包括光提取改型的发光二极管及其利记博彩app

专利名称：包括光提取改型的发光二极管及其利记博彩app
技术领域：
本发明涉及微电子器件和其利记博彩app，更具体而言，涉及发光二极管(LED)及其 利记博彩app。
背景技术：
发光二极管广泛用于消费和商业应用。本领域的技术人员众所周知，发光二极管 通常包括在微电子衬底上的二极管区。微电子衬底包括，例如，砷化镓，磷化镓和它们的合 金，碳化硅和/或蓝宝石。LED的不断发展已经产生高效和机械坚固的光源，该光源能够覆 盖和超出可见光范围的光谱。这些特性结合固态器件潜在的长工作寿命，可以使多种新的 显示应用成为可能，也可以使LED处于与已经很好确立的白炽灯和荧光灯相竞争的位置。LED效率的一个测量标准是每流明的成本。对LED，每流明的成本可以是每个LED 芯片的制作成本、LED材料内量子效率和耦合或提取器件产生的光的能力的函数。关于光 提取问题的评论，可参见1997年Academic Press (科学出版社)Stringfellow等人的标题 为“High Brightness Light Emitting Diodes (高亮度发光二极管)”的教科书，特别是 Craford 的标题为"Overview of Device Issues in High -Brightness Light Emitting Diodes (高亮度发光二极管的器件问题评论)，，的第二章，47-63页。光提取已经由例如与制作二极管区和衬底的材料有关的很多方法实现。例如，在 砷化镓和磷化镓材料系统中，厚的ρ型顶侧窗口层可以用于光提取。因为在砷化镓/磷化 镓材料系统中，采用液相和/或汽相外延方法，高的外延生长速率是可能的，因此可以生长 P型窗口层。此外，由于P型顶侧窗口层的电导率也可以得到电流传播。有高腐蚀速率和高 腐蚀选择性的化学腐蚀也可以被用于去除至少部分衬底，如果该衬底是光学吸收的话。分 布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector)也已经在吸收衬底和二极管区之间生 长，以对发射区和吸收区去耦合。其它的光提取方法可以包括使二极管区和/或衬底机械成形或形成纹理。然而， 仍然希望提供进一步改善提取效率的其它光提取技术。此外，也希望增加LED芯片的面积，从约0. Imm2至较大的面积，从而提供较大的LED。不幸的是，对更高的功率/强度和/或其 它应用，当芯片尺寸按比例增大时，这些成形技术的有效性不再保持。最近很多开发兴趣和商业活动已经聚焦到在碳化硅内或上制造的LED，因为 这些LED能在可见光谱的蓝/绿光部分发射光。例如见，Edmond等人的、标题为“Blue Light-Emitting Diode With High External Quantum Efficiency (高夕卜量子效率的 蓝光发射二极管)”的美国专利5，416，342，已转让给本申请的受让人，其内容在此作为 参考完整引入，如同在此处完全陈述。对包括碳化硅衬底上的基于氮化镓的二极管的 LED也有兴趣，因为这些器件也可以高效率发光。例如见，授予Linthicum等人的、标题 为"Pendeoepitaxial Gallium Nitride Semiconductor Layers On Silicon Carbide Substrates”的美国专利6，177，688，其内容在此作为参考完整引入，如同在此处完全陈述。在这样的碳化硅LED或碳化硅上的氮化镓LED中，难以采用通常的光提取技术。例 如，因为相对低的氮化镓生长速率，所以难以使用厚的P型窗口层。同样，虽然这样的LED 可以从使用Bragg反射器和/或衬底去除技术中受益，但在衬底和氮化镓二极管区之间难 以制作反射器，和/或难以腐蚀去掉至少部分碳化硅衬底。Edmond 白勺、t示“Method of Production of light Emitting Diodesdjfe二 极管的生产方法)，，的美国专利4，966，862，已转让给本申请的受让人，其内容在此作为参 考完整引入，如同在此处完全陈述，描述了一种方法，在半导体材料的单一衬底上制造多个 发光二极管。该方法用于多种结构，其中衬底包括同种半导体材料的外延层，该外延层依序 包括P型和η型材料层，其间确定一个ρ-η结。以预定图案腐蚀外延层和衬底，以确定单个 二极管的前体，腐蚀足够深以便在外延层中形成相互刻划每个二极管前体里的Ρ-η结的台 面。从外延层的边缘和在台面之间，衬底被刻槽到预定深度，以便确定衬底内的二极管前体 的侧面部份，同时在槽下面保留足够的衬底用于保持它的机械稳定性。欧姆接触被加到外 延层和衬底上，并且一绝缘材料层形成在二极管前体上。绝缘层覆盖那些没有被欧姆接触 覆盖的外延层部分、与台面相邻的衬底的一个表面的任何部分和衬底的侧面部分。结果，每 个二极管的衬底的结部分和侧面部分除通过欧姆接触以外与电接触绝缘。当二极管互相隔 离时，它们通常与结边缘一起能够向下安装在导电环氧树脂内，而不关心环氧树脂将短路 所得到的二极管。见美国专利4，966，862的摘要。Carter, Jr.的、标题为"High Efficiency Light Emitting Diodes From Bipolar Gallium Nitride (双极氮化镓高效发光二极管)”的美国专利5，210，051，已转让给本申请 的受让人，其内容在此作为参考完整引入，如同在此处完全陈述，描述了一种本征的、基本 未掺杂的单晶氮化镓的生长方法，施主浓度为7X1017cm3或更小。该方法包括把氮源引入 到含有生长表面的反应室里，同时把镓源引入到同一反应室，同时引导氮原子和镓原子到 将生长氮化镓的生长表面上。该方法还包括，同时保持生长表面在足够高的温度以提供给 撞击生长表面的镓原子和氮原子足够的表面迁移率，以到达并移动到适当的晶格位置，从 而建立良好的结晶性，建立有效附着系数，从而在生长表面上生长氮化镓的外延层，但是反 应室中氮元素的分压又足够低，使得在反应室的其它环境条件下，达到与那些氮元素对氮 化镓的热平衡气压，从而使氮化镓中的氮损失最小，使形成的外延层中氮空位最少。见美国 专利5，210，051的摘要。根据上述讨论，期望对LED有改进的光提取技术，特别是由碳化硅制作的LED、由
9碳化硅的氮化镓制作的LED和/或有相对大面积的LED。

发明内容
根据本发明的一些实施例的发光二极管包括，有第一和第二相对面的一衬底，该 衬底对预定波长范围的光辐射是透明的，衬底被构图以在横截面中确定从第一面向第二面 伸入衬底的多个支座(pedestal)。此处采用的术语“透明“，是指元件，例如衬底、层或区， 允许预定波长范围里的一些或全部光学辐射通过它，也就是说，不是不透明的。当在二极管 区上施加电压时，第二面上的二极管区被配置成发射预定波长范围的光进入衬底。在其它 的实施例中，在二极管区上、与衬底相对的安装支架被配置成支持二极管区，当在二极管区 上施加电压时，使得从二极管区发射进入衬底的光就从第一面发出。在一些实施例中，在有 支座的透明衬底上的发光二极管倒装在安装支架上，有与安装支架相邻的二极管区，与安 装支架相对的衬底，用于通过衬底的光发射。在其它实施例中，在有支座的透明衬底上的发 光二极管安装在安装支架上，衬底与安装支架相邻，二极管区与安装支架相对。这样，也可 以提供一种非倒装芯片安装。在本发明的其它实施例中，反射器也提供在安装支架和二极管区或衬底之间。反 射器也可以这样设定当在二极管区上施加电压时，把从二极管区发射的光反射回去，并通 过二极管区，通过衬底，从支座发出。在其它实施例中，在二极管区和反射器之间也可以提 供透明电极。在另外的其它实施例中，在反射器和安装支架之间可以提供焊剂预成型件和 /或其它焊接区，和/或与第一面相邻与二极管区相对，可以提供光学元件，例如窗口或透 镜。在另外的其它实施例中，二极管区包括外围部分和至少一个由外围部分包围的中央部 分，发光二极管还包括在二极管区上的至少一个电极，它是限定在至少一个中央部分之内， 并不伸到外围部分上。可以理解，中央部分不一定要在二极管区的中央。在本发明的其它实施例中，LED的衬底和/或二极管区的接触结构包括透明欧姆 区，反射器，阻挡区和焊接区。透明欧姆区提供电接触和/或电流扩展。反射器至少反射一 些入射辐射，并且也可以提供电流扩展。阻挡区保护反射器和/或欧姆区。焊接区把LED 封装焊接到安装支架。在一些实施例中，透明欧姆区和反射器的功能可以合并成单一的欧 姆和反射器区。根据本发明的实施例，接触结构也可以与常规的碳化硅LED、碳化硅上的氮 化镓LED和/或其它LED —起使用。在本发明的其它实施例中，衬底的第一面可以其中包括至少一个槽，它在衬底里 确定多个支座，例如三角形支座。这些槽可以包括锥形侧壁和/或斜面底层。衬底的第一 和第二面可以是正方形的周界，和/或衬底的第一面可以形成纹理。发光二极管还可以包 括多个发射区和/或在二极管区上的电极，其中相应的一个是限定在相应的一个支座内， 并且不伸展到相应的一个支座外面。在本发明的其它实施例中，衬底的第一面其中包括通孔阵列。通孔可以包括锥形 侧壁和/或底层。通孔优选地仅部分通过衬底，但在其它实施例中它们可以全部通过衬底。 第一和第二衬底面可以是正方形的周界，和/或第一面形成纹理。发光二极管还可以包括 在不覆盖通孔阵列的二极管区上的至少一个电极。支座和/或通孔阵列也可以与包含碳化硅或非碳化硅衬底的发光二极管一起使 用，允许改善从那里的光提取。此外，上述电极也可以与包含非碳化硅衬底的发光二极管一
10起使用。例如，当衬底的第一面比第二面有较小的面积时，并且二极管区是在第二面上，发 射区可以提供在限定在第一面的较小表面面积内的二极管区上。在本发明的其它实施例中，发光二极管包括一个补偿的、无色的碳化硅衬底，该衬 底有第一和第二相对面和在第二面上的基于氮化镓的二极管区，二极管区被配置成当在二 极管区上施加电压时发射光进入衬底。根据上述任一个实施例，可以提供安装支架、反射 器、接触结构、槽、支座、形成纹理和/或限定的发射区/电极。相应地，许多上述实施例包括用于从衬底提取至少一些由二极管区发射进入衬底 的光的装置的实施例。这些提取装置的实例包括在碳化硅衬底内的补偿掺杂剂以提供无 色的碳化硅衬底，对衬底构图以在横截面里确定从第一面向第二面伸展进入衬底的多个支 座，和/或许多上述其它实例包括在安装支架，反射器，接触结构，槽，支座，形成纹理和/或 限定的发射区/电极。根据本发明的一些实施例，可以通过形成这样的二极管区来制作发光二极管在 有第一和第二相对面的衬底的第二面上发射在预定波长范围的光，衬底对预定波长范围的 光辐射是透明的。在形成二极管区之前、在过程中和/或在之后，对衬底构图以在横截面里 确定从第一面向第二面伸展进入衬底的多个支座。在其它实施例中，二极管区是安装在安 装衬底上，该安装衬底被配置成支持二极管区，使得当在二极管区上施加电压时从二极管 区发射进入衬底的光从第一面发出。在安装之前是在二极管区上形成反射器，使得反射器 被配置成当在二极管区上施加电压时，把从二极管区发射的光反射回进入二极管区通过衬 底并从第一面发射出。在形成反射器之前，透明欧姆电极也可以形成在与衬底相对的二极 管区上。一个阻挡区和/或粘附区也可以在形成反射器后形成。在其它实施例中，安装支 架与反射器相邻放置，其间有阻挡区和/或粘附区，LED与安装支架相连接。在其它实施例 中，在二极管区上形成电极，电极限定在二极管区的中央部分，而不伸展到外围部分上。其它方法实施例包括在衬底的第一面内形成多个交叉槽以便在衬底里确定多个 支座，例如三角形支座。槽可以包括锥形侧壁和/或斜面底层。衬底的第一面也可以被形 成纹理。在二极管区上也可以形成多个电极。在一些实施例中，相应的一个电极是限定在 相应的一个支座内，不伸展到相应的一个支座外面。根据本发明的其它方法实施例，包括在衬底第一面内反应离子腐蚀通孔阵列。通 孔可以包括锥形侧壁和/或底层。第一面也可以被形成纹理。在不覆盖通孔阵列的二极管 区上可以形成电极。在第一面内切割多个交叉槽和/或反应离子腐蚀通孔阵列可以用于发光二极管， 它包括碳化硅或非碳化硅衬底，以允许改善从那里的光提取。此外，在限定到第一面的比较 小表面面积里的二极管区上的发射区的形成也可以用于其它常规发光二极管，以允许改善 从那里的光提取。


图1-图5是根据本发明的一些实施例的发光二极管的截面图。图6是对各种掺杂浓度的碳化硅，光吸收与波长的关系曲线图。图7A是根据本发明的其它一些实施例的发光二极管的顶视图，图7B和图7C是沿 图7A中的线7B-7B'的截面图。
图8A是根据本发明的其它一些实施例的发光二极管的顶视图，图8B和图8C是沿 图8A中的线8B-8B'的截面图。图9-图13是根据本发明的其它一些实施例的发光二极管的截面图。图14A是根据本发明的其它一些实施例的发光二极管沿图14B中的线14A-14A' 的截面图，图14B是其底视图。图15A是根据本发明的其它一些实施例的发光二极管沿图15B中的线15A-15A' 的截面图，图15B是其底视图。图16，图17A和图18是根据本发明的其它一些实施例的发光二极管的截面图。图17B是根据本发明的其它一些实施例的图17A的顶视图。图19是制作根据本发明的其它一些实施例的发光二极管的方法流程图。
具体实施例方式下文参照示出本发明优选实施例的附图，完整地描述本发明。然而，本发明可以 以很多不同形式来实施，不应该解释为本发明限于此处提及的实施例。更确切地说，提供 这些实施例为的是使公开全面完整，将本发明的范围完整地转达给本领域的技术人员。为 清楚起见，附图中的一些层或区的厚度被夸大。相同的数字始终表示相同的元件。可以理 解，当一个元件，例如一个层、一个区或衬底表示为在另一个元件“上”或伸展到另一个元件 “上”，，它可以是直接在另一个元件上或直接伸展到另一个元件上，也可以存在中间元件。 相反，当一个元件表示为“直接”在另一个元件“上”或“直接伸展”到另一个元件“上”，，则 那里不存在中间元件。此外，这里描述和说明的每个实施例也包括它的互补导电类型的实 施例。现在描述本发明的实施例，通常关于在基于碳化硅的衬底上的基于氮化镓的发光 二极管。然而，本技术领域的技术人员可以理解，本发明的很多实施例可以采用不吸收所发 射的光的或对所发射光透明的衬底和系数匹配的发光二极管外延层的任何组合。在一些 实施例中，衬底的折射率大于二极管的折射率。相应地，这些组合可以包括GaP衬底上的 AlGaInP 二极管；在GaAs衬底上的InGaAs 二极管；在GaAs衬底上的AlGaAs 二极管；在SiC 衬底上的SiC 二极管；在蓝宝石衬底(Al2O3)上的SiC 二极管；和/或在氮化镓、碳化硅、氮 化铝、氧化锌和/或其它衬底上的基于氮化物的二极管。图1是根据本发明的一些实施例的发光二极管的截面图。如图1所示，这些发光 二极管100包括有相对的第一面IlOa和第二面IlOb的碳化硅衬底110，该衬底110对预 定波长范围的光辐射是透明的。二极管区170是在第二面IlOb上，并被配置为当在二极管 区(例如在欧姆接触150和160上)施加电压时，发射预定波长范围的光进入对预定波长 范围的光辐射透明的碳化硅衬底110。参照图1，二极管区170包括η型层120，有源区130和ρ型层140。对ρ型层140 和η型层120分别做欧姆接触150和160，分别形成阳极和阴极。包括η型层120，有源区 130和/或ρ型层140的二极管区170优选包括基于氮化镓的半导体层，包括它的合金，例 如铟镓氮化物和/或铝铟镓氮化物。在碳化硅上制作氮化镓对本领域的技术人员是众所周 知的，例如，由在上面引入的美国专利6，177，688描述。可以理解，例如包含氮化铝的(一) 缓冲层可以提供在η型氮化镓层120和碳化硅衬底110之间，例如在美国专利5，393，993、
125，523，589、6，177，688 和标题为 Vertical Geometry InGaN Light Emitting Diode 的序列 号为No. 09/154，363的申请，它们的内容在此作为参考引入，如同在此完全陈述。有源区130可以包括η型、ρ型或本征基于氮化镓材料的单层，另一同质结构，单 异质结构，双异质结构和/或量子阱结构，所有这些都是本领域的技术人员熟知的。而且， 有源区130可以包括有由一个或多个包层限制的发光层。优选地，η型氮化镓层120包括 硅掺杂的氮化镓，P型氮化镓层130包括镁掺杂的氮化镓。另外，有源区130优选包括至少 一个铟镓氮化物量子阱。在一些实施例中，对ρ型氮化镓层140的欧姆接触150包括钼，镍和/或钛/金。 在其它实施例中，可以使用包括例如，铝和/或银的反射欧姆接触。对η型氮化镓层120的 欧姆接触160优选地包括铝和/或钛。对ρ型氮化镓和η型氮化镓形成欧姆接触的其它 合适材料可以分别用于欧姆接触150和160。对η型氮化镓和ρ型氮化镓形成欧姆接触的 实例，例如表示在美国专利5，767，581中，它们的内容在此作为参考引入，如同在此完全陈 述。还参照图1，在一些实施例中，衬底110包括对预定波长范围内的光辐射透明的 碳化硅衬底。制作对预定波长范围的光辐射透明的碳化硅衬底的一项技术在美国专利 5，718，760中描述，该专利转让本发明的受让人，其公开内容在此作为参考引入，如同在此 完全陈述。碳化硅衬底110可以包括2扎4!1，6!1，8!1，151 和/或3(多型体。6Η和/或4Η多 型体可以优选用于光电应用。在其它实施例中，碳化硅衬底110是一种补偿的、无色的碳化硅衬底，正如上面提 及的美国专利5，718，760所述。如其中所述，无色的碳化硅可以通过在存在补偿量的ρ型和 η型掺杂剂的情况下碳化硅的升华来制备的。自然存在的碳化硅典型是黑色，这是由于高的 杂质含量。常规的微电子碳化硅晶片，根据晶体中受控的掺杂水平，或是半透明的蓝色，或 是琥珀色或是绿色。如美国专利5，718，760所述，已经发现，通过仔细控制用低掺杂浓度的 η型和ρ型杂质补偿水平掺杂碳化硅晶体，可以得到无色的碳化硅单晶。特别是，可以期望 减小和优选最小化材料中的非故意氮(η型)掺杂，并期望引入低水平的补偿ρ型掺杂剂， 从而产生无色的碳化硅。如图6所示，4H-SiC由在460nm附近的吸收峰表征。图6表示，减少4H_SiC的掺 杂水平，吸收峰会基本减小，结果在460nm附近4H_SiC变为透明。标记4H-HD的曲线表示 对近似2. 5 X IO18的净施主浓度掺杂的4H碳化硅的测量的吸收值，而标记4H-LD的曲线表 示对近似5 X IO17的净施主浓度掺杂的4H碳化硅的测量吸收值。进一步减小掺杂水平可以 导致更低的吸收水平。标记6H的曲线也表示一个在460nm附近的透明衬底。根据本发明的一些实施例，例如按照美国专利5，718，760中描述的工艺，和这里 引用的参考文献进行生长的无色梨晶(boules)碳化硅，可以切割成许多晶片用于加工。基 于氮化镓的外延层可以形成在晶片上，例如，如美国专利6，177，688中描述的，外延层可以 被加工以产生如图1中所示的结构。在有碳化硅衬底的LED中，由于许多理由，以前优选的是避免有源区产生的光进 入衬底。例如，虽然碳化硅与砷化镓相比可以是高度透明的，常规碳化硅衬底能够吸收在可 见光谱的一部分的光。而且，由于常规碳化硅器件是衬底面向下安装的垂直器件，进入衬 底的一些光在它被从器件提取之前能够被反射回来通过衬底，因而增加在衬底中的吸收损耗。反射损耗也可以减小器件的总效率。氮化镓和碳化硅有相似的折射率。特别是，氮化镓的折射率约2. 5，而碳化硅的折 射率约2. 6-2. 7。在那个意义上，氮化镓和碳化硅可以说是光学匹配的。因此，在氮化镓和 碳化硅之间的界面上可以出现非常小的内反射。结果，难于阻止在基于氮化镓的层内产生 的光进入碳化硅衬底。通过提供例如根据美国专利5，718，760描述的方法来进行生长补偿的、无色的 碳化硅衬底，可以减小可见光在碳化硅衬底内的吸收。本领域的技术人员都知道，由于所 谓"Biedermarm效应”，当掺杂增加时，吸收损耗会增加。这样，当掺杂减小并优选最小化 时，可以增强从衬底提取可见光，从而改善了器件的总效率。与碳化硅相反，蓝宝石的折射 率约1.8。因此，在基于蓝宝石的氮化镓LED中，氮化镓有源层中产生的光的大部分可以不 进入衬底而是被反射离开衬底。在本发明的其它实施例中，可以控制碳化硅衬底的掺杂，使得器件二极管区170 中产生的波长范围内的光不被衬底110吸收，虽然可以吸收其它波长的光。因此，碳化硅衬 底的吸收特性可以被调节以便通过希望波长的光。例如，可以设计有源区130以便发射在 450nm附加的蓝光。可以控制碳化硅衬底110的掺杂，使得波长近似450nm的光线基本上不 被衬底110吸收。因此，虽然衬底可能不是完全无色，也可以吸收其它波长，它仍然对感兴 趣的波长即在LED区170内产生的波长是透明的。在优选实施例中，控制碳化硅衬底110 的禁带宽度和/或掺杂，使得衬底对约390-550nm范围内的光是透明的。因此，在一些实施例中，衬底110可以认为是一个滤波器，它可以改善由器件输出 的光的光谱纯度。例如，本领域的技术人员熟知，基于氮化镓的蓝色LED除产生希望的发射 外还可以产生紫外(UV)光谱内不希望的发射。这样的UV发射即使在中等低功率水平也是 不希望的，因为它们可以使其中封装LED的塑料材料退化，这可以引起可靠性问题和/或减 小寿命。同样知道Ml碳化硅吸收UV光。因此，优选的是，通过6H碳化硅衬底提取光，它可 以过滤掉不希望的UV发射。取代如常规做的那样阻止或者抑制光进入衬底，本发明的实施例可以鼓励在二极 管区170内产生的光进入衬底110，此处它能最有效地被提取。因此，本发明的一些实施例 提供了从衬底提取由二极管区发射进入衬底的至少一些光的装置。相应地，本发明的一些 实施例特别适于采用所谓的“倒装芯片”或“倒置”的封装结构，如将结合图2描述的那样。 本发明的一些实施例，也可以与常规的“正面向上”或“非倒装芯片”封装一起使用，如将结 合图16描述的那样。现在参照图2，示出根据本发明的实施例的发光二极管的其它实施例。在图2，示 出发光二极管200是倒装芯片，或者，利用焊接区220和230倒置安装在安装支架210上， 例如热沉上。焊接区220和230可以包括附于二极管区和/或安装支架210的焊剂预成型 件，使用常规的焊料回流技术，该焊剂预成型件可被回流以便把欧姆接触150和160附着到 安装支架210。其它的焊接区220和230可以包括金、铟和/或铜焊(braze)。如图2所示， 倒装芯片或倒置封装结构把碳化硅衬底110向上放置，远离安装支架210，把二极管区170 向下放置，与安装支架210相邻。阻挡区(未示出)也可以包括在相应的欧姆接触150，160 和相应的熔焊区220，230之间。阻挡区可以包括镍、镍/钒和/或钛/钨。也可以使用其 它阻挡区。
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还参照图2，如光线250所示，在有源区130内产生的光进入衬底110，从衬底110 的第一面IlOa出去。为了使在有源区130内产生的光容易进入衬底110，可以提供反射器 240，它处在有源区130和安装支架210之间，与衬底110相对。反射器240可以处在有源区 130和ρ型层140之间，如图2所示。然而，在反射器240和有源区130和/或ρ型层140 之间也可以有一个或多个中间层。此外，P型层140可以处在反射器240和有源区130之 间。也可以提供其它结构，例如下面将结合图16描述的那样。反射器240可以包括铝镓氮化物(AlGaN)层和/或分布式Bragg反射器，它可以 把从有源区130来的光朝向衬底110反射回去。Bragg反射器的设计和制作对本领域的技 术人员是熟知的，例如在美国专利6，045，465中描述，它的公开内容在此作为参考引入，如 同在此完全陈述。也可以理解，反射器也可能修改来自有源区130本身的光子发射模式，从 而使更多的光子跑出器件。也可以使用其它的常规反射器结构。还参照图2，所示的示例性光线250说明从有源区130内产生的光是如何开始沿离 开衬底110的方向传播，但由反射器240反射回来通过衬底110并离开器件200。注意，在 图2说明的倒装芯片结构内，光线250在离开器件前仅仅需要通过衬底110 —次传播。根据本发明的实施例的LED 200可以封装在常规的圆屋顶结构280内，它包括光 学元件，例如用于光发射的透镜282。整个圆顶结构280可以用作光学元件。阳极引线260 和阴极引线270也可以提供外部连接。圆顶结构280可以包括塑料、玻璃和/或其它材料， 并且其中也可以包括硅氧烷凝胶体和/或其它材料。参照图3，通过在碳化硅衬底110的第一面IlOa上提供阴极欧姆接触160'，并在 第一面IlOa上阴极欧姆接触160'之间提供导线390或其它电连接到外部阴极引线270， 也可以将垂直发光二极管300封装在倒装芯片结构内。也可以提供非倒装结构，例如，如下 面将结合图16描述的那样。图4示出根据本发明的实施例的其它LED。在这些LED400中，阳极接触可以包括 欧姆和反射区410，它可以包括多个层，包括薄的透明欧姆接触412和反射器414。薄的透明 欧姆接触412可以包括钼，优选地应尽可能薄以避免相当大的光吸收。薄的透明欧姆接触 412的厚度对于钼透明电极412来说优选在约IOA和约IOOA之间。在其它实施例中，薄的 透明欧姆接触412可以包括镍/金，氧化镍/金，氧化镍/钼，钛和/或钛/金，具有有厚度 在约IOA和约IOOA之间。反射器414优选厚于约300Λ,并优选包括铝和/或银。图4的实 施例能够提供改善的电流扩展，因为反射器414在薄的透明欧姆接触412的整个表面面积 上接触薄的欧姆接触412。因此，如常规器件中的情况一样，电流不需要通过阳极接触410 水平传播。因此，可以增强电流扩展。图4的器件400也可以象图2和图3所出的那样封 装。也可以采用其它的接触结构，例如，下面将结合图16和图17详细描述的那样。例如， 包括例如镍、镍/钒和/或钛/钨的阻挡区155可以被提供在反射器414和焊接区220之 间和在欧姆接触160和焊接区230之间。图5示出了根据本发明的其它实施例的LED。LED500的这些实施例可以通过对衬 底110'的至少部分侧壁IlOc形成斜面或倾斜从而增强从LED的光提取。由于照射斜面侧 壁IlOc的的光入射角通常是比其它情况更接近法线，这样比较少的光可以被反射进入衬 底110'。相应地，可以从衬底110'提取光，这可以提高器件的总效率。通过使用常规方 法使衬底110'的侧壁IlOc和/或第一面IlOa变粗糙或形成纹理，可进一步提高提取效率。相应地，根据本发明的一些实施例的发光二极管包括衬底和基于氮化镓的二极管 区。衬底包括透明的碳化硅单晶用于感兴趣的的发射范围，优选通过升华法制备。衬底可 以是在约100 μ m和约1000 μ m之间的厚度。由于提高了从衬底提取光，二极管的外部效率 可以提高。在根据本发明的一些实施例中，二极管包括反射器，它把二极管区内产生的光反 射回衬底中，用于随后从器件提取。反射器可以包括在与衬底相对的有源区上一层折射率 相对低的材料(如AlGaN)。作为选择，反射器可以包括在结构内的Bragg反射器和/或在 透明欧姆接触上的铝和/或银的涂层。下面将要描述其它实施例。在其它实施例中，衬底 侧壁的一部分可以是成锥形和/或变粗糙以提高光提取。根据本发明的一些实施例的二极 管可以特别适合使用倒装芯片安装结构。然而，也可以使用非倒装芯片安装。由上述图1-6描述的本发明的实施例，提供碳化硅衬底的修改，以具体实施用于 提取预定波长范围的光的至少一些光的装置，从而允许在碳化硅上的氮化镓LED的倒装芯 片或非倒装芯片安装。现在描述本发明的其它实施例，此处对衬底作了各种几何修改，以提 供用于从衬底提取至少一些光的装置的其它实施例，以提高提取效率。在制造大面积芯片 时，这些衬底修改可以是特别适用，以提供用于从衬底提取至少一些光的装置的其它实施 例，允许从衬底内部区提高提取效率。这些提高可以与碳化硅衬底一起使用，如上面结合图 1-6 一起描述的那样，但是也可以与包括砷化镓、磷化镓、它们的合金和/或蓝宝石的常规 衬底一起使用。图7A是根据本发明的其它实施例的LED的顶视图。根据本发明的其它实施例，图 7B和图7C是图7A的LED沿图7A中的线7B-7B'的截面图。现在参照图7A-7C，这些LED包括分别有第一和第二相对面710a和710b的衬底 710，和在衬底710的第二面710b上的二极管区740。衬底710可以是例如，图1_6中所述 的碳化硅衬底110，和/或另一种常规的LED衬底。二极管区740可以包括如上面图1_5所 示的二极管区170，和/或任何其它的常规二极管区。也如图7A所示，这些LED700的第一面710a其中包括多个槽720，它在衬底中确定 了多个支座730。在图7A中，示出了三角形支座。然而，也可以提供其它多边形或非多边形 的支座。如图7B所示，槽720可以包括斜面底层722。然而，也可以包括平面底层。此外， 虽然示出槽的侧壁724对第一面710a和第二面710b成直角，但也可以包括锥形侧壁，其中 侧壁的横截面的区域优选从衬底710的第一面710a减少到第二面710b。图7C示出了提供非平面特征的其它实施例。因此，可以使用宽的锯齿切割或其它 技术以形成支座730'，该支座730'有锥形和弯曲侧壁724，弯曲底层722'和/或在支座 710'内的圆顶形第一面710a'。支座730'的这些实施例由此可以形成透镜状的结构，这 可以减小总的内部反射。作为选择，优于弯曲或透镜形的第一面710a'和/或底层722'， 可以在第一面710a'或底层722'上形成小面，以进一步增强光提取。腐蚀、锯齿切割、激 光切割和/或其它常规技术可以用于产生这些结构。最后，也如图7A-7C所示，第一和第二面710a、710a'和710b的周界是正方形的。 然而，应该理解，可以采用其它形状。例如，也可以使用三角形周界形状的第一和第二面。此 外，虽然示出了四个三角形支座730，但也可以使用两个或两个以上支座，优选地，在具有面 积例如大于0. Imm2的相对大的芯片中可以使用四个以上的支座。
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图8A是根据本发明的其它实施例的LED的顶视图。根据本发明其它实施例，图8B 和图8C是图8A的LED沿图8A中的线8B-8B'截面图。如图8A所示，这些发光二极管800包括具有第一和第二相对面810a和810b的衬 底810，以及在第二面810b上的二极管区840。衬底810可以是碳化硅衬底，例如结合图 1-6 一起描述的碳化硅衬底110，和/或任何其它通常的LED衬底。二极管区840可以是例 如图1-5描述的基于氮化镓的二极管区170，和/或其它任何常规二极管区。如图8A和图8B所示，衬底810包括在第一面810a内的通孔阵列820。优选地， 通孔820仅延伸穿过衬底810部分路径，但是在其它实施例中，它们能延伸穿过衬底810全 部路径。如图所示，通孔可以包括锥形侧壁824。侧壁824可以是曲线形的或是直线形的。 此外，也可以使用垂直于第一面810a和第二面810b的曲线或直线侧壁。通孔820可以有 平的，斜面和/或弯曲底层822以提供平截头圆锥体形(frusto-conical)或圆柱形通孔。 通孔也可以不包括底层822，而是到达一个点以提供圆锥形通孔。虽然，在图8A和图8B中 示出四个完整通孔和十二个部分通孔的阵列，但可以使用二个或多于两个的通孔820，优选 地，对例如面积大于0. Imm2的大面积芯片可以包括四个以上的完整通孔820。如图8B所示，第一面可以是其中包括一个或多个小平面的倾斜第一面810a。在其 它实施例中，顶面810a可以被圆角以提供透镜状结构。正如下面将要详细描述的，图7A-7C的槽720可以在切割芯片之前或之后使用例 如与芯片的边成45°角的切片机来制作。可以使用其它技术，包括通过掩模的反应离子腐 蚀，激光切割，湿法腐蚀和/或其它技术。图8A-8C的通孔820在切割芯片之前或之后可以 使用通过掩模的反应离子腐蚀来制备。现在描述通过图7A-7C和图8A-8C的LED的光提取。槽720或通孔820可以允许 周期性地穿过芯片出现光提取，而不是仅沿着芯片的边缘。因此，它们能够提供大面积芯片 的可缩放性(scalability)。这与位于在衬底内切割槽以允许在槽内切割衬底形成明显对 比，也与通过LED的二极管区切割的槽形成明显对比。支座，通孔，侧壁和/或槽可以改善光提取，因为芯片的垂直边通常在光提取中起 作用。此外，出于光提取的目的，LED芯片的最好形状可能不是正方形或长方形周界。然而， 由于在晶片内封装密度的原因，LED芯片通常有正方形周界。在正方形芯片里，从在大于临 界角且小于这个临界角的补角的角的任何方向照射侧壁的光线由于内部反射和随后的吸 收通常会损失。圆柱形芯片可以减小内部反射，但是它们的可制造性和封装密度不是良好 的。此外，在从远于圆柱形小片中央的点产生的光可以增加产生成切线照射在垂直侧壁上 的光。更多的光线由于内部反射和吸收再一次损耗。因而总的小片面积需要比有源中心区 面积大，这使得晶片面积使用效率低并导致更高的成本。相反，根据本发明的一些实施例可以在衬底内形成支座，例如等边或非等边三角 形支座730。可以保持最佳的晶片利用。特别是，产生的光线在角度大于临界角时在侧壁 724上可以有不多于一次的入射和反射。大于临界角的入射角被反射，但是，在所有情况中 的入射光线以小于临界角照射下一墙壁，假设密封材料的折射率是约1. 5或更大。因此，不 同于具有直角或光滑连续的弧的小片，光线不会全部损失于内部反射和吸收。具有三角形状的LED与具有同样芯片面积、有光滑的垂直侧壁、在相同的电流下 运行的正方形LED相比，例如可以在光输出方面能够产生15%的提高。此外，锥形侧壁或沟道可以与三角形支座一起使用以便在衬底内获取更多的俘获光。最后，使用与正方形小片 成45°角或其它角度的槽切割可以形成的三角形支座，可以允许用标准小片处理和分离技 术，但是可以提供非正方形芯片的额外光提取的优点。也可以使用标准边缘成形和小片分 离。使用通孔阵列820可以提供类似的效应。可以理解，图7A-7C和图8A-8C中的LED可以以倒置或以倒装结构安装，如图2_5 说明的那样。可以防止用于将LED耦合到安装衬底的银环氧树脂进入槽或通孔，这可能会 减少它的效率。在其它实施例中，如果槽和/或通孔与常规的非倒装芯片LED安装一起使 用，反射回层(reflective back layer)，例如银或铝，可以形成在衬底的第一面上，使得入 射在槽或通孔上的光朝二极管区反射回去并通过二极管区。现在对焊接区220/230中采用焊剂预成型件提供附加讨论。小面积LED可以要求 格外仔细以避免用来粘小片到焊接框架的银环氧树脂接触芯片侧壁和/或导电衬底。这种 接触可以形成Schottky 二极管，这对垂直LED结构的性能是有害的。Schottky 二极管可能 分流LED附近的电流，因为它有较低的正向接通电压。在大的芯片上使用银环氧树脂比在 小的芯片上可以更容易处理，因为过度分散(over-dispensing)可以不会引起环氧树脂从 芯片下面露出来并可能到达二极管区和/或衬底的垂直侧壁。根据本发明的实施例，焊剂 预成型件可以形成在或粘附到反射器或其它层上，如下所述的那样。预成型件可以包括低 温共熔合金，例如铅_锡，铟_金，金_锡，和/或银-锡焊料。预成型件的形状可以很好确 定，并且可以通过在小片粘附过程中使用压力和/或温度来控制向外蠕变。此外，预成型件 的热导率可优于银环氧树脂，这对于大功率器件是更有利的。现在参照图9和图10，也可以提供对衬底进行纹理化。形成纹理可以是在发射波 长或更大的量级。例如，如图9所示，LED 900可以包括衬底710的纹理化的第一面710a'。 除了或替代纹理化的第一面710a'，还可以提供纹理化的侧壁724'和/或纹理化的底层 722'。如图10所示，LED 1000可以包括纹理化的第一面810a'，在第一面上可包含微透 镜阵列1010。也可以提供纹理化的侧壁和/或底层。正如结合图9-10的实例描述，形成纹 理也可以与此处描述的其它实例一起使用。对已封装的LED芯片的暴露表面可以优选纹理化而不抛光。常规芯片将抛光的外 延侧向上封装，这可以减少从那里的光提取。暴露表面的纹理化能够提供使入射光被透射 而不被内部反射的随机概率。可以理解，对衬底背面纹理化需要不妨碍对该衬底面形成欧 姆接触。更具体的是，垂直LED可以有一个与有源区的接触，和有一个与纹理化的衬底背面 的背部接触。与抛光表面相比，纹理化的侧壁可以提供达到20%或更高的光发射。图11和12示出了根据本发明的一些实施例的其它LED。图11的LED 1100和图 12的LED 1200可以与图7的LED 700和图8的LED 800相对应。然而，在图11和图12的 实施例中，增加了透明欧姆接触412和反射器414。薄的透明欧姆接触412能够提高ρ型氮 化镓层的电流扩展，能够对阳极产生欧姆接触，同时优选阻挡减小的光量，更优选是阻挡最 小化的光量。此外，在图11和图12所示的结构中，因为芯片是倒装安装在安装衬底210上的芯 片，所以透明欧姆接触412可以比常规氮化物LED中可能的透明欧姆接触更薄，这就允许它 更透明。可以提供相对厚的反射器414，反射器414包括例如铝和/或银。反射器414可以 提供优良的电流扩展。此外，焊剂预成型件220和/或其它安装区可以用在金属接触155和
18安装衬底210之间以提供和二极管区的电学和机械连接和热传输，同时避免在产生将导致 寄生Schottky接触的二极管区内的短路。可以理解，使用倒装芯片安装二极管，功率耗散 不需要通过衬底发生。而且，产生热的二极管区可以与热沉紧密接触，有较低的热阻。在例 如结合图16描述的其它实施例中，可以采用非倒装芯片结构安装。也可以理解，透明/反 射器电极，焊剂预成型件和/或倒装芯片安装可以与这里描述的本发明的其它实施例一起 使用。图13示出了可以用于提高常规ATON LED中的提取效率的本发明的其它实施 例。正如本领域的技术人员所知，ATON LED使用衬底成形，例如在出版的标题为“0SRAM Enhances Brightness of Blue InGaNLEDs", Compound Semiconductor, Volume7, No. 1, 20012月，p. 7中描述的那样。特别是，如图13所示，常规ATON LED 1300包括衬底1310和 二极管区1320。根据本发明的实施例，例如由台面1320a和/或电极1330限定的发射区只 包括在二极管区的中央部分内，不在二极管区的周界部分外。电极1330优选是透明电极， 可以与发射区1320a同存空间比发射区1320a小。也可以采用用于减小发射区面积的其它 技术。换句话说，衬底1310分别有第一和第二相对面1310a和1310b。第一面1310a比 第二面有较小的表面积。二极管区1320是在第二面1310b上面。发射区1320a是包括在二 极管区1320内，并且是限定到第一面1310a的较小表面区内。这种结构可以使芯片看起来 更象在透镜的焦点上的点光源。通常，在芯片边缘产生的光不能得到成形边缘的更多好处， 因为与在芯片中央产生的光相比，更小的发光固体表面与那些表面相互影响。模拟表示，通 过从芯片边缘将发射区引入，可以得到约多20%的光输出。由减小发射面积来提高提取效 率，这也使光输出对衬底内和在衬底表面上的损失不敏感，因为更多的光能够在初次穿过 有源区时逃逸掉。图13的实施例可以用于常规的非倒装芯片封装。可以用于倒装芯片封 装的ATON LED的实施例将在下面结合图17描述。图14A说明减小发射区面积应用于本发明的其它实施例。例如，LED 1400是类似 于图7的LED 700，除了根据本发明的实施例提供至少一个减小的发射面积以外。通过与 支座730对准的一个或多个导电电极1410可以提供至少一个减小的发射面积。导电电极 1410可以包括钼和/或其它材料。例如包括氮化硅的绝缘层1420可以用来阻止与二极管 区740的金属接触。互连金属层1430可以是在导电电极1410上和氮化硅层1420上的形 成的覆盖层。可以理解，互连层1430也可以作为反射层。作为选择，可以提供一个或多个 分开的反射层。图14B是图14A的LED的底视图，示出了导电电极1410和金属层1430。可 以理解，在本发明的其它实施例，图13的至少一个台面1320a可以包括在图14A的二极管 区740内，以提供至少一个减小的发射面积。此外，减小的发射面积可以和这里描述的本发 明的其它实施例一起使用。因此，可以通过减小发射区面积以便更多的限定在背面成形区的中央部分内来提 高LED的效率。对于有均勻发射面积的背面成形器件，与效率较低的芯片成区相比出现更 多的发射。相反，在图14A和图14B中，由于发射区或多个发射区是与支座730对准的，可 以提供改善的提取效率。因为导电电极1410是互相断开的，所以它们需要与互连导电金属 1430相连。如果器件是倒装芯片结合，导电金属1430可以是焊料和/或填银的环氧树脂。 如果器件是安装在非倒装芯片结构中，可以包括金属片例如反射器，金属条和/或引线连接(wire bond)用于互连。图15A示出了至少一个减小的发射区域应用于本发明的其它实施例。例如，除了 根据本发明的实施例提供至少一个减小的发射区域之外，LED1500类似于图8的LED800。 可以由不覆盖通孔820的导电电极1510提供至少一个减小的发射区域。导电电极1510可 以包括钼和/或其它材料。例如包括氮化硅的绝缘层1520可以用于阻止在由通孔820确 定的区域上的金属接触。图15B是图15A的LED的底视图，示出了导电电极1510和绝缘区 1520。如图14A的情况，在其它实施例中，图13的至少一个台面1320a可以包括在图15A 的二极管区840内以提供至少一个减小的发射区域。可以理解，如上面所述，可以使用本发明的实施例来改善基于蓝宝石的氮化物LED 以及基于其它材料系统的LED。然而，在基于蓝宝石的氮化物LED中，大部分的光可以俘获 高折射率的氮化物二极管区内。对于衬底的折射率高于蓝宝石的折射率的碳化硅，氮化镓、 氮化铝、氧化锌和/或其它衬底可以有更大的增益。因此，本发明的实施例并不限于使用碳 化硅为衬底。可以理解，当蓝宝石作为衬底时，蓝宝石绝缘层可以使用两个与二极管区的接 触，例如图1所示。这些接触需要对准封装中的电连接。如果对暴露侧进行抛光，蓝宝石衬 底的透明性可以有利于对准。然而，抛光的暴露表面与形成纹理的表面比较，光提取效率可 能更低。图16是根据本发明的实施例的发光二极管的截面图。图16可以认为与图3类似， 除了发光二极管1600是配置成非倒装芯片安装而不是倒装芯片安装以外。此外，也示出了 在LED和安装支架之间的其它接触结构，例如安装组件或子安装组件。可以理解，图16的 非倒装芯片安装和/或图16的接触结构可以与这里描述的本发明的其它实施例和/或其 它的常规LED —起使用。更具体的，参照图16，发光二极管1600是以非倒装芯片取向安装在安装支架210 上，其中碳化硅衬底110与安装支架210相邻，二极管区170是在与安装支架210相对或远 离的碳化硅衬底110上面。换句话说，二极管区170朝上，碳化硅衬底110是朝下。已经发 现，根据图16示出的本发明的实施例，当使用透明碳化硅衬底110时，从常规非倒装芯片安 装的LED提取的光量会增加。在这些实施例中，从二极管区170的有源区130产生的向下 进入碳化硅衬底110的光由反射器140反射回来通过碳化硅衬底110。虽然，提取效率可能 比图3中的LED300小，但可以得到比不采用透明碳化硅衬底110的常规LED的提取效率大 的提取效率。可以理解，有与安装区相邻的透明碳化硅衬底和远离安装区的二极管区的图 16的正面朝上安装也可以与其它常规的LED结构一起使用。还参照图16，描述根据本发明的实施例的接触结构1620。可以理解，这些接触结 构1620可以与这里描述的其它实施例一起使用，也可以与其它常规的LED结构一起使用。如图16所示，接触结构1620包括欧姆区160，反射器140，阻挡区1610，和焊接区 230。也提供了顶部欧姆接触150。欧姆接触150/160优选是一层或多层金属透明层，例如 薄的钼层，其厚度可以在约IOA和100人之间。可以采用其它的透明欧姆接触150/160。例 如，透明氧化物，例如可以采用铟锡氧化物(ITO)，在这种情况下的欧姆接触150/160的厚 度可以是几微米或更厚。欧姆接触150/160可以是均勻厚的层，栅结构和/或点结构，例如， 如授予Haitz等人的美国专利5，917，202所描述，它们的内容在此作为参考引入，如同在这 里完全陈述。欧姆接触150/160优选提供电流扩展，以有利于电流有效和均勻注入到有源接触150/160，如果碳化硅衬底110有适当的匹配电导 率，电流扩展可以实现。由于减小的面积覆盖，栅/点欧姆区可以减小或最小化欧姆区内的 光吸收。可以理解，欧姆接触150和160的结构不需要相同。还参照图16，反射器140可以包括例如在约IOOA和约5 OOOA之间的反射金属，例 如银和/或铝，和/或如已经描述的镜堆(mirror stack)。也可以理解，欧姆区160和反射 器140的功能可以合并成一个单个欧姆和反射器区，例如单层银或铝，能够同时提供电流 扩展和反射功能。做为选择，可以使用不同的层作为欧姆区160和反射器140。还参照图16，也可以提供阻挡区1610，它保护反射器140和/或欧姆区160避免 来自下面的小片粘附的扩散和/或尖峰形成。因此阻挡区1610可以保护欧姆区160和/ 或反射器140的光和/或电完整性。在一些实施例，阻挡区包括在约IOOA和约5000Λ之间 的镍、镍/钒和/或钛/钨。最后，还参照图16，提供焊接区230用于粘附半导体LED结构到安装支架210，例 如一个安装组件或子安装组件。焊接区230可以是包括例如金，铟，焊料，和/或铜焊的金属 层，并可以包括这些和/或其它结构的一个或多个预成型件。在一些实施例中，焊接区230 可以包括焊接凸点(solder bump)和/或其它金属凸点，例如铟或金。安装支架210可以包 括热沉，表面安装工艺(Surface Mount Technology(SMT))封装，印刷线路板，驱动器集成 电路，引线框架和/或其它用于LED的常规安装组件和/或子安装组件。焊接区230可被 粘附到安装支架210，使用银环氧树脂，焊料焊接，热焊焊接和/或其它技术。可以理解，图 16的接触结构1620的实施例可以与倒装芯片LED和/或其它常规的LED结构一起使用。图17A是根据本发明的其它实施例的发光二极管的截面图。具体而言，图17A示 出常规ATON LED，一个它是倒装芯片安装和/或使用根据本发明的实施例的接触结构。可 以使用倒装芯片安装，例如图2所示，和/或接触结构，例如图16说明。现在参照图17A，LED 1700的这些实施例包括透明衬底1310，例如无色的、补偿的 碳化硅衬底，和二极管区1320，它是倒装芯片安装在安装支架210上的，使得二极管区1320 与安装支架210相邻，并且碳化硅衬底1310远离安装支架210。二极管区1320可以包括减 小的发射区域，例如图13的台面区域1320a。如图17A所示的倒装芯片安装与常规的非倒装芯片安装LED相比，可以提供改善 的光提取。例如，在使用碳化硅衬底上的氮化镓区的常规芯片中，在LED有源区内部产生光 的大约一半可以实际发射出去。由于总的内部反射和/或吸收损失，剩余的光可以俘获在 半导体材料内。其中远离二极管区的碳化硅衬底的第一面的表面积比与二极管区相邻的碳 化硅衬底第二面小的这种结构可以提高光提取。然而，发射光的主要部分是入射光和/或 通过用吸收金属完全和/或部分覆盖的芯片面，有利于对LED ρ区和η区的欧姆接触。此 外，常规LED把光首先引向下面，这可以引起在LED封装内的光学元件的额外反射和/或由 于小片粘附材料的损失。这些现象可以引起额外的光损耗。明显相反，如图17A说明的本发明的实施例可以使用ATON几何形状和/或其它 几何形状，其包括与第二面1310b相比减小了面积的第一面1310a，它是以倒装芯片方式安 装到安装支架210以使得二极管区1320与安装支架210相邻，而衬底1310远离安装支架 210。此外，也如图17A所示，使用ρ型接触结构1740可以得到额外的效率，这结构包括
21P型欧姆区1742，反射器1744，阻挡区1746和/或焊接区1748。在一些实施例中，ρ型欧姆 区1742可以包括ρ型欧姆金属，例如镍/金，氧化镍/金，氧化镍/钼，钛和/或钛/金，厚 度在约10人和约IOOA之间。在一些实施例中，P型欧姆区1742可以包括连续的或不连续的 P型欧姆金属，面积覆盖在约10%到约100%之间，厚度在约2Λ到约10OA之间。对非连续的 P型欧姆金属，下面的二极管层的电导率可以与面积覆盖匹配，以提高电流注入二极管有源 区的均勻性。还参照图17Α，例如银和/或铝的厚的反射器1744是在欧姆区1742上，与二极管 区1320相对。在其它实施例中，欧姆区1742可以是足够厚以使接触电阻低，但又足够薄以 减小光吸收。欧姆区150可以等于或小于常规ATON芯片的欧姆金属厚度的一半，以适应光 的加倍通过该接触。此外，可以通过合并欧姆和反射器区来呈现电流扩展功能，合并的欧姆 和反射器区能够设计成足够厚，以促进二极管区1320内产生的光的有效光学反射，同时提 供电流扩展。因此，在二极管区1320内产生的光1726可以反射离开反射器1742，回到衬 底1310内。在二极管区内产生的其它光1722能够直接注入衬底1310内。再有其它的光 1724可以从衬底的倾斜侧壁射出去。还参照图17Α，倒装芯片安装的LED可以是采用焊接区1748粘贴的小片，焊接区包 括金，铟，常规环氧树脂材料，铜焊和/或焊料，并与适当的焊料和/或焊料阻挡区1746例 如镍，镍/钒和/或钛钨一起使用。任选的粘附层包括例如钛，也可以被提供在阻挡层1746 和焊接区1748之间。也可以理解，通过在半导体表面上提供反射金属，可以得到非常光滑 的镜表面，它与头部的相对粗糙表面相比具有相对高的反射率。还参照图17A，可以使用η型接触结构1730，它包括欧姆/反射器区1732，粘附区 1734，阻挡区1736和焊接区1738。欧姆/反射器区1732可以包括η型欧姆材料，例如铝和 /或银，约1000Λ厚。这个欧姆/反射器区1732可以作为欧姆接触和反射器层。也可以提 供可选择的类似于反射器区1724的任选反射器区。也可以提供任选的粘附区1734，包括例 如约1000Α的钛。也可以提供阻挡区1736。例如也可以使用约1000Α的钼。最后，也可以 使用焊接区1738。例如，可以使用达到Iym或更厚的金，常规引线连接1750可以附在焊接 区1738。可以理解，根据特定的应用，区1732，1734，1736或1738中的一个或多个区可以被 去掉或与其它区结合。根据图17Α的实施例，倒装芯片安装ATON芯片与常规非倒装芯片ATON几何结构 相比能够产生约1. 5到1. 7倍或更大的提高的辐射量。可以减小在ρ型电极和/或小片粘 附材料中的吸收。可以使用η型接触结构1730，以减小或最小化表面覆盖。因此，在一些实 施例中，电极结构1730能够占据碳化硅衬底1310的整个第一面1310a。然而，其它的几何 结构也可以使用以减小或最小化表面覆盖。例如，如图17B所示，η型接触结构1730可以仅包括在第一面1310a上的中央部分 1730a。然而，对比较大的芯片尺寸，η型接触结构1730的指1730b也可以用来提供额外的 电流扩展。因此，η型接触结构1730可以占据第一面1310的全部区域。在其它实施例中， 占据区域可以小于全部区域，但是占据区域可以大于全部区域的10%。在另外的实施例中， 可以使用小于区域10%的面积。可以理解，也可以采用中央部分1730a和指1730b的很多 其它几何形状结构。为了提高可缩放性，η型接触结构1730可以是一种互连的栅结构，在表面覆盖和电流扩展阻力方面与下面的半导体材料1310电导率相匹配。通过减小和优选最小化η型 接触结构1730的表面覆盖，和使用银和/或铝反射器1732，可以减小和优选最小化全部的 η型接触结构1730的吸收。可以理解，在其它实施例中，η型和ρ型电极两者可以形成在在芯片侧面上，如授 予Chen的美国专利5，952，681所描述的那样。这可以进一步减小η电极的欧姆接触内的 光吸收。可以理解，图17Α和图17Β的倒装芯片安装和/或接触结构可以与其它有减小面 积的第一面的衬底几何形状包括立方形，三角形，金字塔形，切去顶端的金字塔形和/或半 球形一起使用。如已经描述的，可以提供以槽、通孔和/或其它图案特征形式的图形化的附 加第一面。最后，如已经描述的，也可以使用纹理化和/或粗糙化。也可以使用衬底和/或 二极管区的粗糙化。因此，反射器1744可以形成在有意形成粗糙和/或形成图案的二极管 区1320上。这种随机粗糙性能够提高光提取和/或减少内部反射。具体图案例如Fresnel 透镜，也可以用于对准反射光和/或提高光提取。一旦应用反射器1744，图形化能够形成光 学元件。图案的尺寸可以是从LED发出的光的波长的量级。图18是根据本发明的其它实施例的发光二极管的截面图。具体而言，图18示出 了常规ATON LED，包括在其二极管区上的反射器。根据本发明的其它实施例，出乎意料地发 现，通过在常规的正面向上的ATON和/或其它LED的二极管区加上反射器，与在其顶表面 处的二极管区上没有反射器的常规ATON和/或LED相比，可以增加约10%或更多的亮度。 因此，用反射器至少部分阻挡顶表面，实际上可以增加光发射。更特别地，参照图18，根据这里描述的任何实施例和/或根据常规的ATON和/或 其它的LED结构，这些LED 1800包括衬底1310和二极管区1320。根据常规的ATON和/或 其它的结构，可以提供η型接触结构1810。作为选择，可以提供一个η型接触结构1810，其 包括一个粘附区1812，例如约1000Λ的钛，一个阻挡区1814，例如约1000Λ的钼，和一个焊 接区1816，例如约Ιμπι的金。粘附区1812也能够作为欧姆接触，也可以附加地是反射性 的。还参照图18，可以提供P型接触结构1820。ρ型接触结构1820包括透明欧姆区 1830，它可以与图17Α的欧姆层1742类似。也可以包括粘附层1826，它可以与图17Α的粘 附层1734类似。也可以包括阻挡层1824，它可以与图17Α的阻挡层1736类似。也可以包 括焊接区1822和导线1840，焊接区1822与图17Α的焊接区1738类似，导线1840与图17Α 的导线1750类似。此外，也可以提供常规的ΑΤ0Ν/ΙΤΡ欧姆接触结构。根据本发明的一些实 施例，P型接触结构1820其中包括反射器1828，用于把光反射回去，通过二极管区1320并 进入衬底1310。反射器1828可以类似于图17Α的反射器1746。如上所述，出乎意料，通过 把反射器1828加到ATON和/或其它的LED的顶表面上可以增加亮度，例如是常规的ATON LED亮度的约1. 2到约1. 3倍之间或更大。现在参照图19，将要描述根据本发明实施例的LED利记博彩app。可以理解，图19的 一些块可以与图所示出的不同顺序出现，一些块可以同时执行而不是顺序执行。参照图19的块1910，二极管区形成在碳化硅衬底上。如上所述，优选地，氮化镓二 极管区是制作在碳化硅衬底上。在块1920，正如结合图7-12和图14-15—起描述的那样， 槽可以通过锯、腐蚀、激光切割、反应离子腐蚀、湿法腐蚀和/或其它切割方法，和/或执行
23反应离子腐蚀以便在衬底的第一面上形成通孔。可以理解，在衬底上制作二极管区之前和 /或在衬底上制作二极管区之后，在块1920可以形成槽和/或通孔。参照块1930，例如结合图2-5、图11_12和图16_17描述的那样，形成一个接触结 构。可以理解，在块1920的形成槽和/或反应离子腐蚀通孔之前可以形成接触结构。参照块1940，执行切割以分离单个LED芯片。可以理解，如果是制作晶片大小的 LED,则不需要执行切割，以及在块1930的形成电极结构之前和/或在块1920的锯槽和/ 或反应离子腐蚀之前，可以执行切割芯片。然后参照块1950，例如采用焊剂预成型件和/或其它连接技术，如结合图2-5、图 11-12和图16-17描述的那样，二极管连接到安装支架。在块1960，二极管被封装在例如塑 料圆顶中，如图2-3和图16中说明的那样。因此可以有效地制作具有高提取效率的LED。在附图和说明中，已经公开了本发明的典型优选实施例，虽然使用了特定术语，它 们仅仅在一般性和描述性意义上使用，而不是出于限制目的，本发明的范围在下列权利要 求中提出。
权利要求
一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的衬底，第一面与第二面相比有比较小的表面积；和在第二面上的二极管区，该二极管区包括限定在第一面的较小表面积里的发射区。
2.根据权利要求1的发光二极管，其中发射区包括台面。
3.根据权利要求1的发光二极管，其中衬底的第一面包括纹理化的表面。
4.根据权利要求2的发光二极管，还包括在台面的至少一部分上的一透明电极。
5.根据权利要求1的发光二极管，其中衬底是对预定波长范围的光辐射透明的碳化硅 衬底，其中二极管区被配置成发射该预定波长范围的光。
6.一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的衬底，第一面与第二面相比有比较小的表面积；在第二面上的二极管区；和在二极管区上、与衬底相对的安装支架。
7.根据权利要求6的发光二极管，其中衬底对预定波长范围的光辐射是透明的，并且其中二极管区被配置成，当在二极管区 上施加电压时，发射该预定波长范围的光进入对该预定波长范围的光辐射透明的衬底。
8.根据权利要求7的发光二极管，其中安装支架还被配置成支持二极管区，使得在二 极管区上施加电压时，从二极管区发射进入对该预定波长范围的光辐射透明的衬底的光从 第一面发射出。
9.根据权利要求8的发光二极管，还包括在安装支架和二极管区之间的反射器，该反射器被配置成，在二极管区上施加电压时， 把从二极管区发射的光反射回去进入二极管区，通过对该预定波长范围的光辐射透明的衬 底并从第一面发射出。
10.根据权利要求9的发光二极管，还包括 在二极管区和反射器之间的透明电极。
11.根据权利要求9的发光二极管，还包括 在反射器和安装支架之间的阻挡区；和在阻挡区和安装支架之间的焊接区。
12.根据权利要求11的发光二极管，其中焊接区包括金、铟、焊料和/或铜焊。
13.一种发光二极管，包括 衬底；在衬底上的二极管区；和在衬底和二极管区之一上的接触结构，该接触结构包括 在衬底和二极管区之一上的一欧姆和反射器区； 在欧姆和反射器区上、与衬底和二极管区之一相对的阻挡区； 在阻挡区上、与欧姆和反射器区相对的焊接区。
14.根据权利要求13的发光二极管，还包括 在焊接区上、与阻挡区相对的安装组件。
15.根据权利要求13的发光二极管，其中欧姆和反射器区包括 在衬底和二极管区之一上的透明的欧姆层；和在透明的欧姆层上、与衬底和二极管区之一相对的反射器，其中阻挡区是在反射器上。
16.根据权利要求13的发光二极管，其中焊接区包括金、铟、焊料和/或铜焊。
17.根据权利要求15的发光二极管，其中透明的欧姆层包括包括镍/金、氧化镍/金、 氧化镍/钼、钛和/或钛/金的一层，该层足够薄以致对预定波长范围的光辐射是透明的。
18.根据权利要求17的发光二极管，其中透明的欧姆层的厚度是在约IOA和约IOOA之间。
19.根据权利要求15的发光二极管，其中透明的欧姆层包括铟锡氧化物层。
20.根据权利要求15的发光二极管，其中透明的欧姆层包括图形化的透明的欧姆层。
21.根据权利要求15的发光二极管，其中图形化的透明的欧姆层包括栅和/或点图案。
22.根据权利要求15的发光二极管，其中反射器包括至少一层反射金属层。
23.根据权利要求13的发光二极管，其中欧姆和反射器区包括一包含银和/或铝的单层。
24.根据权利要求13的发光二极管，其中阻挡区包括镍、镍/钒和/或钛/钨。
25.根据权利要求13的发光二极管，其中焊接区包括金、铟、焊料和/或铜焊。
26.根据权利要求15的发光二极管其中透明的欧姆层包括包括镍/金、氧化镍/金、氧化镍/钼、钛和/或钛/金的一层， 该层足够薄以致对预定波长范围的光辐射是透明的； 其中反射器包括至少一层反射金属层； 其中阻挡区包括镍、镍/钒和/或钛/钨；和 其中焊接区包括金、铟、焊料和/或铜焊。
27.根据权利要求26的发光二极管，其中透明的欧姆层的厚度是在约IOA和约100Λ之间。
28.根据权利要求26的发光二极管，其中图形化的透明欧姆层包括栅和/或点图案。
29.一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的衬底，第一面与第二面相比有比较小的表面积；在第二面上的二极管区；在第一面上与二极管区相对的第一欧姆层；在第一欧姆层上与衬底相对的粘附层；在粘附层上与第一欧姆层相对的第一阻挡层；在第一阻挡层上与粘附层相对的第一焊接层；在二极管区上与衬底相对的第二欧姆层；在第二欧姆层上、与二极管区相对的反射器层；在反射器层上与第二欧姆层相对的第二阻挡层；和在第二阻挡层上与反射器层相对的第二焊接层。
30.根据权利要求29的发光二极管，还包括在第二焊接层上与第二阻挡层相对的安装 支架。
31.根据权利要求29的发光二极管，其中第二欧姆层包括第二欧姆和反射器层。
32.根据权利要求29的发光二极管，其中第一欧姆层包括反射性金属。
33.根据权利要求29的发光二极管，其中粘附层包括钛。
34.根据权利要求29的发光二极管，其中第一阻挡层包括钼。
35.根据权利要求29的发光二极管，其中第一焊接层包括金。
36.根据权利要求29的发光二极管，其中第二欧姆层包括镍/金、氧化镍/金、氧化镍 /钼、钛和/或钛/金。
37.根据权利要求29的发光二极管，其中反射器层包括银和/或铝。
38.根据权利要求29的发光二极管，其中第二阻挡层包括镍、镍/钒和/或钛/钨。
39.根据权利要求29的发光二极管，其中第二焊接层包括金、铟、焊料和/或铜焊。
40.根据权利要求29的发光二极管，其中第一欧姆层，粘附层，第一阻挡层和第一焊接 层每个包括中央部分和从中央部分伸出的至少一个指。
41.一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的衬底，第一面与第二面相比有比较小的表面积； 在第二面上的二极管区；在第一面上与二极管区相对的包含银和/或铝的第一层； 在第一层上与衬底相对的包含钛的第二层； 在第二层上与第一层相对的包含钼的第三层； 在第三层上与第二层相对的包含金的第四层；在二极管区上与衬底相对的包含镍/金、氧化镍/金、氧化镍/钼、钛和/或钛/金的 第五层；在第五层上与二极管区相对的包含银和/或铝的第六层；在第六层上与第五层相对的包含镍、镍/钒和/或钛/钨的第七层；和在第七层上与第六层相对的包含金、铟、焊料和/或铜焊的第八层。
42.根据权利要求41的发光二极管，还包括在第八层上与第七层相对的安装支架。
43.一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的衬底，第一面与第二面相比有比较小的表面积；在第二面上的二极管区；在第一面上与二极管区相对的第一粘附层；在第一粘附层上与衬底相对的第一阻挡层；在第一阻挡层上与第一粘附层相对的第一焊接层；在二极管区上与衬底相对的欧姆层；在欧姆层上与二极管区相对的反射器层；在反射层上与欧姆层相对的第二粘附层；在第二粘附层上与反射器层相对的第二阻挡层；和在第二阻挡层上与第二粘附层相对的第二焊接层。
44.根据权利要求43的发光二极管，还包括在第一焊接层上与第一阻挡层相对的安装 支架。
45.根据权利要求43的发光二极管，其中欧姆层包括欧姆和反射器层。
46.根据权利要求43的发光二极管，其中第一粘附层包括钛。
47.根据权利要求43的发光二极管，其中第一阻挡层包括钼。
48.根据权利要求43的发光二极管，其中第一焊接层包括金。
49.根据权利要求43的发光二极管，其中欧姆层包括镍/金、氧化镍/金、氧化镍/钼、 钛和/或钛/金。
50.根据权利要求43的发光二极管，其中反射器层包括银和/或铝。
51.根据权利要求43的发光二极管，其中第二粘附层包括钛。
52.根据权利要求43的发光二极管，其中第二阻挡层包括钼。
53.根据权利要求43的发光二极管，其中第二焊接层包括金。
54.一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的衬底，第一面与第二面相比有比较小的表面积；在第二面上的二极管区；在第一面上与二极管区相对包含钛的第一层；在第一层上与衬底相对包含钼的第二层；在第二层上与第一层相对包含金的第三层；在二极管区上与衬底相对包含镍/金、氧化镍/金、氧化镍/钼、钛和/或钛/金的第 四层；在第四层上与二极管区相对包含银和/或铝的第五层； 在第五层上与第四层相对包含钛的第六层； 在第六层上与第五层相对包含钼的第七层； 在第七层上与第六层相对包含金的第八层。
55.根据权利要求54的发光二极管，还包括在第三层上与第二层相对的安装支架。
56.一种发光二极管，包括有第一和第二相对面的、补偿的、无色的碳化硅衬底；和在第二面上基于氮化镓的二极管区，该二极管区被配置成，在二极管区上施加电压时， 发射光进入衬底。
57.根据权利要求56的发光二极管，还包括在二极管区上、与衬底相对的安装支架，该安装支架被配置成支持二极管区，使得在二 极管区上施加电压时，从二极管区发射进入衬底的光从衬底发射出。
58.根据权利要求56的发光二极管，还包括在第一面上、与二极管区相对的安装支架，该安装支架被配置成支持第一面。
59.根据权利要求57的发光二极管，还包括在安装支架和二极管区之间的反射器，该反射器被配置成，在二极管区上施加电压时， 把从二极管区发射的光反射回去进入二极管区，通过衬底并从衬底发射出。
60.根据权利要求58的发光二极管，还包括在安装支架和第一面之间的反射器，该反射器被配置成，在二极管区上施加电压时，把 从第一面发射的光反射回去进入衬底。
61.根据权利要求59的发光二极管，还包括 在二极管区和反射器之间的透明电极。
62.根据权利要求60的发光二极管，还包括在第一面和反射器之间的透明电极。
63.根据权利要求59的发光二极管，其中反射器包括一层至少一种反射性金属的层。
64.根据权利要求61的发光二极管，其中透明电极包括一层镍/金、氧化镍/金、氧化镍/钼、钛和/或钛/金的层。
65.根据权利要求59的发光二极管，还包括 在反射器和安装支架之间的阻挡区；和在阻挡区和安装支架之间的焊接区。
66.根据权利要求60的发光二极管，还包括 在反射器和安装支架之间的阻挡区；和在阻挡区和安装支架之间的焊接区。
67.根据权利要求65的发光二极管，其中焊接区包括金，铟，焊料和/或铜焊。
68.根据权利要求66的发光二极管，其中焊接区包括金，铟，焊料和/或铜焊。
69.根据权利要求56的发光二极管，还包括 与第一面相邻、与二极管区相对的光学元件。
70.根据权利要求56的发光二极管，其中衬底的第一面其中包括至少一个槽，该槽在 横截面内确定从第一面向第二面伸展进入衬底的多个支座。
71.根据权利要求70的发光二极管，其中支座是三角形支座。
72.根据权利要求70的发光二极管，其中槽包括锥形的和/或弯曲的侧壁。
73.根据权利要求70的发光二极管，其中槽包括斜面的和/或弯曲的底层。
74.根据权利要求72的发光二极管，其中槽包括斜面的和/或弯曲的底层。
75.根据权利要求70的发光二极管，其中衬底的第一和第二面包括正方形周界。
76.根据权利要求70的发光二极管，其中衬底的第一面包括纹理化的表面。
77.根据权利要求56的发光二极管，其中衬底的第一面其中包括通孔阵列，该通孔阵 列在横截面内确定从第一面向第二面伸入衬底的多个支座。
78.根据权利要求77的发光二极管，其中通孔包括锥形的和/或弯曲的侧壁。
79.根据权利要求77的发光二极管，其中通孔包括平面的、斜面的和/或弯曲的底层。
80.根据权利要求78的发光二极管，其中通孔包括平面的、斜面的和/或弯曲的底层。
81.根据权利要求77的发光二极管，其中衬底的第一和第二面包括正方形周界。
82.根据权利要求77的发光二极管，其中衬底的第一面包括纹理化的表面。
83.根据权利要求77的发光二极管，其中通孔阵列包括锥形的和/或弯曲的通孔的阵列。
84.根据权利要求56的发光二极管，其中二极管区包括边界部分，由边界部分包围的 至少一个中央部分，和至少一个发射区，该发射区限定在至少一个中央部分之内而不延伸 到边界部分上。
85.根据权利要求56的发光二极管，还包括在二极管区上的多个发射区，其中相应的发射区之一限定在相应的支座之一之内并不 延伸到相应的支座之一外。
86.根据权利要求70的发光二极管，还包括在二极管区上的多个电极，其中相应的电极之一限定在相应的支座之一内，并不伸到 相应的支座之一之外。
87.根据权利要求77的发光二极管，还包括 没有覆盖通孔的二极管区上的至少一个电极。
88.一种发光二极管，包括 有第一和第二相对面的衬底；在第二面上的基于氮化镓的二极管区，基于氮化镓的二极管区被配置成，在二极管区 上施加电压时发射光进入衬底；和用于从衬底提取由二极管区发射进入该衬底的光的至少一部分的装置。
89.根据权利要求88的发光二极管，其中衬底包括碳化硅，其中用于提取的装置包括 在碳化硅中补偿掺杂剂以提供无色的碳化硅衬底的装置。
90.根据权利要求88的发光二极管，其中用于提取的装置包括对衬底构图以在横截面 内确定从第一面向第二面伸展进入衬底的多个支座的装置。
全文摘要
发光二极管包括一个有第一和第二相对面的衬底，该衬底对预定波长范围内的光辐射是透明的，并被构图以在横截面内确定从第一面向第二面伸展进入衬底的多个支座。第二面上的二极管区这样设定当在二极管区施加电压时，发射预定波长范围内的光进入衬底。在二极管区上、与衬底相对的安装支架被配置成支持二极管区，使得当在二极管区施加电压时，从二极管区发射进入衬底的光是从第一面发出。衬底的第一面可以包括在衬底内确定多个三角形支座的多个槽。槽可以包括锥形侧壁和/或斜面的底层。衬底的第一面也可以包括通孔阵列。通孔可以包括锥形侧壁和/或底层。
文档编号H01L33/22GK101976717SQ20091100031
公开日2011年2月16日 申请日期2002年2月1日 优先权日2001年2月1日
发明者B·凯勒, B·蒂贝奥尔特, C·M·斯沃波达, D·B·小斯拉特, E·J·塔萨, J·伊贝特森, R·C·格拉斯 申请人:克里公司