专利名称：发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管(LED)，包括半透明基底和生长在所述基底的第一侧上的发光半导体材料的第一层，第一电极和第二电极。
背景技术：
这种LED在JP 2002-319708中描述。在现有技术中，半导体材料例如GaN或其它衍生物外延生长在蓝宝石(单晶体α-Al2O3)基底上，该基底具有相对接近于半导体材料的晶格常数的晶格常数。由于晶格不匹配仍然较大，因此沉积的材料倾向于形成小的(10-100nm)高质量域，其相对于彼此扭转和倾斜。错位的大的密度调节相邻晶粒之间的混乱取向。如果GaN在高温时直接沉积在蓝宝石上，那么由于一些晶粒的优先生长，因此错位密度非常高并且表面形态粗糙。如果低温GaN层直接沉积在基底上，后面接着为高温GaN层，那么低温层提供高温膜的成核点。低质量、低温层存在严重缺陷以至于它调节高质量GaN和基底之间的大多数不匹配，导致更好的高温GaN膜。这种低温层通常称为缓冲层。
发明内容
蓝宝石用作基底材料，因为它具有对可见光透明的特性以及相当匹配GaN晶格常数，尽管晶格不匹配仍然达到大于30％(沿一个方向)。与蓝宝石的使用相关的问题在于它的价格和将基底成形为所需形状的困难。
根据本发明，所述基底由多晶材料优选多晶α-Al2O3或SiC构成。这种多晶材料可以以相对便宜的方式制备并且它可以容易地成形为任何所需形状。尽管根据现有技术，仅相信单晶体材料提供适当的起始点以生长半导体层，但是惊人的发现可接受的n型和p型半导体层也生长在多晶氧化铝或SiC上。此外，多晶α-Al2O3或SiC的制备过程允许其它陶瓷组分结合到基底上，这些组分例如是可以操从发射光的陶瓷透镜，或具有高热导率的陶瓷、金属或金属陶瓷以用作高功率LED中的散热片。
从包括氮化铝、氮化镓、氮化铟或其组合(AlGaInN)的组中选择所述半导体材料。
多晶基底的平均晶粒大小优选小于在LED使用期间由半导体材料发射的光的波长的2倍，更优选小于在LED使用期间由半导体材料发射的光的波长的1.5倍，以及甚至更优选小于在LED使用期间由半导体材料发射的光的波长的1.2倍。多晶基底的平均晶粒大小优选小于400nm，更优选小于300nm，甚至优选小于200nm。当多晶材料的平均晶粒大小比得上光的波长时，或至少当多晶材料的平均晶粒大小小于大约200nm时，多晶α-Al2O3或SiC具有透明的特性。
发光半导体材料的所述第一层优选是n型，而p型的发光半导体材料的第二层优选生长在所述n型层上。所述p型层优选仅覆盖n型层表面的一部分，在这种构形中，第一电极可以连接到p型层的表面，第二电极可以连接到n型层的未覆盖表面。在一个实施例中，p型层优选覆盖有半透明的基于Ni-Au的层，其可以是第一电极的一部分。所述基于Ni-Au的层作为空穴扩散层(hole spreading layer)和与n型层接触的空穴注入。此外，反射镜优选连接到基底的第二侧，以便将光反射到由半透明的基于Ni-Au的层形成的LED的前侧。在另一实施例中，第一电极形成反射镜，将光反射到由半透明基底形成的LED的前侧。
本发明还涉及一种制造发光二极管(LED)的方法，其中提供半透明基底，发光半导体材料的第一层生长在所述基底的第一侧上，以及第一电极和第二电极连接到LED，其中所述基底是多晶体。
本发明将通过实施例的这些例子以及参考附图进行说明，在附图中图1是LED的第一实施例的示意截面；和图2是LED的第二实施例的示意截面。
具体实施例方式
然而，许多不同的构形和变化在本发明的范围中是可能的。
多晶氧化铝(α-Al2O3)的制备如在下述文献中描述题为“Transparent aluminaa light scattering model”(J.Am.Ceram.Soc.，86(3)480-486(2003))的文章，以及WO 2004/007397和WO2004/007398，这些文献在此引入作为参考。多晶SiC的制备也是已知的，尽管本发明通过其中使用多晶氧化铝的例子进行说明，但是可以以相似方式使用多晶SiC。
由精细(即体积平均直径等于或低于150nm)和适当分配的氧化铝粒子(例如Taimei TM-DAR，Sumitomo AKP50)构成的粉末优选通过氧化铝粒子的解凝聚作用(例如湿球研磨，超声等)和稳定作用(例如通过使用HNO3，聚丙烯酸)分散在水中。氧化铝悬浮液被浇铸(例如通过粉浆浇铸，凝胶浇铸(gelcasting))到具有预定形状的模具中。成形技术非常通用并允许两维和三维复杂形状的制备。
在干燥和脱模以后，多孔氧化铝产品在氧中煅烧以在基本上低于烧结温度的温度(优选低于烧结温度的至少500℃)时去除所有不需要的组分(例如稳定剂)。随后，材料在适当的烧结气氛(例如湿氢，氧气)中在某温度下烧结，以便最终得到的密度在97％和98％之间。取决于处理参数，涉及的温度范围在1150℃和1300℃之间。在烧结后，在适当高的压力下(优选高于100MPa)，在等于或稍微低于之前所述烧结温度的范围但不低于100℃的温度下，残余孔隙通过恒温热等静压去除。
由此得到的产品是半透明的，并且特征在于范围在0.3和0.8微米之间的平均晶粒大小，这取决于使用的工艺。然而，产品由于例如脱模处理仍然粗糙。因此，产品需要被机械或化学-机械抛光直到光在材料表面处的漫散射变得可以忽略。这相应于范围在5和10nm之间的Ra。可替换地，产品也可以在煅烧处理后被悬浮涂敷或喷射，由此使繁重的抛光步骤变得多余。可以优选热刻蚀由此得到的抛光的和透明的材料以便消除在抛光步骤期间诱发的表面人为产物。热刻蚀操作的温度应当范围在低于所用的烧结温度的0℃和150℃之间。
预成形、半透明多晶氧化铝基底随后用作模具以沉积半导体发光材料例如GaN，该材料用于发光二极管(LED)中。沉积处理由两个沉积模式构成，一个为低温沉积模式(例如在500℃的温度)，另一个为高温沉积模式(例如在1000℃的温度)。在低温时沉积的材料具有弱的晶体质量和高的杂质浓度(例如氧和碳)，并且它不具有GaN装置质量。这种材料用作缓冲层。在1000℃生长的GaN膜通常具有非常小的杂质浓度，约1016cm3，甚至不需要有意的掺杂(n处于低的1017cm3浓度范围中)。
图1和2是根据上述处理制备的LED的两个实施例的截面，其中LED包括多晶氧化铝基底1，其上生长n型GaN半导体层2。p型GaN半导体层3生长在n型层2的一部分表面上。所述p型层由第一电极4覆盖，而n型层2的剩余表面由第二电极5覆盖。电极4，5都由提供充足的电流传输的适当材料构成，例如Ni-Au，并允许分别与n型和p型半导体材料的适当电接触。在必要时，LED由绝缘层6覆盖。焊料块7连接到每个电极4，5，用于连接到可能存在于次装配台(submount)上的电源端子。
在附图中，LED的发射光的路径用箭头8表示。
在图1的实施例中，第一电极4作为反射镜，以便由p型层3发射的光通过电极4向LED的前侧反射，该前侧用半透明基底1形成。
在图2的实施例中，反射镜9连接到基底1的相对侧，以便由p型层3发射的光通过反射镜9向LED的前侧反射，该前侧通过第一电极4的薄的半透明层形成。
权利要求
1.一种发光二极管(LED)，包括半透明基底和生长在所述基底的第一侧上的发光半导体材料的第一层，第一电极和第二电极，其特征在于所述基底是多晶体。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述基底是多晶α-Al2O3或多晶SiC。
3.如权利要求1或2所述的发光二极管，其中从包括氮化铝、氮化镓、氮化铟或其组合(AlGaInN)的组中选择所述半导体材料。
4.如权利要求1，2或3所述的发光二极管，其中多晶基底的平均晶粒大小小于在LED使用期间由半导体材料发射的光的波长的2倍，优选小于在LED使用期间由半导体材料发射的光的波长的1.5倍，以及更优选小于在LED使用期间由半导体材料发射的光的波长的1.2倍。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的发光二极管，其中多晶基底的平均晶粒大小小于400nm，优选小于300nm，更优选小于200nm。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的发光二极管，其中发光半导体材料的所述第一层是n型的。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其中p型的发光半导体材料的第二层生长在所述n型层上。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其中所述p型层优选仅覆盖n型层表面的一部分。
9.如权利要求8所述的发光二极管，其中第一电极连接到p型层的表面，第二电极连接到n型层的表面。
10.一种制造发光二极管(LED)的方法，其中提供半透明基底，发光半导体材料的第一层生长在所述基底的第一侧上，以及第一电极和第二电极连接到LED，特征在于所述基底是多晶体。
全文摘要
一种发光二极管(LED)，包括α－Al
文档编号H01L33/16GK1961433SQ200580018023
公开日2007年5月9日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年6月1日
发明者R·M·沃夫, M·P·B·范布鲁根 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司