具有減少導光效果的低折射率材料層的發光二極管的制作方法

具有減少導光效果的低折射率材料層的發光二極管的制作方法
【專利摘要】公開了包括用于減少導光的低折射率層的發光二極管。該發光二極管包括至少一個n型摻雜層、至少一個p型摻雜層、以及設置在至少一個n型摻雜層和至少一個p型摻雜層之間的有源區域。有源區域包括發光材料。發光二極管進一步包括設置在有源區域中或者有源區域周圍的至少一個低折射率層。
【專利說明】具有減少導光效果的低折射率材料層的發光二極管
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年3月6日提交的美國臨時申請第61/607，188號的權益，通過引用將其全部內容合并于此。

【技術領域】
[0003]本發明涉及從發光二極管(LED)的光提取的領域，且更具體地涉及在發光二極管中使用低折射率材料層以減少導光效果。

【背景技術】
[0004]從發光二極管(LED)的光提取的問題是眾所周知的。LED由高折射率的半導體材料制成。令人遺憾地，由LED產生的光的部分由于全內反射而從外部介質(空氣或者密封材料)的界面內反射。該光被稱為導光(guided light)。因為其限制了光提取，所以它的存在對LED的性能是不利的。各種方法可被用于提取導光，諸如成形LED，或者粗糙化一些表面。這些方法的目的在于中斷引導軌跡從而增加光提取。然而，傳統方法未能減小導光并且從而沒能使從LED的光提取最大化。
[0005]因此，期望一種增加光提取效率且尤其是減小LED中導光的改進方法。


【發明內容】

[0006]公開了一種包括用于減少導光的低折射率層的發光二極管。發光二極管包括:至少一個η型摻雜層、至少一個P型摻雜層、和設置在至少一個η型摻雜層和至少一個P型摻雜層之間的有源區域(active reg1n)。有源區域包括發光材料。發光二極管進一步包括設置在有源區域中或者有源區域周圍的至少一個低折射率層。
[0007]在第一方面中，提供一種發光二極管包括:至少一個η型摻雜層；至少一個P型摻雜層；有源區域，包括至少一個發光材料層，設置在至少一個η型摻雜層和至少一個P型摻雜層之間；以及至少一個低折射率層，設置在有源區域一個光波長之內，低折射率層被配置為顯著減小由有源區域引導的光。
[0008]在第二方面中，提供一種發光二極管包括:至少一個η型摻雜層，包含氮化鎵基材料；至少一個P型摻雜層，包含氮化鎵基材料；AlGaN/InGaN超晶格的特征在于，小于所述AlGaN/InGaN超晶格的平均折射率(whose average index)的平均折射率(averagerefractive index)未比GaN的平均折射率超過多于0.05 ;有源區域,包括一系列量子講或者一個或多個雙異質結構，其中，有源區域的特征在于總厚度小于50nm ;以及電子阻擋層，電子阻擋層的折射率比GaN的折射率減去0.05低。
[0009]在第三方面中，提供一種發光二極管包括:至少一個η型摻雜層，包含氮化鎵基材料；至少一個P型摻雜層，包含氮化鎵基材料；有源區域，設置在至少一個η型摻雜層和至少一個P型摻雜層之間，有源區域包括由氮化銦鎵基材料形成的一個或多個層；以及至少一個低折射率材料層，設置在至少一個P型摻雜層與有源區域之間、或者設置在至少一個η型摻雜層與有源區域之間，其中至少一個低折射率材料層具有低于氮化鎵的折射率的折射率。
[0010]在第四方面中，提供一種制造發光二極管的方法包括:提供基板，基板包括含有氮化鎵基材料的表面區域；形成耦接至基板的表面區域的至少一個η型摻雜層，至少一個η型摻雜層包含氮化鎵基材料；形成耦接至η型摻雜層的有源區域，有源區域包括由氮化銦鎵基材料形成的一個或多個層；形成耦接至有源區域的至少一個P型摻雜層，至少一個P型摻雜層包含氮化鎵基材料；以及形成至少一個低折射率材料層，設置在至少一個P型摻雜層和有源區域之間、或者設置在至少一個η型摻雜層和有源區域之間，其中至少一個低折射率材料層具有低于氮化鎵的折射率的折射率，并且低折射率層形成為顯著減少由有源區域引導的光。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是根據一些實施方式的生長在GaN基板上的LED的簡圖。
[0012]圖2是根據一些實施方式的生長在具有透明的P-接觸的藍寶石基板上的LED的簡圖。
[0013]圖3示出根據一些實施方式的發射大約為400nm波長的光并且在有源區域中具有導光的LED的發光光譜和吸收光譜的實驗結果。
[0014]圖4是示出根據一些實施方式的對LED的有源區域中被引導的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果的曲線圖。
[0015]圖5是示出根據一些實施方式的具有跨在有源區域上的低折射率層的LED的簡圖。
[0016]圖6A和圖6B是示出根據一些實施方式的分別具有電子阻擋層設計和具有低折射率材料層設計的LED中的導模分布(guided mode profile)的簡圖。
[0017]圖7A和圖7B示出根據一些實施方式的對分別具有電子阻擋層設計和具有低折射率材料層設計的LED建模的導模分布的簡圖。還示出針對兩個設計的折射率分布。
[0018]圖8示出根據一些實施方式的在低折射率材料層中的各種成分(composit1n,組合物)的情況下，LED的有源區域中被引導光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。示出針對沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考。
[0019]圖9示出根據一些實施方式的針對低折射率材料層的各種厚度，LED的有源區域中被引導光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。示出針對沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考。
[0020]圖10示出根據一些實施方式的針對量子勢壘的各種成分，LED的有源區域中被引導光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。示出針對沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考。
[0021]圖11示出根據一些實施方式的包括低折射率材料勢壘和低折射率材料電子阻擋層的LED的有源區域中被引導光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。也示出用于沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考。
[0022]圖12是示出根據一些實施方式的在包括超晶格層的LED中的導模分布的簡圖。
[0023]圖13示出根據一些實施方式的包括設置在超晶格層內的低折射率層的LED的有源區域中被引導光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。也示出沒有電子阻擋層、以及有超晶格層的LED和沒有超晶格層的LED的有源區域中被引導光的部分的建模結果。
[0024]圖14是示出根據一些實施方式的制造LED的方法的簡化流程圖。
[0025]圖15示出根據一些實施方式的折射率作為第III族氮化物化合物的波長(1502、1504、1506、以及1508)以及作為第III族氮化物LED (1510)的發射光譜的函數的實驗值。
[0026]圖16示出根據一些實施方式的在波長415nm時第III族氮化物化合物的折射率作為In或者Al含量的函數。
[0027]圖17示出根據一些實施方式的具有量子阱有源區域、較低含量的量子阱和各種低折射率材料層的第III族氮化物LED的折射率分布。
[0028]圖18示出用于測量外延結構中的導光的存在的實驗裝置(setup)。
[0029]圖19示出通過圖18中描述的實驗裝置在LED刻面收集的導光的圖像。
[0030]圖20示出根據一些實施方式的具有雙異質結構有源區域、較低含量的量子阱和各種低折射率材料層的第III族氮化物LED的折射率分布。
[0031]圖21示出具有包括四個量子阱、超晶格、和電子阻擋層的有源區域的第III族氮化物LED的折射率分布，用于與其他實施方式比較。
[0032]圖22示出針對圖21中描述的結構，導光的部分作為LED的發射波長的函數。
[0033]圖23示出針對與圖21相似的但是具有低折射率材料層以便減少導光發射的本發明的實施方式，導光的部分作為LED的發射波長的函數。
[0034]圖24示出了作為量子阱的數量的函數的建模的提取效率，針對沒有低折射率層的LED(2402)的LED并且與具有低折射率層的LED(2404)相比較。

【具體實施方式】
[0035]在下文中，將參照其中示出示例性實施方式的附圖更加全面地描述各種的實施方式。但是，可以體現為許多不同的形式并且不應被解釋為僅限于本文所闡述的實施方式。更確切地說，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完整的，并且將向本領域的技術人員充分地傳達本發明的范圍。
[0036]本公開內容的一些實施方式涉及改進用于實施具有減少導光效果的低折射率材料(LIM)層的發光二極管的方法。更具體地，本文所公開的是用于具有減少導光效果的LIM層的發光二極管的方法和系統。
[0037]從發光二極管(LED)的光提取的問題是眾所周知的。LED由高折射率的半導體材料制成。令人遺憾地，由LED產生的光的部分由于全內反射而從外部介質(空氣或者密封材料)的界面內反射。該光被稱為導光(guided light)。因為其限制了光提取，所以它的存在對LED的性能是不利的。各種方法可被用于提取導光，諸如成形LED，或者粗糙化一些表面。這些方法的目的在于中斷引導軌跡從而增加光提取。然而，傳統方法未能考慮最小化或者消除有源區域內的導光的方面。此外，上述傳統技術的應用沒有產生采用LIM層以便減少導光效果的發光二極管的設計。
[0038]圖1示出根據一些實施方式的生長在GaN基板上的LED 100的簡圖。長在塊GaN基板101上的LED被翻轉在基臺(submount) 102上。除了由于在GaN/空氣界面103的全內反射而光在LED中被引導之外，有源區域104提供附加的引導105。在有源區域104的右側描繪了導光105的分布。
[0039]如在圖1中示出的，LED生長在塊(bulk)的氮化鎵(GaN)基板101上，并且被放置在可以用作P-接觸的基臺102上。光106通過有源區域104發射。盡管其他軌跡103在LED結構內被引導，但一些光軌跡被提取至外部介質107。在LED的有源區域104內可能存在傳統設計中通常沒有解決的用于導光的另一個通道，即，附加的導光效果105。LED的有源區域104內的附加的導光效果105適用于圖1的LED以及其他類型的LED構造，例如，在圖2中示出的LED。GaN構成LED的基板材料，和它的基質材料(即，生長在基板上并且構成外延層的基體(matrix)的材料,其中，嵌入其他LED層)。
[0040]圖2示出根據一些實施方式的生長在具有透明的P-接觸202的藍寶石基板201上的LED 200的簡圖。光203通過有源區域204發射。一些光軌跡被提取到外部介質205，其它被提取到藍寶石基板206，以及其他207在LED內被引導。除由于在GaN/空氣界面的全內反射205，光在LED中被引導之外，有源區域204提供附加的引導208。在LED的一些實施方式中，有源區域204包括發光層，該發光層的特征在于折射率大于LED的基質材料的折射率。例如，在第III族氮化物LED的情況下，有源區域通常是生長在氮化鎵基質層(hostlayer)上的交替InGaN量子阱和氮化鎵量子勢壘(QB)的堆疊，InGaN的折射率大于GaN的折射率。在一些情況下，量子阱/量子勢壘堆疊可以被雙異質結構有源區域替代。這里，基板是藍寶石而基質材料(host material)是GaN。
[0041]如果量子阱堆疊的成分/數量/厚度足夠大，那么有源區域可以支撐一個或多個導模。許多商業LED包括具有生長在有源區域以下的適度的銦成分的GaN/InGaN超晶格或者塊InGaN層。該層也可以導致不希望有的導光和/或增加由有源區域所引起的引導效果。
[0042]如本文中使用，術語“導模”是指有源區域(GLAR)中的和在有源區域附近的導光而不是引導在LED的塊(例如，除有源區域之外)中的常規光。有源區域(GLAR)中的導光的命運不同于非GLAR導光的命運。非GLAR導光照射在外部介質的各種界面上，使得這些界面成形或者紋理可以引起改善的光提取。在另一方面，GLAR只限于在有源區的附近并且僅可橫向地傳播穿過該層。因此，用于提高光提取的常規技術基本上不影響GLAR。
[0043]一般而言，GLAR的存在是由于高折射率的層(諸如發光層)和較低折射率的周圍層之間的折射率差異。低折射率的層可以包括所謂的基質材料，即，生長在基板上的材料基體并且其中嵌入各種其他LED層。例如，在藍寶石基板上的塊GaN LED和GaN LED的兩種情況下，基質材料是GaN。高折射率的層可以包括發光層，及在有源區域附近的諸如超晶格等的其他層。GLAR的特征在于其在基質材料或者一些其他低折射率層中逐漸消失，但是在一些高折射率層中傳播的事實。
[0044]當其傳播時，GLAR可以被有源區域重新吸收，或者被其他層吸收，諸如通過有損耗的接觸吸收。在被有源區域重新吸收的情況下，創建的載體對可以進一步被重新發射為光并且因此經歷多個吸收-發射周期。然而，該多個吸收-發射過程具有比單個吸收-發射周期低的效率，因為有源區域的內部量子效率小于單位(unity)。
[0045]圖3示出根據一些實施方式的發射波長為大約400nm的光和具有在有源區域中的導光的LED的發光光譜和吸收光譜的實驗結果。虛線表示在該波長以下，吸收系數大于約
0.02 μ πΓ1。在該圖中選擇該值是因為其對應于光吸收長度50 μ m，與LED的橫向長度相比，該光吸收長度是短的長度。因此，在相應的波長的導光在其可以在LED內傳播顯著的橫向距離之前將被有源區域重新吸收。一旦導模被支撐，其可以運載有源區域的總的自發發射的大部分。
[0046]圖4是示出根據一些實施方式的LED的有源區域中被引導的光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果的曲線圖。在建模中，使用GaN和InGaN之間的0.2的折射率步長。該值是本領域中已知的實際值。如在圖4中示出的，如果使用多于8個量子阱，將引導高達20%的總發射光。對于大量的量子阱來說，GLAR的部分達到25%以上的漸近值。因此，LED的總功率的相當大部分可以被發射為GLAR并且最終無法吸收，因此降低了 LED的性能。因此，避免GLAR是期望的，或者將它的大小限制為表示小于總的發射光的5%的GLAR值。
[0047]本文進一步討論描述LIM層如何可用于減小光在LED中的有源區域中被引導的部分。一些商業的LED包括AlGaN層，其特征在于低的折射率并且用作形成為覆蓋(overlying，重疊)有源區域的電子阻擋層。然而，電子阻擋層的厚度和折射率有時不足夠顯著地減小GLAR的量。如下所述，低折射率材料的位置、厚度、和成分應被選擇為基本上減少GLAR，如下所述。
[0048]圖5是示出根據一些實施方式的在有源區域506的任一側上具有低折射率層508的LED的簡圖。使生長在塊GaN基板和n_GaN層502上的LED翻轉使得ρ-GaN層504在基臺503上，并且包括在有源區域506的任一側面上的兩個低折射率材料層508。低折射率材料層508的存在減小了在有源區域506中被引導的光的部分。可以存在用于有源區域506發射的光509的其他光軌跡，諸如傳播至外部介質507的光和在LED的基質材料505中的導光。可以將傳統的光提取特征添加到LED以便幫助提取此類形式的光。例如，LED器件可以被成形為立方體形狀、三角形形狀、四邊形形狀、或者錐體形狀。如所示，低折射率層508的存在使有源區域510中的導模最小化或者防止有源區域510中的導模。
[0049]在一些實施方式中，低折射率材料層覆蓋有源區域。低折射率材料層足夠厚并且具有足夠低的折射率，使得導模的波函數從有源區域分散開，從而減小或者抑制導模內的光發射/傳播。根據一些實施方式，低折射率材料具有低于GaN的折射率的折射率。
[0050]圖6A和圖6B對比具有傳統的電子阻擋層(圖6A)與電子阻擋層還被設計為低折射率材料層以便減小導光效果(圖6B)的發光二極管的設計之間的導模剖面形狀(guidedmode profile shapes)600。圖6A和圖6B示出了 LED結構的略圖以便提供有源區域中的結構和有源區域附近周圍的結構的細節。詳細示出疊加的導模分布。
[0051]圖6A示出具有薄的、低含量AlGaN電子阻擋層601的傳統的LED結構。圖6A示出覆在低含量AlGaN電子阻擋層601上的ρ-GaN層604，其中，低含量AlGaN電子阻擋層601覆在有源區域603上，有源區域603覆在n-GaN層605上。如所示，導模602被強烈限制在有源區域603中。
[0052]圖6B是根據一些實施方式的具有足夠厚度和低折射率的低折射率材料層606以便逼迫(push)導模分布607遠離有源區域603。低折射率材料層606也可以用作電子阻擋層的通常功能，諸如載流子限制(carrier confinement)。
[0053]圖6A和圖6B是示出根據一些實施方式的分別具有電子阻擋層設計和具有低折射率材料層設計的LED中的導模分布的簡圖。傳統結構包括具有P型摻雜層、η型摻雜層、有源區域(由量子阱的堆疊制成)和薄的AlGaN電子阻擋層(EBL)的堆疊。在該結構中，導模被較好地限制在有源區域中。因為進入導模中的光發射與其與有源區域的重疊成比例，所以GLAR的量是大的。
[0054]與此相反，在具有如圖6B中所示的低折射率材料(LIM)層的結構中，傳統的電子阻擋層被具有較低折射率的較厚的層替代。低折射率材料用作電子阻擋層并且還顯著地從有源區域分散導模的分布，使得GLAR的量減小。在一些實施方式中，低折射率材料層在有源區域至少一個光波長之內，其中光波長是LED的發射波長或者波長范圍。在一些實施方式中，低折射率層在有源區域500nm之內、有源區域300nm之內、有源區域200nm內、并且在一些實施方式中，在有源區域10nm內。低折射率層可以在有源區域內、與有源區域相鄰、或者在與有源區域相鄰的區域內，諸如包層、P型摻雜層、或者η型摻雜層。在一些實施方式中，低折射率層被設置在上述任何的組合中。如本文中使用的，當層被稱作在另一層之上或者下時，相對位置不是絕對的并且將取決于LED的方位。類似地，上覆和下伏并不表示絕對位置而是取決于具體的LED的方位。
[0055]圖7Α和圖7Β示出根據一些實施方式的用于分別具有電子阻擋層(EBL)的設計和具有低折射率材料(LIM)層的設計的LED的建模的導模分布。對于圖7Α和圖7Β，每個LED在有源區域中包括十個量子阱。
[0056]圖7Α和圖7Β還示出了 LED的折射率分布。圖7Α示出基于包括ρ_側面上的金屬接觸和AlGaN電子阻擋層(Al15GaN, 1nm厚)的LED結構的折射率分布。圖7Β示出基于電子阻擋層被低折射率材料層(Al83InN, 40nm厚)替代的LED結構的折射率分布。這里，低折射率材料用作電子阻擋層并且還顯著減少導光。如可以在圖7A中看出，盡管存在電子阻擋層，導模被較好地限制在有源區域。與此相反，可以從圖7B中看出，限制減小。
[0057]圖8示出在具有低折射率材料層中的各種成分情況下LED的有源區域中被引導的光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。假定低折射率材料層在建模中20nm厚。示出沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考(實線)。
[0058]如可以在圖8中看出，在沒有任何電子阻擋層或者低折射率材料(實線)的情況下，引導是最強烈的。插入電子阻擋層(AlltlGaN, 20nm厚)稍微減小引導。使用由Al25GaN或者與GaN基質匹配的AlInN晶格制成的低折射率材料，它們各自具有低于AlltlGaN的折射率的折射率，更加減小引導。根據成分和厚度的一些設計可以顯著減小GLAR的量，尤其在有源區域中的量子阱的數量是約5至約8時。在一些實施方式中，一個或者幾個低折射率材料層被插入有源區域之上和/或之下，例如，朝向η-GaN和/或ρ-GaN層。
[0059]圖9示出根據一些實施方式的針對低折射率材料層的各種厚度，LED的有源區域內被引導的光的部分作為量子阱的數量有的函數的建模結果。低折射率材料包括與GaN晶格匹配的AlInN。示出用于沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考(實線)。圖9進一步示出低折射率材料層的厚度和數量如何影響導光發射。如可以從圖9看出，與沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構相比，將20nm厚的低折射率材料層放置在有源區域上減小引導。通過增加低折射率材料層的厚度，例如至40nm厚，進一步減小導光的部分。此外，將兩個40nm厚的低折射率材料層放置在有源區域的兩偵牝更加減小引導。在最后的情況下，即使在有源區域包括15量子阱時，GLAR被顯著減小或者禁止。
[0060]示出上述呈現的實施方式以便減小針對給定數量的量子阱的GLAR的量，但是示出的任何變化沒有顯著地影響用于具有許多量子阱(例如，20個量子阱或更多)的結構的GLAR的漸近部分。可以通過降低有源區域中的平均折射率減小該漸近值。這在一些實施方式(諸如在圖10中示出和描述的實施方式)中被實現，其中，量子勢壘由低折射率材料制成。
[0061]圖10示出根據一些實施方式的針對量子勢壘的各種成分，LED的有源區域內被引導的光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。圖10示出量子勢壘的成分如何影響導光發射。示出用于沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構的建模結果以供參考(實線)。可以在圖10中看出，在量子勢壘由AlltlGaN制成時，與沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構相比，針對給定數量的量子阱的GLAR部分被減小。此外，GLAR的漸近的部分也被減小。在量子勢壘由具有低于AlltlGaN的折射率的折射率的Al2tlGaN制成時，進一步減小針對給定數量的量子阱的GLAR的部分和GLAR的漸近的部分。
[0062]一些實施方式可以將放置在有源區域之上和之下的低折射率材料層與由低折射率材料制成的量子勢壘組合。
[0063]圖11示出根據一些實施方式的使用低折射率材料勢壘和低折射率材料電子阻擋層的LED的有源區域中被引導的光的部分作為量子阱的數量的函數的部分的建模結果。示出基于沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料層的LED結構(實線)的曲線以供參考。虛線曲線基于具有在有源區域上的低折射率材料層(Al3tlGaN, 20nm厚)和具有由低折射率材料制成的量子勢壘(Altl5GaN)的結構。如可以在圖11中看出，與沒有電子阻擋層和沒有低折射率材料的LED相比，引導在使用低折射率材料勢壘和低折射率材料電子阻擋層的LED中減小。
[0064]示出的幾個實施方式允許使用具有10個量子阱、沒有或者很少有GLAR的結構。
[0065]如已經提到的，超晶格層(SL)經常生長在LED中，覆在有源區域之上以便提高性能。然而，SL可以具有通過增加接近有源區域的高折射率材料的量來增加GLAR的不利影響。超晶格層通常由連續的薄的InGaN層和GaN層形成。在一些情況下，使用低銦含量的均質InGaN層，而不是SL。我們也參考這樣的層作為SL層，因為它提供了類似的目的，并具有關于GLAR的類似效果。
[0066]圖12是示出根據一些實施方式的在包括超晶格層(SL)的LED中的導模分布的簡圖。在圖12中示出的LED包括覆在薄電子阻擋層1204上的p-GaN層1201、薄電子阻擋層1204覆在有源區域1203、超晶格1202、和η-GaN層1205之上。如圖12中所示，SL有助于模式的引導1210。因此，在超晶格層內或者超晶格層周圍包括低折射率材料層以便減輕不利影響，是期望的。
[0067]圖13示出根據一些實施方式的包括插入在超晶格層內的低折射率層的LED的有源區域中被引導的光的部分作為量子阱的數量的函數的建模結果。還示出在沒有電子阻擋層與有超晶格層的、以及有超晶格層的LED的有源區域中被引導的光的部分的建模結果，用于比較。可以在圖13中看出，與沒有超晶格層的LED相比，在增加由GaN和InGaN的交替薄層制成的典型SL時，GLAR在量子阱的數量小于約5時明顯地增加。還可以在圖13中看出，在UM電子阻擋層(例如，20nm厚，由AlInN制成)放置在有源區域之上，并且SL被修改為包括LM層時，在量子阱的數量小于大約12時與具有SL的LED相比，GLAR減小。如果量子阱的數量小于約15，與沒有SL和沒有EBL的LED相比，GLAR也被減小。在該說明性的示例中，SL由AlGaN和InGaN的交替層制成，其中，AlGaN層作為UM層并且用來降低SL的平均折射率。
[0068]因此，一些實施方式減小SL的導光效果。在一個此類實施方式中，GaN/InGaN SL被替換為低折射率材料/InGaN超晶格(諸如AlGaN/InGaN SL或者AlInN/InGaN SL)使得降低了 SL的平均折射率并且減小引導。在另一個實施方式中，GaN/InGaN SL被替換為GaN/LIM超晶格(諸如GaN/AlInGaN SL)，其中在SL的一些實施方式中低折射率材料具有與InGaN相同的有益效果，但是它的低折射率減輕引導。在其他此類實施方式中，SL被包覆在兩個低折射率材料層之間。
[0069]上述實施方式考慮使用由均質材料，諸如AlGaN、AlInN、或者AlInGaN制成的低折射率材料層。然而，在一些實施方式中，低折射率材料層的成分是非均質的。在一些實施方式中，低折射率材料層是超晶格(諸如GaN/AlGaN超晶格或者GaN/AlInN超晶格)。在其他實施方式中，低折射率材料層具有跨其生長方向變化的成分，諸如化學計量分級層。
[0070]如先前已經提到的，低折射率材料層可以提供作為電子阻擋層的附加的目的。在一些實施方式中，低折射率材料層同樣可以放置為有源區域以下并且用作空穴-阻擋層。
[0071]如已經示出的，使用放置在有源區域周圍的幾個UM層是可能的并且有時是需要的。可以組合多個UM層以便減小GLAR。
[0072]因此，一些實施方式涉及實現LIM層的特定的累積厚度，使得明顯減小GLAR。在這些實施方式的一些中，給定厚度的UM層生長在有源區域以下和另一 UM層生長在具有厚度的有源區域以上，使得UM層的累積厚度大于目標值。
[0073]如提到的，一些實施方式可以將減小GLAR的UM層與其他光提取特征組合使用以便增加傳播穿過塊LED的光的提取。在一些此類實施方式中，UM層與LED的表面粗糙化結合。這可以通過使包括UM層的外延材料生長、利用此類材料形成LED芯片、以及在LED的至少一些刻面(facets)上形成表面粗糙度獲得。類似地，其他實施方式可以將UM層與其他光提取結構組合使用，諸如LED模具的宏觀成形。
[0074]一些實施方式可可在其他人的外延可行性的觀點出發來實現。晶格常數的差值導致張力并且可以使外延生長具有挑戰性。例如，一些Al InGaN化合物可以具有相對于LED的基質材料(諸如GaN)的大的晶格常數差值。在此情況下，相應的低折射率材料層的最大厚度受限制。因此，可能期望限制晶格失配。在一些實施方式中，低折射率材料是與LED的基質材料晶格匹配的或者基本上晶格匹配的。一個示例是Al83InN,因為低折射率材料Al83InN的晶格接近與GaN晶格匹配。在其他實施方式中，低折射率材料與量子阱的晶格常數晶格匹配或者基本晶格匹配。
[0075]在第III族氮化物材料中，極化場可能存在在異質結構中。降低這些場的強度可能是期望的。在一些實施方式中，低折射率材料與GaN極化匹配或者基本上極化匹配。在其他實施方式中，低折射率與量子阱極化匹配或者基本上極化匹配。
[0076]在一些實施方式中，LED是具有沿著半極性界面的表面取向的第III族氮化物LED。在其他實施方式中，LED是具有沿著非極性界面的表面取向的第III族氮化物LED。
[0077]圖14是示出制造LED的方法的簡化流程圖。下文論述該方法及其他方法。方法包括提供基板1410，沉積覆在基板之的η型摻雜層1420，沉積覆在基板上的包括至少一個發光材料的層的有源區域1430，沉積覆在基板上的P型摻雜層1440，并且沉積在有源區域至少一個波長內的至少一個低折射率層，低折射率層被配置為顯著的減小有源區域的導光1450。
[0078]圖15示出各種III族氮化物層的折射率與波長的實驗結果。為了設計具體的實施方式，可能期望采用建模并且使用各個層的折射率的精確值。圖15示出通過橢圓偏振光譜法獲得的各種III族氮化物層的折射率1500的實驗值。以下層包括在圖15中:GaN(1502)、具有410nm的帶隙的InGaN(1504)、具有320nm的帶隙的AlGaN(1506)、具有380nm的帶隙的InGaN(1508)。圖15還示出發射大約400nm的第III族氮化物有源區域的發射光譜1510。通過使用圖15上示出的折射率全部色散(full dispers1n),可以準確地設計實施方式以減小或者消除GLAR。各種成分的層可以生長和表征這種效果。
[0079]圖16示出從實驗結果得出的折射率1600與化合物成分的值。圖16示出多種化合物在415nm的波長的折射率。表示了 GaN的折射率1602。此外，InGaN的折射率1604和AlGaN的折射率1606被分別表示為In和Al成分的函數。可以采用圖16來設計具有給定的平均折射率的層的設計繼續。例如，由類似厚度的AlGaN和InGaN層(其中，Al和In成分相似)制成的超晶格具有與GaN的折射率相似的平均折射率。這是因為在InGaN層中增加的折射率通過AlGaN層中減小的折射率來補償。此類設計可被期望來減小或抑制GLAR。
[0080]在一些實施方式中，希望生長所謂的“偽量子阱”(DQW)。DQW是具有高于有源區域的帶隙的帶隙的量子阱層。例如，在InGaN LED的情況下，DQW可以是量子講，在該量子阱中，In含量低于有源區域的In含量。DQW沒有發出大量的光，但是可以例如通過提高晶體的結構質量或者通過整合缺陷提高LED的性能。DQW可以生長在有源區域附近，例如在有源區域之上或者之下。
[0081]圖17示出包括DQW的特定外延結構的折射率分布1700，作為跨外延堆疊的位置的函數。位置X = O對應于堆疊的頂部。在圖17的結構中存在各個層。它們包括GaN 1702 (存在于堆疊的η-和P-側面)；EBL 1704 ;有源區域1706(包括量子阱和勢壘)；DQW及其勢壘的堆疊1708 ;和超晶格1710(僅示出超晶格中的平均折射率，雖然其可以包括較低和較高折射率層的連續)。
[0082]與圖17的結構相似的結構可以在一些實施方式中使用。在一些實施方式中，超晶格可以包括InGaN和諸如AlGaN層的UM。在一些實施方式中，DQff的勢壘可以包括諸如AlGaN的UM。在一些實施方式中，有源區域中的勢壘可以包括諸如AlGaN的UM。在一些實施方式中，EBL可以包括諸如AlGaN的UM。可以選擇所述UM層的厚度和成分以便減小或者抑制GLAR。同樣地，可以選擇DQW和發射量子阱的數量以便減小或者抑制GLAR。
[0083]圖18描述用于檢測GLAR的存在的實驗裝置1800。圖18示出如何能檢測GLAR。通過激光1802的激勵引起光致發光1804。一些發光被發射到GLAR 1806里，可以傳播至樣品的邊緣并且被諸如相機的檢測器1808收集。
[0084]圖19示出收集在諸如圖18的那個的裝置上的相機圖像1900。圖19比較兩個樣本。左邊圖像1902對應于使用標準外延堆疊生長的樣本和右邊圖像1904對應于使用抑制GLAR的外延堆疊生長的樣本。后者堆疊與圖17中描述的相似。在左邊圖像1902上觀察到明線1906:其對應于到達樣品邊緣的導光。在右邊圖像1904上沒有觀察到信號(在相似條件下收集的)。這表明在外延設計中沒有GLAR(例如，使左邊圖像1902與右邊圖像1904比較)。
[0085]在一些實施方式中，可以采用雙異質結構(DH)有源區域而不是量子阱堆疊。在一些實施方式中，外延結構可以包括DH和在DH之下或者之上生長的一個或者幾個DQW。在一些實施方式中，DQW區域的勢壘可以包括UM層。
[0086]圖20示出包括DQW和DH的特定外延結構的折射率分布2000，作為跨外延堆疊的位置的函數。位置X = O對應于堆疊的頂部。在圖20的結構中存在各種層。它們包括GaN 2002(存在于堆疊的η-和P-側面)；EBL2004 ;DQW及其勢壘的堆疊2006 ;DH有源區域2008 ;DQW及其勢壘的堆疊2010 ;和超晶格2012 (僅示出超晶格中的平均折射率，雖然其可以包括較低和較高折射率層的連續)。
[0087]可以在一些實施方式中使用與圖20的結構相似的結構。在一些實施方式中，超晶格可以包括InGaN和諸如AlGaN層的UM。在一些實施方式中，DQff的勢壘可以包括諸如AlGaN的UM。在一些實施方式中，EBL可以包括諸如AlGaN的UM。可以選擇所述UM層的厚度和成分以便減小或者抑制GLAR。同樣地，可以選擇在DH任一側上的DQW的數量、和DH的厚度以便減小或者抑制GLAR。
[0088]在一些實施方式中，LED是第III族氮化物LED。在一些實施方式中，SL層的成分是使得SL的平均折射率不比GaN的平均折射率超過多于0.05。在一些實施方式中，EBL的成分為使得其折射率小于GaN的折射率減去0.05。在一些實施方式中，DQW和它們的勢壘的成分是使得DQW區域的平均折射率不比GaN的平均折射率超過多于0.05。所有的這些值屬于峰值發射的波長。
[0089]在實施方式中，LED是第III族氮化物LED，其外延結構包括以下層:
[0090]-一系列η型摻雜層；
[0091]-AlGaN/InGaN超晶格，其平均折射率未比GaN的平均折射率超出多于0.05 ；
[0092]-GaN 勢壘；
[0093]-具有AlGaN勢壘的一系列InGaNDQff,使得該區域的平均折射率不超過GaN的平均折射率0.05以上，并且DQW的數量介于O與20之間；
[0094]-有源區域，由DH或者一系列量子阱組成，使得活性材料的總量小于50nm；
[0095]-一系列InGaN DQW，具有GaN或者AlGaN勢壘，其中，DQW的數量介于O與5之間；
[0096]-GaN 勢壘；
[0097]-EBL,其折射率比GaN的折射率減去0.05低；以及
[0098]-一系列 P-層。
[0099]作為減小GLAR部分另一種方法，一些實施方式采用成分是非均質的發光層。例如，在第III族氮化物LED的情況下,一些實施方式采用InGaN發光層，In成分跨至少一個發光層變化，諸如具有梯階或者等級的In分布的量子阱或者雙異質結構。In成分中的變化可以幫助減小有源區域中的平均折射率，并且有助于減小或者抑制GLAR的發射。
[0100]可以在多種LED結構中期望GLAR的現象。例如，在發射200_1，OOOnm范圍的光的典型結構中可能期望。隨著LED發射波長的增加，基質材料(例如GaN)和發光層(例如InGaN)之間的折射率差通常增加，導致較大的GLAR部分。
[0101]圖21示出作為橫穿外延堆疊的位置的函數的特定外延結構的折射率分布2100。位置x = 0對應于堆疊的頂部。圖21包括GaN層2102、EBL2104、四個量子阱2106和超晶格2108。四個量子阱是4.5nm厚和它們的勢壘是3.5nm厚。EBL包含10% Al并且是1nm厚。超晶格中的平均In含量是4%。圖21是沒有包含大量In的簡單的LED結構。因此，其可以認為是關于GLAR的存在的保守結構。圖21是一些商業可獲得的LED結構的代表。
[0102]圖22示出針對圖21的結構的作為LED的發射波長的函數的導光的量2200。圖22表示發射到GLAR里的總的發射光的部分，作為LED的發射波長的函數。對于較長的發射波長，GLAR的部分增加。這是由于量子阱和GaN之間的較大的折射率差。圖22表示簡單的藍色發光LED的結構受到了限制其性能的GLAR。
[0103]圖23示出針對與圖21和圖22結構相似，但是具有LIM層的結構的，作為LED的發射波長的函數的導光的量2200。圖23中考慮的結構包括Altl5GaNAntl4GaN超晶格、Al15GaN量子阱勢壘和20nm厚的Al2tlGaN EBL0所有這些層構成UM層，如其他實施方式描述的。導光的部分在圖23中明顯低于在圖22中的導光部分。對于在450nm發射的LED，GLAR的部分可以十倍減小。
[0104]因此，本文中的技術與整個多種波長范圍和LED設計相關。其可以將性能明顯提高超過商業可獲得的LED外延堆疊。此外，使用UM減小GLAR部分可以對LED的性能具有重要的影響。在一些實施方式中，使用LIM可以影響期間的凈提取效率的一個或多個百分點，諸如從1%至3%、從I %至5%、或者從1%至10%。
[0105]圖24示出作為結構中的量子阱數量的函數的LED的建模凈提取效率2400。正在審議(under considerat1n)的LED是具有表面粗糙度的塊GaN LED。在沒有任何引導和有源區域再次吸收的情況下，它們的提取效率約是77%。在沒有考慮到設計LIM層的標準外延結構情況下，提取效率2402受量子阱的數量的顯著的影響。使用六個量子阱使提取降低約4%。如果使用精心設計的LIM層，提取效率2404僅稍微受量子阱的數量的影響；這種情況中的僅有的影響是量子阱對傳播光的吸收。圖24示出本發明的實施方式可以將LED的性能提高一個或者幾個百分點。
[0106]獲得器件實施方式的步驟的可能設定如下:
[0107]-在外延基板上生長一組傳統的外延層(諸如GaN緩沖區和η型摻雜GaN)；
[0108]-進一步生長包括LIM層的超晶格堆置；
[0109]-進一步使由幾個量子阱和勢壘制成的有源區域生長；
[0110]-進一步使還用作EBL的UM層生長；
[0111]-進一步使P型摻雜GaN層的堆疊生長；以及
[0112]-加工所得的外延材料以便形成LED芯片。
[0113]加工可以包括步驟(例如，在上述步驟內或者在上述步驟之前或之后)。例如，任何已知的加工技術可以用于對LED芯片生產光提取特征(諸如表面粗糙度)。
[0114]圖14是示出根據一些實施方式的制造LED的方法的簡化流程圖。如所示，可以使用幾個加工步驟形成LED器件。加工步驟可以被單獨分開，并且一個加工步驟的任何方面或者材料可以使用路徑1405提供至另一加工。如示出，方法包括:
[0115]提供基板(參見加工步驟1410)；
[0116]在基板上沉積η型摻雜層(參見加工步驟1420)；
[0117]在基板上沉積由至少一層發光材料組成的有源區域(參見加工步驟1430)；
[0118]在基板上沉積P型摻雜層(參見加工步驟1440)；以及
[0119]在有源區域中或者有源區域周圍沉積至少一個低折射率層，通過有源區域形成低折射率層以便顯著減小導光(參見加工步驟1450)。
[0120]應當理解，在圖14中示出的具體的步驟提供制造根據本發明的實施方式的LED的具體方法。也可以根據替換實施方式執行步驟的其他順序。例如，本發明的替換實施方式可以以不同的順序進行以上概述的步驟。此外，在圖14中示出的個別的步驟可以包括多個子步驟，多個子步驟可以根據個別步驟的情況按各種順序執行。此外，可以根據具體應用增加或者除去附加的步驟。本領域普通技術人員將認識到許多變化、變形或修改。
[0121]示例性實施方式的上述描述僅出于說明和描述的目而呈現，并且不旨在窮盡或者將本發明局限于所公開的優選形式。按照上述教導的許多修改和變化是可能的。
[0122]選擇并且描述各種實施方式，以解釋本發明及其實際應用的基本原理，從而使得本領域中的其他技術人員利用本發明和各種實施方式并且使得各種變形適合于預期的具體用途。替換實施方式將變得對本文明所屬領域的技術人員明顯，而沒有偏離其精神和范圍。因此，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明和其中描述的示例性實施方式限定。
【權利要求】
1.一種發光二極管，包括: 至少一個η型摻雜層； 至少一個P型摻雜層； 有源區域，設置在所述至少一個η型摻雜層與所述至少一個P型摻雜層之間，包含至少一個層的發光材料；以及 至少一個低折射率層，設置在所述有源區域的一個光波長之內，所述低折射率層被配置為顯著減小由所述有源區域引導的光。
2.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，小于10%的由所述發光材料發射的總光通過所述有源區域引導。
3.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，小于2%的由所述發光材料發射的總光通過所述有源區域引導。
4.根據權利要求1所述的發光二極管，進一步包括:附加的光提取特征。
5.根據權利要求4所述的發光二極管，其中，所述附加的光提取特征包括將所述LED成形為立方體形狀、三角形形狀、四邊形形狀或者錐體形狀中的至少一個。
6.根據權利要求4所述的發光二極管，其中，所述附加的光提取特征包括形成在所述發光二極管的一個或多個表面上的從約200nm至約1um的表面粗糙度。
7.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述LED包含第III族氮化物材料。
8.根據權利要求7所述的發光二極管，其中，所述第III族氮化物材料的特征在于表面取向選自非極性結晶取向和半極性結晶取向。
9.根據權利要求7所述的發光二極管，其中，基板包含塊第III族氮化物材料。
10.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率材料層包含非均質材料成分。
11.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率材料層被配置作為載流子限制層。
12.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述有源區域的特征在于至少1nm的累積厚度。
13.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述有源區域的特征在于累積厚度小于10nm0
14.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率材料層設置在所述有源區域的一側上、所述有源區域的兩側上、所述有源區域內或者以上任意的組合。
15.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述有源區域包括兩個或更多量子阱，其中，所述兩個或更多量子阱之間的至少一個勢壘層包含低折射率材料。
16.根據權利要求1所述的發光二極管，進一步包括:覆蓋在所述有源區域上的諸如InGaN超晶格的附加層，其中，低折射率材料層設置在所述超晶格的不到一個波長之內。
17.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率層與所述發光二極管的基質材料基本上晶格匹配。
18.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率材料層與形成所述有源區域的材料基本上晶格匹配。
19.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率層與所述發光二極管的基質材料基本上極化匹配。
20.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述至少一個低折射率材料層與形成所述有源區域的材料基本上極化匹配。
21.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，包括所述低折射率層的所述有源區域的特征在于平均折射率比基質材料的折射率高出從0%至5%。
22.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述有源區域包括一個或多個雙異質結構層。
23.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，包括并不發射大量的光的低成分量子阱的附加材料生長在所述有源區域之上或者之下。
24.根據權利要求23所述的發光二極管，其中，圍繞所述低成分量子阱的至少一個層形成低折射率材料層。
25.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述LED的特征在于發射波長從約200nm 至約 lOOOnm。
26.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述LED的特征在于發射波長處于約390nm至約430nm的范圍中。
27.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，所述LED的特征在于發射波長處于約430nm至約470nm的范圍中。
28.根據權利要求1所述的發光二極管，其中，至少一個層的發光材料具有與另一個層的發光材料不同的材料成分。
29.—種發光二極管,包括: 至少一個η型摻雜層，包含氮化鎵基材料 至少一個P型摻雜層，包含氮化鎵基材料 AlGaN/InGaN超晶格，其特征在于小于所述AlGaN/InGaN超晶格的平均折射率的平均折射率未比GaN的平均折射率超過多于0.05 ； 有源區域，包括一系列量子阱或者一個或多個雙異質結構，其中，所述有源區域的特征在于總厚度小于50nm ；以及 電子阻擋層，所述電子阻擋層的折射率比GaN的折射率減去0.05低。
30.根據權利要求29所述的發光二極管，進一步包括:具有比發光量子阱低的成分的一系列InGaN量子阱，并不發出大量的光，置于所述發光量子阱之上或者之下。
31.一種發光二極管，包括: 至少一個η型摻雜層，包含氮化鎵基材料； 至少一個P型摻雜層，包含氮化鎵基材料； 有源區域，設置在所述至少一個η型摻雜層與所述至少一個P型摻雜層之間，所述有源區域包括由氮化銦鎵基材料形成的一個或多個層；以及 至少一個低折射率材料層，設置在所述至少一個P型摻雜層與所述有源區域之間，或者設置在所述至少一個η型摻雜層與所述有源區域之間，其中，所述至少一個低折射率材料層具有低于氮化鎵的折射率的折射率。
32.根據權利要求31所述的發光二極管器件，其中，所述至少一個低折射率材料層包含鋁銦鎵氮化物基材料。
33.一種制造發光二極管的方法,包括: 提供基板，所述基板包括包含氮化鎵基材料的表面區域； 形成耦接至所述基板的所述表面區域的至少一個η型摻雜層，所述至少一個η型摻雜層包含氮化鎵基材料； 形成耦接至所述η型摻雜層的有源區域，所述有源區域包括由氮化銦鎵基材料形成的一個或多個層； 形成耦接至所述有源區域的至少一個P型摻雜層，所述至少一個P型摻雜層包含氮化鎵基材料；并且 形成設置在所述至少一個P型摻雜層與所述有源區域之間、或者所述至少一個η型摻雜層與所述有源區域之間的至少一個低折射率材料層，其中，所述至少一個低折射率層具有低于氮化鎵的折射率的折射率并且所述低折射率層形成為顯著減少由所述有源區域引導的光。
【文檔編號】H01L33/04GK104247052SQ201380020302
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年3月6日 優先權日:2012年3月6日
【發明者】奧雷利安·J·F·戴維, 邁克爾·J·格林德曼 申請人:天空公司