专利名称：具有增大的提取效率的再发光半导体构造的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及固态半导体光源以及相关的器件、系统、和方法。
背景技术：
已知多种半导体器件和制备半导体器件的方法。这些器件中的一些被设计为发射光，例如可见光或近可见(如，紫外或近红外)光。实例包括发光二极管(LED)和激光二极管。另一个实例为形成再发光半导体构造(RSC)的半导体层叠堆。与LED不同，RSC不需要来自外电子电路的电驱动电流来发射光。相反，RSC通过在RSC的有源区吸收第一波长X1的光而产生电子空穴对。这些电子和空穴随后在有源区的势阱中复合以根据势阱的数目和它们的设计特征而发射不同于第一波长X1的第二波长λ 2以及任选的其他波长λ3、入4等的光。第一波长X1的引发辐射或“泵浦光”通常由耦接至RSC的发射蓝光、紫光、或紫外光的LED来提供。示例性的RSC器件、其构造方法、以及相关器件和方法可见于(如)美国专利7，402，831 (Miller等人)、美国专利申请公开 US 2007/0284565 (Leatherdale 等人)和 US 2007/0290190 (Haase 等人)、PCT 公开WO 2009/048704 (Kelley等人)、以及2008年6月洸日提交的标题为‘、emiconductor Light Converting Construction”(半导体光转换构造)的待审的美国专利申请序列号 61/075，918 (代理人案卷号64395US002)，上述全部专利均以引用方式并入本文。
图1示出了组合RSC 108和LED 102的示例性器件100。LED具有位于LED衬底 106上的LED半导体层叠堆104 (有时称为外延层)。层104可包括ρ型和η型结层、光发射层(通常包括量子阱)、缓冲层、和覆盖层。层104可通过任选粘合层116附接至LED衬底 106。LED具有上表面112和下表面，并且上表面为纹理化的，从而与上表面为平坦的情况相比增加从LED的光提取。电极118、120可设置在这些上表面和下表面上，如图所示。当通过这些电极连接至合适的电源时，LED发射第一波长X1W光，其可对应于蓝光或紫外(UV) 光。LED光中的一些进入RSC 108并且在此被吸收。RSC 108通过粘合层110附接至LED的上表面112。RSC具有上和下表面122、124， 其中来自LED的泵浦光通过下表面IM进入。RSC还包括量子阱结构114，所述量子阱结构 114被设计为使得此结构的某些部分中的带隙被选定以便吸收LED 102发出的泵浦光的至
6少一些。通过吸收泵浦光而产生的电荷载流子进入此结构中具有更小带隙的其他部分，即量子阱层，在此处载流子复合并产生更长波长的光。这在图1中示为第二波长λ2的再发射的光，其源于RSC 108内并且离开RSC以提供输出光。图2示出了包括RSC的示例性半导体层叠堆210。使用分子束外延(MBE)在磷化铟αηΡ)晶片上生长叠堆。首先通过MBE在InP衬底上生成(iaInAs缓冲层以制备用于 II-VI生长的表面。然后通过超高真空传递系统将该晶片移至另一个MBE室以生长用于RSC 的II-VI外延层。生长RSC的细节示于图2中并且概述于表1中。该表列出了与RSC相关的不同层的厚度、材料组成、带隙、和层描述。RSC包括八个Cda^e量子阱230，其中每个量子阱均具有2. 15eV的跃迁能量。每个量子阱230被夹在能够吸收LED发射的蓝光的具有 2. 48eV的带隙能量的CdMgZMe吸收层232之间。RSC还包括各种窗口层、缓冲层、和渐变层。
权利要求
1.一种器件，其包括半导体层的叠堆，所述叠堆包括有源区，适于将第一波长X1的光转换成第二波长λ 2的光，所述有源区包括至少第一势阱；以及第一无源区，从所述叠堆的外表面延伸到所述有源区，从所述外表面到所述有源区的距离对应于所述第一无源区的厚度，所述第一无源区的特征在于其内传播的所述第一波长 λ ！的光基本上不转换成其他光；其中，所述叠堆还包括在其中形成的多个凹陷，所述多个凹陷从所述外表面延伸到所述第一无源区内，所述凹陷通过平均凹陷深度来表征，并且其中所述平均凹陷深度为所述第一无源区的厚度的至少50%。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述凹陷具有标称相同的深度。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第一无源区的厚度的至少 60%。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第一无源区的厚度的至少 70%。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第一无源区的厚度的至少 80%。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第一无源区的厚度的至少 90%。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述凹陷基本上不延伸到所述有源区内。
8.根据权利要求1所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有二维形状，并且其中所述凹陷具有标称相同的二维形状。
9.根据权利要求1所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有最大横向尺寸，并且其中所述凹陷具有标称相同的横向尺寸。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述叠堆沿基本上平行于参考平面的横向方向延伸，并且其中各个凹陷包括相对于所述参考平面成斜角倾斜的表面。
11.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有投影面积，并且其中所述投影面积的至少20%对应于以斜角倾斜的表面。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述投影面积的至少20%对应于以10度到80 度范围内的斜角倾斜的表面。
13.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在垂直于所述参考平面的局部剖视平面中具有轮廓，并且其中各个凹陷的所述轮廓包括弯曲部分。
14.根据权利要求13所述的器件，其中各个凹陷的所述轮廓包括大致U形的末端。
15.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在垂直于所述参考平面的局部剖视平面中具有轮廓，并且其中各个凹陷的所述轮廓包括大致V形的末端。
16.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在垂直于所述参考平面的局部剖视平面中具有轮廓，并且其中各个凹陷的所述轮廓包括大致截平的V形末端。
17.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体层叠堆的有源区还包括第一吸收层， 所述第一吸收层毗邻所述第一势阱，并且具有大于所述第一势阱的跃迁能量的带隙能量。
18.根据权利要求1所述的器件，其中所述叠堆沿基本上平行于参考平面的横向方向延伸，并且其中位于所述凹陷的至少一些之间的所述外表面的一部分为平坦的并且平行于所述参考平面。
19.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少40%的堆积密度，所述堆积密度为当所述外表面在平面图中显示时由所述多个凹陷占据的面积百分比。
20.根据权利要求19所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少50%的堆积密度。
21.根据权利要求20所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少60%的堆积密度。
22.根据权利要求1所述的器件，其中所述有源区包括具有第一折射率的第一半导体材料，并且所述无源区包括具有第二折射率的第二半导体材料，所述第一和第二折射率是在所述第二波长λ 2下测定的，并且其中所述第二折射率为所述第一折射率的至少80%。
23.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个凹陷通过相邻凹陷之间的平均间距Λ 来表征，并且其中Λ大于所述第二波长λ 2除以所述无源区的折射率。
24.根据权利要求1所述的器件，其中所述外表面暴露于空气。
25.根据权利要求1所述的器件，其中所述外表面由固态非半导体材料覆盖。
26.根据权利要求25所述的器件，其中所述固态非半导体材料包括粘结材料。
27.根据权利要求1所述的器件，其中所述叠堆具有整体叠堆厚度，并且其中所述第一无源区的厚度大于所述整体叠堆厚度的50%。
28.根据权利要求1所述的器件，其中所述有源区具有有源区厚度，并且其中所述第一无源区的厚度大于所述有源区厚度。
29.根据权利要求1所述的器件，其与被构造成发射所述第一波长X1的光的电致发光器件相结合。
30.一种器件，其包括半导体层的叠堆，所述叠堆包括有源区，适于将第一波长X1的光转换成第二波长λ 2的光，所述有源区包括至少第一势阱；以及第一无源区，从所述叠堆的外表面延伸到所述有源区，所述第一无源区的特征在于其内传播的所述第一波长λ工的光基本上不转换成其他光；其中所述第一势阱为相对于所述叠堆的外表面的最近势阱，并且通过从所述外表面到所述第一势阱的最近势阱距离来表征；并且其中，所述叠堆还包括在其中形成的多个凹陷，所述多个凹陷从所述外表面延伸到所述第一无源区内，所述凹陷通过平均凹陷深度来表征，并且其中所述平均凹陷深度为所述最近势阱距离的至少50%。
31.根据权利要求30所述的器件，其中所述凹陷具有标称相同的深度。
32.根据权利要求30所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述最近势阱距离的至少 60%。
33.根据权利要求32所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述最近势阱距离的至少 70%。
34.根据权利要求33所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述最近势阱距离的至少 80%。
35.根据权利要求34所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述最近势阱距离的至少 90%。
36.根据权利要求30所述的器件，其中所述凹陷基本上不延伸到所述有源区内。
37.根据权利要求30所述的器件，其中所述叠堆沿基本上平行于参考平面的横向方向延伸，并且其中各个凹陷包括相对于所述参考平面成斜角倾斜的表面。
38.根据权利要求37所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有投影面积，并且其中所述投影面积的至少20%对应于以斜角倾斜的表面。
39.根据权利要求38所述的器件，其中所述投影面积的至少20%对应于以10度到80 度范围内的斜角倾斜的表面。
40.根据权利要求30所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少40%的堆积密度，所述堆积密度为当所述外表面在平面图中显示时由所述多个凹陷占据的面积百分比。
41.根据权利要求30所述的器件，其与被构造成发射所述第一波长X1的光的电致发光器件相结合。
42.一种多层半导体构造，其包括半导体层的叠堆，被构造用于吸收第一波长的光并且发射较长的第二波长的光，所述叠堆包括势阱；第一半导体层，吸收所述第一波长的光，并且具有折射率Ii1 ；和第二半导体层，具有折射率n2，并且包括用于从所述叠堆中提取所述第二波长的光的多个提取结构；其中n2等于或大于叫。
43.根据权利要求42所述的制品，其中对于所述叠堆中设置在所述第一和第二半导体层之间的任何层，该层具有不大于n2的折射率。
44.根据权利要求42所述的制品，其中所述叠堆包括设置在所述第一和第二半导体层之间的第三半导体层，并且其中所述第二半导体层具有第二带隙能量，且所述第三半导体层具有高于所述第二带隙能量的第三带隙能量。
45.根据权利要求42所述的制品，其中所述势阱和所述第一半导体层为所述叠堆的有源区的一部分，所述第一波长的光在所述叠堆的有源区内转换成所述第二波长的光，所述叠堆还具有无源区，所述无源区的特征在于其内传播的所述第一波长的光基本上不转换光，所述无源区包括所述第二半导体层并且具有无源区厚度；其中所述多个提取结构包括多个凹陷，所述多个凹陷通过平均凹陷深度来表征，并且其中所述平均凹陷深度为所述无源区厚度的至少50%。
46.根据权利要求42所述的制品，其中所述叠堆沿基本上平行于参考平面的横向方向延伸，其中所述多个提取结构包括多个凹陷，并且其中各个凹陷包括相对于所述参考平面成斜角倾斜的表面。
47.根据权利要求46所述的制品，其中各个凹陷在平面图中具有投影面积，并且其中所述投影面积的至少20%对应于以斜角倾斜的表面。
48.根据权利要求47所述的制品，其中所述投影面积的至少20%对应于以10度到80度范围内的斜角倾斜的表面。
49.根据权利要求46所述的制品，其中所述多个凹陷具有至少40%的堆积密度，所述堆积密度为当所述外表面在平面图中显示时由所述多个凹陷占据的面积百分比。
50.根据权利要求46所述的制品，其与被构造成发射所述第一波长的光的电致发光器件相结合。
全文摘要
本发明整体涉及固态半导体光源以及相关的器件、系统、和方法。半导体层叠堆(310)形成再发光半导体构造(RSC)。叠堆(310)包括将第一波长的光转换成第二波长的光的有源区(316)，有源区(316)包括至少一个势阱。叠堆(310)还包括从叠堆的外表面延伸到有源区的无源区(318)。凹陷(326)形成于叠堆(310)中，且凹陷(326)从外表面延伸到无源区(318)内。平均凹陷深度为无源区的厚度的至少50％。作为另外一种选择，平均凹陷深度为最近势阱距离的至少50％。本发明还公开了凹陷(326)的其他可供选择的特征。凹陷(326)可在平面图中具有至少40％的堆积密度。凹陷(326)的投影表面积的相当大一部分还可与倾斜表面相关。
文档编号H01L33/00GK102460741SQ201080030323
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年5月5日
发明者凯瑟琳·A·莱瑟达勒, 易亚沙, 杨朝晖, 特里·L·史密斯, 迈克尔·A·哈斯 申请人:3M创新有限公司