专利名称：具有通过粗化的改进的光提取的发光二极管(led)的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管并且更特别地涉及用于增加它们的光提取的新的LED结构。
背景技术：
发光二极管(LED)是将电能转换成光的固态器件中的重要类别。LED通常提供了夹在两个相对掺杂层之间的半导体材料的有源层。当跨越掺杂层施加偏压时，空穴和电子被注入到其中它们重新结合以生成光的有源层中。由有源区所生成的光在所有方向上发射并且光通过所有暴露的表面逃逸出半导体芯片。随着半导体材料已经改进，半导体器件的效率也已经提高。新的LED正由诸如 InAlGaN的材料制成，其支持紫外线到琥珀色光谱中的有效照明。与常规光源相比较新的 LED中的许多在将电能转换成光方面是更高效的并且它们可以是更可靠的。随着LED改进， 期望它们在许多应用中代替常规光源，诸如交通信号、户外显示器和室内显示器、汽车头灯和尾灯、常规室内照明等等。常规LED的效率受到它们无法发射由它们的有源层所生成的全部光的限制。当 LED通电时，从其有源层(在所有方向上)发射的光以许多不同的角度到达发射表面。与周围空气(n = 1.0)或灌封环氧(n 1.5)相比较，典型的半导体材料具有高折射率 (n 2. 2-3. 8)。根据斯涅尔定律，在特定临界角(相对于表面法向方向)内的从具有高折射率的区传播到具有低折射率的区的光将过渡到较低的折射率区。到达表面超过临界角的光将不过渡但是将经历全内发射(TIR)。在LED的情况下，TIR光能够继续在LED内反射直到其被吸收为止。由于这个现象，所以由常规LED所生成的大量的光没有发射，这降低了它的效率。减少TIR光的部分的一个方法在于在LED的表面上以随机织构化的形式创建光散射中心。随机织构化在活性离子刻蚀期间通过使用作为掩膜的LED表面上的亚微米直径聚苯乙烯球体而形成图案到表面中。有纹理的表面具有大约由于随机干扰效应不以斯涅尔定律所预测的方式折射和反射光的光的波长的特征。已经证明这个方法将发射效率提高了 9 至 30%。如美国专利号6，821，804中所讨论，表面织构化的一个缺点是它能够阻止有效电流在具有用于诸如P型GaN的有纹理的电极层的不良电导电性的LED中扩散。在较小的器件或具有良好电导电性的器件中，来自P和n型层触点的电流将传遍各层。采用较大的器件或由具有不良电导电性的材料制成的器件，电流不能够从触点传遍层。因此，有源层的一部分将不经历电流并且将不发射光。为了跨越二极管区域创建均匀电流注入，能够将导电材料的扩散层沉积在表面上。然而，这个扩散层常常需要是光学上透明的从而使得光能够发射穿过该层。当在LED表面上引入了随机表面结构时，不能够容易地沉积有效薄的并且光学上透明的电流撒布器。增加从LED的光提取的另一方法是包括使光从其内部俘获角改变方向到由表面的形状和周期所确定的定义模式的发射表面或内部界面的周期图样。见给Krames et al 的美国专利号5，779，924。这个技术是其中干扰效应不再是随机的并且表面将光耦合到特定模式或方向中的随机有纹理的表面的特殊情况。这个方法的一个缺点是可能难以制造该结构，因为表面形状和图案必须是均匀的并且是非常小的，约LED的光的单个波长。这个图案在沉积如上文所描述的光学上透明的电流扩散层中还能够带来困难。还已经通过将LED的发射表面成形到半球体中实现了在光提取方面的增加，其中发射层在中心。虽然这个结构增加了发射的光的数量，但是其制造是困难的。给Scifres 和Burnham的美国专利号3，954，534公开了一种使用在LED中的每一个之上的相应半球体来形成LED的阵列的方法。半球体被形成在基底中并且二极管阵列生长在它们之上。然后远离基底对二极管和晶体结构进行蚀刻。这个方法的一个缺点是它受限于在基底界面处结构的形成，并且来自基底的结构的升离导致增加的制造成本。同样地，每个半球体都具有直接在其之上的发射层，这需要精确的制造。美国专利号5，431，766公开了在缺乏水和氧的情况下硅(Si)的光电化学氧化和分解。无水HF乙晴(MeCN)溶液中的蚀刻速率和光电流直接与光强度成比例多达至少 600mW/cm2，产生大于4微米/分钟的空间选择性蚀刻速率。由于来自高能反应中间体的电子注入的原因每硅分子的四个电子转移反应发生了大于3. 3的量子产额。美国专利号5，793，062公开了一种用于通过包括光非吸收层以使光改变方向远离诸如触点的吸收区、并且还使光改变方向朝向LED的表面来增加从LED的光提取的结构。 这个结构的一个缺点是非吸收层要求底切狭小角层的形成，这在许多材料系统中可能难以制造。美国专利号6，744，071公开了具有其电极彼此面对的相对电极结构的氮化半导体元件。氮化半导体元件在支承基底上接连包括导电层、第一电极、具有发光层的氮化半导体、以及第二电极。第一电极和第一绝缘保护层被插入在导电层与氮化半导体的第一导电型氮化半导体层之间。美国专利号6，821，804公开了在LED上或之内具有提高其效率的光提取结构的 LED。新的光提取结构提供了更有利于光逃逸到外壳中的用于将光发射、折射或散射到各方向中的表面。该结构可以是光提取元件或扩散器层的阵列。光提取元件能够具有许多不同的形状并且被放置在许多位置以提高超过常规LED的LED的效率。扩散器层提供了用于光的散射中心并且也能够被放置在许多位置。如美国专利号6，821，804中所进一步讨论的，增加光提取的另一方式是在LED的发射表面上的薄膜金属层内将光子耦合到发射回到辐射模态中的表面等离子体激元模态中。这些结构依赖在金属层中从半导体发射的光子到表面等离子体激元中的耦合，其还被耦合到最终被提取的光子中。这个器件的一个缺点是难以制造，因为周期结构是具有浅槽深度(<0. Iym)的一维刻划光栅。同样地，很可能由于光子到表面等离子体激元和表面等离子体激元到周围光子转换机构的效率低的原因，总外量子效率是低的(I. 4-1.5%)。这个结构也带来与电流扩散层方面相同的困难，如上文所描述的那样。光提取也能够通过使 LED芯片的侧表面成角度以创建倒置的截棱锥来提高。成角的表面提供了在具有发射表面的基底材料中捕获的TIR光。使用这个方法已经证明外量子效率对于InGaAlP材料系统提高了 35%至50%。这个方法适用于其中在基底中捕获了巨量光的器件。对于生长在蓝宝石基底上的GaN器件而言，在GaN薄膜中捕获了大量光使得使LED芯片的侧表面成角度将不会提供所期望的增加。用于增加光提取的又一方法是光子再循环。这个方法依赖具有将电子和空穴容易地转换成光并且反之亦然的高效率有源层的LED。TIR光从LED的表面反射出去并且照在有源层，其中它被转换回成电子空穴对。由于有源层的高效率，所以电子空穴对将几乎立即被重新转换成在随机方向上再次发射的光。再循环的光的部分将照着临界角内的LED发射表面之一并且逃逸。反射回到有源层的光再次经过相同的处理。
发明内容
公开了用于通过在LED器件上形成n型氮化镓(n_GaN)层、并且对n_GaN层的表面进行粗化以增加从该LED器件的内部的光提取来制造半导体发光二极管(LED)器件的系统和方法。上述系统的实施方式可以包括以下中的一个或多个。通过光电化学氧化和蚀刻处理来对LED晶片的n-GaN层进行粗化。LED晶片包括导电基底(诸如Cu、W、Mo或它们的合金)；一个或多个外延层；一个或多个在外延层与导电基底之间的欧姆接触和反射金属层 (例如，Ni、Au、Pt、Cr、Ti、Pd以及Ag);在独立LED的侧壁上的诸如Si02、Si3N4、或SiON的保护层；以及在顶部n-GaN层上的n型电极。光电化学氧化和蚀刻处理能够在具有水溶液的系统、照明系统、以及电偏置系统中执行。所述水溶液可以是氧化剂和酸性溶液或碱性溶液的组合。氧化剂尤其可以是H202、K2S2O8中的一个或组合。酸性溶液可以是H2S04、HF、 HC1、H3P04、HN03、以及CH3COOH中的一个或更多个。例如，碱性溶液可以是KOH、NaOH、NH4OH 中的一个或混合物。能够通过具有范围在可见的与紫外线光谱之中的波长的Hg或Xe弧光灯系统来执行照明。照明以小于200mW/cm2的强度暴露在n型III族氮化物半导体上。电偏压能够被施加到导电基底并且电压被控制在-10与+IOV之间。通过改变水溶液的成分、 电偏压、以及照明强度，能够控制氧化主导、蚀刻主导或组合反应以对n-GaN表面的粗糙度进行优化。在粗化处理之后，还露出了无序有纹理的形态。粗化处理能够适用于在晶片级的n-GaN向上垂直LED的暴露的n_GaN。在基于GaN 的LED外延薄膜被转移到导电基底之后，n型电极(诸如Cr/Ni)被形成在n型GaN层上。 n型金属垫不仅充当欧姆接触而且充当用于后续粗化处理的掩膜。通过光电化学(PEC)氧化和蚀刻方法执行的粗化处理采用了所述n型电极金属化。晶片在照明下被浸入到水溶液中并且对导电基底进行电偏置。水溶液是氧化剂和酸性溶质或碱性溶质的组合。n型GaN 的经粗化的表面将露出不像角锥、圆锥形、或半圆形的形态的无序有纹理的形态。通过改变溶液的各成份、偏置电压、以及照明强度，能够将粗化机构控制成氧化主导或蚀刻主导反应。表面粗糙度的RMS值被控制在0.05um至2微米。经粗化的表面尺寸被选择成以近似1/2 A最佳地散射光。在另一实施方式中，经粗化的表面的有效反射率近似为2. 0 2. 5。经粗化的表面的优点可以包括以下中的一个或多个。经粗化的表面在GaN上产生了有效粗糙的表面以从内部提取更多的光。与具有平坦表面的LED相比较，具有无序有纹理的表面的LED的亮度能够增加到大于两倍。对于相同的芯片尺寸/功耗而言LED能够提供更多的光。或者，假定给定相同的光输出要求LED能够被制造得更小并且这样的更小的尺寸消耗更少功率以及不动产，这带来了节省。能够使用标准处理技术来制造LED使它们比标准LED具有更高的成本竞争性。本发明的一个实施方式是一种方法。所述方法通常包括提供发光二极管(LED) 晶片组件；对n型掺杂层的表面应用掩膜；对n型掺杂层的表面进行蚀刻使得经蚀刻的凹坑被形成在该表面中；移除所述掩膜；以及对包括经蚀刻的凹坑的n型掺杂层的表面进行粗化或纹理化。LED晶片组件通常包括导电基底、布置在导电基底之上的p型掺杂层、布置在P型掺杂层之上的有源层、以及布置在所述有源层之上的n型掺杂层。本发明的另一实施方式是一种方法。所述方法通常包括对发光二极管(LED)晶片的表面应用掩膜JtLED晶片的表面进行蚀刻使得经蚀刻的凹坑被形成在该表面中；移除所述掩膜；以及对包括经蚀刻的凹坑的LED晶片的表面进行粗化或纹理化。本发明的又一实施方式是一种方法。所述方法通常包括提供具有布置在导电基底之上的多个LED栈的LED晶片组件(所述LED栈中的每一个通常都包括布置在所述导电基底之上的P型掺杂层、布置在所述P型掺杂层之上的用于发射光的有源层、以及布置在该有源层之上的n型掺杂层)；针对多个LED栈中的每一个应用覆盖n型掺杂层的表面的选择部分的保护层；通过粗化和纹理化中的至少一个来改变n型掺杂层的表面，其中，在该改变期间保护层屏蔽了多个LED栈中的每一个的所选择的部分；以及移除该保护层。本发明的又一实施方式是一种方法。所述方法通常包括提供具有布置在导电基底之上的多个LED栈的LED晶片组件(所述LED栈中的每一个通常都包括布置在导电基底之上的P型掺杂层、布置在该P型掺杂层之上的用于发射光的有源层、以及布置在该有源层之上的n型掺杂层)；针对多个LED栈中的每一个应用覆盖n型掺杂层的表面的选择部分的保护层；将具有所应用的保护层的n型掺杂层的表面沉浸在电解溶液中；对导电基底应用电偏压；并且照射n型掺杂层的表面使得PEC氧化和蚀刻发生以对该n型掺杂层的表面进行粗化，其中，在照射期间保护层屏蔽了多个LED栈中的每一个的所选择的部分。本发明的又一实施方式是一种方法。所述方法通常包括提供包括多个LED管芯的LED晶片组件；并且通过粗化和纹理化中的至少一个选择性地改变多个LED管芯中的每一个的发光表面的期望的部分，其中，多个LED管芯中的每一个都具有从所述改变排除的发光表面的剩余部分。本发明的又一实施方式是一种方法。所述方法通常包括提供LED晶片组件；对 n型掺杂层的表面应用掩膜；对11型掺杂层的表面进行蚀刻使得突起留在经蚀刻的表面上， 其中，突起的侧面与n型掺杂层的经蚀刻的表面形成大于90°的角；移除掩膜；以及对包括突起的n型掺杂层的蚀刻的表面进行粗化或纹理化。LED晶片组件通常包括导电基底；布置在所述导电基底之上的P型掺杂层；布置在P型掺杂层之上的有源层；以及布置在有源层之上的n型掺杂层。本发明的又一实施方式是一种方法。所述方法通常包括对LED晶片的表面应用
6掩膜；对该LED晶片的表面进行蚀刻使得突起留在经蚀刻的表面上，其中，突起的侧面与n 型掺杂层的经蚀刻的表面形成大于90°的角；移除掩膜；以及对包括突起的LED晶片的经蚀刻的表面进行粗化或纹理化。本发明的又一实施方式提供了一种LED结构。该LED结构通常包括用于发射光的多层半导体结构，该结构的表面具有多个突起，其中，突起的侧面与多层半导体结构的表面形成大于90°的角。对结构的表面和突起进行粗化或纹理化以得到增加的表面面积。
图1示出了执行光电化学氧化和蚀刻(PEC)处理的示例性系统。图2A-图2D示出了对于各种持续时间的在氧化主导条件下具有金属掩膜的第一样品的表面轮廓图。图3A-图3D示出了对于各种持续时间的在蚀刻主导条件下具有金属掩膜的第二样品的表面轮廓图。图4示出了具有顶部n-GaN层的垂直发光二极管(LED)晶片的结构。图5示出了在暴露的n-GaN层的粗化之后的垂直LED晶片的横截面图。图6是示出了 n-GaN表面的无序有纹理的形态的示例性扫描电子显微镜(SEM) 图。图7图示了根据本发明的实施方式的、在表面粗化之前的LED晶片组件的n型掺杂层的表面面积和发出的光的路径。图8图示了根据本发明的实施方式的、对图7中的n型掺杂层的表面应用掩膜并且进行蚀刻。图9A图示了根据本发明的实施方式的、在对图8进行蚀刻之后的n型掺杂层的表面面积。图9B图示了根据本发明的实施方式的、在大体上通过n型掺杂层对图8进行蚀刻以接近有源层之后的表面激发增强。图9C图示了根据本发明的实施方式的、在化学湿式蚀刻图8从而在表面上形成六棱锥结构之后的n型掺杂层的表面面积。图9D图示了根据本发明的实施方式的、在通过n型掺杂层、有源层、以及p型掺杂层对图8进行蚀刻之后的LED晶片组件。图10图示了根据本发明的实施方式的、在对图9A的经蚀刻的表面进行粗化之后的n型掺杂层的表面面积。图IlA-图IlD图示了根据本发明的实施方式的、使用保护层选择性地改变n型掺杂层的表面。图12是根据本发明的实施方式的、示出了经蚀刻的凹坑、经蚀刻的凹坑的平滑壁、以及与图10相关联的经粗化的表面的示例性SEM图像。图13图示了根据本发明的实施方式的、对图7中的n型掺杂层的表面应用半球形的掩膜并且进行蚀刻。图14A图示了根据本发明的实施方式的、在对图13进行蚀刻之后的n型掺杂层的增加的表面面积和突起的倾斜壁。
图14B图示了根据本发明的实施方式的、在对具有图14A的突起的经蚀刻的表面进行粗化之后的n型掺杂层的进一步增加的表面面积。图15是示出了根据本发明的实施方式的、与图14B相关联的经粗化的突起的示例性SEM图像。
具体实施例方式图I示出了执行光电化学(PEC)氧化和蚀刻处理的示例性系统。电解溶液的性质在确保高速蚀刻速率中以及在确保与光强度直接成比例的蚀刻速率方面是特别的重要。在图I中所示出的系统中执行PEC蚀刻处理。在该系统中，光由光源投射到支撑在支架10之上并且由夹具12夹紧的LED晶片的表面上，其与电解溶液16接触。可以选择性地改变光强度从而选择性地改变蚀刻的速率。单元可以具有许多几何结构并且可以由用于支承LED 半导体晶片并且用于包含具有离子的电解溶液16的任何适当的材料制成。可以对单元的特定结构进行优化以用于高容量工业应用。诸如钼电极14的参考电极14通过单元体延伸到电解溶液16中。参考电极14建立了参考电压VMf并且通常由诸如钼或银线的金属线制成，为了方便，参考电极14通常由饱和甘汞电极(SCE)、或任何其它电极机构制成。在单元中发生的电化学反应由本领域熟知的恒电势器来供电并且监控。恒电势器包括用于跨越电极应用电势的、与源电压串联连接的电流检测器和将恒电势器连接到半导体晶片的连接。可以经由任何粘接机构将连接附加到半导体晶片。在图I的系统中执行的PEC蚀刻处理中，半导体晶片部分地由氧化还原反应制成。 半导体晶片构成阳极而反电极构成阴极。电势被应用到半导体晶片。在处理中参考电极14 被用来测量并且监控电势。蚀刻由半导体晶片与电解溶液16之间的界面处的光生空穴所感应的分解反应产生。图2A示出了对于各种持续时间在氧化主导条件之下的具有金属掩膜的第一样品的表面轮廓图。样品晶片包括基底30、GaN薄膜32以及具有粗化表面的金属掩膜34。在氧化主导条件之下的具有金属掩膜的样品的表面轮廓图在图2B中持续200秒、在图2C中持续400秒以及在图2D中持续600秒。图3示出了对于各种持续时间在蚀刻主导条件之下的具有金属掩膜的第二样品的表面轮廓图。样品晶片包括基底30、GaN薄膜32以及具有粗化表面的金属掩膜34。在氧化主导条件之下的具有金属掩膜的样品的表面轮廓图在图3B中持续200秒、在图3C中持续400秒以及在图3D中持续600秒。图4示出了垂直LED晶片的结构。示例性n_GaN向上LED的多层外延结构被示出在这个示例中可以为厚铜层的金属基底70上。在金属基底70之上形成的多层外延结构包括n-GaN基层80、MQW有源层78以及反射器/接触层74。例如，n_GaN基层80具有4微米的厚度。可以通过进行以下来形成多层外延层在载体基底(未示出)之上沉积n-GaN部分(例如，n-GaN层80);在n_GaN部分之上沉积有源层(例如，MQff有源层78)；以及在有源层之上沉积P-GaN部分(例如，P-GaN层76);沉积第一个或更多个金属层(例如，反射器 /接触层74);应用掩膜层(未示出)；以及对金属、P-GaN层、有源层、以及n-GaN层进行蚀刻。然后可以移除掩膜，沉积钝化层(例如，层84)，以及移除在p-GaN的顶部上的钝化层的一部分以使第一个或更多个金属层暴露。可以沉积第二个或更多个金属层(例如，层72)， 沉积金属基底(例如，金属基底70)，移除载体基底(未示出)以使n-GaN部分暴露，以及对 n-GaN部分进行粗化。MQff有源层78可以是InGaN/GaN MQff有源层。一旦在n_GaN基层80与接触层74 之间馈给了电力，则MQW有源层78就可以被激发并且因此生成光。所生成的光能够具有 250nm至600nm之间的波长。p型层76可以是诸如P+_GaN、P+-InGaN或P+-AlInGaN层的 P+-GaN基层并且其厚度可以是在0. 05-0. 5微米之间。图5示出了在粗化处理之后的垂直 LED晶片的横截面视图。如图5-图6中所示出的，无序有纹理的表面波度被形成在n-GaN 表面上。图5示出了在图4的LED的金属层上的粗化表面的横截面视图，而图6示出了粗化的表面的示例性SEM图像。表面上的各变化有效地对该表面进行粗化，并且导致对空气的折射率的更佳匹配。因此，压痕使得能够实现从LED的内部的更多的光提取。尽管已经参考其特定优选实施方式相当详细地描述了本发明，但是可以有其它的版本。在替代性实施方式中，使用了球/球体或使用湿式/干式蚀刻技术对GaN层的表面进行粗化。利用LEE阵列的其它LED结构也能够由本领域的技术人员预象到。新的LED能够具有LEE (光提取元件)阵列和扩散器层的不同组合。LEE能够具有不同的形状、尺寸、邻近LEE之间的间隔，并且能够被放置在不同的位置。类似地，扩散器层能够由不同的材料制成并且能够被放置在不同的位置。因此，随附权利要求的精神和范围不应该局限于上文中所描述的优选实施方式。另一示例性表面粗化技术本发明的实施方式提供了用于增加从当LED半导体管芯被布置在晶片或晶片组件的一部分上时可以应用的发光二极管(LED)的光提取的技术。这些技术可以被应用到任何LED晶片或包括多个管芯的晶片组件，而且垂直发光二极管(VLED)管芯的情况被作为示例提供。在随后的图中，仅仅示出了三个VLED管芯，但是这个代表了 LED晶片上的多个管
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o现在参考图8，可以提供具有多个VLED管芯700和导电基底718、或厚导电层 (TCL)的LED晶片组件722。VLED管芯700可以包括由III族/V簇化学元素组成的若干化合物半导体外延层，所述III族/V簇化学元素诸如GaN、AlN、InN、等等的化学元素。除了电导之外，导电基底718可以支持离开VLED管芯700的p_n结的有效散热。导电基底718 的各层可以包括任何适当的金属或金属合金，诸如Cu、Ni、Ni-Co、Ag、Au、Cu-Co、Cu-Mo、Ni/ Cu、Cu/Ni-Co/Cu、Cu/Ni-Co/Cu/Ni-Co、或 Ni/Cu-Mo。LED晶片组件722可以具有布置在导电基底718之上的反射层710、布置在反射层 710之上的诸如p-GaN的p型掺杂层708、布置在p型掺杂层708之上的用于发射光的有源层706、以及布置在有源层706之上的诸如n-GaN的n型掺杂层704。对于某些实施方式而言，可以省略反射层710。对于某些实施方式而言，例如，可以在VLED管芯700之间采用钝化层712以企图在管芯分离期间保护VLED管芯。在这个阶段，表面720可以大体上是平坦的，并且当从顶部或侧面观看LED晶片组件722时很可能不存在对于n型掺杂层704的许多表面变化。尽管在这个处理阶段从有源层706发出的光724中的某些可以从n型掺杂层的表面720发出，但是到达临界角之外的表面720的光724将很可能不穿过并且可能经历如上文所描述的根据斯涅尔定律的全内反射(TIR)。可以期望额外的处理。因此，如图8中所描绘的，掩膜726可以被应用到n型掺杂层704的表面720，并且然后可以相继地对表面720进行蚀刻以增强n型掺杂层的表面面积以获得从VLED管芯700 的增加的光提取。蚀刻可以通过湿式蚀刻、光增强湿式蚀刻、干式蚀刻(例如，电感耦合等离子体/活性离子刻蚀(ICP/RIE))、或其组合来完成。掩膜726的化合物可以是足够硬以经得起重复的蚀刻的任何适当的材料，诸如Ni、Si02、Si3N4或光刻胶。可以以任何期望的方式来对掩膜726进行图案形成使得可以选择性地对表面720进行蚀刻。对于某些实施方式而言，掩膜726可以处理例如栅格状、棋盘格(如所示出)、蜂窝结构、三角形的、矩形的、或其它成某种形状的多边形的图案。对于某些实施方式而言，可以对不同尺寸的期望的多边形或不同的多边形进行组合以对掩膜726进行图案形成。在已经对n型掺杂层704的表面720进行蚀刻之后，可以将掩膜726移除离开晶片组件，如图9A中所示。表面720可以在材料被移除的地方具有若干经蚀刻的凹坑728， 留下若干齿730以在两维横截面中形成梳状表面，如所示。对于表面720的经蚀刻的凹坑 728和齿730的棋盘格图案被图示在图9A的顶视图中。由于由经蚀刻的凹坑728和齿730 所创建的表面面积(B)大于图7中的n型掺杂层704的表面面积(A)，所以这些特征可以提高光发出率。因此，在这个处理阶段根据斯涅尔定律和TIR理论可以从该表面提取更多的光 724。对于图9B中所图示的某些实施方式而言，可以几乎一直穿过来对n型掺杂层704 进行蚀刻使得经蚀刻的凹坑728的深度可以接近有源层706在I至IOnm之内。结果表面激励特征(SEF) 732可以提高LED半导体中的状态的密度和自发发射速率。SEF 732也可以引起SEF/量子井耦合的增强。因此，可以进一步地增强光提取。对于采用图8的掩膜726的其它实施方式而言，可以使用化学湿式蚀刻法来对表面720进行蚀刻。由于在LED制造中使用的诸如GaN的许多化合物半导体材料的结晶结构的原因，所以六棱锥结构可以被形成在n型掺杂层704中，如图9C中所示出的。因此，可以控制湿式蚀刻，并且因此很好地控制六棱锥结构的尺寸。现在参考图9D，对于某些实施方式而言，具有如图8中所示出的掩膜726的LED晶片组件可以被完全穿过n型掺杂层704、有源层706、以及p型掺杂层708进行蚀刻。按照这种方式，可以形成微型盘或微型环VLED结构。通过控制掩膜726的尺寸和周期，可以创建诸如纳米棒VLED的纳米级结构。当与图7中的n型掺杂层704的表面720相比时，微型盘、微型环、以及纳米棒VLED结构全部具有增加的表面面积，并且因此，这些结构可以提供超过常规VLED结构的增加的光提取。对于其中n型掺杂层704被完全蚀刻穿过的某些实施方式而言，有源层706可以被部分地或完全地蚀刻穿过。对于某些实施方式而言，如果有源层706被完全地蚀刻穿过，则p型掺杂层708可以被部分地或完全地蚀刻穿过。现在参考图10，可以对图9A(或上文所描述的其它实施方式)的顶视图和横截面图中示出的n型掺杂层704的表面720进行粗化或纹理化以增加表面面积并且，从而更进一步地增加光提取。对于某些实施方式而言，具有有图案的蚀刻的凹坑728的表面720可以通过包括如上文所描述的湿式蚀刻、光增强湿式蚀刻、干式蚀刻、或光电化学(PEC)氧化和蚀刻的任何适当的技术来进行粗化。对于某些实施方式而言，可以通过对包括经蚀刻的
10凹坑728的表面的n型掺杂层的表面720施加诸如聚苯乙烯半球体的亚微米尺寸的对象来增加n型掺杂层704的表面面积。又一示例性表面粗化技术常规表面粗化技术、以及本文中所公开的和上文所描述的技术中的一些可以导致从LED晶片组件最后产生的LED器件方面的不稳定的正向电压(Vf)和增加的漏电流。本发明的实施方式提供了用于通过仅对LED晶片组件表面的特定部分进行粗化来增加从LED 的光提取而没有导致正向电压不稳定性或增加的漏电流的技术。再者，这些技术可以被应用到任何LED晶片或包括多个管芯的晶片组件，并且VLED管芯的情况被作为示例提供。现在参考图7，可以提供具有多个VLED管芯700和导电基底718的LED晶片组件 722。LED晶片组件722可以具有布置在导电基底718之上的反射层710、布置在反射层710 之上的P型掺杂层708、布置在p型掺杂层708之上的用于发射光的有源层706、以及布置在有源层706之上的n型掺杂层704。对于某些实施方式而言，可以省略反射层710。在这个阶段，n型掺杂层704的表面720可以大体上是平坦的。现在参考图11A，保护层1200可以被添加到图7的LED晶片组件722。保护层1200 可以是诸如掩膜的有图案的结构，其覆盖了 VLED管芯700的边缘和指定用于如所图示的n 型掺杂层704的表面720上的n型电极的区域。对于某些实施方式而言，保护层1200可以覆盖邻近VLED管芯700的边缘和在管芯700之间中的材料(例如，芯片间隔区域)。设计为抵抗化学处理并且保护底层材料，保护层1200可以是有机的或无机的、光敏的或非光敏的，并且由任何适当的材料组成，所述任何适当的材料诸如聚合物、聚酰亚胺、光刻胶、环氧、SU-8、NR-7、AZ5214E、热塑性塑料、Si3N4, SiO2, ZnO, Ta2O5, TiO2, HfO 或 MgO 的材料。一旦保护层1200已经被应用到LED晶片组件722，则可以如上文所描述随后地对 n型掺杂层704的表面720进行粗糙化或纹理化以企图增加n型掺杂层的表面面积以获得从VLED管芯700的增加的光提取，如图IlB中所图示。对表面720进行粗化和/或纹理化可以由用于增加表面面积的任何适当的技术来完成，所述任何适当的技术诸如如上文所描述的湿式蚀刻、光增强湿式蚀刻、干式蚀刻、或光电化学(PEC)氧化和蚀刻的技术。保护层 1200可以支持表面720的选择性粗化和/或纹理化以企图防止正向电压不稳定性并且限制漏电流。在已经对所选择的n型掺杂层704的表面进行了粗化和/或纹理化之后，可以移除保护层1200，如图IlC中所描绘的。接下来，n型电极1210可以被添加到指定区域中的 VLED管芯700，如图IlD中所示出的。由保护层1200所覆盖的指定的n型电极区域可以提供用于耦合到n型电极1210的大体上平坦的表面，从而当与已经根据常规技术进行了粗化的指定区域相比时产生了提高的可靠性。对于某些实施方式而言，在粗化和/或纹理化期间可以在应用保护层1200之前形成n型电极1210并且由保护层1200来覆盖。对于其它实施方式而言，可以在不使用保护层1200的情况下完成选择性粗化和/ 或纹理化。例如，诸如聚苯乙烯半球体的亚微米尺寸对象可以被应用到LED晶片组件722 的表面，除了诸如VLED管芯700的边缘和指定给n型电极1210的区域的选择的区域以外。 可以预想其它仍未知的技术来选择性地对LED晶片组件722的特定部分进行粗化和/或纹理化。又一示例性表面粗化技术
当与常规发射二极管(LED)相比时，使用形成如参考图8-10在上文所描述的蚀刻的凹坑的技术，额外的粗化步骤可以增加n型掺杂层704的表面720的表面面积(并且因此，光提取)和蚀刻的凹坑728的基部。图12是图示了一个这样的蚀刻的凹坑728和粗化表面的示例性扫描电子显微镜(SEM)图像1200。然而，如图像1200中所描绘的，经蚀刻的凹坑728的壁1202是陡峭的，与经蚀刻的凹坑728的基部形成了约90°的角并且与n型掺杂层704的表面720形成了约90°的另一角。采用上文所描述的表面粗化技术，陡峭的壁 1202可以保持相对光滑，从而限制可能以别的方式获得的光提取的数量。因此，本发明的实施方式提供了用于增加从LED的光提取而无需形成可能难以进一步粗化或纹理化的陡峭的壁的技术。再者，这些技术可以被应用到任何LED晶片或包括多个管芯的晶片组件，并且垂直发光二极管(VLED)管芯的情况被作为示例提供。现在参考图7，可以提供具有多个VLED管芯700和导电基底718的LED晶片组件 722。LED晶片组件722可以具有布置在导电基底718之上的反射层710、布置在反射层710 之上的P型掺杂层708、布置在p型掺杂层708之上的用于发射光的有源层706、以及布置在有源层706之上的n型掺杂层704。对于某些实施方式而言，可以省略反射层710。在这个阶段，n型掺杂层704的表面720可以大体上是平坦的。现在参考图13，掩膜1300可以被应用到VLED管芯700的n型掺杂层704的表面 720。掩膜1300可以包括布置在图案中的多个提高的中空小块1302。中空小块1302可以具有任何期望的三维形状，诸如半球形、立方体、圆柱体、或棱柱体(例如，六角棱柱体)，并且不同的小块1302可以具有不同的形状。可以以任何期望的方式来对小块1302进行图案形成使得可以选择性地对表面720进行蚀刻。对于某些实施方式而言，掩膜1300的中空小块1302可以被布置在具有固定行和列的阵列中、在对角线图案中、在曲折图案中、在随机或表面上随机图案中、或在任何其它期望的图案中。掩膜1300的化合物可以是足够硬以经得起蚀刻的有害作用的任何适当的材料，诸如Ni、SiO2, Si3N4或光刻胶、等等。对于某些实施方式而言，掩膜1300可以由耐热处理的组成以具有所期望的形状的中空小块1302。在掩膜1300已经被应用到LED晶片组件之后，可以随后对n型掺杂层704的表面 720进行蚀刻以增加n型掺杂层的表面面积以获得从VLED管芯700的增加的光提取。蚀刻可以通过湿式蚀刻、光增强湿式蚀刻、干式蚀刻(例如，电感耦合等离子体/活性离子刻蚀 (ICP/RIE))、或其组合来完成。对于其中n型掺杂层包括n型掺杂GaN的某些实施方式而言，可以使用氯来完成蚀刻。因为表面720被蚀刻，所以掩膜1300也可能被侵蚀。随着蚀刻进行，掩膜1300的中空小块1302可以允许n型掺杂层704的半导体材料保持并且呈现中空出来的部分的形状。在n型掺杂层704的表面720已经被蚀刻之后，可以将来自掩膜1300的剩余材料移除离开晶片组件，如图14A中所示。经蚀刻的表面720可以具有若干突起1400(即，小圆点、饰钉、凸起、或提高的部分)，其中在蚀刻期间多层外延结构的半导体材料保留在掩膜 1300的中空小块1302下面。随着蚀刻进行，掩膜1300可以被逐渐地侵蚀产生具有倾斜侧面的突起。图14A的放大图1402图示了倾斜侧面1404并且经蚀刻的表面与给定倾斜侧面 1404之间的角0是如何大于90°。对于其中掩膜1300的小块1302被成形为中空圆顶的某些实施方式而言，由此引起的突起1400的形状将很可能是平截头圆锥体。对于其中小块 1302被成形为中空长方体的某些实施方式而言，由此引起的突起1400的形状将很可能是四棱体。在经蚀刻的表面720上的突起1400的图案被图示在图14A的顶视图中。由于由突起1400所创建的表面面积(B)大于图7中的基本上平坦的n型掺杂层704的表面面积 (A)，所以这些特征可以提高光发射率。因此，在这个处理阶段，根据斯涅尔定律和全内反射 (TIR)理论可以从表面提取更多的光724。现在参考图14B，可以对图14A的顶视图和放大的视图1406中示出的n型掺杂层 704的经蚀刻的表面720进行粗化或纹理化以增加表面面积，并且从而更进一步地增加光提取。对于某些实施方式而言，可以通过任何适当的技术来对突起1400的经蚀刻的表面 720和上表面及侧表面进行粗化，所述任何适当的技术包括如上文中所描述的湿式蚀刻、光增强湿式蚀刻、干式蚀刻、或光电化学(PEC)氧化和蚀刻技术。对于其它实施方式而言，可以通过对包括突起1400的上表面和倾斜侧面1404的n型掺杂层的表面720应用诸如聚苯乙烯球体的亚微米尺寸对象来增加n型掺杂层704的表面面积。此外，经粗化的和/或有纹理的表面可以支持以狭角从有源层发射的光724以从VLED管芯700的发射表面逃逸。图15是示出了诸如图14B中的那些的粗化的突起1400的示例性SEM图像1500。 通过比较这个SEM图像1500与经蚀刻的凹坑728的SEM图像1200，能够观察到通过引入具有已经被粗化和/或纹理化的倾斜表面1404的突起1400的光滑表面(即，壁1202)的消除。因此，当与常规技术和上文中所描述的其它技术相比较时，采用粗化的或有纹理的突起的本发明的实施方式可以从增加的光提取中获益。虽然已经通过示例的方式并且按照优选实施方式描述了本发明，但是将要理解的是本发明不局限于此。正相反，旨在涵盖各种修改以及类似配置和过程，并且所附权利要求的范围因此应当符合最广泛的解释以便包含所有这样的修改以及类似配置和过程。
权利要求
1.一种发光二极管(LED)结构,该发光二极管结构包括用于发射光的多层半导体结构，所述结构的表面具有多个突起，其中，所述突起的侧面与所述多层半导体结构的表面形成大于90°的角，并且其中所述结构的表面和所述突起被进行粗化或纹理化以获得增加的表面积。
2.根据权利要求I所述的LED结构，其中，所述结构的表面和所述突起被以聚苯乙烯球体进行纹理化。
3.根据权利要求I所述的LED结构，其中，所述多层半导体结构包括P型惨杂层；有源层，所述有源层被布置在所述P型掺杂层之上以用于发射光；以及 n型掺杂层，所述n型掺杂层被布置在所述有源层之上，使得具有所述多个突起的所述结构的表面是所述n型掺杂层的表面。
4.根据权利要求I所述的LED结构，该LED结构还包括布置在所述多层半导体结构之下的导电基底。
全文摘要
公开了用于通过在LED器件上形成n型掺杂氮化镓(n-GaN)层并且对所述n-GaN层的表面进行粗化以从所述LED器件的内部提取光来制造半导体发光二极管(LED)器件的系统和方法。
文档编号H01L33/22GK102593288SQ201210002738
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月5日 优先权日2005年1月11日
发明者刘文煌, 朱振甫, 樊峰旭, 郑兆祯, 郑好钧 申请人:旭瑞光电股份有限公司