CN103229317A - 基于氧化物的led beol集成 - Google Patents
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Abstract
公开了一种发光二极管（LED）结构（图6g）和用于制造发光二极管的方法。所述结构包括深沟槽金属电极（385），在它们之间，电致发光材料（320）设置在电极（385）的侧壁上，从而形成在衬底上水平层叠的一系列发光二极管元件。用于制造所述发光二极管结构的所述方法可以用于各种电致发光材料。
Description
技术领域
本发明涉及固态发光器件、发光二极管或照明装置领域。
背景技术
典型的固态发光半导体二极管（LED）由发光材料（LEM）组成，发光材料作为薄膜或者多个平面薄膜的组合而沉积在衬底的上表面，并且与位于发光材料上下并与衬底表面平行的平面电极接触。图1中示出了这种类型的现有技术。发光材料110具有各种形式，并根据所用材料的波长特性发光。作为平面薄膜沉积，发光材料位于顶部平面金属电极120和底部平面金属电极130之间，底部平面金属电极130和顶部平面金属电极120分别沉积在衬底140的上表面和发光材料110的上表面。通过向电极之间的发光材料施加电场，在该器件中激活电致发光。如果电极在感兴趣的波长范围内不透明，则它们将阻挡有源区中产生的大部分光，从而阻止光到达外部。用于解决该问题的一种方法是在电致发光材料之上使用透明导体（例如氧化铟锡（ITO）或氧化锌），作为上部金属电极叠层。
发明内容
本发明提供了一种用于固态LED的结构，所述结构通过沉积在各种衬底上的各种电致发光材料，改善LED的光输出和均匀性。本发明还通过最小化所述电极对发射光的阻挡，增加产生光时涉及的LED有源面积。虽然本发明与现代半导体技术和材料兼容，但实现该器件不需要半导体衬底。本发明适用于各种发射可见光的电致发光材料，例如晶体或非晶体半导体或者大带隙绝缘体。还可以在本发明的可能实施例中使用诸如玻璃或石英之类的透明衬底，如后面讨论的那样。
本发明的一个方面是使用基于沟槽的电极结构，以便增加衬底上每单位面积的有源电致发光材料的体积，并最大化电致发光材料发射的光。所述电极在所述衬底的表面上被设置在紧密相间的沟槽行中，并跨越位于相邻电极的侧壁之间的所述电致发光材料施加电场。所述电极在所述LED的发光表面之下延伸，并与该表面垂直。这种布置使得所述电致发光材料的发光顶表面免于被遮光金属覆盖，并允许制造具有目前可能的更大的每单位面积亮度的二极管。
在本发明的另一个方面，公开了本发明的多个实施例的各种制造方法。所述电极结构与各种电致发光材料、衬底和LED类型兼容，并允许从所述LED的前后表面发射光。这些实施例可以使用现有的半导体工艺和材料制造，但并不限于这些工艺和材料。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述理解本发明。在这些附图中，相似的参考标号指定相似的结构元素。
图1示出了现有技术中的传统发光二极管的横截面图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的发光二极管的透视图。
图3a示出了根据本发明的第一实施例的发光二极管的横截面图，其中具有从LED的顶表面发射光的不透明绝缘衬底。
图3b示出了根据本发明的第二实施例的发光二极管的横截面图，其中具有透明的绝缘衬底，绝缘衬底具有将光导引到上表面以便发射的反射层。
图3c示出了根据本发明的第三实施例的发光二极管的横截面图，其中具有允许从LED的顶和底表面发射光的透明绝缘衬底。
图3d示出了根据本发明的第四实施例的发光二极管的横截面图，其中金属反射层用作起始衬底并由绝缘层覆盖，以便从顶LED表面发射光。
图4a示出了根据本发明的一个实施例的发光二极管的俯视图。
图4b示出了通过图3a中显示的截面A-A’的横截面图。
图4c示出了通过图3a中显示的截面B-B’的横截面图。
图5a示出了根据本发明的另一个实施例的发光二极管的俯视图。
图5b示出了通过图4a中显示的截面A-A’的横截面图。
图5c示出了通过图4a中显示的截面B-B’的横截面图。
图6a示出了根据本发明的第三实施例的具有导电性和吸收性的起始衬底的横截面。
图6b示出了在具有导电性、吸收性的起始衬底上沉积的适当金属层和绝缘层的沉积。
图6c示出了在衬底和沉积层上的发光材料的沉积。
图6d示出了使用标准微电子处理技术在发光材料中形成沟槽。
图6e示出了激活或调整发光材料发射的光波长需要的任何掺杂剂离子的注入。
图6f示出了将金属导体沉积到在发光材料中形成的沟槽。
图6g示出了通过在微电子技术中用于形成隔离电极的标准平面化技术，从发光材料的表面去除过量金属。
图7a示出了根据本发明的第三实施例的通过绝缘和透明的起始衬底（例如，玻璃）的横截面。
图7b示出了根据本发明的第四实施例的通过具有导电性和反射性的起始衬底（例如，金属）的横截面。
具体实施方式
公开了一种发光二极管结构及其制造方法。
在以下描述中，提供了大量特定的细节以便彻底理解本发明。本领域的技术人员将理解，可以在没有其中部分或全部特定的细节的情况下实现本发明。
此外，并未详细描述公知的过程操作，以便简洁描述本发明及其优选实施例。
图2中示出了本发明的结构。发光二极管200由衬底240上的导电金属电极210和230以及在它们之间设置的电致发光材料220组成。跨正电极210和负电极230施加电场，以便激活所述电致发光材料。通过在电致发光材料中蚀刻高纵横比的沟槽，随后使用电导体填充这些沟槽来形成电极。在此处出于示例性目的选择的实施例中，电极采取交叉梳齿形状，一个梳齿上具有正电压而另一个梳齿上具有负电压。本领域的技术人员将理解，可能具有其它电极布置，并且所选实例不排除这些布置来示出所述概念。在适当的情况下，这种布置会增加衬底每单位面积的可用有源发光材料的数量。
考虑图2中所示的本发明的结构。如果电极220之间的每部分电致发光材料220具有深度d和厚度t，则每个沟槽中的材料总体积由l×t×d给出，其中l是所述沟槽的长度。如果沟槽之间的距离或栅距是p，则面积A中的沟槽数量由w/p给出。与面积A关联的材料总体积则为l×t×d×w/p或者A×t×d/p。因此，当发光材料设置在沟槽中时，与图1中有源膜以平面方式沉积的情况相比，相同面积A中包含的材料数量增加d/p倍。在典型的最新技术中，可实现10微米的沟槽深度和0.2微米的栅距。这些尺寸表明：与使用现有技术中的沉积平面膜结构实现的相比，可以获得50或更多倍的填充系数增加。通过适当地选择沟槽深度和电极栅距，本发明的固态发光器件实现的每单位面积发光度可以比现有技术增加一个数量级或更多。
图3a是本发明的第一实施例的横截面图，其中电致发光材料320以及电极310和330沉积在不透明的非导电衬底上以便形成LED器件301。可能的发光材料包括外延沉积的晶体Ⅲ-Ⅴ化合物、掺杂的Ⅱ-Ⅵ化合物、掺杂或非掺杂的非晶体多孔硅、掺杂或非掺杂的非晶体富硅氧化硅（SRSO）以及掺杂或非掺杂的富硅氮化物（SRSN）。在该实施例中，光在所述衬底中吸收，并从所述器件的顶表面发射。
图3b是本发明的第二实施例的横截面图，其中电致发光材料320以及电极310和330沉积在不透明或透明的导电或非导电衬底上以便形成LED器件302。添加金属反射层350以便增加从顶表面的发射，添加绝缘层360以便为电极310和330提供电绝缘。绝缘层增强从顶表面的所需光发射。
图3c是本发明的第三实施例的横截面图，其中电致发光材料320以及电极310和330沉积在透明的非导电衬底380（例如玻璃或塑料）上以便形成LED器件303。在该实施例中，光从所述发光二极管的顶和底表面发射。
图3d是本发明的第四实施例的横截面图，其中电致发光材料320以及电极310和330沉积在反射导电衬底390（例如金属）上以便形成LED器件304。在衬底之上存在绝缘膜360（例如玻璃、氮化硅或塑料）以便为电极提供电绝缘，并且可以选择用于增强从所述上表面的所需光发射。
图4a是发光二极管500的平面图，其中具有到正和负顶表面电源轨540的连接，电源轨540连接到沟槽电极510和530，而电极510和530跨电致发光材料520施加电场。这种连接到电源轨的方式只是连接方案的一个实例，并不限制使用其它方式。
图4b是通过图4a中发光二极管500的截面A-A’的横截面图。电极510和530以及电致发光材料520被示出沉积在第一实施例中描述的衬底550上，但应当理解，还包括任何实施例或者它们的变化。
图4c是通过图4a中发光二极管500的截面B-B’的横截面图。电极510或530以及电致发光材料520被示出沉积在第一实施例中描述的衬底上，但应当理解，适用于任何实施例或者它们的变化。要指出的是，电极510从顶表面延伸到底层衬底。
图5a是发光二极管600的平面图，其中正负电源轨540与沟槽电极610和630集成，而电极610和630跨电致发光材料620施加电场。可以使用低电阻率金属（例如但不限于铝、铜、银、金）实现此目的。这种连接到所述电源轨的方式只是连接方案的一个实例，并不限制使用其它方式。
图5b是通过图5a中发光二极管600的截面A-A’的横截面图。电极610和630以及电致发光材料620被示出沉积在第一实施例中描述的衬底上，但应当理解，还包括任何实施例或者它们的变化。
图5c是通过图5a中发光二极管600的截面B-B’的横截面图。电极610和630以及电致发光材料620被示出沉积在第一实施例中描述的衬底上，但应当理解，适用于任何实施例或者它们的变化。要指出的是，电极610从顶表面延伸到底层衬底，并且电致发光材料620在正负电极610和630之间提供隔离。
图6a-g示出了本发明的第二实施例的一系列制造步骤，其中制造顶表面发射LED。选择该实施例作为实例，因为它提供最全面的步骤系列。本领域的普通技术人员可以使用该图描述的适用制造步骤，制造任何其它结构。
图6a示出了选择衬底370，衬底370可以是绝缘体或导体，并且对于在所述发光二极管中产生的光而言还可以是透明的或不透明的。这种选择将决定LED仅从顶表面发射还是从顶和底表面发射（与此处描述的其它实施例一致）。如图6b中所示，金属反射层350沉积在衬底的顶表面上以便增强到达该界面的光的反射率，并将光导引到发光二极管的上表面。该膜在以下情况下是可选的：使用透明衬底，并从顶和底表面发射。可以使用高反射率金属膜，例如但不限于铝、钛、钨、铜、银或金。随后将绝缘层360沉积在所述金属反射层上，以使该过程稍后在该表面上形成的电极相互隔离。在形成该层时，可以使用例如但不限于二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺或其它绝缘体的膜。电致发光材料320沉积在绝缘膜上，如图6c中所示。
可以使用如下电致发光材料作为发光材料：砷化镓、砷化铝镓、Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ直接带隙半导体、掺杂或非掺杂的富硅氧化物或者富硅氮化物。本发明并不限于特定的发光材料选择，并且可以使用任何能够以平面方式生长或沉积的发光材料。沟槽380蚀刻到电致发光材料320中，如图6d中所示。可以使用典型的蚀刻过程，例如用于现有半导体制造过程或者适合蚀刻发光材料的反应离子蚀刻。此时，执行调整或激活从发光材料的发射需要的任何离子注入步骤，如图6e中所示。在富硅二氧化硅或富硅氮化物的情况下，此时将执行硅的注入以便调整光发射。在其它电致发光材料的情况下，将适当地选择其它掺杂剂离子以进行离子注入。图6f示出了使用金属导体385填充沟槽380。金属可以是通常用于现有半导体制造的任何低电阻率金属，但并不限于此。随后通过导致完成的结构的标准处理技术，例如化学机械研磨或反应离子蚀刻，从结构的顶表面去除过量金属，如图6g中所示。上面的过程并不排除导致其它LED结构的有关该步骤系列和材料的变化。
可以使用图6a至图6g中描述的相同处理步骤，制造具有不同衬底类型的本发明其它实施例。如图7a中所示，如果给出在其上沉积电致发光材料的透明非导电衬底350，则上述系列将导致图3c中所示的本发明第三实施例。同样，如图7b中所示，如果给出在其上沉积绝缘层360的金属衬底390，则上述的相同过程系列将导致图3d中所示的本发明第四实施例。
尽管出于明确理解的目的而相当详细地描述了上面的制造方法，但显而易见的是，可以在所附权利要求的范围内实现某些更改和修改。因此，本实施例被视为示例性的而非限制性的，并且本发明并不限于在此给出的细节。
Claims (18)
1.一种具有顶发光表面的发光二极管，包括具有顶表面的衬底，还包括设置在所述衬底的所述顶表面上的发光材料，并且还包括设置在所述发光材料中的沟槽内部的至少一个金属电极，所述沟槽的深度基本上与所述发光二极管的所述顶发光表面垂直地延伸到所述发光材料中。
2.根据权利要求1的发光二极管，其中所述衬底是具有顶和底表面的电导体，还包括设置在所述衬底的所述顶表面的、具有顶和底表面的金属反射膜，并且还包括设置在所述金属反射膜的所述顶表面和所述发光材料之间的薄绝缘膜。
3.根据权利要求2的发光二极管，其中所述导电衬底是硅。
4.根据权利要求2的发光二极管，其中所述导电衬底是金属。
5.根据权利要求1的发光二极管，其中所述衬底是光学透明材料。
6.一种发光二极管，其中所述衬底是具有顶和底表面的光学透明材料，还包括设置在所述硅衬底的所述顶表面上的、具有顶和底表面的金属反射膜。
7.一种发光二极管，其中所述衬底是具有顶和底表面的光学透明材料，还包括设置在所述硅衬底的所述顶表面上的、具有顶和底表面的金属反射膜，并且还包括设置在所述金属反射膜的所述顶表面和所述发光材料之间的薄绝缘膜。
8.根据权利要求6的发光二极管，其中所述透明材料是玻璃。
9.根据权利要求6的发光二极管，其中所述透明材料是塑料。
10.根据权利要求1的发光二极管，其中所述发光材料是包括以下各项的发光材料组中的任何一种：富硅氧化物、掺杂稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、掺杂稀土金属的富硅氮化物、掺杂发光元素的Ⅱ-Ⅵ半导体或者Ⅲ-Ⅴ半导体。
11.一种用于制造发光二极管的方法，包括提供硅衬底、生长或沉积薄金属反射膜、沉积诸如氮化硅的电绝缘薄膜、沉积发光材料、构图所述发光材料以便在所述材料中形成至少一个沟槽、根据需要将适当的离子注入到所述发光膜中、对所述发光材料膜进行退火或氧化以便优化其光发射效率、在通过构图和蚀刻所述至少一个沟槽形成的开口中沉积导电金属、去除过量金属、沉积和构图金属以便形成到所述侧壁电极的接触。
12.一种用于制造发光二极管的方法，包括提供金属衬底、生长或沉积薄金属反射膜、沉积诸如氮化硅的电绝缘薄膜、沉积发光材料、构图所述发光材料以便在所述材料中形成至少一个沟槽、根据需要将适当的离子注入到所述发光膜中、对所述发光材料膜进行退火或氧化以便优化其光发射效率、在通过构图和蚀刻所述至少一个沟槽形成的开口中沉积导电金属、去除过量金属、沉积和构图金属以便形成到所述侧壁电极的接触。
13.一种用于制造发光二极管的方法，包括提供透明的绝缘衬底、生长或沉积薄金属反射膜、沉积诸如氮化硅的电绝缘薄膜、沉积发光材料、构图所述发光材料以便在所述材料中形成至少一个沟槽、根据需要将适当的离子注入到所述发光膜中、对所述发光膜进行退火或氧化以便优化其光发射效率、在通过构图和蚀刻所述至少一个沟槽形成的开口中沉积导电金属、去除任何过量金属、沉积和构图金属以便形成到所述侧壁电极的接触。
14.一种用于制造发光二极管的方法，包括提供透明的绝缘衬底、沉积发光材料、构图和蚀刻所述发光材料以便在所述材料中形成至少一个沟槽、将适当的离子注入到所述材料中、对所述发光膜进行退火或氧化以便优化其光发射效率、在通过构图和蚀刻所述至少一个沟槽形成的开口中沉积导电金属、去除过量金属、沉积和构图所述金属以便形成到所述侧壁电极的接触。
15.根据权利要求11的用于制造所述发光二极管的方法，其中所述发光材料是包含在包括以下各项的发光材料组中的任何一种发光材料：富硅氧化物、掺杂稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、掺杂稀土金属的富硅氮化物、掺杂发光元素的Ⅱ-Ⅵ半导体或者Ⅲ-Ⅴ半导体。
16.根据权利要求12的用于制造所述发光二极管的方法，其中所述发光材料是包含在包括以下各项的发光材料组中的任何一种发光材料：富硅氧化物、掺杂稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、掺杂稀土金属的富硅氮化物、掺杂发光元素的Ⅱ-Ⅵ半导体或者Ⅲ-Ⅴ半导体。
17.根据权利要求13的用于制造所述发光二极管的方法，其中所述发光材料是包含在包括以下各项的发光材料组中的任何一种发光材料：富硅氧化物、掺杂稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、掺杂稀土金属的富硅氮化物、掺杂发光元素的Ⅱ-Ⅵ半导体或者Ⅲ-Ⅴ半导体。
18.根据权利要求14的用于制造所述发光二极管的方法，其中所述发光材料是包含在包括以下各项的发光材料组中的任何一种发光材料：富硅氧化物、掺杂稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、掺杂稀土金属的富硅氮化物、掺杂发光元素的Ⅱ-Ⅵ半导体或者Ⅲ-Ⅴ半导体。
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