[发明专利]带有纳米结构体的发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)器件及其制备方法，并且具体地，涉及为了更高的光提取效率和更低的p电极欧姆接触电阻，带有周期性纳米结构体和再生长p型区以增加接触面积的LED器件结构。

背景技术

高品质氮化镓系晶体生长的兴起已经导致在一般照明和背光照明应用中的使用发光二极管(LED)代替常规光源如白炽灯泡、卤素灯泡、冷阴极荧光灯(CCFL)和紧凑型荧光灯(CFL)越来越流行。对于这些应用，典型地使用在～450nm发射的氮化铟镓系蓝色LED芯片激发磷光体层以产生白光。尽管在过去10年里已经在优化氮化镓生长和器件结构方面实现了快速进步，但是p电极欧姆接触电阻和光提取效率(LEE)仍是限制这些器件性能的主要障碍。归因于氮化镓的宽带隙性(3.4eV)和低空穴迁移性(μ_H～10cm²/Vs)，降低p电极接触电阻固有地困难。接触电阻依赖于金属电极与半导体界面之间的接触质量，并且也依赖于接触面积。对于小LED芯片制造商来说，p电极接触电阻尤其有问题，因为LED芯片尺寸典型地仅有～200x600μm，并且高的接触电阻是器件插头效率的主要限制。

由于氮化镓(n～2.5)与空气之间的高折射率反差，大部分在有源区中产生的光被限制于并被波导于半导体层内，从而不能逸出至空气中。结果，被波导的光最终被吸收，导致差的LEE。对于常规平面LED芯片光提取效率典型地仅为～25-30％。已经使用多种方法增加LEE，例如表面粗糙化、光子晶体、芯片反转、芯片修整和图案化蓝宝石基板。作为提取部件使用图案化蓝宝石基板是用于提高常规蓝色LED芯片中的LEE的一般方法，它带来～60％的LEE值(Yamada等，日本应用物理杂志(Japanese Journal of Applied Physics)，第41卷，L1431-1433，(2002))。然而，图案化蓝宝石基板上的生长并不容易，并且在较大晶片(例如，6英寸)上均匀性尤其成为问题。

通常，优选将提取部件放置得尽可能离有源区近，以获得最佳的LEE。Matioli等[应用物理通讯(Applied Physics Letters)，第96卷，第031108页(2010)]采用嵌入式空气隙光子晶体结构，并且在未包封时获得～73％的提取效率而在包封时获得94％的提取效率。

Horng等[应用物理通讯(Applied Physics Letters)，第86卷，221101(2005)]报道了使用粗糙化ITO层以增加LEE，但将提取部件远离(～500nm)有源区设置，从而降低了光提取效率。此外，粗糙化表面在大规模生产中通常难以控制。

如US 5,955,749(J.Joannopoulos等，1999年9月21日出版)所述，图1是介电常数二维周期性变化的结构体512的示意图，其用于增加LEE。在以上给出的实例中，在p型GaAs 506层中通过蚀刻形成周期性结构体512以增加LEE。尽管该结构体带来增加的LEE，但是归因于由干法刻蚀过程引起的对p层的蚀刻损坏，它也导致横向电流散布电阻和p电极欧姆接触电阻增加。

图2是US 2010/0059779A1(D.Chen等，2010年3月11日出版)中描述的LED器件结构体的实施方案。介电层602被嵌入到有源区108附近区域内，以增加LEE。P型层610再生长于嵌入的介电层602上方以将表面平面化。尽管用该结构体可以增加LEE，但是因为p电极接触面积与常规平面LED相同，p接触电阻将保持为高。

图3显示在US 2008/0279242A1(D.Bour，2008年11月13日出版)中公开的LED器件结构体50。使用再生长方法将SiO₂结构体58嵌入至pGaN区59中。将最终的器件结构体平面化。与之前的实例类似，因为电极接触面积与常规平面LED相同，p接触电阻将保持为高。

图4是US 7,244,957B2(N.Nakajo等，2007年7月17日出版)中公开的LED器件结构体300。通过经由ITO层蚀刻或通过图案化SiO₂层在p表面上形成由GaN材料组成的微米尺度的光投射区150，以增加光提取效率。电流散布可能成为微米尺度结构体带有的问题，并且将光提取部件放置地进一步远离有源区，从而降低了其效率。