TW201405867A - 在發光二極體表面粗糙化中利用特徵尺寸及形狀控制改善光擷取及其達成方法 - Google Patents
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Abstract
一發光裝置之光出射表面的結構特性經控制以便在粗糙化該表面時，增加彼表面的光擷取效率。包括對粗糙化製程具有不同耐久性之材料層之一發光表面展現比曝露於該相同粗糙化製程之一實質上均勻發光表面高之一光擷取效率。在一GaN型發光裝置中，與藉由僅包括GaN材料之一表面之習用蝕刻而形成的特徵相比，在光出射表面上或其附近之一AlGaN材料薄層於蝕刻之後形成更尖銳的特徵。
Description
本發明係關於半導體發光裝置(LED)之領域，且特定而言係關於一種用於增強自LED之表面之光擷取效率之方法。
發光裝置通常包括夾在一n型半導體層與一p型半導體層之間的一作用發光層，其中所產生之光發射穿過此等半導體層中之一者。然而，在光射到該半導體表面之光出射表面上時，由於光出射表面與空氣或光藉以發射穿過(「內部反射」)之其他媒體之間的折射率之差異，朝向作用層往回反射該光中之某些。所反射光之某些部分可隨後能夠自該光出射表面出射，但某些部分將被該發光裝置內之材料吸收。
為減少內部反射之光之量，藉此增加自該發光裝置擷取之光之量，有意地粗糙化該光出射表面。非平面化表面增加來自作用層之光(其係自作用層沿多個方向傳播)將射到經粗糙化表面之某些特徵上(此允許光自該表面離開)之可能性。
圖1A至1D圖解說明用於形成具有增加之光擷取效率之一發光裝置100之一習用製程。
圖1A圖解說明半導體裝置在一生長基板110上之形成。在生長基板110上生長一n型層120，後續接著一作用層130及一p型層140。提供接觸墊150用於對n型層及p型層之外部接觸；為了便於圖解說明，未展示提供此耦合之絕緣組件及內部組件。以相似方式，層120、130、140可包括多個材料層且亦可存在其他層或導通體。在一替代配置中，可在基板110上生長一p型層140，後續接著作用層130及n型層120。
由於接觸墊150通常不透明，因此自與接觸墊150相對之表面擷取自作用層130發射之光。若生長基板110透明，則其可保持原樣。否則，為了避免所發射光之吸收或為了添加額外散射至該結構，移除生長基板110以形成一薄膜裝置，且自n型層120發射該光。圖1B圖解說明在移除基板110之後一發光裝置100之一圖解說明之習用定向，其中接觸墊150在裝置100之「底部」上且光出射層120在裝置100之「頂部」上，在此項技術中通常已知為一「覆晶」實施例。
如上文所述，與內部反射及吸收之光之量(「光擷取效率」)相比，為了增加能夠自層120之光出射表面125離開之光之量，粗糙化發光表面125。若干個技術可用於粗糙化表面125，兩種常用技術係光電化學(PEC)濕式蝕刻及光化學(PC)濕式蝕刻。
如2005年4月由Bo Yang、Patrick Fay(電子工程研究生項目主任)提交至聖母大學(the University of Notre Dame)之研究所之一PhD學位論文「MICROMACHINING OF GaN USING PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING」中所闡述，來自一高密度源之光將在半導體-電解質界面附近或在半導體-電解質界面處之半導體層中被吸收。所產生之孔在價能帶之影響下偏移，從而朝向該界面彎曲。該等孔之位置表示斷開之晶體帶，且達成在無照明之情況下將不發生之蝕刻。該蝕刻之粗糙度因表面上之孔之不均勻分佈而引起，導致一不均勻的局部蝕刻率。
材料性質顯著地影響蝕刻結果。舉例而言，如章節2.3.5及其中之參考所闡述，地形特徵之密度與材料中之差排密度直接相關。與GaN相比，具較高缺陷潛勢之層(諸如AlGaN)將具有一較高特徵密度。作為一第二實例，藉由濾波高密度源之光譜，可修改不同能帶隙之兩種材料之相對蝕刻率。最後，藉由調整光強度及莫耳濃度，可影響不同缺陷密度之層之相對蝕刻率。
圖1C提供一發光裝置100之光出射表面125上之一粗糙化製程之結果之一概念性圖解說明，且圖1D提供已藉由PEC蝕刻而粗糙化之一習用LED之一實際表面之一影像。如所圖解說明，該粗糙化製程產生一相當隨機之三維拓撲，該拓撲取決於所蝕刻之材料層120之組成以及粗糙化製程之參數，諸如所使用之蝕刻劑之濃度及類型、蝕刻之溫度及持續時間、所施加之電偏壓等等。習用地，用待蝕刻之特定材料來測試不同組之蝕刻製程參數以判定為彼材料提供最佳光擷取效率之組。將所判定之最佳組隨後用於產生使用此材料之LED。
進一步增加發光裝置之光擷取效率係有利的。經由此項技術中常見之粗糙化製程來進一步增加光擷取效率亦係有利的。
為更好地解決此等關注中之一或多者，在本發明之一實施例中，在粗糙化一發光裝置之光出射表面時，控制該表面之結構特性以便增加彼表面之光擷取效率。已發現，包括對該粗糙化製程具有不同耐久性之材料層之一發光表面展現比曝露於該相同粗糙化製程之一實質上均勻發光表面高之一光擷取效率。在一GaN型發光裝置中，與藉由僅包括GaN材料之一表面之習用蝕刻而形成的特徵相比，在光出射表面上或其附近之一AlGaN材料薄層於蝕刻之後形成更多相異的特徵。
100‧‧‧發光裝置/裝置
110‧‧‧生長基板/基板
120‧‧‧n型層/層/光出射層/材料層/第二層/GaN層
125‧‧‧光出射表面/發光表面/表面
130‧‧‧作用層/層
140‧‧‧p型層/層
150‧‧‧接觸墊
200‧‧‧發光裝置/裝置
225‧‧‧拓撲結構之表面/經粗糙化表面
230‧‧‧「啟動器」層/啟動器層
240‧‧‧「模板」層/磊晶層/磊晶(AlGaN)/層/磊晶AlGaN層/AlxGa1-xN層/AlGaN層/
參考隨附圖式，進一步詳細地且藉由實例方式來解釋本發明，其中：圖1A至1D圖解說明用於形成具有增強光擷取效率之一經粗糙化表面之一發光裝置之一實例性習用製程。
圖2A至2D圖解說明用於形成具有進一步增強光擷取效率之一經粗糙化表面之一組成之一發光裝置之一實例性製程。
圖3圖解說明用於產生具有進一步增強光擷取效率之一經粗糙化表面之一組成之一發光裝置之一實例性流程圖。
貫穿該等圖式，相同元件符號指示類似或對應特徵或功能。出於圖解說明之目的包含該等圖式，且其並非意欲限制本發明之範疇。
在以下說明中，出於解釋而非限制之目的陳述諸如特定架構、界面、技術等特定細節，以便提供本發明之概念之一徹底理解。然而，熟習此項技術者將易知，可在背離此等特定細節之其他實施例中實踐本發明。以相似方式，本發明之本文係針對如圖中所圖解說明之實例性實施例，且並非意欲限制超出明確包含於申請專利範圍中之限制之所主張的發明。出於簡單及清晰之目的，省略眾所周知之裝置、電路及方法之詳細說明，以免用不必要的細節模糊本發明的說明。
為了便於圖解說明及理解，在包括GaN半導體層之一發光裝置之上下文中呈現本發明，但鑒於本發明熟習此項技術者將清楚地認識到，本發明之原理不限於GaN半導體之使用。以相似方式，在一覆晶發光裝置之上下文中呈現本發明，且熟習此項技術者將清楚認識到，本發明之原理不取決於覆晶，且未必取決於作為光源之半導體發光體之使用，但本發明尤其適合於形成具有高的光擷取效率之半導體發光裝置。即，依賴於藉由粗糙化一光出射表面來改良光擷取效率之任何應用可透過使用本文中所呈現之原理而受益，受益之程度取決於由光
源發射之光之本質，諸如波長、準直度及光出射表面之組成。
圖2A至2D圖解說明用於形成具有一經粗糙化磊晶表面之一組成之一發光裝置200之一實例性製程，該發光裝置與圖1A至1D之習用發光裝置100之光擷取效率相比進一步增強光擷取效率。
在本發明之實施例中，經粗糙化之表面包含具有對粗糙化製程不同地反應之材料特性之一材料混合。舉例而言，該等特性可包含材料組成(化學計量法)、晶體缺陷密度、晶體缺陷之類型、載體濃度、磊晶應力等等。可藉由控制沈積條件使此等特性變化。舉例而言，如G.B.Stringfellow在「Organometallic Vapor-Phase Epitaxy，Second Edition：Theory and Practice」中所闡述，缺陷密度隨著生長溫度降低至低於最佳而增加。層性質對所得拓撲之之影響將通常取決於蝕刻或其他粗糙化製程之參數。
在實例性發光裝置200中，一磊晶「模板」層240提供其上生長有發光堆疊(n型層120、作用層130及p型層140)之表面。添加磊晶層240以便提供與n型層120之特性不同之蝕刻特性，如下文進一步詳細闡述。取決於用以形成/生長裝置200之特定技術，可在基板110上生長有時稱為生長起始層之一薄「啟動器(starter)」層230，以提供用於在基板110上起始磊晶生長之一適當晶種膜。
如圖2B中所圖解說明，在移除基板110之後，裝置200經受可包含一習用之基於KOH之PEC蝕刻之一粗糙化製程。如同一發光表面之習用蝕刻，用以達成最佳粗糙化之蝕刻配方之判定通常要求測試多個組之蝕刻製程參數。該等最佳蝕刻參數將取決於所發射光之特定波長及用以形成磊晶層240及n型層120之特定材料。在實例性裝置200中，蝕刻製程參數使得蝕刻延伸穿過磊晶層240之部分且進入至n型層120中，如圖2C中所圖解說明。
在一GaN發光裝置之實例中，磊晶層240包含AlxGa1-xN之一薄
層，其中x係該層中之Al相對於Ga之量之之小數。由於磊晶層(AlGaN)240與n型層(GaN)120之不同組成，蝕刻製程將對此等層240、120具有不同影響。
返回至圖1C及1D之實例，一GaN表面之習用蝕刻在大部分特徵上產生具有相對平坦之峰之一拓撲。即，隨著蝕刻向下延伸而在「山丘」之間形成「山谷」，亦藉由該蝕刻而磨損此等山丘之邊緣及頂部。
相反地，由於結構中之Al之存在，AlGaN之蝕刻將通常產生具有較尖銳邊緣之一拓撲。另外，一旦該蝕刻延伸至較不耐久之GaN層中，則蝕刻GaN層所需要之時間可不夠長以磨損AlGaN峰之邊緣及頂部。出於本發明之目的，若一第一拓撲之特徵展現比一第二拓撲中之特徵多的點或邊緣，或在輪廓中展現比該第二拓撲中之特徵少的彎曲表面，則該第一拓撲比該第二拓撲「尖銳」。另外，可藉由控制磊晶AlGaN層240之組成及生長條件來調變粗糙特徵之尺寸及相互分離。
圖2C提供蝕刻一個兩層結構之結果之一概念性圖解說明，其中所蝕刻之第一層240比第二層120對該蝕刻製程更耐久。若已使用選用之啟動器層230，則可使用一濕式蝕刻製程或另一適合製程(諸如乾式蝕刻)來將其移除。更一般而言，可使用一乾式蝕刻步驟以將PEC蝕刻之開始點放置在最有利之位置處。可使用一定時或端點乾式蝕刻(使用行業標準乾式蝕刻設備)來精確地形成PEC蝕刻之開始點。針對在將AlN用作啟動器層230時形成AlN/AlGaN/GaN層堆疊之一實例，可使用一含氯之電漿(乾式)蝕刻化學品(諸如Cl2、BCl3或其一混合物)來實現此目的。可將惰性氣體(諸如氬或氦)添加至該電漿化學品以精確地控制該蝕刻製程，且改良諸如蝕刻率、選擇性及均勻性之蝕刻製程效能度量。用於控制該乾式蝕刻製程之額外製程參數包含：組成氣體之壓力、流率及流比，至乾式蝕刻室中之一或多個微波或射頻功率
輸入，晶圓或封裝溫度及室之硬體組件(諸如陶瓷或導電屏蔽及均勻性-改良環)。
如所圖解說明，裝置200之圖2C(及實例性圖2D)之拓撲結構之表面225之上部尖端在蝕刻之後於磊晶層240中展現比圖1C(及實例性圖1D)中之裝置100之拓撲之上部尖端明顯地「尖銳」之一經粗糙化幾何體。亦如圖1C中所圖解說明，形成於磊晶層240處之特徵的拓撲實質上比形成於N型層120中之特徵的拓撲尖銳。即，在輪廓上，形成於磊晶層240中之特徵(山丘)之上部尖端的形狀實質上不如形成於N型層120中之特徵(山谷)的形狀彎曲。此等粗糙特徵之尺寸在擷取效率方面起顯著作用，此乃因擷取效率針對一給定特徵幾何及大小隨著所發射光之波長而變化。磊晶層240之添加允許特徵尺寸調諧，以使粗糙表面在一廣泛波長範圍上對高的光擷取效率係最佳的。
經粗糙化表面225中之錐角及特徵尺寸將取決於AlxGa1-xN層240中之Al的分數比以及磊晶層240中的材料品質。介於0.3與0.8之間(及在某些實施例中，介於0.5與0.7之間)之Al之一分數比(x)將有效地用於提供較尖銳及較密集地堆積之特徵及相應地增加光擷取效率。
AlGaN層240之折射率低於GaN層120之折射率；為避免內部反射，AlGaN之厚度可小於50nm。或者可在PEC蝕刻之前使用乾式蝕刻步驟來移除AlGaN層240之幾乎50nm或更少。
圖2D圖解說明在一裝置之表面之一KOH-PEC蝕刻之後的一實際表面之一影像，該裝置之表面包括在一習用GaN n型層上方之一Al0.6Ga0.4N磊晶層。在與圖1D之影像對比時，顯而易見，該等特徵/山丘中之每一者之峰更尖銳且更明顯。與圖1D中所圖解說明之習用GaN粗糙度相比，磊晶層(AlGaN)中之Al之存在使粗糙特徵之錐角更尖銳，降低了該粗糙表面之平坦度。此粗糙特徵之尖銳化更高效地耦合自LED晶片離開之光，從而提供光擷取效率之一增加。
圖3圖解說明用於產生具有提供增加之光擷取效率之一經粗糙化表面之一發光裝置之一實例性流程圖。在此實例中，雖然假設發光裝置之半導體材料係GaN，但熟習此項技術者將認識到，本文中所呈現之原理將適用於多種材料。
在310處，視情況，可在一生長基板上形成GaN或AlGaN或AlN之一薄啟動器層。舉例而言，若Si係生長基板，則將形成一AlN層以隔離該基板且控制應變。
在320處，較佳地以小於500nm之一厚度形成AlGaN層。
在330至350處，使用習用技術形成該發光裝置。在330處，形成N型GaN層；在340處，形成作用層；且在340處，形成P型GaN層。
在360處，在裝置製作製程期間(在此項技術中通常稱為「晶圓製造廠」)形成接觸墊，以促進外部耦合至N型層及P型層。可使用絕緣導通體以穿過該作用層及該P型層耦合該N型層，以使得兩個接觸墊在與該發光表面相對之該裝置之相同表面上，在此實例中，該相同表面將係AlGaN層之表面。在一「覆晶」組態中，此等接觸墊促進將該裝置安裝在一印刷電路板上或照明器具上。
在370處移除生長基板，且在380處粗糙化所曝露表面。該粗糙化可由PEC蝕刻之一單步驟製程組成，且可移除選用啟動器層，且延伸穿過AlGaN層並進入至N型GaN層中。另一選擇係，可使用組合乾式蝕刻與濕式蝕刻製程之一多步驟製程來移除停止於該結構中之其中第二蝕刻步驟(PEC蝕刻)將提供最相異特徵之層上的非所要層，諸如初始AlN。
在390處，可進一步處理該裝置，舉例而言包含在經粗糙化表面上形成一波長轉換(磷光體)層，及/或用一透明材料(諸如一玻璃或或環氧樹脂圓頂)來囊封該發光裝置。
儘管已在圖式及前述說明中圖解說明及詳細闡述本發明，但此
圖解說明及說明應認為係說明性或例示性而非限制性；本發明不限於所揭示之實施例。舉例而言，可能在此項技術中已知為「垂直薄膜」LED之一實施例中操作本發明，其中在經粗糙化側上做出對LED裝置之n接觸。可在製程流程中之粗糙化步驟之前或之後產生該n接觸。
另外，由於增加之光擷取效率係藉由使用對粗糙化製程具有不同耐久性之層所致的不同粗糙化拓撲之結果，因此本發明之原理不限於不同耐久性之僅兩個層之使用，其亦不限於該等不同層之一特定配置。
根據對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之研究，熟習此項技術者在實踐所主張發明時可理解及達成對所揭示實施例之其他變化。在申請專利範圍中，措辭「包括」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一(a或an)」並不排除複數個。申請專利範圍中之任何元件符號皆不應闡釋為限制該範疇。
120‧‧‧第二層/N型層/GaN層
130‧‧‧作用層
140‧‧‧p型層
150‧‧‧接觸墊
200‧‧‧裝置
225‧‧‧拓撲結構之表面/經粗糙化表面
240‧‧‧磊晶層/AlxGa1-xN層/AlGaN層
Claims (27)
- 一種方法，其包括：形成包含一光擷取表面之一結構，該光擷取表面包含具有第一材料特性之一第一層及具有第二材料特性之一第二層，及粗糙化該光擷取表面以便形成延伸至該第一層及該第二層中之特徵；其中該第一材料特性及該第二材料特性對該光擷取表面之該粗糙化實質上不同地反應。
- 如請求項1之方法，其中該第一層包含AlGaN且該第二層包含GaN。
- 如請求項2之方法，其中該第一層包含AlxGa1-xN，其中x介於0.3與0.8之間。
- 如請求項2之方法，其中該第一層包含AlxGa1-xN，其中x介於0.5與0.7之間。
- 如請求項1之方法，其中該第一層小於50nm厚。
- 如請求項1之方法，其中該第一材料特性及該第二材料特性包含材料組成、晶體缺陷密度、晶體缺陷之類型、載體濃度及磊晶應力中之至少一者。
- 如請求項1之方法，其中該粗糙化包含光化學蝕刻。
- 如請求項7之方法，其包含：濾波用於該光化學蝕刻之一燈之一光譜以相對於該第一材料之一蝕刻率增加該第二材料之一蝕刻率，以增加銳度。
- 如請求項1之方法，其中該粗糙化包含一乾式蝕刻緊接著一光化學蝕刻。
- 如請求項1之方法，其中該第一層比該第二層對該粗糙化更耐 久。
- 如請求項1之方法，其中該第二層比該第一層對該粗糙化更耐久。
- 如請求項1之方法，其中形成該光擷取表面包含具有第三材料特性之一第三層，該粗糙化形成延伸至該第三層中之特徵，且該第三材料特性與該第一材料特性及該第二材料特性相比對該光擷取表面之該粗糙化實質上不同地反應。
- 如請求項1之方法，其中該結構形成於一生長基板上，且該方法包含：在粗糙化該光擷取表面之前移除該生長基板。
- 一種發光裝置，其包括：一發光結構，其包含一光擷取表面，其中：該光擷取表面包含具有第一材料特性之一第一層及具有第二材料特性之一第二層，且該光擷取表面經粗糙化以便形成延伸至該第一層及該第二層中之特徵之一拓撲；及在該第一層處之該等特徵之該拓撲實質上不同於在該第二層處之該等特徵之該拓撲。
- 如請求項14之裝置，其中該第一層包含AlGaN且該第二層包含GaN。
- 如請求項15之裝置，其中該第一層包含AlxGa1-xN，其中x介於0.3與0.8之間。
- 如請求項15之裝置，其中該第一層包含AlxGa1-xN，其中x介於0.5與0.7之間。
- 如請求項14之裝置，其中該第一層小於50nm厚。
- 如請求項14之裝置，其中該第一材料特性及該第二材料特性包含材料組成、晶體缺陷密度、晶體缺陷之類型、載體濃度及磊 晶應力中之至少一者。
- 如請求項14之裝置，其中該等特徵之該拓撲係一光化學蝕刻之特性。
- 如請求項14之裝置，其中該第一層比該第二層耐久。
- 如請求項14之裝置，其中該發光結構包含一N型層、一作用層及一p型層，且該N型層包含該第二層。
- 如請求項14之裝置，其中在該第一層處之該等特徵之該拓撲比在該第二層處之該等特徵之該拓撲尖銳。
- 如請求項14之裝置，其中在該第一層處之該等特徵之該拓撲包含複數個尖頭狀結構。
- 如請求項24之裝置，其中在該第二層處之該等特徵之該拓撲包含複數個彎曲表面。
- 如請求項14之裝置，其中在該第一層處之該等特徵之該拓撲之一輪廓包含比在該第二層處之該等特徵之該拓撲之一輪廓之斜坡實質上更線性之一斜坡。
- 如請求項14之裝置，其中該光擷取表面包含具有第三材料特性之一第三層，且該光擷取表面經粗糙化以便形成延伸至該第一層、該第二層及該第三層中之特徵之一拓撲，且在該第三層處之該等特徵之該拓撲實質上不同於該第一層及該第二層處之該等特徵之該拓撲。
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