TWI656661B - 具有定型基板的發光裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之實施例包含一種半導體發光裝置。該裝置包含一基板，其具有一第一表面及對置於該第一表面之一第二表面。該裝置進一步包含佈置於該基板之該第一表面上之一半導體結構。一腔佈置於該基板內。該腔自該基板之該第二表面延伸。該腔具有一傾斜側壁。

Description

具有定型基板的發光裝置
本發明係關於一種發光裝置，諸如具有形成於基板中之一中空部之一發光二極體。
包含發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、正交腔雷射二極體(VCSEL)及邊射型雷射之半導體發光裝置係當前可用之最有效率光源之一。當前在能夠跨越可見光譜操作之高亮度發光裝置之製造中受關注之材料體系包含III-V族半導體，特定言之，鎵、鋁、銦與氮之二元、三元及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。通常，藉由有機金屬化學汽相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶技術，藉由在一藍寶石、碳化矽、矽、Ⅲ族氮化物或其他適合基板上磊晶生長不同組分及摻雜劑濃度之一半導體層堆疊而製造Ⅲ族氮化物發光裝置。該堆疊通常包含形成於基板上之摻雜有(例如)Si之一或多個n型層、形成於該(等)n型層上之一作用區域中之一或多個發光層及形成於該作用區域上之摻雜有(例如)Mg之一或多個p型層。電接觸件形成於n型區域及p型區域上。
圖1繪示US 2012/0012856中更詳細描述之一先前技術裝置。US 2012/0012856描述定型一III族氮化物發光二極體之藍寶石基板。US 2012/0012856在段落45中描述圖1之裝置。圖1之裝置係「一個氮化鎵發光二極體[401]，其包括一藍寶石基板404及一磊晶層402。傾斜部 405及凹陷部4042兩者形成」於基板中。「藍寶石基板404之一下部分包封於一分佈式布拉格反射器407中。一銀膠層408施加於分佈式布拉格反射器407下方且施加於藍寶石基板404之傾斜部405上以反射來自藍寶石基板404之傾斜部405之光。如吾人可期望，歸因於側向光束之增加，...[圖1之裝置]具有良好光擷取效率」。
本發明之一目的係提供一種具有形成於基板中之一中空部或腔之裝置。此一裝置可有效率地擷取通過該裝置之側壁之光。該腔可採用呈任何適合幾何形狀(例如，一角柱體、擬柱體或一多面體)之一室。
本發明之實施例包含一種半導體發光裝置。該裝置包含一基板，其具有一第一表面及對置於該第一表面之一第二表面。該裝置進一步包含佈置於該基板之該第一表面上之一半導體結構。一腔佈置於該基板中。該腔自該基板之該第二表面延伸。該腔具有一傾斜側壁。
1‧‧‧裝置
10‧‧‧生長基板
12‧‧‧半導體結構
13‧‧‧生長基板之一表面
16‧‧‧n型區域
18‧‧‧發光或作用區域
20‧‧‧p型區域
21‧‧‧p型接觸件
21A‧‧‧p型接觸臂
21B‧‧‧p型接觸臂
22‧‧‧n型接觸件
22A‧‧‧n型接觸臂
23‧‧‧電流阻擋層
24‧‧‧透明導電層
25‧‧‧間隙
28‧‧‧軸
29‧‧‧軸
30‧‧‧平面
31‧‧‧軸
32‧‧‧銳角/角度
34‧‧‧銳角/角度
35‧‧‧頂部
40‧‧‧中空部
41‧‧‧厚度
42‧‧‧傾斜側壁
43‧‧‧最深部分
44‧‧‧傾斜側壁
45‧‧‧射線
50‧‧‧表面
52‧‧‧表面
58‧‧‧平面
58A‧‧‧平面
60‧‧‧銳角/角度
62‧‧‧銳角/角度
64‧‧‧反射材料
66‧‧‧導熱材料
68‧‧‧高折射率塗層
70‧‧‧頂表面
72‧‧‧錐體
80‧‧‧囊封劑
82‧‧‧間隙
84‧‧‧基座
401‧‧‧氮化鎵發光二極體
402‧‧‧磊晶層
404‧‧‧藍寶石基板
405‧‧‧斜坡
407‧‧‧分佈式布拉格反射器
408‧‧‧銀膠層
4042‧‧‧凹陷部
圖1繪示具有一定型藍寶石基板之一先前技術裝置。
圖2係根據本發明之實施例之一III族氮化物裝置結構之一橫剖面圖。
圖3係圖2中所繪示之裝置之一平面圖。
圖4係沿著圖3中所展示之軸28取得之包含一定型基板之一裝置之一橫剖面圖。
圖5A係沿著圖3中所展示之軸29取得之包含一定型基板之一裝置之一橫剖面圖。
圖5B係一正方形裝置之一俯視圖。
圖6繪示包含一高折射率塗層及一導熱材料之一裝置。
圖7繪示具有佈置於裝置與囊封劑之間的一間隙之一囊封裝置。
本發明之實施例係關於主要自裝置之側面擷取光之發光裝置，諸如LED。
儘管在下文實例中半導體發光裝置係發藍光或UV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體系(諸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、氧化鋅或基於矽之材料)製成之半導體發光裝置。
圖2繪示可用於本發明之實施例中之一III族氮化物LED之裝置結構。可使用任何適合的半導體發光裝置結構且本發明之實施例並不限於圖2中所繪示之配置。如此項技術中已知，藉由在一生長基板10上生長一III族半導體結構12來形成圖2之裝置。該生長基板通常係藍寶石但可為任何適合基板，諸如(例如)，一非III族氮化物材料、藍寶石、碳化矽、矽、氮化鎵或一復合基板。在生長之前可圖案化、粗糙化或紋理化其上生長III族氮化物半導體結構12之生長基板之一表面13，此可改良至基板中之光擷取。
半導體結構12包含夾置於n型區域16與p型區域20之間的一發光或作用區域18。可首先生長一n型區域16且n型區域16可包含具有不同組分及摻雜濃度之多個層，包含(例如)準備層(諸如緩衝層或成核層)，該多個層可為n型或未有意摻雜之及針對使發光區域有效地發光所期望之特定光學、材料或電性質設計之n型或甚至p型裝置層。
一發光或作用區域18生長於n型區域上。適合的發光區域之實例包含：一單一厚或薄發光層；或一多量子井發光區域，其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。如同n型區域，p型區域可包含具有不同組分、厚度及摻雜濃度之多個層，包含未有意摻雜之層或n型層。
移除p型區域20及作用區域18之一部分以曝露n型區域16之其上形成一n型接觸件22之一部分。
可在p型區域20上其中形成一p型接觸件之一區域中形成一電流阻擋層23。電流阻擋層23防止電流被注入至緊挨p型接觸件下方之作用區域中，此防止或減少在此區域中所產生之光之數量。緊挨p型接觸件下方所產生之光可由p型接觸件21吸收而經損耗。可由任何適合材料形成電流阻擋層23，包含(例如)介電材料，諸如矽之氧化物、SiO2及矽之氮化物。
一透明導電層24可形成於電流阻擋層及p型區域20之剩餘表面上。透明導電層24可提供在p型區域20中散播之電流。適合材料之實例包含透明導電氧化物，諸如氧化銦錫(ITO)。
一p型接觸件21形成於選用之電流阻擋層23上。n型接觸件22及p型接觸件21可為任何適合的材料，諸如鋁、金或銀。n型接觸件22及p型接觸件21無需為相同材料。n型接觸件22及p型接觸件21藉由一間隙25彼此電隔離，可以一介電質(諸如，矽之氧化物或任何其他適合材料)填充間隙25。
圖3係圖2中所繪示之n型接觸件及p型接觸件之一平面圖。n型接觸件包含一n型接觸墊22及一n型接觸臂22A，n型接觸臂22A窄於n型接觸墊22且自n型接觸墊22延伸。p型接觸件包含一p型接觸墊21及兩個p型接觸臂21A及21B，p型接觸臂21A及21B窄於p型接觸墊21且自p型接觸墊21延伸。在圖3中所繪示之配置中，n型接觸臂22A內插於p型接觸臂21A與p型接觸臂21B之間。一間隙25使n型接觸墊22及n型接觸臂22A與裝置之p型區域電隔離。可使用接觸件之任何適合配置。本發明不限於圖3中所繪示之配置。
可擷取穿過透明導電層24而穿過裝置之頂表面之光。
通常，將LED晶圓切割成正方形LED。在一些實施例中，裝置之 一形狀不同於正方形。例如，圖3中所繪示之裝置係矩形。裝置可為任何適合形狀，包含(但不限於)多邊形、圓形及六邊形。在圖3中所繪示之矩形裝置中，裝置之短側在一些實施例中可為(例如)500微米寬，在一些實施例中至少350微米寬且在一些實施例中不超過650微米寬。圖3中所繪示之矩形裝置之長側在一些實施例中可為(例如)至少650微米寬，在一些實施例中不超過700微米寬，在一些實施例中至少550微米寬且在一些實施例中不超過800微米寬。
在本發明之實施例中，基板10經定型以改良自裝置之側面之光擷取。在一些實施例中，一腔(本文中亦稱為一中空部)形成於基板10中。該腔可採用呈任何適合幾何形狀(例如，一角柱體、擬柱體或一多面體)之一室之形式。圖4及圖5A係繪示一腔之一實例之橫剖面。圖4係沿著圖3中所繪示之軸28取得之一部分橫剖面。圖5A係沿著圖3中所繪示之軸29取得之一部分橫剖面。圖4及圖5A展示生長基板10之形狀。以簡化形式包含半導體結構12以供參考。為清楚起見，省略接觸件21及22、電流阻擋層23及透明導電層24。
如圖4及圖5A中所繪示，基板10經定型以形成一中空部40，中空部40自對置於半導體結構12之基板之表面朝向半導體結構延伸。在圖4中所繪示之橫剖面中，中空部40具有一三角形橫剖面。如一習知裝置中，基板之外部側壁實質上係垂直的。如一習知裝置中，通常在自裝置之一晶圓切割成該形成該等外部側壁。
在沿著矩形裝置之短側取得之橫剖面中，在圖4中所繪示，中空部40之傾斜側壁42及44各形成與一平面30之一銳角32及34，平面30正交於半導體結構之生長方向(亦即，平行於半導體結構12之一主平面)且平行於其上生長半導體結構之基板10之表面。角度32及34可為相同角度，但其等不必為相同。傾斜側壁42及44各形成與一平面58及58A之一銳角60及62，平面58及58A平行於半導體結構之生長方向且正交 於半導體結構形成於其上之基板10之表面。角度60及62可為相同角度，但其等不必為相同。在一些實施例中，角度60及62可係30°或更小。在一些實施例中，在圖4中所繪示之橫剖面中，除側壁42及44之外，中空部40亦具有平行於平面30之一壁(換言之，橫剖面係一截三角形，而非圖4中所繪示之三角形)。生長基板可具有相鄰於側壁42及44之各者之表面50及52。表面50及52可平行於平面30。替代地，側壁42及44可延伸至基板10之外邊緣，消除表面50及52。
在沿著矩形裝置之一長側在裝置之一邊緣附近取得之橫剖面中，在圖5A中所繪示，三角形中空部40之頂部35經繪示為一虛線。在沿著虛線描繪頂部35之每一點處，自圖5A之平面向外延伸之橫剖面係圖4中所繪示之橫剖面。沿著其取得圖5A中所繪示之橫剖面之軸29之位置係繪示於圖4中。
如圖4中之射線45所繪示，由半導體結構12之發光區域朝向基板10所發射之光可入射於中空部40之側壁上，接著經反射以逸出裝置之側面。
在圖3中所繪示之平面圖中，裝置係矩形，使得圖5A中所繪示之橫剖面大體上長於圖4中所繪示之橫剖面。在其中裝置係正方形或接近正方形之實施例中，如圖5B中所繪示，沿著軸28及31取得之橫剖面之長度係類似。在一些此等實施例中，沿著軸28及31取得之橫剖面可為圖4中所繪示之橫剖面。
可藉由(例如)移除基板材料以形成中空部40或藉由選擇性地生長一基板以形成中空部40來形成定型基板。可使用任何適合移除技術，諸如蝕刻或雷射噴砂。在雷射噴砂期間，可選擇入射角度以形成圖4中所繪示之橫剖面中所繪示之形狀。
中空部包括基板10之體積之一顯著部分。例如，中空部40在一些實施例中可為基板10之總體積之至少50%(亦即，基板10之總體積 係中空部40之體積加上基板10之剩餘部分之體積)，在一些實施例中可為基板10之總體積之至少60%。
如圖4中所繪示，基板10具有一厚度41，在正交於其上形成半導體結構12之第一(頂)表面及中空部40自其延伸之第二(底)表面兩者之一方向上量測厚度41。基板10之厚度41可為在一些實施例中至少400微米厚，在一些實施例中至少500微米厚且在一些實施例中不超過1000微米厚。在其中裝置係矩形之一些實施例中，基板10之厚度41係該矩形之短側之長度之至少90%。
如圖4中所繪示，中空部40之最深部分43(在與基板厚度41相同之方向上量測)在一些實施例中可為基板10之厚度之至少70%，在一些實施例中可為基板10之厚度之至少80%，在一些實施例中可為基板10之厚度之至少90%，在一些實施例中至少200微米深，在一些實施例中至少300微米深且在一些實施例中不超過500微米深。
在一些實施例中，中空部40之傾斜側壁塗佈有一反射材料64，如圖4中所繪示。可使用由任何適合技術形成之任何適合反射材料，包含(例如)反射金屬(諸如銀)、反射塗層(諸如白反射塗料)或多層結構(諸如分佈式布拉格反射器(DBR))。反射材料64可為導電或電絕緣。
圖6繪示包含一高折射率塗層及一導熱材料之一裝置。
在一些實施例中，以一導熱材料66填充中空部40之全部或一部分，如圖6中所繪示。可使用任何適合材料，包含(例如)金屬，諸如銅。該導熱材料可熱連接至一散熱片或其他適合外部結構。
在一些實施例中，一高折射率塗層68形成於其上形成n型接觸件及p型接觸件之裝置之表面上，如圖6中所繪示。藉由增加在裝置之頂表面處之全內反射，高折射率塗層68可改良自裝置之側面之光擷取，此減少自裝置之頂部所擷取之光量。高折射率塗層68可具有在一些實 施例中至少1.5之一折射率，在一些實施例中至少1.6，在一些實施例中至少1.8及在一些實施例中至少2。高折射率塗層68可為藉由任何適合技術形成之任何適合材料。實例包含藉由蒸鍍形成之SiOx、SiO2、SiN及介電材料。在一些實施例中，高折射率塗層68可為一多層結構。
在一些實施例中，粗糙化、圖案化或紋理化高折射率塗層68之一頂表面70以改良光擷取。經粗糙化、圖案化或紋理化之表面可繞射光且增加輻射出裝置之側面之光量。對於側向發射最佳之一光子晶體結構或一光柵結構可形成於高折射率塗層68之頂表面70上。例如，高折射率塗層68之頂表面70可形成為成一週期性配置(諸如(例如)，一個三角形點陣、蜂巢點陣或任何其他適合週期性配置)之3邊形錐體72。錐體72可為在一些實施例中(例如)至少0.5微米高，在一些實施例中不超過2微米高，及在一些實施例中1微米高。錐體72之底座可為在一些實施例中(例如)至少0.5微米寬，在一些實施例中不超過2微米寬及在一些實施例中1微米寬。
圖7繪示一囊封裝置。囊封劑80可為任何適合材料，諸如(例如)，環氧樹脂、樹脂、玻璃或聚矽氧。可藉由任何適合技術形成囊封劑80，包含(例如)模製或一溶膠凝膠程序。在一些實施例中，囊封劑(例如)藉由直接膠黏至裝置1或膠黏至其上佈置裝置之一基座84單獨形成接著佈置於裝置1上。在一些實施例中，裝置佈置於一基座84上且囊封劑80及基座84完全包圍該裝置以防止污染物到達該裝置。
在一些實施例中，囊封劑80經定型成一透鏡或其他適合光學元件。例如，囊封劑80可經定型成圖7中所繪示之圓頂透鏡、一菲涅爾(Fresnel)透鏡或任何其他適合形狀。如圖7中所繪示，囊封劑80可在裝置1之側壁上延伸。囊封劑80沿著結構之底部可寬於裝置1。
在一些實施例中，囊封劑80與裝置1直接接觸。在一些實施例 中，如圖7中所繪示，一間隙82使裝置1與囊封劑80分離。通常以空氣填充間隙82，但可以任何適合材料填充間隙82。在一些實施例中，囊封劑80具有一高折射率。例如，囊封劑80之折射率可在一些實施例中大於1，在一些實施例中至少1.5及在一些實施例中至少1.8。(在包含間隙82之情況下)填充間隙82之材料可為一低吸收、低折射率材料。例如，在一些實施例中，材料填充間隙82之折射率可不超過1。
本發明之實施例可具有優於其中主要自側面擷取光之其他可用裝置之優點。相較於當前可用之側向發光裝置，本文中所描述之實施例可具有改良之擷取均勻性及減少之斑點度。本文中所描述之實施例可具有來自裝置之側面之光之一高擷取效率。本文中所描述之實施例係相當緊湊且具成本效益，此係因為可如圖所繪示般使用該等實施例而無需複雜、較大及昂貴輔助光學器件。
儘管已詳細描述本發明，但熟習技術者應瞭解，就本發明而言，可在不脫離本文中所描述之發明概念之精神之情況下對本發明作出修改。上文所描述之特徵之任何組合係在本發明之範疇內。例如，上文所繪示之特徵可包含於其他實施例中或自其他實施例省略所繪示之特徵。因此，並不意欲使本發明之範疇受限於所繪示及所描述之特定實施例。

Claims (20)

  1. 一種半導體發光裝置，其包括：一基板，其具有一第一表面及對置於(opposite)該第一表面之一第二表面；一半導體結構，其安置於該基板之該第一表面上，該半導體結構包括夾於(sandwiched between)n型區域與p型區域之間的一發光區域、連接至該n型區域之一n觸點及連接至該p型區域之一p觸點，該n觸點及該p觸點形成於對置於該第一表面之該半導體結構之表面上；一中空部(hollow)，其安置於該基板中，該中空部自該基板之該第二表面延伸，該中空部具有一傾斜側壁；及一高折射率材料，其安置於該n觸點及該p觸點上，該高折射率材料具有至少1.5之一折射率。
  2. 如請求項1之半導體發光裝置，其中：該基板在一第一方向上具有一厚度，該第一方向正交於該第一表面及該第二表面；且在該第一方向上所量測之該中空部之一最深部分係該基板在該第一方向上之該厚度之至少70%。
  3. 如請求項1之半導體發光裝置，其中該中空部包括包含該中空部之體積加上該基板之體積之一體積之至少50%。
  4. 如請求項1之半導體發光裝置，其中：該半導體發光裝置係矩形；且在該基板之一最厚點處之該基板之一厚度係該矩形半導體發光裝置之一短側之一長度之至少90%。
  5. 如請求項1之半導體發光裝置，其中介於該中空部之該傾斜側壁與正交於該第一表面之一平面之間的一角度不超過30°。
  6. 如請求項1之半導體發光裝置，其中該第一表面經紋理化。
  7. 如請求項1之半導體發光裝置，其中自該發光區域發射的一大部分光(a majority of light)係被提取至該基板。
  8. 如請求項1之半導體發光裝置，其中通過該基板之多個側面及該半導體結構之多個側面而自該半導體發光裝置提取出從該發光區域發射的光。
  9. 如請求項1之半導體發光裝置，其中該半導體發光裝置為一晶片，其具有在該晶片之外邊緣之四個側面，每一側面連接該基板之該第二表面與該高折射率材料，且該中空部在該晶片的兩個對置側之間而沿著該晶片的一全部長度(entire length)延伸。
  10. 如請求項1之半導體發光裝置，其中該中空部之該傾斜側壁塗佈有一反射材料。
  11. 如請求項1之半導體發光裝置，其中該中空部係以一導熱材料填充。
  12. 如請求項1之半導體發光裝置，其中該中空部沿著一第一軸具有一個三角形橫剖面。
  13. 如請求項12之半導體發光裝置，其中該中空部沿著正交於該第一軸之一第二軸具有一個三角形橫剖面。
  14. 如請求項13之半導體發光裝置，其中該半導體發光裝置係正方形。
  15. 如請求項1之半導體發光裝置，其進一步包括：一透明導電材料，其佈置於該半導體結構與該高折射率材料之間。
  16. 如請求項15之半導體發光裝置，其中對置於該透明導電材料之該高折射率材料之一表面經紋理化。
  17. 如請求項16之半導體發光裝置，其中該高折射率材料之該經紋理化表面包括配置成一點陣之複數個3邊形錐體。
  18. 一種半導體發光裝置，其包括：一基板，其具有一第一表面及對置於該第一表面之一第二表面；一半導體結構，其安置於該基板之該第一表面上，該半導體結構包括夾於n型區域與p型區域之間的一發光區域、連接至該n型區域之一n觸點及連接至該p型區域之一p觸點；一中空部，其安置於該基板中，該中空部自該基板之該第二表面延伸，該中空部具有一傾斜側壁；一透鏡，其安置於該半導體結構及該基板上，且沿著該半導體結構及該基板之多個側壁延伸；及一間隙，其佈置於該半導體結構與該透鏡之間。
  19. 如請求項18之半導體發光裝置，其中該間隙在該透鏡與該半導體結構及該基板之該等側壁之間延伸。
  20. 如請求項18之半導體發光裝置，其中該透鏡完全地圍繞在該第二表面上的該半導體結構及該基板。
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