具有多個堆疊的發光設備的設備的製作方法

2024-04-01 16:10:05

本發明涉及具有多個堆疊的、諸如發光二極體的發光設備的設備。

背景技術：

包括發光二極體(led)、諧振腔發光二極體(rcled)、垂直腔雷射二極體(vcsel)以及邊發射雷射器的半導體發光設備屬於當前可用的最高效的光源。在能夠在可見光譜各處操作的高亮度發光設備的製造中，當前引起興趣的材料系統包括iii-v族半導體，特別是鎵、鋁、銦與氮的二元、三元和四元合金，也稱為iii族氮化物材料。典型地，iii族氮化物發光設備通過利用金屬有機化學氣相沉積(mocvd)、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的襯底上外延生長不同組分和摻雜劑濃度的半導體層的疊層而製造。該疊層常常包括在襯底之上形成的、用例如si摻雜的一個或多個n型層，在n型層或多個n型層之上形成的有源區中的一個或多個發光層，以及在該有源區之上形成的、用例如mg摻雜的一個或多個p型層。電氣接觸在n型和p型區上形成。

由led產生的光的量通常與施加到led的電流成比例。當施加更多電流時，產生更多的光。然而，當施加到led的電流密度增加時，led的外部量子效率初始在相當低的電流密度下增加到峰值，然後在高電流密度下減小。相應地，很多led在相當低的電流密度下最高效地操作。

一些應用（諸如例如汽車應用）需要在相對小的源尺寸中的高光輸出。為了產生所需要的光輸出，單個led必須操作於通常比led最高效時所處的電流密度高的電流密度，以便產生足夠的光。因為源尺寸必須小，在一些應用中不可能利用並排放置的、在較低電流密度下操作的多個led來產生所需要的光輸出。

技術實現要素：

本發明的一目的是提供一種具有高光輸出和小源尺寸的設備。

根據本發明的實施例的設備包括設置在第一n型區和第一p型區之間的第一半導體發光層。設置在第二n型區和第二p型區之間的第二半導體發光層設置在第一半導體發光層之上。非iii族氮化物材料將第一和第二發光層隔開。

附圖說明

圖1和2是可與本發明的實施例一起使用的led的截面視圖。

圖3圖示具有堆疊在如圖1中圖示的led之上的如圖2中圖示的led的設備。

圖4圖示具有兩個堆疊的如圖2中圖示的led的設備。

圖5圖示具有生長在單個生長襯底的相對側上的兩個堆疊的led的設備。

圖6圖示具有兩個堆疊的led和波長轉換元件的設備。

圖7圖示具有波長轉換元件的圖5的設備。

具體實施方式

在本發明的實施例中，多個發光設備（諸如led）被堆疊。在單個設備中堆疊多個led可增加由該設備產生的光的量，同時保持小的源尺寸，諸如例如對應於單個led的佔地面積的源尺寸。雖然下面的示例圖示兩個堆疊的led，但是本文描述的技術和結構可擴展到任意數量的堆疊的led。

雖然在下面的示例中，半導體發光設備是發射藍光或uv光的iii族氮化物led，但是可以使用除led以外的半導體發光設備，諸如雷射二極體和由其它材料系統（諸如其它iii-v族材料、iii族磷化物、iii族砷化物、ii-vi族材料、zno或si基材料）製成的半導體發光設備。單個設備中的堆疊的led常常由相同的材料製成，並發射基本上相同顏色的光，不過這並不是必需的。所使用的材料必須在需要透明led之處適當地透明，如下面描述的。

圖1和2圖示可用於本發明實施例中的iii族氮化物led1和2。可使用任何適當的半導體發光設備，且本發明的實施例不限於圖1和2中所圖示的led。在圖1中，大部分光穿過生長襯底從led提取。這樣的設備可被稱為倒裝晶片設備。在圖2中，大部分光穿過頂表面（與生長襯底相對的表面）從led提取，並且在該頂表面上形成電氣接觸部。這樣的設備可被稱作橫向設備。

如在本領域中已知的，圖1和2中圖示的設備中的每一個通過在生長襯底10上生長iii族氮化物半導體結構來形成。生長襯底常常是藍寶石，但可以是任何適當的襯底，諸如例如非iii族氮化物材料、sic、si、gan或複合襯底。iii族氮化物半導體結構在其上生長的生長襯底的表面可在生長之前被圖案化、粗糙化或紋理化，這可改進從設備的光提取。與生長表面相對的生長襯底的表面（即在倒裝晶片配置中大部分光穿過其被提取的那個表面）可在生長之前或之後被圖案化、粗糙化或紋理化，這可改進從設備的光提取。

半導體結構包括夾置於n型和p型區之間的發光或有源區。n型區16可首先生長，並可包括不同組分和摻雜劑濃度的多個層（包括例如諸如緩衝層或成核層的準備層，其可以是n型或非有意摻雜的），以及n型或甚至p型設備層，其針對對於使發光區高效發光而言期望的特定光學、材料、或電氣性質而設計。發光或有源區18在n型區之上生長。適當的發光區的示例包括單個厚或薄的發光層或包括由阻擋層隔開的多個薄或厚的發光層的多個量子阱發光區。p型區20然後可在發光區之上生長。如同n型區一樣，p型區可包括不同組分、厚度和摻雜劑濃度的多個層，其包括非有意摻雜的層或n型層。

在圖1的設備中，在半導體結構的生長之後，反射性p接觸部在p型區的表面上形成。p接觸部21常常包括多個導電層，諸如反射性金屬和保護金屬，其可防止或減少反射性金屬的電遷移。反射性金屬常常是銀，但可以使用任何適當的一種或多種材料。在形成p接觸部21之後，p接觸部21、p型區20和有源區18的部分被移除以暴露n接觸部22形成於其上的n型區16的部分。n和p接觸部22和21通過間隙25彼此電氣隔離，間隙25可被填充以諸如矽的氧化物的電介質或任何其它適當的材料。可形成多個n接觸部通孔；n和p接觸部22和21不限於圖1中圖示的布置。如在本領域中已知的，n和p接觸部可重新分布以與電介質/金屬疊層形成接合墊。

為了將led電氣和物理地附接到另一結構，一個或多個互連26和28在n和p接觸部22和21上形成，或電氣連接到n和p接觸部22和21。互連26在圖1中電氣連接到n接觸部22。互連28電氣連接到p接觸部21。互連26和28通過介電層24和間隙27與n和p接觸部22和21並且與彼此電氣隔離。互連26和28可以是例如焊料、柱形凸起、金層或任何其它適當的結構。很多單獨的led在單個晶圓上形成，然後從設備的晶圓切塊。在半導體結構的生長之後或在形成（如上面參考圖1描述的）單獨的設備之後，襯底10可以被減薄。在一些實施例中，從圖1的設備移除襯底。

圖1中圖示的設備在下面的附圖中由塊1表示。半導體結構、n和p接觸部22和21以及互連26和28（除襯底以外的所有元件）在下面的附圖中由塊12表示。

從圖1的設備提取的大部分光穿過襯底10（或通過移除襯底10而暴露的半導體結構的表面）被提取，如由箭頭36指示的。

在圖2的設備中，p型區20和有源區18的部分被移除以暴露在其上形成n接觸部22a的n型區16的部分。

在剩餘的p型區20上形成絕緣層30，在該處之後將形成接合墊32。絕緣層30可以例如是一種或多種的矽的氧化物、矽的氮化物或任何其它適當的結構。

透明導電層34在絕緣層和未被絕緣層覆蓋的p型區20的部分之上形成。透明導電層34可以是例如諸如氧化銦錫的導電氧化物，或透明金屬層（諸如金、銀和/或鋁的一個或多個薄層）。是金屬的透明導電層34可以在一些實施例中被塗覆以可以改進可見光的透射的例如氧化物或任何其它適當材料的薄的介電層。

接合墊32在透明導電層之上形成，與絕緣層30對齊。接合墊32可以是例如金屬、金或任何其它適當的結構。通過阻止電流在接合墊32下方直接注入，絕緣層30減少在接合墊32下方產生的光的量。接合墊32普遍吸收光。到圖2的設備的電氣連接通過引線接合或任何其它適當的結構建立。引線接合可連接到接合墊32和n接觸部22a的頂表面，如在下面的附圖中示出的。

圖2中圖示的設備在下面的附圖中由塊2表示。半導體結構、n接觸部22a、絕緣層30、導電層34和接合墊32（除襯底以外的所有元件）在下面的附圖中由塊14表示。

從圖2的設備提取的大部分光穿過透明導電層34被提取，如由箭頭38指示的。

圖1中圖示的設備是倒裝晶片設備，相比於圖2中圖示的設備（該設備為橫向設備），倒裝晶片設備常常在更高的電流下操作。例如，圖1的倒裝晶片設備可在大於0.75a的電流（可能典型是例如1a）下操作，而圖2的橫向設備可在小於0.75a的電流（可能典型是例如0.35a）下操作。雖然本文描述的設備可在任何適當的條件下操作，諸如圖1的設備的倒裝晶片設備可在本文中被稱為「高功率」設備，而諸如圖2的設備的橫向設備可在本文中被稱為「中等功率」設備。

圖2的橫向設備基本上是透明的，而在圖1的倒裝晶片設備中，光只可穿過與不透明接觸部和互連相對的表面而被提取。相應地，在具有不透明底座的結構（諸如下面在圖3、4和5中圖示的結構）中（在該結構中光自（與底座相對的）頂表面從該結構提取），圖1的倒裝晶片設備僅適合作為底部設備—最接近底座的設備。（相反，圖2的基本透明的橫向設備可用作頂部、底部或中間設備）。在光穿過透明底座被提取的結構中，圖1的倒裝晶片設備可僅適合作為頂部設備—距底座最遠的設備。

圖3圖示堆疊的多結設備的第一示例。在圖3的設備中，諸如圖1中圖示的led的倒裝晶片設備附接到底座46。諸如圖2中圖示的led的橫向設備附接到led1。

底座46可以是任何適當的結構，諸如例如具有導電接合墊的陶瓷襯底、具有用於電氣隔離的至少一個絕緣層的金屬襯底、或pc板。底座46的頂表面48包括用於電氣連接到直接安裝在底座46上的led1和安裝在led1上的led2這兩者的接合墊。底座46可包括表面和/或嵌入式電氣跡線，以便將led1和2例如串聯地、並聯地或以任何其它適當的配置彼此電氣連接。在一些實施例中，跡線在底座46上或中形成，以便單獨地應對led1和2。led1和2可連接到相同或不同的驅動器電路，使得led1和2可在不同的驅動電流下操作，以便在每個led的最佳驅動電流下或附近操作每個led。

led1可拾放在底座46上，然後經由焊料、金屬互連、金互連、導電膠或任何其他適當的材料或接合物來附接。led1與最接近底座46的接觸部、並與距底座最遠的襯底10安裝在一起。

透明粘合劑40設置在led1的襯底10之上。選擇透明粘合劑以形成led1和led2之間的強接合（例如，在一些實施例中，粘合劑可具有至少邵氏硬度a60的機械強度）並且在暴露於來自led1和2的光時抵抗變黃。可使用任何適當的粘合劑，包括例如一種或多種非iii族氮化物材料、矽樹脂、環氧樹脂、附接膠、聚二甲矽氧烷（pdms）、苯並環丁烯（bcb）或2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉（bcp）。

在一些實施例中，波長轉換材料、改進光提取和/或創建散射的材料、改變粘合劑折射率的材料或任何其它適當的材料可設置在本文描述的任何透明粘合劑層中。

led2經由透明粘合劑40附接到led1。led2設置在led1之上，led2的生長襯底10附接到led1的生長襯底10。相應地，透明粘合劑40不幹擾led1或led2中任何一個的接觸部。在將led2附接到led1後，引線接合42和44可將led2的p接合墊32和n接觸部22a分別連接到設置在底座46的頂表面48上的電氣連接。

圖4圖示堆疊的多結設備的第二示例。在圖4的設備中，諸如圖2中圖示的led的橫向設備附接到底座46的頂表面48。諸如圖2中圖示的led的第二橫向設備堆疊在第一橫向設備之上。

如上面參考圖3描述的，底座46可以是任何適當的結構。第一led2a利用例如au/sn焊料或任何其它適當的材料和/或過程通過生長襯底10附接到底座46。線接合50和52將底座46上的接合墊電氣連接到led2a的p接合墊32和n接觸部22a。

透明粘合材料54（諸如上面參考圖3描述的粘合劑的一種或多種）設置在led2a之上。

透明隔離物56經由粘合材料54附接到led2a。透明隔離物56將第二led2b從led2a間隔開，以便保護將led2a電氣連接到底座46的線接合50、52。相應地，如圖4中圖示的，透明隔離物56比led2a上的線接合連接的間距更窄，並且比線接合50、52的頂部更高，使得led2b不擠壓線接合。將透明隔離物56選擇為高度透明，機械上堅固，且耐受led2a和2b操作時所處的溫度和通量。在一些實施例中，可以選擇透明隔離物56和粘合劑54的折射率以從led2a高效地提取光。透明隔離物56可以是例如藍寶石、玻璃、透明陶瓷、矽樹脂（諸如例如之前固化和分割的高折射率矽樹脂）或任何其它適當的材料。在一些實施例中，將透明隔離物56選擇為在高操作溫度下高度透明和機械上堅固，該高操作溫度在一些實施例中例如是超過100oc的溫度。在一些實施例中，可以選擇透明隔離物56的折射率以最大化藍光提取。透明隔離物的折射率可以是在一些實施例中至少1.6、在一些實施例中至少1.7、和在一些實施例中不大於2.2。

在一些實施例中，透明隔離物56是波長轉換結構，例如陶瓷磷光體。在一些實施例中，來自led2a的光由波長轉換透明隔離物完全轉換，然後從結構提取的組合光的顏色由led2b調整。這樣的設備可與或不與設置在設備頂部之上的附加波長轉換材料一起使用，如下面參考圖6描述的。

在將透明隔離物56附接到led2a之後，粘合材料54典型被完全固化。

第二透明粘合材料58（諸如上面參考圖3描述的粘合劑中的一種或多種）設置在透明隔離物56之上。第二粘合材料58可以與透明粘合劑54相同，不過這不是必需的。第二led2b通過第二粘合材料58附接到透明隔離物56，然後第二粘合材料58被完全固化。第二led2b經由粘合材料58通過生長襯底10附接到透明隔離物56。在將led2b附接到隔離物56之後，線接合60、62將底座46上的接合墊電氣連接到led2b的p接合墊32和n接觸部22a。

圖5圖示堆疊的多結設備的第三示例。在圖5的設備中，兩個led3a和3b在單個生長襯底10的相對側上生長。例如，被形成為led3a的第一半導體結構首先在生長襯底10上生長，然後生長襯底10被翻轉過來，並且被形成為led3b的第二半導體結構在生長襯底10的背側上生長。在一些實施例中，兩個半導體結構可同時生長。

半導體結構然後形成為led。led3a可以是接觸側向下安裝的設備，使得光穿過生長襯底10被提取。這樣的結構的一個示例是圖1中圖示的設備。led3b可以是接觸側向上安裝的設備，使得光穿過在半導體結構上形成的接觸部被提取。這樣的結構的一個示例是圖2中圖示的設備。該結構經由led3a的接觸部附接到底座46。線接合72和74、或任何其它適當的電氣連接結構將led3b的p接合墊和n接觸部連接到底座46上的電氣墊。

圖6圖示具有多個堆疊的led的波長轉換設備。第一和第二led4和5堆疊在底座46上。第一和第二led4和5可以是上面描述的結構中的任何。波長轉換元件70在頂部led5（距底座46最遠的led）的頂表面之上形成。

波長轉換元件70包括一種或多種波長轉換材料，其可以是例如常規磷光體、有機磷光體、量子點、有機半導體、ii-vi族或iii-v族半導體、ii-vi族或iii-v族半導體量子點或納米晶體、染料、聚合物或發光的其它材料。波長轉換材料吸收由led發射的光，並發射一種或多種不同波長的光。由led發射的未轉換的光常常是從結構提取的光的最終光譜的部分，不過它不必是。從結構提取的光的最終光譜可以是白色或單色的。常見組合的示例包括與發黃光的波長轉換材料組合的發藍光的led、與發綠光和紅光的波長轉換材料組合的發藍光的led、與發藍光和黃光的波長轉換材料組合的發uv光的led、以及與發藍光、綠光和紅光的波長轉換材料組合的發uv光的led。可添加發射其它顏色的光的波長轉換材料以調整從結構提取的光的光譜。

在一些實施例中，波長轉換元件70是這樣的結構：其與led分開製造，並例如通過晶圓接合或適當的粘合劑（諸如矽樹脂或環氧樹脂）附接到頂部led。這樣的預製造的波長轉換元件的一個示例是陶瓷磷光體，其通過例如將粉末磷光體或磷光體的前體材料燒結成陶瓷板材而形成，陶瓷板材可以然後被切塊成單獨的波長轉換元件。陶瓷磷光體也可以通過例如流延成型來形成，其中陶瓷被製造成正確的形狀，不必要進行切塊或切割。適當的非陶瓷預形成波長轉換元件的示例包括設置在諸如矽樹脂或玻璃的透明材料中的粉末磷光體（該透明材料被軋制、鑄造或以其它方式形成為薄片，然後被分割成單獨的波長轉換元件）以及與矽樹脂混合併設置在透明襯底上的磷光體。

圖7圖示具有波長轉換元件70的圖5的設備，該波長轉換元件通過一層粘合材料80附接到led3b。波長轉換元件70可以以類似的方式設置在圖3和4的設備之上。

反射性材料可設置在led和波長轉換元件的側面上，以便迫使光穿過頂表面從設備出射。

在詳細描述了本發明後，本領域技術人員將認識到，在給出本公開的情況下，可對本發明做出修改而不偏離本文所述的創造性概念的精神。因此，本發明的範圍不想要被限制到所圖示和描述的特定實施例。