TW200905928A - Dual surface-roughened N-face high-brightness LED - Google Patents
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Description
200905928 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於生產具高提取率之發光二極體 (LED)之方法。 相關應用之交叉參考 - 本申請案根據35 U.S.C. section 119(e)之規定主張下文 . 之未審定且共同讓與之美國專利申請案之優先權： 由 Umesh K. Mishra, Michael Grundmann, Steven P. f DenBaars及Shuji Nakamura於2007年3月29曰申請的標題為 I, ”雙粗面N面高亮度發光二極體”之美國臨時申請案第 60/908,919號，代理人檔案號碼為 30794.217-US-P1(2007-279-1)； 其申請内容以引用的方式併入本文。 本申請案與下文之未審定且共同讓與之申請案有關： 由 Michael Grundmann及 Umesh K. Mishra於 2007年 6 月 25 曰申請的標題為”極化誘發之隧道接合件"之美國專利申請 〇 案第1 1/768,105號，代理人檔案號碼為30794.186-US- U1 (2007-668)，該申請案根據Section 119(e)之規定主張由 Michael Grundmann及 Umesh K. Mishra於 2006 年 6 月 23 日申 請的標題為”極化誘發之隧道接合件”之美國臨時專利申請 案第60/815,944號之優先權，代理人檔案號碼為 30794.186-US-Ul(2007-668)； 由 Stacia Keller, Umesh K. Mishra 及 Nicholas A. ?1〇1^1^311111於2007年9月14日申請的標題為”藉無機金屬化 130151.doc 200905928 學氣相沉積之對高品質N面GaN、InN及A1N及其合金之異 質生長方法"之美國專利申請案第11/855,591號，代理人檔 案號碼為 30794.207-US-Ul(2007-121)，該案根據 Section 119(e)之規定主張由 Stacia KeUer，Uinesh K. Mishra 及 Nicholas A. Fichtenbaum於2006年11月15日申請的標題為 藉無機金屬化學氣相沉積之對高品質N面GaN、InN及A1N 及其合金之異質生長方法"之美國臨時申請案第6〇/866,〇35 5虎之優先權’代理人檔案號碼為3〇794 2〇7_us ul(2〇〇7_ 12-1)。
由 Nicholas A. Fichtenbaum, Umesh K. Mishra及 Stacia Keller於2007年11月15曰申請的標題為"使用n面GaN、InN 及A1N及其合金之發光二極體及雷射二極體”之美國專利申 睛案第11/940,856號’代理人檔案號石馬為3〇794.2〇8_us-Ul(2007-204)，該案根據secti〇n 119(e)規定主張由 Nicholas A. Fichtenbaum，Umesh K. Mishra及 Stacia Keller
於2006年11月15日申請的標題為”使用^^面GaN、InN及A1N 及其合金之發光二極體及雷射二極體"之美國臨時申請案 第60/866,019號之優先權，代理人檔案號碼為3〇794 2〇8_ US-Ul(2007-204-l)； 由 Umesh K. Mishra，Yi Pei，Siddhanh Rajan及 Man H〇i
Wong於與本案同日申請的標題為"具低緩衝區洩漏及低寄 生電阻之N面高電子遷移率電晶體”的美國專利申請案第 xx/xxx，xxx號，代理人檔案號碼為 ， 該 案根據 Section ll9(e)之規定 主張由 Umesh κ· 130151.doc 200905928
Mishra，Yi Pei，Siddharth Rajan及 Man Hoi Wong於 2007年 3 月2 9日申清的彳示為具低緩衝區线漏及低寄生電阻之n面 高電子遷移率電晶體”的美國臨時專利專利申請案第 60/908,914號之優先權，代理人檔案號碼為3〇794 215_uS_ Pl(2007-269);及 由 Umesh K. Mishra，Lee S. McCarthy，Chang Soo Suh及
Siddharth Rajia於與本申請案同曰申請之標題為"使用晶圓 接合與基板移除以在III族面方向上生長之層的氮面上製造 ΠΙ族氮化物半導體裝置的方法"之美國專利申請案第 xx/xxx，xxx號’代理人檔案號碼為30794 ^6^1^(2007- 336)，該案根據Section U9(e)之規定主張由umesh K. Mishra，Lee S, McCarthy，Chang Soo Suh及 Siddharth Rajia 於2007年3月29日申請之標題為"使用晶圓接合與基板移除 以在III族面方向上生長之層的氮面上製造m族氮化物半導 體裝置的方法”之美國臨時專利申請案第6〇/9〇8,917號之優 先權，代理人檔案號碼為3〇794 216_us ul(2〇〇7_336); 其等申請内容以引用的方式併入本文。 關於聯邦發起之研發之聲明
本毛明疋在授權號為N00014-05-l-0419(ONR MINE MURI)之政府支援下進行的。政府對該發明上擁有一定的 權利。 【先前技術】 在本發明之則，高亮度LED在具粗化背面之倒裝晶片配 置上使用一厚的反射P型接觸點以增強自晶圓提取光。因 130151.doc 200905928 時且右=發明之前，LED只有—個表面經粗化，且LED同 " P型接觸點及一 η型接觸點。 【發明内容】 一本發明揭示-光電裝置，包括在1型層上的一 ρ型層、 命用:：Ρ型層之第一η型接觸點、在該第-η型接觸點與 / Ρ '之間用以將裝置驅動電流在ρ型層與第一 η型接觸 二間進行移轉的一個或多個中間層、及對該_層的一 觸點咕接觸點。該裝置可具有全部η·型接觸點且無P_型接 光«置可為LED，其具有粗化n型表面終止該led以增 強光提取，其中，該LED的動力是經由該第一 〇型接觸點 及該第二η型接觸點提供。該㈣可具有一粗化背面或可 在一圖案化的基板上製成以提供嵌入式背面粗化。 咖可以m族氮化物為主且粗化n型表面可為粗化氮面 (Ν-面）。該LED可為具Ν面配向之外延晶膜生長。
C j 該中間層可包括位於該ρ型層與動型接觸點之間的極化 誘發之隨道接合件，該隨道接合件可實現ρ型層與η型層接 觸點之間、極化誘發之隨道接合件與η型接觸點之間的一 個或多婉型導電層之間的有效随道傳輸。該_個或多· 型導電層可為-η型電流擴展層以補償由粗化產生的最小 電接觸。極化誘發之隧道接合件可為氮化鋁，且η型導電 層及ρ型導電層為氮化鎵。 本發明亦揭示一種光電裝置，該裝置包括—個或多個用 以連接該光電裝置的1Ί型接觸點及ρ型區域的令間層，其中 I30151.doc 200905928 該中間層傳輸足夠電荷，以為發光電裝置發光提供動力。 中間層可能會在該n型接觸點與p型區域之間之接合處產生 一耗盡區，該耗盡區足夠小以實現n型接觸點與p型區域間 的隨道傳輸。該等中間層可包括在極化誘發之隨道接合件 上的一 η型層。 本發明亦揭示一種製造光電裝置之方法，包括僅製㈣ 裝置之η型接觸點；及粗化該裝置的一頂面(其為η型表面) 及裝置的一底面。
本發明亦揭示一種以A1InGaN為主之光電裝置其包括 粗化氮面表面，及與該粗化氮面表面相對的也被粗化之 一表面’其中，該粗化表面增強自裝置的光提取率。 【實施方式】 下文對本發明之較佳實施 1 J麥亏匕附圖式加以描述，該 圖式形成本文之一邱八， θ 冲刀 其令舉例說明本發明可實踐的 瞭解，，、要不脫離本發明之範圍，也可 利用其他實施例及作出結構變化。 參見下文圖式’其中，所 的零件。 飞〒相同數字代表相應 本發明所提出之裝置使用 強光提取，a接合與頂面粗化以增 , m ,, 將接觸面積減小到最低 ^度因此H增強了透過頂側之提取 中，頂側指的是外延晶膜生長之坟 （本說月曰 基板的與進行生長側相對的面指的是 飞興基板介接的層的表 I30151.doc 10· 200905928 面）ο 該等裝置生長在鋁銦鎵氮化物（AunGaN)上之氮面上， 以氮終止該表面，且與該等合金之金屬面上的標準生長相 反。氮面氮化鎵（GaN)化學穩定性不如鎵面GaN，所以可 使用濕蝕刻，如氫氧化鉀（K〇H)以在氮面GaN層上蝕刻一 隨機陣列的刻面。較之平面，該等刻面可提供更大的表面 積及粗糙程度使得光從裝置頂部的LED更有效地散發出。 採用圖案化藍晶石基板（PSS)可完成背面粗化，該藍晶 石基板係已使用微影及蝕刻轉印有圖案且其上生長有 (AlIn)GaN。此亦可使用任何可在藍晶石基板上產生刻面 之钮刻方法來完成，尸、要外延晶膜具有配向控制即可。類 似於頂面粗化，具PSS之背面具有一粗化表面，儘管其是 被嵌入該裝置（除非移走基板），該面具有一折射率對比， 藉由月面介面，提高了光提取，降低了内部反射。 以該粗面，期望使接觸面積可達最小以提取盡可能多的 光。為促進實現該目標，接觸點需在具有高導電性的半導 體層上形《。由於低電洞遷移率及此類材料之歐姆接觸品 貝不佳’故III族氮化物中之p_型材料阻力太大難以形成擴 展層。另一方面，對n_型材料之接觸點極良好且材料導電 性佳’故η型材料可作為電流擴展層。 本發明中，所提出之裝置結構使用一薄材料層5〇 nm)，其展現強壓電及/或自發電極化以提供有效的隧道接 合件。在氮化物材料系統中’不同A1InGaN合金之間的任 何介面展現由該等層之間淨極化差異而導致的片狀電荷。 130151.doc 200905928 該等層具有以由極化電荷誘發的内在電場，可用作提供 p/n接合件中所需之偶極矩，而無需在接合件上使用其他 空間電荷。另夕卜’較之由離子化施體及接收器獨立提供的 電場，由極化電荷所提供的電場較大。使用該極化誘發之 電場，不具或具有由離子化施體及受體提供的附加電場， 接合件的耗盡區可做成足夠小而實現高效隧道傳輸，即使 疋在大的π隙半導體系統中’且亦可用以製造具有全部n_ 型接觸點之LED，如圖1及圖2所示。 圖1為具有一由緊張C平面氮面A1N組成的極化誘發之隧 道接合件102之裝置1〇〇的示意圖，其中，〇平面氮面ain由 GaN層104及106覆蓋（極化誘發之随道接合件是否定亦為 A1N層本身’或其包含A1N及GaN覆蓋層？）在隧道接合件 102下方，為一具p-型（摻雜有 Mg)GaN 1〇6、一A1GaN : Mg 之電子阻擋層108、一 InGaN/GaN多量子阱主動區域110、 及一 η-型GaN層（摻雜有Si)112之標準LED結構，其等均非 刻意地生長在PSS 11 6上之摻雜（UID)氮面GaN緩衝層上。 PSS 116可由離子蝕刻（其導致生長在？^ 116之圖案120 上之GaN 112的背面粗糙）且位於Si摻雜GaN 104之頂側形 成，粗面122可藉由在鹼性溶液中蝕刻晶圓而形成。接著 藉用於（製造）n-型接觸點126、128之反應性離子蝕刻及金 屬沉積以臺面蝕刻（形成臺面124)而製得裝置。上層η-型接 觸點126可為細網狀圖案的反射、未退火金屬以確保（光提 取之）最高效率。 裝置生成結構及帶狀囷 130151.doc -12- 200905928 圖2(a)說明一具有隧道接合件202之氮面LED 200之生長 結構之示意圖。該1^0 200包含一 Si摻雜之GaN層204、一 InGaN/GaN多量子阱主動區域206、一 Mg摻雜GaN層208、 一 A1N層210、及一 Si摻雜之GaN層212。該A1N層210在該 P-型GaN層208與該η-型GaN層212之間形成一隧道接合件 202。圖2(a)中箭頭214顯示氮面表面之生長方向及配向， 且因此顯示層204最後生長的表面2041為一氮面表面，層 206最後生長的表面2061為氮面表面，層208最後生長的表 面2081為氮面表面’層21〇最後生長的表面21〇1為氮面表 面，層212最後生長的表面2121為氮面表面。最終，層2〇4 最先生長的表面204f為Ga面表面，層2〇6最先生長的表面 206f為III族原子面表面，層2〇8最先生長的表面2〇8£為^ 面表面，且層210最先生長的表面21〇f為一 ΙΠ族面表面， 且層212最先生長的表面212f為Ga面表面。在傳統的
Ga[〇〇〇1]生成時，該等表面2041 — 2121為Ga或III族原子面 (P8L16)’而表面204f—2丨叮為氮面。 圖2(b)為圖2(a)之結構帶圖，作為穿過該等層2〇4— 212 之深度的函數，其中，深度為零是指η型GaN層204之表面 2〇«。特別地’該帶圖係對傳導帶能量Ec及價帶能量以作 圖。該帶圖顯示出^型層2〇4、212中之Ec約為零，表明可 、二由層204及212，製得與LED 200之全部η-型接觸點。由 於極化誘發之随道接合件(其能量亦示於圖2(b))，可能為 完全η-型接觸點。主叙 土動&域206與ρ-型層208之間介面216上 E c梯度大 > 表明了紅全β # 耗乍。（這是否正確？）最後，薄ρ-型 130151.doc 200905928 層208中的Εν約為零，表明裝置串聯電阻降低。 (較之對ρ型層之Ρ-型接觸點，對卜型層之η_型接觸器之 接觸電阻如何？於GaN中獲得對卜型層之ρ型歐姆接觸點是 否可能？藉由隨道接合侔读# μ μ „ 女口1干建立的對ρ_型層之η型接觸點是否 可展現歐姆性能？） (此等LED的亮度比先前技術的大多少 可能的修改 下文是上文所述之本發明之可能的修改之非排外性列
a. 經餘刻表面122或者經圖案化的藍晶石116可由平面 材料代替。 b. 可添加電洞阻擋層’如鄉n)GnN:si，以防止自量 子阱孔溢出電洞。 $ c. 可將電子阻播層log去除。 d·可添加或不加全反射n_型拉 钱觸點12 6將粗化頂側12 2 去除。 e•該A1N隨道接合件i〇2可由杠甘> 、 τ 』田任何其他高極性材料組 成’該等材料可提高高於標進 … 加早隧道接合件之穿隧效 率，修正p-型材料1〇6及！!型松杻 主材枓104的堆疊次序以 明極化場方向的不同。 ° f. 隧道接合件1〇2可為高度摻雜的p/n接合件。 g. 經蝕刻頂面122可為乾蝕刻岑、、 次属蝕刻，且可隨機或依 h. 該基板m可為任何提供與GaN或其他m族氮化物厚 130151.doc -14· 200905928 臈必要指數對比度之基板。 可在該表面122上添加—外延晶膜層，以藉由提供
GaN與空氣或環氧之間之中間折射率來進—步增強 光提取。
可修正層組成以包含任何AlInGaN合金，該合金可 提供一隧道接合件1〇2及一具有接觸區域126、128之 主動區域110。例如，電子阻擔層108可由與GaN晶 格匹配之AlInN組成。 LED 1 〇〇可涉及倒裝晶片安裝及/或成形以進—步提 高（光）提取效率。 LED可含有由隧道接合件連接之多個主動區域。 m. η. 可使用多種組成主動區域，以使其發出不同波長。 例如若裝置⑽是在具絲化背面118之晶格匹配材 料上生長’則可去除緩衝層114。這種情況下，空氣 為粗化提供了必要指數對比度使其有效地進行。若 可得游離GaN，則只要粗化層u 8完好，便可移除緩 衝層114。 如此，本發明揭示一種光電裝置100，如—LED，包括 位於η-型層112上之p_型層1〇6(p_型層1〇6與心型層IK之 間也可存在其他層，如主動區域UG)、對卜型層iQ6之第— 接觸點126、位於第一卜型接觸點j 26與卜型層】％之間用以 將裝置H)0的驅動電流（若是一光電電池，則傳輸由光電裳 置所提供之能量…型層1〇6之第一㈣接觸點126之間進 行傳輸之-個或多個中間層104與1()2、及_對^型層ιΐ2 130151.doc 15 200905928 之第二η-型接觸點128)β以這種方式，該一個或多個中間 層102可將以η_型接觸點126電連接至一 ρ型區域1〇6以傳輸 足夠電荷，為例如光電裝置1 〇〇發光提供動力。 如此’光電裝置100可僅具有η-型接觸點126、ι28，而 不具有Ρ型接觸點，其中能量是經由該第一卜型接觸點126 及該第二η-型接觸點1 28而提供。 中間層104、1〇2可包括但不限於位於ρ_型層1〇6與&型 接觸點126之間的一極化誘發之隧道接合件丨〇2，該隨道接 Γ" 合件可實現該Ρ-型層106與該η-型接觸點126之間高效的通 道傳輸。 中間層1 04、1 〇2可進一步包括位於極化誘發隧道接合件 1〇2與該η_型接觸點126之間的一個或多個η_型導電層1〇4。 該一個或多個η-型導電層1〇4可為一 η型電流擴展層1〇4以 補償由該粗面102所造成的最小電接觸。 另外’ 一粗化η-型表面122可終止該LED 1〇〇，以增強光 提取（效率）’且該LED100可含有一可由LED 1〇〇之圖案化 f ’、 基板116形成的粗化背面U8，以提供嵌入式背面粗化。 led 1〇〇可以m族氮化物為主，且粗化卜型表面ι22可為— 粗化氮面。然而，本發明不限於以ΠΙ族氮化物為主之材 料。例如’本發明一般可延伸至雙表面粗化發光農置或在 光電裝置上使用全部η型接觸器（？）。 表後，圖1說明製造一光電裝置之方法’包括僅對裝置 100製造η-型接觸點126、128及將裝置100的η型頂表面丨22 及—底部表面11 8進行粗化。該粗化可為任何增強光提取 130l51.doc -16· 200905928 之表面紋理’包括但不限於週期性或非週期性圖案化。 優點及改進 本發明之裝置優於當前現有設計在於其藉由裝置二個表 面上的粗面實現提取效率的最大化。粗化裝置的二個面可 將粗化單-輯得的效率提高_倍。另外，由㈣道接合 件接觸之P-型層，在其上之上表面只有少量金屬，故較之 現有的採用半透明接觸點或反射性不理想之鏡片之設計， 本發明可將吸收損失降到最低。 該隧道接合件的目的是在裝置上使用全部n—型電接觸 點。邊隧道接合件使得表面粗化得到更有效的利用。可以 且已經實現不使用n_型層對頂側進行粗化，但該型層由 於更具導電性，故減少了接觸面積。 本發明亦可用於製造LED之外的其他裝置；例如，可用 於製造各種光電裝置。 參考 下文之參考以引用的方式併入本文： 1. 2005年1月25日頒予Gardner等人標題為”半導體發光 裝置”之美國專利第6,847,057號。 2. 2005年4月12日頒予Mark R. Hueschen標題為”極化場 增強隧道結構’’之美國專利第6,878,975號。 結論 在此對本發明之較佳實施例之描述做出總結。前文對本 發明之一個或多個實施例之描述目的在於解析及說明。而 非將本發明限制於所述之確定形式。只要本質上不違背本 130151.doc 200905928 發明之精神’也可做出其他修改及變動。希望可瞭解，本 發明之範圍並不限於上述描述，而是由附屬之申請專利範 圍加以限定。 【圖式簡單說明】 圖1為具圖案化藍晶石基板（PSS)及表面粗化之氮面led 之示意圖。 圖2，包括圖2a及圖2b，為頂端具有用於該接觸點之隧 道接合件之氮面LED之外延晶膜結構之模擬帶圖及示意 圖，其中該隧道接合件由氮化鋁（A1N)薄層所形成。 【主要元件符號說明】 100 光電裝置 102 極化誘發之隨道接合件 104 GaN層 106 GaN層 108 AlGaN:Mg電子阻擋層 110 主動區域 112 GaN層（摻雜有Si) 114 N面G a N緩衝層 116 PSS(圖案化藍晶石基板） 118 粗化背面 120 圖案 122 粗面 124 臺面電晶體 126 η型接觸點 130151.doc • 18- 200905928 128 200 202 204 206 208 _ 210 212 c 214 216 204 2061 2081 2101 2121 204f O 206f 208f 210f 212f
n型接觸點 N 面 LED 隧道結 摻雜Si的GaN層 InGaN/GaN多量子阱主動區域 摻雜Mg的GaN層 A1N層 摻雜Si的GaN層 箭頭 介面 層204之最後生長面 層206之最後生長面 層208之最後生長面 層210之最後生長面 層212之最後生長面 層204最先生長面 層206最先生長面 層208最先生長面 層210最先生長面 層212最先生長面 130151.doc -19-
Claims (1)
- 200905928 十、申請專利範圍： 1. 一種光電裝置，包括： c 2 (a) 位於一n-型層上的一p_型層； (b) 對該p-型層的一第一 n_型接觸點； ⑷一個或多個中間層，係位於該第-η-型接觸點與 該Ρ-型層之間用以將裝置驅動電流在該ρ_型層與該第二 η-型接觸點之間進行傳輸；及 (d)對該η型層的一第二η_型接觸點。 如請求項1之光電褒置，其僅具有η-型接觸點而不具有ρ_ 型接觸點。 3. 如請求項1之光電裝置，其中： (1) 該光電裝置為一發光二極體（LED); (2) —粗化n型表面終止該[ED以增強光提取； (3) 藉由該第一 n_型接觸點及該第二心型接觸點供給 LED之動力。 4. 如请求項3之光電裝置，其中該LED具有一粗化背面。 (j 5， 如π求項3之光電裝置，其中該LED係在一經圖案化基板 上製造以提供嵌入式背面粗化。 6. 7. 如請求項3之光電裝置，其中該LED係以III族氮化物為 主，且該粗化η-型表面為經粗化氮面…面）。 如凊求項6之光電裝置，其中該LED由具有Ν面配向之外 延晶膜生長所組成。 8. 如請求項1之光電裝置，其中該中間層包括： (1)在該p-型層與該卜型接觸點之間的一極化誘發之隧 130151.doc 200905928 道接合件，其可使得該P-型層與 該η-型接觸點之間之高 效隧道傳輸； (2)在該極化誘發之隧道接合件與該η_型接觸點之間 的一個或多個導電層。 9. 如請求項8之光電裝置，其中該一個或多個η_型導電層為 η-型電流擴展層以補償由粗化所造成的最小電接觸。 10. 如請求項8之光電裝置’其中該極化誘發之隧道接合件 為氮化銘，且該η-型導電層及ρ型層為氮化鎵。11. 一種光電裝置，包括： 用以將一η-型接觸點電連接至一严型區域之—個或多 個中間層，其中該等中間層傳輸足夠的電荷以為該光電 裝置發光提供動力。 12.如清求項11之光電裝置’其中該等中間層在該n-型接觸 點與卜型區域之接合處產生—耗盡區域，且該耗盡區域 足夠小以確保該η·型接觸點與該ρ_型區域之間的隨 輸013. 14. 如凊求項11之光電裝置， 誘發之隧道接合件上的一 一種製造光電裝置之方法 其中該等中間層包括位於極化 η ~型層。 ，包括： (1)僅對裝置製造η_型接觸點；及 頂表面（其為η_型表面）及該裳置之 (2)粗化該裝置之一 一底部表面。 15. 氮面 130151.doc 200905928 16. —種以AiLnGaN為主之光電裝置，包括： (a) —粗化氮面（N面）表面；及 (b) 與該粗化氮面相對之亦經粗化之表面； (c) 其中該等表面經粗化以增強對裝置發出的光的提 取效率。130151.doc
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