專利名稱：具有通過粗化的改進的光提取的發光二極管(led)的制作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極管并且更特別地涉及用于增加它們的光提取的新的LED結構。
背景技術：
發光二極管(LED)是將電能轉換成光的固態器件中的重要類別。LED通常提供了夾在兩個相對摻雜層之間的半導體材料的有源層。當跨越摻雜層施加偏壓時，空穴和電子被注入到其中它們重新結合以生成光的有源層中。由有源區所生成的光在所有方向上發射并且光通過所有暴露的表面逃逸出半導體芯片。隨著半導體材料已經改進，半導體器件的效率也已經提高。新的LED正由諸如 InAlGaN的材料制成，其支持紫外線到琥珀色光譜中的有效照明。與常規光源相比較新的 LED中的許多在將電能轉換成光方面是更高效的并且它們可以是更可靠的。隨著LED改進， 期望它們在許多應用中代替常規光源，諸如交通信號、戶外顯示器和室內顯示器、汽車頭燈和尾燈、常規室內照明等等。常規LED的效率受到它們無法發射由它們的有源層所生成的全部光的限制。當 LED通電時，從其有源層(在所有方向上)發射的光以許多不同的角度到達發射表面。與周圍空氣(n = 1.0)或灌封環氧(n 1.5)相比較，典型的半導體材料具有高折射率 (n 2. 2-3. 8)。根據斯涅爾定律，在特定臨界角(相對于表面法向方向)內的從具有高折射率的區傳播到具有低折射率的區的光將過渡到較低的折射率區。到達表面超過臨界角的光將不過渡但是將經歷全內發射(TIR)。在LED的情況下，TIR光能夠繼續在LED內反射直到其被吸收為止。由于這個現象，所以由常規LED所生成的大量的光沒有發射，這降低了它的效率。減少TIR光的部分的一個方法在于在LED的表面上以隨機織構化的形式創建光散射中心。隨機織構化在活性離子刻蝕期間通過使用作為掩膜的LED表面上的亞微米直徑聚苯乙烯球體而形成圖案到表面中。有紋理的表面具有大約由于隨機干擾效應不以斯涅爾定律所預測的方式折射和反射光的光的波長的特征。已經證明這個方法將發射效率提高了 9 至 30%。如美國專利號6，821，804中所討論，表面織構化的一個缺點是它能夠阻止有效電流在具有用于諸如P型GaN的有紋理的電極層的不良電導電性的LED中擴散。在較小的器件或具有良好電導電性的器件中，來自P和n型層觸點的電流將傳遍各層。采用較大的器件或由具有不良電導電性的材料制成的器件，電流不能夠從觸點傳遍層。因此，有源層的一部分將不經歷電流并且將不發射光。為了跨越二極管區域創建均勻電流注入，能夠將導電材料的擴散層沉積在表面上。然而，這個擴散層常常需要是光學上透明的從而使得光能夠發射穿過該層。當在LED表面上引入了隨機表面結構時，不能夠容易地沉積有效薄的并且光學上透明的電流撒布器。增加從LED的光提取的另一方法是包括使光從其內部俘獲角改變方向到由表面的形狀和周期所確定的定義模式的發射表面或內部界面的周期圖樣。見給Krames et al 的美國專利號5，779，924。這個技術是其中干擾效應不再是隨機的并且表面將光耦合到特定模式或方向中的隨機有紋理的表面的特殊情況。這個方法的一個缺點是可能難以制造該結構，因為表面形狀和圖案必須是均勻的并且是非常小的，約LED的光的單個波長。這個圖案在沉積如上文所描述的光學上透明的電流擴散層中還能夠帶來困難。還已經通過將LED的發射表面成形到半球體中實現了在光提取方面的增加，其中發射層在中心。雖然這個結構增加了發射的光的數量，但是其制造是困難的。給Scifres 和Burnham的美國專利號3，954，534公開了一種使用在LED中的每一個之上的相應半球體來形成LED的陣列的方法。半球體被形成在基底中并且二極管陣列生長在它們之上。然后遠離基底對二極管和晶體結構進行蝕刻。這個方法的一個缺點是它受限于在基底界面處結構的形成，并且來自基底的結構的升離導致增加的制造成本。同樣地，每個半球體都具有直接在其之上的發射層，這需要精確的制造。美國專利號5，431，766公開了在缺乏水和氧的情況下硅(Si)的光電化學氧化和分解。無水HF乙晴(MeCN)溶液中的蝕刻速率和光電流直接與光強度成比例多達至少 600mW/cm2，產生大于4微米/分鐘的空間選擇性蝕刻速率。由于來自高能反應中間體的電子注入的原因每硅分子的四個電子轉移反應發生了大于3. 3的量子產額。美國專利號5，793，062公開了一種用于通過包括光非吸收層以使光改變方向遠離諸如觸點的吸收區、并且還使光改變方向朝向LED的表面來增加從LED的光提取的結構。 這個結構的一個缺點是非吸收層要求底切狹小角層的形成，這在許多材料系統中可能難以制造。美國專利號6，744，071公開了具有其電極彼此面對的相對電極結構的氮化半導體元件。氮化半導體元件在支承基底上接連包括導電層、第一電極、具有發光層的氮化半導體、以及第二電極。第一電極和第一絕緣保護層被插入在導電層與氮化半導體的第一導電型氮化半導體層之間。美國專利號6，821，804公開了在LED上或之內具有提高其效率的光提取結構的 LED。新的光提取結構提供了更有利于光逃逸到外殼中的用于將光發射、折射或散射到各方向中的表面。該結構可以是光提取元件或擴散器層的陣列。光提取元件能夠具有許多不同的形狀并且被放置在許多位置以提高超過常規LED的LED的效率。擴散器層提供了用于光的散射中心并且也能夠被放置在許多位置。如美國專利號6，821，804中所進一步討論的，增加光提取的另一方式是在LED的發射表面上的薄膜金屬層內將光子耦合到發射回到輻射模態中的表面等離子體激元模態中。這些結構依賴在金屬層中從半導體發射的光子到表面等離子體激元中的耦合，其還被耦合到最終被提取的光子中。這個器件的一個缺點是難以制造，因為周期結構是具有淺槽深度(<0. Iym)的一維刻劃光柵。同樣地，很可能由于光子到表面等離子體激元和表面等離子體激元到周圍光子轉換機構的效率低的原因，總外量子效率是低的(I. 4-1.5%)。這個結構也帶來與電流擴散層方面相同的困難，如上文所描述的那樣。光提取也能夠通過使 LED芯片的側表面成角度以創建倒置的截棱錐來提高。成角的表面提供了在具有發射表面的基底材料中捕獲的TIR光。使用這個方法已經證明外量子效率對于InGaAlP材料系統提高了 35%至50%。這個方法適用于其中在基底中捕獲了巨量光的器件。對于生長在藍寶石基底上的GaN器件而言，在GaN薄膜中捕獲了大量光使得使LED芯片的側表面成角度將不會提供所期望的增加。用于增加光提取的又一方法是光子再循環。這個方法依賴具有將電子和空穴容易地轉換成光并且反之亦然的高效率有源層的LED。TIR光從LED的表面反射出去并且照在有源層，其中它被轉換回成電子空穴對。由于有源層的高效率，所以電子空穴對將幾乎立即被重新轉換成在隨機方向上再次發射的光。再循環的光的部分將照著臨界角內的LED發射表面之一并且逃逸。反射回到有源層的光再次經過相同的處理。

發明內容
公開了用于通過在LED器件上形成n型氮化鎵(n_GaN)層、并且對n_GaN層的表面進行粗化以增加從該LED器件的內部的光提取來制造半導體發光二極管(LED)器件的系統和方法。上述系統的實施方式可以包括以下中的一個或多個。通過光電化學氧化和蝕刻處理來對LED晶片的n-GaN層進行粗化。LED晶片包括導電基底(諸如Cu、W、Mo或它們的合金)；一個或多個外延層；一個或多個在外延層與導電基底之間的歐姆接觸和反射金屬層 (例如，Ni、Au、Pt、Cr、Ti、Pd以及Ag);在獨立LED的側壁上的諸如Si02、Si3N4、或SiON的保護層；以及在頂部n-GaN層上的n型電極。光電化學氧化和蝕刻處理能夠在具有水溶液的系統、照明系統、以及電偏置系統中執行。所述水溶液可以是氧化劑和酸性溶液或堿性溶液的組合。氧化劑尤其可以是H202、K2S2O8中的一個或組合。酸性溶液可以是H2S04、HF、 HC1、H3P04、HN03、以及CH3COOH中的一個或更多個。例如，堿性溶液可以是KOH、NaOH、NH4OH 中的一個或混合物。能夠通過具有范圍在可見的與紫外線光譜之中的波長的Hg或Xe弧光燈系統來執行照明。照明以小于200mW/cm2的強度暴露在n型III族氮化物半導體上。電偏壓能夠被施加到導電基底并且電壓被控制在-10與+IOV之間。通過改變水溶液的成分、 電偏壓、以及照明強度，能夠控制氧化主導、蝕刻主導或組合反應以對n-GaN表面的粗糙度進行優化。在粗化處理之后，還露出了無序有紋理的形態。粗化處理能夠適用于在晶片級的n-GaN向上垂直LED的暴露的n_GaN。在基于GaN 的LED外延薄膜被轉移到導電基底之后，n型電極(諸如Cr/Ni)被形成在n型GaN層上。 n型金屬墊不僅充當歐姆接觸而且充當用于后續粗化處理的掩膜。通過光電化學(PEC)氧化和蝕刻方法執行的粗化處理采用了所述n型電極金屬化。晶片在照明下被浸入到水溶液中并且對導電基底進行電偏置。水溶液是氧化劑和酸性溶質或堿性溶質的組合。n型GaN 的經粗化的表面將露出不像角錐、圓錐形、或半圓形的形態的無序有紋理的形態。通過改變溶液的各成份、偏置電壓、以及照明強度，能夠將粗化機構控制成氧化主導或蝕刻主導反應。表面粗糙度的RMS值被控制在0.05um至2微米。經粗化的表面尺寸被選擇成以近似1/2 A最佳地散射光。在另一實施方式中，經粗化的表面的有效反射率近似為2. 0 2. 5。經粗化的表面的優點可以包括以下中的一個或多個。經粗化的表面在GaN上產生了有效粗糙的表面以從內部提取更多的光。與具有平坦表面的LED相比較，具有無序有紋理的表面的LED的亮度能夠增加到大于兩倍。對于相同的芯片尺寸/功耗而言LED能夠提供更多的光。或者，假定給定相同的光輸出要求LED能夠被制造得更小并且這樣的更小的尺寸消耗更少功率以及不動產，這帶來了節省。能夠使用標準處理技術來制造LED使它們比標準LED具有更高的成本競爭性。本發明的一個實施方式是一種方法。所述方法通常包括提供發光二極管(LED) 晶片組件；對n型摻雜層的表面應用掩膜；對n型摻雜層的表面進行蝕刻使得經蝕刻的凹坑被形成在該表面中；移除所述掩膜；以及對包括經蝕刻的凹坑的n型摻雜層的表面進行粗化或紋理化。LED晶片組件通常包括導電基底、布置在導電基底之上的p型摻雜層、布置在P型摻雜層之上的有源層、以及布置在所述有源層之上的n型摻雜層。本發明的另一實施方式是一種方法。所述方法通常包括對發光二極管(LED)晶片的表面應用掩膜JtLED晶片的表面進行蝕刻使得經蝕刻的凹坑被形成在該表面中；移除所述掩膜；以及對包括經蝕刻的凹坑的LED晶片的表面進行粗化或紋理化。本發明的又一實施方式是一種方法。所述方法通常包括提供具有布置在導電基底之上的多個LED棧的LED晶片組件(所述LED棧中的每一個通常都包括布置在所述導電基底之上的P型摻雜層、布置在所述P型摻雜層之上的用于發射光的有源層、以及布置在該有源層之上的n型摻雜層)；針對多個LED棧中的每一個應用覆蓋n型摻雜層的表面的選擇部分的保護層；通過粗化和紋理化中的至少一個來改變n型摻雜層的表面，其中，在該改變期間保護層屏蔽了多個LED棧中的每一個的所選擇的部分；以及移除該保護層。本發明的又一實施方式是一種方法。所述方法通常包括提供具有布置在導電基底之上的多個LED棧的LED晶片組件(所述LED棧中的每一個通常都包括布置在導電基底之上的P型摻雜層、布置在該P型摻雜層之上的用于發射光的有源層、以及布置在該有源層之上的n型摻雜層)；針對多個LED棧中的每一個應用覆蓋n型摻雜層的表面的選擇部分的保護層；將具有所應用的保護層的n型摻雜層的表面沉浸在電解溶液中；對導電基底應用電偏壓；并且照射n型摻雜層的表面使得PEC氧化和蝕刻發生以對該n型摻雜層的表面進行粗化，其中，在照射期間保護層屏蔽了多個LED棧中的每一個的所選擇的部分。本發明的又一實施方式是一種方法。所述方法通常包括提供包括多個LED管芯的LED晶片組件；并且通過粗化和紋理化中的至少一個選擇性地改變多個LED管芯中的每一個的發光表面的期望的部分，其中，多個LED管芯中的每一個都具有從所述改變排除的發光表面的剩余部分。本發明的又一實施方式是一種方法。所述方法通常包括提供LED晶片組件；對 n型摻雜層的表面應用掩膜；對11型摻雜層的表面進行蝕刻使得突起留在經蝕刻的表面上， 其中，突起的側面與n型摻雜層的經蝕刻的表面形成大于90°的角；移除掩膜；以及對包括突起的n型摻雜層的蝕刻的表面進行粗化或紋理化。LED晶片組件通常包括導電基底；布置在所述導電基底之上的P型摻雜層；布置在P型摻雜層之上的有源層；以及布置在有源層之上的n型摻雜層。本發明的又一實施方式是一種方法。所述方法通常包括對LED晶片的表面應用
6掩膜；對該LED晶片的表面進行蝕刻使得突起留在經蝕刻的表面上，其中，突起的側面與n 型摻雜層的經蝕刻的表面形成大于90°的角；移除掩膜；以及對包括突起的LED晶片的經蝕刻的表面進行粗化或紋理化。本發明的又一實施方式提供了一種LED結構。該LED結構通常包括用于發射光的多層半導體結構，該結構的表面具有多個突起，其中，突起的側面與多層半導體結構的表面形成大于90°的角。對結構的表面和突起進行粗化或紋理化以得到增加的表面面積。


圖1示出了執行光電化學氧化和蝕刻(PEC)處理的示例性系統。圖2A-圖2D示出了對于各種持續時間的在氧化主導條件下具有金屬掩膜的第一樣品的表面輪廓圖。圖3A-圖3D示出了對于各種持續時間的在蝕刻主導條件下具有金屬掩膜的第二樣品的表面輪廓圖。圖4示出了具有頂部n-GaN層的垂直發光二極管(LED)晶片的結構。圖5示出了在暴露的n-GaN層的粗化之后的垂直LED晶片的橫截面圖。圖6是示出了 n-GaN表面的無序有紋理的形態的示例性掃描電子顯微鏡(SEM) 圖。圖7圖示了根據本發明的實施方式的、在表面粗化之前的LED晶片組件的n型摻雜層的表面面積和發出的光的路徑。圖8圖示了根據本發明的實施方式的、對圖7中的n型摻雜層的表面應用掩膜并且進行蝕刻。圖9A圖示了根據本發明的實施方式的、在對圖8進行蝕刻之后的n型摻雜層的表面面積。圖9B圖示了根據本發明的實施方式的、在大體上通過n型摻雜層對圖8進行蝕刻以接近有源層之后的表面激發增強。圖9C圖示了根據本發明的實施方式的、在化學濕式蝕刻圖8從而在表面上形成六棱錐結構之后的n型摻雜層的表面面積。圖9D圖示了根據本發明的實施方式的、在通過n型摻雜層、有源層、以及p型摻雜層對圖8進行蝕刻之后的LED晶片組件。圖10圖示了根據本發明的實施方式的、在對圖9A的經蝕刻的表面進行粗化之后的n型摻雜層的表面面積。圖IlA-圖IlD圖示了根據本發明的實施方式的、使用保護層選擇性地改變n型摻雜層的表面。圖12是根據本發明的實施方式的、示出了經蝕刻的凹坑、經蝕刻的凹坑的平滑壁、以及與圖10相關聯的經粗化的表面的示例性SEM圖像。圖13圖示了根據本發明的實施方式的、對圖7中的n型摻雜層的表面應用半球形的掩膜并且進行蝕刻。圖14A圖示了根據本發明的實施方式的、在對圖13進行蝕刻之后的n型摻雜層的增加的表面面積和突起的傾斜壁。
圖14B圖示了根據本發明的實施方式的、在對具有圖14A的突起的經蝕刻的表面進行粗化之后的n型摻雜層的進一步增加的表面面積。圖15是示出了根據本發明的實施方式的、與圖14B相關聯的經粗化的突起的示例性SEM圖像。
具體實施例方式圖I示出了執行光電化學(PEC)氧化和蝕刻處理的示例性系統。電解溶液的性質在確保高速蝕刻速率中以及在確保與光強度直接成比例的蝕刻速率方面是特別的重要。在圖I中所示出的系統中執行PEC蝕刻處理。在該系統中，光由光源投射到支撐在支架10之上并且由夾具12夾緊的LED晶片的表面上，其與電解溶液16接觸。可以選擇性地改變光強度從而選擇性地改變蝕刻的速率。單元可以具有許多幾何結構并且可以由用于支承LED 半導體晶片并且用于包含具有離子的電解溶液16的任何適當的材料制成。可以對單元的特定結構進行優化以用于高容量工業應用。諸如鉬電極14的參考電極14通過單元體延伸到電解溶液16中。參考電極14建立了參考電壓VMf并且通常由諸如鉬或銀線的金屬線制成，為了方便，參考電極14通常由飽和甘汞電極(SCE)、或任何其它電極機構制成。在單元中發生的電化學反應由本領域熟知的恒電勢器來供電并且監控。恒電勢器包括用于跨越電極應用電勢的、與源電壓串聯連接的電流檢測器和將恒電勢器連接到半導體晶片的連接。可以經由任何粘接機構將連接附加到半導體晶片。在圖I的系統中執行的PEC蝕刻處理中，半導體晶片部分地由氧化還原反應制成。 半導體晶片構成陽極而反電極構成陰極。電勢被應用到半導體晶片。在處理中參考電極14 被用來測量并且監控電勢。蝕刻由半導體晶片與電解溶液16之間的界面處的光生空穴所感應的分解反應產生。圖2A示出了對于各種持續時間在氧化主導條件之下的具有金屬掩膜的第一樣品的表面輪廓圖。樣品晶片包括基底30、GaN薄膜32以及具有粗化表面的金屬掩膜34。在氧化主導條件之下的具有金屬掩膜的樣品的表面輪廓圖在圖2B中持續200秒、在圖2C中持續400秒以及在圖2D中持續600秒。圖3示出了對于各種持續時間在蝕刻主導條件之下的具有金屬掩膜的第二樣品的表面輪廓圖。樣品晶片包括基底30、GaN薄膜32以及具有粗化表面的金屬掩膜34。在氧化主導條件之下的具有金屬掩膜的樣品的表面輪廓圖在圖3B中持續200秒、在圖3C中持續400秒以及在圖3D中持續600秒。圖4示出了垂直LED晶片的結構。示例性n_GaN向上LED的多層外延結構被示出在這個示例中可以為厚銅層的金屬基底70上。在金屬基底70之上形成的多層外延結構包括n-GaN基層80、MQW有源層78以及反射器/接觸層74。例如，n_GaN基層80具有4微米的厚度。可以通過進行以下來形成多層外延層在載體基底(未示出)之上沉積n-GaN部分(例如，n-GaN層80);在n_GaN部分之上沉積有源層(例如，MQff有源層78)；以及在有源層之上沉積P-GaN部分(例如，P-GaN層76);沉積第一個或更多個金屬層(例如，反射器 /接觸層74);應用掩膜層(未示出)；以及對金屬、P-GaN層、有源層、以及n-GaN層進行蝕刻。然后可以移除掩膜，沉積鈍化層(例如，層84)，以及移除在p-GaN的頂部上的鈍化層的一部分以使第一個或更多個金屬層暴露。可以沉積第二個或更多個金屬層(例如，層72)， 沉積金屬基底(例如，金屬基底70)，移除載體基底(未示出)以使n-GaN部分暴露，以及對 n-GaN部分進行粗化。MQff有源層78可以是InGaN/GaN MQff有源層。一旦在n_GaN基層80與接觸層74 之間饋給了電力，則MQW有源層78就可以被激發并且因此生成光。所生成的光能夠具有 250nm至600nm之間的波長。p型層76可以是諸如P+_GaN、P+-InGaN或P+-AlInGaN層的 P+-GaN基層并且其厚度可以是在0. 05-0. 5微米之間。圖5示出了在粗化處理之后的垂直 LED晶片的橫截面視圖。如圖5-圖6中所示出的，無序有紋理的表面波度被形成在n-GaN 表面上。圖5示出了在圖4的LED的金屬層上的粗化表面的橫截面視圖，而圖6示出了粗化的表面的示例性SEM圖像。表面上的各變化有效地對該表面進行粗化，并且導致對空氣的折射率的更佳匹配。因此，壓痕使得能夠實現從LED的內部的更多的光提取。盡管已經參考其特定優選實施方式相當詳細地描述了本發明，但是可以有其它的版本。在替代性實施方式中，使用了球/球體或使用濕式/干式蝕刻技術對GaN層的表面進行粗化。利用LEE陣列的其它LED結構也能夠由本領域的技術人員預象到。新的LED能夠具有LEE (光提取元件)陣列和擴散器層的不同組合。LEE能夠具有不同的形狀、尺寸、鄰近LEE之間的間隔，并且能夠被放置在不同的位置。類似地，擴散器層能夠由不同的材料制成并且能夠被放置在不同的位置。因此，隨附權利要求的精神和范圍不應該局限于上文中所描述的優選實施方式。另一示例性表面粗化技術本發明的實施方式提供了用于增加從當LED半導體管芯被布置在晶片或晶片組件的一部分上時可以應用的發光二極管(LED)的光提取的技術。這些技術可以被應用到任何LED晶片或包括多個管芯的晶片組件，而且垂直發光二極管(VLED)管芯的情況被作為示例提供。在隨后的圖中，僅僅示出了三個VLED管芯，但是這個代表了 LED晶片上的多個管
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o現在參考圖8，可以提供具有多個VLED管芯700和導電基底718、或厚導電層 (TCL)的LED晶片組件722。VLED管芯700可以包括由III族/V簇化學元素組成的若干化合物半導體外延層，所述III族/V簇化學元素諸如GaN、AlN、InN、等等的化學元素。除了電導之外，導電基底718可以支持離開VLED管芯700的p_n結的有效散熱。導電基底718 的各層可以包括任何適當的金屬或金屬合金，諸如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晶片組件722可以具有布置在導電基底718之上的反射層710、布置在反射層 710之上的諸如p-GaN的p型摻雜層708、布置在p型摻雜層708之上的用于發射光的有源層706、以及布置在有源層706之上的諸如n-GaN的n型摻雜層704。對于某些實施方式而言，可以省略反射層710。對于某些實施方式而言，例如，可以在VLED管芯700之間采用鈍化層712以企圖在管芯分離期間保護VLED管芯。在這個階段，表面720可以大體上是平坦的，并且當從頂部或側面觀看LED晶片組件722時很可能不存在對于n型摻雜層704的許多表面變化。盡管在這個處理階段從有源層706發出的光724中的某些可以從n型摻雜層的表面720發出，但是到達臨界角之外的表面720的光724將很可能不穿過并且可能經歷如上文所描述的根據斯涅爾定律的全內反射(TIR)。可以期望額外的處理。因此，如圖8中所描繪的，掩膜726可以被應用到n型摻雜層704的表面720，并且然后可以相繼地對表面720進行蝕刻以增強n型摻雜層的表面面積以獲得從VLED管芯700 的增加的光提取。蝕刻可以通過濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、干式蝕刻(例如，電感耦合等離子體/活性離子刻蝕(ICP/RIE))、或其組合來完成。掩膜726的化合物可以是足夠硬以經得起重復的蝕刻的任何適當的材料，諸如Ni、Si02、Si3N4或光刻膠。可以以任何期望的方式來對掩膜726進行圖案形成使得可以選擇性地對表面720進行蝕刻。對于某些實施方式而言，掩膜726可以處理例如柵格狀、棋盤格(如所示出)、蜂窩結構、三角形的、矩形的、或其它成某種形狀的多邊形的圖案。對于某些實施方式而言，可以對不同尺寸的期望的多邊形或不同的多邊形進行組合以對掩膜726進行圖案形成。在已經對n型摻雜層704的表面720進行蝕刻之后，可以將掩膜726移除離開晶片組件，如圖9A中所示。表面720可以在材料被移除的地方具有若干經蝕刻的凹坑728， 留下若干齒730以在兩維橫截面中形成梳狀表面，如所示。對于表面720的經蝕刻的凹坑 728和齒730的棋盤格圖案被圖示在圖9A的頂視圖中。由于由經蝕刻的凹坑728和齒730 所創建的表面面積(B)大于圖7中的n型摻雜層704的表面面積(A)，所以這些特征可以提高光發出率。因此，在這個處理階段根據斯涅爾定律和TIR理論可以從該表面提取更多的光 724。對于圖9B中所圖示的某些實施方式而言，可以幾乎一直穿過來對n型摻雜層704 進行蝕刻使得經蝕刻的凹坑728的深度可以接近有源層706在I至IOnm之內。結果表面激勵特征(SEF) 732可以提高LED半導體中的狀態的密度和自發發射速率。SEF 732也可以引起SEF/量子井耦合的增強。因此，可以進一步地增強光提取。對于采用圖8的掩膜726的其它實施方式而言，可以使用化學濕式蝕刻法來對表面720進行蝕刻。由于在LED制造中使用的諸如GaN的許多化合物半導體材料的結晶結構的原因，所以六棱錐結構可以被形成在n型摻雜層704中，如圖9C中所示出的。因此，可以控制濕式蝕刻，并且因此很好地控制六棱錐結構的尺寸。現在參考圖9D，對于某些實施方式而言，具有如圖8中所示出的掩膜726的LED晶片組件可以被完全穿過n型摻雜層704、有源層706、以及p型摻雜層708進行蝕刻。按照這種方式，可以形成微型盤或微型環VLED結構。通過控制掩膜726的尺寸和周期，可以創建諸如納米棒VLED的納米級結構。當與圖7中的n型摻雜層704的表面720相比時，微型盤、微型環、以及納米棒VLED結構全部具有增加的表面面積，并且因此，這些結構可以提供超過常規VLED結構的增加的光提取。對于其中n型摻雜層704被完全蝕刻穿過的某些實施方式而言，有源層706可以被部分地或完全地蝕刻穿過。對于某些實施方式而言，如果有源層706被完全地蝕刻穿過，則p型摻雜層708可以被部分地或完全地蝕刻穿過。現在參考圖10，可以對圖9A(或上文所描述的其它實施方式)的頂視圖和橫截面圖中示出的n型摻雜層704的表面720進行粗化或紋理化以增加表面面積并且，從而更進一步地增加光提取。對于某些實施方式而言，具有有圖案的蝕刻的凹坑728的表面720可以通過包括如上文所描述的濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、干式蝕刻、或光電化學(PEC)氧化和蝕刻的任何適當的技術來進行粗化。對于某些實施方式而言，可以通過對包括經蝕刻的
10凹坑728的表面的n型摻雜層的表面720施加諸如聚苯乙烯半球體的亞微米尺寸的對象來增加n型摻雜層704的表面面積。又一示例性表面粗化技術常規表面粗化技術、以及本文中所公開的和上文所描述的技術中的一些可以導致從LED晶片組件最后產生的LED器件方面的不穩定的正向電壓(Vf)和增加的漏電流。本發明的實施方式提供了用于通過僅對LED晶片組件表面的特定部分進行粗化來增加從LED 的光提取而沒有導致正向電壓不穩定性或增加的漏電流的技術。再者，這些技術可以被應用到任何LED晶片或包括多個管芯的晶片組件，并且VLED管芯的情況被作為示例提供。現在參考圖7，可以提供具有多個VLED管芯700和導電基底718的LED晶片組件 722。LED晶片組件722可以具有布置在導電基底718之上的反射層710、布置在反射層710 之上的P型摻雜層708、布置在p型摻雜層708之上的用于發射光的有源層706、以及布置在有源層706之上的n型摻雜層704。對于某些實施方式而言，可以省略反射層710。在這個階段，n型摻雜層704的表面720可以大體上是平坦的。現在參考圖11A，保護層1200可以被添加到圖7的LED晶片組件722。保護層1200 可以是諸如掩膜的有圖案的結構，其覆蓋了 VLED管芯700的邊緣和指定用于如所圖示的n 型摻雜層704的表面720上的n型電極的區域。對于某些實施方式而言，保護層1200可以覆蓋鄰近VLED管芯700的邊緣和在管芯700之間中的材料(例如，芯片間隔區域)。設計為抵抗化學處理并且保護底層材料，保護層1200可以是有機的或無機的、光敏的或非光敏的，并且由任何適當的材料組成，所述任何適當的材料諸如聚合物、聚酰亞胺、光刻膠、環氧、SU-8、NR-7、AZ5214E、熱塑性塑料、Si3N4, SiO2, ZnO, Ta2O5, TiO2, HfO 或 MgO 的材料。一旦保護層1200已經被應用到LED晶片組件722，則可以如上文所描述隨后地對 n型摻雜層704的表面720進行粗糙化或紋理化以企圖增加n型摻雜層的表面面積以獲得從VLED管芯700的增加的光提取，如圖IlB中所圖示。對表面720進行粗化和/或紋理化可以由用于增加表面面積的任何適當的技術來完成，所述任何適當的技術諸如如上文所描述的濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、干式蝕刻、或光電化學(PEC)氧化和蝕刻的技術。保護層 1200可以支持表面720的選擇性粗化和/或紋理化以企圖防止正向電壓不穩定性并且限制漏電流。在已經對所選擇的n型摻雜層704的表面進行了粗化和/或紋理化之后，可以移除保護層1200，如圖IlC中所描繪的。接下來，n型電極1210可以被添加到指定區域中的 VLED管芯700，如圖IlD中所示出的。由保護層1200所覆蓋的指定的n型電極區域可以提供用于耦合到n型電極1210的大體上平坦的表面，從而當與已經根據常規技術進行了粗化的指定區域相比時產生了提高的可靠性。對于某些實施方式而言，在粗化和/或紋理化期間可以在應用保護層1200之前形成n型電極1210并且由保護層1200來覆蓋。對于其它實施方式而言，可以在不使用保護層1200的情況下完成選擇性粗化和/ 或紋理化。例如，諸如聚苯乙烯半球體的亞微米尺寸對象可以被應用到LED晶片組件722 的表面，除了諸如VLED管芯700的邊緣和指定給n型電極1210的區域的選擇的區域以外。 可以預想其它仍未知的技術來選擇性地對LED晶片組件722的特定部分進行粗化和/或紋理化。又一示例性表面粗化技術
當與常規發射二極管(LED)相比時，使用形成如參考圖8-10在上文所描述的蝕刻的凹坑的技術，額外的粗化步驟可以增加n型摻雜層704的表面720的表面面積(并且因此，光提取)和蝕刻的凹坑728的基部。圖12是圖示了一個這樣的蝕刻的凹坑728和粗化表面的示例性掃描電子顯微鏡(SEM)圖像1200。然而，如圖像1200中所描繪的，經蝕刻的凹坑728的壁1202是陡峭的，與經蝕刻的凹坑728的基部形成了約90°的角并且與n型摻雜層704的表面720形成了約90°的另一角。采用上文所描述的表面粗化技術，陡峭的壁 1202可以保持相對光滑，從而限制可能以別的方式獲得的光提取的數量。因此，本發明的實施方式提供了用于增加從LED的光提取而無需形成可能難以進一步粗化或紋理化的陡峭的壁的技術。再者，這些技術可以被應用到任何LED晶片或包括多個管芯的晶片組件，并且垂直發光二極管(VLED)管芯的情況被作為示例提供。現在參考圖7，可以提供具有多個VLED管芯700和導電基底718的LED晶片組件 722。LED晶片組件722可以具有布置在導電基底718之上的反射層710、布置在反射層710 之上的P型摻雜層708、布置在p型摻雜層708之上的用于發射光的有源層706、以及布置在有源層706之上的n型摻雜層704。對于某些實施方式而言，可以省略反射層710。在這個階段，n型摻雜層704的表面720可以大體上是平坦的。現在參考圖13，掩膜1300可以被應用到VLED管芯700的n型摻雜層704的表面 720。掩膜1300可以包括布置在圖案中的多個提高的中空小塊1302。中空小塊1302可以具有任何期望的三維形狀，諸如半球形、立方體、圓柱體、或棱柱體(例如，六角棱柱體)，并且不同的小塊1302可以具有不同的形狀。可以以任何期望的方式來對小塊1302進行圖案形成使得可以選擇性地對表面720進行蝕刻。對于某些實施方式而言，掩膜1300的中空小塊1302可以被布置在具有固定行和列的陣列中、在對角線圖案中、在曲折圖案中、在隨機或表面上隨機圖案中、或在任何其它期望的圖案中。掩膜1300的化合物可以是足夠硬以經得起蝕刻的有害作用的任何適當的材料，諸如Ni、SiO2, Si3N4或光刻膠、等等。對于某些實施方式而言，掩膜1300可以由耐熱處理的組成以具有所期望的形狀的中空小塊1302。在掩膜1300已經被應用到LED晶片組件之后，可以隨后對n型摻雜層704的表面 720進行蝕刻以增加n型摻雜層的表面面積以獲得從VLED管芯700的增加的光提取。蝕刻可以通過濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、干式蝕刻(例如，電感耦合等離子體/活性離子刻蝕 (ICP/RIE))、或其組合來完成。對于其中n型摻雜層包括n型摻雜GaN的某些實施方式而言，可以使用氯來完成蝕刻。因為表面720被蝕刻，所以掩膜1300也可能被侵蝕。隨著蝕刻進行，掩膜1300的中空小塊1302可以允許n型摻雜層704的半導體材料保持并且呈現中空出來的部分的形狀。在n型摻雜層704的表面720已經被蝕刻之后，可以將來自掩膜1300的剩余材料移除離開晶片組件，如圖14A中所示。經蝕刻的表面720可以具有若干突起1400(即，小圓點、飾釘、凸起、或提高的部分)，其中在蝕刻期間多層外延結構的半導體材料保留在掩膜 1300的中空小塊1302下面。隨著蝕刻進行，掩膜1300可以被逐漸地侵蝕產生具有傾斜側面的突起。圖14A的放大圖1402圖示了傾斜側面1404并且經蝕刻的表面與給定傾斜側面 1404之間的角0是如何大于90°。對于其中掩膜1300的小塊1302被成形為中空圓頂的某些實施方式而言，由此引起的突起1400的形狀將很可能是平截頭圓錐體。對于其中小塊 1302被成形為中空長方體的某些實施方式而言，由此引起的突起1400的形狀將很可能是四棱體。在經蝕刻的表面720上的突起1400的圖案被圖示在圖14A的頂視圖中。由于由突起1400所創建的表面面積(B)大于圖7中的基本上平坦的n型摻雜層704的表面面積 (A)，所以這些特征可以提高光發射率。因此，在這個處理階段，根據斯涅爾定律和全內反射 (TIR)理論可以從表面提取更多的光724。現在參考圖14B，可以對圖14A的頂視圖和放大的視圖1406中示出的n型摻雜層 704的經蝕刻的表面720進行粗化或紋理化以增加表面面積，并且從而更進一步地增加光提取。對于某些實施方式而言，可以通過任何適當的技術來對突起1400的經蝕刻的表面 720和上表面及側表面進行粗化，所述任何適當的技術包括如上文中所描述的濕式蝕刻、光增強濕式蝕刻、干式蝕刻、或光電化學(PEC)氧化和蝕刻技術。對于其它實施方式而言，可以通過對包括突起1400的上表面和傾斜側面1404的n型摻雜層的表面720應用諸如聚苯乙烯球體的亞微米尺寸對象來增加n型摻雜層704的表面面積。此外，經粗化的和/或有紋理的表面可以支持以狹角從有源層發射的光724以從VLED管芯700的發射表面逃逸。圖15是示出了諸如圖14B中的那些的粗化的突起1400的示例性SEM圖像1500。 通過比較這個SEM圖像1500與經蝕刻的凹坑728的SEM圖像1200，能夠觀察到通過引入具有已經被粗化和/或紋理化的傾斜表面1404的突起1400的光滑表面(即，壁1202)的消除。因此，當與常規技術和上文中所描述的其它技術相比較時，采用粗化的或有紋理的突起的本發明的實施方式可以從增加的光提取中獲益。雖然已經通過示例的方式并且按照優選實施方式描述了本發明，但是將要理解的是本發明不局限于此。正相反，旨在涵蓋各種修改以及類似配置和過程，并且所附權利要求的范圍因此應當符合最廣泛的解釋以便包含所有這樣的修改以及類似配置和過程。
權利要求
1.一種發光二極管(LED)結構,該發光二極管結構包括用于發射光的多層半導體結構，所述結構的表面具有多個突起，其中，所述突起的側面與所述多層半導體結構的表面形成大于90°的角，并且其中所述結構的表面和所述突起被進行粗化或紋理化以獲得增加的表面積。
2.根據權利要求I所述的LED結構，其中，所述結構的表面和所述突起被以聚苯乙烯球體進行紋理化。
3.根據權利要求I所述的LED結構，其中，所述多層半導體結構包括P型慘雜層；有源層，所述有源層被布置在所述P型摻雜層之上以用于發射光；以及 n型摻雜層，所述n型摻雜層被布置在所述有源層之上，使得具有所述多個突起的所述結構的表面是所述n型摻雜層的表面。
4.根據權利要求I所述的LED結構，該LED結構還包括布置在所述多層半導體結構之下的導電基底。
全文摘要
公開了用于通過在LED器件上形成n型摻雜氮化鎵(n-GaN)層并且對所述n-GaN層的表面進行粗化以從所述LED器件的內部提取光來制造半導體發光二極管(LED)器件的系統和方法。
文檔編號H01L33/22GK102593288SQ201210002738
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月5日 優先權日2005年1月11日
發明者劉文煌, 朱振甫, 樊峰旭, 鄭兆禎, 鄭好鈞 申請人:旭瑞光電股份有限公司