0091]方法500包括步骤550，其中，在步骤540中的接合之后，减薄或去除生长衬底。
[0092]可以在本文中所讨论的框510至框540之前、期间或之后实施附加工艺以完成光子器件的制造。为了简洁，本文中没有详细讨论这些其他工艺。
[0093]本发明的一个方面涉及一种照明装置。该照明装置包括:包括多个发光二极管(LED)的多边形管芯，其中，每个LED均包括:多个外延层，外延层包括ρ型层、η型层以及设置在P型层和η型层之间的多量子阱(MQW);和分别与ρ型层和η型层电连接的ρ型电极和η型电极。该照明装置还包括基台，每个LED均与该基台连接，其中，ρ型电极和η型电极位于基台和外延层之间，其中，基台包括多个传导元件，该多个传导元件被配置为串联地电连接多个LED的至少一部分，其中，多个LED的至少一些具有非矩形俯视图形状。
[0094]在一些实施例中，至少一些LED具有与剩余的LED不同的俯视图形状。
[0095]在一些实施例中，至少一些LED具有非矩形多边形俯视图形状。
[0096]在一些实施例中,在俯视图中，至少一些LED具有一些曲边。
[0097]在一些实施例中，分离相邻LED的第一子集的第一距离大于分离相邻LED的第二子集的第二距离。
[0098]在一些实施例中，照明装置包括多个多边形管芯。
[0099]在一些实施例中，基台包括基于金属的材料、绝缘体上硅、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种。在一些实施例中，至少一些传导兀件包括:形成在硅基台上方的互连层的金属线，或形成在MCPCB基台上方的金属导线。
[0100]在一些实施例中，多个LED包括X数量的LED，其中对数量X进行选择使得X数量的LED在串联地电连接在一起时具有大于约170伏特的最大工作电压。
[0101]本发明的一个方面涉及一种照明装置。该照明装置包括:管芯，包括多个发光二极管(LED)，其中，每个LED都包括:多个外延层，外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层和设置在ρ掺杂的II1-V族化合物层和η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW);和分别与ρ掺杂的II1-V族化合物层和η掺杂的II1-V族化合物层电连接的第一电极和第二电极。照明装置还包括基台，与管芯接合，其中，第一电极和第二电极位于基台和外延层之间；其中，以下的至少一种情况是真实的:在俯视图中，一些LED具有与其他LED不同的图案；在俯视图中，一些LED具有非矩形多边形图案；以及在俯视图中，一些LED具有一个或多个曲线边缘。
[0102]在一些实施例中，基台包括多个传导元件，该多个传导元件被配置成至少将多个LED的子集串联地电连接在一起。
[0103]在一些实施例中，照明装置包括多个多边形管芯，所述管芯是多边形管芯中的一个。
[0104]在一些实施例中，基台包括基于金属的材料、绝缘体上硅材料、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种。在一些实施例中，至少一些传导元件包括:形成在硅基台上方的互连层的金属线或形成在MCPCB基台上方的金属导线。
[0105]本发明的又一方面涉及一种制造高压发光二极管装置的方法。该方法包括:在一种或多种外延工艺期间在生长衬底的上方生长多个外延层，其中，多个外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层和设置在P掺杂的II1-V族化合物层和η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW);通过根据光刻图案的蚀刻去除生长衬底上方的外延层的一部分以形成分离的LED之间的空间，图案包括非矩形LED ;在每个LED的上方形成P型电极和η型电极，其中，ρ型电极与ρ掺杂的II1-V族化合物层电连接，并且η型电极与η掺杂的II1-V族化合物层电连接；将LED接合至基台使得接合之后，ρ型电极和η型电极位于基台和外延层之间；以及然后，减薄或去除生长衬底。
[0106]在一些实施例中，实施将外延层转换成多个分离的LED使得以下的至少一种情况是真实的:在俯视图中，至少一些LED具有与剩余的LED不同的形状；在俯视图中，至少一些LED具有非矩形多边形形状；以及在俯视图中，至少一些LED具有一条或多条曲边。
[0107]在一些实施例中，生长衬底包括蓝宝石材料；基台包括基于金属的材料、绝缘体上硅材料、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种；基台包括多个传导元件；以及实施接合使得至少LED的子集通过传导元件串联地电连接。
[0108]在一些实施例中，多个分离的LED是多边形管芯的一部分。
[0109]在一些实施例中，接合包括晶圆级接合工艺。
[0110]在一些实施例中，接合包括管芯级接合工艺。
[0111]上面论述了若干实施例的特征，使得本领域普通技术人员可以更好地理解以下的详细描述。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与本文所介绍的实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中可以进行多种变化、替换以及改变。
【权利要求】
1.一种照明装置，包括: 多边形管芯，包括多个发光二极管(LED)，每个LED都包括: 多个外延层，所述外延层包括P型层、η型层以及设置在所述P型层和所述η型层之间的多量子阱(MQW);以及 P型电极和η型电极，分别与所述P型层和所述η型层电连接； 基台，每个所述LED都与所述基台连接，所述P型电极和所述η型电极位于所述基台和所述外延层之间，所述基台包括多个传导元件，所述多个传导元件被配置为串联地电连接所述多个LED的至少一部分，并且从上往下看时，所述多个LED中的至少一些具有非矩形形状。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，从上往下看时，至少一些所述LED具有与剩余的所述LED不同的形状。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，从上往下看时，至少一些所述LED具有非矩形的多边形形状。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中，从上往下看时，至少一些所述LED具有一些曲边。
5.根据权利要求1 所述的照明装置，其中，分离相邻LED的第一子集的第一距离大于分离相邻LED的第二子集的第二距离。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述照明装置包括多个多边形管芯。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述基台包括金属材料、绝缘体上硅、硅基台、陶瓷基台或金属芯印刷电路板(MCPCB)基台中的一种。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其中，至少一些所述传导元件包括:形成在所述硅基台上方的互连层的金属线或形成在所述MCPCB基台上方的金属导线。
9.一种照明装置，包括: 管芯，包括多个发光二极管(LED)，并且每个LED均包括: 多个外延层，所述外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层以及设置在所述P掺杂的II1-V族化合物层和所述η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW);和 第一电极和第二电极，分别与所述P掺杂的II1-V族化合物层和所述η掺杂的II1-V族化合物层电连接；以及 基台，与所述管芯接合，所述第一电极和所述第二电极位于所述基台和所述外延层之间； 其中，以下的至少一种情况是真实的: 从上往下看时，一些LED具有与其他LED不同的图案； 从上往下看时，一些LED具有非矩形的多边形形状；以及 从上往下看时，一些LED具有一个或多个曲边。
10.一种制造高压发光二极管装置的方法，所述方法包括: 在一种或多种外延工艺期间在生长衬底上方生长多个外延层，其中，所述多个外延层包括P掺杂的II1-V族化合物层、η掺杂的II1-V族化合物层以及设置在所述P掺杂的II1-V族化合物层和所述η掺杂的II1-V族化合物层之间的多量子阱(MQW)；根据光刻图案，通过蚀刻去除所述生长衬底上方的所述外延层的一部分以形成分离的LED之间的间隙，所述图案包括非矩形LED ； 在每个所述LED的上方形成P型电极和η型电极，所述P型电极与所述P掺杂的II1-V族化合物层电连接，并且所述η型电极与所述η掺杂的II1-V族化合物层电连接； 将所述LED接合至基台，使得接合之后所述P型电极和所述η型电极位于所述基台和所述外延层之间；以及 此后减薄或去除所述生`长衬底。
【文档编号】H01L33/62GK103681644SQ201310256601
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年6月25日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】陈冠群, 郭浩中, 林佑达, 李镇宇 申请人:台积固态照明股份有限公司