通过表面粗糙化的高光提取效率的基于氮化物的发光二极管制造技术

本发明专利技术揭示一种ＩＩＩ－氮化物发光二极管（ＬＥＤ）及其制造方法，其中纹理化所述ＬＥＤ的ＩＩＩ－氮化物层的半极性或非极性平面的至少一个表面，借此形成经纹理化表面以增加光提取。可通过等离子辅助化学蚀刻、光刻之后进行蚀刻或纳米压印之后进行蚀刻来执行所述纹理化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及发光二极管(LED)，且更特定来说涉及经由表面粗糙化的高光提取效 率的基于氮化镓的LED。
技术介绍
(注意此申请案参考如在整篇说明书中由括号内的一个或一个以上参考编号 (例如[X])指示的许多不同出版文献。可在下文名称为“参考文献”的章节中找到根据所 述参考编号排序的所述不同出版文献列表。所述出版文献中的每一者均以引用方式并入本 文中。)基于氮化镓(GaN)的宽带隙半导体LED已使用了近15年。LED开发的进步已在 LED技术中引起极大改变，实现全色LED显示器、LED交通信号、白色LED等等。高效率白色LED已获得许多兴趣作为萤光灯的可能替代物_白色LED的发光效能 (130-150流明/瓦特[1])已超过普通萤光灯的发光效能(75流明/瓦特)。然而，当前市 售基于纤锌矿氮化物的LED的特征在于在多量子阱(MQW)内部存在用于其W001]c极性生 长定向的极化相关电场。在异质结面处的自发及压电极化两者的不连续性在量子阱中产生 内部电场，此引起载流子分离(量子束缚史塔克效应(QCSE))并减小量子阱内的辐射复合 速率[2到5]。为减小所述极化相关效应，已证明在非极性平面(亦即，(l-lOO)m平面或(11_20) a平面)上生长III-氮化物装置[6到7]。减小并可能消除所述效应的另一方法是在相对 于c方向倾斜的晶体平面(亦即，半极性平面)上生长III-氮化物装置。还已证明生长于 不同半极性平面(包含(10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)及其它)上的装置[8到10]。与c 平面III -氮化物材料相比较所述平面在异质结构中具有减小的极化不连续性；且对于离所 述c平面 45度定向的半极性平面来说，在InGaN/GaN异质结构中不存在极化不连续性 [5]。最近，随着高质量独立GaN衬底的出现，已报道在非极性m平面、半极性(10_1_1)及 (11-22)独立GaN衬底上具有介于407nm与513nm之间的峰值发射波长的高效能非极性及 半极性LED。所述LED的效能显着部分概括于表1中[11到15]。所述装置显示量子阱中极大减小的极化相关电场，此使得一个人能够在LED内部采用较厚量子阱，相信此对于在 高电流下操作的装置来说至关重要。因此，生长于非极性及半极性定向的GaN衬底上的LED 承载着商业上有用的固态照明应用的极大希望且随着高质量独立GaN衬底变得更可用而 为商业可行。表1 对最近报道的半极性及非极性LED的效能的概括。 用以改进LED效率的当前技术归入两种不同类别增加内部量子效率或提取效率。增加由晶体质量及外延层结构所确定之内部量子效率可能相当困难。蓝色LED的 典型内部量子效率值大于70% [16]且生长于低位错GaN衬底上的紫外线(UV) LED最近展 示出高达80%的内部量子效率[17]。在所述值上可能存在很小改进空间，尤其对于生长于 高质量独立GaN衬底上的非极性及半极性定向的装置也是如此。另一方面，存在充分的光提取效率改进空间。对于裸芯片基于氮化物的LED来说， 因GaN(n = 2. 5)与空气(η = 1)之间相当巨大的折射率差，因此光逃逸锥的角度仅为23 度，此导致低至4. 18%的不足光提取效率[18]。所述逃逸锥外部的光在所述装置内部重复 反射并最终由有源区或电极吸收。可使用表面粗糙化程序来显着减小内部光损耗并促进光从所述装置逃逸。图1是 经表面粗糙化的LED的示意性横截面图解说明，其包括η型电极10、η型III -氮化物层11、 III -氮化物有源区12、Ρ型III -氮化物层13及经由金锡结合15结合至硅子安装座16的ρ 型电极14。使用光增强型化学(PEC)蚀刻来粗糙化η型层11的背侧17，所述背侧是氮面 (N面)GaN表面。箭头18指示由所述LED发射的光的可能轨迹。与光滑表面及其它方面相 同的装置相比较，针对经表面粗糙化的LED测量到130%的输出功率增加[19]。虽然通过PEC蚀刻进行表面粗糙化是用于改进从基于氮化物的LED的光提取的必 要条件，但此技术的有效性大体上依赖于即将粗糙化表面的晶体定向及极性，尤其c极性 [OOOlJGaN的氮面[21]。因此，PEC蚀刻可能不能应用于其它GaN晶体定向及极性的表面， 包含a面(11-20)、非极性m面(1-100)及大多数半极性表面。缺少用于表面粗糙化的方法 已变成非极性及半极性LED为实现较高提取效率的主要障碍，且因此需要较高总体效率且 因此经改进粗糙化技术来解决此问题。
技术实现思路
本专利技术描述一种增加从基于氮化物的LED的光提取效率的方法，其涉及光刻及等 离子辅助化学干式蚀刻。通过增加光提取，因此期盼后续效率改进。本专利技术的一个最值得 注意的优点在于其显着增加从基于氮化物的LED(包含沿非极性及半极性定向生长的膜) 的光提取效率。另外，与其它光提取增强技术(例如，使用光子晶体)相比较，此专利技术更直 接。更重要的是，不同于也为简单光提取增强技术的光增强型化学蚀刻，本专利技术更通用，因 为其可应用于任何氮化物半导体表面而不管其晶体结构如何。因此，为克服上述现有技术中的限制，且为克服在阅读及理解本说明书时将变得 显而易见的其它限制，本专利技术描述一种用于制造III-氮化物LED的方法，其包括纹理化所述 LED的III-氮化物层的半极性或非极性平面的至少一个表面以形成经纹理化表面，其中通 过等离子辅助化学蚀刻来执行所述纹理化步骤。可通过光刻之后进行所述蚀刻来执行所述 纹理化步骤，或可使用纳米压印之后进行所述蚀刻来形成所述经纹理化表面。主要从所述 经纹理化表面提取所述LED的有源区发射的光。所述纹理化步骤可进一步包括(1)形成带有至少一个侧壁的至少一个特征，所 述至少一个侧壁反射并透射从所述特征内部入射的至少一个光射线；及使所述侧壁倾斜以 使得每次反射所述射线时，所述射线相对于所述侧壁的表面法线的入射角减小，从而在所 述射线的所述入射角小于临界角时，所述射线穿过所述侧壁的透射增加，且在所述射线的 所述入射角至少等于所述临界角时，所述侧壁反射所述射线。本专利技术进一步揭示一种用于从III -氮化物LED发射光的方法，其包括从所述LED 的III-氮化物层的半极性或非极性平面的至少一个经纹理化表面发射所述光，其中通过等 离子辅助化学蚀刻来执行所述纹理化。本专利技术进一步揭示一种III -氮化物LED，其包括η型III -氮化物；ρ型III -氮化物； 发射光的III -氮化物有源层，其形成于所述η型III -氮化物与P型III -氮化物之间；III -氮 化物光提取表面，其位于所述η型III -氮化物上并与外部介质形成界面，其中所述III -氮化 物光提取表面具有带有至少一个倾斜侧壁的若干特征，所述至少一个倾斜侧壁在所述界面 处将所述光透射到外部介质空气中并在所述界面处反射所述光，其中(1)经反射的光在 于所述特征内部经历若干后续反射之后具有增加的相对于所述界面的入射角且因此被透 射到所述外部介质的机会增加，且(2)所述η型III -氮化物、ρ型III -氮化物及III -氮化物 有源层为半极性或非极性层。所述外部介质可以为折射率小于III -氮化物的介质，例如空 气或真空。附图说明现参考其中相同参考编号始终表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造Ⅲ－氮化物发光二极管（ＬＥＤ）的方法，其包括：纹理化所述ＬＥＤ的Ⅲ－氮化物层的半极性或非极性平面的至少一个表面以形成经纹理化表面，其中通过等离子辅助化学蚀刻来执行所述纹理化步骤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-11-30 60/991,617一种用于制造III-氮化物发光二极管(LED)的方法，其包括纹理化所述LED的III-氮化物层的半极性或非极性平面的至少一个表面以形成经纹理化表面，其中通过等离子辅助化学蚀刻来执行所述纹理化步骤。2.如权利要求1所述的方法，其中通过光刻之后进行所述蚀刻来执行所述纹理化步马聚o3.如权利要求1所述的方法，其中使用纳米压印之后进行所述蚀刻来形成所述经纹理化表面。4.如权利要求1所述的方法，其中从所述经纹理化表面提取由所述LED的有源区发射 的光。5.如权利要求1所述的方法，其中所述纹理化步骤进一步包括(1)形成带有至少一个侧壁的至少一个特征，所述至少一个侧壁反射并透射从所述特 征内部入射的至少一个光射线；及(2)使所述侧壁倾斜，以使得每次反射所述射线时所述射线相对于所述侧壁的表面法 线的入射角减小，从而(a)在所述射线的所述入射角小于临界角时，所述射线穿过所述侧壁的透射增加，且(b)在所述射线的所述入射角至少等于所述临界角时，所述侧壁反射所述射线。6.一种用于从III-...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟弘，阿努拉格蒂雅吉，肯尼思J万波拉，詹姆斯S斯佩克，史蒂文P登巴尔斯，中村秀治，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]