专利名称：光子隧穿发光二极管和方法
技术领域：
本公开涉及光学器件，并且特别涉及发光二极管(“LED”)。更特别地，本公开涉 及促进光子隧穿的LED。
背景技术：
发光二极管(“LED”)普遍存在于电子设备中。它们被用在数字显示器、照明系 统、计算机和电视机、蜂窝电话以及各种其它器件中。LED技术的发展已经引起了使用一个 或多个LED产生白光的方法和系统。LED技术的发展已经引起了比以前产生更多光子且因 而产生更多光的LED。这两个技术发展的顶点是LED正被用来补充或替代许多传统的照明 源，例如白炽灯、荧光灯或卤素灯，就像在计算机中晶体管替代真空管一样。当前用于LED的构造的产业实践是使用衬底(典型为单晶的蓝宝石或碳化硅)，在 衬底上沉积诸如GaN或InGaN之类的材料层。一个或多个层(例如GaN或hGaN)可以使 得能够进行光子产生和电流传导。典型地，将第一层的氮化镓(GaN)施加于衬底的表面，以 便形成从衬底的晶体结构到使得能够进行光子产生或电流传导的掺杂层的晶体结构的过 渡区域。这典型地继之以GaN的N掺杂层。下一层可以是hGaN、AWaN、AlInGaN或其它 化合物半导体材料层，其产生光子并且掺杂有所需的材料以产生期望波长的光。下一层典 型地是GaN的P掺杂层。通过刻蚀和沉积以产生用于与器件电连接的金属位点(metallic site)而对此结构进行进一步修改。近年来，LED制造商已经生产了薄膜LED。在薄膜LED中，去掉了衬底并且使GaN 层减薄到大约2-3 μ m。在一些情况下，替代衬底应用于减薄的GaN。在GaN层中产生光并 且该光必须逃逸到周围介质中。但是，由于GaN中的内部反射，光可以变得被俘获在GaN层 中，并且实际上仅仅使逃逸锥之内的光进入空气或衬底。其余光子被俘获在材料内并且最 后被吸收作为热量。当前减轻此问题的解决方案是使GaN变粗糙以破坏波导效应。
发明内容
这里描述的实施例提供促进光子隧穿到空气或其它介质的LED。由于光子直接隧 穿到空气中，因此光子没有变得被俘获在诸如GaN或衬底之类的体(bulk)材料中。因此， 不必对GaN和/或衬底进行几何形状的修改来提取俘获在相应层中的光。LED器件的一个实施例可以具有适于产生具有波长的光的量子阱层、在该量子阱 层的第一侧的P掺杂合金层和在该量子阱层的另一侧的η掺杂合金层。该器件还可以包括 与P掺杂合金层电连接的电极和与η掺杂合金层电连接的电极。
根据一个实施例，η掺杂合金层的厚度比由量子阱层产生的光的波长小，以便使得 由量子阱层产生的光能够隧穿到介质(例如，空气)。实际上，整个层结构可以具有比该波 长小的厚度。另一个实施例可以包括具有提供电极的子基板(SUbmoimt)和安装到该子基板的 LED层结构的LED器件。LED层结构可以包括夹在n-GaN层和p_GaN层之间的量子阱层、布 置于P-GaN层上的ρ-金属层、布置于n-GaN层上的透明金属层、以及布置于n-GaN层上的 一个或多个η-金属接触件。量子阱层可以适于产生具有波长的光。该LED层结构可以被 配置为使得由量子阱层产生的光能够隧穿到周围空气。
通过参考结合附图的以下描述，可以获得对实施例及其优点的更完整的理解，在 附图中类似的附图标记指示类似的特征，并且在附图中图1是光子隧穿的图形表示；图2是LED层结构和衬底的实施例的图形表示；图3示出具有减薄到指定厚度的P-GaN层的LED层结构的实施例；图4是具有ρ-金属层的LED层结构的实施例的图形表示；图5是接合到子基板的LED层结构的一个实施例的图形表示；图6是具有减薄的n-GaN层的LED层结构的实施例的图形表示；图7是具有透明的金属层的LED层结构的一个实施例的图形表示；图8是具有接触件的LED层结构的实施例的图形表示；和图9是具有衬底的LED层结构的实施例的图形表示。
具体实施例方式参考在附图中示出且在下面说明书中详细描述的示例性的且因此非限制性的实 施例，来更充分地说明本公开及其各个特征和有利细节。可以省略已知的原材料和工艺的 描述以便不会不必要地模糊本公开的细节。但是，应当理解，在指示优选实施例时的详细描 述和具体的示例是以仅仅例证的方式而不是以限制的方式给出的。根据本公开，在内在的 发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、增加和/或重新布置对本领域技术人员将 变得明显。这里使用的术语“包括”、“包括......的”、“包含”、“包含......的”、“具有”、
“具有......的”或其任何其它变形意图覆盖非排它的包括。例如，包括一列元件的工艺、
产品、物品或装置不一定仅仅限于那些元件，而是可以包括没有明确列出的或这种工艺、产 品、物品或装置固有的其它元件。此外，除非有明确的相反的陈述，否则“或”指的是兼或 (inclusive or)而不是异或。例如，以下中的任何一种满足条件“A或B”:A是真(或存在) 且B是假(或不存在)、A是假(或不存在)且B是真(或存在)、以及A和B 二者都是真 (或存在)。另外，这里给出的任何示例或例证不应以任何方式被视为对它们使用的任何一个 或多个术语的限制、局限于所述任何一个或多个术语、或者表示对所述任何一个或多个术 语的限定。相反，这些示例或例证应被视为是对于一个特定实施例而描述的并且仅仅是说明性的。本领域技术人员将理解，这些示例或例证使用的任何一个或多个术语涵盖在此处 或在说明书中其它地方可能给出或可能没有给出的其它实施例及其实施方式和修改，并且 所有这样的实施例意图被包括在该一个或多个术语的范围内。指明这样的非限制性示例和 例证的语言包括但不限于“例如”、“比如”、“举例来说”、“在一个实施例中”等等。现在将详细参考本公开的示例性实施例，附图中示出了其示例。只要可能，类似的 数字将在全部附图中被用来指示各个附图的类似的和对应的部件(元件)。光子隧穿指的是当粒子遇到无限势垒时发生的效应。如果粒子的波函数大于势垒 宽度(potential extent)，则有粒子存在于势垒之外(beyond)的可能性。随着势垒宽度减 小，粒子出现在势垒的另一侧的概率增大。图1示出了指示光子存在于GaN势垒35的任一 侧的概率幅度的粒子波函数30。可以看到，随着势垒变薄，光子存在于势垒35之外的概率 增大。根据LED的各个实施例，随着量子阱层和空气之间的距离减小，光子隧穿到空气 的概率增大。如果n-GaN和p-GaN层足够薄，则在量子层中产生的光子将有更大的概率性 机会出现在空气中。图2是LED层结构100和衬底110的实施例的图形表示。示出了衬底110、p_GaN 层130、n-GaN层120和量子阱层140。在一个实施例中，GaN和Al2O3分别用于掺杂层和衬 底。但是，可以使用其它合适的掺杂层和衬底材料，包括但不限于AWaAS、AlGaP、AWaInP、 GaAsP, GaP, InGaN, SiC、Si、ZnSe、金刚石、A1N、AlGaN。量子阱层140可以包括被配置为产生特定波长的光的单量子阱(SQW)或多量子阱 (MQff)层，并且可以包括多个材料层。LED层结构100可以包括诸如缓冲层或其它层之类的 附加层。与光子出现在GaN层中并且被提取通过衬底110的典型LED不同，这里描述的LED 的实施例可以使得至少一些光子直接隧穿到空气或其它介质中。根据一个实施例，包围量 子阱层的一个或多个层可以被充分减薄以使得光子将有概率出现在空气中。根据一个实施例，LED可以由具有减薄到指定厚度的现有层的晶片(wafer)形成。 在另一个实施例中，晶片可以初始被形成为带有具有指定厚度的层。图3示出了其中p-GaN 层130已经被减薄到指定厚度的LED层结构100的实施例。可以通过使用激光去除的刻蚀、 机械研磨、电感耦合等离子体刻蚀、化学刻蚀、光电化学刻蚀和/或抛光或其它技术来去除 P-GaN层130的材料。当p-GaN层处于期望的厚度时，可以将ρ-金属添加到p_GaN层130 以提供电连接。在图4的实施例中，例如，可以将ρ-金属层(或多个ρ-金属层)145沉积 在P-GaN层130上。可以使用任何合适的ρ-金属层。作为示例但不作为限制，ρ_金属层 145的一个实施例可以包括银层，该银层后有诸如Ni或W之类的势垒金属，该势垒金属后有 诸如Au之类的接合金属。在一个实施例中，ρ-金属层145可以是反射性的。图5是接合到子基板150的LED层结构100的一个实施例的图形表示。用于为LED 提供结构支撑和/或电连接的子基板在本领域中是已知的，并且可以使用在本领域中已知 或开发的任何合适的子基板。根据一个实施例，子基板150可以包括与ρ-金属层(或多个 P-金属层)145接触或连接的一个或多个电极151。子基板150还可以具有与η-金属接触 件连接的电极(或多个电极)152，如下所述。根据一个实施例，子基板150可以由导电材料 构造。LED层结构100可以使用晶片接合或其它技术接合到子基板150。
图6是具有减薄的n-GaN层120的LED层结构100的实施例的图形表示。可以 在n-GaN层120的减薄之前或期间使用激光剥离(liftoff)、机械研磨、化学去除或其它技 术去除衬底110以暴露n-GaN层120。根据一个实施例，例如，可以使用激光加热n_GaN层 120以使得( 液化，从而去除衬底110。然后可以通过使用激光剥离、机械研磨、化学去除、 电感耦合等离子体刻蚀、化学刻蚀、光电化学刻蚀和/或抛光或其它技术来将GaN层120减 薄到期望的厚度。n-GaN层120不必被变粗糙，因为它不会充当波导。根据一个实施例，ρ-GaN层130、量子阱层140和n-GaN层120的组合厚度小于或 等于量子阱层产生的光的波长。例如，在蓝光LED的情况下，可以选择厚度以使得组合厚度 小于460纳米或其它选择的蓝光的波长。继续该示例，n-GaN层120可以是300纳米、200 纳米、100纳米、50纳米或其它厚度。虽然在前一示例中，p-GaN, n_GaN和量子阱的整个叠 层比波长小，但是在另一个实施例中，仅仅使一边减薄到比波长小。在一个实施例中，例如， 量子阱层140和空气(或其它介质)之间的n-GaN层120和任何其它层的厚度比介质中产 生的光的波长小，而P-GaN层可以具有较大的厚度。当n-GaN层120是期望的厚度时，可以将基本上透明的金属层155沉积在n-GaN 层120上，如图7的示例所示。该金属可以是使得光能够透过的金、ITO或其它金属的薄层。 基本上透明的金属层155可以包括没有可观地吸收光的任何金属层。在一个实施例中，如 果厚度小到该层没有过度妨碍光子隧穿，则可以将具有高的吸收系数的金属用作层155。图8是示出LED层结构100的实施例具有比产生的光的波长小的厚度的图形表 示。另外，图8示出了 η-金属接触件160。可以将η-金属接触件160沉积在n-GaN层120 的一部分之上。可以使用任何合适的接触件金属，包括但不限于，Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Al/ Au、ITO以及其它。电连接件165可以与接触件160和子基板150的合适的引线耦接。在上述实施例中，LED层结构100不包括衬底。在其它实施例中，新的衬底可以接 合到LED。图9是接合到LED层结构100的衬底200的一个实施例的图形表示。衬底200 可以由任何合适的衬底材料制成，该衬底材料包括但不限于，蓝宝石、金刚石、模制玻璃或 其它衬底材料。衬底200可以使用光学粘合剂而接合到n-GaN层120或诸如缓冲层之类的 另一个层。在图9的实施例中，光隧穿到衬底中而不是直接隧穿到空气中。由于衬底中的内 部反射，可能损失一些效率。为了降低此损失，可以将衬底200加工成形。根据一个实施例， 可以如题为“LED System andMethod”的美国专利申请No. 11/906, 194中所述地将衬底加 工成形，该申请的全部内容通过引用而被合并于此。上述实施例使用由GaN材料构造的LED的示例。但是，本发明的实施例也可以采 用其它合金层。此外，虽然图8将整个LED层结构示出为具有比光的波长小的厚度，但是在 其它实施例中，LED层的仅仅一侧具有比产生的光的波长小的厚度。在上述说明书中，已经参考具体的实施例描述了本公开。但是，本领域技术人员能 够理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以用许多方式修改或实施这里公开的 LED的实施例。因此，此描述应被解释为仅仅说明性的。应当理解，这里示出和描述的本公 开的形式应当被看作示例性实施例。等同的元件或材料可以代替这里示出和描述的元件或 材料。此外，本公开的某些特征可以独立于其它特征的使用而被使用，所有这些对于在受益 于本公开的此描述之后的本领域技术人员会是明显的。
权利要求
1.一种LED器件，包括LED层结构，包括适于产生具有波长的光的量子阱层、在该量子阱层的第一侧的ρ掺杂 合金层、在该量子阱层的与该第一侧相对的第二侧且在该量子阱层和介质之间的η掺杂合金层；与该P掺杂合金层电连接的电极； 与该η掺杂合金层电连接的电极；其中该η掺杂合金层的厚度比该波长薄，以使得由该量子阱层产生的光能够隧穿到该 介质。
2.如权利要求1所述的LED器件，还包括在该量子阱层和该介质之间的该第二侧的一 个或多个附加层，其中该一个或多个附加层和该η掺杂合金层的组合厚度比该量子阱层适 于产生的光的波长小。
3.如权利要求2所述的LED器件，其中该ρ掺杂合金层是p-GaN，并且该η掺杂合金层 是 n-GaN0
4.如权利要求3所述的LED器件，其中在该量子阱层的第二侧的一个或多个附加层包 括布置于该n-GaN的表面上的基本上透明的金属层。
5.如权利要求3所述的LED器件，其中该LED层结构还包括在该量子阱层的第一侧的 一个或多个附加层。
6.如权利要求5所述的LED器件，其中在该量子阱层的第一侧的一个或多个附加层包 括布置于该P-GaN上的ρ-金属层。
7.如权利要求6所述的LED器件，其中该LED层结构比该量子阱层适于产生的光的波长薄。
8.如权利要求3所述的LED器件，其中该介质是空气。
9.如权利要求8所述的LED器件，其中该LED层结构的厚度小于460纳米。
10.如权利要求3所述的LED器件，还包括接合到该LED层结构的衬底。
11.如权利要求1所述的LED器件，还包括支撑该LED层结构并且提供电极的子基板。
12.如权利要求1所述的LED器件，还包括布置于该η掺杂合金层的表面上的一个或多 个电接触件。
13.一种LED器件，包括 子基板，包括第一电极和第二电极； LED层结构，包括量子阱层，被夹在n-GaN层和ρ-GaN层之间，该量子阱层适于产生具有波长的光；其中 该n-GaN层具有比该波长小的厚度；P-金属层，布置于该P-GaN层上并且与第一电极电连接；一个或多个η-金属接触件，布置于该n-GaN层上并且与第二电极电连接；基本上透明的金属层，布置于该n-GaN层上；其中该LED层结构适于使得由该量子阱层产生的光能够隧穿到通过该n-GaN层和基本 上透明的金属层与该量子阱层分离的空气。
14.如权利要求13所述的LED器件，其中该LED层结构具有比该波长小的组合厚度。
15.如权利要求13所述的LED器件，其中该LED层结构的厚度小于460纳米。
16.一种形成LED的方法，包括提供LED层结构，该LED层结构包括适于产生具有波长的光并且布置于n-GaN层和 P-GaN层之间的量子阱层，该LED层结构具有布置于其上的衬底； 将P-金属层施加到该P-GaN层； 将该LED层结构耦接到子基板； 去除该衬底；将该n-GaN层减薄到选择的厚度；以及 将基本上透明的金属层施加到该减薄的n-GaN层；其中最后得到的LED层结构具有比该波长小的厚度，以使得由该量子阱区域产生的光 能够隧穿到空气。
17.如权利要求16所述的方法，还包括在将该LED层结构安装在该子基板上之前将 该p-GaN层减薄。
18.如权利要求17所述的方法，还包括将该p-GaN层和n_GaN层与电极电连接。
全文摘要
这里描述的实施例包括促进光子隧穿的LED。LED器件的一个实施例可以具有适于产生具有波长的光的量子阱层、在该量子阱层的第一侧的p掺杂合金层和在该量子阱层的另一侧的n掺杂合金层。该器件还可以包括与p掺杂合金层电连接的电极和与n掺杂合金层电连接的电极。根据一个实施例，该n掺杂合金层的厚度比由该量子阱层产生的光的波长小，以使得由该量子阱层产生的光能够隧穿到介质(例如，空气)。在另一个实施例中，整个层结构可以具有比该波长小的厚度。
文档编号H01L33/00GK102150285SQ200980135660
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月28日 优先权日2008年8月1日
发明者D·T·董, W·G·弗里恩 申请人:伊鲁米特克有限公司