半導體發光器件的表面處理的製作方法
2023-06-20 19:48:06
半導體發光器件的表面處理的製作方法
【專利摘要】根據本發明的實施例的方法包括粗糙化（圖6）半導體結構（46-48，圖5）的表面（58）。所述半導體結構包括發光層（47）。所述表面（58）是通過其從所述半導體結構提取光的表面。在粗糙化之後，處理（圖7）經粗糙化的表面以增加所述表面處的全內反射或吸收，或者減少通過所述表面（58）從所述半導體結構提取的光的量。
【專利說明】半導體發光器件的表面處理
【技術領域】
[0001]本發明涉及通過處理半導體發光器件的表面來控制由該器件發射的通量的量。
【背景技術】
[0002]包括發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、諸如表面發射雷射器(VCSEL)的垂直腔雷射二極體、和邊發射雷射器的半導體發光器件屬於當前可用的最高效光源。在能夠跨過可見光譜工作的高亮度發光器件的製造中，當前感興趣的材料體系包括
II1- V族半導體，特別是也稱為III族氮化物材料的鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金。通常，通過利用金屬有機化學氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技術，在藍寶石、碳化矽、III族氮化物或其它合適襯底上外延生長具有不同成分和摻雜劑濃度的半導體層的疊層來製作III族氮化物發光器件。疊層經常包括在襯底上形成的摻雜有例如Si的一個或多個η型層、在所述一個或多個η型層上形成的有源區中的一個或多個發光層、以及在所述有源區上形成的摻雜有例如Mg的一個或多個P型層。電接觸形成在η和P型區上。
[0003]圖1示出在US7，256，483中更詳細描述的發光器件。為了形成圖1的器件，在生長襯底上形成常規LED。每一個LED管芯包括η型層16、有源層18和P型層20。金屬(金屬化層加接合金屬)24接觸P層。P層20、有源層18和可能的金屬24的部分在LED形成過程期間被蝕刻掉，並且金屬50在與P接觸金屬24同側上接觸η層16。底部填充材料52可以沉積在LED下方的空隙中以減少跨過LED的熱梯度，為附連添加機械強度，並且防止汙染物接觸LED材料。金屬化層50和24分別接合到封裝襯底12上的金屬接觸墊22Α和22Β。封裝襯底12可以由電絕緣材料AlN形成，金屬接觸墊22Α和22Β使用通孔28Α和28Β和/或金屬跡線連接到可焊接電極26Α和26Β。移除生長襯底，然後粗糙化LED的發光頂面(η層16)以得到增加的光提取。例如，可以使用KOH溶液46對層16進行光電化學蝕刻。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種發光器件，其中可以控制來自該器件的通量的最大量。
[0005]根據本發明的實施例的方法包括粗糙化半導體結構的表面。半導體結構包括發光層。經粗糙化的表面是通過其從半導體結構提取光的表面。在一些實施例中，在粗糙化之後，處理該表面以增加該表面處的全內反射或吸收。在一些實施例中，在粗糙化之後，處理該表面以減少通過該表面從半導體結構提取的光的量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1示出生長襯底已經從其移除的LED。
[0007]圖2示出在空氣與III族氮化物材料之間的界面處的光行為。
[0008]圖3示出在空氣與經粗糙化的III族氮化物材料之間的界面處的光行為。
[0009]圖4示出在空氣與根據本發明的實施例處理的III族氮化物材料之間的界面處的光行為。[0010]圖5是根據本發明的實施例的器件的橫截面視圖。
[0011]圖6示出在粗糙化之後的III族氮化物表面。
[0012]圖7示出在根據本發明的實施例的處理之後的III族氮化物表面。
[0013]圖8示出在低功率下和在較高功率下，光輸出與用於等離子體處理的處理時間的函數。
【具體實施方式】
[0014]III族氮化物材料與空氣之間的折射率差異在平滑界面處造成全內反射，如圖2中所示。在III族氮化物材料30 (其具有約2.4的折射率)與空氣32 (其具有約I的折射率)之間的平滑界面處，相對於生長方向以小角度發射的光34逃離III族氮化物材料。以掠射角發射的光36在界面處被全內反射並且可能損失成為器件內的吸收。
[0015]為了改進從器件的提取，III族氮化物材料的頂面可以被粗糙化，如上文參考圖1所描述。在圖3中示出朝向經粗糙化的界面以掠射角發射的光38的行為。由於III族氮化物材料30的粗糙表面的原因，相對於生長方向以掠射角發射的光以允許其逃離到空氣32中的角度遇到III族氮化物材料30的表面。
[0016]然而，通過光電化學(PEC)蝕刻來粗糙化III族氮化物表面是難以控制的。出於最實用的目的，只能利用PEC蝕刻使光提取最大化，這是因為提取的量是難以調節的。例如，諸如汽車應用的一些應用要求不能被超越的特定最大通量。對於這些應用來說，如上文所描述的具有經粗糙化的頂面的現代高功率LED可能過亮。
[0017]根據本發明的實施例，半導體發光器件的經粗糙化的表面被處理以減少從LED提取的通量的量。所述處理可以產生這樣的表面:其在界面處再次引入一些全內反射，或者其導致吸收，如圖4所示。粗糙化形成峰，如圖3所示。根據本發明的實施例的粗糙化後(post-roughening)處理可以使這些峰的頂部44平坦化,如圖4所示。撞擊峰的陸側42的掠射角光可以從III族氮化物材料30提取到空氣32中。撞擊平坦化的頂部44的掠射角光40可以如所示的經歷全內反射。被內反射的光可以被吸收。
[0018]圖5示出根據本發明的實施例的半導體發光器件。儘管在以下討論中半導體發光器件是發射藍光或UV光的III族氮化物LED，但是可以使用除了 LED之外的諸如雷射二極體的半導體發光器件以及由諸如其它II1- V族材料、III族磷化物、III族砷化物、I1-VI族材料、ZnO或基於Si的材料的其它材料體系製成的半導體發光器件。
[0019]圖5所示的器件可以通過首先在生長襯底(未在圖5中示出)上生長半導體結構來形成，如本領域所已知的。生長襯底可以例如是任何合適的襯底，諸如藍寶石、SiC、S1、GaN或複合襯底。半導體結構包括夾在η和P型區46和48Α、48Β之間的發光或有源區47Α、47Β。η型區46可以首先生長並且可以包括不同成分和摻雜劑濃度的多個層，例如，包括諸如緩衝層或成核層的準備層，和/或設計成促進生長襯底的移除的層(其可以是η型或者非故意摻雜的)，以及針對發光區高效地發光所期望的特定光學、材料或電學屬性而設計的η或甚至P型器件層。發光或有源區47生長在η型區46上。合適的發光區的示例包括單個厚或薄的發光層，或者包括由壘層分開的多個薄或厚的發光層的多量子阱發光區。P型區48Α、48Β然後可以生長在發光區47上。像η型區46那樣，ρ型區48Α、48Β可以包括不同成分、厚度和摻雜劑濃度的多個層，包括非故意摻雜層或η型層。器件中所有半導體材料的總厚度在一些實施例中小於10 μ m並且在一些實施例中小於6 μ m。
[0020]在ρ型區48A、48B上形成反射性金屬ρ接觸80A、80B。半導體結構然後通過標準光刻操作而被圖案化，並且被蝕刻以移除P型區的整個厚度的一部分以及發光區的整個厚度的一部分，從而形成暴露η型區的表面的至少一個臺面，金屬η接觸82Α形成在η型區的所述表面上。η接觸可以是分布式的，如圖5中示出的三個η接觸82A-82C所示，或者可以形成單個η接觸。η和ρ接觸82和80可以由間隙54A-54D電隔離，所述間隙可以填充有空氣、氣氛氣體、或者諸如電介質或矽的氧化物的固體材料。所述臺面以及P和η接觸可以以任何合適方式形成。形成臺面以及P和η接觸為本領域技術人員所公知。在器件晶片上各器件之間的區域中，半導體結構被向下蝕刻到絕緣層或生長襯底，該絕緣層可以是為半導體結構的一部分的絕緣半導體層。如本領域所已知，可以由絕緣層和金屬的疊層來再分布P和η接觸以形成至少兩個大的電學墊。所述電學墊其中之一電連接到半導體結構的ρ型區並且另一個電學墊電連接到半導體結構的η型區。電學墊可以是任何合適的導電材料，包括例如銅、金和合金。電學墊由間隙彼此電隔離，所述間隙可以填充有諸如電介質、空氣或其它氣氛氣體的絕緣材料。用於再分布所述接觸和電學墊的各層的疊層在本領域中是公知的並且並未在圖5中示出。
[0021]半導體結構附連到基座56，使得接觸80Α、80Β和82A-82C處於基座與半導體結構之間。在一些實施例中，器件晶片被分割成單獨的器件或器件群組，然後經分割的器件或群組附連到基座，如上文參考圖1所描述。在這些實施例中，基座經常大於單獨的器件或器件群組。在一些實施例中，器件晶片在晶片級附連到基座，然後在進一步處理之後，器件晶片和基座被同時分割成單獨的器件或器件群組。在這些實施例中，基座與單獨的器件或器件群組尺寸相同。分割可以通過任何合適方法(諸如利用雷射劃片的劃片及折斷或者鋸切)來執行，並且這在本領域中是公知的。基座可以是機械地支撐半導體結構的任何合適結構，例如包括例如具有導電通孔的陶瓷基座或晶片、矽基座或晶片，或者例如通過電鍍形成的機械地支撐半導體結構的厚金屬接合墊。在一些實施例中，基座56是適於將半導體發光器件附連到諸如PC板的襯底的自支撐結構。例如，基座56的與半導體結構相對的表面(圖5中基座56的底面)可以是可回流焊接的。
[0022]通過任何合適技術移除生長襯底。例如，生長襯底可以通過雷射剝離、蝕刻、諸如研磨的機械技術、或者各技術的組合來移除。通過移除生長襯底而暴露的半導體結構的表面58 (通常為η型區46的表面)可以可選地被減薄和粗糙化，例如通過PEC蝕刻。圖6示出通過PEC蝕刻而粗糙化的表面58。
[0023]然後處理圖6的表面58以減少提取，如圖7所示。在一些實施例中，利用等離子體處理表面58，這可以使由PEC蝕刻形成的峰平坦化，如圖7所示。可以使用任何合適的標準的商業上可行的等離子體蝕刻和/或清洗系統。所使用的等離子體可以是任何合適等離子體，包括例如Ar、0和混合物。圖6中所示的尖刺型特徵可以被圖7中的等離子體處理平滑化，這將引起界面處的更多全內反射，這可以減少從器件的提取。等離子體處理可以是物理蝕刻(即濺射蝕刻)或者化學蝕刻(即化學蝕刻)或者物理蝕刻和化學蝕刻的組合。
[0024]圖8示在500W下和在600W下用等離子體處理的III族氮化物器件的表面的光輸出與等離子處理時間的函數。圖的左側上的四個點示出在500W下用等離子體處理的表面的光輸出，並且圖的右側上的四個點示出在600W下用等離子體處理的表面的光輸出。圖8示出光輸出或提取量與處理時間大致成線性比例。在任一能量下用等離子體處理該表面越久，從該表面提取的光就越少。此外，提取的減少與功率成比例——對於給定時間在較高功率下的處理比對於相同時間在較低功率下的處理使提取減少更多。發明人已經觀察到光輸出可以減少最大值(即來自未經任何處理的粗糙化表面的光輸出)的30%。
[0025]以下表格將未進行粗糙化後等離子體處理的經粗糙化的表面和在600W下用等離
子體處理60s的經粗糙化的表面比較。Ra是表面的平均粗糙度並且Rmax是表面特徵的最大
高度。光輸出以任意單位給出。
【權利要求】
1.一種方法，包括: 粗糙化半導體結構的表面，所述半導體結構包括發光層，並且所述表面包括通過其從所述半導體結構提取光的表面；以及 在粗糙化之後，處理所述表面以增加所述表面處的全內反射或吸收。
2.權利要求1所述的方法，其中處理所述表面包括用等離子體處理所述表面。
3.權利要求2所述的方法，其中所述等離子體包括Ar和O中的至少一種。
4.權利要求1所述的方法，其中處理所述表面包括處理所述表面以減少通過所述表面的光提取。
5.權利要求1所述的方法，還包括: 在生長襯底上生長所述半導體結構； 將所述半導體結構附連到基座；以及 移除所述生長襯底； 其中經粗糙化的表面是通過移除所述生長襯底而暴露的表面。
6.權利要求1所述的方法，其中: 粗糙化表面包括形成具有多個峰的表面；並且 處理所述表面包括使所述多個峰的頂部平坦化。
7.權利要求1所述的方法，還包括在經處理的表面上布置波長轉換材料。
8.一種方法，包括: 粗糙化半導體結構的表面，所述半導體結構包括發光層，並且所述表面包括通過其從所述半導體結構提取光的表面；以及 在粗糙化之後，處理所述表面以減少通過所述表面從所述半導體結構提取的光的量。
9.權利要求8所述的方法，其中處理所述表面包括用等離子體處理所述表面。
10.權利要求9所述的方法，其中所述等離子體包括Ar和O中的至少一種。
11.權利要求8所述的方法，還包括: 在生長襯底上生長所述半導體結構； 將所述半導體結構附連到基座；以及 移除所述生長襯底； 其中經粗糙化的表面是通過移除所述生長襯底而暴露的表面。
12.權利要求8所述的方法，其中: 粗糙化表面包括形成具有多個峰的表面；並且 處理所述表面包括使所述多個峰的頂部平坦化。
13.—種方法,包括: 在生長襯底上生長半導體結構，所述半導體結構包括布置在η型區和P型區之間的發光層; 移除所述生長襯底； 粗糙化半導體結構的表面，所述表面包括通過其從所述半導體結構提取光的表面；以及 用等離子體處理經粗糙化的表面。
14.權利要求13所述的方法，其中用等離子體處理經粗糙化的表面包括處理所述表面以引起所述表面處的全內反射。
15.權利要求13所述的方法，其中用等離子體處理經粗糙化的表面包括處理所述表面以增加所述表面處的光吸收。
16.權利要求13所述的方法，其中用等離子體處理經粗糙化的表面包括處理所述表面以減少從所述表面的光提取。
17.權利要求13所述的方法，其中經粗糙化的表面是所述η型區的表面。
18.權利要 求13所述的方法，其中所述等離子體包括Ar和O其中之一。
【文檔編號】H01L33/22GK104040735SQ201280049448
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年10月1日 優先權日:2011年10月6日
【發明者】戎亦文, J.G.內夫, T.S.唐 申請人:皇家飛利浦有限公司