CN107256915A - 发光二极管器件 - Google Patents

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托马斯·M·考托瑙
詹姆斯·W·拉林格
马克·P·德弗林
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Abstract

一种发光二极管器件，发射波长为390‑415nm的光，该发光二极管器件具有含镓和氮的具有有源区的体衬底。该器件具有大于约175A/cm2的电流密度和具有衰减小于绝对效率的约5％的外量子效率。

Description

发光二极管器件
本申请是国际申请日2010年9月20日、国际申请号PCT/US2010/049531的国际申请于2012年5月17日进入国家阶段的申请号为201080052148.X、发明名称为“功率发光二极管及利用电流密度操作的方法”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本申请要求共同转让的于2009年9月18日提交的美国第61/243,988号申请的优先权(律师号：027364-007100US)，通过引证将其结合于此。
背景技术
本发明大体上涉及照明技术，具体地涉及在含镓和氮的极性、半极性或非极性的体材料上制造的高电流密度LED器件的技术。本发明可应用于诸如白光照明、多色照明、平板显示器的照明、其他光电器件以及类似产品的实际应用。
在19世纪后期，托马斯·爱迪生发明了电灯泡。通常被称为“爱迪生灯泡”的传统电灯泡已使用了一百多年。传统电灯泡使用封入底座中的玻璃灯泡所包含的钨丝，其中该底座将被旋进插孔中。该插孔耦接至AC电力或DC电力。可以在住宅、建筑物以及户外照明中以及在需要光的其他区域中发现传统电灯泡。不幸的是，用于传统电灯泡的能量的90％以上作为热量散发。另外，传统电灯泡经常由于灯丝元件的热膨胀和收缩而损坏。
荧光照明克服了传统电灯泡的一些缺点。荧光照明使用填充有惰性气体和汞的光学透明管结构。一对电极耦接于卤素气体之间并且通过镇流器耦接至交流电源。一旦该气体被激发，由此产生的汞蒸气放电从而发射UV光。通常，灯管涂敷有可被UV发光激发从而产生白光的荧光材料。许多建筑结构使用荧光照明，最近，荧光照明已被安装在可耦接入标准插孔的底座结构上。
固态发光技术也是已知的。固态发光依靠半导体材料来制作通常称为LED的发光二极管。最初，红色LED被论证并引入商业。红色LED使用铝铟镓磷化物或AlInGaP半导体材料。最近，中村修二(Shuji Nakamura)开创了使用InGaN材料来制作LED发光在蓝色范围内的蓝色发光LED。蓝光LED导致了诸如固态白光照明的革新以及其他开发。尽管还提出了其他颜色LED但固态照明仍具有局限性。这种局限性的进一步细节将在整个本说明书中描述，并且以下将对其进行更具体地描述。
固态照明的一个挑战是基于LED的照明的高成本。成本通常与用于产生给定光量的半导体材料实际成本成比例。为了降低成本，需要半导体材料的每单位面积产生更多流明。然而，传统InGaN基LED面临于其中内量子效率随着电流密度增加而降低的效率的“光效率下降”。最大效率的电流密度Jmax通常是1-10A/cm2，这是一个非常低的电流密度。而且，在更高电流密度时，电流拥挤(current crowding)和热梯度(thermal gradient)会造成低劣的性能和可靠性问题。这些现象使得难以通过增加电流密度来降低成本，这是因为上面的类似于荧光和白炽照明的传统方法需要最小效率来提供LED的节能。在通篇本说明书进一步详细地并且在下面更具体地描述这些限制和其他限制。
根据上面所述，可以看出，迫切需要改善光学器件的技术。
发明内容
根据本发明，提供了总体上涉及照明的技术。具体地，描述了用于使每单位面积的GaN基半导体材料产生更多的光输出的技术。更具体地，发明的实施方式包括在含氮和镓的极性、半极性或非极性的体材料上制作的具有高有源区利用率(即，有源区面积与切割节距(dicing pitch)的比)的高电流密度LED器件。
传统的GaN基LED通过在诸如蓝宝石、碳化硅(SiC)或硅(Si)的异质衬底上外延生长器件层来制造。在蓝宝石的情况下，由于蓝宝石的电绝缘特性，要求横向注入几何结构。横向几何结构可以是利用半透明欧姆接触金属法的顶部发射或底部发射(即，倒装晶片或FC几何结构)。此外，可移除蓝宝石衬底并且采用薄膜方法，其中，所述外延器件层被转印在载体衬底或封装元件上。对于Si，高的光提取效率要求将Si衬底去除，要求薄膜方法。对于SiC，横向法或薄膜方法都是可行的。
对于固定的光输出强度，降低成本的主要手段是将照明产品所需的LED半导体面积减小。总LED芯片面积的减小高效地提高了半导体制造工厂的生产率，同时最终产品组件中所使用的光学元件和其他部件的尺寸减小。芯片尺寸的减小使得电流密度增大，但利用下面描述的本发明的外延技术可在高电流密度下保持高的外量子效率。芯片设计也起到了重要作用。横向芯片(顶部或衬底发光)的芯片尺寸减小是存在问题的，这是因为随着芯片尺寸减小，制造容差会使得有源区利用率降低。
该效果在图1A至图1C中示出。横向注入器件(顶部或底部接触)需要用于使阳极和阴极连接在器件的同一侧的区域。这根本上减小了有源区利用率(对于阴极，需要芯片占用面积部分)并且对晶片尺寸设置了实际限制。假定光刻法容差为5μm、贴片(die-attach)容差为25μm并且凸块直径为75μm，则有源区利用率与芯片宽度的关系如图中所示。对于SiC，导电缓冲层方法允许使用垂直注入设计。然而，SiC与GaN之间的晶格失配导致高位错密度(>1×108cm-2)，这会引起高功率密度下的不可靠性。此外，SiC具有比GaN高的折射率，使得光提取问题变成更难以解决的问题。
本发明提供了一种发光二极管，其包括具有表面区域的含镓和氮的体衬底。一个或多个有源区形成在该表面区域上，其中该一个或多个有源区具有电流密度大于约175A/cm2的特征。该器件具有40％(或50％、60％、70％、80％、90％)以上的外量子效率(EQE)。
在可替换的实施方式中，本发明提供了可替换型发光二极管器件，但是其也包括含镓和氮的体衬底以及形成在表面区域上的一个或多个有源区。该器件还具有描述有源区的特征的大于约200A/cm2的电流密度以及特征为385-480nm的发射波长。在具体实施方式中，该器件具有能够用于耦接至主要的器件发射区的期望的红色、绿色、蓝色或其他发光荧光材料，以提供白光源。
在另一实施方式中，本发明提供了一种发光二极管，其具有非极性取向的含镓和氮的体衬底。该器件还具有覆盖表面区域形成的有源区和描述该有源区特征的大于约500A/cm2的电流密度。该器件具有特征在于385-415nm波长的发射和可用于耦接至发射区的一个或多个RGB或其他颜色荧光材料以提供白光源。在又一具体实施方式中，该器件具有描述该有源区特征的大于约500A/cm2的电流密度和特征在于385-415nm波长的发射。
在其他实施方式中，本发明提供了一种操作上述类型的发光二极管器件的方法。该方法使光学器件流过电流，使得有源区的结区域提供大于约200A/cm2的电流密度并且输出波长在385-480nm范围中的电磁辐射。该器件优选地包括至少封装有含镓和氮的体衬底以及有源区的封装件。优选地，所述封装件的特征在于每瓦15或10或5或1度以下的热阻。
在另一实施方式中，该发光二极管器件具有描述一个或多个有源区的特征的大于约175A/cm2的电流密度。另外，该器件具有至少50％的内量子效率(IQE)；以及可在该电流密度下至少工作约5000小时的寿命。
仍进一步地，本发明提供了用于制造发光二极管器件的方法。该方法包括提供具有表面区域的含氮和镓的体衬底并且在表面区域上形成第一外延材料。该器件还包括覆盖外延材料形成的一个或多个有源区，优选地该一个或多个有源区被配置为具有大于约175A/cm2的电流密度。该方法还包括覆盖有源区形成的第二外延材料并形成接触区。
本发明提供一种LED光学器件，其具有的有源区的特征在于有源区利用率为大于50％。在其他实施方式中，利用率是>80％、>90％或>95％。而且，本发明实现了具有发光外表面面积与有源区面积的比大于1的特征的器件，而在其他实施方式中，该比是>5、>10或>100。
仍进一步地，本发明提供了一种装置，例如，灯泡或灯具。该装置具有一个或多个LED，该LED具有约1mm2以下的累积芯片表面面积并且被构造成发射至少300流明。在具体实施方式中，LED由单个LED组成，该LED由具有半极性、极性或非极性取向含镓和氮的材料的制造。如果设置多于一个的LED，则它们优选地以阵列形式构造。
通常，LED具有有源结面积大小为小于约1mm2、小于约0.75mm2、小于约0.5mm2、小于约0.3mm2的有源结面积。在具体实施方式中，该装置发射至少300流明、至少500流明或至少700流明。在具体实施方式中，发射基本上是白光或在390-415nm、415-440nm、440-470nm和其他范围内的光。在其他实施方式中，LED的特征在于每有源结面积的输入功率大于2瓦/mm2、大于3瓦/mm2、大于5瓦/mm2、大于10瓦/mm2、大于15瓦/mm2、大于20瓦/mm2或其他。根据该实施方式，LED的特征在于对于具有小于约5000K的CCT和大于约75的CRI的暖白光发射，每有源结面积的流明大于300lm/mm2。可替换地，LED的特征在于对于具有大于约5000K的CCT和大于约75的CRI的暖白光发射，每有源结面积的流明大于400lm/mm2。可替换地，LED的特征在于对于具有大于约5000K的CCT和大于约75的CRI的暖白光发射，每有源结面积的流明大于600lm/mm2。可替换地，LED的特征在于对于具有大于约5000K的CCT和大于约75的CRI的暖白光发射，每有源结面积的流明大于800lm/mm2。
本文描述的LED可具有描述有源区的特征的大于约175A/cm2的电流密度，以及从与预定增加的工作电流密度处的值比较具有最大值测量出的绝对效率衰减小于5％的外量子效率，并且390-480nm的波长发射。
本LED可操作在大于100℃、大于150℃、大于200℃、甚至更高的结温度下。在优选实施方式中，本器件可在非制冷状态以及在连续波操作下工作。本LED器件还具有范围在175A/cm2至约1kA/cm2以上的电流密度。在一个或多个优选实施方式中，电流密度还可以是约400A/cm2至800A/cm2。
本文的器件和方法提供了超过制造LED的传统技术的高产率。在其他实施方式中，本方法和得到的结构更易于利用传统技术和具有极性、非极性或半极性表面取向的包含镓和氮的衬底材料来形成。本发明为具有更小特征尺寸和基本上无“光效下降”的高电流密度LED提供了成品器件和方法。在优选实施方式中，该器件提供了利用与传统器件相比实质上减小的LED半导体面积的成品白光灯具。在优选实施方式中，本LED有源区设计被构造成将光效下降减少以及实现可有效地工作在高电流密度下的芯片结构。
可参照说明书和附图实现本发明的特性和优点的进一步理解。
附图说明
图1A至图1C分别是根据本发明实施方式的横向注入(例如，所示的倒装晶片)基LED、垂直薄膜基LED以及体衬底基LED的芯片尺寸的简化示图。
图2示出了在假设光刻容差为5μm、贴片容差为25μm以及凸块直径为75μm的情况下，比较横向芯片设计与本发明的有源区利用率(有源区相对于器件覆盖区域的比)与芯片宽度的关系。
图3示出了对于传统LED(结温度为25℃的Cree XP-E白色LED)，相对光通量与注入电流的关系的采样曲线。
图4A示出了对于(a)具有两个2.5纳米阱的多量子阱LED、(b)具有6个2.5纳米阱的多量子阱LED以及(c)具有13个纳米有源区的双异质结构LED，外量子效率与电流密度的关系。各LED表现出～430nm处的发光。
图4B示出了根据本发明的实施方式的LED器件的量子效率与电流密度的关系的曲线图。
图5A是根据本发明实施方式的高电流密度外延生长LED结构的简化图。
图5B是根据本发明的一个或多个实施方式的外延沉积处理的简化流程示图。
图6是示出了根据本发明实施方式的具有电连接的高电流密度LED结构的简化示图。
图7是根据本发明实施方式的底部发射横向导电高电流密度LED器件的简化示图。
图8是根据本发明的具体实施方式的底部发射垂直导电高电流密度LED的简化示图。
图9是根据本发明实施方式的包含高电流密度LED器件的封装白色LED的简化示图。
图10是示出了对于根据一个或多个实施方式的在发射波长为～405nm的非极性GaN上制造的LED，脉冲输出功率与电流密度以及外量子效率与电流密度的关系的简化示图。
图11-图15是根据本发明实施方式的LED器件的实验结果。
具体实施方式
本发明大体上涉及照明技术，具体地涉及用于在包含镓和氮的极性、半极性或非极性的体材料上制造的高电流密度LED器件的技术。本发明可应用于诸如白光照明、多色照明、平板显示器的照明、其他光电器件以及类似产品的实际应用。
我们已发现，GaN基光电子学领域的最新突破已验证了在极性、非极性和半极性的体GaN衬底上制造器件的巨大潜力。特别是对于非极性和半极性取向，困扰c面GaN上的传统器件的强极化诱导电场的缺乏导致了发光InGaN层的大大增强的辐射复合效率。对于极性材料，可通过降低有源区中InN含量和/或减小多量子阱(MQW)有源区结构中势垒厚度来降低极化场的有害作用。此外，对于任意表面取向，同质的体衬底提供了尺寸可减小的简化器件几何结构，从而与基于类似于蓝宝石、SiC或Si的异质衬底的方法相比，具有更低的成本(以每流明的美元计算)。此外，体GaN所提供的降低的位错密度确保了高电流密度下的高可靠性，这是异质衬底方法所不能保证的。
对照明领域特别重要的是，在非极性和半极性GaN衬底上制造发光二极管(LED)的进步。利用InGaN发光层的这种器件已显示了在延伸进紫外光区域(390nm-430nm)、蓝光区域(430nm-490nm)、绿光区域(490nm-560nm)以及黄光区域(560nm-600nm)的连续操作波长的输出功率。例如，峰值发射波长为402nm的紫色LED近来已制造在m-面(1-100)GaN衬底上并且表现出大于45％的外量子效率，尽管不具有光提取增强特性，但在高电流密度方面表现出良好的特性，具有最小的衰减(roll-over)[K.-C.Kim,M.C.Schmidt,H.Sato,F.Wu,N.Fellows,M.Saito,K.Fujito,J.S.Speck,S.Nakamura,and S.P.DenBaars,“Improvedelectroluminescence on nonpolar m-plane InGaN/GaN quantum well LEDs”,Phys.Stat.Sol.(RRL)1,NO.3,125(2007.)]。类似地，峰值发射波长为468nm的蓝色LED在高功率密度下表现出良好的效率，并且比c-面LED通常观察到的具有显著小的衰减[K.Iso,H.Yamada,H.Hirasawa,N.Fellows,M.Saito,K.Fujito,S.P.DenBaars,J.S.Speck,andS.Nakamura,“High brightness blur InGaN/GaN light emitting diode on nonpolarm-plane bulk GaN substrate”,Japanese Journal of Applied Physics 46,L960(2007).]。两种有前景的半极性取向是(10-1-1)和(11-22)面。这些面相对于c-面分别倾斜62.0度和58.4度。加利福尼亚大学Santa Barbara(UCSB)已在(10-1-1)GaN上制造出在100mA时具有超过65mW输出功率的高效率LED用于蓝色发光器件[H.Zhong,A.Tyagi,N.Fellow,F.Wu,R.B.Chung,M.Saito,K.Fujito,J.S.Speck,S.P.DenBaars,andS.Nakamura,“High power and high efficiency blue light emitting diode onfreestanding semipolar(1011)bulk GaN subtrate”,Applied Physics Letters 90,233504(2007)]，并且在(11-22)GaN上制造出在100mA时具有超过35mW输出功率的高效率LED用于蓝绿色发光器件[H.Zhong,A.Tyagi,N.N.Fellow,R.B.Chung,M.Saito,K.Fujito,J.S.Speck,S.P.Speck,S.P.DenBarrs,and S.Nakamura,Electronics Lett.43,825(2007)]，在100mA时具有超过15mW功率的高效发光器件用于绿色发光器件[H.Sato,A.Tyagi,H.Zhong,N.Fellow,F.B.Chung,M.Saito,K.Fjito,J.S.Speck,S.P.DenBaars,andS.Nakamura,“High power and high efficiency green light emitting diode onfree-standing semipolar(1122)bulk GaN substrate”,Physical Status Solidi-RapidResearch Letters 1,162(2007)]，以及超过15mW的高效发光器件用于黄色器件[H.Sato,R.B.Chung,H.Hirasawa,N.Fellows,H.Masui,F.Wu,M.Saito,K.Fujito,J.S.Speck,S.P.DenBaars,and S.Nakamura,“Optical properties of yellow light-emittingdiodes grown on semipolar(1122)bulk GaN substrate,”Applied Physics Letters92,221110(2008).]。UCSB组已示出结合在半极性(11-22)GaN上的铟相当于或大于c-面GaN的铟，这提供了用于获得高晶体质量延伸波长发射InGaN层的进一步希望。
可在体氮化镓衬底上制造非极性或半极性LED。根据现有技术中已知的方法，氮化镓衬底可从通过氢化物气相外延生长法或氨热法生长的晶锭切下。在一个具体实施方式中，氮化镓衬底通过将氢化物气相外延法生长和氨热法生长结合来制造，如在共同转让的美国专利申请第61/078,704号中所公开的，并且结合于此作为参考。可在单晶晶种上在c-方向、m-方向、a-方向或半极性方向上生长该晶锭。可通过(hkil)Miller指数来标明半极性面，其中，i＝-(h+k)，l不为0并且h和k中的至少一个不为0。氮化镓衬底可被切割、减薄、抛光以及化学-机械抛光。氮化镓衬底取向可以是{1 -1 0 0}m面、{1 1 -2 0}a面、{1 1 -22}面、{2 0 -2±1}面、{1 -1 0 ±1}面、{1 0 -1 ±1}面、{1 -1 0 ±2}面或{1 -1 0 ±3}面的±5度、±2度、±1度或±0.5度内。氮化镓衬底可在大面积表面的面中具有小于106cm-2、小于105cm-2、小于104cm-2或小于103cm-2的位错密度。氮化镓衬底可在c面中具有小于106cm-2、小于105cm-2、小于104cm-2或小于103cm-2的位错密度。
根据现有技术中已知的方法，在氮化镓衬底上制造同质外延非极性或半极性LED，例如，按照在美国专利第7,053,413号中所公开的方法，其全部内容结合于此作为参考。在衬底上沉积至少一个AlxInyGa1-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，并且0≤x+y≤1，例如，按照美国专利第7,338,828和7,220,324号中所公开的方法，其全部内容结合于此作为参考。可通过金属-有机物化学气相沉积法、分子束外延法、氢化物气相外延法或其结合来沉积至少一个AlxInyGa1-x-yN层。在一个实施方式中，AlxInyGa1-x-yN层包括当电流从其中流过时优先发射光的有源层。在一个具体实施方式中，有源层包括厚度在约0.5nm与约40nm之间的单个量子阱。在具体实施方式中，有源层包括厚度在约1nm与约5nm之间的单个量子阱。在其他实施方式中，有源层包括厚度在约5nm与约10nm之间、在约10nm与约15nm之间、在约15nm与约20nm之间、在约20nm与约25nm之间、在约25nm与约30nm之间、在约30nm与约35nm之间或在约35nm与约40nm之间的单个量子阱。在另一组实施方式中，有源层包括多量子阱。在又一实施方式中，有源区包括厚度在约40nm与约500nm之间的双异质结构。在一个具体实施方式中，有源层包括InyGa1-yN层，其中0≤y≤1。当然，可存在其他变形、修改和替换。
此外，随着发光二极管的输入电流增加，光输出功率增大，这是因为相关的更大量注入电子被转换成光子。在“理想”LED中，光输出将随着电流的增加而持续线性增加，使得小LED能被驱动到非常高的电流密度而获得高的输出功率。然而，实际上，发光二极管的该光输出与电流输入的特性根本上受限于其中传统发光二极管的辐射效率随电流密度增加而降低的现象的限制。已经发现，此现象造成输出功率对电流的反转或次线性增加。这导致随着输入电流增加总光通量仅微小(marginal)增加。
图3示出了对于结温度为25℃的传统LED(Cree XP-E白色LED)，相对光通量与注入电流的关系的采样曲线。该曲线示出了350mA(约30A/cm2-50A/cm2)时的相对光通量是100％，而700mA时的相对光通量仅是170％。这示出了对于传统LED，在从约30A/cm2-50A/cm2至60A/cm2-100A/cm2的工作范围，出现了约15％的LED效率衰减(roll-off)。另外，此二极管的峰值效率出现在甚至更低的工作电流密度，其表示对于工作在700mA的二极管，效率从峰值衰减甚至大于15％。
由于该现象，传统发光二极管通常工作在比本方法和器件所提供的更低电流密度处，从10A/cm2至100A/cm2。此工作电流密度限制已对单个传统发光二极管可能的总通量施加了实际的局限。增加来自LED封装件的光通量的传统方法包括增大LED的有源区(从而在保持合适的低电流密度的同时使LED具有更高的工作电流)，并且将几个LED芯片封装成LED阵列，从而总电流在封装件中的LED之间分配。同时，这些方法具有在保持合适的低电流密度的同时，产生每个LED封装件更多的总光通量的效果，但是由于需要更多的总LED芯片面积而使得固有成本更高。在一个或几个实施方式中，我们提出了用于基于工作在超过传统LED的电流密度下而提供高效率的一个或多个小芯片高亮度LED进行照明同时保持长工作寿命的方法和器件。
已经存在对以高效的操作使LED工作在高电流密度下的限制的传统知识进行建立的大量工作。这大量的工作包括类似于已被最大的LED制造商商业化的高亮度LED的工作电流密度，并且大量的工作指“LED光效下降(LED Droop)”现象。商用LED的示例包括Cree的XP-E、XR-E和MC-E封装件以及Lumiled K2和Rebel封装件，其中一个这种示例在图1A至图1C中示出。可从诸如Osram、Nichia、Avago、Bridgelux等的公司获得类似的高亮度LED，这些LED要么通过限制总电流(将芯片尺寸增大到超过1mm2)要么封装多个LED芯片以有效地增加LED结面积而均工作在比被发明中所提出的低得多的电流密度范围内。提及并示出LED“光效下降”现象的文献示例以示例的方式被Shen等人.在Applied Physics Letters,91,141101(2007)中以及Michiue等人在the Proceedings of the SPIE Vol.7216,72161Z-1(2009)中描述。另外，Gardner等人在Applied Physics Letters,91,243506(2007)中明确阐述了关于此现象，并且试图克服它：LED感兴趣的通常电流密度是20A/cm2-400A/cm2，其中生长在蓝宝石衬底上的双异质结构LED示出了峰值效率在约200A/cm2处，然后在高于该工作点时衰减。除了在工作在高电流密度下时限制保持器件的效率之外，其还示出了随着发光器件中电流密度的增加，器件的寿命劣化到可接受水平以下，此劣化与材料中的位错相关)。Tomiya等人在IEEE J of Quantum Elec.,Vol.10,No.6(2004)中阐述了在小的位错密度材料上制作发光器件允许工作在高电流下，而不会出现在制作在高位错材料上的器件观察到的寿命缩短。在他们的研究中，借助于在异质外延生长的材料上横向外延过生长来达到位错降低。迄今为止，涉及减缓或最小化光效下降现象的关于发光二极管的传统方法还未解决在体衬底上生长和制造的发光二极管的生长和器件设计。下面将更详细地描述传统LED器件和其量子效率的进一步情况。
图4A取自N.F.Gardner等人的“Blue-emitting InGaN-GaN double-heterostructure light-emitting diodes reaching maximum quantum efficiencyabove 200A/cm2”,Applied Physics Letters 91,243506(2007)，示出现有技术中已知的外量子效率随着电流密度的两种变化。在图4A的参考字母(a)和(b)中所示出的行为表示传统LED的行为。利用一个或多个相对薄的量子阱(例如，小于约4nm厚)，外量子效率峰值在约每平方厘米10安培以下并且在更高电流密度相对急剧地降低。如图4A的(c)中所示，通过将有源层的厚度增加至例如约13nm，可提高更高电流密度下的外量子效率。然而，在约每平方厘米30安培(A/cm2)以下的电流密度以下以及约300A/cm2以上的电流密度处，外量子效率非常低的情况中，之间具有相对尖锐的最大值。理想的是LED的外量子效率在约20A/cm2的电流密度至约200A/cm2以上、300A/cm2以上、400A/cm2以上、500A/cm2以上或1000A/cm2以上的电流密度是接近恒定的。
M.Schmidt等人之前在Jap.J.of Appl.Phys.Vol.46,No.7,2007中阐述了在具有小于1×106cm-2的穿透性位错密度(threading dislocation density)的体非极性m-面衬底上生长的、峰值发射波长为408nm的LED。尽管使用具有非极性取向的高质量体衬底，但在此文献中阐述的器件示出了在相对窄的工作电流密度11～111A/cm2范围之外，峰值外量子效率的约5％的衰减，远低于本发明中获得的值。通过本发明的方法和器件已部分克服了传统技术的这些和其他局限，在通篇本说明书并且在下面更具体地对此进行描述。
图4B示出根据本发明实施方式的LED器件的量子效率相对于电流密度的曲线图。如图所示，本器件基本上没有电流光效下降并且在约10％的容差内，这是很有意义的。在通篇本说明书并且在下面更具体描述中可找到本器件的进一步细节。
图5A是根据本发明实施方式的高电流密度外延生长LED结构的简化图。此图仅是示例，其不应过度地限制本文所要求保护的范围。本领域的普通技术人员应认识到其他的变化、变形和替换。在一个或多个实施方式中，LED结构至少包括：
1.体GaN衬底，包括极性、半极性或非极性表面取向。此外，包括下面提供的细节。
任意取向，例如，极性、非极性、半极性、c-面。
(Al,Ga,In)N基材料
穿透性位错(TD)密度<108cm-2
堆垛层错(SF)密度<104cm-1
掺杂>1017cm-3
2.n-型(Al)(In)GaN外延层，具有约1nm至约10nm范围内的厚度并且具有约1×1016cm-3至约5×1020cm-3范围内的掺杂浓度。此外，包括下面提供的细节。
厚度<2μm，<1μm，<0.5μm，<0.2μm
(Al,Ga,In)N基材料
生长T<1200C，<1000C
非有意掺杂(UID)或掺杂
3.多个掺杂的和/或非掺杂的(Al)(In)GaN有源区层。此外，包括下面提供的细节。
至少一个(Al,Ga,In)N基层
具有一个或多个阱的量子阱(QW)结构
QW在厚度上>20A，>50A，>80A
QW与n-层和p-层生长温度相同或相似
发射波长<575nm，<500nm，<450nm，<410nm
4.p-型(Al)(In)GaN外延层，具有约10nm至约500nm范围内的厚度并且约1×1016cm-3至约1×1021cm-3范围内的掺杂浓度。此外包括下面提供的细节。
至少一个Mg掺杂层
厚度<0.3μm，<0.1μm
(Al,Ga,In)N基
生长T<1100C，<1000C，<900C
至少一个层用作电子阻挡层
至少一个层用作接触层
在具体实施方式中，参照图5A，根据现有技术中已知的方法，从氮化镓晶锭上切割体GaN衬底，并对其进行减薄、抛光以及化学-机械抛光加工。在一些实施方式中，在晶种上外延生长氮化镓晶锭。在一些实施方式中，利用氨热法生长氮化镓晶锭。在其他实施方式中，通过氢化物气相外延(HVPE)生长氮化镓晶锭。可替换地，还可以是这些技术的组合。可通过在包含氨气、卤化氢和诸如氩气的惰性气体中的至少一种的气氛中加热至少包含镓的坩埚来形成多晶氮化镓源材料。坩埚可进一步包含相对于镓为每百万至少约100份(ppm)的量的消气(getter)材料。该消气可至少从碱土金属、钪、钛、钒、铬、钇、锆、铌、稀土金属、铪、钽和钨中选择。根据一个或多个实施方式，该坩埚可被放置在反应装置内，在包含氨气和卤化氢的气氛中加热到至少约400摄氏度的温度持续约30分钟至约72小时的时段，并冷却。在美国专利申请第61/122332中号描述了用于合成多晶氮化铟镓的工艺的进一步细节，其全部内容结合于此作为参考。得到的多晶氮化镓可在氮化镓内具有作为第Ⅲ族金属氧化物或作为替代杂质提供的少于约每百万10份(ppm)，少于约1ppm或少于约0.1ppm的氧化物成分。当然，可存在其他包含、变形或替换。
根据具体实施方式，可为氨热晶体生长提供至少一个晶种。在一些实施方式中，晶种是氮化镓单晶。晶种可具有纤锌矿晶体结构。晶种可具有小于约108cm-2、小于约107cm-2、小于约106cm-2、小于约105cm-2、小于约104cm-2或小于约103cm-2的位错密度。晶种的大面积面可包括c-面(0001)和/或(000-1)、m-面(10-10)、a-面(11-20)，或诸如{10-1-1}或{11-22}的半极性取向，或更常用地，如通过布拉维-米勒标记法所规定的(hkil)，其中h和k中至少一个不为零并且l也不为零。晶种可包括非氮化镓材料，诸如，蓝宝石、碳化硅、尖晶石等。晶种可包括至少一个氮化镓膜。至少一个氮化镓膜可通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)或液相外延(LPE)来生长。在一些实施方式中，异质外延晶种材料的前表面和后表面都涂敷有氮化镓膜，如在美国专利申请第61/096,304号中所描述的，其全部内容结合于此作为参考。在优选实施方式中，晶种的大面积表面的晶格常数在要生长在该晶种的体氮化镓晶体的晶格常数的1％、0.3％、0.1％、0.03％、0.01％、0.003或0.001％内。至少两个晶种可装在晶种架(seed rack)上，如在美国专利申请第61/087,135号中所描述的，其全部内容结合于此作为参考。
可将多晶氮化镓和至少一个晶种提供给置于内部加热高压装置内的的压热器或密封舱。在美国专利第12/133,364、12/133,365、61/073,687和61/087,122号中描述了合适的高压装置的示例，其全部内容结合于此作为参考。矿化剂也被提供给压热器或密封舱。矿化剂可包括基底，诸如，碱金属、氨基碱金属、碱亚胺、碱性酰胺酰亚胺、碱性叠氮化物、碱性氮化物、碱性稀土金属、碱土氨基化合物、碱土叠氮化物或碱土氮化物中的一种。矿化剂可包括酸，诸如，卤化铵、卤化氢、卤化镓或通过使镓金属、铟金属、氨和卤化氢中的两种或多种反应形成的化合物。在一些实施方式中，矿化剂包括两种以上金属成分、两种以上卤素成分和/或两种以上化合物。也可以以约50％至约98％之间或在约60％至约90％之间的填充百分比来提供氨，并且压热器或密封舱被密封。压热器或密封舱可被加热到至少约400摄氏度的温度和至少约100兆帕(MPa)的气压，以使至少一个晶种上生长晶体。可在美国专利申请公开第2008/0087919号中找到晶体生长过程的其他细节。
氨热法生长的晶体第Ⅲ族金属氮化物的特征在于，可以为基本上无任何在约385nm与约750nm之间的波长处具有约3cm-1以下的光吸收系数的立方体实体的纤维锌矿结构(wurzite structure)。氨热法生长的氮化镓晶体可包括具有大于约5mm的长度的晶体衬底构件，具有纤维锌矿结构并且基本上无其他晶体结构，其他结构相对于实质的纤维锌矿结构在体积上小约0.1％；Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、F和Cl中的至少一种的杂质浓度大于1014cm-1、大于1015cm-1或大于1016cm-1，在约385nm至约750nm之间的波长处具有约2cm-1以下的光吸收系数。氮化镓晶体在约385nm至约750nm之间的波长处具有约0.5cm-1以下的光吸收系数。氨热法生长的氮化镓晶体可以是n-型半导体，其中载流子浓度n在约1016cm-3至1020cm-3之间，并且以平方厘米每伏秒为单位的载流子迁移率η在以10为底的对数时，η大于约＝-0.018557n3+1.067n2-20.599n+135.49。氨热法生长的氮化镓晶体可具有小于约0.050Ω-cm、小于约0.025Ω-cm、或小于约0.010Ω-cm的电阻。氨热法生长的氮化镓晶体可以是p型半导体，其中载流子密度n在约1016cm-3与1020cm-3之间，并且以平方厘米每伏秒为单位的载流子密度η在以10为底的对数时，η大于约-0.6546n+12.809。
在另一具体实施方式中，从通过助熔剂法生长的晶锭来制备体GaN衬底。在美国专利7,063,741中和美国专利申请公开第2006/0037529号中描述了合适的助溶剂法的示例，其全部内容均结合于此作为参考。多晶第Ⅲ族金属氮化物和至少一种助熔剂放置在坩埚中并被插入熔炉。熔炉被加热并且在大于约400摄氏度的温度下和大于约一个大气压的气压下在融化的助熔剂中处理多晶第Ⅲ族金属氮化物，期间至少一部分多晶第Ⅲ族金属氮化物被刻蚀掉并且再结晶在至少一种第Ⅲ族氮化物晶体上。在又一具体实施方式中，从通过氢化物气相外延(HVPE)生长的晶锭制备体GaN衬底。当然，可存在其他变化、变形和替换。包括生长顺序的下一步骤的进一步细节在通篇本说明书中被说明并且在下面被更具体地说明。
在具体实施方式中，生长顺序至少包括(1)n-型外延材料；(2)有源区；(3)电子阻挡区；以及(4)p-型外延材料。当然，可存在其他变化、变形和替换。此外，本方法的进一步细节可在通篇本说明书中以及下面更具体的描述中找到。
在具体实施方式中，在大气压下通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在衬底上沉积外延层。生长期间第Ⅴ族气源(precursor)(氨气)的流量对第Ⅲ族气源(三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝)的流量的比在约3000至约12000之间。在具体实施方式中，在衬底上沉积n-型(硅掺杂)GaN的接触层，其厚度为5微米以下并且掺杂量为约2×1018cm-3。
在具体实施方式中，沉积非掺杂InGaN/GaN多量子阱(MQW)作为有源层。MQW有源区具有2至20区段，包括2-12nm的InGaN和1-20nm的GaN的交替层作为势垒层。接下来，在有源层的上面沉积5-30nm非掺杂AlGaN电子阻挡层。在其他实施方式，可稍微不同地构造多量子阱。当然，可存在其他的变化、变形和替换。衬底和得到的外延表面取向可以是极性的、非极性的或半极性的。在一个或多个其他实施方式中，体晶片可以是偏轴结构，其使得形成一个或多个平滑膜。在一个或多个优选实施方式中，层叠的外延膜和结构的特征在于是光滑的并且相对无金字塔突起的形态。偏轴结构和表面形态的进一步细节可在通篇本说明书以及下面更具体的叙述中找到。然而，作为示例，在于2009年7月2日提交的由James Raring等创作的美国第12/497,289号、题为“Method and Surface Morphology of Non-PolarGallium Containing Substrates,”中描述了切割不合格(off cut)实施方式的细节，其全部内容结合于此作为参考。
下面列出了用于利用切割不合格(offcut)或斜切(miscut)或偏轴(off-axis)衬底来形成平滑外延膜的根据实施方式的方法。
1.设置GaN衬底或晶锭；
2.执行GaN衬底的偏轴斜切以暴露期望的表面区域，或处理(例如，机械处理)衬底或晶锭以暴露偏轴取向的表面区域；
3.将GaN衬底传送入MOCVD处理腔室；
4.提供从氮气、氢气或其混合物选出的载气；
5.提供诸如氨气等的含氮物(nitrogen bearing species)；
4.将MOCVD处理腔室升至生长温度，例如，700至1200摄氏度；
5.将生长温度保持在预定范围内；
6.将载气和诸如氨气的含氮物与诸如铟反应物的三甲基铟和/或三乙烷基铟、镓反应物的三甲基镓和/或三乙烷基镓、和/或铝反应物的三甲基铝的第Ⅲ族气源结合进腔室；
7.形成包含下列层GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN中的一个或多个的外延膜；
8.形成基本上无突起和其他表面粗糙结构和/或特征的外延氮化镓膜的表面区域；
9.对于其他外延膜重复步骤(7)和(8)以形成一个或多个器件结构；以及
10.执行其他期望的处理步骤。
在一个具体实施方式中，对于非极性取向(10-10)，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(0001)倾斜约0.1度的表面取向。在另一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(0001)倾斜约0.1度至约0.5度之间的表面取向。在又一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(0001)倾斜约0.2度至约1度之间的表面取向。在又一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(0001)倾斜约1度至约3度之间的表面取向。
在另一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(1-210)倾斜约0.1度的表面取向。在另一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(1-210)倾斜约0.1度至约0.5度之间的表面取向。在又一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(1-210)倾斜约0.2度至约1度之间的表面取向。在又一具体实施方式中，步骤2中的斜切衬底具有从(10-10)向(1-210)倾斜约1度至约3度之间的表面取向。
上述顺序的步骤提供了根据本发明实施方式的方法。在具体实施方式中，为了改善器件的性能，本发明提供了方法并且获得了具有基本上平滑并且无突起等的表面区域的晶体外延材料。尽管上述已经关于偏轴表面结构进行了描述，但还存在利用一个或多个选择的过程重复所得到的具有同轴结构的其他实施方式，这些在通篇本说明书进行了更详细地描述并且在下面进行了更具体地描述。在不背离本文所要求保护的范围的前提下，也可提供添加步骤、去除一个或多个步骤、或以不同的顺序提供一个或多个步骤的其他变化。
仅仅作为示例，在一些实施方式中，本方法可在使用可工作在大气压或低气压下的MOCVD工具形成一个或多个外延生长区时使用以下步骤顺序。
1.开始；
2.提供包括背面区域和表面区域的晶体衬底构件，该晶体构件是切割不合适的(offcut)或斜切(miscut)或偏轴；
3.将衬底构件装载入MOCVD腔室内；
4.将衬底构件在设置在腔室中的基座上设置为暴露衬底构件的切割不合格或斜切)或偏轴的表面区域。
5.使表面区域在基本上平行于表面区域的第一方向上经受第一气流(firstflow)(例如，源自至少包括含氨反应物、第Ⅲ族反应物以及第一载气的一个或多种反应气体)；
6.在表面区域的附近内形成第一边界层；
7.在被构造成引起第一边界层至第二边界层的变化的第二方向上提供第二过流(例如，源自至少第二载气)；
8.提高覆盖晶体衬底构件的表面区域形成的晶体材料的生长速率；
9.继续晶体材料生长直至基本上无突起和/或其他缺点。
10.停止反应气体的气流以停止晶体生长；
11.根据需要执行其他步骤并重复上面的步骤；
12.停止
上面顺序的步骤提供了根据本发明实施方式的方法。如所示出的，该方法使用包括利用MOCVD形成晶体材料的膜的方式的步骤的组合。在优选实施方式中，本发明包括用于形成高质量的含氮化镓的晶体膜的大气压(例如，700-800托)生长，该晶体膜是平滑的并且基本上无导致器件的电或光性能劣化(包括光效下降(droop))的突起、金字塔突起和其他缺点。在一些实施方式中，提供多气流技术。
图5B是用于制造根据本发明实施方式的改进GaN膜的方法的简化流程图的一个示例。本发明提供(步骤503)具有背面区域和表面区域的晶体衬底构件。该晶体衬底构件可包括氮化镓晶片等。在优选实施方式中，衬底是体非极性(10-10)GaN衬底。
在具体实施方式中，本方法使用斜切或切割不合格的晶体衬底构件或晶锭GaN，但可以是其他材料，并且并不包含有实现斜切或不合格切割的使用过程。如本文中所使用的，术语“斜切”应根据本领域的普通技术人员通常所理解的含义来解释。术语斜切并不意指包含相对于(例如)任意晶面(例如，c-面、a-面)的任何不期望的切割。术语斜切意指描述相对于(或邻近于)诸如非极性(10-10)GaN面的低米勒指数表面晶面稍微倾斜的表面取向。在其他实施方式中，斜切面取向邻近诸如(10-1-1)面族、(11-22)面族、{20-21}面族或{30-31}面族的半极性取向，但是可存在其他的取向。另外，术语“切割不合格”意指具有与斜切类似的含义，但可存在其他变化、变形和替换。在又一实施方式中，具体表面平面不是被斜切和/或切割不合格的，而是可利用机械的和/或化学的和/或物理的处理来构造为将本文中明确地和/或含蓄地描述的晶体表面中的任意一个暴露。在具体实施方式中，术语斜切和/或切割不合格和/或偏轴的特征在于至少一个或多个方向和相应尺寸，但是可存在其他变化、变形和替换。
如图所示，该方法包括将衬底构件置于或载入(步骤505)MOCVD腔室中。在一个具体实施方式中，该方法提供一种或多种载气(步骤507)，以及一种或多种含氮反应气体(步骤509)，这在下面更详细地进行描述。在一个或多个实施方式中，晶体衬底构件从后侧设置在基座上以暴露衬底构件的表面区域。优选地利用电阻元件或其他合适的方式来加热基座。在具体实施方式中，将基座加热(步骤511)至约700至约1200摄氏度范围内的生长温度，但可以是其他温度。
在具体实施方式中，本方法包括使晶体衬底的表面区域在基本上平行于表面区域的第一方向上经受第一气流的处理。在具体实施方式中，该方法在表面区域附近内形成第一边界层。在具体实施方式中，认为第一边界层具有在约1mm至约1cm范围内的厚度，但可以是其他厚度。下面可找到本方法的进一步细节。
根据该实施方式，气流优选地源自于至少包括含氨的反应物、第Ⅲ族反应物(步骤513)以及第一载气的一种或多种反应气体或其他可能实体。根据具体实施方式，氨是第Ⅴ族反应气体。其他第Ⅴ族反应气体包括N2。在具体实施方式中，第一载气可包括氢气、氮气、氩气、或其他惰性类并且包括这些的组合。在具体实施方式中，第Ⅲ族气源包括TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、掺杂剂(例如，Cp2Mg、乙硅烷、硅烷、二乙基锌、铁、锰或含钴反应物)和其他种类。仅作为示例，下面提供斜切/切割不合格/衬底表面结构、气源以及载气的优选组合。
非极性(10-10)GaN衬底表面，被构造成为与c-面(0001)成-0.6度以上或优选地-0.8度以上(且-1.2度以下)大小；
载气：N2和H2的任意混合，但优选地，全是H2；
第Ⅴ族气源：NH3；第Ⅲ族气源：TMGa和/或TEGa和/或TMIn和/或TEIn和/或TMAl；以及
可选掺杂气源：乙硅烷、硅烷、Cp2Mg；
或者
不具有切割不合格或斜切的非极性GaN衬底
载气：全是N2；第Ⅴ族气源：NH3；第Ⅲ族气源：TMGa和/或TEGa和/或TMIn和/或TEIn和/或TMAl；以及
可选掺杂气源：乙硅烷、硅烷、Cp2Mg；
根据实施方式，该方法还继续(步骤515)进行外延晶体材料生长，其基本上平滑并且无突起或其他缺点。在具体实施方式中，该方法还能停止反应气体的流入，以停止生长和/或执行其他步骤。在具体实施方式中，该方法在步骤517停止。在优选实施方式中，本方法使含氮化镓的晶体材料的形成停止，该晶体材料具有基本上无导致更差晶体质量并有害于器件性能的突起和其他缺陷的表面区域。在具体实施方式中，晶体材料的表面积至少90％无金字形突起结构。
上述顺序的步骤提供了根据本发明实施方式的方法。如图所示，该方法使用包括利用MOCVD形成晶体材料的膜的方式的步骤的组合。在优选实施方式中，本发明包括在大气压下形成高质量含氮化镓的晶体膜所提供的气流技术，该晶体膜具有基本上平滑并且无突起和其他缺陷或缺点。上述顺序的步骤提供了根据本发明的实施方式的方法。在具体实施方式中，得到的晶体材料基本上无突起，从而改善了器件性能。
在一个或多个实施方式中，沉积厚度为约200nm并且空穴浓度大于约5×1017cm-3的p型GaN接触层。欧姆接触层被沉积在p-型接触层上作为p-型接触并且可被退火以提供期望的特性。欧姆接触层包括Ag基单层或多层接触、铟锡氧化物(ITO)基接触、Pd基接触、Au基接触或其他。通过光刻和利用氯基感应耦合等离子(ICP)技术的干蚀刻来形成尺寸为约250×250μm2的LED台。作为示例，Ti/Al/Ni/Au被电子束蒸发至暴露的n-GaN层上以形成n-型接触。Ti/Au可被电子束蒸发至p-型接触层的一部分上以形成p接触垫，并且利用诸如激光划片和断裂、金刚石划片和断裂、锯切、水射流切割、激光消融或其他的技术，将晶片切成分离的LED芯片(die)。通过传统片粘合和焊线步骤形成电连接。
图6是示出根据本发明实施方式的具有电连接的高电流密度LED结构的简化示图。该示图仅仅是示意性的，其不应过度地限制本文所要求保护的范围。本领域中的普通技术人员应认识到其他变化、变形和替换。如所示，根据具体实施方式的LED结构的特征在于顶部发射横向导电的高电流密度LED。优选地，该LED结构至少包括：
1.体GaN衬底，包括极性、半极性或非极性表面取向；
2.厚度在约1nm至约10μm范围并且掺杂浓度在约1×1016cm-3至约5×1020cm-3范围的n-型(Al)(In)GaN外延层；
3.多个掺杂和/或非掺杂的(Al)(In)GaN有源区层；
4.厚度在约10nm至约500nm范围并且掺杂浓度在约1×1016cm-3至约1×1021cm-3范围的p-型(Al)(In)GaN外延层；
5.由诸如铟锡氧化物、氧化锌的合适材料制成并且厚度在约5nm至约500nm范围内的半透明p-型接触；以及
6.由诸如Ti/Al/Ni/Au的合适材料或这些金属的组合制成的n-型接触，Ti/Al/Ni/Au或这些金属的组合具有在约100nm至约7μm范围内的厚度。
图7是根据本发明实施方式的衬底发射横向导电(即，倒装晶片)高电流密度LED器件的简化示图。在该实施方式中，LED器件至少包括：
1.体GaN衬底；
2.n-型(Al)(In)GaN外延层；
3.多个掺杂和/或非掺杂的(Al)(In)GaN有源区层；
4.p-型(Al)(In)GaN外延层；
5.反射型p-型接触；以及
6.n-型接触。
图8是根据本发明具体实施方式的衬底发射垂直导电高电流密度LED的简化示图。LED器件至少包括：
1.体GaN衬底；
2.n-型(Al)(In)GaN外延层；
3.多个掺杂和/或非掺杂的(Al)(In)GaN有源区层；
4.p-型(Al)(In)GaN外延层；
5.反射型p-型接触；以及
6.n-型接触。
图9是根据本发明实施方式的包含高电流密度LED器件的封装白色LED的简化示例。在具体实施方式中，封装的LED器件至少包括以下：
1.高电流密度LED器件；
2.封装材料或透镜材料，其在结构中可包含或不包含红色、绿色、蓝色、橙色、黄色发光或其他颜色下转换材料，使得当在封装材料或透镜中包含下转换材料时产生白光；以及
3.LED封装件，其提供至LED的电连接和从本发明至周围环境的散热路径。
在Trottier等人于2009年9月21日提交的共同转让的美国专利第61/244,443号题为“Reflection Mode Wavelength Conversion Material for Optical Devices UsingNon-Polar or Semipolar Gallium Containing Materials,”(律师号：027364-007200US)中可找到封装器件的其他示例，通过引证将其结合于此作为参考。在其他实施方式中，封装器件包括如在Shum于2012年2月2日提交的共同转让的第61/301193号、题为“White LightApparatus and Method”中描述的阵列结构，并且通过引证将其结合于此作为参考。本LED器件可以以形成在衬底构件上的阵列来构建。
图10是示出了对于根据一个或多个实施方式的制造在非极性GaN上的、发射波长为～405nm的LED，脉冲输出功率相对于电流密度以及外量子效率相对于电流密度的简化示图。该示图仅仅是示意性的，其不应过度限制本文所要求保护的范围。本领域的普通技术人员应意识到其他的变化、修改和替换。特别提及的是，外量子效率的微小下降达到约是高于以现有技术制造的传统LED的工作电流密度的4倍。在图4B中提供了其他示例。
在优选实施方式中，器件使用铟锡氧化物(ITO)作为被构造为工作在高电流密度下的接触材料。在优选实施方式中，高电流密度是200A/cm2，例如，高达500A/cm2，或甚至1000A/cm2以上。ITO材料基本上没有劣化并且没有缺陷。
工作条件下LED的结温度大于约100摄氏度，并且通常大于约150摄氏度、或甚至在约200摄氏度以上。在一些实施方式中，LED能够工作在无主动式冷却并且在某些情况下无被动式冷却的连续波(CW)模式下。
在其他实施方式中，本发明提供了利用含镓和氮的体材料获得的具有改善可靠性的器件和方法。即，在体GaN衬底上的生长提高了高电流密度下的可靠性。与之相比，在异质衬底上生长的传统LED是不完善的并且包括多种缺陷。认为，由异质外延生长引起的这些缺陷限制器件寿命并从而阻止在高电流密度下工作。根据一个或多个实施方式的LED不会困于同样的缺点。在优选实施方式中，寿命窗口是>500hrs CW、>1000hrsCW、>2000hrs CW、>5000hrs CW或其他。
在具体实施方式中，本发明还包括LED基照明灯具和备用灯(replacement lamp)。作为示例，这些照明灯具的目标是产生可接受的发光水平(总的流明)、具有期望的外观(色温和CRI)、成本低以及效率(lm/W)高。尽管这些特性均都期望，但通常设计时要考虑到此消彼长的关系，这导致一些要求满足而不是所有的要求都满足。在本发明中，我们提出了LED基灯具以及基于在诸如体氮化镓衬底的体Ⅲ-氮化物衬底上生长的发光二极管的灯。这些LED相比于在诸如蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌等的异质衬底上异质外延生长的传统LED，惊人地呈现出不同的性能特性。这些基于体Ⅲ-氮化物的LED所呈现的特性使目前认为传统LED不可能的完全不同的灯/灯具设计成为可能。
传统光源、白炽灯、卤素灯、荧光灯、HID等具有完善定义的标准特性。当设计用来取代目前技术的光源时，此标准化提供了关于LED基灯所需的工作特性的大量知识。尽管在市场上存在各种照明产品，但大量的标准灯或节能灯是基于LED的替代解决方案的热切研究对象。这些灯/节能灯的一些示例(但不是穷举)包括A式灯、荧光灯、小型CFL、各种尺寸的金属反射罩(MR)、各种尺寸的抛物面反射罩(PAR)、反射器灯(R)、单端或双端石英卤素灯、烛台(candelabra’s)、球形灯泡、高湾灯(high bay)、凹形反光槽(troffer)以及爆闪灯(cobra-head)。给定灯将具有由输入至灯的功率所决定的特征照明输出。例如，20W MR-16节能灯将通常发射出约300lm，30W MR-16发射450lm，而50W MR-16将发射出700lm。为了适当地取代带有LED方案的这些灯具，灯必须符合MR 16灯的几何尺寸并且达到光通量的最低标准。
纵然存在这些规定的规则，但是达到期望的光通量并且具有相当或更高的发光效率的设计，存在对LED的真正替代等的数量是相当少的，从而使得最终的用户从目前的技术转向。达到这些要求的那些产品极其昂贵，这导致广泛采用极慢。基于LED的灯所需要的LED的数量支配了此成本的大部分，以达到当前技术的光通量和发光效率。尽管通常报道LED具有高的发光效率并且其在SSL灯中比指定的分离器件低得多，但是出现上述。
图11示出了当在SSL应用中使用LED时SSL用户设想的通常LED的降级。随着时间的过去，LED通常不得不从其规定的性能降级，以解决工作期间增加的温度、光损耗、电转化损耗以及流明折损。随着温度降低的效率和总光通量是个严峻的问题，这是因为热量产生于典型灯固定装置中的最小热沉体积以及随着终端用户增加输入电流以试图增加输出光通量时出现的附加热量。
作为当前LED基灯的性能局限的示例，图12示出了对MR16照明灯测量来作为美国能源部卡尺测量程序(U.S.Department of Energy Caliper Testing program)的一部分的累计数据。图12示出了为了再现20W卤素灯泡的输出功率，LED等同物必须以超过13lm/W的亮度效率产生至少270流明的光通量。即使在降级时，该结果示出了多数产品超过目前卤素灯的亮度效率，仅一个产品产生了声称等价于20W MR16的足够的总光通量。另外，此产品通过将大量(>4)高功率LED安装入MR16灯具中达到了该光通量，从而产生具有大于4mm2的LED结有源区面积的灯具。灯的成本随着LED的总的结有源区的增加而近似线性增加。因此，非常期望在仍保持期望的总光通量和效率的同时，降低包含在给定灯中的LED总的结有源区面积。
异质外延生长的典型LED在减小有源区尺寸时不能保持高的光通量，这是因为电流和热“光效率下降”。随着LED中电流密度的增大，表现出相对效率的下降。此效果会造成相对辐射效率从～10A/cm2时的100％下降至100A/cm2时的50％。
还示出了LED的辐射效率随着LED的结温度降低。随着LED结面积减小，LED至封装件焊接的热阻增加，这是因为热流的面积减小。除此之外，与面积减小相关联的电流密度增加导致如上所述的更低的辐射效率，因此所需要的更多功率作为热而被散发。下面提供了与本技术相比，传统LED器件的性能特性的进一步细节。如所示，本技术和器件产生每平方面积更高的流明。
如本文中所使用的，术语GaN衬底与用作起始材料的包括GaN、InGaN、AlGaN的第Ⅲ族氮化物类材料或含有合金或合成物的其他第Ⅲ族相关联。这种起始材料包括极性GaN衬底(即，最大区域表面名义上是(h k l)面的衬底，其中，h＝k＝0，并且l不为0)、非极性GaN衬底(即，最大区域表面取向在从上述极性取向至面(h k l)约80至100度的角度范围内的衬底材料，其中l＝0，并且h和k中的至少一个不为0)或半极性GaN衬底(即，最大区域表面取向在从上述极性取向至面(h k l)约+0.1至80度或110至179.9度的角度范围内的衬底材料，其中l＝0，并且h和k中的至少一个不为0)。
尽管以上是具体实施方式的全部描述，但可以使用各种变形、替代结构和等价物。尽管说明书描述了含镓和氮的一个或多个特定的表面取向，但应意识到，可使用多个面取向族中的任一个。因此，本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种发光二极管器件，包括：
具有表面区域的含镓和氮的体衬底；以及
覆盖所述表面区域形成的至少一个有源区；
所述有源区的特征在于大于约175A/cm2的电流密度，以及
50％以上的外量子效率(EQE)。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述含镓和氮的体衬底的特征在于非极性取向上的生长。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述含镓和氮的体衬底的特征在于，在至少包括(10-1-1)和(11-22)的多个半极性晶面中的至少一个中的生长取向。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征还在于，发射波长在385nm和420nm之间。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征还在于，发射波长在420nm和460nm之间。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征还在于，发射波长在460nm和520nm之间。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征还在于，发射波长在520nm和600nm之间。
8.根据权利要求1所述的器件，其特征还在于，发射波长在600nm和700nm之间。
9.根据权利要求1所述的器件，进一步包括可操作地耦接至所述至少一个有源区以激发白光发射的至少一种荧光材料。
10.根据权利要求1所述的器件，进一步包括所述器件具有大于200A/cm2的电流密度的特性。
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