CN112074929A - 紫外激光对led的表面改性 - Google Patents

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Abstract

激光用于改变LED的镓半导体层的表面。选择激光的参数，使得激光以期望的方式与镓半导体层相互作用，以产生期望的表面特性。例如，如果期望特定的表面粗糙度，则选择激光的功率，使得激光穿透镓半导体层至与期望的表面粗糙度匹配的深度。同样的原理也可以应用于在LED的镓半导体层上创建诸如沟槽、坑洞、透镜和反射镜的特征的工艺中。操作激光投射器来照射镓半导体层的区域，以创建金属镓的区域。期望的表面粗糙度和不同的特征可以有利地改善光束准直、光提取和LED的其他特性。

Description

紫外激光对LED的表面改性
背景
本公开涉及发光二极管的制造。
显示器无处不在，是许多可穿戴电子设备、智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机、TV和其他显示系统的核心组件。许多显示器包括发光二极管(LED)阵列。LED可以通过在衬底上生长半导体层来制造。然而，制造LED的传统方法可能产生光提取或光束准直不充分的LED。
概述
实施例涉及改善LED的光提取特性。例如，激光可用于改变LED的镓半导体层的发光面和附近区域，以提高LED的光提取效率。镓半导体层是指包括镓基材料的LED外延层。镓半导体层可以是LED的包覆层(cladding layer)，镓半导体层的第一侧面向发射光的有源层(例如，多量子阱)，或者镓半导体层的与第一侧相对的第二侧包括LED的发光面。
镓半导体层通过局部吸收光并分离成金属镓和气体来响应激光，例如紫外(UV)激光。使用清洗工艺(例如，酸清洗)可以容易地从LED去除金属镓，或者可以将金属镓保留在LED上，以用作增强光提取的反射镜特征。气体(例如，当镓半导体层包括GaN时的N2)从LED蒸发掉。激光投射器将激光投射到镓半导体层的(例如，发光)表面上，以实现镓半导体层的期望表面特性。当激光投射到镓半导体层上时，激光烧蚀镓半导体层的表面以形成金属镓层。在一个实施例中，激光被投射到镓半导体层上，作为将LED与生长LED的生长衬底分离的激光剥离工艺的一部分。
选择激光的参数，使得激光以期望的方式与镓半导体层相互作用，以产生期望的表面特性。例如，如果期望特定的表面粗糙度，则选择激光的功率，使得激光穿透镓半导体层至与期望的表面粗糙度匹配的深度。具有较低功率的激光穿透至较浅且较均匀的深度，以创建较薄且较光滑的金属镓，而具有较高功率的激光穿透至较深且较不均匀的深度，以创建较厚且较粗糙的金属镓。在激光被投射到镓半导体层的表面上之后，金属镓层被去除以暴露出具有期望的表面粗糙度的表面。
发光表面的不同表面粗糙度水平提供了不同的优点。例如，较光滑的表面(由具有较低功率的激光创建)可以提高LED光输出的准直性。同时，较粗糙的表面(由具有较高功率的激光创建)提高LED的光提取效率。例如，平坦表面为定向光透过发光面提供临界角，以增加准直性但减少光的提取，而较粗糙的表面包括用于定向光透过的多个临界角，以增加光的提取但减少准直性。因此，可以调节发光面的粗糙度，以实现期望的提取效率和准直性。
使用激光对镓半导体层的转变也可以应用于在LED的镓半导体层的发光面上创建诸如沟槽(trench)、坑洞(pit)、透镜和反射镜的特征的工艺中。操作激光投射器来照射镓半导体层的区域，以创建金属镓的区域。为了创建反射镜特征，通过照射镓半导体层而创建的金属镓被保留在镓半导体层上。金属镓充当反射镜，其反射由LED发射的光。反射镜特征可以被成形为以改善光束准直或光提取的方式反射光。例如，环形反射镜特征(即金属镓的环形区域)通过反射原本会以相对宽的角度从LED发射的光束来改善光束准直。
通过照射镓半导体层的区域，然后去除创建的金属镓，可以在LED的镓半导体层中蚀刻出诸如沟槽和坑洞的特征。例如，通过照射成环形(ring-shaped)的区域并去除成环形的金属镓区域，可以将圆形沟槽特征蚀刻到镓半导体层中。圆形沟槽特征可以将LED的光提取集中到由沟槽包围的圆形区域中。
通过在镓半导体层中蚀刻凹坑洞(concave pit)，然后在镓半导体层上沉积具有相对高折射率的涂层，可以创建透镜特征。结果，涂层的一侧与镓半导体层接触，因此与凹坑洞接触的部分具有凸表面。可以施加涂层，使得另一个表面或者是平面的或者是凸面的(或者是某种其他形状)。如果另一侧是平面的，则涂层形成平凸透镜特征。如果另一侧是凸面的，则涂层形成双凸透镜特征。以这种方式创建的透镜特征可以类似地改善LED的光提取和光束准直。
附图简述
图(FIG.)1是示出根据一个实施例的显示组件系统的系统图。
图2A-2C示出了根据一个实施例的微LED(μLED)的示意性横截面。
图3示出了根据一个实施例的μLED的简化示意图。
图4示出了根据一个实施例的其中使用较低功率的激光在镓半导体层上创建较光滑的表面的操作。
图5示出了根据一个实施例的其中使用较高功率的激光在镓半导体层上创建较粗糙的表面的操作。
图6是示出根据一个实施例的操作激光器以在镓半导体层上创建具有期望粗糙度的表面的过程的流程图。
图7A-7C示出了根据一个实施例的可以被蚀刻到镓半导体层中的圆形沟槽特征的示例。
图8-10示出了根据各种实施例的可以被蚀刻到镓半导体层中的坑洞特征和透镜特征的示例。
图11A-11B示出了根据一个实施例的可以在镓半导体层中创建的环形反射镜特征的示例。
图12示出了根据一个实施例的可以在镓半导体层中创建的另一种类型的反射镜特征的示例。
图13是示出根据一个实施例的操作激光器以在LED的镓半导体层中创建一个或更多个特征的过程的流程图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。
详细描述
用于LED显示器制造的系统
图1是示出根据一个实施例的显示组件系统100的系统图。系统100通过将半导体器件112组装到目标衬底118上来制造显示器件。在一些实施例中，半导体器件112是不同颜色的发光二极管(LED)管芯(die)。载体衬底114可以是保持半导体器件112以供拾取头阵列104拾取的载体膜。
目标衬底118可以是显示器衬底，或者可以是便于与显示器衬底键合(bond)的中间载体衬底。系统100将LED放置在显示器衬底的像素位置处，然后将LED键合到显示器衬底。在一些实施例中，半导体器件112是与常规LED相比具有减小的光输出发散度和小的发光面积的微LED。
系统100包括用于拾取和放置半导体器件112的环境102。在环境102内，系统100还包括位于环境102内的拾取头阵列104、成像设备108、致动器122、载体台116、目标台120和激光投射器126。在一些实施例中，环境102是SEM腔室的内部环境，成像设备208是扫描电子显微镜(SEM)。
载体台116保持具有半导体器件112的载体衬底114。目标台120保持目标衬底118，以从载体衬底114接收一些或全部半导体器件112。控制器106耦合到成像设备108和(例如，经由致动器122)耦合到拾取头阵列104，并控制成像设备108和拾取头阵列104的操作。例如，控制器106使拾取头阵列104拾取位于载体衬底114上的一个或更多个半导体器件112，并将该一个或更多个半导体器件放置在目标衬底118上。
拾取头阵列104包括多个拾取头124。每个拾取头124可以从载体衬底114拾取半导体器件112，并将半导体器件放置在目标衬底118上。在拾取半导体器件112之后，拾取头124与目标衬底118上的位置对准。在将半导体器件112放置在目标衬底118上的位置处之后，拾取头124然后与半导体器件112分离。
致动器122是机电部件，其基于来自控制器106的指令控制拾取头阵列104的移动。例如，致动器122可以以三个自由度来移动拾取头阵列104或单个拾取头124，该三个自由度包括上下、左右和前后。在各种实施例中，致动器122可以是例如旋转马达、线性马达或液压缸。
成像设备108促进从载体衬底114拾取半导体器件的视觉对准以及在目标衬底118上放置半导体器件的对准。例如，成像设备108生成拾取头阵列104和载体衬底114的图像，并将图像提供给控制器106。控制器106基于这些图像将拾取头阵列104的一个或更多个拾取头124与载体衬底114对准，并拾取安装在载体衬底114上的一个或更多个半导体器件112。作为另一示例，成像设备108生成拾取头阵列104的一个或更多个拾取头124和目标衬底118的图像，并将图像提供给控制器106。控制器106基于这些图像将一个或更多个拾取头124与显示器衬底118对准，并将附着到一个或更多个拾取头124的半导体器件112放置在显示器衬底118上。
在一些实施例中，成像设备108是环境扫描电子显微镜(ESEM)，以提供没有样本涂层的图像。在这些实施例中，环境102是包括含有水蒸气的高压气氛的ESEM腔室。SEM的使用有利于拾取和放置小的半导体器件，例如微LED管芯。在各种实施例中，可以使用其他类型的成像设备来促进对准。
在一些实施例中，载体台116和/或目标台120可以被调节以促进与拾取头阵列104的精确对准。例如，载体台116和/或目标台120可以包括三个自由度。自由度可以包括左右、向后向前以及偏航旋转自由度。载体衬底114与载体台116一起移动，并且显示器衬底118与目标台120一起移动。
系统100可以包括一个或更多个载体衬底114。例如，不同的载体衬底114可以承载不同颜色的LED管芯。载体衬底114可以是保持用于转移到显示器衬底118的单个化(singulated)的半导体器件112的载体膜。该系统可以包括一个或更多个目标衬底118。在一些实施例中，例如当目标衬底118是用于接收半导体器件112的显示器衬底时，目标台120包括加热器，用于在拾取头104将半导体器件112放置在显示器衬底118上之后，将半导体器件112的电触点焊盘与显示器衬底118进行热传导键合。在其他实施例中，目标衬底118是中间载体衬底，其用来促进半导体器件112与单独的显示器衬底118的直接键合(例如，使用直接键合工艺)。
在一些实施例中，系统100包括多个拾取头阵列104，每个拾取头阵列104位于单独的站(station)处。每个站可以专用于特定颜色LED的拾取和放置，例如绿色站用于绿色LED、红色站用于红色LED以及蓝色站用于蓝色LED等等。
如上面所讨论的，在一些实施例中，半导体器件112是微LED(以下称为μLED)。如本文所述，μLED是具有小的有源发光面积(例如，小于2,000μm2)和准直光输出的特定类型的LED。准直光输出增加了从小的有源发光面积发射的光的亮度水平。虽然本申请主要讨论μLED，但是在其他实施例中，半导体器件112可以包括具有镓半导体层的任何半导体器件，包括包含生长在衬底上的镓基外延层的半导体器件。
每个半导体器件112可以在衬底层128上形成。衬底层128可以是透明的衬底，例如玻璃衬底或蓝宝石衬底。在一些实施例中，衬底层128由不是光学透明但是对于不同的波长范围(例如，IR范围)是基本透明的材料(例如砷化镓(GaAs))形成。在一些实施例中，通过在衬底层128上生长镓半导体层来在衬底层128上形成半导体器件112。此处，镓半导体层是衬底层128上的外延层。在一些实施例中，半导体器件112被放置到载体衬底114上，它们被保持在载体衬底114上以促进将衬底层128与半导体器件112拆离。
激光投射器126用来通过将半导体器件112的邻近衬底层128的表面暴露给激光来将衬底层128与半导体器件112拆离。使用激光投射器126拆离衬底层128的过程在本文被称为激光剥离(LLO)操作。在一些实施例中，激光投射器126被配置成投射能够穿过衬底层128并被半导体器件112的镓半导体层吸收的激光。例如，激光投射器126可以投射能够穿过蓝宝石衬底层128以被半导体器件112的镓半导体层吸收的脉冲紫外激光。在衬底层128包括砷化镓的其他实施例中，激光投射器126投射IR激光。由激光投射器126投射的激光的吸收导致镓半导体层的一部分分离成其成分元素，并弱化半导体器件112的镓半导体层和衬底层128之间的键合，从而允许半导体器件112与衬底层128进行分离。
在一些实施例中，激光投射器126不是被配置成将激光投射穿过衬底层128，而是将激光投射在衬底层128与半导体器件112的镓半导体层的接合处。因此，投射的激光可能不需要穿过衬底层128。在这些实施例中，衬底层128可以包括对于激光投射器126投射的激光不基本透明的材料。
在一些实施例中，另一激光器(未示出)产生用于使载体衬底114上的半导体器件112单个化的激光。多个半导体器件112可以被制造在原生衬底(例如，衬底层128)上并在载体衬底114上被单个化。在一些实施例中，激光被引导穿过载体衬底114。载体衬底可以包括载带(carrier tape)或利用粘附力将半导体器件112保持在适当位置的其他粘合层。在一些实施例中，激光减小粘附力，以促进拾取头阵列104拾取半导体器件112。在一些实施例中，系统100包括用于将半导体器件112单个化的机械切块机(dicer)，例如基于金刚石的切割轮。
在一些实施例中，控制器106除了(例如，使用致动器122)控制拾取头阵列104的拾取头124的对准以外还可以控制环境102的温度。在一些实施例中，控制器106可以改变环境102的温度，以改变半导体器件112的温度。例如，控制器106可以操作在环境102中的一个或更多个加热线圈(未示出)，以使半导体器件112的温度升高。在其他实施例中，载体台116或其他部件可以包含能够直接加热一个或更多个半导体器件112的加热器。在一些实施例中，使用单独的温度控制器(未示出)来控制环境102的温度。
微LED结构
图2A-2C示出了根据一个实施例的μLED 200的示意性横截面。μLED200是LED的示例，其可以位于显示器衬底(例如，目标衬底118)的表面上，以发射准直的可见光或不可见光。
首先参考图2A，μLED 200包括在衬底层202(其可以对应于图1所示的衬底层128)上的外延结构250。外延结构250包括生长在衬底层202上的镓半导体层204、生长在衬底层202上的有源层208以及生长在有源层208上的另一半导体层252。在一些实施例中，镓半导体层204是n型半导体层，而半导体层252是p型半导体层。虽然在图2A中未示出，但是镓半导体层204可以包括电流限制层(current confinement layer)和电流扩散层(currentspreading layer)。此外，半导体层252可以是镓基的或其他的，可以包括电流限制层和与p触点216连接的接触层。在其他实施例中，半导体层204是p型半导体层，半导体层252是n型半导体层。此处，p触点216是n触点，n触点218是p触点。镓半导体层204包括发光面210，并且可以由包括镓的半导体材料(诸如氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)或砷化镓(GaAs))形成。
此外，电介质层214设置在镓半导体层204上，p触点216设置在电介质层214的第一部分上，n触点218设置在镓半导体层204的第二部分上。
如图2B所示，可以从μLED 200的镓半导体层204的表面去除衬底层202，以露出μLED 200的发光面210。在一些实施例中，使用激光剥离(LLO)工艺将衬底层202与镓半导体层204分离。
μLED 200的直径可以小于20μm，其中在晶圆加工过程中，在LED管芯上蚀刻抛物线结构，以形成从发光面210射出的类准直(quasi-collimated)光束。μLED 200具有相对高的光提取效率，并且由于其形状而输出类准直光。
在一些实施例中，外延结构250被成形为台面结构(mesa)206。有源(或发光)层208(或“有源发光面积”)被包括在台面结构206的结构中。台面结构206在与μLED 200的透光或发光面210相对的一侧上具有截顶。台面结构206还具有接近抛物线的形状以对在μLED 200内产生的光形成反射外壳。
图2C示出了在去除衬底层202之后的μLED 200。当去除了衬底层202时，μLED 200可以被放置在显示器衬底(未示出)上，并且被操作来发射光。箭头212示出了从有源层208发射的光如何以足以使光逸出μLED器件200的角度(即，在全内反射的角度内)从p触点216和台面结构206的内壁朝向发光面210反射。p触点216对从有源层208发射的光是反射性的。从有源层108发射的光的至少一部分穿过半导体层252，它在半导体层252被p触点216反射，并通过半导体层252和204透射回发光面210。台面结构206的抛物线形状导致反射光被准直，并且通过引导光在发光面210的临界角内入射到发光面210来提高提取效率。在操作期间，p触点216和n触点218将μLED 200连接到显示器衬底(未示出)。
如上面所讨论的，衬底层202可以对应于玻璃或蓝宝石衬底。在一个实施例中，外延结构250包括p掺杂的氮化镓(GaN)层(例如，半导体层252)、n掺杂的GaN层204(例如，半导体层204)，并且还包括在p掺杂的GaN层和n掺杂的GaN层之间的有源层208。有源层208可以包括多量子阱结构。衬底层202对于激光投射器126投射的激光是透明的，所投射的激光可以穿过衬底层202被施加到镓半导体层204。在另一个实施例中，衬底层202包括镓化合物，例如砷化镓(GaAs)。在该实施例中，镓半导体层204包括p掺杂的GaAs层、n掺杂的GaAs层，并且还包括在p掺杂的GaAs层和n掺杂的GaAs层之间的有源层208。在一些实施例中，μLED 200包括磷化镓(GaP)衬底202，以获得相对于GaAs增加的透明度，例如对于红色可见光LED而言。在一些实施例中，衬底层202是半导体衬底，例如硅衬底。当使用非透明衬底层202时，来自激光投射器126的激光可以施加在衬底层202和镓半导体层204的界面处，以分离这些层。
图3示出了根据一些实施例的μLED 300的简化示意图。μLED 300可以对应于图2A-2C中所示的μLED 200。如图3所示的μLED 300包括具有发光面310的镓半导体层302。此外，μLED 300包括一对电触点焊盘320，其可对应于图2A-2C所示的n触点218和p触点216。
控制激光参数以获得期望的表面粗糙度
如上所述，激光投射器可用于执行激光剥离操作，以将衬底层与镓半导体层的表面分离。激光投射器可以附加地或替代地用于改变镓半导体层的表面(例如，发光面)，以获得期望的表面特性，例如期望的粗糙度。表面粗糙度是指在表面法向矢量方向上的相对于理想平坦表面的偏差的量度。较大的偏差对应于较粗糙的表面，而较小的偏差对应于较光滑的表面。可以调节激光的各种参数，例如功率和点到点间距(dot-to-dot pitch)，使得激光以不同的方式与镓半导体层相互作用，进而产生具有不同特性的表面。镓半导体层的激光改性以获得期望的表面特性可以结合用于将衬底层与镓半导体层分离并暴露发光面的LLO工艺来执行。在另一个示例中，激光的单独应用可以用于分离衬底层并形成期望的表面特性。
图4示出了根据一个实施例的操作，其中较低功率的激光408用于在μLED 400的镓半导体层404上创建较平滑的表面。在图4所示的操作中，激光408对应于由图1所示的激光投射器126发射的激光，并且镓半导体层404对应于分别在图2A-2C和图3中示出的镓半导体层204、302。
在一些实施例中，镓半导体层404是镓半导体化合物。例如，在图4所示的实施例中，镓半导体层404是氮化镓(GaN)。在其他实施例中，镓半导体层404是不同的镓半导体化合物，例如砷化镓(GaAs)或磷化镓(GaP)。在一些实施例中，形成μLED 400的衬底的镓化合物的类型基于μLED的类型。μLED 400还包括形成在镓半导体404的与衬底层相对的表面上的一对电极406。电极406对应于图3所示的电触点焊盘320或图2A-2C所示的p触点216和n触点218。
在图4所示的操作中，已经调整了激光(图4中未示出)的参数，使得激光投射器发射具有较低功率的激光408。激光408被投射到镓半导体层404上，镓半导体层404吸收激光408的至少一部分。在一个实施例中，该操作作为激光剥离操作的一部分被执行，在这种情况下，当镓半导体层仍然附着到生长衬底时，激光408投射穿过生长镓半导体层的生长衬底(例如，分别在图1和2A-2C中示出的衬底层128或202)。在该实施例中，生长衬底(图4中未示出)由对激光408基本透明的材料形成，因此不吸收激光408的大部分。例如，激光可以是脉冲紫外(UV)激光，衬底层可以是蓝宝石衬底。在另一个实施例中，激光408朝向衬底层和镓半导体层404的接合处投射，而不穿过衬底层。在又一实施例中，该操作在去除衬底层之后执行。
激光408烧蚀镓半导体层404的表面。例如，如图4所示，镓半导体层404的表面处的氮化镓(GaN)材料在暴露于激光408时分解成其成分氮元素和镓元素。氮作为氮气410被释放，留下金属镓层412。因为激光投射器被配置成发射较低功率的激光408，所以激光408穿透并烧蚀镓半导体层404的相对浅的部分。结果，镓层412相对薄，并且在镓半导体层的表面上具有相对均匀的深度。
在形成镓层412之后，通过去除414镓层412来继续操作。例如，可以加热镓层412以使镓半导体层404和镓层412解除键合(debond)，然后执行清洗工艺以去除414镓层412。镓层412在大约40摄氏度的低温时熔化，使得轻微的加热就熔化镓层412并允许镓层412与镓半导体层404分离。在一些实施例中，加热与用于分离衬底层的LLO工艺相结合。例如，可以加热镓层412以使镓半导体层404和衬底层解除键合。在一个实施例中，去除414镓层412的清洗工艺是酸湿法蚀刻(例如，使用盐酸)。在另一个实施例中，清洗工艺是干法蚀刻。镓层412的去除414留下了光滑的表面416，因为如上所述，较低功率的激光408产生相对薄且具有相对均匀的深度的镓层412。较光滑的表面是有利的，例如，因为它提高了μLED400的光输出的准直性。
图5示出了根据一个实施例的操作，其中使用较高功率的激光在镓半导体层上创建较粗糙的表面。类似于图4所示的操作，图5所示的激光508对应于由图1所示的激光投射器126发射的激光，并且镓半导体层504对应于分别在图2A-2C和图3中示出的镓半导体层204、302。类似地，尽管镓半导体层504在图5中被标注为氮化镓(GaN)，但是在其他实施例中，镓半导体层504可以替代地是不同的镓半导体化合物，例如砷化镓(GaAs)或磷化镓(GaP)。
在图5所示的操作中，已经调整了激光(图4中未示出)的参数，使得激光投射器发射具有较高功率的激光508。激光508以与以上参照图4所述相同的方式投射到镓半导体层504上，并且激光508烧蚀镓半导体层404的表面，以将镓半导体层504分解成其成分氮510元素和镓512元素。因为激光投射器被配置成发射较高功率的激光508，所以激光508穿透并烧蚀镓半导体层504的较深部分。结果，镓层512较厚，并且在镓半导体层504的表面上具有不太均匀的深度。
在去除514金属镓层512之后，镓半导体层504的所得表面516比由图4所示的较低功率的操作产生的表面更粗糙。较粗糙的表面516可能是有利的，例如，因为它提高了提取效率并允许LED发射更大比例的所产生的光。当期望LED有定向光(directionalizedlight)输出时，例如当多个LED用于形成高分辨率显示设备的像素元件时，这可能是有用的。
图6是示出根据一个实施例的用于操作激光器以在镓半导体层上创建具有期望粗糙度的表面的过程600的流程图。过程600可以包括不同的和/或附加的步骤，或者一些步骤可以是不同的顺序。
过程600包括确定602LED的镓半导体层的表面的期望表面粗糙度。该表面可以是镓半导体层的发光面，或者某个其他表面。表面粗糙度是表面上沿表面的法向矢量方向的偏差的量度。例如，表面上较大的偏差对应于较粗糙的表面和较高的表面粗糙度值，而表面上较小的偏差对应于较光滑的表面和较低的表面粗糙度值。表面粗糙度可以被量化，例如，被量化为算术平均偏差(Ra)，它是相对于表面粗糙度轮廓的平均线的轮廓偏差的绝对值的算术平均。在各种实施例中，诸如图4所示的表面416的光滑表面具有大约Ra＝5nm(纳米)(例如，在3nm和7nm之间)的算术平均偏差，而诸如图5所示的表面516的粗糙表面具有大约Ra＝1000nm(例如，在950nm和1050nm之间)的算术平均偏差。表面粗糙度可以替代地被量化为均方根偏差(Rq)或某种其他粗糙度参数。
在获得602期望的表面粗糙度之后，过程600包括确定604激光参数以获得期望的表面粗糙度。在一个实施例中，过程600选择导致激光穿透镓半导体层至达到期望的表面粗糙度所需的深度的激光功率。在其他实施例中，过程600可以附加地或替代地确定激光的其他参数(例如点到点间距)的值。如本文所述，在激光以扫描图案投射到镓半导体层上的实施例中，点到点间距是激光的两个相邻脉冲之间的距离。当激光以扫描图案投射时，由单个激光脉冲覆盖的面积的粗糙度取决于激光的功率，而镓半导体层上粗糙度的均匀性取决于点到点间距。在一些实施例中，选择点到点间距，使得相邻脉冲具有基本均匀的重叠(即，不同组的相邻脉冲具有大致相同的重叠面积)，这导致镓半导体层上大致均匀的粗糙度。在其他实施例中，选择点到点间距，使得重叠基本上不均匀，这增加了表面粗糙度的局部变化。
操作606激光投射器，以用所确定的激光参数投射激光。如上参考图4和图5所述，激光投射器将激光投射到镓半导体层上，并且镓半导体层吸收激光的至少一部分。在一个实施例中，激光以扫描图案投射到镓半导体层上。激光烧蚀镓半导体层的表面，以在镓半导体层的表面上形成金属镓层。在一些实施例中，激光投射器结合分离衬底层的LLO工艺来操作。在其他实施例中，使用LLO工艺或某种其他工艺来去除衬底层，然后操作激光投射器来形成金属镓层。在操作606激光投射器以形成金属镓层之后，去除608金属镓层以暴露具有期望表面粗糙度的表面，例如LED的发光面。
虽然图4和图5中所示的示例示出了在LED 400、500的发光表面上执行该过程600，但是过程600可以附加地或替代地在LED的侧面或边缘上执行。在其他实施例中，过程600也可以被执行以在其他类型的半导体器件上实现期望的表面粗糙度。
控制激光参数以创建特征
以上参照图4-6描述的原理也可以用于在LED的镓半导体层上创建诸如沟槽、坑洞、透镜和反射镜的特征。图7A-7C示出了根据一个实施例的具有圆形沟槽特征708的LED700，该圆形沟槽特征708从发光面蚀刻到LED 700的镓半导体层中。类似于上述LED，LED700包括镓半导体层704和触点焊盘706。如上所述，镓半导体层704由诸如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)或磷化镓(GaP)的镓半导体化合物形成。
通过照射镓半导体层704的成环形的(ring-shaped)区域，然后去除所得的金属镓层702，将圆形沟槽特征708蚀刻到镓半导体层704的发光面中。来自激光投射器的辐射(irradiation)以与上述相同的方式烧蚀成环形的区域，并在该成环形的区域中形成金属镓层702，如分别在图7A和图7B的俯视图和侧视图中所示的。例如，在镓半导体层704由氮化镓(GaN)形成的实施例中，辐射导致被照射区域中的氮化镓(GaN)材料分解成氮气和金属镓。
在照射成环形的区域以形成金属镓702环(ring)之后，去除金属镓以在镓半导体层704中产生圆形沟槽特征708，如图7C所示。可以选择激光的参数，使得辐射穿透镓半导体704至期望的深度，这产生特定厚度的金属镓环。结果，在去除金属镓702之后，圆形沟槽特征708具有相似的深度。例如，为了创建相对浅的圆形沟槽特征708，以较低的功率操作激光投射器，使得辐射穿透镓半导体层704至相对浅的深度。类似地，为了创建较深的圆形沟槽特征708，以较高的功率操作激光投射器，使得辐射穿透镓半导体704至较深的深度。在一些实施例中，结合分离衬底层的LLO工艺来形成镓半导体层704。例如，可以用以下方式来照射发光面：与发光面的其他部分相比，发光面的与沟槽特征708相对应的部分被用更高的功率或更长的持续时间来照射。
在一些实施例中，圆形沟槽特征708通过执行多遍(multiple passes)来创建。换句话说，上述照射和去除步骤被连续执行多次，这使得圆形沟槽特征708的深度增加为随着每一遍而增加一定量。执行多遍有利地允许创建具有相对平滑的底表面的圆形沟槽特征708，因为每一遍可以在相对低的激光功率下执行。
例如，圆形沟槽特征708是有利的，因为它可以将光提取集中在由沟槽包围的圆形区域710中。如图7C所示，当由LED 700产生的光线712穿过镓半导体层704行进时，由LED700产生的一些光线712从圆形沟槽特征708的侧面向内反射。这使得额外的光线从LED的发光表面上的封闭圆形区域710从LED 700发射，这将LED的光提取集中在该圆形区域中。
图8-10示出了根据各种实施例的可以蚀刻到镓半导体层中的坑洞特征和透镜特征的示例。图8-10中所示的LED 800、900、1000中的每一个包括镓半导体层802、902、1002和触点焊盘804、904、1004，它们与上述LED中的相应部件具有相同的功能。LED 800、900、1000中的每一个还包括不同类型的特征，其可以改善LED的光提取和/或由LED发射的光的光束准直。
首先参考图8，示出了在其镓半导体层802中蚀刻有坑洞特征806的LED 800。坑洞特征806可以以类似于上面参照图7A-7C描述的圆形沟槽特征708的方式来创建。操作激光投射器来照射镓半导体层802的区域以创建金属镓，然后去除金属镓以产生坑洞特征806。在图8所示的示例中，坑洞特征806包括基本平坦的底表面和向内弯曲的壁。在一个实施例中，坑洞特征806是具有截短的基部的抛物面(即，坑洞的壁是抛物线状表面，坑洞的底表面是平面的)。为了创建弯曲的壁，可以改变激光的参数，使得激光在坑洞特征806的边缘附近穿透至较浅的深度。附加地或替代地，坑洞特征806的弯曲壁可以通过执行多遍来创建，其中，连续的每一遍都比前一遍照射更小的区域并从该更小的区域去除金属镓。
图8中所示的坑洞特征806是有利的，除了其他原因之外，是因为坑洞的形状可以提高由LED 800发射的光束的准直性。具体地，光束在穿过平坦的底表面时被折射，并且一些折射的光束被弯曲的侧壁反射。侧壁的曲率可以被成形为反射这些折射的光束，使得它们基本上垂直于LED 800的发光顶表面，这导致改善的光束准直。
接下来参考图9和图10，示出了具有透镜特征908、1008的LED 900、1000。图9中所示的LED 900具有平凸透镜特征908(即，具有面向发光面的一个凸面侧和一个平面侧的透镜)，图10中的LED 1000具有双凸透镜特征1008(即，具有两个凸面侧的透镜)。两个透镜特征908、1008的形状可以改善光束准直和光提取。
这些LED上的透镜特征908、1008是通过首先在镓半导体层902、1002中以与上面关于坑洞特征806和沟槽特征708描述的相同方式蚀刻出凹坑洞(即，照射镓半导体层并去除所得的金属镓)而创建的。在凹坑洞被蚀刻到镓半导体层902、1002中之后，涂层906、1006被施加到镓半导体层902、1002上。涂层906、1006由具有高折射率的材料制成。
为了创建图9所示的平凸透镜特征908，涂层906以创建基本平坦的顶表面的方式被施加在镓半导体层902的顶部发射表面上。涂层906的底表面的一部分与凹坑洞接触。结果，涂层906具有平凸透镜的形状，因为涂层906的底表面具有凸面形状，而涂层906的顶表面是平面的。
在一个实施例中，图10所示的双凸透镜特征1008通过使用一个或更多个微定位器(能够将材料定位在非常精细的界限内的器件)来单独沉积形成涂层的材料而创建。在沉积材料之后，材料被处理(例如，通过固化材料)以形成硬化的透镜形状的涂层1006。
在另一个实施例中，双凸透镜特征是通过在蚀刻凹坑洞之后在镓半导体层的顶表面上沉积材料薄膜，然后加热并回流(re-flow)该材料而创建的。加热和回流过程使材料在凹坑洞中聚结，表面张力使材料形成双凸透镜形状。
上述的沟槽、坑洞和透镜特征中的每一个都是通过照射LED的镓半导体层的一部分，然后去除产生的金属镓而创建的。还可以操作激光投射器，通过照射镓半导体层的区域而不去除金属镓(这允许金属镓保留为LED的一部分并起到反射镜的作用)，在LED上创建反射镜特征。
图11A-11B示出了根据一个实施例的环形(annular)反射镜特征1106的示例。图11A示出了具有环形反射镜特征1106的LED 1100的俯视图，图11B示出了LED 1100的侧视图。类似于上述LED，图11A-11B所示的LED 1100包括镓半导体层1102(例如氮化镓层)和触点焊盘1104。环形反射镜特征1106是通过照射镓半导体层1102的发光表面的环形区域(如图11A的俯视图所示)而创建的。如关于其他类型的特征所描述的，照射环形区域在环形区域中创建金属镓层。
在照射环形区域之后，省略了镓去除步骤，因此金属镓层留在LED1100的发光表面上。金属镓层形成环形反射镜特征1106。因为金属镓反射光，撞击环形反射镜特征1106的底表面的光束被反射回镓半导体层1102中，而不是从LED 1100射出。环形反射镜特征1106的环形形状反射原本会以相对高的角度从LED 1100射出的光束。结果，环形反射镜特征1106增加了LED的光束准直。例如，图11B中所示的最左边和最右边的光束撞击环形反射镜特征1106的底表面，并被反射回镓半导体层1102中，而中间的三个光束从LED 1100射出。
图12示出了根据一个实施例的LED 1200的示例，LED 1200包括镓半导体层1202、触点焊盘1204和侧反射镜特征1206。通过从侧面和背面照射镓半导体层1202来创建侧反射镜特征1206。在一个实施例中，在镓半导体层1202生长在生长衬底上之后并且在触点焊盘1204生长之前，激光被投射到镓半导体层1202上。在另一个实施例中，图1所示的载体衬底114和载体台116都由对激光基本透明的材料形成，并且激光从载体衬底114和载体台下方投射到镓半导体层1202的背面上。
侧反射镜特征1206是有利的，例如，因为它反射来自镓半导体层1202的除了发光表面之外的每个表面的光束。结果，更大比例的光束从发光表面发射，而更小得多比例的光束从其他表面发射，这改善了LED 1200的光提取。在一些实施例中，侧反射镜特征1206使得几乎所有光束都从发光表面发射。
图13是示出根据一个实施例的用于操作激光器以在LED的镓半导体层中创建一个或更多个特征的过程1300的流程图。过程1300可以包括不同的和/或附加的步骤，或者一些步骤可以是不同的顺序。
过程1300包括确定1302要在LED的一个或更多个表面(例如发光面)中创建的特征。如以上示例中所述，该特征可以是在镓半导体层的发光面处形成的沟槽、坑洞、透镜或反射镜。每个特征与期望的深度相关联，并且占据镓半导体层的区域。例如，关于图7A-7C描述的圆形沟槽特征708占据镓半导体层的成环形的区域。类似地，关于图8描述的坑洞特征806占据圆形区域，并且关于图11A-11B描述的环形反射镜特征1106占据环形区域。
确定1304激光参数，使得激光穿透镓半导体层以在镓半导体层中形成具有期望深度的凹陷区域，并且操作激光投射器以将具有所确定的激光参数的激光施加1306到LED的镓半导体层。向镓半导体层施加激光照射镓半导体层以形成凹陷区域和凹陷区域中的金属镓层。在一些实施例中，凹陷区域包围镓半导体层的发光面的一部分，并且还排除发光面的一部分(即，不是照射整个发光表面)。在其他实施例中，可以照射整个发光面，例如当结合用于衬底层的LLO工艺来执行特征的创建时。此处，相比其他部分，发光面的对应于特征的部分可以用更大的功率、持续时间、附加周期等照射。
辐射烧蚀镓半导体层的区域，并将镓半导体层分离成其组成成分，该组成成分包括金属镓层。如上所述，激光参数可以包括激光的功率。较高功率的激光穿透至镓半导体层中较深的深度，而较低功率的激光穿透至较浅的深度，但是导致具有更均匀的厚度的金属镓层。
如果正被创建的特征是反射镜特征，则金属镓层留在镓半导体层上。如果正在创建另一种类型的特征，则在镓清洗操作(例如，酸湿法蚀刻或干法蚀刻)中去除1308金属镓层。将激光施加1306到镓半导体层的区域和去除1308金属镓的步骤一起具有将结构蚀刻到镓半导体层中的效果。例如，图7A-7C所示的圆形沟槽特征708和图8所示的坑洞特征806都以这种方式被蚀刻到镓半导体层中。
可以在镓半导体层上施加1310涂层。例如，如果正在创建透镜特征，则涂层是具有高折射率的材料，其被施加使得涂层的一侧与(例如，通过上述的照射步骤1306和去除步骤1308)蚀刻到镓半导体层中的凹坑洞接触，并且涂层的相对侧具有平坦形状或凸面形状。这导致涂层具有平凸透镜或双凸透镜的形状。在一些实施例中，省略了施加1310涂层的这一步骤。例如，当创建分别在图7A-7C、图8和图11-12中示出的沟槽、坑洞和反射镜特征时，可以省略步骤1310。
其他配置考虑因素
如本文所使用的，术语基本上(substantially)和大致(approximately)表示一个量与固定值的差异不超过阈值。阈值可被定义为与固定值的百分比偏差或以与固定值相同的单位度量的数值偏差。类似地，当多个值被描述为基本上或大致相同时，术语基本上和大致表示这些值彼此偏离不超过阈值。例如，当相邻脉冲被描述为具有大致相同的重叠面积时，最小重叠面积与最大重叠面积的差异不超过阈值百分比或阈值面积。
为了说明的目的提出了实施例的前述描述；它并不旨在是无遗漏的或将专利权利限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导性的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明的主题。因此，意图是本专利权利的范围不受该详细描述限制，而是受在基于此的申请上所发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开内容意图对本专利权利的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附的权利要求中阐述了本专利权利的范围。

Claims (19)

1.一种方法，包括：
确定发光二极管(LED)的镓半导体层的发光面的期望粗糙度；
确定激光的一个或更多个激光参数以当激光被投射到所述镓半导体层的发光面上时，获得所述期望粗糙度，所述激光参数包括激光的功率；
操作激光投射器以将具有所确定的激光参数的激光施加到所述镓半导体层的发光面上，所述镓半导体层的一部分吸收激光以在所述发光面处形成金属镓层；和
去除所述金属镓层以暴露具有所述期望粗糙度的发光面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述镓半导体层包括氮化镓。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光投射器投射脉冲紫外(UV)激光。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光投射器在所述镓半导体层附着到生长衬底时被操作，所述镓半导体层在所述生长衬底上生长，并且激光通过所述生长衬底透射到所述镓半导体层的发光面，并且所述方法还包括熔化所述金属镓层以使所述镓半导体层和所述生长衬底解除键合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望粗糙度是3nm和7nm之间的算术平均偏差。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望粗糙度是950nm和1050nm之间的算术平均偏差。
7.一种发光二极管(LED)，其包括镓半导体层，并且通过包括以下步骤的工艺制造：
获得所述镓半导体层的发光面的期望粗糙度；
确定激光的一个或更多个激光参数以当激光被投射到所述镓半导体层的发光面上时，获得所述期望粗糙度，所述激光参数包括激光的功率；
操作激光投射器以将具有所确定的激光参数的激光施加到所述镓半导体层的发光面上，所述镓半导体层的一部分吸收激光以在发光面处形成金属镓层；和
去除所述金属镓层以暴露具有所述期望粗糙度的发光面。
8.一种方法，包括：
确定与发光二极管(LED)的镓半导体层的发光面中的特征相关联的期望深度；
确定由激光投射器发射的激光的一个或更多个激光参数，以当激光被投射到所述镓半导体层的发光面上时，形成所述镓半导体层的凹陷区域，所述凹陷区域具有与所述特征相关联的所述期望深度；和
根据所确定的激光参数操作所述激光投射器，以将激光施加到所述镓半导体层的发光面上，所述镓半导体层的一部分吸收激光，以形成所述镓半导体层的所述凹陷区域和所述凹陷区域中的金属镓层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述特征是包括所述金属镓层的环形反射镜特征，所述金属镓层具有环形形状。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
从所述镓半导体层的所述凹陷区域去除所述金属镓层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述特征是在所述镓半导体层的发光面处的成环形的沟槽特征。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述特征是在所述镓半导体层的发光面处的坑洞特征，所述坑洞特征具有抛物线状的侧表面和平坦的底表面。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在从所述镓半导体层的所述凹陷区域去除所述金属镓层之后，向所述镓半导体层施加涂层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，从所述凹陷区域去除所述金属镓层暴露出凹坑洞，其中，所述涂层的第一表面与所述凹坑洞接触并且具有凸面形状，其中，所述涂层的与所述第一表面相对的第二表面具有平面形状，并且其中，所述特征是包括所述涂层的平凸透镜。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，从所述凹陷区域去除所述金属镓层暴露出凹坑洞，其中，所述涂层的第一表面与所述凹坑洞接触并且具有凸面形状，其中，所述涂层的与所述第一表面相对的第二表面具有凸面形状，并且其中，所述特征是包括所述涂层的双凸透镜。
16.一种发光二极管，其包括镓半导体层，在所述镓半导体层中具有特征，并且所述发光二极管通过包括以下步骤的工艺制造：
确定与所述LED的镓半导体层的发光面中的特征相关联的期望深度；
确定由激光投射器发射的激光的一个或更多个激光参数，以当激光被投射到所述镓半导体层的发光面上时，形成所述镓半导体层的凹陷区域，所述凹陷区域具有与所述特征相关联的所述期望深度；和
根据所确定的激光参数操作所述激光投射器，以将激光施加到所述镓半导体层的发光面上，所述镓半导体层的一部分吸收激光以形成所述镓半导体层的所述凹陷区域和所述凹陷区域中的金属镓层。
17.根据权利要求16所述的LED，所述工艺还包括：
从所述镓半导体层的所述凹陷区域去除所述金属镓层。
18.根据权利要求17所述的LED，所述工艺还包括：
在从所述镓半导体层的所述凹陷区域去除所述金属镓层之后，向所述镓半导体层施加涂层。
19.根据权利要求18所述的LED，其中，从所述凹陷区域去除所述金属镓层暴露出凹坑洞，其中，所述涂层的表面与所述凹坑洞接触并且具有凸面形状，并且其中，所述特征是包括所述涂层的透镜。
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