CN104364916B - 发光器件和用于创建发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

发光器件（200）的光出射表面的结构特性被控制以便在表面被粗糙化时增加该表面（225）的光提取效率。包括具有对粗糙化过程的不同耐久性的材料的层的发光表面（225）展现出比暴露于相同粗糙化过程的实质上一致的发光表面更高的光提取效率。在GaN‑型发光器件（200）中，与通过仅包括GaN材料的表面的常规蚀刻创建的特征相比，光出射表面（225）上或者附近的AlGaN材料的薄层（240）在蚀刻之后创建更尖锐的特征。

Description

发光器件和用于创建发光器件的方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件（LED）的领域，并且特别涉及用于提高来自LED的表面的光提取效率的方法。
背景技术
发光器件一般包括夹在n-型和p-型半导体层之间的有源发光层，其中生成的光通过这些半导体层之一被发射。然而，在光撞击半导体表面的出光表面时，由于出光表面与空气或者光通过其被发射的其它介质之间的折射率的差异，一些光被反射回到有源层（“内反射”）。被反射的光的一些部分可能随后能够离开出光表面，但是一些部分将在发光器件内的材料中被吸收。
为了降低被内反射的光的量，从而增加从发光器件提取的光的量，有目的地粗糙化出光表面。非平面表面增加了在从有源层的各个方向上传播的来自有源层的光将撞击允许光从表面逸出的粗糙化表面的某个特征的可能性。
图1A-1D图示了用于创建具有增加的光提取效率的发光器件100的常规过程。
图1A图示了生长衬底110上的半导体器件的创建。n-型层120生长在生长衬底110上，其后是有源层130和p-型层140。接触垫150被提供用于对n-型和p-型层的外部接触；为了便于图示，未示出提供该耦合的绝缘和内部组件。同样地，层120、130、140可以包括多个材料层和其它层，或者也可以存在通孔。在可替换的布置中，p-型层140可以生长在衬底110上，其后是有源层130和n-型层120。
由于接触垫150典型地是不透明的，因此从与接触垫150相对的表面提取从有源层130发射的光。如果生长衬底110是透明的，它可以保持原样。否则为了避免所发射的光的吸收或者为了向结构添加附加的散射，生长衬底110被移除以形成薄膜器件，并且光从n-型层120发射。图1B图示了衬底110的移除之后的发光器件100的图示的常规取向，其具有在器件100的“底部”上的接触垫150和在器件100的“顶部”上的光出射层120，其通常在本领域中已知为“倒装芯片”实施例。
如以上指出的，为了与被内反射和吸收的光的量相比增加能够从层120的光出射表面125逸出的光的量（“光提取效率”），粗糙化发光表面125。许多技术可用于粗糙化表面125，两种常见的技术是光-电化学（PEC）湿法蚀刻和光化学（PC）湿法蚀刻。
如由Bo Yang、导师Patrick Fay于2005年4月在电气工程中的研究生项目向圣母大学的研究生院提交的博士学位论文“MICROMACHINING OF GaN USINGPHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING（使用光电化学蚀刻的GaN的微机械加工）”中描述的，来自高强度源的光在半导体层中靠近或者在半导体-电解质界面处被吸收。所生成的空穴在朝向界面弯曲的价带的影响下漂移。在此，空穴表示断裂的晶键并且使得能够实现在没有光照的情况下将不会发生的蚀刻。蚀刻的粗糙性由表面上的空穴的不均匀分布引起，这造成不均匀的局部蚀刻速率。材料属性显著地影响蚀刻结果。例如，如在章节2.3.5和其中的引用中所描述的，地形特征的密度与材料中的位错密度直接相关。相比于GaN，诸如AlGaN之类的具有较高缺陷潜力的层将具有较高的特征密度。作为第二示例，通过对高强度源的光谱进行滤波，可以修改不同带隙的两种材料的相对蚀刻速率。最后，通过调节光强度和摩尔浓度，可以影响不同缺陷密度的层的相对蚀刻速率。
图1C提供了发光器件100的光出射表面125上的粗糙化过程的结果的概念性图示，并且图1D提供了已经通过PEC蚀刻粗糙化的常规LED的实际表面的图像。如所图示的，粗糙化过程产生了相当随机的三维拓扑，拓扑取决于被蚀刻的层120的材料的成分以及粗糙化过程的参数，诸如所使用的蚀刻剂的浓度和类型、蚀刻的温度和持续时间、所施加的电偏置等。常规地，利用要被蚀刻的特定材料来测试不同的蚀刻过程参数集合以确定为该材料提供最好光提取效率的集合。所确定的最好集合随后被用于产生使用该材料的LED。
发明内容
进一步增加发光器件的光提取效率将会是有利的。经由本领域中常见的粗糙化过程进一步增加光提取效率也将会是有利的。
为了更好地解决这些关注点中的一个或多个，在本发明的实施例中，发光器件的光出射表面的结构特性被控制以便在粗糙化表面时增加该表面的光提取效率。已经发现，包括具有对粗糙化过程的不同耐久性的材料层的发光表面展现出比暴露于相同粗糙化过程的实质上一致的发光表面更高的光提取效率。在GaN-型发光器件中，相比于通过仅包括GaN材料的表面的常规蚀刻创建的特征，光出射表面上或者附近的AlGaN材料的薄层在蚀刻后创建更多明显不同的特征。
附图说明
参考附图并且通过示例的方式进一步详细解释本发明，其中：
图1A-1D图示了用于创建具有提高光提取效率的粗糙化表面的发光器件的示例常规过程。
图2A-2D图示了用于创建具有进一步提高光提取效率的粗糙化表面的成分的发光器件的示例过程。
图3图示了用于产生具有进一步提高光提取效率的粗糙化表面的成分的发光器件的示例流程图。
遍及各图，相同的附图标号指示类似或者对应的特征或者功能。出于图示性目的而包括各图，并且各图不旨在限制本发明的范围。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了诸如特定架构、界面、技术等之类的具体细节以便提供本发明的概念的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言将显而易见的是，本发明可以在脱离于这些具体细节的其它实施例中实践。同样地，本描述的文本涉及如图中所图示的示例实施例，并且不意图在超出明确包括在权利要求中的限制之外限制所要求保护的本发明。出于简化和清楚的目的，省略众所周知的器件、电路和方法的详细描述以便不通过不必要的细节使本发明的描述模糊。
为了便于图示和理解，在包括GaN半导体层的发光器件的上下文中呈现本发明，尽管本领域技术人员鉴于本公开将清楚地认识到本发明的原理不限于GaN半导体的使用。同样地，在倒装芯片发光器件的上下文中呈现本发明，并且本领域技术人员将清楚地认识到本发明的原理不取决于倒装芯片，并且不必取决于作为光源的半导体光发射器的使用，尽管本发明特别良好地适合用于创建具有高光提取效率的半导体发光器件。也就是说，依赖于通过粗糙化光出射表面改进光提取效率的任何应用可以通过本文所呈现的原理的使用而受益，受益的程度取决于由光源发射的光的性质，诸如波长、准直程度和光出射表面的成分。
图2A-2D图示了用于创建具有相比于图1A-1D的常规发光器件100的光提取效率进一步提高光提取效率的粗糙化外延表面的成分的发光器件200的示例过程。
在本发明的实施例中，被粗糙化的表面包括具有对粗糙化过程反应不同的材料特性的材料的混合。特性可以包括例如材料成分（化学计量）、晶体缺陷密度、晶体缺陷类型、载流子浓度、外延应力等等。通过控制沉积条件可以使这些特性变化。例如，如由G.B.Stringfellow在“Organometallic Vapor-Phase Epitaxy, Second Edition: Theoryand Practice（有机金属气相外延，第二版：理论和实践）”中描述的，当生长温度降低到最佳值以下时，缺陷密度增加。层属性对结果得到的拓扑的效果将一般取决于蚀刻或者其它粗糙化过程的参数。
在示例发光器件200中，外延“模板”层240提供其上生长发光叠层（n-型层120、有源层130和p-型层140）的表面。添加外延层240以便提供不同于n-型层120的特性的蚀刻特性，如以下进一步详述的那样。取决于用于形成/生长器件200的特定技术，薄“起始物”层230（有时称作生长初始层）可以生长在衬底110上，以提供用于发起衬底110上的外延生长的适当的籽晶膜。
在移除衬底110后，如图2B中所图示的，器件200遭受可以包括常规基于KOH的PEC蚀刻的粗糙化过程。如同发光表面的常规蚀刻那样，实现最佳粗糙化的蚀刻配方的确定一般需要测试多组蚀刻过程参数。最佳的蚀刻参数将取决于发射光的特定波长和用于形成外延层240和n-型层120的特定材料。在示例器件200中，蚀刻过程参数是使得蚀刻延伸通过外延层240的部分并且进入到n-型层120中，如图2C中所图示。
在GaN发光器件的示例中，外延层240包括AlxGa1-xN的薄层，其中x是层中的Al相对于Ga的量的小数量。由于外延层（AlGaN）240和n-型层（GaN）120的不同成分，蚀刻过程将对这些层240、120具有不同的效果。
回到图1C和1D的示例，GaN表面的常规蚀刻导致在大多数特征上具有相对平坦的峰的拓扑。也就是说，当蚀刻向下延伸以形成“小山”之间的“谷”时，这些小山的边缘和顶部也通过蚀刻被磨损。
相反地，由于结构中Al的存在，AlGaN的蚀刻一般将产生具有较尖锐的边缘的拓扑。此外，一旦蚀刻延伸进入不太耐久的GaN层中，蚀刻GaN层所需要的时间的长度可能不足以磨损AlGaN峰的边缘和顶部。出于本公开的目的，如果第一拓扑的特征比第二拓扑中的特征展现出更多的点或者边缘，或者比第二拓扑中的特征展现出在轮廓中的更少的曲面，第一拓扑比第二拓扑更“尖锐”。此外，通过控制用于外延的AlGaN层240的成分和生长条件，能够调整粗糙特征的尺寸和相互分离。
图2C提供了蚀刻两层结构的结果的概念性图示，其中被蚀刻的第一层240比第二层120更耐受蚀刻过程。如果已经使用了可选的起始物层230，湿法蚀刻过程或者诸如干法蚀刻之类的另一合适过程可以被用于移除它。更一般地，干法蚀刻步骤可以被用于将用于PEC蚀刻的起始点放置在最有利的位置。使用工业标准干法蚀刻装置的时控或者端点干法蚀刻可以被用于精确地创建用于PEC蚀刻的起始点。对于当AlN被用作起始物层230时创建的示例AlN/AlGaN/GaN层叠层，诸如Cl2、BCl3或者其混合物之类的含氯等离子体（干法）蚀刻化学反应可以被用于完成该目的。诸如氩或者氦之类的惰性气体可以被添加至等离子体化学反应中以精确地控制蚀刻过程并且改进诸如蚀刻速率、选择性和一致性之类的蚀刻过程性能度量。用于控制干法蚀刻过程的附加的过程参数包括针对组成气体的压力、流速和比例、进入到干法蚀刻腔中的一个或多个微波或者射频功率输入、晶片或者封装温度以及诸如陶瓷或者导电屏蔽和一致性改进环之类的腔硬件组件。
如所图示的，蚀刻之后的器件200的图2C（和示例图2D）的拓扑结构的表面225的上部尖端展现出在外延层240中的比图1C（和示例1D）中的器件100的拓扑的上部尖端明显更“尖锐”的粗糙化几何形状。同样如在图1C中所图示的，在外延层240处形成的特征的拓扑比在N-型层120中形成的特征的拓扑实质上更尖锐。也就是说，在轮廓中，在外延层240中形成的特征（小山）的上部尖端的形状弯曲得实质上不及于在N-型层120中形成的特征（谷）的形状。这些粗糙特征的尺寸在提取效率中扮演重要的角色，因为对于给定的特征几何形状和尺寸，后者随发射光的波长变化。外延层240的添加允许特征尺寸调成使粗糙表面对于宽范围波长上的高光提取效率最佳。
粗糙化表面225中的锥角和特征尺寸将取决于AlxGa1-xN层240中的Al的小数比例，以及外延层240中的材质。在0.3与0.8之间和在一些实施例中在0.5与0.7之间的Al的小数比例（x）对于提供更尖锐和更紧密堆积的特征并且对应地增加光提取效率将是有效的。
AlGaN层240的折射率比GaN层120的折射率低；为了避免内反射，AlGaN的厚度可以小于50nm。或者干法蚀刻步骤可以被用于在PEC蚀刻之前移除除50nm或者更少之外的AlGaN层240。
图2D图示了在包括常规的GaN n-型层之上的Al0.6Ga0.4N外延层的器件的表面的KOH-PEC蚀刻之后的实际表面的图像。如与图1D的图像形成对比的，显然每个特征/小山的峰更加尖锐并且更加明显。外延层（AlGaN）中的Al的存在使得粗糙特征的锥角更尖锐，与图1D中图示的常规的GaN粗糙度相比，降低了粗糙表面的平坦度。粗糙特征的该尖锐化更加高效地将光从LED芯片耦合出，从而提供了光提取效率中的增加。
图3图示了用于产生具有提供增加的光提取效率的粗糙化表面的发光器件的示例流程图。在该示例中，发光器件的半导体材料被假定为GaN，尽管本领域技术人员将认识到本文所呈现的原理将适用于各种材料。
可选地，在310处，GaN或者AlGaN或者AlN的薄起始物层可以形成在生长衬底上。例如，如果Si是生长衬底，AlN层将被形成以隔离衬底并且控制应变。
在320处，形成AlGaN层，优选地在小于500nm的厚度处。
在330-350处，使用常规技术形成发光器件。在330处，形成N-型GaN层；在340处，形成有源层；并且在340处，形成P-型GaN层。
在360处，在通常在本领域中已知为“晶片制造”的器件制造过程期间形成接触垫以促进对N和P型层的外部耦合。绝缘通孔可以被用于通过有源层和P-型层耦合N-型层，使得两个接触垫在与发光表面相对的器件的相同表面上，在该示例中，发光表面将为AlGaN层的表面。这些接触垫促进将器件安装在印刷电路板或者“倒装芯片”配置中的照明灯具上。
在370，移除生长衬底，并且在380处粗糙化暴露的表面。粗糙化可以包括PEC蚀刻的一步过程并且可以移除可选的起始物层，并且延伸通过AlGaN层且进入到N-型GaN层中。可替换地，结合干法蚀刻和湿法蚀刻过程的多步过程可以被用于移除不期望的层，诸如初始AlN，其停止在结构中的层上，其中第二蚀刻步骤PEC蚀刻将提供最多明显不同的特征。
在390处，器件可以被进一步处理，包括例如在粗糙化表面上的波长转换（磷光体）层的形成和/或用诸如玻璃或者环氧树脂圆顶之类的透明材料包封发光器件。
虽然已经在附图和前述的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或者示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。例如，在本领域中已知为“竖直薄膜”LED的实施中操作本发明是可能的，其中在粗糙化侧上制作对LED器件的n接触。可以在过程流中的粗糙化步骤的或者之前或者之后产生n-接触。
此外，由于增加的光提取效率是由具有对粗糙化过程不同的耐久性的层的使用导致的不同粗糙化拓扑的结果，因此本发明的原理不限于不同耐久性的仅两个层的使用，它们也不限于不同层的特定布置。
本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附的权利要求能够理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于创建发光器件的方法，包括：
形成包括光提取表面的结构，光提取表面包括具有第一材料特性的连续的第一层和具有第二材料特性的连续的第二层，以及
粗糙化光提取表面以便创建延伸到第一和第二层中的特征；
其中第一和第二材料特性对光提取表面的粗糙化反应实质上不相同。
2.权利要求1的方法，其中第一层包括AlGaN并且第二层包括GaN。
3.权利要求2的方法，其中第一层包括AlxGa1-xN，其中x在0.3和0.8之间。
4.权利要求1的方法，
其中粗糙化包括光化学蚀刻，
其中粗糙化包括对用于光化学蚀刻的灯的光谱进行滤波以相对于第一材料的蚀刻速率增加第二材料的蚀刻速率以增加尖锐度。
5.权利要求1的方法，其中第一层比第二层更耐受粗糙化。
6.权利要求1的方法，其中第二层比第一层更耐受粗糙化。
7.权利要求1的方法，其中形成光提取表面包括具有第三材料特性的第三层，粗糙化创建延伸到第三层中的特征，并且第三材料特性对光提取表面的粗糙化做出与第一和第二材料特性实质上不相同的反应。
8.一种发光器件，包括光提取表面，发光表面包括：
具有第一材料特性的连续的第一层；和
具有第二材料特性的连续的第二层，
其中发光表面被粗糙化以便创建延伸到第一和第二层中的特征的拓扑，
其中在第一层处的特征的拓扑与在第二层处的特征的拓扑实质上不相同。
9.权利要求8的器件，其中第一层包括AlGaN并且第二层包括GaN。
10.权利要求9的器件，其中第一层包括AlxGa1-xN，其中x在0.3和0.8之间。
11.权利要求8的器件，其中第一和第二材料特性包括以下各项中的至少一个：材料成分、晶体缺陷密度、晶体缺陷类型、载流子浓度和外延应力。
12.权利要求8的器件，其中第一层比第二层更耐久。
13.权利要求8的器件，其中发光结构包括N-型层、有源层和P-型层，其中N-型层包括第一层和第二层。
14.权利要求8的器件，其中在第一层处的特征的拓扑比在第二层处的特征的拓扑更尖锐。
15.权利要求8的器件，其中光提取表面包括具有第三材料特性的第三层，并且被粗糙化以便创建延伸到第一、第二和第三层中的特征的拓扑；并且在第三层处的特征的拓扑与在第一和第二层处的特征的拓扑实质上不相同。
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