包含窗口层和导光结构的半导体发光器件的制作方法

包含窗口层和导光结构的半导体发光器件的制作方法
【专利摘要】一种器件包含半导体结构，该半导体结构包含布置在n型区域（44，49）和p型区域（46）之间的发光层（48）。该半导体结构布置在窗口层（40）和导光结构（44）之间。该导光结构配置成将光引导朝向窗口层；合适的导光结构的实例包含多孔半导体层和光子晶体。n接触（58，64）电学连接到n型区域且p接触（60，62）电学连接到p型区域。该p接触布置于在该半导体结构中形成的开口（54）中。
【专利说明】包含窗口层和导光结构的半导体发光器件
[0001 ] 本申请是申请号为200980128853.0，申请日为2009年7月15日，发明名称为“包含窗口层和导光结构的半导体发光器件”的分案申请。
【背景技术】
[0002]相关技术的描述
图1说明在通过引用结合于此的美国专利N0.7，256，483中更详细描述的一种薄膜倒装芯片半导体发光器件。此处使用的措词“GaN”可以代表任何III族氮化物材料。
[0003]图1的LED生长在生长衬底上。典型地，使用传统技术在蓝宝石生长衬底上生长比较厚(大约1-2微米)的未掺杂或η型GaN层。也可以使用其它衬底，例如SiC、S1、SiC0I和ZnO。对于镓磷化物(III族磷化物)LED的情形，生长衬底典型地为GaAs或Ge。所述比较厚的GaN层典型地包含低温成核层和一个或多个附加层，从而为η型覆层和有源层提供低缺陷晶格结构。一个或多个η型覆层16随后形成于厚的η型层之上，接着是有源层18、一个或多个P型层20 (包括一个或多个覆层以及P型接触层)。
[0004]使用各种技术来获得对η层的电学接入。在比如图1所示器件的倒装芯片实例中，蚀刻掉部分的P层和有源层以露出η层用于金属化。以此方式，P接触和η接触位于芯片的同一侧且可以直接电学附连到封装衬底接触垫。来自η金属接触的电流最初横向流动穿过η层。与此对比，在垂直注入(非倒装芯片)LED中，η接触形成于芯片的一侧上，且P接触形成于芯片的另一侧上。电学绝缘衬底被移除以露出被掩埋的导电类型层，该导电类型层经常为η型层。到P或η接触其中之一的电学接触典型地用引线结合或金属桥制成，且另一接触直接结合到封装衬底接触垫。
[0005]在图1中说明的倒装芯片中，在蚀刻以露出η型层之后，形成η和P接触金属50和24。η和P接触金属50和24可包含结合金属、扩散屏障或其它层从而保护接触的光学属性。P金属化24对于由有源层发射的光可以是高反射的。在接触形成之后，器件的晶片可以切割成单独器件。
[0006]金属化层随后结合到封装衬底12上的金属接触垫22。该结合技术可以是焊接、热压、互扩散、或者是通过超声焊结合的Au螺柱凸点阵列。
[0007]封装衬底12可以由电学绝缘材料AlN形成，金接触垫22利用通路28和/或金属迹线连接到可焊接的电极26。可替换地，封装衬底12可以由被钝化时防止短路的导电材料(例如阳极化的AlSiC)形成。封装衬底12可以是热学传导的从而用作热沉或者将热传导到更大的热沉。最后，LED可具有附连的透镜盖，或者涂覆有磷光体(用于转换蓝色光或紫外光以产生白光)，或者被进一步处理，且对于具体应用在恰当的时候，封装可被焊接到印刷电路板。
[0008]底填充材料52可以沉积在LED下方的孔洞中从而减小跨过LED的热梯度，增加附连的机械强度，并且防止污染物接触LED材料。
[0009]在将器件结合到封装衬底之后，通过对于衬底材料是恰当的技术，例如通过激光剥离、蚀刻或者抛磨，移除生长衬底。通过移除衬底而露出的半导体结构可以被减薄，随后可选地被粗糙化或图案化。磷光体材料可以沉积在LED管芯之上。例如，可以通过有机粘合剂将陶瓷磷光体片附连到LED管芯。
[0010]在图1中说明的器件中，在晶片切割成单独器件之后进行许多制作步骤。有机材料可被包含在该器件中，例如作为底填料或者用于附连陶瓷磷光体。

【发明内容】

[0011]根据本发明的实施例的器件是通过这样的工艺来制作的，其中大多数步骤是在晶片切割成单独器件之前在晶片级进行的。该制作工艺可以消除对有机材料的需要。
[0012]依照本发明的实施例，一种器件包含半导体结构，该半导体结构包含布置在η型区域和P型区域之间的发光层。半导体结构布置在窗口层和导光结构之间。导光结构配置成将光引导朝向窗口层;合适的导光结构的实例包含多孔半导体层和光子晶体。η接触电学连接至IJn型区域且P接触电学连接到P型区域。P接触布置于在半导体结构中形成的开口中。
【附图说明】
[0013]图1为薄膜倒装芯片半导体发光器件的截面视图。
[0014]图2为包含生长在生长衬底上的半导体结构的器件的一部分的截面视图。
[0015]图3为在蚀刻形成穿过结合层和半导体结构的沟槽之后，图2的结构的截面视图。
[0016]图4说明将半导体发光器件结合到窗口层。
[0017]图5说明在移除生长衬底和形成多孔区域之后，从图4得到的结合结构。
[0018]图6说明连接到底座的半导体发光器件。
[0019]图7说明在金属和电介质层的叠层上形成有大面积接触的半导体发光器件。
【具体实施方式】
[0020]在本发明的一些实施例中，薄膜倒装芯片半导体发光器件是在一系列晶片级步骤中制作的，而不是在管芯级步骤中制作的。与管芯级制作相比，晶片级制作可以更加可靠且较不耗时。另外，本发明的实施例也不需要有机材料。消除有机材料则消除了与有机材料关联的问题，比如泛黄，且可以提高可以制作或操作该器件的温度。
[0021]图2至5示出根据本发明的实施例的器件的制作。在图2中，半导体结构32生长在合适的生长衬底30之上，该生长衬底经常为GaN、Al203或SiC。半导体结构32包含夹置在η型区域和P型区域之间的发光区域或有源区域。η型区域典型地在P型区域之前生长在衬底之上。
[0022]η型区域可包含组成和掺杂剂浓度不同的多个层，所述多个层例如包含:准备层，比如可以是η型的或非故意掺杂的缓冲层或成核层;释放层，设计成有利于随后释放生长衬底或者在衬底移除之后减薄半导体结构；以及η型或甚至P型器件层，针对发光区域所期望的具体光学或电学属性设计从而高效地发射光。
[0023]发光区域生长在η型区域之上。合适的发光区域的实例包含单个厚或薄的发光层和多量子阱发光区域，该多量子阱发光区域包含由皇层分隔的多个薄或厚的量子阱发光层。例如，多量子阱发光区域可包含由GaN或InGaN皇分隔的多个InGaN发光层。器件中的一个或多个发光层可以掺杂有例如Si，或者该一个或多个发光层可以是非故意掺杂的。
[0024]P型区域生长在发光区域之上。与η型区域类似，P型区域可包含组成、厚度和掺杂剂浓度不同的多个层(包含非故意掺杂的层或者η型层)。
[0025]使用比如真空蒸发、溅射和电子束沉积的传统薄膜沉积技术，在半导体结构32的顶层(通常为P型区域)之上形成电学传导结合层34，该结合层随后可以在空气中退火。用于导电结合层34的合适材料在由半导体结构的发光层发射的波长处的光学吸收最小，具有足够的导电性从而不显著增加器件的串联电阻，并且与半导体结构32的顶层形成欧姆接触。合适的材料包含例如透明导电氧化物，比如铟锡氧化物(ΙΤ0)、氧化锌和氧化钌。结合层34可以例如在一些实施例中厚度介于200nm和Ιμπι，且在一些实施例中厚度约为500nm。在一些实施例中，结合层34为厚的透明导电层，比如旋涂或溶胶凝胶材料。在一些实施例中，结合层34的折射率接近半导体结构32或窗口层40的折射率。在任一结合层具有低折射率的实施例中，通过对高折射率材料和低折射率材料之间的界面进行随机的或者按图案的结构化，可以提尚功率传输。
[0026]如图3所说明，蚀刻形成穿过结合层34和半导体结构32，完全或者部分地直至生长衬底30的一个或多个沟槽36。沟槽36可限定单独器件的边界。沟槽36是通过传统图案化和蚀刻步骤形成的。
[0027]在图4中，图3中所说明的结构结合到窗口层。窗口层40例如可以是:比如陶瓷磷光体的波长转换结构；比如蓝宝石或玻璃层的合适的透明衬底或者载体;或者比如分布式布拉格反射器的滤波器，用于调整光谱从而提供用于信号灯的期望颜色，比如琥珀色。在通过引用结合于此的美国专利N0.7，361，938中更详细地描述了陶瓷磷光体。窗口层40优选地足够厚以允许在生长衬底移除之后对窗口层/半导体结构组合的晶片级处理。窗口层40可以在一些实施例中厚度介于80μηι和1mm，在一些实施例中厚度介于ΙΟΟμπι和500μηι，以及在一些实施例中厚度介于ΙΟΟμπι和200μηι。
[0028]如果导电结合层34和窗口层40不适于结合，则在结合之前，在窗口层40上或导电结合层34上形成透明结合层38。结合层38可以为与结合层34相同的材料，不过无需如此。结合层38可以是透明导电氧化物、非导电玻璃材料、或者比如氮化硅的其它电介质材料。例如，结合层38可以是ITO层、钠钙玻璃、硼硅酸盐、或者其它类似玻璃的层，厚度介于200nm和Ιμπι，厚度经常为大约500nm。可替换地，结合层38可以是比如苯并环丁烯(BCB)的透明有机材料、旋涂玻璃或硅树脂。比如磷光体的波长转换材料可以布置在结合层38中。例如，发射红色的磷光体可以布置在结合层38中，且比如掺铈的钇铝石榴石的发射黄色或绿色的磷光体可以布置在窗口层40中或窗口层40上，使得从该器件发射的复合光看上去为暖白色。可替换地，磷光体的混合物可以布置在硅树脂结合层38中，从而提供所期望的光谱。在这种器件中，窗口层40可以是透明的。在一些实施例中，结合层38被图案化或粗糙化，这可以提高从器件的光提取。其它合适的结合材料在题为“Bonding an Optical Element to a LightEmitting Device”且通过引用结合于此的公布的美国专利申请N0.2006-0105478中予以描述。在一些实施例中，结合层38非常薄，例如厚度约为几十埃。这种结合层38可用作或者用于导电结合层34或者用于窗口层40，或者用于这二者的表面改性剂。该结合层可以在沉积后是透明的，或者可以是不透明层，该不透明层发生化学反应从而既将这些层结合在一起又变为透明的。合适的薄结合层的实例包含这样的薄金属层，其可以热扩散从而结合到ITO结合层34和薄的硅氧化物结合层38，或者可以利用氧化物到氧化物的结合技术来结合。
[0029]如图4中箭头42所示，例如通过阳极结合、经由等离子体准备亲水表面的直接结合、或者经由利用中间结合层的结合，使结合层34和38结合。
[0030]如图5所说明，通过对于衬底材料是适当的工艺来移除生长衬底30。可以通过激光剥离来移除蓝宝石衬底。可以通过蚀刻、研磨、或者通过蚀刻掉牺牲层的剥离来移除衬底。通过移除衬底露出η型区域的底面。例如通过光电化学蚀刻可以减薄η型区域，从而移除不想要的材料或者由于衬底移除而损伤的材料。
[0031]由发光层生成的光线近似各向同性地分布且许多射线将不会从半导体逃逸到(多个)结合层中。如图5所说明，通过将半导体结构32的η型区域的其余厚度的一部分制成是多孔的，使这些射线被重新引导。多孔区域44大体上是电学和热学传导的，且设计成将光散射朝向窗口层40，并从后来形成的η接触离开。散射的数量由多孔层的厚度和孔隙度确定。多孔层通常具有介于0.5微米和40微米的厚度。多孔层可具有介于5%和80%的孔隙度且经常具有介于20%和40%的孔隙度。孔隙度在下端由多孔层散射光的能力限制且在上端由多孔层的电阻率和机械稳定性限制。合适的孔隙度可以与多孔区域的厚度相关联。为了提供相同的散射数量，较厚的多孔区域的多孔性可以低于较薄的多孔区域。由多孔层反射和散射的光线将具有朗伯辐射模式，最大强度被引导为垂直于表面。
[0032]可以通过一种两个步骤的工艺来形成多孔层44。在第一步骤中，通过电化学阳极蚀刻形成孔。在该步骤中，确定多孔区域的深度。在第二步骤中，通过光化学阳极蚀刻扩大所述孔，直至达到所期望的孔隙度。可以如下所述形成多孔层:通过例如银糊料将晶片连接到铜板。比如聚四氟乙烯的材料隔离该晶片的将被制成多孔的部分。将晶片暴露于比如
0.5Μ H2SO4的合适的电解质，在标准电化学电池中作为工作电极，该电池具有饱和甘汞电极(SCE)作为参考电极以及铂反电极。该电池由电势恒定器控制。应用强的正电势(15 V SCE)导致在表面缺陷处蚀刻形成亚微米坑，所述坑相隔大约几微米。这些坑用作隧道状结构的亚表面网络的蚀刻的起始点。蚀刻主要发生在隧道的端部，使得网络生长得更深但是隧道不扩大和合并。被移除的材料的数量主要为时间积分电流密度的函数，不过蚀刻剂浓度、偏置电压和衬底掺杂影响孔密度和尺寸。所得到的多孔结构的深度为所有这些变量的函数。
[0033]在光化学阳极蚀刻第二步骤的一个实例中，在所施加的2V SCE正电势下，使用50mff/cm2的来自Xe灯的亚带隙光，将经电化学蚀刻的晶片暴露于H2O: H2SO4: H2O2电解质。所施加的电势太低，使得无法进行上述阳极蚀刻工艺，并且亚带隙光仅仅在电解质-半导体界面处被吸收，因此主要效果是增加在步骤一中限定的层的孔隙度。孔隙度的程度是由时间积分电流密度确定的，该时间积分电流密度为光强、蚀刻剂浓度和衬底参数的函数。任何合适的半导体材料，比如S1、GaN、SiC和GaP，可以通过上述工艺制成是多孔的。比如GaP和GaN的二元材料是用于多孔区域的有吸引力的候选，不过三元和四元III族磷化物和III族氮化物材料也可以制成是多孔的。例如通过影响所形成的孔的尺寸和间距，半导体材料中的导电类型和掺杂剂浓度可以影响多孔层的特性。在一些实施例中，多孔区域是由这样的η型GaN层形成，该η型GaN层掺杂有介于零(非故意掺杂)和119 cm—3的掺杂剂浓度。
[0034]任何将光重定向朝向窗口层40的结构可以替代多孔区域44。例如，除了制成多孔的之外，通过移除衬底而露出的η型区域的表面可以被粗糙化，或者用例如光子晶体结构来纹理化。可替换地，多孔区域44可以由比如反射金属或涂层的反射材料取代。
[0035]蚀刻形成穿过半导体结构的露出结合层34的一个或多个开口，接着形成接触，并且将晶片分割成单独器件。在图6中说明附连到底座的成品器件。蚀刻形成穿过多孔区域44、非多孔的η型区域49、发光区域48和P型区域46的开口 54从而露出导电结合层34。导电结合层34用作与p型区域的电学接触。η接触金属58形成于多孔区域44的其余部分上，且p接触金属60形成于导电结合层34的露出部分上。η和P接触金属58和60可以通过电介质层56电学隔离。
[0036]该器件可以附连到任何合适的表面。图6中说明的器件安装在底座12上，该底座可以与上面在图1相关的【背景技术】部分正文中描述的封装衬底类似。η和P互连64和62将器件上的η和P接触58和60连接到底座12上的接触22。通过例如导电柱28，将底座12上的顶侧接触22连接到底侧接触26。互连可以是例如单质金属、焊料、金属合金、半导体-金属合金、比如环氧树脂的热学和电学传导糊料或化合物、比如Pd-1n-Pd的不相似金属之间的共晶联合体、或者Au螺柱凸点。
[0037]根据本发明的实施例的器件可具有若干优点。在【背景技术】部分和图1中描述的器件中，许多制作步骤是管芯级步骤;也就是说，它们是在将晶片切割成单独器件之后进行的。例如，下述步骤是管芯级步骤:将器件附连到封装衬底，对器件进行底填充，移除生长衬底，减薄或纹理化所露出的半导体表面，以及将磷光体材料安置在器件之上。管芯级步骤可能是耗时的且难以控制，比如，将每个管芯准确地安置在封装衬底上以及将准确数量的底填料配给到适当位置。在本发明的一些实施例中，几乎全部的制作步骤是晶片级步骤，而不是管芯级步骤。与管芯级步骤相比，晶片级步骤可以较不耗时且更容易控制。
[0038]在【背景技术】部分中描述的器件可包含有机材料，例如作为底填料以在衬底移除期间支持LED管芯，或者作为粘合剂以将陶瓷磷光体层附连到器件。有机材料是有问题的，因为它们在暴露于热和光时会退化，这会限制可以操作该器件的温度，或者不期望地改变从器件发射的光的色点。根据本发明的实施例的器件不需要有机底填充材料或粘合剂。
[0039]此外，在【背景技术】部分中描述的器件中将陶瓷磷光体附连到LED管芯的有机粘合剂层可以厚达10_15μπι。厚的粘合剂会从器件的侧面而不是从器件的顶部引导出显著数量的光，其中对于离开器件的光而言，优选的表面是顶部。过多的侧面光会对离开器件的光的颜色均匀性和色点产生负面影响。在本发明的实施例中，LED管芯和窗口层之间的结合薄至lMi，这可以显著减小从器件发射的侧面光的数量。另外，与有机粘合剂传导热相比，比如ITO的某些结合材料可以更高效地通过LED管芯将在陶瓷磷光体窗口层中生成的热传导到安装表面。
[0040]在【背景技术】部分中描述的器件中，需要封装衬底以防止在衬底移除期间对半导体器件的损伤。由于窗口层40在移除生长衬底期间和之后提供对半导体结构的机械支持，则不需要封装衬底或其它底座。图7说明没有封装衬底的器件。通过一个或多个电介质层56和66、结合金属层63和65以及导电互连62和64，将形成于半导体结构上的η和P接触58和60重新分布到大面积接触68和70。电介质层56和66可以是例如SiNx。上面在与图6相关的正文中描述了互连62和64。结合金属层63和65可以是例如Al/Ni/Au合金。大面积接触68和70可以是例如金。
[0041]在图1中说明的器件中，布置在有源区域18和反射P接触24之间的P型区域20是薄的，这会通过引入不期望的腔体共振而降低器件的效率。在本发明的实施例中，非多孔的η型区域49比P型区域20厚，因而不形成腔体共振。消除或减少腔体共振可以放宽对有源区域和反射接触之间的半导体厚度的限制，且可以允许有源区域生长得更厚，具有更厚的层，或者具有更多层。
[0042]在一些实施例中，在结合之前，陶瓷磷光体窗口层40颜色匹配到半导体晶片。可以通过在将窗口层结合到半导体晶片之前或之后激光修整陶瓷磷光体来调节由具体陶瓷磷光体窗口层/半导体晶片组合发射的光的色点。
[0043]本发明已被详细描述，本领域技术人员将理解，鉴于当前公开内容，可以对本发明进行调整而不背离此处描述的发明构思的精神。因此，不打算将本发明的范围限制于所说明和描述的特定实施例。
【主权项】
1.一种制作半导体发光器件的方法，该方法包含: 在生长衬底上生长包含布置在η型区域和P型区域之间的发光层的半导体结构； 在P型区域之上布置透明导电氧化物； 经由透明导电氧化物将半导体结构结合到窗口层； 移除生长衬底； 使通过移除生长衬底所暴露的η型区域的部分为多孔的； 蚀刻暴露透明导电氧化物的半导体结构中的开口 ；以及 在开口中形成金属接触。2.权利要求1的方法，其中透明导电氧化物为下述中的一种:铟锡氧化物、氧化锌和氧化钌。3.权利要求1的方法，其中布置在P型区域和窗口层之间的所有层的组合厚度小于2μπι。4.权利要求1的方法，其中在开口中形成金属接触包含在开口中形成与透明导电氧化物接触的P接触。5.权利要求1的方法，其中所述结合包含在透明导电氧化物和窗口层之间布置透明结入[3口 /Ζλ O6.权利要求5的方法，还包含在透明结合层中混合波长转换材料。7.权利要求5的方法，还包含处理透明结合层和透明导电氧化物之间的界面以引起光的散射。8.权利要求5的方法，其中透明结合层为下述中的一种:透明导电氧化物、非导电玻璃材料、电介质材料和有机材料。9.权利要求5的方法，其中透明结合层为下述中的一种:氮化硅、铟锡氧化物、钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、苯并环丁烯、旋涂玻璃和硅树脂。10.权利要求1的方法，其中所述结合包含在没有有机材料的情况下结合。11.权利要求1的方法，其中窗口层为下述中的一种:光学滤波器、蓝宝石和玻璃。12.权利要求1的方法，其中窗口层包含配置成吸收由发光层发射的光并发射不同波长的光的波长转换材料。13.权利要求12的方法，其中波长转换材料布置在陶瓷层中。14.权利要求1的方法，其中发光层为III族氮化物层。15.权利要求1的方法，还包含在半导体结构中形成沟槽。
【文档编号】H01L33/10GK105870271SQ201610396252
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2009年7月15日
【发明人】J.E.埃普勒, J.G.内夫, O.B.施舍金
【申请人】飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司, 皇家飞利浦电子股份有限公司