包括由光子晶体限定的阵列发射体的发光设备的制作方法

专利名称：包括由光子晶体限定的阵列发射体的发光设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括光子晶体(photonic crystal)的半导体发光设备。
背景技术：
包括发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔 激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器的半导体发光设备是当前可用 的最有效的光源。当前在制造能够横跨可见光谱工作的高亮度发光设 备中感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮 的二元、三元和四元合金，也被称为III族氮化物(III nitride)材 料。通常，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE) 或其它外延技术，在合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂浓度的多 个半导体层的叠层，来制造III族氮化物发光设备。该叠层通常包括 形成在衬底上的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、形成在所述n型 层上的发光或有源区、以及形成在该有源区上的掺杂有例如Mg的一个 或多个p型层。
LED的质量可以通过例如其辐射率(radiance)和其提取效率 (extraction efficiency )来表征，其中辐射率是发射设备每单位面 积特定方向上发射的功率，提取效率是从该设备提取的光子与发光区 中产生的光子的比率。提取效率受限于其它因素，发出的光子经过在 形成设备的p型、n型和发光区的高折射率半导体晶体的壁上的多次全 内反射。结果，发出的光子中的许多光子没有逃逸到自由空间中，从 而导致提取效率低下，通常小于30%。
授权 J. Joannopoulos等人的名称为 "Light Emitting Device Utilizing a Periodic Dielectric Structure " 的美国专利 No. 5， 955， 749描述了使用光子晶体来提高提取效率。通过形成穿过发 光二极管的各半导体层的孔(hole)的晶格(lattice)来产生光子晶 体。孔的晶格产生具有周期性改变的介电常数的介质，从而影响光通过介质传播的方式。如果选择了合适的晶格间隔，那么否则将通过全
内反射而被限制在该结构中的光现在可以逃逸出去，这增大了 LED的 提取效率。本领域中所需要的是有效的光子晶体设计。

发明内容
根据本发明的实施例，发光设备包括半导体结构，所述半导体结 构具有设置于n型区和p型区之间的发光区。半导体结构中的形成光 子晶体的多个孔被形成在与发光区的第一部分对应的半导体结构的第 一区中。与发光区的第二部分对应的半导体结构的第二区不包含光子 晶体，并且可以被第一区围绕。该设备被配置为使得，当被正向偏置 时，电流净皮注入第二区中，并且第一区基本无电流。因而，仅在第二 区中产生光，所述第二区不被光子晶体中断。将发光区的产生光的区 域与光子晶体分开可以避免由通过P-n结蚀刻光子晶体而引起的表面 复合。可以保持n型和p型区较薄，以降低光学模体积。该半导体结 构可以被反射接触所背靠(backed)，以将光从一侧导出。


图1示出了包括光子晶体的III族氮化物设备。
图2是根据本发明的实施例的光子晶体发光设备的一部分的剖面图。
图3是图2所示的设备的一部分的平面图。
图4是具有用于形成光子晶体和注入p型区的掩模的设备的一部 分的剖面图。
图5是图4的设备在蚀刻光子晶体和剥离(strip)掩模之后的剖 面图。
图6是图5的设备在沉积了接触材料之后的剖面图。 图7是图6的设备在接合到主体(host)并且去除生长衬底之后 的剖面图。
图8是图7的设备在将外延结构变薄且形成第二接触之后的剖面图。
图9是根据本发明的实施例的倒装芯片安装的光子晶体发光设备 的一部分的剖面图。图io是根据本发明的替换实施例的倒装芯片安装的光子晶体发光 设备的一部分的剖面图。
图11是倒装芯片安装在去除了生长村底的底座(mount)上的设 备的一部分的剖面图。
图12是图11的设备在蚀刻光子晶体结构之后的剖面图。
图13是图12的设备在注入p型区以形成非导电区之后的剖面图。
图14是已封装的发光设备的分解图。
图15A和15B是根据本发明的实施例的n接触的示例的平面图。 图16是提取效率作为发光区与设置于半导体结构底部的反射层之
间的距离的函数的曲线。
图17是对于数个半导体结构厚度，提取效率作为光子晶体晶格常
数的函数的曲线。
图18是提取效率作为光子晶体晶格常数的函数的曲线。
图19和20是两个准晶体(quasi-crystal )光子晶体结构的平面图。
图21是具有光子晶体和适合于横向氧化的半导体层的设备的一部 分的剖面图。
图22是图21的设备在氧化了外延结构中的多个层中的一个层之 后的一部分的剖面图。
图23是图22的设备在去除掩模和将结构接合到主衬底之后的剖 面图。
具体实施例方式
图1示出了 III族氮化物光子晶体LED (PXLED) 100，其在2002 年1月28曰提交的题为"LED Efficiency Using Photonic Crystal Structure"、公开号为2003/0141507的申请中有更详细的描述，将
该申请并入此处作为参考。
在图1的PXLED 100中，n型区108形成在可以是例如蓝宝石、SiC 或GaN的生长村底102上；有源区112形成在n型区108之上；p型区 116形成在有源区112之上。区108、 112和116中的每一个可以是单 层或者相同或不同组分、厚度或掺杂浓度的多个层。P型区116和有源 区112的一部分被蚀刻掉以暴露n型区108的一部分，然后p接触120被形成在p型区116上，n接触104被形成在n型区108的4皮暴露的部 分上。该设备可以被翻转，如图1所示，并且通过接触104和120连 接到底座(未示出)。
有源区112包括结区，在此处来自于n型区108的电子与p型区 116的空穴组合，并且理想地以光子的形式发射能量。有源区112可以 包括量子阱结构，以优化光子的产生。已经对许多不同的量子阱结构 进行了描述，例如，1997年联合出版社出版的G.B. Stringfellow和 M. George Craford的"High Brightness Light Emitting Diodes"。 图1的PXLED 100的光子晶体通过在LED中形成孔122-i的周期性结 构来产生。
图1所示的光子晶体设备和美国专利No. 5， 955， 749中描述的设备 可能具有几个缺点。例如，图1的设备中的光子晶体结构可以通过干 蚀刻到p型区中以形成孔的阵列来形成，所述孔的阵列形成了周期性 结构。特别是，p型III族氮化物材料的干蚀刻可能是有问题的，因为 蚀刻可能损坏晶体，引起氮空位，这产生了 n型施主。在图1的p型 区116中，n型施主的存在降低了空穴的浓度，并且在对晶体的严重损 坏的情况下，可能将区116的导电类型变为n型的，使得p-n结被破 坏并且该设备不能工作。同样，通过有源区中量子阱的蚀刻产生了表 面复合，潜在降低了设备的效率。
根据本发明的实施例，半导体发光设备包括具有光子晶体的一个 区域和不具有光子晶体的另一个区域。具有光子晶体的区域在该设备 中不是电活性的。这可以例如通过将不导电的物种(species)注入到 光子晶体区(如图4-8所示)、通过不接触光子晶体区、或者通过在 半导体结构内横向氧化一层(如图21-23所示)来实现，以使得电流
流过并因此使光仅在不具有光子晶体的区域中产生。这样的配置可以 避免由蚀刻光子晶体引起的半导体结构的损坏所致的任何效率损失。
图2是根据本发明的实施例的包括光子晶体的半导体发光设备的 一部分的剖面图。图2的设备包括外延结构，该外延结构包括发光区 28，所述发光区28设置在包括区27、 29和30的n型区与p型区24 之间。
形成n型区27、 29和30的半导体材料可以包括不同组分和掺杂 浓度的多个层，包括例如，预备层(preparat ion layer )(比如可以是n型的或非有意掺杂的成核(nucleation)层或緩冲层)、被设计 成便于释放生长衬底或在衬底去除之后使半导体结构变薄的释放层、 以及为了发光区有效发光所期望的特定光学或电学特性而设计的n型 设备层。与n型区类似，形成p型区24的半导体材料也可以包括不同
组分、厚度和掺杂浓度的多个层。
发光区28可以包括例如一个或多个厚或薄的发光层。合适的发光 区的示例包括单个发光层和多量子阱发光区，所述单个发光层的厚度 大于例如50埃，所述多量子阱发光区包括由阻挡层(barrier layer) 分开的多个薄量子阱发光层，每个的厚度在例如20和30埃之间。
n接触25电连接到n型区29，而p接触20电连接到p型区24。 p 接触20可以是反射性的(例如，大于75%的反射)，以最小化光损失 并且将光从设备的顶侧引导出去。与p型区24相邻的外延生长材料的 一部分22被制成是非导电的.光子晶体区形成在非导电区22的区域 中，所述光子晶体区通常是外延材料中孔26的周期性阵列。电流从n 接触25流进n型区29中，然后通过孔26附近的n型区30传导(spread) 到p型区24中。由于区域22是非导电的或者导电性非常差，因此电 流仅在p型区24中从p接触20流出。因而，电子和空穴可以仅在位 于n型区27和p型区24之间的发光区28的被称为发射体的一个或多 个部分中复合。光子晶体区允许光逃逸，否则这些光将被全内反射， 由此潜在地增加了发射体中发射的光的提取。可替换地，光子晶体区 反射在半导体结构内横向传播的光。光被限制在发射体中，在这里光 可以被有效提取。光可以从发射体、从光子晶体区或从这二者被提取。
图3是图2中的剖面图中所示的设备的一部分的平面图。光仅在n 型区27 (如图2所示)之下的发射体中被发出。在具有形成光子晶体 的孔26的区域中，非导电材料防止电流被注入到发光区中，因而没有 光从这些区域发出。光可以从具有形成光子晶体的孔26的区域以及从 其中没有形成孔的发射体提取。图3所示的晶格是三角形晶格。从三 角形晶格中略去四个孔以形成每个发射体。发射体的大小、形状和间 距可以不同于图3所示的并且可以是任意的。在其它实施例中，对于 每个发射体可以略去更多或更少的孔，诸如一个孔或七个孔。尽管发 射体可以具有任意形状，但是它们一般是紧凑的(compact),例如大 概是圆形或方形，直径或对角线在0. 15pm和3pm之间，更优选地在0. 3pm和0. 9卩m之间，并且更优选地在0. 35 m m和0. 7 jli m之间。可
替换地，发射体可以是长且窄的而不是紧凑的。发射体之间的间距一 般介于0. 3pm和10pm之间，更优选地介于0. 6 p m和3卩m之间，更 优选地介于0. 7pm和2.5ym之间。发射体之间的距离可以变化，使 得发射体不均匀地间隔开。可以使用除了三角形晶格之外的晶格，如 下所述。从这些晶格周期性地略去孔，以形成发射体，如图3所示对 于三角形晶格那样。
在发射体之间的区域中的光子晶体结构通常是外延结构的厚度的 周期性变化，具有交替的最大值和最小值。 一个示例是光栅(一维晶 格)或孔26的平面晶格(二维晶格)。晶格由晶格类型、孔的直径d、 测量最近的相邻孔的中心之间的距离的晶格常数a、孔深度w、和位于 孔中的电介质(通常为空气)的介电常数&来表征。
参数a、 d、 w、 eh,发射体的大小和形状以及发射体之间的距离因 而影响设备发射的辐射图案，并且可以被选择以提高从该设备的提取 效率。可替换地，当选择了合适的光子晶体和发射体参数时，发射的 光的辐射图案可以变窄，增加了 LED的辐射率。这在仅特定角度处的 光是有用的应用中是很有用的。在一个实施例中，选择光子晶体参数 以使得在相对于垂直设备表面的轴成45度角定义的出射锥(exit cone)中发出离开该设备的大于50%的辐射。
孔26可以被设置为形成三角形、方形、六边形、蜂窝或其它二维 晶格类型，包括准晶体，如图19和20所示。准晶体是位于方形131 和三角形132的重复图案的顶点的孔的图案。这样的重复图案通常被 称为阿基米德晶格(Archimedean lattice)或彭罗斯点阵(penrose tile)。准晶体的晶格常数a是重复图案中的三角形或方形的一边的 长度。在一些实施例中，不同的晶格类型被形成在设备的不同区域中。 孔26可以具有圆形、方形、六边形或其它截面。在一些实施例中，晶 格间距a介于大约0. l入和大约IO入之间，优选地介于大约0. 1A和大 约4入之间，其中入是由有源区发射的光在设备中的波长。在一些实施 例中，孔26可以具有介于大约0. la和大约0. 5a之间的直径d，其中 a是晶格常数。在一些实施例中，孔半径与晶格常数a的比率可以在从 0. 2到0.45的范围内。孔26可以充有空气，或充有介电常数为Sh (通 常介于大约1和大约16之间)的可选电介质。可能的电介质包括氧化硅。
发射体在横向方向(x-y方向)被光子晶体区围绕，在z方向被反 射性p接触20和空气围绕，从而在所有方向上产生谐振微腔。微腔可 以提供光的高级控制(superior control)。由于半导体结构变薄， 因此z方向上光学模(optical mode)体积减小。横向方向上的模体 积(fflodevolumn)，由围绕发射体的光子晶体和发射体的大小来控制。 由于模体积减小，所以可以在腔中限制较少的波导模式，从而增加了 光离开设备的可能性。光子晶体区或者帮助提取这些模式，或者将光 完全限制在发射体之内，在该发射体处，可以将光从设备提取出来。 光子晶体和发射体参数的适当选择可以最大化从设备的提取。
这里描述的设备中的一些设备的有限差分时域(FDTD)建模，在 具有由没有光子晶体的区域分开的光子晶体区的设备中比在具有连续 不中断的光子晶体的相同设备中，预测出更高的辐射率和更高的提取 效率。
FDTD建模还预测出，将设备的光产生区域与光子晶体分开降低了 提取效率和辐射率对发光区和反射接触之间的距离的敏感度，该敏感 度是^f艮难控制的。特别是，在从p型区中开始蚀刻光子晶体结构的设 备中，诸如图2和9所示的设备，对发光区的布置的敏感度很低。图 16是对于图2所示的设备，提取效率作为反射性p接触20和发光区 28之间的距离的函数的曲线。如图16所示，提取效率不会随着p接触 20和发光区28之间的距离的变化而显著变化。
此外，FDTD建模预测出，对于给定的设备设计，提取效率随着外 延结构的最厚部分的总厚度的减小而改善。图17是对于具有图2所示 的结构的设备，在不同外延结构厚度的情况下，提取效率作为光子晶 体晶格常数的函数的曲线。菱形代表具有大约240nm的外延结构厚度 的设备，方形代表具有大约288nm的外延结构厚度的设备，三角形代 表具有大约336nm的外延结构厚度的设备，x代表具有大约384nm的 外延结构厚度的设备，星号代表具有大约432nm的外延结构厚度的设 备，圆圏代表具有大约480nm的外延结构厚度的设备。如图17所示， 一般来说，不管晶格常数如何，提取效率随着外延结构厚度的减小而 改善。因而，在一些实施例中，外延结构被限制为不大于500nm的厚 度，更优选地不大于400nm的厚度，更优选地不大于300nm的厚度。随着外延结构的厚度的减小，电流能够传导的距离减小，特别是在接
触区域可能受限的n型区中。因而，具有较薄外延结构的设备可以比 具有较厚外延结构的设备需要n型接触金属的间距更接近。
此外，FDTD建模预测了最佳光子晶体晶格常数。图18是对于具有 图2所示的结构的设备，提取效率作为晶格常数的函数的曲线。如图 18所示，随着光子晶体晶格常数增大到200nm之上，在晶格常数为 300nm到400nm之间时，提取效率增加到峰值。因而，在一些实施例中， 光子晶体晶格常数在200到500nm之间，更优选地在300到400nm之 间。在图18所示的数据中，设备中发射体的大小是七个光子晶体孔。 一般来说，较大的发射体比较小的发射体对晶格常数更敏感。
图4-8示出了形成图2和3所示的设备的方法。在图4所示的局 部设备中，n型区34常规地生长在合适的生长衬底32上。发光区28 生长在n型区34上，接着是p型区24。在p型区24上沉积可以是例 如Si()2的掩模36，然后图案化(pattern)该掩模以形成开口 38，例 如使用高分辨率光刻技术，诸如电子束光刻、纳米压印(nano-imprint) 光刻、极端远紫外光刻、深X射线光刻、干涉光刻，热压(hot emboss ing ) 或微接触印刷(microcontact printing)。掩模开口 38之下的p型 半导体材料被注入例如氢，以形成非导电区22。在期望不被光子晶体 中断的区域中，所述注入不穿透掩模36。注入必须行进p型区24的深 度，以及光子晶体的孔之间的横向距离(近似(a-d)/2的距离)。各向 同性注入步骤的注入条件被选择为使得注入行进这两个距离之中的较 长的距离。注入可以行进深于图4所示的非导电区22的深度。
在图5中，外延结构被蚀刻以形成孔26的阵列，所述孔形成光子 晶体，所述蚀刻例如使用常规干蚀刻技术，诸如反应离子、感应耦合 等离子体、聚焦离子束、溅射蚀刻、电子回旋共振，或者化学辅助离 子束刻蚀。由干蚀刻引起的损坏可以通过随后的短湿化学蚀刻、退火、 及其组合或者其它表面钝化技术来减轻。仅在P型半导体层已被注入 以形成非导电材料22的情况下才形成孔26。然后通过适合于掩模的工 艺去掉(图4的)掩模36。作为对上述工艺的替换，可以首先蚀刻孔 26，然后可以对所述结构进行注入。除了蚀刻之外的技术可以被用于 形成孑L26， i者如夕卜延横向生长(epitaxial lateral overgrowth)。
在图6中，p接触20被形成在设备的表面上。p接触M—般是反射性材料，诸如以连续的片形成的银，如图6所示。p接触20可以通 过有角度的蒸镀(angled evaporation)来沉积，以避免将金属沉积 在孔26中。用于传导电流并且增大p接触20的反射率的可选导电氧 化物41可以例如通过蒸镀形成在外延结构的顶表面和p接触20之间， 所述可选导电氧化物41可以是例如氧化铟锡、Zn0: Ga或者In0: Ga。
在图7中，设备相对于图4、 5和6所示的取向翻转，并且例如通 过一个或多个金属或非金属接合层45连接到主衬底44。通过适合于衬 底材料的技术来去除生长村底32，例如对于蓝宝石衬底的激光熔融或 者对于SiC或合成衬底的蚀刻。去除生长衬底32暴露出外延结构的表 面，通常为n型区。
在图8中，可以可选地例如通过光电化学或干蚀刻来使得设备的 外延结构变薄，然后在n型区的暴露的顶表面上形成n接触25。光子 晶体可以或可以不穿透设备的顶表面。n接触25可以是不透明的、半 透明的或反射性的，因而n接触25的横向延伸被限制以最小化光的吸 收。n接触25—般设置于不具有光子晶体的区域中(如图8所示)和 非导电区22之上的区域中，因此在直接在n接触25之下的发光区的 部分中不产生光，因为直接在n接触之下产生的光有可能损失于接触 的吸收。图15A和15B是两种可能的n接触25的平面图。在图15A的 设备中，n接触25是数个相隔很近的金属线150。线150电连接到一 个或多个接合焊盘152，接合焊盘152可以是足够大的金属焊盘以通过 诸如引线接合将设备电连接到另一个结构。在图15B的设备中，n接触 25是以网格形成的数个相隔很近的金属线154。如果在图15A和15B 的设备中形成n接触25的金属线152和154是不透明的，则这些金属 线优选地被形成在设备的不产生光的光子晶体区之上，而不是形成在 发射体之上，在发射体之上，发出的光可能被吸收并且受损于不透明 金属线。可替换地，金属线152和154可以是透明的，或者如果半导 体结构的顶表面是平面的，则n接触25可以是覆盖顶表面的全部或者 接近全部的透明接触，以提供电流传导。典型地，接触被形成为使得 当设备被正向偏置时阵列中的所有发射体被激活；也就是说，发射体 的阵列中的各个发射体不能被独立地寻址。
图9示出了本发明的可替换实施例，其中外延结构作为倒装芯片 被安装。图9所示的设备与图2所示的设备的相似之处在于，通过在与p型区相邻的非导电区的表面处开始蚀刻来形成光子晶体。与图2 所示的形成在外延结构的相对侧的连续片状p接触20和n接触不同， 在图9的设备中，发光区28和p型区或非导电区的一部分^t去除以形 成通孔60，在该通孔中形成n接触52,以电连接到n型区29。 p接触 50和可选导电层51被中断以容纳n接触52。 n接触52和p接触50可 以通过介电层53和55而彼此电隔离，所述介电层可以是空气或固体 绝缘材料。
图9所示的外延结构被示出为安装在底座62上。底座62可以包 括电绝缘和热传导材料63，诸如陶瓷或半导体。p接触50通过p互连 57物理地且电气地连接到底座62。 n接触52通过n互连58物理地且 电气地连接到底座62。 P互连57和n互连58可以是例如焊料或金。 一个或多个导电通路66将p互连57电连接到底座62的底部上的p接 合焊盘64。 一个或多个导电通路67将n互连58电连接到底座62的底 部上的n接合焊盘65。
图9所示的设备可以被如下形成。在蚀刻光子晶体结构之后(如 图5所示)，去除非导电区22或p型区24、发光区28和n型区27、 29或30的一部分，以形成通孔60，如图6所示。在非导电区22和p 型区24的剩余部分上形成可选导电层50和p接触51。在通孔60中形 成n接触52。可以如图9所示地形成附加介电层和金属层。然后通过 将p接触50附接到p互连57以及将n接触52附接到n互连58来将 该结构安装在底座62上。然后如上所述地去除图5所示的生长衬底32。 在去除生长衬底之前，在倒装芯片式安装的设备上，可以在外延结构 和底座之间引入材料，以在生长衬底的去除期间支持外延结构并且防 止断裂。在去除生长衬底之后，可以可选地使得外延结构变薄，并且 可以可选地使得n型区的暴露表面具有紋理以提高光提取。
图21-23示出了形成设备的方法，其中通过横向氧化外延结构内 的半导体层来阻止电流进入光子晶体区。在图21所示的设备的部分中， 在生长衬底32上生长外延结构，所述外延结构包括n型区160、适合 于横向氧化的半导体层161 (其可以是例如AlInN)、以及夹在n型区 163和p型区165之间的发光区28。在外延结构之上形成p接触金属 20,接着是掩模167,然后该结构被图案化以形成光子晶体区中的孔 26和不具有光子晶体的发射体168。在图22中，层161的多个部分被氧化，形成由非导电的氧化物 部分164包围的导电部分161。AlInN氧化物部分164可以被如下形成 样本被放入pH为8. 5的氨三乙酸/氢氧化钾/水的溶液中。铂丝也被放 入该溶液中，并且在样本和铂丝之间建立偏置，以驱动AlInN层的氧 化。氧化物部分164阻止电流注入到设备的具有光子晶体孔26的区域 中。
在图23中，剥离掩模167，然后在p接触20上形成接触金属170。 可以在接触金属170上形成一个或多个可选接合层172，然后将该结构 经由形成在主衬底176上的一个或多个可选接合层174接合到主衬底 176上。然后可以去除村底32，可选地使得n型区160变薄和/或具有 紋理，以及在暴露的n型区上形成n接触，如图2所示。
图IO示出了本发明的可替换的倒装芯片实施例。与其中在p型区 的表面处开始蚀刻光子晶体结构的上述设备不同，图IO的设备的光子 晶体结构是通过在n型区的表面处开始蚀刻形成的。在n型区74的一
部分中形成构成光子晶体的孔76的阵列。n型区74的另一部分77不 被光子晶体中断。n型区74的这些未被中断的部分设置于p型区72之 上。p型区72被非导电材料71围绕，以使得电流仅在n型区74的未 被光子晶体中断的部分77中被注入到发光区73中。非导电材料区71 位于形成光子晶体的孔76的阵列之下。p型区70位于非导电材料区 71和p型区72之下。
在图10的设备中，n接触52形成在通孔中并且电连接到n型区 74的背面。p接触50电连接到p型区70。 p接触50和n接触52可以 通过介电层53和55彼此电隔离。半导体层被安装在底座62上，其可 以与上面参照图9所描述的底座相似。如图9所示，p互连57将p接 触50电气地且物理地连接到底座62，并且n互连58将n接触52电气 地且物理地连接到底座62。
图ll-13示出了形成图IO所示的设备的方法。首先，在合适的 生长衬底上生长常规的n型区74,然后是常规发光区73和常规p型区 70。穿过p型区70和发光区73蚀刻一个或多个通孔80，以暴露n型 区74的多个部分。在通孔中形成n接触52，其电连接到n型区74。 在p型区70的剩余部分上形成p接触50。然后将该设备相对于生长方 向翻转，并且安装在底座62上，如上面参照图9和10所述。如上所述地去除生长衬底，暴露n型区74的表面，在n型区74上设置掩模 层82，产生如图ll所示的设备。
通过考虑到(account for)晶片上各管芯高度的可能差异的工艺 来图案化掩模层82，例如通过柔性压印工艺(flexible stamp process),诸如波印制(wave printing)。然后蚀刻半导体层以形 成形成光子晶体的孔76的阵列，以及n型区74的不被孔76中断的发 射体区77，如图12所示。在图13中，例如用氢注入p型区70的部分 71，以使得它们变成非导电。非导电部分71设置于形成光子晶体的孔 76的阵列下面。非导电部分71围绕保持p型的部分72。电流仅被注 入到p型部分72附近的发光区73中，因而仅在发射体中产生光。在 注入非导电区71之后，可以通过适合于掩模材料的技术来剥离掩模 82,产生图IO所示的设备。
在上述实施例中，诸如波长转换层(比如一个或多个磷光体)的 结构或者本领域已知的二次光学元件(比如分色器(dichroic)或偏 振器)可以被应用于发射表面。发光区可以发射蓝光。波长转换层可 以被配置为吸收蓝光的至少一部分，并且发射较长波长的一种或多种 颜色的光，以使得未被转换的蓝光和波长转换后的光的合成光呈现白 色或单色，例如红色、蓝色或绿色。
上述设备可以具有几个优点。在不被光子晶体中断的发光区的部 分中产生光。因而，产生光的发射体在物理上与在其中从设备提取光 的光子晶体区分开。由于栽流子远离光子晶体复合，因此形成光子晶 体的孔可以延伸穿过有源区，以使得孔的深度占到了设备总厚度的高 百分比，这可以改善光子晶体的反射特性，潜在地导致光在发射体中 更高的限制度或者更高的提取效率。所述分开可以提供发光区的发射 光的部分中更高的光产生效率的益处，因为发光区的这些部分不会由 于蚀刻光子晶体而被损坏。此外，将设备的光产生区与光子晶体分开 允许在平面表面上形成电接触，这比接触紋理表面(例如光子晶体) 要容易的多，并且可以导致更可靠且鲁棒的接触。
图14是已封装的发光设备的分解图，在美国专利6, 274, 924中有 更详细的描述。散热块(heat-sinking slug) 200被放入到插入-模制 (insert-molded)引线框中。插入-模制引线框例如是在提供电通路的 金属框206周围模制的填充塑料材料205。块200可以包括可选反射体杯202。可以是上面实施例中描述的设备中的任意一种的发光设备管芯 204经由导热底座203直接或间接地安装到块200。可以增加可以是光 学透镜的盖208。
虽然详细地描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在给 定本公开的情况下，在不脱离这里描述的发明构思的精神的情况下， 可以对本发明做出修改。例如，虽然上面的示例描述了 III族氮化物 设备，但是本发明的实施例可以被形成在由其它材料系统形成的设备 中。因此，本发明的范围不意欲受限于所示出和描述的特定实施例。
权利要求
1、一种设备，包括包括设置于n型区和p型区之间的发光区的结构；和设置于所述结构的底表面的至少一部分上的反射体，其中在所述结构的与所述发光区的第一部分对应的第一区中形成所述结构中的多个孔；所述结构的多个第二区是无孔的，每个第二区与所述发光区的第二部分对应；所述第二区的每一个被所述第一区围绕；并且所述设备配置为，当被正向偏置时，电流被注入所述第二区中，而所述第一区基本无电流。
2、 如权利要求l所述的设备，其中，从所述结构提取的大部分光 是从所述第一区发出的。
3、 如权利要求l所述的设备，其中，从所述结构提取的大部分光 是从所述多个第二区发出的。
4、 如权利要求l所述的设备，其中，从所述结构提取的光是从所 述第一区和所述多个第二区这两者发出的。
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6、 如权利要求l所述的设备，其中，从所述结构提取的大部分光 通过所述结构的顶表面被提取。
7、 如权利要求l所述的设备，其中，所述多个孔形成包括折射率 的周期性变化的光子晶体。
8、 如权利要求l所述的设备，其中，所述结构的第一区包括非导 电层。
9、 如权利要求8所述的设备，其中，所述非导电层包括注入层或 氧化物层。
10、 如权利要求l所述的设备，其中，所述结构包括III族氮化物 半导体结构。
11、 如权利要求l所述的设备，其中，所述孔延伸到发光区中。
12、 如权利要求l所述的设备，其中，所述孔延伸到所述n型区中
13、 如权利要求l所述的设备，其中，所述孔延伸到所述p型区中
14、 如权利要求l所述的设备，其中，所述孔延伸穿过所述结构的 整个厚度。
15、 如权利要求l所述的设备，其中，所述孔的开口设置于所述结 构的顶表面中，并且所述孔朝向所述结构的底表面延伸。
16、 如权利要求l所述的设备，其中，所述孔的开口设置于所述结 构的底表面中，并且所述孔朝向所述结构的顶表面延伸。
17、 如权利要求l所述的设备，其中，所述反射体包括银。
18、 如权利要求l所述的设备，其中，所述反射体是电连接到所述 p型区的第一接触，所述设备还包括电连接到接近所述结构的顶表面的 n型区的第二接触。
19、 如权利要求18所述的设备，还包括设置于所述第一和第二接 触之一与所述结构之间的导电氧化物。
20、 如权利要求19所述的设备，其中，所述导电氧化物是氧化铟 锡、In0: Ga和ZnO: Ga之一。
21、 如权利要求l所述的设备，其中，所述反射体是电连接到所述 p型区的第 一接触，所述设备还包括电连接到所述n型区的第二接触， 其中所述第二接触设置于在所述结构的底表面中形成的通孔中。
22、 如权利要求21所述的设备，其中，所述多个孔设置为接近所 述结构的底表面。
23、 如权利要求21所述的设备，其中，所述多个孔设置为接近所 述结构的顶表面。
24、 如权利要求l所述的设备，其中，所述第二区中的至少一个具 有O. 15y m和3iJ m之间的横向伸展。
25、 如权利要求l所述的设备，其中，所述多个第二区的每一个与 其最近的相邻第二区的间距在O. m和10y m之间。
26、 如权利要求1所述的设备，其中，所述结构的最大厚度小于 500訓。
27、 如权利要求l所述的设备，其中，所述多个孔形成在具有200nm 和500nm之间的晶格常数的晶格中。
28、 如权利要求l所述的设备，其中，所述多个孔形成在晶格中， 其中所述晶格是三角形、方形、六边形、蜂窝和准晶体中的一个。
29、 如权利要求l所述的设备，其中，所述多个孔形成在具有晶格 常数的晶格中；以及至少一个孔的半径与所述晶格常数的比率在O. 2到0. 45的范围内。
30、 如权利要求l所述的设备，还包括电连接到所述n型区和p型 区的引线；和设置于所述结构之上的盖。
31、 如权利要求l所述的设备，还包括设置于从所述结构提取的光 的路径中的波长转换材料。
32、 如权利要求31所述的设备，其中当被正向偏置时，所述发 光区发射第一波长的光；所述波长转换材料配置为吸收所述第一波长 的光的至少一部分并且发射至少一个第二波长的光；并且包括所述第 一波长的光和所述第二波长的光的合成光呈现白色。
33、 如权利要求31所述的设备，其中当被正向偏置时，所述发 光区发射第一波长的光；所述波长转换材料配置为吸收所述第一波长 的光的至少一部分并且发射第二波长的光；并且在经过所述波长转换 材料之后，从所述设备逃逸的光呈现所述第二波长的颜色。
34、 如权利要求33所述的设备，其中，所述第二波长是红色、绿 色或蓝色。
35、 如权利要求l所述的设备，还包括电连接到所述n型区的第一 接触和电连接到所述p型区的第二接触，其中所述第一和第二接触配置 为，当被正向偏置时，电流被注入到所述第二区的每一个中。
全文摘要
一种发光设备，包括具有位于n型区和p型区之间的发光区的结构。在所述结构的与发光区的第一部分对应的第一区中形成所述结构中的多个孔，所述多个孔形成光子晶体。所述结构的与所述发光区的第二部分对应的第二区是无孔的。所述设备被配置为使得，当被正向偏置时，电流被注入所述第二区中，并且所述第一区基本无电流。
文档编号H01L33/00GK101523623SQ200780036900
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月27日 优先权日2006年10月2日
发明者J·小韦勒, M·M·西加拉斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司