发光器件及其制造方法

发光器件及其制造方法
【专利摘要】公开了一种能够实现发射效率的增强和可靠性的增强的氮化物基发光器件。该发光器件包括半导体层，和布置在该半导体层上，并且由具有等于或者高于该半导体层的折射率的折射率的材料制成的光提取层。
【专利说明】发光器件及其制造方法
[0001]本申请是2007年5月8日提交的申请号为200710104963.6，发明名称为“发光器件及其制造方法”的专利申请的分案申请。
[0002]本申请要求享受于2006年5月8日提交的韩国专利申请号10 — 2006 — 0041006、于2007年4月17日提交的韩国专利申请号10 - 2007 一 0037414、于2007年4月17日提交的韩国专利申请号10 - 2007 - 0037415以及于2007年4月17日提交的韩国专利申请号10 — 2007 - 0037416的优先权，这里引入作为参考，如同将其完全陈述于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种发光器件及其制造方法，更具体地，涉及一种能够实现增强的发光效率和增强的可靠性的发光器件及其制造方法。
【背景技术】
[0004]作为一种半导体发光器件，发光二极管(LED)是众所周知的，其将电流转换为光并发光。由于在1962年制造出了可商业应用的使用GaAsP化合物半导体的红光LED，它就与GaP: N基绿光LED —起用作电子仪器的光源，用于图像显示。
[0005]从这种LED发出的光的波长取决于用于制造该LED的半导体材料。这是因为发出的光的波长取决于半导体材料的用于表示在价带电子和导带电子之间的能量差的带隙。
[0006]氮化镓(GaN)化合物半导体在包括发光二极管(LED)的大功率电子器件领域引人注目，因为它表现出高的热稳定性和0.8到6.2eV的宽带隙。
[0007]GaN化合物半导体如此引人注目的原因之一在于，其可以使用GaN并结合其它元素例如铟(In)、铝(Al)等制造能够发射绿光、蓝光和白光的半导体层。
[0008]因而，根据具体的仪器的特性，可以通过使用GaN并结合其它合适的元素来调整要发射的光的波长。例如，可以制造用于光学记录的蓝光LED或者能够取代辉光灯的白光LED。
[0009]由于GaN基材料的上述优点，自从GaN基LED在1994年获得商业应用以来，与GaN基电光器件相关的技术已经得到迅猛发展。
[0010]使用上述GaN基材料制造的LED的亮度或者输出主要取决于有源层的结构、与光的提取相关的提取效率、LED芯片的尺寸、用来组装灯封装的模的种类和角度、所用的荧光材料等。

【发明内容】

[0011]因而，本发明致力于一种基本上克服了由于现有技术的局限性和缺点引起的一个或者多个问题的发光器件及其制造方法。
[0012]本发明的目的是提供一种发光器件以及制造该发光器件的方法，其具有能够实现增强的提取效率的结构同时当在该发光器件中引入该光提取结构时保持想要的电气特性、并且和光子晶体结构协同表现出良好的提取效率。[0013]本发明的另外的优点、目的和特征一部分在随后的说明书中加以阐述，一部分对本领域普通技术人员来说，在认真阅读以下内容后是显而易见的，或者可以通过实践该发明而获知。本发明的这些目的和其它的优点可以通过书面的说明书中所特别指出的结构和其权利要求书以及附图而实现或者获得。
[0014]为实现与本发明目的相符的这些目的和其它优点，如所具体和广泛描述的，这里提供了一种发光器件，包括:半导体层；和光提取层，其被布置在该半导体层上并且由折射率等于或者高于该半导体层的折射率的材料制成。
[0015]在本发明的另一方面中，一种发光器件包括:包括被布置在半导体层上的同一平面内的至少两种光子晶体结构的光子晶体层，所述光子晶体结构具有不同的周期。
[0016]在本发明的另一方面中，一种发光器件包括:包括具有周期结构的第一光子晶体和具有随机结构的第二光子晶体的光子晶体层，第一和第二光子晶体被布置在半导体层上的同一平面内。
[0017]在本发明的另一方面中，一种发光器件包括:反射性电极；布置在该反射性电极上的半导体层，该半导体层包括发光层；和形成于该半导体层上的光子晶体，其中位于该反射性电极和该发光层的中心之间的距离是0.65 λ /n到0.85 λ /n,其中“ λ ”代表发出的光的波长，而“η”代表该半导体层的折射率。
[0018]在本发明的另一方面中，一种发光器件包括:反射性电极；布置在该反射性电极上的半导体层，该半导体层包括发光层；和形成于该半导体层上的光子晶体，其中位于该反射性电极和该发光层的中心之间的距离是λ/4η的奇数倍，其中“ λ ”代表发出的光的波长，而“η”代表该半导体层的折射率。
[0019]在本发明的又一方面中，一种用于制造发光器件的方法包括:在衬底上生长多个半导体层；在该半导体层上形成第一电极；除去该衬底；在因除去该衬底而暴露的该半导体层上形成电介质层；在该电介质层内形成多个孔；蚀刻形成有这些孔的电介质层的表面，以在该半导体层内形成多个槽；除去该电介质层；并且在因该电介质层的除去而暴露的半导体层的表面上形成第二电极。
[0020]可以理解，本发明的前述一般性的描述和后面详细的描述两者都是示例性和解释性的,并且打算如权利要求中提供对本发明进一步的解释。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]这些附图，其提供对本发明的进一步的理解并且结合本申请并构成本申请的一部分，解释了本发明的实施例，并且连同说明书一起用来解释本发明的原理。在这些图中:
[0022]图1是用于解释用于实现发光器件的提取效率的增强的结构的断面图；
[0023]图2是用于绘出取决于图1中的半球的折射率的增加的提取效率的变化的曲线图；
[0024]图3是用于解释具有光子晶体结构的水平发光器件的实施例的断面图；
[0025]图4是用于绘出取决于图3中结构的光子晶体的深度的提取效率的曲线图；
[0026]图5是用于绘出在半导体层的厚度受到限制的情况下提取效率随蚀刻深度而定的曲线图；
[0027]图6是用于解释具有光子晶体结构的垂直发光器件的实施例的断面图；[0028]图7是用于解释用于计算机仿真的垂直发光器件结构的断面图；
[0029]图8是用于解释在图7的结构中的发光层的吸收率的断面图；
[0030]图9是用于解释在发光层与镜子充分隔开的情况下表现出的辐射图形的照片；
[0031]图10是用于绘出通过在改变光子晶体的周期的同时测量提取效率而获得的结果的曲线图；
[0032]图11是用于绘出取决于用于形成光子晶体的孔的尺寸的提取效率的变化的曲线图；
[0033]图12是用于绘出取决于光子晶体的蚀刻深度的提取效率的变化的曲线图；
[0034]图13是用于解释光子晶体结构提取与全反射角度相关的光的原理的示意图；
[0035]图14是用于解释在水平发光器件的顶层中引入光子晶体的结构的示意图；
[0036]图15是用于解释形成于图形化的衬底上的发光器件结构的断面图；
[0037]图16是由于解释其中引入了光子晶体和图形化的衬底两者的发光器件结构的断面图；
[0038]图17是用于绘出取决于与光子晶体和图形化的衬底相关的光的传播距离而定的提取效率的变化的曲线图；
[0039]图18到21是用于解释电偶极的辐射图形的照片；
[0040]图22是用于解释偶极相对于反射镜的平面的布置的示意图；
[0041]图23通过曲线和照片解释取决于反射镜和发光层之间的间隙而定的提取效率的增强以及相关的辐射图形；
[0042]图24是用于解释其中发光层和反射镜之间的距离落在增强干涉条件下这一情况下的辐射图形的照片；
[0043]图25是用于绘出因在具有增强的干涉条件的结构中引入光子晶体而获得的效果的曲线图；
[0044]图26是用于绘出取决于光子晶体在固定的蚀刻深度时的周期而定的提取效率的变化的曲线图；
[0045]图27是用于绘出在增强的干涉条件下提取效率的变化随蚀刻深度而定的曲线图；
[0046]图28到30解释本发明的第一实施例，其中:
[0047]图28是用于解释本发明第一实施例的断面图；
[0048]图29是用于解释根据本发明第一实施例的水平发光器件的断面图；
[0049]图30是用于绘出提取效率随光提取层的折射率而定的曲线图；
[0050]图31到35解释本发明第二实施例，其中:
[0051]图31是用于解释根据本发明第二实施例的水平发光器件结构的一个例子的断面图；
[0052]图32是用于解释根据本发明第二实施例的水平发光器件结构的另一个例子的断面图；
[0053]图33是用于绘出透射率随透明导电层和透明金属层的入射角而定的曲线图；
[0054]图34是用于绘出提取效率随透明导电层的厚度而定的曲线图；
[0055]图35是用于解释根据本发明第二实施例的发光器件的断面图；[0056]图36是用于解释本发明第三实施例的断面图；
[0057]图37到47解释本发明的第四实施例，其中:
[0058]图37是用于具有周期混合的光子晶体的发光器件的断面图；
[0059]图38是图37所示结构的平面的电子显微照片；
[0060]图39是图37所示结构的断面的电子显微照片；
[0061]图40是用于解释周期混合的光子晶体的例子的平面图；
[0062]图41是对应于图40的断面图；
[0063]图42是用于绘出其中引入了周期混合的光子晶体的结构的提取效率的曲线图；
[0064]图43到46是用于解释周期混合的光子晶体的实施例的断面图；
[0065]图47是用于解释具有周期混合的光子晶体的垂直发光器件的断面图；
[0066]图48到53解释本发明的第五实施例，其中:
[0067]图48是用于解释发光器件的一个例子的断面图；
[0068]图49是用于解释发光器件的另一个例子的断面图；
[0069]图50是用于绘出提取效率的变化随图49的结构中的欧姆电极的厚度而定的曲线图；
[0070]图51是用于绘出提取效率的变化随图49的结构中P型半导体层的厚度而定的曲线图；
[0071]图52是用于解释发光器件封装的一个例子的断面图；
[0072]图53是用于解释发光器件封装的另一个例子的断面图；
[0073]图54到66解释本发明第六实施例，其中:
[0074]图54是用于解释在衬底上形成LED结构的步骤的断面图；
[0075]图55是用于解释除去衬底并且形成电介质层的步骤的断面图；
[0076]图56是用于解释在电介质层中布置用于形成孔图形的掩模的步骤的断面图；
[0077]图57是用于解释在电介质层中形成多个孔的步骤的断面图；
[0078]图58到62是用于解释各种孔图形的例子的平面图；
[0079]图63是用于解释干蚀工艺的示意图；
[0080]图64是用于解释在η型半导体层内形成光子晶体的步骤的断面图；
[0081]图65是光子晶体结构的电子显微扫描(SEM)图象；
[0082]图66是用于解释发光器件结构的断面图。
【具体实施方式】
[0083]现在参照后面的示出本发明的优选实施例的附图对本发明进行具体的描述。
[0084]然而，本发明可以具体为多种变例，并且不应认为受限于这里描述的实施例。因而，虽然本发明可以有各种修改和变例，但是这里通过图中的例子示出其具体的实施例并详细地进行描述。然而，应该理解，这并无意将本发明限制于所公开的特定形式，相反，本发明包括落在如权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有的修改、等效和变更。
[0085]在整个对附图的描述中，相同的数字表示相同的元件。为清楚起见，在这些图中，将层和区的厚度夸大了。
[0086]要理解，当称一个元件例如一个层、一个区或者一个衬底位于另一元件“上”时，其可能直接位于此另一元件上，也可以有中间元件存在。还要理解，如果将一个元件的一部分，例如表面，称为“内部的”时，其相比该元件的其它部分还是在该器件的外面。
[0087]此外，相对的词语，例如“在……下面”和“在……上面”，用在这里可以描述一层或者一个区相对于别的层或者区的关系，如在图中所示的一样。
[0088]要理解，这些词语意在包括该器件在图中所绘的方位之外的不同方位。最后，词语“直接地”指的是没有中间元件。如这里所用的，词语“和/或”包括一个或者多个相关列出的各项的任一和所有组合。
[0089]要理解，尽管词语“第一”、“第二”等可以用在这里描述各种元件、组件、区、层和/或段，但是这些元件、组件、区、层和/或段不应受限于这些词语。
[0090]这些词语仅仅用于将一个区、层、或者段与别的区、层或者段区别开来。因而，下面讨论的第一区、层或者段可以称为第二区、层或者段，类似地，第二区、层、或者段可以称为第一区、层、或者段，这不会偏离本发明的教导。
[0091]半导体发光器件的提取效率由半导体发光器件的半导体发光层(光从该发光层中发出)和介质(空气或者环氧树脂)(通过该介质最终观察到所发出的光)之间的折射率差决定。半导体介质的提取效率仅仅为百分之几，因为半导体介质通常具有高折射率(n>2)。
[0092]例如，对于由氮化镓(n=2.4)制成的蓝色发光器件，在假设外部介质是环氧树脂(n=l.4)时，从发光器件的顶层发出的光的提取效率仅仅为大约9%。除从顶层发出的光之外的光由于全反射过程而被局限在器件的内部，并且在被吸进吸收层，例如量子阱层后消失。
[0093]为了增强这种半导体发光器件的提取效率，有必要改变器件的结构，以便能够将经历全反射过程的光提取到外面。改变半导体发光器件的结构的最简单的方案是在器件的顶层上涂敷由高折射率材料制成的半球。
[0094]由于入射到光入射表面的光的入射角对应于入射光和光入射表面之间定义的角度，因此入射到该半球的光的入射角在该半球上的任何一点总是90°。在光入射角为90°时，光在具有不同折射率的两种介质之间的透射率是最高的。另外，在任何方向上都不存在出现全反射的角度。
[0095]具体地，对于半导体发光器件，在该器件上涂敷由环氧树脂制成的半球。这里，该半球起到保护器件的表面和增强器件的提取效率的作用。
[0096]在图1中示出了一种更有效地获得上述效果的方法。所示方法是额外地引入其折射率与在环氧层I和半导体器件2之间的半导体折射率类似的半球3。这里，由于该额外引入的半球3的折射率与半导体的折射率近似，因此半导体器件2的提取效率增加了，如图2所示。
[0097]这是因为在半导体器件2和该额外引入的半球3之间的临界角增加了。
[0098]可以提出TiO2作为一种表现出对可见范围内的光无吸收性和透明的材料的实例。例如，假定将由上述材料制成的半球应用到红光发光器件上时，理论上能够获得对应于常规情形的提取效率大约3倍的提取效率的增强。
[0099]额外引入具有高折射率的半球是一种非常简单和有效的方法。然而，为了实施这种方法，必须使用具有高折射率并且表现出对发光波长范围内的光无吸收性的透明材料。
[0100]此外，在涉及用于 制造具有足以覆盖发光器件的尺寸的半球并且将制造的半球附合到发光器件上的过程中可能存在困难。
[0101]用于实现外部提取效率的增强的另一方法是将发光结构的侧表面变形为金字塔形(pyramidal shape)。这种方法利用当光在发光器件内全反射的同时侧向传播的光在从金字塔表面反射后从器件顶层射出的原理。
[0102]然而，这种方法存在随着器件尺寸增大想要的增强效果会减小的缺点。这是由光侧向传播时不可避免地产生的吸收损耗造成的。因此，为了在实际结构中获得增加的增强效果，重要的是使光在沿尽可能短的路径传播后发射到外面。
[0103]为此，将一种能够缓和全反射条件的结构引入发光器件。典型地，有这样一种方法，其中将发光器件的结构设计成具有谐振腔结构，以从最初阶段开始感应在特定方向上的输出，或者有这样一种方法，其中在发光器件的顶层布置尺寸为若干微米或者更大的半球形透镜，以实现临界角的增加。
[0104]然而，上述方法由于在制造工艺方面的困难而没有获得实际的应用。有另外一种方法，其中将尺寸基本上对应于光波长的粗糙表面引入发光器件的输出部分，以通过光散射过程实现提取效率的增强。
[0105]对于在发光器件的顶层上形成粗糙表面的方法来说，与用于制造发光器件的材料相关的各种化学工艺已经被研究出来。当光到达粗糙表面时，即使入射角对应于全反射时的角度，光中的一部分也能够通过粗糙表面。
[0106]然而，通过一个散射过程获得的透光率并不那么高。因而，为了期望有高的光提取效率,应该重复进行该同样的散射过程。因此,对于含有高吸收率的材料的发光器件来说，因粗糙表面引起的提取效率的增强是小的。
[0107]与上述方法相比，当引入具有空间周期折射率排列的光子晶体时，可以大大增强提取效率。另外，当选择合适的光子晶体周期时，可以调整发光器件的输出的方向性。由于视角取决于发光器件的应用，因此用于满足该应用的方向性的设计被认为是一个重要的任务。
[0108]能够采用全息摄影术、紫外线光刻术、纳米印刷术等等来实现大面积光子晶体结构。因而，该技术能容易地在其实际的应用中实施。
[0109]从采用了光子晶体调整自发辐射的研究开始，人们在努力寻求通过光子晶体增强发光器件的提取效率的效果。
[0110]其后，在理论上证明了光子晶体能够增强发光器件的提取效率这一事实。光子晶体对提取效率增强的贡献过程主要归纳为两个原理。
[0111]一个原理是利用光子带隙效应截断了光沿平面方向的运动，因而，能够沿垂直方向提光提取。另一个原理是用布置在色散曲线中的光锥外、具有高的态密度的模耦合光，并且因此将光提取到外部。
[0112]能够根据光子晶体的周期而独立地应用上述两个原理。然而，仅仅当在存在具有对应于半波长的厚度和沿垂直方向的高折射率对比的薄膜的条件下形成光子晶体时，可以较好地限定光子带隙效应或者色散曲线的态密度。
[0113]此外，由于形成光子晶体的孔结构延伸通过发光层，增益介质的损耗就会不可避免地产生。另外，不可能避免因表面非辐射复合引起的内部量子效率的降低。
[0114]考虑光子带隙镜象效应(photonic band-gap mirror effect)或者强色散特性可应用于特定情形，因为在通常的发光器件的结构中难于实现它们。为了解决这个问题，应该仅仅在发光器件的结构上形成光子晶体，而不将其形成于发光器件的正(positive)介质上。
[0115]这里，尽管不可能如将光子晶体引入薄膜中那种情形一样利用强色散特性，但是可以根据通常的衍射理论、通过用周期的结构耦合光来外部提取与全反射相关的光。
[0116]目前，人们正在积极的进行着在通过将光子晶体与发光层空间分离而不使由半导体制成的发光层的特性恶化的情况下增强提取效率的努力。
[0117]另外，关于上述同样的方法，存在用以实现对使用InGaAs量子阱的发光器件增强提取效率的努力。此外，关于有机发光器件，有报告说使用形成于玻璃衬底上的光子晶体可以将有机发光器件的提取效率增强1.5倍。
[0118]还存在一种方法，其中将周期的光子晶体结构引入到半导体表面，以通过衍射过程提取由于全反射而限制的光，如上所述。例如，有报告说，可以通过在P型GaN半导体表面上形成具有200nm周期的光子晶体来实现提取效率的增强。
[0119]此外，存在一种方法，其中在GaN基发光器件的正介质区上均匀地形成光子晶体，以便利用光子带隙效应实现提取效率的增强效果的增加。这是因为，当在甚至发光层被蚀刻的条件下将光子晶体引入时，电流-电压特性特别恶化，如前所述。
[0120]从上面的描述中显而易见，发光器件的外部提取效率的增强的原理能够归纳为其中改变发光器件的结构，以便减轻全反射的情形的方法，其中在发光器件的表面引入粗糙表面的方法，其中在具有高折射率对比的薄膜中形成光子晶体，以便利用光子带隙效应的方法，和其中将光子晶体从发光层上分开，以便外部提取通过衍射过程将因为全反射而限制的光的方法。
[0121]在这些方法中，考虑到该结构的实际情况和发光器件的效率增强，认为将周期光子晶体结构引入到发光器件的表面以实现提取效率的增强的方法是最好的。
[0122]图3示出一个水平GaN基发光器件，其中GaN半导体层20在由折射率(n=l.76)低于GaN的蓝宝石制成的衬底10上生长。由于GaN半导体层20具有达到大约5 μ m的总厚度，因此被认为是存在各种更高的模的波导结构。作为其顶层部分，GaN半导体层20包括P型GaN半导体层21。作为发光层22，将多量子阱层设置在该p型GaN半导体层21的下面。
[0123]η型GaN半导体层23被设置在发光层22的下面。可以在η型GaN半导体层23和衬底10之间插入缓冲层24。另外，可以在衬底10上形成反射性薄膜(未示出)，与GaN半导体层20相对。
[0124]为了在水平GaN基发光器件的整个表面上均匀地提供电流，将通常由氧化铟锡(ITO)制成的透明电极层30沉积在P型GaN半导体层21上。因而，对于将光子晶体引入水平GaN基发光器件来说，最大可蚀刻范围对应于透明电极30的厚度和GaN半导体层21的厚度之和。通常，透明电极30和P型GaN半导体层21具有100到300nm的厚度。
[0125]通过计算机仿真(三维有限差分时域(3D FDTD))进行计算来识别由光子晶体的蚀刻深度决定的提取效率的变化。通过计算机仿真计算所获得的结果绘于图4中。参照图4，可以看出有两个特别的现象。
[0126]首先，提取效率与光子晶体40的蚀刻深度成比例地逐渐增加，并且之后急剧增力口，这是从其中开始蚀刻GaN半导体层20的区域开始的。第二，在某一或者更深的蚀刻深度，提取效率趋于饱和，而不再增加。
[0127]总的考虑上述两个现象，可以理解，在其中光子晶体40具有某一或者更深的蚀刻深度的情形下可能有必要在包括GaN半导体层20的区域中引入光子晶体40。
[0128]由于在提取效率达到饱和时的蚀刻深度与通常的P型GaN半导体层21的厚度相似，因此可以在不会造成发光层22的区域被蚀刻的情况下获得理论上的提取效率饱和值。
[0129]然而，根据用于取决基于光子晶体40的蚀刻深度检验光输出的变化的实际试验发现，当将P型GaN半导体层21蚀刻到某一特定或者更深的深度时，光输出反而减少。
[0130]光输出减少，而不顾发光层22,也即量子讲结构未暴露这一事实的理由在于，由于P型GaN半导体层21的体积减小而导致电阻增加。这种电阻的增加在需要大功率发光器件的应用场合可能更为严重。
[0131]也即，从光的观点看，由于电阻的增加，当前可使用的具有光子晶体的发光器件的结构不能利用获得最大的提取效率的蚀刻深度。因此，要解决的问题是开发一种新的结构，对于该结构，在通过光子晶体获得的提取效率达到最大时的蚀刻深度是可适用的，而不会导致电阻的增加。
[0132]参照通过上述计算机仿真获得的、绘出取决于蚀刻深度的提取效率的变化的曲线图，可以获得一条通至新的结构的线索。在图中发现的一个特别的现象是，当光子晶体40的蚀刻深度从ITO透明电极层30过渡到GaN半导体层20时，提取效率显著增加。
[0133]主要地，这是因为ITO的折射率(n=l.8)低于GaN半导体层20的折射率。将光子晶体40引入到具有低折射率的区域不能对提取效率的增强有大的帮助。这使我们能够理解，光子晶体40起到提取发生全反射过程的光提取的作用。
[0134]提取效率取决于光子晶体辨别光子晶体40的区域的程度。通常，当全反射现象发生时，在具有不同折射率的两个表面之间产生表面倏逝波。沿两个表面的边界表面存在该表面倏逝波，并且具有沿垂直于边界表面的方向强度呈指数减小的性质。
[0135]例如，当仅仅ITO透明电极层30被蚀刻时，与全反射相关的光能够辨别形成于ITO透明电极层30中的光子晶体40到对应于表面倏逝波的强度的水平。因而，不可能期望提取效率有大的增强。
[0136]因而，为了通过光子晶体40提取更大量的光,需要在光子晶体40和光之间有强的相互作用。从物理的观点看，在形成于GaN基发光器件中的全反射模式和光子晶体40的结构之间的空间重叠构成一个重要的因素。也即，为了干扰在全反射过程中产生的表面倏逝波，必须蚀刻GaN半导体层20，用于形成光子晶体40。
[0137]与此同时，蚀刻GaN半导体层也可以指蚀刻一种具有与GaN半导体层的折射率相似或者更高的材料。也即，当在将具有与GaN半导体层的折射率相似或者更高的材料沉积在P型GaN半导体层上之后执行光子晶体40的形成时，可以期望即使P型GaN半导体层没被蚀刻，也有与上述情形相似的效果。
[0138]而且，当新近沉积的材料具有高于GaN的折射率时，可以表现出优于光子晶体的上述效果的性质。这是因为光子晶体的效果取决于主要形成光提取结构的两种材料之间的
折射率差。
[0139]因而，当将用于增强提取效率的光提取结构引入GaN基发光器件中时，通过在额外被引入到发光器件的顶层，也即GaN半导体层(典型地为p-GaN)上的材料中形成光提取结构例如光子晶体，可以实现提取效率的增强，同时保持想要的特性，而不必蚀刻GaN半导体层。
[0140]对于将光子晶体40引入到水平GaN基发光器件中来说，最大可蚀刻范围受到用于形成发光器件的顶层的P型GaN半导体层21的厚度(100到300nm)的限制。因此，这可能对提取效率是一个限制。
[0141]图6不出一个垂直发光器件的例子。所不垂直发光器件具有这样的结构:衬底材料也即蓝宝石被在GaN半导体层20生长过程中通过激光器的吸收处理除去，并且通过使用由N1、Ag等制成的多层金属薄膜，而在P型GaN半导体层21上形成反射性欧姆电极50，以用作反射镜和电极。
[0142]垂直GaN基发光器件不同于通常的水平GaN基发光器件之处在于由于除去了绝缘体也即蓝宝石，电流的流动方向是垂直的，并且在图6中光输出表面是相反的，导致从η型GaN半导体层23中输出光。
[0143]在垂直发光器件结构中电流在垂直方向上流动意味着提供的电流有相当大的可能性能够到达发光器件层22，也即量子阱层。这意味着能够实现内部量子效率的增强。
[0144]而且，因为除去了绝缘体的蓝宝石，并且在P型GaN半导体层21上形成了导体，垂直发光器件结构具有能够容易地释放热量的特性。这些特性在设计大功率发光器件时具有优点。
[0145]实际上，当在通常的GaN基蓝光发光器件中所提供的电流的量大于几百mA时，输出反而减小。可以分析是这么引起的:由于蓝宝石衬底的低的导热性，引起器件的内部温度的增加，导致量子阱的内部量子效率的恶化。
[0146]除了电流易于流动和易于排热的物理特性，垂直蓝光发光器件结构具有在涉及提取效率增强时值得考虑的光学特性。这将在后面描述。
[0147]首先，垂直发光器件结构的优点在于，由于垂直发光器件结构的顶层由η型GaN半导体层23构成，因此能够将光子层60引入到相对P型GaN半导体层21更厚的η型GaN半导体层23中。通常，通过光子晶体60所获得的提取效率的增强效果直到增强效率饱和之前都与蚀刻深度成比例。
[0148]因而，可以形成具有想要的深度的光子晶体结构，而不会出现在引入光子晶体时涉及的问题，也即，因蚀刻P型GaN半导体层时引起的电阻增加，或者由于有源层，也即量子阱层引起的与表面非辐射复合相关的任何限制。而且，由于用于提供最大提取效率的周期取决于蚀刻深度而稍微改变，因此就可以利用给出的蚀刻技术所提供的结构性条件。
[0149]而且，在垂直发光器件中，作为发光区域的量子阱层(发光层22)和反射镜(反射性欧姆电极50)被布置在比发射的光的波长更短的位置。
[0150]就是说，如上所述，在垂直发光器件的结构中，起到反射镜和电极作用的反射性欧姆电极50形成于P型GaN半导体层21上。因而，ρ型GaN半导体层21的厚度对应于发光器件中发光层22和金属镜之间的间隙。
[0151]通常，当具有高反射性的反射镜位于靠近发光层22的位置时，与没有反射镜的情形相比，发光器件的发光性能可以大大改变。也即，衰减率的变化可能根据发光层22和反射镜之间的间隙而产生。还可以根据发光层22和反射镜之间的间隙调整辐射图形。当这些特性被适当地利用时，就可以大大增强发光器件的提取效率。[0152]以下将描述用于确定可应用到垂直GaN基发光器件的光子晶体的结构因素以及用于计算通过各个结构因素可获得的提取效率增强的相对比率的过程。
[0153]垂直发光器件结构的总效率对应于根据垂直辐射获得的效率，因为与水平结构相t匕，在垂直发光器件结构中没有辐射通过衬底的侧面。在图7中示出了要用计算机仿真来分析的发光器件结构的例子。如图7所示，发光器件结构包括用光子晶体60形成的发光半导体层80。在光子晶体60的外面布置了可用作密封剂的环氧树脂层70。
[0154]由于计算机存储器的限制，在计算结构中完全地包括通常的发光器件的尺寸是不可能的。为了解决这个问题，使用一种方法:在具有有限尺寸(12 μ m)的发光器件结构的相对端布置理想的反射镜(未示出)。
[0155]而且，在发光器件80的发光层(量子阱层22)的内侧提供0.045的吸收率k，如图8所示。然而，为了分析方便，用具有100%反射率的全反射镜来代替实际的金属镜，该实际的金属镜表现出一定的吸收率并且被布置在该结构的下端。
[0156]在垂直结构中，由于反射镜引起的干涉效应总是发生，因此在该结构中发光层22相对于反射镜的相对位置是一个重要的参数。这是因为，当辐射图形因产生于反射镜和发光层22之间的干涉效应而改变时，可以使起有效作用的光子晶体60的结构因素改变。也即，可以认为，根据衍射过程产生有效的光提取的光的角度取决于光子晶体60的周期。
[0157]这里，想要计算在排除了反射镜效应的条件下仅仅由光子晶体60所获得的效应。为了排除由反射镜引起的干涉效应，将反射镜和发光层22之间的间隙设置得长，或者对应于位于增强的干涉条件和抵消的干涉条件之间的中间条件。
[0158]图9示出了在发光层22不受反射镜的干涉效应影响时获得的辐射图形，如上所述。即使在特定角度仍然表现出微细的干涉图形，该辐射图形可以被认为是球形波。
[0159]图10示出了取决于光子晶体60的周期的提取效率的变化。如图10所示，可以获得最大提取效率的光子晶体60的周期“a”大约为800nm，并且提取效率相对增强大约2倍。这里，蚀刻深度被设为225nm，并且当“a”表示光子晶体60的周期时，将形成光子晶体60的孔61的半径设为0.25a。
[0160]图11示出了取决于用于形成光子晶体60的孔61的尺寸的提取效率的变化。这里，将蚀刻深度设为225nm，并且选择800nm的周期。参照图11，可以看出，当形成光子晶体60的孔61的尺寸相当于0.35a时，获得最大的提取效率，并且相对增强增加到2.4倍。
[0161]如上所述，垂直GaN基发光器件的优点在于受蚀刻深度的限制小。尽管在水平结构中最大蚀刻深度由P型GaN半导体层的厚度(实际上，当考虑到电阻的增加时，P-GaN半导体层的厚度的大约一半)确定，但是在垂直结构中可以使用η型GaN半导体层的厚度(大约3 μ m)，其比ρ型GaN半导体层的厚度大的多。
[0162]为了利用垂直结构的上述优点，在顺序改变蚀刻深度时验证取决于用于形成光子晶体的蚀刻深度的最佳周期。
[0163]如上所述，根据对水平结构的研究，在某一或者更深的蚀刻深度存在提取效率饱和的趋势。
[0164]然而，有一个令人感兴趣的事实是，当蚀刻深度增加时，由具有长周期的光子晶体结构获得的提取效率连续地增加。这是值得注意的，因为这可以使用具有长周期的光子晶体结构，这能够在技术上容易地实现，同时增加蚀刻深度。[0165]具有长周期的光子晶体结构的提取效率随蚀刻深度连续增加的原因可以作如下分析(图13)。
[0166]首先，仅仅当满足沿平面方向上的相匹配条件时，光能够通过具有不同折射率的两种介质。
[0167]第二，当光从具有高折射率的介质传播到具有低折射率的介质中时，在特定或者更大的角度满足相匹配条件是不可能的。这个特定的角度被称为“临界角”。在该临界角或者更大的角度发生全反射。
[0168]第三，光子晶体帮助外部提取引起全反射的角度相关的光。也即，当光子晶体与光耦合时，光子晶体的运动(motion)量增加，从而使得有关全反射的光满足相匹配条件。
[0169]第四，光子晶体的运动量与光子晶体的周期成反比。也即，由于具有短周期的光子晶体能够产生大量的运动，因此，它能够有效地提光提取，该光被包括在有关全反射的光中，但是沿接近水平方向的方向远离临界角传播。另一方面，具有长周期的光子晶体对提取沿靠近垂直方向的方向传播的光是有效的。
[0170]第五，根据波动光学理论，可以和模相关地解释在波导结构中进行的全反射过程。例如，入射角接近水平方向的光对应于基本波导模，而入射角接近垂直方向的光对应于高阶波导模。
[0171]第六，GaN基发光器件也能够被认为是具有若干或者更多微米厚度的波导结构。
[0172]因而，可以看出，具有短周期的光子晶体适于提取基本波导模，而具有长周期的光子晶体适于提取高阶波导模。因而，考虑上述事实，就可以确定可应用于GaN基发光器件的合适的光子晶体。
[0173]通常，基本波导模表现出在光子晶体的某一或者更深的蚀刻深度(?λ/n)提取效率趋于饱和。另一方面，高阶波导模表现出在增加的光子晶体蚀刻深度提取效率趋于连续增加。
[0174]因而，对于因具有长周期的光子晶体的高阶波导模来说，提取效率随着蚀刻深度的增加而连续增加。
[0175]为了获得最大的提取效率，要通过使用计算机仿真计算来执行用于优化光子晶体的结构因素的任务。结果发现，提取效率与蚀刻深度、孔尺寸、周期等具有密切的关系。
[0176]特别是，对于垂直GaN基发光器件来说，其对蚀刻深度没有限制，因为使用了相对较厚的η型GaN半导体层来形成光子晶体。因而，当引入大的蚀刻深度时，其也可以增加周期可选择的可能性，能够利用当前的技术来实现该周期。
[0177]如上所述，有效光的入射角取决于光子晶体的周期而改变。也即，在仅仅具有一个周期的光子晶体中，存在其中表现出相对低的衍射效率的入射角范围。
[0178]然而,为了使提取效率最大化,光子晶体应该对于大于临界角的角度表现出高的衍射效率。因而，对于具有两个或者多个混合的周期的光子晶体结构来说，相比其中仅仅单独存在一个周期的光子晶体，其可以表现出理想的提取效率特性。
[0179]可以将相似的原理应用到水平GaN基发光器件中。根据光子晶体的引入位置，用于将光子晶体引入到水平GaN基发光器件以实现外部提取效率的增强的方法主要可以分为两种方法。
[0180]一种方法示于图14中。该方法是蚀刻形成于蓝宝石衬底10上的半导体层20的特定部分，也即布置在发光器件的顶部的P型GaN半导体层21，如图14所示。在ρ型半导体层21上形成透明导电层30的位置，也蚀刻透明导电层30。
[0181]另一种方法示于图15中。该方法是在之前形成有图形11的图形化的蓝宝石衬底(PSS) 12上生长GaN半导体层20，如图15所示。
[0182]同时，可以实施采用了上述两种结构的方法，如图16所示。图17示出对分别在上述结构中获得的提取效率进行比较的曲线。
[0183]在这些曲线中，水平轴代表在计算空间内光的传播距离，而纵轴代表取决于光的传播距离的外部提光提取的量。
[0184]参照这些曲线，可以看出，在没有应用周期结构的水平结构(基准)中，在光的传播距离达到10 μ m之前出现了提取效率的饱和。由于水平结构仅仅能够提取位于临界角内的光，因此大多数光在一个传递(反射)过程中离去。
[0185]另一方面，在应用光子晶体40的结构或者带有图形11的图形化蓝宝石衬底12的情形下，表现出提取效率的连续增加，直到光的传播距离达到100 μ m为止。这是因为在每次该光遇到周期结构时根据衍射过程提取与全反射有关的光。
[0186]提取效率最终由于器件的内部材料的吸收而达到饱和。因而，所采用的用结构的改变或者引入周期结构来实现外部提取效率的增强的基本原理是在尽可能短的传播距离内外部提光提取，以使光遭受到减少的吸收损耗。
[0187]从上面的结果可以看出，当应用光子晶体40的结构和带有图形11的图形化蓝宝石衬底12这两者时，可获得最大的提取效率。
[0188]可以将其中在形成有图形11的图形化的蓝宝石衬底12上生长GaN半导体层20，以及在GaN半导体层20的顶部采用光子晶体40的水平GaN基发光器件的结构在技术上限定为一种其中将具有不同周期的光子晶体单独地应用到不同的平面的结构。
[0189]与水平发光器件不同，对垂直GaN基发光器件应用具有混合周期的光子晶体结构是不可能的。这是因为垂直GaN基发光器件具有除去衬底的结构。然而，其可以通过利用对蚀刻深度无限制的优点在一个平面内应用具有不同周期的光子晶体结构。
[0190]通常，当发光层22和具有高反射率的金属镜之间的间隙比从发光层22产生的光的波长更短时，调整发光层22的特性是可行的。
[0191]图18到22绘出通过FDTD计算机仿真得到的当将产生光的电偶极布置在非常接近全反射镜的位置时出现的现象。电偶极指的是在符合偏振光的特定方向上电子的振荡。
[0192]根据天线理论，从电偶极产生的光具有辐射图形，该图形具有分布在与电子的振荡方向垂直的方向上的峰值。也即，当将电偶极放置在没有高反射镜存在的单电介质空间中时，从电偶极产生的光具有其峰值分布在与每个偏振方向垂直的方向上的福射图形。
[0193]然而，当将具有高反射率的反射镜被布置在距离短于光的波长处的电偶极附近时，发光特性会出现很大的变化。根据电偶极和反射镜之间的间隙，光有时围绕垂直线集中，有时沿反射镜的平面传播。
[0194]考虑这种现象，就可以通过最初应用用于从量子阱层，也即发光层22产生主要具有垂直分量的光的条件来实现提取效率的增强。而且，尽管图18到21没有绘出，但是可以调整固有常数(constant of nature) t (衰减率对应于“t”的倒数),也即激发态电子跃迁到基态所花费的时间。[0195]从上面的描述中显而易见，能够调整发光层22的发光特性这一特征主要意味着下面两个特征。
[0196]一个特征是能够利用在从发光层22产生的光和从金属镜反射的光之间产生的干涉效应来调整输出辐射图形。另一个特征是能够通过发光层22中的偶极和从金属镜产生的图像偶极之间的相互作用来调整衰减率。
[0197]第一个特征可以用传统的光的干涉现象来解释。当反射镜和发光层22之间的间隙长到足以忽略因反射镜引起的干涉效应时，从发光层22产生的光就可以被认为是球形波，在所有的方向都具有恒定的系数。
[0198]对于将反射镜放在发光层22附近以致于辐射图形可调的情形，从提取效率的角度看，增强的干涉的出现是有利的。
[0199]仍然参照如图6所示的发光器件，在垂直发光器件结构中，发光层22和反射镜(反射性电极或者反射性欧姆电极50)之间的间隙对应于P型GaN半导体层21的厚度。因而，在引起电气特性的恶化的范围内，选择用于形成垂直辐射图形的P型GaN半导体层21的合适的厚度是必要的。
[0200]与发光特性的调整相关的第二特征与谐振腔量子电气力学领域密切相关。然而，这个特征，也即，定性调整衰减率的原理，能够使用反射镜的对称性获得容易的解释。
[0201]图22示意性地示出围绕反射镜51平面布置的垂直和水平偏振电偶极的图。根据电磁场理论，在反射镜51的平面上的电场应该总为“O”。
[0202]利用这个原理，能够通过组合电偶极和布置在反射镜51的相对一侧同时与反射镜51隔开相同的距离的图像偶极来实现将电偶极围绕反射镜51布置的情形。
[0203]例如，对于沿z轴极化的电偶极来说，为了满足反射镜51平面上的电场条件，其偶极力矩应该同图像偶极具有相同的方向。因而，随着电偶极和反射镜51之间的间隙减小，就会产生如同两个电偶极彼此重叠的效应。结果，产生增加4倍衰减率的效应。
[0204]另一方面，当将在水平方向上极化的电偶极应用到反射镜51平面上的电场条件时，总会感应图像偶极在电偶极的偶极力矩相对的方向上的偶极力矩。因而，随着水平极化电偶极靠近反射镜51的平面，衰减率接近于“O”。
[0205]对提取效率增强的变化和取决于输出图形的变化的发光层的衰减率的变化，通过FDTD计算机仿真执行一算术运算，同时调整反射镜和发光层之间的间隙，如图23所示。这里，假设反射镜是具有100%反射率的全反射镜，并且发光层的厚度被设为12.5mm。
[0206]首先参照相对提取效率增强的结果，可以看出，在光的大约1/4波长的间隔呈现提取效率峰值和提取效率谷值。这是一个证据，表明辐射图形因光的干涉效应而改变，并且因而调整提取效率。
[0207]在观察峰值和谷值处的辐射图形之后，可以看出，实际上，在峰值出现在垂直方向上的强发光，而在谷值，没有或者很少有垂直光，大多数的光是在以大于临界角的特定角度的倾斜的状态发射出来。
[0208]可以看出，当发光层和反射镜之间的间隙是大约3/4 ( λ /n)时，获得最大的提取效率，并且在该间隙相当于大约λ/4η的奇数倍时，获得大的提取效率。
[0209]为了特别应用因反射镜获得的干涉效应于垂直GaN基发光器件结构，解决在计算机仿真中假设的这些问题是必要的。特别是，尽管在计算机仿真中假定发光层近似地为点光源，但是根据其层叠对的数目，实际的发光器件的量子阱层具有大约50到IOOnm的厚度。
[0210]然而，当发光层的厚度大于λ/4η时，由反射镜产生的干涉效应减少了，并且到最后可以消失。因而，提供用于减小量子阱层的厚度同时保持想要的内部量子效率的生长技术是必要的。
[0211]接下来，参照衰减率变化的结果，可以看出，随着反射镜和发光层之间的间隙的减小，衰减率有增加的特性。也即，随着反射镜靠近发光层，增益介质的循环过程进行得更快。然而，应该注意，衰减率的变化不总是导致提取效率的增加。
[0212]衰减率仅仅是一个指标，指示在发光层内耦合的电子和空穴能够多快地转化为光能量。因而，对于衰减率和提取效率之间的关系来说，考虑因发光层内的增益介质的非辐射复合引起的衰减率也是有必要的。
[0213]尽管用提取效率的变化直接代替衰减率的变化是困难的，但是可以模拟衰减率增加导致更活跃的辐射复合，并且因而导致非辐射复合可能性的减少，从而导致提取效率的增强的定性的关系。
[0214]以下，将描述当反射镜和发光层之间的间隙落在增强干涉条件下时光子晶体的效应。当该间隙对应于大约3/4 (λ/n)时，增强干涉条件就建立起来。图24示出在增强干涉条件下产生的辐射图形。当将这个辐射图形与图10中的相比时，可以看出，相对大量的光在垂直方向传播。
[0215]图25示出在上述条件下将光子晶体引入时获得的用于提取效率增强的测量的结
果O
[0216]对于没有应用光子晶体的结构来说，增强的干涉条件提供相当于没提供或者提供很少的镜象效应的球形波条件的提取效率增强的大约2倍的提取效率增强。在这种情况下提取效率增强高于关于由反射镜产生的干涉效应的计算而算得的提取效率增强(1.6倍)的原因是在这种结构中考虑到吸收率。
[0217]当对与应用光子晶体(周期=800nm，并且蚀刻深度=225nm)相关的情况的曲线进行比较时，可以看出，实施了增强干涉条件的该结构表现出最好的特性。
[0218]当然，在实施了增强干涉条件的该结构中，在光子晶体上表现出的相对增强是最大大约1.2倍。这是因为，在发光层内产生的大部分光最初位于临界角内，从而使得通过光子晶体而提取的光的量相应地减少。
[0219]图26示出针对在增强干涉条件下取决于光子晶体的周期的提取效率的变化进行的测量的结果。
[0220]这里，光子晶体的蚀刻深度固定为225nm。而且，形成光子晶体的孔的尺寸是
0.25a。为了辨别在增强干涉条件下和在正常条件下提取效率对光子晶体的周期的相关性，在一个图内绘出其两种结果。
[0221]参照该结果，可以看出，在光子晶体处于增强的干涉条件下的优化的周期和光子晶体处于正常条件下的优化的周期之间没有显著的差别，并且该优化周期在SOOnm附近。
[0222]以下将参照图27描述取决于光子晶体的蚀刻深度的提取效率的变化。
[0223]在其中可以假设发光层的输出图形为球面波的正常条件下，参照大约Iym的周期，可将光子晶体的周期分为其中提取效率在某一蚀刻深度达到饱和的周期，和其中提取效率与蚀刻深度的增加成比例地连续增加的周期。[0224]这是因为当光子晶体具有更长的周期时，光子晶体能够更有效地衍射临界角附近的全反射光。当将这个原理应用到当前讨论的增强干涉条件时，可以期望，因为沿垂直方向光的辐射最初是在上述条件下进行的，具有更长周期的光子晶体的功能变得更重要。
[0225]为了验证这个效应，在改变蚀刻深度的同时，通过使用计算机仿真的计算来计算根据该周期的提取效率，如图27所示。在将这个条件和正常条件比较后，可以更显而易见地看出，其中获得最大提取效率的优化周期随着蚀刻深度的增加而在更长的周期方向上偏移。
[0226]例如，当蚀刻深度是900nm时，发现优化周期为2μπι或者更大。这相当于一种结构，其能够使用当前通常的光刻术的分辨率来制造，因此从实际应用的角度看，其相当有意义。
[0227]<第一实施例>
[0228]如图28所示，使用折射率与半导体层110的相似或者更高的材料，在先前形成在衬底100上的GaN基半导体层110上形成光提取层120。
[0229]光提取层120可以具有特定的图形。该特定的图形可以形成具有周期结构的光子晶体。可以通过蚀刻方法或者其它构图方法来实现这种光子晶体的形成。
[0230]对光子晶体结构的形成来说，用于形成孔121的正光刻术或者用于形成棒的负光刻术是有用的。
[0231]可以通过由沉积工艺形成光提取层120来形成光子晶体图形，然后使光提取层120经过光刻工艺和蚀刻工艺。或者，可以通过在半导体层110上实施光刻术、沉积光提取层120，然后实施剥离工艺来形成光子晶体图形。
[0232]当将上述光子晶体结构布置在发光器件的表面上时，就可以通过衍射过程提取由于全反射而受限的光，并且因此实现提取效率的增强。然而，即使如上所述，在光提取层120具有特定图形的情况下，也可以通过形成粗糙表面来增强提取效率。
[0233]可以在形成光子晶体的光提取层120的孔121上形成透明电极材料。对透明电极材料来说，可以使用透明导电氧化物(TCO ) 130。
[0234]对透明导电氧化物130来说,可以使用氧化铟锡(ΙΤ0)。而且,可以使用氧化铟锌(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化镁锌(MZO)或者氧化镓锌(GZO)。
[0235]当半导体层110是氮化镓层时，光提取层120可以具有大约2.4或者更大的折射率，因为氮化镓的折射率是2.4。光提取层120的折射率也可以稍微低于2.4。
[0236]对光提取层120来说，可以使用氧化物或者氮化物。特别是，可以使用SiN或者TiO20
[0237]图29示出具有上述光提取层120的水平发光器件的结构。半导体层110可以包括η型半导体层111、有源层112、和P型半导体层113，将它们按照这个顺序在衬底100上顺序形成。而且，衬底100由折射率为1.78的蓝宝石制成。如果必要的话，可以在衬底100和η型半导体层111之间插入缓冲层114。
[0238]与光提取层120相邻布置的P型半导体层113可以完全地保留在层叠该层113时获得的厚度，而不在对光提取层120构图时被蚀刻。P型半导体层113的厚度可以是30到500nm。而且，光提取层120可以具有150nm或者更大的厚度。
[0239]在图29中，以放大的方式示出光提取层120的图形。光提取层120的图形由多个孔121构成，这些孔在GaN半导体中形成光子晶体。可以针对相关的半导体层110来优化孔121的半径、深度和周期。
[0240]也即，当假设孔121的周期，也即相邻的孔121间的间隔是“a”，那么每个孔121的半径可以是0.1a到0.45a，并且每个孔121的深度可以是0.25 λ /n到10 λ /η。这里，“ λ ”代表发射的光的波长，并且“η”代表形成光子晶体的介质的折射率，也即P型半导体层113的折射率。而且，周期“a”可以是200nm到5000nm。
[0241]与此同时，可以如上所述，通过形成规则的棒取代孔121来形成光子晶体结构。
[0242]为了在η型半导体层111上形成η型电极140，可以对半导体层110实施蚀刻工艺，以使η型半导体层111在其一侧暴露。在光提取层120形成的区域可以形成P型电极150。
[0243]可以自由地确定用于形成光提取层120的材料的厚度。沉积有高折射率的材料以形成光子晶体的该结构可应用于发射红色、绿色或者其它颜色的任何类型的发光器件。
[0244]为了检验本发明的效果，对根据第一实施例的结构测量取决于光提取层120的折射率的提取效率的变化，如图30所示。
[0245]在图30的曲线中，纵轴代表在没有引入光提取层结构的通常的平面结构中提取效率的相对增强。
[0246]参照曲线所绘的结果，可以看出，提取效率增强随着透明导电氧化物130的折射率和光提取层120的折射率之间差值的增加而增加。在图30中，虚线代表在将半导体层(这里是P型半导体层)的最上层蚀刻以形成光子晶体的情况下的提取效率。
[0247]当光提取层120的折射率在2.6左右时，提取效率增强表现出与其中ρ型GaN半导体层被蚀刻的情况的提取效率增强相似。当光提取层120或者光子晶体是使用具有更高折射率的材料形成时，与通过根据蚀刻P型半导体层所形成的上述光子晶体结构相比，会产生出色的提取效率增强效果。
[0248]因此，为光提取层120给出的条件是光提取层120应该具有与半导体层20的折射率(2.4)相似或者更高的折射率，并且应该具有至少150nm ( λ /n)的厚度。如果必要的话，光提取层120的厚度可以具有至少λ /4η的厚度。
[0249]而且，光提取层120的材料不应引起在发光器件的发光层中的波长范围内的吸收损耗。光提取层120的材料也应该具有出色的物理粘合力。
[0250]对于满足上面条件的材料来说，折射率为2.4的氮化硅(Si3N4)或者折射率为3.0的氧化钛(TiO2)是优选的。
[0251]当如上所述，使用折射率与半导体层110的折射率相似或者更高的材料在半导体层Iio上形成光提取层120时，就可以在为增强提取效率将光子晶体引入到发光器件的同时保持发光器件想要的电气特性。而且，即使对于更高的电流来说，也能够表现出同样的光提取效果。
[0252]此外，光提取效果可以实现与其中蚀刻GaN半导体层以便形成光子晶体并且以便在形成光子晶体时将蚀刻深度增加到导致提取效率饱和的水平的情况下相等或者更为出色的光提取效果。
[0253]<第二实施例>
[0254]如图31所示，在折射率为1.78的蓝宝石衬底200上形成GaN基半导体层210。在半导体层210上可以形成透明导电层220。透明导电层220可以用作电极。
[0255]对于透明导电层220来说，可以使用氧化铟锡(ΙΤ0)。而且，可以使用氧化铟锌(IZO)、氧化铝锌(AZO)、氧化镁锌(MZO)或者氧化镓锌(GZO)。
[0256]使用折射率与半导体层210的折射率相似或者更高的材料，在透明导电层220上形成光提取层230。
[0257]光提取层230可以具有特定的图形。该特定的图形可以形成具有周期孔结构的光子晶体。这种光子晶体的形成可以通过蚀刻方法或者其它构图方法来实现。
[0258]当半导体层210是氮化镓层时，光提取层230可以具有大约2.4或者更大的折射率，因为氮化镓的折射率是2.4。光提取层230的折射率也可以稍微低于2.4。对光提取层230来说，也可以使用氧化物或者氮化物。特别是，可以使用SiN或者Ti02。这些内容与第一实施例的相同。
[0259]与此同时，如图32所示，可以用由例如Ni层241和Au层242构成的透明金属薄层240代替透明导电层220。透明金属层240足够薄，以使光通过其中。
[0260]当然，可以使用包含Ni或者Au的合金形成透明金属层240。
[0261]优选的是，透明金属层240具有小于IOnm的几纳米的厚度。例如，Ni层240可以具有2nm或者更小的厚度，并且Au层242可以具有4nm或者更小的厚度。
[0262]如上所述，在半导体层210上可以形成透明导电层220或者透明金属层240。当使用金属氧化物形成透明导电层220时，优选地透明导电层220的厚度足够小。
[0263]图33示出对于由例如ITO制成的透明导电层220，以及透明金属层240的由光的入射角决定的透射率。参照图33，可以看出，当使用ITO时，在入射角大于大约45°时透射率大为减小。
[0264]而且，参照图34，可以看出，因光提取层230而获得的提取效率增强随着ITO层厚度的增加而逐渐减小。因而，当光提取层230具有低于半导体层210的折射率的折射率时，如上所述，优选地透明导电层220的厚度小于λ/2η (“λ”代表光波长，而“η”代表透明导电层的折射率)。
[0265]由于透明导电层220能够起到电极的作用，因此，当考虑电压特性时，透明导电层220具有λ/16η到λ/4η的厚度更为有利。
[0266]对于透明金属层240来说，可以确定透明金属层240的厚度，因为能够在大部分角度保持想要的透射率，如图33所示。
[0267]图35示出具有上述结构的发光器件。在所示的情况下，半导体层210包括布置在蓝宝石衬底200上的η型半导体层211、布置在η型半导体层211上的发光层212、和布置在发光层212上的ρ型半导体层213。可以在蓝宝石衬底200和η型半导体层211之间插入未掺杂的低温缓冲层214。
[0268]在ρ型半导体层213的上面可以形成几纳米厚的电流扩散层215。电流扩散层215可以由未掺杂半导体层制成。
[0269]特别是，对于电流扩散层215来说，可以使用InxGahN层或者InxGai_xN/GaN超晶格层。电流扩散层215能够起到增强载流子的迁移率的作用，并且因而导致电流平滑地流动。基于这一角度，这种电流扩散层也被称为电流输运增强层(CTEL)。
[0270]ρ型半导体层213可以具有30到500nm的厚度。而且，光提取层230可以具有λ /4η或者更厚的厚度。这里，“η”代表形成光提取层230的材料的折射率。
[0271]没有描述的与这个实施例相关的内容与第一实施例的那些相同。
[0272]<第三实施例>
[0273]图36示出将具有高折射率的光提取层320应用到垂直发光器件的结构的实施例。
[0274]在这个实施例中，在半导体层310上使用折射率与半导体层310的折射率相似或者更高的材料形成光提取层320。半导体层310包括η型半导体层311、布置在η型半导体层311上的发光层312，和布置在发光层312上的ρ型半导体层313。
[0275]光提取层320可以具有特定的图形。该特定的图形可以形成具有周期结构的光子晶体。这种光子晶体的形成可以通过蚀刻分或者其它构图方法来实现。
[0276]对于光子晶体结构的形成来说，用于形成孔的正光刻术或者用于形成棒的负光刻术都是可用的。这一内容可以与第一实施例的相同。
[0277]如图36所示，半导体层310可以在由具有欧姆特性的透明电极330及反射性电极340构成的电极上形成。可以使用导电性氧化物例如ITO形成透明电极330，可以使用金属例如Al或者Ag形成反射性电极340。
[0278]该电极也可以由单层反射性欧姆电极(未示出)构成，代替由透明电极330和反射性电极340构成的多层结构。
[0279]可以将上述结构布置在由金属或者半导体层制成的支撑层350上。这里，支撑层350能够在除去其上已经生长出半导体层310的衬底的过程中支撑发光器件结构，以便获得垂直结构。
[0280]在这种垂直发光器件结构中，在光提取层320上形成η型电极，以使η型电极电连接到η型半导体层313。因而，电流在发光器件的工作期间垂直流动。
[0281]〈第四实施例〉
[0282]图37示出将具有不同的周期的光子晶体混合在一起的光子晶体层420的结构。图38和39是当用试验方法实现光子晶体层420时所获的结构的电子显微镜照片。
[0283]参照这些电子显微镜照片，可以看出，当根据通常的蚀刻工艺对垂直结构中的η型GaN半导体层的表面进行构图时，在GaN半导体层的表面与蚀刻工艺中使用的等离子体气体起反应时附加地形成精细图形。
[0284]根据上述形成工序所形成的光子晶体层420具有周期混合的结构，包括周期的光子晶体结构和平均周期短于周期光子晶体结构的周期的附加的随机结构。
[0285]为了算术地评估光子晶体层420的周期混合结构的效果，通过使用计算机仿真的计算对图40和41中的结构进行提取效率的比较。
[0286]光子晶体层420的周期混合结构可以有各种表示。然而，为简化该表示，用下面原理表示该周期混合结构。
[0287]首先，引入具有较长周期作为第一周期的第一光子晶体421结构。第一光子晶体421结构的蚀刻深度被设为450nm。
[0288]将具有较短周期作为第二周期的第二光子晶体422结构引入到长周期结构的第一光子晶体421没有被蚀刻的部分中。短周期结构性的第二光子晶体422的蚀刻深度被设为 225nm。
[0289]根据以下方法在计算空间(calculation space)实验性地处理该结构表示:首先限定具有短周期的第二光子晶体422，然后引入具有长周期的第一光子晶体421。
[0290]这里，混合的光子晶体421和422的周期、蚀刻深度、和每个结构的形状可以有不同的表示。因而，对光子晶体层420来说，根据上述结构因素的各种组合可以构思出各种周期混合结构。
[0291]参照计算的结果，可以看出，其中混合了不同的周期的光子晶体结构与其它结构相比，总是表现出出色的提取效率增强效果，如图42所示。因此，如果能够提供一种方法，其能够可靠地制造试验性的周期混合的光子晶体结构，就可以期望，提取效率的改善超过单光子晶体结构，而与光子晶体结构的组合无关。
[0292]如上所述，当在将光子晶体引入到垂直GaN基发光器件时通过蚀刻厚度为3 μ m的η型GaN半导体层而形成该光子晶体时，与光子晶体形成于ρ型GaN半导体层上的水平结构相比，就可以保持想要的电气特性。而且，在蚀刻深度方面不存在基本的限制。
[0293]在具有单个周期的光子结构中，可将取决于蚀刻深度的提取效率增强的效果归纳如下。也即，当引入到η型GaN半导体层的光子晶体的蚀刻深度是300nm或者更深，并且引入的光子晶体的周期是I μ m或者更大但是小于5 μ m时，满足上面两个条件的光子结构表现出提取效率在与蚀刻深度成比例地连续增加的同时靠近最大提取效率的趋势。
[0294]随着蚀刻深度的增加，优化的周期向着长周期方向移动。例如，优化的光子晶体周期在蚀刻深度为225nm时位于800nm附近，但是蚀刻深度为900nm时为1400nm。
[0295]当对蚀刻深度没有基本的限制时，就可以提出各种周期混合的光子晶体结构。根据其制造方法，可以将周期混合的光子晶体结构的形状作如下分类。
[0296]如图43所示，在半导体层410上可以通过根据蚀刻工艺形成具有较长周期的第一光子晶体421，然后根据蚀刻工艺形成具有较短周期的第二光子晶体422形成周期混合的光子晶体层420。这里，第二光子晶体422具有随机的结构，该结构的平均周期短于第一光子晶体421的周期。
[0297]当在形成长周期的第一光子晶体421之后形成短周期的第二光子晶体422时，如上所述，第二光子晶体422也在用于形成第一光子晶体421的孔421a内形成。因而，第二晶体422能够存在于发光表面的整个部分。
[0298]相当于光子晶体层420的最长周期的第一光子晶体421的周期可以是800到5000nm。用于形成具有相当于光子晶体层420的最长周期的周期的第一光子晶体421的图形的深度，可以是300到3000nm。
[0299]相当于光子晶体层420的最短周期的第二光子晶体422的周期可以是50到lOOOnm。用于形成具有相当于光子晶体层420的最短周期的周期的第二光子晶体422的深度可以是50到500nm。
[0300]与此同时，当假设光子晶体层420的周期是“a”时，用于形成光子晶体层420的光子晶体的孔的深度可以是0.1a到0.45a。
[0301]图44示出形成于半导体层410上的周期混合光子晶体层420的结构，其根据蚀刻工艺形成具有相对短的周期的第二光子晶体422，然后根据蚀刻工艺形成具有相对长的周期的第一光子晶体421。
[0302]或者，如图45所示，可以首先根据蚀刻工艺形成具有相对长周期的第一光子晶体421，然后可以根据沉积工艺形成具有相对短周期的第二光子晶体422。[0303]当根据沉积工艺形成第二光子晶体422时，其具有从第一光子晶体421的结构突起来的微粒422a的图形，取代雕刻图形。微粒422a可以具有半球形状。根据GaN晶体的形状，微粒422a也可以具有六角形结构。
[0304]当在形成长周期的第一光子晶体421后形成短周期的第二光子晶体422时，如上所述，第二光子晶体422也在用于形成第一光子晶体421的孔421a内形成。因而，第二晶体422能够存在于发光表面的整个部分。
[0305]图46示出这样一种结构:其中根据沉积工艺形成具有较短周期的第二光子晶体422，然后根据蚀刻工艺形成具有较长周期的第一光子晶体421。
[0306]由于上述周期混合的光子晶体层420具有包括不同周期的光子晶体421和光子晶体422的结构，因此对光子晶体层420来说，可以根据光子晶体421和422的结构因素的各种组合来构思各种周期混合的结构。
[0307]基本上，提取效率取决于两种光子晶体421和422的周期的组合。这里，蚀刻深度、光子晶体的形状等都可以用作参数。当因沉积工艺引入新材料时，引入的材料的折射率也可以用作参数。
[0308]当在垂直GaN基发光器件的η型GaN半导体层中引入光子晶体时，对于提取效率的增强来说，根据本发明，就可以通过深度蚀刻光子晶体在易于制造的长周期结构(I μ m)中保证有最大的提取效率。
[0309]根据本发明，可以通过提供周期混合的光子晶体结构，使提取效率达到最大，该结构中在同一平面内混合两个或者多个周期，作为具有单个周期的光子晶体结构的扩展。
[0310]图47示出垂直发光器件的结构，其包括上述周期混合的光子晶体层420。
[0311]其中形成有上述光子晶体结构的半导体层410包括η型半导体层411，发光层412，和ρ型半导体层413，它们按此顺序布置。如上所述，在η型半导体层411上形成光子晶体层420。
[0312]可以在半导体层410的下面布置欧姆电极层或者反射性欧姆电极层430。可以将上述发光器件结构布置在由例如硅这样的半导体或者金属制成的支撑层440上。
[0313]可以在形成有光子晶体层420的η型半导体层411上布置η型电极450。
[0314]上述结构具有的特征在于，因为它是根据η型GaN半导体层411的蚀刻形成的，光子晶体对导致半导体层410中电阻的增加没有或者有很小的效果。而且，由引入光子晶体层420而获得的光提取效果即使在大功率输出区域也能同等地保持，因为垂直GaNB基发光器件能够容易地排热。
[0315]同时，由于η型GaN半导体层411的厚度通常大于3 μ m，因此能够将光子晶体的蚀刻深度增加到比提取效率达到饱和时的蚀刻深度大的多。
[0316]如上所述，随着光子晶体的蚀刻深度增加，能够保持有最大的提取效率的周期在长周期方向上移动。特别是，具有Iym或者更大周期的光子晶体能够对于比当使用具有更短周期的光子晶体时提取效率达到饱和时的蚀刻深度大的蚀刻深度连续增加提取效率。
[0317]同时，与具有单一周期的结构相比，其中在同一平面内混合有不同的周期的周期混合的光子晶体层420的结构，能够与光子晶体的组合无关地表现出出色的提取效率增强。而且，取决于蚀刻深度的优化周期的移动和周期混合的光子晶体层420的结构可应用于其中光子晶体形成层的厚度是300nm或者更厚的其它发光器件结构。[0318]〈第五实施例〉
[0319]图48示出一种在考虑光子晶体的效果能够使提取效率最大化的发光器件的结构，该效果是当反射镜和发光层之间的间隙符合增强干涉条件下表现出来的。
[0320]在所示的发光器件结构中，反射性电极530被布置在支撑层540上，半导体层510被布置在反射性电极530上。对于反射性电极530来说,可以使用一种能够产生与半导体层510欧姆接触的材料。优选的是，反射性电极530具有50%或者更大的反射率。
[0321]如图49所示，在反射性电极530和半导体层510之间可以插入单独的欧姆电极531。这里，对于欧姆电极531来说，可以使用透明电极。对于透明电极来说，可以使用具有低折射率的氧化铟锡(ITO)。而且,可以使用氧化铟锌(IZO)、氧化招锌(AZO)、氧化镁锌(MZO)或者氧化镓锌(GZO)。
[0322]如图48或49所示，半导体层510包括ρ型半导体层513、布置在ρ型半导体层513上的发光层512、和布置在发光层512上的η型半导体层511。
[0323]可以将由包括多个孔521或者棒的图形构成的光子晶体520布置在η型半导体层511上。在η型半导体层511的一部分上布置η型电极550。可以不在布置有η型电极550的区域上形成光子晶体520的图形。
[0324]在光子晶体520中，每个孔521的深度或者每个棒的高度可以是300到3000nm。光子晶体520可以具有0.8到5 μ m的周期。当假设光子晶体520的周期是“a”时，每个孔521或者每个棒的尺寸(直径)可以是0.25到0.45a。
[0325]如上所述，反射性电极530和发光层512的中心之间的距离“d”可以是0.65 λ /n到0.85 λ/n，或者可以是λ/4n的奇数倍。
[0326]因而可以由ρ型半导体层513来调整反射性电极530和发光层512之间的距离。也即，通过调整反射性电极530和发光层512之间的距离，就可以在光提取过程中建立增强的干涉条件。
[0327]当在反射性电极530和发光层512之间插入单独的由例如ITO这样的材料制成的透明欧姆电极531时，就可以更容易地执行这个过程:以调整ρ型半导体层513的厚度，使之符合增强的干涉条件。
[0328]图50用曲线绘出当在图49的结构中将ITO用于欧姆电极531时由该欧姆电极531的厚度决定的提取效率。图51绘出由图49的结构中的ρ型半导体层513的厚度的变化决定的提取效率的变化。
[0329]参照图50和51，可以看出，通过调整透明欧姆电极531的厚度可以更容易地实现提取效率控制。这意味着通过控制欧姆电极531的厚度，可以更容易地调整用于光提取的增强的干涉条件。
[0330]根据本发明，当为了实现增强的提取效率而在垂直GaN基发光器件的η型半导体层511中引入光子晶体520时，可以在光子晶体520具有长周期(Iym或者更长)以使其容易制造的条件下利用反射性电极530的干涉效应和蚀刻深度获得最大的提取效率。而且，可以仅仅利用反射性电极530的干涉效应获得提取效率的增强。
[0331]当对上述发光器件结构进行封装时，它就能够表现出高的提取效率，而不管封装的结构如何。
[0332]图52示出一种封装结构，在该结构中，围绕着封装体560形成引线561，并且具有上述特征的发光器件500被安装在封装体560的顶部。发光器件500可以通过布线562连接到引线561。齐纳二极管570被布置在发光器件500的一侧，以达到耐电压特性的改善。
[0333]用平面密封胶封其上安装有发光器件500的封装体560。
[0334]图53示出一种结构:其中将发光器件500安装在封装体580上，并且形成拱顶形密封590。
[0335]在图52的平面封装结构和图53的拱顶形封装结构中，从上述发光器件500发射的、同时具有沿垂直方向的强烈的方向性的光能够表现出基本相等的功率特性。
[0336]<第六实施例>
[0337]以下将描述根据本发明的用于制造具有光提取结构，例如光子晶体的发光器件的过程。
[0338]图54示出在衬底610上形成的LED结构600。
[0339]对于LED结构600的形成来说，首先在由例如蓝宝石制成的衬底610上形成化合物半导体层620。半导体层620包括η形半导体层621、有源层622、和ρ形半导体层623，从衬底610这侧开始按此顺序布置它们。
[0340]η型半导体层621、有源层622、和ρ型半导体层623的布置顺序可以颠倒。也即，这些层可以被按照P型半导体层623、有源层622和η型半导体层621的顺序形成在衬底610 上。
[0341]特别是，对于半导体层620来说，可以使用GaN基半导体。这里，有源层622可以具有InGaN/GaN量子阱(QW)结构。而且，可以将例如AlGaN或者AlInGaN这样的材料用作有源层622。当对有源层622施加电场时，就会因电子-空穴对的耦合而产生光。
[0342]为了实现亮度的增强，有源层622可以具有包括如上所述的多个QW结构的多量子阱(MQW)结构。
[0343]在半导体层620上形成ρ型电极630。P型电极630是欧姆电极。在ρ型电极630上可以形成反射性电极640,以反射从有源层622产生的光,并且因此向外发射产生的光。
[0344]通过适当地选择ρ型电极630和反射性电极640的材料，可以形成代替P型电极630和反射性电极640的单个电极，以用作ρ型电极630和反射性电极640。
[0345]在反射性电极640上形成支撑层650，以在随后用于分离衬底610的过程中支撑该LED 结构 600。
[0346]可以通过将由硅(Si)、砷化镓(AsGa)、或者锗(Ge)或者由CuW制成的金属衬底粘合到反射性电极640的上表面而形成支撑层650。或者，可以通过在反射性电极640上电镀例如镍(Ni)或者铜(Cu)这样的金属而形成支撑层650。
[0347]在支撑层650由金属制成的位置，为了增强对反射性电极640的粘结性，可以利用种子金属形成其。
[0348]根据上述工艺过程，LED结构600具有如图54所示的结构。之后将衬底610从这个结构中除去。之后，在已经除去衬底610的表面上形成电介质层660。因而获得了如图55所示的结构。
[0349]可以根据采用激光器的激光剥离工艺来实现衬底610的去除。或者，可以根据化学方法例如蚀刻法将衬底610除去。
[0350]在除去衬底610的过程中，支撑层650支撑LED结构600。[0351]如上所述，电介质层660在因除去衬底610而暴露的η型半导体层621上形成。对于电介质层660来说，可以使用氧化物或者氮化物。例如，可以使用氧化硅(Si02)。
[0352]在电介质层660内形成多个规则的孔661。孔661的形成可以利用干蚀工艺,例如反应性离子蚀刻(RIE)工艺或者感应耦合等离子体反应性离子蚀刻(ICP-RIE)工艺来实现。
[0353]干蚀工艺对孔661的形成来说是合适的，因为与湿蚀工艺不同，其能够实现无方向性的蚀刻。也即，尽管在湿蚀工艺中实施各向同性蚀刻以在所有的方向上实现蚀刻，但是，仅仅在用于形成孔661的深度方向上的蚀刻能够由干蚀工艺来实现。因而，根据干蚀工艺，能够形成孔661以在尺寸和间隔方面实现想要的图形。
[0354]为了形成如上所述的多个孔661，可以使用如图56所示的形成有孔图形671的图形掩模670。
[0355]对于图形掩模670来说，可以使用由例如铬(Cr)制成的金属掩模。如果必要，可以使用光刻胶。
[0356]在将光刻胶用作图形掩模670的位置，可以利用光刻术、电子束印刷术、纳米印刷术等形成孔图形671。在这个过程中，可以使用干蚀工艺或者湿蚀工艺。
[0357]在将铬掩模用作图形掩模670的位置，首先在铬层上形成聚合物层，以形成位于铬层上的图形。然后在聚合物层上根据印刷方法形成图形。之后，蚀刻铬层。因而，形成图形掩模670。铬层的蚀刻是利用干蚀工艺实现的。
[0358]对干蚀工艺来说，可以使用RIE工艺或者ICP-RIE工艺。对于在这个工艺中使用的气体来说，可以使用Cl2和O2中的至少一种。
[0359]优选的是，孔图形671不形成于某一区域，以提供其中形成η型电极衬垫(图66)的空的空间。
[0360]通过上述过程，在电介质层660上形成具有与孔图形671相同的图形的多个孔661，如图57所示。这里，孔661在整个电介质层660上延伸。
[0361]孔661可以具有各种图形。例如，孔661具有正方形图形。而且，孔661可以具有如图58到62所示的各种图形。
[0362]也即，将孔661形成为沿着在发光器件封装内限定的斜线布置，如图58所示。而且，可以将孔661形成为沿着在发光器件封装中的多个划分的表面区域内限定的斜线布置，如图59所示。这里，每个表面区域的斜线图形可以不符合剩余的表面区域的斜线图形。
[0363]或者，每个区域的斜线图形可以符合余下区域的斜线图形，如图60和61所示。图60示出将孔661沿着在发光器件的两个划分区域内限定的斜线布置以使斜线图形在区域的边界相符的情形。图61示出将孔661沿着在发光器件的四个划分区域内限定的斜线布置以使斜线图形在区域的边界相符的情形。
[0364]另一方面，如图62所示，可以将孔661布置为形成同心的多个圆形图形或者辐射状图形。
[0365]此外，孔661可以具有各种多边形图形，例如六边形图形或者八边形图形，或者梯形图形。而且，可以形成不规则的图形。
[0366]在布置于η型半导体层621上的电介质层660中形成孔661之后,对η型半导体层621实施根据干蚀工艺的蚀刻，以形成多个槽624，如图58所示。[0367]因而，形成于η型半导体层621上的电介质层660用作用于蚀刻η型半导体层621的掩模或者钝化膜。
[0368]这里，将槽624形成为具有如孔661 —样的图形。
[0369]也即，可以将槽624形成为具有例如正方形图形的图形、多个斜线图形、划分为至少两个区域的多个斜线图形、划分为至少两个区域同时在相对的方向上延伸的多个斜线图形、多个同中心的图形、多边形图形、梯形图形、或者辐射状图形。
[0370]图63示出用于在η型半导体层621内利用ICP-RIE装置形成槽624的过程。
[0371]对于ICP-RIE装置来说，可以使用平面型或者螺线管型。在图63中，示出了平面型ICP-RIE装置。
[0372]在该ICP-RIE装置中，铜线圈710被布置在腔700上，腔700包括接地金属屏蔽701和覆盖金属屏蔽701的绝缘窗702。来自射频(RF)电源720的电力被施加到线圈710。这里，为了使绝缘窗702与RF电力绝缘，应该以合适的角度形成电场。
[0373]将形成有带有孔661的图形的电介质层660的LED结构600放在布置在腔700内的下电极730上。将下电极730连接到偏压源740，该偏压源740用于提供偏置电压以偏置LED结构600，从而实现想要的蚀刻。
[0374]偏压源740优选提供RF电力和DC偏压。
[0375]通过反应性气体口将包括Ar、BCl3和Cl2至少一种的气体化合物引入腔700内。这时，通过顶端口 704将电子注入腔700内。
[0376]由于因线圈710产生的电磁场，注入的电子撞击引入的气体混合物的中性微粒，由此产生离子和中性原子以生成等离子体。
[0377]等离子体中的离子在来自偏压源740提供给电极730的偏置电压的作用下加速，以向着LED结构600移动。加速的离子连同加速的电子一起通过电介质层660的孔661的图形，由此在η型半导体层621中形成槽624的图形，如图64所示。
[0378]这里，腔700的压力保持在5mT0rr。也可以使用He流。优选的是，在蚀刻过程中，将腔700冷却到I (TC。
[0379]对于RF电源720和偏压源740来说，可以分别使用33W和230W的电力。
[0380]对于在电介质661内形成孔660来说，也可以按照上述相同的方式使用上述ICP-RIE装置。这里，气体混合物可以包括CF4、Ar和CHF3中的至少一种。RF电源720和偏压源740可以分别使用50W和300W的电力。
[0381 ] 可以在上述过程中将孔660不规则地形成于电介质661内，以在η型半导体层621内不规则地形成槽624。不规则的槽624提供粗糙的表面，通过该表面提取光，以实现提取效率的增强。
[0382]然而，优选的是，槽624的图形是规则的，以具有某一周期(图58到62)，并且因此，在η型半导体层621的表面上形成光子晶体结构680。
[0383]图65示出根据上述过程形成于η型半导体层621上的光子晶体结构680的扫描电子显微镜(SEM)图象。
[0384]这样形成光子晶体结构680，以使光子晶体的周期为0.5到1.5 μ m，并且，考虑到GaN的折射率(2.6)、其包括在LED结构中并且从中提取光的环氧透镜的折射率、以及与驱动电压的关系，用于形成光子晶体的槽624的直径相当于大约0.3到0.6倍的光子晶体周期。
[0385]槽624可以具有相当于η型半导体层621的厚度的1/3或者更厚的深度。
[0386]当形成上述光子晶体结构680时，它具有周期性的折射率排列。当光子晶体结构680的周期相当于发出的光的波长的大约一半时，根据由具有在折射率方面的周期性变化的光子晶体点阵导致的光子的多散射而形成光子带隙。
[0387]在光子晶体结构680中,光具有在某一方向上有效发射的性质。也即，形成了光限制带。因而，存在一种现象:通过形成了光子晶体结构680的孔624以外的区域提取光，而无需进入或者通过孔624。
[0388]如上所述，在用光子晶体结构680形成的LED结构600的上表面和下表面上形成η型电极衬垫691和ρ型电极衬垫692，如图66所示。因而，LED结构600被完整地制造出来。
[0389]对本领域技术人员来说，显而易见，能够对本发明作出各种修改和变例，而不脱离本发明的精神或者范畴。因而，本发明意在覆盖这个发明的修改和变例，只要它们落在所附权利要求及其等效范围内。
【权利要求】
1.一种发光器件，包括: 反射性电极； 半导体层，所述半导体层在所述反射性电极上，所述半导体层包括布置在所述反射性电极上的P型半导体层、布置在所述P型半导体层上的发光层以及布置在所述发光层上的η型半导体层；以及 光子晶体，所述光子晶体布置在所述半导体层上， 其中，在所述发光层的中心和所述反射性电极之间的距离(d)是在由0.65λ/η至0.85λ/η所代表的范围之内，或者是λ/(4η)的奇数倍，其中，λ代表从所述发光层发射的光的波长，而η代表所述半导体层的折射率。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中，在所述发光层的中心和所述反射性电极之间的距离是在(2m+l) λ/(4η)-0.Ιλ/n 和(2m+l) λ / (4η)+0.1 λ/n 之间的范围内。
3.如权利要求1所述的发光 器件，进一步包括: 欧姆电极，所述欧姆电极布置在所述反射性电极和所述P型半导体层之间。
4.如权利要求1所述的发光器件，其中，所述反射性电极包括欧姆电极。
5.如权利要求3或4所述的发光器件，其中，所述欧姆电极包括透明电极。
6.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述发光层具有0.05 λ /n至0.25 λ/n的厚度。
7.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述反射性电极具有50%或更大的反射率。
8.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述光子晶体通过蚀刻被形成，并且具有在λ/n和更大之间的范围内的深度。
9.如权利要求8所述的发光器件，其中，所述光子晶体包括在所述半导体层上形成的孔或者棒。
10.如权利要求9所述的发光器件，其中，所述孔具有300nm到3000nm的深度，并且所述棒具有300nm到3000nm的高度。
11.如权利要求9所述的发光器件，其中，所述孔或者棒具有0.25a到0.45a的直径，其中“a”代表所述光子晶体的周期。
12.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述光子晶体具有0.8μπι到5 μ m的周期。
13.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，进一步包括支撑层，所述反射性电极位于所述支撑层上。
14.如权利要求13所述的发光器件，其中，所述支撑层包括半导体或者金属。
15.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述光子晶体包括与所述半导体层的材料相同的材料。
16.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述P型半导体层具有IOOnm到300nm的厚度。
17.如权利要求1所述的发光器件，其中，所述距离是在由λ/(4η)的奇数倍土λ/(8η)所代表的范围之内。
18.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述光子晶体具有两个或更多个混合周期使得所述光子晶体具有随机结构。
19.如权利要求1至4中任一项所述的发光器件，其中，所述光子晶体与所述半导体层一体地形成。
20.如权利要求1所述的发光器件，其中，所述光子晶体具有等于或高于所述半导体层的折射率的折射率。
21.如权利要求20所述的发光器件，其中，所述光子晶体包括氧化物或者氮化物。
【文档编号】H01L33/22GK103928580SQ201410116298
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2007年5月8日 优先权日:2006年5月8日
【发明者】曹贤敬, 金鲜京, 张峻豪 申请人:Lg电子株式会社, Lg伊诺特有限公司