发光晶体结构的制作方法

专利名称：发光晶体结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有发光二极管的设备以及制造这种设备的方法， 其中该发光二极管包括具有III族氮化物的结构。
背景技术：
希望提高发光晶体结构例如发光二极管(LED)的效率，因为这将 会增加它们在商业上应用的范围。可以通过两种方式提高效率增加外 部效率或增加内部效率。
外部效率的提高是通过从该结构中提取更多光来实现的。本领域技 术人员众所周知，发光晶体结构具有一个临界角，超过该角度反射的光 会在内部反射而不会射出该结构。例如，常规的平面LED中所生成的光 只有大约5%射出该LED,而其余部分都是在内部反射。提取更多光的 方式包括使平面LED具有紋理以减少内部反射的光量。

发明内容
一个实施例是一种设备，包括一个结构，该结构包含m族氮化物
以及n型与p型m族氮化物之间的结(junction),其中该结构具有棱 锥形或楔形形状。
另一个实施例是一种设备，包括设置在衬底上的发光晶体结构。该 结构具有n型和p型势垒区(barrier region)以及它们之间的结。该结 被设置在该n型和p型势垒区的相对于该衬底平坦表面倾斜的一个或多 个表面上。
另一个实施例是一种制造设备的方法。该方法包括形成发光晶体结 构，包括在衬底上形成第一势垒区，该第一势垒区具有相对于该衬底 平坦表面倾斜的一个或多个表面。形成该结构还包括在该第一势垒区上 形成第二势垒区，从而在该倾斜表面上形成结。该第一势垒区包括n型 或p型半导体晶体中的一个，第二势垒区包括该n型或p型半导体晶体
3中的另一个。


根据一下详细说明并结合附图，将会更好地理解本发明。各个特征 的尺寸不是用于定量限定，而是被随意增加或减小以便于讨论清楚。现
在结合附图来进行以下说明，其中
图1示出了 一个示例设备的透视图2示出了 一个替代示例设备的透视图3示出了图1所示示例设备的一部分的截面图；和
图4-14表示一个示例设备在一个示例制造方法的选定步骤中的截
面图和平面图。
具体实施例方式
本发明受到以下认识的启发，即内部和外部效率都可以通过形成 具有倾斜表面的发光晶体结构来提高。内部效率的提高可以通过改变该 晶体材料自身的特性来实现。然而，某些晶体沿着特定晶体轴没有反对 称性，这使得该晶体具有内部电场。该内部电场不利地降低了内部效率， 并且会改变从这种结构发出的光的波长。在倾斜表面上形成该结构的发 光组件会使得该结构成为半极性晶体或非极性晶体，从而减小或消除了 该结构的内部电场。此外，在倾斜表面上形成该结构减少了内部反射的 光量，从而提高了外部效率。
本发明的一个实施例是一个设备。图示出了一个示例设备100的 透视图，例如是LED或包含LED的其他照明设备。该设备100包括具 有n型势垒区U0和p型势垒区U5的发光晶体结构105。在该n型和 p型势垒区UO、 U5之间有结120。图1中以剖视图示出了 p型势垒区 115和结120的内部部分。结120被设置在该n型或p型势垒区110、 115之一的倾斜表面125上。表面125相对于衬底130的平坦表面127 倾斜。如本领域技术人员所公知的，结120包括当在该n型和p型区域 110、 115之间施加电压(V)时能够发光的有源区域。
倾斜表面125是指该n型和p型势垒区110、 115中之一的生长或 湿法蚀刻露出的表面，其偏离了该结构105所在的衬底130的水平平坦 表面127。例如，对于包括III族氮化物的n型和p型势垒区110、 115 来说，该水平平面127可以对应于衬底130 (例如绝缘衬底，如蓝宝石) 的(0001)或(000T)平面，而倾斜表面125可以对应于平面族{1了0了}中的一个。
这里所使用的术语III族氮化物是指一种金属氮化物或金属合金氮 化物，其中该金属包括元素周期表第III族中的一个或多个原子。例如
包括氮化铝、氮化镓、氮化铟或其组合。在一些情况下，该n型和p型 势垒区110、 115包括掺杂剂以形成n型和p型材料。合适的n型和p 型掺杂剂的例子分别包括硅和镁。
该例子是基于包括m族氮化物的纤锌矿晶体结构的。然而，本领 域技术人员将会认识到，本发明可以应用到任何具有非反对称性 (non-inversion symmetry)的发光晶体结构上。其他具有非反对称性的 发光晶体结构的例子包括II-VI族化合物，例如氧化锌(ZnO)、氧化锌 镁(MgZnO)、氧化锌镉(CdZnO)及其组合。
如图1所示，倾斜表面125偏离衬底130的水平平坦表面127。在 一些优选实施例中，该倾斜表面125被配置成形成角135,用于减小或 消除该n型和p型势垒区110、 115的内部电场。例如，对于包4舌III族: 氮化物的n型和p型势垒区110、 115来说，在55到65度的范围中的 角135,在一些情况下是55到60度，会使得结120中的压电极化和自 发极化之和彼此抵消，从而得到基本上为零的电场。
形成结构105以提供一个或多个具有预定角度135的倾斜表面125 是有利的。在一些优选实施例中，该设备100可以包括结构105,该结 构105包含III族氮化物以及n型和p型III族氮化物110、115之间的结 120，该结构105具有棱锥形或楔形。
在一些实施例中，例如图l所示，该结构105具有棱锥形，更特别 地是六棱锥。在这种情况下，该倾斜表面125对应于设置在衬底130上 的棱锥结构105的六个面140。该棱锥结构105可以使用如下所述的湿 法蚀刻过程形成。
在其他实施例中，例如图2所示(使用与图l相同的参考数字)， 该结构105具有楔形形状。在这种情况下，倾斜表面125对应于设置在 衬底130上的楔形结构105的两个面210。该倾斜表面125可以对应于 一个平面族(l 152}。该楔形结构105可以通过化学汽相沉积(CVD) 来形成，例如在Srinivasan et al., Applied Physics Letters 87:131911， 2005 中所述，这里通过引用而结合其全文。
结构105优选为具有多个倾斜表面125,因为这样会增加结构105的外部效率。例如，具有对应于六棱锥结构105的六个面140的多个倾 斜表面125 (图1 )优于具有对应于楔形结构105的两个面210的多个 倾斜表面125的结构105 (图2)。棱锥结构105的更多个面140为光 线提供了更多表面以便在小于晶体结构105的临界角的角度下反射出 去，从而提供了更多从结构105逸出的逃逸路径。
图3示出了沿着线3-3得到的截面图，该线3-3穿过了图1所示棱 锥形结构105的一个面140。然而，图3所示的截面图还可以对应于图 2所示的线3-3，其穿过了垂直于该楔形结构105的面210的平面。
如图3进一步所示，为了提高从结构105发出的光量，结120优选 为包括量子阱305。该量子阱305的一些实施例包括III族氮化物。
当结构105是棱锥形时，n型区110、 p型区115和量子阱305三者 均为棱锥形。替代地，当结构105是楔形时，n型区UO、 p型区115和 量子阱305三者均为楔形。具有这种结构有利地提高了内部发光效率， 因为它提供了减小结构105的内部电场所需的倾斜表面125。这些结构 还有利于提高结构105的外部发光效率。也就是说，与从设置在平坦表 面上的具有相似成分的量子阱发出的光相比，设置在倾斜表面125上的 量子阱305内部反射的光将减少。
量子阱305的III族氮化物的成分与n型和p型势垒区110、 115的 III族氮化物的成分不同。选择量子阱305以及n型和p型势垒区110、 115的III族氮化物的成分是很重要的，这样可以配置该n型和p型势垒 区110、 115以使其具有比量子阱305更大的带隙。具有铝的III族氮化 物(例如AlxGai-xN)将使得这些材料具有更宽的带隙，而具有铟的III 族氮化物(例如InyGai.yN )将使得这些材料具有更窄的带隙。
例如，在一些优选实施例中，该n型和p型势垒区110、 115包括 氮化镓，而量子阱305包括铟和镓的合金(例如氮化镓铟)。在另一些 实施例中，该n型和p型势垒区110、 115包括铝镓合金(例如氮化镓 铝)，量子阱305包括氮化镓。在另一些实施例中，n型和p型势垒区 110、 115包括富铝的铝镓合金(例如Al:Ga:N的比率大约为80:20:100 的AlGaN),量子阱305包括贫铝的铝镓合金(例如Al:Ga:N的比率大 约为60:40:100的AlGaN)。在另外一些情况下，该n型和p型势垒区 110、 115包括氮化铝铟或氮化铝镓铟，量子阱305包括氮化镓铟。本领 域技术人员将会认识到还可以使用III族氮化物的其他组合。
6如图3进一步所示，量子阱305可以具有一个或多个量子阱层310 和一个或多个势垒层(barrier layer) 315。在授予Cho等的美国专利第 689U87号中给出了量子阱层310和势垒层315的例子，这里通过引用 而结合其全文。
每个量子阱层310优选地被插入在势垒层315之间。如果有多于一 个的量子阱层310,那么通过比该量子阱层更大带隙的势垒层使该量子 阱层310彼此隔离。在一些优选实施例中，每个势垒层315具有大约10 到15埃(Angstrom)的厚度320，每个量子阱层310具有大约5到50 埃的厚度325。在一些优选实施例中，该量子阱305包括1到8个量子 阱层310。具有多个量子阱层310有利于增加栽流子俘获到该量子阱305 中的可能性。然而，如果量子阱层310的数量太多，载流子就不能被均 匀分布在不同的层310中。
该量子阱区310和势垒层315可以包括上述分别用于量子阱305以 及n型和p型势垒区110、 115的材料的任意组合。优选地，该量子阱 区310和势垒层315的成分被配置成使得该量子阱区310具有较窄的带 隙，而势垒层315具有更宽的带隙。
该量子阱层310可以包括一种III族氮化物，而势垒层315可以包 括另一种m族氮化物。例如，该量子阱层310可以包括InGaN,而势垒 层315可以包括GaN。在一些优选实施例中，该量子阱层310包括In:Ga:N 比率在从大约15:85:100到20:80:100的范围内的InGaN,优选为大约 17:83:100。这种成分是有利的，因为当设置到相对于村底130成角度135 例如为大约55到65。的倾斜表面120上时，实质上减小了该量子阱层310 的内部电场。这种角度135是包括例如III族氮化物的棱锥(图1 )或楔 形(图2)结构105的面140、 210可以获得的。
在一些实施例中，量子阱305具有从大约2.5到5纳米之间变化的 厚度330。如果该量子阱包括多个量子阱层310和势垒层315,则该厚 度330就是指这些层310、 315的厚度之和。在一些情况下，该量子阱 305 (或其构成层310、 315)在整个结构105中的厚度330变化优选为 大约±5%或更少。这种较低的厚度变化是有利的，因为它减小了从结构 105发出的光的波长范围。薄膜沉积技术例如分子束外延(MBE)可以 被使用以便制造这么低厚度变化的量子阱305层。然而，在其他情况下， 当希望获得更宽范围的发光波长时，可以使用其他技术例如CVD以产
7生厚度330变化大于±5%的量子阱305。例如，在任何一个结构105内 的厚度330可以在大约2.5到5纳米之间的范围内变化。
在上面对图l-3所示示例的讨论中，p型势垒区115被表示为结构 105的外层340, n型势垒区IIO被显示为结构105的内部区域345。然 而，在另一些实施例中，n型势垒区U0可以是外层340,而p型势垒 区115可以是内部区域345。该结120或可选的量子阱305是位于内部 区域345的倾斜表面125上的中间层350。
在一些实施例中，外层340包括n型或p型III族氮化物中的任一 个，具有从大约50到500纳米之间的范围内变化的厚度355。
如图3进一步所示，内部区域345可以包括设置在基部365上的一 个或多个棱锥部分360。该基部365可以是基本平坦的基底，其是该结 构105所在的村底130的一部分。为了清楚起见，在图1和3中仅示出 了单个棱锥360。然而，在另一些实施例中，结构105包括位于公共基 部365上的多个棱锥360。也就是说，该棱锥360通过基部365互相连 接。使棱锥360通过基部365互相连接有利于将该n型或p型III族氮 化物110、 115中的一个耦合到欧姆触点150、 155,其相应地耦合到被 配置成在这些区域IIO、 U5之间施加电压(V)的电源160。
如图3所示，棱锥360和基部365都被覆盖有量子阱305的中间层 350以及该n型和p型势垒区110、 115中的另一个的外层340。在一些 优选实施例中，该棱锥360具有从大约100nm到2微米之间变化的高度 370和宽度375，该基部365具有大约500nm到100微米的厚度380。 棱锥360的高度370优选为不超过大约2微米，因为更高的结构会妨碍 在随后处理步骤中形成平坦的光刻胶层。
该棱锥360通过基部365的部分湿法蚀刻而形成。湿法蚀刻过程祐: 设计成从晶体结构的特定表面上去除材料以露出该棱锥360。在授予 Chowdhury等的美国专利第6986693号中给出了这种湿法蚀刻过程的例 子，这里通过引用而结合其全文。例如，III族氮化物晶体的氮极性(N 极性)表面比金属极性(M极性)表面更容易受到基部湿法蚀刻的影响。 本领域技术人员将会认识到，N极性表面是指III族氮化物纤锌矿结构 的具有从氮原子到III族金属原子的直接结合(straight bond)(正方形结 合的结构)的面。M极性表面是指具有从III族金属原子到氮原子的直 接结合的面。该基部湿法蚀刻将会蚀刻III族氮化物晶体(例如GaN)的(1T0T)平面以产生六角形棱锥结构105 (图1)。该六棱锥结构105 具有该(1T0T)族的六个面140。在一些优选实施例中，该六角形棱锥结 构105具有大约58.4度的基部-面角135。
如图1和3进一步所示，该p欧姆触点150接触p型势垒区115, n 欧姆触点155接触n型势垒区110。该欧姆触点150、 155包括一个或多 个导电材料层，例如钛、铝、镍、柏、金或其合金。电源160被配置成 向欧姆触点150、 155施加电压(例如在一些实施例中为大约0.5到10 伏的V)以使得该结构105发光。
本发明的另 一方面是一种制造设备的方法。图4-20示出了 一种制造 设备400的示例方法中的选择步骤的截面图。图l和3所示示例设备的 任一个实施例都可以通过该方法制造。
图4-8示出了形成设备400的发光晶体结构405的选择步骤。形成 该结构包括在衬底上形成第一势垒区，该第 一势垒区具有相对于该衬底 的平坦表面的一个或多个倾斜表面。图4-7示出了形成该第一势垒区的 选择步骤。
图4示出了在村底410上形成势垒区种子层(seed layer) 407之后 的设备400。蓝宝石是优选的衬底410,因为它有利于在衬底410上形 成随后生长的N极性势垒区。形成该势垒区种子层407可以包括通过 MBE在衬底410上生长A1N种子层415(大约20 nm的厚度417)和在 该A1N种子层415上生长III族氮化物(例如GaN)种子层420 (大约 50nm的厚度422)。该A1N种子层415是优选的，因为它有利于在村 底410上生长随后生长的M极性势垒区。该III族氮化物层420保护该 A1N种子层415在形成该M极性势垒区之前不被氧化。图4还示出了 在通过例如旋涂而沉积光刻胶层425和对该光刻胶层425图案化以形成 一个或多个开口 430后的设备400。该开口 430在衬底410上限定了形 成发光晶体结构405的位置。
图5示出了去除该势垒区种子层407在开口 430中露出的部分并且 去除该光刻胶层425之后的设备400 (图4 )。例如，可以使用包括Cl 和Ar的等离子蚀刻来去除该势垒区种子层407的露出部分以将该开口 430向下延伸到衬底410。例如，该气体成分可以包括30 sccm的Cl和 10sccm的Ar。然后通过一个常^L处理例如浸入到丙酮然后浸入到10:1 (体积比)的H2S04:H202中，来去除该光刻月交层425。图6示出了在衬底410和III族氮化物种子层420上形成一层第一 势佥区605之后的该设备。例如，可以使用MBE来生长一层第一势垒 区605,其包括III族氮化物并且具有从大约1到5微米之间变化的厚度 607。该第一势垒区605的m族氮化物的成分基本上与种子层407的III 族氮化物种子层420基本相似。例如，该第一势垒区605和III族氮化 物种子层420都可以包括GaN。该第一势垒区605包括n型或p型半导 体晶体中的一个以形成n型势垒区或p型势垒区。例如，在该第一势垒 区605的MBE生长期间可以分别包含适当的n型或p型掺杂剂例如硅 或镁。
该层第一势垒区605的优选实施例包括生长的M极性表面610和生 长的N极性表面615。也就是说，在该势垒区种子层407上生长的该层 第一势垒区605具有M极性表面610,而在开口 430中露出的在衬底410 上生长的该层第一势垒区605具有该N极性表面615。有利地，该第一 势垒区605同时具有该M极性和N极性表面610、 615，因为这将4吏得 人们能够预先限定在衬底410上形成该第一势垒区605的倾斜表面的位 置。
例如，如图7所示，可以通过湿法蚀刻该N极性表面615来形成倾 斜表面705，例如利用如上所述和美国专利第6986693号中所述的基部。 如图7所示，该第一势垒区605的M极性表面610相对不受该湿法蚀刻 的影响。当该第一势垒区605包括III族氮化物(例如GaN)时，湿法 蚀刻该N极性表面615将引起该平面族(1T0T)迅速蚀刻以形成一个或 多个六棱锥710。该倾斜表面705包括该棱锥710的面715。在一些情 况下，该倾斜表面705可以相对于衬底410的水平平坦表面725形成在 大约55到65。之间的范围内变化的角720。如图7所示，该湿法蚀刻可 以在第一势垒区605的基部部分730上形成多个互相连接的棱锥710。 该棱锥710和基部部分730都包括该第一势垒区605的相同材料。
图8示出了在第一势垒区605上形成第二势垒区805从而在倾斜表 面705上形成结810之后的设备100。该第二势垒区805包括该第一势 垒区605不包含的该n型或p型半导体晶体中的另一个。该第二势垒区 805的优选实施例包括III族氮化物。可以使用MBE来生长一层第二势 垒区805,其包括HI族氮化物且具有在大约50到500納米之间的范围 内变化的厚度815。优选地使用MBE,因为它可以以最小的厚度815变
10化来形成该第二势垒区805。在一些情况下，该第二势垒区805被沉积 在基部部分730上的多个互相连接的棱維710上方，并且在一些情况下 ^:沉积在该棱锥710上。
如图8进一步所示，可以在形成第二势垒区805之前在该第一势垒 区605上形成量子阱820。在这种情况下，结810包括该量子阱820。 该包括III族氮化物的量子阱820可以通过MBE在基部730部分的多个 互连棱锥710上形成，然后在该量子阱820上形成第二势垒区805。
图9-13示出了在第一和第二势垒区605、 805上形成触点的选择步 骤。图9示出了利用第二光刻胶905填充开口 430后的该设备100。从 而该光刻胶905覆盖了第一势垒区605、笫二势垒区805和可选的量子 阱820位于该开口 430内的部分。
图IO示出了在露出该第一势垒区605的M极性表面610后的该设 备100。例如可以使用包含Ar和Cl的等离子蚀刻来去除第二势垒区805 和可选的量子阱820位于该开口 430外且未#1光刻胶905覆盖的部分。 该光刻胶905保护开口 430中的该第一势垒区605、第二势垒区805和 可选的量子阱820不^皮蚀刻。然后，去除该光刻胶905。
图11示出了在第一势垒区605的M极性表面610上沉积第一欧姆 触点1105后的该设备100。该第一欧姆触点1105可以通过常规的金属 剥离过程来形成。例如可以沉积第三光刻胶1110和图案化以在该势垒 区605上构成开口 1115，并且设置在发光晶体结构405周围。该第一触 点1105的材料(例如铝、钛、金)可以使用常规的金属沉积技术例如 电子束沉积而沉积在第一势垒区605的M极性表面610上的开口 1115 中。在一些优选实施例中，第一触点1105包括配置成n型势垒区的第 一势垒区605上的钛、铝、钛和金四个连续沉积层。
图12示出了在第二势垒区805上沉积第二欧姆触点1205后的该设 备IOO。例如可以沉积第四光刻胶1210和图案化以在该第二势垒区805 上构成开口 1215，并且设置在发光晶体结构405内。如图所示，该第二 势垒区805被设置在第一势垒区605的N极性表面615上方或其上，第 二触点1205在该第二势垒区805上方或其上。在一些优选实施例中， 该第二欧姆触点1205包括与第一触点1105不同的材料。例如在一些优 选实施例中，第二触点1205包括配置成p型势垒区的第二势垒区805 上的镍和金两个连续沉积层。
ii图13示出了剥离该光刻胶层1210 (图12)后的该设备100。图14示出了如图13所示设备100的平面图。如图13和14所示的实施例所示，第一触点1105不需要覆盖整个M极性表面610。这是因为该第一势垒区605具有M极性表面610的部分与该第一势垒区605具有N极性表面615的部分电接触。例如，棱锥710下部的基部730接触该M极性表面610下方的第一势垒区605。因此，该第一触点1105也与该结构405的倾斜表面705和结810电接触。
类似地，第二触点1205不需要覆盖形成在该结构的每个倾斜表面705上的整个第二势垒区805。当该第二势垒区805在互连棱锥710和第一势垒区605的基部730上方形成均匀涂层时，接触该第二势垒区805的任何部分的第二触点1205也与该结构405的倾斜表面705和结810电接触。使得该结构405在多个互连棱锥710上方包括第二势垒区805的均匀涂层有利于更灵活地放置该第二触点1205。这就避免了需要将第二触点1205与每个棱锥710上的特定位置对齐，那样是有问题的，因为通过湿法蚀刻过程形成棱锥710的确切位置是无法预料的。
虽然已经详细说明了实施例，但是本领域技术人员应当理解，这里可以做出各种变化、替代和替换而不脱离本发明的范围。
权利要求
1. 一种设备，包括包括III族氮化物以及位于n型和p型III族氮化物之间的结的结构，该结构具有棱锥形或楔形形状。
2. 如权利要求1所述的设备，其中该结包括具有III族氮化物的量子阱。
3. 如权利要求2所迷的设备，其中该量子阱具有量子阱层和势垒层，该量子阱层插入在势垒层之间，其中该量子阱层包括一个ni族氮化物，该势垒层包括另一个III族氮化物。
4. 如权利要求3所述的设备，其中该量子阱层的一个III族氮化物包括镓铟合金或镓铝合金，该势垒层的另一个III族氮化物包括氮化镓。
5. 如权利要求l所述的设备，其中该结构具有楔形形状。
6. 如权利要求l所迷的设备，其中该结构具有棱锥形状。
7. —种设备,包括在衬底上的发光晶体结构，该结构具有n型和p型势垒区以及位于它们之间的结，该结被设置在该n型和p型势垒区的一个或多个表面上，该表面相对于该4t底的平坦表面倾斜。
8. 如权利要求7所述的设备，其中该倾斜表面相对于该衬底的水平表面形成大约在55到65。之间的角。
9. 一直制造设备的方法，包括形成发光晶体结构，包括在衬底上形成第一势垒区，该第一势垒区具有一个或多个相对于该衬底的平坦表面倾斜的表面；和在该笫一势垒区上方形成第二势垒区以在该倾斜表面上形成结，其中该第一势垒区包括n型或p型半导体晶体中的一个，该第二势垒区包括该n型或p型半导体晶体中的另一个。
10. 如权利要求9所述的方法，其中该第一势垒区包括设置在该衬底上的种子势垒层上方的M极性表面，以及设置在该包括蓝宝石的衬底上的N极性表面，其中该种子势垒层包括A1N层，该倾斜表面是通过湿法蚀刻该笫 一 势垒区的N极性表面而形成。
全文摘要
一种设备，包括一个包括III族氮化物以及位于n型和p型III族氮化物之间的结的结构，该结构具有棱锥形或楔形形状。
文档编号H01L33/00GK101490859SQ200780026036
公开日2009年7月22日 申请日期2007年3月6日 优先权日2006年7月10日
发明者H·吴 申请人:卢森特技术有限公司