TWI644457B - 具成型基板之半導體發光裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之實施例包含一基板及生長於該基板上之一半導體結構。該半導體結構包含經安置於一n型區域與一p型區域之間之一發光層。該基板包含一第一側壁及一第二側壁。該第一側壁及該第二側壁係相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置。一反射層經安置於該等側壁之一者上方。

Description

具成型基板之半導體發光裝置
本發明係關於一種可具有經改良光提取之半導體發光裝置。
包含發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射之半導體發光裝置係在當前可用之最有效光源當中。在能夠跨越可視光譜操作之高亮度發光裝置之製造中的當前所關注之材料系統包含III至V族半導體，特定言之鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金，亦被稱為III族氮化物材料。通常，藉由以下方式製作III族氮化物發光裝置：藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術在一藍寶石、碳化矽、III族氮化物或其他適合基板上磊晶生長具有不同組合物及摻雜劑濃度之半導體層之一堆疊。該堆疊通常包含形成於基板上方之摻雜有(例如)Si之一或多個n型層、在一主動區域中形成於該或該等n型層上方之一或多個發光層及形成於該主動區域上方之摻雜有(例如)Mg之一或多個p型層。電觸點形成於該等n型及p型區域上。
圖1圖解說明一已知LED。在磊晶結構生長於生長基板2上之後，金屬觸點形成於該磊晶結構上且裝置相對於生長方向翻轉且附接至一座架5。在圖1中，磊晶結構及金屬觸點展示為方塊3。一磷光體層4形成於基板2上方。磷光體層4吸收由磊晶結構之發光層發射之光且發射 一不同波長之光。一透鏡6安置於LED及座架5上方。
在圖1中所圖解說明之裝置中，自LED提取之大部分光自基板側(與磊晶結構側相對)提取。由發光層朝向金屬觸點發射之光可在離開該結構之前部分地由一反射p觸點反射。p觸點可覆蓋與基板相對之磊晶結構表面之一些部分。磷光體通常在所有方向上發射光。由磷光體吸收且以一不同波長發射之一些光8在透鏡6之方向上發射。由磷光體發射之一些光9朝向磊晶結構3往回發射。由於磊晶結構3不大具有反射性，因此光9可能被吸收，此減小圖1之裝置之效率。
本發明之一目標係提供一種可減少由磊晶結構進行之光吸收之裝置。
本發明之實施例包含一基板及生長於該基板上之一半導體結構。該半導體結構包含安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層。該基板包含一第一側壁及一第二磁壁。該第一側壁及該第二側壁相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置。一反射層安置於該第一側壁上方。
根據本發明之實施例之一方法包含在一基板上生長一半導體結構，該半導體結構包含安置於一n型區域與一p型區域之間的一III族氮化物發光層。該方法進一步包含使該基板成型以形成一第一側壁及一第二側壁。該第一側壁及該第二側壁相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置。一反射層形成於該第一側壁上方。
2‧‧‧生長基板
3‧‧‧磊晶結構
4‧‧‧磷光體層
5‧‧‧座架
6‧‧‧透鏡
8‧‧‧光
9‧‧‧光
10‧‧‧生長基板
12‧‧‧III族氮化物半導體結構
16‧‧‧n型區域
18‧‧‧發光或主動區域
20‧‧‧p型區域
21‧‧‧p觸點
22‧‧‧n觸點
24‧‧‧介電層
25‧‧‧間隙
26‧‧‧互連件
27‧‧‧間隙
28‧‧‧互連件
30‧‧‧垂直側壁
32‧‧‧傾斜側壁
33‧‧‧頂點
34‧‧‧高度反射材料
35‧‧‧角
36‧‧‧垂直側壁
40‧‧‧波長轉換層
42‧‧‧反射座架
44‧‧‧反射頂部表面
46‧‧‧射線
50‧‧‧左側裝置
51‧‧‧方向
51A‧‧‧瓣
52‧‧‧右側裝置
53‧‧‧方向
53A‧‧‧瓣
60‧‧‧波長轉換部件
62‧‧‧透明黏著層
64‧‧‧座架
66‧‧‧腔/開口
68‧‧‧反射材料
70‧‧‧平面
72‧‧‧銳角
74‧‧‧銳角
76‧‧‧頂部表面
圖1圖解說明一先前技術磷光體轉換之發光二極體。
圖2圖解說明一III族氮化物LED之一項實例。
圖3圖解說明具有一成型生長基板之一裝置。
圖4係圖3中所圖解說明之裝置之一剖視圖。
圖5圖解說明具有安置於一反射座架上之一成型生長基板及一波長轉換層之一裝置。
圖6圖解說明具有安置於一反射座架上之成型生長基板之兩個裝置。
圖7圖解說明圖1中所圖解說明之結構之遠場發射圖案。
圖8圖解說明圖6中所圖解說明之結構之遠場發射圖案。
圖9係具有安置於一座架中之一成型開口中之一成型生長基板之一裝置之一剖視圖。
圖10係具有一成型生長基板之一裝置之一剖視圖。
在本發明之實施例中，生長基板經成型以減少朝向磊晶結構引導之光量。
雖然在下文之實例中半導體發光裝置係發射藍光或UN光之III族氮化物LED，但可使用除LED之外之半導體發光裝置(諸如，雷射二極體)及由其他材料系統(諸如，其他III至V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II至VI族材料、基於ZnO或Si之材料)製成之半導體發光裝置。
圖2圖解說明可用於本發明之實施例中之一III族氮化物LED。可使用任何適合半導體發光裝置且本發明之實施例不限於圖2中所圖解說明之裝置。如此項技術中已知，藉由在一生長基板10上生長一III族氮化物半導體結構12而形成圖2之裝置。該生長基板通常係藍寶石但可係任何適合基板，諸如(例如)一非III族氮化物材料、藍寶石、SiC、Si、GaN或一複合基板。可在生長之前圖案化、粗糙化或紋理化其上生長有該III族氮化物半導體結構之生長基板之一表面，此可改良至基板中之光提取。
該半導體結構包含夾在n型區域與p型區域之間之一發光或主動 區域。一n型區域16可首先生長且可包含具有不同組合物及摻雜劑濃度之多個層，該多個層包含(例如)可係n型或未有意摻雜之製備層(諸如，緩衝層或成核層)，及經設計用於可期望用於發光區域以有效地發射光之特定光學、材料或電性質的n型或甚至p型裝置層。一發光或主動區域18生長於n型區域上方。適合發光區域之實例包含一單一厚或薄發光層，或者一個多量子井發光區域，該多量子井發光區域包含由障壁層分離之多個薄或厚發光層。一p型區域20可生長於發光區域上方。如同n型區域，p型區域可包含具有不同組合物、厚度及摻雜劑濃度之多個層，包含未有意摻雜之層或n型層。
在生長之後，於p型區域之表面上形成一p觸點。p觸點21通常包含多個導電層(諸如，一反射金屬及可阻止或減少反射金屬之電遷移之一防護金屬)。該反射金屬通常係銀，但可使用任何適合材料。在形成p觸點21之後，p觸點21、p型區域20及主動區域18之一部分經移除，以暴露其上形成有一n觸點22之n型區域16的一部分。n觸點22及p觸點21藉由一間隙25而彼此電隔離，間隙25可填充有一介電質(諸如，一矽氧化物或任何其他適合材料)。可形成多個n觸點通孔；n觸點22及p觸點21不限於圖2中所圖解說明之配置。該等n觸點及p觸點可經重新分佈以形成具有一介電/金屬堆疊之接合襯墊，如此項技術中已知。
為形成至LED之電連接，一或多個互連件26及28經形成於n觸點22及p觸點21上，或經電連接至n觸點22及p觸點21。互連件26經電連接至圖2中之n觸點22。互連件28經電連接至p觸點21。互連件26及28係藉由介電層24及間隙27而與n觸點22及p觸點21隔離且彼此隔離。互連件26及28可係(例如)焊料、螺柱凸塊、金層或任何其他適合結構。 許多個別LED形成於一單一生長基板晶圓上，接著自裝置之晶圓分割。該半導體結構、n觸點22及p觸點21以及互連件26及28在以下圖中 係由方塊12表示。
圖3圖解說明根據本發明之實施例之具有一成型生長基板之一裝置。圖4係圖3中所圖解說明之裝置之一剖視圖。圖3中所圖解說明之裝置係可自該生長基板晶圓分割，使得磊晶結構12係矩形。沿著矩形磊晶結構12之長邊緣之一者，生長基板10經成型為一實質上垂直側壁30。沿矩形磊晶結構12之另一長邊緣，生長基板10經成型為一傾斜側壁32。傾斜側壁32可經傾斜，使得其在生長基板10之頂部處之一頂點33處與實質上垂直側壁30相交。在圖4中所圖解說明之剖面中，垂直側壁30及傾斜側壁32組成具有60°之一角35之一直角三角形。該三角形之角35在一些實施例中可係至少50°，且在一些實施例中可係小於或等於70°。沿著該矩形磊晶結構之短邊緣，生長基板10可具有實質上垂直側壁36，使得基板10形成一個三角柱。該基板不限於圖3及圖4中所圖解說明之直角三角形形狀，且可經成型為任何適合形狀及剖面，包含(例如)諸如梯形稜柱、除直角三角形外之其他三角形、任何種類之稜柱，及擬柱體之幾何形狀。一稜柱係具有一n側多邊形基底、與該基底不在相同平面中之該基底之一平移複製，及接合該基底之對應側及該基底之平移複製之n個其他面(所有必須為平行四邊形)之一多面體。平行於該等基底面之所有剖面係相同的。稜柱係根據其等基底來命名，因此具有一五邊形基底之一稜柱稱為一五角柱。一擬柱體係其中所有頂點皆位於兩個平行平面中之一多面體。
垂直側壁30可用一高度反射材料34覆蓋。垂直側壁36可用諸如高度反射材料34之一反射材料或一不同材料覆蓋。可使用任何適合反射材料，諸如(例如)反射塗料、反射金屬(諸如Ag或Al)、介電材料或白色漫射器。在一些實施例中，結構12之一些或所有側壁塗佈有一高度反射材料。光透過具有最大面積之側壁(圖3及圖4中所圖解說明之實施例中之傾斜側壁32)自該基板提取。
根據本發明之實施例成型之一生長基板可厚於一習知裝置(諸如，圖1中所圖解說明之裝置)中之一生長基板。例如，圖3及圖4中之生長基板10在一些實施例中可係至少300μm厚、在一些實施例中不大於1000μm厚、在一些實施例中至少500μm厚及在一些實施例中不大於800μm厚。
可藉由任何適合方法使基板10成型。例如，可藉由自該生長基板晶圓分割該裝置而形成實質上垂直側壁30及36。可藉由任何適合技術(諸如，例如蝕刻、研磨、雷射劃線、燒蝕或次表面劃線及斷裂(有時被稱為「隱形」分割或切割))形成傾斜側壁32。在一些實施例中，在形成傾斜側壁32期間(例如)藉由使用處置膠帶或任何其他適合材料或技術覆蓋其而保護裝置12。在一些實施例中，可在於基板10上生長半導體結構之後形成傾斜側壁32。可在自該生長基板晶圓分割該裝置之前或之後形成傾斜側壁32。在一些實施例中，在形成傾斜側壁32之前薄化基板10。
圖5圖解說明具有一成型生長基板及一波長轉換層之一裝置。波長轉換層40形成於傾斜側壁32(基板10之表面，自其提取光)上。例如，波長轉換層40可係(例如)藉由燒結形成為一陶瓷、接著粘結至基板10之波長轉換層或者藉由包含(例如)模製、層壓、電泳沈積、旋轉塗佈、噴塗、絲網印刷或施配之任何適合方法安置於該基板上之與一透明材料(諸如，聚矽氧、玻璃或環氧樹脂)混合之一波長轉換材料。 波長轉換層40通常在50μm與100μm厚之間，然其可係對於用於形成該波長轉換層之特定波長轉換材料及特定方法適當之任何厚度。
波長轉換層40中之波長轉換材料可係(例如)習知磷光體、有機磷光體、量子點、有機半導體、II至VI族或III至V族半導體、II至VI族或III至V族半導體量子點或奈米晶體、染料、聚合物或發冷光之其他材料。該波長轉換材料吸收由LED發射之光且發射具有一或多個不同 波長之光。由LED發射之未轉換之光通常係自該結構提取之光之最終光譜之部分，然其非必須的。常見組合之實例包含與一發黃光波長轉換材料組合之一發藍光LED、與發綠光及發紅光波長轉換材料組合之一發藍光LED、與發藍光及發黃光波長轉換材料組合之一發UV光LED及與發藍光、發綠光及發紅光波長轉換材料組合之一發UV光LED。發射其他色彩之光之波長轉換材料可經添加以調適自該結構發射之光之光譜。
如由射線46所圖解說明，由波長轉換層40發射至基板10中之光可由反射塗層34反射、接著朝向波長轉換層40發射，其中光可逸出裝置。與圖1之裝置相比，由波長轉換層40發射至基板10中之光46不可能遇到圖5之裝置中之半導體結構12，其中由磷光體發射至該基板中之一顯著光量由較差反射之磊晶結構吸收。據此，使該生長基板成型可藉由減少由該半導體結構所吸收之波長轉換層40產生之光量而增加該裝置之提取效率。
在一些實施例中，具有成型生長基板之裝置經安置於反射座架上，如圖5中所圖解說明。反射座架42可由一反射材料(諸如，一反射金屬)形成或可係具有一反射頂部表面44之任何適合材料。可藉由例如以下方式使該頂部表面為反射的：使該表面塗佈有一反射金屬(諸如，Ag或Al)、反射塗料或任何其他適合材料。
由於圖3、圖4及圖5中所圖解說明之裝置透過基板10之一單一側壁(傾斜側壁32)發射光，因此光發射係不對稱的，如在圖1之裝置中。圖6圖解說明其中在圖5中所圖解說明之兩個裝置經背靠背地安置於一反射座架42上之一組態。左側裝置50及右側裝置52之垂直側壁30上之反射塗層34係彼此毗鄰安置。來自左側裝置50之光大部分在方向51上發射。來自右側裝置52之光大部分在方向53上發射。
圖7圖解說明來自圖1中所圖解說明之裝置之遠場發射圖案。圖1 之發射圖案係一實質上對稱的朗伯(Lambertian)圖案。圖8圖解說明來自圖6中所圖解說明之裝置之遠場發射圖案。圖6之結構發射兩瓣(來自左側裝置50之瓣51A及來自右側裝置52之瓣53A)中之光。與圖1之裝置相比，圖6之結構自結構之側提取實質上更多光，圖1之裝置自結構之頂部提取實質上更多光。圖6中所圖解說明之結構在不要求方向性但有助於顯著側發射(例如)以增強光擴散的照明應用中可係有利的。
圖9圖解說明可適用於要求光發射之方向性之應用之一實施例。 在圖9之裝置中，一腔或開口66係形成於一座架64中。腔66經成型以容納具有一成型生長基板10之一裝置(諸如，圖3中所圖解說明之裝置)。腔66之形狀可與該裝置之形狀實質上相同。例如，腔66可經成型使得側壁32實質上平行於座架64之諸表面之一者。在一些實施例中，腔66可經成型使得側壁32與座架64之一表面一致或經插入以容納一波長轉換部件。在替代方案中，腔66可經成型使得側壁32突出於座架64之一表面上。
用一反射材料34塗佈之基板10之側壁30係接近腔66安置。在一些實施例中，腔66之內部表面之一或多者係反射的，使得可省略一單獨反射材料層34。同樣地，若腔66之內部表面之一或多者係反射的，則可自側壁36省略一單獨反射材料層。光自其提取之側壁32經安置成與座架64之頂部表面(如此上下文中所使用，座架64之「頂部」表面指代腔自其延伸之表面)實質上齊平。一波長轉換部件60(其可係(例如)一發冷光陶瓷或任何其他適合材料)可藉由一透明黏著層62(諸如，聚矽氧、環氧樹脂、玻璃或任何其他適合材料)附接至側壁32。反射材料68可圍繞波長轉換部件60安置。圖9中所圖解說明之結構發射與圖1中所圖解說明之結構類似之一遠場圖案。大部分光係透過圖9中所圖解說明之定向之該結構的頂部，自該結構提取。
在一些實施例中，環繞圖9之裝置中之波長轉換部件60及/或座架64之反射層68可由導熱之材料製成。該座架可由任何適合材料(諸如，例如金屬、陶瓷、AIN或二氧化矽)製成。在一些實施例中，該座架之表面用包含(例如)銀金屬之任何適合反射材料(圖9中未展示)塗佈。反射層68可係(例如)任何適合材料(諸如，一白色反射體膏)。座架64及/或反射層68可將熱傳導遠離LED及/或波長轉換部件60，此可增加該結構之效率及/或改良該裝置之壽命。
基板10之形狀不限於圖3、圖4、圖5、圖6及圖9中所圖解說明之形狀。圖10圖解說明根據本發明之實施例之一成型基板10之剖面。半導體結構12之一平面70圖解說明於圖10中。在圖4之裝置中，一反射層安置於其上之側壁30與平面70之等效物形成一直角。光自其提取之側壁32與平面70之等效物形成一銳角35。圖4之基板10具有四個側壁且無其他表面。光自側壁32提取，側壁32係具有最大面積之側壁。
在圖10中，一反射層安置於其上之側壁30與平面70形成一銳角72。光自其提取之側壁32與平面70形成一銳角74。銳角74小於銳角72(即，側壁30比側壁32更接近垂直)。換言之，側壁30以不同於側壁32之一角度相對於主要平面70配置(此亦係針對圖4之裝置之情況)。如在圖4中，在圖10之裝置中，光自側壁32提取。在一些實施例中，光自其提取之側壁係具有最大面積之側壁。
圖10中所圖解說明之基板亦具有一頂部表面76。頂部表面76可用一反射層塗佈。該反射層類似於或相同於上文所描述之彼等反射層。少量或無光透過頂部表面76自該基板提取。圖10中所圖解說明之基板具有一頂部表面及四個側壁(彼此相對之兩個長側壁30及32及彼此相對之兩個短側壁36)。短側壁36可相對於主要平面70為垂直的或以一銳角成角。側壁32之面積大於頂部表面76之面積。側壁30及36以及頂部表面76可用一反射層覆蓋。如上文所描述，一波長轉換層可安 置於側壁32上。
在一些實施例中，除了或代替用一反射材料塗佈，亦可(例如)藉由粗糙化或圖案化有一隨機或重複圖案而使基板之反射側壁紋理化以朝向來自該基板之光自其提取之側壁32散射及/或引導光。
已詳細描述本發明，熟習此項技術者將瞭解給出本揭示內容則可在不背離本文中描述的發明性概念之精神之情況下作出修改。因此，不希望本發明之範疇限於所圖解說明及描述的特定實施例。

Claims (19)

  1. 一種半導體發光裝置，其包括：一基板；及一半導體結構，其經安置於該基板上，該半導體結構包括經安置於一n型區域與一p型區域之間之一發光層；其中：該基板包括一第一側壁及一第二側壁；該第一側壁及該第二側壁係相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置；該第一側壁與該半導體結構之該主要表面形成一直角(right angle)；且一反射層經安置於該第一側壁上方，該反射層自該半導體結構延伸至介於該第一側壁及該第二側壁之間的一介面(interface)。
  2. 如請求項1之裝置，其中光係透過該第二側壁自該基板提取。
  3. 如請求項1之裝置，其中該第二側壁與該半導體結構之該主要表面形成一銳角。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第二側壁具有大於該第一側壁之一面積。
  5. 如請求項1之裝置，其中該基板具有至少500μm之一厚度。
  6. 如請求項1之裝置，進一步包括經安置於該第二側壁上方之一波長轉換層。
  7. 如請求項1之裝置，其中該基板及該半導體結構係一第一基板及一第一半導體結構，該裝置進一步包括：一第二基板；及一第二半導體結構，其經安置於該第二基板上，該第二半導體結構包括經安置於一n型區域與一p型區域之間之一發光層；其中：該第二基板包括一第三側壁及一第四側壁；該第三側壁及該第四側壁係相對於該第二半導體結構之一主要表面以不同角度安置；且該第一基板之該第一側壁面對該第二基板之該第三側壁。
  8. 如請求項1之裝置，其中該第一側壁經紋理化。
  9. 如請求項1之裝置，其中該第一側壁及該第二側壁形成一擬柱體(prismatoid)之部分。
  10. 一種半導體發光裝置，其包括：一基板，其包括一第一側壁、一第二側壁、一第一長邊緣、一第二長邊緣及連接該第一長邊緣及該第二長邊緣之一短邊緣，其中該第一側壁係沿著該第一長邊緣安置，且該第二側壁係沿著該第二長邊緣安置；一半導體結構，其經安置於該基板上，該半導體結構包括經安置於一n型區域與一p型區域之間之一發光層；其中該第一側壁及該第二側壁係相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置，且該第一側壁與該半導體結構之該主要表面形成一直角；且一反射層，經安置於該第一側壁上方，該反射層自該半導體結構延伸至介於該第一側壁及該短邊緣之間的一介面。
  11. 如請求項10之裝置，其中該基板具有至少500μm之一厚度。
  12. 如請求項10之裝置，進一步包括經安置於該第二側壁上方之一波長轉換層。
  13. 如請求項10之裝置，其中該第一側壁經紋理化。
  14. 一種半導體發光裝置，其包括：一基板，其包括一第一側壁及一第二側壁；一半導體結構，其經安置於該基板上，該半導體結構包括經安置於一n型區域與一p型區域之間之一發光層；其中：該第一側壁及該第二側壁係相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置；該第一側壁與該半導體結構之該主要表面形成一直角；且該基板及該半導體結構係安置於一座架(mount)中之一腔(cavity)中，其中該腔經成型(shaped)以容納該基板及該半導體結構，且其中該第二側壁係與該座架之一頂部表面平行。
  15. 如請求項14之裝置，進一步包括：一波長轉換層，其經安置於該第二側壁上方；及一反射層，其經安置於環繞該波長轉換層之該座架之一頂部表面上。
  16. 如請求項14之裝置，進一步包括經安置於該第一側壁上方之一反射層。
  17. 一種用於製造一半導體發光裝置之方法，其包括：在一基板上生長一半導體結構，該半導體結構包括經安置於一n型區域與一p型區域之間之一III族氮化物發光層；將該基板成型以形成一第一側壁及一第二側壁，其中該第一側壁及該第二側壁係相對於該半導體結構之一主要表面以不同角度安置，其中該第一側壁與該半導體結構之該主要表面形成一直角；及在該第一側壁上方形成一反射層，該反射層自該半導體結構延伸至介於該第一側壁及該第二側壁之間的一介面。
  18. 如請求項17之方法，其中成型包括：在生長該半導體結構之後蝕刻該基板。
  19. 如請求項17之方法，進一步包括紋理化該第一側壁。
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