TW200931690A - Light output enhanced gallium nitride based thin light emitting diode - Google Patents
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200931690 九、發明說明： 【發明所屬之技術頜威】 本發明係關於增強發光裝置之光提取及内部量子兩者的 效率。 本申請案主張由 Junichi Sonoda、Shuji Nakamura、Kenji * Iso、Steven P DenBaars及 Makoto Saito在 2007年 11 月 30 日 > 申請之標題為「光輸出提高之氣化鎵基之薄發光二極 體」、代理槽案號30794.250-US-Pl(2008-197-l)的共同待 〇 決且共同受讓之美國臨時專利申請案第60/991，625號之 3 5 U.S.C部分119(e)下之權益，該美國臨時專利申請案以 引用的方式倂入本文中。 本申請案係關於以下共同待決且共同受讓之美國專利申 請案： 由 P. Morgan Pattison、Rajat Sharma、Steven P DenBaars及Shuji Nakamura在2006年8月25日申請之標題為 「半導體微空腔發光二極體」、代理檔案號30794.146- ❹ US-Ul(2006-017-2)之美國實用型申請案第11/510，240 號，該申請案主張由 P. Morgan Pattison、Rajat Sharma、 • Steven P. DenBaars及 Shuji Nakamura在 2005 年 8 月 26 曰申 . 請之標題為「半導體微空腔發光二極體」、代理檔案號 30794.146 -US-P1(2006-017_1)之美國臨時申請案第 60/711，940號之U.S.C部分119(e)下之權益； 該等申請案以引用的方式倂入本文中。 【先前技術】 136544.doc 200931690 獲得較高效率之光輸出需要一較低位錯晶體。氮化鎵 (GaN)獨立式基板（FSS)之開發已提供低位錯晶體及高内部 量子效率（IQE)裝置。圖la及lb顯示一習用GaN發光二極體 (LED)，其生長於一 GaN FSS 102(例如一 η-GaN基板）上， 其中圖lb係一沿圖la中LED之線A-A'之LED剖視圖。 該LED在基板102上包括一 η-GaN層104、活性層106及p-GaN層108。該LED(連同基板102—起）具有一介於300微米 (μηι)與400 μηι之間的厚度110(包含基板102)、介於300 μιη 與400 μηι之間的長度112及介於300 μιη與400 μπι之間的寬 度。然而，光提取效率（LEE)在光透過GaN晶體時由於自 由载流子吸收而降低。對於具有一 lxl 018 cm_3之電子濃度 (A^)之η型GaN而言，吸收係數大約為β = 3 cnT1。光強度在 光每次穿過350微米厚GaN體102時降低10%。該裝置亦具 有一銦-錫-氧化物（ITO)層116、結合墊11 8及η-電極120。 圖2係一圖解闡釋一發光二極體之示意圖，該發光二極 體具有一 GaN基板200、基板200上之活性層202及基板200 上之鏡204。圖2顯示一關於一 GaN基板200中自由載流子 吸收光之簡單模型，其中由活性層202發射之一光射線206 由一鏡204(具有R=1 00%之反射率）反射而形成一反射射線 208，當該反射射線照射於表面210上時，其強度降低至 80%(即，強度之20%係因自由載流子吸收而損失）。 具體而言，表面210處之強度經計算而得出： 1 = 1 em =1 e_3x007 = 0.8/ ο ο ο 136544.doc 200931690 其中係活性層202之位置212處發射光之強度，；c係在活 性層202發射之後該光以射線206及射線208傳播之距離（約 為該裝置厚度214之兩倍，其中該裝置具有一 350 μπι之厚 度，從而χ~0·035 cmx2〜0.7 cm)，且對於具有iVrf=l><1018 cm·3之GaN而言，吸收係數係α = 3 cm·1。因此，採用一使 用一 GaN FSS之裝置比採用一不使用一FSS之商用裝置僅 存在一點優勢。 另一方面，採用一粗糙化或結構化表面來產生一高lee 值。圖3a及3b顯示一薄膜LED 300，其具有一活性層302、 鏡304、約為5 μηι之厚度306及約為350 μιη之長度308。由 活性層302發射之光310在該LED之一第一表面312處受到 全内反射（且在該LED具有鏡3〇4之一第二表面314處受到反 射）’但於圖3b中，表面312之表面粗糙化316提高已由活 性區域302發射之光3 10之提取31 8(圖3b係表面312經表面 粗糙化316之後的圖3a之LED 300)。自GaN(折射率n=2.5) 至樹脂（折射率n= 1.4)之一逸出錐之臨界角約為34度。圖3a 及圖3b顯示使用表面粗糙化316來改良一薄膜LED 300之 LEE。此類型之led生長於一藍寶石基板上，其中藉由一 鍾射舉離技術來執行一基板舉離。位錯密度仍係高的而内 部效率卻係低的。 本發明之目的係提高光提取及量子兩者之效率。 【發明内容】 本發明闡述一種GaN基LED，其中一低位錯晶體係藉由 金屬有機化學蒸氣沈積（MOCVD)而生長於一 GaN FSS上， 136544.doc 200931690 其中該裝置製造得較薄以防止内部光吸收。為更多地提高 光輸出，該LED之一表面經粗糙化而成為一六邊形錐或其 他形狀之結構且該LED之另一表面附著至充當一鏡之一銀 或含銀合金。此結構既提供一高LEE又提供一高IQE。本 發明係一通往高效率發光裝置之途徑。 因此，為克服上述現有技術中之限制且為克服其他在閱 • 讀及理解本發明說明時將係顯而易見之限制，本發明闡述 ❹ 一種ΙΠ·氮化物基發光裝置，其包括：一用於發光之活性 區域；—或多個厚度之III-氮化物，其位於該發光裝置之 活性區域與一或多個光提取或反射表面之間，使得：與該 活性區域處光之強度相比，該等提取表面處光之一強度衰 減不超過5%，其中該衰減係由於該ΙΠ_氮化物對光之吸收 所致。 該III-氮化物可包括一 ρ型層與一 η型層之間的活性區 域’該等光提取表面可係該III-氮化物之一第一表面及該 Q 111_氮化物之一第二表面，該活性區域可包括一具有一生 長方向之磊晶生長，且該等厚度可使得：（”一在該第一表 面與該第一表面之間沿該生長方向之第一距離小於⑽微 - 米，且（2)由該活性區域沿一平行於該生長方向之方向發射 . ^在該ΙΠ·氮化物内傳播—至多為該第-距離兩倍之第 二距離。 通常，該第一表面經粗糙化或紋理化，且該第二表面係 一沈積於該Ρ型層且被結合至一永久性基板之一金屬鏡之 表面。於此情形中，該第一距離可小於2〇微米。此外，該 136544.doc -9- 200931690 η型層通常係在一基板上，且該第一表面係該基板之一表 面0 本發明進一步揭示一種用於藉由減少一 ΙΠ_氮化物發光 裝置對光之再吸收來增加該裝置之内部量子效率（〗qe)之 方法，其包括：提供一用於發射光之活性區域；及在該發 光裝置之該活性區域與一或多個光提取或反射表面之間提 供一或多個厚度之III-氮化物，其中該等厚度使得：與該 ❹ 難區域處光之強度相比，該等提取層處光之一強度衰減 不超過5〇/〇，其中該衰減係由於該ΙΠ_氮化物對光之吸收所 致。 最後，本發明揭示一種用於以增加之内部量子效率自一 發光裝置發射光之方法，其包括：自該裝置之一活性區域 發射光，其中一或多個厚度2ΠΙ_氮化物（其位於該發光裝 置之該活性區域與一或多個光提取或反射表面之間）使 得：與該活性區域處光之強度相比，該等提取層處光之一 Q 強度衰減不超過5%，其中該衰減係由於該III-氮化物對光 之吸收所致。 【實施方式】 • 於下文之較佳實施例說明中，將參照形成本發明一部分 . 之附圖，且該等附圖中以圖解闡釋之方式顯示一其中可實 踐本發明之具體實施例。應理解，可利用其它實施例且可 不背離本發明範疇之情形下做結構性改變。 技術說明 為既保持高IQE又保持高LEE，本發明使用一製造得較 136544.doc 200931690 薄之GaN FSS。圖4a-4de圖解闌釋一用於製造一根據本發 明較佳實施例之裝置之程序》 圖4a表示MOCVD生長之步驟，其包括選擇一具有一所 需晶面（例如，非極性、半極性或極性面）之GaN基板400及 使一GaN LED結構在基板400上生長。GaN基板400可係一 暫時性基板（諸如一 GaN FSS)。基本生長層至少包括n-GaN 402、作為一活性層404之一 InGaN多量子井（MQW)及一 p-GaN 406。然而，亦可插入AlGaN或/及某一超晶格結構以 進一步研究IQE。 圖4b圖解闡釋藉由電子束（EB)(或任一類似技術）來沈積 一二氧化矽（Si02)層408(於p-GaN 406上）以在反應性離子 蝕刻（RIE)期間防止金屬濺鍍。該Si02膜厚度410約為100 nm。若不使用RIE，則不需要Si〇2膜408。 圖4c圖解闡釋圖案化Si02 408以在Si〇2膜408中開啓窗口 412之步驟。 圖4d圖解闡釋鏡電極形成之步驟。於在si〇2膜408中開 啓窗口 412之後，銀膜414藉由EB而沈積於p-GaN 406上以 製成一鏡且與p-GaN 406形成歐姆接觸。為改良結合品 質，可藉助Ni、Ti W、Pt、Pd或Au來沈積銀414。 圖4e圖解闡釋（例如，在30〇°C下）晶圓結合之步驟。此步 驟包括製備一用以支撐薄LED 418(包括η-GaN 4〇2、活性 層 404、p-GaN 406、Si02 408、窗口 412 及銀 414)之基板 (作為一永久性基板420)。本發明選擇一 Sl晶圓作為支撐基 板/永久性基板420 »在永久性基板420之表面424中之一者 136544.doc -11 - 200931690 上沈積Au-30 wt % Sn合金422以將Si晶圓軟焊結合至LED 418。GaN LED晶圓418係上下倒置定位且LED 418之銀面 426附著至永久性基板420上之Au-30 wt % Sn合金422。施 加力且使溫度上升至300°C以結合Si晶圓420及GaN晶圓418 兩者。 然後使用一研磨及抛光步驟（未顯示）來使GaN LED 418 之至少一部分變薄。LED 41 8之厚度428必須至多為100微 米，但合意之情形係厚度428應小於20微米。對於一小於 20微米之厚度428而言，吸收之影響幾乎被消除。圖5顯示 一吸收係數a = 3 cnT1之GaN晶體中之光衰減。 然後採用一粗糙化表面430來減少GaN LED中之多重反 射以增加光提取。 在表面粗糙化步驟之後，使用一 EB蒸發器及爐退火器 (未顯示）形成一 Ti/Al/Au電極以與η型GaN 404形成歐姆接 觸。然後，為分離每一 LED晶片，使用RIE在該等晶片之 間開啓鋸道並使用一切割鋸機來切斷。 圖6係一根據本發明較佳實施例之一發光裝置之剖視 圖。該裝置包括n-GaN(基板之一部分）600、η-GaN層（蟲晶 生長層）602、活性層604、p-GaN層606、鏡電極（銀合 金）608、Si02 610、軟銲層（Au-Sn)612、永久性基板 (矽）614、背側電極616(例如，A卜Au、Pt、Ni、Ti或其合 金，該合金可與該永久性基板形成歐姆接觸）及電極61 8(例 如，Ti/Al或其金屬）。該裝置具有一大約20微米之厚度620 及η-GaN基板600之一粗糙化表面622。由活性層604發射之 136544.doc 12 200931690 光624在粗糙化表面622處被提取626及由鏡608(或鏡表面 630)反射 628。 ❹
因而，圖5及6圖解闡釋一 III-氮化物基發光裝置之一實 例，該裝置包括：一用於發光624之活性區域604 ;及一或 多個厚度632，634之III-氮化物，其位於該發光裝置之活 性區域604與一或多個光提取表面622或反射表面630之 間，其中厚度632、634使得：與活性區域604處光之強度 相比’提取表面622處光之一強度衰減不超過5%，其中該 衰減係由於該III-氮化物對光之吸收所致。 例如’該III-氮化物可包括一 p型層606與一 η型層602之 間的活性區域604 ’該等光提取表面可係該ΠΙ_氮化物之一 第一表面622及該III-氮化物之一第二表面63〇，活性區域 604可包括一具有一生長方向636之磊晶生長，且厚度 632、634可使得：一平行於生長方向636且在第一表面622 與第二表面630之間的第一距離620小於1〇〇微米，且由該 活性區域沿一平行於生長方向636之方向發射之光在該ΠΙ_ 氮化物内傳播一至多為第一距離620兩倍之第二距離。第 二表面630可係沈積於ρ型層606上且被結合至一永久性基 板614之一金屬鏡608(例如，對於該光具有至少7〇%之反射 率）之一表面。第一表面622可係一基板6〇〇之—表面。 可能之修改及變動 可將先結合隨後研磨之程序步驟之次序改變至先研磨隨 後結合，其中選擇一至少大約100微米之厚度。 可能的結合方法（例如）不僅有共晶级人 日、σ合，亦有陽極結 136544.doc •13- 200931690 合、膠結合或直接結合。 儘管本發明將一 InGaN MQW層論述為一活性區域，但 亦可使用其他與ΙΠ_氮化物一致的活性區域材料或相 關化合物半導體LED。該LED可包括由ill-氮化物材料製成 的η型及p型層以及與ΠΙ_氮化物製造一致的額外裝置層， 其中ΠΙ-氮化物亦稱為族m氮化物或僅稱為氮化物或卜
Ga In、B)N或 Al(1.x-y)InyGaxN，其中 〇£χ$ι 且 。 ❹ 本發明可使用除si晶圓以外之永久性基板及除Au/Sn# 外之軟銲金屬。可使該GaN基板之整個表面或僅一部分變 薄例如，除銀或銀合金以外之其他反射性金屬可用作該 鏡。 本發明不限於III-氮化物發光裝置，而可被應用於將得 益於厚度減小以減少基板之吸收之發光裝置。 關於一裝置之厚度，較薄的係較佳的，此可減少該等 led中之吸收損失。然而，由於所使用之處理程序該 〇 GaN基板通常不應薄於約50_100微米。若該GaN基板薄於 此值，則在處理期間其可容易破裂。然而，在將該薄基板 結合至另一材料基板上之後，可使用任一厚度（例如，小 - 於20微米）。 . 關於吸收損失，且更具體而言，關於自由載流子吸收， 由該GaN基板所致的大吸收損失之來源目前尚不清楚。例 如，當將一藍色LED製造於一 GaN基板上時，該藍色led 之發射波長係450 nm，其對於該GaN基板而言應係透明 的，此乃因GaN具有一 3.4 eV(360 nm)之帶隙能量。若該 136544.doc -14· 200931690 發射波長短於3 60 nm，則觀察到一大吸收損失。然而，即 使對於藍色發射而言’亦存在一由該GaN基板所致的相對 大之吸收。 優勢及改良 與現有方法及裝置相比，本發明中之光輸出應係提高 的，此乃因使用低位錯GaN FSS及一變薄程序既保持高 • IQE又保持高LEE。 結論 現對本發明較佳實施例之說明加以總結。出於圖解闡釋 及闡述之目的，已呈現上述對本發明一或多個實施例之說 月其並非意欲作為窮盡性說明或將本發明限制於所揭示 之精確形式。依據上述教示，可做許多修改及改動。本文 並非意欲使本發明範疇受此詳細說明限制而僅受此說明後 附隨的申請專利範圍限制。 【圖式簡單說明】 〇 現在參照圖式，在所有圖式中相似之參考編號皆表示相 應之部件： 圖la係一使用一（}^基板之一 GaN LED之示意圖且圖ib • 係一沿圖1a中所示LED之線Α·Α，之剖視圖。 • 圖2係一關於一 GaN基板中自由載流子吸收光之簡單模 型，其中當由一鏡反射之一射線照射於該表面上時，其強 度降低至80%(強度之2〇%係因自由載流子吸收而損失）。 圖3a及3b係顯示使用表面粗糙化來改良一薄膜led之 lee之示意圖，其中此類型之LED生長於一藍寶石基板 136544.doc -15- 200931690 上，使用一鐳射舉離技術來舉離該基板，該位錯密度仍係 高的而内部效率卻係低的。 圖4圖解闡釋一種用於製造本發明裝置之方法。 圖5係一繪製光衰減（任意單位a.u.)隨光傳播透過GaN之 距離變化之曲線圖，其中1.00表示無衰減而0.95表示5%之 衰減。 圖6係本發明一裝置實施例之一剖視圖。 【主要元件符號說明】
102 GaN FSS/基板 104 η-GaN 層 106 活性層 108 p-GaN 層 116 銦-錫-氧化物（ITO)層 118 結合墊 120 η-電極 300 薄膜LED 302 活性層/活性區域 312 第一表面 314 第二表面 400 GaN基板 402 n-GaN 404 活性層 406 p-GaN 408 二氧化矽（Si02)層 136544.doc •16· 200931690
412 414 418 420 422 424 426 600 602 604 606 608 610 612 614 616 618 622 630 窗口 銀膜 GaN晶圓 Si晶圓
Au-30 wt % Sn合金 永久性基板之表面 銀面 n-GaN η-GaN層（蟲晶生長層） 活性層 p-GaN 層 鏡電極（銀合金）
Si02 軟銲層（Au-Sn) 永久性基板（矽） 背側電極 電極 III-氮化物之第一表面（粗糙化表面） III-氮化物之第二表面 I36544.doc
Claims (1)
- 200931690 十、申請專利範園： 1. 一種III-氮化物基發光裝置，其包括： 一用於發射光之活性區域； -或多個厚度之m·氮化物’其位於該發光裝置之該 活性區域與一或多個光提取或反射表面之間，使得：與 • 該活性區域處該光之強度相比’該等提取表面處該光之 - 一強度衰減不超過5%，其中衰減係由於該m-氮化物對 光之吸收所致。 ® 2.如請求項1之裝置，其中： 該III-氮化物在-P型層與—n型層之間包括該活性區 域， 該等光提取表面係該m-氮化物之—第一表自及該ΙΠ_ 氮化物之一第二表面， 該活性區域包括一具有一生長方向之蟲晶生長且 該等厚度使得： 〇 ⑴―在該第—表面與該第二表面之間沿該生長方向 之第一距離小於100微米，且 ⑺由該活性區域沿—平行於該生長方向之方向發射 • 之該光在該ΠΙ-氣化物内傳播-至多為該第一距離兩倍 之弟二距離。 3.如請求項2之裝置，其中兮筮一主 '甲孩第一表面經粗梭化或紋理 化0 上之；、項3之裝置’其中該第二表面係一沈積於該ρ型層 上之一金屬之表面’且該金屬對於該光具有至少7〇%之 136544.doc 200931690 反射率。 項4之裝置’其中該金屬係銀或-銀基合金。 如唄求項4之裝置’其中該裝置之該第二表面被結合至 一永久性基板。 如清求項6之裝置，其中該第-距離小於20微米。 8. 如請求項6之裝置’其中該η型層係在一基板上，該第一 Ο 係該基板之一表面，且該η型層、活性區域及ρ型層 包括一III-氮化物材料。 9. 種用於藉由減少一 ΠΙ-氮化物發光裝置對光之再吸收 來增加該裝置之内部量子效率（IQE)之方法，其包括： 提供一用於發射該光之活性區域；及 在該發光裝置之該活性區域與一或多個光提取或反射 表面之間提供一或多個厚度之III-氮化物，使得：與該 活性區域處該光之強度相比，該等提取表面處該光之一 強度衰減不超過5%，其中衰減係由於該ΙΠ_氮化物對該 光之吸收所致。 10. —種用於以一增加之内部量子效率自一發光裝置發射光 之方法，其包括： 自該裝置之一活性區域發射光，其中該發光裝置之該 活性區域與一或多個光提取或反射表面之間的一或多個 厚度之III-氮化物使得：與該活性區域處該光之強度相 比’該等提取表面處該光之一強度衰減不超過5%，其中 衰減係由於該III-氮化物對該光之吸收所致。 11- 一種III-氮化物基發光裝置，其包括： 136544.doc • 2 - 200931690 一用於提取光之第一表面及一 至該第一表面之第二表面，其中 由一小於1 00微米之厚度分離開。 用於提取光或將光改向 該第一表面及第二表面136544.doc
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