具有减少导光效果的低折射率材料层的发光二极管的制作方法

具有减少导光效果的低折射率材料层的发光二极管的制作方法
【专利摘要】公开了包括用于减少导光的低折射率层的发光二极管。该发光二极管包括至少一个n型掺杂层、至少一个p型掺杂层、以及设置在至少一个n型掺杂层和至少一个p型掺杂层之间的有源区域。有源区域包括发光材料。发光二极管进一步包括设置在有源区域中或者有源区域周围的至少一个低折射率层。
【专利说明】具有减少导光效果的低折射率材料层的发光二极管
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年3月6日提交的美国临时申请第61/607，188号的权益，通过引用将其全部内容合并于此。

【技术领域】
[0003]本发明涉及从发光二极管(LED)的光提取的领域，且更具体地涉及在发光二极管中使用低折射率材料层以减少导光效果。

【背景技术】
[0004]从发光二极管(LED)的光提取的问题是众所周知的。LED由高折射率的半导体材料制成。令人遗憾地，由LED产生的光的部分由于全内反射而从外部介质(空气或者密封材料)的界面内反射。该光被称为导光(guided light)。因为其限制了光提取，所以它的存在对LED的性能是不利的。各种方法可被用于提取导光，诸如成形LED，或者粗糙化一些表面。这些方法的目的在于中断引导轨迹从而增加光提取。然而，传统方法未能减小导光并且从而没能使从LED的光提取最大化。
[0005]因此，期望一种增加光提取效率且尤其是减小LED中导光的改进方法。


【发明内容】

[0006]公开了一种包括用于减少导光的低折射率层的发光二极管。发光二极管包括:至少一个η型掺杂层、至少一个P型掺杂层、和设置在至少一个η型掺杂层和至少一个P型掺杂层之间的有源区域(active reg1n)。有源区域包括发光材料。发光二极管进一步包括设置在有源区域中或者有源区域周围的至少一个低折射率层。
[0007]在第一方面中，提供一种发光二极管包括:至少一个η型掺杂层；至少一个P型掺杂层；有源区域，包括至少一个发光材料层，设置在至少一个η型掺杂层和至少一个P型掺杂层之间；以及至少一个低折射率层，设置在有源区域一个光波长之内，低折射率层被配置为显著减小由有源区域引导的光。
[0008]在第二方面中，提供一种发光二极管包括:至少一个η型掺杂层，包含氮化镓基材料；至少一个P型掺杂层，包含氮化镓基材料；AlGaN/InGaN超晶格的特征在于，小于所述AlGaN/InGaN超晶格的平均折射率(whose average index)的平均折射率(averagerefractive index)未比GaN的平均折射率超过多于0.05 ;有源区域,包括一系列量子讲或者一个或多个双异质结构，其中，有源区域的特征在于总厚度小于50nm ;以及电子阻挡层，电子阻挡层的折射率比GaN的折射率减去0.05低。
[0009]在第三方面中，提供一种发光二极管包括:至少一个η型掺杂层，包含氮化镓基材料；至少一个P型掺杂层，包含氮化镓基材料；有源区域，设置在至少一个η型掺杂层和至少一个P型掺杂层之间，有源区域包括由氮化铟镓基材料形成的一个或多个层；以及至少一个低折射率材料层，设置在至少一个P型掺杂层与有源区域之间、或者设置在至少一个η型掺杂层与有源区域之间，其中至少一个低折射率材料层具有低于氮化镓的折射率的折射率。
[0010]在第四方面中，提供一种制造发光二极管的方法包括:提供基板，基板包括含有氮化镓基材料的表面区域；形成耦接至基板的表面区域的至少一个η型掺杂层，至少一个η型掺杂层包含氮化镓基材料；形成耦接至η型掺杂层的有源区域，有源区域包括由氮化铟镓基材料形成的一个或多个层；形成耦接至有源区域的至少一个P型掺杂层，至少一个P型掺杂层包含氮化镓基材料；以及形成至少一个低折射率材料层，设置在至少一个P型掺杂层和有源区域之间、或者设置在至少一个η型掺杂层和有源区域之间，其中至少一个低折射率材料层具有低于氮化镓的折射率的折射率，并且低折射率层形成为显著减少由有源区域引导的光。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是根据一些实施方式的生长在GaN基板上的LED的简图。
[0012]图2是根据一些实施方式的生长在具有透明的P-接触的蓝宝石基板上的LED的简图。
[0013]图3示出根据一些实施方式的发射大约为400nm波长的光并且在有源区域中具有导光的LED的发光光谱和吸收光谱的实验结果。
[0014]图4是示出根据一些实施方式的对LED的有源区域中被引导的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果的曲线图。
[0015]图5是示出根据一些实施方式的具有跨在有源区域上的低折射率层的LED的简图。
[0016]图6A和图6B是示出根据一些实施方式的分别具有电子阻挡层设计和具有低折射率材料层设计的LED中的导模分布(guided mode profile)的简图。
[0017]图7A和图7B示出根据一些实施方式的对分别具有电子阻挡层设计和具有低折射率材料层设计的LED建模的导模分布的简图。还示出针对两个设计的折射率分布。
[0018]图8示出根据一些实施方式的在低折射率材料层中的各种成分(composit1n,组合物)的情况下，LED的有源区域中被引导光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。示出针对没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考。
[0019]图9示出根据一些实施方式的针对低折射率材料层的各种厚度，LED的有源区域中被引导光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。示出针对没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考。
[0020]图10示出根据一些实施方式的针对量子势垒的各种成分，LED的有源区域中被引导光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。示出针对没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考。
[0021]图11示出根据一些实施方式的包括低折射率材料势垒和低折射率材料电子阻挡层的LED的有源区域中被引导光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。也示出用于没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考。
[0022]图12是示出根据一些实施方式的在包括超晶格层的LED中的导模分布的简图。
[0023]图13示出根据一些实施方式的包括设置在超晶格层内的低折射率层的LED的有源区域中被引导光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。也示出没有电子阻挡层、以及有超晶格层的LED和没有超晶格层的LED的有源区域中被引导光的部分的建模结果。
[0024]图14是示出根据一些实施方式的制造LED的方法的简化流程图。
[0025]图15示出根据一些实施方式的折射率作为第III族氮化物化合物的波长(1502、1504、1506、以及1508)以及作为第III族氮化物LED (1510)的发射光谱的函数的实验值。
[0026]图16示出根据一些实施方式的在波长415nm时第III族氮化物化合物的折射率作为In或者Al含量的函数。
[0027]图17示出根据一些实施方式的具有量子阱有源区域、较低含量的量子阱和各种低折射率材料层的第III族氮化物LED的折射率分布。
[0028]图18示出用于测量外延结构中的导光的存在的实验装置(setup)。
[0029]图19示出通过图18中描述的实验装置在LED刻面收集的导光的图像。
[0030]图20示出根据一些实施方式的具有双异质结构有源区域、较低含量的量子阱和各种低折射率材料层的第III族氮化物LED的折射率分布。
[0031]图21示出具有包括四个量子阱、超晶格、和电子阻挡层的有源区域的第III族氮化物LED的折射率分布，用于与其他实施方式比较。
[0032]图22示出针对图21中描述的结构，导光的部分作为LED的发射波长的函数。
[0033]图23示出针对与图21相似的但是具有低折射率材料层以便减少导光发射的本发明的实施方式，导光的部分作为LED的发射波长的函数。
[0034]图24示出了作为量子阱的数量的函数的建模的提取效率，针对没有低折射率层的LED(2402)的LED并且与具有低折射率层的LED(2404)相比较。

【具体实施方式】
[0035]在下文中，将参照其中示出示例性实施方式的附图更加全面地描述各种的实施方式。但是，可以体现为许多不同的形式并且不应被解释为仅限于本文所阐述的实施方式。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。
[0036]本公开内容的一些实施方式涉及改进用于实施具有减少导光效果的低折射率材料(LIM)层的发光二极管的方法。更具体地，本文所公开的是用于具有减少导光效果的LIM层的发光二极管的方法和系统。
[0037]从发光二极管(LED)的光提取的问题是众所周知的。LED由高折射率的半导体材料制成。令人遗憾地，由LED产生的光的部分由于全内反射而从外部介质(空气或者密封材料)的界面内反射。该光被称为导光(guided light)。因为其限制了光提取，所以它的存在对LED的性能是不利的。各种方法可被用于提取导光，诸如成形LED，或者粗糙化一些表面。这些方法的目的在于中断引导轨迹从而增加光提取。然而，传统方法未能考虑最小化或者消除有源区域内的导光的方面。此外，上述传统技术的应用没有产生采用LIM层以便减少导光效果的发光二极管的设计。
[0038]图1示出根据一些实施方式的生长在GaN基板上的LED 100的简图。长在块GaN基板101上的LED被翻转在基台(submount) 102上。除了由于在GaN/空气界面103的全内反射而光在LED中被引导之外，有源区域104提供附加的引导105。在有源区域104的右侧描绘了导光105的分布。
[0039]如在图1中示出的，LED生长在块(bulk)的氮化镓(GaN)基板101上，并且被放置在可以用作P-接触的基台102上。光106通过有源区域104发射。尽管其他轨迹103在LED结构内被引导，但一些光轨迹被提取至外部介质107。在LED的有源区域104内可能存在传统设计中通常没有解决的用于导光的另一个通道，即，附加的导光效果105。LED的有源区域104内的附加的导光效果105适用于图1的LED以及其他类型的LED构造，例如，在图2中示出的LED。GaN构成LED的基板材料，和它的基质材料(即，生长在基板上并且构成外延层的基体(matrix)的材料,其中，嵌入其他LED层)。
[0040]图2示出根据一些实施方式的生长在具有透明的P-接触202的蓝宝石基板201上的LED 200的简图。光203通过有源区域204发射。一些光轨迹被提取到外部介质205，其它被提取到蓝宝石基板206，以及其他207在LED内被引导。除由于在GaN/空气界面的全内反射205，光在LED中被引导之外，有源区域204提供附加的引导208。在LED的一些实施方式中，有源区域204包括发光层，该发光层的特征在于折射率大于LED的基质材料的折射率。例如，在第III族氮化物LED的情况下，有源区域通常是生长在氮化镓基质层(hostlayer)上的交替InGaN量子阱和氮化镓量子势垒(QB)的堆叠，InGaN的折射率大于GaN的折射率。在一些情况下，量子阱/量子势垒堆叠可以被双异质结构有源区域替代。这里，基板是蓝宝石而基质材料(host material)是GaN。
[0041]如果量子阱堆叠的成分/数量/厚度足够大，那么有源区域可以支撑一个或多个导模。许多商业LED包括具有生长在有源区域以下的适度的铟成分的GaN/InGaN超晶格或者块InGaN层。该层也可以导致不希望有的导光和/或增加由有源区域所引起的引导效果。
[0042]如本文中使用，术语“导模”是指有源区域(GLAR)中的和在有源区域附近的导光而不是引导在LED的块(例如，除有源区域之外)中的常规光。有源区域(GLAR)中的导光的命运不同于非GLAR导光的命运。非GLAR导光照射在外部介质的各种界面上，使得这些界面成形或者纹理可以引起改善的光提取。在另一方面，GLAR只限于在有源区的附近并且仅可横向地传播穿过该层。因此，用于提高光提取的常规技术基本上不影响GLAR。
[0043]一般而言，GLAR的存在是由于高折射率的层(诸如发光层)和较低折射率的周围层之间的折射率差异。低折射率的层可以包括所谓的基质材料，即，生长在基板上的材料基体并且其中嵌入各种其他LED层。例如，在蓝宝石基板上的块GaN LED和GaN LED的两种情况下，基质材料是GaN。高折射率的层可以包括发光层，及在有源区域附近的诸如超晶格等的其他层。GLAR的特征在于其在基质材料或者一些其他低折射率层中逐渐消失，但是在一些高折射率层中传播的事实。
[0044]当其传播时，GLAR可以被有源区域重新吸收，或者被其他层吸收，诸如通过有损耗的接触吸收。在被有源区域重新吸收的情况下，创建的载体对可以进一步被重新发射为光并且因此经历多个吸收-发射周期。然而，该多个吸收-发射过程具有比单个吸收-发射周期低的效率，因为有源区域的内部量子效率小于单位(unity)。
[0045]图3示出根据一些实施方式的发射波长为大约400nm的光和具有在有源区域中的导光的LED的发光光谱和吸收光谱的实验结果。虚线表示在该波长以下，吸收系数大于约
0.02 μ πΓ1。在该图中选择该值是因为其对应于光吸收长度50 μ m，与LED的横向长度相比，该光吸收长度是短的长度。因此，在相应的波长的导光在其可以在LED内传播显著的横向距离之前将被有源区域重新吸收。一旦导模被支撑，其可以运载有源区域的总的自发发射的大部分。
[0046]图4是示出根据一些实施方式的LED的有源区域中被引导的光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果的曲线图。在建模中，使用GaN和InGaN之间的0.2的折射率步长。该值是本领域中已知的实际值。如在图4中示出的，如果使用多于8个量子阱，将引导高达20%的总发射光。对于大量的量子阱来说，GLAR的部分达到25%以上的渐近值。因此，LED的总功率的相当大部分可以被发射为GLAR并且最终无法吸收，因此降低了 LED的性能。因此，避免GLAR是期望的，或者将它的大小限制为表示小于总的发射光的5%的GLAR值。
[0047]本文进一步讨论描述LIM层如何可用于减小光在LED中的有源区域中被引导的部分。一些商业的LED包括AlGaN层，其特征在于低的折射率并且用作形成为覆盖(overlying，重叠)有源区域的电子阻挡层。然而，电子阻挡层的厚度和折射率有时不足够显著地减小GLAR的量。如下所述，低折射率材料的位置、厚度、和成分应被选择为基本上减少GLAR，如下所述。
[0048]图5是示出根据一些实施方式的在有源区域506的任一侧上具有低折射率层508的LED的简图。使生长在块GaN基板和n_GaN层502上的LED翻转使得ρ-GaN层504在基台503上，并且包括在有源区域506的任一侧面上的两个低折射率材料层508。低折射率材料层508的存在减小了在有源区域506中被引导的光的部分。可以存在用于有源区域506发射的光509的其他光轨迹，诸如传播至外部介质507的光和在LED的基质材料505中的导光。可以将传统的光提取特征添加到LED以便帮助提取此类形式的光。例如，LED器件可以被成形为立方体形状、三角形形状、四边形形状、或者锥体形状。如所示，低折射率层508的存在使有源区域510中的导模最小化或者防止有源区域510中的导模。
[0049]在一些实施方式中，低折射率材料层覆盖有源区域。低折射率材料层足够厚并且具有足够低的折射率，使得导模的波函数从有源区域分散开，从而减小或者抑制导模内的光发射/传播。根据一些实施方式，低折射率材料具有低于GaN的折射率的折射率。
[0050]图6A和图6B对比具有传统的电子阻挡层(图6A)与电子阻挡层还被设计为低折射率材料层以便减小导光效果(图6B)的发光二极管的设计之间的导模剖面形状(guidedmode profile shapes)600。图6A和图6B示出了 LED结构的略图以便提供有源区域中的结构和有源区域附近周围的结构的细节。详细示出叠加的导模分布。
[0051]图6A示出具有薄的、低含量AlGaN电子阻挡层601的传统的LED结构。图6A示出覆在低含量AlGaN电子阻挡层601上的ρ-GaN层604，其中，低含量AlGaN电子阻挡层601覆在有源区域603上，有源区域603覆在n-GaN层605上。如所示，导模602被强烈限制在有源区域603中。
[0052]图6B是根据一些实施方式的具有足够厚度和低折射率的低折射率材料层606以便逼迫(push)导模分布607远离有源区域603。低折射率材料层606也可以用作电子阻挡层的通常功能，诸如载流子限制(carrier confinement)。
[0053]图6A和图6B是示出根据一些实施方式的分别具有电子阻挡层设计和具有低折射率材料层设计的LED中的导模分布的简图。传统结构包括具有P型掺杂层、η型掺杂层、有源区域(由量子阱的堆叠制成)和薄的AlGaN电子阻挡层(EBL)的堆叠。在该结构中，导模被较好地限制在有源区域中。因为进入导模中的光发射与其与有源区域的重叠成比例，所以GLAR的量是大的。
[0054]与此相反，在具有如图6B中所示的低折射率材料(LIM)层的结构中，传统的电子阻挡层被具有较低折射率的较厚的层替代。低折射率材料用作电子阻挡层并且还显著地从有源区域分散导模的分布，使得GLAR的量减小。在一些实施方式中，低折射率材料层在有源区域至少一个光波长之内，其中光波长是LED的发射波长或者波长范围。在一些实施方式中，低折射率层在有源区域500nm之内、有源区域300nm之内、有源区域200nm内、并且在一些实施方式中，在有源区域10nm内。低折射率层可以在有源区域内、与有源区域相邻、或者在与有源区域相邻的区域内，诸如包层、P型掺杂层、或者η型掺杂层。在一些实施方式中，低折射率层被设置在上述任何的组合中。如本文中使用的，当层被称作在另一层之上或者下时，相对位置不是绝对的并且将取决于LED的方位。类似地，上覆和下伏并不表示绝对位置而是取决于具体的LED的方位。
[0055]图7Α和图7Β示出根据一些实施方式的用于分别具有电子阻挡层(EBL)的设计和具有低折射率材料(LIM)层的设计的LED的建模的导模分布。对于图7Α和图7Β，每个LED在有源区域中包括十个量子阱。
[0056]图7Α和图7Β还示出了 LED的折射率分布。图7Α示出基于包括ρ_侧面上的金属接触和AlGaN电子阻挡层(Al15GaN, 1nm厚)的LED结构的折射率分布。图7Β示出基于电子阻挡层被低折射率材料层(Al83InN, 40nm厚)替代的LED结构的折射率分布。这里，低折射率材料用作电子阻挡层并且还显著减少导光。如可以在图7A中看出，尽管存在电子阻挡层，导模被较好地限制在有源区域。与此相反，可以从图7B中看出，限制减小。
[0057]图8示出在具有低折射率材料层中的各种成分情况下LED的有源区域中被引导的光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。假定低折射率材料层在建模中20nm厚。示出没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考(实线)。
[0058]如可以在图8中看出，在没有任何电子阻挡层或者低折射率材料(实线)的情况下，引导是最强烈的。插入电子阻挡层(AlltlGaN, 20nm厚)稍微减小引导。使用由Al25GaN或者与GaN基质匹配的AlInN晶格制成的低折射率材料，它们各自具有低于AlltlGaN的折射率的折射率，更加减小引导。根据成分和厚度的一些设计可以显著减小GLAR的量，尤其在有源区域中的量子阱的数量是约5至约8时。在一些实施方式中，一个或者几个低折射率材料层被插入有源区域之上和/或之下，例如，朝向η-GaN和/或ρ-GaN层。
[0059]图9示出根据一些实施方式的针对低折射率材料层的各种厚度，LED的有源区域内被引导的光的部分作为量子阱的数量有的函数的建模结果。低折射率材料包括与GaN晶格匹配的AlInN。示出用于没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考(实线)。图9进一步示出低折射率材料层的厚度和数量如何影响导光发射。如可以从图9看出，与没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构相比，将20nm厚的低折射率材料层放置在有源区域上减小引导。通过增加低折射率材料层的厚度，例如至40nm厚，进一步减小导光的部分。此外，将两个40nm厚的低折射率材料层放置在有源区域的两侦牝更加减小引导。在最后的情况下，即使在有源区域包括15量子阱时，GLAR被显著减小或者禁止。
[0060]示出上述呈现的实施方式以便减小针对给定数量的量子阱的GLAR的量，但是示出的任何变化没有显著地影响用于具有许多量子阱(例如，20个量子阱或更多)的结构的GLAR的渐近部分。可以通过降低有源区域中的平均折射率减小该渐近值。这在一些实施方式(诸如在图10中示出和描述的实施方式)中被实现，其中，量子势垒由低折射率材料制成。
[0061]图10示出根据一些实施方式的针对量子势垒的各种成分，LED的有源区域内被引导的光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。图10示出量子势垒的成分如何影响导光发射。示出用于没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构的建模结果以供参考(实线)。可以在图10中看出，在量子势垒由AlltlGaN制成时，与没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构相比，针对给定数量的量子阱的GLAR部分被减小。此外，GLAR的渐近的部分也被减小。在量子势垒由具有低于AlltlGaN的折射率的折射率的Al2tlGaN制成时，进一步减小针对给定数量的量子阱的GLAR的部分和GLAR的渐近的部分。
[0062]一些实施方式可以将放置在有源区域之上和之下的低折射率材料层与由低折射率材料制成的量子势垒组合。
[0063]图11示出根据一些实施方式的使用低折射率材料势垒和低折射率材料电子阻挡层的LED的有源区域中被引导的光的部分作为量子阱的数量的函数的部分的建模结果。示出基于没有电子阻挡层和没有低折射率材料层的LED结构(实线)的曲线以供参考。虚线曲线基于具有在有源区域上的低折射率材料层(Al3tlGaN, 20nm厚)和具有由低折射率材料制成的量子势垒(Altl5GaN)的结构。如可以在图11中看出，与没有电子阻挡层和没有低折射率材料的LED相比，引导在使用低折射率材料势垒和低折射率材料电子阻挡层的LED中减小。
[0064]示出的几个实施方式允许使用具有10个量子阱、没有或者很少有GLAR的结构。
[0065]如已经提到的，超晶格层(SL)经常生长在LED中，覆在有源区域之上以便提高性能。然而，SL可以具有通过增加接近有源区域的高折射率材料的量来增加GLAR的不利影响。超晶格层通常由连续的薄的InGaN层和GaN层形成。在一些情况下，使用低铟含量的均质InGaN层，而不是SL。我们也参考这样的层作为SL层，因为它提供了类似的目的，并具有关于GLAR的类似效果。
[0066]图12是示出根据一些实施方式的在包括超晶格层(SL)的LED中的导模分布的简图。在图12中示出的LED包括覆在薄电子阻挡层1204上的p-GaN层1201、薄电子阻挡层1204覆在有源区域1203、超晶格1202、和η-GaN层1205之上。如图12中所示，SL有助于模式的引导1210。因此，在超晶格层内或者超晶格层周围包括低折射率材料层以便减轻不利影响，是期望的。
[0067]图13示出根据一些实施方式的包括插入在超晶格层内的低折射率层的LED的有源区域中被引导的光的部分作为量子阱的数量的函数的建模结果。还示出在没有电子阻挡层与有超晶格层的、以及有超晶格层的LED的有源区域中被引导的光的部分的建模结果，用于比较。可以在图13中看出，与没有超晶格层的LED相比，在增加由GaN和InGaN的交替薄层制成的典型SL时，GLAR在量子阱的数量小于约5时明显地增加。还可以在图13中看出，在UM电子阻挡层(例如，20nm厚，由AlInN制成)放置在有源区域之上，并且SL被修改为包括LM层时，在量子阱的数量小于大约12时与具有SL的LED相比，GLAR减小。如果量子阱的数量小于约15，与没有SL和没有EBL的LED相比，GLAR也被减小。在该说明性的示例中，SL由AlGaN和InGaN的交替层制成，其中，AlGaN层作为UM层并且用来降低SL的平均折射率。
[0068]因此，一些实施方式减小SL的导光效果。在一个此类实施方式中，GaN/InGaN SL被替换为低折射率材料/InGaN超晶格(诸如AlGaN/InGaN SL或者AlInN/InGaN SL)使得降低了 SL的平均折射率并且减小引导。在另一个实施方式中，GaN/InGaN SL被替换为GaN/LIM超晶格(诸如GaN/AlInGaN SL)，其中在SL的一些实施方式中低折射率材料具有与InGaN相同的有益效果，但是它的低折射率减轻引导。在其他此类实施方式中，SL被包覆在两个低折射率材料层之间。
[0069]上述实施方式考虑使用由均质材料，诸如AlGaN、AlInN、或者AlInGaN制成的低折射率材料层。然而，在一些实施方式中，低折射率材料层的成分是非均质的。在一些实施方式中，低折射率材料层是超晶格(诸如GaN/AlGaN超晶格或者GaN/AlInN超晶格)。在其他实施方式中，低折射率材料层具有跨其生长方向变化的成分，诸如化学计量分级层。
[0070]如先前已经提到的，低折射率材料层可以提供作为电子阻挡层的附加的目的。在一些实施方式中，低折射率材料层同样可以放置为有源区域以下并且用作空穴-阻挡层。
[0071]如已经示出的，使用放置在有源区域周围的几个UM层是可能的并且有时是需要的。可以组合多个UM层以便减小GLAR。
[0072]因此，一些实施方式涉及实现LIM层的特定的累积厚度，使得明显减小GLAR。在这些实施方式的一些中，给定厚度的UM层生长在有源区域以下和另一 UM层生长在具有厚度的有源区域以上，使得UM层的累积厚度大于目标值。
[0073]如提到的，一些实施方式可以将减小GLAR的UM层与其他光提取特征组合使用以便增加传播穿过块LED的光的提取。在一些此类实施方式中，UM层与LED的表面粗糙化结合。这可以通过使包括UM层的外延材料生长、利用此类材料形成LED芯片、以及在LED的至少一些刻面(facets)上形成表面粗糙度获得。类似地，其他实施方式可以将UM层与其他光提取结构组合使用，诸如LED模具的宏观成形。
[0074]一些实施方式可可在其他人的外延可行性的观点出发来实现。晶格常数的差值导致张力并且可以使外延生长具有挑战性。例如，一些Al InGaN化合物可以具有相对于LED的基质材料(诸如GaN)的大的晶格常数差值。在此情况下，相应的低折射率材料层的最大厚度受限制。因此，可能期望限制晶格失配。在一些实施方式中，低折射率材料是与LED的基质材料晶格匹配的或者基本上晶格匹配的。一个示例是Al83InN,因为低折射率材料Al83InN的晶格接近与GaN晶格匹配。在其他实施方式中，低折射率材料与量子阱的晶格常数晶格匹配或者基本晶格匹配。
[0075]在第III族氮化物材料中，极化场可能存在在异质结构中。降低这些场的强度可能是期望的。在一些实施方式中，低折射率材料与GaN极化匹配或者基本上极化匹配。在其他实施方式中，低折射率与量子阱极化匹配或者基本上极化匹配。
[0076]在一些实施方式中，LED是具有沿着半极性界面的表面取向的第III族氮化物LED。在其他实施方式中，LED是具有沿着非极性界面的表面取向的第III族氮化物LED。
[0077]图14是示出制造LED的方法的简化流程图。下文论述该方法及其他方法。方法包括提供基板1410，沉积覆在基板之的η型掺杂层1420，沉积覆在基板上的包括至少一个发光材料的层的有源区域1430，沉积覆在基板上的P型掺杂层1440，并且沉积在有源区域至少一个波长内的至少一个低折射率层，低折射率层被配置为显著的减小有源区域的导光1450。
[0078]图15示出各种III族氮化物层的折射率与波长的实验结果。为了设计具体的实施方式，可能期望采用建模并且使用各个层的折射率的精确值。图15示出通过椭圆偏振光谱法获得的各种III族氮化物层的折射率1500的实验值。以下层包括在图15中:GaN(1502)、具有410nm的带隙的InGaN(1504)、具有320nm的带隙的AlGaN(1506)、具有380nm的带隙的InGaN(1508)。图15还示出发射大约400nm的第III族氮化物有源区域的发射光谱1510。通过使用图15上示出的折射率全部色散(full dispers1n),可以准确地设计实施方式以减小或者消除GLAR。各种成分的层可以生长和表征这种效果。
[0079]图16示出从实验结果得出的折射率1600与化合物成分的值。图16示出多种化合物在415nm的波长的折射率。表示了 GaN的折射率1602。此外，InGaN的折射率1604和AlGaN的折射率1606被分别表示为In和Al成分的函数。可以采用图16来设计具有给定的平均折射率的层的设计继续。例如，由类似厚度的AlGaN和InGaN层(其中，Al和In成分相似)制成的超晶格具有与GaN的折射率相似的平均折射率。这是因为在InGaN层中增加的折射率通过AlGaN层中减小的折射率来补偿。此类设计可被期望来减小或抑制GLAR。
[0080]在一些实施方式中，希望生长所谓的“伪量子阱”(DQW)。DQW是具有高于有源区域的带隙的带隙的量子阱层。例如，在InGaN LED的情况下，DQW可以是量子讲，在该量子阱中，In含量低于有源区域的In含量。DQW没有发出大量的光，但是可以例如通过提高晶体的结构质量或者通过整合缺陷提高LED的性能。DQW可以生长在有源区域附近，例如在有源区域之上或者之下。
[0081]图17示出包括DQW的特定外延结构的折射率分布1700，作为跨外延堆叠的位置的函数。位置X = O对应于堆叠的顶部。在图17的结构中存在各个层。它们包括GaN 1702 (存在于堆叠的η-和P-侧面)；EBL 1704 ;有源区域1706(包括量子阱和势垒)；DQW及其势垒的堆叠1708 ;和超晶格1710(仅示出超晶格中的平均折射率，虽然其可以包括较低和较高折射率层的连续)。
[0082]与图17的结构相似的结构可以在一些实施方式中使用。在一些实施方式中，超晶格可以包括InGaN和诸如AlGaN层的UM。在一些实施方式中，DQff的势垒可以包括诸如AlGaN的UM。在一些实施方式中，有源区域中的势垒可以包括诸如AlGaN的UM。在一些实施方式中，EBL可以包括诸如AlGaN的UM。可以选择所述UM层的厚度和成分以便减小或者抑制GLAR。同样地，可以选择DQW和发射量子阱的数量以便减小或者抑制GLAR。
[0083]图18描述用于检测GLAR的存在的实验装置1800。图18示出如何能检测GLAR。通过激光1802的激励引起光致发光1804。一些发光被发射到GLAR 1806里，可以传播至样品的边缘并且被诸如相机的检测器1808收集。
[0084]图19示出收集在诸如图18的那个的装置上的相机图像1900。图19比较两个样本。左边图像1902对应于使用标准外延堆叠生长的样本和右边图像1904对应于使用抑制GLAR的外延堆叠生长的样本。后者堆叠与图17中描述的相似。在左边图像1902上观察到明线1906:其对应于到达样品边缘的导光。在右边图像1904上没有观察到信号(在相似条件下收集的)。这表明在外延设计中没有GLAR(例如，使左边图像1902与右边图像1904比较)。
[0085]在一些实施方式中，可以采用双异质结构(DH)有源区域而不是量子阱堆叠。在一些实施方式中，外延结构可以包括DH和在DH之下或者之上生长的一个或者几个DQW。在一些实施方式中，DQW区域的势垒可以包括UM层。
[0086]图20示出包括DQW和DH的特定外延结构的折射率分布2000，作为跨外延堆叠的位置的函数。位置X = O对应于堆叠的顶部。在图20的结构中存在各种层。它们包括GaN 2002(存在于堆叠的η-和P-侧面)；EBL2004 ;DQW及其势垒的堆叠2006 ;DH有源区域2008 ;DQW及其势垒的堆叠2010 ;和超晶格2012 (仅示出超晶格中的平均折射率，虽然其可以包括较低和较高折射率层的连续)。
[0087]可以在一些实施方式中使用与图20的结构相似的结构。在一些实施方式中，超晶格可以包括InGaN和诸如AlGaN层的UM。在一些实施方式中，DQff的势垒可以包括诸如AlGaN的UM。在一些实施方式中，EBL可以包括诸如AlGaN的UM。可以选择所述UM层的厚度和成分以便减小或者抑制GLAR。同样地，可以选择在DH任一侧上的DQW的数量、和DH的厚度以便减小或者抑制GLAR。
[0088]在一些实施方式中，LED是第III族氮化物LED。在一些实施方式中，SL层的成分是使得SL的平均折射率不比GaN的平均折射率超过多于0.05。在一些实施方式中，EBL的成分为使得其折射率小于GaN的折射率减去0.05。在一些实施方式中，DQW和它们的势垒的成分是使得DQW区域的平均折射率不比GaN的平均折射率超过多于0.05。所有的这些值属于峰值发射的波长。
[0089]在实施方式中，LED是第III族氮化物LED，其外延结构包括以下层:
[0090]-一系列η型掺杂层；
[0091]-AlGaN/InGaN超晶格，其平均折射率未比GaN的平均折射率超出多于0.05 ；
[0092]-GaN 势垒；
[0093]-具有AlGaN势垒的一系列InGaNDQff,使得该区域的平均折射率不超过GaN的平均折射率0.05以上，并且DQW的数量介于O与20之间；
[0094]-有源区域，由DH或者一系列量子阱组成，使得活性材料的总量小于50nm；
[0095]-一系列InGaN DQW，具有GaN或者AlGaN势垒，其中，DQW的数量介于O与5之间；
[0096]-GaN 势垒；
[0097]-EBL,其折射率比GaN的折射率减去0.05低；以及
[0098]-一系列 P-层。
[0099]作为减小GLAR部分另一种方法，一些实施方式采用成分是非均质的发光层。例如，在第III族氮化物LED的情况下,一些实施方式采用InGaN发光层，In成分跨至少一个发光层变化，诸如具有梯阶或者等级的In分布的量子阱或者双异质结构。In成分中的变化可以帮助减小有源区域中的平均折射率，并且有助于减小或者抑制GLAR的发射。
[0100]可以在多种LED结构中期望GLAR的现象。例如，在发射200_1，OOOnm范围的光的典型结构中可能期望。随着LED发射波长的增加，基质材料(例如GaN)和发光层(例如InGaN)之间的折射率差通常增加，导致较大的GLAR部分。
[0101]图21示出作为横穿外延堆叠的位置的函数的特定外延结构的折射率分布2100。位置x = 0对应于堆叠的顶部。图21包括GaN层2102、EBL2104、四个量子阱2106和超晶格2108。四个量子阱是4.5nm厚和它们的势垒是3.5nm厚。EBL包含10% Al并且是1nm厚。超晶格中的平均In含量是4%。图21是没有包含大量In的简单的LED结构。因此，其可以认为是关于GLAR的存在的保守结构。图21是一些商业可获得的LED结构的代表。
[0102]图22示出针对图21的结构的作为LED的发射波长的函数的导光的量2200。图22表示发射到GLAR里的总的发射光的部分，作为LED的发射波长的函数。对于较长的发射波长，GLAR的部分增加。这是由于量子阱和GaN之间的较大的折射率差。图22表示简单的蓝色发光LED的结构受到了限制其性能的GLAR。
[0103]图23示出针对与图21和图22结构相似，但是具有LIM层的结构的，作为LED的发射波长的函数的导光的量2200。图23中考虑的结构包括Altl5GaNAntl4GaN超晶格、Al15GaN量子阱势垒和20nm厚的Al2tlGaN EBL0所有这些层构成UM层，如其他实施方式描述的。导光的部分在图23中明显低于在图22中的导光部分。对于在450nm发射的LED，GLAR的部分可以十倍减小。
[0104]因此，本文中的技术与整个多种波长范围和LED设计相关。其可以将性能明显提高超过商业可获得的LED外延堆叠。此外，使用UM减小GLAR部分可以对LED的性能具有重要的影响。在一些实施方式中，使用LIM可以影响期间的净提取效率的一个或多个百分点，诸如从1%至3%、从I %至5%、或者从1%至10%。
[0105]图24示出作为结构中的量子阱数量的函数的LED的建模净提取效率2400。正在审议(under considerat1n)的LED是具有表面粗糙度的块GaN LED。在没有任何引导和有源区域再次吸收的情况下，它们的提取效率约是77%。在没有考虑到设计LIM层的标准外延结构情况下，提取效率2402受量子阱的数量的显著的影响。使用六个量子阱使提取降低约4%。如果使用精心设计的LIM层，提取效率2404仅稍微受量子阱的数量的影响；这种情况中的仅有的影响是量子阱对传播光的吸收。图24示出本发明的实施方式可以将LED的性能提高一个或者几个百分点。
[0106]获得器件实施方式的步骤的可能设定如下:
[0107]-在外延基板上生长一组传统的外延层(诸如GaN缓冲区和η型掺杂GaN)；
[0108]-进一步生长包括LIM层的超晶格堆置；
[0109]-进一步使由几个量子阱和势垒制成的有源区域生长；
[0110]-进一步使还用作EBL的UM层生长；
[0111]-进一步使P型掺杂GaN层的堆叠生长；以及
[0112]-加工所得的外延材料以便形成LED芯片。
[0113]加工可以包括步骤(例如，在上述步骤内或者在上述步骤之前或之后)。例如，任何已知的加工技术可以用于对LED芯片生产光提取特征(诸如表面粗糙度)。
[0114]图14是示出根据一些实施方式的制造LED的方法的简化流程图。如所示，可以使用几个加工步骤形成LED器件。加工步骤可以被单独分开，并且一个加工步骤的任何方面或者材料可以使用路径1405提供至另一加工。如示出，方法包括:
[0115]提供基板(参见加工步骤1410)；
[0116]在基板上沉积η型掺杂层(参见加工步骤1420)；
[0117]在基板上沉积由至少一层发光材料组成的有源区域(参见加工步骤1430)；
[0118]在基板上沉积P型掺杂层(参见加工步骤1440)；以及
[0119]在有源区域中或者有源区域周围沉积至少一个低折射率层，通过有源区域形成低折射率层以便显著减小导光(参见加工步骤1450)。
[0120]应当理解，在图14中示出的具体的步骤提供制造根据本发明的实施方式的LED的具体方法。也可以根据替换实施方式执行步骤的其他顺序。例如，本发明的替换实施方式可以以不同的顺序进行以上概述的步骤。此外，在图14中示出的个别的步骤可以包括多个子步骤，多个子步骤可以根据个别步骤的情况按各种顺序执行。此外，可以根据具体应用增加或者除去附加的步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变化、变形或修改。
[0121]示例性实施方式的上述描述仅出于说明和描述的目而呈现，并且不旨在穷尽或者将本发明局限于所公开的优选形式。按照上述教导的许多修改和变化是可能的。
[0122]选择并且描述各种实施方式，以解释本发明及其实际应用的基本原理，从而使得本领域中的其他技术人员利用本发明和各种实施方式并且使得各种变形适合于预期的具体用途。替换实施方式将变得对本文明所属领域的技术人员明显，而没有偏离其精神和范围。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明和其中描述的示例性实施方式限定。
【权利要求】
1.一种发光二极管，包括: 至少一个η型掺杂层； 至少一个P型掺杂层； 有源区域，设置在所述至少一个η型掺杂层与所述至少一个P型掺杂层之间，包含至少一个层的发光材料；以及 至少一个低折射率层，设置在所述有源区域的一个光波长之内，所述低折射率层被配置为显著减小由所述有源区域引导的光。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，小于10%的由所述发光材料发射的总光通过所述有源区域引导。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，小于2%的由所述发光材料发射的总光通过所述有源区域引导。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，进一步包括:附加的光提取特征。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其中，所述附加的光提取特征包括将所述LED成形为立方体形状、三角形形状、四边形形状或者锥体形状中的至少一个。
6.根据权利要求4所述的发光二极管，其中，所述附加的光提取特征包括形成在所述发光二极管的一个或多个表面上的从约200nm至约1um的表面粗糙度。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述LED包含第III族氮化物材料。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其中，所述第III族氮化物材料的特征在于表面取向选自非极性结晶取向和半极性结晶取向。
9.根据权利要求7所述的发光二极管，其中，基板包含块第III族氮化物材料。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率材料层包含非均质材料成分。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率材料层被配置作为载流子限制层。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述有源区域的特征在于至少1nm的累积厚度。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述有源区域的特征在于累积厚度小于10nm0
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率材料层设置在所述有源区域的一侧上、所述有源区域的两侧上、所述有源区域内或者以上任意的组合。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述有源区域包括两个或更多量子阱，其中，所述两个或更多量子阱之间的至少一个势垒层包含低折射率材料。
16.根据权利要求1所述的发光二极管，进一步包括:覆盖在所述有源区域上的诸如InGaN超晶格的附加层，其中，低折射率材料层设置在所述超晶格的不到一个波长之内。
17.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率层与所述发光二极管的基质材料基本上晶格匹配。
18.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率材料层与形成所述有源区域的材料基本上晶格匹配。
19.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率层与所述发光二极管的基质材料基本上极化匹配。
20.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述至少一个低折射率材料层与形成所述有源区域的材料基本上极化匹配。
21.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，包括所述低折射率层的所述有源区域的特征在于平均折射率比基质材料的折射率高出从0%至5%。
22.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述有源区域包括一个或多个双异质结构层。
23.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，包括并不发射大量的光的低成分量子阱的附加材料生长在所述有源区域之上或者之下。
24.根据权利要求23所述的发光二极管，其中，围绕所述低成分量子阱的至少一个层形成低折射率材料层。
25.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述LED的特征在于发射波长从约200nm 至约 lOOOnm。
26.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述LED的特征在于发射波长处于约390nm至约430nm的范围中。
27.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述LED的特征在于发射波长处于约430nm至约470nm的范围中。
28.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，至少一个层的发光材料具有与另一个层的发光材料不同的材料成分。
29.—种发光二极管,包括: 至少一个η型掺杂层，包含氮化镓基材料 至少一个P型掺杂层，包含氮化镓基材料 AlGaN/InGaN超晶格，其特征在于小于所述AlGaN/InGaN超晶格的平均折射率的平均折射率未比GaN的平均折射率超过多于0.05 ； 有源区域，包括一系列量子阱或者一个或多个双异质结构，其中，所述有源区域的特征在于总厚度小于50nm ；以及 电子阻挡层，所述电子阻挡层的折射率比GaN的折射率减去0.05低。
30.根据权利要求29所述的发光二极管，进一步包括:具有比发光量子阱低的成分的一系列InGaN量子阱，并不发出大量的光，置于所述发光量子阱之上或者之下。
31.一种发光二极管，包括: 至少一个η型掺杂层，包含氮化镓基材料； 至少一个P型掺杂层，包含氮化镓基材料； 有源区域，设置在所述至少一个η型掺杂层与所述至少一个P型掺杂层之间，所述有源区域包括由氮化铟镓基材料形成的一个或多个层；以及 至少一个低折射率材料层，设置在所述至少一个P型掺杂层与所述有源区域之间，或者设置在所述至少一个η型掺杂层与所述有源区域之间，其中，所述至少一个低折射率材料层具有低于氮化镓的折射率的折射率。
32.根据权利要求31所述的发光二极管器件，其中，所述至少一个低折射率材料层包含铝铟镓氮化物基材料。
33.一种制造发光二极管的方法,包括: 提供基板，所述基板包括包含氮化镓基材料的表面区域； 形成耦接至所述基板的所述表面区域的至少一个η型掺杂层，所述至少一个η型掺杂层包含氮化镓基材料； 形成耦接至所述η型掺杂层的有源区域，所述有源区域包括由氮化铟镓基材料形成的一个或多个层； 形成耦接至所述有源区域的至少一个P型掺杂层，所述至少一个P型掺杂层包含氮化镓基材料；并且 形成设置在所述至少一个P型掺杂层与所述有源区域之间、或者所述至少一个η型掺杂层与所述有源区域之间的至少一个低折射率材料层，其中，所述至少一个低折射率层具有低于氮化镓的折射率的折射率并且所述低折射率层形成为显著减少由所述有源区域引导的光。
【文档编号】H01L33/04GK104247052SQ201380020302
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月6日
【发明者】奥雷利安·J·F·戴维, 迈克尔·J·格林德曼 申请人:天空公司