ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СО СТРУКТУРАМИ ВЫВОДА СВЕТА Российский патент 2013 года по МПК H01L33/22 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Полупроводниковые светоизлучающие устройства, в том числе светоизлучающие диоды (СИД, LED), светоизлучающие диоды с объемным резонатором, лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSEL) и лазеры краевого излучения находятся среди наиболее эффективных источников света, имеющихся в распоряжении в настоящее время. Системы материалов, интересные в производстве светоизлучающих устройств высокой яркости, способных к работе по всему видимому спектру, включают в себя полупроводники группы III-V, более точно, двойной, тройной и четвертной сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также указываемые ссылкой как материалы III-нитрида. Типично III-нитридные светоизлучающие устройства изготавливаются эпитаксиальным выращиванием стопы полупроводниковых слоев разных составов и концентраций активирующих присадок на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде или другой пригодной подложке химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD), эпитаксией молекулярным пучком (MBE) или другими эпитаксиальными технологиями. Стопа часто включает в себя один или более слоев n-типа, например, активированных Si, сформированных поверх подложки, один или более светоизлучающих слоев в активной области, сформированной поверх слоя или слоев n-типа, и один или более слоев p-типа, например, активированных Mg, сформированных поверх активной области. Электрические контакты формируются в областях n- и p-типа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с вариантами осуществления изобретения, в светоизлучающее устройство включены структуры, которые могут увеличивать вывод света, испускаемого под углами падения скольжения. Светоизлучающее устройство, например, может быть III-нитридным тонкопленочным светоизлучающим диодом с перевернутым кристаллом.

В некоторых вариантах осуществления, устройство включает в себя структуру, которая направляет свет от металлических контактов посредством полного внутреннего отражения. Например, устройство может включать в себя полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающий слой, расположенный между областью n-типа и областью p-типа. Отражательный металлический контакт расположен на нижней стороне полупроводниковой структуры и электрически присоединен к области p-типа. Материал с низким показателем расположен между по меньшей мере частью отражательного металлического контакта и областью p-типа. Разность в показателе преломления между материалом с низким показателем и областью p-типа и толщина слоя с низким показателем выбраны, чтобы обеспечивать полное внутреннее отражение света с углами скольжения. Например, разность между показателем преломления у материала с низким показателем и показателем преломления у области p-типа может быть по меньшей мере 0,4. Поверхность раздела между полупроводниковой структурой и материалом с низким показателем сконфигурирована, чтобы эффективно отражать свет, падающий на поверхность раздела под углами скольжения, то есть, под углами, большими, чем 70°, относительно перпендикуляра к основной плоскости светоизлучающего слоя.

В некоторых вариантах осуществления, устройство включает в себя признаки вывода, которые могут непосредственно выводить свет с углами скольжения, или направлять свет с углами скольжения на меньшие углы падения, которые легче выводятся из устройства. Например, признаки могут быть объемными резонаторами в полупроводниковой структуре, которая тянется с верхней или нижней поверхности полупроводниковой структуры. Объемные резонаторы могут иметь боковые стенки, ориентированные под углом между 35 и 55° относительно основной поверхности светоизлучающего слоя. Боковые стенки объемных резонаторов могут быть полностью или частично облицованы диэлектрическим материалом. Объемные резонаторы могут быть заполнены металлом. В некоторых вариантах осуществления, металл создает электрический контакт с областью n-типа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует III-нитридное тонкопленочное светоизлучающее устройство с перевернутым кристаллом.

Фиг.2 иллюстрирует III-нитридное устройство со световым кристаллом, сформированным на верхней поверхности.

Фиг.3 иллюстрирует устройство с непроводящим слоем с низким показателем, расположенным между полупроводниковой структурой и металлическим контактом.

Фиг.4 иллюстрирует устройство с проводящим слоем с низким показателем, расположенным между полупроводниковой структурой и металлическим контактом.

Фиг.5 иллюстрирует устройство с окисленным слоем с низким показателем, сформированным в части полупроводниковой структуры.

Фиг.6 иллюстрирует устройство, включающее в себя признаки вывода света, которые тянутся в полупроводниковую структуру с поверхности, на которой сформирован p-контакт.

Фиг.7 иллюстрирует устройство, включающее в себя признаки вывода света, которые тянутся в полупроводниковую структуру от поверхности, с которой свет выходит из устройства.

Фиг.8 - график вывода в качестве функции угла падения, который иллюстрирует эффективность однопроходного вывода для плоской волны, падающей на световой кристалл GaN/воздух (чей период и глубина имеют порядок длины волны).

Фиг.9 - график вывода в качестве функции угла падения, который иллюстрирует однопроходное зеркальное отражение (например, порцию света, которая подвергается обратному рассеянию с таким же углом, как ее угол падения) для такой же структуры, как Фиг.8.

Фиг.10 - график отражающей способности в качестве функции угла падения для устройства с областью p-типа из GaN, слоем с низким показателем из SiO₂ и контактом из Ag, для трех разных толщин SiO₂.

Фиг.11 иллюстрирует устройство, включающее в себя признаки вывода света, покрытые тонким диэлектрическим слоем и заполненные металлом.

Фиг.12 иллюстрирует устройство, включающее в себя признаки вывода света, которые частично покрыты диэлектрическим слоем и также служат в качестве n-контактов.

Фиг.13 - вид сверху компоновки признаков вывода света и n-контактов в устройстве.

Фиг.14A и 14B иллюстрируют световые лучи, падающие на поверхность раздела GaN/материала с низким показателем/металла. Фиг.14A показывает два луча, распространяющихся в тонком слое с низким показателем. Фиг.14B показывает луч, распространяющийся в толстом слое с низким показателем.

Фиг.15 иллюстрирует отражающую способность в качестве функции угла падения и толщины t слоя SiO₂ для структуры GaN/SiO₂/Ag.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг.1 иллюстрирует III-нитридный тонкопленочный СИД с перевернутым кристаллом, более подробно описаны в патенте 7256483 США, который включен в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Слои 16 n-типа, активный слой 18 и слои 20 p-типа выращиваются поверх любой пригодной подложки, например, такой как сапфир или SiC. Поверхность p-слоя является сильно активированной для формирования омического контакта со слоем 24 металлизации кристалла (например, Ag). Металлизация 24 может быть высокоотражательной по отношению к свету, испускаемому активным слоем. части p-слоя 20 и активного слоя 18 вытравлены во время процесса формирования СИД, и металл 50 (слой металлизации плюс связующий металл) соприкасается с n-слоем 16 на той же стороне устройства, что и металл 24 p-контакта.

n-металл 50 и p-металл 24 присоединены к площадкам 22 на подложке 12 корпуса. Незаполненный материал 52 может быть размещен в полостях под СИД для создания температурных градиентов на СИД, чтобы добавлять механической прочности креплению и чтобы предохранять загрязняющие вещества от соприкосновения с материалом СИД. Технологией соединения может быть пайка, термокомпрессионная сварка, взаимная диффузия или матрица золотых контактных выпуклостей, присоединенная ультразвуковой сваркой. Комбинация металлизации кристалла и связующего материала показана в качестве металлов 24 и 50, и может включать в себя диффузионный барьер или другие слои для защиты оптических свойств слоя металлизации, смежного полупроводниковому материалу. Подложка 12 корпуса может быть сформирована из электрически изолирующего материала AlN, с золотыми контактными площадками 22, присоединенными к припаиваемым электродам 26 с использованием переходных отверстий 28 и/или металлических дорожек. В качестве альтернативы, подложка 12 корпуса может быть сформирована из проводящего материала, если пассивирован для предотвращения короткого замыкания, такого как анодированный AlSiC. Подложка 12 корпуса может быть теплопроводящей, чтобы действовать в качестве радиатора или чтобы отводить тепло на больший радиатор.

Ростовая подложка может удаляться с использованием эксимерного лазерного пучка. Лазерный пучок расплавляет материал GaN на его поверхности раздела с ростовой подложкой, предоставляя ростовой подложке возможность затем вспучиваться. В качестве альтернативы, ростовая подложка может удаляться травлением, таким как RIE-травление (реактивное ионное травление), технологиями вспучивания, такими как вытравливание слоя между ростовой подложкой и слоями СИД, либо пришлифовыванием.

Подвергнутый воздействию относительно толстый слой 16 GaN по выбору утончается травлением с использованием сухого травления, такого как RIE. В одном из примеров, толщина слоя 16 GaN, являющегося вытравливаемым, имеет значение 7 мкм, и травление уменьшает толщину слоя 16 GaN до приблизительно 1 мкм. Если начальная толщина всех эпитаксиальных слоев СИД имеет значение 9 мкм, в этом случае, травление заставляет суммарную толщину слоев СИД быть 3 мкм. Суммарная толщина полупроводниковой структуры в готовом устройстве может быть 10 мкм или меньше в некоторых вариантах осуществления, 5 мкм или меньше в некоторых вариантах осуществления, 2 мкм или меньше в некоторых вариантах осуществления и 1 мкм или меньше в некоторых вариантах осуществления. Процесс утончения устраняет повреждение, вызванное процессом лазерного вспучивания, и уменьшает толщину оптически поглощающих слоев, которые больше не нужны, таких как низкотемпературный слой образования центров кристаллизации GaN и прилегающие слои. Весь или часть слоя покрытия n-типа, прилегающего к активной области, оставляется нетронутой.

Верхняя поверхность СИД (n-слой 16) текстурирована для повышенного вывода света. В одном из вариантов осуществления, слой 16 вытравливается фотоэлектрохимическим образом с использованием раствора 46 KOH. Это формирует «бесцветную» шероховатость на поверхности GaN (имеющую активирование Si n-типа). Этот процесс травления также может использоваться для дополнительного утончения n-слоя 16 останавливаться при предопределенной толщине с использованием слоя остановки травления, выращенного во время процесса формирования СИД, оставляя гладкую поверхность. Этот последний подход полезен для конструкций резонансных устройств. Что касается таких устройств, зеркальная стопа (например, брэгговский отражатель) далее может наноситься поверх поверхности СИД. Дополнительные технологии вывода света могли бы включать в себя травление с формированием рисунка микронной или нанометрической градации (луночный или световой кристалл).

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.1, вообще, характеристический размер текстурирования поверхности на поверхности с беспорядочным текстурированием или с упорядоченным текстурированием находится порядка одной длины волны света, испускаемого активной областью. Рабочие характеристики таких устройств зависят от относительной эффективности процесса вывода света и процесса поглощения в устройстве, такого как поглощение активной областью и металлическими контактами. Процессы поглощения типично достигают нескольких процентов (от 1 до 10%) за отражение. Вывод света из устройства является эффективным, если скорость вывода света за отражение является более интенсивной, чем скорость поглощения за отражение.

Вывод света из текстурированной поверхности может сильно зависеть от угла падения света. Свет, падающий на поверхность под малыми углами относительно перпендикуляра к верхней поверхности, показанный на Фиг.2 в качестве света 30, легко выводится. Свет, падающий на поверхность под большими углами относительно перпендикуляра к верхней поверхности, в материалах настоящей заявки указываемый ссылкой как свет с углами скольжения, показанный на Фиг.2 в качестве света 32, более труден для вывода. Большая часть света с углами скольжения отражается обратно в СИД, зеркальным отражением или обратным рассеянием, как проиллюстрировано на Фиг.2. Отраженный свет восприимчив к поглощению. Эффективность вывода света с углами скольжения, например, падающего в диапазоне углов между 70 и 90° относительно перпендикуляра к верхней поверхности устройства, имеет значение всего лишь в несколько процентов. Это проиллюстрировано на Фиг.8, которая показывает однопроходной вывод для плоской волны, падающей на световой кристалл, в зависимости от угла (0° - перпендикуляр к плоскости поверхности вывода света, то есть, верхней поверхности области 16 n-типа). При больших углах (косых углах), вывод является меньшим, чем при малых углах, таким образом, требуя большего количества отражений для вывода.

Свет, который подвергается обратному рассеянию под углами скольжения, главным образом, подвергается зеркальному отражению (в противоположность диффузному рассеянию) и сохраняет тот же самый угол падения. Это проиллюстрировано на Фиг.9, которая показывает однопроходное зеркальное отражение в зависимости от угла (0° - перпендикуляр к плоскости поверхности вывода света) для такой же структуры, как Фиг.8. Под углами скольжения, большая доля света подвергается зеркальному отражению. Текстурированная поверхность, поэтому, не является хорошим механизмом для преобразования света с углами скольжения в свет, распространяющийся под малыми углами, который легче выводится. Поскольку свет, испускаемый под углами скольжения падения, представляет значительную часть света, испускаемого устройством (около 40% в некоторых устройствах) желательно выводить свет с углами скольжения, для того чтобы улучшать эффективность вывода устройства. Хотя результаты, проиллюстрированные на Фиг.8 и 9, рассчитывались для конкретной геометрии верхней поверхности со сформированным рисунком устройства, тенденции, которые они иллюстрируют (то есть недостаточный вывод и большое обратное рассеяние под углами скольжения), остаются в силе для многообразия геометрий рельефной поверхности.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения, в III-нитридное тонкопленочное светоизлучающее устройство с перевернутым кристаллом включены структуры, которые могут увеличивать вывод света, испускаемого под углами скольжения падения. В некоторых вариантах осуществления, устройство включает в себя структуру, которая направляет свет от металлических контактов посредством полного внутреннего отражения. В некоторых вариантах осуществления, устройство включает в себя признаки вывода в пределах полупроводниковой структуры, которые могут непосредственно выводить свет с углами скольжения, или направлять свет с углами скольжения на меньшие углы падения, которые легче выводятся из устройства.

Фиг.3 и 4 иллюстрируют устройства со слоем низкого показателя преломления, расположенным между по меньшей мере частью полупроводниковой структуры и металлическим p-контактом. В обоих устройствах, проиллюстрированных на Фиг.3 и 4, слой с низким показателем предпочтительно вызывает небольшие или никакие оптические потери. В некоторых вариантах осуществления, область p-типа, слой с низким показателем и p-контакт сконфигурированы, из условия чтобы комбинированная отражающая способность слоя с низким показателем и металла отражательного p-контакта в области p-типа была большей, чем отражающая способность металла отражательного p-контакта только в области p-типа.

Добавление слоя с низким показателем может улучшать отражающую способность контакта. Тип слоя с низким показателем и его толщина выбираются, из условия чтобы полное отражение света под полезными углами доводилось до максимума, имея следствием отражение, которое является превосходным по отношению к отражательному металлическому контакту без слоя с низким показателем. Фиг.14A и 14B иллюстрируют, каким образом свет под разными углами отражается от отражательного контакта со слоем с низким показателем/металлом. Луч 66 по Фиг.14A имеет угол падения, который является меньшим, чем критический угол θ_C между GaN 20 (n=n_GaN) и слоем 36, 40 с низким показателем (n=n_low), заданный формулой θ_C = Sin^-1(n_low/n_GaN). Малая часть луча 66 способна отражаться непосредственно от слоя 36, 40 с низким показателем без потерь. Большая часть луча 66 пронизывает слой 36, 40 с низким показателем и отражается от металла 24. Что касается луча 66, потери за полный обход в слое 36, 40 с низким показателем (то есть, потери, когда свет проходит через слой с низким показателем, отражается от металлического слоя, затем, проходит обратно через слой с низким показателем) предпочтительно являются не большими, чем потери луча, отражающегося непосредственно от металлического слоя 24 из полупроводниковой структуры 20 (без промежуточного слоя с низким показателем). Эти потери определяют максимальную толщину для слоя с низким показателем - которая зависит от поглощения в слое с низким показателем - из условия чтобы отражающая способность полупроводника/слоя с низким показателем/металлического отражателя, была лучшей, чем отражающая способность полупроводника/металлического отражателя.

Луч 70 по Фиг.14B также находится в пределах критического угла, но слой 36, 40 с низким показателем является более толстым, а некоторые лучи могут резонансно захватываться в слое, который увеличивает их поглощение (металлом 24 или слоем 36, 40 с низким показателем). Этот эффект может понижать эффективную отражающую способность контакта, если показатели и толщины полупроводника 20, слоя 36, 40 с низким показателем и металлического слоя 24 не выбраны надлежащим образом. Поведение лучей 66 и 70 показано на Фиг.10 для слоя с низким показателем из SiO₂. Фиг.10 - график отражающей способности в качестве функции угла падения для устройства с областью 20 p-типа из GaN, слоем 36 с низким показателем из SiO₂ и контактом 24 из Ag. Три толщины SiO₂ показаны на Фиг.10, 0 нм (то есть, слоя с низким показателем нет), 70 нм и 400 нм. Для тонкого слоя SiO₂ (70 нм), нет резонансов ниже критического угла (<40°), и отражающая способность является гладкой функцией угла. Отражающая способность является более высокой, чем только для Ag. Для более толстого слоя SiO₂ (400 нм), есть два резонанса ниже критического угла, где свет захватывается в SiO₂ и отражающая способность страдает. Чтобы избежать этих резонансов, толщине слоя с низким показателем необходимо быть меньшей, чем толщина в половину длины волны в слое с низким показателем (с учетом фазового сдвига зеркала). Для большинства вариантов осуществления, толщина диэлектрического слоя является достаточно тонкой, чтобы избегать резонансов, например, меньшей, чем 100 нм. В других вариантах осуществления, диэлектрик является тонким и может поддерживать резонансы, но толщина полупроводниковых слоев выбирается, чтобы минимизировать или устранить испускание света под этими неблагоприятными углами.

Луч 68 по Фиг.14A показывает ситуацию, где угол падения является большим, чем критический угол, вызывая полное внутреннее отражение этого света с углами скольжения. Уменьшение количества света, который является падающим на металлический контакт посредством направления света в сторону посредством полного внутреннего отражения, увеличивает отражающую способность контакта под углами, большими, чем критический угол. Есть минимальная толщина для слоя с низким показателем, такая что может достигаться максимум отражающей способности. Выше угла для полного внутреннего отражения, свет является нераспространяющейся волной в слое с низким показателем, с экспоненциальной длиной затухания L_decay=λ/[2π√(n_GaN ²sin²θ - n_low ²)] - где λ - длина волны (в вакууме), θ - угол света, а n_GaN и n_low - оптические показатели p-материала и слоя с низким показателем, соответственно. Свет не испытывает зеркальных потерь, если толщина слоя с низким показателем достаточно велика по сравнению с L_decay. Обычно, L_decay ~ 40-80 нм в зависимости от значения θ и n_low. В некоторых вариантах осуществления, толщина слоя с низким показателем является по меньшей мере удвоенной L_decay. В других вариантах осуществления, толщина имеет значение по меньшей мере L_decay.

Эффективность вывода устройства улучшается посредством улучшения любой или обеих, отражающей способности света, идущего по углами падения, меньшими, чем критический угол (лучи 66 и 70 на Фиг.14A и 14B, приведенных выше), или большими, чем критический угол (луч 68 на Фиг.14A, приведенной выше). Фиг.15 обобщает результаты, описанные выше, в случае структуры GaN/SiO₂/Ag. Для толщины t < 100 нм SiO₂, нет резонансов, и отражающая способность везде возрастает в зависимости от t. Для большего t, появляются резонансы и уменьшают отражающую способность при некоторых углах. Два варианта осуществления представлены двумя пунктирными линиями, соответствующими t = 100 нм и t = 200 нм. Эти толщины соответствуют отсутствию резонанса и одного резонанса в слое SiO₂, соответственно, и оба обеспечивают очень высокую отражающую способность (> 99,9% для углов, больших, чем 50°).

Полупроводниковый материал на поверхности раздела со слоем с низким показателем типично является GaN p-типа, который имеет показатель преломления приблизительно 2,4. В некоторых вариантах осуществления, слой с низким показателем имеет показатель, n, преломления в 2 или меньший, более предпочтительно, 1,7 или меньший. Имея показатель 2 или меньший для слоя с низким показателем, критический угол ограничивается не большим, чем ~55°. Поэтому, весь свет под углами, большими, чем критический угол, подвергается полному внутреннему отражению с максимальной отражающей способностью. Это включает в себя свет с углами скольжения - который наиболее труден для вывода, как показано на Фиг.8. Слою с низким показателем необходимо быть толстым только настолько, насколько требуется, чтобы вызывать полное внутреннее отражение света с углами скольжения.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.3, области 36 непроводящего слоя с низким показателем, расположены между областью 20 p-типа и p-контактом 24. Примеры подходящих слоев с низким показателем включают в себя диэлектрики, такие как SiO₂ (n = 1,5), SiN, TiO₂ или Al₂O₃, и полупроводники, такие как ZnO. Диэлектрический слой с низким показателем должен быть достаточно толстым, чтобы обеспечивать отражение скользящего света (как описано выше); например, по меньшей мере 80 нм. В некоторых вариантах осуществления, диэлектрический слой с низким показателем является достаточно тонким, чтобы избегать резонансов, как описано выше, например, меньшим, чем 100 нм, или достаточно тонким, чтобы поддерживать только один резонанс, например, меньшим, чем 250 нм. В других вариантах осуществления, слой с низким показателем является более толстым и поддерживает резонансы, но толщина полупроводниковой структуры настраивается, чтобы избегать испускания света под углами, соответствующими резонансам, поддерживаемым слоем с низким показателем. В некоторых вариантах осуществления, отражающая способность света, падающего под меньшим, чем критический, углом, является большей, чем 95%. В некоторых вариантах осуществления, отражающая способность света, падающего под большим, чем критический, углом, является большей, чем 98%.

Диэлектрический слой с низким показателем может быть наложен на поверхность области 20 p-типа и подвергнут формированию рисунка перед формированием p-контакта 24. Полупроводниковый слой с низким показателем может быть выращен или нанесен на поверхности области 20 p-типа. Ток накачивается в полупроводниковую структуру в зазорах 38 между областями материала с низким показателем, где p-контакт 24 находится в непосредственном соприкосновении с областью 20 p-типа. Зазоры 38 достаточно велики и разнесены достаточно близко друг к другу, чтобы ток распространялся в области 20 p-типа из участков в соприкосновении с p-контактом 24 в участки, экранированные от p-контакта материалом 36 с низким показателем. Распространение тока в GaN p-типа является затруднительным, так как его удельное сопротивление является высоким, ~ 1 Ом/см. Чтобы контакту быть эффективным, зазорам необходимо быть достаточно близкими друг к другу, так что ток может распространяться под непроводящим слоем с низким показателем. Слои GaN p-типа в III-нитридных СИД имеют тенденцию быть тонкими (например, меньшими, чем 0,5 мкм), что также ограничивает возможности распространения тока у слоя. В некоторых вариантах осуществления, зазоры 38 могут быть по меньшей мере 100 нм в ширину и разнесенными менее чем на 2 мкм в некоторых устройствах, менее чем на 0,5 мкм в некоторых устройствах. Вообще, отношение площади зазоров к общей площади контакта удерживается низким для высокой отражающей способности, но достаточно высоким, чтобы обеспечивать эффективное распространение тока. В некоторых вариантах осуществления слой с низким показателем покрывает 50% или более от общей площади поверхности области p-типа. Проемы 38 в слое с низким показателем, например, могут быть сформированы технологиями оттиска, голографии или повторительной/сканирующей литографии.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.3, и других устройствах, описанных в материалах настоящей заявки, ростовая подложка может удаляться из устройства. В вариантах осуществления, где ростовая подложка удаляется, верхняя поверхность 34 устройства, подвергнутая воздействию удалением подложки, может делаться беспорядочно шероховатой или может подвергаться формированию рисунка, например, со световым кристаллом. В некоторых вариантах осуществления, рисунок зазоров 38 может быть организован периодическим образом для увеличения или дополнения эффекта вывода света светового кристалла, сформированного на верхней поверхности. Например, параметры рисунка зазоров 38 (такие как тип кристаллической или квазикристаллической решетки, шаг, коэффициент заполнения, глубина и форма зазоров) могут настраиваться, чтобы выводить свет, который не выводится как следует световым кристаллом, сформированным на верхней поверхности 34. К тому же, параметры могут настраиваться, чтобы улучшать направленность этого выведенного света, так что он добавляется к направленному выводу света светового кристалла. В одном из вариантов осуществления, шаг и тип решетки рисунка зазоров 38 являются такими же, как у светового кристалла, например, шаг находится порядка от 200 до 600 нм.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.4, проводящий слой 40 с низким показателем расположен между областью 20 p-типа и p-контактом 24. Так как слой 40 с низким показателем является проводящим, полная поверхность раздела между областью 20 p-типа и p-контактом 24 могут быть покрыты слоем 40 с низким показателем. Слой с низким показателем также создает хороший контакт со слоем 20 p-типа. Удельное сопротивление контакта предпочтительно имеет значение 1×10^-2 Ом/см² или меньшее.

В некоторых вариантах осуществления, слой 40 с низким показателем является активированным оксидом, таким как оксиды индия и олова (ITO, n = 1,5), InO, ZnO, Ga_xO_y или CuO. Оксид может быть p-активированным или n-активированным, в каком случае, может использоваться туннельный переход в область p-типа. В некоторых вариантах осуществления, активирующая присадка является одной из составляющих оксида (таким как олово в ITO); в других, активирующая присадка является дополнительным элементом (таким как P для ZnO p-типа). Концентрация активирующей присадки достаточно высока, чтобы обеспечивать низкое сопротивление контакта и надлежащую электрическую накачку, но достаточно низка, чтобы избегать оптического поглощения. Например, количество олова в слое ITO может меняться между 0 и 10%.

В некоторых вариантах осуществления, тонкий слой другого материала (например, несколько ангстрем металла, такого как Ni) размещается между полупроводниковой структурой и слоем 40 с низким показателем, чтобы улучшать адгезию слоя с низким показателем к полупроводниковой структуре и чтобы улучшать удельное сопротивление контакта на поверхности раздела между оксидом и полупроводниковым материалом p-типа.

Для того, чтобы уменьшать показатель преломления, а потому, увеличивать различие показателей на поверхности раздела с полупроводником, оксидный слой с низким показателем может быть сделан пористым, например, посредством электрического, химического или электрохимического жидкостного травления. В качестве альтернативы, пористый слой с низким показателем может быть сформирован испарением под углом, имеющим следствием столбчатый рост с воздушными зазорами между столбцами. Поскольку слой 40 с низким показателем является тонким, он может быть резистивным. Например, слой 40 с низким показателем может иметь сопротивление вплоть до 1 Ом/см, которое сравнимо с сопротивлением GaN p-типа.

В некоторых вариантах осуществления, слой 40 с низким показателем является слоем эпитаксиально выращенного полупроводника. Типично, такой слой с низким показателем является III-нитридным слоем, таким как AlInGaN, AlGaN или AlInN, хотя возможны эпитаксиальные материалы без III-нитрида, такие как ZnO. Полупроводниковый слой с низким показателем может быть достаточно активирован, чтобы ток накачивался непосредственно с p-контакта 24 в область 20 p-типа через слой с низким показателем. В качестве альтернативы, в случае тонкого слегка активированного или неактивированного полупроводникового слоя с низким показателем, ток может накачиваться посредством туннельного эффекта. В случае туннельной накачки, поверхность области p-типа, прилегающая к полупроводниковому слою с низким показателем, может быть сильно активирована для содействия накачке.

В некоторых вариантах осуществления, полупроводниковый слой с низким показателем окисляется, для того чтобы уменьшать показатель преломления. Фиг.5 иллюстрирует часть устройства с окисленным слоем с низким показателем. Область 16 n-типа, светоизлучающая область 18 и область 20 p-типа выращены поверх подложки. Полупроводниковый слой 42, который может быть окислен, такой как AlInN, который может быть согласован по постоянной решетки по отношению к GaN, выращен поверх области 20 p-типа, сопровождаемой сильно активированным слоем 46 p-типа. Части сильно активированного слоя 46 удаляются для оголения участков лежащего в основе слоя, который должен быть окислен. Оставшиеся части высокоактивированного слоя 46 защищаются маской, используемой для формирования рисунка высокоактивированного слоя 46.

Участки полупроводникового слоя 42 затем окисляются, например, посредством подвергания кремниевой пластины, на которую может быть наплавлен небольшой элемент из In для токового доступа, действию раствора электролита нитрилтрехуксусной кислоты, растворенной в 0,3М раствора гидроксида калия в воде, для достижения значения pH в 8,5. Небольшая плотность тока в 20 мкА/см² прикладывается при пороговом напряжении приблизительно в 3 В. Окисление движется в боковом направлении, например со скоростью между 5 и 20 мкм в час. Окисляются только участки полупроводникового слоя, подвергнутые воздействию формированием рисунка сильно активированного слоя 46. После окисления, области 44 окисления являются аморфными оксидными слоями, такими как Al_xO_y или Al_xIn_yO_z. По меньшей мере некоторое количество In в слое AlInN обычно остается в оксидном слое после окисления. In может окисляться или может не окисляться. Неокисленный полупроводниковый материал 42 остается между оксидными областями 44. Например, показатель AlInN, согласованного по постоянной решетки по отношению к GaN, имеет значение приблизительно 2,2 (различие показателей в 8% с GaN), наряду с тем, что показатель того же самого окисленного материала имеет значение около 1,8.

p-контакт 24 нанесен поверх структуры. Ток накачивается в светоизлучающую область 18 из p-контакта 24 в местах, где оставшиеся участи сильно активированного слоя 46 облицованы проводящими полупроводниковыми областями 42. Оксидные области 44 не являются проводящими, но вызывают полное отражение света, падающего на поверхность раздела между оксидными областями 44 и областью 20 p-типа. Проводящие полупроводниковые области 42 могут быть по меньшей мере 100 нм в ширину и разнесенными менее чем на 1 мкм, для того чтобы обеспечивать достаточное распространение тока в области 20 p-типа. Как в устройстве, проиллюстрированном на Фиг.3, рисунок оксидных областей 44 может быть организован периодическим образом для увеличения или дополнения эффекта светового кристалла, сформированного на верхней поверхности области 16 n-типа.

Расстояние между отражательным p-контактом 24 и светоизлучающей областью 18 может быть оптимизировано для управления диаграммой излучения внутри полупроводника и временем жизни носителей, а следовательно, влиять на эффективность вывода и диаграмму направленности в дальней зоне устройства. Размещение светоизлучающей области более подробно описано в патенте США под № 6903376, который включен в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Добавление слоя с низким показателем может увеличивать оптическую длину от светоизлучающих слоев до отражателя. Для достижения оптимизированной диаграммы излучения, фазовому сдвигу света от центра светоизлучающей области 18 до металлического зеркала 24 (включая фазовый сдвиг металла) необходимо быть резонансным, как в СИД с объемным резонатором. В некоторых вариантах осуществления, оптическое расстояние между центром светоизлучающей области 18 и металлическим отражателем 24 является кратным четному количеству четвертных длин волн света, испускаемого светоизлучающей областью 18, минус фаза отражательного металла 24.

Фиг.6, 7, 11 и 12 иллюстрируют устройства, включающие в себя признаки вывода, которые могут непосредственно выводить свет с углами скольжения, или направлять свет с углами скольжения на меньшие углы падения, которые легче выводятся из устройства. Устройства по Фиг.6, 7, 11 и 12 включают в себя макроскопические признаки вывода света, тянущиеся с верхней или нижней поверхности полупроводниковой структуры. Признаки вывода света, например, могут быть выпуклостями или конусами, которые прерывают полупроводниковую структуру. Признаки, проиллюстрированные на Фиг.6, 11 и 12 могут быть объемными резонаторами, вытравленными в полупроводниковой структуре одновременно с мезаструктурой, в которой сформирован n-контакт.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.6, показаны два признака 48 и 54 вывода света. Размер, форма и интервал признаков вывода света выбраны, чтобы направлять свет с углами скольжения из устройства, как проиллюстрировано лучом 60, или в на меньший угол падения, где он может легче выводиться. Признаки вывода света могут тянуться через полную толщину, как проиллюстрировано признаком 48, хотя и не должны, как проиллюстрировано признаком 54. В некоторых вариантах осуществления, более высокие признаки более эффективно перенаправляют свет с углами скольжения, так как меньшая часть света с углами скольжения может распространяться над признаком, будучи не перенаправленной. Признаки, проиллюстрированные на Фиг.6, заполнены диэлектрическим материалом, или воздухом. Диэлектрический материал может быть сформирован в признакам одновременно с диэлектрическим слоем 56, который нанесен и подвергнут формированию рисунка для электрической изоляции n-контакта 50 от светоизлучающей области и области p-типа.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.11, признак 57 облицован тонким диэлектрическим слоем (с толщиной порядка длины волны, или меньшей) и заполнен отражательным металлом, нанесенным одновременно с p-контактом 24. Как описано выше, диэлектрический слой сохраняется тонким, и его точная толщина настраивается, для того чтобы избежать оптических резонансов, как проиллюстрированные на Фиг.10, и, таким образом, гарантировать хорошую отражающую способность.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.12, диэлектрический слой не присутствует на верхней поверхности признака вывода, так что электрический контакт создан между металлической облицовкой признака и областью 16 p-типа. Признак, в таком случае, может использоваться в качестве n-контакта, заменяя традиционные n-контакты устройства или дополняя их. В таких вариантах осуществления, признак вывода электрически изолирован от p-контакта под слоями устройства, например, диэлектрическим слоем, нанесенным одновременно с диэлектрическим слоем, используемым для покрытия признака.

Расстояние между соседними признаками является достаточно коротким, чтобы свет с углами скольжения достигал признаков, будучи не поглощенным в структуре. Эти признаки разнесены гораздо дальше, например, между 10 и 300 мкм порознь, чем признаки, например, сформированные в световом кристалле на верхней поверхности 34 устройства, которые разнесены, например, менее чем на 1 мкм. Устройства с большим поглощением требуют меньших расстояний. Поглощение зависит от отражающей способности зеркал и металла в устройстве, а также от активной области. Например, устройство с более активным материалом, вообще, является более поглощающим. Расстояние между признаками достаточно велико, чтобы только небольшая часть площади светоизлучающей области устройства, например не более чем 50%, тратилась на признаки. Например, если признаки находятся между 2 и 5 мкм в ширину, среднее разделение от 50 до 200 мкм между признаками соответствует потере площади излучения порядка 10%. В некоторых вариантах осуществления, признаки наделены размером и разнесены, из условия чтобы все траектории света с углами скольжения падали на признак в пределах достаточно короткого расстояния, например, не больше, чем 50 мкм. Фиг.13 показывает вид сверху такого варианта осуществления, где признаки 48, 54, 57 и 62, как описанные в тексте, сопровождающем Фиг.6, 11 и 12, формируют объемные резонаторы, на которые скользящий свет падает после самое большее нескольких десятков микрон длины хода в пределах устройства, наряду с тем, что часть поверхности, используемая признаками, является меньшей, чем поверхность, выделенная под p-контакт. Интервал 64 между признаками, например, может быть между 50 и 150 мкм, часто 100 мкм. Вообще, признаки вывода расположены снаружи устройства и внутри устройства. Они не используются для электрического разделения устройства на более чем одно устройство, как проиллюстрировано на Фиг.13, где заштрихованная область представляет p-контакт 24, а также область p-типа под p-контактом (например, область 20 p-типа по Фиг.6). Признаки сконструированы так, что p-контакт является одним сплошным куском, не разделяемым на всем протяжении устройства. В некоторых вариантах осуществления, только некоторые из признаков также действуют в качестве контактов для области n-типа. Количество признаков, функционирующих в качестве контактных площадок, может быть минимизировано для увеличения отражающей способности этих признаков.

Вообще, размеры этих признаков велики, например, в несколько длин волн света, так что они отражают свет геометрическим образом. Угол боковых стенок признаков выбирается, для того чтобы максимизировать их эффективность. Поскольку свет с углами скольжения распространяется около 90° в материале, ожидается, что признак с углами боковых стенок около 45°, например, между 35 и 55°, будет эффективно выводить свет с углами скольжения. В случае светового кристалла, сформированного на верхней поверхности 34, свойства признаков могут быть дополнительно оптимизированы для увеличения направленности устройства посредством оптимизации углов боковых стенок и их плоскостного распространения для вывода света в выделенных направлениях.

В устройстве, проиллюстрированном на Фиг.7, признаки 58 сформированы после того, как удалена ростовая подложка, например, одновременно поверхность 34 сделана шероховатой или текстурированной, со структурой светового кристалла. Объемные резонаторы 58 имеют такие же форму, размер и интервал, как признаки, описанные на Фиг.6. Боковые стенки объемных резонаторов 58 могут быть сделаны шероховатыми или текстурированы, как проиллюстрировано на Фиг.7, хотя и не должны. Боковая стенка объемных резонаторов 58 может быть покрыта материалом, таким как металл, диэлектрик или комбинация этих двух.

Получив подробно описанное изобретение, специалисты в данной области техники будут принимать во внимание, что при заданном настоящем раскрытии, модификации могут быть произведены в отношении изобретения, не выходя из сущности обладающей признаками изобретения концепции, описанной в материалах настоящей заявки. Например, хотя на Фиг.3, 4, 6 и 7 проиллюстрировано только одно переходное отверстие n-контакта, устройство может иметь многочисленные переходные отверстия n-контактов. К тому же, признаки устройств, проиллюстрированных на Фиг.3, 4 и 5, могут комбинироваться с признаками устройств, проиллюстрированных на Фиг.6, 7, 11, 12 и 13. Поэтому не подразумевается, что объем изобретения ограничивается проиллюстрированными и описанными отдельными вариантами осуществления.

Полупроводниковое светоизлучающее устройство содержит полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающий слой, расположенный между областью n-типа и областью p-типа; отражательный металлический контакт, расположенный на нижней стороне полупроводниковой структуры и электрически присоединенный к области p-типа; материал, расположенный между по меньшей мере частью отражательного металлического контакта и областью p-типа, причем разность между показателем преломления материала и показателем преломления области p-типа имеет значение по меньшей мере 0,4; в котором по меньшей мере часть верхней стороны полупроводниковой структуры текстурирована; расстояние между текстурированной частью верхней стороны полупроводниковой структуры и отражательным металлическим контактом является меньшим чем 5 мкм; полупроводниковая структура включает в себя объемные резонаторы, заполненные металлом, объемные резонаторы направляют первый свет, падающий под первым углом падения, во второй свет, падающий под вторым углом падения, второй угол падения является меньшим, чем первый угол падения; первый набор объемных резонаторов содержит металл, соприкасающийся с отражательным металлическим контактом и имеет боковые стенки, которые полностью облицованы диэлектрическим материалом для изоляции первого набора объемных резонаторов от области n-типа; и второй набор объемных резонаторов имеет боковые стенки, которые частично облицованы диэлектрическим материалом, так что металл соприкасается с n-областью и изолирован от p-области и отражательного металлического контакта. Также предложен второй вариант полупроводникового светоизлучающего устройства. Устройства согласно изобретению могут увеличивать вывод света, испускаемого под углами падения скольжения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, содержащее
полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающий слой, расположенный между областью n-типа и областью p-типа; отражательный металлический контакт, расположенный на нижней стороне полупроводниковой структуры и электрически присоединенный к области p-типа; материал, расположенный между по меньшей мере частью отражательного металлического контакта и областью p-типа, причем разность между показателем преломления материала и показателем преломления области p-типа имеет значение по меньшей мере 0,4, в котором по меньшей мере часть верхней стороны полупроводниковой структуры текстурирована; расстояние между текстурированной частью верхней стороны полупроводниковой структуры и отражательным металлическим контактом меньше 5 мкм;
полупроводниковая структура включает в себя объемные резонаторы, заполненные металлом, объемные резонаторы направляют первый свет, падающий под первым углом падения, во второй свет, падающий под вторым углом падения, второй угол падения меньше первого угла падения;
первый набор объемных резонаторов содержит металл, соприкасающийся с отражательным металлическим контактом, и имеет боковые стенки, которые полностью облицованы диэлектрическим материалом для изоляции первого набора объемных резонаторов от области n-типа, и второй набор объемных резонаторов имеет боковые стенки, которые частично облицованы диэлектрическим материалом, так что металл соприкасается с n-областью и изолирован от p-области и отражательного металлического контакта.

2. Устройство по п.1, в котором разность между показателем преломления материала и показателем преломления области p-типа имеет значение по меньшей мере 0,7.

3. Устройство по п.1, в котором поверхность раздела между полупроводниковой структурой и материалом отражает свет, падающий на поверхность раздела под углами больше 70° относительно перпендикуляра к основной плоскости светоизлучающего слоя.

4. Устройство по п.1, в котором комбинированная отражательная способность материала и отражательного металлического контакта в области p-типа больше отражательной способности отражательного металлического контакта в непосредственном соприкосновении с областью p-типа.

5. Устройство по п.1, в котором потери за полный обход в материале меньше потерь волны оптического спектра, отражающейся от отражательного металлического контакта в непосредственном соприкосновении с областью p-типа.

6. Устройство по п.1, в котором объемные резонаторы разнесены менее чем на 2 мкм.

7. Устройство по п.1, в котором толщина материала меньше 500 нм.

8. Устройство по п.1, в котором толщина материала больше 40 нм и меньше половины длины волны света, испускаемого светоизлучающим слоем.

9. Устройство по п.1, в котором толщина материала больше половины длины волны света, испускаемого светоизлучающим слоем, из условия, чтобы свет, падающий на материал в диапазоне углов падения, захватывался в материале, и полупроводниковая структура минимизирует количество света, испускаемого в диапазоне углов падения.

10. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, содержащее полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающий слой III-нитрида, расположенный между областью n-типа и областью p-типа, и множество объемных резонаторов, тянущихся в полупроводниковую структуру, причем объемные резонаторы заполнены металлом и отражают свет, падающий на поверхность раздела под углами больше 70° относительно перпендикуляра к основной плоскости светоизлучающего слоя; причем первый набор объемных резонаторов содержит металл, соприкасающийся с областью p-типа, и имеет боковые стенки, которые полностью облицованы диэлектрическим материалом для изоляции первого набора объемных резонаторов от области n-типа; второй набор объемных резонаторов имеет боковые стенки, которые частично облицованы диэлектрическим материалом, так что металл соприкасается с n-областью и изолирован от p-области.

11. Устройство по п.10, дополнительно содержащее отражательный металлический контакт, расположенный на нижней стороне полупроводниковой структуры, причем множество объемных резонаторов тянутся с нижней стороны полупроводниковой структуры к верхней стороне полупроводниковой структуры или тянутся с верхней стороны полупроводниковой структуры к нижней стороне полупроводниковой структуры.

12. Устройство по п.10, в котором объемные резонаторы наделены размером, таким, что фотон, движущийся в пределах полупроводниковой структуры, не может проходить дальше чем на 50 мкм до взаимодействия с объемным резонатором.

13. Устройство по п.10, в котором боковые стенки ориентированы под углом между 35 и 55° относительно основной поверхности светоизлучающего слоя.

14. Устройство по п.10, в котором ближайшие соседние объемные резонаторы разнесены на расстояние 10 - 300 мкм в разные стороны.

15. Устройство по п.10, в котором боковые стенки объемных резонаторов сделаны шероховатыми.