包括光提取改型的发光二极管及其制作方法

包括光提取改型的发光二极管及其制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2002年2月1日、申请号为02804417. 7、发明名称为"包括光 提取改型的发光二极管及其制作方法"的专利申请的分案申请。
[0002] -些临时申请专利的交叉引用
[0003] 本申请请求在2001年2月1日提出的、序列号为60/265, 707的、标题为"Light Emitting Diode With Optically Transparent Silicon Carbide Substrate (有光学 透明碳化硅衬底的发光二极管）"的临时申请，和在2001年7月23日提出的、序列号为 60/307, 235 的、标题为 "Light Emitting Diodes Including Modifications for Light Extraction and Manufacturing Methods Therefor (包括光提取改型的发光二极管及其制 作方法）"的临时申请的利益，它们两者的内容在此作为参考完整引入，如同在此处完全陈 述。
技术领域
[0004] 本发明涉及微电子器件和其制作方法，更具体而言，涉及发光二极管（LED)及其 制作方法。
【背景技术】
[0005] 发光二极管广泛用于消费和商业应用。本领域的技术人员众所周知，发光二极管 通常包括在微电子衬底上的二极管区。微电子衬底包括，例如，砷化镓，磷化镓和它们的合 金，碳化硅和/或蓝宝石。LED的不断发展已经产生高效和机械坚固的光源，该光源能够覆 盖和超出可见光范围的光谱。这些特性结合固态器件潜在的长工作寿命，可以使多种新的 显示应用成为可能，也可以使LED处于与已经很好确立的白炽灯和荧光灯相竞争的位置。
[0006] LED效率的一个测量标准是每流明的成本。对LED，每流明的成本可以是每个LED 芯片的制作成本、LED材料内量子效率和耦合或提取器件产生的光的能力的函数。关于光 提取问题的评论，可参见1997年Academic Press(科学出版社）Stringfellow等人的标题 为"High Brightness Light Emitting Diodes (高亮度发光二极管）"的教科书，特别是 Craford 的标题为 "Overview of Device Issues in High -Brightness Light Emitting Diodes (高亮度发光二极管的器件问题评论）"的第二章，47-63页。
[0007] 光提取已经由例如与制作二极管区和衬底的材料有关的很多方法实现。例如，在 砷化镓和磷化镓材料系统中，厚的P型顶侧窗口层可以用于光提取。因为在砷化镓/磷化 镓材料系统中，采用液相和/或汽相外延方法，高的外延生长速率是可能的，因此可以生长 P型窗口层。此外，由于P型顶侧窗口层的电导率也可以得到电流传播。有高腐蚀速率和高 腐蚀选择性的化学腐蚀也可以被用于去除至少部分衬底，如果该衬底是光学吸收的话。分 布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector)也已经在吸收衬底和二极管区之间生 长，以对发射区和吸收区去耦合。
[0008] 其它的光提取方法可以包括使二极管区和/或衬底机械成形或形成纹理。然而， 仍然希望提供进一步改善提取效率的其它光提取技术。此外，也希望增加LED芯片的面积， 从约0. 1mm2至较大的面积，从而提供较大的LED。不幸的是，对更高的功率/强度和/或其 它应用，当芯片尺寸按比例增大时，这些成形技术的有效性不再保持。
[0009] 最近很多开发兴趣和商业活动已经聚焦到在碳化硅内或上制造的LED，因为 这些LED能在可见光谱的蓝/绿光部分发射光。例如见，Edmond等人的、标题为"Blue Light-Emitting Diode With High External Quantum Efficiency (高外量子效率的 蓝光发射二极管）"的美国专利5, 416, 342,已转让给本申请的受让人，其内容在此作为 参考完整引入，如同在此处完全陈述。对包括碳化硅衬底上的基于氮化镓的二极管的 LED也有兴趣，因为这些器件也可以高效率发光。例如见，授予Linthicum等人的、标题 为"Pendeoepitaxial Gallium Nitride Semiconductor Layers On Silicon Carbide Substrates"的美国专利6, 177, 688,其内容在此作为参考完整引入，如同在此处完全陈述。 [0010] 在这样的碳化硅LED或碳化硅上的氮化镓LED中，难以采用通常的光提取技术。例 如，因为相对低的氮化镓生长速率，所以难以使用厚的P型窗口层。同样，虽然这样的LED 可以从使用Bragg反射器和/或衬底去除技术中受益，但在衬底和氮化镓二极管区之间难 以制作反射器，和/或难以腐蚀去掉至少部分碳化硅衬底。
[0011] Edmond 的、标题为 "Method of Production of light Emitting Diodes (发光二 极管的生产方法）"的美国专利4, 966, 862,已转让给本申请的受让人，其内容在此作为参 考完整引入，如同在此处完全陈述，描述了一种方法，在半导体材料的单一衬底上制造多个 发光二极管。该方法用于多种结构，其中衬底包括同种半导体材料的外延层，该外延层依序 包括P型和n型材料层，其间确定一个p-n结。以预定图案腐蚀外延层和衬底，以确定单个 二极管的前体，腐蚀足够深以便在外延层中形成相互刻划每个二极管前体里的P_n结的台 面。从外延层的边缘和在台面之间，衬底被刻槽到预定深度，以便确定衬底内的二极管前体 的侧面部份，同时在槽下面保留足够的衬底用于保持它的机械稳定性。欧姆接触被加到外 延层和衬底上，并且一绝缘材料层形成在二极管前体上。绝缘层覆盖那些没有被欧姆接触 覆盖的外延层部分、与台面相邻的衬底的一个表面的任何部分和衬底的侧面部分。结果，每 个二极管的衬底的结部分和侧面部分除通过欧姆接触以外与电接触绝缘。当二极管互相隔 离时，它们通常与结边缘一起能够向下安装在导电环氧树脂内，而不关心环氧树脂将短路 所得到的二极管。见美国专利4, 966, 862的摘要。
[0012] Carter，Jr?的、标题为"High Efficiency Light Emitting Diodes From Bipolar Gallium Nitride (双极氮化镓高效发光二极管）"的美国专利5, 210, 051，已转让给本申请 的受让人，其内容在此作为参考完整引入，如同在此处完全陈述，描述了一种本征的、基本 未掺杂的单晶氮化镓的生长方法，施主浓度为7 X 1017cm3或更小。该方法包括把氮源引入 到含有生长表面的反应室里，同时把镓源引入到同一反应室，同时引导氮原子和镓原子到 将生长氮化镓的生长表面上。该方法还包括，同时保持生长表面在足够高的温度以提供给 撞击生长表面的镓原子和氮原子足够的表面迀移率，以到达并移动到适当的晶格位置，从 而建立良好的结晶性，建立有效附着系数，从而在生长表面上生长氮化镓的外延层，但是反 应室中氮元素的分压又足够低，使得在反应室的其它环境条件下，达到与那些氮元素对氮 化镓的热平衡气压，从而使氮化镓中的氮损失最小，使形成的外延层中氮空位最少。见美国 专利5, 210, 051的摘要。
[0013] 根据上述讨论，期望对LED有改进的光提取技术，特别是由碳化硅制作的LED、由 碳化硅的氮化镓制作的LED和/或有相对大面积的LED。

【发明内容】

[0014] 根据本发明的一些实施例的发光二极管包括，有第一和第二相对面的一衬底，该 衬底对预定波长范围的光辐射是透明的，衬底被构图以在横截面中确定从第一面向第二面 伸入衬底的多个支座（pedestal)。此处采用的术语"透明"，是指元件，例如衬底、层或区， 允许预定波长范围里的一些或全部光学辐射通过它，也就是说，不是不透明的。当在二极管 区上施加电压时，第二面上的二极管区被配置成发射预定波长范围的光进入衬底。在其它 的实施例中，在二极管区上、与衬底相对的安装支架被配置成支持二极管区，当在二极管区 上施加电压时，使得从二极管区发射进入衬底的光就从第一面发出。在一些实施例中，在有 支座的透明衬底上的发光二极管倒装在安装支架上，有与安装支架相邻的二极管区，与安 装支架相对的衬底，用于通过衬底的光发射。在其它实施例中，在有支座的透明衬底上的发 光二极管安装在安装支架上，衬底与安装支架相邻，二极管区与安装支架相对。这样，也可 以提供一种非倒装芯片安装。
[0015] 在本发明的其它实施例中，反射器也提供在安装支架和二极管区或衬底之间。反 射器也可以这样设定：当在二极管区上施加电压时，把从二极管区发射的光反射回去，并通 过二极管区，通过衬底，从支座发出。在其它实施例中，在二极管区和反射器之间也可以提 供透明电极。在另外的其它实施例中，在反射器和安装支架之间可以提供焊剂预成型件和 /或其它焊接区，和/或与第一面相邻与二极管区相对，可以提供光学元件，例如窗口或透 镜。在另外的其它实施例中，二极管区包括外围部分和至少一个由外围部分包围的中央部 分，发光二极管还包括在二极管区上的至少一个电极，它是限定在至少一个中央部分之内， 并不伸到外围部分上。可以理解，中央部分不一定要在二极管区的中央。
[0016] 在本发明的其它实施例中，LED的衬底和/或二极管区的接触结构包括透明欧姆 区，反射器，阻挡区和焊接区。透明欧姆区提供电接触和/或电流扩展。反射器至少反射一 些入射辐射，并且也可以提供电流扩展。阻挡区保护反射器和/或欧姆区。焊接区把LED 封装焊接到安装支架。在一些实施例中，透明欧姆区和反射器的功能可以合并成单一的欧 姆和反射器区。根据本发明的实施例，接触结构也可以与常规的碳化硅LED、碳化硅上的氮 化镓LED和/或其它LED -起使用。
[0017] 在本发明的其它实施例中，衬底的第一面可以其中包括至少一个槽，它在衬底里 确定多个支座，例如三角形支座。这些槽可以包括锥形侧壁和/或斜面底层。衬底的第一 和第二面可以是正方形的周界，和/或衬底的第一面可以形成纹理。发光二极管还可以包 括多个发射区和/或在二极管区上的电极，其中相应的一个是限定在相应的一个支座内， 并且不伸展到相应的一个支座外面。
[0018] 在本发明的其它实施例中，衬底的第一面其中包括通孔阵列。通孔可以包括锥形 侧壁和/或底层。通孔优选地仅部分通过衬底，但在其它实施例中它们可以全部通过衬底。 第一和第二衬底