CN104969367B

CN104969367B - 发光器件和用于制造发光器件的方法

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Publication number: CN104969367B
Application number: CN201480008311.0A
Authority: CN
Inventors: C.E.蒂姆梅林; M.A.维舒尤伦; T.洛佩滋; A.R.巴肯恩德
Original assignee: Lumileds Holding BV
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2013-02-11
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: US10090437B2; TWI659546B; WO2014122565A1; KR102120264B1; TW201442279A; KR20150119180A; CN104969367A; US20150364647A1

Abstract

本发明涉及发光器件（100），其包括：衬底（102）；布置在衬底（102）上的发光二极管结构（106），二极管结构（106）包括第一半导体层（108）、有源区（110）和第二半导体层（112），其中二极管结构的光输出表面包括多个突出表面结构（104），每个突出表面结构具有峰高度、侧壁斜率（122）和相对于衬底的取向，多个突出表面结构（104）包括第一组和第二组突出表面结构，第一组和第二组突出表面结构在峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向的至少一个上不同。本发明还涉及用于制造发光器件的方法，其中突出表面结构通过形成三维图案的压印光刻法和随后的蚀刻来形成。

Description

发光器件和用于制造发光器件的方法

技术领域

本发明涉及发光器件。特别地，本发明涉及发光二极管和用于制造这样的发光二极管的方法。

背景技术

在从常规照明系统到光通信系统的各种各样的应用中使用固态发光器件，例如发光二极管（LED）和固态激光器。与白炽灯光源比较，基于LED的照明系统由于LED的低能量消耗和长寿命长度而日益普遍。

即使LED已经比常规灯泡更能量有效，但是进一步改进LED的能量效率是合乎需要的。然而，由于在超过布儒斯特角的角度下到达在LED与周围材料之间的界面的光的全内反射所致的光在器件内的捕获限制了在LED中产生的光的提取。特别是，提取效率被在LED和周围材料之间的折射率的差异限制。作为例子，在平坦GaN表面中终止的基于GaN的LED中，只有大约4%的所产生的光实际上被发出。

存在目的在于提高提取效率的不同尝试，例如在纹理化蓝宝石衬底上形成GaNLED以便形成一界面，在该界面中全内反射的量减小了。也可通过使用各种表面处理方法使光提取表面粗糙化来改进提取效率。然而，表面粗糙化遭受对因而产生的表面属性的低控制程度的问题，且芯片规模LED处理被复杂化。

US2011/0263128建议使用选择性湿法蚀刻来在发光二极管的GaN层中形成包括突出或凹痕的图案，以便影响由LED发出的光的提取效率和/或准直。US2011/0263128还公开了通过选择性湿法蚀刻来图案化蓝宝石衬底的表面。

即使可通过前面提到的方法改进提取效率，进一步改进在发光二极管中的提取效率仍然是合乎需要的。

发明内容

本发明的目的是提供给出改进的光提取特性的发光器件并提供用于制造这样的发光器件的方法。

根据本发明的第一方面，这个和其它目的由一种发光器件实现，该发光器件包括：衬底；布置在衬底上的发光二极管（LED）结构，二极管结构包括第一半导体层、第二半导体层和夹在第一和第二半导体层之间的有源区，第一和第二半导体层中的至少一个具有背离有源区的光输出表面，其中光输出表面包括多个突出表面结构，每个突出表面结构具有峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向，多个突出表面结构包括第一组和第二组突出表面结构，第一组和第二组突出表面结构在峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向中的至少一个上不同。

衬底在本上下文中应被理解为在宏观规模上是平面的、用作发光器件的基底的结构，其中发光二极管的相应层被接连地沉积在衬底上。峰高度和侧壁斜率关于与衬底平行的参考平面来定义，且表面结构的取向应被理解为该结构在参考平面中的相对对齐。

本发明基于下面的认识：可通过控制光输出表面的几何结构使得表面包括具有不同的形状、高度或取向的结构来改进来自发光二极管的光的提取效率。由此，在结构之间的差异可被选择成使得所提取的光被防止重新进入发光二极管中。特别是，相对于相邻结构的取向或这样的结构的侧壁斜率可适合于最小化光的重新进入。例如，这可意味着结构布置成使得类似地配置的侧壁不面向彼此。此外，在发光二极管内的全内反射可减小，因为可选择限定界面的结构的斜坡的陡度，从而进一步改进提取效率。

包括在峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向的至少一个上不同的三维表面结构的图案的表面可通过压印光刻法和随后的蚀刻来实现。使用压印光刻法，可提供包括突出表面结构的各种形状的三维图案，其有利地用于改进提取效率。将在下面关于本发明的另一方面更详细讨论用于使用压印光刻法来制造发光器件的方法。

根据本发明的一个实施例，发光器件可包括呈现不同于第二组突出表面结构的峰高度和侧壁斜率的第一组突出表面结构。取决于LED的材料属性和期望的因而产生的光提取属性，可形成在高度、侧壁斜率、取向和几何结构两者上不同的表面结构。多个表面结构可例如包括布置在第一预定图案中的第一组结构和布置在不同于所述第一预定图案的第二预定图案中的第二组表面结构。

在本发明的一个实施例中，至少一个突出表面结构可具有侧壁斜率，该侧壁斜率具有相对于所述衬底大于50°的角度。提供具有陡侧壁的结构可能是合乎需要的，因为提取效率可通过全内反射的减小而改进。例如，可使用具有相对于衬底的平面比50°更陡的侧壁的金字塔结构。斜率角被定义为如在三角形形状中看到的内侧壁角。特别是，提供具有比通过特定的半导体材料的各向异性湿法蚀刻可实现的更大的侧壁角的结构可能是合乎需要的。

在本发明的一个实施例中，多个突出表面结构可例如布置在伪随机图案中。表面结构的伪随机布置可能是有利的，因为可提供来自LED的表面的均匀光输出分布。因此，可避免各种衍射现象。

在本发明的一个实施例中，突出表面结构的至少一个侧壁斜率角可不同于相邻突出表面结构的侧壁斜率角。形成具有不同的属性的邻近表面结构的可能性允许选择邻近结构的侧壁斜率，使得所提取的光被防止重新进入发光二极管。

根据本发明的一个实施例，所述第一和第二半导体层之一可以是p型掺杂层，而另一个是n型掺杂层。特别是，第一和第二半导体层之一可以是p型GaN层，而另一个可以是n型GaN层。

在本发明的一个实施例中，第一和第二半导体层之一可包括形成光输出表面的非掺杂或n掺杂缓冲区。该表面结构可同样良好地在布置成在背离有源区的侧面上相邻于第一和第二半导体层中的任一个的非掺杂或轻n掺杂缓冲层中形成。

此外，衬底可有利地选自包括蓝宝石、Si和SiC的组。有利地使用在蓝宝石衬底上的基于GaN的LED，因为该材料组合是公知的并且因为所创建的处理方法是容易可得到的。然而，本发明的一般概念可同样良好地适用于其中改进提取效率是合乎需要的任何材料组合的发光器件。作为例子，非结晶衬底（例如石英状玻璃衬底）可用作用于形成表面结构的基底。

而且，发光二极管结构的有源区可有利地是多量子阱结构。

根据本发明的第二方面，提供了用于制造发光器件的方法，其包括下列步骤：提供衬底；将掩模层沉积在衬底上；使用压印光刻法在掩模层中形成三维图案；蚀刻掩模层和衬底，使得与掩模层的三维图案对应的三维图案在衬底中形成；以及在衬底上沉积包括第一半导体层、有源区和第二半导体层的发光二极管结构。

在衬底中形成的蚀刻三维图案必须不是掩模图案的确切复制，可以有例如在结构的斜率中的差异。如果蚀刻在所有抗蚀剂被蚀刻掉之前停止的话，在衬底中的因而产生的蚀刻表面结构的截断也许也是可能的。此外，如果蚀刻在掩模层被移除之后继续，掩模的图案和在衬底中的因而产生的蚀刻图案也可能不同。相应地，因为发光二极管结构在图案化衬底上形成，在衬底和第一半导体层之间的界面由三维图案限定。而且，第一半导体层可足够厚，使得有源区形成于的表面实质上是平面的。

根据本发明的第三方面，提供了用于制造发光器件的方法，其包括下列步骤：提供第一衬底；在第一衬底上沉积包括第一半导体层、有源区和第二半导体层的发光二极管结构；将掩模层沉积在发光二极管结构上；使用压印光刻法在掩模层中形成三维图案；以及蚀刻掩模层和发光二极管结构，使得与掩模层的三维图案对应的三维图案在发光二极管结构中形成。

本发明的第二和第三方面是极大地类似的，其中压印光刻法用于在掩模层中形成通过蚀刻转移到下层的三维图案。在这两个方面之间的差异是，在第二方面中，压印光刻法用于在发光器件的衬底中形成三维图案，该衬底用作用于发光二极管结构的随后沉积的基底，而在第三方面中，压印光刻法用于直接在发光二极管结构中形成三维图案。

在压印光刻法中，期望图案首先通过常规光刻法或通过灰度级电子束光刻法被界定到压印母版上。母版随后被蚀刻以得到具有预定的三维图案的母版。在图案中的特征的尺寸和形状由图案布局连同在形成压印母版时使用的蚀刻参数一起确定。在那之后，从母版模制柔性硅树脂印模。印模可接着用于图案化软层（例如适当的蚀刻抗蚀剂）。柔性印模的使用是有利的，因为大区域可以均匀地被接触，而不使用可使图案变形的高压力。如本领域中的技术人员容易认识到的，很多不同的方法可用于形成压印母版和随后的印模。

使用通过压印光刻法形成的三维蚀刻掩模并通过适当的蚀刻方法将掩模的图案转移到衬底或半导体层的优点是，因而产生的结构的形状和侧壁斜率不被所蚀刻的材料的结晶属性限制。

根据本发明的第二或第三方面的一个实施例，可在沉积发光二极管结构和沉积掩模层的步骤之间执行下面的步骤：将载体衬底粘合到发光二极管结构并移除第一衬底。通过将载体衬底粘合到发光二极管结构的第二半导体层并随后移除原始衬底（所谓的倒装晶片工艺），可能在形成于原始衬底上的第一半导体层中形成三维图案。粘合不应被狭窄地解释，因为粘合在这里指发光二极管结构到第二载体衬底的安装，特定的安装方法对不同的应用和/或材料组合可以是不同的。

在本发明的一个实施例中，可有利地通过干法蚀刻来执行蚀刻的步骤。通过使用干法蚀刻，随着掩模逐渐被蚀刻掉，掩模层的图案可转移到下面的层内。在掩模和下面的材料之间的蚀刻速率的比将确定因而产生的结构的斜率。可能必须开发适合于特定的材料组合和图案的特别的蚀刻参数。此外，如果掩模的图案是具有尖点的结构（例如金字塔），则蚀刻可在掩模层完全被蚀刻掉之前停止，这将导致截断的结构（在这里是截断的金字塔）的形成。在比较中，当使用各向异性湿法蚀刻时，侧壁斜率和结构几何结构由对被蚀刻的材料的不同结晶平面的蚀刻选择性和相对蚀刻速率限制。

在本发明的一个实施例中，通过使第一半导体层、有源区和所述第二半导体层外延地生长来执行沉积发光二极管结构的步骤。作为例子，在蓝宝石衬底上的GaN的外延生长是用于形成发光器件的公知方法。在这里，如果衬底被图案化，则GaN也可被外延地生长。

本发明的第二和第三方面的另外的效果和特征极大地类似于上面联系本发明的第一方面描述的那些。

注意，本发明涉及在权利要求中列举的特征的所有可能的组合。

附图说明

现在将参考示出本发明的实施例的附图更详细地描述本发明的这个和其它方面。

图1示意性图示根据本发明的实施例的发光器件；

图2示意性图示根据本发明的各种实施例的发光器件的特征；

图3示意性图示根据本发明的各种实施例的发光二极管的特征；

图4示意性图示根据本发明的实施例的用于制造发光器件的方法；

图5示意性图示根据本发明的实施例的用于制造发光器件的方法；以及

图6示意性图示根据本发明的替代实施例的制造方法。

具体实施方式

在本详细描述中，参考在蓝宝石衬底上形成的GaN/InGaN发光二极管主要讨论了根据本发明的发光器件和用于制造发光器件的方法的各种实施例。应注意，这决不限制同样可应用于基于其它材料的发光器件的本发明的范围。特别是，其它III-V材料组合可非常适合于用在发光器件中。

图1是根据本发明的实施例的发光器件100的示意图示。发光器件基于包括多个突出表面结构104的蓝宝石衬底102。在蓝宝石衬底上，布置包括n型GaN层108、有源区110（其包括InGaN的多量子阱（MQW）结构）、以及p型GaN层112的发光二极管结构106。发光二极管器件100还包括n接触部114、透明传导层116和p接触部118。在本例中，发光二极管结构的光输出表面可以是在p型层和透明传导层116之间的界面和/或在n型层108和蓝宝石衬底102之间的界面。在穿过衬底提取光的情况下，传导层不需要是透明的。在这里也图示了，突出表面结构104具有不同的形状和高度。在放大部分120中所图示的是突出表面结构相对于衬底102的平面的侧壁角122。角122界定结构124的侧壁斜率。

图2示意性图示突出表面结构的例子。特别是，它示出表面结构202和204具有在衬底上的不同取向，以及表面结构可具有与表面结构204和206所图示的不同的高度和侧壁斜率。在半导体层（GaN）和衬底（蓝宝石）之间的界面的纹理/结构主要确定光提取的程度。为了减小被重引导回到发光二极管结构的光的数量，可有利地使用在50°到90°的范围内的侧壁斜率。特别是，可选择下一相邻的角以避免在相邻结构中的光的重新进入，而所有局部变化可有助于某个程度的随机化，因而避免不希望有的衍射现象。

表面结构的尺寸可以在100 nm到100 µm的范围内，一般在几微米到数十微米的范围内，且优选地在1 µm到20 µm的范围内。高度由斜率确定且一般具有相同的数量级。

图3示意性图示突出表面结构的另一示例配置。在这里，示出均匀的图案，其由峰和谷而不是由单独的结构定义。即使突出结构在这里被称为从衬底突出的结构，在半导体层108的形成之后，它们也可被看作从半导体层108朝着衬底102突出的结构。因此，在衬底102中的图案104的峰和谷定义了在半导体层108中的对应的谷和峰。

应注意，在图2和图3中图示的表面结构的任意选择的不同形状、高度和取向不可通过各向异性湿法蚀刻来实现，其中因而产生的表面结构由在已蚀刻半导体材料的不同晶体平面之间的蚀刻选择性来定义。在这里，表面结构替代地通过在掩模层中压印三维图案以及随后干法蚀刻掩模层和下层使得掩模的图案转移到下层来形成。

将参考图4更详细地描述用于制造发光二器件的方法。在第一步骤402中，提供具有液体抗蚀剂层414连同包括三维图案的印模416的衬底412。三维图案可通过使用灰度级电子束光刻法首先在主模板中形成，其中最高暴露剂量导致抗蚀剂材料的完全显影和移除，且低于此的暴露剂量只部分地移除抗蚀剂层。主模板制造起来是昂贵和困难的，因此，形成用于实际压印的次级印模是合乎需要的。因此，从主模板模制柔性橡胶印模，其中橡胶是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。替代地，也可从其它类型的硅树脂橡胶或类似的材料制造印模。一般使用在提高的温度下起反应并形成橡胶矩阵的两组分系统来制造PDMS。在这里，液体硅树脂橡胶被倾泻在三维主模板上，其中液体橡胶在特征之间流动。随着硅树脂材料变硬，它适应主图案的相反形状。在固化之后，从主图案剥去PDMS印模。最后的橡胶印模使在最小压力被施加的情况下在大区域之上形成保形接触部变得可能。在从主图案和稍后压印抗蚀剂释放印模时，橡胶可在它松弛回到原始形状之前临时变形，帮助释放。

接着，如在步骤404中所图示的，PDMS印模416随后用于模制施加在衬底412上的液体抗蚀剂层414。抗蚀剂流到印模416中的空间内并被固化以形成固体，具有原始主模板的三维形状。可使用的典型抗蚀剂材料基于与基于溶胶-凝胶的抗蚀剂的丙烯酸酯或环氧树脂交联或无机交联。在这里基于氧化硅溶胶-凝胶的抗蚀剂用于直接将三维图案模制成基于氧化硅的抗蚀剂。这具有下面的优点：与基于丙烯酸酯或环氧树脂的有机材料比较，氧化硅具有朝着很多材料的更高蚀刻选择性。此外，因为PDMS对紫外（UV）和可见光是透明的，可穿过印模执行UV固化，这使在非UV透明衬底上的抗蚀剂固化变得可能并使印模中的图案与衬底对齐变得可能。

通过改变在压印的抗蚀剂和下面的衬底之间的蚀刻选择性，可调谐在衬底中的表面结构的斜率。这也可用于增加或降低原始图案与结构的高宽比，该结构在最终蚀刻掩模中是更期望的，且不能直接使用图案产生技术例如电子束光刻法来制造。

此外，使用基于氧化硅的压印抗蚀剂具有下面的优点：蚀刻抗蚀剂材料被直接图案化。另一选项将是使用3D印模来图案化有机抗蚀剂，以及这个图案以比1更高的蚀刻选择性被首先转移到施加在功能衬底上的氧化硅层上。这将导致在氧化硅中的增加的高宽比3D图案的形成，氧化硅然后用作功能层的蚀刻掩模，但与原始有机蚀刻掩模比较具有增加的粗糙度。

步骤406和408图示在抗蚀剂层414中的三维图案，后面是蚀刻，使得图案被转移到衬底412。因为三维掩模用于调谐在衬底中的因而产生的图案的陡度，不需要考虑结晶方向和平面。

优选地通过使用BCl₃和N₂在ICP室中进行干法蚀刻来执行在蓝宝石衬底中蚀刻图案的工艺。

一旦在衬底中形成图案，n型GaN 418就在蓝宝石衬底上外延地生长。即使蓝宝石的不同晶体平面被暴露，GaN也将外延地生长并联合以形成均匀的表面。根据表面结构的配置，已生长的GaN层的厚度可能必须改变以实现足够低的缺陷密度用于有源区的随后形成。在这里，有源区420被描述为多个InGaN量子阱。最后，p型GaN层形成。形成n和p接触部以达到起作用的发光器件的步骤是本领域中的技术人员公知的且因此不在这里示出。

图5示意性图示制造方法的实施例，其中图案化表面在最顶部的半导体层中形成。与参考图4描述的类似地，发光二极管结构在平面衬底上形成。差异是，在这里抗蚀剂掩模414被沉积并压印在顶部半导体层422上，如在步骤502和504中所图示的。随后，掩模414和下面的半导体层422被蚀刻，且三维图案在半导体中形成。

在半导体是GaN的情况下，在ICP室中使用Cl₂或HBr/Cl₂通过干法蚀刻来执行蚀刻。N₂或Ar可被添加以增加朝着氧化物掩模的选择性，允许更陡的角在GaN层中产生。如果需要更低的选择性用于产生更浅的角，则可将BCl₃添加到Cl₂。

图6示意性图示涉及倒装芯片工艺的制造方法的另一实施例。与在参考图5描述的实施例中相同，发光二极管结构418、420、422在平面衬底412上形成。接着在604，载体衬底粘合到最顶部的半导体层422，且原始衬底412被移除。可接着在生长于原始衬底412上的半导体层418上沉积并图案化606掩模层414，导致如在步骤608中所图示的包括在第一半导体层418中的突出表面结构的图案。当在半导体层中形成图案是合乎需要的且如果最顶部的层不适合于这样做时，倒装芯片方法可能是有利的。例如，在GaN/InGaN器件中，可能难以形成高质量的足够厚的p型层。相应地，在衬底上外延地生长的n层可通过倒装芯片工艺被暴露且随后用于三维表面图案的形成。

通常，优选的是载体衬底的热膨胀系数匹配GaN的热膨胀系数。一般衬底是GaAs、Si、（多晶）氧化铝（Al2O3）和（多晶）氮化铝（AlN）或（金属核心）印刷电路板（PCB）。可通过使用基于丙烯酸酯或环氧树脂的UV可固化树脂的临时粘合或例如焊接（热、冷压缩或超声）之类的永久粘合来粘合载体衬底。

此外，在半导体层（例如GaN）被蚀刻的情况下，这可通过提供安装在晶片规模载体上的LED瓦片来完成。为了这个目的，由于它在非扁平衬底上的高质量压印中的强度，像表面保形压印光刻法这样的技术是决定性的。

即使参考其特定的示例实施例描述了本发明，修改等对本领域中的技术人员来说将变得明显。例如，突出表面结构的很多不同的图案、几何结构和取向可用于实现来自发光器件的光的改进的提取效率的期望效应。

此外，对所公开的实施例的变化可由技术人员在实践所主张的发明时从附图、本公开和所附权利要求的研究中理解和实现。在权利要求中，词“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”或“一种”并不排除复数。某些措施在相互不同的从属权利要求中被列举的简单事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims

1.一种发光器件（100），包括：

衬底（102）；

布置在所述衬底上的发光二极管结构（106），所述二极管结构包括第一半导体层（108）、第二半导体层（112）和夹在所述第一半导体层和第二半导体层之间的有源区（110），所述第一半导体层和第二半导体层中的至少一个具有背离所述有源区的光输出表面；

其中所述光输出表面包括多个单独的突出表面结构（104），每个突出表面结构具有峰高度、侧壁斜率和相对于所述衬底的取向，所述多个突出表面结构包括第一组和第二组突出表面结构，所述第一组和第二组突出表面结构在所述峰高度、侧壁斜率和相对于所述衬底的取向中的至少一个上不同，其中

所述多个突出表面结构（104）中的相邻突出表面结构具有相对于所述衬底的不同取向，使得相邻突出表面结构的倾斜侧壁不直接地面对彼此。

2.根据权利要求1所述的发光器件（100），其中所述第一组突出表面结构呈现不同于所述第二组突出表面结构的峰高度和侧壁斜率。

3.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中至少一个突出表面结构具有一侧壁斜率，所述侧壁斜率具有相对于所述衬底大于50°的角度（122）。

4.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中所述多个突出表面结构布置在伪随机图案中。

5.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中突出表面结构的至少一个侧壁斜率角不同于相邻突出表面结构的侧壁斜率角。

6.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中所述第一半导体层和第二半导体层（108、112）之一是p型掺杂层，而另一个是n型掺杂层。

7.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中所述第一半导体层和第二半导体层（108、112）之一是p型GaN层，而另一个是n型GaN层。

8.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中所述第一半导体层和第二半导体层（108、112）之一包括形成所述光输出表面的非掺杂或n掺杂缓冲区。

9.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中所述衬底（102）选自包括蓝宝石、Si和SiC的组。

10.根据权利要求1或2所述的发光器件（100），其中所述有源区（110）是多量子阱结构。