半导体发光器件中生长的光子晶体的制作方法

专利名称：半导体发光器件中生长的光子晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括光子晶体结构的半导体发光器件。
技术背景诸如发光二极管("LED")之类的发光器件从技术上和经济学上说 是^f艮有利的固态光源。LED可以可靠地提供具有高亮度的光，因此在过 去数十年中，它们在包括有平板显示器、交通灯、以及光通信在内的许 多应用中起了关键作用。LED包括正向偏置的p-n结。当由电流驱动 时，将电子和空穴(hole)注入到结区中，在该结区中它们重新结合 并且通过发射出光子来释放它们的能量。当前在制造可在可见光谱上操 作的高亮度发光器件中所感兴趣的材料系统包括组ni-V半导体，尤 其是包括还被称为III-氮化物材料的镓、铝、铟、以及氮的二元合金、 三元合金、以及四元合金。LED的质量可以表征为例如其提取效率，提取效率用于度量从器件 中提取的光子与在发光区中所产生的光子的比率。提取效率例如受到发 射光子在形成器件的P型、N型、以及发光区的高折射率半导体晶体的 壁上遭受了多次全内反射的限制。其结果是，许多发射光子不会逸入空 闲空间，这会导致典型小于30%的低抽提效率。已提议了各种方法以提高LED的提取效率。例如通过开发包括有立 方形、圆柱形、棱锥体形、以及类似拱形的形状在内的适当几何形状来 增大发射光子可逃逸的立体角来提高提取效率。然而，这些几何形状当 中没有一个可完全消除全内反射的损失。进一步的损失源是由于LED与周围介质之间的折射率不匹配所造成 的反射。虽然利用抗反射涂层可降低这种损失，但是仅仅可以在特定光 子能量和一个入射角处实现完全消除反射。授于 J. Joannopoulos 等人、名称为"Light Emitting Device Utilizing a Periodic Dielectric Structure"的 U.S.专利 No. 5， 955， 749描述了针对提高提取效率的问题的方法。根据U. S.专利No. 5， 955， 749,通过形成完全穿过发光二极管的半导体层的空穴晶格来创建光子晶体。该空穴晶格创建了具有周期性调制的介电常数的介质，这 会影响光传播过介质的路径。发光二极管中的光子的特征在于它们的、 用于描述能量与光子波长之间的关系的光谱或色散关系。可对该关系进 行绘制，以得到由通过带隙隔离的能带或光子波带组成的光子波带图。 虽然光子波带图与电子波带图所表示的晶格中的电子光谱类似，但是光子波带图与电子波带图无关。当在LED中形成了光子晶体时，它会影 响光在结构中怎样传播。因此如果选择了恰当的晶格间距，那么可使否 则会通过全内反射而在该结构中被俘获的光现在逃逸，这增大了 LED 的提取。此外，替代的晶格可降低LED结构中的光子模式体积，这会 增大LED有源层的辐射率或内部效率。U. S.专利No. 5， 955， 749没有教导怎样形成完整功能性的发光器 件，并且提议在基于GaAs的晶体中形成光子晶体发光器件。在本技术 领域中需要设计III氮化物光子晶体发光器件以及用于形成这种器件 的方法。发明内容根据本发明的实施例，光子晶体在诸如III氮化物结构之类的、包 括有位于N型区与P型区之间的发光区域的半导体结构之内生长。光 子晶体可以是通过折射率与半导体材料不同的材料而分离的半导体材料中的多个区域。例如，光子晶体可以是在该结构中生长的、且通过空隙 或掩模材料的区域而分离的半导体材料的柱桩(posts)。使光子晶体 生长到而不是将光子晶体蚀刻到已生长的半导体层中，这可避免由于会 降低效率的蚀刻所造成的损坏，并且可提供其上形成有电接触点的不间 断平坦表面。


图l是III氮化物光子晶体发光器件的横截面视图； 图2是具有在用于形成光子晶体的半导体柱桩之内形成的发光区域 的器件的横截面视图。在半导体柱桩上生长了不间断的平坦P型区。 图3是具有在用于形成光子晶体的半导体柱桩之内形成的发光区域的器件的横截面视图。将该半导体柱桩粘结到在笫二生长衬底上形成的 第二半导体结构上。图4是具有在用于形成光子晶体的半导体柱桩之内形成的发光区域 的器件的横截面视图。将该半导体柱桩金属粘结到主衬底上。图5是具有在用于形成光子晶体的半导体柱桩之内形成的发光区域的器件的横截面视图，其中半导体柱桩生长穿过厚掩模层。图6A-6C说明了用于形成图2-4所述的器件的替换方法。图7是具有不间断的平坦有源区以及在该有源区之后形成的光子晶 体的器件的横截面视图。图8是具有通过不间断的平坦有源区而分离的两个光子晶体的器件 的横截面视图。图9是具有不间断的平坦有源区以及在该有源区之后形成的光子晶 体的器件的可替换实施例的横截面视图。图10是具有不间断的平坦有源区以及在该有源区之前形成的光子 晶体的器件的横截面视图。图ll是具有改变的折射率的材料的光子晶格示例的俯视图。图12说明了被处理成薄膜器件的图2中的器件。图13和14说明了用于形成准晶体排列的两个示例。具体实施例图l说明了在No. 2003 / 0141507、 "LED Efficiency Using Photonic Crystal Structure"、申请日为2002年1月28日、并且通过引用在 此并入的公开中更详细描述的HI氮化物光子晶体LED (PXLED) 100。在图1的PXLED 100中，在例如可以是蓝宝石、SiC、或GaN的生 长衬底102上形成N型区108;在N型区108上形成有源区112;并且 在有源区112上形成P型区116。区域108、 ll2、以及ll6中的每一个可以是单个层或者組分、厚度、或掺杂剂浓度相同或不同的多个层。 将p型区和有源区112的一部分蚀刻掉以暴露出n型区108的一部分， 此后在p型区116上形成p触点120并且在n型区108的暴露部分上 形成n触点104。如图1所示，该器件可以翻转过来并且通过触点104 和120与底座(未示出)相连。有源区112包括这样的结区，在该结区中，来自n型区10S的电子 与p型区116的空穴相结合并且理想地以光子的形式发射出能量。有 源层112可以包括量子阱结构以优化光子的生成。例如，1997年由Associated Press所出版的、G. B. Stringf el low和M. George Craford 所著的"High Brightness Light Emitting Diodes"中已对许多不同的 量子阱结构进行了描述。通过在LED中形成周期性的空穴结构122-i 来创建图1中的PXLED IOO的光子晶体。在图l所示的器件中，利用首先在村底上形成N型区、继之以形成 有源区和p型区来制造传统的III氮化物结构。图1所示的光子晶体 器件和在U. S.专利No. 5， 955， 749中所描述的器件具有一些缺点。例 如，可通过干蚀刻到p型区中以形成用于形成周期性结构的空穴阵列、 来形成图1器件中的光子晶体结构。干蚀刻可以是反应离子、感应耦 合等离子体、聚焦离子束、溅射、电子回旋共振、或者用化学辅助离子 束蚀刻。p型材料的干蚀刻是有问题的，这是因为蚀刻会损坏晶体，这 可造成会创建n型施主的氮空位。在p型区116中，n型施主的存在会 使空穴的浓度下降，并且在严重损坏晶体的情况下可将区域116的传 导类型改变为n型。发明人已发现干蚀刻所造成的损坏并不局限于所 蚀刻区域周围的局部区域，并且可垂直地和^f黄向地波及晶体的非蚀刻区 域，这可能会消除p-n结并且使器件在电学上是非操作的。在U.S.专 利No. 5,955, 749中所描述的器件也蚀刻过p型材料，并且因此会受 到发明人所观察到的相同广泛分布的破坏。此外，虽然建模已表明形成 非常靠近或穿过图1所示有源区的光子晶体是所期望的，但是蚀刻穿 过有源区中的量子阱会造成表面重新组合，这可能会降低器件的效率。根据本发明的实施例，光子晶体在半导体发光器件中生长，而不是 对其蚀刻。图11是光子晶体示例的俯视图。区域2由具有不同折射率 的材料的区域4来间断。例如，图11中的光子晶体可以是由空气区域 2所环绕的、具有已生长半导体材料的半导体柱桩4的阵列，而不是蚀 刻到上述半导体材料中的空穴阵列。或者，区域2可以是生长有空穴4 的半导体区域。光子晶体结构可以包括半导体区域之一的厚度的周期性变化，其交替最大和最小。示例是光栅(一维晶格)或上述半导体材料的柱桩的平 坦晶格(二维晶格)。该晶格的特征在于柱桩的直径d、用于计量最接 近相邻柱桩的中心之间的距离的晶格常数a、柱桩的高度w、以及位于 柱桩周围的电介质的介电常数Sh。参数a、 d、 w、以及Sh影响波带的 态密度，并且尤其是影响光子晶体光谱的波带边缘上的态密度。参数a、d、 w、以及"因此影响器件所发射出的辐射图案，并且可对这些参数 进行选择以提高来自器件的提取效率。或者，当选择了恰当的光子晶体 参数时，发射光的辐射图案可以变窄，以增加LED的辐射度。这在处 于仅仅特定角度的光是有用的应用中是有用的。在一个实施例中，对光 子晶体参数进行选择，以便大于50%的射出该器件的辐射是在相对于垂 直于该器件表面的轴而言是45度的角所定义的出口圆锥体中发射出。可对柱桩进行排列以形成三角形的、正方形的、六角形的、蜂窝形 的、或者其他众所周知的二维晶格类型。多个晶格类型可包括在器件的 相同区域中或者用于创建准晶体，这可提供对来自该器件的光传播更大 的控制。图13和14说明了用于形成准晶体的空穴排列的两个示例。 如图13和14所述，准晶体是位于正方形131和三角形132的重复图 案的顶点上的空穴的图案。通常将这种重复图案称为阿基米德晶格或彭 罗斯(penrose)晶格。准晶体的晶格常数是重复图案中的三角形或正 方形的边的长度。在一些实施例中，在该器件的不同区域中形成了不同的晶格类型。 例如，在该器件的一个区域中可以形成被设计成优化总的辐射功率(辐 射效率)的一个光子晶体结构，并且在该器件的另一区域中可以形成被 设计成优化光提取(提取效率)的另一光子晶体结构。柱桩通常具有六角形横截面(虽然其他横截面也是可能的)。在一 些实施例中，晶格间距a在大约0.1人与大约10人之间，更优选的 是在大约0.1入与大约5入之间，更优选的是在大约0.1入与大约3 入之间，并且更优选的是在大约0.1 A与大约X之间，其中A是有源 区所发射出的光在器件中的波长。在一些实施例中，选择晶格常数a 以使其在光子晶体的带隙中或接近光子晶体的带隙。例如，在GaN层 中所形成的、且充满空气的空穴的三角形晶格中，范围从0. 35入至0.55 入的晶格常数处于有利于在该范围的低端进行提取的带隙中，并且在有 利于该范围的高端上的内部效率的带缘上。晶格常数范围0. 35入至0.55 入假定0. 36a的柱桩半径。在一些实施例中，柱桩可以具有在大约0. la 与大约0. 5a之间的直径d，其中a是晶格常数。该柱桩可以被空气所 围绕或者被介电常数Sh通常在大约1与大约16之间的可选电介质所围 绕。可能的电介质包括二氧化硅，该二氧化硅可以是在以下示例中所描 述的掩模层。在一些实施例中，柱桩的高度w至少是0. 25 X。柱桩的高度受到用于在不具有柱桩的平坦层上形成电触点的首选项的限制，因 此柱桩不能扩展该器件的整个高度。在其中发光区域是未受到光子晶体 间断的平坦层并且光子晶体位于发光区域上面或下面的实施例中，光子晶体优选为扩展到发光区域的3入之内。在本发明的一些实施例中，发光区域包含在用于形成光子晶体的已 生长半导体材料的柱桩中。图2-5和6A-6C对这种器件的示例进行了说明。在图2的器件中，传统地在诸如例如蓝宝石、SiC、或者GaN 这样的任何适当衬底20上生长N型区22。 N型区22通常包括厚度、 组分、以及掺杂剂浓度不同的多个层，这多个层例如是诸如緩冲层或者 结核层之类、被设计成提供其上生长有诸如n型披覆层和n型接触层 这样的n型器件层的高质量模板的可选制备层。N型区22可包括不是 有意加入掺杂的层。在除去已生长衬底20的实施例中，n型区22包括 有助于除去已生长衬底20或者有助于在除去已生长村底20之后使外 延层变薄的层。在平坦的n型区22上，形成了诸如SiO,之类的掩模层24。掩模层 24可以是例如厚度小于200 nm的薄层。在掩模24上形成了开口。将 形成光子晶体的半导体材料的柱桩生长在该开口中。首先生长n型材 料的柱桩26，继之以是生长发光区域材料的柱桩28。在这里所描述的 示例中，发光区域可以是包括例如单个厚发光层、单个薄量子阱、通过 屏障层分离的多个薄量子阱、以及通过屏障层分离的多个厚发光层这样 的任何适当发光区域。在发光区域28之后，生长p型材料的柱桩30。 如上所述，可选择柱桩的大小、高度、间隔、以及组织以形成光子晶体。如Kipshidze等人在Applied Physics Utters 86， 033104 ( 2005 ) 所发表的 "Controlled growth of GaN nanowires by pulsed metalorganic chemical vapor deposition"(其通过引用在此并入) 中所述，半导体柱桩例如可以由低压金属有机化学蒸汽沉积形成。使用 利用^作为载气的、诸如三曱基镓之类的组III前体和诸如氨之类的 组V前体，可以在例如30Torr这样的低压下进行生长。通过在掩模24 的开口内形成厚度为2-5腿的、诸如镍之类的金属催化剂的岛，可 使生长成核。利用气相所提供的Ga和活性氮而使镍变成过饱和 (supersatured)。 一旦成核，在半导体与镍之间的固液界面上发生 半导体柱桩的生长。使该生长脉冲变化以避免生长气体之间的气相反应，因此在给定时间可将组V前体的冲量引入到反应器，继之以是延迟，继之以是組III前体的冲量。最终产生的柱桩垂直于衬底表面生 长，并具有恒定的直径和光滑的侧壁。作为选择，柱桩可以如通过引用而在此并入的S. Hoffouz等人、" Effect of Magnesium and Silicon on the lateral overgrowth of GaN patterned substrates by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy"、 MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3， 8 ( 1998 )中所描述的那样 生长。Hoffuz描述了用生长掩模中的微米大小的开口来刻画生长衬底 表面的图案。该掩模可防止在掩模顶部的生长。生长开始于掩模开口并 且可以以横向过度生长(overgrowth)模式向上并且在掩模上进行， 或者可根据在生长期间流动的摻杂剂的类型和浓度而优选垂直地生长。 例如，如果期望圓柱形生长，那么在生长期间使用高SiH4流。如果希 望横向过度生长，那么使用低SiH4或Cp2Mg流。在生长了 p型柱桩30之后，使生长条件变化以便在柱桩上形成倒 棱锥体，该棱锥体最终相连以在柱桩以及柱桩之间的间隔25上形成平 坦层32。如果使用，那么在平坦层32生长之前除去金属催化剂。上面 所引入的Hoffouz等描述了用于p型掺杂了镁的III氮化物材料的横 向过度生成技术。P型柱桩30和平坦的p型区域32包括诸如例如p型 包覆层和P型接触层之类、厚度、组分、以及掺杂剂浓度不同的多个 层。在平坦p型区32的生长之后，在p型区32上沉积用于形成p触点 (未示出)的一个或多个金属层。p触点可以包括诸如欧姆接触层、反 射层、以及保护金属层之类的多个层。反射层通常是银或者铝。保护金 属可以包括例如镍、钛、或者钨。可以对保护金属进行选择以防止反射 金属层移动(尤其是在银反射层的情况下)，并且为用于将半导体结构 粘结到主衬底上的粘结层提供粘附层。如图12所示，此后可以将半导体结构金属地粘接到主衬底上，并 且将其处理成薄膜器件。典型为金属的一个或多个粘结层90可以用作 用于热压缩或者在半导体结构与主衬底92之间进行低共熔粘结的适应 性材料。适当粘结层金属的示例包括金和银。在除去了生长衬底之后， 主村底92向半导体层提供机械支撑，并且通过金属层90向p型区提 供电接触。将主衬底选择为是导电的(即小于大约0.1 Ocm)、导热的、具有与半导体层相配的热膨胀系数、以及是平坦的(即均方根粗糙度小于大约10 mn)以足以形成4艮强的粘结。适当的材料例如包括诸 如Cu、 Mo、 Cu /Mo、以及Cu /W之类的金属；诸如具有欧姆接触的Si 和具有欧姆接触的GaAs之类的具有金属触点94的半导体，所述欧姆 接触例如包括Pd、 Ge、 Ti、 Au、 Ni、 Ag中的一个或多个；以及诸如压 缩的金刚石和A1N之类的陶资。在升温和升压下将主衬底和半导体结构压在一起以在粘结层之间形 成耐用金属粘结。在一些实施例中，在将具有半导体结构的晶片切块成 各个器件之前，在晶片尺度上进行粘结。或者，在将具有半导体结构的 晶片切块成各个器件之后，在沖模尺度上进行粘结。进行粘结的温度和 压力范围在其低端受最终粘结的强度的限制，并且在其高端受主衬底和 半导体结构的稳定性的限制。例如，高温和/或高压可引起半导体结构中的外延层的分解、P触点的分层、例如在P触点中的扩散屏障的损坏、 或者半导体层中的组分材料的气泡。适当温度范围例如是大约200。C至 大约500。C。适当压力范围例如是大约100 psi至大约300 psi。在粘结到主衬底之后，通过对于已生长衬底材料的适当技术来除去 生长衬底20。可通过例如激光熔化除去蓝宝石生长村底。其他除去技 术包括蚀刻和研磨。 一旦除去了生长衬底，可使n型区22变薄至期望 厚度或者除去与生长衬底20相邻的低质量制备层。此后可在n型区22 的暴露表面上形成n触点96。因为p触点是反射的，所以通过n型区 22的暴露表面从器件中提取出光。或者，可将图2的器件处理成倒装芯片(flip chip)，其中生长 衬底20保持在器件上并且通过生长衬底从器件提取出光。除去p型区 30和32以及发光区28的一部分以暴露出n型区22或24之一的一部 分。在n型区之一的暴露部分上形成n触点并且在p型区32的剩余部 分上形成P触点。冲模是与载体相连的倒装芯片并且通过衬底20从器 件中提取出光。为了进一步改善光提取，通过对用于半导体结构的机械 支撑的冲模进行底层填充并且此后例如通过激光剥离、蚀刻、或者研磨 而除去衬底，可除去衬底20。图3说明了其中发光区包含在用于形成光子晶体的已生长半导体材 料的柱桩之中的器件的另一示例。如上面参考图2所描述的，生长了 N 型区22、 n型柱桩26、发光区柱桩28、以及p型柱桩30。而不是在柱桩上生长平坦的p型区32，而是在生长了柱桩之后停止生长并且将该 结构粘结到生长在第二生长衬底42上的半导体区域40上。半导体区 域40可以例如是p型区。在升温和升压之下将半导体柱桩的顶面和半导体区域40的表面粘 结在一起。用于粘结的适当温度可以例如是在700与1200°C之间；用 于粘结的适当压力可以例如是在5与1500 psi之间。在例如至少2分 钟(经常至少30分钟)这样的给定时段内，在例如N2或NH3的气氛下 以上述温度和压力将表面压在一起。在这些条件下，在两个表面之间形 成了牢固的半导体粘结。这种粘结可以经受得起要在粘结之后进行的、诸如生成附加的半导体层之类的进一步半导体处理所必需的温度。除了 半导体晶片粘结之外，还可使用诸如扩散焊接粘结之类的其他粘结技术。在扩散焊接粘结中，使诸如Zn和Sn之类的一个或多个金属沉积 在粘结面上并且在低温下进行粘结。ZnSn粘结在例如大于900°C的温 度之类的高温下是稳定的。在另一替换方法中，利用诸如Al之类的薄 金属膜作为粘结层来对表面进行粘结。可以将Al熔合到两个半导体表 面中，以创建高温下稳定的粘结。在粘结之后，除去生长衬底20和生长衬底42之一，以暴露出半导 体表面。可更容易在下述不间断的平坦表面上形成接触点，所述不间断 的平坦表面是通过除去了 p型柱桩30顶部上的衬底而暴露出的。在除 去了生长衬底42之后，将结果产生的器件处理成薄膜器件或倒装晶片， 这两者在上面已参考图2进行了描述。如上参考图2所述，除了半导体柱桩金属地粘结(44 )到主村底46 上之外，图4的器件与图3的器件相似。如上参考图2所述，可除去 生长村底20。在图2、 3、以及4所述的每个器件中，形成光子晶体的半导体柱 桩生长穿过薄掩模层24中的开口。在图5所述的器件中，半导体拄桩 生长穿过厚掩模层48中的开口。掩模48可以M度大于0.25入的 Si02。掩模48中的开口这样排列以便在开口中生长的半导体材料形成 了柱桩阵列。或者，这样形成掩模48以便掩模形成柱桩阵列，并且使 半导体材料填充掩模材料柱桩之间的区域。该掩模将生长限制到掩模区 域之间的区，因此除了在生长期间需要例如大于100 Torr的更高压力 以将前体气体施压到掩模48的开口中之外，不需要特定生长技术。一旦半导体柱桩到达掩模48的顶部，则p型区50在不间断的平坦片上 生长。如图5所述，掩模48可留在半导体柱桩之间的间隙中，或者在 平坦的p型区50生长之前除去该掩模48，以在半导体柱桩之间创建空 气间隙。图6A-6C说明了生长如图2-4所述的器件的替换方法，其中半导 体柱桩生长在通过干蚀刻形成的模板上。如图6A所述，在衬底20上 生长了平坦的n型区22。在n型区22上形成了掩模层52,此后将n 型区22的一部分蚀刻掉以形成n型柱桩54。除去掩模52,并且继续 生长。对生长条件进行选择以便在柱桩54之间的区域中不发生成核， 并且仅在柱桩54上继续生长。例如，在例如小于100 Torr的低压下 的生长或者在高n型摻杂剂前体流下的生长可以将生长限制到柱桩54 的顶部。如上所述，生长发光区柱桩28，继之以生长p型区柱桩30。 通过如图2所述生长不间断的平坦p型区、如图3所述将半导体柱桩 粘结到半导体区域上，或者如图4所述将半导体柱桩金属粘结到主衬 底上而完成该器件。在图2-5以及6A-6C所述的实施例中，发光区28位于形成了光 子晶体的半导体柱桩之内。半导体柱桩的生长允许在通过掩模和蚀刻很难实现的深度处形成光子晶体。另外，生长半导体柱桩可避免由于干蚀 刻形成光子晶体所造成的损坏以及高表面重新组合。这种损坏对于发光 区是尤其有问题的。在本发明的一些实施例中，发光区是不由光子晶体中断的平坦层， 并且形成于用于形成光子晶体的已生长半导体材料的柱桩之前和/或之 后。图7-10对这种器件的示例进行说明。在图7所述的器件中，如 上所述，在衬底20上生长n型区22。在n型区22上生长不中断的平 坦发光区34，继之以是薄的p型区36。例如，如上所述，p型区36具 有小于3入的厚度。因为光子晶体与发光区之间的厚度减小了，因此期 望提高器件性能，因而p型区36尽可能薄的生长。与上面参考图2所 描述的、在n型区22上形成的掩模相似，此后在p型区36上形成具 有开口的薄掩模层。形成光子晶体的P型半导体柱桩生长穿过掩模24 中的开口。在p型柱桩38的生长之后，可以如图7所述在柱桩上生长 平坦的p型区32，或者如在图3所述将半导体区域粘结到柱桩38上， 或者如图4所述将主衬底金属粘结到柱桩38上。或者，如图10所述，在n型区中，光子晶体可位于有源区之下。 在图10所述的器件中，在已生长衬底20上生长平坦的n型区22。形 成光子晶体的N型柱桩26生长穿过掩模24中的开口。不中断的平坦n 型区80、发光区82、以及p型区84布置在n型柱桩26上。N型区80、 发光区82、以及p型区84可以生长在柱桩26上，或者如上参考图3 所述、它们可以生长在分离生长的衬底上并且被粘结到n型柱桩26上。图8所述的器件包括布置在平坦发光区的相对侧上的两个光子晶 体。在n型区22上形成具有开口的厚掩模层56。掩模56例如可以具 有至少0.25入厚度。使形成第一光子晶体的N型柱桩58生长穿过掩 模56中的开口。 n型材料继续在掩模56上生长以形成不中断的平坦n 型区60。在n型区60上生长发光区34，继之以生长薄的p型区36。 如上所述，n型区60和p型区36每个都可具有小于3入的厚度。在p 型区36上形成具有开口的第二厚掩模层62，此后使p型柱桩64生长 穿过掩模62中的开口，继之以是在掩模62上生长的不中断的平坦p 型区66。在一些实施例中，使图8所述的两个光子晶体的半导体中的 间隙对准。在图9所述的器件中，如上所述，光子晶体不是由柱桩形成的，而 是由棱锥体形成的。与如上参考图2所述的用于形成柱桩的生长技术 相反，当传统地使111-氮化物材料生长穿过掩模中的开口时产生棱锥 体。在图9的器件中，在已生长的衬底20上形成n型区22，继之以是 形成发光区34和薄的p型区36。将具有开口的掩模层70沉积在p型 区36上，此后p型材料72首先在掩模70的开口中生长，然后在掩模 上生长以形成棱锥体。在填满棱锥体74之间的间隙76之前停止生长。 此后将通常是p型的且生长在分离的生长衬底上的半导体区域40粘结 到棱锥体74上。除去已生长衬底20或者其上生长有半导体区域40 (未 示出)的已生长衬底。作为半导体区域40的替换，可将主衬底金属粘 结到棱锥体74上。此外，可以在棱锥体74上生长这样的层，该层保 持棱锥体74之间的间隙，但是在位于顶部的平坦不中断表面中结束。或者，使图9的掩模70沉积在n型区22上，以便在掩模开口和棱 锥体74中生长的材料72是n型。可以在分离的生长村底上生长不中 断的平坦P型区、有源区、以及可选的n型区，并且此后将其粘结到n 型棱锥体74上。本发明的实施例提供了若干优点。可避免通过对光子晶体进行蚀刻 所造成的损坏，因此并入了生长光子晶体的器件相对于具有蚀刻的光子 晶体的器件可以提供改善的效率。此外，在本发明的实施例中，其中可构造电接触的平坦表面在有源区的p型侧和n型侧两者上是可用的。 因而对于要求与其中形成了光子晶体的层相接触的器件而言，可简化接 触设计。已对本发明进行了详细地描述，对于本领域普通技术人员来说应该 理解的是，给定当前的公开，在不脱离在这里所描述的发明构思的精神 的情况下可对本发明做出修改。例如，上面所述示例中的器件结构并不 局限于在该示例中所描述的特定生长技术。例如，可利用如图2所述 的薄掩模层而不是利用图8所述的厚掩模层来生长图8所述的具有两 个光子晶体的器件，或者利用图9所述的棱锥体而不是利用图8所述 的柱桩来生长图8所述的具有两个光子晶体的器件。因此，本发明的 范围并不局限于所说明的和所描述的特定实施例。
权利要求
1、一种包括在半导体结构之内生长光子晶体在内的方法，该半导体结构包括被配置为当正向偏置时发射出波长为λ的光的发光区，所述分光区布置在n型区与p型区之间，其中光子晶体包括具有第一折射率的多个半导体材料区域；以及具有第二折射率的多个材料区域，其中第二折射率与第一折射率不同；其中具有第二折射率的材料的区域以阵列方式布置在半导体材料区域之间，并且每个具有第二折射率的材料的区域距最近的、具有第二折射率的材料的相邻区域小于5λ。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体结构是III -氮 化物结构。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述具有第二折射率的材料 是空气。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中具有第二折射率的材料包括 空气、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、以及电介质中的一个或多个。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中生长光子晶体包括在半导 体表面上形成具有多个开口的掩模；以及使半导体材料生长穿过所述开 o 。
6、 根据权利要求5所述的方法，其中所述生长穿过开口的半导体 材料包括多个半导体柱桩。
7、 根据权利要求5所述的方法，其中所述半导体材料具有大于掩 模厚度的厚度。
8、 根据权利要求5所述的方法，其中所述半导体材料具有基本上与掩模厚度相同的厚度。
9、 根据权利要求5所述的方法，还包括在生长所述多个半导体材 料的柱桩之前在多个开口中提供金属催化剂。
10、 根据权利要求5所述的方法，其中所述金属催化剂是镍。
11、 根据权利要求5所述的方法，还包括在所述多个柱桩上生长具 有基本上平坦的不间断顶面的半导体层。
12、 根据权利要求5所述的方法，其中所述半导体结构是第一半导体结构，该方法还包括将第二半导体结构粘结到所述柱桩上。
13、 根据权利要求5所述的方法，还包括通过布置在主衬底与所 述柱桩之间的金属粘结层将所述主衬底粘结到所述柱桩上。
14、 根据权利要求5所述的方法，其中所述发光区布置在所述柱桩 之内。
15、 根据权利要求5所述的方法，还包括在生长多个柱桩之前， 将所述半导体表面的一部分蚀刻掉以定义光子晶体。
16、 根据权利要求5所述的方法，其中所述发光区不由所述光子晶 体间断。
17、 根据权利要求5所述的方法，其中在n型区中形成所述光子晶体。
18、 根据权利要求5所述的方法，其中在p型区中形成所述光子晶体。
19、 根据权利要求5所述的方法，其中所述光子晶体是在n型区中 形成的第一光子晶体，该方法还包括在p型区中形成第二光子晶体。
20、 根据权利要求5所述的方法，其中所述多个柱桩中的至少一个 具有基本上恒定的直径、基本上竖直的侧壁，并且与已生长衬底的表面 相垂直地生长。
21、 根据权利要求1所述的方法，其中所述具有第二折射率的材料 的区域具有至少1/4入的厚度。
22、 根据权利要求1所述的方法，其中所述具有第二折射率的材料 的区域位于发光区的3入之内。
23、 根据权利要求1所述的方法，其中所述多个半导体材料的区域 以及所述多个具有第二折射率的材料的区域以具有0.1 A与3入之间的 晶格常数的晶格进行排列。
24、 根据权利要求1所述的方法，其中所述多个半导体材料的区域 以及所述多个具有第二折射率的材料的区域以具有0. 1入与入之间的晶 格常数的晶格进行排列。
25、 根据权利要求1所述的方法，其中 所述具有第二折射率的材料是空气；以及所述多个半导体材料的区域以及所述多个具有第二折射率的材料的 区域以具有0. 35入与0. 55 A之间的晶格常数的晶格进行排列。
26、 根据权利要求1所述的方法，其中所述多个半导体材料的区域 以及所述多个具有第二折射率的材料的区域以线性光栅进行排列。
27、 根据权利要求1所述的方法，其中所述多个半导体材料的区域 以及所述多个具有第二折射率的材料的区域以晶格进行排列，所述晶格 的至少一部分包括三角形、蜂窝状、阿基米德、以及准晶体晶格之一。
28、 根据权利要求27所述的方法，其中所述半导体材料的区域之 一的半径是晶格常数乘以0. 36。
29、 根据权利要求l所述的方法，还包括将所述p型区和发光区的一部分蚀刻调以暴露所述n型区的一部分；在所述p型区的剩余部分和所述n型区的暴露部分上形成电触点； 以及使电触点与载体附连。
30、 根据权利要求29所述的方法，其中在已生长衬底上生长半导 体，该方法还包4舌填充在所述载体与所述半导体结构之间的间隙；以及 除去所述已生长衬底。
31、 根据权利要求1所述的方法，其中在已生长衬底上生长半导体 结构，该方法还包4舌使所述半导体结构的表面与所述栽体附连；以及 除去所述已生长衬底。
32、 一种器件包括半导体结构，所迷半导体结构包括^^配置为发射出波长为入的光的 发光层，所述发光层布置在n型区与p型区之间，所述半导体结构具 有顶面和底面；以及布置在所述半导体结构之内的光子晶体，所述光子晶体包括具有第一折射率的半导体材料的多个区域；以及具有第二折射率的材料的多个区域，其中第二折射率与第一折射率不同；其中具有第二折射率的材料的区域以阵列方式布置在半导体材料区 域之间，并且每个具有第二折射率的材料的区域距最近的、具有第二折 射率的材料的相邻区域小于5入；其中所述发光层布置在所述光子晶体之内；以及其中所述半导体结构的顶面和底面不由所述光子晶体间断。
33、 根据权利要求32所述的器件，其中所述发光层是III-氮化 物层。
34、 根据权利要求32所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料是空气。
35、 根据权利要求32所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料包括硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、以及电介质之一。
36、 根据权利要求32所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料的区域具有至少1/4入的厚度。
37、 根据权利要求32所述的器件，其中所述多个半导体材料的区 域以及所迷多个具有第二折射率的材料的区域以具有0.1入与3入之间的晶格常数的晶格进行排列。
38、 根据权利要求32所述的器件，还包括位于所述半导体结构的底面上的第一触点；以及 位于所述半导体结构的顶面上的第二触点。
39、 根据权利要求32所述的器件，其中所述顶面包括基本上平坦的表面；从所迷底面除去所述发光层以及所述n型区和p型区之一的一部 分，以便所述底面包括所述n型区的暴露部分以及所述p型区的暴露 部分；在所述n型区的暴露部分上形成第一触点；以及 在所述p型区的暴露部分上形成第二触点。
40、 一种器件包括半导体结构，所述半导体结构包括被配置为发射出波长为入的光的 发光层、所述发光层布置在ii型区与p型区之间，所述半导体结构具 有顶面和底面；以及布置在所述p型区之内的光子晶体，所述光子晶体包括具有第一折射率的半导体材料的多个区域；以及 具有第二折射率的材料的多个区域，其中第二折射率与第一折射率不同；其中具有第二折射率的材料的区域以阵列布置在半导体材料区域之间，并且每个具有第二折射率的材料的区域距最近的、具有第二折射率的材料的相邻区域不到5入；其中所述半导体结构的顶面和底面不由所述光子晶体间断。
41、 根据权利要求40所述的器件，其中所述光子晶体是笫一光子 晶体，该器件还包括布置在所述n型区之内的第二光子晶体。
42、 根据权利要求40所述的器件，其中所述发光层是III-氮化 物层。
43、 根据权利要求40所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料是空气。
44、 根据权利要求40所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料包括硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、以及电介质之一。
45、 根据权利要求40所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料的区域具有至少I/4人的厚度。
46、 根据权利要求40所述的器件，其中所述多个半导体材料的区 域以及多个具有第二折射率的材料的区域以具有0.1入与3入之间的晶 格常数的晶格进行排列。
47、 根据权利要求40所述的器件，还包括位于所述半导体结构的底面上的第一触点；以及 位于所述半导体结构的顶面上的第二触点。
48、 根据权利要求40所述的器件，其中 所述顶面包括基本上平坦的表面；从所述底面除去发光层以及n型区和p型区之一的一部分，以便底 面包括n型区的暴露部分以及p型区的暴露部分； 在所述n型区的暴露部分上形成第一触点；以及 在所述p型区的暴露部分上形成第二触点。
全文摘要
在诸如III-氮化物结构之类的半导体结构内生长光子晶体，该半导体结构包括布置在n型区与p型区之间的发光区。该光子晶体可以是由具有与半导体材料不同的折射率的材料所分离的多个半导体材料区域。例如，光子晶体可以是在该结构中生长、且通过空气间隙或掩模材料区域分离的半导体材料的柱桩。生长光子晶体而不是将光子晶体蚀刻到早已生长的半导体层中，避免了由于蚀刻所导致的、可降低效率的损坏，并且提供了其上形成电触点的不间断的平坦表面。
文档编号G02B6/13GK101278411SQ200680021717
公开日2008年10月1日 申请日期2006年6月14日 优先权日2005年6月17日
发明者J·J·小韦勒, M·R·克雷默斯, N·F·加德纳 申请人:飞利浦拉米尔德斯照明设备美国有限责任公司