Meta AR/VR专利提出使用多孔GaN提高光提取效率

小编刘卫华 | 分类：专利 | 2023年10月13日

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使用多孔GaN来提高光提取效率

（映维网Nweon 2023年10月13日）在大型LED中，可以通过使用薄膜技术或在衬底表面或粗糙发光表面提供密集、周期性图案的图案蓝宝石衬底来提高光的提取效率，从而令光子的传播方向随机化，增加光子从约束中释放出来并离开台面结构的可能性。然而，这种技术可能不适用于线性尺寸小于5微米或约3微米的Micro LED。

名为“Light extraction efficiency enhancement using porous gan”的专利申请中，Meta提出可以使用多孔GaN来提高光提取效率。

在一个实施例中，可以在LED的发光表面附近形成多孔抽光结构以散射入射光，并减少由于全内反射引起的入射光的反射，从而提高LED的抽光效率。多孔光提取结构可以位于发光表面，也可以位于在发光表面具有平坦表面的薄层下方，并且可以通过沉积高掺杂半导体层和使用电化学蚀刻使高掺杂半导体层多孔化来形成。

在发光表面处具有平面的薄层可促进其他结构的集成，例如用于准直所发射光束的微透镜或用于改变所发射光束的主射线角的其他结构。

另外，Meta表示，与其使用可能损坏发光层的侧壁区域的干蚀刻技术蚀刻外延层中的单个平台结构，不如通过发光层的多孔化区域来将外延层的发光层隔离，以防止横向载流子扩散，从而形成单个LED。这样，在每个LED的发光层边缘处可以有较少的缺陷，并且因此可以减少每个LED的发光层边缘处的非辐射复合。因此，LED的内部量子效率可以得到提高。

在一个实施例中，可以进行额外的处理以减小未孔隙化层的厚度，或去除孔隙化区域并在侧壁处形成钝化层和金属反射层，从而减少LED之间的光学串扰。因此，利用多孔半导体层可以提高Micro LED器件的光提取效率和/或内部量子效率。

在基于GaN的Micro LED中，GaN层可以通过湿蚀刻工艺制成多孔，例如电化学(蚀刻或光电化学蚀刻工艺。在一个示例中，用于形成多孔氮化镓的方法可包括将高掺杂氮化镓暴露于包含腐蚀剂的电解质，例如酸或碱溶液。高掺杂的氮化镓可以具有n型掺杂密度，例如介于约1×1018 cm-3和约2×1020 cm-3之间。然后在蚀刻剂和高掺杂氮化镓之间施加电偏置。

图10A示出了使用电化学蚀刻制造多孔半导体材料层的装置1000。装置1000可以包括容器1010，容器1010包含电解质1012，例如酸或碱溶液，所述酸或碱溶剂包括例如C2H2O4、HNO3、HF、HCl、H2O2、H2SO4、NaOH或KOH。

包括衬底1030、重掺杂n+-GaN层1032和非有意掺杂GaN层2054的层堆叠可以被定位在放置在电解质1012中的晶片保持器1020中。晶片保持器1020可以包括电触点1022，电触点将层堆叠连接到电源1040。晶片保持器1020包括开口，使得层堆叠可以暴露于电解质1012。

橡胶垫圈1024可以帮助防止电解质1012进入电接触区域。阴极1042可以接到电源1040并且浸入电解质1012中。直流DC偏压可以由电源1040通过电触点1022、阴极1042和电解质1020施加到层堆叠。EC蚀刻工艺可以在恒压模式下进行，并且可以通过使用电流计1050监测蚀刻电流来控制。EC蚀刻工艺可以在室温下进行。

EC蚀刻过程可以包括由于施加正直流偏置而通过注入孔来氧化n+-GaN层1032。氧化层可溶解在酸基电解质中，从而形成介孔结构。当电流计1050监测的电流下降到基线水平时，表明n+-GaN层已经蚀刻并转变为介孔GaN层，则蚀刻过程结束。孔隙度的密度和大小可以通过改变溶液的浓度、施加的电流、蚀刻时间、n型掺杂密度、n+-GaN层的厚度等来控制。

图10B示出经过上述EC蚀刻工艺后并包括多孔GaN层的层堆栈示例的扫描电子显微镜图像1002。层堆叠可以包括如上所述的n+-GaN层1032和非有意掺杂的GaN层1034。

SEM横截面图1002显示了EC蚀刻工艺后n+-GaN层1032的孔隙化形貌。扫描电镜图像1002显示，在浸没在蚀刻液中的整个区域内，多孔化过程可以均匀进行，蚀刻层形貌为介孔。SEM图像1002同时显示，只有n+-GaN层1032被选择性蚀刻并转化为介孔层，而非有意掺杂的GaN层1034在电化学蚀刻过程中保持大致完整。

图11A显示，可以蚀刻包括在其上形成的外延层的LED晶圆1100，以促进有源层1120的孔隙化。在所述示例中，LED晶圆1100可包括n型GaN层1110、有源层1120、电子势垒层EBL 1130和p型GaN层1140。

有源层1120可包括被量子势垒层夹在中间的一个或多个量子阱层1122。量子势垒层可能有轻微的掺杂。量子阱层可以掺杂也可以不掺杂。例如，量子阱层的掺杂密度可能高达1×1018 cm-3。

由于量子势垒层和量子阱层形成的量子阱，掺杂层中的自由载流子可能落入低势量子阱中，并可能被量子势垒限制在量子阱中。因此，即使不掺杂量子阱层，量子阱层都可能具有较高的自由载流子密度。EBL 1130可以是导电的，并且可以包括例如AlGaN层。

如图11A所示，可以使用掩膜层1150蚀刻p型GaN层1140以形成沟槽1160。EBL 1130可包括AlGaN，并可用作蚀刻停止层。例如，可以使用O2等离子体蚀刻p型GaN层1140。O2等离子体在蚀刻p型GaN层1140后，可能会氧化EBL 1130中的Al，形成氧化铝蚀刻掩膜，从而阻止EBL 1130的进一步蚀刻。

EBL 1130可以足够厚，并且EBL 1130中Al的浓度可以足够高，使得蚀刻可以在EBL 1130处停止，而不会蚀刻到有源层1120。

在一个实施例中，EBL 1130可以在多个处理循环中变薄。其中，在每个工艺循环中，AlGaN层在氧化物环境中氧化，然后可以使用例如酸除去氧化的AlGaN层。

在一个实施例中，EBL 1130可以使用自限化学反应的多个循环逐层减薄。在每个工艺循环中，ALE工艺可包括一个自限表面反应，以仅影响半导体层暴露表面的顶部原子层，然后再用一种可挥发暴露表面上受影响的原子层的试剂进行处理。蚀刻后在沟槽1160下剩余的EBL 1130可以很薄，如约20 nm。

图11B示出通过EBL 1130使外延层的量子阱层1122多孔化。量子阱层1122的孔隙化可以使用电化学(蚀刻或光电化蚀刻工艺进行。

由于量子阱层1122可以具有高的自由载流子密度，量子阱层1122可以首先孔隙化。可通过沟槽1160和沟槽1160下的剩余EBL 1130进行孔隙化。因此，通过湿蚀刻进行孔隙化后，可以在沟槽1160下的量子阱层1122的区域形成纳米孔1124，以防止自由载流子的横向扩散，使得量子阱层1122可以在所述区域被纳米孔1124电隔离，并形成单独的LED。

由于有源层1120没有物理蚀刻，在掩膜层1150下量子阱层1122的每个区域1126的边缘处将存在低得多的缺陷密度。因此，可以减少缺陷处非辐射复合引起的泄漏，并提高内部量子效率。

有时候，由于相邻的LED不是物理隔离，在一个LED中发射的光可以耦合到一个或多个未多孔化的半导体层中，并且可以在一个或多个半导体层中引导到达相邻的LED。因此，LED之间可能存在光串扰。为了减少光学串扰，可将未多孔化层变薄或蚀刻以光学隔离LED。

图12A示出了减少光学串扰的示例。在所述示例中，LED晶圆1200可以包括n型GaN层1210、有源层1220、EBL 1230和p型GaN层1240。

有源层1220可包括被量子势垒层夹在中间的一个或多个量子阱层1222。可使用掩膜层1250蚀刻p型GaN层1240以形成沟槽1260。蚀刻可以使用EBL 1230作为蚀刻停止层来进行。EBL 1230可以进行选择性稀释。

然后，可以执行EC刻蚀工艺以通过沟槽1260和EBL 1240将沟槽1260下的量子阱层1222孔隙化，从而通过由孔隙化形成的纳米孔1224将用于单个LED的量子阱层1222电隔离。

在图12A所示的实施例中，n型GaN层1210可以变薄，例如通过从n型GaN层1210的底部蚀刻，使得n型GaN层1210可以在相邻LED之间的区域1214中非常薄，从而可以不引导光引起串扰。

在一个实施例中，可以在n型GaN层1210和有源层1220之间生长薄的蚀刻停止层，并且可以使用蚀刻停止层将相邻LED之间区域1214中的n型GaN层1210蚀刻掉以光学隔离相邻LED。

在图12A所示的实施例中，可以在n型GaN层1210的蚀刻期间形成光提取结构1212，例如微透镜。

图12B示出了减少光学串扰的另一个示例。在图12B所示的示例中，LED晶圆1205可以包括n型GaN层1215、有源层1225、EBL 1235和p型GaN层1245。

有源层1225可包括被量子势垒层夹在中间的一个或多个量子阱层1226。可使用掩膜层1255蚀刻p型GaN层1245以形成沟槽1265。蚀刻可以使用EBL 1235作为蚀刻停止层来进行。EBL 1235可以按照上面的描述进行稀释。然后可以执行EC蚀刻工艺。孔隙化过程可以在沟槽1265下的有源层1225区域以及掩膜层1255下有源层1225区域的边缘形成纳米孔。

在多孔化之后，可以使用掩膜层1255执行各向异性干蚀刻工艺，以去除已多孔化的有源层1225的部分1228。

通过各向异性干蚀刻工艺去除有源层1225的孔隙化部分1228，可以在掩膜层1255下有源层1225区域的边缘产生凹边特征，但由于离子不能直接轰击掩膜层1255下受掩膜层1255保护的有源层1225区域的侧壁，因此可能不会损坏掩膜层1255下有源层1225区域的侧壁。

蚀刻后，钝化层(如SiO2)和侧壁反射器(如Al等反射金属)可以沉积在由上述工艺形成的台面结构的侧壁上。这样，可以减少LED之间的光学串扰，并且量子阱层1226的侧壁区域可以具有低缺陷密度，从而由于非辐射复合而降低损耗。

多孔光提取结构也可以使用上述的多孔化工艺制备，以提高Micro LED的光提取效率。可在LED的发光表面附近形成多孔抽光结构，使入射光散射，减少全内反射引起的入射光反射，从而抑制全内反射，提高LED的抽光效率。

多孔抽光结构可以位于发光表面，也可以位于在发光表面具有平坦表面的薄层下方，并且可以通过沉积一个或多个高掺杂半导体层并使用上面和下面描述的多孔化技术将一个或多个高掺杂半导体层多孔化来形成。

图13示出包括Micro LED阵列和嵌入的多孔光提取结构的LED器件1300。在所示的示例中，LED器件1300可以包括粘合到背板晶圆1304的LED晶圆1302。背板晶圆1304可包括具有像素驱动电路的衬底1390和在其上形成的金属键合层1395。

LED晶圆1302可包括n型GaN层1310、有源层1320、可选EBL 1330、p型GaN层1340和金属键合层1350。即使在图13中未示出，LED晶圆1302可以在p型GaN层1340和金属键合层1350之间包括反射金属层。

所述反射金属层可作为可将来自有源层1320的入射光反射回有源层1320的后向反射器起作用。有源层1320可包括被量子势垒层夹在中间的一个或多个量子阱层1322。LED晶圆1302同时可以包括高掺杂的n型GaN层1360和可轻掺杂的薄n型GaN层1370。

p型GaN层1340、EBL 1330和有源层1320可以使用干蚀刻技术蚀刻，或者使用上述干蚀刻和湿蚀刻技术的组合来形成台面结构阵列1306。

高掺杂的n型GaN层1360可以具有n型掺杂密度在例如约1×1018 cm-3和约2×1020 cm-3之间，并且可以具有约几十纳米至约几百纳米的厚度。

在一个实施例中，在将背板晶圆1304上的金属键合层1395粘合到LED晶圆1302上的金属键合层1350之前，可以对高掺杂的n型GaN层1360进行孔隙化。由于n型GaN层1360可能被大量掺杂，因此n型GaN层1360可能被严重孔隙化，而量子阱层1322在孔隙化过程中可能被适度孔隙化。

在一个实施例中，可以将背板硅片1304上的金属键合层1395键合到LED硅片1302上的金属键合层1350上，然后可以通过薄的n型GaN层1370将高掺杂的n型GaN层1360多孔化。

在孔隙化后，n型GaN层1360可包括线性尺寸约为数十纳米至数百纳米的纳米孔。因此，在Micro LED的孔径内可以存在多个纳米孔以随机漫射入射光。

在LED器件1300的一个特定示例中，Micro LED阵列的间距约为2µm，每个台面结构的直径约为800nm，Micro LED配置为发射蓝光，n型GaN层1360中的纳米孔（腔）的平均尺寸约为45nm，p型GaN膜1340的厚度约为150nm，并且从有源层到微型LED的发光表面的距离为约450nm。

Meta指出，模拟结果表明，在没有n型GaN层1360中的纳米孔的情况下，LED器件的光提取效率可以为约29%，并且在n型GaN层1360的情况下可以为约36%，这对应于光提取效率的增加约24%。

图14示出包括Micro LED阵列和嵌入的多孔光提取结构LED器件1400的另一个示例。LED器件1400可以类似于LED器件1300，并且可以包括具有不同掺杂密度的多个高掺杂n-GaN层。

在所示的示例中，LED器件1400可以包括粘合到背板晶圆1404的LED晶圆1402。背板晶圆1404可包括具有像素驱动电路的衬底1490和在其上形成的金属键合层1495。LED晶圆1402可包括n型GaN层1410、有源层1420、可选EBL 1430、p型GaN层1340和金属键合层1450。

有源层1420可包括被量子势垒层夹在中间的一个或多个量子阱层1422。LED晶圆1402同时可包括两个或多个高掺杂的n型GaN层和可轻掺杂的n型GaN层1470。两个或多个高掺杂的n型GaN层可能具有不同的掺杂密度。

p型GaN层1440、EBL 1430和有源层1420可以使用干蚀刻技术蚀刻，或者使用上述干蚀刻和湿蚀刻技术的组合来形成台面结构阵列1406。

两个或多个高掺杂的n型GaN层的掺杂密度可以在例如约1×1018 cm-3和约2×1020 cm-3之间，并且每个层的厚度可以在约几十纳米到约几百纳米之间。

在将背板晶圆1404上的金属键合层1495粘合到LED晶圆1402上的金属键合层1450之前，可以在也用于将量子阱层1422孔隙化的孔隙化过程中对两个或多个高掺杂的n型GaN层进行孔隙化。

在一个实施例中，可以将背板硅片1404上的金属键合层1495键合到LED硅片1402上的金属键合层1450上，然后可以通过薄的n型GaN层1470将两个或多个高掺杂的n型GaN层孔隙化。

在孔隙化之后，两个或多个高掺杂的n型GaN层可能包括线性尺寸约为数十纳米至数百纳米的纳米孔。因此，在Micro LED的孔径内可以存在多个纳米孔以随机漫射入射光。

由于两个或多个高掺杂的n型GaN层可能具有不同的掺杂密度，因此它们可能具有不同的面孔隙率，从而在孔隙化后具有不同的折射率。例如，在所示实施例中，两个或多个高掺杂n-GaN层可以包括第一n-GaN层1460、第二n-GaN层1462和第三n-GaN层1464，其中第三n-GaN层1464可以具有比第二n-GaN层1462的掺杂密度高的掺杂密度，而第二n-GaN层1462又可以具有比第一n-GaN层1460更高的掺杂密度。

因此，在孔隙化后，第一n-GaN层1460可能比第二n-GaN层1462具有更低的面孔隙率，从而具有更高的折射率，而第二n-GaN层1462又可能具有更低的面孔隙率，从而具有比第三n-GaN层1464更高的折射率。

这样，两个或多个高掺杂的n型GaN层可以形成梯度折射率光学器件，可以减少反射，并可以准直，聚焦或发散由Micro LED发出的光。

图15示出包括Micro LED阵列和嵌入的多孔光提取结构LED器件1500的另一个示例。在所示的示例中，LED器件1500可以包括粘合到背板晶圆1504的LED晶圆1502。背板晶圆1504可包括具有像素驱动电路的衬底1590和在其上形成的金属键合层1595。

LED晶圆1502可包括n型GaN层1510、有源层1520、可选EBL 1530、p型GaN层1540和金属键合层1550。即使在图15中未示出，LED晶圆1502可以在p型GaN层1540和金属键合层1550之间包括反射金属层。

所述反射金属层可作为可将来自有源层1520的入射光反射回有源层1520的后向反射器起作用。有源层1520可包括被量子势垒层夹在中间的一个或多个量子阱层1522。LED晶圆1502同时可以包括高掺杂的n型GaN层1560和可轻掺杂的n型GaN层1570。

可以蚀刻11A-12A、p型GaN层1540和EBL 1530，然后将量子阱层1522孔隙化，在量子阱层1522中形成多孔结构1524。多孔结构1524可以防止自由载流子的横向扩散，使得量子阱层1522可以被多孔结构1524电隔离以形成单独的LED。

高掺杂的n型GaN层1560可以具有n型掺杂密度在例如约1×1018 cm-3和约2×1020 cm-3之间，并且可以具有约几十纳米至约几百纳米的厚度。

在一个实施例中，在将背板晶圆1504上的金属键合层1595粘合到LED晶圆1502上的金属键合层1550之前，可以对高掺杂的n型GaN层1560进行孔隙化。由于n型GaN层1560可能被大量掺杂，因此n型GaN层1560可能被严重孔隙化，而量子阱层1522在孔隙化过程中可能被适度孔隙化。

在一个实施例中，可以将背板晶圆1504上的金属键合层1595键合到LED晶圆1502上的金属键合层1550上，然后可以通过n型GaN层1570将高掺杂的n型GaN层1560多孔化。

在孔隙化后，n型GaN层1560可包括线性尺寸约为数十纳米至数百纳米的纳米孔。因此，在Micro LED的孔径内可以存在多个纳米孔以随机漫射入射光。

图16示出的LED器件1600包括位于LED器件1600发光表面且用于光提取的Micro LED和纳米结构的阵列。在所示的示例中，LED器件1600可以通过蚀刻LED器件1300的n型GaN层1370和/或高掺杂n型GaN层1360的子层，以暴露在高掺杂n形GaN层1360中形成的纳米孔，并使得Micro LED的发光表面可以是粗糙的（具有纳米级特征），并且可以散射入射光以减少全内反射并提高光提取效率。