專利名稱：具有提高的提取效率的發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括光提取特征的III族氮化物發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
包括發(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)、以及邊發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光裝置是當(dāng)前可用的最有效的光源之一。在可跨越可見光譜而操作的高亮度發(fā)光裝置的制造中，當(dāng)前受關(guān)注的材料系統(tǒng)包括II1-V族半導(dǎo)體、尤其是鎵、鋁、銦及氮的二元、三元及四元合金，也稱為III族氮化物材料。通常，通過利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延法(MBE)或其它外延技術(shù)在藍(lán)寶石基底、碳化硅基底、III族氮化物基底或其它適當(dāng)基底上外延地生長(zhǎng)不同組分及摻雜濃度的半導(dǎo)體層堆疊而制造III族氮化物發(fā)光裝置。該堆疊通常包括形成于該基底上的例如用Si摻雜的一個(gè)或多個(gè)η型層，在形成于該η型層或多個(gè)η型層上的有源區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)發(fā)光層，及形成于該有源區(qū)上的例如用Mg摻雜的一個(gè)或多個(gè)P型層。電接觸形成在這些η型及P型區(qū)域上。由于天然的III族氮化物基底通常是昂貴的且不可廣泛獲得，所以III族氮化物裝置常常生長(zhǎng)在藍(lán)寶石或SiC基底上。這些非III族氮化物基底并不是最佳的，因?yàn)樗{(lán)寶石和SiC具有與生長(zhǎng)在它們上的III族氮化物層不同的晶格常數(shù)，導(dǎo)致在III族氮化物裝置層中的應(yīng)力和晶體缺陷，這會(huì)導(dǎo)致不良的性能和可靠性問題。此外，形成在III族氮化物材料與這些非III族氮化物基底之間的界面處的波導(dǎo)可將光俘獲在III族氮化物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有光提取特征的III族氮化物裝置。在本發(fā)明的實(shí)施例中，包括布置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在基底上?；资欠荌II族氮化物材料并且具有面內(nèi)晶格常數(shù)在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)III族氮化物層具有體晶格常數(shù)，并且[(Iaftis _as IVaeis]*100%不超過1%。對(duì)基底的與該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所生長(zhǎng)的表面相反的表面進(jìn)行紋理化。該紋理化可提聞光抽取。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，包括布置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在基底上。移除該基底。該基底是具有面內(nèi)晶格常數(shù)Ses的非III族氮化物材料。在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)III族氮化物層具有體晶格常數(shù)as，并且[(Ia基底-a層IVaes]* 100%不超過1%。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度經(jīng)選擇以減少在該可提高光提取的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的被引導(dǎo)的光學(xué)模式的數(shù)量。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，提供了具有圖案化的表面的基底。該圖案化的表面包括基底的一部分被移除的至少一個(gè)較低高度的區(qū)域。包括布置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在該圖案化的表面上，使得半導(dǎo)體材料填充在較低高度的區(qū)域中。移除該基底使得充填在較低高度的區(qū)域中的半導(dǎo)體材料仍然是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一部分，這可提高從裝置的光提取。本文中描述的裝置可具有較小的應(yīng)變并且因此比傳統(tǒng)地生長(zhǎng)的III族氮化物發(fā)光裝置具有更好的性能。提供光提取特征諸如紋理化或選擇厚度以減少在裝置中的被引導(dǎo)的光學(xué)模式以提高從裝置的光提取。


圖1示出包括紋理化基底的倒裝芯片III族氮化物裝置的一部分。圖2示出包括紋理化基底的垂直電流注入III族氮化物裝置的一部分。圖3示出生長(zhǎng)于形成在基底上的光提取特征上的III族氮化物裝置的一部分。圖4示出具有經(jīng)選擇以最大化提取效率的厚度的III族氮化物裝置的一部分。圖5示出以被截倒棱錐為形狀形成的III族氮化物裝置。圖6A和圖6B示出包括嵌入的光提取特征的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的部分。
具體實(shí)施例方式III族氮化物L(fēng)ED傳統(tǒng)地生長(zhǎng)在其上的藍(lán)寶石和SiC基底不能容易地使用濕化學(xué)蝕刻。因此，為了形成紋理化光提取表面，在藍(lán)寶石的情況下，該基底通常通過諸如激光剝尚的方法移除。然后，可對(duì)通過移除基底而暴露的III族氣化物材料進(jìn)行紋理化。移除基底需要附加的加工步驟并且會(huì)減少產(chǎn)量。例如，激光剝離會(huì)損壞III族氮化物材料，這可能會(huì)減少制造產(chǎn)量。在本發(fā)明的實(shí)施例中，為在裝置中的至少一個(gè)III族氮化物層提供晶格匹配(或者基本如此)的基底。在一些實(shí)施例中，該基底具有與III族氮化物材料相同的六角對(duì)稱性。由于基底是基本上晶格匹配的，所以生長(zhǎng)在基底上的III族氮化物結(jié)構(gòu)比在傳統(tǒng)的裝置中的應(yīng)變更小。此外，在一些實(shí)施例中，該基底可利用濕化學(xué)蝕刻來蝕刻以形成光提取特征。在一些實(shí)施例中，可使用濕化學(xué)蝕刻來選擇性地從III族氮化物結(jié)構(gòu)蝕刻基底。在各種實(shí)施例中，光提取可通過在III族氮化物結(jié)構(gòu)的沉積之前蝕刻到基底中的光提取特征來提高，在III族氮化物結(jié)構(gòu)的沉積之后蝕刻到基底中的光提取特征來提高，以及通過生長(zhǎng)薄的(〈I μ m總厚度)III族氮化物結(jié)構(gòu)、然后移除基底來提高。在裝置中的III族氮化物層可具有體晶格常數(shù)和面內(nèi)晶格常數(shù)的特征。體晶格常數(shù)是具有與III族氮化物層相同組分的松馳材料的晶格常數(shù)。面內(nèi)晶格常數(shù)是如在裝置中生長(zhǎng)的III族氮化物層的晶格常數(shù)。如果如在裝置中生長(zhǎng)的III族氮化物層發(fā)生應(yīng)變，則體晶格常數(shù)不同于面內(nèi)晶格常數(shù)。在其上生長(zhǎng)III族氮化物結(jié)構(gòu)的基底是非III族氮化物材料，在一些實(shí)施例中，該非III族氮化物材料具有在至少一個(gè)沉積III族氮化物層的體晶格常數(shù)的1%內(nèi)的面內(nèi)晶格常數(shù)，并且在一些實(shí)施例中，該非III族氮化物材料具有在至少一個(gè)沉積III族氮化物層的體晶格常數(shù)的0.5%內(nèi)的面內(nèi)晶格常數(shù)。換言之，在一些實(shí)施例中，[(I a基底-a層I) /a基底]*100%不超過1%，在一些實(shí)施例中，不超過0.5%，并且在一些實(shí)施例中，不超過0.1%。在一些實(shí)施例中，該基底具有與III族氮化物結(jié)構(gòu)類似或相同的六方纖鋅礦對(duì)稱性。在一些實(shí)施例中，該基底基本上不會(huì)受到在III族氮化物結(jié)構(gòu)的沉積期間所經(jīng)歷的化學(xué)和熱環(huán)境引起的侵蝕的影響。在一些實(shí)施例中，該基底具有在III族氮化物結(jié)構(gòu)的面內(nèi)熱膨脹系數(shù)的30%內(nèi)的面內(nèi)熱膨脹系數(shù)。在一些實(shí)施例中，該基底是單晶體或基本上是單晶體材料。在一些實(shí)施例中，該基底是一般組分RAO3(MO)n的材料，其中R是三價(jià)陽離子，常常選自Sc、In、Y、以及鑭系元素(原子數(shù)57-71) ;A也是三價(jià)陽離子，常常選自Fe (III)、Ga、以及Al ;M是二階陽離子，常常選自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn以及Cd;并且η是彡I的整數(shù)。在一些實(shí)施例中，η < 9，并且在一些實(shí)施例中，η < 3。在一些實(shí)施例中，RAMO4(即，η=1)化合物是YbFe2O4結(jié)構(gòu)類型，并且RAO3 (MO) η (η彡2)化合物是InFeO3 (ZnO)n結(jié)構(gòu)類型。適當(dāng)?shù)幕撞牧系氖纠ㄏ铝胁牧?
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括: 基底；以及 生長(zhǎng)在所述基底上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括布置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層； 其中: 所述基底是非III族氮化物材料； 所述基底具有面內(nèi)晶格常數(shù)； 在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)III族氮化物層具有體晶格常數(shù)as ； [(|a基底-a層I )/a基底]*100%不超過1% ;并且 所述基底的與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在其上生長(zhǎng)的表面相反的表面被紋理化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基底是ScMgAlCV
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基底是RAO3(MO)n，其中R選自Sc、In、Y、以及鑭系元素;A選自Fe (III)、Ga、以及Al ;M選自Mg,Mn,Fe (II)、Co、Cu、Zn以及Cd ;并且η是≥1的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利 要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括布置在所述η型區(qū)域上的金屬η接觸以及布置在所述P型區(qū)域上的金屬P接觸，其中所述η接觸和P接觸兩者形成在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相同側(cè)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括布置在所述η型區(qū)域上的金屬η接觸以及布置在所述P型區(qū)域上的金屬P接觸，其中所述η接觸布置在通過蝕刻貫通所述基底的通孔而暴露的所述η型區(qū)域的表面上，并且其中所述η接觸和P接觸形成在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相反側(cè)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基底具有至少2.0的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在其上生長(zhǎng)的基底的表面被紋理化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括形成在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在其上生長(zhǎng)的基底的表面上的孔或柱的格子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基底成形為被截倒棱錐。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括形成在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在其上生長(zhǎng)的基底的表面和在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體層中的一者中的光子晶體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述光子晶體被定位在所述III族氮化物發(fā)光層的2μπι內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在其上生長(zhǎng)的表面相反的所述基底的表面被紋理化成具有六棱錐。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)附接到基座并且所述基底厚度小于50 μ m0
14.一種方法,包括: 在基底上生長(zhǎng)包括布置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以及 移除所述基底；其中: 所述基底是非III族氮化物材料； 所述基底具有面內(nèi)晶格常數(shù)； 在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)III族氮化物層具有體晶格常數(shù)as ； [(|a基底-a層I )/a基底]*100%不超過1% ;并且 所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度經(jīng)選擇以減少在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的被引導(dǎo)的光學(xué)模式的數(shù)量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括在移除所述基底之后，將導(dǎo)電材料沉積在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的暴露的表面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述導(dǎo)電材料是透明的氧化物。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度是在200nm和2μ m之間。
18.一種方法，包括: 提供具有圖案化的表面的基底 ，其中所述圖案化的表面包括所述基底的一部分被移除的至少一個(gè)較低高度的區(qū)域； 在所述圖案化的表面上生長(zhǎng)包括布置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中半導(dǎo)體材料填充在所述較低高度的區(qū)域中；以及 移除所述基底使得充填在所述較低高度的區(qū)域中的所述半導(dǎo)體材料仍然是所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一部分； 其中: 所述基底是非III族氮化物材料； 所述基底具有面內(nèi)晶格常數(shù)； 在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)III族氮化物層具有體晶格常數(shù)as ;并且 [(I a基底-a層I) /a基底]*100%不超過1%。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述圖案化的表面包括形成在所述基底表面上的多個(gè)柱，并且所述至少一個(gè)較低高度的區(qū)域包括兩個(gè)柱之間的區(qū)域。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中移除包括利用蝕刻移除，所述蝕刻移除所述基底而不侵蝕所述半導(dǎo)體材料。
全文摘要
在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在基底上，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括布置在n型區(qū)域和p型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層。該基底是非III族氮化物材料。該基底具有面內(nèi)晶格常數(shù)a基底。在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)III族氮化物層具有體晶格常數(shù)a層，并且[(|a基底-a層|)/a基底]*100%不超過1%。該基底的與該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所生長(zhǎng)的表面相對(duì)的表面被紋理化。
文檔編號(hào)H01L33/02GK103180972SQ201180052898
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者N.F.加德納, J.E.埃普勒, M.B.麥克勞林, M.D.坎拉斯, A.J.F.戴維, W.K.戈伊茨, M.J.格倫德曼恩 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司