本發(fā)明涉及在具有可以改進光提取的特征的襯底上生長的發(fā)光器件。

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）和邊緣發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光器件是當前可獲得的最高效的光源之一。在能夠跨可見光譜操作的高亮度發(fā)光器件的制造中當前感興趣的材料系統(tǒng)包括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，其還被稱為III氮化物材料。典型地，III氮化物發(fā)光器件通過借由金屬-有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技術(shù)而在藍寶石、碳化硅、III氮化物或其它合適襯底上外延生長不同成分和摻雜劑濃度的半導(dǎo)體層的疊層來制作。疊層通常包括形成在襯底之上的摻雜有例如Si的一個或多個n型層、形成在一個或多個n型層之上的有源區(qū)中的一個或多個發(fā)光層，以及形成在有源區(qū)之上的摻雜有例如Mg的一個或多個p型層。電氣接觸件形成在n和p型區(qū)上。

圖1圖示了設(shè)計成改進來自半導(dǎo)體發(fā)光器件的光提取效率的襯底，其在US 2013/0015487中被更詳細地描述。在藍寶石襯底10上，以平行條帶圖案形成在第一方向（沿x軸）上延伸的多個凹槽11。其余沒有形成凹槽的表面是襯底的頂表面10a。每一個凹槽11在y軸方向上的寬度是1.5μm，并且在y軸方向上沒有形成凹槽的部分10a的每一條在y軸方向上的寬度是1.5μm。每一個凹槽11的深度是0.1μm。每一個凹槽11的深度可以在從100?到3μm的范圍內(nèi)。

多個SiO₂電介質(zhì)條帶15平行地形成在凹槽11的底表面和側(cè)表面上，并且形成在藍寶石襯底10的表面10a上。每一個電介質(zhì)條帶15在第二方向（y軸方向）上延伸。每一個電介質(zhì)條帶15的寬度在x軸方向上為1.5μm。每一個電介質(zhì)條帶15的厚度可以在100?到1μm的范圍內(nèi)。在具有圖1中所示的配置的藍寶石襯底10上，沉積具有10nm的膜厚度的氮化鋁（AlN）緩沖層。緩沖層（沒有在圖1中示出）形成在凹槽11的底表面11a和側(cè)表面11b、表面10a、以及電介質(zhì)條帶15的頂表面15a和側(cè)表面15b之上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有改進的提取的發(fā)光器件。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的照明器件包括具有從襯底的表面延伸的多個孔的襯底。在多個孔內(nèi)設(shè)置非III氮化物材料。襯底的表面沒有非III氮化物材料。在襯底的表面上生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的發(fā)光層。

盡管在以下討論中，襯底是藍寶石，但是可以使用任何合適的襯底材料，諸如藍寶石、SiC、硅、GaN、III氮化物或者復(fù)合襯底。在一些實施例中，襯底具有比生長在襯底上的III氮化物材料的折射率小的折射率。例如，藍寶石具有1.7的折射率，而GaN具有2.4的折射率。

附圖說明

圖1圖示了用于改進來自半導(dǎo)體發(fā)光器件的光提取效率的現(xiàn)有技術(shù)襯底。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有特征的襯底的部分的平面視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有特征的襯底的部分的截面視圖。

圖4是在特征的表面上形成一個或多個涂敷層之后的圖3的結(jié)構(gòu)的截面視圖。

圖5圖示了在圖4的襯底上形成的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。

圖6圖示了倒裝芯片器件。

具體實施方式

半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)可以形成在圖1中所圖示的襯底上。在具有平滑襯底的器件中，波導(dǎo)形成在襯底和半導(dǎo)體材料之間。由于襯底和半導(dǎo)體材料的不同折射率，波導(dǎo)將光俘獲在器件中。在具有圖1的襯底的器件中，襯底上的電介質(zhì)條帶15和凹槽11中斷波導(dǎo)并且因而可以改進來自器件的光提取。在襯底的方向上發(fā)射的光可以被凹槽11和/或電介質(zhì)條帶15散射，使得更有可能從器件提取光。

在圖1中所圖示的結(jié)構(gòu)中，電介質(zhì)條帶15形成在平坦表面（凹槽11之間的表面10a，以及凹槽11的底表面11a）和非平坦表面（凹槽11的豎直側(cè)壁11b）二者上。平坦表面上的電介質(zhì)材料具有對光提取的最小影響，其可以減損在襯底上生長的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的晶體生長質(zhì)量。

在本發(fā)明的一些實施例中，在襯底上外延生長半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)之前，特征被形成在襯底上，并且涂敷有一個或多個抗反射、散射和/或梯度折射率涂敷層。一個或多個涂敷層可以總體地或者部分地填滿形成在襯底表面中的特征。特征和（多個）涂敷層的主要功能可以是雙重的：（i）增加光從III氮化物材料向襯底中的透射，以及（ii）控制光的方向以調(diào)諧來自器件的遠場發(fā)射。

將（多個）涂敷層約束到在生長期間不顯著地貢獻于III氮化物材料的成核的襯底的表面區(qū)域。這些區(qū)域一般是相對于襯底的平面（相對于通過x和y軸描述并且垂直于z軸的平面）形成的特征的斜向和/或豎直區(qū)域。在襯底上的非平坦表面上形成諸如電介質(zhì)層之類的非III氮化物涂敷層不顯著地影響襯底上的晶體生長，但是可以增強來自器件的光提取。

盡管在以下示例中半導(dǎo)體發(fā)光器件是發(fā)射藍光或UV光的III氮化物L(fēng)ED，但是可以使用除LED之外的半導(dǎo)體發(fā)光器件，諸如激光二極管，以及由諸如其它III-V材料、III磷化物、III砷化物、II-VI材料、ZnO或基于Si的材料之類的其它材料系統(tǒng)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括特征22的襯底20的部分的平面視圖。

在圖2中圖示的特征22是形成在襯底20中的孔，其從襯底的頂表面向下延伸?？撞谎由齑┻^襯底的整個厚度。孔可以是任何合適的形狀，包括例如具有豎直側(cè)面和平坦底部的孔、具有傾斜側(cè)面和平坦底部的孔、截頭倒轉(zhuǎn)角錐體、截頭倒轉(zhuǎn)圓錐體、倒轉(zhuǎn)角錐體、倒轉(zhuǎn)圓錐體或者任何其它合適的形狀。在一些實施例中，孔可以沿垂直于襯底的頂表面的軸或者其它軸旋轉(zhuǎn)對稱，盡管并不要求這樣?？卓梢砸匀魏魏线m的圖案進行布置，包括例如，諸如三角形、正方形、六邊形之類的陣列或者任何其它合適的陣列、隨機布置，或者準隨機布置，諸如阿基米德格子。

孔可以通過蝕刻、諸如鉆孔之類的機械技術(shù)、或者任何其它合適的技術(shù)來形成。例如，孔可以通過濕法化學(xué)蝕刻、在例如磷酸或硫酸的化學(xué)浴中，或者通過干法蝕刻技術(shù)在電感耦合等離子體（ICP）蝕刻機中形成。

圖3是包括典型特征22的襯底20的部分的截面視圖。由圖1的x和y軸形成的襯底的平面例如是在圖3中圖示的結(jié)構(gòu)的頂部或底部。在圖3中圖示的特征22的實施例具有倒轉(zhuǎn)三角形截面，其中每一個孔的軸垂直于襯底的平面取向。特征可以具有任何合適的截面。例如，特征可以具有平坦底部或圓形底部。特征可以具有豎直側(cè)面、傾斜側(cè)面、彎曲側(cè)面或分段側(cè)面，其中不同段具有不同的傾斜和/或形狀。在一些實施例中，特征的傾斜側(cè)面與發(fā)光層的最大角發(fā)射的方向正交或者基本上正交。例如，如果由發(fā)光層發(fā)射的光在具有距器件的主平面的法向的60度處的瓣極大點的圖案中發(fā)射，則特征的傾斜側(cè)壁可以在距器件的主平面的法向的角度30度處取向。

襯底20的頂表面24可以在特征22之間是平坦的，如在圖3中圖示的，盡管并不要求這樣。例如，頂表面24可以被圖案化、粗糙化或紋理化，或者可以相對于孔的取向而傾斜。

孔可以取向成使得所有或大多數(shù)孔的軸垂直于襯底的平面。在可替換方案中，所有或大多數(shù)孔的軸可以相對于襯底的平面成角度，或者孔的軸可以隨機地取向。

襯底20可以具有在一些實施例中至少100μm、在一些實施例中不大于500μm、在一些實施例中至少200μm、以及在一些實施例中不大于400μm的厚度34。

在特征22的開口處，在襯底的頂邊緣處，特征22可以具有在一些實施例中至少1μm、在一些實施例中不大于20μm、在一些實施例中至少5μm、以及在一些實施例中不大于15μm的寬度26。特征22可以具有在一些實施例中至少1μm、在一些實施例中不大于20μm、在一些實施例中至少5μm、以及在一些實施例中不大于15μm的深度。最靠近的相鄰特征的中心之間的間距32可以是在一些實施例中至少2μm、在一些實施例中不大于50μm、在一些實施例中至少20μm、以及在一些實施例中不大于40μm。相鄰特征22之間的襯底20的頂表面24的寬度28可以是在一些實施例中至少100nm、在一些實施例中不大于50μm、在一些實施例中至少5μm、以及在一些實施例中不大于25μm。如圖3中所圖示的，孔不穿透襯底的整個厚度。在可替換方案中，一些或所有孔可以穿透襯底的整個厚度。

圖4圖示了具有特征22和一個或多個涂敷層的襯底。涂敷層36僅形成在特征22的斜向側(cè)壁22a上。涂敷層36可以通過如本領(lǐng)域中所已知的常規(guī)光掩蔽過程形成。例如，襯底可以被掩蔽，然后形成涂敷層，然后移除掩模；涂敷層可以被形成，然后通過掩蔽和蝕刻而圖案化；或者涂敷層可以選擇性地僅形成在特征的側(cè)壁上。特征22之間的襯底20的頂部、通常平坦的表面24可以保持未經(jīng)更改（即，沒有被涂敷層36所覆蓋）以確保在下文描述的III氮化物器件結(jié)構(gòu)的外延生長期間的結(jié)晶過程的正確成核。特征22的側(cè)壁22a不顯著地貢獻于外延生長期間的III氮化物晶體的成核，因為III氮化物晶體將優(yōu)選地在涂敷層36之上的襯底表面24上成核。

（多個）涂敷層36可以包括與外延過程兼容的任何合適的材料。合適的材料的示例包括非III氮化物材料、電介質(zhì)材料、通過除外延生長之外的技術(shù)（諸如沉積）形成的材料、SiN、SiO₂、TiO₂、氧化物和氮化物。（多個）涂敷層36的折射率在一些實施例中可以在襯底的折射率與GaN的折射率之間（例如，諸如SiN以及SiO₂和TiO₂的復(fù)合物，以形成具有范圍在1.5和2.5之間的折射率的層）。

可以使用多個涂敷層36?？梢赃x擇合適的層組合以放大以下意圖效果：增加從III氮化物材料向襯底中的光透射、或者在特定角方向上引導(dǎo)所發(fā)射的光束、或者二者。多個涂敷層可以基于抗反射體涂敷的原理或者通過仿效梯度折射率材料以便從高折射率向低折射率平滑地過渡光來選擇。在一些實施例中，最接近襯底并且典型地與襯底接觸的涂敷層（首先沉積的涂敷層）的折射率具有最低折射率，即與襯底的折射率最接近的折射率。最遠離襯底的涂敷層（最后沉積的涂敷層）具有最高折射率，即與III氮化物層的折射率最接近的折射率。因而，在一些實施例中，涂敷層的疊層可以形成III氮化物材料和襯底之間的梯度折射率（GRIN）光學(xué)界面。

在一個示例中，涂敷層36是填充孔的深度的至少20%直至填充孔的深度的50%的SiN的單個層。例如，在2μm深的孔的情況下，涂敷層36可以具有高達1μm的厚度。

（多個）涂敷層36可以部分地或者完全地填充特征22。特別地，在一些實施例中，涂敷層36可以填充特征22，使得涂敷層36的頂表面與特征之間的襯底的頂表面24齊平。填充特征22使非成核表面最小化。

在形成（多個）涂敷層36之后，生長半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，如圖5中圖示的。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括夾在n和p型區(qū)之間的發(fā)光或有源區(qū)。

n型區(qū)38可以首先生長并且可以包括不同成分和摻雜劑濃度的多個層，包括例如可以是n型或非有意摻雜的準備層，諸如緩沖層或成核層、接觸層和限制層，以及針對對于使發(fā)光區(qū)高效地發(fā)射光而言合期望的特定光學(xué)、材料或電氣性質(zhì)而設(shè)計的n或甚至p型器件層。

n型區(qū)的第一部分可以填充特征并且聯(lián)合以形成具有足夠高的質(zhì)量以生長器件層的表面。n型區(qū)的該部分可以是在一些實施例中至少2μm厚，以及在一些實施例中不大于5μm厚。最初生長的III氮化物材料優(yōu)選地在特征之間的襯底的頂表面24上成核，而不在特征22中的涂敷層36上成核。

發(fā)光或有源區(qū)40生長在n型區(qū)之上。合適的發(fā)光區(qū)的示例包括單個厚或薄的發(fā)光層，或者包括通過屏障層分離的多個薄或厚的發(fā)光層的多量子阱發(fā)光區(qū)。

p型區(qū)42可以然后生長在發(fā)光區(qū)之上。與n型區(qū)類似，p型區(qū)可以包括不同成分、厚度和摻雜劑濃度的多個層，包括非有意摻雜的層或n型層。

在生長之后，在p型區(qū)的表面上形成p接觸件44。p接觸件44通常包括多個傳導(dǎo)層，諸如反射金屬和防護金屬，其可以防止或減少反射金屬的電子遷移。反射金屬通常是銀，但是可以使用任何合適的一種或多種材料。

圖5圖示了器件中的光的行為。以掠射角撞擊襯底20的表面24的光（諸如射線46a）可以被襯底和III氮化物材料之間的波導(dǎo)全內(nèi)反射，從而將光俘獲在器件內(nèi)，如通過射線46b所圖示的。特征22中斷波導(dǎo)，使得從半導(dǎo)體材料提取以掠射角發(fā)射到特征22中的光（諸如射線48）。由表面24反射的一些射線再次被接觸件44反射，然后入射在特征22上，其中最終從半導(dǎo)體材料提取射線。在沒有特征22的情況下，光可能保持被多個表面以相同的角度反射并且保持被俘獲在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，直到光能被轉(zhuǎn)換成熱量。

在圖5中圖示的結(jié)構(gòu)可以形成為任何合適的器件結(jié)構(gòu)。一般地，在具有有著如以上所描述的光提取特征的襯底的器件中，主要通過襯底從器件提取光，所述襯底保持為器件的部分，盡管并不要求這樣。盡管在圖6中圖示了倒裝芯片，但是圖5的結(jié)構(gòu)可以形成為任何合適的器件。

如圖6中所圖示的，在形成p接觸件44之后，移除部分的p接觸件44、p型區(qū)42和有源區(qū)40以暴露在其上形成n接觸件50的n型區(qū)38的部分。n和p接觸件50和44通過間隙與彼此電氣隔離，所述間隙可以填充有電介質(zhì)52，諸如硅的氧化物或者任何其它合適的材料。可以形成多個n接觸過孔；n和p接觸件50和44不限于在圖6中圖示的布置。n和p接觸件可以重新分布以形成具有電介質(zhì)/金屬疊層的鍵合墊（沒有在圖6中圖示），如本領(lǐng)域中所已知的。

為了形成到器件的電氣連接，一個或多個互連54和56形成在n和p接觸件50和44上或者電氣連接到n和p接觸件50和44?；ミB54電氣連接到圖6中的n接觸件50?；ミB56電氣連接到p接觸件44?；ミB54和56通過電介質(zhì)層52和間隙58與n和p接觸件50和44并且與彼此電氣隔離?；ミB54和56可以例如是焊料、柱形凸塊、金層或者任何其它合適的結(jié)構(gòu)。

許多單獨的LED形成在單個襯底晶片上，然后從器件的晶片切分。在切分之前、期間或之后，襯底20可以被減薄。在一些實施例中，除減薄之外或者替代于減薄，圖案化、紋理化或者粗糙化襯底20的背側(cè)表面60以改進從襯底向周圍空氣中的光提取。

在圖6中圖示的器件可以例如在側(cè)面上為大約1mm長。相應(yīng)地，單個器件的襯底可以在一些實施例中包括數(shù)十個或數(shù)百個特征。在一個示例中，可以存在襯底區(qū)域的每3μm x 3μm部分中的一到兩個特征的平均值。

已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，在給定本公開的情況下，可以對本發(fā)明做出修改而不脫離本文描述的發(fā)明概念的精神。因此，不意圖將本發(fā)明的范圍限于所圖示和描述的具體實施例。