CN101536196A - 发光二极管的外部光效率的改进 - Google Patents

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CN101536196A CNA2007800304772A CN200780030477A CN101536196A CN 101536196 A CN101536196 A CN 101536196A CN A2007800304772 A CNA2007800304772 A CN A2007800304772A CN 200780030477 A CN200780030477 A CN 200780030477A CN 101536196 A CN101536196 A CN 101536196A
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康学军
陈震
武田棋
林卉敏
袁述
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Abstract

一种提高发光二极管的外部光效率的方法，该方法包括蚀刻发光二极管的n型层的外部表面以形成表面纹理，所述表面纹理减小内部光反射以增大光输出。还公开相应的发光二极管。

Description

发光二极管的外部光效率的改进
技术领域
本发明涉及发光二极管的外部光效率的改进，具体但不唯一地涉及在光输出表面上具有表面纹理(包括微境体和/或者表面粗化)的发光二极管，并涉及在发光二极管的光输出表面上进行表面纹理的方法。
背景技术
近年来已经集中地研究和开发了Ga-N基发光二极管(LED)。高效率、高功率GaN基LED引起了诸如显示器、交通信号、用于移动/蜂窝电话机和类似设备的背面照明和白光源的应用的关注。降低成本和提高光输出效率是这些GaN LED在主流照明市场成功的重要因素。
一般地，GaN基LED的内部量子效率(ηi)由于石英品质和外延层结构而显著地低于100％。通常的(ηi)能达到约70至80％。进一步的改进已经证明难以实现。外部量子效率(ηext)还比内部量子效率低更多。这是因为传统的GaN基LED的光提取效率受到全内光反射的限制，该全内光反射由于GaN较空气(n＝1)高的折射率(n≈2.5)而在半导体空气界面处发生。在活性区域中产生光的临界角仅仅约为23°。大部分所产生的光重复地反射进入衬底并最终被吸收。假定忽略从侧壁和底部反射的光，仅仅能从表面提取一小部分(4％)。
通过金属有机化学蒸气沉积(MOCVD)而生成的传统GaN基LED使用非导体的蓝宝石衬底。蓝宝石衬底上的外延层通过由夹在比较厚的n型掺杂GaN层和比较薄的p型掺杂GaN层之间的发光层(活性层)组成。n型GaN层由多层堆叠(未掺杂或者掺杂到由诸如GaN、AlGaN或者InGaN或者AlGaInN等有关GaN的材料制成的n型半导体)在蓝宝石上形成，而p型GaN层由多层堆叠(未掺杂或者掺杂到由诸如GaN、AlGaN或者InGaN或者AlGaInN等有关GaN的材料制成的p型半导体)在蓝宝石上形成。顶部p-GaN表面外延层是经常用作光提取表面的Ga极。蓝宝石衬底的差的导热性和比较高的电流密度由于在工作期间来自活性层过多热而联合恶化了装置的性能。同时，比较薄的p-GaN层(通常小于0.5微米)和p-GaN的高电阻率对等离子体成像高度敏感并难以用于干燥表面的纹理。此外，Ga极GaN的化学性质是惰性，并比N极GaN更难以湿式蚀刻。活性区域的另一侧(即，活性区域的n-GaN层)通常比p型GaN层更厚(2至5微米厚)，并且由于其厚度而用于进行表面纹理比较理想。然而，此部分低于活性区域并在蓝宝石上。除非卸下蓝宝石，不能对其进行表面纹理。
为了解决这些问题，已经开发了GaN LED的垂直激光剥离(verticallaser liftoff)和其它方法以从在其上生产的GaN外延膜分离蓝宝石。还已经开发倒装或者其它接合技术来将GaN膜安装到新的导热性良好的衬底。已经开发了在暴露的LED N极n-GaN表面上不同的表面粗化技术，包括ICP等离子体蚀刻和湿式蚀刻。
已经提出了在发光二极管的输出表面上形成微境体的方案。然而，主要是，活性区域不能靠近p型GaN层上的发光表面，因而微境体的形成或者表面粗化会损坏活性区域。
发明内容
根据第一优选方面，提供一种提高发光二极管的外部光效率的方法，所述方法包括蚀刻发光二极管的n型层的外部表面以形成表面纹理，所述表面纹理降低内部光反射以增大光输出。
根据第二优选方面，提供一种发光二极管，包括具有通过蚀刻形成的表面纹理的发光二极管的n型层的外部表面，该表面纹理用于减小内部光反射以增大发光二极管的光输出和外部光效率。
根据第三优选方面，提供一种发光二极管，其包括发光二极管的n型层的外部表面，并且另一材料层形成在n型层的外部表面上，另一材料层的最外层被表面纹理以减小内部光反射以增大发光二极管的光输出和外部光效率。
对于所有方面，活性层可以包括以下中的一个或者多个：量子阱、多个量子阱、量子点和量子线。可以通过用化学溶液进行湿式蚀刻进行表面纹理。化学溶液可以是在升高的温度下达预定时间段的氢氧化钾水溶液。在蚀刻期间可以使用发光二极管的混合。可以通过紫外线照射进行该混合。附加地或者可选地，可以通过干式蚀刻进行表面纹理。干式蚀刻可以是等离子体蚀刻、等离子体轰击或者激光处理。干式蚀刻可以在湿式蚀刻之前或者之后。
表面纹理可以是从以下组成的组中选择的至少一者：表面粗化、微境体和表面粗化的微境体、孔、空穴、柱子和过孔。微境体可以从以下组成的组中选择：半球体、大致半球体、具有平坦顶部的半球体、球截体、金字塔形体、柱形体和立方体。微境体可以具有：
(a)在微境体之间处于2至3μm范围的间隔；
(b)大致6μm的节距；以及
(c)大致2μm的半径。
微境体可以大致是金字塔形，并可以具有角度大致为58°的面。表面纹理可以是在外部表面的一部分上。表面纹理可以在外部表面上的电流耗散阵列的接合部分和外部之间形成的光空间中。第一欧姆接触可以形成在n型层的外部表面上，并且第二欧姆接触可以形成在p型层外部表面上。第二欧姆接触能反射光以增强发光二极管的光发射。第二欧姆接触可以包括由金属和其它合金形成的多层的堆叠。金属可以是银和铝或者其它高反射性金属。高反射性金属可以是用于光反射层以增强发光二极管的光反射。第二欧姆接触可以覆盖整个p型层外部表面。可选地，第二欧姆接触可以覆盖p型层外部表面的一部分，且p型层外部表面的其余部分至少局部地被用于反射光的至少一个反射性材料覆盖以增强发光二极管的光发射。
p型层、活性材料层和n型层可以是诸如例如GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、InN和AlN的有关GaN材料中的一个或者多个形成。
通过对从以下当中选择的至少一层：p型层、欧姆接触层和接触层进行表面纹理，表面纹理还可以在n型侧。
附图说明
为了本发明可以完全被理解和易于实现效果，现在通过非限制性示例仅仅描述本发明优选实施例，该描述参照图示性的附图。
在附图中：
图1是第一优选实施例的竖直横截面视图；
图2是图1的部分的放大视图；
图3是图2的右手端的放大视图；
图4是图1的实施例的顶部平面视图；
图5是根据第一优选实施例的发光二极管的一部分的显微照片；
图6是第二优选实施例的扫描电子显微镜图像；
图7是图6的一部分的更详细图像；
图8是对于不同的蚀刻时间的L-I特性的曲线图；
图9是对于不同的蚀刻时间I-V特性的曲线图；
图10是第三优选实施例的放大侧视图；
图11是第四优选实施例的放大侧视图；以及
图12是第五优选实施例的放大侧视图。
具体实施方式
参照图1至图4，示出作为发光二极管100的第一优选实施例，发光二极管100具有：
由导电金属形成的第一接触层101；
籽晶层102，反射层103；
欧姆接触层104；
诸如例如GaN的p型材料层105；
形成活性层106的多个外延层；以及
由诸如例如GaN的n型材料形成的导电层107。
任何层可以是多层的堆叠。N型层107比较厚，而p型层105比较薄。活性层106可以是以下当中的一个或者多个：量子阱、多个量子阱、量子点和量子线。
导电层107用于传输在活性层106中产生的光，该光经过导电层107的外部光输出表面108。外部表面108是空气-n-GaN界面的外部表面。接合垫109形成在外部表面108上。电流耗散阵列110还可以形成在外部表面108上。
外部表面被表面纹理以通过降低全内反射来提高外部光效率。表面纹理可以通过以下当中一个或者多个进行：表面粗化、微境体、表面粗化的微境体、孔、空穴、柱子和过孔。一种表面纹理的方法是蚀刻外部表面108以从外部表面108形成多个微境体111。微境体111优选地为半球形或者接近半球形。然而，它们可以是任何其它适合的形状，诸如例如具有平坦顶部的半球形、球截体形、金字塔形、柱形、立方形等。
微境体111可以具有任何适合的尺寸和间隔。例如，微境体111之间的间隔可以是2或者3μm数量级；节距(相邻微境体111的中心之间的间隔)可以是约6μm数量级；并且每个微境体可以具有约2μm数量级的半径。
如图2和图3所示，箭头212和213表示在活性层106中产生并穿过层107的光。大多数光将穿进入微境体111或者入射在空气/GaN界面的内表面114上。当接触微境体111之间的内部表面114或者微境体111的内表面113的光束211、212、213的入射角是低于临界角的角度215时，光将穿过内表面113和内部表面114，并将从LED100输出。如果角度215大于临界角，光将被内表面113和内部表面114反射。角度215是入射光束214和垂直于光束214入射在表面113上的点处的切线517的线516之间的角度。临界角是当角度125使得光束214被内表面113或者内部表面114反射而不是分别穿过内表面113或者内部表面114时的角度。临界角取决于n-GaN层107的材料和光214的波长。如果角度215是0°，则光束214将不受影响地穿过内表面113或者内部表面114。如果角度215在临界角和0°之间，则光束214将会折射穿过内表面113或者内部表面114。角度215的可能的范围是20至35°。如较早地提及，对于大多数n-GaN和LED，临界角是约23°。
因而，通过控制微境体111的材料、尺寸、形状和间隔，可以控制从发光二极管100输出的光的方向和程度。这可以到达LED100能输出聚焦光束的程度。
图4和11示出了在外部表面108上电流耗散阵列109、110中微境体111的布置。阵列109、110的属性、目的和构造完全公开在题为“Electrical Current Distribution in Light Emitting Device”的共同未决新加坡专利发明申请(序号尚未知道)，该专利的内容通过引用结合于此，好像其全部内容在这里已经公开。
阵列109、110包括通过接合部分115连接到接合垫109的外部110。在接合部分115和外部110之间是大量的光空间421、422、423和424，微境体111位于在该光空间421、422、423和424中。光空间421、422、423和424的每个可以具有大致相同的尺寸和形状或者可以不同。在每个光空间421、422、423和424中的微境体的数量和它们排列的方式可以相同或者可以对于每个光空间都不相同。反射层116可以形成在阵列109、110下或者阵列109、110内。
能通过蚀刻部分半导体LED形成微境体。首先，光刻胶旋涂在表面上，然后图案通过标准的光刻形成在光刻胶上。这些光刻胶图案用作随后的蚀刻掩膜，以用于微境体形成。代替光刻胶，其它材料也能用作蚀刻掩膜。在残留的光刻胶的蚀刻和去除之后，微境体形成。
在第二实施例中，表面纹理是通过对外部表面108的全部或者一部分进行结晶湿式蚀刻而形成的表面粗化。这是通过使n-GaN表面108在诸如例如室温200℃的温度下受到含水氢氧化钾蚀刻达预定的时段。该时段可以短达几秒长至若干小时。例如，温度可以是90℃，并且预定的时段可以是7分钟。含水氢氧化钾溶液可以是2Mole含水氢氧化钾，但是也可以使用其它浓度。图6示出了以小颗粒对表面108进行粗化，图7示出n-GaN表面108的表面形态以亚微米比例显示了高水平的粗糙度且致密的六角形金字塔结构形成。金字塔的面是以约58°4°倾斜的平面。
在蚀刻过程中可以使用发光二极管的搅拌(agitation)。可以通过紫外线照射进行搅拌。附加或者可选地，可以通过干时蚀刻进行表面纹理。干式蚀刻可以是等离子体蚀刻、等离子体轰击或者激光处理。干式蚀刻可以在湿式蚀刻之前或者之后。
该致密的纳米尖端(nanotip)金字塔结构能用作纳米镜头以增大GaN基LED的光提取效率。如图7所示，一些大的金字塔被损坏，新的小金字塔尖端形成在它们的顶部。新的小金字塔随着时间生长。以此方式，n-GaN表面108的蚀刻能继续。
图8示出了对于不同的蚀刻时间，来自表面108的电致发光(“EL”)输出功率与注入电流(L-1)的关系。在KOH湿式蚀刻之前和之后从相同的LED管芯获得并切割之前在晶片上测量，使得除了表面形态以外的任何因素能够被忽略。给定电流下的输出功率在表面粗化之后显著地增大。在KOH蚀刻7分钟之后，光输出功率增大2.5至3倍。
图9示出KOH蚀刻之前和之后的所测量I-V特性的比较。KOH蚀刻之后正向电压降(Vf)的恶化主要由于N金属恶化。Ti/Al/Ti/Au N-金属内的铝将在KOH蚀刻期间慢慢地恶化。此问题可以在表面粗化之后沉积N金属来解决。反向泄漏电流随着蚀刻时间的增大而不会恶化。
图10示出了作为在微境体111的外表面112上进行表面粗化1001的组合的第三优选实施例。表面粗化1001可以是表面108的全部或者部分和/或者微境体111的全部或者部分。以此方式，n-GaN表面108可以具有未处理表面和/或者表面粗化1001的表面和/或者微境体111和/或者具有表面粗化1001的微境体111。
如图12所示，由另一材料形成的层1130可以形成在n型层的外部表面上。这可以在表面被表面纹理之前或者之后。由另一材料形成的层的最外表面1131被表面纹理以减小内光反射来增大发光二极管的光输出和外部光效率。表面纹理可以如上所述进行。
欧姆接触层104形成在p型层105的外部表面上。欧姆接触层104可以反射光以增强发光二极管的光的发射。欧姆接触层104可以包括由金属和它们的合金形成的多层的堆叠。金属可以是银、铝或者另一高反射性材料。高反射性金属可以用于光发射层来增强发光二极管的光的反射。第二欧姆接触层104可以覆盖p型105的整个外部表面。可选地，欧姆接触层104可以覆盖p型层105的外部表面的一部分，且p型层105的外部表面的其余部分至少局部地覆盖用于反射光的至少一个反射材料来增强发光二极管的光的发射。
P型层105、活性材料106和n型层107可以由诸如例如GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、InN和AlN的有关GaN材料中的一个或者多个形成。
除了在n型层107进行表面纹理，可以在p型侧上进行表面纹理。这可以在p型层105和/或者接触层101和/或者欧姆接触层104上。
尽管已经在前述描述中已经描述了本发明优选实施例，相关技术领域的技术人员将理解到可以在不脱离本发明的范围的情况下进行设计或者构造的细节上的许多变化或者修改。

Claims (45)

1.一种改进发光二极管的外部光效率的方法，所述方法包括蚀刻所述发光二极管的n型层的外部表面以形成表面纹理，所述表面纹理减小内部光反射以增大光输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发光二极管具有p型材料层和所述n型层和所述p型层之间的活性层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述活性层包括从以下组成的组中选择的至少一者：量子阱、多个量子阱、量子点和量子线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过用化学溶液进行湿式蚀刻来进行所述表面纹理。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述化学溶液是氢氧化钾水溶液，并且在一定的温度下进行蚀刻达预定的时间段。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在蚀刻过程执行所述发光二极管的搅拌。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述搅拌通过紫外线照射来进行。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述蚀刻通过干式蚀刻来进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述干式蚀刻是从以下组成的组中选择的至少一者：等离子体蚀刻、等离子体轰击或者激光处理。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述干式蚀刻在所述湿式蚀刻之前或者之后进行。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述表面纹理是从以下组成的组中选择的至少一者：表面粗化、微境体和表面粗化的微境体、孔、空穴、柱子和过孔。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述微境体从以下组成的组中选择：半球体、大致半球体、具有平坦顶部的半球体、球截体、金字塔形体、柱形体和立方体。
13.根据权利要求11或者12所述的方法，其中，所述微境体具有：
(a)在所述微境体之间处于2至3μm范围的间隔；
(b)大致6μm的节距；以及
(c)大致2μm的半径。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述微境体大致是金字塔形，并具有角度大致为58°的面。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述表面纹理是在所述外部表面的一部分上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述表面纹理在所述外部表面上的电流耗散阵列的接合部分和外部之间形成的光空间中。
17.根据权利要求2至16中任一项所述的方法，其中，第一欧姆接触形成在所述n型层的外部表面上，并且第二欧姆接触形成在p型层外部表面上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二欧姆接触能反射光以增强所述发光二极管的光发射。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述第二欧姆接触包括由金属和其它合金形成的多层的堆叠。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述金属是包括银和铝中至少一者的高反射性金属。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述高反射性金属是用于光反射层以增强所述发光二极管的光反射。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，所述第二欧姆接触覆盖整个p型层外部表面。
23.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，所述第二欧姆接触覆盖所述p型层外部表面的一部分，且所述p型层外部表面的其余部分至少局部地被用于反射光的至少一个反射性材料覆盖以增强所述发光二极管的光发射。
24.根据权利要求2至23中任一项所述的方法，其中，所述p型层、活性材料层和所述n型层是从以下组成的组中选择的至少一者：有关GaN材料、GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、InN和AlN。
25.根据权利要求2至23中任一项所述的方法，其中，所述发光二极管的所述n型层具有通过蚀刻形成的表面纹理，所述表面纹理用于减小内部光反射以增大所述发光二极管的光输出和外部光效率。
26.一种发光二极管，其包括所述发光二极管的n型层的外部表面，并且由另一材料层形成在所述n型层的外部表面上，另一材料层的最外层被表面纹理以减少内部光反射来增大所述发光二极管的光输出和外部光效率。
27.根据权利要求25或26所述的发光二极管，其中，所述发光二极管具有p型材料层和所述n型层和所述p型层之间的活性层。
28.根据权利要求27所述的发光二极管，其中，所述活性层包括从以下组成的组中选择的至少一者：量子阱、多个量子阱、量子点和量子线。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的发光二极管，其中，所述表面纹理是从以下组成的组中选择的至少一者：表面粗化、微境体、表面粗化的微境体、孔、空穴、柱子和过孔。
30.根据权利要求29所述的发光二极管，其中，所述微境体从以下组成的组中选择：半球体、大致半球体、具有平坦顶部的半球体、球截体、金字塔形体、柱形体和立方体。
31.根据权利要求29或者30所述的发光二极管，其中，所述微境体具有：
(a)在所述微境体之间处于2至3μm范围的间隔；
(b)大致6μm的节距；以及
(c)大致2μm的半径。
32.根据权利要求30所述的发光二极管，其中，所述微境体大致是金字塔形，并具有角度大致为58°的面。
33.根据权利要求25至32中任一项所述的发光二极管，其中，所述表面纹理是在所述外部表面的一部分上。
34.根据权利要求33所述的发光二极管，其中，所述表面纹理在所述外部表面上的电流耗散阵列的接合部分和外部之间形成的光空间中。
35.根据权利要求27至34中任一项所述的发光二极管，其中，第一欧姆接触形成在所述n型层的外部表面上，并且第二欧姆接触形成在p型层外部表面上。
36.根据权利要求35所述的发光二极管，其中，所述第二欧姆接触能反射光以增强所述发光二极管的光发射。
37.根据权利要求35或36所述的发光二极管，其中，所述第二欧姆接触包括由金属和其它合金形成的多层的堆叠。
38.根据权利要求37所述的发光二极管，其中，所述金属是包括银和铝中至少一者的高反射性金属。
39.根据权利要求38所述的发光二极管，其中，所述高反射性金属是用于光反射层以增强所述发光二极管的光反射。
40.根据权利要求35至39中任一项所述的发光二极管，其中，所述第二欧姆接触覆盖整个p型层外部表面。
41.根据权利要求35至39中任一项所述的发光二极管，其中，所述第二欧姆接触覆盖所述p型层外部表面的一部分，且所述p型层外部表面的其余部分至少局部地被用于反射光的至少一个反射性材料覆盖以增强所述发光二极管的光发射。
42.根据权利要求27至41中任一项所述的发光二极管，其中，所述p型层、活性材料层和所述n型层是从以下组成的组中选择的至少一者：有关GaN材料、GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、InN和AlN。
43.根据权利要求25至42中任一项所述的发光二极管，其中，所述发光二极管的所述n型层具有通过蚀刻形成的表面纹理，所述表面纹理用于减小内部光反射以增大所述发光二极管的光输出和外部光效率。
44.根据权利要求43所述的发光二极管，其中，在所述n型侧的所述表面纹理在从以下组成的组中选择的至少一层：p型层、欧姆接触层和接触层。
45.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，还包括通过对以下组成的组中选择的至少一层进行表面纹理而在所述p型侧上的表面纹理：p型层、欧姆接触层和接触层。
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