專利名稱：基于氧化物的led beol集成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)發(fā)光器件、發(fā)光二極管或照明裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
典型的固態(tài)發(fā)光半導(dǎo)體二極管(LED)由發(fā)光材料(LEM)組成,發(fā)光材料作為薄膜或者多個(gè)平面薄膜的組合而沉積在襯底的上表面，并且與位于發(fā)光材料上下并與襯底表面平行的平面電極接觸。圖1中示出了這種類型的現(xiàn)有技術(shù)。發(fā)光材料110具有各種形式，并根據(jù)所用材料的波長特性發(fā)光。作為平面薄膜沉積，發(fā)光材料位于頂部平面金屬電極120和底部平面金屬電極130之間,底部平面金屬電極130和頂部平面金屬電極120分別沉積在襯底140的上表面和發(fā)光材料110的上表面。通過向電極之間的發(fā)光材料施加電場，在該器件中激活電致發(fā)光。如果電極在感興趣的波長范圍內(nèi)不透明，則它們將阻擋有源區(qū)中產(chǎn)生的大部分光，從而阻止光到達(dá)外部。用于解決該問題的一種方法是在電致發(fā)光材料之上使用透明導(dǎo)體(例如氧化銦錫(ΙΤ0)或氧化鋅)，作為上部金屬電極疊層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于固態(tài)LED的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)通過沉積在各種襯底上的各種電致發(fā)光材料，改善LED的光輸出和均勻性。本發(fā)明還通過最小化所述電極對(duì)發(fā)射光的阻擋，增加產(chǎn)生光時(shí)涉及的LED有源面積。雖然本發(fā)明與現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)和材料兼容，但實(shí)現(xiàn)該器件不需要半導(dǎo)體襯底。本發(fā)明適用于各種發(fā)射可見光的電致發(fā)光材料，例如晶體或非晶體半導(dǎo)體或者大帶隙絕緣體。還可以在本發(fā)明的可能實(shí)施例中使用諸如玻璃或石英之類的透明襯底，如后面討論的那樣。本發(fā)明的一個(gè)方面是使用基于溝槽的電極結(jié)構(gòu)，以便增加襯底上每單位面積的有源電致發(fā)光材料的體積，并最大化電致發(fā)光材料發(fā)射的光。所述電極在所述襯底的表面上被設(shè)置在緊密相間的溝槽行中，并 跨越位于相鄰電極的側(cè)壁之間的所述電致發(fā)光材料施加電場。所述電極在所述LED的發(fā)光表面之下延伸，并與該表面垂直。這種布置使得所述電致發(fā)光材料的發(fā)光頂表面免于被遮光金屬覆蓋，并允許制造具有目前可能的更大的每單位面積亮度的二極管。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的各種制造方法。所述電極結(jié)構(gòu)與各種電致發(fā)光材料、襯底和LED類型兼容，并允許從所述LED的前后表面發(fā)射光。這些實(shí)施例可以使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝和材料制造，但并不限于這些工藝和材料。


通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述理解本發(fā)明。在這些附圖中，相似的參考標(biāo)號(hào)指定相似的結(jié)構(gòu)元素。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)發(fā)光二極管的橫截面圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)光二極管的透視圖。
圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光二極管的橫截面圖，其中具有從LED的頂表面發(fā)射光的不透明絕緣襯底。圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光二極管的橫截面圖，其中具有透明的絕緣襯底，絕緣襯底具有將光導(dǎo)引到上表面以便發(fā)射的反射層。圖3c示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的發(fā)光二極管的橫截面圖，其中具有允許從LED的頂和底表面發(fā)射光的透明絕緣襯底。圖3d示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的發(fā)光二極管的橫截面圖，其中金屬反射層用作起始襯底并由絕緣層覆蓋，以便從頂LED表面發(fā)射光。圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)光二極管的俯視圖。圖4b示出了通過圖3a中顯示的截面A-A’的橫截面圖。圖4c示出了通過圖3a中顯示的截面B-B’的橫截面圖。圖5a示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的發(fā)光二極管的俯視圖。圖5b示出了通過圖4a中顯示的截面A-A’的橫截面圖。圖5c示出了通過圖4a中顯示的截面B-B’的橫截面圖。圖6a示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的具有導(dǎo)電性和吸收性的起始襯底的橫截面。

圖6b示出了在具有導(dǎo)電性、吸收性的起始襯底上沉積的適當(dāng)金屬層和絕緣層的沉積。圖6c示出了在襯底和沉積層上的發(fā)光材料的沉積。圖6d示出了使用標(biāo)準(zhǔn)微電子處理技術(shù)在發(fā)光材料中形成溝槽。圖6e示出了激活或調(diào)整發(fā)光材料發(fā)射的光波長需要的任何摻雜劑離子的注入。圖6f示出了將金屬導(dǎo)體沉積到在發(fā)光材料中形成的溝槽。圖6g示出了通過在微電子技術(shù)中用于形成隔離電極的標(biāo)準(zhǔn)平面化技術(shù)，從發(fā)光材料的表面去除過量金屬。圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的通過絕緣和透明的起始襯底(例如，玻璃)的橫截面。圖7b示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的通過具有導(dǎo)電性和反射性的起始襯底(例如，金屬)的橫截面。
具體實(shí)施例方式公開了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制造方法。在以下描述中，提供了大量特定的細(xì)節(jié)以便徹底理解本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可以在沒有其中部分或全部特定的細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，并未詳細(xì)描述公知的過程操作，以便簡潔描述本發(fā)明及其優(yōu)選實(shí)施例。圖2中示出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管200由襯底240上的導(dǎo)電金屬電極210和230以及在它們之間設(shè)置的電致發(fā)光材料220組成。跨正電極210和負(fù)電極230施加電場，以便激活所述電致發(fā)光材料。通過在電致發(fā)光材料中蝕刻高縱橫比的溝槽，隨后使用電導(dǎo)體填充這些溝槽來形成電極。在此處出于示例性目的選擇的實(shí)施例中，電極采取交叉梳齒形狀，一個(gè)梳齒上具有正電壓而另一個(gè)梳齒上具有負(fù)電壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可能具有其它電極布置，并且所選實(shí)例不排除這些布置來示出所述概念。在適當(dāng)?shù)那闆r下，這種布置會(huì)增加襯底每單位面積的可用有源發(fā)光材料的數(shù)量?？紤]圖2中所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。如果電極220之間的每部分電致發(fā)光材料220具有深度d和厚度t，則每個(gè)溝槽中的材料總體積由IXtXd給出，其中I是所述溝槽的長度。如果溝槽之間的距離或柵距是P，則面積A中的溝槽數(shù)量由w/p給出。與面積A關(guān)聯(lián)的材料總體積則為lXtXdXw/p或者AXtXd/p。因此，當(dāng)發(fā)光材料設(shè)置在溝槽中時(shí)，與圖1中有源膜以平面方式沉積的情況相比，相同面積A中包含的材料數(shù)量增加d/p倍。在典型的最新技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)10微米的溝槽深度和0.2微米的柵距。這些尺寸表明:與使用現(xiàn)有技術(shù)中的沉積平面膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的相比，可以獲得50或更多倍的填充系數(shù)增加。通過適當(dāng)?shù)剡x擇溝槽深度和電極柵距，本發(fā)明的固態(tài)發(fā)光器件實(shí)現(xiàn)的每單位面積發(fā)光度可以比現(xiàn)有技術(shù)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。圖3a是本發(fā)明的第一實(shí)施例的橫截面圖，其中電致發(fā)光材料320以及電極310和330沉積在不透明的非導(dǎo)電襯底上以便形成LED器件301?？赡艿陌l(fā)光材料包括外延沉積的晶體II1- V化合物、摻雜的I1-VI化合物、摻雜或非摻雜的非晶體多孔硅、摻雜或非摻雜的非晶體富硅氧化硅(SRS0)以及摻雜或非摻雜的富硅氮化物(SRSN)。在該實(shí)施例中，光在所述襯底中吸收，并從所述器件的頂表面發(fā)射。圖3b是本發(fā)明的第二實(shí)施例的橫截面圖，其中電致發(fā)光材料320以及電極310和330沉積在不透明或透明的導(dǎo)電或非導(dǎo)電襯底上以便形成LED器件302。添加金屬反射層350以便增加從頂表面的發(fā)射，添加絕緣層360以便為電極310和330提供電絕緣。絕緣層增強(qiáng)從頂表面的所需光發(fā)射。

圖3c是本發(fā)明的第三實(shí)施例的橫截面圖，其中電致發(fā)光材料320以及電極310和330沉積在透明的非導(dǎo)電襯底380 (例如玻璃或塑料)上以便形成LED器件303。在該實(shí)施例中，光從所述發(fā)光二極管的頂和底表面發(fā)射。圖3d是本發(fā)明的第四實(shí)施例的橫截面圖，其中電致發(fā)光材料320以及電極310和330沉積在反射導(dǎo)電襯底390 (例如金屬)上以便形成LED器件304。在襯底之上存在絕緣膜360 (例如玻璃、氮化硅或塑料)以便為電極提供電絕緣，并且可以選擇用于增強(qiáng)從所述上表面的所需光發(fā)射。圖4a是發(fā)光二極管500的平面圖，其中具有到正和負(fù)頂表面電源軌540的連接，電源軌540連接到溝槽電極510和530，而電極510和530跨電致發(fā)光材料520施加電場。這種連接到電源軌的方式只是連接方案的一個(gè)實(shí)例，并不限制使用其它方式。圖4b是通過圖4a中發(fā)光二極管500的截面A_A’的橫截面圖。電極510和530以及電致發(fā)光材料520被示出沉積在第一實(shí)施例中描述的襯底550上，但應(yīng)當(dāng)理解，還包括任何實(shí)施例或者它們的變化。圖4c是通過圖4a中發(fā)光二極管500的截面B_B’的橫截面圖。電極510或530以及電致發(fā)光材料520被示出沉積在第一實(shí)施例中描述的襯底上，但應(yīng)當(dāng)理解，適用于任何實(shí)施例或者它們的變化。要指出的是，電極510從頂表面延伸到底層襯底。圖5a是發(fā)光二極管600的平面圖，其中正負(fù)電源軌540與溝槽電極610和630集成，而電極610和630跨電致發(fā)光材料620施加電場。可以使用低電阻率金屬(例如但不限于鋁、銅、銀、金)實(shí)現(xiàn)此目的。這種連接到所述電源軌的方式只是連接方案的一個(gè)實(shí)例，并不限制使用其它方式。圖5b是通過圖5a中發(fā)光二極管600的截面A-A’的橫截面圖。電極610和630以及電致發(fā)光材料620被示出沉積在第一實(shí)施例中描述的襯底上，但應(yīng)當(dāng)理解，還包括任何實(shí)施例或者它們的變化。圖5c是通過圖5a中發(fā)光二極管600的截面B-B’的橫截面圖。電極610和630以及電致發(fā)光材料620被示出沉積在第一實(shí)施例中描述的襯底上，但應(yīng)當(dāng)理解，適用于任何實(shí)施例或者它們的變化。要指出的是，電極610從頂表面延伸到底層襯底，并且電致發(fā)光材料620在正負(fù)電極610和630之間提供隔離。圖6a_g示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例的一系列制造步驟，其中制造頂表面發(fā)射LED。選擇該實(shí)施例作為實(shí)例，因?yàn)樗峁┳钊娴牟襟E系列。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以使用該圖描述的適用制造步驟，制造任何其它結(jié)構(gòu)。圖6a示出了選擇襯底370，襯底370可以是絕緣體或?qū)w，并且對(duì)于在所述發(fā)光二極管中產(chǎn)生的光而言還可以是透明的或不透明的。這種選擇將決定LED僅從頂表面發(fā)射還是從頂和底表面發(fā)射(與此處描述的其它實(shí)施例一致)。如圖6b中所示，金屬反射層350沉積在襯底的頂表面上以便增強(qiáng)到達(dá)該界面的光的反射率，并將光導(dǎo)引到發(fā)光二極管的上表面。該膜在以下情況下是可選的:使用透明襯底，并從頂和底表面發(fā)射?？梢允褂酶叻瓷渎式饘倌?，例如但不限于鋁、鈦、鎢、銅、銀或金。隨后將絕緣層360沉積在所述金屬反射層上，以使該過程稍后在該表面上形成的電極相互隔離。在形成該層時(shí)，可以使用例如但不限于二氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺或其它絕緣體的膜。電致發(fā)光材料320沉積在絕緣膜上，如圖6c中所示?？梢允褂萌缦码娭掳l(fā)光材料作為發(fā)光材料:砷化鎵、砷化鋁鎵、II1- V或I1- VI直接帶隙半導(dǎo)體、摻雜或非摻雜的富硅氧化物或者富硅氮化物。本發(fā)明并不限于特定的發(fā)光材料選擇，并且可以使用任何能夠以平面方式生長或沉積的發(fā)光材料。溝槽380蝕刻到電致發(fā)光材料320中，如圖6d中所示。`可以使用典型的蝕刻過程，例如用于現(xiàn)有半導(dǎo)體制造過程或者適合蝕刻發(fā)光材料的反應(yīng)離子蝕刻。此時(shí)，執(zhí)行調(diào)整或激活從發(fā)光材料的發(fā)射需要的任何離子注入步驟，如圖6e中所示。在富硅二氧化硅或富硅氮化物的情況下，此時(shí)將執(zhí)行硅的注入以便調(diào)整光發(fā)射。在其它電致發(fā)光材料的情況下，將適當(dāng)?shù)剡x擇其它摻雜劑離子以進(jìn)行離子注入。圖6f示出了使用金屬導(dǎo)體385填充溝槽380。金屬可以是通常用于現(xiàn)有半導(dǎo)體制造的任何低電阻率金屬，但并不限于此。隨后通過導(dǎo)致完成的結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)，例如化學(xué)機(jī)械研磨或反應(yīng)離子蝕刻，從結(jié)構(gòu)的頂表面去除過量金屬，如圖6g中所示。上面的過程并不排除導(dǎo)致其它LED結(jié)構(gòu)的有關(guān)該步驟系列和材料的變化?？梢允褂脠D6a至圖6g中描述的相同處理步驟，制造具有不同襯底類型的本發(fā)明其它實(shí)施例。如圖7a中所示，如果給出在其上沉積電致發(fā)光材料的透明非導(dǎo)電襯底350，則上述系列將導(dǎo)致圖3c中所示的本發(fā)明第三實(shí)施例。同樣，如圖7b中所示，如果給出在其上沉積絕緣層360的金屬襯底390，則上述的相同過程系列將導(dǎo)致圖3d中所示的本發(fā)明第四實(shí)施例。盡管出于明確理解的目的而相當(dāng)詳細(xì)地描述了上面的制造方法，但顯而易見的是，可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)某些更改和修改。因此，本實(shí)施例被視為示例性的而非限制性的，并且本發(fā)明并不限于在此給出的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種具有頂發(fā)光表面的發(fā)光二極管，包括具有頂表面的襯底，還包括設(shè)置在所述襯底的所述頂表面上的發(fā)光材料，并且還包括設(shè)置在所述發(fā)光材料中的溝槽內(nèi)部的至少一個(gè)金屬電極，所述溝槽的深度基本上與所述發(fā)光二極管的所述頂發(fā)光表面垂直地延伸到所述發(fā)光材料中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述襯底是具有頂和底表面的電導(dǎo)體，還包括設(shè)置在所述襯底的所述頂表面的、具有頂和底表面的金屬反射膜，并且還包括設(shè)置在所述金屬反射膜的所述頂表面和所述發(fā)光材料之間的薄絕緣膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其中所述導(dǎo)電襯底是硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其中所述導(dǎo)電襯底是金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述襯底是光學(xué)透明材料。
6.一種發(fā)光二極管，其中所述襯底是具有頂和底表面的光學(xué)透明材料，還包括設(shè)置在所述硅襯底的所述頂表面上的、具有頂和底表面的金屬反射膜。
7.一種發(fā)光二極管，其中所述襯底是具有頂和底表面的光學(xué)透明材料，還包括設(shè)置在所述硅襯底的所述頂表面上的、具有頂和底表面的金屬反射膜，并且還包括設(shè)置在所述金屬反射膜的所述頂表面和所述發(fā)光材料之間的薄絕緣膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)光二極管，其中所述透明材料是玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)光二極管，其中所述透明材料是塑料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其中所述發(fā)光材料是包括以下各項(xiàng)的發(fā)光材料組中的任何一種:富硅氧化物、摻雜稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、摻雜稀土金屬的富硅氮化物、摻雜發(fā)光元素的I1-VI半導(dǎo)體或者II1- V半導(dǎo)體。`
11.一種用于制造發(fā)光二極管的方法，包括提供硅襯底、生長或沉積薄金屬反射膜、沉積諸如氮化硅的電絕緣薄膜、沉積發(fā)光材料、構(gòu)圖所述發(fā)光材料以便在所述材料中形成至少一個(gè)溝槽、根據(jù)需要將適當(dāng)?shù)碾x子注入到所述發(fā)光膜中、對(duì)所述發(fā)光材料膜進(jìn)行退火或氧化以便優(yōu)化其光發(fā)射效率、在通過構(gòu)圖和蝕刻所述至少一個(gè)溝槽形成的開口中沉積導(dǎo)電金屬、去除過量金屬、沉積和構(gòu)圖金屬以便形成到所述側(cè)壁電極的接觸。
12.一種用于制造發(fā)光二極管的方法，包括提供金屬襯底、生長或沉積薄金屬反射膜、沉積諸如氮化硅的電絕緣薄膜、沉積發(fā)光材料、構(gòu)圖所述發(fā)光材料以便在所述材料中形成至少一個(gè)溝槽、根據(jù)需要將適當(dāng)?shù)碾x子注入到所述發(fā)光膜中、對(duì)所述發(fā)光材料膜進(jìn)行退火或氧化以便優(yōu)化其光發(fā)射效率、在通過構(gòu)圖和蝕刻所述至少一個(gè)溝槽形成的開口中沉積導(dǎo)電金屬、去除過量金屬、沉積和構(gòu)圖金屬以便形成到所述側(cè)壁電極的接觸。
13.一種用于制造發(fā)光二極管的方法，包括提供透明的絕緣襯底、生長或沉積薄金屬反射膜、沉積諸如氮化硅的電絕緣薄膜、沉積發(fā)光材料、構(gòu)圖所述發(fā)光材料以便在所述材料中形成至少一個(gè)溝槽、根據(jù)需要將適當(dāng)?shù)碾x子注入到所述發(fā)光膜中、對(duì)所述發(fā)光膜進(jìn)行退火或氧化以便優(yōu)化其光發(fā)射效率、在通過構(gòu)圖和蝕刻所述至少一個(gè)溝槽形成的開口中沉積導(dǎo)電金屬、去除任何過量金屬、沉積和構(gòu)圖金屬以便形成到所述側(cè)壁電極的接觸。
14.一種用于制造發(fā)光二極管的方法，包括提供透明的絕緣襯底、沉積發(fā)光材料、構(gòu)圖和蝕刻所述發(fā)光材料以便在所述材料中形成至少一個(gè)溝槽、將適當(dāng)?shù)碾x子注入到所述材料中、對(duì)所述發(fā)光膜進(jìn)行退火或氧化以便優(yōu)化其光發(fā)射效率、在通過構(gòu)圖和蝕刻所述至少一個(gè)溝槽形成的開口中沉積導(dǎo)電金屬、去除過量金屬、沉積和構(gòu)圖所述金屬以便形成到所述側(cè)壁電極的接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的用于制造所述發(fā)光二極管的方法，其中所述發(fā)光材料是包含在包括以下各項(xiàng)的發(fā)光材料組中的任何一種發(fā)光材料:富硅氧化物、摻雜稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、摻雜稀土金屬的富硅氮化物、摻雜發(fā)光元素的I1-VI半導(dǎo)體或者II1- V半導(dǎo)體。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的用于制造所述發(fā)光二極管的方法，其中所述發(fā)光材料是包含在包括以下各項(xiàng)的發(fā)光材料組中的任何一種發(fā)光材料:富硅氧化物、摻雜稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、摻雜稀土金屬的富硅氮化物、摻雜發(fā)光元素的I1-VI半導(dǎo)體或者II1- V半導(dǎo)體。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的用于制造所述發(fā)光二極管的方法，其中所述發(fā)光材料是包含在包括以下各項(xiàng)的發(fā)光材料組中的任何一種發(fā)光材料:富硅氧化物、摻雜稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、摻雜稀土金屬的富硅氮化物、摻雜發(fā)光元素的I1-VI半導(dǎo)體或者II1- V半導(dǎo)體。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的用于制造所述發(fā)光二極管的方法，其中所述發(fā)光材料是包含在包括以下各項(xiàng)的發(fā)光材料組中的任何一種發(fā)光材料:富硅氧化物、摻雜稀土元素的富硅氧化物、富硅氮化物、摻雜稀土金屬的富硅氮化物、摻雜發(fā)光元素的I1-VI半導(dǎo)體或者II1- V半導(dǎo)體。
全文摘要
公開了一種發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)(圖6g)和用于制造發(fā)光二極管的方法。所述結(jié)構(gòu)包括深溝槽金屬電極(385)，在它們之間，電致發(fā)光材料(320)設(shè)置在電極(385)的側(cè)壁上，從而形成在襯底上水平層疊的一系列發(fā)光二極管元件。用于制造所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的所述方法可以用于各種電致發(fā)光材料。
文檔編號(hào)H01L33/36GK103229317SQ201180057273
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者J·S·納科斯 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司