JP6104915B2

JP6104915B2 - 半導体発光デバイスの表面処理

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Publication number: JP6104915B2
Application number: JP2014534016A
Authority: JP
Inventors: イウェンロン; ジェームスゴードンネフ; タクセンタン
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-10-01
Also published as: EP2748870B1; EP2748870A1; US9484497B2; US9159876B2; CN104040735A; US20170012170A1; JP2015501530A; US20140235002A1; WO2013050917A1; US10002988B2; JP2017139472A; CN104040735B; US20160072014A1

Description

本発明は、デバイスの表面を処理することにより半導体発光デバイスにより出射される光束の量を制御することに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤｓ）と、共振キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤｓ）と、例えば面発光レーザなどの垂直キャビティレーザダイオード（ＶＣＳＥＬｓ）と、端面発光レーザとを含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光デバイスの製造において、現在関心のある材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素のＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる２元、３元、及び４元の合金を含む。通常、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術によって、種々異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックをサファイヤ、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板の上にエピタキシャルに成長させることにより製作される。スタックは、しばしば基板の上に形成された例えばＳｉでドープされた一つ以上のｎ型層、１つ又は複数のｎ型層にわたって形成された活性領域における一つ以上の発光層、及び活性領域の上に形成された例えばＭｇでドープされた一つ以上のｐ型層を含む。電気コンタクトは、ｎ型及びｐ型領域の上に形成される。

図１は、ＵＳ７，２５６，４８３により詳細に説明された発光デバイスを示す。図１のデバイスを形成するために、従来のＬＥＤは、成長基板の上に形成される。各ＬＥＤダイは、ｎ型層１６、活性層１８、及びｐ型層２０を含む。金属（ボンディング金属が加わった金属化層）２４は、ｐ型層に接触する。ｐ型層２０、活性層１８、及び場合により金属２４の一部は、ＬＥＤ形成プロセスの間に、エッチング除去され、金属５０は、ｐ型コンタクト金属２４と同じ側でｎ型層１６に接触する。アンダーフィル材５２は、ＬＥＤ間の温度勾配を低減し、アタッチメントに機械的強度を加え、及び汚染物質がＬＥＤ材料に接触するのを防止するために、ＬＥＤの下部の隙間（ボイド）に堆積されてもよい。金属化層５０及び２４は、それぞれパッケージ基板１２上の金属コンタクトパッド２２Ａ及び２２Ｂに接合される。パッケージ基板１２は、電気絶縁材料ＡｌＮから形成され、金属コンタクトパッド２２Ａ及び２２Ｂが、ビア２８Ａ及び２８Ｂ、並びに／又は金属トレースを使用して、はんだ付け可能な電極２６Ａ及び２６Ｂに接続されている。成長基板は除去され、その後、ＬＥＤの発光上面（ｎ型層１６）は、増大された光抽出のために粗化される。例えば、層１６は、ＫＯＨ溶液４６を使用して、光電気化学的にエッチングされてもよい。

本発明の目的は、デバイスからの光束の最大量を制御することができる発光デバイスを提供することである。

本発明の実施形態による方法は、半導体構造の表面を粗化するステップを含む。半導体構造は、発光層を含む。粗面は、光が半導体構造から抽出される表面である。いくつかの実施形態では、粗化した後、表面は、表面での内部全反射又は吸収を増加させるために処理される。いくつかの実施形態では、粗化した後、表面は、表面を通して半導体構造から抽出される光の量を減らすために処理される。

図１は、成長基板が除去されたＬＥＤを例示する。図２は、空気とＩＩＩ族窒化物材料との間の界面での光の挙動を例示する。図３は、空気と粗化されたＩＩＩ族窒化物材料との間の界面での光の挙動を例示する。図４は、本発明の実施形態に従って処理されたＩＩＩ族窒化物材料と空気との間の界面での光の挙動を例示する。図５は、本発明の実施形態によるデバイスの断面図である。図６は、粗化した後のＩＩＩ族窒化物表面を例示する。図７は、本発明の実施形態による処理の後のＩＩＩ族窒化物表面を例示する。図８は、光出力を、低電力及びより高い電力でのプラズマ処理に対する処理時間の関数として例示する。

図２で例示されるように、ＩＩＩ族窒化物材料と空気との間の屈折率の違いは、滑らかな界面で内部全反射を引き起こす。約２．４の屈折率を持つＩＩＩ族窒化物材料３０と約１の屈折率を持つ空気３２との間の滑らかな界面で、成長方向に対して小さな角度で出射された光３４は、ＩＩＩ族窒化物材料を出ていく。視射角で出射された光３６は、界面で全反射され、デバイス内に吸収されて消失される。

デバイスからの抽出を向上させるために、図１を参照して上記に説明されたように、ＩＩＩ族窒化物材料の上面は、粗化される。粗化された界面に向かって視射角で出射された光３８の挙動は、図３に例示されている。ＩＩＩ族窒化物材料３０の粗い表面のために、成長方向に対して視射角で出射された光は、空気３２に逃げることができる角度で、ＩＩＩ族窒化物材料３０の表面と直面する。

しかしながら、光電気化学（ＰＥＣ）エッチングによるＩＩＩ族窒化物表面の粗化は、制御するのが難しい。ほとんどの実用目的に対して、抽出量を調整するのが難しいため、光の抽出は、ＰＥＣエッチングでのみ最大にすることができる。いくつかのアプリケーション、例えば自動車へのアプリケーションは、越えることができない特定の最大光束を必要とする。上記に説明されたような粗化された上面を持つ最新型の高出力ＬＥＤは、これらのアプリケーションには明るすぎる可能性がある。

本発明の実施形態によると、半導体発光デバイスの粗面は、ＬＥＤから抽出された光束の量を減らすために処理される。図４に例示されるように、処理は、界面で幾らかの内部全反射を再導入する、又は吸収をもたらす表面を作り出すことができる。図３で例示されるように、粗化は、山部を形成する。図４に例示されるように、本発明の実施形態による粗化後の処理は、これら山部の上端部４４を平坦化することができる。山部の急勾配な側面４２に当たる視射角光は、ＩＩＩ族窒化物材料３０から空気３２に抽出される。例示されるように、平坦化された上端部４４に当たる視射角光４０は、内部全反射を受ける。内部反射された光は、吸収される。

図５は、本発明の実施形態による半導体発光デバイスを例示する。以下の考察において、半導体発光デバイスは、青色又はＵＶ光を出射するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであるが、例えばレーザダイオードなどのＬＥＤを除く半導体発光デバイス、及び例えば他のＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＺｎＯ、又はＳｉ系材料などの他の材料系から作られた半導体発光デバイスが使用されてもよい。

図５に例示されるデバイスは、当該技術分野で知られているように、まず半導体構造を成長基板（図５に不図示）の上に成長させることによって形成される。成長基板は、例えばサファイヤ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、又は複合基板などの任意の適切な基板でもよい。半導体構造は、ｎ型領域４６とｐ型領域４８Ａ、４８Ｂとの間に挟まれた発光又は活性領域４７Ａ、４７Ｂを含む。ｎ型領域４６が最初に成長し、例えばバッファ層若しくは核生成層などの調整層、並びに／又は、成長用基板を容易に除去できるように設計された層、これはｎ型でもよく若しくは意図的にドーピングされていなくてもよい、並びに発光領域が効率的に光を出射するのに望ましい特定の光学的材料、若しくは電気的特性のために設計されたｎ型あるいはｐ型デバイス層を含む種々異なる組成及びドーパント濃度の複数の層を含んでもよい。発光又は活性領域４７は、ｎ型領域４６の上に成長する。適切な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層、又はバリア層によって分離された複数の薄い若しくは厚い発光層を含む複数の量子井戸発光領域を含む。ｐ型領域４８Ａ、４８Ｂは、その後、発光領域４７の上に成長してもよい。ｎ型領域４６の様に、ｐ型領域４８Ａ、４８Ｂは、意図的にドーピングされていない層、又はｎ型層を含む種々異なる組成、厚さ、及びドーパント濃度の複数の層を含んでもよい。デバイスにおける全ての半導体材料の総厚は、いくつかの実施形態では１０μｍ未満であり、いくつかの実施形態では６μｍ未満である。

反射金属ｐ型コンタクト８０Ａ、８０Ｂは、ｐ型領域４８Ａ、４８Ｂの上に形成される。半導体構造は、その後、標準フォトリソグラフィック工程によってパターン化され、金属ｎ型コンタクト８２Ａが形成されるｎ型領域の表面を露出する少なくとも一つのメサを形成するために、ｐ型領域の全厚の一部及び発光領域の全厚の一部を除去するためにエッチングされる。図５に例示される３つのｎ型コンタクト８２Ａ乃至８２Ｃによって示されるように、複数のｎ型コンタクトが配置されてもよく、又は単一のｎ型コンタクトが形成されてもよい。ｎ型コンタクト８２及びｐ型コンタクト８０は、ギャップ５４Ａ乃至５４Ｄによって電気的に絶縁されてもよく、ギャップは、空気、周囲ガス、又は例えばシリコンの誘電体若しくは酸化物などの固体材料で満たされてもよい。メサ並びにｐ型及びｎ型コンタクトは、任意の適切な態様で形成されてもよい。メサ並びにｐ型及びｎ型コンタクトの形成は、当該技術分野の当業者によく知られている。デバイスのウエハ上のデバイス間の領域において、半導体構造は、絶縁層、これは半導体構造の一部である絶縁半導体層でもよい当該絶縁層、又は成長基板までエッチングされる。ｐ型及びｎ型コンタクトは、当該技術分野で知られているように、少なくとも２つの大きな電気パッドを形成するために絶縁層のスタック及び金属によって再配置されてもよい。電気パッドの一方は、半導体構造のｐ型領域に電気的に接続され、電気パッドの他方は、半導体構造のｎ型領域に電気的に接続される。電気パッドは、例えば銅、金、及び合金を含む任意の適切な導電性材料でもよい。電気パッドは、例えば誘電体、空気、又は他の周囲ガスなどの絶縁体で満たされたギャップによって、互いに電気的に絶縁される。コンタクト及び電気パッドを再配置するのに用いられる層のスタックは、当該技術分野でよく知られているので、図５に示されていない。

コンタクト８０Ａ、８０Ｂ、及び８２Ａ乃至８２Ｃがマウントと半導体構造の間にあるように、半導体構造は、マウント５６に取付けられる。いくつかの実施形態では、図１を参照して上記に説明されたように、デバイスのウエハは、個々のデバイス又はデバイスのグループにダイシングされ、その後、ダイシングされたデバイス又はグループは、マウントに取付けられる。これらの実施形態では、マウントは、しばしば個々のデバイス又はデバイスのグループよりも大きい。いくつかの実施形態では、デバイスのウエハは、ウエハ・スケール上のマウントに取付けられ、その後、更なる処理の後、デバイスのウエハ及びマウントは、個々のデバイス又はデバイスのグループに同時にダイシングされる。これらの実施形態では、マウントは、個々のデバイス又はデバイスのグループと同じサイズである。ダイシングは、例えばレーザスクライブでのスクライブ・アンド・ブレイク又はソーイングなどの任意の適切な方法によって実行することができ、これは当該技術分野でよく知られている。マウントは、例えば導電性ビアを有する例えばセラミック・マウント若しくはウエハ、シリコン・マウント若しくはウエハを含む半導体構造を機械的に支持する任意の適切な構造、又は例えばプレーティングによって形成された半導体構造を機械的に支持する厚い金属接合パッドでもよい。いくつかの実施形態では、マウント５６は、半導体発光デバイスをＰＣボードなどの基板に取付けるのに適した自立構造である。例えば、半導体構造の反対側のマウント５６の表面（図５においてマウント５６の底面）は、リフローはんだ付け可能でもよい。

成長基板は、任意の適切な技術によって除去される。例えば、成長基板は、レーザリフトオフ、エッチング、グラインディングなどの機械技術、又は技術の組合せによって除去されてもよい。成長基板を除去することによって露出する半導体構造の表面５８、概してｎ型領域４６の表面は、例えばＰＥＣエッチングによって、任意選択で薄くされ、粗化されてもよい。図６は、ＰＥＣエッチングによって粗化された表面５８を例示する。

図７に例示されるように、図６の表面５８は、その後、抽出を減らすために処理される。いくつかの実施形態では、表面５８は、図７に例示されるように、ＰＥＣエッチングによって形成された山部を平坦化できるプラズマで処理される。任意の適切な標準の市場で入手可能なプラズマエッチング及び／又はクリーニングシステムが用いられてもよい。使用されるプラズマは、例えばＡｒ、Ｏ、及び混合物を含む、任意の適切なプラズマである。図６に例示されるスパイク状の特徴は、図７のプラズマ処理によって滑らかにされてもよく、これは界面でより多くの内部全反射をもたらし、デバイスからの抽出を減らすことができる。プラズマ処理は、物理的（すなわちスパッタエッチング）若しくは化学的（すなわち化学エッチング）のいずれか、又は物理的エッチング及び化学エッチングの組合せでもよい。

図８は、光出力を、５００Ｗ及び６００Ｗのプラズマで処理されたＩＩＩ族窒化物デバイスの表面に対するプラズマ処理時間の関数として例示する。図の左側の４点は、５００Ｗのプラズマで処理された表面に対する光出力を例示し、図の右側の４点は、６００Ｗのプラズマで処理された表面に対する光出力を例示する。図８は、光出力又は抽出の量が、処理時間におおよそ線形に比例することを例示している。表面がいずれのエネルギーのプラズマで処理されればされるほど、光は、表面から抽出されなくなる。加えて、抽出の減少は電力と比例し、所定時間のより高い電力での処理は、同じ時間のより低い電力での処理よりも抽出を減少させた。発明者は、光出力を最大値（すなわち任意の処理をしていない粗面からの光出力）の３０％減らすことができることを観察した。

下記の表は、粗化後にプラズマ処理をしていない粗面を、６００Ｗのプラズマで６０秒処理された粗面と比較している。Ｒａは表面の平均粗さであり、Ｒｍａｘは表面特徴の最大高さである。光出力は、任意のユニットで与えられる。

上記の表に例示されるように、光出力及び表面粗さは両方とも、処理された表面に対して減少する。例えば、本発明の実施形態による処理の結果として、平均表面粗さは、いくつかの実施形態では少なくとも１０％、いくつかの実施形態では少なくとも２０％、いくつかの実施形態では少なくとも３０％減少される。本発明の実施形態による処理の結果として、表面特徴の最大高さは、いくつかの実施形態では少なくとも２０％、いくつかの実施形態では少なくとも３０％、いくつかの実施形態では少なくとも４０％減少される。

上記に説明されたように、粗化後の処理の後、例えばフィルタ、レンズ、二色性材料、又は波長変換材料などの一つ以上の任意選択の構造が、処理された表面の上に形成されてもよい。波長変換材料は、発光デバイスによって出射され波長変換材料に入射する光の全て又は一部のみが波長変換材料によって変換されるように形成されてもよい。発光デバイスによって出射された変換されていない光は、その必要はないが、光の最終スペクトルの一部になってもよい。一般的な組合せの例は、黄色発光波長変換材料と組み合わされた青色発光ＬＥＤ、緑色及び赤色発光波長変換材料と組み合わされた青色発光ＬＥＤ、青色及び黄色発光波長変換材料と組み合わされたＵＶ発光ＬＥＤ、並びに青色、緑色及び赤色発光波長変換材料と組み合わされたＵＶ発光ＬＥＤを含む。他の色の光を発する波長変換材料は、デバイスから出射された光のスペクトルを調整するために加えられてもよい。波長変換材料は、従来の蛍光体粒子、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族若しくはＩＩＩ−Ｖ族半導体、又はＩＩ−ＶＩ族若しくはＩＩＩ−Ｖ族半導体の量子ドット、ナノ結晶、染料、ポリマー、若しくは発光するＧａＮなどの材料でもよい。蛍光体粒子は、いくつかの実施形態では、５〜５０μｍの間の平均直径を有してもよい。例えばＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（ＹＡＧ）、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（ＬｕＡＧ）、Ｙ_３Ａｌ_５―ｘＧａ_ｘＯ_１２：Ｃｅ（ＹＡｌＧａＧ）、（Ｂａ_１―ｘＳｒ_ｘ）ＳｉＯ_３：Ｅｕ（ＢＯＳＥ）などのガーネット系蛍光体、並びに例えば（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ及び（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕなどの窒化物系蛍光体を含む、任意の適切な蛍光体が用いられるが、これらに限定されない。

本発明は詳細に説明されているため、当業者は、本開示を前提として、ここに説明された発明の概念の主旨から離れることなく、変更が本発明に行われ得ること理解するであろう。従って、本発明の範囲が、例示された及び説明された特定の実施形態に限定されることは意図されていない。

Claims

半導体構造の光抽出表面を粗化するステップであって、前記半導体構造は前記表面上に複数の山部が形成された発光層を有する、ステップと、
前記粗化するステップの後で、前記半導体構造の中の内部全反射と前記表面での吸収のうち少なくとも一つを増加することによって、前記光抽出表面から抽出される光の量を減らすために前記粗化された光抽出表面を処理するステップと、
を有し、
前記光抽出表面の平均表面粗さは、少なくとも１０％減少され、かつ、表面特徴の最大高さは、少なくとも２０％減少される、
方法。
前記表面を処理するステップは、前記表面をプラズマで処理するステップを有する、請求項１に記載の方法。
前記プラズマは、Ａｒ及びＯの少なくとも一つを有する、請求項２に記載の方法。
前記表面を処理するステップは、前記表面を通した光抽出を減らすために前記表面を処理するステップを有する、請求項１に記載の方法。
前記半導体構造を成長基板の上に成長させるステップと、
前記半導体構造をマウントに取付けるステップと、
前記成長基板を除去するステップと、を更に有し、
前記粗化された表面は、前記成長基板を除去することによって露出される表面である、請求項１に記載の方法。
表面を粗化するステップは、複数の山部を持つ表面を形成するステップを有し、
前記表面を処理するステップは、前記複数の山部の上端部を平坦化するステップを有する、
請求項１に記載の方法。
前記処理された表面の上に波長変換材料を配置するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
表面上に複数の山部を形成するように半導体構造の光抽出表面を粗化するステップであって、前記半導体構造は発光層を有する、ステップと、
前記粗化するステップの後で、前記表面を通して前記半導体構造から抽出される光の量を減らすために前記粗化された光抽出表面を処理するステップと、
を有し、
前記光抽出表面の平均表面粗さは、少なくとも１０％減少され、かつ、表面特徴の最大高さは、少なくとも２０％減少される、
方法。
前記表面を処理するステップは、前記表面をプラズマで処理するステップを有する、請求項８に記載の方法。
前記プラズマは、Ａｒ及びＯの少なくとも一つを有する、請求項９に記載の方法。
前記半導体構造を成長基板の上に成長させるステップと、
前記半導体構造をマウントに取付けるステップと、
前記成長基板を除去するステップと、を更に有し、
前記粗化された表面は、前記成長基板を除去することによって露出される表面である、
請求項８に記載の方法。
表面を粗化するステップは、複数の山部を持つ表面を形成するステップを有し、
前記表面を処理するステップは、前記複数の山部の上端部を平坦化するステップを有する、
請求項８に記載の方法。
ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を有する半導体構造を成長基板の上に成長させるステップと、
前記成長基板を除去するステップと、
表面上に複数の山部を形成するように前記半導体構造の光抽出表面を粗化するステップと、
前記粗化された光抽出表面をプラズマで処理するステップと、
を有し、
前記光抽出表面の平均表面粗さは、少なくとも１０％減少され、かつ、表面特徴の最大高さは、少なくとも２０％減少される、
方法。
前記粗化された光抽出表面をプラズマで処理するステップは、前記表面で内部全反射をもたらすために前記表面を処理するステップを有する、請求項１３に記載の方法。
前記粗化された光抽出表面をプラズマで処理するステップは、前記表面で光吸収を増加するために前記表面を処理するステップを有する、請求項１３に記載の方法。
前記粗化された光抽出表面をプラズマで処理するステップは、前記表面からの光抽出を減らすために前記表面を処理するステップを有する、請求項１３に記載の方法。
前記粗化された光抽出表面は、前記ｎ型領域の表面である、請求項１３に記載の方法。
前記プラズマは、Ａｒ及びＯのうちの１つを有する、請求項１３に記載の方法。