專利名稱：經(jīng)表面粗化的高效氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及發(fā)光二極管，且尤其涉及經(jīng)表面粗化的氮化鎵基高效發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
0002](注意本申請參考了大量不同的出版物，其貫穿于本說明書中并以一個或多個參考號表示。依照這些參考號順序排列的這些不同的出版物可以在以下題名為“參考文獻(xiàn)”的部分中找到。這些出版物中的每一個均通過引用結(jié)合在本說明書中。)0003氮化鎵(GaN)基的寬帶隙半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)投入使用約十年了。隨著全彩色LED顯示屏、LED交通信號、白光LED等等的實(shí)現(xiàn)，LED開發(fā)的進(jìn)程已經(jīng)在LED技術(shù)領(lǐng)域中帶來了巨大變化。
0004最近，高效率白光LED由于可能替代熒光燈，已經(jīng)引起了極大興趣。特別是，白光LED的效率(74lm/W)(見參考文獻(xiàn)[1])正在接近普通熒光燈的效率(75lm/W)。雖然如此，在效率方面還有必要做更多改進(jìn)。
0005原則上有兩種途徑來改進(jìn)LED的效率。第一種途徑是提高內(nèi)部量子效率(internal quantum efficiency，ηi)，其決定于晶體質(zhì)量和外延層結(jié)構(gòu)，而第二種途徑是增大光提取效率(light extractionefficiency，ηextraction)。
0006提高內(nèi)部量子效率不易做到。對于藍(lán)光LED，典型ηi值大于70％(見參考文獻(xiàn)[2])，而生長在低位錯GaN襯底上的紫外(UV)LED最近展現(xiàn)出大約為80％的ηi(見參考文獻(xiàn)[3])。這些數(shù)值幾乎沒有改進(jìn)空間。
0007另一方面，光提取效率方面則有很大的改進(jìn)空間。在消除光的內(nèi)部損耗方面，可解決大量問題，包括高反射鏡、低反射表面(例如粗化表面)、高散熱結(jié)構(gòu)等等。
0008例如，鑒于GaN(n≈2.5)(見參考文獻(xiàn)[4])和空氣的折射率，光逃逸錐面(light escape cone)的臨界角大約為23°。假設(shè)光從側(cè)壁發(fā)出且忽略后側(cè)，那么預(yù)計只有接近4％的內(nèi)光(internal light)可以被提取。所述逃逸錐面外部的光被反射進(jìn)入襯底且被活性層(active layer)或者電極重復(fù)反射或者吸收，除非它穿過所述側(cè)壁逃逸。
0009LED的結(jié)構(gòu)影響到能發(fā)出多少光。LED結(jié)構(gòu)對光提取效率的影響最好是通過實(shí)例來描述。以下實(shí)例描述了多種類型的LED結(jié)構(gòu)。
0010圖1是傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)的剖視圖，該結(jié)構(gòu)包括p型墊片電極(pad electrode)10、半透明電極12、p型層14、活性區(qū)16、n型層18、n型電極20、和襯底22。因?yàn)镚aN通常生長在絕緣襯底例如藍(lán)寶石上，因此p型和n型電極10、20有必要在相同的平面上制作，并且從而產(chǎn)生的電極10、20的器件結(jié)構(gòu)引入了橫向電流。由于p型GaN的高電阻率，可用一層金屬薄膜作為半透明電極12，以在p型GaN上進(jìn)行電流擴(kuò)散(current spreading)。理想的半透明電極12的透明度應(yīng)該是100％；然而，在GaN基LED中使用的薄金屬電極的透明度值最多是70％。此外，墊片電極10應(yīng)該是為線路鍵合(wirebonding)形成的，然而它遮蔽了從LED內(nèi)部發(fā)出的光；因此，提取效率預(yù)計相當(dāng)?shù)汀?br> 0011圖2是倒裝(flip-chip)型LED結(jié)構(gòu)的剖視圖，其包括透明藍(lán)寶石襯底24、n型層26、n型電極28、活性區(qū)30、p型層32、p型電極34、焊料36和主基座(host submount)38。為了提高外部效率(external efficiency)，可以通過所述倒裝型LED結(jié)構(gòu)的透明藍(lán)寶石襯底24來提取光。比起傳統(tǒng)的LED，這種方法的優(yōu)勢在于使用金屬薄膜和墊片電極減少了光吸收。然而，大部分從活性區(qū)發(fā)出的光將在襯底24與n型層26之間的交界面以及襯底24與空氣之間的界面處發(fā)生反射。
0012一種能將GaN膜從藍(lán)寶石襯底上剝離的方法被稱為“激光剝離”(laser lift off，LLO)技術(shù)。通過將這種方法應(yīng)用于倒裝型GaN基LED，可以實(shí)現(xiàn)無藍(lán)寶石襯底的GaN LED。假設(shè)所產(chǎn)生的GaN表面被加工成非平面取向(non-planar orientation)，光提取效率預(yù)期有重大改進(jìn)。
0013另一條增大提取效率的途徑是粗化LED的表面(見參考文獻(xiàn)[5])，這抑制了內(nèi)部光的反射并使光向上散射。然而，粗化表面LED僅僅在關(guān)于磷化鎵族(GaP family)材料的文章中提及，原因在于GaN是耐久性非常好的材料，且普通的濕式蝕刻法不太有效。因此雖然最早在1970年，已考慮到粗化半導(dǎo)體表面以散射光的概念，但是相信產(chǎn)生這種LED結(jié)構(gòu)是困難且昂貴的。
0014然而如上所述，典型的GaN基LED是由處于藍(lán)寶石或者碳化硅(SiC)襯底上的p-GaN/活性層/n-GaN薄膜組成的。雖然制作粗化表面需要一定厚度的GaN層(見參考文獻(xiàn)[6])，然而由于p-GaN的相對高的電阻率，不希望生長出厚的p-GaN，如果光是通過p-GaN提取的，在p-GaN表面上就要求有半透明的接觸面，而一些用于粗化表面的措施，例如干式蝕刻法(見參考文獻(xiàn)[7])，可能引起電性能惡化。同樣不希望通過金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉淀法(MOCVD)來生長p側(cè)朝下(p-side down)結(jié)構(gòu)，原因在于鎂(Mg)的記憶效應(yīng)(見參考文獻(xiàn)[8])，其損害了活性層。
0015近來，一種激光剝離(LLO)方法已經(jīng)被用來從生長在襯底上的GaN膜上分離藍(lán)寶石襯底(見參考文獻(xiàn)[9-11])。進(jìn)一步，LLO已經(jīng)被用來制作GaN基LED(見參考文獻(xiàn)[12，13])。然而，沒有任何參考文獻(xiàn)涉及這種技術(shù)在表面形態(tài)(surface morphology)或者提取效率方面的效果。
0016另一方面，在本發(fā)明中，使用倒裝技術(shù)(見參考文獻(xiàn)[14])和LLO方法，可以制作無襯底氮(N)側(cè)朝上的GaN基LED結(jié)構(gòu)。之后，可以采取各向異性蝕刻處理來粗化N側(cè)朝上GaN基LED的表面。這導(dǎo)致有助于光提取的六角形“類錐(cone-like)”表面。對比粗化前的LED，表面經(jīng)過最佳粗化的LED的提取效率增大超過100％。
0017請注意，一段時間以來，GaN已被認(rèn)為難以被各向異性蝕刻。這是正確的，因?yàn)楹推渌雽?dǎo)體材料相比，GaN是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料。采用干式蝕刻法來制作粗糙表面是可能的，但需要附加處理，例如光刻蝕，因而采用干式蝕刻法不可能在GaN上制作出優(yōu)良的類錐表面。
0018當(dāng)在鎵面(Ga面)GaN上運(yùn)用光致化學(xué)(photo-enhancedchemical，PEC)蝕刻法時，所述表面上形成小凹坑。這與導(dǎo)致截然不同類錐特征的氮面(N面)GaN的PEC蝕刻形成對比。雖然有一些報告涉及采用LLO技術(shù)制作GaN基LED，但是本發(fā)明采用各向異性蝕刻法來制作GaN基LED的N面GaN表面上的類錐結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
0019本發(fā)明描述了氮化鎵(GaN)基的發(fā)光二極管(LED)，其中，光是通過LED的氮面(N面)被提取的而且所述N面的表面被粗化而形成一個或多個六角形錐面。所述粗化表面減少了光在LED內(nèi)部重復(fù)發(fā)生的反射，且因此在所述LED外提取到更多的光。
0020所述N面的表面通過各向異性蝕刻法被粗化。所述各向異性蝕刻法包括干式蝕刻法或者光致化學(xué)(PEC)蝕刻法。
0021在一個實(shí)施例中，N面GaN是通過激光剝離(LLO)技術(shù)制備的。在另一個實(shí)施例中，LED是在c平面GaN晶片上生長的，p型層的表面是鎵面(Ga面)，而n型層的表面是氮面(N面)。


0022現(xiàn)在參考附圖，貫穿所有附圖，其中相同的參考編號代表相同的部件。
0023圖1是傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)的剖視圖。
0024圖2是倒裝型LED結(jié)構(gòu)的剖視圖。
0025圖3是表面粗化LED的示意圖。
0026圖4是描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中采用的操作步驟的流程圖。
0027圖5(a)到(f)進(jìn)一步說明對LED進(jìn)行表面粗化的制作步驟。
0028圖6(a)示出了帶有電流阻礙層(current-blocking layer)的LED，而圖6(b)示出了帶有電流約束框架(current-confining frame)的LED。
0029圖7(a)和7(b)是帶有十字形n電極的LLO-LED的俯視顯微圖。
0030圖8(a)和8(b)是經(jīng)不同蝕刻時間進(jìn)行PEC蝕刻后，GaN的N面的掃描電子顯微照片(SEM)圖像。
0031圖9(a)和9(b)示出了分別來自平坦表面LED和粗化表面LED的電致發(fā)光(EL)光譜；而0032圖10是上升的EL輸出功率對比DC注入電流(L-I)特性的曲線圖，其對應(yīng)于室溫下經(jīng)不同蝕刻時間而得的LED。
具體實(shí)施例方式
0033在以下優(yōu)選實(shí)施例的描述中，參考構(gòu)成本說明書一部分的附圖，且附圖以圖解方式示出了其中一個可實(shí)施本發(fā)明的特定實(shí)施例。應(yīng)該了解的是，在不偏離本發(fā)明的范圍的前提下，可采用其它實(shí)施例并可進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。
概述0034本發(fā)明提供了一種裝置，該裝置通過粗化GaN基LED的表面而提高了提取效率。具體地說，對N面c平面GaN表面施用各向異性PEC蝕刻方法導(dǎo)致形成錐形表面特征。這種粗化的表面減少了LED內(nèi)部重復(fù)發(fā)生的光反射，并因此在所述LED外提取到更多的光。并且，對比其它可能危及材料質(zhì)量的表面粗化方法，本發(fā)明的方法簡單、可重復(fù)而且應(yīng)該不會損害材料，所有這些優(yōu)點(diǎn)使得本發(fā)明更適于制作LED。
LED結(jié)構(gòu)0035圖3是粗化表面LED的示意圖，其包括n型電極40、n型層42、活性區(qū)44、p型層46和p型電極48，該p型電極48已通過焊接層50倒裝粘合到硅(Si)基臺52，該硅基臺52包括n型電極54。所述n型層42、活性區(qū)44和p型層46由(B，Al，Ga，In)N合金制成。采用干式或者PEC蝕刻方法來粗化n型層42的表面。為了能獲得所需表面，有必要設(shè)定合適的條件，例如對于干式蝕刻來說設(shè)定合適的等離子體化學(xué)成分和等離子體功率，和對于PEC蝕刻來說設(shè)定合適的電解質(zhì)和燈功率。重要的是，這種GaN基LED應(yīng)該沿著它的c軸生長而且這種n型GaN表面應(yīng)該是N面，原因在于在N面GaN上觀察各向異性蝕刻要比在Ga面GaN上容易得多。
0036注意c平面GaN具有如下結(jié)構(gòu)只包括Ga原子的平面和只包括N原子的平面是堆在一起的，或者是交替地疊起來的。如果一個表面是Ga面，則相對的表面是N面。從晶體生長和器件性能的觀點(diǎn)看，Ga面c平面GaN一般是優(yōu)選的，基于這個事實(shí)，N面GaN需要借助LLO技術(shù)來制備，或者可以選擇地，LED結(jié)構(gòu)可以在c平面大塊GaN晶片上生長。
0037光從活性區(qū)44射出，射向粗化的n型GaN表面42并被該表面散射，該表面并不將所述光反射回所述活性區(qū)。所希望的是，所述p型電極48具有高反射性以減少光吸收，并從而使朝向所述n型GaN表面42反射的光增多。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，已經(jīng)確定的是對比帶有平坦表面的LED，本發(fā)明采用的帶有粗化表面的LED的上向光(upward light)輸出功率增大為兩倍或者三倍。
操作步驟0038圖4是描述在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中所采用的操作步驟的流程圖。
0039方框56表示如下步驟通過MOCVD在c平面藍(lán)寶石襯底上生長Ga面外延層，從而產(chǎn)生樣品。
0040方框58表示如下步驟在MOCVD之后使所述樣品退火以進(jìn)行p型激活(p-type activation)。
0041方框60表示如下步驟在所述樣品上執(zhí)行p型金屬化操作，其包括但不局限于銀(Ag)或者鋁(Al)，以形成高反射p-GaN觸點(diǎn)。
0042方框62表示如下步驟在所述樣品上沉積厚金(Au)層，接著在熱蒸發(fā)器(thermal evaporator)中通過Sn蒸發(fā)來沉積作為焊接金屬的錫(Sn)層。
0043方框64表示如下步驟在280℃以上的溫度，翻轉(zhuǎn)所述樣品并將其粘附在Au涂布的Si襯底/基臺上，其中形成Au/Sn合金，這有助于將所述樣本粘合到Si襯底上。
0044方框66表示如下步驟執(zhí)行LLO操作，即，使用氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光(eximer laser light)(248nm)，通過藍(lán)寶石襯底的背面照射所述樣品的透明藍(lán)寶石襯底，從而導(dǎo)致在GaN/藍(lán)寶石襯底界面處的GaN局部分解。具體地說，通過對所述樣品之上的KrF準(zhǔn)分子激光光斑進(jìn)行光柵操作，GaN基LED膜就轉(zhuǎn)變成Si襯底/基臺。
0045方框68表示如下步驟對所述樣品進(jìn)行KrF激光光柵操作后，將藍(lán)寶石襯底從所述樣品剝離。
0046方框70表示如下步驟在所述樣品的分離的GaN表面上，用氯化氫(HCl)溶液清除任何殘留的Ga微滴(droplet)。
0047方框72表示如下步驟使轉(zhuǎn)變的GaN變薄，直到摻Si的N面GaN暴露在所述樣品上。
0048方框74表示如下步驟在所述樣品的暴露的N面GaN上，沉積鈦/鋁/鈦/金(Ti/Al/Ti/Au)電極，作為n型觸點(diǎn)或者說電極。
0049方框76表示如下PEC蝕刻步驟將所述樣品浸在氫氧化鉀(KOH)電解質(zhì)溶液中，并用氙/汞(Xe/Hg)燈照射N面GaN表面，通過這種方式來使上表面被粗化。PEC蝕刻的細(xì)節(jié)描述于參考文獻(xiàn)[15]中。
0050方框78表示如下步驟采用干式蝕刻、切割(dicing)或者劈削(cleaving)方法分離所述樣品的Si襯底上的每一個器件。
0051圖5(a)到(f)進(jìn)一步說明了具有粗化表面的LED的制作步驟，其中所述LED結(jié)構(gòu)包括p型電極80、GaN基LED膜82、藍(lán)寶石襯底84、焊接金屬86、基臺(載體)88和n型電極90。具體地說，圖5(a)示出了p型電極80沉積后的結(jié)果，圖5(b)示出了所述LED被粘附到主基臺88上之后的結(jié)果，圖5(c)示出了用LLO將藍(lán)寶石襯底分離后的結(jié)果，圖5(d)示出了n型電極90沉積后的結(jié)果，圖5(e)示出了GaN表面82粗化后的結(jié)果，而圖5(f)示出了器件分離后的結(jié)果?？赡艿男薷?b>0052雖然上文已經(jīng)描述了基本結(jié)構(gòu)，但是還存在大量可能的修改和變化方案。
0053圖6(a)示出了帶有電流阻礙層的LED，而圖6(b)示出了帶有電流約束框架的LED，其中所述LED包括n型電極92、n型層94、活性層96、p型層98、p型電極100、電流阻礙層102、和電流約束框架104。
0054圖6(a)中，所述LED具有電流阻礙層102，其對準(zhǔn)置于n型電極92下方。此電流阻礙層102防止電流集中在n型電極92之下，從而避免了n型電極92之下發(fā)出的光被吸收，因而提高了提取效率。SiO2之類的絕緣物適于放置在p-GaN層98上，這是因?yàn)樵陔娮栊缘膒-GaN層98中幾乎不產(chǎn)生電流擴(kuò)散。
0055圖6(b)中，所述LED具有絕緣體制成的電流約束框架104。如果使用干式蝕刻法或者切割法來分離器件，若表面受到損害，器件的側(cè)壁可能產(chǎn)生漏電流。此漏電流降低了LED的效率和使用壽命。電流約束框架104有助于抑制通過LED的側(cè)壁的漏電流，并且如果此框架的寬度選擇適當(dāng)，不會明顯減小發(fā)光面積。
0056雖然Si襯底已經(jīng)被描述成LLO操作中的主基臺，不過要實(shí)踐本發(fā)明也可以使用其它可供選擇的襯底材料。雖然Si比藍(lán)寶石更便宜而且具有更高的熱傳導(dǎo)率，但是其它襯底，例如SiC、鉆石、AlN、或者像CuW這樣的各種金屬，從熱傳導(dǎo)的觀點(diǎn)看，也可以適合使用。
0057目前，GaN器件還能夠直接在SiC和Si襯底上生長。如果GaN基LED是在SiC或者Si上生長的，傳統(tǒng)的干式蝕刻或者濕式蝕刻可以分離襯底。通過使用大塊GaN襯底，可以省略LLO操作。
0058對于LED制作，樣品尺寸也是一個關(guān)鍵點(diǎn)。現(xiàn)在，大尺寸的LED因?yàn)槟軡M足大功率LED的需求而得到關(guān)注。即使n型GaN的電阻率比p型GaN的小，出于電流擴(kuò)散目的，其尺寸也影響了n型電極的幾何排列。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果0059在發(fā)明者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，Ga面外延層是通過MOCVD在c平面藍(lán)寶石襯底上生長的。其結(jié)構(gòu)包括4微米厚不摻雜和摻雜Si的GaN層、5周期的GaN/InGaN的多量子阱(MQW)、20納米厚摻雜Mg的Al0.2Ga0.8N層、和0.3微米厚摻雜Mg的GaN。MOCVD操作之后，所述樣品被退火以進(jìn)行p型激活，且隨后執(zhí)行p型金屬化操作。采用Ag基電極作為高反射p-GaN觸點(diǎn)。在樣品上厚Au沉積，接著在熱蒸發(fā)器中進(jìn)行Sn蒸發(fā)。在280℃溫度，翻轉(zhuǎn)所述晶片并將其粘附于Au涂布的Si基臺，從而形成Au和Si的合金，這有助于強(qiáng)化所述晶片和基臺的粘合。采用KrF激光(248nm)以進(jìn)行LLO操作，在此操作中，所發(fā)射激光通過透明的藍(lán)寶石襯底，在GaN與藍(lán)寶石交界處引起了GaN的局部分解。在所述樣品上進(jìn)行KrF激光的光柵化操作后，藍(lán)寶石襯底即被剝離。在轉(zhuǎn)變的GaN表面上的殘余的Ga微滴由HCl溶液清除。接著，使轉(zhuǎn)變的GaN變薄，直到摻雜Si的GaN暴露出來。在暴露出的N面n-GaN上形成n觸點(diǎn)，并且通過活性離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)使每一個器件與其臨近部分分離。最后，采用PEC蝕刻以便粗化表面頂層。采用KOH溶液和Xe/Hg燈分別作為電解液和光源。所述LED的輸出功率使用位于LED片上方高度7毫米處的Si檢測器裝置進(jìn)行測量。
0060圖7(a)和7(b)是帶有十字形n電極的LLO-LED的俯視顯微照片，其中所述LED粘附在Si襯底上。圖7(a)示出了粗化之前的表面而圖7(b)示出了粗化之后的表面。因?yàn)樵赑EC蝕刻期間n電極阻擋了UV光，其下的GaN沒有被蝕刻，因而粗化后所述電極保留在GaN上?？捎勉熷a氧化物(ITO)之類透明電極作為電流擴(kuò)散電極。
0061圖8(a)和8(b)是經(jīng)不同蝕刻時間的PEC蝕刻之后，GaN的N面的掃描電子顯微照片(SEM)圖像。注意經(jīng)PEC蝕刻的N面GaN表面包括多個六角形錐面，這與Youtsey等人(見參考文獻(xiàn)[16])所報告的PEC蝕刻GaN表面不同。這種不同被認(rèn)為是緣于GaN的表面極性(surface polarity)。通過比較圖8(a)中的2分鐘(min)蝕刻表面和圖8(b)中的10分鐘蝕刻表面，后者特征尺寸增大而且六角錐的棱面顯得更清晰。
0062在從LED中進(jìn)行光提取方面，錐形表面顯得非常有效。并且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明錐形可以提取更多的光。舉例而言，在GaN晶體中藍(lán)光LED的波長約為200nm。如果錐形的尺寸比該值小得多，那么光可能不受此粗糙度的影響。另一方面，如果錐形的尺寸接近該值，光可能發(fā)生散射或者衍射。
0063實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，已經(jīng)確定的是，所述粗化表面包括許多六角形錐面，其具有的角度等于或者小于2sin-1(nair/ns)≈47.2°對于GaN，其中nair是空氣的折射率，而ns是GaN的折射率。類似地，已經(jīng)確定的是，粗化表面包括許多六角形錐面，其具有的角度等于或者小于2sin-1(nenc/ns)對于環(huán)氧，其中nenc是環(huán)氧的折射率，而ns是GaN的折射率。
0064所述表面可能沒有必要是錐形，而應(yīng)該考慮格狀結(jié)構(gòu)(grating structure)和光子晶體(photonic crystal)。對于光提取，這些可能是更好的結(jié)構(gòu)。然而，光子晶體的制作需要精確的設(shè)計和操作，這比制作錐形粗糙表面更費(fèi)成本。
0065在PEC蝕刻之前的“類鏡(mirror-like)”表面隨著蝕刻時間的增加而顯露褪色。如果將高反射金屬沉積在GaN膜的另一側(cè)，所述表面顯白色；否則它較暗。這據(jù)信是因?yàn)樵诳諝?GaN交界面，光反射受到抑制，而如果在GaN背面有高反射性金屬，射入GaN的光將再次出來，在所述粗化表面散射。
0066圖9(a)和9(b)分別示出了來自平坦表面LED和粗化表面LED的電致發(fā)光(EL)光譜。室溫(RT)下，以25A/cm2DC的正向電流密度進(jìn)行測量。如圖9(a)所示，平坦表面LED的光譜呈現(xiàn)多峰發(fā)射(multi-peaked emission)，表明從活性區(qū)發(fā)出的光在垂直的GaN腔中發(fā)生了干涉，該腔夾在GaN/金屬形成的鏡面和GaN/空氣形成的鏡面之間。相反地，如圖9(b)所示，在粗化表面LED上觀察不到縱模。這意味著，粗化的GaN/空氣交界面散射了光，致使共振被抑制。
0067圖10是一在室溫經(jīng)不同蝕刻時間而得的LED的上升EL輸出功率對DC注入電流(L-I)特性的曲線圖。這些數(shù)據(jù)是在PEC蝕刻之前和之后從相同的設(shè)備中獲得的，因此能夠忽略除表面形態(tài)之外導(dǎo)致這種不同的任何因素。任一L-I曲線都示出了直到50mA的線性特性。因?yàn)閷Ρ人{(lán)寶石，Si具有相對較高的熱傳導(dǎo)率，因此這些器件在高功率操作方面具有優(yōu)勢。隨著PEC蝕刻時間增加，給定電流的輸出功率增加。比較對應(yīng)于平坦表面LED和10分鐘蝕刻表面LED的輸出功率，這種粗化處理導(dǎo)致輸出功率增加為2.3倍。根據(jù)在不同設(shè)備上進(jìn)行的其它測量，粗化處理后，功率也顯示出兩到三倍的增長。因?yàn)?，比起粗化表面LED，由于光的橫向傳播(lateral propagation)，平坦表面LED往往從LED片的側(cè)壁發(fā)出更多的光，所以如果總功率是以積分球(integrating sphere)來計量，那么輸出功率的差異將比較小。但是，借助于各向異性蝕刻技術(shù)，提取效率的這種提高仍顯示出了重大進(jìn)步。
0068總之，出于增大提取效率的目的，各向異性蝕刻法已被應(yīng)用于GaN基LED。LED的輸出測試結(jié)果已經(jīng)表明可假定由于GaN膜中光傳播減少，粗化外貌(roughened appearance)和提取效率之間存在一定關(guān)系。雖然還沒有測量總的積分光功率，然而在提取效率方面的最大增長已經(jīng)超過100％。值得注意的是，本說明書所述技術(shù)簡單，而且不需要復(fù)雜的操作，這表明采取表面粗化將適合于制作GaN基LED。
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結(jié)論0070在此總結(jié)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述。以下描述一些用于實(shí)施本發(fā)明的可選實(shí)施例。
0071本發(fā)明中，除了MOCVD，還可以使用許多不同的生長方法。
0072另外，可以采用藍(lán)寶石或者碳化硅之外的其它襯底。
0073進(jìn)一步，可構(gòu)造不同的LED結(jié)構(gòu)。舉例而言，也可構(gòu)造諧振腔LED(RCLED)或者微腔LED(MCLED)。
0074之前出于解釋和說明的目的，已提供了對本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例的描述。這并非毫無遺漏的而且也不是有意要將本發(fā)明局限于所公開的精確形式。在以上講授的光的操作方面，可能有很多修改和變化方案。本發(fā)明的范圍不應(yīng)被此詳細(xì)的描述所限制，而應(yīng)受限于所附權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)，其中光是通過所述LED的氮面(N面)提取的，且所述N面的表面被粗化成一個或多個錐面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述錐面是六角形錐面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述粗化表面減少了所述LED內(nèi)重復(fù)發(fā)生的光反射，并因此而在所述LED外提取到更多的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述N面的表面是通過各向異性蝕刻被粗化的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GaN LED，其中所述各向異性蝕刻是干式蝕刻。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GaN LED，其中所述各向異性蝕刻是光致化學(xué)(PEC)蝕刻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述N面是所述GaNLED的n型層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述N面GaN是通過激光剝離(LLO)技術(shù)制備的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述LED生長在c平面GaN晶片上并且鎵面(Ga面)是p型層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述LED是由n型電極、n型層、活性區(qū)、p型層和p型電極組成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的GaN LED，其中所述n型層、活性區(qū)和p型層各自是由(B，Al，Ga，In)N合金制成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的GaN LED，其中所述p型電極具有高反射性，以減少光吸收，并增大朝向所述n型層表面的光反射。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的GaN LED，其中所述LED包括電流阻礙層，其對準(zhǔn)置于所述n型電極下方以防止電流集中在所述n型電極之下，由此能避免所述n型電極之下發(fā)出的光被吸收，并能提高提取效率。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的GaN LED，其中所述LED包括絕緣物制成的電流約束框架，其抑制通過所述LED的側(cè)壁的漏電流，而不明顯減小發(fā)光面積。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述粗化表面是由多個六角形錐面組成的，其具有的角度等于或者小于2sin-1(nair/ns)≈47.2°對于GaN，其中nair是空氣的折射率，而ns是GaN的折射率。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN LED，其中所述粗化表面是由多個六角錐面組成的，其具有的角度等于或者小于2sin-1(nenc/ns)對于環(huán)氧，其中nenc是環(huán)氧的折射率，而ns是GaN的折射率。
17.一種制作氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)的方法，其中光是通過所述LED的氮面(N面)提取的，所述方法包括將所述N面的表面粗化成一個或多個錐面。
18.一種發(fā)光二極管(LED)，其由n型電極、n型層、活性區(qū)、p型層和p型電極組成，其中所述n型層的表面通過各向異性蝕刻而被粗化成一個或多個錐面，并且光是通過所述n型層的所述粗化表面提取的。
全文摘要
一種氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)，其中光通過所述LED的氮面(N面)(42)被提取并且所述N面(42)的表面被粗化形成一個或多個六角形錐面。所述粗化表面減少了在所述LED內(nèi)部的光反射的重復(fù)發(fā)生，并因此在所述LED外部提取到更多的光。所述N面(42)的所述表面通過各向異性蝕刻進(jìn)行粗化，所述蝕刻包括干式蝕刻或者光致化學(xué)(PEC)蝕刻。
文檔編號H01L29/20GK1886827SQ200380110945
公開日2006年12月27日 申請日期2003年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月9日
發(fā)明者T·藤井, Y·高, E·L·胡, S·中村 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會