具有光提取结构的半导体发光器件的制作方法

专利名称：具有光提取结构的半导体发光器件的制作方法
具有光提取结构的半导体发光器件背景相关技术描述包含发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL) 和边发射激光器的半导体发光器件属于当前可获得的最高效的光源。在能够跨过可见光谱 操作的高亮度发光器件的制造中，当前感兴趣的材料体系包含III-V族半导体，特别是镓、 铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，它们也称为III族氮化物材料。典型地，III族氮化物 发光器件是利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者其它外延技术在 蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适衬底上外延生长不同组成和掺杂剂浓度的半导体 层的堆叠来制作的。该堆叠经常包含形成于衬底之上例如用Si掺杂的一个或多个η型层、 形成于该一个或多个η型层之上的有源区域内的一个或多个发光层、以及形成于该有源区 域之上用例如Mg掺杂的一个或多个ρ型层。电学接触形成于η型和ρ型区域上。

发明内容
根据本发明实施例，可增大以掠入射角发射的光的提取的结构被并入发光器件 内。该发光器件可以是例如III族氮化物薄膜倒装芯片发光二极管。在一些实施例中，该器件包含通过全内反射将光引导离开金属接触的结构。例如， 该器件可包含半导体结构，该半导体结果包含布置在η型区域和ρ型区域之间的发光层。反 射性金属接触布置在半导体结构的底侧上并电连接到P型区域。低折射率材料布置在至少 一部分该反射性金属接触和该P型区域之间。低折射率材料和P型区域之间的折射率差异 以及低折射率层的厚度被选择以确保掠射角光的全内反射。例如，低折射率材料的折射率 和P型区域的折射率之间的差异可以为至少0. 4。半导体结构和低折射率材料之间的界面 配置成高效地反射以掠射角(即相对于发光层主平面的法线以大于70°的角度)入射在界 面上的光。在一些实施例中，该器件包含提取特征，该提取特征可直接提取掠射角光，或者将 掠射角光引导至更容易地从器件被提取的更小入射角内。例如，该特征可以是半导体结构 内从半导体结构的顶面或底面延伸的腔。腔可具有相对于发光层的主表面以介于35°和 55°之间的角度取向的侧壁。腔的侧壁可以全部或部分地衬有电介质材料。腔可用金属填 充。在一些实施例中，金属形成与η型区域的电接触。


图1说明III族氮化物薄膜倒装芯片发光器件。图2说明具有在顶面内形成的光子晶体的III族氮化物器件。图3说明具有布置在半导体结构和金属接触之间的非导电低折射率层的器件。图4说明具有布置在半导体结构和金属接触之间的导电低折射率层的器件。图5说明具有形成于一部分半导体结构内的经氧化的低折射率层的器件。图6说明包含光提取特征的器件，该光提取特征从其上形成ρ接触的表面延伸到半导体结构内。图7说明包含光提取特征的器件，该光提取特征从光从其离开器件的那个表面延 伸到半导体结构内。图8为提取与入射角的函数关系的曲线图，该曲线图说明投射在GaN/空气光子晶 体(其周期和深度为大约一个波长)上的平面波的一次(one-pass)提取效率。图9为提取与入射角的函数关系的曲线图，该曲线图说明与图8相同的结构的一 次镜面反射(例如，以与入射角相同的角度被背散射的光的小部分)。图10为对于具有GaN ρ型区域、SiO2低折射率层和Ag接触的器件，对于三种不同 的SiO2厚度，反射率与入射角的函数关系的曲线图。图11说明包含用薄电介质层涂覆并用金属填充的光提取特征的器件。图12说明包含部分地由电介质层涂覆且还用作η接触的光提取特征的器件。图13为器件内光提取特征和η接触的布局的顶视图。图14Α和14Β说明入射在GaN/低折射率材料/金属界面上的光射线。图14Α示 出两条在薄的低折射率层内传播的射线。图14Β示出在厚的低折射率层内传播的射线。图15说明对于GaN/Si02/Ag结构，反射率与入射角以及SiO2层的厚度t的函数关 系。
具体实施例方式图1说明III族氮化物倒装芯片薄膜LED，其在通过引用结合于此的美国专利 7，256，483中更详细地描述。η型层16、有源层18和ρ型层20例如生长在诸如蓝宝石或 SiC的任何合适衬底之上。ρ层表面被重掺杂以与管芯金属化层24 (例如Ag)形成欧姆接 触。金属化24对由有源层发射的光是可以是高度反射性的。部分的ρ层20和有源层18 在LED形成过程中被蚀刻掉，以及金属50 (金属化层加结合金属)在该器件的与ρ接触金 属24相同的侧面上接触η层16。η金属50和ρ金属24结合到封装衬底12上的垫片22a。底填材料52可以沉积 在LED下的孔洞内以减小跨过LED的热梯度，增加附连的机械强度，以及防止污物接触LED 材料。结合技术可以是焊接、热压、互扩散、或者通过超声焊结合的金柱凸点阵列。管芯金 属化和结合材料的组合作为金属24和50被示出，且可包含扩散阻挡层或其它层以保护毗 邻半导体材料的金属化层的光学属性。封装衬底12可以由电学绝缘材料AlN形成，具有利 用通路28和/或金属迹线连接到可焊接电极26的金接触垫片22。可替换地，封装衬底12 可以由被钝化时防止短路的例如阳极化AlSiC的导电材料形成。封装衬底12可以是导热 的以用作热沉或者将热量传导至更大的热沉。生长衬底可以利用准分子激光束来移除。激光束熔化位于GaN材料与生长衬底的 界面处的GaN材料，允许生长衬底随后被剥离。可替换地，可以通过例如RIE蚀刻的蚀刻， 通过例如蚀刻掉生长衬底和LED层之间的层的剥离技术，或者通过研磨来移除生长衬底。露出的相对厚的GaN层16可选地通过利用例如RIE的干法蚀刻的蚀刻来减薄。 在一个实例中，被蚀刻的GaN层16厚度为7 μ m,且蚀刻将GaN层16厚度减小至大约1 μ m。 如果所有外延LED层的初始厚度为9 μ m,这种情况下蚀刻致使LED层的总厚度为3 μ m。成 品器件中半导体结构的总厚度在一些实施例中可以是10 μ m或更小，在一些实施例中可以是5 μ m或更小，在一些实施例中可以是2 μ m或更小，以及在一些实施例可以是1 μ m或更 小。减薄过程移除由激光剥离过程导致的损伤，并减小不再需要的光学吸收层例如低温GaN 成核层和相邻层的厚度。毗邻有源区域的η型覆层的全部或部分保持不变。LED的顶面(η层16)被纹理化以增加光提取。在一个实施例中，层16利用KOH溶 液46被光电化学蚀刻。这形成GaN表面(具有η型Si掺杂)内的"白色"粗糙度。利用 在LED形成过中生长的蚀刻停止层，该蚀刻过程也可以用于进一步减薄η层16并停止在预 定厚度，留下平滑的表面。后一种方法对于谐振器件设计是有用的。对于这些器件，镜堆叠 (例如布拉格反射器)现在可以沉积在LED的顶面上。附加的光提取技术可包含微米或纳 米尺度的图案化蚀刻(凹坑或者光子晶体)。在图1说明的器件中，具有随机纹理化或者具有有序纹理化的表面中表面纹理化 的特征尺寸大体上约为由有源区域发射的光的一个波长。这些器件的表现取决于器件内的 光提取过程和吸收过程的相对效率，该吸收过程为有源区域和金属接触的吸收。吸收过程 典型地每次反弹(bounce)时达几个百分比(1%至10% )。如果每次反弹的光提取率大于 每次反弹的吸收率，从器件的光提取则是高效的。从纹理化表面的光提取可以强烈地取决于光的入射角。相对于顶面法线以小角度 投射在表面上的光，图2中示为光30，容易被提取。相对于顶面法线以大角度投射在表面上 的光，此处称为掠射角光，图2中示为光32，更难以被提取。几乎全部掠射角光如图2所说 明或者通过镜面反射或者通过背散射而被反射回到LED内。反射光易被吸收。例如在相对 于器件顶面法线介于70°和90°之间的角度范围内入射的掠射角光的提取效率仅为几个 百分比。这在图8中说明，图8示出投射在光子晶体上的平面波的一次提取与角度的关系 (0°为垂直于光提取表面的平面，即η型区域16的顶部)。在大角度(掠射角)的提取小 于在小角度的提取，因而需要更多反弹用于提取。以掠射角被背散射的光大多数经历镜面反射(与漫散射相反)并保持相同的入射 角。这在图9中说明，图9示出对于与图8相同的结构，一次镜面反射与角度的关系(0°为 垂直于光提取表面的平面)。在掠射角，大部分的光经历镜面反射。纹理化表面因此不是 用于将掠射角光转换成以较小角度传播的光的良好机制，以较小角度传播的光更容易被提 取。由于以掠入射角发射的光代表显著部分的由器件发射的光(在一些器件中约40%)， 期望提取掠射角光从而提高器件的提取效率。尽管图8和9中说明的结果是针对器件的 图案化顶面的具体几何来计算的，它们所说明的趋势(即在掠射角的不良提取和大的背散 射)对于图案化表面的各种几何是成立的。根据本发明实施例，可以提高以掠射角发射的光的提取的结构被并入III族氮化 物薄膜倒装芯片发光器件内。在一些实施例中，该器件包含通过全内反射将光引导离开金 属接触的结构。在一些实施例中，该器件在半导体结构内包含提取特征，该提取特征可以直 接地提取掠射角光，或者将掠射角光引导到更容易从器件提取的更小入射角内。图3和4说明具有布置在至少一部分半导体结构和金属ρ接触之间的低折射率层 的器件。在图3和4 二者所说明的器件中，低折射率层优选地造成很少或者零光学损耗。在 一些实施例中，P型区域、低折射率层和P接触配置为使得P型区域上的低折射率层和反射 性P接触金属的复反射率大于仅位于P型区域上的反射性P接触金属的反射率。添加低折射率层可以增强接触的反射率。低折射率层的类型及其厚度被选择为使得在有用角度的光的全反射被最大化，得到的反射优于没有低折射率层的反射性金属接 触。图14A和14B说明不同角度处的光如何被反射离开低折射率层/金属反射性接触。图 14A的射线66的入射角小于GaN 20 (n = nGaN)和低折射率层36,40 (n = nlow)之间的临界 角Θ。，该临界角Θ。是由公式Θ。= SirT1 (ni。w/neaN)给出。小百分比的射线66能够立即从 低折射率层36、40反射而没有损耗。大多数射线66穿透低折射率层36、40并反射离开金 属24。对于射线66，在低折射率层36、40内的往返损耗(即，当光行进经过低折射率层，被 反射离开金属层，随后往回行进经过低折射率层时的损耗)优选地不大于从半导体结构20 直接反射离开金属层24 (没有中间低折射率层)的射线的损耗。该损耗定义低折射率层的 最大厚度_该最大厚度取决于低折射率层内的吸收_使得半导体/低折射率层/金属反射 器的反射率优于半导体/金属反射器的反射率。图14B的射线70也在临界角内，但是低折射率层36、40更厚且一些射线可以被谐 振地陷捕在该层内，这增加了它们的吸收(由金属24或者由低折射率层36、40吸收)。如 果半导体20、低折射率层36、40和金属层24折射率和厚度未恰当地选择，这种效果可降低 接触的有效反射率。对SiO2低折射率层，射线66和70的行为示于图10。图10为对于具 有GaN ρ型区域20、Si02低折射率层36和Ag ρ接触24的器件，反射率与入射角的函数关 系的曲线图。图10示出三个SiO2厚度0nm(即没有低折射率层)、70nm和400nm。对于薄 SiO2层(70nm)，低于临界角(<40° )处不存在谐振且反射率为角度的平滑函数。反射率 仅仅高于Ag。对于较厚的3102层(400nm)，在临界角以下存在两个谐振，在所述谐振处光 被陷捕在SiO2内且反射率变差。为了避免这些谐振，低折射率层的厚度需要小于低折射率 层内的半波长厚度(将镜相移考虑在内)。对于大多数实施例，电介质层的厚度足够薄，例 如小于IOOnm以避免谐振。在其它实施例中，电介质厚且可支持谐振，但是半导体层的厚度 被选择以最小化或消除在这些不利角度处的光发射。图14A的射线68示出这样的情形，其中入射角大于临界角，导致此掠射角光的全 内反射。通过利用全内反射将光引导离开而减少入射在金属接触上的光数量，这增加了在 大于临界角的角度处该接触的反射率。对于低折射率层存在一最小厚度，使得可以获得最 大反射率。在全内反射的角度之上，光在低折射率层内为倏逝波，该倏逝波的指数衰减长度 Ldecay = λ/[2π V (neaN2Sin2e-ni。w2)]，其中λ为波长(在真空中)，θ为光的角度，以及 nGaN和nlOT分别为ρ材料和低折射率层的光学指数。如果低折射率层的厚度与L—相比是 足够大的，光不经历镜损耗。通常，取决于θ和nlOT的值，Lde。ay*40nm至80nm。在一些实 施例中，低折射率层的厚度为Ld_y的至少两倍。在其它实施例中，厚度为至少Ld_y。通过提高以小于临界角(上面图14A和14B中的射线66和70)或者大于临界角 (上面图14A中的射线68)的入射角行进的光的反射率之一或二者，提高了器件的提取效 率。图15总结了对于GaN/Si02/Ag结构的情形如上所述的效果。对于SiO2厚度t < IOOnm, 不存在谐振且反射率总体上随t增大。对于更大的t，谐振在某些角度出现并减小反射 率。由两个虚线代表对应于t = IOOnm和t = 200nm的两个实施例。这些厚度分别对应于 SiO2层中没有谐振和一个谐振，且二者均确保非常高的反射率(对于大于50°的角度，> 99. 9% )。在与低折射率层的界面处的半导体材料典型地为具有约2. 4的折射率的ρ型GaN。 在一些实施例中，低折射率层具有的折射率η为2或更小，更优选地1. 7或更小。通过使低折射率层具有2或更小的折射率，临界角被限制为不大于 55°。因此，所有角度大于临界 角的光以最大反射率被全反射。这包含如图8所示的最难以提取的掠射角光。低折射率层 只需要与致使掠射角光全内反射所需的厚度一样厚。在图3说明的器件中，非导电低折射率层的区域36沉积在ρ型区域20和ρ接触 24之间。合适的低折射率层的实例包含例如SiO2 (η = 1. 5)、SiN、Ti02或Al2O3的电介质以 及例如ZnO的半导体。电介质低折射率层应足够厚，例如至少80nm，以确保掠射光的反射 (如上所述)。在一些实施例中，电介质低折射率层足够薄，例如小于IOOnm以如上所述避 免谐振，或者足够薄，例如小于250nm以仅支持一个谐振。在其它实施例中，低折射率层更 厚并支持谐振，但是半导体结构的厚度被调谐以避免在与由低折射率层支持的谐振相对应 的角度处发射光。在一些实施例中，以小于临界角入射的光的反射率大于95%。在一些实 施例中，以大于临界角入射的光的反射率大于98%。电介质低折射率层可以沉积在ρ型区域20的表面上并在形成ρ接触24之前被图 案化。半导体低折射率层可以生长或者沉积在P型区域20的表面上。电流被注入在位于低 折射率材料的区域之间的间隙38内的半导体结构中，其中ρ接触24与ρ型区域20直接接 触。间隙38足够大且间隔设置为足够靠近在一起，使得电流在ρ型区域20内从与ρ接触 24接触的区域扩展到由低折射率材料36从ρ接触屏蔽的区域。在ρ型GaN内扩展电流是 困难的，因为P型GaN的电阻率高，为 1 Ω -cm。为使接触是有效的，间隙需要足够靠近在 一起使得电流可以在非导电低折射率层下扩展。III族氮化物LED内的ρ型GaN层趋于是 薄的(例如，小于0.5μπι)，这也限制了该层的电流扩展能力。在一些实施例中，间隙38可 以至少IOOnm宽，且在一些器件中分隔开小于2 μ m，在一些器件中分隔开小于0.5 μ m。间 隙的面积与总接触面积的比例大体上保持低以得到高反射率，但是该比例足够高以提供高 效的电流扩展。在一些实施例中，低折射率层覆盖50%或更多的ρ型区域表面的总面积。 低折射率层内的开口 38可以通过例如压印、全息或者步进仪/扫描仪光刻技术来形成。在图3说明的器件中，以及在此处描述的其它器件中，生长衬底可以从器件移除。 在移除生长衬底的实施例中，通过移除衬底而露出的器件的顶面34可以被随机地粗糙化 或者可以用例如光子晶体来图案化。在一些实施例中，间隙38的图案可以按周期性方式组 织以增大或者促进在顶面34内形成的光子晶体的光提取效果。例如，间隙38的图案的参 数(例如间隙的晶体或准晶体晶格的类型、节距、填充因子、深度和形状)可被调谐以提取 通过在顶面34内形成的光子晶体不能很好地提取的光。此外，所述参数可被调谐以增强此 提取光的定向性，使得其增加了光子晶体的定向光提取。在一个实施例中，间隙38的图案 的节距和晶格类型与光子晶体的节距和晶格类型相同，例如，节距约为200nm至600nm。在图4说明的器件中，导电低折射率层40布置在ρ型区域20和ρ接触24之间。 因为低折射率层40是导电的，ρ型区域20和ρ接触24之间的整个界面可以用低折射率层 40覆盖。低折射率层还与ρ型层20形成良好接触。比接触电阻优选地为lX10_2ohm-cm2 或更小。在一些实施例中，低折射率层40为掺杂的氧化物，例如铟锡氧化物(ΙΤΟ，η = 1. 5)、InO, ZnO, GaxOy或者CuO。氧化物可以是ρ掺杂或者η掺杂，这种情况下可以使用到 P型区域的隧穿结。在一些实施例中，掺杂剂为氧化物的成份之一(例如ITO中的锡)；在 其它实施例中，掺杂剂为附加的元素(例如对于P型ZnO的P)。掺杂剂的浓度足够高以确保低的接触电阻和适当的电学注入，但是足够低以避免光学吸收。例如，ITO层中锡的量可 以在0和10%之间改变。在一些实施例中，另一种材料的薄层(例如，几埃的比如Ni的金属)布置在半导 体结构和低折射率层40之间，以增强低折射率层与半导体结构的附着并改善在氧化物和ρ 型半导体材料之间界面处的比接触电阻。为了降低折射率并因此增大在与半导体的界面处的折射率反差，氧化物低折射率 层可以例如通过电学、化学或者电化学湿法蚀刻而制成多孔的。可替换地，多孔低折射率层 可以通过在导致柱之间具有空气间隙的柱状生长的角度处蒸发来形成。由于低折射率层40 薄，其可能是电阻性的。例如，低折射率层40可以具有多达1 Ω -cm的电阻，该电阻与ρ型 GaN的电阻相当。在一些实施例中，低折射率层40为外延生长的半导体层。典型地这种低折射率层 为例如AlInGaN、AlGaN或AlInN的III族氮化物层，不过例如ZnO的非III族氮化物外延 材料是可能的。低折射率半导体层可以被充分掺杂，以使电流从P接触24到ρ型区域20 通过低折射率层被直接地注入。可替换地，对于薄的轻掺杂或者未掺杂的低折射率半导体 层的情形，电流可以通过隧穿注入。对于隧穿结的情形，Btt邻低折射率半导体层的P型区域 的表面可以重掺杂以利于注入。在一些实施例中，低折射率半导体层被氧化从而减小折射率。图5说明具有经氧 化的低折射率层的器件的部分。η型区域16、发光区域18和ρ型区域20生长在衬底之上。 可以被氧化的半导体层42，例如可以与GaN晶格匹配的AlInN，生长在ρ型区域20之上，接 着是重掺杂P型层46。部分的重掺杂层46被移除以露出部分的底下的待氧化层。重掺杂 层46的剩余部分受到用于图案化重掺杂层46的掩模保护。例如通过将晶片暴露于氨三乙酸溶解在氢氧化钾在水中的0. 3Μ溶液中以达到 8. 5的ρΗ值的电解质溶液，随后将部分的半导体层42氧化，一小片的In可合金化到晶片用 于电流接入。在约3V的阈值电压处应用20 μ A/cm2的小电流密度。氧化例如以介于5 μ m 和20 μ m每小时的速率横向地进行。仅仅通过图案化重掺杂层46而露出的部分的半导体层 42被氧化。在氧化之后，氧化物区域44为例如AlxOy或AlxInyOz的无定形氧化物层。AlInN 层内的至少一些In通常在氧化之后保留在氧化物层内。In可以氧化或者不氧化。未氧化 半导体材料42保留在氧化物区域44之间。例如，与GaN晶格匹配的AlInN的折射率为约 2. 2(与GaN的折射率反差为8% )，而同样的氧化材料的折射率为约1. 8。ρ接触24沉积在该结构之上。在重掺杂层46的剩余部分与导电半导体区域42对 准的位置，电流从P接触24注入发光区域18。氧化物区域44不是导电的，而是导致入射在 氧化物区域44和ρ型区域20之间界面上的光的全反射。导电半导体区域42宽可以为至 少IOOnm且分隔开小于1 μ m,从而提供在ρ型区域20内的充分电流扩展。如在图3说明的 器件中，氧化物区域44的图案可以以周期性方式组织以增加或促进在η型区域16顶面内 形成的光子晶体的效果。反射性ρ接触24和发光区域18之间的距离可被优化以控制半导体内部的发射图 以及载流子的寿命，并因此影响器件的提取效率和远场图案。发光区域的布置在通过引用 结合于此的美国专利No. 6，903，376中更详细描述。添加低折射率层可增大从发光层到反 射器的光学长度。为了获得最优的发射图，从发光区域18中心到金属镜24的光相移(包含金属相移)需要是谐振的，如谐振腔LED中那样。在一些实施例中，发光区域18中心和 金属反射器24之间的光学距离为由发光区域18发射的光的四分之一波长的奇数倍减去反 射性金属24的相位。图6、7、11和12说明包含提取特征的器件，该提取特征可以直接提取掠射角光，或 者将掠射角光引导至更容易地从器件被提取的更小入射角内。图6、7、11和12的器件包含 从半导体结构的顶面延伸到底面的宏观光提取特征。光提取特征可以是例如中断半导体结 构的凸点或锥体。图6、11和12中说明的特征可以是与形成在η接触上的平台同时地在半 导体结构内蚀刻形成的腔。在图6说明的器件中，示出两个光提取特征48和54。光提取特征尺寸、形状和间 距被选择为将掠射角光引导离开器件，如射线60所说明，或者引导至更容易被提取的更小 入射角内。光提取特征可以延伸穿过整个厚度，如特征48所说明，不过它们无需如此，如特 征54所说明。在一些实施例中，更高的特征则更高效地重定向掠射角光，因为更小部分的 掠射角光可以在特征之上传播而不被重定向。图6中说明的特征用电介质材料填充，或者 用空气填充。电介质材料可以在与电介质层56同时地形成于特征内，该电介质层56被沉 积和图案化以将η接触50与发光区域和ρ型区域电学隔离。在图11说明的器件中，特征57衬有薄电介质层(厚度约为一个波长或更小)并 用与P接触24同时沉积的反射性金属填充。如上所述，电介质层保持是薄的且其精确厚度 被调谐从而避免诸如图10所说明的光学谐振，并因而确保良好的反射率。在图12说明的器件中，电介质层不存在于提取特征的顶部，使得电学接触在衬着 特征的金属与η型区域16之间形成。特征于是可以用作η接触，或者替换器件的常规η接 触或者作为它们的补充。在这些实施例中，例如通过在与用于涂覆特征的电介质层同时沉 积的电介质层，提取特征与器件层下方的P接触电学隔离。相邻特征之间的距离足够短，使得掠射角光到达特征而不在结构内被吸收。这些 特征分隔开的距离(例如分隔开10 μ m至300 μ m)远大于例如在器件顶面34内光子晶体中 形成的特征分隔开的距离(例如小于Iym)。具有更大吸收的器件需要更短的距离。吸收 取决于器件内镜和金属的反射率，且也取决于有源区域。例如，具有活性更大的材料的器件 大体上更具吸收性。特征之间的距离足够大，使得仅小部分的器件发光区域面积，例如不多 于50%由于该特征而损失。例如，如果特征宽度介于2 μ m和5 μ m之间，则特征之间50 μ m 至200 μ m的平均间隔对应于大约10%的发射面积损失。在一些实施例中，特征的尺寸和 间隔调适为使得掠射角光的所有轨迹在例如至多50 μ m的足够短距离内投射在特征上。图 13示出这种实施例的顶视图，其中如图6、11和12的附带文字所描述的特征48、54、57和 62形成腔，其中掠射光在器件内行进至多几十微米之后投射在该腔上，而由特征使用的小 部分的表面小于专用于P接触的表面。特征之间的间距64可以例如介于50 μ m和150 μ m 之间，经常为ΙΟΟμπι。大体上，提取特征置于器件的外表上以及器件之内。它们不是用于将 器件电学分离成多于一个器件，如图13所说明，其中阴影区域代表ρ接触24且也代表ρ接 触下方的P型区域(例如图6的ρ型区域20)。特征设计成使得ρ接触为遍及器件不被分 离的一个连续件。在一些实施例中，仅仅一些特征也用作到η型区域的接触。用作接触区 域的特征的数目可以被最小化以增加这些特征的反射率。大体上，这些特征的尺度是大的，例如是光的波长的若干倍，使得它们以几何方式反射光。选择特征的侧壁角度从而最大化它们的效率。由于掠射角光在材料内以接近90° 传播，预期侧壁角度接近45°，例如介于35°和55°之间的特征将高效地提取掠射角光。 对于在顶面34内形成的光子晶体的情形，通过优化它们的侧壁角度以及它们的面内分布 以沿择优方向提取光，可以进一步优化特征的属性以增加器件的定向性。在图7说明的器件中，特征58是在移除生长衬底之后形成的，例如同时顶面34被 粗糙化或用光子晶体结构来纹理化。腔58可以具有与图6所述特征相同的形状、尺寸和间 距。如图7所说明，腔58的侧壁可被粗糙化或纹理化，不过它们无需如此。腔58的侧壁可 以用例如金属、电介质或者二者组合的材料来涂覆。已经详细地描述了本发明，本领域技术人员将理解，鉴于本公开内容，可以对本发 明进行变更而不背离此处描述的发明构思的精神。例如，尽管在图3、4、6和7中，仅仅说明 一个η接触通路，器件可具有多个η接触通路。此外，如图3、4和5所说明的器件的特征可 以与如图6、7、11、12和13所说明的器件的特征组合。因此，不打算将本发明的范围限制在 所说明和描述的特定实施例。
权利要求
一种器件，包含半导体结构，其包含布置在n型区域和p型区域之间的发光层；反射性金属接触，其布置在该半导体结构的底侧上并电连接到该p型区域；材料，其布置在至少一部分该反射性金属接触和该p型区域之间，其中该材料的折射率和该p型区域的折射率之间的差异为至少0.4；其中该半导体结构的顶侧的至少一部分被纹理化；以及该半导体结构的顶侧的纹理化部分与该反射性金属接触之间的距离小于5μm。
2.权利要求1的器件，其中该材料的折射率和该ρ型区域的折射率之间的差异为至少0. 7。
3.权利要求1的器件，其中 该发光层包含III族氮化物材料；以及 该反射性金属接触包含银。
4.权利要求1的器件，其中该材料为下述中的一种电介质、氧化物、半导体、SiO2, SiN, Ti02、A1203、ITO、InO、ZnO, CuO, AlInGaN, AlGaN, AlInN、AlxOy, GaxOy 和 AlxIny0z。
5.权利要求1的器件，其中该半导体结构和该材料之间的界面配置成反射以相对于该 发光层的主平面的法线大于70°的角度入射在该界面上的光。
6.权利要求1的器件，其中该ρ型区域上的该材料和该反射性金属接触的复合反射率 大于与该P型区域直接接触的该反射性金属接触的反射率。
7.权利要求1的器件，其中该材料配置成使得在该材料中的往返损耗小于反射离开与 该P型区域直接接触的该反射性金属接触的可见光谱波的损耗。
8.权利要求1的器件，其中纹理化部分为随机粗糙化和用光子晶体来图案化其中之ο
9.权利要求1的器件，其中该反射性接触通过在该材料内形成的开口而直接接触该半 导体结构。
10.权利要求9的器件，其中最近邻的开口分隔开小于2μπι。
11.权利要求1的器件，其中该材料的厚度小于500nm。
12.权利要求1的器件，其中该材料的厚度大于40nm。
13.权利要求1的器件，其中该材料的厚度小于由该发光层发射的光的波长的一半。
14.权利要求1的器件，其中该材料的厚度大于由该发光层发射的光的波长的一半，使得以在一入射角范围入射在 该材料上的光被陷捕在该材料内；以及该半导体结构配置成最小化以该入射角范围发射的光的数量。
15.一种器件，包含半导体结构，其包含布置在η型区域和ρ型区域之间的III族氮化物发光层；以及 延伸到该半导体结构内的多个腔，其中该腔配置成反射以相对于该发光层的主平面的 法线大于70°的角度入射在该界面上的光。
16.权利要求15的器件，进一步包含布置在该半导体结构的底侧上的反射性金属接 触，其中所述多个腔从该半导体结构的底侧朝该半导体结构的顶侧延伸。
17.权利要求15的器件，进一步包含布置在该半导体结构的底侧上的反射性金属接 触，其中所述多个腔从该半导体结构的顶侧朝该半导体结构的底侧延伸。
18.权利要求15的器件，其中该腔配置为使得在该半导体结构内行进的光子在与腔互 作用之前，无法行进远于50 μ m。
19.权利要求15的器件，其中该腔具有侧壁，该侧壁取向为相对于该发光层的主表面 成35°至55°之间的角度。
20.权利要求15的器件，其中该腔的侧壁用电介质材料涂覆。
21.权利要求15的器件，其中最近邻的腔分隔开IOym至300μπι。
22.权利要求15的器件，其中至少一个该腔用金属填充，该金属形成到该η型区域的电 学接触。
23.权利要求15的器件，其中该腔的侧壁被粗糙化。
24.权利要求15的器件，其中 至少一个该腔用金属填充；以及用金属填充的该腔的侧壁用电介质涂覆，该电介质将该金属与该半导体结构电学隔罔。
25.权利要求15的器件，其中所述多个腔不创建该器件的任意部分的电学隔离。
全文摘要
可增大以掠入射角发射的光的提取的结构被并入半导体发光器件内。在一些实施例中，该器件包含通过全内反射将光引导离开金属接触的低折射率材料。在一些实施例中，该器件包含半导体结构内例如腔的提取特征，该提取特征可以直接提取掠射角光，或者将掠射角光引导至更容易地从器件被提取的更小入射角内。
文档编号H01L33/20GK101904019SQ200880121356
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月19日
发明者A·J·F·戴维, H·K-H·蔡, J·J·韦勒 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司;飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司