CN102947492B - 用于光学器件的含镓和氮的三角形或菱形的配置 - Google Patents

Abstract

一种含镓和氮的光学器件，具有基区和以由基区提供的以三角形排列配置的不超过三个的主平面侧区域。

Description

用于光学器件的含镓和氮的三角形或菱形的配置

相关申请的引用

本申请要求2010年6月18日提交到美国临时申请号61/356,473的优先权，为全部目的将其并入本文作为参考。

背景技术

本发明总体涉及照明技术。更具体地，本发明的实施方式包括使用厚的含镓和氮的衬底元件，如以极性结晶取向配置的GaN用来制造光学器件，如发光二极管（LED）的技术。在一些实施方式中，含镓和氮的衬底以三角形或菱形配置。本发明可应用于如白光照明、多色照明、一般照明、装饰照明、汽车灯和飞机灯、路灯、用于植物生长的照明、指示灯、用于平板显示器的照明、以及其他光电器件的应用。

在十九世纪后期，托马斯爱迪生发明了灯泡。通常被称为“爱迪生灯泡”的传统灯泡已经使用了超过一百年。传统的灯泡使用封入密封在基座内的玻璃泡内的钨丝，基座被拧入灯座。灯座与交流（AC）电源或直流（DC）电源连接。一般在房屋、建筑物、户外照明、和其他需要光的区域可发现传统的灯泡。不幸的是，传统的爱迪生灯泡存在一些缺点。也就是说，传统的灯泡以热能散失超过90％以上的能量。此外，由于灯丝元件的热膨胀和收缩，传统灯泡经常出现故障。

固态照明技术是众所周知的。固态照明依赖于半导体材料以生产通常被称为LED的发光二极管。起初，演示了红色LED并将其引入商业中。红色LED采用磷化铝铟镓（Aluminum Indium Gallium Phosphide）或AlInGaP半导体材料。最近，Shuji Nakamura率先使用InGaN材料生产用于蓝色LED的在蓝色范围发光的LED。蓝色LED导致如固态白光照明、蓝色激光二极管的创新，这反过来又使蓝光^TM（Blu-Ray^TM）（蓝光光盘协会的注册商标）DVD播放器、及其他开发成为可能。也已经提出了其他颜色的LED。

已经提出基于GaN的高强度紫外线LED、蓝色LED、和绿色LED，并且甚至表现出了一些成果。通常UV-紫色的效率最高，随发射波长增加蓝色或绿色效率下降。不幸的是，实现了高强度、高效率的基于GaN的绿色LED存在特殊的问题。此外，基于GaN的LED昂贵且难于以有效方式大规模生产。

发明内容

传统的LED生产过程中通常采用的晶片（晶圆，wafer）划线（scribing）和裂片（切断，breaking）过程以生成单独的LED芯片。这些晶片通常沿基本上垂直的两个轴划线，其中这些单独的轴分别与晶片的两个非等效晶面平行且共面。例如，对于将由在蓝宝石上的GaN组成的LED晶片分割（singulated）为正方形或矩形芯片，两个垂直的划线（scribe）轴与蓝宝石晶片的m-面取向和a-面取向分别平行且共面，其中m-面和a-面按定义是不等效的。

在一个具体实施方式中，本发明的方法包括用于大块c-面GaN晶片的划线和裂片过程。将晶片沿两个或多个非正交的轴划线。这些两个或多个轴与GaN晶片的等效结晶面分别平行且共面。例如，大块c-面GaN晶片沿三个轴（这三个轴每个之间具有60°角）划线，其中这三个轴分别与c-面GaN晶片的三个m-面取向平行且共面。在一个具体实施方式中，三个m-面按定义是等效的。在一个或多个方面，本发明包括在c-面GaN晶片的情况下制造三角形或菱形（钻石形，diamond-shape）的芯片几何形状，其与常规的正方形或矩形几何形状相比其具有一些优点。本发明使用面内（in-plane）6-折叠旋转对称（6-次旋转对称，6-foldrotation symmetry）且结晶学唯一的c-面GaN晶片—根据一个具体实施方式GaN具有纤锌矿晶体结构。在一个可替代的优选实施方式中，大块c-面GaN晶片可以沿三个轴（这三个轴每个之间具有60°角）划线，其中这三个轴分别与c-面GaN晶片的三个a-面取向平行且共面，三个a-面取向按定义是等效的。

在一个具体实施方式中，本发明提供以由不超过五个表面区域构成的三角形配置的含镓和氮的衬底。优选地，五个表面区域包括由各自的第一等效结晶面配置的三个表面区域；和由第二等效结晶面配置的两个表面区域。

在可替代的实施方式中，本发明提供由不超过六个表面区域构成的菱形（钻石形，diamond-shape）衬底。优选地，六个表面区域包括由各自的第一等效结晶面配置的四个表面区域和由第二等效结晶面配置的两个表面区域。第一表面区域以c面取向配置而第二表面区域以c-面取向配置。该方法也包括暴露至少第一m-面区域、第二m-面区域、和第三m-面区域。此外，本发明提供从含镓和氮的衬底中分离晶粒（die）的方法。本发明也包括含镓和氮的光学器件。该器件包括含镓和氮的衬底，其具有基区和以由基区提供的三角形排列配置的不超过三个的主平面侧区域。

在一个优选的实施方式中，本发明的方法和结构可包括一个或多个可包括变化、修改和替代的以下元件。

1.制造具有层叠（overlying）LED外延结构和具有p-型和n-型金属化层（metallization）的大块c-面GaN晶片，如沿分离的晶片上单个LED迹线的三个方向（相对于彼此为60°角）存在‘划线槽（scribe street）’。使划线槽呈直线以各自平行于c-面GaN晶片的m-面取向，并设计为相交以使由三条划线线条（scribe line）限定的三角形是等边三角形。

2.沿第一‘划线槽’方向，在晶片的第一表面上对LED晶片激光划线。在第一表面上的划线区的划线深度通常是LED晶片厚度的20-50%。

3.接着沿第二‘划线槽’方向，在晶片的第一表面上对LED晶片激光划线。在第一表面上的划线区的划线深度通常是LED晶片厚度的20-50%。

4.沿第三‘划线槽’方向，在晶片的第一表面上对LED晶片激光划线。在第一表面上的划线区的划线深度通常是LED晶片厚度的20-50%。

5.在第二表面上的划线区的划线深度通常是LED晶片厚度的20-50%。

6.然后利用砧切断器设置（砧裂片设置，anvil breaker setup）沿三个‘划线槽’取向断裂划线LED晶片。在具体实施方式中，断裂沿由晶片的第一表面上的划线区限定的面发生。沿三个‘划线槽’取向断裂（切断）产生单个的三角形LED芯片。

在一个具体实施方式中，本发明提供将厚的c-面GaN晶片分割成由三个等效m-面取向的侧壁限定的三角形LED芯片。在一个或多个实施方式中，在c-面GaN晶片的情况下，m-面是容易裂开的自然断裂面，并因此，与包括沿m-面取向和a-面取向二者断裂的过程相比，包括专门或主要沿一组m-面取向断裂的分割（singulating）过程将具有更高产量。在另一个具体实施方式中，本发明提供用于将c-面GaN晶片分割为由三个等效m-面取向的侧壁限定的三角形LED芯片的方法。在一个或多个实施方式中，沿a-面的断裂产生导致改善光提取的特征表面纹理。I

本发明提供三角形芯片，其特征在于由于侧壁处的全反射概率的降低面内发射逸出的单程（per pass）概率增加，在与常规正方形或矩形芯片比较时光提取得到改善。此外，与正方形或矩形芯片相比，三角形芯片提供更少的光拦截轨迹（trapped trajectory），因此可提高芯片光提取效率。

附图说明

图1至3是图示说明用于形成三角形含镓和氮材料的方法的图。

图4至6是图示说明用于形成菱形（钻石形，diamond-shape）含镓和氮材料的方法的图。

图7是示出在GaN（纤维锌矿）晶体结构的情况下，m-面（红线）和a-面（绿线）的相对取向的图，其中图示的面代表c-面。

图8是描述用于光学器件的激光划线过程的侧视图。

图9是描述用于光学器件的裂片过程的侧视图。

图10是由正方形和三角形芯片中的模型化光提取获得的光提取图。

图11是作为侧壁表面粗糙化的函数的三角形芯片的光提取效率的模拟。

具体实施方式

图1至3是图示说明用于形成根据本发明实施方式的三角形的含镓和氮材料的方法的简图。如图1所示，本发明提供含镓和氮的衬底元件。该元件包括以由不超过五个表面区域构成的三角形配置的含镓和氮材料的一定厚度的材料（thickness of material）。优选地，五表面区域包括由各自的第一等效面配置的三个表面区域和除三个面区域外的五个表面区域包括由第二等效面配置的两个表面区域。所示出的是三角形芯片的顶视图，其示出相对于根据具体实施方式的GaN m-面的三个边的取向（见虚线或红线）。

在一个具体实施方式中，含镓和氮的衬底是三角形的。三角形可以是挤压的三角形（extruded triangular shape）。在一个具体实施方式中，三角形区域的三个表面区域是为m-面或a-面的各自的第一等效面，参见图2。三角形区域的第二表面区域是为c-面的各自的第二等效面。在一个具体实施方式中，含镓和氮的衬底是GaN衬底。当然，可以存在其他变化、修改和替代。

在一个具体实施方式中，三角形区域的三个表面区域由在各自的第一等效面上提供的各自的划线配置。例如，三个表面区域通过180度的内部区域等配置。在另一实例中，二个表面区域彼此平行排列。

现在参考图3，其图示说明了三角形LED芯片的光学显微照片。如图所示，GaN衬底由具有三个暴露的m-面表面取向的大块c-面GaN形成。又如图所示，在至少一个具体实施方式中含镓和氮的元件包括至少一个在其上的光学器件。光学器件可以是发光二极管、激光器件、或其他器件、以及光学器件和电学器件的结合。其他的器件类型可包括电气开关器件、机械器件、以及这些的任意结合等。

图4至6是图示说明用于形成根据本发明实施方式的三角形的含镓和氮材料的方法的简图。如图所示，相对于GaN m-面，衬底示出四个边（见虚线或红线）。衬底元件包括以由不超过六个表面区域构成的菱形配置的含镓和氮材料的一定厚度的材料。优选地，六个表面区域包括由各自的第一等效面配置的四个表面区域以及除四个表面区域外的六个表面区域包括由第二等效面配置的两个表面区域。

在一个具体实施方式中，菱形衬底在六个表面区域的第一四个表面区域中的任意两个之间无90°交叉。在一个具体实施方式中，菱形包括为或m-面或a-面的第一等效面，如图5所示。如图所示，四个边与GaN a-面相关（绿虚线或虚线）。在一个具体实施方式中，菱形包括为c-面的第二等效面。

在一个具体实施方式中，菱形的四个表面区域由在各自的第一等效面上提供的各自的划线配置。优选地，四个表面区域以无90°角的内部区域配置。优选地，两个表面区域彼此平行排列配置。

现在参考图6，其图示说明了菱形LED芯片的光学显微照片。如图所示，GaN衬底由具有四个m-面表面取向暴露的大块c-面GaN形成。又如图所示，在至少一个具体实施方式中，含镓和氮的元件包括至少一个在其上的光学器件。光学器件可以是发光二极管、激光器件、或其他器件、以及光电器件的结合。

图7是在根据本发明实施方式的GaN（纤锌锡矿）晶体结构的情况下，示出m-面（红线）和a-面（绿线）相对取向的简图，其中图面代表c-面。

图8是描述用于根据本发明实施方式的光学器件的激光划线过程的简化侧面图。在一个具体实施方式中，根据具体实施方式沿一个或多个轴，在晶片的第一表面上的‘划线槽’内对LED晶片激光划线。在另外的实施方式中，可使用锯、金刚石划线器、化学蚀刻（具有或不具有光辅助成分）、反应性离子或等离子体蚀刻剂或铣削、或它们的结合等。根据一个具体实施方式，在第一表面上的划线区域的划线深度通常为LED晶片厚度的20-50%。在其他实施方式中，划线深度可发生变化并具有其他尺寸。

在一个具体实施方式中，然后翻转LED晶片，并接着在晶片的第二表面上的‘划线槽’内沿一个或多个轴激光划线，注意确保在第二表面上的划线呈直线（对准）以基本上与在晶片的第一侧面上的划线重叠。在一个具体实施方式中，在第二表面上的划线区域的划线深度通常为LED晶片厚度的20-50%。划线的LED晶片然后使用如以下进一步描述的切断器设置（砧裂片设置，anvil breaker setup）断裂。

图9是描述用于根据本发明实施方式的光学器件的断裂过程的简化侧面图。如图所示，断裂沿由晶片两个相对侧面上的两个呈直线（对准）的划线区域确定的面发生。在一个具体实施方式中，本发明提供的方法用于分割厚的GaN晶片，从而不再需要LED生产工艺中昂贵且耗时的研磨（lapping）和抛光步骤。

图10显示了比较正方形芯片和三角形芯片的光提取效率Cex的模型化（模拟）结果。模拟产生光提取图，例如提取效率相对于光子的发射方向（kx，ky）。如可看到的，正方形芯片提供5个提取圆锥体（每面一个）产出为Cex=46%。三角形芯片提供7个提取圆锥体（每个垂直侧面可直接或在另一侧面反射（bounce）后提取面内光）产出Cex=57%。这些数量与实际结构有关（包括在金属和GaN衬底内的损失）并不与芯片壁的任何表面粗糙化结合。

如模型化所预测的，图11图示说明了侧壁粗糙化对光提取效率的影响。对于有效的侧壁粗糙度，三角形芯片的光提取效率可超过80%（相对于对于光滑侧壁的57%）。

在一个具体实施方式中，本方法提供用于将厚的GaN晶片分割为具有横向芯片尺寸的单个LED芯片的方法，该芯片明显小于通过标准单侧划线方法生产的那些芯片。在其他实施方式中，本方法在划线和断裂过程步骤中提供比常规方法更高的过程产量。此外，降低了芯片损坏（chip-outs）以及成对物的发生率（在断裂步骤期间未被分离的芯片对）。在另外的实施方式中，划线区域可在产生的LED芯片的侧壁上引起表面粗糙化，当与通过在单侧上划线生产的芯片对比时，其可增强从芯片的光提取。

在其他实施方式中，本发明也可包括如下描述的其他变化、结合和改变。

1.LED晶片可以是c-面GaN晶片。

2.在其他实施方式中，可以使用多种划线方法中的至少一种在两个表面的至少一个上划线产生单个的LED晶片。划线方法可以包括选自激光划线、金刚石划线、以及锯割/切割成片（dicing）的至少两种或多种方法。

3.在一个具体实施方式中，在LED晶片的任一侧面上的划线深度可以在LED晶片厚度的0.5%至99.5%之间变化。

4.在一个替代实施方式中，划线区域可具有连续的划线线条，或者可包括虚划线线条或点划线线条。提供根据具体实施方式的设计，沿两个或多个轴的划线区域可以与或者可以不与由相交叉的‘划线槽’限定的区域交叉。

5.同样，划线可沿至少一个在第一表面上的‘划线槽’取向，以及沿至少一个在第二表面上的‘划线槽’取向来进行，使得根据具体实施方式选择的至少两个‘划线槽’取向是非平行的。

6.划线LED晶片可使用选自包括砧切断器、辊式切断器或切断器刀片（breakerbar）、它们的结合等的组中的一种方法或多种方法断裂。

虽然上面是具体实施方式的全部描述，但仍可使用各种修改，替代结构和等效形式。本说明书中描述了一个或多个特定的含镓与氮的表面取向，但应该认识到，可以使用多个面取向族中的任何一个。上述的描述和图示说明不应被视为限制由所附的权利要求书确定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种照明设备，包括：发光二极管LED芯片，所述芯片至少包括：

含镓和氮的衬底，所述衬底具有形成等边三角形的第一a-面、第二a-面、和第三a-面；和

层叠所述衬底的发光外延结构；

其中，所述LED芯片包括不超过五个侧面，其中所述五个侧面中的三个侧面是沿所述第一a-面、第二a-面和第三a-面；并且所述五个侧面中的其余两个侧面具有三角形形状并且由等效结晶面配置。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，第一侧面、第二侧面和第三侧面是足够粗糙的以实现超过80％的光提取效率。

3.根据权利要求1所述的照明设备，其中，第一侧面、第二侧面和第三侧面是断裂侧面。

4.根据权利要求1所述的照明设备，其中，第一侧面、第二侧面和第三侧面具有用于增强光提取的纹理表面。

5.一种发光二极管LED芯片，包括：

含镓和氮的衬底，所述衬底具有形成三角形的第一a-面、第二a-面、和第三a-面；和

层叠所述衬底的发光外延结构；

其中，所述LED芯片包括不超过五个侧面，其中所述五个侧面中的三个侧面是沿所述第一a-面、第二a-面和第三a-面；并且所述五个侧面中的其余两个侧面具有三角形形状并且由等效结晶面配置。

6.根据权利要求5所述的LED芯片，其中，第一侧面、第二侧面和第三侧面是足够粗糙的以实现超过80％的光提取效率。

7.根据权利要求5所述的LED芯片，其中，第一侧面、第二侧面和第三侧面是断裂侧面。

8.根据权利要求5所述的LED芯片，其中，第一侧面、第二侧面和第三侧面具有用于增强光提取的纹理表面。

9.根据权利要求5所述的LED芯片，其中，所述衬底包括大块GaN。

10.根据权利要求5所述的LED芯片，其中，所述等效结晶面是c-面。