具有顏色轉換結構的半導體發光器件的製作方法

2023-10-26 23:35:47

專利名稱：具有顏色轉換結構的半導體發光器件的製作方法
技術領域：
本發明大致涉及半導體發光器件的設計和製造。更具體而言，本發明涉及用於制 備具有顏色轉換結構的半導體發光器件的設計和技術。
背景技術：
期待半導體發光器件能引領下一代照明技術。例如，高亮度發光二極體(HB-LEDs) 的應用越來越廣泛，包括應用於LED交通燈，真彩顯示器以及取代傳統照明燈泡。特別是白 光LED近年來的發展已經為LED更廣泛的應用打開了大門。

發明內容
本發明的一個實施例提供一種半導體發光器件。該器件包括襯底和由所述襯底支 撐的半導體多層結構，其中所述半導體多層結構配置成發射第一顏色光。所述襯底或在所 述襯底與所述多層結構之間的層基本不透明。該器件還包括在所述半導體多層結構上形成 的一定厚度的平坦的顏色轉換層，其中所述顏色轉換層包括可將至少一部分發射光轉換成 第二顏色光的顏色轉換材料。可充分固化所述顏色轉換層以承受後續的晶片切割。在該實施例的一個變型中，所述襯底包括下列材料中的一種或若干種矽(Si)； 鍺(Ge)；砷化鎵(GaAs)及金屬。在該實施例的一個變型中，所述襯底對所述第一顏色光的透光率小於或等於 30%。在該實施例的一個變型中，其中所述襯底與所述多層結構之間的層是在所述半導 體多層結構與所述襯底之間的光反射層。在該實施例的一個變型中，所述顏色轉換層包括用於均勻分散所述顏色轉換材料 的分散介質。在該實施例的另一個變型中，所述分散介質包括下列材料中的一種或若干種聚 醯亞胺基材料、矽膠基材料以及環氧樹脂基材料。在該實施例的另一個變型中，所述分散介質是聚醯亞胺。在該實施例的一個變型中，所述顏色轉換材料包括螢光粉。在該實施例的一個變型中，所述顏色轉換層包括聚醯亞胺基分散介質與螢光粉組 成的混合物。在該實施例的一個變型中，該器件包括在所述半導體多層結構上形成的至少一個 電極，其中至少一部分所述電極表面不會被所述顏色轉換層覆蓋。在該實施例的一個變型中，所述半導體多層結構包括InxGayAlmN(0彡χ彡1， 0彡y彡1)基材料。在該實施例的一個變型中，被轉換的光和未被轉換的光混合產生一種實質上的白光。


圖1圖示了白光LED的結構。圖2A圖示了根據本發明一個實施例的包括平坦的顏色轉換層的白光LED。圖2B給出一張流程圖用於說明根據本發明一個實施例的含有光反射層的白光 LED晶片。圖3給出一張流程圖說明在根據本發明一個實施例的在顏色轉換LED上圖形化電 極的步驟。圖4圖示了根據本發明一個實施例的通過倒裝式晶片邦定法來製備具有顏色轉 換結構的LED的示範性的逐個步驟。
具體實施例方式給出以下的描述，以使得本領域技術人員能夠製造和使用本發明，且這些描述是 在具體應用及其需求的背景下提供的。公開實施例的各種修改對本領域技術人員而言是顯 而易見的，且在不離開本發明的精神實質和範圍的情況下，這裡限定的一般原理可以應用 到其它實施例和應用。因而，本發明不限於所示出的實施例，而是與權利要求的最寬範圍一致。白光LED通常是基於利用一種或多種螢光粉(如磷光體)包覆發光器件如GaN基 藍光LED的發光表面的一種設計。當藍光發出穿透螢光粉時，一部分藍光經螢光處理被熒 光粉轉換成更長波長的光，得到黃光，紅光或綠光。當這些新的顏色光與未被轉換的藍光復 合時，就可產生白光發射。圖1圖示了白光LED 100的典型結構。如圖1所示，白光LED 100包括在藍寶石襯底104上製備的InGaAlN基半導體發 光結構102。半導體發光結構102和藍寶石襯底104構成InGaAlN基LED晶片106。應注 意的是，由於藍寶石襯底透明，發射出的光既可穿過LED晶片106的頂面傳播也可從側壁和 底面傳播。因此，為獲得關於LED晶片106的頂面和側壁都均一的白光發射，希望的是利用 螢光粉均勻的塗覆LED晶片106的上表面和側面以包圍LED晶片106。如圖1所示，LED晶片106被「埋」在用螢光粉混合物108填充的杯狀凹槽內。這 種螢光粉混合物通常由被環氧樹脂均勻分散的螢光粉製得。螢光粉混合物108包覆LED芯 片106的頂面及全部的四個側壁，便形成白光LED結構100。應注意的是，這種白光LED結 構一般是通過首先將LED晶片106放置在杯狀凹槽的底部，隨後沉積稍許螢光粉混合物至 凹槽內，直至混合物填充至凹槽的表面上(如在虛線上)來獲得。應注意的是，希望是螢光 粉混合物108的圓頂110可用於補償穿透器件中部發射的光和在器件邊緣周圍發射的光之 間的光程差。由於上述白光LED的製備過程包括利用螢光粉混合物包覆單個LED晶片的側壁， 所以在晶片切割之後，通常混合物是在單個晶片封裝過程期間應用在LED上。因此，這種芯 片基的白光LED製備過程往往具有成本高，產量低以及顏色均一性差的問題。例如，當螢光 粉混合物應用於單個LED時，器件很難獲得相同的圓頂幾何學。單個白光LED的非均勻幾 何學隨後可導致非均一的顏色轉換。因此，即使是用相同的晶片製造，也很難保證這種白光 LED列的顏色均一性。此外，在白光LED的相同單元內，如LED 100，螢光粉混合物108的幾何學和LED晶片106的幾何學皆會導致從頂面和側壁發出的光的光程差。舉例來說，經由側壁漏出的光 束112與從頂面發出的光束114相比，穿透螢光粉混合物108的傳播距離明顯更長。因此 轉換數量導致的光束112和光束114之間的差使得光離開螢光粉混合物108時發生不同的 顏色混合。結果，來自白光LED 100的光在中心區域顯示更多的藍光，而朝向邊緣區域顯示 更多的黃光，因而產生非均勻的發光圖案。
應注意的是，不僅僅藍寶石襯底會出現上述描述的問題，任何可用於支撐LED結 構的襯底也會有這些問題。此外，這些問題不只影響白光LED的顏色均一性，而且也會影響 利用螢光粉進行顏色轉換的其他類型的LED的顏色均一性。具有平面顏餼轉換結構的LED本發明的實施例提供一種具有平坦的顏色轉換結構的LED設計。具體而言，在對 LED發出的光幾乎不透明的襯底上形成LED，隨後在半導體LED上形成具有一定厚度的顏色 轉換結構。另外，本發明的實施例提供一種製備顏色轉換LED的技術。與傳統白光LED相 比，顏色轉換LED能產生高均一性的顏色光，同時達到顯著較低的製備成本。更具體而言， 顏色轉換結構是在晶片級製備過程期間在LED上製備，而不是在晶片切割之後在單個LED 上製備。圖2A圖示了根據本發明一個實施例的包括平坦的顏色轉換層的白光LED晶片 200。白光LED 200包括襯底202和在襯底202上形成的半導體多層結構204。在本發明的 一個實施例中，半導體多層結構204是半導體發光結構，其包括夾於上層和底層之間的有 源層。應注意的是，上層或底層可包括附加層，如η-型摻雜或P-型摻雜包覆層和/或緩衝 層。另外，儘管在一些文獻中涉及的包覆層只作為與有源層直接連接的摻雜層，但包覆層可 包括一層或多層材料層。在一個實施例中，上層可包括η-型層，底層可包括ρ-型層。在一 個實施例中，半導體多層結構204中的層由InxGayAl1^N(0彡χ彡1，0彡y彡1)_基材料 組成。這種材料包括二元，三元或四元的化合物，如GaN，InGaN, GaAlNjP InGaAIN。在一些實施例中，襯底202對半導體多層結構204發出的光幾乎不透明。在一個 實施例中，對多層結構204的發光顏色，襯底202顯示出小於或等於30%的透光率。在另 一個實施例中，襯底對多層結構204發射出的光不透明，這就避免了光從襯底202的側壁漏 出。正如下面所討論到的，因為漏出的光不能通過顏色轉換材料轉換，所以這種光漏不利於 所提及的白光LED。襯底202可包括但不限於矽(Si)襯底，鍺(Ge)襯底，砷化鎵(GaAs)襯底，以及其 他不透明半導體材料。這些半導體襯底通常對可見波長不透明。特別是利用Si襯底可有 利於低成本和高靈活性的製造。在另一個實施例中，襯底202可包括金屬襯底如鋁(Al)襯 底。特別是具有高熱傳導率的襯底如銅(Cu)襯底適宜製造大功率級LED。應用不透明襯底的結果是，少量或沒有發射出的光可以穿過襯底204的側壁和底 部而漏出。儘管一些發射光可從半導體多層結構204的側壁漏出，但是，因為半導體多層 204通常只有幾微米厚，所以這種漏光與頂面發光相比可被忽略。白光LED 200進一步包括在半導體多層結構204上形成的具有一定厚度的顏色轉 換層206。具體而言，顏色轉換層206包括在介質中如環氧樹脂被均勻分散的顏色轉換材 料。在本發明的一個實施例中，通過旋塗法在半導體多層結構204上塗布顏色轉換材料(如 螢光粉)和環氧樹脂的膠狀混合物來形成顏色轉換層206，並固化混合物以獲得固化的顏色轉換層。應注意的是，這種沉積技術有利於在器件表面獲得一定厚度的顏色轉換層。在 一個實施例中，顏色轉換層206是薄膜層。應注意的是，因為通過襯底202的側壁和底部或是發光結構的側壁的漏光非常 少，所以顏色轉換材料可以只塗布在半導體多層結構204的上發光表面上。這就使得顏色 轉換材料可先於晶片切割在整個晶片上沉積，從而避免為了用螢光材料包覆晶片所有的面 而進行後_切割製造形成單個LED晶片。因此，製造顏色轉換LED器件的成本可有效降低， 同時可方便地控制均一性。在另一個實施例中，在具有許多被溝槽隔離的臺面的圖案化襯 底上製備單個器件。顏色轉換材料的塗布可在器件製備之後進行，且優選是在去除每個器 件的邊緣之後進行，這樣塗布也可以覆蓋器件的側壁。這個方法可進一步減少漏光。
本發明的實施例可以使用不同種類的分散介質作為載體用於顏色轉換材料。這些 分散介質可包括但不限於矽膠，環氧樹脂，聚醯亞胺及其他可固性聚合材料。應注意的是 矽膠雖然熱穩定性和化學穩定性高，但是通常成本更高。相比較而言，環氧樹脂便宜但較不 穩定。特別是矽膠和環氧樹脂在固化之後都非常難以刻蝕，因此這兩種材料並不是太理想。 另一方面，聚醯亞胺可充分固化且在相對低的溫度下固化後仍可被鹼性刻蝕劑刻蝕。這個 特性使聚醯亞胺與光刻處理更兼容。以下部分描述聚醯亞胺作為分散介質時製造白光LED 電極的光刻過程。顏色轉換材料能將發射出的一部分光從第一顏色光(如藍光)轉換成第二顏色光 (如黃光)，同時傳播剩餘未被轉換的光。在本發明的一個實施例中，這種顏色轉換材料是 螢光粉，如YAG螢光粉或TAG螢光粉。藍光激發這些類型的螢光材料可發出黃光，黃光再與 未被轉換的光複合產生實質的白光。應注意的是顏色轉換材料可包括其他類型的螢光粉， 如矽酸鹽螢光粉。通過顏色轉換層206而產生的顏色可包括但不限於綠色，黃色，橙色，紅 色或多種顏色的混合。因此，顏色轉換材料對應多種顏色可包括不同類型螢光材料的混合。 應注意的是，由於顏色轉換層206橫跨晶片表面具有一定厚度，所以LED晶片可產生高度均 一的顏色。再回到圖2A，白光LED 200還包括電極208。應注意的是，電極208通過歐姆接觸 與半導體多層結構204的上層連接。一般來說顏色轉換層206不導電，因此在顏色轉換層 206上直接製備電極208或用顏色轉換層206覆蓋電極208的表面是不可取的。在本發明 的一個實施例中，另一電極可在襯底202的背面製備。此外，可圖案化顏色轉換層206以形 成電極位置。在另一實施例中，電極和可選的相應連接線可先於顏色轉換層的塗布在器件 上製備。這樣做的好處是可以確保電極與器件之間良好的歐姆接觸。圖2B圖示了根據本發明的一個實施例的包括光反射層212的白光LED晶片210。 應注意的是，除了附加包括在襯底202和半導體多層結構204之間形成的光反射層212外， 晶片210與晶片200大體上結構相同。如圖2A所示，由於襯底202對從多層結構204發出 的光的透光率很低，所以很大一部分發射光會被襯底202吸收。這種光吸收會降低光發射 效率。通過在吸收性的襯底和光發射結構之間插入反射層，在這個界面上入射的相當一部 分發射光可被反射回至發光結構，從而增大了白光LED 210的發光效率。在本發明的一個 實施例中，光反射層是銀(Ag)層。在本發明的一個實施例中，切割後續製成的晶片(它包括襯底202，多層結構204， 顏色轉換層206以及電極208)形成單個LED晶片，進而獲得白光LED 200和210。應注意的是，由於顏色轉換層206在晶片切割之前沉積，所以多層結構204和襯底206的側壁沒有 顏色轉換材料。儘管應用白光LED作為一個例子說明顏色轉換LED的創新結構，但是本發明可應 用於能將發光顏色轉換成另一種顏色光的任何一種半導體LED。在顏色轉換LED上圖形化電極的步驟 圖3給出一流程圖用於說明根據本發明一個實施例的在顏色轉換LED上圖案化電 極的步驟。在操作期間，系統選取具有發光多層結構但未製備電極的晶片(操作302)。系統 接著在發光多層結構上沉積螢光粉和聚醯亞胺組成的膠狀混合物，以形成顏色轉換層，其 中螢光粉被聚醯亞胺均勻分散(操作304)。在本發明的一個實施例中，系統通過旋塗法在 晶片上沉積膠體來獲得一定厚度的顏色轉換層。應注意的是，這種旋塗與光刻過程期間塗 布光刻膠(PR)的方法類似。其他技術如噴塗也可應用於塗布膠狀混合物。接下來，系統預固化膠狀顏色轉換層，聚醯亞胺被部分固化(操作306)。具體而 言，預固化可在溫度低於正常的固化溫度下和/或固化時間短於完全固化過程的時間內進 行，以部分地除去膠體混合物的溶劑載體。結果，顏色轉換層一定程度變硬但仍可被鹼性刻 蝕劑刻蝕。接著，系統在顏色轉換層上應用PR(如正PR)層，並光刻處理ra層以圖案化在顏 色轉換層上的電極(操作308)。然後通過顯影劑ra顯影，以在顏色轉換層內形成電極區 域(操作310)。應注意的是，這種顯影過程不僅僅去除了暴露的ra，而且刻蝕掉了電極對 應區域內下面的已預固化的顏色轉換層，進而暴露在下面的發光多層結構。在本發明的一 個實施例中，顯影劑是TMAH基顯影劑。應注意的是，在一些實施例中，電極可先在器件上制 備，且接觸接線可先於顏色轉換層沉積與電極連接。之後，系統最終固化顏色轉換層，使聚醯亞胺完全固化(操作312)。通過倒裝晶片 邦定製備顏色轉換LED圖4圖示了根據本發明一個實施例的通過倒裝晶片邦定法製備具有顏色轉換結 構的LED的示範性逐個步驟。在操作A中，圖形化並刻蝕初始矽生長襯底402，以形成許多被溝槽隔離的臺面。 每個臺面限定一個用於生長單個LED的表面區域。因為應力與表面面積成比例，所以被分 割的襯底可有效降低面內應力。應注意的是，在圖4的操作A中，只說明了一個完整臺面 (在中間)和兩個部分臺面(在兩側)。在操作B中，半導體多層結構404在上述襯底檯面上外延形成。應注意的是，在一 個實施例中，臺面被充分隔離且溝槽足夠深，這樣不同層的外延生長在兩個單個結構間不 會產生任何連接，從而明顯減少與晶格不匹配生長相關的應力。在本發明的一個實施例中， 多層結構404是InxGayAl1^yN(0彡χ彡1，0彡y彡1)_基半導體多層結構。在操作C中，在多層結構404上沉積邦定層406。由於邦定層金屬會沉積在側壁 上並使P-N結短路，所以本發明的一個實施例可選的是在金屬邦定層406沉積之前，在多層 結構404上形成絕緣層。應注意的是，只要適合用作邦定材料，金屬或非金屬材料都可被使 用。在一個實施例中，邦定材料是金。在操作D中，新的支撐結構408被粘附於金邦定層406。在一個實施例中，新的支撐結構408是矽襯底。或者另一選擇，新的支撐結構408可是Ge襯底，GaAs襯底或金屬襯底。在操作E中，利用溼法刻蝕法剝離初始矽生長襯底402，結果暴露多層結構404的下方。應注意的是，在操作E中整個結構被翻轉，且多層結構404由金邦定層406和新的支 撐結構408支撐。同樣應注意的是，金邦定層406可作為光反射層。在操作F中，顏色轉換層在多層結構404上沉積。具體而言，顏色轉換層410可通 過首先利用被聚醯亞胺介質均勻分散的螢光粉塗布多層結構404的表面，再將聚醯胺固化 至變硬的聚合物層來獲得。應注意的是，在顏色轉換層410最終固化之前，正如上述描述的 可在多層結構404上製備一個或若干個電極。最後，在操作F中切割晶片以獲得單個顏色轉換LED。應注意的是，晶片切割可經 過部分溝槽從晶片的上面進行，或者是從晶片的背面進行。應注意的是，儘管上述的製造過 程是在分割襯底的背景下描述，但未分割襯底也可根據相同的操作A至F用於製造顏色轉 換 LED。本發明實施例的前述描述僅為說明和描述的目的而給出。它們並非窮盡性的，或 並不旨在將本發明限制成這裡所公開的形式。因而，對本領域技術人員而言，許多修改和變 化是顯而易見的。另外，上述公開內容並非旨在限制本發明。本發明的範圍由所附權利要 求來限定。
權利要求
一種半導體發光器件，該器件包括襯底；由所述襯底支撐的半導體多層結構；其中所述半導體多層結構配置成發射第一顏色光；以及其中所述襯底或在所述襯底與所述多層結構之間的層基本不透明，因此有利於由所述多層結構發射出的光的吸收或反射；以及在所述半導體多層結構上形成的平坦的顏色轉換層；其中所述顏色轉換層包括可將至少一部分發射光轉換成第二顏色光的顏色轉換材料；其中所述顏色轉換層具有一定厚度；以及其中所述顏色轉換層可被充分固化以承受後續的晶片切割。
2.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於所述襯底包括下列材料中的一 種或若干種矽(Si)；藍寶石；碳化矽(SiC)；鍺(Ge)；砷化鎵(GaAs)；以及金屬。
3.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於所述襯底對所述第一顏色光的 透光率小於或等於30%。
4.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於在所述襯底與所述多層結構之 間的所述層是光反射層。
5.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於所述顏色轉換層包括用於均勻 分散所述顏色轉換材料的分散介質。
6.根據權利要求5所述的半導體發光器件，其特徵在於分散介質包括下列材料中的一 種或若干種聚醯亞胺基材料，矽膠基材料及環氧樹脂基材料。
7.根據權利要求6所述的半導體發光器件，其特徵在於所述分散介質是聚醯亞胺。
8.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於所述顏色轉換材料包括螢光粉。
9.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於所述顏色轉換層包括聚醯亞胺 基分散介質和螢光劑組成的混合物。
10.根據權利要求1所述的半導體發光器件，該器件進一步包括在所述半導體多層結 構上形成的至少一個電極，其特徵在於所述電極表面的至少一部分未被所述顏色轉換層覆蓋 ο
11.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於所述半導體多層結構包括 InxGayAl1-y-N(0 ≤ χ ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1)_ 基材料。
12.根據權利要求1所述的半導體發光器件，其特徵在於被轉換的光和未被轉換的光 混合產生實質上的白光。
13.—種製造半導體發光器件的方法，該方法包括 選取襯底；形成由所述襯底支撐的半導體多層結構；其中所述半導體多層結構配置成發射第一顏色光；以及其中所述襯底或在該襯底與該多層結構之間的層基本不透明，因此有利於所述多層結 構發射出的光的吸收或反射；用包括能將一部分發射光轉換成第二顏色光的顏色轉換材料均勻塗覆所述半導體多 層結構形成平坦的顏色轉換層；其中所述顏色轉換層可被充分固化以承受後續的晶片切割；以及其中所述顏色轉換層具有一定厚度；以及切割包括襯底的晶片，以獲得半導體發光器件。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述方法進一步包括在切割所述晶片之 前固化所述顏色轉換層，使所述顏色轉換層充分變硬以承受後續的晶片切割。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於在固化所述顏色轉換層之前，所述方法 進一步包括預固化所述顏色轉換層；圖形化所述已預固化的所述顏色轉換層以暴露所述半導體多層結構；以及在所述暴露的半導體多層結構上形成一個或若干個電極，其中至少一部分所述電極表 面未被所述顏色轉換層覆蓋。
16.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述顏色轉換層包括聚醯亞胺基分散介 質與螢光材料組成的混合物。
17.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述襯底與所述多層結構之間的所述層 是光反射層。
18.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述襯底包括下列材料中一種或若干 種矽(Si)；藍寶石；碳化矽(SiC)；鍺(Ge)；砷化鎵(GaAs)；以及金屬。
19.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述襯底對所述第一顏色的透光率小於 或等於30%。
20.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述顏色轉換層包括一種用於均勻分散 所述顏色轉換材料的分散介質。
21.根據權利要求20所述的方法，其特徵在於所述分散介質包括下列材料中的一種或 若干種聚醯亞胺基材料，矽膠基材料以及環氧樹脂基材料。
22.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述顏色轉換層材料包括螢光粉。
23.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述半導體多層結構包括 InxGayAl1^yN(0 ^ χ ^ 1,0 ^ y ^ 1)_ 基材料。
24.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於被轉換的光和未被轉換的光混合產生實 質上的白光。
25.一種白光LED器件，該器件包括不透明襯底；GaN基多層結構，該結構包括ρ-型層，有源層及η-型層；在所述η-型層上的平坦的顏色轉換層，其中所述顏色轉換層具有一定厚度，且其中所 述顏色轉換層包括已固化的含螢光粉的聚醯亞胺層；以及通過歐姆接觸與所述η-型層連接的至少一個電極。
全文摘要
一種半導體發光器件(200)，包括襯底(202)和由襯底(202)支撐的半導體多層結構(204)，其中半導體多層結構(204)設置為發射第一顏色光。襯底(202)或在襯底(202)與半導體多層結構(204)之間的反射層(212)不透明。器件(200)還包括在半導體多層結構(204)上形成的厚度很均勻的平坦顏色轉換層(206)。顏色轉換層(206)包括一種顏色轉換材料，至少能將一部分發射光轉換成第二顏色光。顏色轉換層(206)可充分固化以耐受後續的晶片切割。
文檔編號H01L33/50GK101849295SQ200780101041
公開日2010年9月29日 申請日期2007年10月12日 優先權日2007年10月12日
發明者劉衛華, 江風益, 湯英文, 王立 申請人:晶能光電(江西)有限公司