具有改善的光提取率的發光二極體的製作方法

2023-06-27 00:45:46

專利名稱：具有改善的光提取率的發光二極體的製作方法
具有改善的光提取率的發光二極體
背景技術：
本發明涉及發光器件，具體涉及發光二極體。發光二極體(LED)是一類光子半導體器件，其通過在合適的半導體材料內激發電子空穴重組事件來將施加的電壓轉換成光。 重組事件中釋放的一部分或所有的能量隨之產生光子。當重組事件產生光子時，其在各個方向引發光子。發光二極體享有其他半導體固態器件的一些良好的特性。這些特性通常包括堅實的物理特性、長的使用壽命、高可靠性以及取決於特殊材料的低成本。這些物理特性與相對較低的功耗要求一起使發光二極體適合作為光輸出器件。發光二極體的一般理論和操作在現有技術中都是非常容易理解的。發光二極體的結構和操作的適當參考包括S. MJZE的 ((PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES (半導體器件物理學)》(第二版，1981)和 E. FRED SCHUBERT 的《LIGHT-EMITTING DIODES (發光二極體)》QOO3)。從實踐的立場看，LED的有效發射可以通過實際離開器件且可以從外部感知的光的量來最好地理解和測量，一個因素被稱為二極體的外部量子效率(EQE)。然而，如上所述的，LED產生光子且在所有方向引發光子。因此，實際的目標是將在期望的光傳輸方向上實際離開器件的光子數最大化。發光二極體通常包括多層不同的材料。因此，有源部分發出的光通常必須在離開二極體之前穿過或越過一個或多個這樣的層。斯涅爾定律(Snell law)決定了光子在從一個材料傳到下一個材料時將折射。光子折射的角度將取決於兩種材料折射率之間的差異和光到達界面的入射角。在二極體中，雖然一些反射光將仍然從二極體的一些其他位置逃逸，一定比例的反射光會完全於內部反射，而不會從二極體逃逸，且將因此功能性地降低二極體的外部效率。雖然在光子逃逸百分比中的單獨減少可能出現相對較少，但累積效應是顯著的，其他方面很相似的二極體可能由於即使這麼小百分比損失而具有明顯不同的性能效率。斯涅爾定律決定了當光穿過界面進入有高折射率的介質時，光朝向法線彎曲。同樣地，當光從較高折射率介質傳播而到達較低折射率介質的界面時，光將遠離法線彎曲。以定義為臨界角的角度，從較高折射率介質傳播到達低折射率介質的光將以90°折射，也就是平行於邊界。以大於臨界角的任何角度，入射光線經過全內反射。臨界角因此是折射率比的函數。如果光以大於該臨界角的任何角度撞擊界面，光將根本不會穿過而到達第二介質。反而，界面將光反射回第一介質中，該過程稱為全內反射。由於全內反射的光損失稱為臨界角損失，而且是降低LED外部效率的另一個因素。在兩種材料的界面反射的光常稱為菲涅耳反射或菲涅耳損失。介質各自的光學折射率的任何差異將導致菲涅耳損失。因此，菲涅耳損失是造成由LED產生的LED發射到空氣的全部光的百分比降低的另一個因素。因此，需要具有這樣特徵的器件，其使特定光子將在期望的方向上或方向範圍內離開器件的概率最大化，因此增加器件的光輸出效率。

發明內容
在一個方面，本發明是具有有源區和多個外表面的發光二極體。外表面包括光增強特徵，其選自由反射體、成形和紋理構成的組。然而這些外表面中的至少一個不是反射體。在另一方面，本發明是包括基板和形成在基板上的第III族氮化物有源區的發光二極體。基板和第III族氮化物有源區限定了多個外表面。其中一個外表面具有選自由成形和紋理構成的組的光增強特徵。剩下的外表面具有選自由成形、紋理和反射體構成的組的光增強特徵。在另一方面，本發明是包括基板和形成在基板上的有源區的發光二極體。有源區具有至少一個η型層和一個P型層。發光二極體包括多個外表面，其中的至少四個外表面具有選自由成形、紋理和反射體構成的組的光增強特徵。


圖1到圖7是說明本發明各種示例性實施方式的橫截面示意圖。
具體實施例方式廣泛地說，本發明是這樣的發光器件，其通過使用位於器件外表面上的多個光增強特徵而具有改善的光輸出效率。圖中說明了本發明的若干方面。圖中，器件作為具有橫向配置的發光二極體來示出，但是可以理解的是，其他類型的光電半導體器件可以利用本發明的一些或所有的方面。出於描述的目的，LED結構依據第III族氮化物和碳化矽來描述，但是可以適當包含其他材料。第III族氮化物和碳化矽在發光二極體中的使用通常在現有技術中是確定的，並且將不另外詳細描述。正如本領域技術人員所熟悉的，當一個或多個半導體材料層中發生重組事件時， LED的有源區產生光子。發生這種情況的最簡單的結構是p-n結。這樣的p-n結可以包括本發明描述的LED結構的有源區(或有源層)。然而可以理解的是，有源區可以包括更複雜的結構，例如單量子阱、多量子阱和超晶格結構、以及包括位於各個P型層與η型層之間的一個或多個有源層的結構。這樣，雖然這裡的大部分的討論和圖示依據簡單的P-n結來說明，但可以理解的是，除了簡單的P-n結外，本發明可以在其間包含複雜的結構和變型。在本領域中可以理解的是，這樣更複雜的結構中，有源區(或層)常常位於ρ型外延層與η型外延層之間。在典型的實施方式中，有源層是多量子阱。例如，這樣的阱通常包括2到25周期之間的氮化鎵(GaN)和氮化銦稼(InGaN)的交替層。眾多這樣的實例中，阱中的GaN和hGaN層都在無主動(proactive)摻雜的情況下生長。結果，這些層(雖然被稱為「不摻雜的」)本質上是η型。圖1是本發明的一個實施方式的示意性橫截面圖並且是總體上以10指出的LED 結構。P層和η層分別以11和12示出，且它們之間具有有源層22。ρ層11、有源層22和 η層12結合構成LED 10的有源區。ρ層11和η層12由外延生長在基板13的至少一個、 通常是幾個第III族氮化物層形成。在一些實施方式中，基板13由碳化矽形成。基板也可以由藍寶石、矽、金屬或適合支撐ρ層11和η層12且不另外幹擾LED 10的結構和操作的任何其他材料交替地形成。在某些情況下，基板13是生長基板，也就是支撐ρ型和η型外
5延層生長的材料。其他情況下，基板13是承載基板(或「子基座」)，所述承載基板在已經在別處生長後附接到外延層。歐姆接觸14和15分別提供到ρ層11和η層12的電連接。歐姆接觸14和15可由諸如鉬、鎳、金、鈦、鉻、鋁和銀的金屬形成，包括這些金屬的合金以及這些金屬中的兩種或更多種的層。歐姆接觸14和15布置成橫向配置。當基板13導電時(例如η型SiC)，歐姆接觸14和15也可以交替地位於LED 10的軸向相對面上，給歐姆接觸14和15提供豎直配置。LED 10限定了多個外表面，其中一些以17、18、19、20和21示出。本文所用的術語「外表面」指的是立體(solid)多邊形的面。LED當然是立體物體，這樣LED限定了立體多邊形；也就是三維物體，其中各個面是多邊形而且這些多邊形沿直線彼此連接。這樣，可以理解的是，在三維空間中，LED 10有圖1看不見的其他外表面。LED 10在其中一個外表面的至少一部分上具有選自由成形和紋理構成的組的光增強特徵，並且在每個其他外表面的至少一部分上具有選自由成形、紋理和反射體構成的組的光增強特徵。本文所用的術語「形狀」或「成形」指的是二極體或表面的整體立體幾何形狀以及包括傾斜、環繞、或以其他方式成形的表面。術語「有紋理的」指的是具有較小光學特徵的表面且包括機械粗化表面(如從物理鋸或雷射切割粗化)、結晶表面(如反映基本晶體的低整數米勒指數比的化學形成的結晶表面)、和透鏡(lenticular)表面(如規則的、鏡頭狀的特徵)。美國專利申請公開 No. 20060186418中描述了示例性的結晶表面，美國專利No. 7，384，809中描述了示例性的
透鏡表面。術語「反射體」指的是金屬(如鋁、銀、或其他反射金屬)、介電反射體(例如分布式布拉格反射體(DBR)和包括金屬和介電層的混合反射體。圖1中，其中四個外表面(17、18、19和20)具有增強LED 10的光輸出的透鏡表面。本文所用的術語「透鏡表面」指的是在LED 10的一個或多個外表面上的規則圖案透鏡型結構。透鏡表面可通過光刻法或利用壓花印將圖案印到外表面上而形成。美國專利第 7. 384，809號中提出形成透鏡表面的示例性的(非限定的)技術。圖1也示出了一個或多個外表面可以包括反射體來增強LED的光輸出。圖1中， 在LED 10的底(相對而言)外表面21上以16示出了這樣的反射體。反射體16可以是由 Ag、Al、或在其他方面不幹擾LED 10結構或操作的任何其他合適的金屬形成的一個或多個金屬層。可替換地，反射體16也可以是介電鏡，如分布式布拉格反射體。反射體16也可以是由TiO2和SW2的交替層形成的介電鏡。在其他實施方式中，反射體16可以由金屬層和介電鏡這兩者組成。這種反射體的設計和製造為本領域的普通技術人員所理解且不會另外詳細描述。外表面17、18、19、20和21可以額外地或可替換地具有光增強特徵，如紋理或斜角切割，這些特徵將相對於圖3和圖5中更加詳細地描述。換句話說，外表面17、18、19、20和 21可以具有一個或多個的光增強特徵，如反射體、透鏡表面、斜角切割或紋理。圖1中不可見的由LED 10限定的任何外表面也可以有光增強特徵。進一步可以明白，可以使用任何不幹擾LED 10操作的任何其他光增強特徵。當然，為了保證LED 10發光，LED 10的至少一個外表面必須不是反射體。換句話說，如果LED 10的所有外表面都是反射體，光子將不能從LED 10發出。某些光增強特徵最實際或有效地使用於某些表面。例如，當二極體的頂表面是第III族氮化物(如GaN)，優選的頂表面增強特徵是結晶的(如美國專利申請公開第 20060060874號)；或透鏡式的(如本文別處描述的)；或亞波長周期圖案化的(或「光子晶體」)、或大于波長的隨機圖案化的。當然，相關波長是二極體產生的波長。側壁通過形成斜角或以隨機方式粗化來最有效地增強。這樣的隨機粗化可以(例如)通過在鋸切過程中或當用雷射來切割晶圓時使用金剛石磨粒來添加，或通過任何其他合適的機械工具來添加。器件的底部或背面通過透鏡表面、斜槽(或表面鋸切時會觀察到的類型的其他大型圖案)、以及隨機粗化來最有效地增強，例如，正如通過重疊產生的。本文(一般在本領域中)所用的術語「底部」或「背面」指的是二極體的與有源層相對的部分。圖2是本發明的另一實施方式的示意性橫截面圖並且是總體上以30指出的LED 結構，其與圖1描述的LED 10基本相似。LED 30在基板33上具有的P層31、有源層42和 η層32。歐姆接觸34和35分別提供了到P層31和η層32的電連接。LED 30具有多個外表面，其中五個在圖2中以37、38、39、40和41示出。其中一些外表面(如37、38、39和 40)具有透鏡表面。其中一個外表面Gl)具有兩個光增強特徵，透鏡表面和反射體36。圖3是總體上以50指出的LED結構的示意性橫截面圖，其類似於以上所述本發明實施方式。LED 50在基板53上有ρ層51、有源層62和η層52。歐姆接觸M和55分別提供了到P層51和η層52的電連接。圖3以57、58、59、60和61示出了五個外表面。這些表面中的兩個外表面(58和59)具有透鏡表面。另一個外表面(61)具有透鏡表面和反射體56。兩個其他的外表面(57和60)具有紋理表面和斜角切割。本文所用的術語「斜角切割」指的是相對於由一個或多個外延層限定的主要水平面限定非垂直角度的外表面(如 57或60)，如η層52。外表面上的斜角切割(如圖3中以57和60所示)產生有角度的表面，在此，在其他情況下可能被全內反射困住的光可以發出。廣義上講，這樣的斜角將限定相對於外延層的大於0°且小於90°的角。但是大多這樣的斜角將形成相對於外延層的約 30°與60°之間的角。在示例性實施方式中，金剛石鋸可以用來產生有斜角且有紋理的外表面，如57和60。可替換地，任何其他合適的工具也可以用來產生斜角切割。圖4是總體上以70指出的LED結構的示意性橫截面圖，其類似於以上所述本發明實施方式。LED 70在基板73上具有P層71、有源層83和η層72。歐姆接觸74和75分別提供了到P層71和η層72的電連接。圖4以77、78、79、80和81示出了 LED 10的五個外表面。其中兩個外表面(79和80)具有透鏡表面。兩個其他的外表面(77和80)具有斜角切割。其中一個外表面81具反射體76。如圖4所示，LED 70也可以包括在基板73與反射體76之間的由介電層82 ( 二氧化矽)形成的混合反射體。在示例性實施方式中(不限於圖4所示的實施方式)，介電層 82提供了優於單獨金屬層(如反射體76)的反射。基於折射率的不同，當基板(如圖4所示的7 是碳化矽時，二氧化矽特別有用。圖5是總體上以90指出的LED結構的示意性橫截面圖，其類似於以上所述本發明的實施方式。LED 90在基板93上具有P層91、有源層102和η層92。歐姆接觸94和95 7分別提供了到P層91和η層92的電連接。圖5的橫截面圖示出了五個外表面97、98、99、 100和101。如虛線所示，其中一些較大的外表面(97、98、99和100)連同臺面側壁(也就是層91、92和102上的103和104)是有紋理的。本文所用的術語「有紋理的」指的是具有或多或少程度不規則性的、在外表面上的任何小的、非平面特徵。基於斯涅爾定律，這樣的表面以眾多角度的大量小表面來提供光子，從而增加了折射(且射出到外部)而非內反射的光子的數量。例如，美國專利申請公開第20060186418號描述了在第III族氮化物發光二極體的發光表面上生成晶面的技術。另一實例，美國專利第6，821，804號描述了具有光波長等級的特徵的紋理表面。這種特徵以不由斯涅爾定律直接預測的方式反射和折射光子且可以提高LED的整體外部效率。當然，這種結構和技術是示例性的而非限制性的，而且當其避免負面影響LED的其他部分或其功能時，可以使用其他化學或物理技術。在其他實施方式中，其中一個外表面101具有反射體96。圖6是總體上以110指出的LED結構的示意性橫截面圖，其類似於以上所述本發明的實施方式。LED 110在基板113上具有P層111、有源層1 和η層112。歐姆接觸114 和115分別提供了到P層111和η層112的電連接。在其他實施方式中，圖6示出了五個外表面117、118、119、120和121。其中兩個外表面(118和119)是透鏡的且其中兩個外表面(117和120)具有斜角切割。其中三個外表面(117、120和121)分別具有反射體122、 123 和 116。圖7是根據本發明的橫向倒裝晶片設計的透視橫截面視圖。圖7中，二極體總體上以130指出。基板133形成二極體130的發射面且包括光提取增強面141，該光提取增強面示出為透鏡式的，但是也可以是適合該表面的任何其他增強特徵。基板133包括斜角側邊緣137和140。P層131、有源層142和η層132示出為形成了二極體130的發光部分。η型層和 P型層各自的表面139和138可包括任何以上描述的增強特徵。P型層131上形成有合適的歐姆接觸134(並且以一般很好理解的方式潛在地包括金屬焊盤)且η型層132上形成有歐姆接觸135。總體上以136指出的反射體覆蓋P型層131，除了 P型歐姆接觸134佔據的部分。 在本發明的其他實施方式中，反射體136可以是分布式布拉格折射體，而且也可以潛在地包括至少一個金屬層(未顯示)以增加反射頻率的範圍。雖然現有的器件廣泛地包括很多包括鏡子、斜角和重疊邊緣的表面，這些通常限於安裝有向下外延側的豎直結構晶片；也就是在倒裝晶片定向中，外延層定位成最靠近安裝結構且基板面向發光的優選方向。從光提取效率的角度看，這種豎直器件能經受基板 (其典型地是碳化矽)上的η型接觸和高度摻雜的碳化矽本身這兩者的吸收性質。之前結構的另一缺點是當結合薄晶片時，用來在碳化矽上形成歐姆接觸的雷射退火(例如美國專利申請公開第20050104072號)也易於增加吸收以及進一步限制反射層的優勢。在本發明的橫向設計實施方式中，外延層上的接觸可用提供更大反射率的金屬 (如鋁)製成。該橫向設計實施方式也可在P型層內包含傳導性減小的區域，這些區域與附近更不透明的特徵相適應，如P層的歐姆接觸(例如美國專利申請公開第20080217635 號)。作為另一因素，當透明碳化矽用作器件基板時，其透明度可由整體碳化物(solidcarbide)的電阻率範圍限定；也就是在大多實例中，包括較少摻雜原子(因此具有較高的電阻率)的碳化矽晶體將顯示比具有較多摻雜原子(較高傳導性)的SiC晶體更大的透明度。豎直器件通常要求較高傳導性的基板。在豎直設計中，所要求的較高導電性的基板易於吸收更多的光，從而減少二極體的外部效率。因此，另一個有益效果是本文公開的橫向設計不需要導電基板。因此，這些橫向設計可包含更加透明的(也就是高電阻率)基板而仍顯示良好的正向電壓特性。橫向設計也為定位任何期望的鏡層提供了更多的選擇且橫向設計晶片可以安裝在外延層之上或之下(也就是相對於基板最靠近安裝結構或相對於基板更遠離安裝結構)。在外延層置於安裝結構上(「向下」)的情況下，所述鏡可位於整個器件的外延側上。雖然本發明提供了關於橫向設計二極體的有益之處，但是本發明的方面可增強豎直設計二極體的外部效率。對於外延層代表二極體的發射面(也就是外延層「向上」)的設計尤其如此。在這種設計中，外延層帶有光增強特徵。在這些豎直設計中，所述鏡必要地位於器件的背面上或側壁上或位於背面和側壁這兩者上，但是(當然)絕不在發射面上。在這樣的豎直設計中，側壁可以是此處另外提出的有斜角的或粗化的。本文所述的光增強設計提供了基於碳化矽折射率的額外優勢。特別地，碳化矽與空氣的折射率之間的差異，以及碳化矽與最常見密封劑的折射率之間的差異，通常大於其他基板材料(如藍寶石)與空氣或密封劑的折射率之間的差異。因此，碳化矽易於比其他基板材料折射和內部反射更多的光。正因如此，增強碳化矽基二極體的表面的光輸出特性對於這些器件的外部量子效率有成比例的更大積極作用。如圖所示，本發明也可以描述為這樣的具有多個外表面的發光二極體其中，至少四個外表面具有選自由斜角切割、紋理、透鏡表面和反射體構成的組的光增強特徵。在某些情況下，取決於二極體結構和基板性質以及外延層，至少六個外表面可具有這種光增強特徵，在其他實施方式中，至少八個外表面可具有這種光增強特徵。在其他實施方式中，至少一個外表面具有不是反射體的某種光增強特徵。如前所述，在所有外表面提供反射體將是無意義的，因為這種結構將阻止任何光離開二極體。附圖和說明書中已經闡明了本發明的優選實施方式，雖然使用了特殊術語，但其僅用於一般性和描述性的意義且目的不是為了限制，本發明的範圍在權利要求書中限定。
權利要求
1.一種發光二極體，包括 多個外表面；在所述二極體的所述外表面中的一個的至少一部分上的光增強特徵，所述光增強特徵選自由成形和紋理構成的組；在所述二極體的其他外表面的每一個的至少一部分上的光增強特徵，所述光增強特徵選自由成形、紋理、和反射體構成的組；以及歐姆接觸，相對於所述有源區沿橫向定向。
2.根據權利要求1所述的發光二極體，包括由第III族氮化物材料系統形成的有源區。
3.根據權利要求2所述的發光二極體，進一步包括支撐所述有源區的基板。
4.根據權利要求3所述的發光二極體，其中，所述基板選自由SiC、藍寶石、矽、和金屬構成的組。
5.根據權利要求2所述的發光二極體，其中，所述有源區包括至少一個第III族氮化物外延層；並且其中，在所述外表面中的一個上的至少一個光增強特徵是斜角切割，其中所述外表面限定了相對於所述第III族氮化物外延層的非垂直角度。
6.根據權利要求1所述的發光二極體，其中，每個外表面包括單個光增強特徵。
7.根據權利要求1所述的發光二極體，其中，所述外表面中的一個或多個包括至少兩個不同的光增強特徵。
8.根據權利要求1所述的發光二極體，其中，至少一個外表面包括反射體。
9.根據權利要求8所述的發光二極體，其中，所述反射體包括一個或多個金屬層。
10.根據權利要求8所述的發光二極體，其中，所述反射體包括多個介電層。
11.根據權利要求10所述的發光二極體，其中，所述反射體進一步包括一個或多個金屬層。
12.根據權利要求1所述的發光二極體，其中，所述光增強特徵中的至少一個是選自由機械紋理特徵、結晶特徵、和透鏡特徵構成的組的紋理特徵。
13.根據權利要求12所述的發光二極體，其中，所述紋理表面包括具有光波長級的特徵的隨機圖案。
14.根據權利要求1所述的發光二極體，其中，所述光增強特徵中的至少一個包括透鏡表面。
15.根據權利要求1所述的發光二極體，其中，所述有源區包括 至少一個η型層和一個ρ型層；以及所述歐姆接觸中的一個針對所述η型層製成，所述歐姆接觸中的另一個針對所述ρ型層製成。
16.根據權利要求15所述的發光二極體，其中，在所述外表面中的一個上的至少一個光增強特徵是成形斜角切割，所述外表面在該成形斜角切割中限定了相對於所述η型層的非垂直角度。
17.根據權利要求3所述的發光二極體，其中，至少一個外表面包括反射體。
18.根據權利要求17所述的發光二極體，其中，所述反射體在所述基板上與所述有源區相對。
19.根據權利要求17所述的發光二極體，其中，所述反射體包括一個或多個金屬層。
20.根據權利要求17所述的發光二極體，其中，所述反射體包括多個介電層。
21.根據權利要求1所述的發光二極體，包括 有源區，具有至少一個η型層和一個ρ型層；以及所述外表面中的至少四個具有選自由斜角切割、紋理、透鏡表面、和反射體構成的組的光增強特徵。
22.根據權利要求21所述的發光二極體，其中，具有光增強特徵的所述表面中的至少兩個形成0°到90°之間的角度。
23.根據權利要求21所述的發光二極體，其中，具有光增強特徵的所述表面中的至少兩個形成30°到60°之間的角度。
24.根據權利要求21所述的發光二極體，其中，所述外表面中的至少六個具有選自由成形、紋理、和反射體構成的組的光增強特徵。
25.根據權利要求21所述的發光二極體，包括具有選自由成形、紋理、和反射體構成的組的光增強特徵的至少八個外表面。
全文摘要
本發明公開了一種發光二極體(70)，包括有源區(83)和多個外表面(77-81)。二極體其中一個外表面的至少有一部分上具有光增強特徵，該光增強特徵選自由成形(77、80)和紋理(78、79)構成的組。二極體每個其他的外表面(81)的至少一部分上具有光增強特徵，這些光增強特徵選自由成形、紋理和反射體(81)構成的組。
文檔編號H01L33/46GK102246325SQ200980149197
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月4日 優先權日2008年12月8日
發明者孔華雙, 戴維·斯拉特, 約翰·埃德蒙, 馬修·多諾弗裡奧 申請人:克利公司