CN101127382A - 氮化镓基发光二极管及其制造方法 - Google Patents

氮化镓基发光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种垂直GaN基LED，包括n－电极；在该n－电极下形成的n－型GaN层，该n－型GaN层具有不规则表面结构，该不规则表面结构包括具有以均匀间隔形成的不规则结构的第一不规则表面结构和具有以不均匀间隔形成的不规则结构的第二不规则表面结构，该第二不规则表面结构形成于该第一不规则表面结构之上；在该n－型GaN层下形成的有源层；在该有源层下形成的p－型GaN层；在该p－型GaN层下形成的p－电极；以及在该p－电极下形成的结构支持层。

Description

氮化镓基发光二极管及其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2006年8月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2006-0076592号的优先权，将其内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及垂直氮化镓基发光二极管(在下文中，称为垂直GaN基LED)及其制造方法，其可提高光提取效率，从而增强外部量子效率。
背景技术
通常，GaN基LED生长在蓝宝石衬底(substrate)上。蓝宝石衬底是刚性非导体，并且具有较低的导热性。因此，难以减小GaN基LED的尺寸以降低成本或改善光强度(optical power)和芯片特性。特别地，因为要对GaN基LED施加高电流来增强GaN基LED的光强度，所以散热对于LED非常重要。为了解决这些问题，已提出了一种垂直GaN基LED。在GaN基LED中，使用激光剥离(laser lift-off)(在下文中，称为LLO)技术来去除蓝宝石衬底。
然而，在通常的垂直GaN基LED中，降低了其中从有源层(active layer)产生的光子被发射到外部的效率。也就是，降低了亮度。
为了解决这样的问题，在传统的垂直GaN基LED内设置了以均匀或不均匀间隔形成的表面不规则结构(surface irregularities)，从而增强亮度。
现在，参考图1和图2来描述传统的垂直GaN基LED。图1和图2是示出传统的垂直GaN基LED的透视图。
参考图1和图2，传统的垂直GaN基LED具有在结构支持层150上形成的阳电极(p-电极)130。在p-电极130上，顺序地形成了p-型GaN层126、有源层124、以及n-型GaN层121，从而形成发光结构(light emission)120。
在发光结构120上，即在n-型GaN层121的表面上，形成了用于增强光提取效率的不规则表面结构160。在该不规则表面结构160上，形成了阴电极(n-电极)170。
更具体地，图1示出了其中n-型GaN层121的不规则表面结构160具有以均匀间隔形成的不规则结构的状态。图2示出了其中n-型GaN层121的不规则表面结构160具有以不均匀间隔形成的不规则结构的状态。
然而，当n-型GaN层121的不规则表面结构160如上所述以均匀或不均匀间隔形成时，其中可以形成表面不规则结构的表面，也就是n-型GaN层的表面是受到限制的。因此，亮度的改善效果是不够的。
因此，在本技术领域需要一种用于最大化亮度的改善效果的新方法。
发明内容
本发明的优点在于，提供了一种垂直GaN基LED，其中由具有均匀间隔的不规则表面结构和具有不均匀间隔的不规则表面结构组成的不规则表面结构在该垂直GaN基LED的发光部上形成。因此，提高了光提取效率，使得亮度的改善效果可以被最大化。
本发明的另一个优点在于，它提供了一种制造所述垂直GaN基LED的方法。
本发明的总的发明构思的其它方面和优点将在随后的描述中部分地阐述，并且部分可根据该描述变得显而易见，或者可以通过总的发明构思的实施而获知。
根据本发明的一方面，一种垂直GaN基LED包括：n-电极；在该n-电极下形成的n-型GaN层，该n-型GaN层具有不规则表面结构，该不规则表面结构包括具有以均匀间隔形成的不规则结构的第一不规则表面结构以及以不均匀间隔形成的不规则结构的第二不规则表面结构，该第二不规则表面结构在第一不规则表面结构上形成；在该n-型GaN层下形成的有源层；在该有源层下形成的p-型GaN层；在该p-型GaN层下形成的p-电极；以及在p-电极下形成的结构支持层。
根据本发明的另一个方面，该垂直GaN基LED进一步包括在该n-型GaN层的整个表面上形成的透明导电层，该透明导电层被定位在n-电极和n-型GaN层之间。
根据本发明的又一方面，一种制造垂直GaN基LED的方法包括：在衬底上顺序地形成n-型GaN层、有源层、以及p-型GaN层；在该p-型GaN层上形成p-电极；在该p-电极上形成结构支持层；去除该衬底以便暴露该n-型GaN层的表面；在n-型GaN层暴露的表面上形成具有均匀间隔的第一不规则表面结构；在第一不规则表面结构上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构；以及在其上已形成有第一和第二不规则表面结构的n-型GaN层上形成n-电极。
根据本发明的又一方面，该第一不规则表面结构的形成包括：在暴露的n-型GaN层上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图案；通过将光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀刻n-型GaN层的部分。
根据本发明的又一方面，该第二不规则表面结构的形成是通过利用干法蚀刻或湿法蚀刻工艺来完成的。
根据本发明的又一方面，该方法进一步包括在形成n-电极之前在该n-型GaN层上形成透明导电层。
根据本发明的又一方面，制造垂直GaN基LED的方法包括：将衬底表面图案化为具有均匀间隔的不规则图案；形成n-型GaN层，使得与图案化为不规则图案的衬底相接触的该n-型GaN层的表面具有与该不规则图案一致的具有均匀间隔的第一不规则表面结构；在该n-型GaN层上顺序地形成有源层和p-型GaN层；在该p-型GaN层上形成p-电极；在该p-电极上形成结构支持层；去除该衬底以便暴露n-型GaN层的第一不规则表面结构；在该第一不规则表面结构的暴露表面上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构；以及在其上已形成有第一和第二不规则表面结构的n-型GaN层上形成n-电极。
根据本发明的又一方面，该衬底的图案化包括：在该衬底上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图案；以及通过将光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀刻衬底的部分。
附图说明
根据以下结合附图的具体实施方式的描述，本发明的总发明构思的这些和/或其它方面和优点将变得显而易见，并更易于理解：
图1和图2是示出传统的垂直GaN基LED的透视图；
图3是根据本发明具体实施方式的垂直GaN基LED的透视图；
图4是用于说明根据本发明具体实施方式的不规则表面结构的照片；
图5是比较地示出了分别在图1和图3中所示的垂直GaN基LED的亮度值的图；
图6是示出根据本发明的垂直GaN基LED的变型的透视图；
图7A到7E是顺序示出了根据本发明第一种具体实施方式的制造垂直GaN基LED的方法的截面图；以及
图8A到8E是顺序示出了根据本发明第二种具体实施方式的制造垂直GaN基LED的方法的截面图。
具体实施方式
下面将详细参照本发明的总发明构思的具体实施方式，在附图中示出了其实施例，其中，在全文中用相同的标号表示相同的元件。以下描述的具体实施方式是为了通过参照附图来解释本发明的总的发明构思。在附图中，为了清楚起见，层和区域的厚度被放大。
在下文中，将参照附图对根据本发明具体实施方式的垂直GaN基LED及其制造方法进行详细描述。
垂直GaN基LED的结构
参照图3，将详细描述根据本发明具体实施方式的垂直GaN基LED的结构。
图3是根据本发明具体实施方式的垂直GaN基LED的透视图。
如图3所示，垂直GaN基LED具有在其最上部形成的n-电极170，该n-电极170由Ti/Al或类似物构成。
在n-电极170下，形成了n-型GaN层121。在n-型GaN层121上，形成了不规则表面结构160，包括第一不规则表面结构160a和在第一不规则表面结构160a上形成的第二不规则表面结构160b。第一不规则表面结构160a具有以均匀间隔形成的不规则结构，并且第二不规则表面结构160b具有以不均匀间隔形成的不规则结构。
图4是用于说明根据本发明具体实施方式的不规则表面结构的照片。参照图4，由以均匀间隔在轮廓线(等位线，contour-line)形状中形成的较大隆起构成的结构表示第一不规则表面结构，并且以不均匀间隔形成的较小隆起构成的结构表示第二不规则表面结构。
由于n-型GaN层121的上表面的实际表面区域通过具有均匀间隔的第一不规则表面结构160a被增大，所以可以形成第二不规则表面结构160b形成而具有更大量的表面不规则结构。
如上所述，当具有不均匀间隔的第二不规则表面结构160b以如下状态被设置在n-型GaN层121上，即为用作该垂直GaN基LED的发光部的n-型GaN层121的表面区域通过具有均匀间隔的第一规则表面结构160a被增大的状态时，垂直GaN基LED具有比在将具有不均匀间隔的不规则表面结构设置在n-型GaN层121的平坦表面上的情况下更大的亮度，这可从图5看出。图5是比较地示出分别在图1和图3中所示的垂直GaN基LED的亮度值的图表。
对增强在有源层中产生的光子的扩散特性以便有效将该光子释放到外部的第一表面不规则结构160a的形状没有限制。在该具体实施方式中，第一表面不规则结构160a的不规则结构的侧面被形成矩形形状。然而，不限于矩形形状，第一表面不规则结构160a的不规则结构的侧面可以形成半球形或三角形。
在n-型GaN层121下，形成发光结构120，其中将有源层124和p-型GaN层126顺序地层叠。
在发光结构120中的n-型或p-型GaN层121或126可以是掺杂有n-型或p-型导电杂质的GaN层或GaN/AlGaN层。可以将有源层124形成为具有由InGaN/GaN层构成的多量子阱结构。
在发光结构120的p-型GaN层126下，形成p-电极130。虽然未示出，但该p-电极和反射膜可以顺序地层叠在p-型GaN层126下。当不设置反射膜时，该p-电极用作反射膜。
在p-电极130下，结构支持层150通过导电粘合层140进行粘合。用作支持层和成品LED的电极的结构支持层150由硅(Si)衬底、GaAs衬底、Ge衬底或金属层形成。该金属层可以通过电镀法、无电镀法、热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、化学汽相淀积(CVD)来形成。
在该具体实施方式中，为了增强电流扩散效应，在n-电极170形成之前，可以在n-型GaN层121的整个上表面上形成包含CIO/ITO的透明导电层180，如图6所示。图6示出了根据本发明的垂直GaN基LED的变型的透视图。
垂直GaN基LED的制造方法
第一具体实施方式
首先，制造根据本发明第一具体实施方式的垂直GaN基LED的方法将参照图3和7A到7E详细说明。
图7A到7E是顺序地示出了制造根据本发明第一个具体实施方式的垂直GaN基LED的方法的截面图。
如图7A中所示，由GaN基半导体层构成的发光结构120被形成在衬底100上。在发光结构120中，n-型GaN层121、由GaN/InGaN层形成的具有多量子阱结构的有源层124、以及p-型GaN层126顺序地层叠。
优选地，衬底100由包括蓝宝石的透明材料形成。除了蓝宝石外，衬底100可以由ZnO(氧化锌)、GaN(氮化镓)、SiC(碳化硅)、或AlN(氮化铝)形成。
n-型和p-型GaN基半导体层121和126以及有源层124可以由具有组成通式AlxInyGa(1-x-y)N(这里，0≤x≤1，0≤y≤1，并且0≤x+y≤1)的GaN基半导体材料形成。此外，n-型和p-型GaN基半导体层121和126以及有源层124可以通过熟知的氮化物淀积工艺如MOCVD(金属有机化学汽相淀积)或MBE(分子束外延)来形成。
有源层124被形成为具有单量子阱结构或双异质结构。
尽管未示出，但在n-型GaN层121在衬底100上生长之前可以形成过渡层。该过渡层用来增强在衬底100和n-型GaN层121之间的晶格匹配。该过渡层可以根据工艺条件和LED的特性而被省去。
其次，如7B所示，在p-型GaN层126上形成p-电极130。p-电极130可以用作反射膜。同时，可以在该p-电极130上形成单独的反射膜(未示出)。
接着，通过导电粘合层140将结构支持层150粘合在p-电极130上。作为支持层和成品LED的电极的结构支持层150由硅(Si)衬底、GaAs衬底、Ge衬底或金属层形成。该金属层可以通过电镀法、无电镀法、热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、化学汽相淀积法(CVD)形成。
下一步，如图7C所示，衬底100通过LLO(激光剥离)工艺加以去除，以使n-型GaN层121的表面被暴露。
接下来，如图7D所示，在暴露的n-型GaN层121上形成具有均匀间隔的第一不规则表面结构160a。
更具体地，第一不规则表面结构160a形成如下。在暴露的n-型GaN层121的上表面上形成具有相同间隔的预定形状的光刻胶图案(未示出)。然后，通过将该光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀刻n-型GaN层121的多个部分，从而形成该第一不规则表面结构160a。
下一步，如图7E所示，在其上已形成有第一不规则表面结构160a的n-型GaN层121上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构160b。可以通过利用蚀刻液如KOH的湿法蚀刻工艺、利用ICP-RIE(感应耦合等离子体反应离子蚀刻机(induced coupled plasmareactive ion etcher))的干法蚀刻工艺、或湿法蚀刻工艺和干法蚀刻工艺的组合来形成第二不规则表面结构160b。
也就是说，在n-型GaN层121的表面上形成包括第一和第二不规则表面结构160a和160b的不规则表面结构160。
随后，如图3所示，在其上已形成有不规则表面结构160的n-型GaN层121上形成n-电极170，从而形成垂直GaN基LED。
尽管未示出，但为了增强电流扩散效应，在形成n-电极170之前，可以在n-型GaN层121的整个上表面上形成由CIO/ITO构成的透明导电层。
第二具体实施方式
参照图3和8A到8E，将详细描述制造根据本发明的第二具体实施方式的垂直GaN基LED的方法。
图8A到8E是顺序地示出了制造根据本发明第二个具体实施方式的垂直GaN基LED的方法的截面图。
如图8A所示，首先，在衬底100上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图案200。优选地，衬底100由包括蓝宝石的透明材料形成。除了蓝宝石外，衬底100可以由ZnO(氧化锌)、GaN(氮化镓)、SiC(碳化硅)、或AlN(氮化铝)形成。
然后，如图8B所示，通过将光刻胶图案200用作蚀刻掩模来选择性地蚀刻衬底100的多个部分，从而形成具有均匀间隔的不规则结构图案100a。
如图8C所示，将GaN基半导体层晶体生长在其上已形成有不规则结构图案100a的衬底100上，以便形成n-型GaN层121。同时，将n-型GaN层121形成为具有均匀间隔的第一不规则表面结构160a，其根据衬底100的不规则结构图案100a加以形成。
下一步，在n-型GaN层121上，使有源层124和p-型GaN层126顺序的进行晶体生长(crystal grown)，从而形成发光结构120，其中p-型GaN层126、有源层124以及n-型GaN层121顺序地被层叠。然后，在发光结构120上形成p-电极130。此时，p-电极130可以用作反射膜。同时，可以在p-电极130上形成单独的反射膜(未示出)。
接着，通过导电粘合层140将结构支持层150粘合在p-电极130上。作为支持层和成品LED的电极的结构支持层150由硅(Si)衬底、GaAs衬底、Ge衬底或金属层形成。该金属层可以通过电镀法、无电镀法、热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、化学汽相淀积法(CVD)形成。
然后，如图8D所示，衬底100通过LLO工艺加以去除，从而暴露n-型GaN层121的第一不规则表面结构160a。
下一步，如图8E所示，在具有暴露的第一不规则表面结构160a的n-型GaN层121上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构160b。此时，可以通过使用蚀刻液如KOH的湿法蚀刻工艺、使用ICP-RIE(感应耦合等离子体反应离子蚀刻机)的干法蚀刻工艺、或湿法蚀刻工艺和干法蚀刻工艺的组合来形成第二不规则表面结构160b。
也就是说，在n-型GaN层121的表面上，形成包括第一不规则表面结构160a和第二不规则表面结构160b的不规则表面结构160。
接着，如图3所示，在其上已形成有不规则表面结构160的n-型GaN层121上形成n-电极170，从而形成垂直GaN基LED。
尽管未示出，但为了增强电流扩散效应，在形成n-电极170之前，可以在n-型GaN层121的整个上表面上形成由CIO/ITO形成的透明导电层。
根据本发明，在垂直GaN基LED的发光部上形成不规则表面结构，该不规则表面结构包括具有均匀间隔的第一不规则表面结构和具有不均匀间隔的第二不规则表面结构。因此，提高了光提取效率，使得亮度的改善效果被最大化。
而且，在n-型GaN层的表面(具有通过具有均匀间隔的第一不规则表面结构而增大的区域)上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构，从而增大具有不均匀间隔的第二不规则表面结构的形成区域。
因此，就可以增强垂直GaN基LED的亮度特性。
尽管已示出和描述了本发明的总的发明构思的一些具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，在不背离本发明的总的发明构思的原则和精神的条件下，可以对这些具体实施方式作出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种垂直GaN基LED，包括：
n-电极；
在所述n-电极下形成的n-型GaN层，所述n-型GaN层具有不规则表面结构，所述不规则表面结构包括具有以均匀间隔形成的不规则结构的第一不规则表面结构和具有以不均匀间隔形成的不规则结构的第二不规则表面结构，所述第二不规则表面结构在所述第一不规则表面结构上形成；
在所述n-型GaN层下形成的有源层；
在所述有源层下形成的p-型GaN层；
在所述p-型GaN层下形成的p-电极；以及
在所述p-电极下形成的结构支持层。
2.根据权利要求1所述的垂直GaN基LED，进一步包括：
在所述n-型GaN层的整个表面上形成的透明导电层，所述透明导电层位于所述n-电极和所述n-型GaN层之间。
3.一种制造垂直GaN基LED的方法，包括：
在衬底上顺序地形成n-型GaN层、有源层以及p-型GaN层；
在所述p-型GaN层上形成p-电极；
在所述p-电极上形成结构支持层；
去除所述衬底以便暴露所述n-型GaN层的表面；
在所述n-型GaN层的暴露表面上形成具有均匀间隔的第一不规则表面结构；
在所述第一不规则表面结构上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构；以及
在其上已形成有所述第一和第二不规则表面结构的所述n-型GaN层上形成n-电极。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，所述第一不规则表面结构的形成包括：
在所述暴露的n-型GaN层上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图案；以及
通过将所述光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀刻所述n-型GaN层的部分。
5.根据权利要求3所述的方法，
其中，所述第二不规则表面结构的形成通过干法蚀刻或湿法蚀刻工艺进行。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
在形成所述n-电极之前，在所述n-型GaN层上形成透明导电层。
7.一种制造垂直GaN基LED的方法，包括：
将衬底的表面图案化为具有均匀间隔的不规则结构图案；
形成n-型GaN层，以使与图案化为所述不规则图案的衬底接触的所述n-型GaN层的表面具有与所述不规则结构图案一致的均匀间隔的第一不规则表面结构；
在所述n-型GaN层上顺序地形成有源层和p-型GaN层；
在所述p-型GaN层上形成p-电极；
在所述p-电极上形成结构支持层；
去除所述衬底以便暴露所述n-型GaN层的第一不规则表面结构；
在所述第一不规则表面结构的暴露的表面上形成具有不均匀间隔的第二不规则表面结构；
在其上已形成有所述第一和第二不规则表面结构的所述n-型GaN层上形成n-电极。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，将所述衬底图案化包括：
在所述衬底上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图案；以及
通过将所述光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀刻所述衬底的部分。
9.根据权利要求7所述的方法，
其中，所述第二不规则表面结构的形成通过干法蚀刻或湿法蚀刻工艺进行。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
在形成所述n-电极之前，在所述n-型GaN层上形成透明导电层。
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