CN107258014B - 具有多个堆叠的发光设备的设备 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的实施例的设备包括设置在第一n型区和第一p型区之间的第一半导体发光层。设置在第二n型区和第二p型区之间的第二半导体发光层设置在第一半导体发光层之上。非III族氮化物材料将第一和第二发光层隔开。
Description
技术领域
本发明涉及具有多个堆叠的、诸如发光二极管的发光设备的设备。
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)以及边发射激光器的半导体发光设备属于当前可用的最高效的光源。在能够在可见光谱各处操作的高亮度发光设备的制造中，当前引起兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟与氮的二元、三元和四元合金，也称为III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光设备通过利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层而制造。该叠层常常包括在衬底之上形成的、用例如Si掺杂的一个或多个n型层，在n型层或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层，以及在该有源区之上形成的、用例如Mg掺杂的一个或多个p型层。电气接触在n型和p型区上形成。
由LED产生的光的量通常与施加到LED的电流成比例。当施加更多电流时，产生更多的光。然而，当施加到LED的电流密度增加时，LED的外部量子效率初始在相当低的电流密度下增加到峰值，然后在高电流密度下减小。相应地，很多LED在相当低的电流密度下最高效地操作。
一些应用（诸如例如汽车应用）需要在相对小的源尺寸中的高光输出。为了产生所需要的光输出，单个LED必须操作于通常比LED最高效时所处的电流密度高的电流密度，以便产生足够的光。因为源尺寸必须小，在一些应用中不可能利用并排放置的、在较低电流密度下操作的多个LED来产生所需要的光输出。
发明内容
本发明的一目的是提供一种具有高光输出和小源尺寸的设备。
根据本发明的实施例的设备包括设置在第一n型区和第一p型区之间的第一半导体发光层。设置在第二n型区和第二p型区之间的第二半导体发光层设置在第一半导体发光层之上。非III族氮化物材料将第一和第二发光层隔开。
附图说明
图1和2是可与本发明的实施例一起使用的LED的截面视图。
图3图示具有堆叠在如图1中图示的LED之上的如图2中图示的LED的设备。
图4图示具有两个堆叠的如图2中图示的LED的设备。
图5图示具有生长在单个生长衬底的相对侧上的两个堆叠的LED的设备。
图6图示具有两个堆叠的LED和波长转换元件的设备。
图7图示具有波长转换元件的图5的设备。
具体实施方式
在本发明的实施例中，多个发光设备（诸如LED）被堆叠。在单个设备中堆叠多个LED可增加由该设备产生的光的量，同时保持小的源尺寸，诸如例如对应于单个LED的占地面积的源尺寸。虽然下面的示例图示两个堆叠的LED，但是本文描述的技术和结构可扩展到任意数量的堆叠的LED。
虽然在下面的示例中，半导体发光设备是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，但是可以使用除LED以外的半导体发光设备，诸如激光二极管和由其它材料系统（诸如其它III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或Si基材料）制成的半导体发光设备。单个设备中的堆叠的LED常常由相同的材料制成，并发射基本上相同颜色的光，不过这并不是必需的。所使用的材料必须在需要透明LED之处适当地透明，如下面描述的。
图1和2图示可用于本发明实施例中的III族氮化物LED 1和2。可使用任何适当的半导体发光设备，且本发明的实施例不限于图1和2中所图示的LED。在图1中，大部分光穿过生长衬底从LED提取。这样的设备可被称为倒装芯片设备。在图2中，大部分光穿过顶表面（与生长衬底相对的表面）从LED提取，并且在该顶表面上形成电气接触部。这样的设备可被称作横向设备。
如在本领域中已知的，图1和2中图示的设备中的每一个通过在生长衬底10上生长III族氮化物半导体结构来形成。生长衬底常常是蓝宝石，但可以是任何适当的衬底，诸如例如非III族氮化物材料、SiC、Si、GaN或复合衬底。III族氮化物半导体结构在其上生长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，这可改进从设备的光提取。与生长表面相对的生长衬底的表面（即在倒装芯片配置中大部分光穿过其被提取的那个表面）可在生长之前或之后被图案化、粗糙化或纹理化，这可改进从设备的光提取。
半导体结构包括夹置于n型和p型区之间的发光或有源区。n型区16可首先生长，并可包括不同组分和掺杂剂浓度的多个层（包括例如诸如缓冲层或成核层的准备层，其可以是n型或非有意掺杂的），以及n型或甚至p型设备层，其针对对于使发光区高效发光而言期望的特定光学、材料、或电气性质而设计。发光或有源区18在n型区之上生长。适当的发光区的示例包括单个厚或薄的发光层或包括由阻挡层隔开的多个薄或厚的发光层的多个量子阱发光区。P型区20然后可在发光区之上生长。如同n型区一样，p型区可包括不同组分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，其包括非有意掺杂的层或n型层。
在图1的设备中，在半导体结构的生长之后，反射性p接触部在p型区的表面上形成。p接触部21常常包括多个导电层，诸如反射性金属和保护金属，其可防止或减少反射性金属的电迁移。反射性金属常常是银，但可以使用任何适当的一种或多种材料。在形成p接触部21之后，p接触部21、p型区20和有源区18的部分被移除以暴露n接触部22形成于其上的n型区16的部分。n和p接触部22和21通过间隙25彼此电气隔离，间隙25可被填充以诸如硅的氧化物的电介质或任何其它适当的材料。可形成多个n接触部通孔；n和p接触部22和21不限于图1中图示的布置。如在本领域中已知的，n和p接触部可重新分布以与电介质/金属叠层形成接合垫。
为了将LED电气和物理地附接到另一结构，一个或多个互连26和28在n和p接触部22和21上形成，或电气连接到n和p接触部22和21。互连26在图1中电气连接到n接触部22。互连28电气连接到p接触部21。互连26和28通过介电层24和间隙27与n和p接触部22和21并且与彼此电气隔离。互连26和28可以是例如焊料、柱形凸起、金层或任何其它适当的结构。很多单独的LED在单个晶圆上形成，然后从设备的晶圆切块。在半导体结构的生长之后或在形成（如上面参考图1描述的）单独的设备之后，衬底10可以被减薄。在一些实施例中，从图1的设备移除衬底。
图1中图示的设备在下面的附图中由块1表示。半导体结构、n和p接触部22和21以及互连26和28（除衬底以外的所有元件）在下面的附图中由块12表示。
从图1的设备提取的大部分光穿过衬底10（或通过移除衬底10而暴露的半导体结构的表面）被提取，如由箭头36指示的。
在图2的设备中，p型区20和有源区18的部分被移除以暴露在其上形成n接触部22A的n型区16的部分。
在剩余的p型区20上形成绝缘层30，在该处之后将形成接合垫32。绝缘层30可以例如是一种或多种的硅的氧化物、硅的氮化物或任何其它适当的结构。
透明导电层34在绝缘层和未被绝缘层覆盖的p型区20的部分之上形成。透明导电层34可以是例如诸如氧化铟锡的导电氧化物，或透明金属层（诸如金、银和/或铝的一个或多个薄层）。是金属的透明导电层34可以在一些实施例中被涂覆以可以改进可见光的透射的例如氧化物或任何其它适当材料的薄的介电层。
接合垫32在透明导电层之上形成，与绝缘层30对齐。接合垫32可以是例如金属、金或任何其它适当的结构。通过阻止电流在接合垫32下方直接注入，绝缘层30减少在接合垫32下方产生的光的量。接合垫32普遍吸收光。到图2的设备的电气连接通过线接合或任何其它适当的结构建立。线接合可连接到接合垫32和n接触部22A的顶表面，如在下面的附图中示出的。
图2中图示的设备在下面的附图中由块2表示。半导体结构、n接触部22A、绝缘层30、导电层34和接合垫32（除衬底以外的所有元件）在下面的附图中由块14表示。
从图2的设备提取的大部分光穿过透明导电层34被提取，如由箭头38指示的。
图1中图示的设备是倒装芯片设备，相比于图2中图示的设备（该设备为横向设备），倒装芯片设备常常在更高的电流下操作。例如，图1的倒装芯片设备可在大于0.75A的电流（可能典型是例如1A）下操作，而图2的横向设备可在小于0.75A的电流（可能典型是例如0.35A）下操作。虽然本文描述的设备可在任何适当的条件下操作，诸如图1的设备的倒装芯片设备可在本文中被称为“高功率”设备，而诸如图2的设备的横向设备可在本文中被称为“中等功率”设备。
图2的横向设备基本上是透明的，而在图1的倒装芯片设备中，光只可穿过与不透明接触部和互连相对的表面而被提取。相应地，在具有不透明底座的结构（诸如下面在图3、4和5中图示的结构）中（在该结构中光自（与底座相对的）顶表面从该结构提取），图1的倒装芯片设备仅适合作为底部设备—最接近底座的设备。（相反，图2的基本透明的横向设备可用作顶部、底部或中间设备）。在光穿过透明底座被提取的结构中，图1的倒装芯片设备可仅适合作为顶部设备—距底座最远的设备。
图3图示堆叠的多结设备的第一示例。在图3的设备中，诸如图1中图示的LED的倒装芯片设备附接到底座46。诸如图2中图示的LED的横向设备附接到LED 1。
底座46可以是任何适当的结构，诸如例如具有导电接合垫的陶瓷衬底、具有用于电气隔离的至少一个绝缘层的金属衬底、或PC板。底座46的顶表面48包括用于电气连接到直接安装在底座46上的LED 1和安装在LED 1上的LED 2这两者的接合垫。底座46可包括表面和/或嵌入式电气迹线，以便将LED 1和2例如串联地、并联地或以任何其它适当的配置彼此电气连接。在一些实施例中，迹线在底座46上或中形成，以便单独地应对LED 1和2。LED 1和2可连接到相同或不同的驱动器电路，使得LED 1和2可在不同的驱动电流下操作，以便在每个LED的最佳驱动电流下或附近操作每个LED。
LED 1可拾放在底座46上，然后经由焊料、金属互连、金互连、导电胶或任何其他适当的材料或接合物来附接。LED 1与最接近底座46的接触部、并与距底座最远的衬底10安装在一起。
透明粘合剂40设置在LED 1的衬底10之上。选择透明粘合剂以形成LED 1和LED 2之间的强接合（例如，在一些实施例中，粘合剂可具有至少邵氏硬度A 60的机械强度）并且在暴露于来自LED 1和2的光时抵抗变黄。可使用任何适当的粘合剂，包括例如一种或多种非III族氮化物材料、硅树脂、环氧树脂、附接胶、聚二甲硅氧烷（PDMS）、苯并环丁烯（BCB）或2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉（BCP）。
在一些实施例中，波长转换材料、改进光提取和/或创建散射的材料、改变粘合剂折射率的材料或任何其它适当的材料可设置在本文描述的任何透明粘合剂层中。
LED 2经由透明粘合剂40附接到LED 1。LED 2设置在LED 1之上，LED 2的生长衬底10附接到LED 1的生长衬底10。相应地，透明粘合剂40不干扰LED 1或LED 2中任何一个的接触部。在将LED 2附接到LED 1后，线接合42和44可将LED 2的p接合垫32和n接触部22A分别连接到设置在底座46的顶表面48上的电气连接。
图4图示堆叠的多结设备的第二示例。在图4的设备中，诸如图2中图示的LED的横向设备附接到底座46的顶表面48。诸如图2中图示的LED的第二横向设备堆叠在第一横向设备之上。
如上面参考图3描述的，底座46可以是任何适当的结构。第一LED 2a利用例如Au/Sn焊料或任何其它适当的材料和/或过程通过生长衬底10附接到底座46。线接合50和52将底座46上的接合垫电气连接到LED 2a的p接合垫32和n接触部22A。
透明粘合材料54（诸如上面参考图3描述的粘合剂的一种或多种）设置在LED 2a之上。
透明隔离物56经由粘合材料54附接到LED 2a。透明隔离物56将第二LED 2b从LED2a间隔开，以便保护将LED 2a电气连接到底座46的线接合50、52。相应地，如图4中图示的，透明隔离物56比LED 2a上的线接合连接的间距更窄，并且比线接合50、52的顶部更高，使得LED 2b不挤压线接合。将透明隔离物56选择为高度透明，机械上坚固，且耐受LED 2a和2b操作时所处的温度和通量。在一些实施例中，可以选择透明隔离物56和粘合剂54的折射率以从LED 2a高效地提取光。透明隔离物56可以是例如蓝宝石、玻璃、透明陶瓷、硅树脂（诸如例如之前固化和分割的高折射率硅树脂）或任何其它适当的材料。在一些实施例中，将透明隔离物56选择为在高操作温度下高度透明和机械上坚固，该高操作温度在一些实施例中例如是超过100oC的温度。在一些实施例中，可以选择透明隔离物56的折射率以最大化蓝光提取。透明隔离物的折射率可以是在一些实施例中至少1.6、在一些实施例中至少1.7、和在一些实施例中不大于2.2。
在一些实施例中，透明隔离物56是波长转换结构，例如陶瓷磷光体。在一些实施例中，来自LED 2a的光由波长转换透明隔离物完全转换，然后从结构提取的组合光的颜色由LED 2b调整。这样的设备可与或不与设置在设备顶部之上的附加波长转换材料一起使用，如下面参考图6描述的。
在将透明隔离物56附接到LED 2a之后，粘合材料54典型被完全固化。
第二透明粘合材料58（诸如上面参考图3描述的粘合剂中的一种或多种）设置在透明隔离物56之上。第二粘合材料58可以与透明粘合剂54相同，不过这不是必需的。第二LED2b通过第二粘合材料58附接到透明隔离物56，然后第二粘合材料58被完全固化。第二LED2b经由粘合材料58通过生长衬底10附接到透明隔离物56。在将LED 2b附接到隔离物56之后，线接合60、62将底座46上的接合垫电气连接到LED 2b的p接合垫32和n接触部22A。
图5图示堆叠的多结设备的第三示例。在图5的设备中，两个LED 3a和3b在单个生长衬底10的相对侧上生长。例如，被形成为LED 3a的第一半导体结构首先在生长衬底10上生长，然后生长衬底10被翻转过来，并且被形成为LED 3b的第二半导体结构在生长衬底10的背侧上生长。在一些实施例中，两个半导体结构可同时生长。
半导体结构然后形成为LED。LED 3a可以是接触侧向下安装的设备，使得光穿过生长衬底10被提取。这样的结构的一个示例是图1中图示的设备。LED 3b可以是接触侧向上安装的设备，使得光穿过在半导体结构上形成的接触部被提取。这样的结构的一个示例是图2中图示的设备。该结构经由LED 3a的接触部附接到底座46。线接合72和74、或任何其它适当的电气连接结构将LED 3b的p接合垫和n接触部连接到底座46上的电气垫。
图6图示具有多个堆叠的LED的波长转换设备。第一和第二LED 4和5堆叠在底座46上。第一和第二LED 4和5可以是上面描述的结构中的任何。波长转换元件70在顶部LED 5（距底座46最远的LED）的顶表面之上形成。
波长转换元件70包括一种或多种波长转换材料，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族或III-V族半导体、II-VI族或III-V族半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或发光的其它材料。波长转换材料吸收由LED发射的光，并发射一种或多种不同波长的光。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，不过它不必是。从结构提取的光的最终光谱可以是白色或单色的。常见组合的示例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调整从结构提取的光的光谱。
在一些实施例中，波长转换元件70是这样的结构：其与LED分开制造，并例如通过晶圆接合或适当的粘合剂（诸如硅树脂或环氧树脂）附接到顶部LED。这样的预制造的波长转换元件的一个示例是陶瓷磷光体，其通过例如将粉末磷光体或磷光体的前体材料烧结成陶瓷板材而形成，陶瓷板材可以然后被切块成单独的波长转换元件。陶瓷磷光体也可以通过例如流延成型来形成，其中陶瓷被制造成正确的形状，不必要进行切块或切割。适当的非陶瓷预形成波长转换元件的示例包括设置在诸如硅树脂或玻璃的透明材料中的粉末磷光体（该透明材料被轧制、铸造或以其它方式形成为薄片，然后被分割成单独的波长转换元件）以及与硅树脂混合并设置在透明衬底上的磷光体。
图7图示具有波长转换元件70的图5的设备，该波长转换元件通过一层粘合材料80附接到LED 3b。波长转换元件70可以以类似的方式设置在图3和4的设备之上。
反射性材料可设置在LED和波长转换元件的侧面上，以便迫使光穿过顶表面从设备出射。
在详细描述了本发明后，本领域技术人员将认识到，在给出本公开的情况下，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，本发明的范围不想要被限制到所图示和描述的特定实施例。
Claims (12)
1.一种多结设备，包括：
第一发光结构，其包括设置在第一n型区和第一p型区之间的第一半导体发光层；
第二发光结构，其包括设置在第二n型区和第二p型区之间的第二半导体发光层；
将所述第一发光结构与第二发光结构隔开的非III族氮化物材料，所述非III族氮化物材料包括隔离物以及将所述隔离物附接在所述第一发光结构和第二发光结构之间的粘合剂；以及，
设置在所述粘合剂中的波长转换材料；
其中所述第二半导体发光层设置在所述第一半导体发光层之上。
2.根据权利要求1所述的多结设备，其中：
所述第一n型区、所述第一半导体发光层和所述第一p型区在第一生长衬底上生长；并且
所述第二n型区、所述第二半导体发光层和所述第二p型区在第二生长衬底上生长。
3.根据权利要求2所述的多结设备，还包括：
电气连接到所述第一n型区的第一接触部；以及
电气连接到所述第一p型区的第二接触部。
4.根据权利要求3所述的多结设备，还包括：
电气连接到所述第二n型区的第三接触部；
电气连接到所述第二p型区的第四接触部；
将所述第三接触部连接到底座的第一线接合；以及
将所述第四接触部连接到所述底座的第二线接合。
5.根据权利要求3所述的多结设备，还包括：
将所述第一接触部连接到底座的第一线接合；以及
将所述第二接触部连接到所述底座的第二线接合。
6.根据权利要求5所述的多结设备，还包括：
电气连接到所述第二n型区的第三接触部；
电气连接到所述第二p型区的第四接触部；
将所述第三接触部连接到所述底座的第三线接合；以及
将所述第四接触部连接到所述底座的第四线接合。
7.根据权利要求5所述的多结设备，其中所述隔离物将所述第二发光结构与所述第一发光结构间隔开，并且保护所述第一线接合和第二线接合。
8.根据权利要求2所述的多结设备，其中所述粘合剂包括：
将所述第一p型区附接到所述隔离物的第一粘合剂层；并且
第二粘合剂层将所述第二生长衬底附接到所述隔离物。
9.根据权利要求8所述的多结设备，其中所述第一生长衬底附接到底座。
10.根据权利要求1所述的多结设备，其中所述隔离物是波长转换结构。
11.一种多结设备，包括：
由非III族氮化物材料制造、并且具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的生长衬底；
第一发光结构，其包括p接触部和设置在第一n型区和第一p型区之间的第一半导体发光层，所述第一半导体发光层、所述第一n型区和所述第一p型区在所述生长衬底的所述第一表面上生长，第一发光结构接触侧向下安装在底座上，所述p接触部包括反射性金属；以及
第二发光结构，其包括设置在第二n型区和第二p型区之间的第二半导体发光层，所述第二半导体发光层、所述第二n型区和所述第二p型区在所述生长衬底的所述第二表面上生长，第二发光结构被线接合到所述底座。
12.一种制作多结设备的方法，包括：
在非III族氮化物生长衬底的第一表面上生长第一半导体结构，所述第一半导体结构包括p接触部和夹置于第一n型区和第一p型区之间的第一发光层，所述p接触部包括反射性金属；
在所述非III族氮化物生长衬底的第二表面上生长第二半导体结构，所述第二半导体结构包括夹置于第二n型区和第二p型区之间的第二发光层，所述第二表面与所述第一表面相对；
经由设置在所述第一n型区上的第一接触部和设置在所述第一p型区上的第二接触部将所述第一半导体结构附接到底座；
在所述底座和设置在所述第二n型区上的第三接触部之间形成第一线接合；以及
在所述底座和设置在所述第二p型区上的第四接触部之间形成第二线接合。
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