СВЕТОДИОД ВЫСОКОЙ ЯРКОСТИ С ШЕРОХОВАТЫМ АКТИВНЫМ СЛОЕМ И СООТВЕТСТВУЮЩИМ ПО ФОРМЕ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2015 года по МПК H01L33/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Светодиоды (LED) являются важным классом твердотельных приборов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. Усовершенствование этих устройств позволило использовать их в светильниках, призванных заменить обычные лампы накаливания и люминесцентные лампы. Светодиоды имеют значительно больший срок службы и в некоторых случаях значительно более высокую эффективность преобразования электрической энергии в свет.

Стоимость и эффективность преобразования светодиодов являются важными факторами, определяющими скорость, с которой эта новая технология заменит обычные источники света и будет использована в приложениях, где требуется высокая мощность. Во многих таких приложениях для достижения большой мощности требуется множество светодиодов, поскольку мощность отдельных светодиодов ограничена несколькими ваттами. Кроме того, светодиоды генерируют свет в относительно узких спектральных диапазонах. Поэтому в приложениях, в которых требуется источник определенного цвета, комбинируют свет от многих светодиодов, светящих в различных оптических диапазонах. Таким образом, стоимость множества источников света на основе светодиодов во много раз превышает стоимость отдельных светодиодов.

При определении стоимости светодиодных источников света большой мощности важным фактором является эффективность преобразования отдельных светодиодов. Эффективность преобразования светодиода определяется как электрическая мощность, затраченная на единицу света, который излучается светодиодом. Электроэнергия, которая не преобразуется в свет, преобразуется в тепло, которое приводит к нагреванию светодиода. Рассеяние тепла определяет границу мощности, при которой работает светодиод. Кроме того, светодиоды должны быть установлены на конструкциях, которые обеспечивают рассеяние тепла, что, в свою очередь, дополнительно увеличивает стоимость источников света. Следовательно, при увеличении эффективности преобразования светодиода можно увеличить максимальное количество света, которое может испускаться отдельным светодиодом, а следовательно, можно уменьшить количество светодиодов, необходимых для создания источника света. Кроме того, стоимость эксплуатации светодиода обратно пропорциональна эффективности преобразования. Вследствие перечисленного, была проделана большая работа по улучшению эффективности преобразования светодиодов.

Для дальнейшего рассмотрения светодиод можно считать состоящим из трех слоев: активного слоя, размещенного между двумя другими слоями. Эти слои, как правило, осаждают на подложку, например сапфир. Следует отметить, что каждый из этих слоев, как правило, содержит множество подслоев. Полная эффективность преобразования светодиода зависит от эффективности, с которой происходит преобразование электричества с генерацией света в активном слое, и от эффективности, с которой свет, генерированный в активном слое, выходит из светодиода.

Усовершенствование материалов привело к улучшению генерации света в активном слое. Однако значительная часть света, генерируемого в активном слое, теряется прежде, чем свет выходит из светодиода. Наибольшая часть этого света теряется в результате его поглощения в различных слоях, используемых для создания светодиода. Этот вид световых потерь усугубляется захватом значительной части света в пределах конструкции светодиода.

Трехслойная конструкция светодиода, как правило, сверху и снизу ограничена материалами со значительно меньшим показателем преломления, чем у слоев светодиода. В результате значительная часть света, падающего на эти границы, отражается назад в слоистую конструкцию. Одна из границ содержит прозрачную поверхность, через которую выходит свет, генерируемый в светодиоде. Другая граница, как правило, покрывается отражателем, который перенаправляет свет, падающий на эту границу, к прозрачной границе. Как отмечено выше, прозрачная граница, как правило, покрыта материалом, имеющим намного меньший показатель преломления, чем у конструкции светодиода. Свет, падающий на эту границу под углами относительно нормали к границе, превышающими критический угол, отражается назад в конструкцию светодиода. Критический угол зависит от разности показателя преломления слоев светодиода и показателя преломления окружающей среды, которая, как правило, является воздухом или неким материалом, таким как пластмасса. Для светодиодов, изготовленных на основе GaN или аналогичных материалов, эта разность достаточна, чтобы обеспечить отражение значительной части света. Этот отраженный свет удерживается между плоскими границами светодиода, где непрерывно отражается до тех пор, пока полностью не поглотится. В случае обычных светодиодов на основе GaN, изготовленных на сапфировых подложках, приблизительно 70% света, излучаемого активным слоем, удерживается в пределах светодиода.

Было описано несколько способов, позволяющих улучшить извлечение света из светодиодов, а следовательно, улучшить эффективность преобразования в этих устройствах. В одном из таких способов одну из наружных поверхностей светодиода, на которой свет испытывает внутреннее отражение, делают не гладкой и плоской, а шероховатой. Каждый раз, когда захваченный свет, проходящий по светодиоду, падает на такую шероховатую поверхность, часть захваченного света отражается так, что при следующем отражении от поверхности падает на поверхность под углом, который будет меньше, чем критический угол выходной поверхности. Следовательно, теперь часть захваченного света выходит, а процесс может продолжаться, в результате чего при каждом проходе света через светодиод туда и обратно будет извлекаться дополнительная порция света.

В известных светодиодах с шероховатой поверхностью для улучшения извлечения света шероховатой делают, как правило, или верхнюю поверхность светодиода или поверхность, соседнюю с подложкой, на которую осаждают слои светодиода. В этих подходах повышается доля света, генерируемого в активном слое, который выходит из светодиода, если только он покинул сам активный слой. Однако значительная доля света, который генерируется в пределах активного слоя, захватывается в пределах самого активного слоя вследствие внутреннего отражения на границах между активным слоем и слоями покрытия на каждой стороне активного слоя. Эти отражения обусловлены разностью показателей преломления между материалами, из которых состоит активный слой, и материалами, из которых состоит слой покрытия. В светодиодах на основе GaN активный слой состоит из материалов со значительно более высоким показателем преломления, чем у слоев покрытия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству и способу изготовления такого устройства. Светоизлучающее устройство содержит активный слой, расположенный между первым и вторым слоями. Первый слой имеет верхнюю и нижнюю поверхности. Верхняя поверхность содержит первый материал с первым типом проводимости и включает множество углублений на по существу плоской поверхности. Активный слой лежит над верхней поверхностью первого слоя и соответствует по форме этой верхней поверхности, при этом в активном слое происходит генерация света с некоторой длиной волны, когда в нем рекомбинируют дырки и электроны. Второй слой содержит второй материал со вторым типом проводимости, при этом второй слой находится над активным слоем и соответствует по форме активному слою. В одном из аспектов настоящего изобретения размер углублений превышает длину волны света, генерируемого активным слоем. В другом аспекте настоящего изобретения устройство содержит подложку, на которой расположен первый слой, при этом период кристаллической решетки подложки отличается от периода кристаллической решетки указанного первого материала настолько, что это приводит к образованию в указанном первом слое дислокаций. В еще одном аспекте настоящего изобретения по меньшей мере некоторые из углублений расположены на таких дислокациях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 упрощенно показано сечение известного светодиода на основе GaN.

На фиг.2 упрощенно показано сечение известного светодиода, в котором для улучшения эффективности вывода света из светодиода используется шероховатая поверхность.

На фиг.3 показано сечение светодиода согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг.4А и 4В показаны сечения части слоев GaN в n-слое покрытия.

На фиг.5 показано сечение другого варианта выполнения светодиода согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Преимущества настоящего изобретения будут понятнее после рассмотрения фиг.1, на которой упрощенно показано сечение известного светодиода на основе GaN. Светодиод 20 изготовлен путем выращивания трех слоев на сапфировой подложке 24. Первый слой 21 представляет собой материал GaN n-типа. Второй слой - слой 23 GaN р-типа. Третий слой 22 представляет собой активный слой, который излучает свет, когда в нем рекомбинируют дырки и электроны из слоев 21 и 23. Как отмечено выше, каждый из этих слоев может содержать множество подслоев. Так как функции этих подслоев хорошо известны и не являются существенными для настоящего описания, детали этих подслоев на чертежах и в последующем описании опущены.

Как сказано выше, свет, который генерируется в слое 22, покидает его под всевозможными углами. Часть света излучается в направлении к верхней поверхности 25 слоя 23, падает на поверхность 25 под углами, которые меньше, чем критический угол, и уходит через поверхность 25, как показано позицией 26. Аналогично, часть света направляется к подложке 24 и отражается или от поверхности 29а, или от поверхности 29b, прежде чем отразится назад к поверхности 25. Если этот свет падает на поверхность 25 под углами, меньшими, чем критический угол, этот свет также выходит через поверхность 25, как показано позицией 28. Оставшийся свет падает на поверхность 25 под углами, которые больше, чем критический угол, как показано позициями 27а и 27b, и оказывается захваченным внутри слоя. Захваченный свет будет или поглощен во время прохождения через светодиод, или выйдет через боковые стороны светодиода. На практике большая часть захваченного света поглощается, а следовательно, теряется. В результате эффективность светодиода 20 по преобразованию электрической энергии в свет оказывается низкой.

Как отмечено выше, один из способов улучшения эффективности вывода света из светодиода включает введение центров рассеяния, которые препятствуют захвату света в пределах слоев светодиода. Например, на поверхности 25 могут находиться центры рассеяния, которые обеспечивают случайное перенаправление света, который падает на поверхность и отражается назад в светодиод. На фиг.2 упрощенно показано сечение известного светодиода, в котором для улучшения эффективности вывода света из светодиода используется шероховатая поверхность. Светодиод 30 изготовлен путем осаждения слоев 21-23 на подложку 24 аналогично тому, как это сделано при изготовлении светодиода 20, описанного выше. Верхнюю поверхность 31 слоя 23 модифицируют введением на этой поверхности центров рассеяния. Примеры центров рассеяния показаны позициями 32 и 33, однако следует понимать, что вся поверхность 31 покрыта такими центрами рассеяния. Когда свет, вышедший из слоя 22, падает на поверхность 31, часть света падает на поверхность под углами, меньшими, чем критический угол, и выходит из светодиода. Оставшийся свет рассеивается назад в слой 23 под множеством различных углов и отражается от границ 29а или 29b назад к поверхности 31. Один такой луч показан позицией 34. Когда луч 34 падает на поверхность 31 в центре 33 рассеяния, этот свет вновь рассеивается, при этом часть света выходит через поверхность 31, а часть - рассеивается назад к границе 29а. Следовательно, при каждом отражении часть света, который падает на поверхность 31, извлекается. Поэтому можно достигнуть значительного улучшения эффективности вывода света.

В таких известных устройствах центры рассеяния располагаются в областях по обе стороны от активного слоя. Например, были предложены устройства, в которых рассеивающие элементы введены на границе 29а или в пределах слоя 21 растекания тока.

Настоящее изобретение основано на том наблюдении, что в светодиодах на основе GaN активная область светодиода выполнена из материалов, у которых показатель преломления выше, чем в n- и р-слоях покрытия, между которыми находится активный слой. В результате свет захватывается в пределах активного слоя вследствие внутреннего отражения на границе активного слоя и слоя покрытия. Количество света, который захватывается и, в конечном счете, поглощается, составляет значительную долю от генерируемого света. Текстурирование части светодиода за пределами активной области не может улучшить извлечение такого захваченного света, так как этот свет никогда не взаимодействует с текстурированной поверхностью.

На фиг.3 показано сечение части светодиода согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Светодиод 40 изготовлен путем нанесения множества слоев n-типа 42 на подложку 41. Слои n-типа оканчиваются n-слоем 43 покрытия. В слое 43 покрытия имеется множество углублений, таких как углубление 47. Способ создания таких углублений подробно обсуждается ниже. После того как углубления сформированы, осаждают активный слой 44 и р-слой 45 покрытия. Эти слои повторяют контуры углублений и, следовательно, как активный слой 44, так и р-слой 45 покрытия включают элементы, которые способствуют извлечению света, захваченного в активном слое или в слое покрытия.

Затем на р-слой 45 покрытия осаждают электрод 46, формируя один из электродов, которые будут использоваться для питания светодиода. Если свет должен быть извлечен через р-слой покрытия, электрод 46 выполняют из прозрачного материала, такого как легированный оловом оксид индия. Если свет извлекают через подложку 41, электрод 46 содержит отражающий слой для перенаправления света, падающего на электрод 46, к подложке 41.

Светодиод 40 можно рассматривать как имеющий многослойную структуру, которая включает плоские секции, прерываемые угловыми секциями, формируемыми в углублениях. В одном из аспектов настоящего изобретения слои, находящиеся выше активного слоя, заходят в углубления. Свет, который захватывается в плоских секциях при падении на одну из плоских секций под углом, превышающим критический угол, падает на области в углублениях под углами, меньшими, чем критический угол, и, следовательно, проходит через слой 46, если он прозрачен. В случае, когда слой 46 является отражающим, свет перенаправляется к подложке 41 под углом, который меньше критического угла, и, следовательно, выходит через подложку. Следует отметить, что свет, захваченный в плоских областях активного слоя, перенаправляется аналогично, а следовательно, настоящее изобретение также улучшает извлечение света из активного слоя.

Следует отметить, что для извлечения света придание шероховатости плоским секциям не требуется. Это дополнительно улучшает выход света из светодиода и уменьшает стоимость создания светодиода. При придании шероховатости контактному р-слою для улучшения извлечения света, рассеивающие элементы препятствуют однородному распространению тока из верхнего электрода, который осажден на шероховатую поверхность, через активный слой. Следовательно, часть выигрыша, полученного от создания шероховатой поверхности, теряется из-за уменьшения генерации света. В случае, когда верхний электрод представляет собой зеркало, и свет извлекается через подложку 41, придание шероховатости контактному р-слою приводит к плохому отражению от зеркала, которое, как правило, представляет собой слой металла, осажденного на контактный р-слой. Кроме того, устраняются шаги придания шероховатости контактному р-слою или р-слою покрытия, что еще больше снижает стоимость изготовления.

Вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения требуют создания n-слоя покрытия, в котором создают углубления, и этот слой действует как подложка, которую покрывают с формированием активного слоя и р-слоя покрытия. В одном из аспектов настоящего изобретения создают подложку с углублениями с использованием нарушений правильности кристаллической решетки (дислокаций) в слоях n-GaN, которые образуются вследствие разницы периодов кристаллической решетки между слоями GaN и сапфировой подложкой, на которую осаждают слои GaN.

На фиг.4А показаны сечения части слоев GaN n-слоя покрытия, рассмотренного выше. Слои GaN осаждают на сапфировую подложку 41, период кристаллической решетки которой отличается от периода кристаллической решетки слоев GaN. Разница в периодах кристаллической решетки приводит к образованию дислокаций, которые распространяются через различные слои по мере их осаждения. Данная в качестве примера дислокация показана позицией 51. Плотность таких дислокаций составляет, как правило, от 10⁷ до 10¹⁰ на см² в светодиоде GaN, осажденном на сапфировую подложку. В настоящем изобретении эти дислокации используются для селективного формирования углублений, таких как углубление 52 на поверхности n-слоя 43 покрытия.

На фиг.4В показано увеличенное сечение углубления 61 в n-слое 62 покрытия во время роста n-слоя покрытия. Во время фазы роста материал добавляется к кристаллическим граням слоя 62, как показано стрелками 64. Углубление 61 приводит к тому, что открыты дополнительные грани помимо грани 63. Скорость роста на различных гранях можно регулировать, меняя условия роста. Скорость на различных гранях можно регулировать, меняя условия роста так, чтобы скорость роста граней 65, обращенных к углублению, была больше или меньше, чем скорость роста грани 63. Если скорость роста граней 65 меньше, чем скорость роста грани 63, размер углубления может расти, при этом не требуется отдельный шаг травления или удаления подложки из ростовой камеры.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения плоская поверхность слоев светодиода соответствует с-плоскости кристалла GaN. Условия роста главных слоев светодиода (а именно, активной области InGaN/GaN, блокирующего электроны слоя p-AlGaN и контактного слоя р-GaN) могут быть выбраны так, чтобы подавить подвижность на поверхности и в результате подавить естественное стремление этих материалов сгладить поверхность при осаждении материала. Например, в активной области InGaN/GaN барьерные слои GaN могут быть выращены с использованием различных комбинаций материалов групп III/V, скоростей роста и температуры роста, которые уменьшают скорость роста на грани. Это заставляет углубление по мере роста слоя продолжать расти в диаметре, так как скорость роста с-плоскости намного выше, чем скорость роста грани. Каждый из этих трех параметров сильно влияет на подвижность атомов на поверхности роста, а следовательно, ими можно манипулировать так, чтобы заставить размер углубления увеличиваться по мере роста слоя. Точно также эти три параметра можно аналогично оптимизировать для слоев p-AlGaN и p-GaN так, чтобы размеры углубления продолжали расти по мере роста этих слоев, вместо того, чтобы углубления заполнялись материалом.

Углубления можно также создавать с использованием реактива для травления, который травит грани 65 со скоростью, большей, чем скорость травления грани 63. Например, операцию травления можно проводить в той же самой ростовой камере, вводя в ростовую камеру Н₂ после того, как завершен рост n-слоя покрытия. Условия роста можно модифицировать так, чтобы усилить травление граней с использованием управления температурой роста, которая равна или превышает 950°С, и с использованием окружающей среды, содержащей NH₃ и Н₂. В отсутствие какого-либо материала III группы эта окружающая среда осуществляет травление грани с намного более высокой скоростью, чем материала в с-плоскости. Со временем углубления откроются благодаря разности скоростей травления граней и материала в с-плоскости.

Кроме того, углубления могут быть вытравлены химически с использованием раствора, который сильнее травит кристаллическую грань по сравнению с плоской с-гранью. Для химического травления граней можно использовать расплавленный КОН. Кроме того, для травления материала при температурах выше 250°С можно использовать горячие растворы H₂SO₄:H₃PO₄,

Как показано на фиг.3, когда в n-слое 43 покрытия вытравлены углубления, осаждают активный слой и р-слои покрытия. Затем на р-слой покрытия осаждают р-электрод 46. В вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых свет извлекают с верхней поверхности светодиода, электрод 46 представляет собой прозрачный электрод, например легированный оловом оксид индия (ITO). Следует отметить, что углубления меняют свойства активного слоя, перенаправляя свет, который в противном случае был бы захвачен в активном слое, так, чтобы такой свет направлялся в окружающие слои. Кроме того, углубления распределены случайным образом, а следовательно, свет, который захватывается в активном слое или между р-электродом 46 и любым из нижележащих слоев, перенаправляется к месту, в котором этот свет может быть затем «обработан» слоями над углублениями, и часть этого света может затем быть извлечена. Следовательно, данное изобретение обеспечивает как обычный механизм извлечения света, так и позволяет выйти свету, который в противном случае был бы захвачен в активном слое.

Углубления в n-слое покрытия предпочтительно имеют размеры порядка длины волны света, генерируемого в активном слое, или больше. Это обеспечивает ситуацию, при которой свет рассеивается или иным образом перенаправляется в углубления. Если углубления намного меньше длины волны света, эффективность рассеяния света значительно уменьшается. Кроме того, предпочтительно, чтобы углубления имели достаточную глубину, и верхняя поверхность слоя ITO входила в углубление, чтобы свет, отраженный на границе между ITO и р-слоем покрытия, вышел через часть поверхности слоя ITO, который сформирован в углублении.

В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения для направленного травления углублений используются дислокации в n-слое покрытия и нижележащих слоях. Однако в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения углубления могут создаваться обычным литографическим направленным травлением. На фиг.5 показано сечение другого варианта выполнения светодиода согласно настоящему изобретению. В светодиоде 50 используются «углубления» 57, которые создаются литографией. В таких вариантах осуществления настоящего изобретения литографическое отображение создают на n-слое 43 покрытия после того, как этот слой осажден. В маске имеются отверстия, которые оставляют открытым нижележащий n-слой покрытия. Открытый материал травят с формированием углублений. После травления маску удаляют и пластину возвращают в ростовую камеру, где осаждают активный слой 54, р-слой 55 покрытия и верхний электродный слой 56. Углубления, созданные литографией, позволяют более точно управлять картиной распределения и плотностью углублений, однако это преимущество обеспечивается за счет введения дополнительных шагов с использованием маски.

Вернемся к фиг.3. Видно, что поверхность светодиода 40 можно рассматривать как состоящую из плоских областей 48, которые прерываются углублениями. Свет, который падает на эти плоские области под углами, большими, чем критический угол, отражается назад в светодиод к подложке 41. Этот свет отражается назад к поверхности светодиода 40 на одном из пограничных слоев в пределах светодиода. Области 48, свободные от углублений и расположенные между углублениями, предпочтительно достаточно малы, чтобы свет, который отражается от плоской поверхности в свободных от углублений областях, не возвращался при последующем отражении от одной из других плоских поверхностей в эту свободную от углублений область. Таким образом, этот отраженный свет не будет захвачен в пределах свободной от углублений области после нескольких отражений, не попав ни в одно из углублений. Минимальная плотность углублений, необходимая для выполнения этого условия, зависит от толщины светодиода. Чем толще светодиод, тем ниже необходимая плотность углублений.

Количество света, который захватывается в светодиоде, также зависит от плотности углублений в светодиоде. С ростом плотности углублений увеличивается также эффективность извлечения света, однако улучшение, достигнутое вследствие повышения плотности углублений, уменьшается, как только плотность углублений достигает некоторого определенного уровня. Когда плотность углублений увеличивается, количество поглощающего материала, через который свет должен пройти, прежде чем выйти из светодиода, уменьшается. Как только поглощение становится малым по сравнению с количеством света, которое покидает светодиод, дальнейшие улучшения уже менее эффективны. Кроме того, углубления могут уменьшить выход света, поскольку активный слой в областях с углублениями не может генерировать свет с той же эффективностью, как части активного слоя, которые лежат под плоскими областями. Соответственно, плотность углублений предпочтительно устанавливают такой, что количество света, который поглощается в пределах светодиода, становится меньше чем заранее заданное значение. На практике достаточно, чтобы плотность углублений находилась в диапазоне 10⁷-10¹⁰ на см².

Плотностью углублений в светодиодах, в которых используются дислокации в слоях светодиода, можно управлять, выбирая подложку, на которую осаждают слои, и изменяя условия роста во время осаждения слоев n-типа и любых буферных слоев, на которые осаждают эти слои. Плотность дислокаций можно увеличить, выбирая подложку с большим рассогласованием периода кристаллической решетки относительно этого слоя n-типа и/или регулируя условия роста буферных слоев, которые осаждают на подложки до осаждения n-слоя покрытия. В дополнение к сапфировым подложкам, рассмотренным выше, можно использовать подложки из SiC, AlN и кремния, создавая различные степени рассогласования.

Как правило, один или большее количество слоев материала осаждают на подложку в условиях, которые уменьшают количество дислокаций, распространяющихся в n-слой покрытия. Кроме того, изменение условий роста слоя, осаждаемого на буферный слой, также меняет плотность дислокаций. Все такие параметры роста, как пропорция материалов групп III/V, температура и скорость, по существу влияют на плотность дислокаций, если их менять в первых слоях структуры. Обычно такие параметры выбирают, чтобы снизить плотность дислокаций; однако в настоящем изобретении можно использовать эти параметры для увеличения уровня дислокаций.

Кроме того, в общем случае упомянутая оптимальная плотность зависит от толщины слоев светодиода. Свет, который отражается от верхней поверхности светодиода под углом, который превышает критический угол, и не попадает в углубление, по существу проходит через активный слой и отражается от одной из границ слоев под активным слоем. Затем этот свет возвращается к верхней поверхности и отражается снова. Следовательно, длина пути света зависит от толщины слоев светодиода, а также от плотности углублений.

В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения используются слои, лежат друг над другом. В настоящем описании подразумевается, что первый слой, который лежит над вторым слоем, может иметь, а может и не иметь непосредственный контакт со вторым слоем. Аналогично, в вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения используются слои из прозрачного вещества. В настоящем описании слой считается прозрачным, если он пропускает свет с длиной волны, генерируемой в активном слое, с коэффициентом пропускания, превышающим 90%. Зеркальный слой определяется как слой, который отражает свет с длиной волны, генерируемой активным слоем, с коэффициентом отражения, превышающим 90%.

В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения используется семейство материалов GaN. В настоящем описании семейство материалов GaN включает все составы сплавов GaN, InN и AlN. Однако можно создать варианты осуществления настоящего изобретения, в которых используются другие системы материалов и другие подложки. Настоящее изобретение хорошо подходит для светодиодов на основе GaN и на сапфировых подложках, поскольку семейство материалов GaN демонстрирует особенно высокие показатели преломления, а следовательно, для светодиодов такого типа проблемы, связанные с захватом света, особенно серьезны.

В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения используются «углубления» в n-слое покрытия. В настоящем описании углубление определяется как впадина на поверхности. Углубления имеют глубину, которая превышает глубину первого подслоя активного слоя для подачи тока по меньшей мере в один из лежащих ниже подслоев. В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения углубления проходят через всю "стопку" подслоев, однако углубления промежуточной глубины все еще обеспечивают улучшение.

Настоящее изобретение было описано на примере вариантов его осуществления, в которых сначала на подложку осаждается слой покрытия n-типа. Такие варианты осуществления настоящего изобретения в настоящее время предпочтительны из-за технических проблем, связанных с осаждением на подложку р-слоя покрытия, за которым следует осаждение активного слоя и n-слоя покрытия. Однако очевидно, что настоящее изобретение может использоваться для изготовления светодиодов, в которых сначала осаждается р-слой покрытия, если эти технические проблемы не являются определяющими для конкретного приложения.

Выше варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в терминах верхней и нижней поверхностей различных слоев. В общем случае для упрощения описания считается, что слои выращиваются от нижней поверхности к верхней поверхности. Однако очевидно, что это просто удобные названия и их не следует связывать с какой-либо конкретной ориентацией относительно поверхности земли.

Вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения были представлены для пояснения различных аспектов изобретения. Однако очевидно, что различные аспекты настоящего изобретения, которые показаны в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, могут быть объединены с формированием других вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, различные модификации настоящего изобретения будут очевидными для специалистов из предшествующего описания и сопровождающих чертежей. Соответственно, настоящее изобретение ограничено исключительно формулой изобретения.

В изобретении раскрыты светоизлучающее устройство и способ его изготовления. Светоизлучающее устройство содержит первый слой, имеющий верхнюю и нижнюю поверхности, при этом упомянутая верхняя поверхность содержит первый материал с первым типом проводимости и имеет множество углублений в по существу плоской поверхности, причем упомянутые верхняя и нижняя поверхности характеризуются расстоянием между ними, являющимся меньшим в упомянутых углублениях, чем в областях вне упомянутых углублений; активный слой, лежащий над упомянутой верхней поверхностью упомянутого первого слоя, при этом упомянутый активный слой способен генерировать свет, характеризуемый длиной волны, когда в нем рекомбинируют дырки и электроны; второй слой, содержащий второй материал с вторым типом проводимости, причем упомянутый второй слой содержит слой покрытия, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом упомянутая нижняя поверхность лежит над упомянутым активным слоем и соответствует по форме упомянутому активному слою, а в упомянутой верхней поверхности имеются выемки, которые заходят в упомянутые углубления; и подложку, на которой сформирован упомянутый первый слой, при этом упомянутая подложка имеет период кристаллической решетки, достаточно отличающийся от периода кристаллической решетки упомянутого первого материала, чтобы вызвать образование дислокаций в упомянутом первом слое, причем упомянутые углубления характеризуются нижней точкой, которая наиболее близка к упомянутой подложке, при этом упомянутые углубления расположены так, что упомянутая нижняя точка каждого из упомянутых углублений лежит на разной из упомянутых дислокаций. Изобретение обеспечивает повышение эффективности излучения. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Светоизлучающее устройство, содержащее:
первый слой, имеющий верхнюю и нижнюю поверхности, при этом упомянутая верхняя поверхность содержит первый материал с первым типом проводимости и имеет множество углублений в по существу плоской поверхности, причем упомянутые верхняя и нижняя поверхности характеризуются расстоянием между ними, являющимся меньшим в упомянутых углублениях, чем в областях вне упомянутых углублений;
активный слой, лежащий над упомянутой верхней поверхностью упомянутого первого слоя, при этом упомянутый активный слой способен генерировать свет, характеризуемый длиной волны, когда в нем рекомбинируют дырки и электроны;
второй слой, содержащий второй материал с вторым типом проводимости, причем упомянутый второй слой содержит слой покрытия, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом упомянутая нижняя поверхность лежит над упомянутым активным слоем и соответствует по форме упомянутому активному слою, а в упомянутой верхней поверхности имеются выемки, которые заходят в упомянутые углубления; и
подложку, на которой сформирован упомянутый первый слой, при этом упомянутая подложка имеет период кристаллической решетки, достаточно отличающийся от периода кристаллической решетки упомянутого первого материала, чтобы вызвать образование дислокаций в упомянутом первом слое, причем упомянутые углубления характеризуются нижней точкой, которая наиболее близка к упомянутой подложке, при этом упомянутые углубления расположены так, что упомянутая нижняя точка каждого из упомянутых углублений лежит на разной из упомянутых дислокаций.

2. Устройство по п. 1, в котором упомянутые углубления имеют размер, превышающий упомянутую длину волны света, генерируемого упомянутым активным слоем.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее слой электропроводящего материала, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом нижняя поверхность упомянутого слоя электропроводящего материала лежит над упомянутой верхней поверхностью упомянутого второго слоя и соответствует по форме упомянутой верхней поверхности упомянутого второго слоя.

4. Устройство по п. 3, в котором упомянутый слой электропроводящего материала прозрачен для упомянутого света, генерируемого в упомянутом активном слое.

5. Устройство по п. 4, в котором упомянутая верхняя поверхность упомянутого слоя электропроводящего материала заходит в упомянутые углубления.

6. Устройство по п. 1, в котором упомянутая подложка выбрана из группы, состоящей из сапфира, SiC, кремния, AlN, а упомянутый первый материал включает материал из семейства материалов GaN.

7. Устройство по п. 1, в котором плотность упомянутых дислокаций превышает 10⁷ дислокаций на см².

8. Устройство по п. 3, в котором упомянутая верхняя поверхность упомянутого электропроводящего материала между упомянутыми углублениями является по существу плоской.

9. Способ изготовления светоизлучающего устройства, включающий:
обеспечение наличия подложки, имеющей верхнюю и нижнюю поверхность;
осаждение на упомянутую подложку первого слоя, содержащего первый материал с первым типом проводимости;
формирование углублений в открытой поверхности упомянутого первого слоя;
осаждение активного слоя на упомянутом первом слое, при этом упомянутый активный слой способен генерировать свет, когда в нем рекомбинируют дырки и электроны; и
осаждение на упомянутый активный слой второго слоя со вторым типом проводимости, при этом упомянутый второй слой имеет нижнюю поверхность, прилегающую к упомянутому активному слою, и верхнюю поверхность, лежащую над упомянутой нижней поверхностью, причем упомянутая верхняя поверхность заходит в упомянутые углубления,
при этом упомянутая подложка имеет период кристаллической решетки, достаточно отличающийся от периода кристаллической решетки упомянутого первого материала, чтобы вызвать образование дислокаций в упомянутом первом слое, причем упомянутые углубления характеризуются нижней точкой, которая наиболее близка к упомянутой подложке, при этом упомянутые углубления расположены так, что упомянутая нижняя точка каждого из упомянутых углублений лежит на разной из упомянутых дислокаций.

10. Способ по п. 9, в котором упомянутые углубления имеют размер, превышающий упомянутую длину волны света, генерируемого упомянутым активным слоем.

11. Способ по п. 9, дополнительно включающий осаждение слоя электропроводящего материала, лежащего над упомянутым вторым слоем.

12. Способ по п. 11, в котором упомянутый слой электропроводящего материала прозрачен для упомянутого света, генерируемого в упомянутом активном слое, и при этом упомянутый слой электропроводящего материала имеет нижнюю поверхность, находящуюся в контакте с упомянутым вторым слоем, и верхнюю поверхность, которая заходит в упомянутые углубления.

13. Способ по п. 9, в котором упомянутые углубления создают травлением упомянутого первого слоя с использованием реактива для травления, который преимущественно травит упомянутый первый слой в местах, определяемых упомянутыми дислокациями.

14. Способ по п. 9, в котором упомянутая подложка выбрана из группы, состоящей из сапфира, SiC, кремния, AlN, а упомянутый первый материал включает материал из семейства материалов GaN.

15. Способ по п. 9, в котором плотность упомянутых дислокаций превышает 10⁷ дислокаций на см².

16. Способ по п. 9, в котором упомянутые углубления создают фотолитографическим травлением упомянутого первого слоя.

17. Способ по п. 9, в котором упомянутый первый слой осаждают на первую кристаллическую грань, при этом дислокации обнажают вторую кристаллическую грань, и при этом упомянутый первый материал осаждают в условиях, при которых рост на упомянутой первой кристаллической грани происходит быстрее, чем рост на упомянутой второй кристаллической грани.