专利名称：氮化镓基发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及垂直氮化镓基发光二极管(在下文中，称为垂直 GaN基LED)及其制造方法，其可提高光提取效率，从而增强外部 量子效率。
背景技术：
通常，GaN基LED生长在蓝宝石4十底(substrate )上。蓝宝石 衬底是刚性非导体，并且具有较低的导热性。因此，难以减小GaN 基LED的尺寸以降低成本或改善光强度(optical power )和芯片特 性。特别地，因为要对GaN基LED施加高电流来增强GaN基LED 的光强度，所以散热对于LED非常重要。为了解决这些问题，已 4是出了一种垂直GaN基LED。在GaN基LED中，使用激光剥离 (laser lift-off)(在下文中，称为LLO ) ^支术来去除蓝宝石4于底。
然而，在通常的垂直GaN基LED中，降低了其中从有源层 (active layer)产生的光子#:发射到外部的效率。也就是，降低了 亮度。为了解决这样的问题，在传统的垂直GaN基LED内设置了以 均匀或不均匀间隔形成的表面不失见则结构(surface irregularities ),从而增强亮度。现在，参考图1和图2来描述传统的垂直GaN基LED。图1 和图2是示出传统的垂直GaN基LED的透^L图。参考图1和图2,传统的垂直GaN基LED具有在结构支持层 150上形成的阳电极(p-电极)130。在p-电极130上，顺序地形成 了 p-型GaN层126、有源层124、以及n-型GaN层121,从而形成 发光结才勾(light emission ) 120。在发光结构120上，即在n-型GaN层121的表面上，形成了 用于增强光提取效率的不失见则表面结构160。在该不失见则表面结构 160上，形成了阴电才及(n-电才及)170。更具体地，图1示出了其中n-型GaN层121的不规则表面结 构160具有以均匀间隔形成的不夫见则结构的状态。图2示出了其中 n-型GaN层121的不^L则表面结构160具有以不均匀间隔形成的不 头见则结构的状态。然而，当n-型GaN层121的不^L则表面结构160如上所述以 均匀或不均匀间隔形成时，其中可以形成表面不井见则结构的表面， 也就是n-型GaN层的表面是受到限制的。因此，亮度的改善效果 是不够的。
因此，在本一支术领域需要一种用于最大化亮度的改善效果的新 方法。发明内容本发明的优点在于，提供了一种垂直GaN基LED,其中由具 有均匀间隔的不^见则表面结构和具有不均匀间隔的不^L则表面结 构组成的不-见则表面结构在该垂直GaN基LED的发光部上形成。 因此，提高了光提取效率，使得亮度的改善效果可以被最大化。本发明的另一个优点在于，它4是供了一种制造所述垂直GaN 基LED的方法。本发明的总的发明构思的其它方面和优点将在随后的描述中 部分地阐述，并且部分可#4居该描述变得显而易见，或者可以通过 总的发明构思的实施而获知。根据本发明的一方面， 一种垂直GaN基LED包括n-电极； 在该n-电一及下形成的n-型GaN层，该n-型GaN层具有不身见则表面 结构，该不失见则表面结构包4舌具有以均匀间隔形成的不^见则结构的 第 一不4见则表面结构以及以不均匀间隔形成的不^见则结构的第二 不规则表面结构，该第二不规则表面结构在第一不规则表面结构上 形成；在该n-型GaN层下形成的有源层；在该有源层下形成的p-型GaN层；在该p-型GaN层下形成的p-电极；以及在p-电极下形 成的结构支持层。根据本发明的另 一个方面，该垂直GaN基LED进一步包括在 该n-型GaN层的整个表面上形成的透明导电层，该透明导电层被 定位在n-电才及和n-型GaN层之间。
根据本发明的又一方面， 一种制造垂直GaN基LED的方法包 括在衬底上顺序地形成n-型GaN层、有源层、以及p-型GaN层； 在该p-型GaN层上形成p-电才及；在该p-电才及上形成结构支4寺层； 去除该^H"底以^f更暴露该n-型GaN层的表面；在n-型GaN层暴露的 表面上形成具有均匀间隔的第 一 不身见则表面结构；在第 一 不*见则表 面结构上形成具有不均匀间隔的第二不^见则表面结构；以及在其上 已形成有第一和第二不规则表面结构的n-型GaN层上形成n-电极。才艮据本发明的又一方面，该第 一不失见则表面结构的形成包4舌 在暴露的n-型GaN层上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图 案；通过将光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀刻n-型GaN层 的部分。根据本发明的又一方面，该第二不规则表面结构的形成是通过 利用干法蚀刻或湿法蚀刻工艺来完成的。才艮据本发明的又一方面，该方法进一步包括在形成n-电才及之前 在该n-型GaN层上形成透明导电层。#4居本发明的又一方面，制造垂直GaN基LED的方法包括 将衬底表面图案化为具有均匀间隔的不规则图案；形成n-型GaN 层，使得与图案化为不规则图案的衬底相接触的该n-型GaN层的 表面具有与该不^见则图案一致的具有均匀间隔的第 一不^L则表面 结构；在该n-型GaN层上顺序:l也形成有源层和p-型GaN层；在该 p-型GaN层上形成p-电极；在该p-电才及上形成结构支持层；去除该 衬底以便暴露n-型GaN层的第一不规则表面结构；在该第一不规 则表面结构的暴露表面上形成具有不均匀间隔的第二不失见则表面 结构；以及在其上已形成有第一和第二不^L则表面结构的n-型GaN 层上形成n-电极。 才艮据本发明的又一方面，该^f底的图案化包4舌在该4t底上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻胶图案；以及通过将光刻胶图案用作蚀刻掩才莫而选择性地蚀刻衬底的部分。
根据以下结合附图的具体实施方式
的描述，本发明的总发明构思的这些和/或其它方面和优点将变得显而易见，并更易于理解图l和图2是示出传统的垂直GaN基LED的透视图；图3是根据本发明具体实施方式
的垂直GaN基LED的透视图；图4是用于说明根据本发明具体实施方式
的不规则表面结构的 照片；图5是比较地示出了分别在图1和图3中所示的垂直GaN基 LED的亮度值的图；图6是示出根据本发明的垂直GaN基LED的变型的透视图；图7A到7E是顺序示出了根据本发明第一种具体实施方式
的制 造垂直GaN基LED的方法的截面图；以及图8A到8E是顺序示出了根据本发明第二种具体实施方式
的制 造垂直GaN基LED的方法的截面图。
具体实施方式
下面将详细参照本发明的总发明构思的具体实施方式
，在附图中示出了其实施例，其中，在全文中用相同的标号表示相同的元件。
以下描述的具体实施方式
是为了通过参照附图来解释本发明的总 的发明构思。在附图中，为了清楚起见，层和区域的厚度被放大。
在下文中，将参照附图对根据本发明具体实施方式
的垂直GaN 基LED及其制造方法进行详细描述。
垂直GaN基LED的结构
参照图3,将详细描述冲艮据本发明具体实施方式
的垂直GaN基 LED的结构。
图3是根据本发明具体实施方式
的垂直GaN基LED的透视图。
如图3所示，垂直GaN基LED具有在其最上部形成的n-电极 170，该n-电才及170由Ti/Al或类似物构成。
在n-电极170下，形成了 n-型GaN层121。在n-型GaN层121 上，形成了不规则表面结构160，包括第一不规则表面结构160a和 在第一不身见则表面结构160a上形成的第二不^L则表面结构160b。 第一不^见则表面结构160a具有以均匀间隔形成的不失见则结构，并 且第二不规则表面结构160b具有以不均匀间隔形成的不规则结构。
图4是用于说明根据本发明具体实施方式
的不规则表面结构的 照片。参照图4,由以均匀间隔在4仑廓线(等位线，contour - line)形 状中形成的较大隆起构成的结构表示第一不规则表面结构，并且以 不均匀间隔形成的较小隆起构成的结构表示第二不规则表面结构。
由于n-型GaN层121的上表面的实际表面区域通过具有均匀 间隔的第一不少见则表面结构160a #1增大，所以可以形成第二不头见 则表面结构160b形成而具有更大量的表面不^见则结构。
如上所述，当具有不均匀间隔的第二不规则表面结构160b以 如下状态被设置在n-型GaN层121上，即为用作该垂直GaN基LED 的发光部的n-型GaN层121的表面区域通过具有均匀间隔的第一 规则表面结构160a^皮增大的状态时，垂直GaN基LED具有比在将 具有不均匀间隔的不^见则表面结构设置在n-型GaN层121的平坦 表面上的情况下更大的亮度，这可从图5看出。图5是比较地示出 分别在图1和图3中所示的垂直GaN基LED的亮度值的图表。
释方文到外部的第一表面不MJ'j结构160a的形状没有限制。在该具 体实施方式中，第一表面不失见则结构160a的不身见则结构的侧面祐L 形成矩形形;]犬。然而，不限于矩形形状，第一表面不失见则结构160a 的不井见则结构的侧面可以形成半5求形或三角形。
在n-型GaN层121下，形成发光结构120,其中将有源层124 和p-型GaN层126顺序地层叠。
在发光结构120中的n-型或p-型GaN层121或126可以是掺 杂有n-型或p-型导电杂质的GaN层或GaN/AlGaN层。可以将有源 层124形成为具有由InGaN/GaN层构成的多量子阱结构。
在发光结构120的p-型GaN层126下，形成p-电极130。虽然 未示出，但该p-电极和反射膜可以顺序地层叠在p-型GaN层126 下。当不设置反射膜时，该p-电极用作反射膜。
在p-电极130下，结构支持层150通过导电粘合层140进行粘 合。用作支持层和成品LED的电极的结构支持层150由硅(Si)衬 底、GaAs衬底、Ge衬底或金属层形成。该金属层可以通过电镀法、 无电镀法、热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、化学汽相淀积(CVD ) 来形成。
在该具体实施方式
中，为了增强电流扩散效应，在n-电才及170 形成之前，可以在n-型GaN层121的整个上表面上形成包含 CIO/ITO的透明导电层180,如图6所示。图6示出了根据本发明 的垂直GaN基LED的变型的透视图。
垂直GaN基LED的制造方法 第一
具体实施例方式
首先，制造根据本发明第一具体实施方式
的垂直GaN基LED 的方法一寻参照图3和7A到7E详细i兌明。
图7A到7E是顺序地示出了制造才艮据本发明第一个具体实施方 式的垂直GaN基LED的方法的截面图。
如图7A中所示，由GaN基半导体层构成的发光结构120被形 成在4于底100上。在发光结构120中，n-型GaN层121 、由GaN/InGaN 层形成的具有多量子阱结构的有源层124、以及p-型GaN层126顺
序地层叠。
优选地，衬底100由包括蓝宝石的透明材料形成。除了蓝宝石 外，衬底100可以由ZnO (氧化锌)、GaN (氮化镓)、SiC (碳化 硅)、或A1N (氮化铝)形成。
n-型和p-型GaN基半导体层121和126以及有源层124可以由 具有组成通式AlxInyGa(1.x-y)N (这里，0《x《l, 0《y《l,并且0 <x+y《1 )的GaN基半导体材料形成。此外，n-型和p-型GaN基 半导体层121和126以及有源层124可以通过熟^口的氮^ft物淀积工 艺如MOCVD (金属有才几化学汽相淀积)或MBE (分子束外延)来 形成。
有源层124^皮形成为具有单量子阱结构或双异质结构。
尽管未示出，^旦在n-型GaN层121在4十底100上生长之前可 以形成过渡层。该过渡层用来增强在4t底100和n-型GaN层121
之间的晶才各匹配。该过渡层可以根据工艺条件和LED的特性而被 省去。
其次，如7B所示，在p-型GaN层126上形成p-电极130。 p-电极130可以用作反射膜。同时，可以在该p-电极130上形成单独
的反射膜(未示出)。
接着，通过导电粘合层140将结构支持层150粘合在p-电极130 上。作为支持层和成品LED的电极的结构支持层150由硅(Si)衬 底、GaAs一于底、Ge衬底或金属层形成。该金属层可以通过电镀法、 无电镀法、热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、化学汽相淀积法 (CVD)形成。
下一步，如图7C所示，衬底100通过LLO (激光剥离)工艺 加以去除，以使n-型GaN层121的表面一皮暴露。
接下来，如图7D所示，在暴露的n-型GaN层121上形成具有 均匀间隔的第一不夹见则表面结构160a。
更具体地，第一不规则表面结构160a形成如下。在暴露的n-型GaN层121的上表面上形成具有相同间隔的预定形状的光刻胶图 案(未示出)。然后，通过将该光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性 地蚀刻n-型GaN层121的多个部分，乂人而形成该第一不^L则表面 结构160a。
下一步，如图7E所示，在其上已形成有第一不^L则表面结构 160a的n-型GaN层121上形成具有不均匀间隔的第二不^L则表面 结构160b。可以通过利用蚀刻液如KOH的湿法蚀刻工艺、利用ICP -RIE (感应耦合等离子体反应离子蚀刻才几(induced coupled plasma reactive ion etcher ))的干〉去々虫刻工艺、或;显》去々虫亥寸工艺和干 >去々虫刻 工艺的组合来形成第二不MJ!'J表面结构160b。
也就是i兌，在n-型GaN层121的表面上形成包4舌第一和第二 不头见则表面结构160a和160b的不^L则表面结构160。
随后，如图3所示，在其上已形成有不^见则表面结构160的n-型GaN层121上形成n-电才及170， 乂人而形成垂直GaN基LED。
尽管未示出，但为了增强电流扩散效应，在形成n-电极170之 前，可以在n-型GaN层121的整个上表面上形成由CIO/ITO构成 的透明导电层。
第二
具体实施例方式
参照图3和8A到8E,将详细描述制造根据本发明的第二具体 实施方式的垂直GaN基LED的方法。
图8A到8E是顺序地示出了制造根据本发明第二个具体实施方 式的垂直GaN基LED的方法的截面图。
如图8A所示，首先，在衬底100上形成具有均匀间隔的预定 形状的光刻月交图案200。优选地，衬底100由包括蓝宝石的透明材 料形成。除了蓝宝石夕卜，衬底100可以由ZnO (氧化锌)、GaN(氮 化镓)、SiC (碳化硅)、或A1N (氮化铝)形成。
然后，如图8B所示，通过将光刻胶图案200用作蚀刻掩模来 选择性地蚀刻衬底100的多个部分，从而形成具有均匀间隔的不规 则结构图案100a。
如图8C所示，将GaN基半导体层晶体生长在其上已形成有不 规则结构图案100a的衬底100上，以便形成n-型GaN层121。同 时，将n-型GaN层121形成为具有均匀间隔的第一不失见则表面结 构160a，其根据衬底100的不规则结构图案100a力口以形成。
下一步，在n-型GaN层121上，使有源层124和p-型GaN层 126顺序的进4亍晶体生长(crystal grown ),,人而形成发光结构120， 其中p-型GaN层126、有源层124以及n-型GaN层121顺序地净皮 层叠。然后，在发光结构120上形成p-电极130。此时，p-电才及130
可以用作反射力莫。同时，可以在p-电才及130上形成单独的反射力莫(未
示出)。
接着，通过导电粘合层140将结构支持层150粘合在p-电极130 上。作为支持层和成品LED的电极的结构支持层150由硅(Si)衬 底、GaAs衬底、Ge衬底或金属层形成。该金属层可以通过电镀法、 无电镀法、热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、化学汽相淀积法 (CVD)形成。
然后，如图8D所示，衬底100通过LLO工艺加以去除，从而 暴露n-型GaN层121的第一不规则表面结构160a。
下一步，如图8E所示，在具有暴露的第一不^见则表面结构160a 的n-型GaN层121上形成具有不均匀间隔的第二不^见则表面结构 160b。此时，可以通过4吏用蚀刻液如KOH的湿法蚀刻工艺、 -使用 ICP-RIE (感应耦合等离子体反应离子蚀刻机)的干法蚀刻工艺、 或湿法蚀刻工艺和干法蚀刻工艺的组合来形成第二不^L则表面结 构160b。也就是i兑，在n-型GaN层121的表面上，形成包4舌第一不夫见 则表面结构160a和第二不力见则表面结构160b的不^见则表面结构 160。接着，如图3所示，在其上已形成有不规则表面结构160的n-型GaN层121上形成n-电4及170, /人而形成垂直GaN基LED。尽管未示出，^旦为了增强电流扩散效应，在形成n-电极170之 前，可以在n-型GaN层121的整个上表面上形成由CIO/ITO形成 的透明导电层。根据本发明，在垂直GaN基LED的发光部上形成不规则表面 结构，该不失见则表面结构包括具有均匀间隔的第 一不^L则表面结构 和具有不均匀间隔的第二不身见则表面结构。因此，4是高了光才是取效 率，使得亮度的改善效果被最大化。而且，在n-型GaN层的表面(具有通过具有均匀间隔的第一 不规则表面结构而增大的区域)上形成具有不均匀间隔的第二不规 则表面结构，乂人而增大具有不均匀间隔的第二不*见则表面结构的形 成区域。因此，就可以增强垂直GaN基LED的亮度特性。尽管已示出和描述了本发明的总的发明构思的 一 些具体实施 方式，4旦是本领域的技术人员应该理解，在不背离本发明的总的发 明构思的原则和精神的条件下，可以对这些具体实施方式
作出改 变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种垂直GaN基LED，包括n-电极；在所述n-电极下形成的n-型GaN层，所述n-型GaN层具有不规则表面结构，所述不规则表面结构包括具有以均匀间隔形成的不规则结构的第一不规则表面结构和具有以不均匀间隔形成的不规则结构的第二不规则表面结构，所述第二不规则表面结构在所述第一不规则表面结构上形成；在所述n-型GaN层下形成的有源层；在所述有源层下形成的p-型GaN层；在所述p-型GaN层下形成的p-电极；以及在所述p-电极下形成的结构支持层。
2. 才艮据权利要求1所述的垂直GaN基LED,进一步包括在所述n-型GaN层的整个表面上形成的透明导电层，所 述透明导电层位于所述n-电极和所述n-型GaN层之间。
3. —种制造垂直GaN基LED的方法，包括在4于底上顺序地形成n-型GaN层、有源层以及p-型GaN层；在所述p-型GaN层上形成p-电才及； 在所述p-电极上形成结构支持层； 去除所述衬底以便暴露所述n-型GaN层的表面； 在所述n-型GaN层的暴露表面上形成具有均匀间隔的第 一不力见则表面结构；在所述第 一 不则表面结构上形成具有不均匀间隔的第 二不^见则表面结构；以及在其上已形成有所述第一和第二不规则表面结构的所述 n-型GaN层上形成n-电才及。
4. 才艮据斥又利要求3所述的方法，其中，所述第一不规则表面结构的形成包括在所述暴露的n-型GaN层上形成具有均匀间隔的预 定形状的光刻月交图案；以及通过将所述光刻胶图案用作蚀刻掩才莫而选择性地蚀 刻所述n-型GaN层的部分。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二不^见则表面结构的形成通过干法蚀刻或 湿法蚀刻工艺进行。
6. 才艮据权利要求3所述的方法，进一步包括在形成所述n-电4及之前，在所述n-型GaN层上形成透明 导电层。
7. —种制造垂直GaN基LED的方法，包括将衬底的表面图案化为具有均匀间隔的不规贝'J结构图案； 形成n-型GaN层，以^吏与图案化为所述不^见则图案的斗t 底才妄触的所述n-型GaN层的表面具有与所述不失见则结构图案 一致的均匀间隔的第 一不^L则表面结构；在所述n-型GaN层上顺序地形成有源层和p-型GaN层；在所述p-型GaN层上形成p-电才及；在所述p-电才及上形成结构支持层；去除所述衬底以便暴露所述n-型GaN层的第 一不规则表 面结构；在所述第一不M^则表面结构的暴露的表面上形成具有不 均匀间隔的第二不失见则表面结构；在其上已形成有所述第一和第二不^见则表面结构的所述 n-型GaN层上形成n-电才及。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，将所述衬底图案化包括在所述—于底上形成具有均匀间隔的预定形状的光刻 月交图案；以及通过将所述光刻胶图案用作蚀刻掩模而选择性地蚀 刻所述衬底的部分。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二不M^'J表面结构的形成通过干法蚀刻或 湿法蚀刻工艺进行。
10. 根据权利要求7所述的方法，进一步包括在形成所述n-电4及之前，在所述n-型GaN层上形成透明 导电层。
全文摘要
一种垂直GaN基LED，包括n-电极；在该n-电极下形成的n-型GaN层，该n-型GaN层具有不规则表面结构，该不规则表面结构包括具有以均匀间隔形成的不规则结构的第一不规则表面结构和具有以不均匀间隔形成的不规则结构的第二不规则表面结构，该第二不规则表面结构形成于该第一不规则表面结构之上；在该n-型GaN层下形成的有源层；在该有源层下形成的p-型GaN层；在该p-型GaN层下形成的p-电极；以及在该p-电极下形成的结构支持层。
文档编号H01L33/00GK101127382SQ20071010525
公开日2008年2月20日 申请日期2007年5月28日 优先权日2006年8月14日
发明者吴邦元, 崔锡范, 白斗高, 禹钟均 申请人:三星电机株式会社