CN101606248A

CN101606248A - 锥形光子晶体发光器件

Info

Publication number: CN101606248A
Application number: CNA2007800495892A
Authority: CN
Inventors: J·迈肯齐; T·李; M·祖罗布
Original assignee: Mesophotonics Ltd
Current assignee: British Virgin Islands Business Molecule Neotech Co ltd; Taiwan Branch Of Neon Technology Co ltd In British Virgin Islands
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: US20080121913A1; US7700962B2; CN101606248B

Abstract

描述了一种发光器件(LED)，其包括布置在每个具有不同类型掺杂的第一和第二层半导体材料之间的光产生层。第一层的上表面具有半导体材料的锥形或者平顶锥形突起的瓦状排列，其被与半导体材料的折射率不同的材料包围，或者具有用不同折射率的材料填充的半导体材料中的倒锥形或倒平顶锥形缺口的瓦状排列。每个都包括光子带结构。设置突起或者缺口和它们的瓦状排列，用于经由第一层的上表面有效地提取器件的光，和具有发光外形的光束，其比Lambertian光源更具指向性。为了利用微空腔效应，增强的器件使用在第二层下面的反射器。还描述了制备该器件的方法，其使用各向异性的湿蚀刻以产生锥形突起或者倒锥形缺口。

Description

锥形光子晶体发光器件

技术领域

本发明涉及具有改良的光提取和方向性的发光二极管，尤其是涉及使用光子晶体结构的器件。

背景技术

发光二极管(LED)基于正向偏压的p-n结且最近已经达到充分高亮的水平，由于该充分高亮的水平，现在它们适合于新的固态照明应用以及替换投影仪光源。由于LED的高效率、可靠性、寿命长和环境优势而实现的经济利益，因此LED已能够进入这些市场。尤其是，固态照明的应用需要LED超过由可选的荧光技术目前可实现的效率。

在LCD面板的性能中，液晶显示器(LCD)面板的背光单元(BLU)是关键部件。目前，多数LCD面板使用紧凑型阴极荧光(ccfl)光源。然而，这些光源遇到几个问题，包括色域差、环境再生和制造问题、厚度和外形、高电压需求、热学管理差、重量和高功耗。为了缓和这些问题，LCD制造商使用LED BLU单元。这些会在许多方面提供优势，包括色域、低功耗、薄外形、低电压需求、良好的热处理和低重量。

当前的LED BLU系统横跨LED的背表面分布LED，如US7052152所示。对于小型显示器，一般是低成本设计。然而，对于较大的LCD面板，例如大于32英寸，为了横跨LCD面板的背面均匀分布光所需要的大量LED，将不再使该方法成本有效。在US7052152中，提出了32英寸LCD面板显示器使用124个LED。

对于某些应用，希望得到来自LED的更多各向同性的或Lambertian光分布，且用于实现它的一种技术是使得穿过其而使光融合(merge)的表面变粗糙。取决于LED制备工艺，一定程度的粗糙度是固有的。然而，通过使用例如蚀刻的技术，可以实现增加的表面粗糙度的控制度，以改善从LED射出的光的混杂和均匀性。

US2006/0181899和US2006/0181903公开了一种光学光导或者波导，其被设置以跨越整个LCD面板表面均匀分布漫射光。通过使用侧安装的LED光源使光耦合到光导。当与直接的LED背光比较时，由于显著减少了单位面积背光LCD所需要的LED数目，因此侧安装是有益的。提出了32英寸LCD面板可以具有与12个LED光源一样地被侧向光照。然而，为了最大化漫射到LCD面板上的光，需要将LED光的最优地耦合到光导。

高亮度LED的另一应用领域是用于前和后投影仪的光引擎。低效率和短寿命总是妨碍现有的高强度放电(HID)型投影仪光引擎，导致消费者市场很少采用。在该特定应用中，光源的Etendue值需要更小或者与微显示器的Etendue值相匹配。为了改善整个光投影引擎的总体系统效率，该兼容性非常重要。另外，特别是在需要大型后投影屏(大于50英寸)和前投影系统的应用中，高的总发光输出和低功耗也非常重要。为了最小化热学管理问题，低功耗是期望的。来自具有小的Etendue值的一组红、绿和蓝的单色LED光源的光被多路复用，以在投影系统中产生希望的颜色。这消除了对色轮和相关的附近成本的需要。Etendue值E是根据下面的等式计算的：

E＝π×A×n²×sin(α) (1)

其中E是光源的Etendue，A是光发射器件的表面积，以及α是光源的半角。因此，可以看出，对于投影应用，发光光源的准直度(collimation)是关键因素，并且减小光源的半角会显著地改善光引擎的总体效率。

LED的总体效率可以用三个主要因素量化，即内量子效率、注入效率和提取效率。减小来自LED的光提取效率的一个主要限制因素是发射光子的总体内部反射和形成LED的高折射率的外延材料(epi-material)的捕获。这些捕获的波导模式在LED结构中传播直到将它们散射或被再吸收。LED结构的厚度确定了可以支持的模式数量。

US5779924和US5955749描述了使用在LED的半导体层中定义的光子晶体图案以影响穿过外延结构传播的光路。形成的光子带结构允许进行提取的捕获模式，从而提高了提取效率和最终的LED总体外部效率。在LED中使用光子晶体结构比其它光提取技术更有利，这是因为它们与LED的有效表面积成比例，从而提供了改善大面积高亮度LED管芯的光提取的理想方法。对于需要绝对亮度输出的固态照明应用，LED尺寸的缩放比例是重要的。然而，许多这种光子晶体LED的总体的光提取不像更多常规的表面粗糙的LED一样高。

US6831302和US2005/0285132描述了使用氮化镓(GaN)基材料制备具有光子晶体结构的发光二极管的工艺。在这两种情形中，所述工艺包括许多复杂且昂贵的步骤，其最终会影响LED晶片的产率和成本。尤其是，US6831302描述了包括以下的制备工艺步骤：在晶格匹配的单晶晶片上生长n-GaN层、有源QW区域、和p-GaN层，随后在顶表面上共晶(eutectic)接合子底板或衬底，晶片翻转，从生长的晶片剥离(使用例如激光剥离的技术)，表面抛光以提供光学光滑的表面(使用例如化学机械抛光的工艺)，在表面上限定光子晶体图案(通过例如纳米压印、光刻或者全息照相的工艺)，和最后利用适当地干蚀刻(例如RIE或者ICP)或者湿蚀刻GaN，将光子晶体图案转印到GaN材料。

所涉及的其中一个复杂处理步骤是抛光晶片，由于其难以控制跨越整个晶片的表面质量，因而会不利地影响产率。跨越表面的小划痕可能会影响LED晶片两端传播的电流且最终提供了短路整个LED的路径，或者不利地影响正向电压。另外，对于光子晶体提取图案的有效设计，GaN外延结构的厚度是重要的。高折射率的作用类似于高度多模式的波导，因此该厚度会确定存在于LED异质结构中的大量模式。通过使用抛光工艺，LED结构的绝对厚度的不良控制导致最终影响LED晶片在各个处理批次之间的总体产量。

另一复杂制备步骤是限定小尺寸的第一有序光子晶体的特征——300nm到500nm范围的节距特征和200nm到400nm范围的孔洞直径特征。目前使用纳米压印或者全息照相确定这种图案。前者方法目前不是一种被证实的、用于LED晶片上的这种小尺寸特征的技术，且仅实现了低产率。另外，由于制造量小，该技术具有更高的成本。后面的光刻技术具有复杂的对准和稳定性以及低的量。

因此，需要新型表面图案化的LED，其比常规的表面粗糙的或者光子晶体的LED器件性能更好，而且能够以简单且成本有效的方式制备。

发明内容

根据本发明的第一方面，发光器件(LED)包括：

第一层，包括具有第一类型掺杂的第一半导体材料；

第二层，包括具有第二类型掺杂的第二半导体材料；和

位于第一和第二层之间的光产生层，

其中第一层具有远离光产生层的上表面和接近光产生层的下表面，且其中在光产生层中产生的光穿过第一层的上表面从LED结构射出，第一层还包括来自上表面的第一半导体材料的锥形或者平顶锥形突起的瓦状排列，其上表面被与第一半导体材料具有不同折射率的材料包围，其中周围材料和突起的瓦状排列包括光子带结构，且其中突起和它们的瓦状排列被配置为使得穿过上表面从LED结构射出的光大体上比Lambertian光源的光更具有指向性。

根据本发明的第二方面，一种发光器件(LED)包括：

第一层，包括具有第一类型掺杂的第一半导体材料；

第二层，包括具有第二类型掺杂的第二半导体材料；和

位于第一和第二层之间的光产生层，

其中第一层具有远离光产生层的上表面和接近光产生层的下表面，且其中在光产生层中产生的光穿过第一层的上表面从LED结构射出，第一层还包括从所述上表面向光产生层延伸的第一半导体材料中的倒锥形或者倒平顶锥形缺口的瓦状排列，且包括与第一半导体材料具有不同折射率的材料，其中缺口的瓦状排列和周围第一半导体材料包括光子带结构，且其中设置缺口和它们的瓦状排列，使得穿过上表面从LED结构射出的光大体上比Lambertian光源的光更具有指向性。

Lambertian光源发出每单位立体角的光流量，在任意方向上所述光流量与从其发射的表面的方向和该表面法线之间的角的余弦成比例。这导致具有球形分布的均匀辐射率。包括根据本发明的结构的LED会结合更多发射光的指向性以及由器件产生的光耦合为发射束的效率的改善。通过锥形或者平顶锥形表面突起，或者倒锥形或倒平顶锥形缺口的创新性的瓦状排列来实现上述目的。

优选三种特定种类的光子瓦状(tilling)排列，即具有近程和远程有序两者的光子晶体、具有近程转换无序而远程有序的光子准晶体、具有近程隔离有序而远程无序的无定形瓦状图案。在无定形的情况下，相邻锥形区之间的间隔是固定的，而旋转对称是随机的。

在本发明中提出了高度有序的锥形或倒锥形光子晶体或准晶体图案，当与更常规的第一有序光子晶体图案比较时，其提供了增强的光提取。光子晶体的详细设计还允许调整器件产生的远场光图案。尤其是，与Lambertian光源相比，即使对于具有太晶格常数(＞1μm)的图案，具有有角侧壁的锥形形状的突起或者倒锥形形状的缺口，以及它们定义好的瓦状排列能够从LED提取更准直的光束。

优选地，锥形突起或倒锥形缺口具有大于1.0μm的尺寸。然而，它们的尺寸可以大于1.5μm或者2.0μm或者尺寸甚至大于2.5μm。相对大的锥形或倒锥形尺寸会缓和制备容差，且因为它们的尺寸充分大于剩下的表面粗糙度，这还意味着在形成锥形突起或倒锥形缺口之前不需要表面抛光。

另外，还优选瓦状排列的节距大于1.5μm，虽然它的尺寸还可以大于2.0μm或者2.5μm或者尺寸甚至大于3.0μm。

对于许多应用，优选设置突起或缺口，以便在与垂直轴具有30°半角的中心锥中提取显著比例(＞35％)的光。优选地，在中心锥中提取大于37％、38％或甚至40％。这能够有效并均匀的将光耦合到通常用于投影应用的光源的窄的伸长的光导中。

可选地，可以设置锥形或倒锥形和瓦状图案，以便主要以比按照侧面发光方式的角度更大的角度来提取光。例如，可以在准直环或围绕垂直轴的类似于圆环分布中发光，而不是在窄中心锥体中发光。在这种情况下，该分布可以集中在大于或等于相对于垂直线的30°、40°、50°或60°的角，或者同等地小于或等于相对于平面的60°、50°、40°或30°的角。

具有第一类型掺杂的第一半导体材料可以是n掺杂的或者p掺杂的，在这种情况下，具有第二类型掺杂的第二半导体材料将分别是p掺杂的或者n掺杂的。

第一层可以包括在第一半导体材料中的预定深度埋置的蚀刻停止材料层，在这种情况下，由第一半导体材料形成的突起将从蚀刻停止材料层的表面延伸且倒锥形缺口将向下延伸至蚀刻停止材料层。

在特定的优选实施例中，第一半导体材料包括n掺杂的GaN或InGaN且第二半导体材料包括p掺杂的GaN或InGaN。优选光产生层包括GaN-InGaN的多个量子阱结构。在锥形直径的方面，尽管取决于包括波长、远场图案、LED厚度和在整个GaN异质结构内的多个量子阱结构的位置的多个因素，高度有序的光子晶体尺寸一般在1.0μm到3.0μm的范围。适当的蚀刻停止材料包括AlGaN和InGaN。

为了增强光提取，优选LED还包括光反射器以反射远离第一层的上提取表面传播的光，且另外其不再被提取。光反射器被布置邻接于第二半导体材料的第二层，以便第二层位于光产生层和反射器之间。

优选地，光反射器包括简单的金属性材料层或者它可以包括多层电介质结构。可选地，光反射器可以包括分布式的Bragg反射器(DBR)或者全向反射器(ODR)。

优选地，光产生层和光反射器之间的间隔距离为使得能够例如包括微空腔，其增强了向第一层的上提取表面传播的光的产生量。微空腔效果除在光反射器处提供简单反射之外还提供了甚至更大增强的提取效率。最佳间隔是在光产生层产生的光的波长的0.5到0.7倍之间。当存在微空腔时，优选将锥形突起或倒锥形缺口和它们的瓦状排列配置为与微空腔效果优化地协同作用，以进一步增强从LED提取光的效率。

根据本发明的第三方面，光学投影仪单元的光引擎包括多个根据第一或第二方面的发光器件。上述LED尤其适用于包括正面和背面投影仪的固态光源的应用。

根据本发明的第四方面，制备根据第一方面的发光器件(LED)的方法包括步骤有：

提供发光器件异质结构，其包括第一层，包括具有第一类型掺杂的第一半导体材料，第二层，其包括具有第二类型掺杂的第二半导体材料，和布置在第一和第二层之间的光产生层，其中第一层具有远离光产生层的上表面和接近光产生层的下表面，并且其中在光产生层中产生的光穿过第一层的上表面从LED结构射出，

在第一层上形成蚀刻掩模，该掩模包括在对应于预定瓦状排列的位置处的掩模材料的岛，其中形成掩模的步骤包括如下步骤：

在第一层上方沉积光刻胶层；

通过根据预定瓦状排列的曝光来图案化光刻胶；和

移除未曝光的光刻胶以在对应于预定瓦状排列的位置处留下光刻胶的岛；

通过沿预定晶面各向异性地湿蚀刻第一半导体材料到预定深度，在掩模材料岛下面的位置处在第一层中形成第一半导体材料的锥形或平顶锥形突起；以及

移除掩模材料岛以留下锥形或平顶锥形突起的预定瓦状排列，其与不同折射率的周围材料组合地包括光子带结构。

根据本发明的第五方面，制备根据第二方面的发光器件(LED)的方法包括步骤有：

提供发光器件异质结构，其包括第一层，所述第一层包括具有第一类型掺杂的第一半导体材料，第二层，所述第二层包括具有第二类型掺杂的第二半导体材料，以及布置在第一和第二层之间的光产生层，其中第一层具有远离光产生层的上表面和接近光产生层的下表面，且其中在光产生层中产生的光穿过第一层的上表面从LED结构射出，

在第一层上形成蚀刻掩模，该掩模包括在对应于预定瓦状排列的位置处的缺失掩模材料的岛，其中形成掩模的步骤包括如下步骤：

在第一层上方沉积光刻胶层；

通过根据预定瓦状排列的曝光来图案化光刻胶；和

移除未曝光的光刻胶以在对应于预定瓦状排列的位置处留下缺失光刻胶的岛；

通过沿预定晶面各向异性地湿蚀刻第一半导体材料到预定深度，在缺失掩模材料的岛下面的位置处在第一层中形成第一半导体材料的锥形或平顶锥形缺口；和

移除剩余的掩模材料以留下第一半导体材料中的倒锥形或倒平顶锥形缺口的预定瓦状排列，该缺口包括与周围第一半导体材料的折射率不同的材料并且它们一起包括光子带结构。

通过任何适当的已知工艺，包括倒装芯片工艺，可以制备发光器件异质结构本身。

光刻胶层本身可以是掩模层，在这种情况下，掩模材料岛是光刻胶岛。可以使用通过曝光图案化光刻胶的适当工艺，包括UV光刻。使用适当的显影剂移除未曝光的光刻胶，并通过剥离移除剩下的曝光的光刻胶岛。多种蚀刻剂可用于各向异性的湿蚀刻，包括KOH、NaOH或者H₃PO₄溶液。

可选地，可以使用硬掩模材料，对于各向异性湿蚀刻它是抗蚀刻剂。在这种情况下，需要其它工艺步骤。

在第四方面的方法中，形成蚀刻掩模的步骤还优选包括：

在沉积光刻胶层的步骤之前，在第一层上方沉积硬掩模材料层；

在移除光刻胶的步骤之后移除硬掩模材料，以留下在光刻胶的岛下面的硬掩模材料的岛；和

移除剩余的光刻胶以留下蚀刻掩模，所述蚀刻掩膜包括在对应于预定瓦状排列的位置处的硬掩模材料的岛。

在第五方面的方法中，形成蚀刻掩模的步骤还优选包括：

在移除光刻胶的步骤之后移除硬掩模材料，以留下在缺失光刻胶的岛下面的缺失硬掩模材料的岛；和

移除剩余的光刻胶以留下蚀刻掩模，所述蚀刻掩膜包括在对应于预定瓦状排列的位置处的缺失硬掩模材料的岛。

适当的硬掩模材料包括通过PECVD沉积的SiO₂或Si₃N₄，或者通过溅射或蒸发沉积的金属。一旦形成锥形突起，就会用适当的湿或干蚀刻工艺移除剩下的硬掩模材料岛。类似地，一旦形成倒锥形缺口，就会用适当的湿或干蚀刻工艺移除包围岛的剩下的硬掩模材料。

在第四方面的方法中，各向异性蚀刻的深度将确定形成平顶锥形还是锥形突起以及它们的尺寸。然而，基于蚀刻速度和蚀刻时间，将很难精确控制各向异性蚀刻深度。因此，可以使用蚀刻停止，以确保在特定深度停止蚀刻。类似地，在第五方面的方法中，各向异性蚀刻的深度将确定形成的缺口的尺寸。此外，基于蚀刻速度和蚀刻时间，将很难精确控制各向异性蚀刻深度。此外，为了形成倒平顶锥形缺口需要蚀刻停止。

优选地，发光器件异质结构的第一层包括在第一半导体材料的预定深度埋置的蚀刻停止材料。第一半导体材料的各向异性蚀刻将继续直到到达蚀刻停止材料层，从而提供更均一且可重复的制备方法。在第五方面的方法中，还允许形成倒平顶或平头的锥形缺口。

因此，本发明还提供了制造光子晶体型LED结构的简单方法，通过大特征的阐述，使用低成本的光刻技术或类似的工也艺将光子晶体转移到LED上而不需要复杂的抛光步骤。

附图说明

参考附图，现在将详细描述本发明的实例，其中：

图1示出了被提出的器件的横截面；

图2A示出了以规则方形晶格排列的棱椎；

图2B示出了以12重准晶体排列的棱椎；

图3示出了GaN LED的标准化光强度，其作为量子阱与镜面间隔距离的函数。

图4A到4D示例了制备发光器件的基于倒装晶片的制造工艺；

图4E到4I示例了在图4D示出的器件的上面层中制备锥形光子晶体结构的其它制造步骤；

图5A示出了与未图案化的器件相比锥形PC-LED的30°锥体的光提取增强；

图5B示出了与未图案化的器件相比的锥形PC-LED的总光提取增强；

图5C示出了不同锥形光子晶体发光器件的30°锥体的光的百分比；

图6A示出了根据本发明优选实施例的PC-LED结构的远场图案；

图6B示出了根据本发明另一优选实施例的PC-LED结构的远场图案；

图7A示出了使用本发明的制备方法形成的单独锥形的SEM显微图；

图7B示出了使用本发明的制备方法形成的锥形光子准晶体排列的SEM显微图；

图8A是与未图案化的LED相比的对于常规PC-LED和具有微空腔的锥形PC-LED的光子晶体填充分数和光提取增强的曲线图；

图8B是与具有和不具有微空腔的未图案化的LED相比的锥形PC-LED的光子晶体填充分数和光提取增强的曲线图；

图9是与未图案化的LED相比的锥形PC-LED的LED异质结构中心厚度的光提取增强的曲线图；

图10示出了倒锥形器件的横截面；

图11A-11D示例了用于制备发光器件的基于倒装晶片的制造工艺；

图11E到11I或11J示例了用于在图11D示出的器件的上层中制造倒锥形或截断的倒锥形光子晶体结构的其它制造步骤；

图12A示出了与未图案化的器件相比的锥形PC-LED的30°锥体的光提取增强；

图12B示出了与未图案化的器件相比的锥形PC-LED的总体光提取增强；

图12C示出了不同锥形光子晶体发光器件的30°锥体的光的百分比；

图13示出了根据本发明优选实施例的PC-LED结构的远场图案；

图14示出了使用本发明的制备方法形成的单独倒锥形的SEM显微图；

图15A是与未图案化LED比较的常规PC-LED和具有微空腔的倒锥形PC-LED的光子晶体填充分数和光提取增强的图；

图15B是与具有和不具有微空腔的未图案化LED比较的倒锥形PC-LED的光子晶体填充分数和光提取增强的曲线图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供发光器件的改良的光提取以及调整的远场发射。这些器件可以应用包括但不限制于InGaN、InGaP、InGaAs、InP或者ZnO的广泛范围的发光半导体材料系统。本描述将集中于在绿色InGaN发光器件中执行定向光提取技术的实施方式。然而，该设计可以同样地优化和实施用于使用该材料的其它发射波长(例如蓝或UV)以及其它材料系统，例如适合红色和黄色波长的InGaP。

在本发明的优选实施中，提出了新颖的高度有序锥形光子晶体(PC)或者准晶体图案，与第一阶光子晶体图案相比，其提供了增强的光提取。该PC设计还允许调整该器件发射的远场光分布。定义瓦状(tiling)排列的锥形PC子区域和它们的阱允许从该器件以比Lambertian光源的光束更准直的束提取光。还将描述制造该器件的简化的工艺。

在锥形直径方面，高度有序PC尺寸大于1.0μm，并可以大于1.5μm或者2.0μm，可以高达但不限制于3.0μm、3.5μm和4.0μm。其取决于远场图案、LED厚度和在GaN异质结构的光产生区域内部的量子阱位置而变化。

图1说明了提出的发光器件的横截面，其包括从n掺杂的GaN或InGaN层突起的锥形101，具有周期性的、准晶体、无定形的或其它复杂顺序的或重复的瓦状的排列。设计该锥形瓦状排列以提供散射带，其使得捕获的光耦合为光子晶体的Bloch模式。一旦光被耦合为Bloch模式，光子晶体就会提供使光耦合进入到自由空间的方式。

图1示出的器件包括发光异质结构，其包括n型GaN或InGaN顶层102和下p型GaN或InGaN层104，在这些层之间具有多个量子阱(MQW)结构103。在p型层104的下面，存在反射器层105，它可以具有金属(例如银)反射器的形式或者具有DBR或全向反射器(ODR)的形式。发光结构由载体衬底或底板106支撑。在优选实施例中，载体衬底包括具有高热传导率的导电材料，例如金属或金属合金或可选择的硅或碳化硅。在另一优选实施例中，存在由例如AlGaN、InGaN(但不限制于这些材料)的材料形成的蚀刻停止层107，其允许精确控制锥形的深度。该层埋置在n型层101和102之间。

本发明优选具有三种主要的光子瓦状排列，其中该排列具有以下特征：近程和远程有序，即光子晶体；近程转换无序而具有远程有序，即光子准晶体；和近程分隔有序和远程无序，即无定形瓦状排列。在无定形排列的情况下，固定相邻锥形和倒锥形区域之间的间隔，而使旋转对称随机化。

图案化的这些分类也可以包括上述瓦状排列的重复单元。另外，它们可以包括具有缺陷的区域，就是说移除锥形和倒锥形或者改变锥形的形状或大小的区域。子区域也可以包括具有未蚀刻尖顶点区域的锥形，产生平顶(平顶)锥形。

该图案化的特征可以在于多个参数，其包括晶格节距a，被定义为分隔两个相邻的锥形或倒锥形中心的距离，和形成在GaN晶格的水平晶面和锥形结晶暴露面之间的角θ。在本发明的一个方面中，使用蚀刻停止层107控制蚀刻深度。这允许精确控制底部处的锥形的直径。对于给定的蚀刻深度d，锥形底部的直径Φ为：

φ＝2×d/tan(θ) (2)

本发明的一个主要方面是使用结晶对准以提供最大图案再现精确性以及不严格(relaxed)的位置精确性的大特性。

该六角锥形或倒锥形(其由c面GaN形成)可以被排成规则的图案、准晶体图案、无定形图案或其它适当排列。图2A示出了六角锥形排成规则的方形晶格以形成光子晶体的实例。图2B示出了排成12重对称正三角形准晶体瓦状以形成光子准晶体的锥形或倒锥形。

该发明的增强版本使用位于发光区域下面某处的光学反射器，以向上的方向反射向下传播的光。另外，由于所谓的微空腔效应，设计发光区域和反射器之间的间隔距离以增强向上发射的光。随后结合微空腔效应优化锥形或倒锥形光子晶体以进一步增强光提取。如Shen在2003年4月7日的Appl.Phys.Lett.82，14，2221中所述的，以下等式描述了LED顶表面处的相对能量强度，其为QW区域和反射器之间的间隔距离的函数：

E^{2} = w_{0}^{2} + w_{r}^{2} + 2 w_{0} w_{r} \cos (π + φ {+ φ}^{,}) - - - (3)

φ’＝2π(2dcos(θ))/λ_n (4)

其中相关的参数如下：

W₀＝发射光的振幅；

W_r＝反射光的振幅；

Φ＝在镜上反射时的相位偏移；

Φ’＝由于发射光和反射光之间的路径长度差异而引起的相位偏移，其随着微空腔和QW之间的间隔距离以及入射角和LED材料波长而改变；和

θ＝相对于法线的发射角。

为了说明微空腔效应，图3示出了利用镜子出从GaN LED器件得到的光强度的曲线图，其为量子阱到镜子距离的函数。该强度被标准化为在没有镜面的情况下从GaN LED得到的强度，从而说明了增强效果。为了简单，假定镜子具有100％的反射率。当与不具有反射器的无遮蔽平坦GaN发光器件比较时，很明显地提取了最多大约3.5倍的光。由于微空腔效应，关于单独反射器的贡献，这总计大约1.75倍的光提取。为了得到LED的最大提取效率，关键的是在镜子的恰当距离处布置量子阱。

当与Lambertian光源相比较时，微空腔效应还引入了LED远场辐射形状的偏差。在本发明的上下文中，结合顶表面光子晶体图案，可以优化增加的波瓣(lobe)发射，因此与单独使用两种提取技术相比，能够期望实现更大的光提取以及LED的指向。微空腔效应减少了异质结构内部发射的各向同性，因此允许内部入射到光子晶体上的光更加准直。

由于高的纵横比特征和光子带结构的大的电介质对比度，能够有效地将LED波导模式和光子带结构的散射带重叠，以实现它们之间的强耦合。然而，在厚中心LED内部的各向同性发射的情况下，会建立许多波导模式。在这种情况下，光子晶体的散射带可以设计成与所有的捕获模式重叠。然而，通过使用微空腔而使光准直，减小了建立起来的波导模式的数量。随后，可以优化设计光子带结构，以有效地提取更紧密间隔的且在LED中捕获的更少数量的模式。

本发明的另一方面是制造上述锥形结构类型的光子带结构LED的简单方法。图4A到4I示出了可能的制造工艺。最初，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或其它类似技术(例如MBE)在晶格匹配的衬底410上生长n掺杂的GaN或InGaN层401。通常所使用的衬底是蓝宝石、GaN和SiC。在本发明的优选实施例中，由材料例如InGaN或AlGaN形成的蚀刻停止层409埋置在n-GaN层中。n-GaN或InGaN层在蚀刻停止上方继续生长为层408。在p型GaN层403之后生长多个GaN-InGaN量子阱402。图4A示出了该阶段生产的完整的LED异质结构叠层。

随后如图4B所示，在p-GaN层403的顶部上沉积镜404。该反射器可以是金属性的，其包括通过溅射或蒸发沉积的适当金属层，例如银或金。可选地，反射器可以包括分布的反馈反射器(DBR)或全向反射器(ODR)形式的电介质多层叠层。可以通过使用例如PECVD的技术的溅射来沉积这种结构。

如图4C所示，随后将图4B的异质结构接合到衬底405。因为能够允许良好的热和电传导率，因此衬底405优选为金属合金，但可以包括其它材料例如SiC或Si。在接合操作之前，可以在镜404上沉积附加层以有助于接合处理。

在最后的常规制备步骤中，接着使用激光剥离或其它类似的技术移除蓝宝石衬底410，以得到图4D示出的异质结构。虽然通常缺少蚀刻停止层，但这种结构可以形成最终完整的常规器件。激光剥离处理使n-GaN层401的表面粗糙(一般为50nm到300nm的量级)。在更常规的器件中，可以使该表面进一步变粗糙以改善光提取。在本发明的一个方面，与表面粗糙度相比，光子带结构锥形的尺寸更大，因此在图案化之前不需要抛光该表面。

图4E到4I示出了制备根据本发明的器件需要的其它处理步骤，如图4I所示。

图4E示出了掩模层的沉积。尤其示出了可选的方法步骤，由此，沉积硬掩模层406，用于随后将期望的图案转印到n-GaN层401。这可以包括通过PECVD沉积的SiO₂或Si₃N₄或者可以是通过溅射或蒸发而沉积的金属。随后在硬掩模406上沉积光刻胶层407。然而，在某些情况下，可以不用硬掩模层，而是在n-GaN层401上直接沉积光刻胶层407。

由于锥形的特征在于尺寸大，可以使用标准的UV光刻曝光该光刻胶层407，从而以期望的瓦状排列将其图案化。曝光区域的横向形状可以符合期望的锥形的横截面形状，或者可以是其他更简单的形状，例如方形。随后显影该曝光的光刻胶，留下对应于锥形顶点期望位置的隔离岛材料，如图4F所示。如果存在硬掩模406，则使用RIE、ICP或者类似的工艺将其干蚀刻。该步骤将图案从光刻胶407转印到硬掩模406，如图4G所示。之后剥去剩下的光刻胶407。

在这之后，使用各向异性的湿蚀刻结晶地湿蚀刻n-GaN层401，如图4H所示。湿蚀刻GaN的优选方法是使用蚀刻室温度(bathtemperature)为从室温到100℃范围的、浓度从1M到8M范围的KOH溶液。蚀刻时间范围大约为45分钟。可选择的湿蚀刻剂包含NaOH或H₃PO₄。

通过蚀刻工艺形成的六角锥形的晶面是GaN晶体的{10-1-1}面。它们与锥形底部形成58.4°角。存在蚀刻停止层409允许精确控制锥形的高度，由此也能够精确控制锥形的底部直径。最后，如果使用硬掩模406，则使用适当的湿或干蚀刻工艺将其移除，留下图4I示出的最终结构。

图7A示出了通过这种工艺生产的其中一个锥形的SEM显微图。在这种情况下，使用优选的制备实施例隔离并形成锥形体，其具有701示出的晶体{10-1-1}面。图7B示出了这种锥形体的光子准晶体瓦状的SEM显微图，已经使用优选的制备技术在n-GaN的顶表面中蚀刻了该锥形体。该锥形体以正三角形瓦状排列，并且图7B示出的构造线表示下面的瓦状方形和三角形，而圆形突出了准晶体图案的顶点。

在优选实施例中，包括层401、409和408的复合的n-GaN上部区域位于发光结构的上方。因此，光从层402发出并且在最终通过区域401出射之前其经受了多重内反射。

为了形成高质量的量子阱(QW)层，需要厚的n-GaN生长区域来减少缺陷密度，从而改善LED的内部量子效率。出于方便制造的考虑，上部区域(层401、409和408)充当易受损的QW区域402的保护层，在湿蚀刻锥形期间防止损坏并最小化QW区域中的表面再结合。通过减小了最大的有效发光面积，进入QW区域中的蚀刻还不利地影响了LED的总发光输出。

另外，对于光提取的改善，所需要的锥形尺寸为具有以2.5μm节距集中的1.75μm量级的直径。该尺寸限制了层401的最小厚度，因此优选锥形位于厚的n-GaN层中。而且，为了改善光提取，通过蚀刻减小LED中波导区域的总厚度减少了异质结构中的捕获模式数。这允许光子带结构重叠更大百分比的捕获模式，从而产生了改善的光提取，如图8所示。另外，n-GaN还是高传导性的，且这种特性使得将被沉积在光子带结构顶表面上的单独电流传播层的需要最小化，该需要将不利地影响器件的光提取。

图5A、5B和5C示出了数字模拟的结果，其说明了典型的锥形光子带结构器件的性能。z轴示出了与具有反射器的未图案化的LED比较的总提取增强因素。沿作为填充分数(％)函数的x轴501和沿作为光子带结构的节距(nm)的函数的y轴502绘制结果图。填充分数被定义为直径/节距＊100。

图5A示出了与具有底部反射器的未图案化的LED比较的锥形光子晶体在中心30°椎体中的提取增强，其为晶格常数a和填充分数的函数。对于节距为2500nm和填充分数为75％且利用了位于在d＝0.6/λ_n～131nm位置处的QW区域下面的优化微空腔设计来说，该结果示出了最大增强为5.45。这些参数相当于间隔2.5μm节距的具有大约1.9μm锥形直径的器件。

使用2D有限差分时域方法进行该模拟。重要的是要注意，这些模拟并没有包括从2D空间地转换到3D模拟的数字差异，因此可以希望实验结果提供甚至更大的提取值。

图5B示出了与具有底部反射器的未图案化的LED相比的、作为晶格常数和填充分数的函数的总提取增强。与图5A一样，该结果突出了：最佳操作范围出现在节距为2500nm，填充分数为75％和利用位于QW下面的优化微空腔设计。

最后，图5C表示对于具有锥形光子晶体结构的器件的在30°锥体中的光的百分比。可以看出，可以将器件发射的光的高达45％指向垂直于器件表面具有30°半角的中心锥体。与Lambertian发光器件相比较，这相当于84％以上的光在该指向性的锥体中。增加的指向性归因于锥形的有序排列以及良好定义的锥形侧壁角。与规则的直侧壁、蚀刻的、空间杆状(air rod)光子晶体LED相比较，有角度的侧壁在30度锥体中提供了大约增加30％的光。

图6A和6B是通过平面中的光分布的横截面，其示出了有代表性的远场图案。该结果被绘制为沿x轴的远场角601的函数，并且表示了光强度602被标准化为具有底部反射器的未图案化的LED的光强度。相对于LED表面的垂线地定位该远场图案。图6A示出了晶格常数为1500nm和锥形直径为1120nm的LED的远场图案，与具有反射器和优化的微空腔的发光器件相比，其给出了x2.67的总提取增强。30°锥体的增强是x4.57且30°锥体包含总光提取光的40.5％。

图6B示出了晶格常数为2500nm和锥形直径为1870nm的LED的远场图案，除具有反射器和优化的微空腔的发光器件之外其给出了x3.61的总提取增强。30°锥体的增强为x5.45且30°锥体包含35.8％的总光。与Lambertian发光器件相比较，这相当于在指向性锥体中增加了46％的光。

对于配置为与简单的Lambertian发射器、包括蚀刻的空间杆状的第一有序光子晶体LED、和包括蚀刻锥形的锥形光子晶体LED相同的绿色GaN LED来说，下面的表1示出了窄30°锥角的发射光与总发射光的百分比的比较关系。在光子晶体器件的情况下，优化尺寸以提取30°锥体中的最大百分比的光。第一有序光子晶体尺寸包括具有节距350nm的晶格空间杆状，空间杆状的直径大约为210nm和蚀刻深度大约为120nm，而锥形光子晶体尺寸为如上所述。

表1

器件类型	LambertianLED	光子晶体LED	锥形光子晶体LED
器件类型	LambertianLED	光子晶体LED	锥形光子晶体LED	30°锥体中的光百分比	24.9	34.9	45.0

可以看出，由于使用了更优的结构，会得到增加的指向性。

图8A和8B表示当用微空腔发光器件优化光子带结构时可实现的增加的光提取。在本实例中，将节距为500nm和具有简单反射器的规则光子晶体与具有相同节距但还具有微空腔反射器的锥形光子晶体相比较。在图8A和8B中，将总光增强802绘制为光子晶体填充分数801的函数。

图8A中，实线803表示被标准化为具有反射器的未图案化LED的输出的光子晶体的总的提取增强。虚线804表示当与具有反射器的未图案化LED比较时具有微空腔和反射器两者的光子晶体的总的光提取增强。图8B突出了由微空腔效果得到的增加的提取。虚线805示出了当包括微空腔时、被标准化为具有反射器和微空腔的未图案化LED的光子晶体的增强的提取效果，与此相比，实线803示出了当被标准化为仅具有简单反射器的未图案化LED的结果时的同一器件的结果。从而可以清楚地看出归因于组合效果的区别的增强。

图9示例了减小锥形和倒锥形两种类型的光子带结构发光异质结构区域的厚度的效果。绘制了与具有反射器的无遮蔽平坦LED相比较的光提取902的增强与以纳米改变LED异质结构中心厚度901的关系。清楚地看出，随着异质结构厚度减小，光提取量增加。在本实例的情况下，对于所有异质结构厚度固定光子晶体图案尺寸和几何图形，而且不使用微空腔效应。因此，明显地，对于光提取，由于随后会减小LED的有效厚度，因此将锥形结构蚀刻为异质结构是有利的。

在本发明的另一优选实施例中，提出新颖的高度有序的倒锥形光子晶体(PC)或准晶体图案，与第一有序光子晶体图案相比较，其提供了增强的光提取。该PC设计还允许调整由器件发射的远场光分布。倒锥形的PC子区域和它们良好定义的瓦状排列使得能够以比Lambertian光源更准直的光束来从器件提取光。还将描述制造这种器件的简单工艺。

在倒锥形直径方面，高度有序的PC尺寸大于1.0μm，并且可以大于1.5μm或2.0μm，可以达到但不限制于3.0μm、3.5μm和4.0μm的尺寸。其取决于远场图案、LED厚度和在GaN异质结构的光产生区域内部的量子阱位置而改变。

图10说明了提出的发光器件的横截面，其包括以周期性的、准晶体、无定形的或其它复杂有序或重复的瓦状排列在n掺杂的GaN或InGaN层中蚀刻的锥形1001。设计该倒锥形瓦状排列以提供散射带，其允许捕获光耦合为锥形晶体的Bloch模式。一旦光被耦合为Bloch模式，光子晶体提供了将光向外耦合到自由空间的方法。

图10示出的器件包括发光异质结构，其包括n-GaN或InGaN顶层1002和下p型GaN或InGaN层1004，在这些层之间具有多个量子阱(MQW)结构1003。在p型层104的下面，存在反射器层1005，它可以是例如银的金属反射器的形式或是DBR或全向反射器(ODR)形式。发光结构由载体衬底或底板1006支撑。在优选实施例中，载体衬底包括具有高热传导率的导电材料(例如金属或金属合金)或可选择的硅或碳化硅。

另外，光子晶体可以包括具有缺陷的区域，就是说在该区域中移除了倒锥形或者更改了倒锥形的形状或大小。子区域也可以包括具有未蚀刻尖顶点区域的倒锥形，产生了平顶(平顶)倒锥形。

该图案化的特征可以在于多个参数，其包括晶格节距a，被定义为分隔两个相邻的倒锥形中心的距离，和形成在GaN晶格的水平晶面和锥形结晶暴露面之间的角θ。在本发明的一个方面中，使用蚀刻停止层1007控制蚀刻深度。这允许精确控制底部处的倒锥形的直径。对于给定的蚀刻深度d，锥形底部的直径Φ为：

φ＝2×d/tan(θ) (5)

本发明的另一方面是制造上述倒锥形类型的光子带结构LED的简单方法。图11A到11J示出了可能的制造工艺的两种变化。最初，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或其它类似技术(例如MBE)在晶格匹配的衬底1110上生长n掺杂的GaN或InGaN层1101。通常所使用的衬底是蓝宝石、GaN和SiC。在本发明的优选实施例中，由材料例如InGaN或AlGaN形成的蚀刻停止层409埋置在n-GaN层中。n-GaN或InGaN层在蚀刻停止上方继续生长为层1108。在p型GaN层1103之后生长多个GaN-InGaN量子阱1102。图11A示出了该阶段生产的完整的LED异质结构叠层。

随后如图11B所示，在p-GaN层1103的顶部上沉积镜1104。该反射器可以是金属性的，其包括通过溅射或蒸发沉积的适当金属层，例如银或金。可选地，反射器可以包括分布的反馈反射器(DBR)或全向反射器(ODR)形式的电介质多层叠层。可以通过使用例如PECVD的技术的溅射来沉积这种结构。

如图11C所示，随后将图11B的异质结构接合到衬底1105。因为能够允许良好的热和电传导率，因此衬底1105优选为金属合金，但可以包括其它材料例如SiC或Si。在接合操作之前，可以在镜1104上沉积附加层以有助于接合处理。

在最后的常规制备步骤中，接着使用激光剥离或其它类似的技术移除蓝宝石衬底1110，以得到图11D示出的异质结构。虽然通常缺少蚀刻停止层，但这种结构可以形成最终完整的常规器件。激光剥离处理使n-GaN层1101的表面粗糙(一般为50nm到300nm的量级)。在更常规的器件中，可以使该表面进一步变粗糙以改善光提取。在本发明的一个方面，与表面粗糙度相比，光子带结构锥形的尺寸更大，因此在图案化之前不需要抛光该表面。

图11E到11I或11J示出了制备根据本发明的最终器件需要的其它处理步骤，如图11I和11J所示。对于其最终步骤示出在图11I中的处理的实施例，在前述步骤11A到11H中不存在蚀刻停止层1109，但对于获得图11J示出的器件的处理的实施例，则存在蚀刻停止层1109。

图11E示出了掩模层的沉积。尤其示出了可选的方法步骤，由此，沉积硬掩模层1106，用于随后将期望的图案转印到n-GaN层1101。这可以包括通过PECVD沉积的SiO₂或Si₃N₄或者可以是通过溅射或蒸发而沉积的金属。随后在硬掩模1106上沉积光刻胶层1107。然而，在某些情况下，可以使用硬掩模层，且在n-GaN层1101上直接沉积光刻胶层1107。

由于倒锥形的特征在于尺寸大，可以使用标准的UV光刻曝光该光刻胶层1107，从而以期望的瓦状排列将其图案化。曝光区域的横向形状可以符合期望的倒锥形的横截面形状，或者可以是其他更简单的形状，例如方形。随后显影该曝光的光刻胶，留下对应于倒锥形顶点期望位置的隔离岛材料，如图11F所示。如果存在硬掩模1106，则使用RIE、ICP或者类似的工艺将其干蚀刻。该步骤将图案从光刻胶1107转印到硬掩模1106，如图11G所示。之后剥去剩下的光刻胶1107。

在这之后，使用各向异性的湿蚀刻结晶地湿蚀刻n-GaN层1101，如图11H所示。湿蚀刻GaN的优选方法是使用蚀刻室温度为从室温到100℃范围的、浓度从1M到8M范围的KOH溶液。蚀刻时间范围大约为45分钟。可选择的湿蚀刻剂包含NaOH或H₃PO₄。通过蚀刻工艺形成的六角倒锥形的晶面是GaN晶体的{10-1-1}面。它们与锥形底部形成58.4°角。最后，如果使用硬掩模1106，则使用适当的湿或干蚀刻工艺将其移除，留下图11I示出的最终结构。

主要通过蚀刻的硬掩模区域的尺寸确定倒锥形的绝对尺寸。硬掩模的周边将提供蚀刻停止阻挡且允许GaN的顶表面(c面)向下蚀刻形成倒锥形。倒锥形的标准化直径将等于在蚀刻的硬掩模区域的周边上任意两点之间对向(subtend)的最大距离。其次，还通过不同晶面的选择性蚀刻率和随之发生的总蚀刻时间来确定倒锥形的直径。

在可选的实施例中，存在埋置在位于层1101和1108之间的n掺杂材料中的蚀刻停止层1109。蚀刻停止层包括例如AlGaN、InGaN的材料，但也可以使用其它适合的材料。当蚀刻时间确定了倒锥形的绝对直径时，蚀刻停止层1109的存在允许形成截断的倒锥形(倒平顶锥形)，还允许精确控制锥形结构的高度。图11J示出了蚀刻并移除硬掩模之后的最终结构。图11J中的插图示出了截断的倒锥形结构的放大顶视图。

图14示出了用该方法生产的其中一个倒锥形的SEM显微图。在这种情况下，使用优选的制备实施例隔离并形成锥形体，其具有701示出的晶体{10-1-1}面。

在优选实施例中，包括层1101、1109和1108的复合的n-GaN上部区域位于发光结构的上方。因此，光从层1102发出并且在最终通过区域1101出射之前其经受了多重内反射。

为了形成高质量的量子阱(QW)层，需要厚的n-GaN生长区域来减少缺陷密度，从而改善LED的内部量子效率。出于方便制造的考虑，上部区域(层1101、1109和1108)充当易受损的QW区域1102的保护层，在湿蚀刻倒锥形期间防止损坏并最小化QW区域中的表面再结合。通过减小了最大的有效发光面积，进入QW区域中的蚀刻还不利地影响了LED的总发光输出。

另外，对于光提取的改善，所需要的倒锥形尺寸为具有以2.5μm节距集中的1.75μm量级的直径。该尺寸限制了层1101的最小厚度，因此优选倒锥形位于厚的n-GaN层中。而且，为了改善光提取，通过蚀刻减小LED中波导区域的总厚度减少了异质结构中的捕获模式数。这允许光子带结构重叠更大百分比的捕获模式，从而产生了改善的光提取，如图15所示。另外，n-GaN还是高传导性的，且这种特性使得将被沉积在光子带结构顶表面上的单独电流传播层的需要最小化，该需要将不利地影响器件的光提取。

图12A、12B和12C示出了数字模拟的结果，其说明了典型的倒锥形光子带结构器件的性能。z轴示出了与具有反射器的未图案化的LED比较的总提取增强因素。沿作为光子带结构的节距(nm)的函数的y轴1202绘制结果图。填充分数被定义为直径/节距＊100。

图12A示出了与具有底部反射器的未图案化的LED比较的倒锥形光子晶体在中心30°椎体中的提取增强，其为晶格常数a和填充分数的函数。对于节距为1500nm和填充分数为100％且利用了位于在d＝0.6/λ_n～131nm位置处的QW区域下面的优化微空腔设计来说，该结果示出了最大增强为4.90。这些参数相当于间隔1.5μm节距的具有大约1.5μm倒锥形直径的器件。

与锥形实例一样，使用2D有限差分时域方法进行该模拟，因此在这种情况下还可以希望实验结果提供甚至更大的提取值。

图12B示出了与具有底部反射器的未图案化的LED相比的、作为晶格常数和填充分数的函数的总提取增强。与图12A一样，该结果突出了：最佳操作范围出现在节距为1500nm，填充分数为100％和利用位于QW下面的优化微空腔设计。

最后，图12C表示对于具有倒锥形光子晶体结构的器件的在30°锥体中的光的百分比。可以看出，可以将器件发射的光的高达39％指向垂直于器件表面具有30°半角的中心锥体。与Lambertian发光器件相比较，这相当于增加了57％的光在该指向性的锥体中。增加的指向性归因于倒锥形的有序排列以及良好定义的倒锥形侧壁角。与规则的直侧壁、蚀刻的、空间杆状光子晶体LED相比较，有角度的侧壁在30度锥体中提供了大约增加15％的光。

图13是通过对于倒锥形的平面中的光分布的横截面，其示出了有代表性的远场图案。该结果被绘制为沿x轴的远场角1301的函数，并且表示了光强度1302被标准化为具有底部反射器的未图案化的LED的光强度。相对于LED表面的垂线地定位该远场图案。图13示出了晶格常数为1500nm和锥形直径为1500nm的LED的远场图案，除具有反射器和优化的微空腔的发光器件之外，其给出了x2.98的总提取增强。30°锥体的增强是x4.85且30°锥体包含总光提取光的48.6％。

对于配置为与简单的Lambertian发射器、包括蚀刻的空间杆状的第一有序光子晶体LED、和包括蚀刻倒锥形的倒锥形光子晶体LED相同的绿色GaN LED来说，下面的表2示出了窄30°锥角的发射光与总发射光的百分比的比较关系。在光子晶体器件的情况下，优化尺寸以提取30°锥体中的最大百分比的光。第一有序光子晶体尺寸包括具有节距350nm的晶格空间杆状，空间杆状的直径大约为210nm和蚀刻深度大约为120nm，而倒锥形光子晶体尺寸为如上所述。

表2

器件类型	LambertianLED	光子晶体LED	锥形光子晶体LED
器件类型	LambertianLED	光子晶体LED	锥形光子晶体LED	30°锥体的光百分比	24.9	34.9	38.6

可以看出，由于使用了更优的结构，会得到增加的指向性。

图15A和15B表示当用微空腔发光器件优化光子带结构时可实现的增加的光提取。在本实例中，将节距为500nm和具有简单反射器的规则光子晶体与具有相同节距但还具有微空腔反射器的倒锥形光子晶体相比较。在图15A和15B中，将总光增强1502绘制为光子晶体填充分数1501的函数。

图15A中，实线1503表示被标准化为具有反射器的未图案化LED的输出的光子晶体的总的提取增强。虚线1504表示当与具有反射器的未图案化LED比较时具有微空腔和反射器两者的光子晶体的总的光提取增强。图15B突出了由微空腔效果得到的增加的提取。虚线1505示出了当包括微空腔时、被标准化为具有反射器和微空腔的未图案化LED的光子晶体的增强的提取效果，与此相比，实线1503示出了当被标准化为仅具有简单反射器的未图案化LED的结果时的同一器件的络果。从而可以清楚地看出归因于组合效果的区别的增强。

技术人员应该意识到，本发明允许要实现的高效的和方向性的发光器件，因此实际上将它们作为可以存在光源的可选(固态)光源。本发明指出了锥形突起的详细设计和倒锥形蚀刻和它们的瓦状排列，其产生了能够优化有效光接入，同时允许控制器件发射光的传播和远场特性的光子带。通过提供制造该器件的简单的图案化和蚀刻工艺进一步提高该器件的实用性，而且它可以容易地用于补充制造更多常规器件的现有技术。

Claims

1.一种发光器件(LED)，包括：

第一层，包括具有第一类型掺杂的第一半导体材料；

第二层，包括具有第二类型掺杂的第二半导体材料；和

位于第一和第二层之间的光产生层，

其中第一层具有远离光产生层的上表面和接近光产生层的下表面，且其中在光产生层中产生的光穿过第一层的上表面从LED结构射出，第一层还包括第一半导体材料的自上表面的锥形或者平顶锥形突起的瓦状排列，其被具有与第一半导体材料不同折射率的材料包围，其中突起的瓦状排列和周围材料包括光子带结构，且其中突起和它们的瓦状排列被配置为使得穿过上表面从LED结构射出的光大体上比Lambertian光源的光更具有指向性。

2.一种发光器件(LED)，包括：

第一层，包括具有第一类型掺杂的第一半导体材料；

第二层，包括具有第二类型掺杂的第二半导体材料；和

位于第一和第二层之间的光产生层，

其中第一层具有远离光产生层的上表面和接近光产生层的下表面，且其中在光产生层中产生的光穿过第一层的上表面从LED结构射出，第一层还包括从所述上表面向光产生层延伸的第一半导体材料中的倒锥形或者倒平顶锥形缺口的瓦状排列，且包括具有与第一半导体材料不同折射率的材料，其中缺口的瓦状排列和周围第一半导体材料包括光子带结构，且其中设置缺口和它们的瓦状排列，使得穿过上表面从LED结构射出的光大体上比Lambertian光源的光更具有指向性。

3.根据权利要求1或2的LED，其中所述瓦状排列包括光子晶体、光子准晶体或无定形瓦状图案。

4.根据权利要求3的LED，其中瓦状排列包括光子晶体、光子准晶体、或无定形瓦状图案的重复单元。

5.根据前述任一权利要求的LED，其中瓦状排列包括缺陷。

6.根据权利要求1至5中任一项的LED，其中突起或缺口具有大于1.0μm的尺寸。

7.根据权利要求1至5中任一项的LED，其中突起或缺口具有大于1.5μm的尺寸。

8.根据权利要求1至5中任一项的LED，其中突起或缺口具有大于2.0μm的尺寸。

9.根据权利要求1至5中任一项的LED，其中突起或缺口具有大于2.5μm的尺寸。

10.根据权利要求1至9中任一项的LED，其中瓦状排列的节距大于1.5μm。

11.根据权利要求1至9中任一项的LED，其中瓦状排列的节距大于2.0μm。

12.根据权利要求1至9中任一项的LED，其中瓦状排列的节距大于2.5μm。

13.根据权利要求1至9中任一项的LED，其中瓦状排列的节距大于3.0μm。

14.根据前述任一权利要求的LED，还包括邻近第二半导体材料的第二层布置的光反射器，使得第二层位于光产生层和反射器之间。

15.根据权利要求14的LED，其中光产生层和光反射器之间的间隔距离包括微空腔，其增加了向第一层的上表面传播的产生光的量。

16.根据权利要求15的LED，其中设置突起或缺口和它们的瓦状排列被配置为优化地与微空腔效应配合以进一步增强从LED的光提取的效率。

17.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的35％以上在与表面法线具有30°半角的锥体内。

18.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的37％以上在与表面法线具有30°半角的锥体内。

19.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的38％以上在与表面法线具有30°半角的锥体内。

20.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的40％以上在与表面法线具有30°半角的锥体内。

21.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的分布集中在与上表面成小于或等于60°的角处。

22.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的分布集中在与上表面成小于或等于50°的角处。

23.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的分布集中在与上表面成小于或等于40°的角处。

24.根据权利要求1至16中任一项的LED，其中穿过上表面从LED结构射出的光的分布集中在与上表面成小于或等于30°的角处。

25.根据前述任一权利要求的LED，其中第一层包括在第一半导体材料的预定深度处埋置的蚀刻停止材料层，以使得由第一半导体材料形成的突起从蚀刻停止材料层的表面延伸或者使得第一半导体材料中的缺口仅延伸到蚀刻停止材料层的表面。

26.根据前述任一权利要求的LED，其中第一半导体材料包括n掺杂的GaN且第二半导体材料包括p掺杂的GaN。

27.一种制备具有根据权利要求1的突起的第一层的发光器件(LED)的方法，该方法包括如下步骤：

在第一层上方沉积光刻胶层；

根据预定瓦状排列通过曝光来图案化光刻胶；和

28.根据权利要求27的方法，其中形成蚀刻掩模的步骤还包括如下步骤：

在移除光刻胶的步骤之后移除硬掩模材料，以留下在光刻胶岛下面的硬掩模材料岛；和

移除剩余的光刻胶岛以留下蚀刻掩模，所述蚀刻掩模包括在对应于预定瓦状排列位置处的硬掩模材料的岛。

29.一种制备具有根据权利要求2的缺口的第一层的发光器件(LED)的方法，该方法包括如下步骤：

在第一层上方沉积光刻胶层；

根据预定瓦状排列通过曝光来图案化光刻胶；和

30.根据权利要求29的方法，其中形成蚀刻掩模的步骤还包括如下步骤：

31.根据权利要求27至30中任一项的方法，其中发光器件异质结构的第一层包括在第一半导体材料中在预定深度处埋置的蚀刻停止材料层。

32.根据权利要求31的方法，其中所述预定深度对应于发光器件的期望厚度。

33.根据权利要求31的方法，其中所述预定深度对应于平顶锥形突起或倒平顶锥形缺口的期望形状。

34.根据权利要求27至33中任一项的方法，其中使用倒装芯片工艺制备发光器件异质结构。