用于发光二极管的{20-2-1}半极性氮化镓的pec蚀刻的制作方法
【专利说明】用于发光二极管的{20-2-1}半极性氮化嫁的PEC蚀刻
[000。 相关申请的香叉引用
[0002] 在35U.S.C 119(e)章下，本申请要求W下共同未决和共同转让的专利申请的益 处：
[000引 2012 年 8 月 30 日由化側肖-化 Hsu、Qiia-Yen Huang、化ji Zhao、Shih-Qiieh Haung、Daniel F. Feezell、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura 和 James S. Speck 提 交的标题为"PEC ETCHING OF {20-2-1} SEMIPOLAR GAUJUM NITRIDE FOR SEMIPOLAR FOR EXTERNAL EFFICIENCY ENHANCEMENT IN LIGHT EMITTING DIODE AP化ICATIONS，，，代理人编 号为30794. 466-US-Pl (2013-034-1)的美国临时专利申请序列号61/695, 124 ;
[0004] 该申请通过引用并入本文。
[0005] 该申请设及W下共同未决和共同转让的专利申请：
[0006] 2011 年 10 月 27 日由 Yuji Zhao、化nichi Sonoda、Chih-Chien Pan、Shinichi Tanaka、Steven P.DenBaars 和化uji P'Jakamura 提交的标题为"HI細 POWER, HI細 EFFICIENCY AND LOW EFFICIENCY DROOP III-NITRIDE LI細T-EMITTING DIODES ON SEMIP0LAR{20-2-l}SUBSTRATES"代理人编号为 30794. 403-US-Ul (2011-258-2)的美国实 用新型专利申请序列号13/283, 259,在35U. S. C 119(e)章下该申请要求2010年10月27 日由 Yuji Zhao、Junichi Sonoda、Chih-Chien ParuShinichi Tanaka、Steven P. DenBaars 和 amji 化kamura 提交的标题为"HI細 PO肥R，HI細邸FICIENCY AND LOW EFFICIENCY DROOP III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DI孤ES ON SEMIP0LAR{20-2-l} SUBSTRATES"代理人 编号为30794. 403-US-Pl (2011-258-1)的共同未决和共同转让的美国临时专利申请序列 号61/407, 357的益处；
[0007] 2012 年 4 月 30 日由化ji Zhao、化inichi Tanaka、Qiia-Yen Huang、Daniel FJeezell、James S. Speck、Steven P. DenBaars 和化uji P'Jakamura 提交的标题为"HI細 INDIUM UPTAKE AND HI細 POLARIZATION RATIO FOR GROUP-III NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES FABRICATED ON A SEMIPOLAR{20-2-1}PLANE OF A GAUJUM NITRIDE SUBSTRATE" 代理人编号为30794. 411-US-Ul (2011-580-2)的美国实用新型专利申请序列号 13/459,963，在35口.5.(：119(6)章下该申请要求2011年4月29日由化^'12113〇、化1111油1 Tanaka、Chi a-Yen Huang、Daniel F. Feezell、James S. Speck、Steven P. DenBaars 和 amji 化kamura 提交的标题为"HI細 INDIUM UPTAKES AND HI細 POLARIZATION RATIO ON GALLIUM NITRIDE 沈MIP0LAR{20-2-l}SUBSTRATES FOR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES",代理人编号为30794. 411-US-Pl (2011-580-1)的共同未决和共同转让的美国临 时专利申请序列号61/480, 968的益处；
[000引所有该些申请通过引用并入本文。
[0009] 发巧背景
[0010] 1.发明领域
[0011] 本发明一般地设及用于发光二极管（LED)应用的外部效率提高的{20-2-1}半极 性GaN的光电化学（PEC)蚀刻。
[001引 2.相关领域描述
[0013] (注；本申请参考了如贯穿说明书通过括号内的一个或多个参考数字指出的许多 不同的出版物，例如[X]。根据该些参考数字排序的一系列该些不同出版物可在下面见于标 题为"参考文献"的部分。该些出版物的每一篇通过引用并入本文。）
[0014] 现有的III-氮化物发光二极管（LED)和激光二极管（LD)通常生长在{0001}极 性、{10-10}和{11-20}非极性或{11-22}、{20-21}和{10-1-1}半极性面上。生长在极性 和半极性面上的Lm)和LD经受降低器件性能的量子阱中的极化相关的电场。尽管{10-10} 和{11-20}非极性器件免受极化相关的影响，但是已经显示出难W实现在{10-10}非极性 器件中并入高铜浓度和{11-20}非极性器件的高质量晶体生长。
[0015] 已经论证{11-22}和{20-21}半极性面上的高功率绿色III-氮化物-基LED,并且 也已经显示口0-21}半极性面上的低阀值绿色III-氮化物-基LD。[1-3]生长在III-氮 化物的{20-2-1}半极性面上的器件也已经吸引了相当的关注。[4-5]
[0016] 具体地，生长在氮化嫁（GaN)的{20-2-1}半极性面一一其为由来自c-方向上的 m-面的斜切（miscut)组成的半极性面一一上的器件因为它们的高性能的潜能已经吸引了 很多关注，该高性能由于与传统半极性面（即，{11-22}、{10-1-1}等等）相比，量子阱中的 减小的极化相关的电场。此外，与极性C-面GaN L邸和其他非极性或半极性GaN器件相 比，生长在GaN的{20-2-1}半极性面上的L邸应该提供较低的诱导的QCSE (量子束缚斯塔 克效应）、注入电流依赖、它的输出波长的藍移W及增加的振子强度，导致较高的材料增益 (material gain)等等。此外，沿着{20-2-1}半极性面生长的GaN LED很可能在长波长处 显示较好的性能，因为半极性面被认为更容易并入铜。最后，生长在{20-2-1}半极性面上 的GaN L邸应该显示减小的效率下降，该是描述增加注入电流外部量子效率巧犯）减小的 现象。
[0017] 无论如何，本领域需要提高使用{20-2-1}半极性III-氮化物半导体的器件的外 部效率的改进的方法。本发明满足了此需要。
【发明内容】
[0018] 为了克服上述的现有技术中的局限性，W及为了克服在阅读和理解本说明书之后 将变得显而易见的其他局限性，本发明公开了 {20-2-1}半极性GaN的光电化学（阳C)蚀刻 的方法，用于表面粗趟化发光器件W改进光提取和提高外部效率。使用本发明导致改进的 半极性GaN基L邸性能。在相同的蚀刻条件下与其他半极性面相比，由原子力显微镜（AFM) 扫描的{20-2-1}半极性GaN的表面形态显示显著粗趟化，具有高得多的均方根（RM巧粗趟 度。由PEC蚀刻造成的该粗趟化的表面形态对于提高半极性GaN L邸和LD的提取效率可 W是经济并且快速的技术。
[001W 附图简巧
[0020] 现在参见图，其中遍及全文相同的参考数字代表对应的部分：
[0021] 图1图解了根据本发明的一个实施方式用于PEC蚀刻的装置。
[0022] 图2是图解了用于湿蚀刻半导体样品W便化学蚀刻仅在被光照射的区域中进行 的方法的流程图。
[002引图3是示出蚀刻速率（A/s;)和粗趟度（nm)作为KOH浓度（M)的函数的图。
[0024] 图4示出了在阳C蚀刻30分钟周期后（20-2-1)半极性GaN的一系列扫描电子显 微镜（SEM)图像，KOH的各种摩尔浓度标记在每一个沈M图像的左上角。
[0025] 图5示出了在阳C蚀刻30分钟周期后（20-2-1)半极性GaN的一系列原子力显微 镜（AFM)图像，KOH的各种摩尔浓度标记在每一个AFM图像的左上角。
[00%] 发巧详巧
[0027] 在优选实施方式的W下描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图解的 方式示出其中可实践本发明的【具体实施方式】。应当理解在不偏离本发明的范围的情况下可 W利用其它实施方式并且可W作出结构改变。
[002引 蚀刻装晉
[0029] 图1是图解了用于本发明的阳C蚀刻中的装置的示意图，其中阳C蚀刻是光辅助 湿蚀刻方法，其可用于蚀刻包括GaN和其合金的III-氮化物半导体。装置由光源100和电 化学电池102组成，其中浸入电解质106中的半导体104充当阳极，并且半导体104具有与 其接触或直接在其上形成图案的金属充当阴极108。来自光源100的光110在半导体104 中产生电子-空穴化其中通过阴极108引出电子（-)，同时空穴（+)在半导体104表面处 参与氧化反应，导致半导体104表面溶入电解质106。盖112--其对来自光源100的光 110是透明的一一用于密封电化学电池102。
[0030] 在一个实施方式中，光源100包含具有直径2英寸的光斑点尺寸的1000瓦宽带氣 灯。III-氮化物半导体104是GaN样品，该GaN样品由通过金属有机化学气相沉积（MOCVD) 在（20-2-1)半极性GaN衬底上生长的外延（20-2-1)半极性GaN层组成，该（20-2-1)半极 性GaN衬底由Mitsubishi Qiemical Co巧oration提供。使用标准光刻技术加工GaN样品 104,随后在GaN样品104上电子束沉积100皿的Ti和300皿的Pt用作阴极108和蚀刻掩 模（etch mask)二者。额外的（和任选的）蚀刻掩模也可在GaN样品104 (未示出）上使 用。蚀刻的表面包括外延GaN层或GaN衬底的任何一个的{20-2-1}半极性表面。电解质 溶液106是K0H，其由于它的高化学反应性而被选择，导致快速的蚀刻速率。盖112由具有 90%透光率的藍宝石组成，其密封电池102的顶部W防止溶液106的蒸发。 闺]阳C蚀刻社巧
[0032] 图2是使用图1的装置湿蚀刻III-氮化物半导体W便化学蚀刻仅在被光照射的 区域中进行的方法的流程图。具体地，图解制造发光器件的方法的流程图包括在{20-2-1} 半极性III-氮化物半导体的暴露的表面上实施光电化学（PEC)蚀刻，W将暴露的表面成 形、形成图案或粗趟化，用于提高来自{20-2-1}半极性III-氮化物半导体上或上方形成的 器件的光提取，和用于增强{20-2-1}半极性III-氮化物半导体上或上方形成的器件的外 部效率。
[0033] 在一个实施方式中，该方法包括W下步骤。
[0034] 方块200表示提供{20-2-1}半极性III-氮化物半导体104的步骤。
[0035] 方块202表示在半导体104的暴露的表面上沉积一个或多个阴极108。
[0036] 方块204表示在半导体104的暴露的表面上沉积额外的绝缘和不透明蚀刻掩模的 任选的步骤。
[0037] 方块206表示将半导体104置于电池102中，W便其浸入电解质溶液106中W及 经由阴极108与电流源电连接，并且然后使用光源100照射没有被阴极108或任选的掩模 覆盖的半导体104的暴露的表面的那些部分。来自电流源的外加偏压（external bias)可 W被施加在阴极108和电解质溶液106中的参比电极之间。
[003引方块208表示被照射的半导体104的蚀刻，使用电解质溶液106 W形成成形的、形 成图案的或粗趟化的表面。蚀刻的表面包括半导体104的{20-2-1}半极性表面。
[0039] 注意方块208可W包括控制阳C蚀