用于發(fā)光二極管的{20-2-1}半極性氮化鎵的pec蝕刻的制作方法
【專利說明】用于發(fā)光二極管的{20-2-1}半極性氮化嫁的PEC蝕刻
[000。 相關(guān)申請的香叉引用
[0002] 在35U.S.C 119(e)章下，本申請要求W下共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的專利申請的益 處：
[000引 2012 年 8 月 30 日由化側(cè)肖-化 Hsu、Qiia-Yen Huang、化ji Zhao、Shih-Qiieh Haung、Daniel F. Feezell、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura 和 James S. Speck 提 交的標題為"PEC ETCHING OF {20-2-1} SEMIPOLAR GAUJUM NITRIDE FOR SEMIPOLAR FOR EXTERNAL EFFICIENCY ENHANCEMENT IN LIGHT EMITTING DIODE AP化ICATIONS，，，代理人編 號為30794. 466-US-Pl (2013-034-1)的美國臨時專利申請序列號61/695, 124 ;
[0004] 該申請通過引用并入本文。
[0005] 該申請設(shè)及W下共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的專利申請：
[0006] 2011 年 10 月 27 日由 Yuji Zhao、化nichi Sonoda、Chih-Chien Pan、Shinichi Tanaka、Steven P.DenBaars 和化uji P'Jakamura 提交的標題為"HI細 POWER, HI細 EFFICIENCY AND LOW EFFICIENCY DROOP III-NITRIDE LI細T-EMITTING DIODES ON SEMIP0LAR{20-2-l}SUBSTRATES"代理人編號為 30794. 403-US-Ul (2011-258-2)的美國實 用新型專利申請序列號13/283, 259,在35U. S. C 119(e)章下該申請要求2010年10月27 日由 Yuji Zhao、Junichi Sonoda、Chih-Chien ParuShinichi Tanaka、Steven P. DenBaars 和 amji 化kamura 提交的標題為"HI細 PO肥R，HI細邸FICIENCY AND LOW EFFICIENCY DROOP III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DI孤ES ON SEMIP0LAR{20-2-l} SUBSTRATES"代理人 編號為30794. 403-US-Pl (2011-258-1)的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的美國臨時專利申請序列 號61/407, 357的益處；
[0007] 2012 年 4 月 30 日由化ji Zhao、化inichi Tanaka、Qiia-Yen Huang、Daniel FJeezell、James S. Speck、Steven P. DenBaars 和化uji P'Jakamura 提交的標題為"HI細 INDIUM UPTAKE AND HI細 POLARIZATION RATIO FOR GROUP-III NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES FABRICATED ON A SEMIPOLAR{20-2-1}PLANE OF A GAUJUM NITRIDE SUBSTRATE" 代理人編號為30794. 411-US-Ul (2011-580-2)的美國實用新型專利申請序列號 13/459,963，在35口.5.(：119(6)章下該申請要求2011年4月29日由化^'12113〇、化1111油1 Tanaka、Chi a-Yen Huang、Daniel F. Feezell、James S. Speck、Steven P. DenBaars 和 amji 化kamura 提交的標題為"HI細 INDIUM UPTAKES AND HI細 POLARIZATION RATIO ON GALLIUM NITRIDE 沈MIP0LAR{20-2-l}SUBSTRATES FOR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES",代理人編號為30794. 411-US-Pl (2011-580-1)的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的美國臨 時專利申請序列號61/480, 968的益處；
[000引所有該些申請通過引用并入本文。
[0009] 發(fā)巧背景
[0010] 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0011] 本發(fā)明一般地設(shè)及用于發(fā)光二極管（LED)應(yīng)用的外部效率提高的{20-2-1}半極 性GaN的光電化學(xué)（PEC)蝕刻。
[001引 2.相關(guān)領(lǐng)域描述
[0013] (注；本申請參考了如貫穿說明書通過括號內(nèi)的一個或多個參考數(shù)字指出的許多 不同的出版物，例如[X]。根據(jù)該些參考數(shù)字排序的一系列該些不同出版物可在下面見于標 題為"參考文獻"的部分。該些出版物的每一篇通過引用并入本文。）
[0014] 現(xiàn)有的III-氮化物發(fā)光二極管（LED)和激光二極管（LD)通常生長在{0001}極 性、{10-10}和{11-20}非極性或{11-22}、{20-21}和{10-1-1}半極性面上。生長在極性 和半極性面上的Lm)和LD經(jīng)受降低器件性能的量子阱中的極化相關(guān)的電場。盡管{10-10} 和{11-20}非極性器件免受極化相關(guān)的影響，但是已經(jīng)顯示出難W實現(xiàn)在{10-10}非極性 器件中并入高銅濃度和{11-20}非極性器件的高質(zhì)量晶體生長。
[0015] 已經(jīng)論證{11-22}和{20-21}半極性面上的高功率綠色III-氮化物-基LED,并且 也已經(jīng)顯示口0-21}半極性面上的低閥值綠色III-氮化物-基LD。[1-3]生長在III-氮 化物的{20-2-1}半極性面上的器件也已經(jīng)吸引了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。[4-5]
[0016] 具體地，生長在氮化嫁（GaN)的{20-2-1}半極性面一一其為由來自c-方向上的 m-面的斜切（miscut)組成的半極性面一一上的器件因為它們的高性能的潛能已經(jīng)吸引了 很多關(guān)注，該高性能由于與傳統(tǒng)半極性面（即，{11-22}、{10-1-1}等等）相比，量子阱中的 減小的極化相關(guān)的電場。此外，與極性C-面GaN L邸和其他非極性或半極性GaN器件相 比，生長在GaN的{20-2-1}半極性面上的L邸應(yīng)該提供較低的誘導(dǎo)的QCSE (量子束縛斯塔 克效應(yīng)）、注入電流依賴、它的輸出波長的藍移W及增加的振子強度，導(dǎo)致較高的材料增益 (material gain)等等。此外，沿著{20-2-1}半極性面生長的GaN LED很可能在長波長處 顯示較好的性能，因為半極性面被認為更容易并入銅。最后，生長在{20-2-1}半極性面上 的GaN L邸應(yīng)該顯示減小的效率下降，該是描述增加注入電流外部量子效率巧犯）減小的 現(xiàn)象。
[0017] 無論如何，本領(lǐng)域需要提高使用{20-2-1}半極性III-氮化物半導(dǎo)體的器件的外 部效率的改進的方法。本發(fā)明滿足了此需要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0018] 為了克服上述的現(xiàn)有技術(shù)中的局限性，W及為了克服在閱讀和理解本說明書之后 將變得顯而易見的其他局限性，本發(fā)明公開了 {20-2-1}半極性GaN的光電化學(xué)（陽C)蝕刻 的方法，用于表面粗趟化發(fā)光器件W改進光提取和提高外部效率。使用本發(fā)明導(dǎo)致改進的 半極性GaN基L邸性能。在相同的蝕刻條件下與其他半極性面相比，由原子力顯微鏡（AFM) 掃描的{20-2-1}半極性GaN的表面形態(tài)顯示顯著粗趟化，具有高得多的均方根（RM巧粗趟 度。由PEC蝕刻造成的該粗趟化的表面形態(tài)對于提高半極性GaN L邸和LD的提取效率可 W是經(jīng)濟并且快速的技術(shù)。
[001W 附圖簡巧
[0020] 現(xiàn)在參見圖，其中遍及全文相同的參考數(shù)字代表對應(yīng)的部分：
[0021] 圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于PEC蝕刻的裝置。
[0022] 圖2是圖解了用于濕蝕刻半導(dǎo)體樣品W便化學(xué)蝕刻僅在被光照射的區(qū)域中進行 的方法的流程圖。
[002引圖3是示出蝕刻速率（A/s;)和粗趟度（nm)作為KOH濃度（M)的函數(shù)的圖。
[0024] 圖4示出了在陽C蝕刻30分鐘周期后（20-2-1)半極性GaN的一系列掃描電子顯 微鏡（SEM)圖像，KOH的各種摩爾濃度標記在每一個沈M圖像的左上角。
[0025] 圖5示出了在陽C蝕刻30分鐘周期后（20-2-1)半極性GaN的一系列原子力顯微 鏡（AFM)圖像，KOH的各種摩爾濃度標記在每一個AFM圖像的左上角。
[00%] 發(fā)巧詳巧
[0027] 在優(yōu)選實施方式的W下描述中，參考形成其一部分的附圖，并且其中通過圖解的 方式示出其中可實踐本發(fā)明的【具體實施方式】。應(yīng)當(dāng)理解在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可 W利用其它實施方式并且可W作出結(jié)構(gòu)改變。
[002引 蝕刻裝晉
[0029] 圖1是圖解了用于本發(fā)明的陽C蝕刻中的裝置的示意圖，其中陽C蝕刻是光輔助 濕蝕刻方法，其可用于蝕刻包括GaN和其合金的III-氮化物半導(dǎo)體。裝置由光源100和電 化學(xué)電池102組成，其中浸入電解質(zhì)106中的半導(dǎo)體104充當(dāng)陽極，并且半導(dǎo)體104具有與 其接觸或直接在其上形成圖案的金屬充當(dāng)陰極108。來自光源100的光110在半導(dǎo)體104 中產(chǎn)生電子-空穴化其中通過陰極108引出電子（-)，同時空穴（+)在半導(dǎo)體104表面處 參與氧化反應(yīng)，導(dǎo)致半導(dǎo)體104表面溶入電解質(zhì)106。蓋112--其對來自光源100的光 110是透明的一一用于密封電化學(xué)電池102。
[0030] 在一個實施方式中，光源100包含具有直徑2英寸的光斑點尺寸的1000瓦寬帶氣 燈。III-氮化物半導(dǎo)體104是GaN樣品，該GaN樣品由通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD) 在（20-2-1)半極性GaN襯底上生長的外延（20-2-1)半極性GaN層組成，該（20-2-1)半極 性GaN襯底由Mitsubishi Qiemical Co巧oration提供。使用標準光刻技術(shù)加工GaN樣品 104,隨后在GaN樣品104上電子束沉積100皿的Ti和300皿的Pt用作陰極108和蝕刻掩 模（etch mask)二者。額外的（和任選的）蝕刻掩模也可在GaN樣品104 (未示出）上使 用。蝕刻的表面包括外延GaN層或GaN襯底的任何一個的{20-2-1}半極性表面。電解質(zhì) 溶液106是K0H，其由于它的高化學(xué)反應(yīng)性而被選擇，導(dǎo)致快速的蝕刻速率。蓋112由具有 90%透光率的藍寶石組成，其密封電池102的頂部W防止溶液106的蒸發(fā)。 閨]陽C蝕刻社巧
[0032] 圖2是使用圖1的裝置濕蝕刻III-氮化物半導(dǎo)體W便化學(xué)蝕刻僅在被光照射的 區(qū)域中進行的方法的流程圖。具體地，圖解制造發(fā)光器件的方法的流程圖包括在{20-2-1} 半極性III-氮化物半導(dǎo)體的暴露的表面上實施光電化學(xué)（PEC)蝕刻，W將暴露的表面成 形、形成圖案或粗趟化，用于提高來自{20-2-1}半極性III-氮化物半導(dǎo)體上或上方形成的 器件的光提取，和用于增強{20-2-1}半極性III-氮化物半導(dǎo)體上或上方形成的器件的外 部效率。
[0033] 在一個實施方式中，該方法包括W下步驟。
[0034] 方塊200表示提供{20-2-1}半極性III-氮化物半導(dǎo)體104的步驟。
[0035] 方塊202表示在半導(dǎo)體104的暴露的表面上沉積一個或多個陰極108。
[0036] 方塊204表示在半導(dǎo)體104的暴露的表面上沉積額外的絕緣和不透明蝕刻掩模的 任選的步驟。
[0037] 方塊206表示將半導(dǎo)體104置于電池102中，W便其浸入電解質(zhì)溶液106中W及 經(jīng)由陰極108與電流源電連接，并且然后使用光源100照射沒有被陰極108或任選的掩模 覆蓋的半導(dǎo)體104的暴露的表面的那些部分。來自電流源的外加偏壓（external bias)可 W被施加在陰極108和電解質(zhì)溶液106中的參比電極之間。
[003引方塊208表示被照射的半導(dǎo)體104的蝕刻，使用電解質(zhì)溶液106 W形成成形的、形 成圖案的或粗趟化的表面。蝕刻的表面包括半導(dǎo)體104的{20-2-1}半極性表面。
[0039] 注意方塊208可W包括控制陽C蝕