錐形光子晶體發光器件的製作方法

2023-06-19 12:55:46

專利名稱：錐形光子晶體發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有改良的光提取和方向性的發光二極體，尤其是涉及使用光子晶體結構的器件。

背景技術：
發光二極體(LED)基於正向偏壓的p-n結且最近已經達到充分高亮的水平，由於該充分高亮的水平，現在它們適合於新的固態照明應用以及替換投影儀光源。由於LED的高效率、可靠性、壽命長和環境優勢而實現的經濟利益，因此LED已能夠進入這些市場。尤其是，固態照明的應用需要LED超過由可選的螢光技術目前可實現的效率。
在LCD面板的性能中，液晶顯示器(LCD)面板的背光單元(BLU)是關鍵部件。目前，多數LCD面板使用緊湊型陰極螢光(ccfl)光源。然而，這些光源遇到幾個問題，包括色域差、環境再生和製造問題、厚度和外形、高電壓需求、熱學管理差、重量和高功耗。為了緩和這些問題，LCD製造商使用LED BLU單元。這些會在許多方面提供優勢，包括色域、低功耗、薄外形、低電壓需求、良好的熱處理和低重量。
當前的LED BLU系統橫跨LED的背表面分布LED，如US7052152所示。對於小型顯示器，一般是低成本設計。然而，對於較大的LCD面板，例如大於32英寸，為了橫跨LCD面板的背面均勻分布光所需要的大量LED，將不再使該方法成本有效。在US7052152中，提出了32英寸LCD面板顯示器使用124個LED。
對於某些應用，希望得到來自LED的更多各向同性的或Lambertian光分布，且用於實現它的一種技術是使得穿過其而使光融合(merge)的表面變粗糙。取決於LED製備工藝，一定程度的粗糙度是固有的。然而，通過使用例如蝕刻的技術，可以實現增加的表面粗糙度的控制度，以改善從LED射出的光的混雜和均勻性。
US2006/0181899和US2006/0181903公開了一種光學光導或者波導，其被設置以跨越整個LCD面板表面均勻分布漫射光。通過使用側安裝的LED光源使光耦合到光導。當與直接的LED背光比較時，由於顯著減少了單位面積背光LCD所需要的LED數目，因此側安裝是有益的。提出了32英寸LCD面板可以具有與12個LED光源一樣地被側向光照。然而，為了最大化漫射到LCD面板上的光，需要將LED光的最優地耦合到光導。
高亮度LED的另一應用領域是用於前和後投影儀的光引擎。低效率和短壽命總是妨礙現有的高強度放電(HID)型投影儀光引擎，導致消費者市場很少採用。在該特定應用中，光源的Etendue值需要更小或者與微顯示器的Etendue值相匹配。為了改善整個光投影引擎的總體系統效率，該兼容性非常重要。另外，特別是在需要大型後投影屏(大於50英寸)和前投影系統的應用中，高的總發光輸出和低功耗也非常重要。為了最小化熱學管理問題，低功耗是期望的。來自具有小的Etendue值的一組紅、綠和藍的單色LED光源的光被多路復用，以在投影系統中產生希望的顏色。這消除了對色輪和相關的附近成本的需要。Etendue值E是根據下面的等式計算的 E＝π×A×n2×sin(α)(1) 其中E是光源的Etendue，A是光發射器件的表面積，以及α是光源的半角。因此，可以看出，對於投影應用，發光光源的準直度(collimation)是關鍵因素，並且減小光源的半角會顯著地改善光引擎的總體效率。
LED的總體效率可以用三個主要因素量化，即內量子效率、注入效率和提取效率。減小來自LED的光提取效率的一個主要限制因素是發射光子的總體內部反射和形成LED的高折射率的外延材料(epi-material)的捕獲。這些捕獲的波導模式在LED結構中傳播直到將它們散射或被再吸收。LED結構的厚度確定了可以支持的模式數量。
US5779924和US5955749描述了使用在LED的半導體層中定義的光子晶體圖案以影響穿過外延結構傳播的光路。形成的光子帶結構允許進行提取的捕獲模式，從而提高了提取效率和最終的LED總體外部效率。在LED中使用光子晶體結構比其它光提取技術更有利，這是因為它們與LED的有效表面積成比例，從而提供了改善大面積高亮度LED管芯的光提取的理想方法。對於需要絕對亮度輸出的固態照明應用，LED尺寸的縮放比例是重要的。然而，許多這種光子晶體LED的總體的光提取不像更多常規的表面粗糙的LED一樣高。
US6831302和US2005/0285132描述了使用氮化鎵(GaN)基材料製備具有光子晶體結構的發光二極體的工藝。在這兩種情形中，所述工藝包括許多複雜且昂貴的步驟，其最終會影響LED晶片的產率和成本。尤其是，US6831302描述了包括以下的製備工藝步驟在晶格匹配的單晶晶片上生長n-GaN層、有源QW區域、和p-GaN層，隨後在頂表面上共晶(eutectic)接合子底板或襯底，晶片翻轉，從生長的晶片剝離(使用例如雷射剝離的技術)，表面拋光以提供光學光滑的表面(使用例如化學機械拋光的工藝)，在表面上限定光子晶體圖案(通過例如納米壓印、光刻或者全息照相的工藝)，和最後利用適當地幹蝕刻(例如RIE或者ICP)或者溼蝕刻GaN，將光子晶體圖案轉印到GaN材料。
所涉及的其中一個複雜處理步驟是拋光晶片，由於其難以控制跨越整個晶片的表面質量，因而會不利地影響產率。跨越表面的小劃痕可能會影響LED晶片兩端傳播的電流且最終提供了短路整個LED的路徑，或者不利地影響正向電壓。另外，對於光子晶體提取圖案的有效設計，GaN外延結構的厚度是重要的。高折射率的作用類似於高度多模式的波導，因此該厚度會確定存在於LED異質結構中的大量模式。通過使用拋光工藝，LED結構的絕對厚度的不良控制導致最終影響LED晶片在各個處理批次之間的總體產量。
另一複雜製備步驟是限定小尺寸的第一有序光子晶體的特徵——300nm到500nm範圍的節距特徵和200nm到400nm範圍的孔洞直徑特徵。目前使用納米壓印或者全息照相確定這種圖案。前者方法目前不是一種被證實的、用於LED晶片上的這種小尺寸特徵的技術，且僅實現了低產率。另外，由於製造量小，該技術具有更高的成本。後面的光刻技術具有複雜的對準和穩定性以及低的量。
因此，需要新型表面圖案化的LED，其比常規的表面粗糙的或者光子晶體的LED器件性能更好，而且能夠以簡單且成本有效的方式製備。


發明內容
根據本發明的第一方面，發光器件(LED)包括 第一層，包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料； 第二層，包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料；和 位於第一和第二層之間的光產生層， 其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出，第一層還包括來自上表面的第一半導體材料的錐形或者平頂錐形突起的瓦狀排列，其上表面被與第一半導體材料具有不同折射率的材料包圍，其中周圍材料和突起的瓦狀排列包括光子帶結構，且其中突起和它們的瓦狀排列被配置為使得穿過上表面從LED結構射出的光大體上比Lambertian光源的光更具有指向性。
根據本發明的第二方面，一種發光器件(LED)包括 第一層，包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料； 第二層，包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料；和 位於第一和第二層之間的光產生層， 其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出，第一層還包括從所述上表面向光產生層延伸的第一半導體材料中的倒錐形或者倒平頂錐形缺口的瓦狀排列，且包括與第一半導體材料具有不同折射率的材料，其中缺口的瓦狀排列和周圍第一半導體材料包括光子帶結構，且其中設置缺口和它們的瓦狀排列，使得穿過上表面從LED結構射出的光大體上比Lambertian光源的光更具有指向性。
Lambertian光源發出每單位立體角的光流量，在任意方向上所述光流量與從其發射的表面的方向和該表面法線之間的角的餘弦成比例。這導致具有球形分布的均勻輻射率。包括根據本發明的結構的LED會結合更多發射光的指向性以及由器件產生的光耦合為發射束的效率的改善。通過錐形或者平頂錐形表面突起，或者倒錐形或倒平頂錐形缺口的創新性的瓦狀排列來實現上述目的。
優選三種特定種類的光子瓦狀(tilling)排列，即具有近程和遠程有序兩者的光子晶體、具有近程轉換無序而遠程有序的光子準晶體、具有近程隔離有序而遠程無序的無定形瓦狀圖案。在無定形的情況下，相鄰錐形區之間的間隔是固定的，而旋轉對稱是隨機的。
在本發明中提出了高度有序的錐形或倒錐形光子晶體或準晶體圖案，當與更常規的第一有序光子晶體圖案比較時，其提供了增強的光提取。光子晶體的詳細設計還允許調整器件產生的遠場光圖案。尤其是，與Lambertian光源相比，即使對於具有太晶格常數(＞1μm)的圖案，具有有角側壁的錐形形狀的突起或者倒錐形形狀的缺口，以及它們定義好的瓦狀排列能夠從LED提取更準直的光束。
優選地，錐形突起或倒錐形缺口具有大於1.0μm的尺寸。然而，它們的尺寸可以大於1.5μm或者2.0μm或者尺寸甚至大於2.5μm。相對大的錐形或倒錐形尺寸會緩和製備容差，且因為它們的尺寸充分大於剩下的表面粗糙度，這還意味著在形成錐形突起或倒錐形缺口之前不需要表面拋光。
另外，還優選瓦狀排列的節距大於1.5μm，雖然它的尺寸還可以大於2.0μm或者2.5μm或者尺寸甚至大於3.0μm。
對於許多應用，優選設置突起或缺口，以便在與垂直軸具有30°半角的中心錐中提取顯著比例(＞35％)的光。優選地，在中心錐中提取大於37％、38％或甚至40％。這能夠有效並均勻的將光耦合到通常用於投影應用的光源的窄的伸長的光導中。
可選地，可以設置錐形或倒錐形和瓦狀圖案，以便主要以比按照側面發光方式的角度更大的角度來提取光。例如，可以在準直環或圍繞垂直軸的類似於圓環分布中發光，而不是在窄中心錐體中發光。在這種情況下，該分布可以集中在大於或等於相對於垂直線的30°、40°、50°或60°的角，或者同等地小於或等於相對於平面的60°、50°、40°或30°的角。
具有第一類型摻雜的第一半導體材料可以是n摻雜的或者p摻雜的，在這種情況下，具有第二類型摻雜的第二半導體材料將分別是p摻雜的或者n摻雜的。
第一層可以包括在第一半導體材料中的預定深度埋置的蝕刻停止材料層，在這種情況下，由第一半導體材料形成的突起將從蝕刻停止材料層的表面延伸且倒錐形缺口將向下延伸至蝕刻停止材料層。
在特定的優選實施例中，第一半導體材料包括n摻雜的GaN或InGaN且第二半導體材料包括p摻雜的GaN或InGaN。優選光產生層包括GaN-InGaN的多個量子阱結構。在錐形直徑的方面，儘管取決於包括波長、遠場圖案、LED厚度和在整個GaN異質結構內的多個量子阱結構的位置的多個因素，高度有序的光子晶體尺寸一般在1.0μm到3.0μm的範圍。適當的蝕刻停止材料包括AlGaN和InGaN。
為了增強光提取，優選LED還包括光反射器以反射遠離第一層的上提取表面傳播的光，且另外其不再被提取。光反射器被布置鄰接於第二半導體材料的第二層，以便第二層位於光產生層和反射器之間。
優選地，光反射器包括簡單的金屬性材料層或者它可以包括多層電介質結構。可選地，光反射器可以包括分布式的Bragg反射器(DBR)或者全向反射器(ODR)。
優選地，光產生層和光反射器之間的間隔距離為使得能夠例如包括微空腔，其增強了向第一層的上提取表面傳播的光的產生量。微空腔效果除在光反射器處提供簡單反射之外還提供了甚至更大增強的提取效率。最佳間隔是在光產生層產生的光的波長的0.5到0.7倍之間。當存在微空腔時，優選將錐形突起或倒錐形缺口和它們的瓦狀排列配置為與微空腔效果優化地協同作用，以進一步增強從LED提取光的效率。
根據本發明的第三方面，光學投影儀單元的光引擎包括多個根據第一或第二方面的發光器件。上述LED尤其適用於包括正面和背面投影儀的固態光源的應用。
根據本發明的第四方面，製備根據第一方面的發光器件(LED)的方法包括步驟有 提供發光器件異質結構，其包括第一層，包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料，第二層，其包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料，和布置在第一和第二層之間的光產生層，其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，並且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出， 在第一層上形成蝕刻掩模，該掩模包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的掩模材料的島，其中形成掩模的步驟包括如下步驟 在第一層上方沉積光刻膠層； 通過根據預定瓦狀排列的曝光來圖案化光刻膠；和 移除未曝光的光刻膠以在對應於預定瓦狀排列的位置處留下光刻膠的島； 通過沿預定晶面各向異性地溼蝕刻第一半導體材料到預定深度，在掩模材料島下面的位置處在第一層中形成第一半導體材料的錐形或平頂錐形突起；以及 移除掩模材料島以留下錐形或平頂錐形突起的預定瓦狀排列，其與不同折射率的周圍材料組合地包括光子帶結構。
根據本發明的第五方面，製備根據第二方面的發光器件(LED)的方法包括步驟有 提供發光器件異質結構，其包括第一層，所述第一層包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料，第二層，所述第二層包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料，以及布置在第一和第二層之間的光產生層，其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出， 在第一層上形成蝕刻掩模，該掩模包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的缺失掩模材料的島，其中形成掩模的步驟包括如下步驟 在第一層上方沉積光刻膠層； 通過根據預定瓦狀排列的曝光來圖案化光刻膠；和 移除未曝光的光刻膠以在對應於預定瓦狀排列的位置處留下缺失光刻膠的島； 通過沿預定晶面各向異性地溼蝕刻第一半導體材料到預定深度，在缺失掩模材料的島下面的位置處在第一層中形成第一半導體材料的錐形或平頂錐形缺口；和 移除剩餘的掩模材料以留下第一半導體材料中的倒錐形或倒平頂錐形缺口的預定瓦狀排列，該缺口包括與周圍第一半導體材料的折射率不同的材料並且它們一起包括光子帶結構。
通過任何適當的已知工藝，包括倒裝晶片工藝，可以製備發光器件異質結構本身。
光刻膠層本身可以是掩模層，在這種情況下，掩模材料島是光刻膠島。可以使用通過曝光圖案化光刻膠的適當工藝，包括UV光刻。使用適當的顯影劑移除未曝光的光刻膠，並通過剝離移除剩下的曝光的光刻膠島。多種蝕刻劑可用於各向異性的溼蝕刻，包括KOH、NaOH或者H3PO4溶液。
可選地，可以使用硬掩模材料，對於各向異性溼蝕刻它是抗蝕刻劑。在這種情況下，需要其它工藝步驟。
在第四方面的方法中，形成蝕刻掩模的步驟還優選包括 在沉積光刻膠層的步驟之前，在第一層上方沉積硬掩模材料層； 在移除光刻膠的步驟之後移除硬掩模材料，以留下在光刻膠的島下面的硬掩模材料的島；和 移除剩餘的光刻膠以留下蝕刻掩模，所述蝕刻掩膜包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的硬掩模材料的島。
在第五方面的方法中，形成蝕刻掩模的步驟還優選包括 在沉積光刻膠層的步驟之前，在第一層上方沉積硬掩模材料層； 在移除光刻膠的步驟之後移除硬掩模材料，以留下在缺失光刻膠的島下面的缺失硬掩模材料的島；和 移除剩餘的光刻膠以留下蝕刻掩模，所述蝕刻掩膜包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的缺失硬掩模材料的島。
適當的硬掩模材料包括通過PECVD沉積的SiO2或Si3N4，或者通過濺射或蒸發沉積的金屬。一旦形成錐形突起，就會用適當的溼或幹蝕刻工藝移除剩下的硬掩模材料島。類似地，一旦形成倒錐形缺口，就會用適當的溼或幹蝕刻工藝移除包圍島的剩下的硬掩模材料。
在第四方面的方法中，各向異性蝕刻的深度將確定形成平頂錐形還是錐形突起以及它們的尺寸。然而，基於蝕刻速度和蝕刻時間，將很難精確控制各向異性蝕刻深度。因此，可以使用蝕刻停止，以確保在特定深度停止蝕刻。類似地，在第五方面的方法中，各向異性蝕刻的深度將確定形成的缺口的尺寸。此外，基於蝕刻速度和蝕刻時間，將很難精確控制各向異性蝕刻深度。此外，為了形成倒平頂錐形缺口需要蝕刻停止。
優選地，發光器件異質結構的第一層包括在第一半導體材料的預定深度埋置的蝕刻停止材料。第一半導體材料的各向異性蝕刻將繼續直到到達蝕刻停止材料層，從而提供更均一且可重複的製備方法。在第五方面的方法中，還允許形成倒平頂或平頭的錐形缺口。
因此，本發明還提供了製造光子晶體型LED結構的簡單方法，通過大特徵的闡述，使用低成本的光刻技術或類似的工也藝將光子晶體轉移到LED上而不需要複雜的拋光步驟。



參考附圖，現在將詳細描述本發明的實例，其中 圖1示出了被提出的器件的橫截面； 圖2A示出了以規則方形晶格排列的稜椎； 圖2B示出了以12重準晶體排列的稜椎； 圖3示出了GaN LED的標準化光強度，其作為量子阱與鏡面間隔距離的函數。
圖4A到4D示例了製備發光器件的基於倒裝晶片的製造工藝； 圖4E到4I示例了在圖4D示出的器件的上面層中製備錐形光子晶體結構的其它製造步驟； 圖5A示出了與未圖案化的器件相比錐形PC-LED的30°錐體的光提取增強； 圖5B示出了與未圖案化的器件相比的錐形PC-LED的總光提取增強； 圖5C示出了不同錐形光子晶體發光器件的30°錐體的光的百分比； 圖6A示出了根據本發明優選實施例的PC-LED結構的遠場圖案； 圖6B示出了根據本發明另一優選實施例的PC-LED結構的遠場圖案； 圖7A示出了使用本發明的製備方法形成的單獨錐形的SEM顯微圖； 圖7B示出了使用本發明的製備方法形成的錐形光子準晶體排列的SEM顯微圖； 圖8A是與未圖案化的LED相比的對於常規PC-LED和具有微空腔的錐形PC-LED的光子晶體填充分數和光提取增強的曲線圖； 圖8B是與具有和不具有微空腔的未圖案化的LED相比的錐形PC-LED的光子晶體填充分數和光提取增強的曲線圖； 圖9是與未圖案化的LED相比的錐形PC-LED的LED異質結構中心厚度的光提取增強的曲線圖； 圖10示出了倒錐形器件的橫截面； 圖11A-11D示例了用於製備發光器件的基於倒裝晶片的製造工藝； 圖11E到11I或11J示例了用於在圖11D示出的器件的上層中製造倒錐形或截斷的倒錐形光子晶體結構的其它製造步驟； 圖12A示出了與未圖案化的器件相比的錐形PC-LED的30°錐體的光提取增強； 圖12B示出了與未圖案化的器件相比的錐形PC-LED的總體光提取增強； 圖12C示出了不同錐形光子晶體發光器件的30°錐體的光的百分比； 圖13示出了根據本發明優選實施例的PC-LED結構的遠場圖案； 圖14示出了使用本發明的製備方法形成的單獨倒錐形的SEM顯微圖； 圖15A是與未圖案化LED比較的常規PC-LED和具有微空腔的倒錐形PC-LED的光子晶體填充分數和光提取增強的圖； 圖15B是與具有和不具有微空腔的未圖案化LED比較的倒錐形PC-LED的光子晶體填充分數和光提取增強的曲線圖。

具體實施例方式 本發明的目的在於提供發光器件的改良的光提取以及調整的遠場發射。這些器件可以應用包括但不限制於InGaN、InGaP、InGaAs、InP或者ZnO的廣泛範圍的發光半導體材料系統。本描述將集中於在綠色InGaN發光器件中執行定向光提取技術的實施方式。然而，該設計可以同樣地優化和實施用於使用該材料的其它發射波長(例如藍或UV)以及其它材料系統，例如適合紅色和黃色波長的InGaP。
在本發明的優選實施中，提出了新穎的高度有序錐形光子晶體(PC)或者準晶體圖案，與第一階光子晶體圖案相比，其提供了增強的光提取。該PC設計還允許調整該器件發射的遠場光分布。定義瓦狀(tiling)排列的錐形PC子區域和它們的阱允許從該器件以比Lambertian光源的光束更準直的束提取光。還將描述製造該器件的簡化的工藝。
在錐形直徑方面，高度有序PC尺寸大於1.0μm，並可以大於1.5μm或者2.0μm，可以高達但不限制於3.0μm、3.5μm和4.0μm。其取決於遠場圖案、LED厚度和在GaN異質結構的光產生區域內部的量子阱位置而變化。
圖1說明了提出的發光器件的橫截面，其包括從n摻雜的GaN或InGaN層突起的錐形101，具有周期性的、準晶體、無定形的或其它複雜順序的或重複的瓦狀的排列。設計該錐形瓦狀排列以提供散射帶，其使得捕獲的光耦合為光子晶體的Bloch模式。一旦光被耦合為Bloch模式，光子晶體就會提供使光耦合進入到自由空間的方式。
圖1示出的器件包括發光異質結構，其包括n型GaN或InGaN頂層102和下p型GaN或InGaN層104，在這些層之間具有多個量子阱(MQW)結構103。在p型層104的下面，存在反射器層105，它可以具有金屬(例如銀)反射器的形式或者具有DBR或全向反射器(ODR)的形式。發光結構由載體襯底或底板106支撐。在優選實施例中，載體襯底包括具有高熱傳導率的導電材料，例如金屬或金屬合金或可選擇的矽或碳化矽。在另一優選實施例中，存在由例如AlGaN、InGaN(但不限制於這些材料)的材料形成的蝕刻停止層107，其允許精確控制錐形的深度。該層埋置在n型層101和102之間。
本發明優選具有三種主要的光子瓦狀排列，其中該排列具有以下特徵近程和遠程有序，即光子晶體；近程轉換無序而具有遠程有序，即光子準晶體；和近程分隔有序和遠程無序，即無定形瓦狀排列。在無定形排列的情況下，固定相鄰錐形和倒錐形區域之間的間隔，而使旋轉對稱隨機化。
圖案化的這些分類也可以包括上述瓦狀排列的重複單元。另外，它們可以包括具有缺陷的區域，就是說移除錐形和倒錐形或者改變錐形的形狀或大小的區域。子區域也可以包括具有未蝕刻尖頂點區域的錐形，產生平頂(平頂)錐形。
該圖案化的特徵可以在於多個參數，其包括晶格節距a，被定義為分隔兩個相鄰的錐形或倒錐形中心的距離，和形成在GaN晶格的水平晶面和錐形結晶暴露面之間的角θ。在本發明的一個方面中，使用蝕刻停止層107控制蝕刻深度。這允許精確控制底部處的錐形的直徑。對於給定的蝕刻深度d，錐形底部的直徑Φ為 φ＝2×d/tan(θ)(2) 本發明的一個主要方面是使用結晶對準以提供最大圖案再現精確性以及不嚴格(relaxed)的位置精確性的大特性。
該六角錐形或倒錐形(其由c面GaN形成)可以被排成規則的圖案、準晶體圖案、無定形圖案或其它適當排列。圖2A示出了六角錐形排成規則的方形晶格以形成光子晶體的實例。圖2B示出了排成12重對稱正三角形準晶體瓦狀以形成光子準晶體的錐形或倒錐形。
該發明的增強版本使用位於發光區域下面某處的光學反射器，以向上的方向反射向下傳播的光。另外，由於所謂的微空腔效應，設計發光區域和反射器之間的間隔距離以增強向上發射的光。隨後結合微空腔效應優化錐形或倒錐形光子晶體以進一步增強光提取。如Shen在2003年4月7日的Appl.Phys.Lett.82，14，2221中所述的，以下等式描述了LED頂表面處的相對能量強度，其為QW區域和反射器之間的間隔距離的函數 φ』＝2π(2dcos(θ))/λn(4) 其中相關的參數如下 W0＝發射光的振幅； Wr＝反射光的振幅； Φ＝在鏡上反射時的相位偏移； Φ』＝由於發射光和反射光之間的路徑長度差異而引起的相位偏移，其隨著微空腔和QW之間的間隔距離以及入射角和LED材料波長而改變；和 θ＝相對於法線的發射角。
為了說明微空腔效應，圖3示出了利用鏡子出從GaN LED器件得到的光強度的曲線圖，其為量子阱到鏡子距離的函數。該強度被標準化為在沒有鏡面的情況下從GaN LED得到的強度，從而說明了增強效果。為了簡單，假定鏡子具有100％的反射率。當與不具有反射器的無遮蔽平坦GaN發光器件比較時，很明顯地提取了最多大約3.5倍的光。由於微空腔效應，關於單獨反射器的貢獻，這總計大約1.75倍的光提取。為了得到LED的最大提取效率，關鍵的是在鏡子的恰當距離處布置量子阱。
當與Lambertian光源相比較時，微空腔效應還引入了LED遠場輻射形狀的偏差。在本發明的上下文中，結合頂表面光子晶體圖案，可以優化增加的波瓣(lobe)發射，因此與單獨使用兩種提取技術相比，能夠期望實現更大的光提取以及LED的指向。微空腔效應減少了異質結構內部發射的各向同性，因此允許內部入射到光子晶體上的光更加準直。
由於高的縱橫比特徵和光子帶結構的大的電介質對比度，能夠有效地將LED波導模式和光子帶結構的散射帶重疊，以實現它們之間的強耦合。然而，在厚中心LED內部的各向同性發射的情況下，會建立許多波導模式。在這種情況下，光子晶體的散射帶可以設計成與所有的捕獲模式重疊。然而，通過使用微空腔而使光準直，減小了建立起來的波導模式的數量。隨後，可以優化設計光子帶結構，以有效地提取更緊密間隔的且在LED中捕獲的更少數量的模式。
本發明的另一方面是製造上述錐形結構類型的光子帶結構LED的簡單方法。圖4A到4I示出了可能的製造工藝。最初，通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或其它類似技術(例如MBE)在晶格匹配的襯底410上生長n摻雜的GaN或InGaN層401。通常所使用的襯底是藍寶石、GaN和SiC。在本發明的優選實施例中，由材料例如InGaN或AlGaN形成的蝕刻停止層409埋置在n-GaN層中。n-GaN或InGaN層在蝕刻停止上方繼續生長為層408。在p型GaN層403之後生長多個GaN-InGaN量子阱402。圖4A示出了該階段生產的完整的LED異質結構疊層。
隨後如圖4B所示，在p-GaN層403的頂部上沉積鏡404。該反射器可以是金屬性的，其包括通過濺射或蒸發沉積的適當金屬層，例如銀或金。可選地，反射器可以包括分布的反饋反射器(DBR)或全向反射器(ODR)形式的電介質多層疊層。可以通過使用例如PECVD的技術的濺射來沉積這種結構。
如圖4C所示，隨後將圖4B的異質結構接合到襯底405。因為能夠允許良好的熱和電傳導率，因此襯底405優選為金屬合金，但可以包括其它材料例如SiC或Si。在接合操作之前，可以在鏡404上沉積附加層以有助於接合處理。
在最後的常規製備步驟中，接著使用雷射剝離或其它類似的技術移除藍寶石襯底410，以得到圖4D示出的異質結構。雖然通常缺少蝕刻停止層，但這種結構可以形成最終完整的常規器件。雷射剝離處理使n-GaN層401的表面粗糙(一般為50nm到300nm的量級)。在更常規的器件中，可以使該表面進一步變粗糙以改善光提取。在本發明的一個方面，與表面粗糙度相比，光子帶結構錐形的尺寸更大，因此在圖案化之前不需要拋光該表面。
圖4E到4I示出了製備根據本發明的器件需要的其它處理步驟，如圖4I所示。
圖4E示出了掩模層的沉積。尤其示出了可選的方法步驟，由此，沉積硬掩模層406，用於隨後將期望的圖案轉印到n-GaN層401。這可以包括通過PECVD沉積的SiO2或Si3N4或者可以是通過濺射或蒸發而沉積的金屬。隨後在硬掩模406上沉積光刻膠層407。然而，在某些情況下，可以不用硬掩模層，而是在n-GaN層401上直接沉積光刻膠層407。
由於錐形的特徵在於尺寸大，可以使用標準的UV光刻曝光該光刻膠層407，從而以期望的瓦狀排列將其圖案化。曝光區域的橫向形狀可以符合期望的錐形的橫截面形狀，或者可以是其他更簡單的形狀，例如方形。隨後顯影該曝光的光刻膠，留下對應於錐形頂點期望位置的隔離島材料，如圖4F所示。如果存在硬掩模406，則使用RIE、ICP或者類似的工藝將其幹蝕刻。該步驟將圖案從光刻膠407轉印到硬掩模406，如圖4G所示。之後剝去剩下的光刻膠407。
在這之後，使用各向異性的溼蝕刻結晶地溼蝕刻n-GaN層401，如圖4H所示。溼蝕刻GaN的優選方法是使用蝕刻室溫度(bathtemperature)為從室溫到100℃範圍的、濃度從1M到8M範圍的KOH溶液。蝕刻時間範圍大約為45分鐘。可選擇的溼蝕刻劑包含NaOH或H3PO4。
通過蝕刻工藝形成的六角錐形的晶面是GaN晶體的{10-1-1}面。它們與錐形底部形成58.4°角。存在蝕刻停止層409允許精確控制錐形的高度，由此也能夠精確控制錐形的底部直徑。最後，如果使用硬掩模406，則使用適當的溼或幹蝕刻工藝將其移除，留下圖4I示出的最終結構。
圖7A示出了通過這種工藝生產的其中一個錐形的SEM顯微圖。在這種情況下，使用優選的製備實施例隔離並形成錐形體，其具有701示出的晶體{10-1-1}面。圖7B示出了這種錐形體的光子準晶體瓦狀的SEM顯微圖，已經使用優選的製備技術在n-GaN的頂表面中蝕刻了該錐形體。該錐形體以正三角形瓦狀排列，並且圖7B示出的構造線表示下面的瓦狀方形和三角形，而圓形突出了準晶體圖案的頂點。
在優選實施例中，包括層401、409和408的複合的n-GaN上部區域位於發光結構的上方。因此，光從層402發出並且在最終通過區域401出射之前其經受了多重內反射。
為了形成高質量的量子阱(QW)層，需要厚的n-GaN生長區域來減少缺陷密度，從而改善LED的內部量子效率。出於方便製造的考慮，上部區域(層401、409和408)充當易受損的QW區域402的保護層，在溼蝕刻錐形期間防止損壞並最小化QW區域中的表面再結合。通過減小了最大的有效發光面積，進入QW區域中的蝕刻還不利地影響了LED的總發光輸出。
另外，對於光提取的改善，所需要的錐形尺寸為具有以2.5μm節距集中的1.75μm量級的直徑。該尺寸限制了層401的最小厚度，因此優選錐形位於厚的n-GaN層中。而且，為了改善光提取，通過蝕刻減小LED中波導區域的總厚度減少了異質結構中的捕獲模式數。這允許光子帶結構重疊更大百分比的捕獲模式，從而產生了改善的光提取，如圖8所示。另外，n-GaN還是高傳導性的，且這種特性使得將被沉積在光子帶結構頂表面上的單獨電流傳播層的需要最小化，該需要將不利地影響器件的光提取。
圖5A、5B和5C示出了數字模擬的結果，其說明了典型的錐形光子帶結構器件的性能。z軸示出了與具有反射器的未圖案化的LED比較的總提取增強因素。沿作為填充分數(％)函數的x軸501和沿作為光子帶結構的節距(nm)的函數的y軸502繪製結果圖。填充分數被定義為直徑/節距＊100。
圖5A示出了與具有底部反射器的未圖案化的LED比較的錐形光子晶體在中心30°椎體中的提取增強，其為晶格常數a和填充分數的函數。對於節距為2500nm和填充分數為75％且利用了位於在d＝0.6/λn～131nm位置處的QW區域下面的優化微空腔設計來說，該結果示出了最大增強為5.45。這些參數相當於間隔2.5μm節距的具有大約1.9μm錐形直徑的器件。
使用2D有限差分時域方法進行該模擬。重要的是要注意，這些模擬並沒有包括從2D空間地轉換到3D模擬的數字差異，因此可以希望實驗結果提供甚至更大的提取值。
圖5B示出了與具有底部反射器的未圖案化的LED相比的、作為晶格常數和填充分數的函數的總提取增強。與圖5A一樣，該結果突出了最佳操作範圍出現在節距為2500nm，填充分數為75％和利用位於QW下面的優化微空腔設計。
最後，圖5C表示對於具有錐形光子晶體結構的器件的在30°錐體中的光的百分比。可以看出，可以將器件發射的光的高達45％指向垂直於器件表面具有30°半角的中心錐體。與Lambertian發光器件相比較，這相當於84％以上的光在該指向性的錐體中。增加的指向性歸因於錐形的有序排列以及良好定義的錐形側壁角。與規則的直側壁、蝕刻的、空間杆狀(air rod)光子晶體LED相比較，有角度的側壁在30度錐體中提供了大約增加30％的光。
圖6A和6B是通過平面中的光分布的橫截面，其示出了有代表性的遠場圖案。該結果被繪製為沿x軸的遠場角601的函數，並且表示了光強度602被標準化為具有底部反射器的未圖案化的LED的光強度。相對於LED表面的垂線地定位該遠場圖案。圖6A示出了晶格常數為1500nm和錐形直徑為1120nm的LED的遠場圖案，與具有反射器和優化的微空腔的發光器件相比，其給出了x2.67的總提取增強。30°錐體的增強是x4.57且30°錐體包含總光提取光的40.5％。
圖6B示出了晶格常數為2500nm和錐形直徑為1870nm的LED的遠場圖案，除具有反射器和優化的微空腔的發光器件之外其給出了x3.61的總提取增強。30°錐體的增強為x5.45且30°錐體包含35.8％的總光。與Lambertian發光器件相比較，這相當於在指向性錐體中增加了46％的光。
對於配置為與簡單的Lambertian發射器、包括蝕刻的空間杆狀的第一有序光子晶體LED、和包括蝕刻錐形的錐形光子晶體LED相同的綠色GaN LED來說，下面的表1示出了窄30°錐角的發射光與總發射光的百分比的比較關係。在光子晶體器件的情況下，優化尺寸以提取30°錐體中的最大百分比的光。第一有序光子晶體尺寸包括具有節距350nm的晶格空間杆狀，空間杆狀的直徑大約為210nm和蝕刻深度大約為120nm，而錐形光子晶體尺寸為如上所述。
表1 可以看出，由於使用了更優的結構，會得到增加的指向性。
圖8A和8B表示當用微空腔發光器件優化光子帶結構時可實現的增加的光提取。在本實例中，將節距為500nm和具有簡單反射器的規則光子晶體與具有相同節距但還具有微空腔反射器的錐形光子晶體相比較。在圖8A和8B中，將總光增強802繪製為光子晶體填充分數801的函數。
圖8A中，實線803表示被標準化為具有反射器的未圖案化LED的輸出的光子晶體的總的提取增強。虛線804表示當與具有反射器的未圖案化LED比較時具有微空腔和反射器兩者的光子晶體的總的光提取增強。圖8B突出了由微空腔效果得到的增加的提取。虛線805示出了當包括微空腔時、被標準化為具有反射器和微空腔的未圖案化LED的光子晶體的增強的提取效果，與此相比，實線803示出了當被標準化為僅具有簡單反射器的未圖案化LED的結果時的同一器件的結果。從而可以清楚地看出歸因於組合效果的區別的增強。
圖9示例了減小錐形和倒錐形兩種類型的光子帶結構發光異質結構區域的厚度的效果。繪製了與具有反射器的無遮蔽平坦LED相比較的光提取902的增強與以納米改變LED異質結構中心厚度901的關係。清楚地看出，隨著異質結構厚度減小，光提取量增加。在本實例的情況下，對於所有異質結構厚度固定光子晶體圖案尺寸和幾何圖形，而且不使用微空腔效應。因此，明顯地，對於光提取，由於隨後會減小LED的有效厚度，因此將錐形結構蝕刻為異質結構是有利的。
在本發明的另一優選實施例中，提出新穎的高度有序的倒錐形光子晶體(PC)或準晶體圖案，與第一有序光子晶體圖案相比較，其提供了增強的光提取。該PC設計還允許調整由器件發射的遠場光分布。倒錐形的PC子區域和它們良好定義的瓦狀排列使得能夠以比Lambertian光源更準直的光束來從器件提取光。還將描述製造這種器件的簡單工藝。
在倒錐形直徑方面，高度有序的PC尺寸大於1.0μm，並且可以大於1.5μm或2.0μm，可以達到但不限制於3.0μm、3.5μm和4.0μm的尺寸。其取決於遠場圖案、LED厚度和在GaN異質結構的光產生區域內部的量子阱位置而改變。
圖10說明了提出的發光器件的橫截面，其包括以周期性的、準晶體、無定形的或其它複雜有序或重複的瓦狀排列在n摻雜的GaN或InGaN層中蝕刻的錐形1001。設計該倒錐形瓦狀排列以提供散射帶，其允許捕獲光耦合為錐形晶體的Bloch模式。一旦光被耦合為Bloch模式，光子晶體提供了將光向外耦合到自由空間的方法。
圖10示出的器件包括發光異質結構，其包括n-GaN或InGaN頂層1002和下p型GaN或InGaN層1004，在這些層之間具有多個量子阱(MQW)結構1003。在p型層104的下面，存在反射器層1005，它可以是例如銀的金屬反射器的形式或是DBR或全向反射器(ODR)形式。發光結構由載體襯底或底板1006支撐。在優選實施例中，載體襯底包括具有高熱傳導率的導電材料(例如金屬或金屬合金)或可選擇的矽或碳化矽。
另外，光子晶體可以包括具有缺陷的區域，就是說在該區域中移除了倒錐形或者更改了倒錐形的形狀或大小。子區域也可以包括具有未蝕刻尖頂點區域的倒錐形，產生了平頂(平頂)倒錐形。
該圖案化的特徵可以在於多個參數，其包括晶格節距a，被定義為分隔兩個相鄰的倒錐形中心的距離，和形成在GaN晶格的水平晶面和錐形結晶暴露面之間的角θ。在本發明的一個方面中，使用蝕刻停止層1007控制蝕刻深度。這允許精確控制底部處的倒錐形的直徑。對於給定的蝕刻深度d，錐形底部的直徑Φ為 φ＝2×d/tan(θ) (5) 本發明的另一方面是製造上述倒錐形類型的光子帶結構LED的簡單方法。圖11A到11J示出了可能的製造工藝的兩種變化。最初，通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或其它類似技術(例如MBE)在晶格匹配的襯底1110上生長n摻雜的GaN或InGaN層1101。通常所使用的襯底是藍寶石、GaN和SiC。在本發明的優選實施例中，由材料例如InGaN或AlGaN形成的蝕刻停止層409埋置在n-GaN層中。n-GaN或InGaN層在蝕刻停止上方繼續生長為層1108。在p型GaN層1103之後生長多個GaN-InGaN量子阱1102。圖11A示出了該階段生產的完整的LED異質結構疊層。
隨後如圖11B所示，在p-GaN層1103的頂部上沉積鏡1104。該反射器可以是金屬性的，其包括通過濺射或蒸發沉積的適當金屬層，例如銀或金。可選地，反射器可以包括分布的反饋反射器(DBR)或全向反射器(ODR)形式的電介質多層疊層。可以通過使用例如PECVD的技術的濺射來沉積這種結構。
如圖11C所示，隨後將圖11B的異質結構接合到襯底1105。因為能夠允許良好的熱和電傳導率，因此襯底1105優選為金屬合金，但可以包括其它材料例如SiC或Si。在接合操作之前，可以在鏡1104上沉積附加層以有助於接合處理。
在最後的常規製備步驟中，接著使用雷射剝離或其它類似的技術移除藍寶石襯底1110，以得到圖11D示出的異質結構。雖然通常缺少蝕刻停止層，但這種結構可以形成最終完整的常規器件。雷射剝離處理使n-GaN層1101的表面粗糙(一般為50nm到300nm的量級)。在更常規的器件中，可以使該表面進一步變粗糙以改善光提取。在本發明的一個方面，與表面粗糙度相比，光子帶結構錐形的尺寸更大，因此在圖案化之前不需要拋光該表面。
圖11E到11I或11J示出了製備根據本發明的最終器件需要的其它處理步驟，如圖11I和11J所示。對於其最終步驟示出在圖11I中的處理的實施例，在前述步驟11A到11H中不存在蝕刻停止層1109，但對於獲得圖11J示出的器件的處理的實施例，則存在蝕刻停止層1109。
圖11E示出了掩模層的沉積。尤其示出了可選的方法步驟，由此，沉積硬掩模層1106，用於隨後將期望的圖案轉印到n-GaN層1101。這可以包括通過PECVD沉積的SiO2或Si3N4或者可以是通過濺射或蒸發而沉積的金屬。隨後在硬掩模1106上沉積光刻膠層1107。然而，在某些情況下，可以使用硬掩模層，且在n-GaN層1101上直接沉積光刻膠層1107。
由於倒錐形的特徵在於尺寸大，可以使用標準的UV光刻曝光該光刻膠層1107，從而以期望的瓦狀排列將其圖案化。曝光區域的橫向形狀可以符合期望的倒錐形的橫截面形狀，或者可以是其他更簡單的形狀，例如方形。隨後顯影該曝光的光刻膠，留下對應於倒錐形頂點期望位置的隔離島材料，如圖11F所示。如果存在硬掩模1106，則使用RIE、ICP或者類似的工藝將其幹蝕刻。該步驟將圖案從光刻膠1107轉印到硬掩模1106，如圖11G所示。之後剝去剩下的光刻膠1107。
在這之後，使用各向異性的溼蝕刻結晶地溼蝕刻n-GaN層1101，如圖11H所示。溼蝕刻GaN的優選方法是使用蝕刻室溫度為從室溫到100℃範圍的、濃度從1M到8M範圍的KOH溶液。蝕刻時間範圍大約為45分鐘。可選擇的溼蝕刻劑包含NaOH或H3PO4。通過蝕刻工藝形成的六角倒錐形的晶面是GaN晶體的{10-1-1}面。它們與錐形底部形成58.4°角。最後，如果使用硬掩模1106，則使用適當的溼或幹蝕刻工藝將其移除，留下圖11I示出的最終結構。
主要通過蝕刻的硬掩模區域的尺寸確定倒錐形的絕對尺寸。硬掩模的周邊將提供蝕刻停止阻擋且允許GaN的頂表面(c面)向下蝕刻形成倒錐形。倒錐形的標準化直徑將等於在蝕刻的硬掩模區域的周邊上任意兩點之間對向(subtend)的最大距離。其次，還通過不同晶面的選擇性蝕刻率和隨之發生的總蝕刻時間來確定倒錐形的直徑。
在可選的實施例中，存在埋置在位於層1101和1108之間的n摻雜材料中的蝕刻停止層1109。蝕刻停止層包括例如AlGaN、InGaN的材料，但也可以使用其它適合的材料。當蝕刻時間確定了倒錐形的絕對直徑時，蝕刻停止層1109的存在允許形成截斷的倒錐形(倒平頂錐形)，還允許精確控制錐形結構的高度。圖11J示出了蝕刻並移除硬掩模之後的最終結構。圖11J中的插圖示出了截斷的倒錐形結構的放大頂視圖。
圖14示出了用該方法生產的其中一個倒錐形的SEM顯微圖。在這種情況下，使用優選的製備實施例隔離並形成錐形體，其具有701示出的晶體{10-1-1}面。
在優選實施例中，包括層1101、1109和1108的複合的n-GaN上部區域位於發光結構的上方。因此，光從層1102發出並且在最終通過區域1101出射之前其經受了多重內反射。
為了形成高質量的量子阱(QW)層，需要厚的n-GaN生長區域來減少缺陷密度，從而改善LED的內部量子效率。出於方便製造的考慮，上部區域(層1101、1109和1108)充當易受損的QW區域1102的保護層，在溼蝕刻倒錐形期間防止損壞並最小化QW區域中的表面再結合。通過減小了最大的有效發光面積，進入QW區域中的蝕刻還不利地影響了LED的總發光輸出。
另外，對於光提取的改善，所需要的倒錐形尺寸為具有以2.5μm節距集中的1.75μm量級的直徑。該尺寸限制了層1101的最小厚度，因此優選倒錐形位於厚的n-GaN層中。而且，為了改善光提取，通過蝕刻減小LED中波導區域的總厚度減少了異質結構中的捕獲模式數。這允許光子帶結構重疊更大百分比的捕獲模式，從而產生了改善的光提取，如圖15所示。另外，n-GaN還是高傳導性的，且這種特性使得將被沉積在光子帶結構頂表面上的單獨電流傳播層的需要最小化，該需要將不利地影響器件的光提取。
圖12A、12B和12C示出了數字模擬的結果，其說明了典型的倒錐形光子帶結構器件的性能。z軸示出了與具有反射器的未圖案化的LED比較的總提取增強因素。沿作為光子帶結構的節距(nm)的函數的y軸1202繪製結果圖。填充分數被定義為直徑/節距＊100。
圖12A示出了與具有底部反射器的未圖案化的LED比較的倒錐形光子晶體在中心30°椎體中的提取增強，其為晶格常數a和填充分數的函數。對於節距為1500nm和填充分數為100％且利用了位於在d＝0.6/λn～131nm位置處的QW區域下面的優化微空腔設計來說，該結果示出了最大增強為4.90。這些參數相當於間隔1.5μm節距的具有大約1.5μm倒錐形直徑的器件。
與錐形實例一樣，使用2D有限差分時域方法進行該模擬，因此在這種情況下還可以希望實驗結果提供甚至更大的提取值。
圖12B示出了與具有底部反射器的未圖案化的LED相比的、作為晶格常數和填充分數的函數的總提取增強。與圖12A一樣，該結果突出了最佳操作範圍出現在節距為1500nm，填充分數為100％和利用位於QW下面的優化微空腔設計。
最後，圖12C表示對於具有倒錐形光子晶體結構的器件的在30°錐體中的光的百分比。可以看出，可以將器件發射的光的高達39％指向垂直於器件表面具有30°半角的中心錐體。與Lambertian發光器件相比較，這相當於增加了57％的光在該指向性的錐體中。增加的指向性歸因於倒錐形的有序排列以及良好定義的倒錐形側壁角。與規則的直側壁、蝕刻的、空間杆狀光子晶體LED相比較，有角度的側壁在30度錐體中提供了大約增加15％的光。
圖13是通過對於倒錐形的平面中的光分布的橫截面，其示出了有代表性的遠場圖案。該結果被繪製為沿x軸的遠場角1301的函數，並且表示了光強度1302被標準化為具有底部反射器的未圖案化的LED的光強度。相對於LED表面的垂線地定位該遠場圖案。圖13示出了晶格常數為1500nm和錐形直徑為1500nm的LED的遠場圖案，除具有反射器和優化的微空腔的發光器件之外，其給出了x2.98的總提取增強。30°錐體的增強是x4.85且30°錐體包含總光提取光的48.6％。
對於配置為與簡單的Lambertian發射器、包括蝕刻的空間杆狀的第一有序光子晶體LED、和包括蝕刻倒錐形的倒錐形光子晶體LED相同的綠色GaN LED來說，下面的表2示出了窄30°錐角的發射光與總發射光的百分比的比較關係。在光子晶體器件的情況下，優化尺寸以提取30°錐體中的最大百分比的光。第一有序光子晶體尺寸包括具有節距350nm的晶格空間杆狀，空間杆狀的直徑大約為210nm和蝕刻深度大約為120nm，而倒錐形光子晶體尺寸為如上所述。
表2 可以看出，由於使用了更優的結構，會得到增加的指向性。
圖15A和15B表示當用微空腔發光器件優化光子帶結構時可實現的增加的光提取。在本實例中，將節距為500nm和具有簡單反射器的規則光子晶體與具有相同節距但還具有微空腔反射器的倒錐形光子晶體相比較。在圖15A和15B中，將總光增強1502繪製為光子晶體填充分數1501的函數。
圖15A中，實線1503表示被標準化為具有反射器的未圖案化LED的輸出的光子晶體的總的提取增強。虛線1504表示當與具有反射器的未圖案化LED比較時具有微空腔和反射器兩者的光子晶體的總的光提取增強。圖15B突出了由微空腔效果得到的增加的提取。虛線1505示出了當包括微空腔時、被標準化為具有反射器和微空腔的未圖案化LED的光子晶體的增強的提取效果，與此相比，實線1503示出了當被標準化為僅具有簡單反射器的未圖案化LED的結果時的同一器件的絡果。從而可以清楚地看出歸因於組合效果的區別的增強。
技術人員應該意識到，本發明允許要實現的高效的和方向性的發光器件，因此實際上將它們作為可以存在光源的可選(固態)光源。本發明指出了錐形突起的詳細設計和倒錐形蝕刻和它們的瓦狀排列，其產生了能夠優化有效光接入，同時允許控制器件發射光的傳播和遠場特性的光子帶。通過提供製造該器件的簡單的圖案化和蝕刻工藝進一步提高該器件的實用性，而且它可以容易地用於補充製造更多常規器件的現有技術。
權利要求
1.一種發光器件(LED)，包括
第一層，包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料；
第二層，包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料；和
位於第一和第二層之間的光產生層，
其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出，第一層還包括第一半導體材料的自上表面的錐形或者平頂錐形突起的瓦狀排列，其被具有與第一半導體材料不同折射率的材料包圍，其中突起的瓦狀排列和周圍材料包括光子帶結構，且其中突起和它們的瓦狀排列被配置為使得穿過上表面從LED結構射出的光大體上比Lambertian光源的光更具有指向性。
2.一種發光器件(LED)，包括
第一層，包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料；
第二層，包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料；和
位於第一和第二層之間的光產生層，
其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出，第一層還包括從所述上表面向光產生層延伸的第一半導體材料中的倒錐形或者倒平頂錐形缺口的瓦狀排列，且包括具有與第一半導體材料不同折射率的材料，其中缺口的瓦狀排列和周圍第一半導體材料包括光子帶結構，且其中設置缺口和它們的瓦狀排列，使得穿過上表面從LED結構射出的光大體上比Lambertian光源的光更具有指向性。
3.根據權利要求1或2的LED，其中所述瓦狀排列包括光子晶體、光子準晶體或無定形瓦狀圖案。
4.根據權利要求3的LED，其中瓦狀排列包括光子晶體、光子準晶體、或無定形瓦狀圖案的重複單元。
5.根據前述任一權利要求的LED，其中瓦狀排列包括缺陷。
6.根據權利要求1至5中任一項的LED，其中突起或缺口具有大於1.0μm的尺寸。
7.根據權利要求1至5中任一項的LED，其中突起或缺口具有大於1.5μm的尺寸。
8.根據權利要求1至5中任一項的LED，其中突起或缺口具有大於2.0μm的尺寸。
9.根據權利要求1至5中任一項的LED，其中突起或缺口具有大於2.5μm的尺寸。
10.根據權利要求1至9中任一項的LED，其中瓦狀排列的節距大於1.5μm。
11.根據權利要求1至9中任一項的LED，其中瓦狀排列的節距大於2.0μm。
12.根據權利要求1至9中任一項的LED，其中瓦狀排列的節距大於2.5μm。
13.根據權利要求1至9中任一項的LED，其中瓦狀排列的節距大於3.0μm。
14.根據前述任一權利要求的LED，還包括鄰近第二半導體材料的第二層布置的光反射器，使得第二層位於光產生層和反射器之間。
15.根據權利要求14的LED，其中光產生層和光反射器之間的間隔距離包括微空腔，其增加了向第一層的上表面傳播的產生光的量。
16.根據權利要求15的LED，其中設置突起或缺口和它們的瓦狀排列被配置為優化地與微空腔效應配合以進一步增強從LED的光提取的效率。
17.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的35％以上在與表面法線具有30°半角的錐體內。
18.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的37％以上在與表面法線具有30°半角的錐體內。
19.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的38％以上在與表面法線具有30°半角的錐體內。
20.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的40％以上在與表面法線具有30°半角的錐體內。
21.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的分布集中在與上表面成小於或等於60°的角處。
22.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的分布集中在與上表面成小於或等於50°的角處。
23.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的分布集中在與上表面成小於或等於40°的角處。
24.根據權利要求1至16中任一項的LED，其中穿過上表面從LED結構射出的光的分布集中在與上表面成小於或等於30°的角處。
25.根據前述任一權利要求的LED，其中第一層包括在第一半導體材料的預定深度處埋置的蝕刻停止材料層，以使得由第一半導體材料形成的突起從蝕刻停止材料層的表面延伸或者使得第一半導體材料中的缺口僅延伸到蝕刻停止材料層的表面。
26.根據前述任一權利要求的LED，其中第一半導體材料包括n摻雜的GaN且第二半導體材料包括p摻雜的GaN。
27.一種製備具有根據權利要求1的突起的第一層的發光器件(LED)的方法，該方法包括如下步驟
提供發光器件異質結構，其包括第一層，包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料，第二層，其包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料，和布置在第一和第二層之間的光產生層，其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，並且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出，
在第一層上形成蝕刻掩模，該掩模包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的掩模材料的島，其中形成掩模的步驟包括如下步驟
在第一層上方沉積光刻膠層；
根據預定瓦狀排列通過曝光來圖案化光刻膠；和
移除未曝光的光刻膠以在對應於預定瓦狀排列的位置處留下光刻膠的島；
通過沿預定晶面各向異性地溼蝕刻第一半導體材料到預定深度，在掩模材料島下面的位置處在第一層中形成第一半導體材料的錐形或平頂錐形突起；以及
移除掩模材料島以留下錐形或平頂錐形突起的預定瓦狀排列，其與不同折射率的周圍材料組合地包括光子帶結構。
28.根據權利要求27的方法，其中形成蝕刻掩模的步驟還包括如下步驟
在沉積光刻膠層的步驟之前，在第一層上方沉積硬掩模材料層；
在移除光刻膠的步驟之後移除硬掩模材料，以留下在光刻膠島下面的硬掩模材料島；和
移除剩餘的光刻膠島以留下蝕刻掩模，所述蝕刻掩模包括在對應於預定瓦狀排列位置處的硬掩模材料的島。
29.一種製備具有根據權利要求2的缺口的第一層的發光器件(LED)的方法，該方法包括如下步驟
提供發光器件異質結構，其包括第一層，所述第一層包括具有第一類型摻雜的第一半導體材料，第二層，所述第二層包括具有第二類型摻雜的第二半導體材料，以及布置在第一和第二層之間的光產生層，其中第一層具有遠離光產生層的上表面和接近光產生層的下表面，且其中在光產生層中產生的光穿過第一層的上表面從LED結構射出，
在第一層上形成蝕刻掩模，該掩模包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的缺失掩模材料的島，其中形成掩模的步驟包括如下步驟
在第一層上方沉積光刻膠層；
根據預定瓦狀排列通過曝光來圖案化光刻膠；和
移除未曝光的光刻膠以在對應於預定瓦狀排列的位置處留下缺失光刻膠的島；
通過沿預定晶面各向異性地溼蝕刻第一半導體材料到預定深度，在缺失掩模材料的島下面的位置處在第一層中形成第一半導體材料的錐形或平頂錐形缺口；和
移除剩餘的掩模材料以留下第一半導體材料中的倒錐形或倒平頂錐形缺口的預定瓦狀排列，該缺口包括與周圍第一半導體材料的折射率不同的材料並且它們一起包括光子帶結構。
30.根據權利要求29的方法，其中形成蝕刻掩模的步驟還包括如下步驟
在沉積光刻膠層的步驟之前，在第一層上方沉積硬掩模材料層；
在移除光刻膠的步驟之後移除硬掩模材料，以留下在缺失光刻膠的島下面的缺失硬掩模材料的島；和
移除剩餘的光刻膠以留下蝕刻掩模，所述蝕刻掩膜包括在對應於預定瓦狀排列的位置處的缺失硬掩模材料的島。
31.根據權利要求27至30中任一項的方法，其中發光器件異質結構的第一層包括在第一半導體材料中在預定深度處埋置的蝕刻停止材料層。
32.根據權利要求31的方法，其中所述預定深度對應於發光器件的期望厚度。
33.根據權利要求31的方法，其中所述預定深度對應於平頂錐形突起或倒平頂錐形缺口的期望形狀。
34.根據權利要求27至33中任一項的方法，其中使用倒裝晶片工藝製備發光器件異質結構。
全文摘要
描述了一種發光器件(LED)，其包括布置在每個具有不同類型摻雜的第一和第二層半導體材料之間的光產生層。第一層的上表面具有半導體材料的錐形或者平頂錐形突起的瓦狀排列，其被與半導體材料的折射率不同的材料包圍，或者具有用不同折射率的材料填充的半導體材料中的倒錐形或倒平頂錐形缺口的瓦狀排列。每個都包括光子帶結構。設置突起或者缺口和它們的瓦狀排列，用於經由第一層的上表面有效地提取器件的光，和具有發光外形的光束，其比Lambertian光源更具指向性。為了利用微空腔效應，增強的器件使用在第二層下面的反射器。還描述了製備該器件的方法，其使用各向異性的溼蝕刻以產生錐形突起或者倒錐形缺口。
文檔編號H01L33/20GK101606248SQ200780049589
公開日2009年12月16日 申請日期2007年11月27日 優先權日2006年11月28日
發明者J·邁肯齊, T·李, M·祖羅布 申請人:旭晶光科技股份有限公司