專利名稱：具有光提取結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
具有光提取結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件背景相關(guān)技術(shù)描述包含發(fā)光二極管(LED)、諧振腔發(fā)光二極管(RCLED)、垂直腔激光二極管(VCSEL) 和邊發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光器件屬于當(dāng)前可獲得的最高效的光源。在能夠跨過可見光譜 操作的高亮度發(fā)光器件的制造中，當(dāng)前感興趣的材料體系包含III-V族半導(dǎo)體，特別是鎵、 鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，它們也稱為III族氮化物材料。典型地，III族氮化物 發(fā)光器件是利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者其它外延技術(shù)在 藍(lán)寶石、碳化硅、III族氮化物或其它合適襯底上外延生長不同組成和摻雜劑濃度的半導(dǎo)體 層的堆疊來制作的。該堆疊經(jīng)常包含形成于襯底之上例如用Si摻雜的一個或多個η型層、 形成于該一個或多個η型層之上的有源區(qū)域內(nèi)的一個或多個發(fā)光層、以及形成于該有源區(qū) 域之上用例如Mg摻雜的一個或多個ρ型層。電學(xué)接觸形成于η型和ρ型區(qū)域上。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，可增大以掠入射角發(fā)射的光的提取的結(jié)構(gòu)被并入發(fā)光器件 內(nèi)。該發(fā)光器件可以是例如III族氮化物薄膜倒裝芯片發(fā)光二極管。在一些實(shí)施例中，該器件包含通過全內(nèi)反射將光引導(dǎo)離開金屬接觸的結(jié)構(gòu)。例如， 該器件可包含半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)果包含布置在η型區(qū)域和ρ型區(qū)域之間的發(fā)光層。反 射性金屬接觸布置在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底側(cè)上并電連接到P型區(qū)域。低折射率材料布置在至少 一部分該反射性金屬接觸和該P(yáng)型區(qū)域之間。低折射率材料和P型區(qū)域之間的折射率差異 以及低折射率層的厚度被選擇以確保掠射角光的全內(nèi)反射。例如，低折射率材料的折射率 和P型區(qū)域的折射率之間的差異可以為至少0. 4。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和低折射率材料之間的界面 配置成高效地反射以掠射角(即相對于發(fā)光層主平面的法線以大于70°的角度)入射在界 面上的光。在一些實(shí)施例中，該器件包含提取特征，該提取特征可直接提取掠射角光，或者將 掠射角光引導(dǎo)至更容易地從器件被提取的更小入射角內(nèi)。例如，該特征可以是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 內(nèi)從半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面或底面延伸的腔。腔可具有相對于發(fā)光層的主表面以介于35°和 55°之間的角度取向的側(cè)壁。腔的側(cè)壁可以全部或部分地襯有電介質(zhì)材料。腔可用金屬填 充。在一些實(shí)施例中，金屬形成與η型區(qū)域的電接觸。


圖1說明III族氮化物薄膜倒裝芯片發(fā)光器件。圖2說明具有在頂面內(nèi)形成的光子晶體的III族氮化物器件。圖3說明具有布置在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和金屬接觸之間的非導(dǎo)電低折射率層的器件。圖4說明具有布置在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和金屬接觸之間的導(dǎo)電低折射率層的器件。圖5說明具有形成于一部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的經(jīng)氧化的低折射率層的器件。圖6說明包含光提取特征的器件，該光提取特征從其上形成ρ接觸的表面延伸到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)。圖7說明包含光提取特征的器件，該光提取特征從光從其離開器件的那個表面延 伸到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)。圖8為提取與入射角的函數(shù)關(guān)系的曲線圖，該曲線圖說明投射在GaN/空氣光子晶 體(其周期和深度為大約一個波長)上的平面波的一次(one-pass)提取效率。圖9為提取與入射角的函數(shù)關(guān)系的曲線圖，該曲線圖說明與圖8相同的結(jié)構(gòu)的一 次鏡面反射(例如，以與入射角相同的角度被背散射的光的小部分)。圖10為對于具有GaN ρ型區(qū)域、SiO2低折射率層和Ag接觸的器件，對于三種不同 的SiO2厚度，反射率與入射角的函數(shù)關(guān)系的曲線圖。圖11說明包含用薄電介質(zhì)層涂覆并用金屬填充的光提取特征的器件。圖12說明包含部分地由電介質(zhì)層涂覆且還用作η接觸的光提取特征的器件。圖13為器件內(nèi)光提取特征和η接觸的布局的頂視圖。圖14Α和14Β說明入射在GaN/低折射率材料/金屬界面上的光射線。圖14Α示 出兩條在薄的低折射率層內(nèi)傳播的射線。圖14Β示出在厚的低折射率層內(nèi)傳播的射線。圖15說明對于GaN/Si02/Ag結(jié)構(gòu)，反射率與入射角以及SiO2層的厚度t的函數(shù)關(guān) 系。
具體實(shí)施例方式圖1說明III族氮化物倒裝芯片薄膜LED，其在通過引用結(jié)合于此的美國專利 7，256，483中更詳細(xì)地描述。η型層16、有源層18和ρ型層20例如生長在諸如藍(lán)寶石或 SiC的任何合適襯底之上。ρ層表面被重?fù)诫s以與管芯金屬化層24 (例如Ag)形成歐姆接 觸。金屬化24對由有源層發(fā)射的光是可以是高度反射性的。部分的ρ層20和有源層18 在LED形成過程中被蝕刻掉，以及金屬50 (金屬化層加結(jié)合金屬)在該器件的與ρ接觸金 屬24相同的側(cè)面上接觸η層16。η金屬50和ρ金屬24結(jié)合到封裝襯底12上的墊片22a。底填材料52可以沉積 在LED下的孔洞內(nèi)以減小跨過LED的熱梯度，增加附連的機(jī)械強(qiáng)度，以及防止污物接觸LED 材料。結(jié)合技術(shù)可以是焊接、熱壓、互擴(kuò)散、或者通過超聲焊結(jié)合的金柱凸點(diǎn)陣列。管芯金 屬化和結(jié)合材料的組合作為金屬24和50被示出，且可包含擴(kuò)散阻擋層或其它層以保護(hù)毗 鄰半導(dǎo)體材料的金屬化層的光學(xué)屬性。封裝襯底12可以由電學(xué)絕緣材料AlN形成，具有利 用通路28和/或金屬跡線連接到可焊接電極26的金接觸墊片22。可替換地，封裝襯底12 可以由被鈍化時防止短路的例如陽極化AlSiC的導(dǎo)電材料形成。封裝襯底12可以是導(dǎo)熱 的以用作熱沉或者將熱量傳導(dǎo)至更大的熱沉。生長襯底可以利用準(zhǔn)分子激光束來移除。激光束熔化位于GaN材料與生長襯底的 界面處的GaN材料，允許生長襯底隨后被剝離?？商鎿Q地，可以通過例如RIE蝕刻的蝕刻， 通過例如蝕刻掉生長襯底和LED層之間的層的剝離技術(shù)，或者通過研磨來移除生長襯底。露出的相對厚的GaN層16可選地通過利用例如RIE的干法蝕刻的蝕刻來減薄。 在一個實(shí)例中，被蝕刻的GaN層16厚度為7 μ m,且蝕刻將GaN層16厚度減小至大約1 μ m。 如果所有外延LED層的初始厚度為9 μ m,這種情況下蝕刻致使LED層的總厚度為3 μ m。成 品器件中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的總厚度在一些實(shí)施例中可以是10 μ m或更小，在一些實(shí)施例中可以是5 μ m或更小，在一些實(shí)施例中可以是2 μ m或更小，以及在一些實(shí)施例可以是1 μ m或更 小。減薄過程移除由激光剝離過程導(dǎo)致的損傷，并減小不再需要的光學(xué)吸收層例如低溫GaN 成核層和相鄰層的厚度。毗鄰有源區(qū)域的η型覆層的全部或部分保持不變。LED的頂面(η層16)被紋理化以增加光提取。在一個實(shí)施例中，層16利用KOH溶 液46被光電化學(xué)蝕刻。這形成GaN表面(具有η型Si摻雜)內(nèi)的"白色"粗糙度。利用 在LED形成過中生長的蝕刻停止層，該蝕刻過程也可以用于進(jìn)一步減薄η層16并停止在預(yù) 定厚度，留下平滑的表面。后一種方法對于諧振器件設(shè)計(jì)是有用的。對于這些器件，鏡堆疊 (例如布拉格反射器)現(xiàn)在可以沉積在LED的頂面上。附加的光提取技術(shù)可包含微米或納 米尺度的圖案化蝕刻(凹坑或者光子晶體)。在圖1說明的器件中，具有隨機(jī)紋理化或者具有有序紋理化的表面中表面紋理化 的特征尺寸大體上約為由有源區(qū)域發(fā)射的光的一個波長。這些器件的表現(xiàn)取決于器件內(nèi)的 光提取過程和吸收過程的相對效率，該吸收過程為有源區(qū)域和金屬接觸的吸收。吸收過程 典型地每次反彈(bounce)時達(dá)幾個百分比(1%至10% )。如果每次反彈的光提取率大于 每次反彈的吸收率，從器件的光提取則是高效的。從紋理化表面的光提取可以強(qiáng)烈地取決于光的入射角。相對于頂面法線以小角度 投射在表面上的光，圖2中示為光30，容易被提取。相對于頂面法線以大角度投射在表面上 的光，此處稱為掠射角光，圖2中示為光32，更難以被提取。幾乎全部掠射角光如圖2所說 明或者通過鏡面反射或者通過背散射而被反射回到LED內(nèi)。反射光易被吸收。例如在相對 于器件頂面法線介于70°和90°之間的角度范圍內(nèi)入射的掠射角光的提取效率僅為幾個 百分比。這在圖8中說明，圖8示出投射在光子晶體上的平面波的一次提取與角度的關(guān)系 (0°為垂直于光提取表面的平面，即η型區(qū)域16的頂部)。在大角度(掠射角)的提取小 于在小角度的提取，因而需要更多反彈用于提取。以掠射角被背散射的光大多數(shù)經(jīng)歷鏡面反射(與漫散射相反)并保持相同的入射 角。這在圖9中說明，圖9示出對于與圖8相同的結(jié)構(gòu)，一次鏡面反射與角度的關(guān)系(0°為 垂直于光提取表面的平面)。在掠射角，大部分的光經(jīng)歷鏡面反射。紋理化表面因此不是 用于將掠射角光轉(zhuǎn)換成以較小角度傳播的光的良好機(jī)制，以較小角度傳播的光更容易被提 取。由于以掠入射角發(fā)射的光代表顯著部分的由器件發(fā)射的光(在一些器件中約40%)， 期望提取掠射角光從而提高器件的提取效率。盡管圖8和9中說明的結(jié)果是針對器件的 圖案化頂面的具體幾何來計(jì)算的，它們所說明的趨勢(即在掠射角的不良提取和大的背散 射)對于圖案化表面的各種幾何是成立的。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，可以提高以掠射角發(fā)射的光的提取的結(jié)構(gòu)被并入III族氮化 物薄膜倒裝芯片發(fā)光器件內(nèi)。在一些實(shí)施例中，該器件包含通過全內(nèi)反射將光引導(dǎo)離開金 屬接觸的結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，該器件在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)包含提取特征，該提取特征可以直 接地提取掠射角光，或者將掠射角光引導(dǎo)到更容易從器件提取的更小入射角內(nèi)。圖3和4說明具有布置在至少一部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和金屬ρ接觸之間的低折射率層 的器件。在圖3和4 二者所說明的器件中，低折射率層優(yōu)選地造成很少或者零光學(xué)損耗。在 一些實(shí)施例中，P型區(qū)域、低折射率層和P接觸配置為使得P型區(qū)域上的低折射率層和反射 性P接觸金屬的復(fù)反射率大于僅位于P型區(qū)域上的反射性P接觸金屬的反射率。添加低折射率層可以增強(qiáng)接觸的反射率。低折射率層的類型及其厚度被選擇為使得在有用角度的光的全反射被最大化，得到的反射優(yōu)于沒有低折射率層的反射性金屬接 觸。圖14A和14B說明不同角度處的光如何被反射離開低折射率層/金屬反射性接觸。圖 14A的射線66的入射角小于GaN 20 (n = nGaN)和低折射率層36,40 (n = nlow)之間的臨界 角Θ。，該臨界角Θ。是由公式Θ。= SirT1 (ni。w/neaN)給出。小百分比的射線66能夠立即從 低折射率層36、40反射而沒有損耗。大多數(shù)射線66穿透低折射率層36、40并反射離開金 屬24。對于射線66，在低折射率層36、40內(nèi)的往返損耗(即，當(dāng)光行進(jìn)經(jīng)過低折射率層，被 反射離開金屬層，隨后往回行進(jìn)經(jīng)過低折射率層時的損耗)優(yōu)選地不大于從半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20 直接反射離開金屬層24 (沒有中間低折射率層)的射線的損耗。該損耗定義低折射率層的 最大厚度_該最大厚度取決于低折射率層內(nèi)的吸收_使得半導(dǎo)體/低折射率層/金屬反射 器的反射率優(yōu)于半導(dǎo)體/金屬反射器的反射率。圖14B的射線70也在臨界角內(nèi)，但是低折射率層36、40更厚且一些射線可以被諧 振地陷捕在該層內(nèi)，這增加了它們的吸收(由金屬24或者由低折射率層36、40吸收)。如 果半導(dǎo)體20、低折射率層36、40和金屬層24折射率和厚度未恰當(dāng)?shù)剡x擇，這種效果可降低 接觸的有效反射率。對SiO2低折射率層，射線66和70的行為示于圖10。圖10為對于具 有GaN ρ型區(qū)域20、Si02低折射率層36和Ag ρ接觸24的器件，反射率與入射角的函數(shù)關(guān) 系的曲線圖。圖10示出三個SiO2厚度0nm(即沒有低折射率層)、70nm和400nm。對于薄 SiO2層(70nm)，低于臨界角(<40° )處不存在諧振且反射率為角度的平滑函數(shù)。反射率 僅僅高于Ag。對于較厚的3102層(400nm)，在臨界角以下存在兩個諧振，在所述諧振處光 被陷捕在SiO2內(nèi)且反射率變差。為了避免這些諧振，低折射率層的厚度需要小于低折射率 層內(nèi)的半波長厚度(將鏡相移考慮在內(nèi))。對于大多數(shù)實(shí)施例，電介質(zhì)層的厚度足夠薄，例 如小于IOOnm以避免諧振。在其它實(shí)施例中，電介質(zhì)厚且可支持諧振，但是半導(dǎo)體層的厚度 被選擇以最小化或消除在這些不利角度處的光發(fā)射。圖14A的射線68示出這樣的情形，其中入射角大于臨界角，導(dǎo)致此掠射角光的全 內(nèi)反射。通過利用全內(nèi)反射將光引導(dǎo)離開而減少入射在金屬接觸上的光數(shù)量，這增加了在 大于臨界角的角度處該接觸的反射率。對于低折射率層存在一最小厚度，使得可以獲得最 大反射率。在全內(nèi)反射的角度之上，光在低折射率層內(nèi)為倏逝波，該倏逝波的指數(shù)衰減長度 Ldecay = λ/[2π V (neaN2Sin2e-ni。w2)]，其中λ為波長(在真空中)，θ為光的角度，以及 nGaN和nlOT分別為ρ材料和低折射率層的光學(xué)指數(shù)。如果低折射率層的厚度與L—相比是 足夠大的，光不經(jīng)歷鏡損耗。通常，取決于θ和nlOT的值，Lde。ay*40nm至80nm。在一些實(shí) 施例中，低折射率層的厚度為Ld_y的至少兩倍。在其它實(shí)施例中，厚度為至少Ld_y。通過提高以小于臨界角(上面圖14A和14B中的射線66和70)或者大于臨界角 (上面圖14A中的射線68)的入射角行進(jìn)的光的反射率之一或二者，提高了器件的提取效 率。圖15總結(jié)了對于GaN/Si02/Ag結(jié)構(gòu)的情形如上所述的效果。對于SiO2厚度t < IOOnm, 不存在諧振且反射率總體上隨t增大。對于更大的t，諧振在某些角度出現(xiàn)并減小反射 率。由兩個虛線代表對應(yīng)于t = IOOnm和t = 200nm的兩個實(shí)施例。這些厚度分別對應(yīng)于 SiO2層中沒有諧振和一個諧振，且二者均確保非常高的反射率(對于大于50°的角度，> 99. 9% )。在與低折射率層的界面處的半導(dǎo)體材料典型地為具有約2. 4的折射率的ρ型GaN。 在一些實(shí)施例中，低折射率層具有的折射率η為2或更小，更優(yōu)選地1. 7或更小。通過使低折射率層具有2或更小的折射率，臨界角被限制為不大于 55°。因此，所有角度大于臨界 角的光以最大反射率被全反射。這包含如圖8所示的最難以提取的掠射角光。低折射率層 只需要與致使掠射角光全內(nèi)反射所需的厚度一樣厚。在圖3說明的器件中，非導(dǎo)電低折射率層的區(qū)域36沉積在ρ型區(qū)域20和ρ接觸 24之間。合適的低折射率層的實(shí)例包含例如SiO2 (η = 1. 5)、SiN、Ti02或Al2O3的電介質(zhì)以 及例如ZnO的半導(dǎo)體。電介質(zhì)低折射率層應(yīng)足夠厚，例如至少80nm，以確保掠射光的反射 (如上所述)。在一些實(shí)施例中，電介質(zhì)低折射率層足夠薄，例如小于IOOnm以如上所述避 免諧振，或者足夠薄，例如小于250nm以僅支持一個諧振。在其它實(shí)施例中，低折射率層更 厚并支持諧振，但是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度被調(diào)諧以避免在與由低折射率層支持的諧振相對應(yīng) 的角度處發(fā)射光。在一些實(shí)施例中，以小于臨界角入射的光的反射率大于95%。在一些實(shí) 施例中，以大于臨界角入射的光的反射率大于98%。電介質(zhì)低折射率層可以沉積在ρ型區(qū)域20的表面上并在形成ρ接觸24之前被圖 案化。半導(dǎo)體低折射率層可以生長或者沉積在P型區(qū)域20的表面上。電流被注入在位于低 折射率材料的區(qū)域之間的間隙38內(nèi)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，其中ρ接觸24與ρ型區(qū)域20直接接 觸。間隙38足夠大且間隔設(shè)置為足夠靠近在一起，使得電流在ρ型區(qū)域20內(nèi)從與ρ接觸 24接觸的區(qū)域擴(kuò)展到由低折射率材料36從ρ接觸屏蔽的區(qū)域。在ρ型GaN內(nèi)擴(kuò)展電流是 困難的，因?yàn)镻型GaN的電阻率高，為 1 Ω -cm。為使接觸是有效的，間隙需要足夠靠近在 一起使得電流可以在非導(dǎo)電低折射率層下擴(kuò)展。III族氮化物L(fēng)ED內(nèi)的ρ型GaN層趨于是 薄的(例如，小于0.5μπι)，這也限制了該層的電流擴(kuò)展能力。在一些實(shí)施例中，間隙38可 以至少IOOnm寬，且在一些器件中分隔開小于2 μ m，在一些器件中分隔開小于0.5 μ m。間 隙的面積與總接觸面積的比例大體上保持低以得到高反射率，但是該比例足夠高以提供高 效的電流擴(kuò)展。在一些實(shí)施例中，低折射率層覆蓋50%或更多的ρ型區(qū)域表面的總面積。 低折射率層內(nèi)的開口 38可以通過例如壓印、全息或者步進(jìn)儀/掃描儀光刻技術(shù)來形成。在圖3說明的器件中，以及在此處描述的其它器件中，生長襯底可以從器件移除。 在移除生長襯底的實(shí)施例中，通過移除襯底而露出的器件的頂面34可以被隨機(jī)地粗糙化 或者可以用例如光子晶體來圖案化。在一些實(shí)施例中，間隙38的圖案可以按周期性方式組 織以增大或者促進(jìn)在頂面34內(nèi)形成的光子晶體的光提取效果。例如，間隙38的圖案的參 數(shù)(例如間隙的晶體或準(zhǔn)晶體晶格的類型、節(jié)距、填充因子、深度和形狀)可被調(diào)諧以提取 通過在頂面34內(nèi)形成的光子晶體不能很好地提取的光。此外，所述參數(shù)可被調(diào)諧以增強(qiáng)此 提取光的定向性，使得其增加了光子晶體的定向光提取。在一個實(shí)施例中，間隙38的圖案 的節(jié)距和晶格類型與光子晶體的節(jié)距和晶格類型相同，例如，節(jié)距約為200nm至600nm。在圖4說明的器件中，導(dǎo)電低折射率層40布置在ρ型區(qū)域20和ρ接觸24之間。 因?yàn)榈驼凵渎蕦?0是導(dǎo)電的，ρ型區(qū)域20和ρ接觸24之間的整個界面可以用低折射率層 40覆蓋。低折射率層還與ρ型層20形成良好接觸。比接觸電阻優(yōu)選地為lX10_2ohm-cm2 或更小。在一些實(shí)施例中，低折射率層40為摻雜的氧化物，例如銦錫氧化物(ΙΤΟ，η = 1. 5)、InO, ZnO, GaxOy或者CuO。氧化物可以是ρ摻雜或者η摻雜，這種情況下可以使用到 P型區(qū)域的隧穿結(jié)。在一些實(shí)施例中，摻雜劑為氧化物的成份之一(例如ITO中的錫)；在 其它實(shí)施例中，摻雜劑為附加的元素(例如對于P型ZnO的P)。摻雜劑的濃度足夠高以確保低的接觸電阻和適當(dāng)?shù)碾妼W(xué)注入，但是足夠低以避免光學(xué)吸收。例如，ITO層中錫的量可 以在0和10%之間改變。在一些實(shí)施例中，另一種材料的薄層(例如，幾埃的比如Ni的金屬)布置在半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)和低折射率層40之間，以增強(qiáng)低折射率層與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的附著并改善在氧化物和ρ 型半導(dǎo)體材料之間界面處的比接觸電阻。為了降低折射率并因此增大在與半導(dǎo)體的界面處的折射率反差，氧化物低折射率 層可以例如通過電學(xué)、化學(xué)或者電化學(xué)濕法蝕刻而制成多孔的。可替換地，多孔低折射率層 可以通過在導(dǎo)致柱之間具有空氣間隙的柱狀生長的角度處蒸發(fā)來形成。由于低折射率層40 薄，其可能是電阻性的。例如，低折射率層40可以具有多達(dá)1 Ω -cm的電阻，該電阻與ρ型 GaN的電阻相當(dāng)。在一些實(shí)施例中，低折射率層40為外延生長的半導(dǎo)體層。典型地這種低折射率層 為例如AlInGaN、AlGaN或AlInN的III族氮化物層，不過例如ZnO的非III族氮化物外延 材料是可能的。低折射率半導(dǎo)體層可以被充分摻雜，以使電流從P接觸24到ρ型區(qū)域20 通過低折射率層被直接地注入?？商鎿Q地，對于薄的輕摻雜或者未摻雜的低折射率半導(dǎo)體 層的情形，電流可以通過隧穿注入。對于隧穿結(jié)的情形，Btt鄰低折射率半導(dǎo)體層的P型區(qū)域 的表面可以重?fù)诫s以利于注入。在一些實(shí)施例中，低折射率半導(dǎo)體層被氧化從而減小折射率。圖5說明具有經(jīng)氧 化的低折射率層的器件的部分。η型區(qū)域16、發(fā)光區(qū)域18和ρ型區(qū)域20生長在襯底之上。 可以被氧化的半導(dǎo)體層42，例如可以與GaN晶格匹配的AlInN，生長在ρ型區(qū)域20之上，接 著是重?fù)诫sP型層46。部分的重?fù)诫s層46被移除以露出部分的底下的待氧化層。重?fù)诫s 層46的剩余部分受到用于圖案化重?fù)诫s層46的掩模保護(hù)。例如通過將晶片暴露于氨三乙酸溶解在氫氧化鉀在水中的0. 3Μ溶液中以達(dá)到 8. 5的ρΗ值的電解質(zhì)溶液，隨后將部分的半導(dǎo)體層42氧化，一小片的In可合金化到晶片用 于電流接入。在約3V的閾值電壓處應(yīng)用20 μ A/cm2的小電流密度。氧化例如以介于5 μ m 和20 μ m每小時的速率橫向地進(jìn)行。僅僅通過圖案化重?fù)诫s層46而露出的部分的半導(dǎo)體層 42被氧化。在氧化之后，氧化物區(qū)域44為例如AlxOy或AlxInyOz的無定形氧化物層。AlInN 層內(nèi)的至少一些In通常在氧化之后保留在氧化物層內(nèi)。In可以氧化或者不氧化。未氧化 半導(dǎo)體材料42保留在氧化物區(qū)域44之間。例如，與GaN晶格匹配的AlInN的折射率為約 2. 2(與GaN的折射率反差為8% )，而同樣的氧化材料的折射率為約1. 8。ρ接觸24沉積在該結(jié)構(gòu)之上。在重?fù)诫s層46的剩余部分與導(dǎo)電半導(dǎo)體區(qū)域42對 準(zhǔn)的位置，電流從P接觸24注入發(fā)光區(qū)域18。氧化物區(qū)域44不是導(dǎo)電的，而是導(dǎo)致入射在 氧化物區(qū)域44和ρ型區(qū)域20之間界面上的光的全反射。導(dǎo)電半導(dǎo)體區(qū)域42寬可以為至 少IOOnm且分隔開小于1 μ m,從而提供在ρ型區(qū)域20內(nèi)的充分電流擴(kuò)展。如在圖3說明的 器件中，氧化物區(qū)域44的圖案可以以周期性方式組織以增加或促進(jìn)在η型區(qū)域16頂面內(nèi) 形成的光子晶體的效果。反射性ρ接觸24和發(fā)光區(qū)域18之間的距離可被優(yōu)化以控制半導(dǎo)體內(nèi)部的發(fā)射圖 以及載流子的壽命，并因此影響器件的提取效率和遠(yuǎn)場圖案。發(fā)光區(qū)域的布置在通過引用 結(jié)合于此的美國專利No. 6，903，376中更詳細(xì)描述。添加低折射率層可增大從發(fā)光層到反 射器的光學(xué)長度。為了獲得最優(yōu)的發(fā)射圖，從發(fā)光區(qū)域18中心到金屬鏡24的光相移(包含金屬相移)需要是諧振的，如諧振腔LED中那樣。在一些實(shí)施例中，發(fā)光區(qū)域18中心和 金屬反射器24之間的光學(xué)距離為由發(fā)光區(qū)域18發(fā)射的光的四分之一波長的奇數(shù)倍減去反 射性金屬24的相位。圖6、7、11和12說明包含提取特征的器件，該提取特征可以直接提取掠射角光，或 者將掠射角光引導(dǎo)至更容易地從器件被提取的更小入射角內(nèi)。圖6、7、11和12的器件包含 從半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面延伸到底面的宏觀光提取特征。光提取特征可以是例如中斷半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)的凸點(diǎn)或錐體。圖6、11和12中說明的特征可以是與形成在η接觸上的平臺同時地在半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)蝕刻形成的腔。在圖6說明的器件中，示出兩個光提取特征48和54。光提取特征尺寸、形狀和間 距被選擇為將掠射角光引導(dǎo)離開器件，如射線60所說明，或者引導(dǎo)至更容易被提取的更小 入射角內(nèi)。光提取特征可以延伸穿過整個厚度，如特征48所說明，不過它們無需如此，如特 征54所說明。在一些實(shí)施例中，更高的特征則更高效地重定向掠射角光，因?yàn)楦〔糠值?掠射角光可以在特征之上傳播而不被重定向。圖6中說明的特征用電介質(zhì)材料填充，或者 用空氣填充。電介質(zhì)材料可以在與電介質(zhì)層56同時地形成于特征內(nèi)，該電介質(zhì)層56被沉 積和圖案化以將η接觸50與發(fā)光區(qū)域和ρ型區(qū)域電學(xué)隔離。在圖11說明的器件中，特征57襯有薄電介質(zhì)層(厚度約為一個波長或更小)并 用與P接觸24同時沉積的反射性金屬填充。如上所述，電介質(zhì)層保持是薄的且其精確厚度 被調(diào)諧從而避免諸如圖10所說明的光學(xué)諧振，并因而確保良好的反射率。在圖12說明的器件中，電介質(zhì)層不存在于提取特征的頂部，使得電學(xué)接觸在襯著 特征的金屬與η型區(qū)域16之間形成。特征于是可以用作η接觸，或者替換器件的常規(guī)η接 觸或者作為它們的補(bǔ)充。在這些實(shí)施例中，例如通過在與用于涂覆特征的電介質(zhì)層同時沉 積的電介質(zhì)層，提取特征與器件層下方的P接觸電學(xué)隔離。相鄰特征之間的距離足夠短，使得掠射角光到達(dá)特征而不在結(jié)構(gòu)內(nèi)被吸收。這些 特征分隔開的距離(例如分隔開10 μ m至300 μ m)遠(yuǎn)大于例如在器件頂面34內(nèi)光子晶體中 形成的特征分隔開的距離(例如小于Iym)。具有更大吸收的器件需要更短的距離。吸收 取決于器件內(nèi)鏡和金屬的反射率，且也取決于有源區(qū)域。例如，具有活性更大的材料的器件 大體上更具吸收性。特征之間的距離足夠大，使得僅小部分的器件發(fā)光區(qū)域面積，例如不多 于50%由于該特征而損失。例如，如果特征寬度介于2 μ m和5 μ m之間，則特征之間50 μ m 至200 μ m的平均間隔對應(yīng)于大約10%的發(fā)射面積損失。在一些實(shí)施例中，特征的尺寸和 間隔調(diào)適為使得掠射角光的所有軌跡在例如至多50 μ m的足夠短距離內(nèi)投射在特征上。圖 13示出這種實(shí)施例的頂視圖，其中如圖6、11和12的附帶文字所描述的特征48、54、57和 62形成腔，其中掠射光在器件內(nèi)行進(jìn)至多幾十微米之后投射在該腔上，而由特征使用的小 部分的表面小于專用于P接觸的表面。特征之間的間距64可以例如介于50 μ m和150 μ m 之間，經(jīng)常為ΙΟΟμπι。大體上，提取特征置于器件的外表上以及器件之內(nèi)。它們不是用于將 器件電學(xué)分離成多于一個器件，如圖13所說明，其中陰影區(qū)域代表ρ接觸24且也代表ρ接 觸下方的P型區(qū)域(例如圖6的ρ型區(qū)域20)。特征設(shè)計(jì)成使得ρ接觸為遍及器件不被分 離的一個連續(xù)件。在一些實(shí)施例中，僅僅一些特征也用作到η型區(qū)域的接觸。用作接觸區(qū) 域的特征的數(shù)目可以被最小化以增加這些特征的反射率。大體上，這些特征的尺度是大的，例如是光的波長的若干倍，使得它們以幾何方式反射光。選擇特征的側(cè)壁角度從而最大化它們的效率。由于掠射角光在材料內(nèi)以接近90° 傳播，預(yù)期側(cè)壁角度接近45°，例如介于35°和55°之間的特征將高效地提取掠射角光。 對于在頂面34內(nèi)形成的光子晶體的情形，通過優(yōu)化它們的側(cè)壁角度以及它們的面內(nèi)分布 以沿?fù)駜?yōu)方向提取光，可以進(jìn)一步優(yōu)化特征的屬性以增加器件的定向性。在圖7說明的器件中，特征58是在移除生長襯底之后形成的，例如同時頂面34被 粗糙化或用光子晶體結(jié)構(gòu)來紋理化。腔58可以具有與圖6所述特征相同的形狀、尺寸和間 距。如圖7所說明，腔58的側(cè)壁可被粗糙化或紋理化，不過它們無需如此。腔58的側(cè)壁可 以用例如金屬、電介質(zhì)或者二者組合的材料來涂覆。已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，鑒于本公開內(nèi)容，可以對本發(fā) 明進(jìn)行變更而不背離此處描述的發(fā)明構(gòu)思的精神。例如，盡管在圖3、4、6和7中，僅僅說明 一個η接觸通路，器件可具有多個η接觸通路。此外，如圖3、4和5所說明的器件的特征可 以與如圖6、7、11、12和13所說明的器件的特征組合。因此，不打算將本發(fā)明的范圍限制在 所說明和描述的特定實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種器件，包含半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含布置在n型區(qū)域和p型區(qū)域之間的發(fā)光層；反射性金屬接觸，其布置在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底側(cè)上并電連接到該p型區(qū)域；材料，其布置在至少一部分該反射性金屬接觸和該p型區(qū)域之間，其中該材料的折射率和該p型區(qū)域的折射率之間的差異為至少0.4；其中該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂側(cè)的至少一部分被紋理化；以及該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂側(cè)的紋理化部分與該反射性金屬接觸之間的距離小于5μm。
2.權(quán)利要求1的器件，其中該材料的折射率和該ρ型區(qū)域的折射率之間的差異為至少0. 7。
3.權(quán)利要求1的器件，其中 該發(fā)光層包含III族氮化物材料；以及 該反射性金屬接觸包含銀。
4.權(quán)利要求1的器件，其中該材料為下述中的一種電介質(zhì)、氧化物、半導(dǎo)體、SiO2, SiN, Ti02、A1203、ITO、InO、ZnO, CuO, AlInGaN, AlGaN, AlInN、AlxOy, GaxOy 和 AlxIny0z。
5.權(quán)利要求1的器件，其中該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和該材料之間的界面配置成反射以相對于該 發(fā)光層的主平面的法線大于70°的角度入射在該界面上的光。
6.權(quán)利要求1的器件，其中該ρ型區(qū)域上的該材料和該反射性金屬接觸的復(fù)合反射率 大于與該P(yáng)型區(qū)域直接接觸的該反射性金屬接觸的反射率。
7.權(quán)利要求1的器件，其中該材料配置成使得在該材料中的往返損耗小于反射離開與 該P(yáng)型區(qū)域直接接觸的該反射性金屬接觸的可見光譜波的損耗。
8.權(quán)利要求1的器件，其中紋理化部分為隨機(jī)粗糙化和用光子晶體來圖案化其中之ο
9.權(quán)利要求1的器件，其中該反射性接觸通過在該材料內(nèi)形成的開口而直接接觸該半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
10.權(quán)利要求9的器件，其中最近鄰的開口分隔開小于2μπι。
11.權(quán)利要求1的器件，其中該材料的厚度小于500nm。
12.權(quán)利要求1的器件，其中該材料的厚度大于40nm。
13.權(quán)利要求1的器件，其中該材料的厚度小于由該發(fā)光層發(fā)射的光的波長的一半。
14.權(quán)利要求1的器件，其中該材料的厚度大于由該發(fā)光層發(fā)射的光的波長的一半，使得以在一入射角范圍入射在 該材料上的光被陷捕在該材料內(nèi)；以及該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)配置成最小化以該入射角范圍發(fā)射的光的數(shù)量。
15.一種器件，包含半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含布置在η型區(qū)域和ρ型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層；以及 延伸到該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的多個腔，其中該腔配置成反射以相對于該發(fā)光層的主平面的 法線大于70°的角度入射在該界面上的光。
16.權(quán)利要求15的器件，進(jìn)一步包含布置在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底側(cè)上的反射性金屬接 觸，其中所述多個腔從該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底側(cè)朝該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂側(cè)延伸。
17.權(quán)利要求15的器件，進(jìn)一步包含布置在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底側(cè)上的反射性金屬接 觸，其中所述多個腔從該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂側(cè)朝該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底側(cè)延伸。
18.權(quán)利要求15的器件，其中該腔配置為使得在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)行進(jìn)的光子在與腔互 作用之前，無法行進(jìn)遠(yuǎn)于50 μ m。
19.權(quán)利要求15的器件，其中該腔具有側(cè)壁，該側(cè)壁取向?yàn)橄鄬τ谠摪l(fā)光層的主表面 成35°至55°之間的角度。
20.權(quán)利要求15的器件，其中該腔的側(cè)壁用電介質(zhì)材料涂覆。
21.權(quán)利要求15的器件，其中最近鄰的腔分隔開IOym至300μπι。
22.權(quán)利要求15的器件，其中至少一個該腔用金屬填充，該金屬形成到該η型區(qū)域的電 學(xué)接觸。
23.權(quán)利要求15的器件，其中該腔的側(cè)壁被粗糙化。
24.權(quán)利要求15的器件，其中 至少一個該腔用金屬填充；以及用金屬填充的該腔的側(cè)壁用電介質(zhì)涂覆，該電介質(zhì)將該金屬與該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電學(xué)隔罔。
25.權(quán)利要求15的器件，其中所述多個腔不創(chuàng)建該器件的任意部分的電學(xué)隔離。
全文摘要
可增大以掠入射角發(fā)射的光的提取的結(jié)構(gòu)被并入半導(dǎo)體發(fā)光器件內(nèi)。在一些實(shí)施例中，該器件包含通過全內(nèi)反射將光引導(dǎo)離開金屬接觸的低折射率材料。在一些實(shí)施例中，該器件包含半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)例如腔的提取特征，該提取特征可以直接提取掠射角光，或者將掠射角光引導(dǎo)至更容易地從器件被提取的更小入射角內(nèi)。
文檔編號H01L33/20GK101904019SQ200880121356
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者A·J·F·戴維, H·K-H·蔡, J·J·韋勒 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司;飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司