专利名称：发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光器件，特别涉及一种具有增强光辐射能力的半导体发光器件。
光波导由其上结晶第一半导体层的透明晶体衬底构成，而第二半导体层在第一半导体层上结晶。晶体衬底由包括蓝宝石、碳化硅、氮化镓、砷化镓、和磷化镓的材料构成。第一和第二半导体层各由包括氮化镓、砷化镓、磷化镓和氮化铝的材料构成。
优选地，第一和第二介质以是光波长的1/4倍到4倍的均匀间隔隔开，以便减小在辐射表面的折射率变化，用于有效地从光波导内部辐射光。
折射层的总折射率是在折射层以外的一部分光波导的折射率和折射层外部的环境介质的折射率之间，用于减小通过辐射表面的光的折射率变化。
第一介质可由晶体衬底限定，而第二介质可以是通过用照射在衬底上的激光束修正晶体衬底而得到的改性介质。利用激光束，可以很容易地将一部分晶体衬底处理成改性介质，用于实现与未处理部分结合的折射层。选择激光束以具有小于1(一)皮秒的脉冲宽度，以便对与第二介质相邻的第一介质，即，激光修正部分基本上没有热损伤，由此提高其中交替排列第一和第二介质的微型结构的折射层。
或者，折射层可包括凹陷阵列，以将第一介质定义为相邻凹陷之间的透明晶体衬底的介质，并将第二介质定义为被捕获在凹陷中的环境介质。优选地，通过以下步骤形成凹陷首先用激光束照射辐射表面，以将被选部分修正为改性介质，并且除去改性介质，以留下其中的凹陷。而且在这种情况下，最好利用激光束将晶体衬底的被选部分处理成足够微小的改性介质，并能很容易地从衬底除去，留下希望的凹陷。选择激光束以具有小于1(一)皮秒的脉冲宽度，以便不对与改性部分相邻的部分造成明显热损伤。
为了有效地处理衬底，部分改性介质是由从不同方向同时照射的多个激光束之间的干涉作用形成的。
当折射层形成为具有凹陷阵列时，凹陷被设计成具有跨越辐射表面从一部分到另一部分改变的变化宽度，以构成菲涅耳透镜，用于有效地向特定方向引导光。
晶体衬底可包括用于从界面向辐射表面反射光的光子晶体结构，用于有效地收集光。光子晶体结构可包括在晶体衬底的深度方向延伸并排列成规则图形的柱状元件阵列，在规则图形中柱状元件由对应来自半导体发光单元的光的波长或更小的距离互相隔开。通过这种设置，从半导体发光单元的界面即第一和第二半导体层之间的界面发射的光可以有效地向辐射表面反射，以最小损失发射光。
该半导体发光单元可包括具有光子晶体结构的内反射区域，用于向光波导引导来自界面的光，这也是为了以最小损失有效地发射光。可形成光子晶体结构以延伸跨过晶体衬底和半导体单元，用于以最大效率向辐射表面反射光。
为了减小光波导内部的多次反射，并有效地发射光，光波导可设计成具有辐射表面，该辐射表面是多个平面的组合，每个平面形成小于关于从界面的几何中心延伸的光的光轴的临界角的角度。
此外，辐射表面可形成为半球形以使晶体衬底成形为平面凸透镜，所述平面凸透镜的光学中心与界面的中心重合，同样用于有效地发射光。
代替由单晶衬底形成光波导，光波导可以是晶体衬底和叠置在衬底上的透明涂层的组合。涂层由不同于衬底的材料构成并具有形成有折射层的辐射表面。利用这种结构，涂层可选自容易处理的材料以提供折射层，以便降低该器件制造成本。例如，涂层选自包括石英玻璃、环氧树脂、硅树脂以及氮化镓的材料。
该涂层可设计成在除了折射层之外的部分上具有比晶体衬底的折射率更大或更小的折射率。
此外，第二半导体层可用具有可发射光的附加辐射表面的附加光波导覆盖。附加辐射表面形成有附加折射层，该附加折射层包括折射率互不相同并且跨过附加辐射表面交替设置的第一介质和第二介质的阵列。
通过下面结合附图对优选实施例的详细说明，使本发明的这些和其它目的以及有利特征更明显。
图7是表示利用激光束形成辐射表面的方式的示意图；图8A和8B是表示根据本发明第二实施例形成辐射表面的步骤的部分剖面图；图9和10是表示第二实施例的改型的部分剖面图；
图11是根据本发明第三实施例的器件的剖面图；图12是上述器件的顶视图；图13是表示根据本发明第四实施例的器件的剖面图；图14-16分别是在器件的各个高度的水平剖面图；图17和18分别是上述实施例的改型的发光器件的剖面图；图19是上述实施例的进一步改型的发光器件的顶视图；图20是表示图19的器件的辐射表面的放大剖面图；图21和22分别是表示上述实施例的进一步改型的发光器件的剖面图；图23是根据本发明第五实施例的发光器件的剖面图；图24和25分别是表示折射层的形成方式的示意图；图26是上述实施例的进一步改型的发光器件的剖面图；图27是表示根据本发明第六实施例的发光器件的剖面图；图28是表示图27的折射层的形成方式的剖面图；和图29和30是表示上述实施例的改型的剖面图。
参见图1，其中示出了根据本发明第一实施例的发光器件。该发光器件例如用做安装在印刷电路板上的分立元件，以便通过接收控制电压提供可见光或紫外线。该器件包括由蓝宝石(α-Al2O3)制成的透明晶体衬底10，在该衬底10上形成作为光源的半导体发光单元20。单元20由第一半导体层21及随后的第二半导体层22构成，第一半导体层21由n-型GaN(氮化镓)构成，第二半导体层22由p-型GaN构成。第一半导体层21通过外延生长形成在晶体衬底10的C面上，第二半导体层22通过外延生长形成在第一半导体层21上，以便在两层之间形成界面。在给该界面施加控制电压时，该界面产生光。分别固定于第一和第二层21和22上的是第一电极31和第二电极32，它们被表面贴装在印刷电路板1上，如图2所示，用于连接提供控制电压的电压源。在该界面产生的光射向层21和22，并穿过衬底10进入环境介质，即空气中。在这种情况下，衬底10限定用于向外引导光的光波导。
注意前面公开的形成晶体衬底10以及半导体层21和22的上述材料只是示意性的。晶体衬底可由其它材料形成，包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、以及磷化镓(GaP)。半导体层可由其它材料形成，包括氮化镓、砷化镓、磷化镓以及氮化铝(AlN)。
晶体衬底10被构成为具有例如1平方毫米的顶部辐射表面，该表面被处理成折射层40，用于减少到达顶部辐射表面的光的多次反射，因此有效地向外辐射光。如图3最佳示出的，折射层40是通过第一介质41和第二介质42以规则图形或间隔跨过辐射表面交替排列实现的，以使总折射率在晶体衬底10的折射率和环境介质即空气的折射率之间。第一介质41由形成衬底的材料限定，而第二介质42是通过照射激光束而修正衬底的材料得到的改性介质。得到的改性介质具有小于第一介质的折射率，因此提供在衬底和空气的折射率之间的折射率。
激光束是通过波长为800nm和脉冲宽度为150fs(femto-秒)的所谓飞母托(femto)激光器产生的，并且以小于1μJ/脉冲的工作能照射到衬底10的顶表面上，从而提供分立的第二介质42，每个介质42是直径约为100nm和深度或高度约为100nm的圆柱形。第一和第二介质41和42通过光波长的1/4到4倍的距离交替隔开。利用脉宽为150fs的激光，第一介质41或与第二介质42相邻的其它部分不会受到热损伤，并且保持不受激光束的影响。在这种情况下，由本发明人证实了在使用脉冲宽度为1(一)皮秒的激光束时衬底实质上没有受到热损伤。即，可以在由激光辐射产生的热传递到相邻部分之前将衬底被修正成第二介质42。利用具有这种短脉宽的激光器，晶体衬底10可以被处理成具有折射层40，其具有微小的分布的第二介质42。虽然所示实施例具有穿过辐射表面规则地分布的第二介质42，但是本发明应该不限于这种特殊图形，并且可以包含第二介质随机地分布在辐射表面中的某些部分上的结构。
尽管上述实施例公开了作为圆柱阵列的第二介质42，如图1-4所示，它们可以形成为图5中所示的矩形固体的阵列，或者图6中所示的沿着衬底一维方向延伸的矩形凹槽的阵列。
图7表示利用分别通过会聚透镜2从不同方向射来的两个激光束LB之间的干涉将衬底的表面修正成第二介质的阵列的最佳方案。该激光束是通过分离一个激光束而形成的，并以小于100MJ/m2的总工作能量密度同时照射在衬底表面上。由于可以通过激光束照射将衬底处理成具有在其辐射表面的预定折射层，因此即使在衬底10安装于印刷电路板1之后也可以将激光束处理施加于晶体衬底10。
第二实施例<图8-10>
图8A和8B表示根据本发明第二实施例的发光器件，该器件与第一实施例相同，除了折射层40是通过凹陷43的阵列实现的以外。换言之，第二介质由环境介质即被捕获在凹陷中的空气限定，而第一介质41由非修正衬底限定。首先，通过激光束照射处理衬底10的顶表面以提供柱状修正介质42的阵列，如图6A所示。接着，利用合适的刻蚀液除去修正介质42，留下凹陷43。例如，5％氢氟酸的水溶液用做刻蚀液。得到的凹陷43以光波长的1/4到4倍的均匀间隔排列，由此使折射层40的总折射率处于折射层以外的衬底和环境介质即空气的折射率之间。结果是，可以大大减少到达折射层40的光的多次反射，以便从辐射表面以最大效率向外发射光。
凹陷43可以成形为具有如图8B所示的矩形截面，或者如图9所示的V形截面。最优选的是，凹陷43是上下倒置的锥形。当这种凹陷以光波长的1/4到1倍的均匀间隔排列，并且光的波长为200nm-500nm时，关于TE(切割电场的)波的总有效折射率<nE>可以由下列等式表示。⟨nE⟩=x·n12+y·n22x+y]]>其中x是第一介质41的宽度，y是凹陷43的宽度，如图9所示，n1是第一介质(衬底)的折射率，n2是空气的折射率。
而且，关于TM(切割磁场的)总折射率<nM>可由下列等式表示。⟨nM⟩=x+yx/n12+y/n22]]>此外，折射层40可通过改性介质42的阵列来实现，其中改性介质42分布成在相邻改性介质42之间留下凹陷43，如图10所示。在这种情况下，首先通过激光烧蚀除去辐射表面的被选部分，形成凹陷43，接着，通过激光修正将保持在凹陷43之间的部分修正成改性介质。使用的激光是波长为800nm和脉宽为150fs(飞母托秒)的飞母托激光，并以约1μJ/脉冲的工作能照射到衬底10的顶表面上，以便通过烧蚀除去被选部分，由此形成内部直径约为100nm的柱状凹陷43，然后以2-15J/mm2的工作能照射到其余部分上，以便形成改性介质42。
第三实施例<图11&12>
图11和12表示根据本发明第三实施例的发光器件，该发光器件与第一实施例的发光器件相同，除了光子晶体结构50形成在晶体衬底10以及半导体层21和22的内部用于反射从该界面向具有折射层40的衬底的顶部辐射表面反射光之外。光子晶体衬底50包括在衬底10以及半导体层21和22的圆周上垂直延伸的多个柱状晶体单元51。该柱状晶体单元是通过衬底的激光修正形成的，并以光波长的约一半的均匀间隔排列，由此提供与相邻非修正衬底协作的不同晶体衬底，用于反射光。这样，在半导体层21和22之间的界面产生的光通过在衬底10的顶部中心的折射层40共同地发射。相同的部件用与第一实施例相同的参考标记表示。
第四实施例<图13-17>
图13-16表示根据本发明第四实施例的发光器件，它与第一实施例相同，除了晶体衬底10在其内部形成有光子晶体结构50，用于向位于设置折射层40的衬底10的顶部中心面的辐射表面反射光。光子晶体结构包括多个球形晶体单元52，它们按照这种图形沿着三维方向排列，以便在各个水平截面具有不同的面积，如图14-16所示，用于向形成在衬底10的顶部中心的减小区域的折射层40反射光。球形晶体单元是通过用激光修正衬底形成的，并且以约为光波长的一半的均匀间隔隔开。相同的部件用相同的参考标记表示。
如图17所示，相同的光子晶体结构可形成在半导体层21和22中以向衬底10的顶表面反射光，同时防止光侧向穿过第一半导体层21以及向下穿过第二半导体层22。此外，如图18所示，还可以在衬底10的周边形成由球形晶体单元构成的光子晶体结构50，以便只通过在衬底顶表面的折射层40发射光。
图19和20表示构成为菲涅耳透镜的折射层40，其可适用于这里公开的任一实施例。即，折射层40包括以特定图形设置的凹陷43的阵列以形成菲涅耳透镜。详细地说，折射层40具有围绕折射层40的光学轴M的多组凹陷43或同心凹槽。在每组中，单个凹陷的宽度向光学轴M变小，而凹陷和相邻第一介质41的增加宽度保持不变。这些组凹陷43以大于在半导体层的界面产生的光的一个波长的周期重复设置，用于通过折射层41向光学轴M射出光。
如图21所示，第二半导体层22可另外被处理成提供相同结构的折射层24并用做晶体衬底10的折射层。折射层24形成在围绕电极32的第二半导体层22的下部露出表面中，用于有效地通过第二半导体层22发射光。
当不要求第二半导体层22发射光时，电极32放在半导体层22的整个下表面的上方，以便向上背向反射，如图22所示。
第五实施例<图23-25>
图23表示根据本发明第五实施例的发光器件，它与第一实施例的发光器件相同，除了晶体衬底10被成形为具有多个辐射表面之外，其中每个辐射表面设有折射层40。相同的部件用相同的参考标记表示。每个辐射表面是平坦表面，该平坦表面形成的角度比关于从界面中心发射的光的临界角(θc)小。这样，衬底10可用于通过所有的暴露表面发射光，同时使衬底10内的多次反射最小化，由此以最大效率辐射光。
通过用激光束LB进行烧蚀，处理衬底10以提供预定表面，如图24所示，然后用激光束LB照射以在每个表面中形成折射层，如图25所示。注意在这种情况下折射层40可被完成以具有如这里公开的任一结构，如图3-10所示。
或者，衬底10可成形为平面凸透镜，该凸透镜具有设有折射层40的半球形辐射表面，如图26所示。半球形辐射表面的所有点提供的角度小于相对于从第一和第二半导体层21和22之间的界面的中心产生的光的临界角。该半球形辐射表面是通过激光烧蚀形成的，然后通过激光束处理以形成折射层40。
第六实施例<图27和28>
图27表示根据本发明第六实施例的发光器件，该发光器件与第一实施例的发光器件相同，除了晶体衬底10用涂层60覆盖之外，其中涂层60由不同于衬底的材料制成，并且可透射从半导体层发射的光。因此涂层60与衬底共同操作以限定光波导，并具有可发射光的辐射表面。涂层60由包括石英玻璃、环氧树脂、硅树脂、和氮化镓的材料制成，这些材料容易处理，以提供折射层40，而不用采取如前所述的激光烧蚀或修正技术。例如，可以依赖模压技术，将凹陷阵列从模具转换成涂层60的顶表面，如图28所示。涂层的顶表面可以通过激光照射进行加热，以利于在涂层60的顶表面中转换或形成折射层40。
优选地，涂层60选自具有大于衬底10的折射率的材料。另一方面，当涂层60由具有小于晶体衬底10的折射率的材料构成时，优选在涂层60和衬底10之间的界面提供附加的折射层44，如图29所示。附加折射层44由以光波长的1/4到4倍的均匀间隔互相交替设置的第一介质和第二介质的阵列限定。例如，第一介质是涂层60的材料，而第二介质是衬底10的材料。这可以通过在涂层60的底部形成凹陷阵列和通过将得到的锯齿状底部压到衬底10的顶表面中来实现。代替地，附加折射层44可具有参照图2和3公开的结构，并形成在衬底或涂层上。还可以在衬底10和第一半导体层21之间的界面提供另外的折射层48，如图所示，用于有效地向涂层60的顶部辐射表面发射光。
图30表示一种改型，其中在第二半导体层22的下表面上叠置附加光导80，以便利用附加的折射层84有效地通过半导体层22发射光。光波导80等效于图29的涂层60，并且选自不同于半导体层的材料并包括石英玻璃、环氧树脂和硅树脂。光波导80形成在除了第二电极32以外的第二半导体层22的整个下表面上，并被处理以具有上述结构的折射层84。应该注意，在不脱离部分多么概念的情况下，参照特殊实施例公开的单独的特征和改型可以适当地组合。因此，本发明包括单独特征的任何合适的组合。
权利要求
1.一种发光器件，包括产生光的半导体发光单元(20)，所述发光单元由第一导电类型的第一半导体层(21)和与第一导电类型相反的第二导电类型的第二半导体层(22)构成，所述第二半导体层整体叠置在所述第一半导体层上，以便在其间限定界面；一对电极(31，32)，分别固定到所述第一和第二半导体层上以给界面施加电压，用于从所述界面周围发射光，叠置在所述第一半导体层上并引导光的光波导(10；60)，所述第一半导体层直接形成在所述光波导上以便与所述光波导和所述第二半导体层形成整体结构；所述光波导具有发射所述光的辐射表面，其特征是，所述辐射表面形成有包括第一介质(41)和第二介质(42；43)的折射层(40)，所述第一和第二介质具有互不相同的折射率并跨过所述辐射表面交替设置。
2.根据权利要求1的发光器件，其特征是，所述光波导由其上结晶所述第一半导体层(21)的透明晶体衬底(10)构成，并且所述第二半导体层(22)在所述第一半导体层上结晶。
3.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述透明晶体衬底(10)由选自蓝宝石、碳化硅、氮化镓、砷化镓和磷化镓的材料制成，和所述第一和第二半导体层(21，22)各由选自氮化镓、砷化镓、磷化镓和氮化铝的材料制成。
4.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述第一和第二介质各以是所述光波长的1/4到4倍的均匀间隔隔开。
5.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述折射层(40)的总折射率在除了所述折射层以外的所述光波导的一部分的折射率和所述折射层外部的环境介质的折射率之间。
6.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述第一介质是所述透明晶体衬底(10)的介质，并且所述第二介质是通过用激光束照射在所述晶体衬底上而修正所述晶体衬底得到的改性介质(42)。
7.根据权利要求6的发光器件，其特征是，所述激光束的脉宽小于1(一)皮秒。
8.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述折射层(40)包括凹陷(43)的阵列，以便将所述第一介质定义为相邻凹陷之间的所述透明晶体衬底的介质，将所述第二介质定义为在所述凹陷特征是捕获的环境介质。
9.根据权利要求8的发光器件，其特征是，所述凹陷(43)通过以下步骤形成用激光束照射所述辐射表面以将其被选部分修正成改性介质；和除去所述改性介质，留下其中的所述凹陷。
10.根据权利要求9的发光器件，其特征是，所述激光束的脉宽小于1(一)皮秒，这不会热损伤与得到的折射层相邻的部分。
11.根据权利要求9的发光器件，其特征是，所述改性介质是通过从不同方向同时辐射的多个激光束之间的干涉作用形成的。
12.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述折射层(40)具有形成在所述辐射表面中的凹陷(43)阵列，以便由相邻凹陷之间的部分限定第一介质，并将所述第二介质定义为在所述凹陷中捕获的环境介质，所述凹陷具有穿过所述辐射表面从一部分到另一部分改变的变化宽度，以便实现菲涅耳透镜。
13.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述透明晶体衬底(10)包括光子晶体结构(50)，用于从所述界面向所述辐射表面反射光。
14.根据权利要求13的发光器件，其特征是，所述光子晶体结构(50)包括柱状元件阵列，它们在所述透明晶体衬底的深度方向延伸并以规则图形设置，其中所述柱状元件以对应从所述半导体发光单元发射的光的波长或更小的距离互相隔开。
15.根据权利要求1的发光器件，其特征是，所述半导体发光单元包括具有光子晶体结构(50)的内部折射区，用于向所述光导引导从所述界面发射的光。
16.根据权利要求2的发光器件，其特征是，光子晶体结构形成为穿过所述透明晶体衬底(10)和所述半导体单元(20)延伸，用于向所述辐射表面反射来自所述界面的光。
17.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述辐射表面包括多个平面，每个平面形成的角度小于关于从所述界面中心产生的光的光轴的临界角。
18.根据权利要求2的发光器件，其特征是，所述辐射表面是半球形的，以便将所述透明晶体衬底成形为平面凸透镜，所述平面凸透镜具有与所述界面中心重合的光学中心。
19.根据权利要求1的发光器件，其特征是，所述光导由其上形成所述第一半导体层的透明晶体衬底(10)和叠置在所述透明晶体衬底上的透明涂层(60)构成，所述涂层由不同于所述晶体衬底的材料构成，并具有设有所述折射层的所述辐射表面。
20.根据权利要求19的发光器件，其特征是，所述透明晶体衬底(10)由选自蓝宝石、碳化硅、氮化镓、砷化镓和磷化镓的材料制成，和所述涂层(60)由选自石英玻璃、环氧树脂、硅树脂以及氮化镓的材料构成。
21.根据权利要求19的发光器件，其特征是，所述涂层(60)在除了所述顶部折射层以外的部分具有大于所述透明晶体衬底的折射率。
22.根据权利要求19的发光器件，其特征是，所述涂层(60)在除了所述折射层以外的部分具有小于所述透明晶体衬底的折射率。
23.根据权利要求19的发光器件，其特征是，在所述涂层(60)和所述晶体衬底(10)之间的界面形成附加折射层(44)，所述附加折射层包括第一介质和第二介质的阵列，第一介质和第二介质具有不同的折射率并且穿过涂层和晶体衬底之间的界面交替设置。
24.根据权利要求2的发光器件，其特征是，附加光导(80)叠置在所述第二半导体层(22)上，所述附加光导具有发射光的附加辐射表面，所述附加辐射表面形成有包括第一介质和第二介质阵列的附加折射层，所述第一和第二介质具有互不相同的折射率并穿过所述附加辐射表面交替设置。
25.根据权利要求1的发光器件，其特征是，在光导和所述第一半导体层之间的界面形成附加折射层(48)，所述附加折射层具有在第一半导体层的折射率和所述光导的折射率之间的折射率。
全文摘要
一种半导体发光器件，提供具有增强光辐射能力的大辐射表面。N型GaN层和P型GaN层叠置以在其间限定界面，通过给该界面施加电压而产生光。开发了其上生长GaN层的光波导，用于提供发射光的宽辐射表面。辐射表面形成有由第一介质和第二介质的阵列构成的折射层，第一介质和第二介质具有互不相同的各自的折射率，并穿过辐射表面交替设置。这样，可最佳利用光波导以提供大辐射表面，并形成有折射层，减少了光导内部的多次反射，用于使通过光导传输的光有效地通过或辐射。
文档编号H01L33/22GK1472826SQ03149139
公开日2004年2月4日 申请日期2003年6月19日 优先权日2002年7月29日
发明者田中健一郎, 久保雅男, 男, 明, 松嶋朝明, 一, 寺内亮一 申请人:松下电工株式会社