CN102057511A - 使用单晶荧光体的led及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从晶圆制备LED芯片的方法以及使用所述方法制备的器件，其中一个方法包括在LED生长晶圆上沉积LED外延层以在所述生长晶圆上形成多个LED。在所述多个LED中的至少一些上面键合单晶荧光体，使得来自被覆盖的LED的至少一些光通过所述单晶荧光体并且被转换。然后可以从所述晶圆分割出所述LED芯片以提供每个都具有一部分所述单晶荧光体用于转换LED光的LED芯片。

Description

使用单晶荧光体的LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及固态发射器，并且具体地涉及利用一个或多个单晶荧光体(single crystalline phosphor)来进行光转换的发光二极管(LED)及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)是将电能转换成光的固态器件，并且通常包括夹在相反地掺杂的层之间的、半导体材料的一个或多个有源层。当跨所述掺杂层施加偏压时，空穴和电子被注入有源层，在有源层中它们重新结合以产生光。光从该有源层以及从LED的所有表面射出。
常规的LED不能从它们的有源层产生白色光。通过用黄色荧光体(phospher)、聚合物或染料包围发射蓝色光的LED而将来自该LED的光转换成白色光，典型的荧光体为掺铈的钇铝石榴石(Ce:YAG)。[参见Nichia公司的部件编号为NSPW300BS、NSPW312BS等的白色LED；Cree有限公司的EZBrightTM LED、XthinTM LED等；同时参见Lowrey的5959316号美国专利“荧光体-LED器件的多重封装(Multiple Encapsulation of Phosphor-LED Devices)”]。包围的荧光材料“向下转换(downconvert)”LED的蓝色光中的一些的波长，将其颜色改变为黄色。蓝色光中的一些通过荧光体而没有被改变，而光的相当大的部分被向下转换成黄色。LED同时发射蓝色光和黄色光两者，它们结合以提供白色光。在另一方法中，通过用多色荧光体或染料包围LED而将来自发射紫色光或紫外线的LED的光转换成白色光。
用于以荧光体层涂覆LED的一种常规方法利用喷射器或喷嘴在LED上面喷射与环氧树脂或硅酮聚合物混合的荧光体。但是，使用这种方法，可能难以控制荧光体层的几何形状和厚度。因此，以不同角度从LED射出的光可能通过不同量的转换材料，这能产生具有作为视角的函数的不均匀色温的LED。由于难以控制几何形状和厚度，还可能难以一致地重复制造具有相同或相似的发射特性的LED。
用于涂覆LED的另一常规方法是通过模版印刷(stencil printing)，在Lowery的欧洲专利申请EP 1198016 A2中描述了该方法。将多个发光半导体器件布置在衬底上，在相邻的LED之间有所需的距离。提供具有与LED对准的开口的模版，其中开口稍微大于LED，并且模版比LED厚。将模版放置在衬底上，其中每个LED都位于模版上相应的开口内。然后，将一组合物沉积在模版开口中，覆盖LED，其中典型的组合物为处在硅酮聚合物中的荧光体，能通过热或光使其硬化。在开口被填满之后，从衬底中去除模版并且使模版印刷组合物硬化成固态。
类似上述喷射器方法，使用模版方法可能难以控制包含荧光体的聚合物的几何形状和层厚度。模版印刷组合物可能没有完全填满模版开口，使得结果得到的层不是均匀的。包含荧光体的组合物还可能粘在模版开口上，这减少了留在LED上的组合物的量。模版开口还可能未与LED对准。这些问题可能导致LED具有不均匀的色温并且导致难以一致地重复制造具有相同或相似的发射特性的LED。
LED的各种涂覆工艺已经被考虑，包括旋涂、喷涂、静电沉积(ESD)以及电泳沉积(EPD)。诸如旋涂或喷涂的工艺在荧光体沉积期间通常利用粘合剂材料，而其他工艺需要在荧光体颗粒/粉末的沉积之后立即添加粘合剂以使荧光体颗粒/粉末固定。
在这些工艺中，典型地以粉末(非晶或多晶或次晶)形式在LED上面提供荧光体，其中颗粒尺寸分布类似于高斯分布。单独的荧光体颗粒通常是晶状的，但是它们容易具有像晶界等的物理缺陷。此外，荧光体合成工艺容易产生由磨损、铣削等引起的缺陷。初生颗粒破坏会降低效率，因为在荧光体晶体中所产生的晶格缺陷起了非辐射的再结合中心的作用，或者因为在颗粒的表面上形成了不发光的非晶层。而且，更小的荧光体颗粒能导致增加的与散射有关的损失。
另外，可以使用粘合材料(诸如硅酮、环氧树脂)在LED上面将荧光体颗粒固定就位，并且荧光体粘合剂材料可以具有与LED外延材料相比不同的折射率。这种差异可能减少穿过荧光体粘合剂的发射锥(emission cone)，其中LED光中的一些由于全内反射而被损失。
发明内容
本发明公开了用于制备诸如晶圆级LED芯片的半导体器件的新方法，并且公开使用该方法制备的LED芯片、LED芯片晶圆和LED封装。按照本发明的用于从晶圆制备LED芯片的一种方法包括在LED生长晶圆上沉积LED外延层以在所述生长晶圆上形成多个LED。在所述多个LED中的至少一些上面键合(bond)单晶荧光体，使得来自被覆盖的LED的至少一些光通过所述单晶荧光体并且被转换。
按照本发明的用于从晶圆制备LED的另一方法包括在LED生长衬底上沉积LED外延层以形成具有多个LED的LED晶圆，以及将所述LED晶圆键合至载体(carrier)晶圆。所述生长衬底可以被移除并且可以在所述多个LED中的至少一些上面键合单晶荧光体，使得来自所述LED中的至少一些LED的一些光通过所述单晶荧光体并且被转换。然后可以移除所述载体晶圆。
按照本发明的LED芯片晶圆的一个实施例包括在晶圆上的多个LED。单晶荧光体被包括，其至少部分地覆盖所述LED中的至少一些，使得在所述LED中的被覆盖的那些LED的操作期间来自所述LED的至少一些光通过所述单晶荧光体并且被转换。
按照本发明的LED芯片的一个实施例包括LED和与该LED键合并且至少部分地覆盖所述LED的单晶荧光体。由所述单晶荧光体转换所述LED发射的光中的至少一些。
按照本发明的LED封装的一个实施例包括LED芯片，所述LED芯片具有LED和至少部分地覆盖所述LED并且转换来自所述LED的光中的至少一些的单晶荧光体。用于向所述LED施加电信号的第一和第二接触部被包括。还包括与所述第一和第二接触部电连接的封装引线。封装材料(encapsulation)包围所述LED芯片和电连接。
从下面的详细说明和附图中，本发明的这些及其他方面和优点将变得显而易见，所述附图以举例的方式示意了本发明的特征。
附图说明
图1示出了按照本发明的用于制备LED芯片的方法的一个实施例的流程图；
图2是按照本发明的用于制备LED芯片的方法的另一实施例的流程图；
图3a至3g示出在制备工艺期间的不同阶段的按照本发明的LED芯片的一个实施例；
图4a至4b示出按照本发明的LED芯片的另一实施例；以及
图5a至5b示出按照本发明的LED的还有另一实施例。
具体实施方式
本发明针对利用单晶荧光体作为转换材料的LED以及用于制备该LED的方法。本发明尤其可适用于使用晶圆键合(wafer-bonding)方法制备无线键合(wire-bond)、无衬底的LED。单晶荧光体的使用允许晶圆级荧光体集成并且在其中通过改善封装效率使与散射有关的发射损失最小。单晶荧光体也可与利用诸如晶圆键合的技术的晶圆级制备兼容，并且足够健壮以为LED外延层提供机械支撑。这允许以单晶荧光体充当载体衬底的、LED的晶圆级制备。单晶片(slab)能大体上无缺陷地被形成并且能与外延材料或衬底键合。
单晶荧光体衬底可以包括许多不同的荧光材料，这些荧光材料可被设计用于吸收不同波长的LED光并且重新发射不同波长的光。在优选的实施例中，单晶荧光体衬底能吸收具有450到480nm范围内的波长的蓝色光并且重新发射黄色光，使得整体光发射为蓝色LED光和黄色转换材料光的白色光结合(combination)。一个这样的实施例能利用如下所述的单晶YAG衬底，其被掺杂以不同的材料，诸如铈。在其他实施例中，可以使用不止一个单晶荧光体衬底，或者单晶荧光体可以具有被掺杂以不同材料的不同区域。
作为有序的晶体材料结构的结果，单晶荧光体经历减少的光散射。在先前的荧光体涂覆工艺中，荧光体颗粒以粉末的形式，其具有某种颗粒尺寸分布，典型地在1-20μm的范围内变化，使得碰撞该颗粒的LED光可随机地或在许多不同的方向上散射。对于单晶荧光体而言，LED光碰撞无缺陷且有序的单晶材料，因此LED光几乎没有经受散射。对于单晶荧光体，没有散射、或者更重要地没有反向散射产生了更高的效率。
单晶荧光体还减少了由于半导体-荧光体层界面处的全内反射(TIR)所引起的光损失。在先前的荧光体涂覆工艺中，荧光体颗粒处在粘合剂中，该粘合剂典型地具有大约为1.5的折射率(RI)。LED半导体材料具有大约为2.5的RI。比较起来，单晶荧光体具有1.7或更高的均一的RI，其大于粘合剂材料，并且更接近于半导体材料的RI。因此，与利用粘合剂中的荧光体作为材料的LED相比，使用单晶荧光体的实施例将经历减少的TIR和散射。
单晶荧光体的使用提供更多的优点，诸如允许沿着晶体的自然裂开面从晶圆分割(singulate)或切割(dice)出单独的LED。但是，应理解的是，在其他实施例中，如果不是在自然裂开面上切割，则可以使用已知的划线和切断工艺。在一侧上有接触部的实施例中，不需要线键合，并且由于单晶荧光体是健壮的，不需要载体衬底用于LED的机械支撑。按照本发明的LED可与在其中有可能移除生长衬底的任何衬底(SiC、GaN、蓝宝石)兼容。应理解的是，单晶荧光体还可以被用在单独的LED或LED集合的制备中，而不仅仅用于晶圆制备。
还应理解的是，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”时，它可以直接地在该另一元件上或者也可以存在居间的元件。而且，诸如“内部”、“外部”、“上部”、“之上”、“下部”、“之下”、“低于”的相对术语以及相似的术语可以在此被用来描述一个层或另一区域的关系。应理解的是，这些术语旨在包含除在图中所画的取向之外器件的不同取向。
尽管术语第一、第二等在此可以被用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分(section)，这些元件、部件、区域、层和/或分区不应被这些术语限制。这些术语仅被用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区别开。因此，下述第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不背离本发明的示教。
在此参考剖视图图示来描述本发明的实施例，所述剖视图图示是本发明的实施例的示意性图示。同样地，层的实际厚度可以是不同的，并且作为例如制造技术和/或容差的结果与图示的形状的差异是所预期的。本发明的实施例不应被看作受限于在此所示的区域的特定形状，而是应包括例如由制造引起的形状上的偏差。被示意或描述为正方形或矩形的区域将通常具有圆形的或弯曲的特征，这归因于正常的制造容差。因此，在图中所示的区域实际上是示意性的并且它们的形状不是旨在示意器件的区域的精确形状，并且不是旨在限制本发明的范围。
图1示意按照本发明的用于制备LED的方法10的一个实施例，而尽管按特定次序示出步骤，应理解的是，这些步骤可以按不同的次序发生并且可以使用不同的步骤。虽然参考LED的制备来描述本发明，但应理解的是，其可以被用于制备其他固态发射器以及其他半导体器件。
在步骤12中，在生长晶圆或衬底上制备LED，并且LED可以具有以不同方式布置的许多不同的半导体层。LED的制备和操作在本领域中一般是已知的并且在此仅简要地论述。可以使用已知的工艺来制备LED的层，其中一合适的工艺为使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的制备。LED的层通常包括夹在第一和第二相反地掺杂的外延层之间的有源层/区域，所有这些层在生长晶圆或衬底(“晶圆”)上相继地形成。LED层可以初始地被形成为跨衬底的连续的层，然后该层被划分或分离成单独的LED。这种分离可以通过使有源区域和掺杂层的部分被向下刻蚀至晶圆以在LED之间形成开口面积(open area)来实现。在其他实施例中，有源层和掺杂层可以在晶圆上保持为连续的层并且可以在LED芯片被分割时能被分离成单独的器件。
应理解的是，在LED的每一个中还可以包括附加的层和元件，包括但不限于缓冲层、成核层、接触层和电流扩展(spreading)层以及光提取层和元件。有源区域可以包括单量子阱(AQW)、多量子阱(MQW)、双异质结构或超晶格结构，并且如在本领域中所理解的，相反地掺杂的层通常是指n型和p型掺杂的层。
可以用不同的材料体系来制备LED，其中优选的材料体系为基于第Ⅲ族氮化物的材料体系。第Ⅲ族氮化物是指那些在氮与元素周期表的第Ⅲ族中的元素(通常为铝(Al)、镓(Ga)和铟(In))之间所形成的半导体化合物。该术语也指三元或四元的化合物，诸如铝镓氮化物(AlGaN)以及铝铟镓氮化物(AlInGaN)。在优选的实施例中，n型和p型层为氮化镓(GaN)并且有源区域为InGaN。在可替换的实施例中，n型和p型层可以是铝铟镓氮化物(AlInGaN)、铝镓砷化物(AlGaAs)或铝镓铟砷化物磷化物(AlGaInAsP)。
晶圆可以由许多材料制成，诸如蓝宝石、碳化硅、氮化铝(AlN)、GaN，其中合适的晶圆为碳化硅的4H多型(polytype)，但是也可以使用其他碳化硅多型，包括3C、6H和15R。碳化硅具有某些优点，诸如与蓝宝石相比具有与第Ⅲ族氮化物更接近的晶体晶格匹配并且产生更高质量的第Ⅲ族氮化物膜。碳化硅还具有非常高的热导率使得碳化硅上的第Ⅲ族氮化物器件的总输出功率不受晶圆的热消散限制(这可能是对于形成在蓝宝石上的一些器件的情况)。SiC晶圆可以从美国北卡罗来纳州Durham市的Cree Research有限公司买到，并且用于生产它们的方法在科技文献以及在34,861、4,946,547以及5,200,022号的美国专利中被陈述。
所述LED中的每一个还可以具有第一和第二接触部，并且本发明的一些实施例可以包括具有横向几何形状(lateral geometry)的LED，其中两个接触部都能从LED的一个表面接近(accessible)，如下所述。在其他实施例中，LED可以具有垂直几何形状，其中第一接触部在一个表面上而第二接触部在相反的表面上。在一个这样的实施例中，所述接触部中的一个可以处在生长衬底上，或者当生长衬底被移除时处在n型层上。另一接触部可以处在LED的顶层上，该顶层通常是p型层。
第一和第二接触部可以包括许多不同的材料，诸如Au、铜(Cu)镍(Ni)、铟(In)、铝(Al)、银(Ag)或者其组合。还有其他的实施例可以包括导电氧化物和透明的导电氧化物，诸如铟锡氧化物、氧化镍、氧化锌、镉锡氧化物、钛钨镍、氧化铟、氧化锡、氧化镁、ZnGa2O4、ZnO2/Sb、Ga2O3/Sn、AgInO2/Sn、In2O3/Zn、CuAlO2、LaCuOS、CuGaO2以及SrCu2O2。对所使用的材料的选择可以取决于接触部的位置以及所需的电特性，诸如透光度、结电阻率以及片电阻。在第Ⅲ族氮化物器件的情况下，已知的是薄的半透明电流扩展层通常可以覆盖p型层18的一些或全部。应理解的是，第二接触部可以包括这样的层，其典型地为诸如铂(Pt)的金属或诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电氧化物。但是也可以使用其他材料。所述LED还可以包括附加的电流扩展结构或栅格。
在14中，使用已知的工艺形成单晶荧光体，其中单晶荧光体以亚原子间距在周期性的晶格或结构中提供一种或多种荧光材料(phosphor)。单晶体是其中晶格连续的且未受破坏的到晶体的边缘而没有晶界的晶状固体。单晶体的制备典型地涉及晶体的构建，即逐层对原子的构建。用于生产大的单晶体的技术包括在给料物质的熔池中缓慢地提拉旋转的“籽晶”。利用这些技术的工艺在本领域中被称为Czochralski工艺或Bridgeman技术。
在一个实施例中，单晶荧光体单独地或结合地包括许多不同的组分和荧光材料。在一个实施例中，单晶荧光体可以包括钇铝石榴石(YAG，化学式为Y3Al5O12)。YAG单晶荧光体在商业上可从Ⅱ-Ⅳ有限公司的子公司VLOC买到。YAG基质是稳定的化合物，其在机械上是健壮的、在物理上是硬的并且在光学上是各向同性的。
YAG基质可以与其他化合物结合以实现所需的发射波长。在其中单晶荧光体吸收蓝色光并且重新发射黄色光的一个实施例中，单晶荧光体可以包括YAG:Ce。这个实施例尤其适用于发射蓝色光和黄色光的白色光结合的LED。在使用由基于(Gd，Y)3(Al，Ga)5O12:Ce体系的荧光材料制成的转换颗粒的情况下，完整范围的宽黄色光谱发射是有可能的，所述体系包括Y3Al5O12:Ce(YAG)。可以被用于发射白色光的LED芯片的其他黄色荧光材料包括：
Tb3-xRExO12:Ce(TAG)；RE＝Y、Gd、La、Lu；或者
Sr2-x-yBaxCaySiO4:Eu。
在其他实施例中，可以将其他化合物与YAG基质一起用于吸收并且重新发射不同波长的光。例如，YAG:Nb单晶荧光体可以被提供用于吸收蓝色光并且重新发射红色光。第一和第二荧光材料还可以被结合以得到不同白色色调的更高CRI的白色，上述黄色荧光材料与红色荧光材料结合得到暖白色。不同的红色荧光材料可以被使用，包括：
SrxCa1-xS:Eu，Y；Y＝卤化物；
CaSiAlN3:Eu；或者
Sr2-yCaySiO4:Eu。
其他荧光材料可以被用于通过将大体上所有的光转换成特定的颜色来产生饱和色发射。例如，以下荧光材料可以被用于产生绿色饱和的光：
SrGa2S4:Eu；
Sr2-yBaySiO4:Eu；或者
SrSi2O2N2:Eu。
下面列出一些附加的可被用作转换颗粒的合适的荧光材料，但是其他荧光材料也可以被使用。每种荧光材料都在蓝色和/或UV发射谱中呈现激发，提供理想的峰值发射，具有有效的光转换，并且具有可接受的Stokes频移：
黄色/绿色
(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga)2S4:Eu2+
Ba2(Mg，Zn)Si2O7:Eu2+
Gd0.46Sr0.31Al1.23OxF1.38:Eu2+ 0.06
(Ba1-x-ySrxCay)SiO4:Eu
Ba2SiO4:Eu2+
红色
Lu2O3:Eu3+
(Sr2-xLax)(Ce1-xEux)O4
Sr2Ce1-xEuxO4
Sr2-xEuxCeO4
SrTiO3:Pr3+，Ga3+
CaAlSiN3:Eu2+
Sr2Si5N8:Eu2+
在一些制造工艺中，单晶体被形成在晶块(boule)中，可以从该晶块中分离出按照本发明的单晶荧光体。在一个实施例中，可从所述晶块中切出不同厚度和直径的圆形单晶荧光体。在一些实施例中，单晶荧光体可以具有在0.5到1mm范围内的厚度，以及大约6mm的直径。但应理解的是，取决于制备工艺，单晶荧光体可以具有不同的厚度并且具有大于2cm的直径。
作为实施例，有效元素(例如YAG:Ce中的Ce)的掺杂浓度在YAG单晶中是有梯度的(graded)，诸如垂直地贯穿(through)厚度或横向地沿宽度，或者两者的结合。梯度可以是直线的或抛物线的或其他函数或形状。可以不同方式形成梯度，诸如在单晶体从其中分离的晶块的形成期间形成在单晶体中。
在16中，使用已知的晶圆键合技术将单晶荧光体键合至LED晶圆。单晶荧光体被布置使得在最终的LED器件中，从LED发射的光通过单晶荧光体，LED光中的至少一些在其中被吸收并且以光的不同波长被重新发射。如上所述，本发明的不同实施例可以发射LED光与来自所述单晶体的重新发射的光的白色光结合。
在18中，单晶荧光体可以经历被研磨或平面化(planarize)的可选工艺以控制LED光通过的荧光体颗粒的量。可以执行这些操作来控制由单晶荧光体转换的光的量，其中在通过更薄的晶体时，则通常LED中的更少部分被转换。这可以被用于控制LED的末端发射颜色点。在其他实施例中，单晶荧光体可以被制绒或定形以进一步减少TIR并且改善光提取。相似地，可以对LED的表面进行制绒以改善光提取。应理解的是，在不同的实施例中，单晶荧光体可以在被晶圆安装到LED晶圆上之前被研磨、平面化、制绒或定形。
在可替换的步骤(未示出)中，可以使用已知的工艺来探测晶圆以测量跨越(across)晶圆的LED芯片的输出发光特性。当被探测时，电信号被施加至LED中的每一个，使得它们发射光，并且输出发射特性被测量。在不同的探测步骤中，整个晶圆可以被激活并且LED的输出被测量，不同区域或集合内的LED可以被激活并且其输出被测量，或者每个LED可以单独地被激活并且其输出被测量。基于探测的结果，单晶荧光体可以进一步被研磨或平面化。
在20中，可以使用已知的方法从晶圆分割出单独的LED芯片，诸如切割、划线和切断、或者刻蚀。如上所述，单晶荧光体尤其适于沿其自然的裂开面被分离或切断。如果该裂开面与所需的分离边界对准，则这可能是最方便的分割工艺。划线、切断或刻蚀可能也被需要用于贯穿LED的剩余的层进行分割。分割工艺将LED芯片中的每一个分开，使每个LED芯片具有大体上相同的发射特性。这允许具有相似发射特性的LED芯片的可靠且一致的制备。分割之后，在22中，可以将LED芯片安装在封装中，或者安装到基台或印刷电路板(PCB)上而不需要另外的处理来增加荧光材料。在一个实施例中，所述封装/基台/PCB可以具有常规的封装引线，其中LED被连接至该引线而不需要线键合。然后，常规的封装材料可以包围LED芯片和电连接。在另一实施例中，可以将LED芯片装入密封的覆盖物(cover)中，其中惰性气体以大气压或者低于大气压地包围该LED芯片。
应理解的是，附加的步骤可以被包括在按照本发明的方法的不同实施例中。图2示出按照本发明的用于制备LED芯片的方法40的另一实施例，其具有与在上文中所描述的并且在图1中所示出的那些相似的步骤。在42中，LED如上所述被形成在晶圆上，并且在44中，LED晶圆临时地被键合至载体晶圆。如上所述，不同的LED可以被形成在晶圆上。可以使用不同材料的许多不同的载体晶圆，其中优选的载体晶圆包括诸如硅的半导体材料。可以使用诸如晶圆键合的已知键合技术将LED晶圆键合至载体晶圆。
在46中，可以将生长衬底从LED上移除，显露该层的先前与生长衬底相邻的表面。可以使用许多不同的衬底移除工艺，包括已知的研磨和/或刻蚀工艺。在其他实施例中，生长衬底或至少其部分可以保留，诸如通过减薄该生长衬底。在其他实施例中，生长衬底或其剩余的部分可以被定形或制绒。
在48中，单晶荧光体可以如以上在图1中的方法10的14中所描述的那样被形成。在50中，可以接着将单晶荧光体键合至LED的在生长衬底被移除时所暴露的表面，其中优选的键合工艺为晶圆键合工艺，如上所述。在52中，单晶荧光体可以被研磨、平面化、制绒或定形，如上所述。
在54中，可以使用已知工艺将载体晶圆从LED晶圆去键合或移除。在这个实施例中，单晶荧光体不仅被用作转换LED光的介质，而且其还被用作LED的机械支撑。换句话说，单晶荧光体足够健壮以被用作对LED的机械支撑，使得载体衬底不被需要。按照方法40制备的LED可以在没有生长衬底或载体衬底的情况下被提供。这提供了许多优点，诸如提供更薄的器件并且由于衬底可能不呈现良好的导热性，提供它的移除可以改善从LED向外的热传导。在还有其他的实施例中，载体衬底的一部分可以保留在LED上以提供反射层，用于将LED光往回反射通过单晶荧光体。在56中，可以从晶圆分割出LED并且在58中，LED可以被封装，如上所述。
应理解的是，方法40可以包括附加的步骤，诸如单晶衬底的制绒、研磨或定形，或者LED的表面的制绒。在对LED的表面进行制绒时，可能需要更厚的或者附加的键合层以将单晶荧光体牢固地键合至LED。方法40还可以包括探测步骤，如上所述。
在按照本发明的其他方法中，可以将单晶荧光体安装到不同的表面上，并且在贯穿单晶荧光体制作接触部的那些实施例中，单晶荧光体可以包括导电的开口或导电的通孔。还应理解的是，在其他方法中生长衬底可以在不同的点被移除、减薄或制绒。在还有其他的实施例中，可以将单晶荧光体安装在多个表面上，诸如通过将单晶荧光体键合在LED的顶部或底部上，其中LED被夹在单晶荧光体之间。这可以在生长和载体衬底被移除或没有被移除的情况下执行，并且这些实施例可以包括用于贯穿单晶荧光体制作到LED的接触部的通孔。
图3a至3g示意按照本发明的工艺的LED晶圆70的一个实施例。应理解的是，可以利用本发明处理许多不同的LED实施例、并且可以与晶圆级LED相似地处理单独的LED或LED的更小的集合。现在参考图3a，以倒装芯片取向示出LED晶圆70，并且其包括被示出为处于它们的制备工艺的晶圆级的LED芯片72。假想线被包括以示出LED芯片之间的分离或切割线，以及随后附加的制备步骤。图3a仅示意两个晶圆级的器件，但应理解的是，可以从单个晶圆形成多得多的LED芯片。例如，当制备具有1平方毫米(mm)尺寸的LED芯片时，在3英寸的晶圆上可以制备多达4500个的LED芯片。
LED芯片72中的每一个包括形成半导体LED的层，该半导体LED可以具有如上所述的以不同方式布置的许多不同的半导体层。LED芯片72的层通常包括被夹在第一和第二相反地掺杂的外延层78、80之间的有源层/区域76，所有这些层在晶圆级相继地形成在生长衬底82上。在所示的实施例中，第一相反地掺杂的层78为n型掺杂，而第二相反地掺杂的层为p型掺杂。但是，在其他的实施例中，第一和第二相反地掺杂的层可以分别地为p型和n型掺杂。
在所示的实施例中，LED芯片72被示出为衬底82上的连续的层，其中当LED芯片被分割时这些层被分成单独的器件。在其他实施例中，LED可以被形成在生长衬底82上的分离的器件中。这种分离可以通过使有源区域76和掺杂层78、80的部分被向下刻蚀至衬底82以在LED芯片72之间形成开口面积来实现。在其他实施例中，刻蚀可以仅通过LED层的一部分或者可以部分地通过生长衬底。LED芯片72可以由不同的材料体系制成并且衬底可以由不同的材料制成，如上所述。应理解的是，附加的层和元件也可以被包括在LED芯片72中并且有源区域76可以包括许多不同的结构，其中所示出的有源区域包括量子阱(QW)结构。
现在参考图3b，可以形成具有横向几何形状的LED芯片72，但是应理解的是本发明也可以与具有不同的层几何形状的LED一起使用。对于LED芯片72中的每一个，p型层80和有源区域76被刻蚀以在n型层78上形成台面(mesa)84。n型层接触部86被形成在台面84上并且p型层接触部88被形成在p型层80上。p型接触部88还可以包括用于反射来自LED的有源区域76的光的反射镜，使得该光能对有效的发射做出贡献。所述反射镜可以包括反射金属或分布式Bragg反射器(DBR)。反射镜还可以连同n型接触部86一起被使用，也反射用于有效发射的光。还可以在不同的位置上包括其他高反射率的反射镜层以进一步反射用于有效发射的光，这样的独立的高反射率的反射镜层(未示出)与p型和n型接触部88、86相邻。
n型和p型接触部86、88可以由上述的材料制成，并且LED芯片72中的每一个还可以包括上述的电流扩展层和结构。施加于n型接触部86的电信号传播到n型层78中，而施加于p型接触部88的信号传播到p型层80中。由于LED芯片72具有横向几何形状，可从同一表面接近接触部86、88。
现在参考图3c，可以在可接近接触部86、88的表面处在LED 72的表面上将LED晶圆70键合至载体晶圆/衬底90。可以使用由许多不同材料制成的许多不同的载体晶圆，其中合适的载体晶圆由硅(Si)制成。可以使用许多不同的键合方法，诸如常规的晶圆键合技术。应理解的是，按照本发明的一些LED晶圆可以在没有载体晶圆的情况下被制备。
现在参考图3d，可以使用上述的衬底移除工艺来移除生长衬底82(在图3a-3c中示出)。生长衬底82的移除显露n型层78的顶部表面94，并且如图3e所示，单晶荧光体92被晶圆键合至该表面94。可以使用许多不同的键合方法，包括但不限于已知的晶圆键合方法。然后可以将单晶荧光体研磨至所需的厚度并且可以对单晶荧光体92的顶部表面进行制绒以增强光提取。在还有其他的实施例中，可以在单晶荧光体92的键合之前对n型层78的在移除生长衬底82后所显露的表面进行制绒。在这些实施例中，可能需要诸如环氧树脂或硅酮的键合剂以确保单晶荧光体92充分地粘着于n型层78。
现在参考图3f，可以使用已知的技术从LED 72去键合或移除载体晶圆90(在图3c至3e中示出)，从而允许接近n型和p型接触部86、88。单晶荧光体通常足够健壮以在移除载体晶圆90后向LED 72提供充分的机械支撑。载体衬底的移除也消除了热电阻的潜在路径，使得来自LED的热可以更容易地消散。
现在参考图3g，使用上述的分割或切割方法从LED晶圆70将LED芯片72分割成单独的器件。这些单独的LED芯片72然后被安装在封装中，同样如上所述。应理解的是，在其他实施例中，可以将LED芯片分割成LED芯片72的集合，其可以接着作为集合被安装在封装中。
LED芯片尤其适用于表面安装器件。换句话说，LED 72可以被安装在封装中而不需要线键合，其中n型和p型接触部86和88是可接近的以用于从与单晶荧光体92相反的表面进行表面安装。
如上所述，LED晶圆可以被探测，但还应理解的是，LED芯片或LED封装可以相似地被探测以测量器件特性，诸如操作电压、漏电流、峰值和主发射波长、CIE色度图中的颜色点、显色指数(CRI)、相关色温(CCT)、颜色槽、强度和功效。可以使用不同的探测方法并且在一个实施例中，电信号被施加于LED中的每一个，使得它们发射光，并且输出发射特性被测量。如果有需要的话，可以减小在LED芯片中的每一个上面的单晶荧光体厚度，以通过像显微机械加工、微型打孔、显微喷砂等技术来达到目标颜色点。
单晶荧光体可以许多不同的方式被布置并且被布置在LED芯片的其他表面上，诸如与p型相反地掺杂的层80相邻或者在LED芯片72的侧表面上。在还有其他的实施例中，单晶荧光体可以具有吸收来自LED芯片72的光并且发射不同颜色的光的不同区域，或者不止一个单晶荧光体可以被用在堆叠中或者覆盖LED芯片72的不同部分。
图4a和4b示出与图3a至3g所示的LED芯片相似的LED晶圆100的另一实施例，并且基于以上的说明等同地适用于这个实施例的理解，对相似的特征使用相同的参考标号。LED晶圆包括在n型和p型层78、80之间具有有源区域76的LED芯片102。刻蚀p型层80和有源区域76以在n型层78上形成台面84，其中n型接触部86处在台面84上并且p型接触部88处在p型层上。在移除生长衬底(以及载体晶圆90，如果其被利用的话)之后示出LED芯片72。在这个实施例中，LED芯片102包括第一和第二单晶荧光体104、106，其中每个都吸收LED光并且重新发射不同颜色的光。在所示出的实施例中，单晶荧光体104、106独立地被形成并且然后一个在另一个上面地被键合至通过移除生长衬底所暴露的n型层78的表面。在其他的实施例中，荧光体102、104可以被形成为一个单晶荧光体，其具有不同的区域用于重新发射不同颜色的光。
单晶荧光体104、106可以根据在其中所含有的化合物来重新发射不同颜色的光。在所示出的实施例中，第一单晶荧光体104可以吸收一小部分蓝色光并且重新发射红色光，而第二单晶荧光体106可以吸收一小部分剩余的蓝色光并且重新发射黄色光。这种布置允许LED芯片102发射蓝色、红色和黄色光的暖色温白色光结合。发射黄色光的单晶荧光体106可以包括上述的化合物中的许多，其中合适的化合物为YAG:Ce。发射红色光的单晶荧光体104可以包括上述的化合物中的许多，其中合适的化合物为YAG:Eu或YAG:Tb。应理解的是，在其他的实施例中，可以使用不止两个单晶荧光体。现在参考图4b，可以从晶圆分割出LED芯片102并且对起进行封装，如上所述。
如在上文中所提到的，本发明也可以被用在具有不同于横向几何形状的几何形状的LED芯片中。图5a和5b示出具有垂直几何形状LED芯片112的LED晶圆110的一个实施例。LED芯片112中的每一个在n型和p型掺杂层78、80之间具有有源区域76，所有这些层都被形成在生长衬底82上。在这个实施例中，生长衬底82是导电的使得n型接触部114可以被沉积在衬底82上。施加于接触部114的电信号传播通过衬底82到n型层78。在生长衬底82绝缘或者不充分导电的实施例中，衬底可以被移除并且n型接触部114可以被直接地沉积在n型层78上。n型层接触部114还可以包括反射镜层。p型接触部116可以被直接地沉积在具有电流扩展层和结构的p型层上，如上所述。类似以上的实施例，还可以在不同位置上包括其他高反射率的反射镜层以进一步反射用于有效发射的光。
可以在p型层80上面键合单晶荧光体118，其中p型接触部116处在单晶荧光体118和p型层80之间。为制作到p型接触部116的电接触部，在将单晶荧光体118安装到LED芯片112上之前或之后贯穿单晶荧光体118形成开口120。可以使用许多不同的方法来形成开口120，诸如刻蚀、激光切除、钻孔等。然后可以通过开口120来接触p型接触部116，诸如通过线键合。现在参考图5b，可以从晶圆分割出LED芯片112并且对其进行封装，如上所述。
在其他实施例中，具有垂直几何形状的LED芯片可以具有倒装芯片取向，其中单晶荧光体被安装在n型层上面。在生长衬底保留的实施例中，生长衬底处在单晶荧光体和n型层之间。无论哪种情况，n型接触部都可以处在单晶荧光体和n型层之间，使得必须在单晶荧光体中形成开口用于接触n型接触部。如在上文中所提到的，其他的实施例还可以在LED的不同表面上包括多个单晶荧光体，诸如通过使LED被夹在单晶荧光体之间。
在某些情况下，单晶荧光体可能产生空间色温不均匀性。这可能与晶体荧光片内部光子的不同路径长度有关，这是由于在该片内没有散射而引起的。可以通过在包围LED芯片的封装材料中添加光散射颗粒来改善色温均匀性。散射颗粒可以为许多不同的尺寸，诸如在200nm至5μm的范围内，但是也可以使用其他尺寸。在一个实施例中，还可以在单晶荧光材料的生长过程期间添加光散射颗粒，使得在单晶荧光体内实现最佳的散射量。在还有另一实施例中，可以对封装材料的表面进行制绒以诱发光的散射。
尽管已经参考本发明的某些优选配置详细描述了本发明，其他形式也是可能的。因此，本发明的精神和范围不应被限制于以上所描述的形式。

Claims (61)

1.一种用于从晶圆制备发光二极管(LED)芯片的方法，所述方法包括：
在LED生长晶圆上沉积LED外延层以在所述生长晶圆上形成多个LED；以及
在至少一些所述多个LED上面键合单晶荧光体，使得来自所述LED中的被覆盖的那些LED的至少一些光通过所述单晶荧光体并且被转换。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括使所述单晶荧光体平面化。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括从所述多个LED上移除所述生长晶圆。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述单晶荧光体为所述LED外延层提供机械支撑。
5.如权利要求1所述的方法，其中对所述单晶荧光体的表面进行制绒。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括刻蚀所述LED以形成横向几何形状的器件，并且将第一和第二接触部沉积在所述LED上，其中将所述单晶荧光体键合至与所述第一和第二接触部相反的表面。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述单晶荧光体中形成开口以接近所述LED上的接触部。
8.如权利要求3所述的方法，其还包括将所述LED晶圆安装到载体晶圆上。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括在所述单晶荧光体的所述键合之后移除所述载体晶圆。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述LED芯片发射白色光。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述单晶荧光体包括钇铝石榴石(YAG)主晶格。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述单晶衬底还包括荧光材料。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述荧光材料的浓度在所述单晶衬底中是有梯度的。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述单晶衬底还包括散射颗粒。
15.如权利要求1所述的方法，其还包括从所述晶圆分割出所述LED作为单独的LED芯片或LED芯片的集合。
16.一种发光二极管(LED)芯片晶圆，所述LED芯片晶圆包括：
在晶圆上的多个LED；
第一单晶荧光体，其至少部分地覆盖所述LED中的至少一些，使得在所述LED中的被覆盖的那些LED的操作期间来自所述LED的至少一些光通过所述单晶荧光体并且被转换。
17.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述第一单晶荧光体为所述LED中的至少一些提供机械支撑。
18.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中被所述第一单晶荧光体覆盖的所述LED发射来自所述LED的光与来自所述第一单晶荧光体的经转换的光的白色光结合。
19.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述第一单晶荧光体包括钇铝石榴石(YAG)。
20.如权利要求19所述的LED芯片晶圆，其中所述第一单晶荧光体还包括荧光材料。
21.如权利要求20所述的LED芯片晶圆，其中所述荧光材料的浓度在所述单晶荧光体中是有梯度的。
22.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述第一单晶荧光体还包括光散射材料。
23.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述第一单晶衬底还包括用于吸收来自所述LED的光并且发射黄色光的荧光材料。
24.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其能够被分离成LED芯片。
25.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中被所述第一单晶荧光体覆盖的所述LED发射LED光与来自所述单晶荧光体的经向下转换的光的白色光结合。
26.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述LED还包括接触部并且所述第一单晶荧光体包括到所述接触部中的至少一些的开口。
27.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述LED具有横向几何形状和接触部。
28.如权利要求27所述的LED芯片晶圆，其中所述第一单晶荧光体在一表面上覆盖所述LED，所述表面与从其接近所述接触部的表面相反。
29.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其还包括用第二单晶荧光体覆盖所述LED中的至少一些。
30.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中所述LED晶圆被夹在所述第一和第二单晶荧光体之间。
31.如权利要求16所述的LED芯片晶圆，其中对所述第一单晶荧光体进行制绒。
32.一种发光二极管(LED)芯片，所述LED芯片包括：
LED；以及
单晶，其在所述LED上并至少部分地覆盖所述LED，使得由所述LED发射的光中的至少一些被所述单晶荧光体转换。
33.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述LED芯片发射来自所述LED的光与来自所述单晶荧光体的光的结合。
34.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述单晶荧光体被键合至所述n型层。
35.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述单晶荧光体为所述LED提供机械支撑。
36.如权利要求32所述的LED芯片，其发射来自所述LED的光与来自所述单晶荧光体的经转换的光的白色光结合。
37.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述单晶荧光体包括钇铝石榴石(YAG)。
38.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述单晶荧光体还包括荧光材料。
39.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述单晶衬底还包括用于吸收来自所述LED的光并且发射经向下转换的光的荧光材料。
40.如权利要求39所述的LED芯片，其中所述经向下转换的光是绿色或者黄色的。
41.如权利要求39所述的LED芯片，其中所述经向下转换的光是橙色或者红色的。
42.如权利要求32所述的LED芯片，其还包括接触部，并且所述单晶荧光体包括到所述接触部中的至少一个的开口。
43.如权利要求32所述的LED芯片，其中所述LED具有横向几何形状以及可从一个表面接近的第一和第二接触部。
44.如权利要求43所述的LED芯片，其中所述单晶荧光体在一表面上覆盖所述LED，所述表面与从其接近所述接触部的表面相反。
45.如权利要求32所述的LED芯片，其还包括用第二单晶荧光体覆盖所述LED中的至少一些。
46.如权利要求32所述的LED芯片，其还包括与所述单晶相反地在所述LED上的高反射率的反射镜。
47.一种发光二极管(LED)封装，所述LED封装包括：
LED芯片，其包括LED和至少部分地覆盖所述LED并且转换来自所述LED的光中的至少一些的单晶荧光体，以及用于向所述LED施加电信号的第一和第二接触部；
与所述第一和第二接触部电连接的封装引线；以及
包围所述LED芯片和电连接的封装材料。
48.如权利要求47所述的LED封装，其还在所述封装材料中包括光散射颗粒。
49.如权利要求47所述的LED封装，其中所述单晶荧光体包括荧光材料。
50.如权利要求49所述的LED封装，所述荧光材料的浓度在所述单晶荧光体中是有梯度的。
51.如权利要求50所述的LED封装，其中所述单晶荧光体还包括散射颗粒。
52.如权利要求47所述的LED封装，其中对所述封装材料的表面进行制绒。
53.一种用于从晶圆制备发光二极管(LED)芯片的方法，所述方法包括：
在LED生长衬底上沉积LED外延层以形成具有多个LED的LED晶圆；
将所述LED晶圆键合至载体晶圆；
移除所述LED生长衬底；
在所述多个LED中的至少一些上面键合单晶荧光体，使得来自所述LED中的至少一些的光通过所述单晶荧光体并且被转换；以及
移除所述载体晶圆。
54.如权利要求53所述的方法，其还包括使所述单晶荧光体平面化。
55.如权利要求53所述的方法，其中所述单晶荧光体为所述LED外延层提供机械支撑。
56.如权利要求53所述的方法，其中对所述单晶荧光体的表面进行制绒。
57.如权利要求53所述的方法，其中所述LED芯片发射白色光。
58.如权利要求53所述的方法，其中所述单晶荧光体包括钇铝石榴石(YAG)。
59.如权利要求53所述的方法，其中所述单晶衬底还包括荧光材料。
60.如权利要求53所述的方法，其还包括从所述晶圆分割出所述LED作为单独的LED芯片或LED芯片的集合。
61.如权利要求53所述的方法，其还包括与所述单晶相反地在所述LED外延层上形成高反射率的反射镜。
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