CN102473801A - 利用粗糙化的活性层和共形包层的高亮度led - Google Patents
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Abstract
公开一种发光器件及其制作方法。该器件包括设置于第一层与第二层之间的活性层。第一层具有顶表面和底表面。顶表面包括第一传导性类型的第一材料，包括在基本上平坦的表面中的多个凹陷。活性层位于第一层的顶表面上面并且与顶表面共形，活性层在空穴和电子于其中复合时生成以波长为特征的光。第二层包括第二传导性类型的第二材料，第二层位于活性层上面并且与活性层共形。该器件可以构造于晶格常数与第一材料的晶格常数充分不同的衬底上以在第一层中产生用来形成凹陷的位错。
Description
技术领域
背景技术
发光二极管(LED)是将电能转换成光的重要一类固态器件。这些器件的改进已经使得它们在设计成取代常规白炽光源和荧光光源的灯具中使用。LED具有明显更长寿命并且在一些情况下具有用于将电能转换成光的明显更高效率。
LED的成本和转换效率是在确定该新技术将取代常规光源并且运用于高功率应用中的速率时的重要因素。许多高功率应用需要多个LED以实现所需功率水平，因为单个LED限于数瓦特。此外，LED在相对窄的光谱频带中生成光。因此，在需要特定颜色的光源的应用中，组合来自具有不同光学频带中的光谱发射的多个LED的光。因此，许多基于LED的光源的成本是单个LED的成本的许多倍。
单个LED的转换效率是在解决高功率LED光源的成本时的重要因素。LED的转换效率定义成LED发射的每单位光耗散的电功率。在LED中未转换成光的电功率转换成使LED的温度升高的热。散热对LED工作的功率水平施加限制。此外，LED必须装配于提供散热的结构上，这又进一步增加光源的成本。因此，如果可以增加LED的转换效率，则也可以增加单个LED可以提供的最大光量，因此可以减少给定的光源所需要的LED数目。此外，LED的操作成本也与转换效率成反比。因此已经有大量工作涉及提高LED的转换效率。
出于本讨论的目的，LED可以视为具有三层(活性层夹在其它两层之间)。这些层通常沉积于衬底(诸如蓝宝石)上。应当注意，这些层中的每层通常包括多个子层。LED的总转换效率依赖于活性层中电转换成光的效率以及在活性层中生成的光从LED逸出的效率。
材料的改进已经促使在活性层中生成的光的效率提高。然而在活性层中生成的光的显著部分在光从LED逸出之前损耗。此光的大部分通过在用来构造LED的多个层中的吸收而损耗。在LED结构内俘获许多光加剧该光损耗模式。
3层LED结构通常在底部和顶部上由折射率比LED的层明显更低的材料定界。因而撞击这些边界的光的显著部分被反射回到分层结构中。边界之一包括如下透明表面，在LED中生成的光经过该透明表面逸出。另一边界通常由如下反射体覆盖，该反射体将撞击该边界的光重新引向透明边界。如上文所言，透明边界通常由折射率比LED结构的折射率低得多的材料覆盖。相对于在边界处的法线按照比临界角度更大的角度撞击该边界的光反射回到LED结构中。临界角度依赖于在LED层与周围介质(通常为空气或者诸如塑料这样的材料)之间的折射率差异。对于由GaN或者相似材料构造的LED，该差异足以造成光的显著部分被反射。该反射光被俘获在LED的平坦边界之间，它将在此处被连续反射，直至光由于吸收而损耗。在蓝宝石衬底上的常规的基于GaN的LED的情况下，活性层发射的光的近似70％保持被俘获在LED内。
已经描述用于提高从LED的光提取并且因此提高这些器件的光转换效率的若干技术。在一类技术中，LED的外表面(光在这些外表面受到内反射)之一被从光滑平坦表面转换成粗糙表面。每当俘获的光在它通过LED时遇到该粗糙化的表面，俘获的光中的一些将被重新定向，从而在从该表面的下一次反射时，该光将按照比射出表面的临界角度更小的角度撞击表面。因此，俘获的光中的一些现在将逸出，并且该过程可以继续，随着经过LED的每次往返而提取更多光。
现有技术的基于使表面粗糙化以提高光提取的LED通常运用在LED的顶表面或者与LED层沉积于其上的衬底相邻的粗糙表面。这些方式提高在活性层中生成的如下光的比例，该光一旦从活性层本身逸出就从LED逸出。然而由于在活性层与活性层的每侧上的包层之间的边界的内反射，在活性层内生成的光的显著部分被俘获在活性层内。这些反射由在构造活性层的材料与构造包层的材料之间的折射率差异引起。对于基于GaN的LED，活性层由折射率比包层明显更高的材料构造。
发明内容
本发明包括一种发光器件及其制作方法。该发光器件包括设置于第一层与第二层之间的活性层。第一层具有顶表面和底表面。顶表面包括第一传导性类型的第一材料，包括基本上平坦的表面中的多个凹陷。活性层位于第一层的顶表面上面并且与顶表面共形，活性层在空穴和电子于其中复合时生成以波长为特征的光。第二层包括第二传导性类型的第二材料，第二层位于活性层上面并且与活性层共形。在本发明的一个方面中，凹陷具有比活性层生成的光的波长更大的尺度。在本发明的另一方面中，该器件包括第一层构造于其上的衬底，该衬底具有与第一材料中的晶格常数充分不同的晶格常数以在第一层中产生位错。在本发明的又一方面中，至少一些凹陷位于这样的位错上。
附图说明
图1是现有技术的基于GaN的LED的简化截面图。
图2是利用粗糙表面以提高LED光提取效率的现有技术LED的简化截面图。
图3是根据本发明一个实施例的LED的一部分的截面图。
图4A和图4B是通过n包层的GaN层的一部分的截面图。
图5是根据本发明的LED的另一实施例的截面图。
具体实施方式
参照图1可以更容易理解本发明提供其优点的方式，该图是现有技术的基于GaN的LED的简化截面图。通过在蓝宝石衬底24上生长三层来构造LED 20。第一层21是n型GaN材料。第二层是p型GaN层23。第三层22是在来自层21和23的空穴和电子于其中组合时发光的活性层。如上文所言，这些层中的每层可以包括多个子层。由于这些子层的功能在本领域中公知而且并非本讨论的中心，所以已经从附图和以下讨论中省略这些子层的细节。
如上文所言，在层22中生成的光按照所有可能角度离开层22。一些光在朝着层23的顶表面25的方向上发射并且按照比临界角度更小的角度撞击表面25并且如在26所示经过表面25逸出。类似地，一些光被引向衬底24并且在反射回到表面25之前从表面29a或者表面29b反射。如果此光按照比临界角度更小的角度撞击表面25，则此光如在28所示也经过表面25逸出。其余光如在27a和27b所示按照比临界角度更大的角度撞击表面25并且变成被俘获在层内。俘获的光将在通过LED期间被吸收或者将经过LED的侧部射出。在实践中，大多数俘获的光被吸收，并因此损耗。因而LED 20将电转换成光的效率欠佳。
如上文所言，一种已经用来提高LED的提取效率的方法涉及引入防止光被俘获在LED层内的散射中心。例如可以在表面25上提供如下散射中心，这些散射中心提供对撞击表面并且反射回到LED中的光的随机重新取向。现在参照图2，该图是利用粗糙表面以提高LED的光提取效率的现有技术LED的简化截面图。通过以与上文描述的LED 20相同的方式在衬底24上沉积层21-23来构造LED30。修改层23的顶表面31以在该表面上引入散射中心。在32和33示出了示例散射中心；然而将理解表面31由这样的散射中心覆盖。当离开层22的光撞击表面31时，部分光将按照比临界角度更大的角度撞击表面并且逸出。其余光将按照多个不同角度散射回到层23中并且将从边界29a或者29b反射回到表面31。在34示出了一条这样的射线。当射线34在散射中心33撞击表面31时，光将再次被散射，其中部分光经过表面31射出而部分散射回到边界29a。因此在每次反射时提取撞击表面31的部分光。因此可以获得光提取效率的明显提高。
在这样的现有技术的器件中，散射中心位于活性层的任一侧上的区域中。例如已经提出如下器件，在这些器件中，在界面29a或者在电流扩展层21内引入散射特征。
本发明基于如下观察：在基于GaN的LED中，LED的活性区由折射率比夹住活性层的n包层和p包层更高的材料构造。因而，光通过在活性层-包层边界的内反射而被俘获在活性层内。俘获并且最终吸收的光的量是光的显著部分。LED在活性区以外的部分的纹理化不能提高这样的俘获光的提取，因为该光从不会与纹理化的表面相互作用。
现在参照图3，该图是根据本发明一个实施例的LED的一部分的截面图。通过在衬底41上沉积多个n型层42来构造LED 40。n型层以n包层43为结束。包层43包括多个凹陷(诸如凹陷47)。现在将更具体地讨论生成这些凹陷的方式。在已经形成凹陷之后，沉积活性层44和p包层45。这些层遵循凹陷的轮廓，因此活性层44和p包层45两者都包括如下特征，这些特征提取在活性层或者包层中俘获的光。
然后在p包层45之上沉积电极46以提供将用来向LED供电的电极之一。如果将经过p包层提取光，则电极46由透明材料(诸如氧化铟锡)构造。如果经过衬底41提取光，则电极46包括用于将撞击电极46的光重新引向衬底41的反射层。
LED 40可以视为具有如下分层结构，该分层结构包括由形成于凹陷中的成角度分段而中断的平坦分段。在本发明的一个方面中，活性层之上的层延伸到凹陷中。在平坦分段中俘获的光(因为该光按照比临界角度更大的角度撞击平坦分段之一)将按照比临界角度更小的角度撞击凹陷中的区域，因此在层46透明的情况下经过层46逸出。在层46为反射体的情况下，光按照比临界角度更小的角度被重新引向衬底41，因此经过衬底逸出。应当注意，在活性层的平坦区域中俘获的光被类似地重新定向，因此本发明也提高从活性层的光提取。
应当注意平坦分段无需“粗糙化”以提取光。这进一步改进了LED的光输出和制作LED的成本。当p接触层的粗糙化被用来提供提高的光提取时，散射特征对来自顶部电极的电流通过活性层的均匀扩展产生干扰，该顶部电极沉积于粗糙化的表面上方。因此，粗糙化的表面提供的部分益处由于减少的光生成而丧失。在顶部电极为镜并且经过衬底41提取光的情况下，粗糙化的p接触层导致通常为沉积于p接触层上的金属层的镜的欠佳反射率。此外还消除为了将p接触或者p包层粗糙化而需要的步骤，这进一步降低了制作成本。
本发明的上述实施例需要如下n包层，该n包层有凹陷并且充当被涂覆以提供活性层和p包层的衬底。在本发明的一个方面中，通过利用由于在GaN层与GaN层沉积于其上的蓝宝石衬底之间的晶格常数差异而产生的n-GaN层中的位错来产生有凹陷的表面。
现在参照图4A，该图是通过上文讨论的n包层的GaN层的一部分的截面图。GaN层沉积于晶格常数与GaN层不同的蓝宝石衬底41上。晶格常数之差引起在沉积各种层时经过层传播的位错。在51标注示例位错。这样的位错的密度在沉积于蓝宝石衬底上的GaNLED中通常为每平方厘米107至1010个。本发明利用这些位错将凹陷(诸如凹陷52)选择性地形成到n包层43的表面中。
现在参照图4B，该图是在生长n包层期间n包层62中的凹陷61的扩展截面图。在生长阶段期间，如箭头64所示向层62的晶面添加材料。凹陷61造成除了面63之外还暴露附加的面。可以通过生长条件来调节在不同面上的生长速率。可以通过生长条件调节在不同面上的生长速率，从而在凹陷中暴露的面65的生长速率大于或者小于面63的生长速率。通过调节面65的生长速率为小于面63的生长速率，可以增加凹陷的尺寸而无需单独蚀刻步骤或者从生长室移除衬底。
在一个实施例中，LED层的平坦表面对应于GaN晶体的c平面。可以调节用于LED的主要层(即InGaN/GaN活性区、p-AlGaN电子阻挡层和pGaN接触层)的生长条件以抑制表面迁移率，从而抑制这些材料随着材料被沉积而使表面光滑的自然倾向。例如在InGaN/GaN活性区中，可以使用使面上的生长速率最小的V/III比、生长速率和生长温度的组合来生长GaN壁垒层。这使凹陷随着层生长而直径继续增长，这是因为c平面生长速率比面生长速率高得多。这3个参数中的每个参数对原子在生长表面上的表面迁移率具有强影响，因此可以被操控以使凹陷尺寸随着层生长而增加。类似地，可以针对pAlGaN和pGaN层而类似地优化这3个参数，以便随着这些层被沉积而让凹陷尺寸继续增长，而不是在它们中填充材料。
也可以通过使用如下蚀刻剂来产生凹陷，该蚀刻剂按照比刻蚀面63的速率更大的速率而蚀刻面65。例如可以通过在完成n包层的生长之后向生长室中引入H2来在相同生长室中实现蚀刻操作。可以设置生长条件以通过使用包含NH3和H2的气氛，利用大于或者等于950℃的生长温度来增强面的蚀刻。在无任何III族材料时，该气氛将按照比刻蚀c平面材料高得多的速率而刻蚀面。经过一段时间之后，凹陷将由于面与c平面材料之间的蚀刻速率差异而打开。
也可以使用如下溶液来化学蚀刻凹陷，该溶液相对于c平面而优先蚀刻晶面。对于化学蚀刻，熔融KOH可以用来蚀刻面。H2SO4:H3PO4的热溶液也可以用来在大于250℃的温度蚀刻材料。
参照图3，一旦已经在n包层43中蚀刻凹陷，就沉积活性层和p包层。然后在p包层之上沉积p电极46。在从LED的顶表面提取光的实施例中，电极46为透明电极(诸如ITO)。应当注意，凹陷在活性层中产生如下特征，这些特征将通常被俘获在活性层中的光重新定向，从而原本将被俘获的光被引向周围层中。另外，凹陷随机分布，因此被俘获在活性层中或者p电极46与任何下层之间的光被重新引向如下位置，在该位置该光然后可以由凹陷之上的层“处理”然后该光的一部分可以被恢复。因此本发明提供常规光恢复机制以及允许原本被俘获在活性层中的光逸出。
n包层中的凹陷优选地具有在活性层中生成的光的波长的量级的尺度或者更大。这保证光在凹陷被散射或者以别的方式被重新定向。如果凹陷比光的波长小得多，则明显减少光的散射效率。凹陷也优选地具有如下深度，该深度足以保证ITO层的顶表面向凹陷中延伸，从而在ITO与p包层之间的界面反射的光经过在凹陷之上形成的ITO层的表面的部分逸出。
本发明的上述实施例利用n包层和下层中的位错来引导凹陷的蚀刻。然而也可以构造通过常规光刻定向蚀刻来产生凹陷的实施例。现在参照图5，该图是根据本发明的LED的另一实施例的截面图。LED 50利用光刻生成的“凹陷”57。在这样的实施例中，在已经沉积n包层43之后在该层中生成光刻图。掩模包括使下层n包层暴露的孔。然后蚀刻暴露的材料以提供凹陷。在蚀刻之后去除掩模并且将晶片返回到生长室，在该生长室中沉积活性层54、p包层55和顶部电极56。光刻生成的凹陷允许更精确地控制凹陷的图案和密度；然而提供该优点以附加掩模步骤为代价。
再次参照图3。LED 40的表面可以视为具有由凹陷而中断的平坦区域48。按照比临界角度更小的角度撞击这些平坦区域的光将朝着衬底41反射回到LED中。此光将在LED 40内的边界层之一处反射回到LED 40的表面。在凹陷之间的无凹陷区域48优选地充分小以保证从无凹陷区域中的平坦表面反射的光不会在后续反射时从其它平坦表面之一返回到该相同无凹陷区域。也就是说，该反射光不应因为多次反射而未遇到凹陷之一而被俘获在无凹陷区域中。为了满足该条件而需要的最小凹陷密度依赖于LED的厚度。LED越厚，凹陷的所需密度就越低。
在LED中俘获的光量也依赖于LED中的凹陷密度。随着凹陷密度增加，光提取效率也增加；然而一旦凹陷密度达到某一预定水平，通过增加凹陷密度而获得的改进就减少。随着凹陷密度增加，光在从LED提取之前必须行进经过的吸收材料的量减少。一旦吸收变得与从LED逸出的光量相比为小，则进一步改进的价值更少。此外，凹陷可以减少光输出，因为有凹陷的区域中的活性层不可以按照与活性层的在平坦区域下面的部分相同的效率生成光。因而优选地设置凹陷密度，从而在LED结构内吸收的光量少于某一预定值。在实践中，范围为每平方厘米107至1010个凹陷的凹陷密度是足够的。
可以通过选择各层沉积于其上的衬底并且通过变化在沉积n型层以及这些层沉积于其上的任何缓冲层期间的生长条件来控制在利用LED层中的位错的LED中的凹陷密度。可以通过选择失配晶格常数比n型层的失配晶格常数更大的衬底和/或通过调节在沉积n包层之前沉积于衬底上的缓冲层的生长条件来增加位错密度。除了上文讨论的蓝宝石衬底之外，SiC、AlN和硅衬底也可以用来提供不同程度的失配。
通常，一个或者多个材料层在如下条件之下沉积于衬底上，这些条件减少向n包层中传播的位错数目。此外，变更沉积于缓冲层上的层的生长条件也变更位错密度。如果在结构的早期层中改变生长参数(如V/III比、温度和生长速率)则它们都对位错密度具有明显影响。通常选择这些参数以减少位错密度；然而本发明可以利用这些参数以增加位错水平。
最优密度一般也依赖于LED层的厚度。按照比临界角度更大的角度从LED的顶表面反射并且错过凹陷的光一般将穿过活性层并且从活性层之下的层边界之一反射。此光然后将返回到顶表面并且再次反射。因此，路径长度依赖于LED层的厚度以及凹陷密度。
本发明的上述实施例利用位于另一层上面的层。出于本申请的目的，将理解位于第二层上面的第一层可以或者可以不与第二层直接接触。类似地，上文描述的实施例利用透明材料层。出于本申请的目的，如果层按照大于90％的透射率透射在活性层中生成的波长的光，则将该层定义为透明。镜层定义为如下层，该层按照大于90％的反射率反射由活性层生成的波长的光。
上文描述的实施例利用GaN材料系列。出于本讨论的目的，GaN材料系列定义为GaN、InN和AlN的所有合金组成。然而也可以根据本发明的教导来构造利用其它材料系统和衬底的实施例。本发明特别好地适合于蓝宝石衬底上的基于GaN的LED，因为GaN材料系列表现特别高的折射率，因此与光俘获关联的问题在该类型的LED中特别严重。
本发明的上述实施例涉及n包层中的“凹陷”。出于本讨论的目的，凹陷定义为表面中的空腔。凹陷必须具有比活性层的第一子层的深度更大的深度以向至少一个下子层提供电流。在上文描述的实施例中，凹陷经过子层的堆叠延伸；然而中间深度的凹陷仍然将提供改进。
已经在n型包层首先沉积于衬底上的实施例方面描述了本发明。由于与在衬底上沉积p包层、继而沉积活性层和n包层关联的技术问题，所以目前优选这样的实施例。然而将理解本发明可以用来生成如下LED，在这些LED中，如果这些技术问题对于特定应用而言并非决定性的，则首先沉积p包层。
在多个层的“顶”和“底”表面方面描述上文描述的实施例。一般而言，从底表面向顶表面生长层以简化讨论。然而将理解这些仅为方便的标注而不应被解释为要求相对于地面的任何特定取向。
已经提供本发明的上述实施例以举例说明本发明的各种方面。然而将理解可以组合在不同具体实施例中示出的本发明不同方面以提供本发明的其它实施例。此外，对本发明的各种修改根据前文描述和附图将变得为本领域技术人员所清楚。因而本发明将仅由所附权利要求的范围限制。
Claims (18)
1.一种器件，包括：
第一层，具有顶表面和底表面，所述顶表面包括第一传导性类型的第一材料，并且包括基本上平坦的表面中的多个凹陷；
活性层，位于所述第一层的顶表面上面并且与所述顶表面共形，所述活性层在空穴和电子在其中复合时生成以波长为特征的光；以及
第二层，包括第二传导性类型的第二材料，所述第二层包括顶表面和底表面，所述底表面位于所述活性层上面并且与所述活性层共形，所述顶表面具有向所述凹陷中延伸的下陷。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述凹陷具有比所述活性层生成的光的所述波长更大的尺度。
3.根据权利要求1所述的器件，还包括具有顶表面和底表面的导电材料层，所述导电材料层的顶表面位于所述第二层的顶表面上面并且与所述第二层的顶表面共形。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述导电材料层对于在所述活性层中生成的所述光而言透明。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述导电材料层的顶层向所述凹陷中延伸。
6.根据权利要求1所述的器件，还包括所述第一层构造于其上的衬底，所述衬底具有与所述第一材料的晶格常数充分不同的晶格常数以在所述第一层中产生位错，所述第一层的底表面位于所述衬底上面。
7.根据权利要求6所述的器件，其中所述衬底选自于由蓝宝石、SiC、硅、AlN组成的组，并且所述材料包括从GaN材料系列中选择的材料。
8.根据权利要求6所述的器件，其中所述位错按照比每平方厘米107个位错更大的密度存在。
9.根据权利要求2所述的器件，其中所述导电材料的顶层在所述凹陷之间基本上平坦。
10.一种制作发光器件的方法，包括：
提供具有顶表面和底表面的衬底；
在所述衬底上沉积第一传导性类型的第一层；
在所述第一层的暴露表面中生成凹陷；
在所述第一层上沉积活性层，所述活性层在空穴和电子于其中复合时生成光；并且
在所述活性层上沉积第二传导性类型的第二层，所述第二层具有与所述活性层相邻的底表面和位于所述底表面上面的顶表面，所述顶表面向所述凹陷中延伸。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述凹陷具有比所述活性层生成的光的所述波长更大的尺度。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括沉积位于所述第二层上面的导电材料层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述导电材料层对于在所述活性层中生成的所述光而言透明，所述导电材料层具有与所述第二层接触的底表面和向所述凹陷中延伸的顶表面。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一层沉积于晶格常数与所述第一材料的晶格常数充分不同的衬底上，以在所述第一层中产生位错，并且通过利用蚀刻剂蚀刻所述第一层来生成所述凹陷，所述蚀刻剂优先在所述位错确定的位置蚀刻所述第一层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述衬底选自于由蓝宝石、SiC、硅、AlN组成的组，并且所述第一材料包括从GaN材料系列中选择的材料。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述位错按照比每平方厘米107个位错更大的密度存在。
17.根据权利要求10所述的方法，其中通过光刻蚀刻所述第一层来生成所述凹陷。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一层沉积于第一晶面上，其中位错暴露第二晶面，并且在所述第一晶面上的生长比所述第二晶面上的生长更快的条件之下沉积所述第一材料。
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