专利名称：具有颜色转换结构的半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及半导体发光器件的设计和制造。更具体而言，本发明涉及用于制 备具有颜色转换结构的半导体发光器件的设计和技术。
背景技术：
期待半导体发光器件能引领下一代照明技术。例如，高亮度发光二极管(HB-LEDs) 的应用越来越广泛，包括应用于LED交通灯，真彩显示器以及取代传统照明灯泡。特别是白 光LED近年来的发展已经为LED更广泛的应用打开了大门。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种半导体发光器件。该器件包括衬底和由所述衬底支 撑的半导体多层结构，其中所述半导体多层结构配置成发射第一颜色光。所述衬底或在所 述衬底与所述多层结构之间的层基本不透明。该器件还包括在所述半导体多层结构上形成 的一定厚度的平坦的颜色转换层，其中所述颜色转换层包括可将至少一部分发射光转换成 第二颜色光的颜色转换材料。可充分固化所述颜色转换层以承受后续的晶片切割。在该实施例的一个变型中，所述衬底包括下列材料中的一种或若干种硅(Si)； 锗(Ge)；砷化镓(GaAs)及金属。在该实施例的一个变型中，所述衬底对所述第一颜色光的透光率小于或等于 30%。在该实施例的一个变型中，其中所述衬底与所述多层结构之间的层是在所述半导 体多层结构与所述衬底之间的光反射层。在该实施例的一个变型中，所述颜色转换层包括用于均勻分散所述颜色转换材料 的分散介质。在该实施例的另一个变型中，所述分散介质包括下列材料中的一种或若干种聚 酰亚胺基材料、硅胶基材料以及环氧树脂基材料。在该实施例的另一个变型中，所述分散介质是聚酰亚胺。在该实施例的一个变型中，所述颜色转换材料包括荧光粉。在该实施例的一个变型中，所述颜色转换层包括聚酰亚胺基分散介质与荧光粉组 成的混合物。在该实施例的一个变型中，该器件包括在所述半导体多层结构上形成的至少一个 电极，其中至少一部分所述电极表面不会被所述颜色转换层覆盖。在该实施例的一个变型中，所述半导体多层结构包括InxGayAlmN(0彡χ彡1， 0彡y彡1)基材料。在该实施例的一个变型中，被转换的光和未被转换的光混合产生一种实质上的白光。
图1图示了白光LED的结构。图2A图示了根据本发明一个实施例的包括平坦的颜色转换层的白光LED。图2B给出一张流程图用于说明根据本发明一个实施例的含有光反射层的白光 LED芯片。图3给出一张流程图说明在根据本发明一个实施例的在颜色转换LED上图形化电 极的步骤。图4图示了根据本发明一个实施例的通过倒装式晶片邦定法来制备具有颜色转 换结构的LED的示范性的逐个步骤。
具体实施例方式给出以下的描述，以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且这些描述是 在具体应用及其需求的背景下提供的。公开实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显 而易见的，且在不离开本发明的精神实质和范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用 到其它实施例和应用。因而，本发明不限于所示出的实施例，而是与权利要求的最宽范围一致。白光LED通常是基于利用一种或多种荧光粉(如磷光体)包覆发光器件如GaN基 蓝光LED的发光表面的一种设计。当蓝光发出穿透荧光粉时，一部分蓝光经荧光处理被荧 光粉转换成更长波长的光，得到黄光，红光或绿光。当这些新的颜色光与未被转换的蓝光复 合时，就可产生白光发射。图1图示了白光LED 100的典型结构。如图1所示，白光LED 100包括在蓝宝石衬底104上制备的InGaAlN基半导体发 光结构102。半导体发光结构102和蓝宝石衬底104构成InGaAlN基LED芯片106。应注 意的是，由于蓝宝石衬底透明，发射出的光既可穿过LED芯片106的顶面传播也可从侧壁和 底面传播。因此，为获得关于LED芯片106的顶面和侧壁都均一的白光发射，希望的是利用 荧光粉均勻的涂覆LED芯片106的上表面和侧面以包围LED芯片106。如图1所示，LED芯片106被“埋”在用荧光粉混合物108填充的杯状凹槽内。这 种荧光粉混合物通常由被环氧树脂均勻分散的荧光粉制得。荧光粉混合物108包覆LED芯 片106的顶面及全部的四个侧壁，便形成白光LED结构100。应注意的是，这种白光LED结 构一般是通过首先将LED芯片106放置在杯状凹槽的底部，随后沉积稍许荧光粉混合物至 凹槽内，直至混合物填充至凹槽的表面上(如在虚线上)来获得。应注意的是，希望是荧光 粉混合物108的圆顶110可用于补偿穿透器件中部发射的光和在器件边缘周围发射的光之 间的光程差。由于上述白光LED的制备过程包括利用荧光粉混合物包覆单个LED芯片的侧壁， 所以在晶片切割之后，通常混合物是在单个芯片封装过程期间应用在LED上。因此，这种芯 片基的白光LED制备过程往往具有成本高，产量低以及颜色均一性差的问题。例如，当荧光 粉混合物应用于单个LED时，器件很难获得相同的圆顶几何学。单个白光LED的非均勻几 何学随后可导致非均一的颜色转换。因此，即使是用相同的晶片制造，也很难保证这种白光 LED列的颜色均一性。此外，在白光LED的相同单元内，如LED 100，荧光粉混合物108的几何学和LED芯片106的几何学皆会导致从顶面和侧壁发出的光的光程差。举例来说，经由侧壁漏出的光 束112与从顶面发出的光束114相比，穿透荧光粉混合物108的传播距离明显更长。因此 转换数量导致的光束112和光束114之间的差使得光离开荧光粉混合物108时发生不同的 颜色混合。结果，来自白光LED 100的光在中心区域显示更多的蓝光，而朝向边缘区域显示 更多的黄光，因而产生非均勻的发光图案。
应注意的是，不仅仅蓝宝石衬底会出现上述描述的问题，任何可用于支撑LED结 构的衬底也会有这些问题。此外，这些问题不只影响白光LED的颜色均一性，而且也会影响 利用荧光粉进行颜色转换的其他类型的LED的颜色均一性。具有平面颜饩转换结构的LED本发明的实施例提供一种具有平坦的颜色转换结构的LED设计。具体而言，在对 LED发出的光几乎不透明的衬底上形成LED，随后在半导体LED上形成具有一定厚度的颜色 转换结构。另外，本发明的实施例提供一种制备颜色转换LED的技术。与传统白光LED相 比，颜色转换LED能产生高均一性的颜色光，同时达到显著较低的制备成本。更具体而言， 颜色转换结构是在晶片级制备过程期间在LED上制备，而不是在晶片切割之后在单个LED 上制备。图2A图示了根据本发明一个实施例的包括平坦的颜色转换层的白光LED芯片 200。白光LED 200包括衬底202和在衬底202上形成的半导体多层结构204。在本发明的 一个实施例中，半导体多层结构204是半导体发光结构，其包括夹于上层和底层之间的有 源层。应注意的是，上层或底层可包括附加层，如η-型掺杂或P-型掺杂包覆层和/或缓冲 层。另外，尽管在一些文献中涉及的包覆层只作为与有源层直接连接的掺杂层，但包覆层可 包括一层或多层材料层。在一个实施例中，上层可包括η-型层，底层可包括ρ-型层。在一 个实施例中，半导体多层结构204中的层由InxGayAl1^N(0彡χ彡1，0彡y彡1)_基材料 组成。这种材料包括二元，三元或四元的化合物，如GaN，InGaN, GaAlNjP InGaAIN。在一些实施例中，衬底202对半导体多层结构204发出的光几乎不透明。在一个 实施例中，对多层结构204的发光颜色，衬底202显示出小于或等于30%的透光率。在另 一个实施例中，衬底对多层结构204发射出的光不透明，这就避免了光从衬底202的侧壁漏 出。正如下面所讨论到的，因为漏出的光不能通过颜色转换材料转换，所以这种光漏不利于 所提及的白光LED。衬底202可包括但不限于硅(Si)衬底，锗(Ge)衬底，砷化镓(GaAs)衬底，以及其 他不透明半导体材料。这些半导体衬底通常对可见波长不透明。特别是利用Si衬底可有 利于低成本和高灵活性的制造。在另一个实施例中，衬底202可包括金属衬底如铝(Al)衬 底。特别是具有高热传导率的衬底如铜(Cu)衬底适宜制造大功率级LED。应用不透明衬底的结果是，少量或没有发射出的光可以穿过衬底204的侧壁和底 部而漏出。尽管一些发射光可从半导体多层结构204的侧壁漏出，但是，因为半导体多层 204通常只有几微米厚，所以这种漏光与顶面发光相比可被忽略。白光LED 200进一步包括在半导体多层结构204上形成的具有一定厚度的颜色转 换层206。具体而言，颜色转换层206包括在介质中如环氧树脂被均勻分散的颜色转换材 料。在本发明的一个实施例中，通过旋涂法在半导体多层结构204上涂布颜色转换材料(如 荧光粉)和环氧树脂的胶状混合物来形成颜色转换层206，并固化混合物以获得固化的颜色转换层。应注意的是，这种沉积技术有利于在器件表面获得一定厚度的颜色转换层。在 一个实施例中，颜色转换层206是薄膜层。应注意的是，因为通过衬底202的侧壁和底部或是发光结构的侧壁的漏光非常 少，所以颜色转换材料可以只涂布在半导体多层结构204的上发光表面上。这就使得颜色 转换材料可先于晶片切割在整个晶片上沉积，从而避免为了用荧光材料包覆芯片所有的面 而进行后_切割制造形成单个LED芯片。因此，制造颜色转换LED器件的成本可有效降低， 同时可方便地控制均一性。在另一个实施例中，在具有许多被沟槽隔离的台面的图案化衬 底上制备单个器件。颜色转换材料的涂布可在器件制备之后进行，且优选是在去除每个器 件的边缘之后进行，这样涂布也可以覆盖器件的侧壁。这个方法可进一步减少漏光。
本发明的实施例可以使用不同种类的分散介质作为载体用于颜色转换材料。这些 分散介质可包括但不限于硅胶，环氧树脂，聚酰亚胺及其他可固性聚合材料。应注意的是 硅胶虽然热稳定性和化学稳定性高，但是通常成本更高。相比较而言，环氧树脂便宜但较不 稳定。特别是硅胶和环氧树脂在固化之后都非常难以刻蚀，因此这两种材料并不是太理想。 另一方面，聚酰亚胺可充分固化且在相对低的温度下固化后仍可被碱性刻蚀剂刻蚀。这个 特性使聚酰亚胺与光刻处理更兼容。以下部分描述聚酰亚胺作为分散介质时制造白光LED 电极的光刻过程。颜色转换材料能将发射出的一部分光从第一颜色光(如蓝光)转换成第二颜色光 (如黄光)，同时传播剩余未被转换的光。在本发明的一个实施例中，这种颜色转换材料是 荧光粉，如YAG荧光粉或TAG荧光粉。蓝光激发这些类型的荧光材料可发出黄光，黄光再与 未被转换的光复合产生实质的白光。应注意的是颜色转换材料可包括其他类型的荧光粉， 如硅酸盐荧光粉。通过颜色转换层206而产生的颜色可包括但不限于绿色，黄色，橙色，红 色或多种颜色的混合。因此，颜色转换材料对应多种颜色可包括不同类型荧光材料的混合。 应注意的是，由于颜色转换层206横跨芯片表面具有一定厚度，所以LED芯片可产生高度均 一的颜色。再回到图2A，白光LED 200还包括电极208。应注意的是，电极208通过欧姆接触 与半导体多层结构204的上层连接。一般来说颜色转换层206不导电，因此在颜色转换层 206上直接制备电极208或用颜色转换层206覆盖电极208的表面是不可取的。在本发明 的一个实施例中，另一电极可在衬底202的背面制备。此外，可图案化颜色转换层206以形 成电极位置。在另一实施例中，电极和可选的相应连接线可先于颜色转换层的涂布在器件 上制备。这样做的好处是可以确保电极与器件之间良好的欧姆接触。图2B图示了根据本发明的一个实施例的包括光反射层212的白光LED芯片210。 应注意的是，除了附加包括在衬底202和半导体多层结构204之间形成的光反射层212外， 芯片210与芯片200大体上结构相同。如图2A所示，由于衬底202对从多层结构204发出 的光的透光率很低，所以很大一部分发射光会被衬底202吸收。这种光吸收会降低光发射 效率。通过在吸收性的衬底和光发射结构之间插入反射层，在这个界面上入射的相当一部 分发射光可被反射回至发光结构，从而增大了白光LED 210的发光效率。在本发明的一个 实施例中，光反射层是银(Ag)层。在本发明的一个实施例中，切割后续制成的晶片(它包括衬底202，多层结构204， 颜色转换层206以及电极208)形成单个LED芯片，进而获得白光LED 200和210。应注意的是，由于颜色转换层206在晶片切割之前沉积，所以多层结构204和衬底206的侧壁没有 颜色转换材料。尽管应用白光LED作为一个例子说明颜色转换LED的创新结构，但是本发明可应 用于能将发光颜色转换成另一种颜色光的任何一种半导体LED。在颜色转换LED上图形化电极的步骤 图3给出一流程图用于说明根据本发明一个实施例的在颜色转换LED上图案化电 极的步骤。在操作期间，系统选取具有发光多层结构但未制备电极的晶片(操作302)。系统 接着在发光多层结构上沉积荧光粉和聚酰亚胺组成的胶状混合物，以形成颜色转换层，其 中荧光粉被聚酰亚胺均勻分散(操作304)。在本发明的一个实施例中，系统通过旋涂法在 晶片上沉积胶体来获得一定厚度的颜色转换层。应注意的是，这种旋涂与光刻过程期间涂 布光刻胶(PR)的方法类似。其他技术如喷涂也可应用于涂布胶状混合物。接下来，系统预固化胶状颜色转换层，聚酰亚胺被部分固化(操作306)。具体而 言，预固化可在温度低于正常的固化温度下和/或固化时间短于完全固化过程的时间内进 行，以部分地除去胶体混合物的溶剂载体。结果，颜色转换层一定程度变硬但仍可被碱性刻 蚀剂刻蚀。接着，系统在颜色转换层上应用PR(如正PR)层，并光刻处理ra层以图案化在颜 色转换层上的电极(操作308)。然后通过显影剂ra显影，以在颜色转换层内形成电极区 域(操作310)。应注意的是，这种显影过程不仅仅去除了暴露的ra，而且刻蚀掉了电极对 应区域内下面的已预固化的颜色转换层，进而暴露在下面的发光多层结构。在本发明的一 个实施例中，显影剂是TMAH基显影剂。应注意的是，在一些实施例中，电极可先在器件上制 备，且接触接线可先于颜色转换层沉积与电极连接。之后，系统最终固化颜色转换层，使聚酰亚胺完全固化(操作312)。通过倒装晶片 邦定制备颜色转换LED图4图示了根据本发明一个实施例的通过倒装晶片邦定法制备具有颜色转换结 构的LED的示范性逐个步骤。在操作A中，图形化并刻蚀初始硅生长衬底402，以形成许多被沟槽隔离的台面。 每个台面限定一个用于生长单个LED的表面区域。因为应力与表面面积成比例，所以被分 割的衬底可有效降低面内应力。应注意的是，在图4的操作A中，只说明了一个完整台面 (在中间)和两个部分台面(在两侧)。在操作B中，半导体多层结构404在上述衬底台面上外延形成。应注意的是，在一 个实施例中，台面被充分隔离且沟槽足够深，这样不同层的外延生长在两个单个结构间不 会产生任何连接，从而明显减少与晶格不匹配生长相关的应力。在本发明的一个实施例中， 多层结构404是InxGayAl1^yN(0彡χ彡1，0彡y彡1)_基半导体多层结构。在操作C中，在多层结构404上沉积邦定层406。由于邦定层金属会沉积在侧壁 上并使P-N结短路，所以本发明的一个实施例可选的是在金属邦定层406沉积之前，在多层 结构404上形成绝缘层。应注意的是，只要适合用作邦定材料，金属或非金属材料都可被使 用。在一个实施例中，邦定材料是金。在操作D中，新的支撑结构408被粘附于金邦定层406。在一个实施例中，新的支撑结构408是硅衬底。或者另一选择，新的支撑结构408可是Ge衬底，GaAs衬底或金属衬底。在操作E中，利用湿法刻蚀法剥离初始硅生长衬底402，结果暴露多层结构404的下方。应注意的是，在操作E中整个结构被翻转，且多层结构404由金邦定层406和新的支 撑结构408支撑。同样应注意的是，金邦定层406可作为光反射层。在操作F中，颜色转换层在多层结构404上沉积。具体而言，颜色转换层410可通 过首先利用被聚酰亚胺介质均勻分散的荧光粉涂布多层结构404的表面，再将聚酰胺固化 至变硬的聚合物层来获得。应注意的是，在颜色转换层410最终固化之前，正如上述描述的 可在多层结构404上制备一个或若干个电极。最后，在操作F中切割晶片以获得单个颜色转换LED。应注意的是，晶片切割可经 过部分沟槽从晶片的上面进行，或者是从晶片的背面进行。应注意的是，尽管上述的制造过 程是在分割衬底的背景下描述，但未分割衬底也可根据相同的操作A至F用于制造颜色转 换 LED。本发明实施例的前述描述仅为说明和描述的目的而给出。它们并非穷尽性的，或 并不旨在将本发明限制成这里所公开的形式。因而，对本领域技术人员而言，许多修改和变 化是显而易见的。另外，上述公开内容并非旨在限制本发明。本发明的范围由所附权利要 求来限定。
权利要求
一种半导体发光器件，该器件包括衬底；由所述衬底支撑的半导体多层结构；其中所述半导体多层结构配置成发射第一颜色光；以及其中所述衬底或在所述衬底与所述多层结构之间的层基本不透明，因此有利于由所述多层结构发射出的光的吸收或反射；以及在所述半导体多层结构上形成的平坦的颜色转换层；其中所述颜色转换层包括可将至少一部分发射光转换成第二颜色光的颜色转换材料；其中所述颜色转换层具有一定厚度；以及其中所述颜色转换层可被充分固化以承受后续的晶片切割。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述衬底包括下列材料中的一 种或若干种硅(Si)；蓝宝石；碳化硅(SiC)；锗(Ge)；砷化镓(GaAs)；以及金属。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述衬底对所述第一颜色光的 透光率小于或等于30%。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于在所述衬底与所述多层结构之 间的所述层是光反射层。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述颜色转换层包括用于均勻 分散所述颜色转换材料的分散介质。
6.根据权利要求5所述的半导体发光器件，其特征在于分散介质包括下列材料中的一 种或若干种聚酰亚胺基材料，硅胶基材料及环氧树脂基材料。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于所述分散介质是聚酰亚胺。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述颜色转换材料包括荧光粉。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述颜色转换层包括聚酰亚胺 基分散介质和荧光剂组成的混合物。
10.根据权利要求1所述的半导体发光器件，该器件进一步包括在所述半导体多层结 构上形成的至少一个电极，其特征在于所述电极表面的至少一部分未被所述颜色转换层覆盖 ο
11.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述半导体多层结构包括 InxGayAl1-y-N(0 ≤ χ ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1)_ 基材料。
12.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于被转换的光和未被转换的光 混合产生实质上的白光。
13.—种制造半导体发光器件的方法，该方法包括 选取衬底；形成由所述衬底支撑的半导体多层结构；其中所述半导体多层结构配置成发射第一颜色光；以及其中所述衬底或在该衬底与该多层结构之间的层基本不透明，因此有利于所述多层结 构发射出的光的吸收或反射；用包括能将一部分发射光转换成第二颜色光的颜色转换材料均勻涂覆所述半导体多 层结构形成平坦的颜色转换层；其中所述颜色转换层可被充分固化以承受后续的晶片切割；以及其中所述颜色转换层具有一定厚度；以及切割包括衬底的晶片，以获得半导体发光器件。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括在切割所述晶片之 前固化所述颜色转换层，使所述颜色转换层充分变硬以承受后续的晶片切割。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于在固化所述颜色转换层之前，所述方法 进一步包括预固化所述颜色转换层；图形化所述已预固化的所述颜色转换层以暴露所述半导体多层结构；以及在所述暴露的半导体多层结构上形成一个或若干个电极，其中至少一部分所述电极表 面未被所述颜色转换层覆盖。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述颜色转换层包括聚酰亚胺基分散介 质与荧光材料组成的混合物。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述衬底与所述多层结构之间的所述层 是光反射层。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述衬底包括下列材料中一种或若干 种硅(Si)；蓝宝石；碳化硅(SiC)；锗(Ge)；砷化镓(GaAs)；以及金属。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述衬底对所述第一颜色的透光率小于 或等于30%。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述颜色转换层包括一种用于均勻分散 所述颜色转换材料的分散介质。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述分散介质包括下列材料中的一种或 若干种聚酰亚胺基材料，硅胶基材料以及环氧树脂基材料。
22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述颜色转换层材料包括荧光粉。
23.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述半导体多层结构包括 InxGayAl1^yN(0 ^ χ ^ 1,0 ^ y ^ 1)_ 基材料。
24.根据权利要求13所述的方法，其特征在于被转换的光和未被转换的光混合产生实 质上的白光。
25.一种白光LED器件，该器件包括不透明衬底；GaN基多层结构，该结构包括ρ-型层，有源层及η-型层；在所述η-型层上的平坦的颜色转换层，其中所述颜色转换层具有一定厚度，且其中所 述颜色转换层包括已固化的含荧光粉的聚酰亚胺层；以及通过欧姆接触与所述η-型层连接的至少一个电极。
全文摘要
一种半导体发光器件(200)，包括衬底(202)和由衬底(202)支撑的半导体多层结构(204)，其中半导体多层结构(204)设置为发射第一颜色光。衬底(202)或在衬底(202)与半导体多层结构(204)之间的反射层(212)不透明。器件(200)还包括在半导体多层结构(204)上形成的厚度很均匀的平坦颜色转换层(206)。颜色转换层(206)包括一种颜色转换材料，至少能将一部分发射光转换成第二颜色光。颜色转换层(206)可充分固化以耐受后续的晶片切割。
文档编号H01L33/50GK101849295SQ200780101041
公开日2010年9月29日 申请日期2007年10月12日 优先权日2007年10月12日
发明者刘卫华, 江风益, 汤英文, 王立 申请人:晶能光电(江西)有限公司