经表面粗化的高效氮化镓基发光二极管制造技术

一种氮化镓（ＧａＮ）基发光二极管（ＬＥＤ），其中光是通过所述ＬＥＤ的氮面（Ｎ面）提取的，且所述Ｎ面的表面被粗化成一个或多个锥面。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
0001本专利技术涉及发光二极管，且尤其涉及经表面粗化的氮化镓基高效发光二极管。
技术介绍
0002](注意本申请参考了大量不同的出版物，其贯穿于本说明书中并以一个或多个参考号表示。依照这些参考号顺序排列的这些不同的出版物可以在以下题名为“参考文献”的部分中找到。这些出版物中的每一个均通过引用结合在本说明书中。)0003氮化镓(GaN)基的宽带隙半导体发光二极管(LED)已经投入使用约十年了。随着全彩色LED显示屏、LED交通信号、白光LED等等的实现，LED开发的进程已经在LED
中带来了巨大变化。0004最近，高效率白光LED由于可能替代荧光灯，已经引起了极大兴趣。特别是，白光LED的效率(74lm/W)(见参考文献[1])正在接近普通荧光灯的效率(75lm/W)。虽然如此，在效率方面还有必要做更多改进。0005原则上有两种途径来改进LED的效率。第一种途径是提高内部量子效率(internal quantum efficiency，ηi)，其决定于晶体质量和外延层结构，而第二种途径是增大光提取效率(light extractionefficiency，ηextraction)。0006提高内部量子效率不易做到。对于蓝光LED，典型ηi值大于70％(见参考文献[2])，而生长在低位错GaN衬底上的紫外(UV)LED最近展现出大约为80％的ηi(见参考文献[3])。这些数值几乎没有改进空间。0007另一方面，光提取效率方面则有很大的改进空间。在消除光的内部损耗方面，可解决大量问题，包括高反射镜、低反射表面(例如粗化表面)、高散热结构等等。0008例如，鉴于GaN(n≈2.5)(见参考文献[4])和空气的折射率，光逃逸锥面(light escape cone)的临界角大约为23°。假设光从侧壁发出且忽略后侧，那么预计只有接近4％的内光(internal light)可以被提取。所述逃逸锥面外部的光被反射进入衬底且被活性层(active layer)或者电极重复反射或者吸收，除非它穿过所述侧壁逃逸。0009LED的结构影响到能发出多少光。LED结构对光提取效率的影响最好是通过实例来描述。以下实例描述了多种类型的LED结构。0010图1是传统的LED结构的剖视图，该结构包括p型垫片电极(pad electrode)10、半透明电极12、p型层14、活性区16、n型层18、n型电极20、和衬底22。因为GaN通常生长在绝缘衬底例如蓝宝石上，因此p型和n型电极10、20有必要在相同的平面上制作，并且从而产生的电极10、20的器件结构引入了横向电流。由于p型GaN的高电阻率，可用一层金属薄膜作为半透明电极12，以在p型GaN上进行电流扩散(current spreading)。理想的半透明电极12的透明度应该是100％；然而，在GaN基LED中使用的薄金属电极的透明度值最多是70％。此外，垫片电极10应该是为线路键合(wirebonding)形成的，然而它遮蔽了从LED内部发出的光；因此，提取效率预计相当低。0011图2是倒装(flip-chip)型LED结构的剖视图，其包括透明蓝宝石衬底24、n型层26、n型电极28、活性区30、p型层32、p型电极34、焊料36和主基座(host submount)38。为了提高外部效率(external efficiency)，可以通过所述倒装型LED结构的透明蓝宝石衬底24来提取光。比起传统的LED，这种方法的优势在于使用金属薄膜和垫片电极减少了光吸收。然而，大部分从活性区发出的光将在衬底24与n型层26之间的交界面以及衬底24与空气之间的界面处发生反射。0012一种能将GaN膜从蓝宝石衬底上剥离的方法被称为“激光剥离”(laser lift off，LLO)技术。通过将这种方法应用于倒装型GaN基LED，可以实现无蓝宝石衬底的GaN LED。假设所产生的GaN表面被加工成非平面取向(non-planar orientation)，光提取效率预期有重大改进。0013另一条增大提取效率的途径是粗化LED的表面(见参考文献[5])，这抑制了内部光的反射并使光向上散射。然而，粗化表面LED仅仅在关于磷化镓族(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，且普通的湿式蚀刻法不太有效。因此虽然最早在1970年，已考虑到粗化半导体表面以散射光的概念，但是相信产生这种LED结构是困难且昂贵的。0014然而如上所述，典型的GaN基LED是由处于蓝宝石或者碳化硅(SiC)衬底上的p-GaN/活性层/n-GaN薄膜组成的。虽然制作粗化表面需要一定厚度的GaN层(见参考文献[6])，然而由于p-GaN的相对高的电阻率，不希望生长出厚的p-GaN，如果光是通过p-GaN提取的，在p-GaN表面上就要求有半透明的接触面，而一些用于粗化表面的措施，例如干式蚀刻法(见参考文献[7])，可能引起电性能恶化。同样不希望通过金属有机化学汽相沉淀法(MOCVD)来生长p侧朝下(p-side down)结构，原因在于镁(Mg)的记忆效应(见参考文献[8])，其损害了活性层。0015近来，一种激光剥离(LLO)方法已经被用来从生长在衬底上的GaN膜上分离蓝宝石衬底(见参考文献[9-11])。进一步，LLO已经被用来制作GaN基LED(见参考文献[12，13])。然而，没有任何参考文献涉及这种技术在表面形态(surface morphology)或者提取效率方面的效果。0016另一方面，在本专利技术中，使用倒装技术(见参考文献[14])和LLO方法，可以制作无衬底氮(N)侧朝上的GaN基LED结构。之后，可以采取各向异性蚀刻处理来粗化N侧朝上GaN基LED的表面。这导致有助于光提取的六角形“类锥(cone-like)”表面。对比粗化前的LED，表面经过最佳粗化的LED的提取效率增大超过100％。0017请注意，一段时间以来，GaN已被认为难以被各向异性蚀刻。这是正确的，因为和其它半导体材料相比，GaN是化学性质稳定的材料。采用干式蚀刻法来制作粗糙表面是可能的，但需要附加处理，例如光刻蚀，因而采用干式蚀刻法不可能在GaN上制作出优良的类锥表面。0018当在镓面(Ga面)GaN上运用光致化学(photo-enhancedchemical，PEC)蚀刻法时，所述表面上形成小凹坑。这与导致截然不同类锥特征的氮面(N面)GaN的PEC蚀刻形成对比。虽然有一些报告涉及采用LLO技术制作GaN基LED，但是本专利技术采用各向异性蚀刻法来制作GaN基LED的N面GaN表面上的类锥结构。
技术实现思路
0019本专利技术描述了氮化镓(GaN)基的发光二极管(LED)，其中，光是通过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个或多个六角形锥面。所述粗化表面减少了光在LED内部重复发生的反射，且因此在所述LED外提取到更多的光。0020所述N面的表面通过各向异性蚀刻法被粗化。所述各向异性蚀刻法包括干式蚀刻法或者光致化学(PEC)蚀刻法。0021在一个实施例中，N面GaN是通过激光剥离(LLO)技术制备的。在另一个实施例中，LED是在c平面GaN晶片上生长的，p型层的表面是镓面(Ga面)，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)，其中光是通过所述LED的氮面(N面)提取的，且所述N面的表面被粗化成一个或多个锥面。2.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述锥面是六角形锥面。3.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述粗化表面减少了所述LED内重复发生的光反射，并因此而在所述LED外提取到更多的光。4.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述N面的表面是通过各向异性蚀刻被粗化的。5.根据权利要求4所述的GaN LED，其中所述各向异性蚀刻是干式蚀刻。6.根据权利要求4所述的GaN LED，其中所述各向异性蚀刻是光致化学(PEC)蚀刻。7.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述N面是所述GaNLED的n型层。8.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述N面GaN是通过激光剥离(LLO)技术制备的。9.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述LED生长在c平面GaN晶片上并且镓面(Ga面)是p型层。10.根据权利要求1所述的GaN LED，其中所述LED是由n型电极、n型层、活性区、p型层和p型电极组成的。11.根据权利要求10所述的GaN LED，其中所述n型层、活性区和p型层各自是由(B，Al，Ga，In)N合金制成的。12.根据权利要求10所述的GaN LED，其中所述p型电极具有高反...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·藤井，Y·高，E·L·胡，S·中村，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：