TWI714146B - 具有光提取強化之利用內部色彩轉換之發光二極體 - Google Patents

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伊賽克 哈西曼 威德生
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Abstract

本發明揭示一種發光二極體(LED)裝置，其可包含形成於一透明基板上之一n型層。一光致發光(PL)量子井(QW)可形成於該n型層中且一電致發光(EL) QW可形成於該n型層上。該PL QW及該EL QW可藉由該n型層之一部分彼此分離。一p型層可形成於該EL QW上。可形成溝槽使之延伸至該n型層中，該等溝槽界定一發射區域。一鈍化材料可形成於該等溝槽之側壁上且n型接觸件可形成於其中。一p型接觸件可形成於該p型層之一上表面上。一二向色鏡可至少形成於該透明基板之一下表面上。

Description

具有光提取強化之利用內部色彩轉換之發光二極體
本申請案係關於發光二極體(LED)，且更特定言之係關於LED裝置。
半導體發光裝置(包含發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射)係當前可用之最有效率的光源之一。在製造能夠跨可見光譜操作之高亮度發光裝置時所關注之當前材料系統包含III-V族半導體，尤其是鎵、鋁、銦與氮之二元合金、三元合金及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。
通常言之，藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術，憑藉在一藍寶石、碳化矽、III族氮化物或其他適合基板上磊晶生長具不同組合物及摻雜劑濃度之半導體層之一堆疊而製造III族氮化物發光裝置。堆疊通常包含形成於基板上方之使用(例如)矽摻雜之一或多個n型層、在形成於(若干) n型層上方之一主動區域(例如，一p-n二極體)中之一或多個發光層，及形成於主動區域上方之使用(例如)鎂摻雜之一或多個p型層。電接觸件經形成於n型區域及p型區域上。
一個類別之藍色及綠色LED使用定位於n型層與p型層之間之GaInN/GaN應變量子井或GaInN/GaInN應變量子井以藉由自此等層射出之電洞及電子之重組而產生光。本發明大體上係關於改良此等量子井裝置之效率。
一種發光二極體(LED)裝置可包含形成於一透明基板上之一n型層。一光致發光(PL)量子井(QW)可形成於該n型層中且一電致發光(EL) QW可形成於該n型層上。該PL QW及該EL QW可藉由該n型層之一部分彼此分離。一p型層可形成於該EL QW上。可形成溝槽使之延伸至該n型層中，該等溝槽界定一發射區域。一鈍化材料可形成於該等溝槽之側壁上且n型接觸件可形成於其中。一p型接觸件可形成於該p型層之一上表面上。一二向色鏡可至少形成於該透明基板之一下表面上。
一LED可包含一基板及形成於該基板上之一第一磊晶層。一磊晶反射體可形成於該第一磊晶層上。該磊晶反射體可包含具有不同組合物之III-V族半導體材料之多個層。一第二磊晶層可形成於該磊晶反射體上。一n型層可形成於該第二磊晶層上。一光致發光PL QW可形成於該n型層中。一EL QW可形成於該n型層上。該EL QW及該PL QW可藉由該n型層之一部分彼此分離。一p型層可形成於該EL QW上。一p型電極可形成於該p型層之一上表面上。一介電鈍化層可形成於該p型層之該上表面，該p型層之側壁、該EL QW之側壁、該n型層之該部分之側壁、PL QW之側壁上。一n型電極可形成於該介電鈍化層及該n型層上。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2018年8月2日申請且標題為「LED Utilizing Internal Color Conversion With Light Extraction Enhancements」之歐洲專利申請案第EP 18186979號及2018年6月26日申請且標題為「LED Utilizing Internal Color Conversion With Light Extraction Enhancements」之美國專利申請案第16/018,883號之優先權之權利，該等案之各者之全文以引用的方式併入本文中。
將在下文中參考隨附圖式更完整地描述不同發光二極體(LED)實施方案之實例。此等實例不相互排斥，且在一個實例中發現之特徵可與在一或多個其他實例中發現之特徵組合以達成額外實施方案。因此，將理解，在隨附圖式中展示之實例僅係為了闡釋性目的提供且其等絕不旨在限制本發明。貫穿全文，相同數字係指相同元件。
將理解，儘管在本文中可使用術語第一、第二等來描述各種元件，然此等元件不應受限於此等術語。此等術語僅用以區分一個元件與另一元件。例如，一第一元件可稱為一第二元件，且類似地，一第二元件可稱為一第一元件而不脫離本發明之範疇。如本文中使用，術語「及/或」包含相關聯所列舉品項之一或多者之任何及全部組合。
將理解，當將諸如一層、區域或基板之一元件稱為在另一元件「上」或「延伸至」另一元件上時，其可直接在該另一元件上或直接延伸至該另一元件上或亦可存在中介元件。相比之下，當將一元件稱為「直接在」另一元件上或「直接延伸至」另一元件上時，不存在中介元件。亦將理解，當將一元件稱為「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件，或可存在中介元件。相比之下，當將一元件稱為「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在中介元件。將理解，此等術語旨在亦涵蓋除在圖中描繪之任何定向以外之元件之不同定向。
可在本文中使用諸如「在…下方」或「在…上方」或「上」或「下」或「水平」或「垂直」之相對術語來描述如圖中繪示之一個元件、層或區域與另一元件、層或區域之一關係。將理解，此等術語旨在亦涵蓋除在圖中描繪之定向以外之裝置之不同定向。
有興趣使具有高輻射輝度及高壁式插座效率(WPE)之綠色及黃色LED用於各種應用，諸如顯示器(例如，微型顯示器)、建築照明及基於混合直接色彩LED之發射而非磷光體轉換之一般照明系統。此等應用可受習知綠色及黃色LED之相對不良WPE限制。相較於藍色LED，所謂的效率下降現象在習知綠色LED中可遠更嚴重。當在投影顯示應用所需之高電流密度下驅動綠色LED時，綠色LED可尤其低效。綠色LED相對於藍色及紅色LED之更高操作電壓使驅動器電路及散熱器之設計進一步複雜化。
藉由較短波長光子之吸收激發之綠色InGaN多量子井(MQW)之光致發光(PL)可比藉由夾置於一p-n接面中之相同MQW之電注入激發之電致發光(EL)更有效。當載子由光學吸收而非電注入產生時，此可至少部分藉由MQW之間之載子之一更均勻分佈解釋。EL應用中之效率下降可因源自電洞及電子之電輸送行為之差異之MQW當中之載子之一不均勻分佈而加劇。使用來自藉由一較短波長之EL之吸收激發之綠色MQW之PL可係用於改良高輻射輝度綠色LED之效率之一有前景的方法。此概念亦可獲益於相較於當前最先進技術電注入綠色LED之藍色或近紫外LED之通常更低操作電壓。
綠色發射MQW可在與發射光泵浦綠色MQW所需之EL之藍色量子井分離之一磊晶生長運行中產生。然而，使用單獨生長運行相對於磊晶程序中之製造產量可係非所要的。另外，多個磊晶生長運行可具有進一步缺陷：需要額外下游製造步驟以依將光自一者有效地耦合至另一者之一方式將裝置之EL及PL組件結合在一起。此方法對於需要小外觀尺寸之應用(諸如微型LED顯示器)可係不切實際的。
可期望在一單一磊晶生長運行中整合LED之EL及PL組件。綠色MQW可定位於(例如)一p-n接面之一n型側上，且可藉由一n型導電層與電注入之較短波長MQW分離。因而，任何p-n接面重組電流可不流動通過綠色MQW。
如圖1中展示，繪示自組合紫色EL及綠色PL之MQW發射之光之波長峰值之一圖式。在綠色MQW中僅可吸收紫色EL光(例如，400 nm)之一部分。400 nm EL之一大部分可自LED逸出而不被轉換為綠色。此可導致不由眼睛感知為綠色之一雙峰發射光譜。
可需要克服一量子井中之低單通吸收機率以在具有有用色彩特性之實務LED之製造中使用PL概念。多於40%之藍光可在穿過30 PL QW之一堆疊一次之後經透射。可需要穿過實務數目個PL QW許多遍次以將全部藍光轉換為綠光。
以下描述包含可阻礙較短波長EL光子自一裝置之逸出同時促進較長波長PL光子之逸出之LED設計改良。此等改良可增加較短波長EL將在LED內經內部吸收且經轉換為所要較長波長同時最小化較長波長之提取效率中之損失之機率。下文描述之改良可用於產生其中可完全抑制EL波長之提取之一單一色彩(例如，綠色或黃色)之一LED。改良亦可用於產生其中僅可部分抑制藍色EL波長之提取之一無磷光體之白色LED (例如，使用綠色及紅色PL發射量子井)。
如下文以額外細節描述，一磊晶晶圓可含有一p型層、一n型層及安置於n型層與p型層之間之具有較短發射波長之一第一組一或多個QW。具有較長發射波長之一或多個額外組一或多個QW可安置於n型層與p型層之間之空乏區域之任一側上但不在n型層與p型層之間之空乏區域內。一或多個額外組QW可安置於n型側上，如圖3及圖4中展示。上文描述之元件可在相同磊晶生長運行中生長於相同基板晶圓上。
較長波長QW可具有比較短波長QW長至少20 nm及長多達1200 nm之一峰值波長。
一電極可覆蓋p型或n型層。電極可針對EL發射波長但不必針對其他波長具有高反射率。反射電極可定位於p型層上。
可包含一或多個以下元件以增加由EL產生之較短波長光子可在較長波長QW中吸收之機率。
一二向色鏡可塗覆於LED晶片之一或多個外部表面上。在一廣泛範圍之入射角內，二向色鏡可在EL發射之較短波長下具有一高反射率且在PL發射之較長波長下具有一低反射率。
一光子晶體可經圖案化至LED之一或多個外部或內部表面中。光子晶體之週期性可經選擇以最小化較短波長EL發射之繞射且最大化較長波長PL發射之繞射。
一磊晶鏡可生長於LED晶圓之磊晶層結構內。相較於較長波長PL發射，此磊晶鏡針對較短波長EL發射可具有一較高角平均反射率。
一分散式布拉格(Bragg)反射體(DBR)可整合至晶圓中。DBR可藉由具有摻雜及/或合金組合物之差異之一序列磊晶層之生長結合一生長後電化學反應形成。生長後反應相對於摻雜及/或合金組合物可具選擇性且可降低磊晶序列中之一些層之有效折射率。磊晶層之厚度可經選取以導致最大化對應於EL發射之較短波長之反射率之一DBR週期性。
上文描述之反射電極與EL發射QW之間之距離可經選擇以依最大化其在PL發射QW中之吸收之一方式控制EL發射之內部輻射角分佈。
現參考圖2A至圖2C，展示磊晶晶圓之橫截面視圖。圖2A繪示一習知綠色LED。圖2B繪示利用藉由紫色EL之轉換而獲得之PL之一綠色LED。圖2C繪示利用藍色EL及藍色EL至綠色PL及紅色PL之部分轉換之一白色LED晶圓。
圖2A至圖2C可具有共同特徵，諸如一基板202、一底層n型層204、一PL QW 206及一p型層208。基板202可包括一結晶材料且可係一商用基板。基板202可包括藍寶石、SiC或GaN。
n型層204可包括任何III-V族半導體，包含鎵、鋁、銦與氮之二元合金、三元合金及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。在一實例中，n型層204可包括GaN。n型層204可使用n型摻雜劑(諸如Si或Ge)摻雜。n型層204可具有足夠大以載送一電流橫向通過n型層204之一摻雜劑濃度。在一實例中，n型層204可經高度摻雜。
可使用諸如金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術之習知沈積技術形成n型層204。在一磊晶沈積程序中，控制由一或多個源氣體提供之化學反應物且設定系統參數使得沈積原子到達一沈積表面，該等沈積原子具有足以在表面上移動且使其等自身定向至沈積表面之原子之晶體配置之能量。因此，可使用習知磊晶技術在藍寶石基板202上生長n型層204。一成核層(未展示)可在n型層204之前形成於基板202上。成核層可包括GaN或AlN。
可使用上文描述之習知磊晶沈積技術形成p型層208。p型層208可包括任何III-V族半導體，包含鎵、鋁、銦與氮之二元合金、三元合金及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。在一實例中，p型層208可包括GaN。p型層208可使用p型摻雜劑(諸如Mg)摻雜。一電子阻擋層(未展示)可形成於p型層208下方。
可使用上文描述之習知磊晶沈積技術形成PL QW 206。PL QW 206可包括發射相同波長之光之一序列多個QW。PL QW 206可包括InGaN及GaN之不同層。在一實例中，PL QW 206可發射具有近似530 nm之一波長之一綠光。發射色彩可由InGaN層中之In及Ga之相對莫耳分率及/或多個QW之厚度及障壁厚度控制。In之一較高莫耳分率可導致一較長波長。
PL QW 206內之一個別QW可具有在近似0.5 nm至15 nm之範圍內之InGAN厚度及在自近似2 nm至100 nm之範圍內之GAN厚度。PL QW 206中之量子井之總數目可在1與50之間。在操作正向偏壓下，PL QW 206可定位於n型層204中，靠近p-n接面之空乏區域但不在該空乏區域內。
如圖2B中展示，利用一PL QW 206之綠色LED亦可包含在p-n接面之一空乏區域內之一EL QW 210。可使用上文描述之習知磊晶沈積技術形成EL QW 210。EL QW 210可包括發射相同波長之光之一序列多個QW。EL QW 210可包括InGaN及GaN之不同層。在一實例中，EL QW 210可發射具有近似400 nm之一波長之一紫光。
EL QW 210可與PL QW 206分離達n型層204之一第一距離D1 。第一距離D1 可在自近似5 nm至近似1000 nm之範圍內。應注意，第一距離D1 可包括在足夠低以不使其下方之層之光學性質降級之溫度下生長之一額外n型材料層。
如圖2C中展示，一白色LED可利用一或多個EL QW及多個PL QW群組。白色LED可包含PL QW 206、一第二PL QW 212及一EL QW 214。第二PL QW 212可包括InGaN及GaN之不同層。第二PL QW 212可包括發射相同波長之光之一序列多個QW。EL QW 214可包括InGaN及GaN之不同層。EL QW 214可包括發射相同波長之光之一序列多個QW。
在操作正向偏壓下，PL QW 206及第二PL QW 212可定位於n型層204內，靠近p-n接面之空乏區域但不在該空乏區域內。EL QW 214可定位於p-n接面之一空乏區域內。
可使用上文描述之習知磊晶沈積技術形成第二PL QW 212及EL QW 214。第二PL QW 212及EL QW 214可包括InGaN/GaN。在一實例中，第二PL QW 212可發射具有近似610 nm之一波長之一紅光。在一實例中，EL QW 214可發射具有近似440 nm之一波長之一藍光。EL QW 214可與第二PL QW 210分離達n型層204之一第二距離D2 。第二PL QW 212可與PL QW 206分離達n型層204之一第三距離D3 。第二距離D2 可在自近似5 nm至近似1000 nm之範圍內。第三距離D3 可在自近似5 nm至近似1000 nm之範圍內。應注意，第二距離D2 及第三距離D3 可包括在足夠低以不使其下方之層之光學性質降級之溫度下生長之額外n型材料層。
PL QW之最佳層厚度、摻雜及生長條件可不與相同色彩之一電注入LED中之該等參數相同。PL QW及/或其等障壁可使用供體(諸如Si或Ge)摻雜以便在包圍EL主動區域之p-n接面處於正向偏壓中時防止跨PL QW區域之任何顯著電壓降。
生長程序之剩餘部分可如針對一習知LED晶圓般進行。p型層208可具有不同於一習知LED晶圓中之最佳p型層厚度之一厚度。在具有一反射p電極之一LED中，可為了一特定目的調整p型層208之厚度以最佳化EL發射之光學偏光狀態及內部輻射場型。如本文中描述之最大化EL至PL之內部轉換之厚度可不同於最大化來自一習知LED之光輸出之厚度。
現參考圖3，展示繪示具有一磊晶反射體304之一綠色LED之一橫截面視圖。可為了在遠離基板202之一方向上選擇性地反射較短波長光之目的生長額外磊晶層。
可使用上文描述之一或多個磊晶生長技術在基板202上形成一第一磊晶層302。一成核層(未展示)可在形成第一磊晶層302之前形成於基板202上。成核層可包括GaN或AlN。第一磊晶層302可包括任何III-V族半導體，包含鎵、鋁、銦與氮之二元合金、三元合金及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。在一實例中，第一磊晶層302可包括GaN。第一磊晶層302可使用n型摻雜劑(諸如Si或Ge)摻雜。
磊晶反射體304可形成於第一磊晶層302上。可使用上文描述之習知磊晶沈積技術形成磊晶反射體304。
磊晶反射體304可包括具有不同組合物之III-V族半導體材料之多個層。磊晶反射體304可包括一第一層306及一第二層308之重複。在一實例中，第一層306可包括AlInN且第二層308可包括GaN。第一層306可具有Al0.82 In0.18 N之一濃度。第一層306可具有近似42 nm之一厚度且第二層308可具有近似55 nm之一厚度。第一層306及第二層308可具有經最佳化以最大化EL發射之波長及主發射角處之反射率之不同折射率及厚度。磊晶反射體304可包括第一層306及第二層308之近似35個重複。第一層306及第二層308之折射率可歸因於其等之合金組合物或摻雜濃度之差異而在其等原生狀態中不同。額外磊晶層在原生狀態中可不形成一良好反射體，但可經生長而具有摻雜及/或合金組合物方面之差異，該等差異在生長後處理中影響其等化學反應性。生長後處理可將層轉變為一有效反射體，如下文描述。
在另一實例中，第一層306可包括AlGaIn且第二層308可包括AlGaN。在此實例中，第一層306可具有Al0.80 Ga0.03 In0.17 之一濃度且第二層308可具有Al0.02 Ga0.98 N之一組合物。
磊晶反射體304可由Alx Iny Gaz N之任何兩個層製成，其中x、y或z之至少一者在各層中採用一不同值。x、y及z之最佳值可需要較少層重複且相對於入射角可具有一較佳反射率特性。x、y及z之較不期望值可仍提供充分反射率，但可需要較大數目個層重複且角特性可並非較佳。x、y及z之值之有用範圍可由晶體應變(例如，一晶格參數可不與GaN之晶格參數相差太多)及透明度(例如，材料之帶隙能量可大於EL發射之光子能量)之要求判定。
磊晶反射體304亦可包括具有摻雜劑濃度之大差異之GaN之兩個層。例如，第一層306可使用Ge以1018 個原子/cm3 之一濃度摻雜且第二層308可使用Ge以1020 個原子/cm3 之一濃度摻雜。此組合可在下文參考圖6C描述之一多孔化反應之情況下或在無下文參考圖6C描述之一多孔化反應之情況下使用。若未使用多孔化反應，則可需要大量重複(例如，100個重複)。
磊晶反射體304可包括AlInN層之交替層。
一第二磊晶層310可形成於磊晶反射體304上。可使用上文描述之一或多個磊晶生長技術形成第二磊晶層310。第二磊晶層310可包括任何III-V族半導體，包含鎵、鋁、銦與氮之二元合金、三元合金及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。在一實例中，第二磊晶層310可包括GaN。第二磊晶層310可使用n型摻雜劑(諸如Si或Ge)摻雜。第二磊晶層310可具有與第一磊晶層302相同之摻雜劑濃度，或摻雜劑濃度可不同。
可如上文參考圖2A至圖2C描述般形成n型層204、PL QW 206、EL QW 210及p型層208。
現參考圖4A至圖4F，展示繪示形成併入磊晶反射體304之一微型LED 400之橫截面視圖。如圖4A中展示，可使用習知技術圖案化及蝕刻圖3中展示之磊晶層以曝露n型層204之一上表面。
在圖4B中，可在p型層208之一上表面上形成一反射p電極402。反射p電極402可包括反射可見及/或紫外光之任何導電材料，諸如(例如)一折射金屬。反射p電極402可包括以下一或多者：一金屬(諸如銀)、一金屬堆疊、具有不同折射率之一序列透明導電氧化物層、在一透明導電氧化物層之頂部上之具有不同折射率之一系列介電層或其等之組合。可使用一習知沈積技術(諸如(例如)化學氣相沈積(CVD)、電漿輔助CVD (PECVD)、原子層沈積(ALD)、蒸鍍、濺鍍、化學溶液沈積、旋塗沈積或其他類似程序)形成反射p電極402。
在圖4C中，可在p型層208之上表面及側、EL QW 210之側、n型層204之部分之側、PL QW206之側及n型層204之一上表面上形成一保形介電鈍化層404。介電鈍化層404可包括諸如(但不限於) SiO2 或SiNx 之材料。
在圖4D中，可在介電鈍化層404上保形地沈積一反射n型電極406。反射n型電極406可包括反射可見及/或紫外光之任何導電材料，諸如(例如)一折射金屬。反射n型電極406可包括以下一或多者：一金屬(諸如銀)、一金屬堆疊、具有不同折射率之一序列透明導電氧化物層、在一透明導電氧化物層之頂部上之具有不同折射率之一系列介電層或其等之組合。可使用一習知沈積技術(諸如(例如) CVD、PECVD、ALD、蒸鍍、濺鍍、化學溶液沈積、旋塗沈積或其他類似程序)形成反射n型電極406。
磊晶反射體304可係導電的且可放置於距反射p型電極402小於1微米之一距離內使得磊晶反射體304及反射p型電極402形成含有PL及EL發射QW兩者之一光學微型腔。微型腔內之EL發射QW之位置可經選擇以最佳化經發射EL輻射之角分佈。輻射分佈可經控制使得EL之全部或至少大部分經發射至磊晶反射體具有一高反射率之角度。磊晶反射體304可包括一序列經摻雜AlInN/GaN層或一序列多孔GaN/無孔GaN層。
圖4E至圖4F繪示基於波長及入射角之磊晶反射體304之反射率。為了改良波長選擇性，磊晶反射體304可利用在較短對較長波長下GaN與AlN之間之較高折射率對比度。磊晶反射體304亦可利用PL QW與EL QW之內部角輻射輪廓之差異。可藉由改變p型層208之厚度而將EL QW定製成一所要輻射輪廓。較遠離反射p型電極402之PL QW之輻射輪廓可對p型層308之厚度較不敏感。
如圖4E中展示，自EL QW 210發射之光A可穿過n型層204、PL QW 206及第二磊晶層310且可由磊晶反射體304反射回。
如圖4F中展示，自EL QW 210發射之光A可穿過n型層204、PL QW 206及第二磊晶層310且可由磊晶反射體304反射回。自PL QW 206發射之光B可穿過n型層204、第二磊晶層310、磊晶反射體304、第一磊晶層302及基板202以離開裝置。
使用原生磊晶反射體304之設計可在具有小高寬比及反射側壁(例如，反射n型電極406)之LED中最有效。甚至當未形成微型腔時，EL發射可在一相對窄角度範圍內入射於磊晶反射體304上且其在大入射角下之反射率可係不重要的。應注意，可粗糙化或圖案化基板202之底表面以改良穿過磊晶反射體304之綠色PL發射之提取。
現參考圖5，展示繪示針對光之不同波長之在不同入射角內之磊晶反射體304之反射率之一圖表。
晶圓製造處理可類似於一習知單波長LED之晶圓製造處理且可包含諸如化學清潔、受體活化退火、臺面之乾式蝕刻及金屬接觸件、鈍化及隔離層之沈積之習知步驟。歸因於p型層208與經高度摻雜n型層204之間之磊晶材料之經增加厚度(歸因於非一標準LED結構之部分之PL發射QW之添加)，可需要一更深臺面蝕刻。
反射p型電極402在p型層208上之沈積可與在一習知LEF程序流程中類似。例如，如上文描述，可將具有跨可見及近紫外光譜之一高反射率之一不透明金屬(例如，Ag)蒸鍍或濺鍍至p型層208之表面上。
上文描述之程序流程亦可應用於使用一導電氧化物層(諸如ITO)作為p型電極402之一透明LED程序中。可在導電氧化物層之頂部上塗佈一二向色鏡以使電極在EL發射波長下具反射性。若EL波長係約400 nm或更短，則可在一透明LED晶片中施用二向色鏡。可在二向色鏡中在晶片之邊緣周圍製成小開口以容許對用作p型電極402之ITO層之金屬接觸。
另外，亦適用於透明LED，p型電極402可包括具有導致折射率之差異之不同多孔性之多個ITO層。可(例如)使用具有兩個不同ITO標靶之濺鍍沈積獲得此序列。ITO標靶之一者可以相對於基板202之一傾斜角定向。一較多孔ITO層(即，較低折射率)及一較不多孔ITO層(例如，較高折射率)之厚度可製成在EL波長下具有高反射率之一導電二向色鏡。
現參考圖6A至圖6C，展示繪示用於改良磊晶反射體304之反射率之一電化學反應之使用之橫截面視圖。可在一後續生長後處理步驟中使用電化學反應以將一些磊晶層選擇性地變換為具有一不同有效折射率之一材料。此可產生在EL發射之波長及主發射角下具有最大反射率之一布拉格(Bragg)鏡。
如圖6A中展示，可對圖4A中繪示之結構執行一蝕刻程序以移除n型層204之一部分、第二磊晶層310之一部分及磊晶反射體304之一部分。在一實例中，可使用一習知乾式蝕刻程序。蝕刻程序可曝露磊晶反射體304之側壁，此可容許磊晶反射體304之組合物由電化學反應改質。磊晶反射體304之側壁可垂直於晶圓生長表面。
如上文描述，第一磊晶層302及第二磊晶層304兩者可使用一n型材料摻雜，但可具有不同摻雜劑濃度。在一實例中，第一磊晶層302可在其上表面上具有小於第二磊晶層310之摻雜劑濃度之一摻雜劑濃度。第一磊晶層302之輕度摻雜上表面可在蝕刻程序期間用作一蝕刻停止。第一磊晶層302可在較接近基板202之區域中具有一較高摻雜劑濃度以容許橫向導電性。
蝕刻程序可係用於界定圖4A中展示之臺面之相同蝕刻程序。在其他情況中，可在移除基板202作為一垂直覆晶程序之部分之後執行一額外蝕刻程序。若相對於電化學反應中之橫向擴散距離(其等通常小於100微米)，LED之尺寸為大，則可使用額外蝕刻程序。
在乾式蝕刻曝露第一磊晶層302之上表面之後，可使用上文描述之一或多個沈積技術在第一磊晶層302上形成一金屬接觸件602。金屬接觸件602可實現電流橫向流動通過第一磊晶層302之經摻雜區域且隨後通過磊晶反射體304及其他經摻雜層。
金屬接觸件602可耦合至一電源供應器608之一個終端且結構可浸潤於一電解質604中。在一實例中，電解質可係酸性溶液。電源供應器608之另一終端可連接至一鉑箔相對電極606，該鉑箔相對電極606可浸潤於電解質604中以完成一電路。通電至電路可引起將微觀空隙(即，多孔性)選擇性地引入使用Si或Ge高度摻雜之層中之一電化學反應。多孔性可減小此等層之有效折射率。此類型之反應可產生具有高導電性之磊晶反射體且歸因於其相對易於處理且其適用於任何結構(包含將導電磊晶反射體304放置成緊密接近QW之微型腔LED)而可係較佳的。在圖6B中繪示此反應。
在此類型之反應中，結構及鉑箔相對電極606可浸潤於具有一15M硝酸溶液之一電解質604中。可透過鉑箔相對電極606及金屬接觸件602 (例如)以10與20 mA/cm2 之間之一電流密度施加一直流。選用紫外線(UV)照明可藉由一250 W水銀燈供應。取決於乾式蝕刻圖案之橫向尺寸，可需要10至60分鐘之處理時間，在此之後，關斷燈及電流源。鉑可直接施覆於結構之表面上方以製成對半導體表面之一電接觸且可在電化學或光電化學程序中使用諸如NaOH、KOH、草酸、氮三乙酸或CH3 OH-HF-H2 O2 之各種不同溶液。
另一類型之反應可選擇性地氧化具有較高Al莫耳分率之氮化物層且可將其等轉換為具有低於原生材料之折射率之氧化物或氮氧化物層。在一實例中，所使用之電解質604可係一鹼性溶液。在圖6C中繪示此反應。
此類型之反應可適用於其中反射體之導電性不重要之實施方案中。歸因於氮氧化物材料之有限導電性，此方法可需要將p型層208接合至一載體，移除基板202且乾式蝕刻溝槽使之自背側穿過第一磊晶層302以曝露磊晶反射體304。接著，晶圓之背側將經受一電化學程序。可自結構之相對側蝕刻一第二溝槽以接達定位於磊晶反射體304與p型電極402之間之導電GaN層。
引起平行於曝露至電解質之基板202之氮極性晶體表面之粗糙化之一反應可與在垂直晶體表面上發生之上文描述之反應同時發生。替代地，可在一單獨處理步驟中達成用於改良光提取之氮極性晶體表面之粗糙化。
可使用一透明生長基板及一二向色鏡塗層以製成一綠色LED裝置而不需要一磊晶反射體。此方法可由於其在LED設計中之簡易性而係較佳的，此係因為透明生長基板之全部或部分在完成產品中可保持附接。
現參考圖7A至圖7E，展示繪示形成一LED裝置之橫截面視圖。圖7A展示在圖2B之利用PL之綠色LED中形成溝槽702。如上文描述，基板202可係一透明生長基板且可係一圖案化藍寶石基板。如上文描述，一成核層(未展示)可在形成n型層204之前形成於基板202之圖案化側上。成核層可包括GaN或AlN。可將與圖案化側相對之基板202之側研磨且拋光至一或若干光學平滑表面。
可使用一習知定向蝕刻程序(諸如乾式蝕刻)形成溝槽702。溝槽可延伸穿過p型層208之整個厚度、EL QW 210之整個厚度、介於EL QW 210與PL QW 206之間之n型層204之底層部分之整個厚度、PL QW 206之整個厚度及底層n型層204之部分。溝槽702可界定一發射區域712。
圖7B展示在溝槽702中且在p型層208上形成一保形介電鈍化層704。可使用一習知沈積技術(諸如(例如) CVD、PECVD、ALD、蒸鍍、濺鍍、化學溶液沈積、旋塗沈積或其他類似程序)形成介電鈍化層704。介電鈍化層704可包括諸如(但不限於) SiO2 或SiNx 之材料。
圖7C展示在溝槽702中形成n型接觸件706且在p型層208上形成一p型接觸件708。可自溝槽702之一底部及p型層208移除介電鈍化層704之部分以曝露n型層204及p型層208。可使用一習知定向蝕刻程序(諸如乾式蝕刻)移除介電鈍化層704之部分。n型接觸件706及p型接觸件708可包括以下一或多者：一金屬(諸如鋁、銀)、一金屬堆疊、具有不同折射率之一序列透明導電氧化物層、在一透明導電氧化物層之頂部上之具有不同折射率之一系列介電層或其等之組合。可使用一習知沈積技術(諸如(例如) CVD、PECVD、ALD、蒸鍍、濺鍍、化學溶液沈積、旋塗沈積或其他類似程序)形成n型接觸件706及p型接觸件708。
圖7D展示在基板202之一底表面上形成一二向色鏡710以形成LED裝置。二向色鏡710可包括具有折射率之一大差異之介電層之一堆疊。例如，二向色鏡710可包括SiO2 以及TiO2 、ZrO2 及HfO2 之一或多者。可使用一或多個習知技術(諸如原子層磊晶、濺鍍或電子束蒸鍍)形成二向色鏡710。
二向色鏡710可具有為較短波長EL之峰值波長之¼之一厚度，但更複雜的塗層設計係可行的。一特定裝置之最佳二向色鏡設計可取決於諸如經圖案化藍寶石之幾何形狀及按照應用要求而允許自裝置逸出之較短波長光之量。針對白色LED應用，二向色鏡之反射率可經有意地設計以遠低於100%以容許足夠藍色EL發射逸出以產生白光。如圖7D中展示，自EL QW 210發射之光A可穿過n型層204、PL QW 206及基板202且可由二向色鏡710反射回。經反射光A可接著進入PL QW 206且作為光B發射，光B可穿過n型層204、基板202及二向色鏡710。
圖7E展示形成二向色鏡710使得其延伸至LED裝置之側之另一實例。可使用一或多個習知保形沈積技術(諸如原子層磊晶、濺鍍或電子束蒸鍍)形成二向色鏡710。除了基板202之底部外，可在以下一或多者上形成二向色鏡：p型層208之側壁、EL QW 210之側壁、n型層204之側壁、PL QW 206之側壁及基板202之側壁。
現參考圖8A至圖8E，展示繪示形成一LED裝置之橫截面視圖。圖8A展示在圖2B之利用PL之綠色LED中形成溝槽802。如上文描述，基板202可係一透明生長基板且可係一圖案化藍寶石基板。如上文描述，一成核層(未展示)可在形成n型層204之前形成於基板202之圖案化側上。成核層可包括GaN或AlN。可將與圖案化側相對之基板202之側研磨且拋光至一或若干光學平滑表面。
可使用一習知定向蝕刻程序(諸如乾式蝕刻)形成溝槽802。溝槽可延伸穿過p型層208之整個厚度及EL QW 210之整個厚度且可在介於EL QW 210與PL QW 206之間之n型層204之部分中停止。溝槽802可界定一發射區域812。
圖8B展示在溝槽802中且在p型層208上形成一保形介電鈍化層804。可使用一習知沈積技術(諸如(例如) CVD、PECVD、ALD、蒸鍍、濺鍍、化學溶液沈積、旋塗沈積或其他類似程序)形成介電鈍化層804。介電鈍化層804可包括諸如(但不限於) SiO2 或SiNx 之材料。
圖8C展示在溝槽802中形成n型接觸件806且在p型層208上形成一p型接觸件808。可自溝槽802之一底部及p型層208移除介電鈍化層804之部分以曝露n型層204及p型層208。可使用一習知定向蝕刻程序(諸如乾式蝕刻)移除介電鈍化層804之部分。n型接觸件806及p型接觸件808可包括以下一或多者：一金屬(諸如鋁、銀)、一金屬堆疊、具有不同折射率之一序列透明導電氧化物層、在一透明導電氧化物層之頂部上之具有不同折射率之一系列介電層或其等之組合。可使用一習知沈積技術(諸如(例如) CVD、PECVD、ALD、蒸鍍、濺鍍、化學溶液沈積、旋塗沈積或其他類似程序)形成n型接觸件806及p型接觸件808。
圖8D展示在基板202之一底表面上形成一二向色鏡810以形成LED裝置。二向色鏡810可包括具有折射率之一大差異之介電層之一堆疊。例如，二向色鏡810可包括SiO2 以及TiO2 、ZrO2 及HfO2 之一或多者。可使用一或多個習知技術(諸如原子層磊晶、濺鍍或電子束蒸鍍)形成二向色鏡810。
二向色鏡810可具有為較短波長EL之峰值波長之¼之一厚度，但更複雜的塗層設計係可行的。一特定裝置之最佳二向色鏡設計可取決於諸如經圖案化藍寶石之幾何形狀及按照應用要求而允許自裝置逸出之較短波長光之量。針對白色LED應用，二向色鏡之反射率可經有意地設計以遠低於100%以容許足夠藍色EL發射逸出以產生白光。如圖8D中展示，自EL QW 210發射之光A可穿過n型層204、PL QW 206及基板202且可由二向色鏡810反射回。經反射光A可接著進入PL QW 206且作為光B發射，光B可穿過n型層204、基板202及二向色鏡810。
圖8E展示形成二向色鏡810使得其延伸至LED裝置之側之另一實例。可使用一或多個習知保形沈積技術(諸如原子層磊晶、濺鍍或電子束蒸鍍)形成二向色鏡810。除了基板202之底部外，可在以下一或多者上形成二向色鏡：p型層208之側壁、EL QW 210之側壁、n型層204之側壁、PL QW 206之側壁及基板202之側壁。
現參考9A至9B，展示繪示針對光之不同波長在不同入射角內之圖7A至圖8D之LED裝置之反射率之圖表。圖9A展示自LED之基板202側之反射率，該LED具有包括一51 nm厚之ZrO2 層及一67 nm厚之SiO2 層以及一90 nm厚之ZrO2 層之12個重複之一二向色鏡710。圖9B展示自LED之基板202側之反射率，該LED具有包括一53 nm厚之ZrO2 層及一69 nm厚之SiO2 層以及一60 nm厚之ZrO2 層之4個重複之一二向色鏡710。二向色鏡710可針對橫電波(TE)偏光在一較廣角度範圍內維持較高反射率。針對90%之TE偏光之情況展示圖9A至圖9B中之反射率回應。
現參考圖10，展示繪示依據距p型接觸件608之距離而變化之經發射功率之一圖表。更具體言之，圖10展示針對一400 nm發射QW依據其距一銀p型接觸件608之距離而變化之使用TE偏光發射之總電致發光功率之經計算分率。p型層208之厚度可經最佳化以利用EL發射QW之自干涉。在400 nm之波長下，當QW被近似地放置於距p型接觸件608等於一p型 GaN中之EL發射之峰值波長(非真空波長)之近似0.25至近似0.45倍之一距離處時，可最大化使用TE偏光發射之EL功率之分率。
如上文描述，此等方法及設備可使用包含(但不限於)微型LED顯示器之應用改良高功率LED之壁式插座效率。改良可在較高電流密度及較長波長下最顯著。上文描述主要集中於綠色LED，但當驅動電流密度足夠高時，上文描述之技術可應用至藍色LED (即，由較短WL EL發射QW泵浦之藍色PL發射QW)。上文描述之技術對於其中需要最小化對注入電流之改變之色彩靈敏度之直接色彩LED可係有利的。在一廣泛範圍之照度位準內，色彩可係穩定的。上文描述之技術可用於具有小外觀尺寸之不包含一外部磷光體轉換材料之白色LED中。此等LED可應用於智慧型汽車頭燈及使用基於LED陣列之光束操縱技術之其他產品中。
雖然特徵及元件在上文以特定組合描述，但一般技術者將瞭解，各特徵或元件可單獨使用或以與其他特徵及元件之任何組合使用。另外，本文中描述之方法可實施於併入一電腦可讀媒體中之一電腦程式、軟體或韌體中以供一電腦或處理器執行。電腦可讀媒體之實例包含(經由有線或無線連接傳輸之)電子信號及電腦可讀儲存媒體。電腦可讀儲存媒體之實例包含(但不限於)一唯讀記憶體(ROM)、一隨機存取記憶體(RAM)、一暫存器、快取記憶體、半導體記憶體裝置、磁性媒體(諸如內部硬碟及可抽換式磁碟)、磁光學媒體及光學媒體(諸如CD-ROM磁碟及數位多功能光碟(DVD))。
202:基板 204:底層n型層 206:光致發光(PL)量子井(QW) 208:p型層 210:電致發光(EL)量子井(QW) 212:第二光致發光(PL)量子井(QW) 214:電致發光(EL)量子井(QW) 302:第一磊晶層 304:磊晶反射體 306:第一層 308:第二層 310:第二磊晶層 402:反射p電極/反射p型電極 404:保形介電鈍化層 406:反射n型電極 602:金屬接觸件 604:電解質 606:鉑箔相對電極 608:電源供應器 702:溝槽 704:保形介電鈍化層 706:n型接觸件 708:p型接觸件 710:二向色鏡 712:發射區域 802:溝槽 804:保形介電鈍化層 806:n型接觸件 810:二向色鏡 812:發射區域 D1:第一距離 D2:第二距離 D3:第三距離
自結合隨附圖式藉由實例給出之以下描述可具有一更詳細理解，其中圖中之相同元件符號指示相同元件，且其中：
圖1係繪示利用電致發光(EL)及光致發光(PL)之一發光二極體(LED)晶圓之發射之一圖表，其中EL未由PL發射量子井充分吸收，從而導致一非所要雙峰光譜；
圖2A係一習知綠色LED；
圖2B係利用藉由紫色EL之轉換而獲得之PL之一綠色LED；
圖2C係利用藍色EL及藍色EL至綠色PL及紅色PL之部分轉換之一白色LED晶圓；
圖3係繪示具有一磊晶反射體之一綠色LED之一橫截面視圖；
圖4A係繪示圖案化及蝕刻圖3中展示之磊晶層以曝露一n型磊晶層之一上表面之一橫截面視圖；
圖4B繪示在一p型層之一上表面上形成一反射p型電極；
圖4C繪示在p型層之一上表面及側、一EL QW之側、一n型層之側、一PL QW之側及未經摻雜磊晶層之一上表面上形成一保形介電鈍化層；
圖4D繪示在介電鈍化層上形成一反射n型電極；
圖4E至圖4F繪示基於波長及入射角之磊晶反射體之反射率；
圖5係繪示針對光之不同波長之在不同入射角內之磊晶反射體之反射率之一圖表；
圖6A係繪示用於改良磊晶反射體之反射率之一電化學反應之使用之一橫截面視圖；
圖6B係繪示可選擇性地氧化具有較高Al莫耳分率之氮化物層且可將其等轉換為具有低於原生材料之折射率之氧化物或氮氧化物層之一反應之一橫截面視圖；
圖6C係繪示將微觀空隙(即，多孔性)引入使用Si或Ge高度摻雜之層中之一反應之一橫截面視圖；
圖7A係繪示在圖2B之利用PL之綠色LED中形成溝槽以界定一發射區域之一橫截面視圖；
圖7B係繪示在溝槽中且在p型層上形成一保形介電鈍化層之一橫截面視圖；
圖7C係繪示在溝槽中形成n型接觸件且在p型層上形成一p型接觸件之一橫截面視圖；
圖7D係繪示在LED裝置之一底表面上形成一二向色鏡之一橫截面視圖；
圖7E係繪示在LED裝置之一底表面及側上形成一二向色鏡之一橫截面視圖；
圖8A係繪示在圖2B之利用PL之綠色LED中形成溝槽以界定一發射區域之一橫截面視圖；
圖8B係繪示在溝槽中且在p型層上形成一保形介電鈍化層之一橫截面視圖；
圖8C係繪示在溝槽中形成n型接觸件且在p型層上形成一p型接觸件之一橫截面視圖；
圖8D係繪示在LED裝置之一底表面上形成一二向色鏡之一橫截面視圖；
圖8E係繪示在LED裝置之一底表面及側上形成一二向色鏡之一橫截面視圖；
圖9A至圖9B係繪示針對光之不同波長在不同入射角內之兩個不同二向色鏡設計之反射率之圖表；及
圖10係繪示依據p型接觸件與EL QW之間之距離而變化之經發射功率之一圖表。
202:基板
204:底層n型層
206:光致發光(PL)量子井(QW)
208:p型層
210:電致發光(EL)量子井(QW)
302:第一磊晶層
304:磊晶反射體
306:第一層
308:第二層
310:第二磊晶層

Claims (17)

  1. 一種發光二極體(LED)裝置，其包括：一透明基板；一n型層，其安置於該透明基板上或上方；一電致發光(EL)量子井(QW)，其形成於該n型層上且經組態以發射一第一光；一光致發光(PL)QW，其形成於該n型層中且經組態以吸收該第一光之至少一部分且作為回應，發射具有長於該第一光之一波長之一第二光，該EL QW及該PL QW藉由該n型層之一部分彼此分離；一p型層，其形成於該EL QW上；及一二向色(dichroic)反射體，其針對該第一光之一反射率大於針對該第二光之一反射率，其中該二向色反射體經配置以將該第二光透射(transmit)出該LED裝置且將經透射穿過該PL QW且入射於該二向色反射體上之第一光之一部分反射回至該PL QW。
  2. 如請求項1之LED裝置，其中該PL QW包括發射一相同波長之光之多個QW。
  3. 如請求項1之LED裝置，其中該EL QW包括發射一相同波長之光之多個QW。
  4. 如請求項1之LED裝置，其中該PL QW鄰近該n型層與該p型層之間之一p-n接面之一空乏區域。
  5. 如請求項1之LED裝置，其中該p型層之該厚度經最佳化以利用該EL QW之自干涉。
  6. 如請求項1之LED裝置，其中該EL QW及該p型電極分離達等於該p型層中之該EL QW之一發射之一峰值波長之近似0.25至近似0.45倍之一距離。
  7. 如請求項1之LED裝置，其中該二向色反射體具有由該EL QW發射之光之一峰值波長之近似四分之一之一厚度。
  8. 如請求項1之LED裝置，其中該EL QW定位於該n型層與該p型層之間之一p-n接面之一空乏區域內。
  9. 如請求項1之LED裝置，其中該二向色反射體安置於該透明基板與該n型層之間。
  10. 如請求項9之LED裝置，其中該二向色反射體包括具有不同組合物之III-V族半導體材料之多個層。
  11. 如請求項10之LED裝置，其進一步包括：一第一磊晶層，其形成在該基板上該基板與該二向色反射體之間；及一第二磊晶層，其形成於該二向色反射體與該n型層之間。
  12. 如請求項10之LED裝置，其中III-V族半導體材料之該多個層之一或多者經氧化使得其等具有低於原生材料之一折射率。
  13. 如請求項10之LED裝置，其中III-V族半導體材料之該多個層之一或多者包括Si及Ge之一或多者之摻雜劑且經處理以包含空隙使得其等具有低於原生材料之一折射率。
  14. 如請求項1之LED裝置，其中該二向色反射體安置於與該n型層相對之該透明基板之一表面上。
  15. 如請求項14之LED裝置，其中該二向色反射體沿著該透明基板、該n型層、該EL QW及該p型層之一或多個側壁延伸。
  16. 如請求項14之LED裝置，其中該二向色反射體包括具有不同折射率之介電層之一堆疊。
  17. 如請求項14之LED裝置，其進一步包括：溝槽，其等經形成穿過至少該p型層之一整個厚度及該EL QW之一整個厚度以曝露該n型層，該等溝槽界定一發射區域；一鈍化材料，其形成於該等溝槽之側壁及該p型層之一上表面上；n型接觸件，其等形成於該等溝槽中；及一p型接觸件，其形成於該發射區域中該p型層之該上表面上。
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