CN102089582A - P侧在上的GaN基发光二极管的光电化学粗化 - Google Patents

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Abstract

一种用于异质结构的p型氮化镓(GaN)层的光电化学(PEC)刻蚀的方法，该方法包括在半导体结构中使用内部偏置来防止电子到达p型层的表面，并且促进空穴到达p型层的表面，其中该半导体结构包括p型层、吸收PEC照明的有源层和n型层。

Description

P侧在上的GaN基发光二极管的光电化学粗化
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C§119(e)主张Adele Tamboli、Evelyn L.Hu、Steven P.DenBaars和Shuji Nakamura在2008年5月12日提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ROUGHENING OF Ga-FACE，P-SIDE-UP GaN-BASED LIGHT EMITTING DIODES”的共同未决并且共同受让的美国临时专利申请No.61/052,417(代理人案号30794.271-US-P1(2008-535-1))的权益；
该申请通过引用合并到此。
本申请涉及下面的共同未决并且共同受让的美国专利申请：
Adele Tamboli、Evelyn L.Hu、Matthew C.Schmidt、Shuji Nakamura和Steven P.DenBaars在与此相同日期提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING OF P-TYPESEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES”的美国实用新型申请No.xx/xxx,xxx(代理人案号30794.272-US-U1(2008-533))，该申请依据35U.S.C§119(e)主张Adele Tamboli、Evelyn L.Hu、MatthewC.Schmidt、Shuji Nakamura和Steven P.DenBaars在2008年5月12日提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING OF P-TYPESEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES”的美国临时申请No.61/052,421(代理人案号30794.272-US-P1(2008-533))的权益；以及
Tetsuo Fujii、Yan Gao、Evelyn L.Hu和Shuji Nakamura在2006年6月7日提交的、题为“HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASEDLIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING”的美国实用新型申请No.10/581,940(代理人案号30794.108-US-WO(2004-063))，该申请依据35U.S.C§365(c)主张Tetsuo Fujii、Yan Gao、Evelyn L.Hu和Shuji Nakamura在2003年12月9日提交的、题为“HIGHLY EFFICIENTGALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIASURFACE ROUGHENING”的PCT申请No.US2003/039211(代理人案号30794.108-WO-01(2004-063))的权益；
Adele Tamboli、Evelyn L.Hu和James S.Speck在2008年10月9日提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING FOR CHIPSHAPING OF LIGHT EMITTING DIODES”的美国临时申请No.61/104,015(代理人案号30794.289-US-P1(2009-157))；以及
Adele Tamboli、Evelyn L.Hu、Arpan Chakraborty和StevenP.DenBaars在2009年1月30日提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING FOR LASER FACETS”的美国临时申请No.61/148,679(代理人卷号30794.301-US-P1(2009-360))；
该申请通过引用合并到此。
技术领域
本发明涉及使用光电化学(PEC)刻蚀对GaN基发光二极管(LED)的p型表面进行粗化的工艺。
背景技术
(注意：该申请引用多个不同的公开，如在整个说明书中通过一个或多个括弧内的标号(例如[X])所指示的。根据这些标号排序的这些不同的公开的列表可以在下面的标题为“参考文献”的章节中找到。这些公开中的每一个通过引用合并到此。)
在过去已经为其它材料***(包括GaP[1])提出并且开发了粗化LED。之前已经使用PEC刻蚀来对GaN基LED进行粗化，但是该工艺仅对N面n型LED适用。因为与GaN异质结构的生长和掺杂相关的问题，所以其生长典型地进行为最后生长任何p型层。因此，之前LED的PEC粗化总是需要去除蓝宝石衬底，并且将LED键合到子基座(submount)，使得n型N面侧被暴露。
尽管事实上衬底去除和倒装芯片键合是昂贵且困难的工艺，但是LED制造已经包含以此方式的PEC粗化。
T.Fujii等人首先使用PEC刻蚀结合激光剥离工艺来制造(n型)粗化GaN LED，其表现出光提取增加为2-3倍，如在美国专利公开No.2007/0121690中所公开的(该公开在上面被引用为Tetsuo Fujii、Yan Gao、Evelyn L.Hu和Shuji Nakamura在2006年6月7日提交的、题为“HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHTEMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING”的美国实用新型申请No.10/581,940(代理人案号30794.108-US-WO(2004-063))，该申请依据35U.S.C§365(c)主张Tetsuo Fujii、Yan Gao、Evelyn L.Hu和Shuji Nakamura在2003年12月9日提交的、题为“HIGHLYEFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODESVIA SURFACE ROUGHENING”的PCT申请No.US2003/039211(代理人卷号30794.108-US-WO-01(2004-063))的权益)，该申请和公开通过引用合并到此。
也已经有报道使用KOH/乙二醇湿法刻蚀来以纯化学方式对p-GaN表面进行粗化[2]。然而，进行该刻蚀需要提高温度，并且刻蚀在缺陷处开始，从而提供相当分散的刻蚀坑，其导致总体相对平滑的表面。也可能使用干法刻蚀来实现粗化LED，但是干法刻蚀将离子损伤引入到材料中，其对光学和电学性质是有害的。
因此，本领域中需要一种用于对LED进行粗化的改善的工艺。本发明满足该需要。
发明内容
为了克服上面所描述的现有技术中的限制，并且克服在阅读和理解本说明书之后将变得显而易见的其他限制，本发明描述了一种使用PEC刻蚀对GaN基LED的p型表面进行粗化的工艺。
本发明公开了一种LED，该LED包括p型层的粗化表面，其中该粗化表面将入射在该粗化表面上的光散射到外部介质中，其中光是从LED的发光有源层入射的。例如，LED可以包括p型III族氮化物层，其具有被粗化以便提取由LED发射的光的表面；n型III族氮化物层；以及用于发射光的、在p型III族氮化物层和n型III族氮化物层之间的有源层。
p型III族氮化物层、n型III族氮化物层和有源层可以没有由粗化工艺引入的离子损伤。此外，p型III族氮化物层、n型III族氮化物层和有源层的材料质量可以是使得具有被粗化的表面的LED的电流-电压(I-V)测量与LED在表面被粗化之前的I-V测量相比，没有实质不同或劣化。
该表面可以被粗化以生成特征或结构，所述特征或结构被设计为使得将光提取出p型层和LED，例如，与从粗化之前p型层的表面或不具有该特征或结构的表面提取出的光相比，或通过粗化之前p型层的表面或不具有该特征或结构的表面传输的光相比，将更多的光提取出表面，或通过表面传输更多的光。该特征或结构可以被设计为使得将光散射、衍射、折射或引导出p型层和LED。该特征或结构可以被设计为使得与通过粗化之前并且没有该结构的表面传输的光输出功率相比，和/或与通过具有1nm或更低的表面粗糙度的p型层的平坦、平整或平滑的表面传输的光输出功率相比，使多至少20％的光输出功率通过表面传输并且离开LED。对于原生材料，典型的均方根(rms)粗糙度为1纳米(nm)，对于本发明的粗化材料，典型的均方根粗糙度为20-30nm。
更具体地说，特征或结构可以具有侧面、尺寸、宽度、高度和间隔，这些参数被设计为使得将光散射或衍射出p型层和LED。此外，该侧面、尺寸、宽度、高度和间隔可以最小是与p型层中的光的波长一样长，以便增强将光散射、衍射或传输出p型层和LED。例如，该侧面、尺寸、宽度、高度和间隔可以是至少0.3微米(μm)，至多2μm，或至多10μm。
p型层的表面可以成形为使得来自有源层的光在临界角内入射在该表面上，以便折射出p型层并且进入到外部介质中。例如，该表面可以包括一个或多个倾斜的表面，所述一个或多个倾斜的表面被设计为(例如以临界角倾斜)使得光在临界角内入射在倾斜的表面上，由此基本防止光在倾斜的表面处的全内反射。在没有任何光提取技术的情况下，仅4-6％的发射光可以逃离GaN LED。通过本发明的表面纹理，多于4-6％的光在临界角内击中表面，导致光提取增加。
在另一示例中，该表面包括20nm或更高，或25nm或更高的表面粗糙度。该粗化可以在例如p型层的N面、Ga面、非极性表面或半极性表面上形成。
本发明还公开了一种制造III族氮化物基LED的方法，该方法包括对该III族氮化物基发光LED的p型表面进行粗化，其中该粗化包括PEC刻蚀p型表面，并且该粗化适合从LED提取光。
附图说明
现在参考附图，其中相同的标号表示相应部分：
图1是PEC刻蚀示意图。
图2(a)是p-i-n异质结构的剖面示意图，并且图2(b)是在LED的p型层的表面处的、根据图2(a)中结构的层的位置的示意性能带图，其示出了在LED/电解质***中的载流子路径。
图3(a)是采取45°角的、LED的粗化p型、Ga面表面的扫描电镜(SEM)图像(尺度2μm)，其示出了粗糙度的横向变化。
图3(b)是粗化半极性(11-22)表面的图像，其中尺度为20μm。
图4(a)-(e)是图示说明生成粗化的GaN/InGaN LED的工艺流程的示意图。
图5(a)是示出p-GaN在上的LED的表面粗化的剖面示意图。
图5(b)是示出非粗化p型表面的LED的顶视图光学图像，其中表面粗糙度为～1nm。
图5(c)是图5(b)中的表面的一部分的顶视图光学图像，其中图像平面中的尺度为2.5μm，并且灰度提供了高度轮廓或表面粗糙度，并且该表面粗糙度为～1nm。
图5(d)是具有图5(a)的结构的LED的顶视图光学图像，其示出了粗化的p型表面、粗糙度的横向变化和～25nm的表面粗糙度。
图5(e)是图5(d)中的表面的一部分的顶视图光学图像，其中图像平面中的尺度为2.5(μm)，灰度提供了高度轮廓或表面粗糙度(与图5(c)中的尺度相同)，并且该表面粗糙度为～25nm。
图5(f)是图5(d)中的表面的一部分的顶视图SEM图像，并且示出了与在图3中的表面相同的表面，其中尺度为2μm。
图6(a)为在相同样品上邻近的7个平滑LED和7个粗糙LED标绘了电压(V)对电流(mA)(电流-电压(I-V)特性或测量)和输出功率(任意单位，a.u.)对电流，其示出了在平滑LED和粗糙LED之间没有I-V特性的劣化，并且同样示出了在粗糙LED和平滑LED之间电致发光性质变化不大，使得7个平滑LED的平均光输出功率和7个粗糙LED的平均光输出功率同样标绘为驱动电流的函数。
图6(b)根据驱动电流(mA)标绘了图6(a)的粗糙LED与图6(a)的平滑LED相比的增强因子，其示出了粗糙LED与附近的平滑LED相比光提取增强了20％，其中同样示出了全部粗糙LED的平均增强度，并且该增强因子是粗糙LED的光输出功率除以平滑LED的光输出功率。
具体实施方式
在优选实施例的以下描述中参考了形成于此一部分的附图，并且在附图中出于说明示出了本发明可以被实施于其中的特定实施例。应理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以使用其他实施例，并且可以改变结构。
概述
尽管大多数III族氮化物LED的性能受发射光在半导体中的全内反射所限制，但是粗化的LED通过将入射在粗化表面上的光散射到空气中来提高光提取。虽然对LED进行粗化以增加提取不是新技术，但是PEC刻蚀是一种对表面进行粗化而不引入离子损伤的快速、廉价的方式。
因此PEC刻蚀早就被用来仅对III-N LED的N面、n型侧进行粗化。因为与GaN异质结构的生长和掺杂相关的问题，所以其生长典型地形成为Ga面在上，并且任何p型层通常最后生长。因此，之前LED的PEC粗化总是需要去除蓝宝石衬底，并且将LED键合到子基座，使得n型、N面侧被暴露。
相比之下，本发明已经能够实现对在生长期间自然是顶部表面的LED的Ga面、p型侧进行粗化。
技术描述
PEC刻蚀由光源(例如超越带隙(above-bandgap)1000Watt Xe灯100)和电化学电池组成，这里半导体(例如GaN LED样品102的半导体)充当***的阳极，并且具有直接图形化在半导体上从而充当阴极的金属104(通常为铂(Pt)或Ti/Pt)(图1)。光106在半导体中生成电子空穴对，并且通过阴极104提取电子，而空穴参与在半导体表面的氧化反应，导致半导体表面在电解质108中溶解。因为在半导体/电解质界面处的表面能带弯曲，所以空穴通常仅被限制在n型材料的表面处，而电子被限制在p型材料的表面处。出于该原因，p型半导体的PEC刻蚀难以实现。图1也示出了光106可以使用例如GaN滤光器110过滤。LED 102的P-GaN对于PEC刻蚀是阳极。
例如，使用标准LED结构200，可以选择某种光源，该光源发射仅在或主要在量子阱区域204中被吸收的光202，并且结构200的掺杂在空间上将光生载流子分离，以使电子206被拉入208n型层210中(这里它们可通过阴极逃逸)，并且空穴212被拉入214p型保护层216(图2(a)和图2(b))。通过使用强碱性溶液例如KOH作为电解质218，可以使光生空穴212到达表面220(例如p型层216与电解质218的任何界面222)，从而参与刻蚀反应。以此方式，异质结构200的p型表面220可以被刻蚀而不需要干法刻蚀。体216、210的带隙Eg(体)224、226大于量子阱230(例如多量子阱，MQW)的带隙Eg(MQW)228，使得光子能量hv(这里h是普朗克常数，并且v是光202的频率)的光202仅在量子阱区域204的量子阱230中被吸收。
电子-空穴对在低带隙层230中产生，并且它们被p-n结200的内建场分离(该内建场与在p型区域216和n型区域210之间的导带Ec和价带Ev的斜率232成比例)。通过使用强碱性溶液218，表面能带弯曲234被最小化，使得许多光生空穴212到达表面220从而参与刻蚀反应。刻蚀条件的谨慎平衡可以产生粗化而不是平滑刻蚀的p-GaN表面220，并且这允许本发明形成P侧在上、Ga面粗化的LED(图3(a))。如在图3(a)中所示，得到的p-GaN表面300具有例如坑302的特征。在图3(a)中，该表面包括刻蚀坑和未刻蚀区域，或在坑之间的平滑区域；侧壁稍微倾斜并且在底部上不平滑。然而，根据刻蚀条件和初始材料，包括在同一晶圆上的各种位置，可以有许多变化。图3(b)是粗化半极性(11-22)表面的图像，其图示说明了可以有多少变化。
在本发明的制备粗化LED的工艺中，作为低带隙吸收层的量子阱被用来将电子-空穴对的生成与要被刻蚀的区域分离，从而允许空穴运动到表面，而电子由内部电场通过阴极向外驱赶。该工艺仅将一个额外步骤引入到GaN基LED的制造工艺中。下面给出了该工艺的示例并且在图4(a)-(e)中示意性地示出。(在有源区域400中)使用量子阱不需要改变材料生长，并且标准的LED材料可以用于该工艺，如在图4(a)中所示。唯一的要求是量子阱带隙低于p型层402的带隙，通常也是如此。
制造方法
关于PEC刻蚀方法的进一步信息可以在由Adele Tamboli、EvelynL.Hu、Matthew C.Schmidt、Shuji Nakamura和Steven P.DenBaars在与此相同日期提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING OFP-TYPE SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES”的美国实用新型申请No.xx/xxx,xxx(代理人案号30794.272-US-U1(2008-533))中找到，该申请依据35U.S.C§119(e)主张由Adele Tamboli、Evelyn L.Hu、Matthew C.Schmidt、Shuji Nakamura和Steven P.DenBaars在2008年5月12日提交的、题为“PHOTOELECTROCHEMICAL ETCHING OF P-TYPESEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES”的美国临时申请No.61/052,421(代理人案号30794.272-US-P1(2008-533))的权益，该申请在上面被引用并且通过引用合并到此。
图4(a)-(e)图示说明了制造III族氮化物(例如GaN)基LED404的方法。该方法包括下面步骤中的一个或多个：
1.使用具有被激活p-GaN 402的LED结构404。这可以包括在衬底408(例如蓝宝石衬底)上淀积III族氮化物n型层406(例如n型GaN或n-GaN)，在n型GaN层406(例如n-GaN)上淀积III族氮化物有源区域400(例如InGaN量子阱有源层)，以及在InGaN有源层400上淀积p型III族氮化物层402(例如p型GaN层或p-GaN)。然后，以典型的制造工艺执行接下来的步骤，如在图4(b)-(e)中所示：
2.通过例如在p型GaN层402和InGaN有源层400中刻蚀一个或多个台面，掩蔽并且刻蚀LED台面410，如在图4(b)中所示。
3.通过例如在n型GaN层406上淀积一个或多个n接触412，在围绕LED台面410的区域中的任何地方淀积阴极412，如在图4(c)中所示。表面积对于刻蚀反应快速进行是重要的。Pt可以用来提高刻蚀速率，但不是必需的。该金属412可以用作n接触。
4.对步骤1-3中形成的结构执行PEC刻蚀。具体地说，执行p-GaN402的表面416(通过该表面提取光)的PEC粗化414，如在图4(d)中所示。例如，PEC照明可能主要在InGaN有源层400中被吸收，使得InGaN层有源层400光生成电子和空穴。该步骤可以在半导体结构404中使用内部偏置，从而防止电子到达p型GaN层402的表面416，并且促使空穴到达p型GaN层402的表面416。例如，结构404的掺杂可以在空间上分离由在InGaN有源层400中的吸收光生成的电子和空穴，使得电子被拉入n型GaN层406并且空穴被拉入p型GaN层402，其中电子通过用作阴极的n接触412逃逸，空穴与碱性或酸性溶液在p型GaN层402的表面416一起参与刻蚀反应，并且该刻蚀反应生成适合从LED 404提取光的p型GaN层402的表面416的粗化414。
理想条件是使用5M KOH电解质溶液和通过GaN过滤的1000WXe灯，使得电子-空穴对仅在有源区域400的InGaN中产生，并且灯聚焦以便强烈照明。
可以确定是否实现平滑或粗糙表面的因素是使用的材料。典型地，由使用半极性GaN的c-平面或某些取向带来的缺陷和结晶刻蚀导致粗糙表面，而无极性或低缺陷密度材料典型地产生平滑表面。基于选择哪一种电解质、其浓度、照明强度以及是否在刻蚀期间搅拌溶液，存在一些可调整性。对于粗糙表面，可以使用浓缩的KOH作为电解质，伴随较低的照明强度并且不搅拌。同样，在到达任何刻蚀-停止层之前停止刻蚀将确保不使表面平滑。
5.在粗化414上淀积p接触418，如在图4(e)中所示。最终结果是LED 404。本发明不限于LED，而是半导体结构典型地包括p型层402、用于吸收PEC照明(并且在制造的发光器件404中发射光)的有源层400以及n型层406。
因此，图4(a)-(e)图示说明了用于制造III族氮化物基LED 404的方法，该方法包括对LED 404的p型表面416进行粗化，其中粗化414包括PEC刻蚀p型表面416，并且粗化414适合从LED 404提取光。该方法也可以作用于其他材料***中以及作用于除了c-平面以外的GaN的某些其他晶向。
LED结构
图5(a)是本发明的LED结构500的示意剖面图，其包括(a)具有表面504的p型III族氮化物层502(例如p型GaN)，该表面被粗化，以便提取由LED 500的有源层或有源区域508发射的光506；以及(b)n型III族氮化物层510(例如n型GaN)。发光有源层508(例如在GaN阻挡层514之间的发射光506的InGaN量子阱512)在p型III族氮化物层502和n型III族氮化物层510之间。p型III族氮化物层502、n型III族氮化物层510和有源层508可能不具有由粗化工艺引入的离子损伤，或者具有与干法刻蚀的p型层502相比减少的离子损伤。n-GaN 510典型的在衬底516，例如蓝宝石上。
图5(a)同样图示说明了增强光提取的LED 500(例如III族氮化物基)，其包括p型层502(例如p型III族氮化物)被粗化的表面504，其中粗化表面504将入射在粗化表面504上的光506散射到外部介质518(其在LED 500的外部，例如但不限于空气或环氧树脂)中，或增加所述光506到外部介质518的散射，其中光506从LED 500的发光有源层508入射。
p型层502的表面504可以被粗化或构造为生成结构或特征520，该结构或特性520被设计为(例如具有近似于发射光波长的尺寸)使得将光506提取出(或通过其传输)LED中的半导体的表面，或增强该提取(或传输)。例如，该提取可以包括但不限于光散射、衍射、折射或引导出p型层和LED，并且特征或结构520被设计为使得将光506提取(例如散射、衍射、引导或折射)出表面504、p型层502和LED，进入外部介质518。特征或结构520应该被设计为使得与在p型层502表面粗化之前提取出的光或通过p型层502的表面传输的光相比(或与没有特征或结构520的非粗化/非构造表面相比)，将更多的光506提取出表面504(通过表面504传输)。
不受特定科学原理、理论或示例束缚，下面提供了各种示例、原理和理论。
为了增强光提取，表面504可以具有以接近结构500中的光波长的尺度最佳变化的粗糙度。例如，在本发明中粗糙度的宽度或横向变化可能与光波长可比拟。具有每～10μm存在特征(例如坑)的表面与绝对平滑的表面相比可能改善光提取，但是该改善可能是不明显的或不是好得多。类似地，具有周期为大约几埃的表面粗糙度与在光波长的尺度上变化的特征/表面粗糙度相比，对光提取可能具有较小的影响。
在另一示例中，特征520典型地具有一个或多个侧面522、边缘或尺寸524(包括但不限于宽度526a和/或高度526b)和/或间隔528，该间隔528被设计为(例如具有至少与在p型层502中的光506的波长一样长的长度)使得特征或结构520可以影响光506的传播方向，例如将光506散射、衍射、折射或引导出p型层502和LED 500，进入外部介质518。
例如，长度、尺寸524或间隔528可以是但不限于至少0.3μm、至少0.3μm和至多2μm，至多2μm、至少0.3μm和至多10μm，或在1μm和2μm之间。特征/结构520可以相互邻近，使得间隔528基本小于光506的波长。如上面指出的，选择的尺寸524和间隔528可以取决于发射的光506的波长。
替换地或另外，表面504可以成形为使得来自有源层508的大部分光506在临界角θc内入射在表面504上，以便折射出p型层502并且进入到外部介质518中。例如，表面504可以成形为具有或包括斜坡或倾斜的表面530，使得来自有源层508的大部分光506在临界角θc(相对于表面法线θn)内入射在表面504上，以便折射出p型层502和表面504。临界角可以定义为θc＝arcsin(n2/n1)，这里n2是接触LED500的表面504的外部介质518(来自LED 500的光506被提取进入的材料518)的折射系数并且n1是p型III族氮化物层502的折射系数。点划线532指示在粗化之前p型502表面的一部分，并且典型地，斜坡或倾斜的表面530相对于非粗化、平坦和/或平滑的表面534(在本发明的粗化之前)处于角度θc。表面534可以是外延生长的表面534，其垂直于LED 500的生长方向536(例如c-轴，(0001)，(000-1)，非极性或半极性方向536)，并且可以是例如N-面、Ga-面、半极性平面、非极性平面。表面534可以是例如误切或误取向的表面。表面504可以包括例如p型III族氮化物502的晶面。
为了进一步说明临界角θc的影响，在图5(a)中还示出了光538的轨迹，所述光538由有源层508发射，当其入射在p型层502的非粗化表面534上(或入射在p型层502和外部介质518之间的非粗化界面540a上)时被全内反射。本发明说明了表面504可以成形为基本防止光538的全内反射。更具体地说，倾斜的表面530可以被设计为使得光506在临界角θc内入射在倾斜的表面530上，由此基本防止光538在倾斜的表面530处的全内反射，和/或提取多于4-6％的来自有源层508的光506。
也可以认为，本发明对界面540a进行粗化或构造，由此生成粗化的界面540b，以将入射在界面540b上的光506散射、折射或传输到外部介质518中。例如，本发明可以对表面534或界面540a进行粗化，以便减少或提取由LED 500发射的全内反射的光538(例如通过将光506在临界角θc内入射在界面540b上)。
在图5(a)中还示出了阴极或n接触542。
图5(b)是具有图5(a)的结构但没有对p型III族氮化物层502的表面534进行粗化的LED的顶视图光学图像(例如表面534是平滑“原生”表面，其足够平滑/其被设计为使得光538的全内反射发生在p型层502和外部介质518之间的界面540a处并且在p型材料502内)。图5(c)是图5(b)中的p型表面504的一部分的光学图像，其示出了在2.5μm×2.5μm的面积上具有小于1nm的表面粗糙度的平坦或平滑的表面534。为了提取光，表面504应比表面534更粗糙，并且因此本发明可以对表面534进行粗化或构造从而生成表面504。
图5(d)是具有图5(a)的结构的本发明的LED的顶视图光学图像，其示出了具有粗化(表面粗糙度～25nm)的p型表面504，并且还包括在p接触504上的p型焊盘544，其中p接触546与p型表面504生成欧姆接触，并且n接触542与n型层510生成欧姆接触。图5(e)是图5(d)中的粗化表面504的一部分的光学图像，其示出了包括坑548的麻点表面，所述坑至少25nm深，小于1μm宽，并且间隔小于2.5μm(并且表面粗糙度～25nm)。图5(f)是图5(d)中的粗化表面504的一部分的SEM图像。
在图5(e)和图3(a)中，坑548是六角形。然而，对于不同的晶面该形状将变化，但是不影响散射光的能力。
图6(a)图示说明了p型III族氮化物层502、n型III族氮化物层510和有源层508的材料质量是使得具有被粗化表面504的LED(例如图5(d)的LED)的I-V测量与(1)具有p型层502的平滑、平坦、平整或非粗化的表面534的LED的I-V测量相比，和/或与(2)在表面534被粗化之前的LED的I-V测量相比(例如与图5(b)的LED相比)，没有实质不同或劣化。更具体地说，在材料的正常变化内，平滑和粗糙的器件的电阻是相同的(即，平滑(或粗糙)LED之间比粗糙LED和平滑LED之间具有更多变化)。这意味着LED 500(例如图5(d)的LED)(包括p型层502、n型层510和有源层508)与平滑LED(例如图5(b)的LED)相比，具有基本相似的材料质量。
通常，在表面534不具有纹理的情况下，仅4-6％的光逃离LED。本发明使表面534具有纹理，使得多于4-6％的光逃逸。图6(a)和6(b)图示说明了本发明的LED 500，其中表面504被粗化或构造为具有特征520或结构，所述特征或结构被设计为使得与下述相比多至少20％的光输出功率通过表面504传输并且离开LED 500：(1)通过不具有结构520的p型层502的平滑或非粗化表面534传输的光输出功率；(2)具有1nm或更低的表面粗糙度的p型层的平坦、平整或平滑的表面；和/或(3)通过粗化之前的表面534传输的光输出功率。例如，由于粗化，图5(d)的粗化LED与图5(b)的平滑LED的光输出功率相比多至少20％的光输出功率。
III族氮化物LED 500的生长典型的进行为每个层502、508、510的Ga面在上(即每个层502、508、510的最后生长表面是Ga面)，并且任何p型层502通常是最后生长，使得通过本发明粗化或构造的p型层502的表面534典型的是Ga面。然而，本发明不限于特定的表面534或生长方向536——例如，可以在p型层502的N面或Ga面上形成粗化。
关于本信息的进一步信息可以在[6]中找到。
可能的修改和变化
虽然其他电解质(包括酸)可以起作用，但是强碱将提供表面能带弯曲的最小量，提高刻蚀速率。也可以使用其他光源，只要它们强度足够，并且主要在量子阱中或在与要粗化的层分离的任何其他层中激发载流子。该工艺也可以应用于其他晶面，例如N面和各种半极性平面，只要p型层在顶部。在N面LED的情况下，应该形成锥形体而不是坑，这对于光提取可能是更有效的。
该表面不限于粗化表面；其可以是例如具有纹理的表面、光栅结构或光子晶体。
优点和改善
P侧在上粗化的GaN/InGaN LED明显比常规的LED更亮，而同时保持制造廉价。本发明的工艺明显改善III族氮化物基LED的性能，而几乎没有引入额外的处理步骤，因此其可以大大改善性能而几乎不增加预期成本。尽管需要去除衬底以暴露n型面，但是LED公司已经采用对LED的n侧进行PEC粗化。P侧粗化提供相似的优点，但是因为制造相对容易，所以可以具有更好的效果。例如，本发明不需要去除衬底。
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总结
这里总结了本发明的优选实施例的描述。本发明的一个或多个实施例的前述描述是出于说明和描述的目的而给出的。其并非意在详尽或将本发明限于所公开的精确形式。根据上面的教导，许多修改和变化是可能的。其意在本发明的范围并非由该详细描述所限制，而是由随附的权利要求所限制。

Claims (22)

1.一种发光二极管即LED，包括：
(a)p型III族氮化物层，其具有被粗化以便提取由所述LED发射的光的表面；
(b)n型III族氮化物层；以及
(c)用于发射所述光的、在所述p型III族氮化物层和所述n型III族氮化物层之间的有源层。
2.根据权利要求1所述的LED，其中所述p型III族氮化物层、n型III族氮化物层和有源层没有由所述表面的粗化工艺引入的离子损伤。
3.根据权利要求1所述的LED，其中所述p型III族氮化物层、n型III族氮化物层和有源层的材料质量是使得具有被粗化的所述表面的LED的电流-电压即I-V测量与所述LED在所述表面被粗化之前的I-V测量相比没有实质不同或劣化。
4.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面被粗化以生成特征或结构，所述特征或结构被设计为使得将所述光提取出所述p型层和所述LED。
5.根据权利要求4所述的LED，其中所述表面被粗化以生成特征或结构，所述特征或结构被设计为使得与从所述p型层在所述粗化之前的表面或不具有所述特征或结构的表面提取出的光相比，或与通过所述p型层在所述粗化之前的表面或不具有所述特征或结构的表面传输的光相比，将更多的所述光提取出所述表面或通过所述表面传输更多的所述光。
6.根据权利要求5所述的LED，其中所述特征或结构被设计为使得将所述光散射、衍射、折射或引导出所述p型层和所述LED。
7.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面被粗化为具有特征或结构，所述特征或结构被设计为使得与通过所述粗化之前并且不具有所述结构的表面传输的光输出功率相比，使多至少20％的光输出功率通过所述表面传输并且离开所述LED。
8.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面被粗化或构造为具有结构，所述结构被设计为使得与通过具有1nm或更低的表面粗糙度的所述p型层的平坦、平整或平滑的表面传输的光输出功率相比，使多至少20％的光输出功率通过所述表面传输并且离开所述LED。
9.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面被粗化为具有特征或结构，所述特征或结构具有侧面、尺寸、宽度、高度和间隔，这些参数被设计为使得将所述光散射或衍射出所述p型层和所述LED。
10.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面被粗化为具有特征或结构，所述特征或结构具有至少与所述p型层中的光的波长一样长的侧面、尺寸、宽度、高度和间隔，以便增强将所述光散射、衍射或传输出所述p型层和所述LED。
11.根据权利要求10所述的LED，其中所述侧面、所述尺寸、所述宽度、所述高度和所述间隔至少为0.3μm。
12.根据权利要求11所述的LED，其中所述侧面、所述尺寸、所述高度和所述间隔至多为2μm。
13.根据权利要求11所述的LED，其中所述侧面、所述尺寸、所述高度和所述间隔至多为10μm。
14.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面被成形为使得来自所述有源层的光在临界角内入射在所述表面上，以便折射出所述p型层并且进入外部介质中。
15.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面包括一个或多个倾斜的表面，所述一个或多个倾斜的表面被设计为使得所述光在所述临界角内入射在所述倾斜的表面上，由此基本防止所述光在所述倾斜的表面处的全内反射。
16.根据权利要求15所述的LED，其中所述倾斜的表面以所述临界角倾斜，使得所述光在所述临界角内入射在所述倾斜的表面上，并且来自所述有源层的多于4-6％的所述光从所述表面被提取。
17.根据权利要求1所述的LED，其中所述表面包括25nm或更大的表面粗糙度。
18.根据权利要求1所述的LED，其中所述粗化在所述p型层的N面、Ga面、非极性表面或半极性表面上形成。
19.一种制造III族氮化物基发光二极管即LED的方法，包括：
粗化所述III族氮化物基发光LED的p型表面，其中所述粗化包括光电化学刻蚀所述p型表面，并且所述粗化适合从所述LED提取光。
20.一种发光二极管即LED，包括p型层的粗化表面，其中所述粗化表面将入射在所述粗化表面上的光散射到外部介质中，其中所述光是从所述LED的发光有源层入射的。
21.根据权利要求20所述的LED，其中所述LED是III族氮化物基LED，并且所述p型层是III族氮化物。
22.一种从发光二极管提取光的方法，包括从p型III族氮化物层的粗化表面提取所述光。
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