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CN102150272A - 具供设置反射性电极的平滑表面的发光二极管 - Google Patents

具供设置反射性电极的平滑表面的发光二极管 Download PDF

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CN102150272A CN2009801103892A CN200980110389A CN102150272A CN 102150272 A CN102150272 A CN 102150272A CN 2009801103892 A CN2009801103892 A CN 2009801103892A CN 200980110389 A CN200980110389 A CN 200980110389A CN 102150272 A CN102150272 A CN 102150272A
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Abstract

一种发光二极管包括外延层结构、第一电极、以及第二电极。第一电极和第二电极分开设置在外延层结构上，外延层结构在形成有第一电极的表面上的均方根粗糙度小于大约3。

Description

具供设置反射性电极的平滑表面的发光二极管
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)结构，更具体地，涉及一种具有用于反射电极的光滑表面的LED结构。
背景技术
发光二极管(LED)已开发很多年了，其广泛用于各种光应用场合。由于LED重量轻，耗能少，并且具有很好的电能-光转换效率，在一些应用领域，已经希望用LED取代诸如白炽灯和荧光光源等传统光源。这样的LED以相对较窄的角度扩散方向发光，不产生侧光，从而光不能容易地被封装中的光学元件收集。换言之，相比于安装有蓝宝石衬底的常规横向LED，薄膜AlInGaNLED每立体弧度产生更多的光，并且由此产生的光子可以被高效利用。然而，目前的LED的效率(流明/瓦)仍然没有高到足以替代常规光源用于一般照明或者其它光应用场合。
因此，需要一种技术来改进LED的结构，使得它们以比常规LED更高效的方式发光。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种发光二极管包括外延层结构、第一电极、以及第二电极。所述第一电极和所述第二电极分开设置在所述外延层结构上，而所述外延层结构在形成有所述第二电极的表面上具有小于约3nm的RMS(均方根)粗糙度。
在本发明的另一个方面中，一种制造发光二极管的方法包括以下步骤：形成外延层结构，和在所述外延层结构上分开淀积第一电极和第二电极。所述外延层结构在形成有所述第二电极的表面上具有小于约3nm的RMS粗糙度。
可以理解，根据以下详细描述，本发明的其它方面对于本领域技术人员也将变得非常明显，其中，仅以例示的方式示出并描述了本发明的示例方面。应当明白，本发明包括其它不同方面，并且它的一些细节在各种其它方面中能够修改，所有这些都没有脱离本发明的精神和保护范围。因此，附图和详细描述应被认为在本质上是例示性的而非限制性的。
附图说明
以举例而非限制的方式在附图中例示了本发明的各个方面，其中：
图1A是垂直LED结构的截面图。
图1B是垂直LED结构的俯视图，其中示出了构图的n接触部。
图2A是具有金属接点和基座(sub-mount)的倒装横向LED结构的截面图。
图2B是在倒装到基座之前同时具有p电极和n电极的倒装横向LED结构的俯视图。
图3例示了在垂直LED结构中出现的示例光提取。
图4是p-GaN层和银(Ag)层之间的粗糙界面的示意图，其示出了粗糙界面对入射光进行散射，并将光耦合成表面等离振子模式(surface Plasmonmode)。
图5A-5C例示了制造垂直LED的过程，其中，该垂直LED具有用于形成反射电极的光滑表面。
图6A-6C例示了制造倒装横向LED结构的过程，其中，该倒装横向LED结构具有用于形成反射电极的光滑表面。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述意在作为对本发明的多个方面的描述，而不是用来表示可以实现本发明的所有方面。所述详细描述包括用来提供对本发明的透彻理解的具体细节。然而，本领域技术人员应明白，无需这些具体细节，也可以实现本发明。在一些情况中，以框图形式示出了公知的结构和组件，以避免掩盖本发明的概念。
图1A和1B分别例示了垂直LED的截面图和俯视图。如图1A所示，垂直LED器件100具有垂直电流注入结构，该垂直电流注入结构包括构图的n型接触部(或n型电极)101、具有粗糙表面的n型GaN基材料层(n-typeGaN-based layer)102、有源区103、p型GaN基材料层(p-type GaN-based layer)104、宽区域反射性p型接触部(或p型电极或反射性p电极)105、以及用来机械支承该器件结构的导热和/或导电衬底106。
在制造过程中，在衬底(未示出)上形成n型GaN基材料层102，在n型GaN基材料层102上形成有源区103，并且在有源区103上形成p型GaN基材料层104，然而，也可以包括其它层。直接或间接地在p型GaN基材料层104上形成p型电极105。去除其上形成了n型GaN基材料层102的衬底，从而可以在n型GaN基材料层102的接合到被去除的衬底的表面上形成构图的n型电极101。在用于机械支承的导热衬底106上安装反射性p型电极105。
由于n型GaN基材料层102和p型GaN基材料层104彼此相对，它们一起形成了针对有源区103的一对载流子注入器。因此，当向LED器件100提供电源时，电子和空穴将在有源区103中结合，从而以光的形式释放能量。在图1A中，LED器件100内部的箭头示出，从p型电极105向构图的n型电极101大致垂直地形成电通路。图1B示出了图1A中的垂直LED的俯视图，其中，示出了具有四个指部和一个横条的n型接触部。本领域技术人员应明白，n型接触部的电极图案并不限于所示的电极图案。
图2A例示了倒装横向LED器件200的截面图。如图所示，通过将具有横向电流注入结构的横向LED器件200’翻转并安装在具有匹配金属接触焊盘208的基座衬底207上，形成了倒装横向LED器件200。基座衬底207可以电绝缘或导电。可以通过形成电绝缘基座207或者通过在导电基座(未示出)上形成绝缘介电涂层，来将金属接触焊盘208彼此电隔离。横向LED器件200’包括具有粗糙表面的n型GaN基材料层201、形成在n型GaN基材料层201上的有源区202、p型GaN基材料层203、p型电极204、以及n型电极205。
在制造过程中，在形成所述n型电极之前，去除p型电极204、有源区202、以及p型GaN基材料层203各自的一部分，使得在n型GaN基材料层201的顶部形成n型电极205。在图2A中，LED器件200’内部的箭头示出，从p型电极204到n型电极205形成了电通路。在形成n型电极205之后，翻转LED器件200’，并将该LED器件200’经由焊料或金属互连206安装在基座衬底207上，以形成倒装横向LED器件200。
图2B示出了图2A中的LED器件200’在被翻转安装到基座衬底207上之前的俯视图。图2B示出，p型电极204的面积比n型电极205的面积大。
利用GaN基材料形成了图1A-1B和图2A-2B的LED器件中的n型GaN基材料层、p型GaN基材料层、以及有源层。当向LED器件施加电压，被注入的载流子(即，空穴和电子)在有源层中复合，从而产生光辐射。所述GaN基材料的反射率在460nm波长处约为2.4。如果GaN基材料层和附近空气(或者其它封装材料)之间的界面处的光入射角大于临界角，则由于全内反射(TIR)，在LED器件内产生的光的绝大容易被捕获在该LED器件内部。根据Snell折射定律，GaN/空气界面处的临界角大约为24.6度。常规上，为了增加光从LED器件逃逸出的机会，LED器件的顶部表面被随机粗糙化，以打破TIR的限制。
现在将参考图3描述LED器件的光提取。图3所示的LED器件300是垂直LED器件，其包括GaN基材料结构310，该GaN基材料结构310包括n型GaN基材料层302、有源区303、p型GaN基材料层304、n型电极301、以及安装在衬底306上的p型电极305。标号320表示在LED器件300内产生的光的行进方向。通常，从有源区303发射出的光具有50/50的机会传播到LED器件300的顶部表面或底部表面。使用p型电极(在本文中也可替换地称为反射电极)重定向所述光，使其传播回LED器件300的顶部表面，如图3所示。反射电极305通常包含金属，并且反射电极305的反射率被设置得尽可能高，以减少反射损耗，因为，光辐射在从LED器件逸出之前趋向于被反射多次，如图3所示。
银(Ag)是形成AlInGaN LED器件的反射电极的合适金属，因为Ag在关注波长范围(即，400-700nm)内具有高反射率，并且该材料可以与p型GaN基材料层形成欧姆接触。由于在制造GaN基材料结构中使用的外延生长工艺和生长条件，p型GaN基材料层上通常有一定粗糙度。
图4是图3中的p型GaN基材料层304和包括Ag的p型电极305的放大图，示出了LED器件300内的光提取。通常，由于如图4所示的粗糙GaN/Ag界面410所导致的散射效应403和表面等离振子(SP)吸收420，从p型GaN基材料层侧测得的Ag的正入射反射率低于根据简单光学模型计算得出的期望值。粗糙界面410沿随机的方向对正入射光进行散射，从而减少了所有波长上的镜面反射。由于光子将继续在LED器件内反射，并最终将从LED器件逸出到例如附近的空气中，因此，在散射过程中通常不会丢失光子。然而，耦合成表面等离振子(SP)模式420的光子通常不能逸出，从而最终被丢失。结果，SP吸收对于反射率测量具有显著影响。根据实验测量，SP吸收的强度通常与界面粗糙程度相关。即使SP吸收的峰值可能低于400nm，但是，该吸收的宽度仍然宽到足以显著降低约460nm的波长附近的Ag反射率。
可以通过物理(例如，电子束或热)蒸发过程将p型电极(例如，Ag电极)淀积在p型GaN基材料层上，并且，如果正确执行该淀积，则Ag将无空隙地贴合p型GaN基材料层表面。p型GaN基材料层/Ag界面的粗糙度由p型GaN基材料层的质量决定。然而，淀积过程或接触退火过程期间生成的空隙的存在可以增加界面的粗糙度，从而进一步提高SP吸收。
为了在p型GaN层/Ag电极界面处实现高反射率值，提供这样一种LED器件，其中，p型GaN基材料层具有小于约3nm的均方根(RMS)粗糙度，以确保p型GaN基材料层/Ag电极界面有合适的光洁度，从而最小化SP吸收。
在一种变型例中，提供了一种制造具有光滑表面的p型GaN基材料层的方法，使得可以最大程度地减少SP吸收。
图5A-5C和图6A-6C分别示出了垂直LED器件500和倒装横向LED器件600的制造过程。除了关于n型电极的形成以及最后的安装之外，图5A和6A的处理基本遵循类似的制造步骤。
在图5A中，在诸如蓝宝石衬底501的衬底上形成n型GaN基材料层502。在n型GaN基材料层502上方，形成有源层503和p型GaN基材料层504。在一个示例中，优选地将p型GaN基材料层504的将与p型电极505接触(如图5B所示)的表面的RMS粗糙度控制为小于约3nm。在一个示例中，在具有受控压力和温度的反应室中，使用诸如三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(MTIn)、三甲基铝(TMAl)的金属有机化合物和氨、氢、氮以及用于硅和镁的掺杂前导物，通过MOCVD(金属有机化学气相淀积)，来形成p型GaN基材料层504。此外，淀积过程中的生长温度优选地高于950℃，并且，生长速率优选地小于约
Figure BPA00001229885000061
/分钟。
在淀积了RMS粗糙度小于约3nm的p型GaN基材料层之后，如图5B所示，在p型GaN基材料层504上形成p型电极505。另选的是，在淀积p型电极505之前，可以在p型GaN基材料层504上形成透明欧姆接触层(未示出)。例如，可以通过电子束蒸发法、溅射法、MOCVD等，利用诸如铟锡氧化物(TTO)或者铝掺杂氧化锌(AZO)的掺杂金属氧化物，来形成该透明欧姆接触层。类似地，当存在该透明欧姆接触层时，无论p-GaN表面的RMS粗糙度为多少，都可以把该透明欧姆接触层的RMS粗糙度控制得小于约3nm。
如上所述，图5B和5C的p型电极505是用来将向下发射的光反射回LED器件的项部表面的反射层，如图5B和5C所示。在形成p型电极505中所使用的示例金属包括Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Al、Pd、Ru、Rh、Mo以及它们的合金。
在一种变形例中，在形成p型电极505之后，从n型GaN基材料层502去除衬底501，以使得在n型GaN基材料层502的接合到衬底501的表面上形成n型电极506，如图5C所示。根据传统的粗糙化方法对其上形成有n型电极506的n型GaN基材料层502的表面进行粗糙化，以便最小化全内反射(TIR)效应，并提高光提取效率。而且，如图5C所示，可以在用于机械支承的基座衬底508上安装p型电极505。基座衬底508可以包括与在衬底501中所使用的材料类似的材料。即，可以从以下材料中的一种或更多种中选择基座衬底508：诸如Cu、Mo、W和Al的金属或它们的合金；诸如Si、GaAs、GaP、InP和Ge的半导体材料；以及/或者诸如Al2O3和AlN的陶瓷。
现在将详细描述图6A-6C。类似于图5A，在图6A中，在诸如蓝宝石衬底601的衬底上形成了n型GaN基材料层602、有源层603和p型GaN基材料层604。如上参考图5A所述，可以在具有受控压力和温度的反应室中，使用诸如三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(MTIn)、三甲基铝(TMAI)的金属有机化合物和氨、氢、氮以及用于硅和镁的掺杂前导物，通过MOCVD(金属有机化学气相淀积)，来形成p型GaN基材料层503。淀积过程中的生长温度优选地高于约950℃，并且，生长速率优选地小于约/分钟。此外，p型GaN基材料层的RMS粗糙度例如可以小于约3nm。
接着，在图6B中，在p型GaN基材料层604上形成透明欧姆接触层609和反射性p型电极605。如上所述，透明欧姆接触层609是可选的，而不构成对本发明保护范围的限制。与反射电极605直接接触的表面(例如，p-GaN表面或透明欧姆接触层表面)的RMS粗糙度可以小于3nm。
作为倒装横向LED器件600，图6C示出了反射性p型电极605、透明欧姆接触层609以及p型GaN基材料层604各自的一部分被刻蚀掉，使得在n型GaN基材料层602上形成n型电极606，如图6C所示。然后，翻转通过该工艺制作的LED结构，并将其经由焊料接点或金属互连610安装在带匹配金属接触焊盘611的基座衬底608上。通过电绝缘基座608或者在导电基座(未示出)上形成的绝缘介电涂层，将金属接触焊盘611彼此电隔离。
现在已经根据以上优点描述了根据本发明各方面的示例实施方式。可以理解，这些示例仅仅只是对本发明各方面的例示。很多变型例和修改例对于本领域技术人员而言都是清楚的。
提供以上描述以使本领域技术人员能够实现本文描述的各种方面。本领域技术人员容易明白对于这些方面的各种修改，本文限定的一般原理可以应用于其它方面。因此，权利要求不限于本文所述的各方面，而是与语言权利要求一致的全部保护范围相符合，其中，除非明确指出，否则，以单数形式提及要素并不是指“一个且仅有一个”，而是指“一个或更多个”。除非明确指出，否则，词语“一些”是指一个或更多个。通过引用，将本领域技术人员已知的或者以后将知道的关于贯穿本文所描述的各个方面的要素的结构和功能等同例明确并入本文，并且这些等同例被涵盖在权利要求的保护范围之内。此外，不管是否在权利要求中明确陈述了这样的公开内容，本文公开的任何内容都不是专用于公众的。不应根据35U.S.C.§112第6款的规定来理解权利要求要素，除非使用表述“用于......的单元”来明确陈述该要素，或者，在方法权利要求的情况下，使用表述“用于......的步骤”来陈述该要素。

Claims (45)

1.一种发光二极管，该发光二极管包括：
外延层结构；
第一电极；以及
第二电极，
其中，所述第一电极和所述第二电极设置在所述外延层结构上，并且所述外延层结构在形成有所述第二电极的表面上具有小于约3nm的均方根粗糙度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述第二电极包括从包括Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Al、Pd、W、Ru、Rh、Mo和它们的合金的组中选择的金属。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述外延层结构包括第一外延层和第二外延层，其中，所述第一外延层在所述第一电极与所述第二外延层之间，而所述第二外延层在所述第二电极与所述第一外延层之间。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其中，所述第二电极形成在所述第二外延层上，并且所述第二外延层的形成有所述第二电极的表面具有小于约3nm的均方根粗糙度。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，其中，所述第一外延层是n型外延层，而所述第二外延层是p型外延层。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其中，所述第一电极是n型电极，而所述第二电极是p型电极。
7.根据权利要求3所述的发光二极管，其中，所述第二外延层是使用金属有机化合物溶液、通过金属有机化学气相淀积来淀积的。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其中，所述第二外延层是以不低于950℃的温度和不超过/分钟的生长速度来形成的。
9.根据权利要求3所述的发光二极管，该发光二极管还包括形成在所述第二外延层与所述第二电极之间的透明欧姆接触层。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其中，所述透明欧姆接触层的与所述第二电极相邻的表面具有小于约3nm的均方根粗糙度。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述第一电极和所述第二电极淀积在所述外延层结构的任一侧。
12.根据权利要求11所述的发光二极管，其中，所述第二电极安装在衬底上。
13.根据权利要求12所述的发光二极管，其中，所述衬底是从包括金属、半导体材料以及陶瓷的组中选择的。
14.根据权利要求13所述的发光二极管，其中，所述金属包括从包括Cu、Mo、W和Al的组中选择的至少一种，其中，所述半导体材料包括从包括Si、GaAs、GaP、InP和Ge的组中选择的至少一种，并且其中，所述陶瓷包括从包括Al2O3和AlN的组中选择的至少一种。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述第一电极和所述第二电极淀积在所述外延层结构的一侧。
16.根据权利要求15所述的发光二极管，其中，所述外延层结构包括p型外延层和n型外延层，其中，所述n型外延层在所述第一电极与所述p型外延层之间，而所述p型外延层在所述第二电极与所述n型外延层之间，并且其中，所述第一电极位于所述n型外延层上。
17.根据权利要求15所述的发光二极管，其中，所述第一电极和所述第二电极安装在衬底上。
18.根据权利要求15所述的发光二极管，其中，所述第一电极和所述第二电极经由焊料焊接和金属互连中的一种安装在所述衬底上。
19.根据权利要求15所述的发光二极管，其中，所述衬底是从包括金属、半导体材料以及陶瓷的组中选择的。
20.根据权利要求19所述的发光二极管，其中，所述金属包括从包括Cu、Mo、W和Al的组中选择的至少一种，其中，所述半导体材料包括从包括Si、GaAs、GaP、InP和Ge的组中选择的至少一种，并且其中，所述陶瓷包括从包括Al2O3和AlN的组中选择的至少一种。
21.根据权利要求17所述的发光二极管，其中，所述衬底上具有绝缘涂层。
22.一种制造发光二极管的方法，该方法包括以下步骤：
形成外延层结构；和
在所述外延层结构上淀积第一电极和第二电极，
其中，所述外延层结构在形成有所述第二电极的表面上具有小于约3nm的均方根粗糙度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，通过淀积金属来形成所述第二电极，所述金属包括从包括Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Al、Pd、W、Ru、Rh、Mo和它们的合金的组中选择的至少一种。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述外延层结构包括第一外延层和第二外延层，其中，所述第一外延层在所述第一电极与所述第二外延层之间，而所述第二外延层在所述第二电极与所述第一外延层之间。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述第二外延层上形成所述第二电极，并且所述第二外延层的形成有所述第二电极的表面具有小于约3nm的均方根粗糙度。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一外延层是n型外延层，而所述第二外延层是p型外延层。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一电极是n型电极，而所述第二电极是p型电极。
28.根据权利要求26所述的方法，该方法还包括以下步骤：在所述n型外延层与所述p型外延层之间形成有源层。
29.根据权利要求24所述的方法，该方法还包括以下步骤：淀积在所述第二外延层与所述第二电极之间形成的透明欧姆接触层。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述透明欧姆接触层的与所述第二电极相邻的表面具有小于约3nm的均方根粗糙度。
31.根据权利要求24所述的方法，其中，使用金属有机化合物溶液、经由金属有机化学气相淀积来形成所述第二外延层。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，以不低于950℃的温度和不超过/分钟的生长速度来形成所述第二外延层。
33.根据权利要求22所述的方法，其中，在所述外延层结构的任一侧上淀积所述第一电极和所述第二电极。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述发光二极管是垂直发光二极管器件。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，在衬底上安装所述第二电极。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，从包括金属、半导体材料以及陶瓷的组中选择所述衬底。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述金属包括从包括Cu、Mo、W和Al的组中选择的至少一种，其中，所述半导体材料包括从包括Si、GaAs、GaP、InP和Ge的组中选择的至少一种，并且其中，所述陶瓷包括从包括Al2O3和AlN的组中选择的至少一种。
38.根据权利要求22所述的发光二极管，其中，在所述外延层结构的一侧淀积所述第一电极和所述第二电极。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述发光二极管是倒装横向发光二极管器件。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述外延层结构包括p型外延层和n型外延层，其中，所述n型外延层在所述第一电极与所述p型外延层之间，而所述p型外延层在所述第二电极与所述n型外延层之间，并且其中，所述第一电极位于所述n型外延层上。
41.根据权利要求38所述的方法，该方法还包括以下步骤：在衬底上安装所述第一电极和所述第二电极。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，经由焊料焊接和金属互连中的一种将所述第一电极和所述第二电极安装在所述衬底上。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，所述衬底上具有绝缘涂层。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，通过淀积从包括金属、半导体材料以及陶瓷的组中选择的一种来形成所述衬底。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述金属包括从包括Cu、Mo、W和Al的组中选择的至少一种，其中，所述半导体材料包括从包括Si、GaAs、GaP、InP和Ge的组中选择的至少一种，并且其中，所述陶瓷包括从包括Al2O3和AlN的组中选择的至少一种。
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