CN106030837B - 形成波长转换发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的实施方式的方法包括将支承层（32）布置在波长转换陶瓷晶圆（30）的表面上。切割（42）波长转换陶瓷晶圆和支承层以形成波长转换构件。将波长转换构件附着到发光器件。在将波长转换构件附着到发光器件之后，移除支承层。

Description

形成波长转换发光器件的方法
相关申请的交叉引用
本申请是2015年1月20日提交的且标题为“METHOD OF FORMING A WAVELENGTHCONVERTED LIGHT EMITTING DEVICE”的国际申请No. PCT/IB2015/050423的§371申请，其要求2014年2月27日提交的美国临时申请No. 61/945,170的权益。国际申请No. PCT/IB2015/050423和美国临时申请No. 61/945,170被并入本文。
技术领域
本发明涉及形成具有薄波长转换元件的波长转换发光器件的方法。
背景技术
包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发光激光器的半导体发光器件在当前可得到的最高效的光源之中。当前在能够跨越可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中感兴趣的材料系包括第III-V族半导体，特别是也被称为III族氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。一般，通过凭借金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术使具有不同构成和掺杂剂浓度的半导体层的叠层在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它适当衬底上外延地生长来制造III族氮化物发光器件。叠层常常包括在衬底之上形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、在一个或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层以及在有源区之上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电触头在n和p型区上形成。
发光器件例如LED常常与波长转换材料例如磷组合。图1A-1E是示出在US 2012/0086028中更详细描述的制造波长转换芯片所需的工艺步骤的侧横截面视图。在US 2012/0086028中如下描述该工艺：在用于形成波长转换芯片的该工艺中的第一步骤是选择衬底100，其在图1A中的侧横截面视图中示出。衬底包括对波长转换层的随后沉积的物理支承。衬底100具有底表面120和与底表面120相对的顶表面140。衬底100可以是聚合材料或无机材料。见例如第77段。
下一工艺步骤是将波长转换层200沉积在衬底100的顶表面140上，如在图1B中的侧横截面视图中所示的。波长转换层200具有与衬底100的顶表面140直接接触的底表面220以及顶表面240。波长转换层200由波长转换材料形成。波长转换材料吸收在第一波长范围中的光并发射在第二波长范围中的光，其中第二波长范围的光具有比第一波长范围的光更长的波长。波长转换材料可以是例如磷材料或量子点材料。磷材料可以是以粉末、陶瓷、薄膜固体或块状固体的形式。见例如第78和79段。
下一工艺步骤是如在图1C中所示的可选的退火步骤，以使波长转换层200热退火或辐射退火（300）以便增加层的波长转换效率，或在磷粉末的情况下使粉末烧结以形成陶瓷层。见例如第85段。
下一工艺步骤是将波长转换层200分割成多个波长转换芯片500。沟槽或芯片间隔400穿过波长转换层200形成，如在图1D中的侧横截面视图中所示的。芯片间隔400在两个方向上（只示出一个方向）被制造以形成可以是正方形、长方形或任何其它平面几何形状的多个波长转换芯片500。见例如第88段。
最后一个步骤是从衬底100移除多个波长转换芯片500。例如，可通过引导脉冲激光束600穿过衬底100以破坏波长转换层200的底表面220到衬底100的顶表面140的粘附来移除多个波长转换芯片500，如在图1E的侧横截面视图中所示的。见例如第89段。
发明内容
本发明的目的是提供薄波长转换构件和用于形成薄波长转换构件的方法。
本发明的实施例包括发光器件和布置在由发光器件发射的光的路径中的波长转换陶瓷。波长转换陶瓷具有在10μm和100μm之间的厚度。
根据本发明的实施例的方法包括将支承层沉积在波长转换陶瓷晶圆的表面上。波长转换陶瓷晶圆和支承层被切割以形成波长转换构件。波长转换构件附着到发光器件。在将波长转换构件附着到发光器件之后，移除支承层。
附图说明
图1A、1B、1C、1D和1E示出制造波长转换芯片所需的工艺步骤。
图2是波长转换陶瓷晶圆和支承材料的一部分的横截面视图。
图3是波长转换陶瓷晶圆和支承材料的一部分的横截面视图，其中波长转换陶瓷在形成支承材料之后被弄薄。
图4是在将晶圆附着到切割胶带并将晶圆分割成单独的波长转换构件之后的波长转换陶瓷晶圆和支承材料的一部分的横截面视图。
图5示出III族氮化物LED的一个例子。
图6是支座的瓦的一部分的横截面视图。两个LED安装在瓦上。
图7示出在将单独的波长转换构件附着到两个LED中的每个之后的图6的结构。
图8示出在LED之间形成反射层之后的图7的结构。
图9示出在从单独的波长转换构件移除支承材料之后的图8的结构。
图10示出在使反射层变薄之后的图9的结构。
具体实施方式
波长转换陶瓷由于其鲁棒性和容易操纵连同其它属性而有吸引力。当前波长转换陶瓷的一个缺点是，当前最小可制造的厚度比对一些应用所期望的厚度更厚。例如，较薄的波长转换陶瓷可提高发光器件的通量。
波长转换陶瓷像它们所布置于的LED一样常常是正方形的。比例如100μm薄的正方形波长转换陶瓷由于在制造期间的破裂和成品率损失而不是商业上可行的选项。正方形波长转换陶瓷也可具有在LED之间的区域中沿着阵列的X轴的光强度的下降的缺点。
本发明的实施例包括用于制造薄波长转换构件的方法。虽然在下面的描述中波长转换构件是陶瓷，可使用任何适当的预先形成的波长转换元件。适当的非陶瓷的预先形成的波长转换元件的例子包括布置在透明材料例如硅树脂或玻璃中的粉末磷光体，透明材料被卷起、铸造或以另外方式形成为薄板，然后分割成如在图4中所述的单独薄片。波长转换构件可以是正方形、长方形、多边形、六边形、圆形或任何其它适当的形状。在一些实施例中，非正方形波长转换构件可通过潜在地消除如上所述的与正方形波长转换构件相关的光强度中的下降来提供优于正方形波长转换构件的性能提高。
波长转换构件包括波长转换材料，其可以是例如常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI或III-V半导体、II-VI或III-V半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或发冷光的其它材料。波长转换材料吸收由LED发射的光并发射一个或多个不同波长的光。由LED发射的未转换的光常常是从结构提取的光的最终光谱的部分，虽然它不需要是。常见组合的例子包括与发黄光的波长转换材料组合的发蓝光的LED、与发绿光和红光的波长转换材料组合的发蓝光的LED、与发蓝光和黄光的波长转换材料组合的发UV光的LED以及与发蓝光、绿光和红光的波长转换材料组合的发UV光的LED。可添加发射其它颜色的光的波长转换材料以修改从结构提取的光的光谱。
图2、3和4示出根据本发明的实施例制造薄陶瓷波长转换构件。图6、7、8和9示出将薄陶瓷波长转换构件附着到器件例如LED。
图2示出波长转换陶瓷晶圆30的一部分，一个表面覆盖有支承材料32。
可通过任何适当的技术形成波长转换陶瓷晶圆30。例如，可通过混合（多个）粉末磷光体或粉末磷前体、将混合物压到晶圆内、使晶圆烧结、然后例如通过研磨使晶圆变薄到期望厚度来形成波长转换陶瓷晶圆30。
晶圆可在多个薄化步骤中变薄。多个薄化步骤可使用不同的研磨条件。例如，第一研磨步骤可使用更粗糙的研磨砂粒，而第二研磨步骤可使用更细小的研磨砂粒。在一个例子中，首先使用粗糙的研磨砂粒使晶圆从800μm的厚度变薄到小于500μm的厚度（例如300μm的厚度）。在第二研磨步骤中，使用较细小的研磨砂粒使晶圆从小于500μm的厚度变薄到小于200μm的厚度（例如100μm或更小的厚度）。
陶瓷晶圆30的一个表面覆盖有支承材料32。支承材料32是例如通过减小破裂来在切割期间保护陶瓷晶圆30的材料，这可提高成品率。支承材料32也可在其中从陶瓷移除支承材料的实施例中被选择为容易被移除，例如在切割陶瓷晶圆之后或在将陶瓷元件附着到LED之后。任何适当的材料可用于支承材料32。一个例子是可通过任何适当的技术——包括例如旋转铸造到晶圆上，后面是所使用的聚合物所特有的低温聚合物固化——来形成的聚合物材料。另一例子是玻璃，其被形成使得玻璃支承材料可从陶瓷晶圆30移除。
在一些实施例中，支承材料32在晶圆变薄之前在陶瓷晶圆30上形成，如图3所示。支承材料32在具有比最终厚度大的厚度34的陶瓷晶圆上形成。在形成支承材料32之后，通过移除晶圆的一部分36来使陶瓷晶圆30变薄到最终厚度。在具有多个薄化步骤的实施例中，支承材料可在任何薄化步骤之前或在薄化步骤之间形成。例如，在上面对第一和第二薄化步骤所述的实施例中，在一些实施例中，在将厚度从800μm减小到300μm的第一粗糙研磨之后但在将厚度从300μm减小到100μm或更小的第二精细研磨之前，将聚合物支承材料32旋转铸造在陶瓷晶圆上。其上形成支承材料32的陶瓷晶圆30的侧面未变薄，只有与支承材料32相对的陶瓷晶圆30的侧面变薄，如在图3中所示的。
在一些实施例中，通过流延成型来形成陶瓷晶圆30，其中陶瓷和磷光体的浆体被铸造到特定形状的薄板内并随后被烧结。在流延成型之后，支承材料32例如聚合物可被旋转铸造到晶圆上，后面是低温聚合物固化以使聚合物稳定，导致在图2中所示的结构。
如在图4中所示的，在支承材料32施加到陶瓷晶圆30之后，结构被放置到适合于切割的衬底膜38上。衬底膜38可以是切割胶带或任何其它适当的结构。衬底膜38通常附着到与支承材料32相对的陶瓷晶圆30的表面。例如在聚合物支承材料32和切割胶带衬底膜38的情况下，因为切割胶带的聚合物亲合力一般是高的（这将使稍后的移除变得困难），陶瓷晶圆30被定向为使陶瓷晶圆30表面接触胶带38而不是聚合物支承材料32。
一旦陶瓷晶圆30附着到衬底膜38，就可通过任何适当的技术例如锯切来将陶瓷晶圆30和支承材料32分成单独的波长转换构件。通过在区42中切割来分离在图4中所示的结构以形成三个单独的波长转换构件40A、40B和40C。可使用任何适当的切块或切割技术。如在图4中所示的，切割可切穿陶瓷晶圆30和支承材料32，而不完全切穿衬底膜38。在切割之后，单独的波长转换构件可以是正方形、长方形或任何其它适当的形状。使用长方形波长转换构件的一个优点是跨越在阵列中对齐的多个器件的流明强度曲线中的提高。与正方形波长转换构件比较，长方形波长转换构件也可展示提高的通量。
支承材料32支承易碎的薄陶瓷晶圆，允许具有130μm或更小的厚度的晶圆在有减小的破裂和提高的成品率的情况下被切割。陶瓷晶圆30在一些实施例中是至少10μm厚、在一些实施例中不大于130μm厚、在一些实施例中是至少30μm厚、在一些实施例中不大于100μm厚、在一些实施例中是至少50μm厚、以及在一些实施例中不大于70μm厚。
与波长转换构件分离的LED或其它适当的器件被形成。在图5中示出适当的III族氮化物LED的一个例子。
虽然在下面的例子中半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，可使用除了LED以外的半导体发光器件，例如激光二极管和由其它材料系例如其它III-V材料、III-磷化物、III-砷化物、II-VI材料、ZnO或基于Si的材料制成的半导体发光器件。
图5示出可在本发明的实施例中使用的III族氮化物LED 1。可使用任何适当的半导体发光器件，且本发明的实施例不限于在图5中所示的器件。通过使III族氮化物半导体结构在生长衬底10上生长来形成图5的器件，如在本领域中已知的那样。生长衬底常常是蓝宝石，但可以是任何适当的衬底，例如SiC、Si、GaN或复合物衬底。III族氮化物半导体结构生长于的生长衬底的表面可在生长之前被图案化、粗糙化或纹理化，这可提高来自器件的光提取。与生长表面相对的生长衬底的表面（即大部分光在倒装芯片配置中被提取所穿过的表面）可在生长之前或之后被图案化、粗糙化或纹理化，这可提高来自器件的光提取。
半导体结构包括夹在n和p型区之间的发光或有源区。n型区16可首先生长并可包括具有不同构成和掺杂剂浓度的多个层，包括例如制备层（例如缓冲层或成核层）和/或设计成便于生长衬底的移除的、可以是n型或非有意掺杂的层以及为发光区高效地发射光所期望的特定光学、材料或电气属性设计的n或甚至p型器件层。发光或有源区18在n型区之上生长。适当的发光区的例子包括单个厚或薄发光层或多个量子阱发光区（其包括由阻挡层分离的多个薄或厚发光层）。可接着在发光区之上生长p型区20。像n型区一样，p型区可包括具有不同构成、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。
在生长之后，在p型区的表面上形成p触头。P触头21常常包括多个导电层，例如反射金属和可防止或减小反射金属的电迁移的保护金属。反射金属常常是银，但可使用一种或多种任何适当的材料。在形成p触头21之后，p触头21、p型区20和有源区18的一部分被移除以暴露n触头22所形成于的n型区16的一部分。n和p触头22和21通过可被填充有电介质（例如硅的氧化物或任何其它适当的材料）的间隙25彼此电隔离。可形成多个n触头过孔；n和p触头22和21不限于在图5中所示的布置。n和p触头可被再分布以形成具有电介质/金属叠层的结合焊盘，如在本领域中已知的。
为了形成到LED 1的电连接，一个或多个互连26和28在n和p触头22和21上形成并电连接到n和p触头22和21。互连26电连接到图5中的n触头22。互连28电连接到p触头21。互连26和28通过电介质层24和间隙27与n和p触头22和21电隔离并与彼此电隔离。互连26和28可以是例如焊料、凸块、金层或任何其它适当的结构。
衬底10可以被弄薄或完全被移除。在一些实施例中，通过薄化而暴露的衬底10的表面被图案化、纹理化或粗糙化以提高光提取。
很多单独的LED在单个晶圆上形成，然后从器件的晶圆被切割。可使用任何适当的器件。本发明不限于在图5中示出的特定LED。LED在下面的附图中由块1表示。
图6示出安装在单独支座的瓦44上的多个LED。在图6中示出的LED相对于在图5中示出的方位翻转，使得互连26和28布置在瓦44上，且光穿过衬底10被提取。瓦44可以例如是金属、陶瓷或任何其它适当的材料。可例如通过焊接、金属互连、金-金互连、凸块或任何其它适当的技术或结构将LED 1附着到瓦44。为了简单只示出两个LED 1A和1B；然而应理解，瓦44可包括很多LED。
在图7中，单独的波长转换元件40A和40B附着到LED 1A和1B。单独的波长转换元件可以是在图4中示出的波长转换元件。波长转换元件40A和40B可通过任何适当的技术附着到LED 1A和1B。在一些实施例中，粘合剂46（例如硅树脂）被分配在LED上或波长转换元件上，然后波长转换元件被从图4的衬底膜38移除并放置在图7的LED上。LED 1A和1B可以是与波长转换元件40A和40B相同的形状（即长方形波长转换元件可附着到长方形LED）或不同的形状（即长方形波长转换元件可附着到正方形LED或其它形状的LED）。
在图8中，反射材料48在LED之间的区中形成。例如，模具可布置在瓦44之上。模具可包括对应于LED 1A和1B的形状的凹口，虽然它不需要包括。模塑料（其为基质材料（常常是硅树脂、环氧树脂或玻璃，但可使用任何适当的材料）和反射微粒（常常是TiO2，但可使用任何适当的材料）的粘性混合物）布置在模具之上以填充模具。瓦44和LED 1A、1B和模具在压力之下被集合在一起，使得LED 1A、1B浸没在模塑料中。真空可在模具和瓦之间产生。例如通过加热来固化模塑料。然后分离瓦和模具。可例如通过加热或暴露于紫外辐射来进一步固化硬化的模塑料。在固化之后，模塑料通常是反射性的、白色的和不透明的。
在一些实施例中，不是模塑料，而使用溶胶凝胶材料。在这样的实施例中，反射微粒和溶胶凝胶液体的混合物可分配在LED 1A、1B之上，然后从溶胶凝胶液体蒸发水，留下硅酸盐网状物，其本质上是具有嵌在硅酸盐网状物中的反射微粒的玻璃。
在一些实施例中，具有高热传导性、例如具有比透明材料和/或反射微粒高的热传导性的材料可被添加到混合物。例如，具有高热传导性的材料可具有比常见的硅树脂材料的热传导性高的热传导性，常见的硅树脂材料可具有大约0.1 – 0.2 W/mK的热传导性。
在一些实施例中，反射材料在模制期间布置在LED 1A、1B的顶部之上。可通过湿打喷砂或任何其它适当的技术来移除额外的反射材料。在移除额外的反射材料之后，暴露波长转换元件40A和40B的顶部50。
在图9中，从每个波长转换构件40A、40B移除支承材料32。可通过任何适当的技术来移除支承材料。在支承材料是一个或多个含碳聚合物的实施例中，可通过臭氧等离子体处理来移除支承材料。活性化的氧与聚合物起反应以产生CO2，因而毁坏并移除聚合物。该工艺被称为“灰化”且在用于移除聚合光致抗蚀剂的半导体工业中是公知的。灰化制作法一般具有惰性气体（Ar、N2等）和氧等离子体。
移除支承材料32暴露每个波长转换陶瓷30的顶表面52。在一些实施例中，如果支承材料足够厚以引起在波长转换元件40A、40B的周边周围的反射材料的唇缘或边缘，则可例如通过喷丸来移除过多的材料。在移除过多的材料之后，如图10所示，反射材料40的顶表面56在与每个波长转换陶瓷30的顶表面52基本上相同的高度下。
图10中所示的结构可通过切穿瓦44和在相邻LED之间的区54中的反射材料48来分成单独的器件或阵列或其它组的器件。
在详细描述了本发明之后，本领域中的技术人员将认识到，给出本公开，可对本发明做出修改而不偏离本文所述的创造性概念的精神。因此，意图不是本发明的范围被限制到所示和所述的特定实施例。

Claims (10)

1.一种形成波长转换发光器件的方法，包括：
将支承层布置在波长转换陶瓷晶圆的表面上；
切割所述波长转换陶瓷晶圆和所述支承层以形成多个波长转换构件；
将所述多个波长转换构件中的一波长转换构件附着到发光器件；以及
在将所述波长转换构件附着到所述发光器件之后，移除所述支承层。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
在将所述支承层布置在所述波长转换陶瓷晶圆的所述表面上之后，使所述波长转换陶瓷晶圆变薄。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述波长转换陶瓷晶圆具有小于100µm的厚度。
4.如权利要求1所述的方法，其中将所述支承层布置在所述波长转换陶瓷晶圆的所述表面上包括将聚合物层旋转铸造在所述波长转换陶瓷晶圆的所述表面上。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
在移除所述支承层之前将反射材料布置在所述发光器件周围。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：
在移除所述支承层之后移除所述反射材料的一部分。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述支承层的材料包括聚合物，以及移除所述支承层包括使用臭氧等离子体处理来移除。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述波长转换构件是长方形的。
9.一种形成波长转换发光器件的方法，包括：
在第一薄化工艺中使波长转换陶瓷晶圆变薄到小于500µm的厚度；
将支承层布置在波长转换陶瓷晶圆的表面上；
在将所述支承层布置在所述波长转换陶瓷晶圆的表面上之后，在第二薄化工艺中使所述波长转换陶瓷晶圆变薄到小于200µm的厚度；
切割所述波长转换陶瓷晶圆和所述支承层以形成波长转换构件；
将波长转换构件附着到发光器件；以及
在将所述波长转换构件附着到所述发光器件之后，移除所述支承层。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
在移除所述支承层之前将反射材料布置在所述发光器件周围；以及
在移除所述支承层之后移除所述反射材料的一部分。
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