一种半导体器件的制作方法
【专利摘要】本公开涉及一种半导体器件。要解决的一个技术问题是提供用于改进半导体层的生长的图案化表面。该半导体器件包括衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口，以及其中多个平坦的顶表面中的至少一个或者多个底表面中的至少一个被图案化用于具有对应于器件工作波长的辐射。本实用新型的一个方面的技术效果是，通过使用改进的图案化表面和构造用来在图案化表面上进行导波辐射的至少一个表面可以提高半导体器件的光学性质。
【专利说明】
一种半导体器件
技术领域
[0001]本公开总体涉及一种半导体器件，并且更具体地，涉及一种具有用于层生长(比如III族氮化物层)和发射器件生长的图案化衬底设计的半导体器件。
【背景技术】
[0002]半导体发射器件(比如发光二极管(LED)和激光二极管(LD))包括由II1-V族半导体构成的固态发射器件。II1-V族半导体的子集包括III族氮化物合金，其可以包括铟(In)、铝(Al )、镓(Ga)和氮(N)的二元、三元和四元合金。说明性的基于III族氮化物的LED和LD可以是InyAlxGaityN的形式，其中X和y表示给定元素的摩尔分数，O < x，y < I，并且O < x+y <
I。其它说明性的基于III族氮化物的LED和LD是基于硼(B)的氮化物(BN)，并且可以是GazInyAlxB1-X—y—ZN的形式，其中O < x,y,z < 1，并且O < x+y+z < I。
[0003]LED典型地由半导体层构成。在LED工作期间，在掺杂层两端施加的偏置导致电子和空穴注入有源层，在此电子-空穴复合导致生成光。光以均匀的角分布生成并且通过在所有方向穿过半导体层而从LED管芯选出。每个半导体层具有对不同元素的特定摩尔分数(比如，x，y和z)的组合，这影响层的光学性质。尤其是，层的折射率和吸收特性对半导体合金的摩尔分数很敏感。
[0004]两层之间的界面被定义为半导体异质结。在界面处，假定由离散量改变摩尔分数的组合。其中摩尔分数的组合连续改变的层被认为是缓变的(graded)。半导体合金的摩尔分数的改变能够允许对带隙控制，但可能导致材料的光学性质的突变从而导致光俘获。层之间以及衬底及其周围之间的折射率的大改变导致较小的全内反射(TIR)角(假定光从高折射率材料行进到低折射率材料)。小的TIR角导致从界面边界反射大部分的光线，由此导致光俘获及其后被层或LED金属接触吸收。
[0005]界面处的粗糙度通过提供附加表面能够允许部分减轻光俘获，光通过这些附加表面能够逃逸而不是从界面发生全内反射。尽管如此，由于菲涅尔损耗(Fresnel losses)，即使光并不经受TIR，它也仅能够部分传输通过界面。菲涅尔损耗与所有入射光角在界面处部分反射的光有关。界面每一侧上的材料的光学性质确定了菲涅尔损耗的幅值，这可以是传输光的重要部分。界面处的粗糙度也允许部分减轻半导体层中应力场的积累。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的一个方面的目的是提供用于改进半导体层(比如，基于III族氮化物的半导体层)的生长的图案化表面。该图案化表面可以包括一组基本上平坦的顶表面和多个开口。每个基本上平坦的顶表面可以具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度，并且开口可以具有在约0.1微米到5微米之间的特征尺寸。
[0007]根据本实用新型的一个方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口，其中，所述多个平坦的顶表面中的每一个包括具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度的一组区，其中，所述多个开口具有在约0.1微米和5微米之间的特征尺寸，并且其中，所述多个平坦的顶表面中的至少一个或者所述多个底表面中的至少一个具有光子晶体图案，所述光子晶体图案形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。
[0008]在一个实施例中，所述衬底由以下中的一种所形成:蓝宝石、硅、锗、碳化硅、III族氮化物或没食子酸锂。
[0009]在一个实施例中，所述半导体器件还包括直接在所述衬底的所述图案化表面上形成的III族氮化物层。
[0010]在一个实施例中，所述光子晶体图案由形成多个区的一组沟槽形成，其中所述多个区中的每一个具有在辐射波长的+/-10%以内的特征尺寸。
[0011 ]在一个实施例中，所述一组沟槽用填充剂材料至少部分填充。
[0012]在一个实施例中，所述一组沟槽中的每一个包括以下中的至少一个:三角形截面；梯形截面;或圆角梯形截面。
[0013]在一个实施例中，所述一组沟槽中的每一个沟槽完全横跨对应的所述多个平坦的顶表面中的至少一个或所述多个底表面中的至少一个。
[0014]在一个实施例中，所述一组沟槽包括多个沟槽，其中所述多个沟槽中的至少两个以非直角的角度相互相交。
[0015]在一个实施例中，所述光子晶体图案由多个孔形成。
[0016]在一个实施例中，所述器件被构造来用作为以下中的一种:发光二极管，激光二极管或超发光的发光二极管，并且其中所述波长对应于在器件工作期间发射的辐射的峰值波长。
[0017]根据本实用新型的另一方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底，所述衬底具有图案化表面，所述图案化表面包括:多个突出区，所述多个突出区中的每一个具有平坦的顶表面;一组沟槽，所述一组沟槽形成在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中；和多个开口，所述多个开口位于所述多个突出区之间并隔开所述多个突出区。
[0018]在一个实施例中，所述半导体器件还包括填充剂材料，所述填充剂材料至少部分填充在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中形成的所述一组沟槽。
[0019]在一个实施例中，所述填充剂材料包括与所述多个突出区的所述平坦的顶表面对齐的高度。
[0020]在一个实施例中，所述一组沟槽在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中形成多个子区，其中所述多个子区中的每一个具有在辐射波长的+/-10%以内的特征尺寸。
[0021 ]在一个实施例中，对于所述多个突出区中的每一个，所述一组沟槽占据所述平坦的顶表面的面积的5 %与50 %之间。
[0022]在一个实施例中，所述一组沟槽包括大于或等于I纳米的深度。
[0023]在一个实施例中，所述一组沟槽包括大于或等于I纳米的宽度。
[0024]根据本实用新型的又另一方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，所述图案化表面包括:多个平坦的顶表面;多个孔，所述多个孔形成在所述多个平坦的顶表面中的每一个中；填充剂材料，所述填充剂材料至少部分填充所述多个孔中的每一个;和多个开口，所述多个开口位于所述多个平坦的顶表面之间并隔开所述多个平坦的顶表面，其中，所述多个平坦的顶表面和填充剂材料具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度，以及其中，所述多个开口具有在约0.1微米与5微米之间的特征尺寸。
[0025]在一个实施例中，所述多个孔包括圆形几何形状。
[0026]在一个实施例中，所述多个孔形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。
[0027]本实用新型的一个方面的技术效果是，通过使用用于生长形成半导体器件的高质量半导体层的改进图案化表面以及构造来在该图案化表面上进行波导辐射的至少一个表面来提高半导体器件(比如半导体发射器件)的光学性质。
[0028]本实用新型的说明性方面被设计来解决此处所述的一个或多个问题和/或未被讨论的一个或多个其它问题。
【附图说明】
[0029]本公开的这些和其它特点将从以下对本实用新型的各个方面的详细叙述结合描述本实用新型的各个方面的附图而容易得到理解。
[0030]图1示出了根据实施例的说明性发射器件的示意性结构。
[0031]图2示出了根据实施例的衬底的说明性图案化表面的线性扫描图。
[0032]图3示出了根据实施例的衬底的说明性图案化表面的二维扫描图。
[0033]图4示出了根据实施例的衬底的说明性图案化表面的三维扫描图。
[0034]图5示出了根据第二实施例的衬底的说明性图案化表面的侧视图。
[0035]图6示出了根据第二实施例的衬底的说明性图案化表面的二维顶视图。
[0036]图7示出了根据实施例的位于衬底与缓冲层之间的说明性界面的示意性表示。
[0037]图8示出了根据实施例在图案化表面上生长3μπι的层之后的说明性二维扫描图。
[0038]图9示出了根据实施例在图案化表面上生长5μπι的层之后的说明性二维扫描图。
[0039]图10示出了根据第三实施例的衬底的说明性图案化表面的二维顶视图。
[0040]图1lA和IlB分别示出了根据实施例的说明性粗糙元和用于粗糙元的说明性模型。[0041 ]图12Α和12Β分别示出了根据实施例的说明性图案化表面的侧视图和顶视图，而图12C示出了根据实施例的说明性沟槽的三维描述。
[0042]图13A-13C示出了根据实施例的说明性的基本上平坦的顶表面。
[0043]图14示出了根据实施例的用于制备电路的说明性流程图。
[0044]注意，附图未必按比例绘制。这些附图意在仅仅描述本实用新型的典型方面，且因此不应当视为限制本实用新型的范围。在附图中，相同数字代表附图之间相同元件。
【具体实施方式】
[0045]如前所示，本实用新型的各个方面提供了一种用于改进半导体层(比如基于III族氮化物的半导体层)的生长的图案化表面。该图案化表面可以包括一组基本上平坦的顶表面和多个开口。每个基本上平坦的顶表面可以具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度，并且开口可以具有在约0.1微米与5微米之间的特征尺寸。如在此处所用的，除非另外说明，术语“组”意味着一个或多个(即，至少一个)且短语“任何方案”意味着任何现今已知的或以后发展的方案。
[0046]来看视图，图1示出了根据实施例的说明性发射器件10的示意性结构。在更特定的实施例中，发射器件10被构造成用作发光二极管(LED)，比如常规的或超发光LED。可替代地，该发射器件10可以被构造成用作激光二极管(LD)。在任一种情况下，在发射器件10工作期间，施加堪比带隙的偏置使得电磁辐射从发射器件10的有源区18发射。由发射器件10发射的电磁辐射可以包括在任何波长范围内(包括可见光、紫外辐射、深紫外辐射、红外光等)的峰值波长。
[0047]发射器件10包括异质结构，其包括衬底12、邻近衬底12的缓冲层14、邻近缓冲层14的η型包覆层16(比如，电子供应层)和有源区18，有源区18具有邻近η型包覆层16的η型侧19Α。另外，发射器件10的异质结构包括P型层20(比如电子阻挡层)和P型包覆层22(比如空穴供应层)，ρ型层20邻近有源区18的P型侧19Β且P型包覆层22邻近P型层20。
[0048]在更特定的说明性实施例中，发射器件10是基于II1-V族材料的器件，其中各层中的一些或所有层由从II1-V族材料系中选出的元素形成。在另一更特定的说明性实施例中，发射器件10的各层由基于III族氮化物的材料形成。该III族氮化物材料包括一种或多种III族元素(比如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)以及铟(In))和氮(N)，以成为BwAlxGaYInzN，其中OSW，X，Y，Z < I，并且W+X+Y+Z = I。说明性的III族氮化物材料包括具有任何摩尔分数的III族
[0049 ]基于III族氮化物的发射器件1的说明性实施例包括有源区18 (比如一系列交替的量子阱和势皇)，该有源区18由InyAlxGa1-x—YNXazInyAlxB1-x—y—zN、AlxGai—XN半导体合金等构成。类似地，η型包覆层16和P型层20两者都可以由InyAlxGa1-x—yN合金、GazInyAlxB1-x—y—ZN合金等构成。由x、y、z给出的摩尔分数可以在不同层16、18和20之间变化。衬底12可以是蓝宝石、硅(Si)、锗、碳化硅(SiC)、AlN、GaN、BN、AlGaN、AlInN、A10N、LiGa02、AlGaBN、AlGaInN、AlGaInBN或另外合适的材料，并且缓冲层14可以由AlN、AlGaN/AlN超晶格等构成。
[0050]如参考发射器件10所示的那样，P型金属24可以附着到P型包覆层22，并且P型接触26可以附着到P型金属24。类似地，η型金属28可以附着到η型包覆层16，并且η型接触30可以附着到η型金属28。？型金属24和η型金属28可以分别形成与相应的层22、16的欧姆接触。在实施例中，P型金属24和η型金属28每个都包括几个导电和反射金属层，而η型接触30和P型接触26每个都包括高导电金属。在实施例中，P型包覆层22和/或P型接触26可以对有源区18生成的电磁辐射至少部分透明(比如半透明或透明)。例如，P型包覆层22和/或P型接触26可以包括短周期超晶格结构，比如至少部分透明的掺杂镁(Mg)的AlGaN/AlGaN短周期超晶格结构(SPSL)。另外，P型接触26和/或η型接触30可以至少部分反射有源区18生成的电磁辐射。在另一实施例中，η型包覆层16和/或η型接触30可以由短周期超晶格(比如，AlGaNSPSL)形成，它对有源区18生成的电磁辐射至少部分透明。
[0051]如此处所使用的那样，当层允许在相应的辐射波长的范围中的至少一部分电磁辐射从中通过时，层为至少部分透明的。例如，层可以被构造成对对应于有源区18发射的光(比如，紫外光或深紫外光)的峰值发射波长的辐射波长范围(比如峰值发射波长+/-5纳米)能够至少部分透明。如此处所使用的那样，如果层允许大于约0.5%的辐射能够通过其中，则层对辐射是至少部分透明的。在更特定的实施例中，至少部分透明层被构造成允许大于约5%的辐射通过其中。类似地，当层反射至少一部分的相关电磁辐射(比如具有接近于有源区的峰值发射波长的光)时，层是至少部分反射的。在实施例中，至少部分反射层被构造成能反射至少5%的福射。
[0052]如进一步参考发射器件10所示的那样，器件10可以经过接触部26、30安装到基板36上。在这种情况中，衬底12位于发射器件10的顶部上。至此，P型接触26和η型接触30两者分别通过接触衬垫32、34都能附着到基板36上。基板36可以由氮化铝(Α1Ν)、碳化硅(SiC)等形成。
[0053]发射器件10的各层中的任一层可以包括基本上均匀的组成或缓变组成。例如，层可以在与另一层的异质界面处包括缓变组成。在实施例中，P型层20包括具有缓变组成的P型阻挡层。可以包括这种缓变组成以比如减小应力、改善载流子注入等。类似地，层可以具有包括多个周期的超晶格，其能被构造成减小应力等。在这种情况中，组成和/或每个周期的宽度可以在各个周期之间进行周期性的或非周期性的变化。
[0054]可以理解，此处所叙述的发射器件10的层构造仅仅是说明性的。至此，发射器件/异质结构可以包括交替的层构造、一个或多个附加层等。其结果是，虽然各个层显示为彼此紧邻(例如，彼此接触)，但是可以理解，一个或多个中间层可以存在于发射器件/异质结构中。例如，说明性的发射器件/异质结构可以包括在有源区18与P型包覆层22和电子供应层16中的一个或两者之间的非掺杂层。
[0055]此外，发射器件/异质结构可以包括分布式布拉格反射器(DBR)结构，其可以被构造成反射(一个或多个)特定波长的光(比如由有源区18发射的那些光)，由此提高了器件/异质结构的输出功率。例如，DBR结构可以位于P型包覆层22与有源区18之间。类似地，器件/异质结构可以包括位于P型包覆层22与有源区18之间的P型层。DBR结构和/或P型层可以包括基于器件/异质结构生成的光所需波长的任何组成。在一个实施例中，DBR结构包括Mg、Mn、Be或掺杂Mg+Si的P型组成。P型层可以包括P型AlGaN、AlInGaN等。可以理解，器件/异质结构可以包括DBR结构和P型层(它可以位于DBR结构和P型包覆层22之间)两者或可以仅包括DBR结构或P型层中的一个。在实施例中，P型层可以包括在器件/异质结构中来替代电子阻挡层。在另一实施例中，P型层可以包括在P型包覆层22和电子阻挡层之间。
[0056]尽管如此，如图1所示，器件10可以包括具有图案化表面40的衬底12。图案化表面40可被构造用来:提供衬底12和邻近层(比如缓冲层14)之间的应力积累的松弛;产生具有较低密度的位错的半导体层，比如缓冲层14等。在实施例中，图案化表面40包括一组顶表面(比如顶表面42)和多个开口 44，开口 44破坏了该组顶表面42的连续性。如此处所述的那样，该组顶表面42中的每一个可以是基本上平坦的，它们可以被构造来提供一组外延准备的(比如准备用于外延层生长)顶表面42，用于缓冲层14的生长。例如，对由蓝宝石形成的衬底和由铝的氮化物形成的缓冲层，该组顶表面42能够具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度。
[0057]图2-4分别示出了根据实施例的衬底12(图1)的说明性图案化表面40A的线性、二维和三维扫描图。在这种情况中，图案化表面40A由多个突出区(比如区46)和在突出区46之间的多个开口44所形成。每个突出区46可以包括基本上平坦的顶表面42。如此处所用的，突出区46的顶表面42是指区46与衬底12最远的表面。
[0058]如图所示，每个突出区46可以包括六边形截面图案，并且多个突出区46能够形成六边形图案。然而可以理解，突出区46可以包括各种类型/形状的截面图案中的一个或多个的任何组合并形成任何类型的图案。此外，每个突出区46被示出为具有约3.6微米(μπι)宽的基部48，具有约2.Ομπι宽和约0.65μπι高的顶表面42。在实施例中，多个突出区46的特征尺寸在约0.1微米与约5.0微米之间。此外，多个突出区46之间的多个开口 44的特征尺寸可以具有小于或等于多个突出区46的特征尺寸的尺寸。
[0059]图5和6分别示出了根据第二实施例的衬底12(图1)的说明性图案化表面40Β的侧视图和二维顶视图。在这种情况中，图案化表面40Β包括顶表面42，在其中形成有多个开口44。开口 44可以相互间隔开小于顶开口 45直径约2倍的距离。在实施例中，每个开口 44可以具有直径约为2.Ομπι的顶开口45和直径约1.5μηι的底表面47。此外，开口44可以相互间隔开中心到中心约3.5μπι的距离。如图6所示，这些开口具有基本上圆形的截面，且形成为六边形图案。然而，可以理解，开口 44可以包括各种类型/形状的截面图案中的一个或多个的任何组合且可以形成任何类型的图案。
[0060]图案化表面40Α、40Β可以采用任何方案来形成。例如，对由蓝宝石、AlN等形成的衬底12(图1)，图案化表面40Α、40Β可以采用光刻和刻蚀的组合来形成。在实施例中，采用光刻和湿法化学刻蚀来形成图案化表面40Α。然而，可以理解，可以使用其它类型的光刻(比如电子束、步进光刻)和/或其它类型的刻蚀(如干法刻蚀)。
[0061]在制备器件10(图1)期间，半导体层(比如缓冲层14(图1))直接在衬底12的图案化表面40上形成。在实施例中，层14包括III族氮化物层(比如AlN、AlGaN、AlGaBN、AlInN、AlGaInN、AlGaInBN等)，其直接在图案化表面40(图1)上生长。通过直接在图案化表面40上生长层14，层14可以包括材料的单晶层。
[0062]层14可以采用任何方案来形成。在实施例中，层14采用外延工艺来直接在衬底12的图案化表面40上生长，这有助于层14的横向生长。在实施例中，用于生长III族氮化物层14的外延工艺包括材料淀积工艺，它从由以下工艺组成的组中选出:金属有机化学气相淀积(M0CVD)、分子束外延(MBE )、氢化物气相外延(HVPE)或MOCVD、MBE或HVPE的任何一个的变型版本。此外，外延工艺可以以如下条件执行:约400摄氏度与约1500摄氏度之间的温度;约1x10—5托与约1000托之间的压力等。在更特定的实施例中，温度在约1000摄氏度与约1300摄氏度之间，并且压力在约20托与约100托之间，并且每个均能在外延工艺期间变化。另外，夕卜延工艺可以将生长室中的氨和III族元素之间的通量比使用为在约1-10000之间。在更特定的实施例中，通量比在约250-5000之间，并且可以在外延工艺期间变化。
[0063]在实施例中，基于缓冲层14的一个或多个生长属性和/或光提取的考虑来构造图案化表面40的一个或多个属性。为此，图7示出了根据实施例的位于衬底12和缓冲层14之间的说明性界面的示意性表示。在这种情况中，衬底12的图案化表面40A可以采用本文所述的多个突出区46来形成。然而，可以理解，在形成图案化表面46B(图5和6)中可以采用相似的考虑。尽管如此，开口 44可以包括在邻近突出区46的顶表面42之间的距离D，它可以基于在此期望缓冲层14接合的位置的角Θ和高度H来进行选择。在实施例中，距离D选择为使得能满足如下公式:D/2 = H*tan?。对于由蓝宝石形成的衬底12和包含铝的氮化物的缓冲层14，角Θ可以约为10度并且高度H可以约为4.25μπι。这样的高度H可以将缓冲层14中的一些位错驱赶到缓冲层14的侧边。在这种情况中，距离D可以约为1.5μπι。突出区46的顶表面42可以具有宽度d，它被选择为约等于或大于距离D，比如来防止缓冲层14的生长以生长在开口44中的缓冲层14的任何材料49为主导。在实施例中，宽度d可以约为2μηι。然而，可以理解，高度H可以选择为使得在外延层超出一定厚度(比如10-15μπι)之前能够实现接合以降低/最小化应变的积累。
[0064]在任何情况下，图8和9示出了根据实施例的分别在图案化表面40(图1)上生长了3μπι和5μηι的层14(图1)之后的二维扫描图。在实施例中，层14可以包括采用有利于高横向生长率的生长条件在蓝宝石衬底12(图1)上生长的Α1Ν。如图8和9所不，生长在衬底12的图案化表面40上的层14的区(比如岛)已经接合成单一的层。至此，如图9所示，在生长5μπι之后，几乎已经实现完全接合。
[0065]在实施例中，衬底12的表面可以包括多个图案。比如，图10示出了根据第三实施例的衬底12的说明性图案化表面的二维顶视图。在这种情况中，衬底12包括隔离材料的多根条，比如条70Α和70Β。在实施例中，隔离材料包括二氧化硅。如图所示，条70Α、70Β可以形成多个区(比如区72Α和72Β)，每个区都被条70Α、70Β与另一区隔离。每个区72Α、72Β可以包括如此处所述构造的图案化表面。此外，多个区72Α、72Β可以包括采用不同方案形成的和/或具有不同属性的图案化表面。以这种方式，每个区72Α、72Β可以包括适合于通过横向外延过生长、选择性区域生长、选择性多晶体生长等来减小应力的构造。
[0066]回到图1，器件10可以包括在有源区18的第一侧上的一个或多个至少部分反射层和在有源区18的相对侧上具有轮廓表面50Α-50Β的一个或多个层，通过它们在有源区18中生成的辐射可以离开器件10。如图所示，每个轮廓表面50Α-50Β被构造来为两个邻近层之间的界面和/或器件10与周围环境之间的界面提供边界，该边界为不均匀或粗糙的而非基本平滑的。在实施例中，器件10可以包括在折射率突变(比如折射率的差异大于或等于约5%)的每个界面处的轮廓表面50Α-50Β。例如，如此处所述的，衬底12可以由蓝宝石制成，缓冲层14可以是AlN并且包覆层16可以是AlGaN。对说明性的目标波长，这些材料可以分别具有1.8、2.3和2.5的折射率。至此，器件10被示出为包括在衬底12与环境(其具有约为I的折射率)之间的界面处的轮廓表面50A;以及在η型包覆层16与缓冲层14之间的界面处的轮廓表面50Β。在这种情况中，缓冲层14可以充当插在具有两种不同折射率的两种材料之间的光提取膜，以提供折射率的更加渐变的过渡。
[0067]可以理解，器件10的各个实施例可以包括构造为如此处所述的在一个或多个界面的任何组合处的轮廓表面。至此，可以在任何类型的基于III族氮化物的半导体表面(比如Al InGaN或AlBGaN半导体合金)上包括轮廓表面。此外，可以例如在紫外光透明的玻璃上、在基于III族氮化物的半导体表面上沉积的具有匹配指数的聚合物等上包括轮廓表面。
[0068]每一个轮廓表面50Α-50Β可以被构造来分别改进对相应的至少部分透明层12、14、
16的辐射的提取。例如，在器件10工作期间，辐射可以在有源区18中生成并且在从器件10射出之前行进穿过至少部分透明层16、14、12。与在层12、14、16之间具有基本上平滑的边界的器件相比，轮廓表面50Β可被构造来增加从第一层16退出且进入相邻层14的辐射量。类似地，与具有基本上平滑的外表面的器件相比，轮廓表面50Α可被构造来增加例如通过衬底12从器件10退出且进入周围环境的辐射量。
[0069]如图所示，可以采用多个粗糙元(比如形成轮廓表面50Α的一部分的粗糙元52Α、52Β)来形成轮廓表面50Α-50Β。每个粗糙元52Α、52Β可以被构造来提供用于反射和折射光的附加表面，由此促进从相应层(比如衬底12)提取光。在实施例中，粗糙元52Α、52Β由大粗糙度的组成部分形成，在其上叠加如此处所述的小粗糙度的组成部分。尽管轮廓表面50A-50B中的每一个被示出为包括特定数量的粗糙元52A、52B，它们中的每一个均被构造为彼此基本上相似，但仍可以理解，每个轮廓表面50A-50B可以由具有任何构造组合的任何数量的粗糙元来形成。
[0070]在实施例中，粗糙元52A、52B的大粗糙度的组成部分提供具有大于目标波长的特征尺度的轮廓表面50A的变化。目标波长可以基于在器件10工作期间期望通过界面的辐射的峰值波长来选择，并且该目标波长可以在任何波长范围内，包括可见光、紫外辐射、深紫外辐射、红外光等。在实施例中，目标波长对应于有源区18中生成的辐射的峰值波长。在更特定的实施例中，由大粗糙度的组成部分所提供的变化的特征尺度约大于目标波长的一个量级(比如10倍)，并且该变化的特征尺度可以基于大粗糙度的组成部分的平均高度和/或宽度来确定。在实施例中，大粗糙度的组成部分具有可比较的高度和宽度，比如约2-4微米。包括那些大粗糙度的组成部分能够减少与TIR相关的损耗。
[0071]此外，粗糙元52A、52B的小粗糙度的组成部分可以提供具有目标波长量级的特征尺度的轮廓表面50A的变化。至此，由小粗糙度的组成部分所提供的变化的特征尺度可以在目标波长的约10-200%之间，且可以基于该小粗糙度的组成部分的平均高度来确定。在实施例中，小粗糙度的组成部分具有约10-100纳米之间的高度。包括那些小粗糙度的组成部分可以减少菲涅尔损耗。另外，小粗糙度的组成部分可以形成光子晶体，其被构造来引导目标波长的辐射以促进从层中提取光。
[0072]图1lA和IlB分别示出了根据实施例的说明性粗糙元52和说明性粗糙元模型60。如图1lA所示，粗糙元52包括大粗糙度的组成部分54，其上叠加了小粗糙度的组成部分56。大粗糙度的组成部分54被示出为具有截断三角形截面，它可以对应于截断圆锥或具有任意数量的边的截断角锥。小粗糙度的组成部分56被示为具有高度和位置随机变化、从大粗糙度的组成部分54的截断部分55延伸出材料的一系列峰和谷。小粗糙度的组成部分56可以降低菲涅尔损耗。如图1lB所示，粗糙元模型60可以包括大粗糙度的组成部分模型62和小粗糙度的组成部分模型64。大粗糙度的组成部分模型62可以包括比如截断圆锥或截断角锥形状。小粗糙度的组成部分模型64可以将小粗糙度的组成部分56建模为具有厚度L的中间层，其中该厚度对应于小粗糙度的组成部分56的特征尺度，且可被测量为粗糙元52上的最低谷与最尚峰之间的距尚。
[0073]小粗糙度的组成部分56可以将缓变折射率引入到粗糙元52中。具体地，对沿着小粗糙度的组成部分模型64的中间层的厚度L的给定高度h，通过计算形成粗糙元52的材料和邻近粗糙元52的材料(比如辐射在从粗糙元52退出后传输进入其中的层/环境)的折射率之间的均值，可以估计相应的折射率，其中该均值被在给定高度h处的小粗糙度的组成部分56的部分截面积所加权。
[0074]在实施例中，基本上平坦的顶表面42(图1)和/或底表面47(图5)被图案化以形成小粗糙度的组成部分56。这种图案化可在此处所述的任何图案化表面40和/或轮廓表面50A、50B处形成。例如，图案化可以形成由一组沟槽限定的基本上平坦的子区(比如岛)。在实施例中，该组沟槽可以包括一个或多个沟道，它们能够占据基本上平坦的顶表面42的5-50%之间的面积。每个沟道可以是一到数百纳米深以及一到数百纳米宽。沟槽可采用任何方案来形成，包括刻蚀、光刻、电子束光刻等。
[0075]至此，图12A和12B分别示出了根据实施例的说明性图案化表面40C的侧视图和顶视图，同时图12C示出了根据实施例的说明性沟槽74A-74C的三维描述。如图12A所示，每个基本上平坦的顶表面42A、42B具有形成在其上的一组沟槽74。尽管图12A和图12C示出沟槽74、74B具有三角形截面，但是可以理解，沟槽74可以具有任何截面，比如由图12C所示的沟槽74A所例示的梯形截面、由图12C所示的沟槽74C所例示的圆角梯形截面等。类似地，尽管沟槽74、74A-74C被示出为具有线性长度且横跨整个基本上平坦的顶表面42A、42B，但是可以理解这些仅仅是说明性的，且此处所述的沟槽可以占据基本上平坦的顶表面42A、42B的任何部分并具有任意的长度。此外，尽管每个表面42A、42B被示出为具有相似图案的沟槽74，但是可以理解，沟槽74的特定图案仅仅是说明性的，并且包括任何尺寸和/或深度的任何数量的一个或多个沟槽74可以形成在每个表面42A、42B上。
[0076]如图12B所示，沟槽74可以在基本上平坦的顶表面42A、42B上形成多个子区78。在实施例中，子区78具有与材料中的辐射波长可比的特征尺寸(比如，由每个子区的最长维度的均值所测量的)。例如，对于蓝宝石衬底和紫外辐射，辐射的波长可以在100纳米与200纳米之间，取决于被发射的特定紫外辐射，并且子区78可以具有在波长的+/-10%内的特征尺寸。
[0077]在更特定的说明性实施例中，由沟槽74形成的子区78形成光子晶体。该光子晶体可以被设计来降低(比如防止)沿着图案化表面40C的辐射的横向传播，比如来增加层间的垂直方向上传播的辐射量。可替代地，光子晶体可以被构造来提升沿着图案化表面40C的辐射的横向传播，比如来增加从器件一侧发射的辐射量。在实施例中，图案化表面的多个基本上平坦的顶表面42A、42B包括构造来降低和提高横向传播的光子晶体的组合，比如来增加/降低器件内各个位置的辐射量，增加/降低从器件上的特定组的位置发射的辐射量等。例如，在位于靠近器件的外部区的表面42A、42B上形成的光子晶体可被构造来提高横向传播，而在位于器件的内部的表面上形成的光子晶体可以被构造来降低横向传播。
[0078]可以理解，可替代的途径可以用于基本上平坦的顶表面上的光子晶体。例如，图13A-13C示出了根据实施例的说明性的基本上平坦的顶表面42C-42E。在图13A中，基本上平坦的顶表面42C包括在其中形成的多个孔80A，而在图13B中，基本上平坦的顶表面42D包括在其中形成的多个非圆形孔80B。在图13C中，基本上平坦的顶表面42E被示出为包括多个沟槽74，其被刻蚀为使得它们以非直角的角度82相交。在每种情况中，基本上平坦的顶表面42C-42E的图案能够形成光子晶体。
[0079]回到图12A和12B，在实施例中，沟槽74中的一些或全部可以用填充剂材料76至少部分填充。填充剂材料76可以包含漫射中心，可以是填充粗糙度等，它们可用来反射辐射。另外，填充剂材料76可以被选择来降低在衬底和填充剂材料76之间的界面边界处的辐射的散射。填充剂材料76可以是部分UV透明的、部分UV反射的，或者是两者的组合。说明性填充剂材料包括:二氧化硅、氟化钙、氟化镁、铝、氧化铝、阳极化氧化铝等。在实施例中，当沟槽74其中包括填充剂材料76时，填充剂材料76的高度可以与基本上平坦的顶表面42(图1)和/或底表面47基本上对齐。
[0080]回到图1，在实施例中，此处所述的器件10被构造成用作发射非可见电磁辐射(比如紫外辐射)的LED。在这种情况中，器件可以包括能可见地指示电磁辐射是否正在被发射的一个或多个特征。例如，当器件10发射紫外辐射时，大多数紫外辐射从其发射出的表面的一部分可以涂覆有荧光剂，其响应于紫外辐射的照射而发出荧光。在说明性实施例中，采用任何方案用荧光剂84涂覆衬底12的底表面的一部分。荧光剂84可以包括任何类型的荧光剂，比如掺杂铯(I II)的YAG材料等。此外，荧光剂84可以采用任何方案来淀积且可以例如使用部分UV透明的密封剂(比如，UV透明含氟聚合物(比如，氟化乙丙烯(FEP)、氟化乙丙烯共聚物(EFEP)、UV透明的聚四氟乙烯(PTFE)等))等将其密封。
[0081]回到图1，可以理解，可以采用任何方案来制备器件10或用于形成器件10的异质结构，其包括具有图案化表面的衬底12和/或具有轮廓表面的一个或多个层(比如层12、14、16)。例如，可以通过以下方法制造发射器件/异质结构:得到(例如，形成、准备、获取等)衬底12，在其上形成(比如生长、淀积、粘接等)缓冲层14并在缓冲层14之上形成η型包覆层16。此外，可以采用任何方案在η型包覆层16之上形成有源区18(比如包括量子阱和势皇)。可以采用任何方案在有源区18之上形成P型层20并可以在P型层20上形成P型包覆层22。此外，一个或多个金属层、接触和/或附加层可以采用任何方案来形成。此外，异质结构/器件可以通过接触衬垫来附着到基板上。
[0082]可以理解，发射器件/异质结构的制备可以包括淀积和去除临时层(比如掩模层)，图案化一个或多个层(比如此处所述的衬底12)，形成示出的一个或多个附加层等。至此，轮廓表面50Α-50Β可以采用淀积和/或刻蚀的任意组合来制备。例如，制备可以包括选择性淀积和/或刻蚀材料的纳米尺度物体(比如纳米点和/或纳米杆)以形成大和/或小粗糙度的组成部分。这种淀积和/或刻蚀可被用于形成周期的和/或非周期的随机图案。
[0083]尽管此处示出和描述为一种设计和/或制备发射器件以改进材料生长和/或从器件提取光的方法，但可以理解，本实用新型的各方面进一步提供了各种替代实施例。例如，本实用新型的各方面可以被执行以促进光在器件内传输，比如作为激光生成结构的光学栗浦、采用激光脉冲激励载气等的一部分。类似地，本实用新型的实施例可以与敏感器件(比如光电传感器或光电检测器)结合来执行。在每种情况中，轮廓表面可以被包括在器件的外表面和/或器件的两个邻近层的界面中，以改进邻近层的材料生长和/或促进光通过界面在期望方向上传输。
[0084]在一个实施例中，本实用新型提供了一种设计和/或制备电路的方法，其中电路包括如此处所述的设计和制备的器件中一个或多个。至此，图14示出了根据实施例用于制备电路126的说明性流程图。最初，用户可以利用器件设计系统110来生成用于此处所述的半导体器件的器件设计112。器件设计112可以包括程序代码，它们能被器件制备系统114用来根据器件设计112限定的特征生成一组物理器件116。类似地，器件设计112可被提供给电路设计系统120(比如作为在电路中使用的可用组成部分)，用户可以用它来生成电路设计122(比如通过将一个或多个输入和输出连接到电路中所包括的各个器件)。电路设计122可以包括程序代码，该程序代码包括如此处所述地设计的器件。在任何情况下，电路设计122和/或一个或多个物理器件116可以被提供给电路制备系统124，它根据电路设计122能够生成物理电路126。物理电路126可以包括如此处所述地设计的一个或多个器件116。
[0085]在另一实施例中，本实用新型提供了用于设计的器件设计系统110和/或用于制备如此处所述的半导体器件116的器件制备系统114。在这种情况下中，系统110、114可以包括通用计算装置，它被编程来执行设计和/或制备如此处所述的半导体器件116的方法。类似地，本实用新型的实施例提供了用于设计的电路设计系统120和/或用于制备电路126的电路制备系统124，电路126包括如此处所述地设计和/或制备的至少一个器件116。在这种情况中，系统120、124可以包括通用计算装置，它被编程来执行设计和/或制备包括此处所述的至少一个半导体器件116的电路126的方法。
[0086]在又一个实施例中，本实用新型提供了固定在至少一个计算机可读介质中的计算机程序，当它被执行时，能够使计算机系统执行设计和/或制备如此处所述的半导体器件的方法。例如，计算机程序可以使器件设计系统110生成如此处所述的器件设计112。至此，计算机可读介质包括程序代码，当它在被计算机系统执行时，执行此处所述的过程中的一些或全部。可以理解，术语“计算机可读介质”包括任何类型的有形表达介质、已知的或以后发展的中的一个或多个，从它们程序代码的存储拷贝可以被感知、复制或者以其它方式由计算装置来进行通信。
[0087]在另一实施例中，本实用新型提供了提供程序代码的拷贝的方法，当被计算机系统执行时，它执行此处所述的过程中的一些或全部。在这种情况中，计算机系统可以处理程序代码的拷贝以生成和传输用于在第二不同位置接收的、使得其特性中的一个或多个被设置和/或改变的一组数据信号，以这样的方式来编码该组数据信号中的程序代码的拷贝。类似地，本实用新型的实施例提供了一种获取执行此处所述的过程中的一些或全部的程序代码的拷贝的方法，它包括计算机系统接收此处所述的该组数据信号并将该组数据信号转为固定在至少一个计算机可读介质中的计算机程序的拷贝。在任一情况中，该组数据信号可采用任何类型的通信链路被传输/接收。
[0088]在又一个实施例中，本实用新型提供了一种生成用于设计的器件设计系统110和/或用于制备此处所述的半导体器件的器件制备系统114。在这种情况中，计算机系统可被获得(比如创造、维护、可得到等)，且用于执行此处所述的过程的一个或多个组成部分可被获得(比如创造、购买、使用、修改等)并被部署到计算机系统。至此，该部署可以包括以下中的一个或多个:(I)在计算装置上安装程序代码；(2)将一个或多个计算和/或I/O装置添加到计算机系统；(3)结合和/或修改计算机系统来使它能执行此处所述的过程等等。
[0089]出于说明和描述的目的，已经呈现了本实用新型的各方面的上述叙述。此处并不企图为穷尽的或将本实用新型局限于所公开的精确形式，且明显地仍然有许多修改和变化。这些对本领域技术人员而言明显的修改和变化包括在由所附权利要求限定的本实用新型的范围内。
[0090]相关申请的引用
[0091]当前的申请是2012年9月6日提交的US专利申请N0.13/605,007的部分延续，且其要求2011年9月6 日提交的题目为 “Light Emitting D1des with Optimal PatternedSubstrate for Growing Nitride Based Semiconductor Layers” 的US临时申请N0.61/531,440的利益，上述两份申请通过引用并入本文。本实用新型的各方面也有关于2012年6月 15 日提交的题目为 “Device with Inverted Large Scale Light Extract1nStructures”的US专利申请N0.13/524，350以及2012年6月14日提交的题目为“EmittingDevice with Improved Extract1n”的US专利申请N0.13/517，711，上述两份申请通过弓丨用并入本文。
[0092]附图标记说明
[0093]12，衬底；
[0094]14，缓冲层;
[0095]16，n型包覆层；
[0096]20，p 型层；
[0097]22，p型包覆层；
[0098]26，P 型接触；
[0099]30，η型接触；
[0100]36，基板；
[0101]54，大粗糙度的组成部分；
[0102]64，小粗糙度的组成部分模型；
[0103]62，大粗糙度的组成部分模型。
【主权项】
1.一种半导体器件，所述半导体器件包括: 衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中所述图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口， 其中，所述多个平坦的顶表面中的每一个包括具有小于0.5纳米的均方根粗糙度的一组区， 其中，所述多个开口具有在0.1微米与5微米之间的特征尺寸，以及 其中，所述多个平坦的顶表面中的至少一个或者所述多个底表面中的至少一个具有光子晶体图案，所述光子晶体图案形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述衬底由以下中的一种所形成:蓝宝石、硅、锗、碳化硅、III族氮化物或没食子酸锂。3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述半导体器件还包括直接在所述衬底的所述图案化表面上形成的III族氮化物层。4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述光子晶体图案由形成多个区的一组沟槽形成，其中所述多个区中的每一个具有在辐射波长的+/-10%以内的特征尺寸。5.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽用填充剂材料至少部分填充。6.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽中的每一个包括以下中的至少一个: 三角形截面； 梯形截面;或 圆角梯形截面。7.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽中的每一个沟槽完全横跨对应的所述多个平坦的顶表面中的至少一个或所述多个底表面中的至少一个。8.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽包括多个沟槽，其中所述多个沟槽中的至少两个以非直角的角度相互相交。9.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述光子晶体图案由多个孔形成。10.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述器件被构造来用作为以下中的一种:发光二极管，激光二极管或超发光的发光二极管，并且其中所述波长对应于在器件工作期间发射的辐射的峰值波长。11.一种半导体器件，包括: 衬底，所述衬底具有图案化表面，所述图案化表面包括: 多个突出区，所述多个突出区中的每一个具有平坦的顶表面； 一组沟槽，所述一组沟槽形成在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中；以及 多个开口，所述多个开口位于所述多个突出区之间并隔开所述多个突出区。12.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于:所述半导体器件还包括填充剂材料，所述填充剂材料至少部分填充在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中形成的所述一组沟槽。13.如权利要求12所述的半导体器件，其特征在于:所述填充剂材料包括与所述多个突出区的所述平坦的顶表面对齐的高度。14.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中形成多个子区，其中所述多个子区中的每一个具有在辐射波长的+/-10%以内的特征尺寸。15.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于:对于所述多个突出区中的每一个，所述一组沟槽占据所述平坦的顶表面的面积的5%与50%之间。16.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽包括大于或等于I纳米的深度。17.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于:所述一组沟槽包括大于或等于I纳米的宽度。18.—种半导体器件，包括: 衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，所述图案化表面包括: 多个平坦的顶表面； 多个孔，所述多个孔形成在所述多个平坦的顶表面中的每一个中； 填充剂材料，所述填充剂材料至少部分填充所述多个孔中的每一个；以及 多个开口，所述多个开口位于所述多个平坦的顶表面之间并隔开所述多个平坦的顶表面； 其中，所述多个平坦的顶表面和填充剂材料具有小于0.5纳米的均方根粗糙度，以及 其中，所述多个开口具有在0.1微米与5微米之间的特征尺寸。19.如权利要求18所述的半导体器件，其特征在于:所述多个孔包括圆形几何形状。20.如权利要求18所述的半导体器件，其特征在于:所述多个孔形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。
【文档编号】H01L33/22GK205621763SQ201620205930
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】M·S·沙塔拉维, R·杰因, 杨锦伟, M·舒尔, R·格斯卡
【申请人】传感器电子技术股份有限公司