ES2615209T3 - Diodos emisores de luz basados en nitruro de galio altamente eficientes por medio de una superficie convertida en rugosa - Google Patents

Diodos emisores de luz basados en nitruro de galio altamente eficientes por medio de una superficie convertida en rugosa Download PDF

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Abstract

Un diodo emisor de luz de (Al, Ga, In)N compuesto de: al menos una capa de tipo n (42), una capa de emision (44) y una 5 capa de tipo p (46); en el que la luz desde la capa de emision (44) se extrae a traves de una superficie de cara de nitrogeno, denominada en lo que sigue "superficie de cara N", del diodo emisor de luz y la superficie de cara N del diodo emisor de luz esta compuesta de una rugosidad superficial con forma de cono que incrementa la eficiencia de extraccion de la luz desde la capa de emision (44) fuera de la superficie de cara N del diodo emisor de luz; y en el que las formas de cono de la rugosidad superficial de la superficie de cara N tienen un tamano proximo a una longitud de onda de la luz dentro del diodo emisor de luz, de modo que la luz dentro del diodo emisor de luz se disperse o difracte para reducir las reflexiones de luz que tienen lugar repetidamente en el interior del diodo emisor de luz, mejorando de ese modo la extraccion de la luz desde la capa de emision (44) fuera de la superficie de cara N en comparacion con un diodo emisor de luz que tenga una superficie plana.

Description

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DESCRIPCION
Diodos emisores de luz basados en nitruro de galio altamente eficientes por medio de una superficie convertida en rugosa
1. Campo de la invencion
Le invencion se refiere a diodos emisores de luz y, mas particularmente, a diodos emisores de luz basados en nitruro de galio altamente eficientes a traves de una superficie convertida en rugosa.
2. Descripcion de la tecnica relacionada
Ejemplos de las tecnicas de la tecnica anterior pueden hallarse en las siguientes referencias:
El documento JP 2003 332618 A (MITSUBISHI CABLE IND LTD) 21 de noviembre de 2003 (2003-11-21), que describe un elemento emisor de luz de GaN. En una realizacion, se extrae luz a traves de la superficie estructurada de una capa de tipo p, de la que se han eliminado una parte del sustrato de crecimiento de silicio.
El documento de LiU L eT AL: “Substrates for gallium nitride epitaxy", MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING R: REPORTS, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANA, Suiza, vol. 37, n.° 3, 30 de abril de 2002 (2002-04-30), paginas 61-127,
El documento EP 1 329 961 A (TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO [JP]) 23 de julio de 2003 (2003-07-23), que describe un elemento emisor de luz semiconductor y un metodo de fabricacion del mismo,
El documento de MINSKY M S; WHITE A M; HuEl: “Room-temperature photoenhanced wet etching of GaN", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, Nueva York, Estados Unidos, vol. 68, n.° 11,11 de marzo de 1996 (1996-03-11),
El documento de IN JAE SONG ET AL: “Properties of Etched Ga- and N-Faces of Freestanding GaN Substrate Using Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS, JP, vol. 41, n.° 3B, PARTE 02, 15 de marzo de 2002 (2002-03-15), paginas L317-L319, y
El documento EP 1 538 680 A (SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES [JP]) 8 de junio de 2005 (2005-06-08), que describe un dispositivo emisor de luz.
(Nota: La presente solicitud referencia un cierto numero de diferentes publicaciones como se ha indicado a todo lo largo de la presente memoria mediante uno o mas numeros de referencia. Una lista de estas diferentes publicaciones ordenadas de acuerdo con estos numeros de referencia puede hallarse a continuation en la section titulada “Referencias".)
Han estado disponibles durante aproximadamente 10 anos diodos emisores de luz (LED) de semiconductor de ancha banda prohibida basados en nitruro de galio (GaN). El progreso del desarrollo de los LED ha ocasionado grandes cambios en la tecnologia LED, con la realizacion de pantallas de LED a todo color, senales de trafico LED, LED blancos y asi sucesivamente.
Recientemente, han obtenido mucho interes los LED blancos de alta eficiencia, como posibles sustitutos para lamparas fluorescentes. Especificamente, la eficiencia de los LED (74 lm/W) [1] esta aproximandose a la de las lamparas fluorescentes ordinarias (75 lm/W). Sin embargo es deseable mayor mejora en la eficiencia.
Hay dos aproximaciones principales para la mejora de la eficiencia LED. La primera aproximacion es el incremento en la eficiencia cuantica interna (r|i), que se determina por la calidad del cristal y estructura de la capa epitaxial, mientras que la segunda aproximacion es el incremento en la eficiencia de extraction de luz (qextraccion).
El incremento en la eficiencia cuantica interna no puede realizarse facilmente. Un valor tipico de r|i para LED azules es de mas del 70% [2] y un LED ultravioleta (UV) crecido sobre un sustrato de GaN de baja dislocation ha presentado recientemente un Hi de aproximadamente el 80% [3]. Hay poco margen para la mejora de estos valores.
Por otro lado, hay bastante margen para la mejora de la eficiencia en la extraccion de luz. Se han acometido un cierto numero de problemas en la elimination de las perdidas interna de luz, incluyendo, un espejo altamente reflectante, superficie de baja reflexion tal como una superficie rugosa, estructura de elevada dispersion termica, etc.
Por ejemplo, considerando los indices de refraction del GaN (n == 2,5) [4] y el aire, el angulo critico para el cono de escape de luz es de aproximadamente 23°. Suponiendo que la luz emitida desde las paredes laterales y posteriores es despreciable, se espera que aproximadamente solo el 4% de la luz interna pueda extraerse. La luz fuera del cono de escape se refleja en el sustrato y se refleja repetidamente o se absorbe por las capas activas o electrodos, a menos que escape a traves de las paredes laterales.
La estructura del LED afecta a cuanta luz emite. El impacto de la estructura del LED sobre la eficiencia en la extraccion de luz se describe mejor mediante ejemplos. Los siguientes ejemplos describen varios tipos de
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estructuras de LED.
La FIG. 1 es una seccion transversal esquematica de una estructura de LED convencional, que incluye un electrodo de tipo p 10, electrodo semitransparente 12, capa de tipo p 14, region activa 16, capa de tipo n 18, electrodo de tipo n 20 y sustrato 22. Debido a que el GaN se hace crecer normalmente sobre un sustrato aislante, tal como zafiro, los electrodos de tipo p y tipo n 10, 20 necesitan fabricarse sobre el mismo plano y la estructura del dispositivo resultante de los electrodos 10, 20 impone un flujo de corriente lateral. Debido a la elevada resistividad del GaN de tipo p, se emplea una pelicula metalica delgada como un electrodo semitransparente 12 para la difusion de la corriente sobre el GaN de tipo p, es deseable que la transparencia del electrodo semitransparente 12 fuera del 100%; sin embargo, su valor para electrodos de metal delgados usados en los LED basados en GaN es del 70% como maximo. Mas aun, deberia formarse el electrodo 10 para la union de los hilos, lo que oscurece la luz emitida desde el interior del LED; en consecuencia, la eficiencia de extraccion se espera que sea bastante baja.
La FIG. 2 es una seccion transversal esquematica de una estructura de LED de tipo chip vuelto (“flip-chip" en ingles), que incluye un sustrato de zafiro transparente 24, capa de tipo n 26, electrodo de tipo n 28, region activa 30, capa de tipo p 32, electrodo de tipo p 34, soldadura 36 y submontaje de alojamiento 38. Para mejorar la eficiencia externa, la luz puede extraerse a traves del sustrato de zafiro transparente 24 de la estructura del LED de tipo chip vuelto. Este metodo tiene una ventaja sobre los LED convencionales con respecto a una reduccion de la absorcion de luz por la pelicula metalica delgada y el electrodo. Sin embargo, la mayor parte de la luz emitida desde la region activa seria reflejada en la interfaz entre el sustrato 24 y la capa de tipo n 26, y la interfaz entre el sustrato 24 y el aire.
Un metodo que permite la separacion de la pelicula de GaN de un sustrato de zafiro se denomina tecnica de despegue por laser (“laser lift off" (LLO) en ingles). Mediante la aplicacion de este metodo a unos LED basados en GaN de tipo chip vuelto, pueden realizarse unos LED de GaN libres del sustrato de zafiro. Suponiendo que la superficie de GaN resultante se modifica a una orientacion no planar, se espera una mejora significativa de la eficiencia de extraccion.
Otra aproximacion al incremento de la eficiencia de extraccion es hacer rugosa la superficie de los LED [5], lo que desfavorece la reflexion de la luz interna y dispersa la luz hacia arriba. Sin embargo, los LED con superficie rugosa se han mencionado solamente en el contexto de la familia de materiales del fosfuro de galio (GaP), debido a que el GaN es un material muy duradero y un metodo de grabado humedo ordinario no tiene mucho efecto. Por ello, aunque la idea de hacer rugosa la superficie semiconductor por razones de dispersion de la luz se considero primero en la decada de los 70 del siglo XX, se ha creido que es dificil y costosa la produccion de esta clase de estructura de LED.
Sin embargo, como se hecho observar anteriormente, los LED basados en GaN tipicos estan compuestos de una delgada pelicula GaN-p/capa activa/GaN-n sobre un sustrato de zafiro o carburo de silicio (SiC). Aunque la produccion de una superficie rugosa requiere un cierto grosor de capa de GaN [6], el crecimiento de GaN-p grueso no es deseable debido a la resistividad relativamente alta del GaN-p, lo que requiere un contacto semitransparente sobre la superficie del GaN-p si la luz se extrae a traves del GaN-p y algunos tratamientos tales como el grabado seco [7] para hacer rugosa la superficie podria producir deterioro electrico. El crecimiento de una estructura inferior en el lado p por deposicion quimica metal-organica en fase de vapor (MOCVD) es tambien indeseable, debido al efecto de memoria del magnesio (Mg) [8], que deteriora la capa activa.
Recientemente, se ha usado un metodo de despegue por laser (LLO) para separar un sustrato de zafiro de una pelicula de GaN crecida sobre el sustrato [9-11]. Adicionalmente, se ha usado LLO para fabricar LED basados en GaN [12, 13]. Sin embargo, no hubo referencia al efecto de esta tecnica sobre la morfologia superficial o eficiencia de extraccion.
Por otro lado, en realizaciones de la presente invencion, utilizando de la tecnologia de chip vuelto [14] y el metodo LLO, puede fabricarse una estructura de LED libre de sustrato con nitrogeno (N) hacia arriba basado en GaN. Posteriormente, puede usarse un proceso de grabado anisotropico para hacer rugosa la superficie del LED con N hacia arriba basado en GaN. Esto da como resultado una superficie “similar a conos", que es beneficiosa para la extraccion de luz. La eficiencia de extraccion de un LED de superficie hecha rugosa optimamente muestra un incremento en mas del 100% en comparacion con un LED antes de hacerse rugoso.
Observese como, durante algun tiempo, se ha considerado que el GaN era dificil de grabar anisotropicamente. Esto es verdad debido a que el GaN es un material quimicamente estable en comparacion con otros materiales semiconductores. Es posible el uso de grabado seco para hacer una superficie texturada, pero requiere un procesamiento extra, tal como fotolitografia, y es imposible de realizar una superficie similar a conos finos sobre el GaN.
Cuando se usa el grabado quimico fotomejorado (PEC) sobre GaN en la cara de galio (cara Ga), se forman pequenos pozos sobre la superficie. Esto es a diferencia del grabado por PEC del GaN en la cara de nitrogeno (cara N), lo que da como resultado distintas caracteristicas de tipo cono. Aunque hay pocos informes que traten sobre los LED basados en GaN fabricados usando la tecnica LLO, en realizaciones de la presente invencion se fabrican
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estructuras de tipo conos sobre la superficie del GaN cara-N del LED basado en GaN usando un metodo de grabado anisotropico.
Sumario de la invencion
La presente invencion proporciona un diodo emisor de luz (LED) tal como se expone en la reivindicacion 1. La presente invencion tambien proporciona un metodo de creacion de un LED tal como se expone en la reivindicacion 9.
La superficie de la cara N puede hacerse rugosa mediante un grabado anisotropico. El grabado anisotropico puede comprender un grabado seco o un grabado quimico fotomejorado (PEC).
En una realizacion, el GaN de cara-N se prepara mediante una tecnica de despegue por laser (LLO), en otra realizacion, el LED se hace crecer sobre una oblea de GaN plano c, una superficie de la capa de tipo p es una cara de galio (cara Ga), y la superficie de la capa de tipo n es una cara de nitrogeno (cara N).
Breve descripcion de los dibujos
Con referencia ahora a los dibujos en los que numeros de referencia iguales representan a todo lo largo partes correspondientes:
la FIG. 1 es una seccion transversal esquematica de una estructura de LED convencional; la FIG. 2 es una seccion transversal esquematica de una estructura de LED de tipo chip vuelto; la FIG. 3 es un esquema de un LED con superficie hecha rugosa;
la FIG. 4 es un diagrama de flujo que ilustra las etapas del procesamiento usado en la realizacion preferida de la presente invencion;
las FIGS. 5(a)-(f) ilustran adicionalmente las etapas de fabricacion para los LED con superficie hecha rugosa; la FIG. 6(a) muestra un LED con una capa de bloqueo de corriente, mientras que la FIG. 6(b) muestra un LED con un marco de confinamiento de corriente;
las FIGS. 7(a) y 7(b) son micrografias de vista en planta de un LED por LLO con un electrodo n en forma de cruz; las FIGS. 8(a) y 8(b) son imagenes de micrografia de barrido electronico (SEM) de la cara N del GaN despues del grabado por PEC para diferentes tiempos de grabado;
las FIGS. 9(a) y 9(b) muestra un espectro electroluminiscente (EL) a partir de un LED de superficie plana y un LED de superficie hecha rugosa, respectivamente; y
la FIG. 10 es un grafico de las caracteristicas de la potencia de salida EL hacia arriba respecto a la corriente de inyeccion en CC (L-I) para los LED con diferentes tiempos de grabado a temperatura ambiente.
Descripcion detallada de la invencion
En la siguiente descripcion de la realizacion preferida, se hace referencia a los dibujos adjuntos que forman parte de la misma, y en los que se muestra a modo de ilustracion una realizacion especifica en la que puede ponerse en practica la invencion. Se ha de entender que pueden utilizarse otras realizaciones y pueden realizarse cambios estructurales sin apartarse del alcance de la presente invencion.
Vision general
La realizacion preferida proporciona un medio para incrementar la eficiencia de extraccion por medio de hacer rugosa la superficie de los LED basados en GaN. Especificamente, la aplicacion de un metodo de grabado PEC anisotropico a una superficie de GaN cara N plano-c da como resultado la fabricacion de caracteristicas superficiales con forma de cono. Esta superficie hecha rugosa reduce las reflexiones de la luz que tienen lugar repetidamente dentro del LED, y de ese modo extrae mas luz fuera del LED. Mas aun, el metodo de la presente invencion es simple, repetible y no deberia danar el material, a diferencia de otros metodos para hacer rugosa la superficie que pueden comprometer la calidad del material, todo lo cual hace a la presente invencion mas adecuada para la fabricacion de los LED.
Estructura del LED
La FIG. 3 es un esquema de una superficie de LED hecha rugosa, que incluye un electrodo de tipo n 40, una capa de tipo n 42, region activa 44, capa de tipo p 46 y electrodo de tipo p 48 que se ha unido como chip vuelto a traves de una capa de soldadura 50 a un submontaje 52 de silicio (Si) que incluye un electrodo de tipo n 54. La capa de tipo n 42, region activa 44 y capa de tipo p 46 estan compuestas de una aleacion (B, Al, Ga, In)N. Se usa un metodo de grabado seco o PEC para hacer rugosa la superficie de la capa de tipo n 42. Necesitan establecerse las condiciones apropiadas, tales como quimicas de plasma y potencia de plasma para el grabado seco, y electrolitos y potencia de lampara para el grabado PEC, de modo que pueda obtenerse una superficie deseable. Es importante que este LED basado en GaN debiera crecer a lo largo de su eje c y esta superficie de GaN de tipo n deberia ser de cara N debido a que el grabado anisotropico puede observarse sobre el GaN cara N mucho mas facilmente que el
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GaN cara Ga.
Observese que la GaN plano c es la estructura en donde el plano que contiene solo atomos de Ga y el plano que contiene solo atomos de N se amontonan o apilan alternativamente. Si una superficie es cara Ga, entonces la superficie opuesta es cara N. Debido al hecho de que se prefiere en general GaN plano c cara Ga desde el punto de vista del crecimiento cristalino y rendimiento del dispositivo, el GaN cara N necesita prepararse mediante la tecnica LLO o, alternativamente, la estructura del LED podria crecer sobre la oblea GaN en bruto plano c.
La luz emitida desde la region activa 44 hacia la superficie 42 de GaN tipo n hecha rugosa es dispersada por la superficie, lo que no refleja la luz de vuelta a la region activa. Se desea que el electrodo 48 de tipo p tenga una propiedad de elevada reflexion para disminuir la absorcion de luz y para incrementar la reflexion de luz hacia la superficie 42 del GaN de tipo n. En resultados experimentales, se ha determinado que la presente realizacion incrementa la potencia de salida de la luz hacia arriba para el LED con una superficie hecha rugosa dos o tres veces en comparacion con un LED con una superficie plana.
Etapas de procesamiento
La FIG. 4 es un diagrama de flujo que ilustra las etapas de procesamiento usadas en la realizacion preferida de la presente invencion.
El bloque 56 representa la etapa de crecimiento de capas epitaxiales de cara Ga sobre un sustrato de zafiro plano c mediante MOCVD, creando de ese modo una muestra.
El bloque 58 representa la etapa de recocido de la muestra para activacion del tipo p, despues de la MOCVD.
El bloque 60 representa la etapa de realizacion de un proceso de metalizacion de tipo p sobre la muestra, incluyendo, pero sin limitarse a, plata (Ag) o aluminio (Al), para crear un contacto p-GaN altamente reflectante.
El bloque 62 representa la etapa de deposicion de capas de oro (Au) gruesas sobre la muestra, seguido por capas de estano (Sn) como un metal de soldadura por evaporacion de Sn en un evaporador termico.
El bloque 64 representa la etapa de voltear la muestra y unirla a un sustrato/submontaje de Si autorrecubierto a una temperatura por encima de 280 °C, en la que se forma una aleacion Au/Sn que contribuye a la adhesion de la muestra al sustrato de Si.
El bloque 66 representa la etapa de realizacion de un proceso LLO mediante irradiacion del sustrato de zafiro transparente de la muestra usando una luz laser excimer de cloruro de cripton (KrF) (248 nm) a traves del lado posterior del sustrato de zafiro, dando como resultado la descomposicion local del GaN en la interfaz GaN/sustrato de zafiro. Especificamente, mediante el barrido del punto de laser excimer de KrF sobre la muestra, la membrana del LED basado en GaN se transfiere al sustrato/submontaje de Si.
El bloque 68 representa la etapa de desunion del sustrato de zafiro de la muestra, despues del barrido del laser de KrF sobre la muestra.
El bloque 70 representa la etapa de eliminar cualquier gota de Ga residual sobre la superficie de GaN desprendida de la muestra usando una solucion de hidrocloruro (HCl).
El bloque 72 representa la etapa de adelgazamiento del GaN transferido hasta que se expone sobre la muestra del GaN cara N dopado con Si.
El bloque 74 representa la etapa de deposicion de un electrodo de titanio/aluminio/titanio/oro (Ti/Al/Ti/Au) como un contacto o electrodo de tipo n sobre el GaN cara N de la muestra.
El bloque 76 representa la etapa de grabado por PEC mediante la inmersion de la muestra en una solucion de electrolito de hidroxido de potasio (KOH) y la irradiacion de la superficie de GaN cara N usando una lampara de xenon/mercurio (Xe/Hg), de tal manera que la superficie superior se haga rugosa. Los detalles del grabado por PEC se describen en [15].
El bloque 78 representa la etapa de separacion de cada dispositivo del sustrato de Si de la muestra usando un metodo de grabado seco, troceado o cortado.
Las FIGS. 5(a)-(f) ilustran adicionalmente las etapas de fabrication para los LED con superficie hecha rugosa, en la que la estructura del LED incluye un electrodo de tipo p 80, una membrana LED 82 basada en GaN, sustrato de zafiro 84, metal de soldadura 86, submontaje (portador) 88 y electrodo de tipo n 90. Especificamente, la FIG. 5(a) muestra los resultados despues de la deposicion del electrodo de tipo p 80, la FIG. 5(b) muestra los resultados despues de que se una el LED sobre el submontaje de alojamiento 88, la FIG. 5(c) muestra los resultados despues
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de la elimination del sustrato de zafiro 84 mediante LLO, la FIG. 5(d) muestra los resultados despues de la deposition del electrodo de tipo n 90, la FIG. 5(e) muestra los resultados despues de hacer rugosa la superficie de GaN 82 y la FIG. 5(f) muestra los resultados despues del aislamiento del dispositivo.
Posibles modificaciones
Aunque se ha descrito una estructura basica anteriormente, son posibles un cierto numero de modificaciones y variaciones.
La FIG. 6(a) muestra un LED con una capa de bloqueo de corriente, mientras que la FIG. 6(b) muestra un LED con una marco de contention de corriente, en el que los LED incluyen un electrodo de tipo n 92, una capa de tipo n 94, capa activa 96, capa de tipo p 98, electrodo de tipo p 100, capa de bloqueo de corriente 102 y marco de confinamiento de la corriente 104.
En la FIG. 6(a), el LED tiene una capa de bloqueo de corriente 102 alineada bajo el electrodo de tipo n 92. Esta capa de bloqueo de corriente 102 impide la concentration de la corriente por debajo del electrodo de tipo n 92 de modo que puede evitarse la absorcion de la emision de luz bajo el electrodo 92 y puede incrementarse la eficiencia de extraction. Es adecuado que se localice un aislante tal como SiO2 sobre la capa de GaN tipo p 98 debido a que la difusion de la corriente dificilmente tiene lugar en la capa de GaN-p resistivo 98.
En la FIG. 6(b), el LED tiene un marco de confinamiento de corriente 104 hecho de aislante. Si se usa un metodo de grabado seco o un troceado para separar los dispositivos, las paredes laterales de los dispositivos podrian conducir una corriente de fuga, si se danaran las superficies. Dicha corriente de fuga disminuye tanto la eficiencia como la vida util del LED. El marco de confinamiento de corriente 104 contribuye a la restriction de la corriente de fuga a traves de las paredes laterales del LED y no disminuye significativamente el area de emision, si el ancho del marco se elige apropiadamente.
Aunque se ha descrito un sustrato de Si como submontaje de alojamiento en el proceso LLO, pueden usarse materiales de sustrato alternativos para la puesta en practica de la presente invention. Aunque el Si es mas barato y tiene una conductividad termica mas elevada que el zafiro, pueden encajar para su uso otros sustratos, tales como SiC, diamante, AlN, o diversos metales tales como CuW, desde el punto de vista de la conductividad termica.
Hasta el momento, los dispositivos de GaN pueden tambien crecer directamente sobre sustrato de SiC y Si. Si un LED basado en GaN se hace crecer sobre SiC o Si, el grabado seco convencional o el grabado humedo pueden eliminar el sustrato. Mediante la utilization de un sustrato de GaN en bruto, puede eliminarse el proceso de LLO.
El tamano de la muestra es tambien un punto importante para la fabrication del LED. Hoy en dia, los LED con gran tamano estan atrayendo la atencion para satisfacer la demanda de LED de alta potencia. Incluso aunque la resistividad del GaN de tipo n es mas baja que la del GaN-p, el tamano afecta a la geometria del electrodo de tipo n para la finalidad de difusion de la corriente.
Resultados experimentales
En experimentos realizados por los presentes inventores, se hicieron crecer capas epitaxiales de cara Ga sobre un sustrato de zafiro plano c mediante MOCVD. La estructura se compuso de capas de GaN de 4 |jm de grueso sin dopar y dopadas con Si, un pozo cuantico multiple (MQW) de 5 periodos GaN/InGaN, una capa de Al0.2Ga0.8N de 20 nm de grueso dopada con Mg y GaN de 0,3 jm de grueso dopada con Mg. Despues de la MOCVD, la muestra se recocio para la activation de tipo p y a continuation se realizo un proceso de metalizado de tipo p. Se adopto un electrodo basado en Ag como un contacto p-GaN altamente reflector. Se deposito Au grueso sobre la muestra seguida por evaporation de Sn en un evaporador termico. La oblea se volteo y unio a un submontaje de Si recubierto de Au a una temperatura de 280 °C, dando como resultado una aleacion de Au y Sn, que contribuyo a la adhesion firme de la oblea al submontaje. Se uso un laser KrF (248 nm) para el proceso LLO, en donde el laser se ilumino a traves del sustrato de zafiro transparente, provocando la descomposicion local del GaN en los limites entre GaN y zafiro. Despues del barrido del laser KrF sobre la muestra, se desunio el sustrato de zafiro. Las gotas de Ga restantes sobre la superficie de GaN transferida se eliminaron mediante una solution de HCl. A continuacion, el GaN transferido se adelgazo hasta que se expuso el GaN dopado con Si. Se formo un contacto n sobre el GaN-n cara N expuesta y cada dispositivo se dividio de sus contiguos mediante un grabado ionico reactivo (RIE). Finalmente, para hacer rugosa la parte superior de la superficie, se uso grabado por PEC. Se usaron una solucion de KOH y lampara de Xe/Hg como electrolito y fuente de luz, respectivamente. La potencia de salida del LED se midio con un detector de Si fijado a una altura de 7 mm sobre el chip de LED.
Las FIGS. 7(a) y 7(b) son micrografias de vista en planta de un LED LLO con un electrodo en forma de cruz, en el que el LED se une sobre un sustrato de Si. La FIG. 7(a) muestra la superficie antes de hacerse rugosa y la FIG. 7(b) muestra la superficie despues de hacerse rugosa. Debido a que el electrodo n bloquea la luz UV durante el grabado por PEC, el GaN por debajo de el no se graba y el electrodo permanece sobre el GaN despues de hacerse rugoso. Puede emplearse un electrodo transparente tal como oxido de indio y estano (ITO) como un electrodo de difusion de
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corriente.
Las FIGS. 8(a) y 8(b) son imagenes de micrografia de barrido electronico (SEM) del GaN cara N despues del grabado por PEC para diferentes tiempos de grabado. Observese que las superficies de GaN cara N grabadas por PEC incluyen una pluralidad de conos de forma hexagonal, que son distintas a las superficies de GaN grabadas por PEC notificadas por Youtsey et al. [16]. Esta diferencia se considera que es debida a la polaridad superficial del GaN. En la comparacion de la superficie grabada 2 minutos (min) de la FIG. 8(a) y la superficie grabada 10 min de la FIG. 8(b), el tamano de las caracteristicas se incrementa y las caras de los conos hexagonales se hacen mas definidas.
La superficie con forma de cono parece muy efectiva para la extraccion de luz desde el LED. Mas aun, los resultados experimentales sugieren que una forma de cono puede extraer mas luz. Por ejemplo, la longitud de onda de un LED azul en un cristal de GaN es de aproximadamente 200 nm. Si el tamano de la forma del cono es mucho mas pequeno que ese valor, entonces la luz podria no estar afectada por la rugosidad. Por otro lado, si el tamano de la forma del cono esta proximo a ese valor, la luz podria dispersarse o difractarse.
En resultados experimentales, se ha determinado que la superficie hecha rugosa esta compuesta de muchos conos de forma hexagonal que tienen un angulo igual a o mas pequeno que:
2 sen-1(na/re / ns) ~ 47,2°
para GaN, en la que naire es un indice de refraccion del aire y ns es un indice de refraccion del GaN. De modo similar, se ha determinado que la superficie hecha rugosa esta compuesta de muchos conos de forma hexagonal que tienen un angulo igual a o mas pequeno que:
2 sen-1 (nenc / ns)
para epoxi, en la que nenc es un indice de refraccion del epoxi y ns es un indice de refraccion del GaN.
Es posible que la superficie pueda no tener que ser con forma de cono, y que debiera considerarse una estructura de enrejado y cristal fotonico. Estas podrian ser estructuras mejores para extraccion de luz. Sin embargo, la fabrication de cristales fotonicos requiere un diseno y procesamiento precisos, lo que es mas costoso que la fabrication de una rugosidad superficial con forma de cono.
La superficie “similar a espejo” antes del grabado por PEC queda descolorida segun se incrementa el tiempo de grabado. Si se deposita un metal altamente reflectante sobre el otro lado de la pelicula de GaN, la superficie aparece como blanca; en caso contrario, es mas oscura. Se cree que es debido a la restriction de la reflexion de la luz en los limites aire/GaN, y si hay un metal altamente reflectante sobre el lado posterior del GaN, la luz que pasa al interior del GaN sale al exterior de nuevo, dispersandose en la superficie hecha rugosa.
Los espectros electroluminiscentes (EL) de un LED de superficie plana y un LED de superficie hecha rugosa se muestran en las FIGS. 9(a) y 9(b), respectivamente. La medicion se realizo con una densidad de corriente continua de 25 A/cm2 CC a temperatura ambiente (RT). El espectro del LED superficie plana tenia emisiones con picos multiples, tal como se muestra en la FIG. 9(a), sugiriendo que la luz emitida desde la region activa fue interferida en la cavidad de GaN vertical emparedada entre espejos hechos de GaN/metal y GaN/aire. Por el contrario, como se muestra en la FIG. 9(b), no se observo ningun modo longitudinal sobre el LED de superficie hecha rugosa. Esto significa que la interfaz GaN/aire hecha rugosa disperso la luz, dando como resultado la supresion de la resonancia.
La FIG. 10 es un grafico caracteristico de la potencia de salida EL hacia arriba respecto a la corriente de inyeccion en CC (L-I) para los LED con diferentes tiempos de grabado a temperatura ambiente. Estos datos se obtuvieron a partir del mismo dispositivo antes y despues del grabado por PEC, de modo que pudiera despreciarse cualquier factor que provocara esta diferencia excepto la morfologia superficial. Cualquiera de las curvas L-I mostro caracteristicas lineales hasta 50 mA. Debido a la conductividad termica relativamente mas alta del Si que la del zafiro, estos dispositivos son ventajosos para funcionamiento a alta potencia. La potencia de salida con una corriente dada se incremento con el incremento del tiempo de grabado por PEC. Tal como se compara con la potencia de salida para un LED de superficie plana y el LED con superficie grabada 10 min, este tratamiento de rugosidad dio como resultado un incremento en la potencia de salida en un factor de 2,3. A partir otras mediciones sobre dispositivos diferentes, la potencia tambien mostro un incremento en dos a tres veces despues del proceso de rugosidad. Debido a que el LED de superficie plana tiende a emitir mas luz desde las paredes laterales del chip de LED que el LED de superficie hecha rugosa debido a la propagation lateral de la luz, la diferencia de la potencia de salida seria menor si la potencia total se midiera en una esfera de integration. En cualquier caso, esta mejora de la eficiencia de extraccion mediante tecnica de grabado anisotropico mostro una mejora significativa.
En conclusion, se ha aplicado un metodo de grabado anisotropico a un LED basado en GaN con la finalidad de incrementar la eficiencia de extraccion. Los ensayos de rendimiento del LED han indicado que, presumiblemente debido a la disminucion en la propagacion de la luz en la pelicula de GaN, hay una relation entre la aparicion de
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rugosidad y la eficiencia de extraccion. Aunque no se ha medido la potencia optica integrada total, el mayor incremento en la eficiencia de extraccion fue mayor del 100%. Es notable que la tecnica descrita en el presente documento sea simple y no requiera procesos complicados, lo que indica que sera adecuada para la fabrication de LED basados en GaN con la superficie hecha rugosa.
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11. C. F. Chu, C. C. Yu, H. C. Cheng, C. F. Lin, y S. C. Wang, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L147 (2003).
12. W.S. Wong, T. Sands, N. W. Cheung, M. Kneissl, D. P. Bour, P. Mei, L. T. Romano, N. M. Johnson, “Fabrication of thin-film InGaN light-emitting diode membranes by laser lift off, Appl. Phys. Lett., 75 (10) 1360 (1999).
13. W.S. Wong, T. Sands, N. W. Cheung, M. Kneissl, D. P. Bour, P. Mei, L. T. Romano, N. M. Johnson, “InXGa1- XN light emitting diodes on Si substrates fabricated by Pd-In metal bonding and laser lift-off, Appl. Phys. Lett., 77 (18) 2822 (2000).
14. J. J. Wierer, D. A. Steigerwald, M. R. Krames, J. J. O'Shea, M. J. Ludowise, N. F. Gardner, R. S. Kern, y S. A. Stockman, Appl. Phys. Lett. 78, 3379 (2001).
15. M. S. Minsky, M. White, y E. L. Hu, Appl. Phys. Lett. 68,1531 (1996).
16. C. Youtsey, L. T. Romano, y I. Adesida, Appl. Phys. Lett. 73, 797 (1998).
Conclusion
Esto concluye la description de la realization preferida de la presente invention. A continuation se describen algunas realizaciones alternativas para llevar a cabo la presente invencion.
Podrian usarse un cierto numero de metodos de crecimiento diferentes distintos al MOCVD en la presente invencion. Ademas, podrian emplearse sustratos distintos al zafiro o el carburo de silicio.
Tambien, podrian crearse asimismo estructuras de LED diferentes. Por ejemplo, LED de cavidad resonante (RCLED) o LED de microcavidad (MCLED).
La descripcion precedente de una o mas realizaciones de la invencion se ha presentado con las finalidades de ilustracion y descripcion, no se pretende que sean exhaustivas o que limiten la invencion a la forma precisa divulgada. Son posibles muchas modificaciones y variaciones a la luz de las ensenanzas anteriores. Se pretende que el alcance de la invencion este limitado no por la presente descripcion detallada, sino por el contrario por las reivindicaciones adjuntas a la misma.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un diodo emisor de luz de (Al, Ga, In)N compuesto de:
    al menos una capa de tipo n (42), una capa de emision (44) y una capa de tipo p (46);
    en el que la luz desde la capa de emision (44) se extrae a traves de una superficie de cara de nitrogeno, denominada en lo que sigue “superficie de cara N”, del diodo emisor de luz y la superficie de cara N del diodo emisor de luz esta compuesta de una rugosidad superficial con forma de cono que incrementa la eficiencia de extraccion de la luz desde la capa de emision (44) fuera de la superficie de cara N del diodo emisor de luz; y en el que las formas de cono de la rugosidad superficial de la superficie de cara N tienen un tamano proximo a una longitud de onda de la luz dentro del diodo emisor de luz, de modo que la luz dentro del diodo emisor de luz se disperse o difracte para reducir las reflexiones de luz que tienen lugar repetidamente en el interior del diodo emisor de luz, mejorando de ese modo la extraccion de la luz desde la capa de emision (44) fuera de la superficie de cara N en comparacion con un diodo emisor de luz que tenga una superficie plana.
  2. 2. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 1, en el que la luz procedente de la capa de emision se extrae a traves de la superficie de cara N de una capa (42) distinta de la capa de emision (44) del diodo emisor de luz.
  3. 3. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 2, en el que la luz procedente de la capa de emision (44) se extrae a traves de la superficie de cara N de la capa de tipo n (42) del diodo emisor de luz.
  4. 4. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 3, en donde el diodo emisor de luz esta compuesto adicionalmente de un electrodo de tipo p (48) sobre la capa de tipo p (46), y el electrodo de tipo p (48) tiene una propiedad de alta reflexion para incrementar la reflexion de la luz hacia la superficie de cara N de la capa de tipo n (42).
  5. 5. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 3, en donde el diodo emisor de luz esta compuesto adicionalmente de un electrodo de tipo n (92) sobre la capa de tipo n (94), y bajo el electrodo de tipo n (92) se alinea una capa de bloqueo de corriente (102) para impedir que la corriente se concentre por debajo del electrodo de tipo n (92), de modo que se evite la absorcion de la luz bajo el electrodo de tipo n (92) y se incremente la eficiencia de extraccion de la luz.
  6. 6. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 1, en el que la luz no muestra ningun modo longitudinal.
  7. 7. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 1, en donde el diodo emisor de luz incluye un marco de confinamiento de corriente (104) hecho de un aislante para restringir la corriente de fuga a traves de las paredes laterales del diodo emisor de luz sin disminuir significativamente un area de emision.
  8. 8. El diodo emisor de luz de la reivindicacion 1, en donde el diodo emisor de luz esta montado (52) sobre un material de alta conductividad termica de silicio, zafiro, SiC, diamante, AlN o varios metales tales como CuW.
  9. 9. Un metodo de creacion de un diodo emisor de luz de (Al, Ga, In)N, que comprende:
    fabricar al menos una capa de tipo n (42), una capa de emision (44) y una capa de tipo p (46) del diodo emisor de luz de (Al, Ga, In)N sobre o por encima de un sustrato;
    exponer una superficie de cara de nitrogeno, denominada en lo que sigue “superficie de cara N”, del diodo emisor de luz mediante la elimination del sustrato de al menos dichas capas (42, 44, 46); y fabricar rugosidad superficial con forma de cono sobre la superficie de cara N expuesta del diodo emisor de luz para incrementar la eficiencia de extraccion de la luz desde la capa de emision (44) fuera de la superficie de cara N del diodo emisor de luz;
    en el que las formas de cono de la rugosidad superficial de la superficie de cara N tienen un tamano proximo a una longitud de onda de la luz dentro del diodo emisor de luz, de modo que la luz dentro del diodo emisor de luz se disperse o difracte para reducir las reflexiones de luz que tienen lugar repetidamente en el interior del diodo emisor de luz, mejorando de ese modo la extraccion de la luz desde la capa de emision (44) fuera de la superficie de cara N en comparacion con un diodo emisor de luz que tenga una superficie plana.
  10. 10. El metodo de la reivindicacion 9, en el que las formas de cono de la rugosidad superficial de la superficie de cara N del diodo emisor de luz se fabrican usando un grabado anisotropico, el grabado anisotropico puede comprender un grabado seco o un grabado quimico fotomejorado, grabado “PEC”.
  11. 11. El metodo de las reivindicaciones 9 o 10, en el que el diodo emisor esta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
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