CN103636008B - 具有光耦合层的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光装置，所述发光装置包括n型半导体材料的第一层、p型半导体材料的第二层、以及在第一层与第二层之间的有源层。光耦合层与第一层和第二层中的一个相邻。在某些情况下，通过对发光装置的缓冲层进行粗糙化来形成光耦合层。所述发光装置包括电极，其通过光耦合层的一部分与所述第一层或所述第二层中的一个电连通。

Description

具有光耦合层的发光装置
交叉引用
本申请要求于2011年9月29日申请的美国专利申请No.13/249,184的优先权，并以其全部内容通过参考的方式并入本文。
背景
照明应用通常使用白炽灯或充气式灯泡。这种灯泡的使用寿命通常不长，被因此需要经常更换。充气式灯管（例如荧光灯或霓虹灯管）具有较长的使用寿命，但使用高电压才能工作并且相对昂贵。另外，灯泡与充气式灯管都会消耗大量能量。
发光二极管（LED）是依靠电子与空穴的复合来发光的装置。LED通常包括掺杂杂质来建立p-n结的半导体材料芯片。电流从p侧或阳极流向n侧或阴极。电荷载体—电子与空穴—从具有不同电压的电极流入p-n接面。当电子遇到空穴时，电子以可导致以光子（hν）形式的能量辐射发射的过程来与空穴进行复合。光子或光从LED射出并且用于各种应用，例如照明应用以及电子应用。
相较于白炽灯或充气式灯泡，LED相对便宜、以低电压工作、并具有长的工作寿命。此外，LED消耗相对较少的功率并且体积小。这些属性使LED对于许多应用而言是特别期望并且适用的。
尽管LED的这些优点，然而这种装置还是伴随许多限制。这些限制包括会限制LED效率的材料限制、会限制LED所产生光发射出该装置的结构限制、以及会导致高处理成本的制造限制。因此，存在改善的LED以及制造LED的方法的需要。
发明内容
在本发明的一方面，提供包括发光二极管（LED）的发光装置。在实施例中，发光装置包括基板、与该基板相邻的p型III-V族半导体层、与该p型III-V族半导体层相邻的有源层、以及与该有源层相邻的n型III-V族半导体层。光耦合结构与该n型III-V族半导体层相邻。光耦合结构包括一种或多种III-V族半导体材料。电极通过该光耦合结构的一部分与n型半导体层电连通。在某些情况下，该光耦合结构的至多一部分由该n型III-V族半导体层形成。
在另一实施例中，发光二极管包括基板以及与该基板相邻的第一层。该第一层包括p型III-V族半导体与n型III-V族半导体中的一个。与该第一层相邻的第二层包括活性材料，该活性材料被配置成当电子与空穴复合时产生光。与该第二层相邻的第三层包括p型III-V族半导体与n型III-V族半导体中的另一个。与第三层相邻的光耦合结构包括一种或多种III-V族半导体材料。在某些情况下，该光耦合结构的至多一部分由第三层所形成。与该第三层相邻的电极与该第三层电连通。在某些情况下，该电极与第三层直接接触。
在另一实施例中，发光装置包括n型半导体材料的第一层以及p型半导体材料的第二层。有源层位于第一层与第二层之间。与该第一层或该第二层相邻的光耦合层包括缓冲材料层。该光耦合层的至多一部分可由该第一层或该第二层所形成。在某些情况下，该光耦合层并非由该第一层或该第二层所形成。电极通过该光耦合层的至少一部分与该第一层或该第二层电连通（例如欧姆接触）。
在另一实施例中，发光装置包括n型III-V族半导体层和p型III-V族半导体层，以及在n型III-V族半导体层与p型III-V族半导体层之间的有源层。与该n型III-V族半导体层和该p型III-V族半导体层中之一相邻的光耦合结构包括一层或多层含铝层。该光耦合结构的至多一部分由该n型III-V族半导体层和该p型III-V族半导体层之一所形成。电极通过该光耦合结构的一部分与该n型III-V族半导体层和该p型III-V族半导体层中的一个电连通。
在本发明的另一方面，提供形成包括发光二极管的发光装置的方法。在一实施例中，形成发光装置的方法包括在反应室内（或如果该反应室包括多个反应空间，则在反应空间中）提供基板，该基板具有在该基板之上的光耦合层，并且在该光耦合层的一部分上形成电极。该光耦合层可包括一种或多种III-V族半导体材料。该电极被形成为与相邻于该光耦合层的n型半导体层和p型半导体层之一电连通。该光耦合层的至多一部分由相邻于有源层而形成的n型半导体层和p型半导体层之一来形成。该有源层与该n型半导体与该p型半导体层中的另一个相邻而形成。该n型半导体层与该p型半导体层中的另一个与该基板相邻而形成。
在另一实施例中，用于形成发光装置的方法包括在反应室中提供基板，该基板具有在该基板之上的缓冲层，并且粗糙化该缓冲层以形成光耦合层，其中该光耦合层形成为与n型半导体层和p型半导体层中的一个相邻。该光耦合层由该n型半导体层和该p型半导体层的形成相邻于有源层的所述一个的至多一部分来形成。该有源层形成为与n型半导体层与p型半导体层中的另一个相邻。该n型半导体层与该p型半导体层中的另一个形成为与基板相邻。
在另一实施例中，形成发光装置的方法包括在反应室中形成与第一基板相邻的缓冲层，该缓冲层具有含铝的III-V族半导体材料。n型III-V族半导体层与该缓冲层相邻形成，并且有源层与该n型III-V族半导体层相邻形成。p型III-V族半导体层与该有源层相邻形成。然后提供第二基板，其与p型III-V族半导体层相邻。去除该第一基板以暴露出该缓冲层。然后将该缓冲层粗糙化，以形成与该n型III-V族半导体层相邻的光耦合层。在该光耦合层的一部分之上提供电极。
根据以下详细描述，本领域技术人员可易于理解本发明的其它方面与优点，其中仅示出和描述了本发明的说明性实施例。如所了解，在不背离本发明的情况下，本发明可包括其它及不同的实施例，并且许多细节都可在各种显而易见的方面进行修改。因此，附图与描述仅供说明而不做限制。
如果通过参考特别并且单独指示并入参考每一单个公开、专利或专利申请，本文将说明书中提到的所有公开、专利以及专利申请都并入作为参考。
附图说明
参照以下阐述运用本发明原理的说明性实施例的以下详细描述将获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中附图为：
图1示意性示出发光二极管；
图2示意性示出根据实施例的具有光耦合层的发光装置；
图3示意性示出根据实施例的具有光耦合结构的发光装置；
图4示意性示出根据实施例的发光装置；
图5示出根据实施例的形成发光装置的方法；以及
图6示出根据实施例的形成发光装置的系统。
具体实施方式
虽然本文已示出并描述了本发明的许多实施例，然而对于本领域技术人员而言显而易见的是仅通过示例的方式来提供这些实施例。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可了解许多变化、变更以及替换。应理解的是，对本文所描述的本发明实施例的各种替换都可用来实施本发明。
本文使用的术语“发光装置”指的是被配置成根据电子与空穴在装置的发光区域（或“有源层”）中复合（例如根据正偏向电流通过发光区域的应用（或流动）），来产生光的装置。在某些情况下，发光装置是一种将电能转换成光的固态装置。发光二极管（“LED”）为一种发光装置。目前有许多不同的LED装置结构是由不同材料制成，并具有不同结构，并以许多方式来执行。一些发光装置（激光二极管）发出激光，而另一些则产生非单色光。一些LED适于执行特定应用。LED可以是所谓的蓝光LED，其包括具有氮化铟镓的多量子阱（MQW）有源层。蓝光LED可发出波长范围从大约440纳米至大约500纳米的非单色光。可提供吸收所发出蓝光的一些的荧光涂层。荧光体转而发荧光，以发出其它波长的光，以使得整个LED装置所发出的光具有较宽的波长范围。
本文所使用的术语“层”指的是基板上原子或分子的层。在某些情况下，层包括一层外延层或多层外延层。层可包括膜或薄膜。在某些情况下，层为装置（例如发光二极管）的用于预定装置功能的结构组件，例如有源层被配置成产生（或发出）光。层的厚度通常从大约一个单原子单层（ML）至数十单层、数百单层、数千单层、数百万单层、数十亿单层、数万亿单层或更多。在示例中，层为厚度大于一个单原子单层的多层结构。此外，层可包括多个材料层（或子层）。在示例中，多量子阱有源层包括多个阱层和势垒层。层可包括多个子层。例如，有源层可包括势垒子层与阱子层。
本文所使用的术语“覆盖率”指的是由一物覆盖或占用的表面相对于总的表面积的分数。例如：一物10%的覆盖率表示10%的表面由该物所覆盖。在某些情况下，覆盖率由单层（ML）表示，其中1ML对应于由特定物使表面完全饱和。例如，0.1ML的凹陷覆盖率表示10%的表面由凹陷所覆盖。
本文所使用的术语“有源区”（或“有源层”）指的是被配置成产生光的发光二极管（LED）的发光区。有源层包括活性材料，该活性材料例如在正偏压电流通过有源层的帮助下在电子与空穴复合时产生光。有源层可包括一个或多个层（或子层）。在某些情况下，有源层包括一层或多层势垒层（或包覆层，例如GaN）以及一层或多层量子阱（“阱”）层（例如InGaN）。在示例中，有源层包括多量子阱，在该情况下，有源层可称为多量子阱（MQW）有源层。
本文所使用的术语“掺杂”指的是被掺杂的结构或层。层可掺杂有n型化学掺杂物（本文也称为“n掺杂”）或p型化学掺杂物（本文也称为“p掺杂”）。在某些情况下，层未被掺杂或非故意性掺杂（本文也称为“u掺杂”或“u型”）。在示例中，u-GaN（或u型GaN）层包括未掺杂或非故意性掺杂的GaN。
本文所使用的术语“III-V半导体族”指的是具有一种或多种III族物以及一种或多种V族物。在某些情况下，III-V族半导体材料选自于氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、砷化铝镓（AlGaAs）、磷化镓砷（GaAsP）、磷化铝镓铟（AlGaInP）、磷化镓（GaP）、氮化铟镓（InGaN）、磷化铝镓（AlGaP）、氮化铝（AlN）、氮化铝镓（AlGaN）以及氮化铝镓铟（AlGaInN）。
本文所使用的术语“掺杂物”指的是诸如n型掺杂物或p型掺杂物的掺杂物。p型掺杂物包括但不受限于镁、铍、锌和碳。N型掺杂物包括但不受限于硅、锗、锡、锑和硒。p型半导体为掺杂由p型掺杂物的半导体。n型半导体为掺杂有n型掺杂物的半导体。n型III-V族材料（例如n型氮化镓（“n-GaN”））包括掺杂由n型掺杂物的III-V族材料。p型III-V族材料（例如p型GaN（“p-GaN”））包括掺杂有p型掺杂物的III-V族材料。III-V族材料包括选自于硼、铝、镓、铟以及铊中的至少一个III族元素，以及选自于氮、磷、砷、锑以及铋中的至少一个V族元素。
本文中所使用的术语“相邻”或“相邻于”包括“旁边”、“邻近”、“与之接触”以及“接近”。在某些情况下，相邻组件会由一层或多层介入层彼此分隔。例如，一层或多层介入层的厚度可小于大约10微米（“微米”）、1微米、500纳米（“nm”）、100nm、50nm、10nm、1nm或更小。在示例中，在第一层与第二层直接接触时，第一层相邻于第二层。在另一示例中，在第一层通过第三层而与第二层分隔时，第一层相邻于第二层。
本文中所使用的术语“基板”指的是其上要形成膜或薄膜的任何工件。基板包括但不受限于硅、锗、二氧化硅、蓝宝石、氧化锌、碳（例如石墨）、SiC、AlN、GaN、尖晶石、涂布硅、氧化物上的硅、氧化物上碳化硅、玻璃、氮化镓、氮化铟、二氧化钛和氮化铝、陶瓷材料（例如，氧化铝、AlN）、金属材料（例如，钼、钨、铜、铝）以及这些的组合（或合金）。
本文中所使用的术语“注入效率”指的是电子通过发光装置而注入到发光装置的有源区的比例。
本文中所使用的术语“内部量子效率”指的是在发光装置的能够辐射（例如产生光子）的有源区中所有电子-空穴复合的比例。
本文中所使用的术语“提取效率”指的是在发光装置的有源区中所产生的光子逃离该装置的比例。
本文中所使用的术语“外部量子效率”（EQE）指的是从LED发出的光子数与通过LED的电子数的比率。也就是说，EQE=注入效率×内部量子效率×提取效率。
本文中所使用的术语“光耦合结构”指的是配置为允许光从第一介质传输至第二介质的结构。第一介质具有第一折射率，而第二介质具有与第一折射率不同的第二折射率。光耦合结构（或层）将来自第一介质的光耦合至第二介质。
虽然硅提供了许多优点，例如使用调整用于硅的商业半导体制造技术的能力，然而基于III-V族半导体的LED在硅基板上的形成仍旧受到许多限制。例如，晶格误配以及硅与氮化镓之间热膨胀系数的误配都会导致结构应力，该结构应力在氮化镓薄膜形成时产生缺陷，例如错位。
LED可由不同的半导体装置层来形成。在某些情况下，III-V族半导体LED提供可优于其它半导体材料的装置参数（例如，光波长、外部量子效率）。氮化镓（GaN）是二元III-V族直接带隙(direct bandgap)半导体，其可运用在光电应用以及高功率和高频率装置中。
基于III-V族半导体的LED可形成在许多基板上，例如硅、锗、蓝宝石和碳化硅（SiC）。硅提供超过其它基板的各种优点，例如使用当前制造和处理技术的能力，此外使用大尺寸晶圆，有助于在预定时间段内形成的LED数量最大化。图1示出LED100，其具有基板105、与基板105相邻的一AlN层110、与AlN层110相邻的AlGaN层115、与缓冲层115相邻的n型GaN（“n-GaN”）层120、与n-GaN层120相邻的有源层125、与有源层125相邻的电子阻挡（例如AlGaN）层130、以及与电子阻挡层130相邻的p型GaN（“p-GaN”）层135。电子阻挡层130配置成在p-GaN层135中将电子与空穴的复合最小化。在某些情况下，LED100包括在AlGaN层115与n-GaN层120之间的u-GaN层。u-GaN层可提供用于强化n-GaN层120的结晶质量。基板100可由硅形成。在某些情况下，LED100包括与p-GaN层135相邻的基板140（基板2）。在这种情况下，可排除基板105。在某些情况下，AlGaN层110属于缓冲层115的一部分。
虽然硅提供许多优点，然而在硅基板上形成基于III-V族半导体的LED遭受许多限制。作为示例，晶格误配以及硅与氮化镓之间热膨胀系数的误配都会产生结构应力，这会造成LED装置中高缺陷密度以及破裂问题。作为示例，针对具有硅基板上的GaN外延层（本文也称为“外延层”）的LED，随着GaN外延层变厚，外延层中的应力增大。应力增大会导致硅晶圆弯曲与破裂。至少部分由于硅掺杂GaN内的高拉伸应力而导致破裂问题对于n掺杂硅的GaN层来说更严重。可选择硅掺杂GaN层的厚度以避免破裂。硅上III-V族半导体层的厚度限制，对于形成具有期望工作特性的基于III-V族半导体的LED提出许多挑战。
在某些情况下，借助于由与LED有源层相邻的n型半导体层的一部分所形成的光耦合层，可改善LED装置的提取效率。光耦合层将LED有源层中所产生的光从第一介质耦合到第二介质，例如从LED内的介质耦合到外部环境。然而，在光耦合层由n型半导体层形成的情况下，部分n型半导体层会为光学提取而牺牲，因此降低用于电流扩散的n型半导体层有效厚度。在这种情况下，为了有足够的粗糙度以及电流扩散，因此需要较厚的n型半导体层。然而，使用较厚的n型半导体层会使得无裂缝的装置层难以生长。
本文中提供的结构与方法的有利之处在于能够使形成的硅上基于III-V族半导体的LED装置裂缝（如果未消除）减少，而提供具有期望工作特性（例如外部量子效率）的装置。在某些实施例中，将n型III-V族半导体（例如n-GaN）层之上的粗糙化u型III-V族半导体（例如u-GaN）层用作光耦合层（或光耦合结构）。在某些情况下，在n型III-V族半导体层之上（或相邻）提供粗糙化的缓冲层。在这种情况下，n型III-V族半导体层的粗糙化可减少（如果未消除的话），由此提供最佳的电流扩散，同时有利相对薄的III-V族半导体层的使用，从而有助于避免破裂。
具有光耦合层的发光装置
在本发明的一方面中，发光装置包括基板、与基板相邻的p型半导体层、与p型半导体层相邻的有源层、以及与有源层相邻的n型半导体层。发光装置包括与n型或p型半导体层相邻的光耦合结构。在某些实施例中，最多有一部分的光耦合结构由n型或p型半导体层形成。
在某些实施例中，光耦合结构（或光耦合层）将来自具有第一折射率的第一介质的光耦合至具有第二折射率的第二介质。第一与第二折射率可不同。在某些情况下，第二折射率小于第一折射率。
在发光装置操作期间，有源层中产生的至少一些光直接朝向光耦合结构，光耦合结构在许多角度散射光，而至少一些光直接射出发光装置。因此光耦合结构有助于导引由该装置所产生的光射出该装置。
n型和/或p型半导体层可由III-V族半导体材料（例如氮化镓）所形成。基板可由硅形成。在实施例中，选择n型半导体层的厚度，以使硅基板与III-V族半导体之间晶格误配和热误配所强加的应力最小化。然而在其它情况下，例如当在引起应力条件下的装置形成是期望时选择n型半导体层的厚度，以维持预定程度的应力。
在某些实施例中，发光装置包括第一类III-V族半导体材料的第一层、第二类III-V族半导体材料的第二层、以及在第一层与第二层之间的有源层。发光装置具有与第一层和第二层中之一相邻的光耦合层。例如，光耦合层与第一层相邻。光耦合层包括第三类III-V族半导体材料。形成通过一部分光耦合层的电极，以提供往返第一层与第二层之一的电流路径。
在某些情况下，第一类III-V族半导体材料选自n型III-V族半导体与p型III-V族半导体中的一个，并且第二类III-V族半导体材料选自n型III-V族半导体与p型III-V族半导体中的另一个。在示例中，第一层由p-GaN形成，并且第二层由n-GaN形成。在某些情况下，第三类III-V族半导体材料包括u型III-V族半导体材料、掺杂的III-V族半导体材料、及/或含有铝的III-V族半导体材料。在示例中，第三类III-V族半导体材料包括u-GaN（即，未掺杂或非故意性掺杂的GaN）。在另一示例中，第三类III-V族半导体包括n-GaN或p-GaN。在另一示例中，第三类III-V族半导体包括AlGaN或AlN。
在某些情况下，光耦合层至多有一部分由相邻的n型或p型III-V族半导体层所形成。在示例中，LED包括基板以及与基板相邻的第一层。第一层包括p型III-V族半导体与n型III-V族半导体中的一个。LED包括与第一层相邻的第二层。第二层包括活性材料，其被配置在应用正偏压电流穿过第二层时产生光。LED还包括与第二层相邻的第三层。第三层包括p型III-V族半导体与n型III-V族半导体中的另一个。光耦合结构被设置为与第三层相邻。光耦合结构包括一种或多种III-V族半导体材料，例如一层或多层III-V族半导体材料。光耦合结构的至多一部分由第三层形成。在实施例中，一些光耦合结构由第三层所形成。在另一实施例中，光耦合结构并非由第三层形成。
LED还包括与第三层相邻而形成的电极。该电极与第三层电连通。在某些情况下，第一层具有p型III-V族半导体（例如p-GaN），并且第三层具有n型III-V族半导体（例如n-GaN）。
光耦合结构包括第四层与第五层，第四层与LED的第三层相邻。在某些实施例中，第四层包括n型III-V族半导体、u型III-V族半导体、以及含铝的III-V族半导体中的一种或多种。在某些情况下，第四层包括n型氮化镓、u型氮化镓、氮化铝镓、以及氮化铝中的一种或多种。在某些实施例中，第五层包括u型III-V族半导体以及含铝的III-V族半导体中的一种或多种。在某些情况下，第五层包括u型氮化镓、氮化铝镓以及氮化铝中的一种或多种。在示例中，第四层包括n-GaN、u-GaN、AlGaN以及AlN中的一种或多种，并且第五层包括u-GaN、AlGaN以及AlN中的一种或多种。
在某些实施例中，LED的光耦合结构包括与第五层相邻的第六层。在这种情况下，第五层位于第四层与第六层之间。在某些实施例中，第六层包括含铝的III-V族半导体。在某些情况下，该含铝的III-V族半导体为氮化铝镓或氮化铝。
在示例中，发光装置包括硅基板、硅基板之上的p-GaN层、p-GaN层之上的有源层、有源层之上的n-GaN层、以及n-GaN层之上的光耦合层（本文中也称为“光耦合结构”）。该光耦合层包括AlGaN及/或AlN，并且在某些情况下包括u-GaN。该光耦合层在某些情况下包括n-GaN。例如，该光耦合层可包括与n-GaN层相邻的n-GaN子层以及n-GaN子层之上的AlGaN子层。光耦合层可包括n-GaN子层与AlGaN子层之间的u-GaN子层。此外，光耦合层可包括在AlGaN子层之上的AlN子层。该装置包括在一部分的光耦合层之上的电极，该电极与n-GaN层电连通。在某些情况下，该电极直接与n-GaN层接触。
在某些实施例中，n型半导体层与p型半导体层由III-V族半导体材料形成。在示例中，n型半导体层及p型半导体层包括氮化镓。在这种情况下，n型半导体层包括氮化镓以及n型掺杂物，例如硅，并且p型半导体层包括氮化镓以及p型掺杂物，例如镁。
在某些实施例中，光耦合结构由III-V族材料的许多组合来形成。在某些实施例中，光耦合结构包括第一层（或子层）以及与第一层相邻的第二层。在示例中，第一层包括u-GaN，并且第二层包括氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝（AlN）。在另一示例中，第一层包括AlGaN并且第二层包括AlN。光耦合层的至少一部分可由n型半导体层所形成。在另一示例中，第一层由n-GaN形成，并且第二层由u-GaN、AlGaN或AlN形成。在某些情况下，光耦合层包括与第二层相邻的半导体材料的第三层。在示例中，第三层包括III-V族半导体材料，例如AlGaN或AlN。
发光装置包括与光耦合层相邻的第一电极以及与基板相邻的第二电极。第一电极可包括钛、铝、镍、铂、金、银、铑、铜以及铬中的一种或多种。第二电极可包括铝、钛、铬、铂、镍、金、铑以及银中的一种或多种。在某些情况下，第二电极由铂、镍、银、铑以及金中的一种或多种所形成。
在某些情况下，第一电极覆盖光耦合层的一部分。可选择第一电极的形状与分布，以将第一电极对于发自发光装置发出的光的阻碍最小化。
在某些实施例中，光耦合层为粗糙化层。在某些情况下，粗糙化层具有凸起。在某些实施例中，光耦合层具有折皱(corrugation)，其在大约10纳米（nm）与3微米（“微米”）之间、在大约100nm与2微米之间，或在大约200nm与1.5微米之间。在其它实施例中，光耦合层所具有的折皱度（或粗糙度）大于或等于大约10nm、或大于或等于大约50nm、或大于或等于大约100nm、或大于或等于大约200nm、或大于或等于大约300nm、或大于或等于大约400nm、或大于或等于大约500nm、或大于或等于大约1000nm。
在某些实施例中，光耦合层所具有的凸起的大小（例如高度）在大约10纳米（nm）与3微米（“微米”）之间、或在大约100nm与2微米之间、或在大约200nm与1.5微米之间。在其它实施例中，光耦合层所具有的凸起的大小大于或等于大约10nm、或大于或等于大约50nm、或大于或等于大约100nm、或大于或等于大约200nm、或大于或等于大约300nm、或大于或等于大约400nm、或大于或等于大约500nm、或大于或等于大约1000nm。
在某些情况下，光耦合层包括设置在光耦合层表面上的一个或多个光耦合体。在某些实施例中，光耦合体为凸起。在某些情况下，光耦合体可由光学漫射传输材料所形成。在某些实施例中，这些光耦合体中的单个光耦合体可为二维或三维，例如三维圆锥或号角，或具有二维几何剖面的线条。在某些情况下，单个光耦合体具有沿着远离有源层而取向的轴方向递减的宽度。在实施例中，单个光耦合体具有三角形剖面。在另一实施例中，单个光耦合体为金字塔形或基本上为金字塔形。在其它情况下，单个光耦合体具有沿着远离有源层而取向的轴方向基本上恒定的宽度。在实施例中，单个光耦合体具有方形或矩形的截面。在示例中，单个光耦合体为杆状。可选择在光耦合层表面处的折皱，以将从第一介质耦合至第二介质的光最优化。第一介质可在发光装置内部，并且第二介质可在发光装置外部。
可借助各种表面光谱工具（例如，扫描隧道显微术（STM）、原子力显微术（AFM）、或各表面散射技术，例如拉曼光谱）来测量光耦合层的折皱或表面粗糙度。折皱可对应于光耦合层的光耦合体的高度（例如，凹陷至顶峰的距离）。在实施例中，光耦合层的厚度在大约10nm与3微米之间、或在大约100nm与2微米之间、或在大约200nm与1.5微米之间。
在某些实施例中，基板包括硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛与蓝宝石、氮化镓、碳化硅、氧化铝、氮化铝、铜、钨、钼以及其组合中的一种或多种。在特定实施中，基板为硅，例如n型或p型硅。
在某些情况下，发光装置还包括在基板与p型半导体层之间的光学反射器。光学反射器可由银、铂、金、镍、铝、铑和铟中的一种或多种形成。
在某些实施例中，有源层包括具有III-V族半导体的活性材料。在某些情况下，活性材料为量子阱活性材料，例如多量子阱（MQW）材料。在实施例中，活性材料包括交替的阱层（或子层）以及势垒（或包覆）层。在示例中，有源层包括由氮化铟镓及/或氮化铟铝镓形成的阱层。在这种情况下，势垒层可由氮化镓形成。在另一示例中，有源层包括由氮化铝镓形成的阱层。在这种情况下，势垒层可由氮化铝或氮化镓形成。有源层的活性材料可按二个或多个元素进行成份分级（本文也称为“分级”）。在示例中，有源层包括分级的氮化铟镓，InxGa1-xN，其中“x”为在0与1之间的数值，并且由GaN形成势垒（或包覆）层。这种层的组成可从有源层的第一侧变化至第二侧。在某些情况下，阱层包括受体材料，和/或势垒层包括施体材料。在某些实施例中，势垒材料包括氮化镓、氮化铟镓以及氮化铝中的一种或多种，并且阱材料包括氮化铟镓、氮化铟铝镓中的一种或多种。
作为替换，有源层可由AlGaInP形成。在某些情况下，含有AlGaInP的量子阱有源层包括一层或多层由AlGaInP形成的阱层以及一层或多层由AlInP形成的势垒层。
图2示出根据本发明实施例的发光装置200。装置200可为发光二极管（LED），例如垂直堆叠LED。装置200从下至上包括底部电极205、基板210、光学反射层215、p型半导体层220、有源层225、n型半导体层230、光耦合层235以及顶部电极240。装置200中的箭头指示电极205和240之间的电流流动方向。
有源层225可为具有阱层和势垒层的量子阱有源层，或具有多个阱层与势垒层的多量子阱有源层。在示例中，有源层225由GaN势垒层以及氮化铟镓或氮化铟铝镓阱层交替形成。有源层225配置成当在有源层225中电子与空穴复合时产生光。
光耦合层235配置成耦合在装置200中产生的光，并且将光从n型半导体层230发射至装置200以外的环境，或发射至光耦合层235之上的另一层。在实施例中，光耦合层235促使光从具有第一折射率的n型半导体层230传输至具有低于第一折射率的第二折射率的材料或环境。
光学反射层215由配置成将有源层225中产生的光朝向光耦合层235反射的材料来形成。在光学反射层215的帮助下，初始在有源层225中产生并且直向基板210的光会由光学反射层215朝向有源层225以及光耦合层235反射。在某些情况下，光学反射层215由反射p型电极所形成。在其它情况下，光学反射层由银、铂、金、镍、铝、铑和铟中的一种或多种所形成。在某些情况下，光学反射层215为全方向性反射器。
装置200可包括一层或多层附加层。例如，装置200可包括在n型半导体层230与有源层225之间的凹陷产生层，其配置成有助于在有源层225中形成V凹陷（或V缺陷）。在实施例中，装置200包括在p型半导体层220与有源层225之间的电子势垒层，其被配置成最小化在p型半导体层220中的电子-空穴复合。
在某些情况下，n型半导体层230由n型III-V族半导体所形成，例如n型氮化镓。在某些情况下，p型半导体层220由p型III-V族半导体形成，例如p型氮化镓。在示例中，n型半导体层230借助于硅而掺杂n型。在另一示例中，p型半导体层220借助于镁而掺杂p型。
在某些实施例中，光耦合层235由一种或多种半导体材料来形成。在某些情况下，光耦合层235由缓冲层材料形成。光耦合层235可在第一类的半导体材料与第二类的半导体材料之间（例如在第一类III-V族半导体与第二类III-V族半导体之间）进行成份分级。可替换地，光耦合层235包括无成份分级的一层或多层分离层(discrete layers)。
在某些情况下，光耦合层（或结构）235包括具有分子式通常为M1xM21-xCy的材料的多个子层（或层），其中“M1”和“M2”为III族材料，并且“C”为V族材料。在某些情况下，光耦合层235包括选自于AlxGa1-xN的多个层，其中“x”为在0与1之间的数值。例如，光耦合层235可包括选自于AlN、AlGaN和u型GaN的一层或多层。在示例中，光耦合层235包括u-GaN层（即，具有u-GaN的层）以及AlGaN层（即，具有AlGaN的层）。在另一示例中，光耦合层235包括u-GaN层、AlGaN层、以及AlN层（即，具有AlN的层）。在另一示例中，光耦合层235包括n-GaN层、AlGaN层以及AlN层。在另一示例中，光耦合层235包括n型GaN层以及AlGaN层。光耦合层235也可包括AlN层。在另一示例中，光耦合层235包括u型GaN层以及AlGaN层。光耦合层235也可包括AlN层。在某些情况下，u-GaN层为任选的。
在某些情况下，光耦合层235由u型半导体材料形成。在实施例中，光耦合层235由u型III-V族半导体形成，例如u型氮化镓（u-GaN）。光耦合层235可包括在u型半导体材料之上的诸如III-V族半导体材料（例如AlGaN）的半导体材料层。在某些实施例中，光耦合层235包括n型半导体材料（例如n-GaN）层以及u型半导体材料层。n型半导体材料层可由一部分n型III-V族半导体层230形成。
在某些情况下，光耦合层235由含铝的III-V族半导体材料（例如AlGaN）形成。在某些情况下，光耦合层235包括III-V族半导体的附加层。在示例中，光耦合层包括AlGaN层以及AlN层。AlGaN层被设置为与n型半导体层230相邻。在某些实施例中，光耦合层235包括n型半导体材料层以及与n型半导体材料层相邻的一层或多层含铝层，例如AlGaN层及/或AlN层。在某些情况下，n型半导体材料层由一部分n型III-V族半导体层230来形成。光耦合层235可包括在n型半导体层230与一层或多层含铝层之间的诸如u-GaN的u型III-V族半导体层。
底部电极205被形成为与基板210相邻。底部电极205通过基板和光学反射层215而与p型半导体层220电连通。在某些情况下，装置200包括在底部电极205与基板210之间的一层或多层附加层。
顶部电极240被形成为与光耦合层235相邻。顶部电极240与n型半导体层230电连通。在某些实施例中，顶部电极240与n型半导体层230相接触。在某些情况下，该接触为欧姆接触。在某些情况下，装置200包括在顶部电极240与n型半导体层230之间的一层或多层附加层。
可替换地，p型半导体层220与n型半导体层230可被反置。也就是说，光耦合层235与p型半导体层相邻，并且n型半导体层被设置在基板210与有源层225之间。
图3示出根据本发明实施例的发光装置300。装置300从下至上包括半导体层305、光耦合层（或结构）310、以及电极315。在某些情况下，电极315覆盖大部分光耦合层310。在实施例中，半导体层305由n型半导体形成。在另一实施例中，半导体层305由p型半导体形成。在某些情况下，半导体层305由n型或p型III-V族半导体形成。在示例中，半导体层305由n-GaN形成。
在例示性实施例中，光耦合层310包括第一层（或子层）320、与第一层320相邻的第二层（或子层）325、以及与第二层325相邻的第三层（或子层）330。第一层320由半导体材料形成。在某些情况下，第一层由n型或p型半导体材料所形成。第一层由III-V族半导体形成。在实施例中，第一层320由一部分半导体层305形成。作为示例，第一层由n-GaN形成。作为另一示例，第一层320由u型GaN（“u-GaN”）形成。作为另一示例，第一层320由p-GaN形成。作为另一示例，第一层320由AlGaN或AlN形成。
第二层325由半导体材料形成。在某些情况下，第二层325由III-V族半导体形成。在实施例中，第二层325由氮化镓（例如u型GaN）、氮化铝镓或氮化铝所形成。第三层330可由诸如III-V族半导体的半导体材料形成。在某些情况下，第三层330由氮化镓（例如u-GaN）、氮化铝镓或氮化铝所形成。
电极315由一个或多个元素金属所形成。在某些实施例中，电极315可由钛、铝、镍、铂、金、银、铑、铜以及铬中的一种或多种形成。
在某些实施例中，第一层320由第一类III-V族半导体形成、第二层325由第二类III-V族半导体形成，并且第三层330由第三类III-V族半导体形成。
在示例中，第一层320由u-GaN形成，第二层325由AlGaN形成，并且第三层330由AlN形成。作为另一示例，第一层320由n-GaN（例如掺杂硅的GaN）形成，第二层325由u-GaN形成，并且第三层330由AlGaN形成。这种配置可用在半导体层305由n-GaN（例如掺杂硅的GaN）所形成的情况中。作为另一示例，第一层320由n-GaN形成，第二层325由AlGaN形成，并且第三层330由AlN形成。作为另一示例，第一层320由n-GaN形成，第二层325由u-GaN、AlGaN和AlN中的一种来形成，并且第三层330由u-GaN、AlGaN和AlN中的另一种来形成。
在某些情况下，光耦合层310由用于形成装置300的缓冲层材料来形成。在某些情况下，缓冲层材料包括一种或多种III-V族半导体材料，例如n-GaN、u-GaN、AlGaN和AlN中的一种或多种。光耦合层310可通过将来自先前处理操作的缓冲层进行粗糙化来形成（参加下文）。
在其它实施例中，光耦合层310由一层或二层来形成。在这种情况下，排除光耦合层310的其它层。例如，光耦合层310可包括u-GaN、氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝（AlN）层，并且无其它层。作为另一示例，光耦合层310可由u-GaN层以及AlGaN（或AlN）层来形成。作为另一示例，光耦合层310可由n-GaN层以及u-GaN、AlGaN或AlN层所形成。作为另一示例，光耦合层310可由AlGaN层以及AlN层形成。
在特定实施例中，第一层320由n-GaN形成、第二层325由AlGaN形成，并且第三层330由AlN形成。在这种情况下，光耦合层310可选择性包括在第一层320与第二层325之间的u-GaN层。在某些情况下，可排除第三层330，在此情况下光耦合层310由两层形成。
光耦合层310具有属于二维或三维的光耦合体335。在某些情况下，光耦合体335为凸起。在某些情况下，光耦合体335为具有三角形剖面的直线（例如，指向纸面）。可替换地，光耦合体335可具有方形或矩形剖面。在其它情况下，光耦合体335为三维的。在这种情况下，光耦合体335可为圆锥形或金字塔形。可替换地，光耦合体335可为杆状。
在某些实施例中，装置300包括一层或多层附加层。在示例中，装置300包括在半导体层305之下的有源层，以及在有源层之下的另一半导体层305。有源层被配置成当在有源层中电子与空穴复合时产生光。在有源层中产生的一些光直向光耦合层310，该光耦合层310在各种角度散射光，而至少一些光可射出到装置300外部。因此，光耦合层310增加由装置300产生并射出到装置外部的光量。
在某些实施例中，光耦合层310具有在大约10nm与3微米之间、或在大约100nm与2微米之间、或在大约200nm与1.5微米之间的折皱。折皱对应于单个光耦合体的最高点与单个光耦合体的最低点之间的距离，例如图3中用“D”例示。电极315具有大于D的高度（H）。在其它情况下，电极315具有低于或等于D的高度。在某些情况下，H大于或等于大约1微米（“微米”）、或2微米、或3微米、或4微米、或5微米。
在某些实施例中，光耦合层310将来自具有第一折射率的第一介质的光耦合至具有第二折射率的第二介质。在实施例中，光耦合层310（包括光耦合体335）将来自装置300内部的介质（例如半导体层305）的光耦合至光耦合层310之上的介质（例如装置300的外部）。
在某些实施例中，光耦合体335具有基本规则的形状。在其它实施例中，光耦合体335具有不规则的形状。例如，第一光耦合体可具有与第一光耦合体相邻的第二光耦合体不同的高度和/或宽度。
在某些情况下，发光装置包括在硅基板之上的III-V族半导体。根据本发明的实施例，图4示出的发光装置400从下至上具有接触层405、基板410、反射层415、p型III-V族半导体层420、有源层425、n型III-V族半导体层430、光耦合层435以及电极440。光耦合层435包括n型III-V族半导体层430材料的一部分。然而，在某些情况下，光耦合层435并不包括n型半导体层430的材料的一部分。电极440形成于一部分光耦合层435之上，并且与n型III-V族半导体层430接触。
基板410可由硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石或碳化硅形成。在某些情况下，基板410可由硅、锗或其它半导体、陶瓷（例如，Al2O3、氮化铝、氧化镁）材料、或金属（例如，钼、钨、铜、铝）所形成。
反射层415由配置成反射光的材料所形成。在实施例中，反射层415由银形成。
在某些情况下，p型III-V族半导体层420由p型GaN所形成。在实施例中，借助于镁来实现p型掺杂，尽管依照需求也可使用其它p型掺杂物来实现期望的装置性能。p型III-V族半导体层420的厚度在大约10纳米（nm）与1000nm之间、或在大约50nm与500nm之间。
有源层425可为量子阱有源层。在某些实施例中，有源层425为包括多个交替的阱层和势垒层的多量子阱有源层。在某些情况下，有源层425包括GaN势垒层以及氮化铟镓或氮化铟铝镓阱层。
在某些实施例中，n型III-V族半导体层430由n型GaN形成。在实施例中，借助于硅实现n型掺杂，尽管依照需求也可使用其它n型掺杂物来实现期望的装置性能。n型III-V族半导体层430的厚度在大约500nm与5微米（微米）之间，或在大约1微米与3微米之间。在某些情况下，n型III-V族半导体层430的厚度小于大约5微米、或小于大约4微米、或小于大约3微米、或小于大约2微米、或小于大约1微米。
在某些实施例中，光耦合层435所具有的折皱在大约10nm与3微米之间、或在大约100nm与2微米之间、或在大约200nm与1.5微米之间。可选择折皱，来实现所期望的装置性能。
接触层405与基板410电连通。在某些情况下，接触层405与基板410欧姆接触。电极440与n型III-V族半导体层电连通。在某些情况下，电极440与n型III-V族半导体层欧姆接触。
如例示，光耦合层435由n型III-V族半导体的第一层以及氮化铝镓或氮化铝的第二层所形成。在某些情况下，第二层包括AlGaN，并且光耦合层435包括AlN的第三层。在某些情况下，光耦合层435包括在第一层与第二层之间的u-GaN层。
形成光耦合层的方法
在本发明的另一方面，提供形成光耦合层（或结构）的方法。本文提供的方法可用于形成与发光装置（例如发光二极管（LED））一起使用的光耦合装置。在特定实施中，本文提供的方法用于形成与具有在硅基板上III-V族半导体的LED一起使用的光耦合层。
在某些实施例中，形成发光装置的方法包括在反应室内提供基板，并且在该基板上形成一层或多个装置层。在某些情况下，该发光装置形成在基板上，该基板将包括在最终发光装置产品内。在其它情况下，该基板为载体基板，并且在基板上形成的堆叠的装置结构将转移到另一基板，其将包括在最终产品中。在这种情况下，载体基板将不包括在最终产品内。在某些实施例中，基板包括硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅（SiC）、陶瓷材料（例如铝、AlN）以及金属材料（例如钼、钨、铜、铝）中的一种或多种。在特定实施中，基板为硅，例如n型硅。
反应室可以是配置用于薄膜成形的真空室。在某些情况下，真空室为超高真空（UHV）室。在其中想要低压环境的情况下，反应室可借助于拥有一个或多个真空泵（例如一个或多个涡轮分子（“涡轮”）泵、扩散泵和机械泵的泵送系统来抽气。反应室可包括控制系统，用于调节前驱物流速、基板温度、反应室压力以及反应室排出。
基于用于形成发光装置的一个或多个处理参数的选择，可调整生长条件。在某些实施例中，从一个或多个生长温度、载体气体流速、前驱物流速、生长率以及生长压力来选择生长条件。
本文描述的方法中可使用各种源气体（或前驱物）。镓前驱物可包括一个或多个三甲基镓（TMG）、三乙基镓、二乙基氯化镓、以及同位的氢化镓化合物（例如，二甲基氯化镓）。铝前驱物可包括一个或多个三异丁基铝（TIBAL）、三甲基铝（TMA）、三乙基铝（TEA）和氢化二甲基铝（DMAH）。铟前驱物可包括一或多个三甲基铟（TMI）和三乙基铟（TEI）。氮前驱物可包括氨（NH3）、氮（N2）以及氨的等离子激发物及/或N2中的一种或多种。p型掺杂物前驱物可选自硼前驱物（例如B2H6）、镁前驱物（例如，双环戊二烯基镁）、铝前驱物，在此仅作为几个示例。n型前驱物可选自硅前驱物（例如SiH4）、锗前驱物（例如，四甲基锗、四乙基锗、二甲基氨基四氯化锗、异丁基锗）以及磷前驱物（例如，PH3），在此仅作为几个示例。
在某些情况下，借助于载体气体（例如He、Ar、N2和H2中的一种或多种）将一个或多个前驱物提供至反应室。在实施例中，在有源层的形成期间载体气体的流速是在大约每分钟1公升与每分钟20公升之间。
图5示出根据本发明的一些实施例形成发光装置的方法500。在某些情况下，第一基板选自硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅（SiC）、陶瓷材料（例如铝、AlN）以及金属材料（例如钼、钨、铜、铝）。
在第一操作505中，其中第一基板在反应室中，将缓冲层形成为与第一基板相邻。通过将一种或多种缓冲层的前驱物导入反应室中并且将基板暴露于一种或多种前驱物，来形成缓冲层。在某些实施例中，缓冲层由III-V族半导体材料形成。在某些情况下，缓冲层由具有AlGaN层和AlN层的堆叠形成，其中AlN层直接与第一基板相邻。在这种情况下，通过将铝前驱物以及氮前驱物导入反应室中来形成AlN层，并且通过将铝前驱物、锗前驱物以及氮前驱物导入反应室中来形成AlGaN层。铝前驱物可为TMA，镓前驱物可为TMG，以及氮前驱物可为NH3。在某些情况下，缓冲层包括与AlGaN层相邻的u-GaN层。通过将镓前驱物以及氮前驱物导入反应室中来形成u-GaN层。
接下来，在操作510中，形成与缓冲层相邻的n型III-V族半导体层。通过将III族前驱物、V族前驱物以及n型掺杂物的前驱物导入反应室中，来形成n型III-V族半导体层。在示例中，使用包括n-GaN的n型III-V族半导体层，通过将镓前驱物、氮前驱物以及n型掺杂物的前驱物导入反应室中，来形成n-GaN层。在n型掺杂物为硅的情况下，n型掺杂物的前驱物可为硅甲烷（SiH4）。
接下来，在操作515中，形成与n型III-V族半导体层相邻的有源层。在某些实施例中，有源层包括量子阱材料，例如多量子阱（MQW）材料。通过形成与一层或多层势垒层交替的一层或多层阱层，来形成有源层。在示例中，该有源层包括GaN（或AlN）势垒层以及氮化铟镓或氮化铟铝镓阱层。在这种情况下，通过将镓（或铝）前驱物以及氮前驱物导入反应室中以形成势垒层，并随后将铟前驱物、镓前驱物以及氮前驱物（以及铝前驱物，如果需要氮化铝铟镓阱层的话）来形成阱层，从而形成有源层。根据需要可重复这种操作，以形成具有预定数量的势垒层与阱层堆叠（或周期）的有源层。在示例中，重复操作，直到形成具有至少1周期、或至少10周期、或至少20周期、或至少50周期、或至少100周期的有源层。
接下来，在操作520中，形成与有源层相邻的p型III-V族半导体层。通过将III族前驱物、V族前驱物以及p型掺杂物的前驱物导入反应室中，来形成p型III-V族半导体层。在示例中，使用包括p-GaN的p型III-V族半导体层，通过将镓前驱物、氮前驱物以及p型掺杂物的前驱物（用于镁掺杂物的双环戊二烯基镁）导入反应室中，来形成p-GaN层。在某些情况下，随着形成p型III-V族半导体之后，在p型III-V族半导体上形成反射材料（例如Ag）层。随后，在反射材料层之上形成保护金属层。在某些情况下，保护金属层包括铂、镍、钛、钨和金中的一种或多种。借助于各种沉积技术（例如物理汽相沉积（例如磁控溅射），可形成保护金属层。
接下来，在操作525中，提供与p型III-V族半导体层相邻的第二基板。在某些情况下，第二基板选自硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅（SiC）、陶瓷材料（例如铝、AlN）以及金属材料（例如钼、钨、铜、铝）。在某些情况下，通过使第二基板与p型III-V族层相接触，来提供与p型III-V族层相邻的第二基板。在其它情况下，第二基板之上形成金属材料层，以有助于将第二基板接合至初期的发光二极管（即，包括第一基板之上p型III-V族层的装置堆叠）。在实施例中，金属材料包括选自铟、铜、银、金和锡中的一种或多种金属，例如银锡铜合金或金锡合金（例如80%的金、20%的锡）。可借助于各种沉积技术（例如物理汽相沉积（例如，磁控溅射、蒸发沉积））来形成金属材料层。接下来，在操作530中，去除第一基板以暴露出缓冲层。
接下来，在操作535中，将缓冲层粗糙化，以形成与n型III-V族半导体层相邻的光耦合层。在某些实施例中，通过蚀刻缓冲层（例如借助于蚀刻工艺（例如，湿法蚀刻））来粗糙化缓冲层。在示例中，借助于可提供在水溶液中的氢氧化钠（NaOH）和/或氢氧化钾（KOH）来蚀刻缓冲层。在其它实施例中，通过溅射（例如，离子束溅射）缓冲层来粗糙化缓冲层。在示例中，通过利用氩（Ar）离子溅射缓冲层来粗糙化缓冲层。
该粗糙化工艺去除了光耦合层的材料，以提供粗糙化的缓冲层，这至少部分地定义了光耦合层。在某些情况下，在缓冲层由u-GaN、AlGaN和AlN形成的情况下，粗糙化工艺去除了在u-GaN层之上的所有AlN层，并留下全部或一些AlGaN层。在其它情况下，粗糙化工艺去除AlN层以及AlGaN层，但是留下u-GaN层的至少部分。在缓冲层不包括u-GaN的情况下，粗糙化工艺去除一些或全部AlN，以提供具有AlGaN和AlN的粗糙化缓冲层。
粗糙化工艺可将n型III-V族半导体层粗糙化。在这种情况下，光耦合层包括n型III-V族半导体层的粗糙化部分。
接下来，在操作540中，在光耦合层的一部分之上提供电极。在实施例中，借助于物理沉积技术（例如溅射）来形成该电极。该电极与n型III-V族半导体层电连通。在示例中，该电极与n型III-V族半导体层电接触。
在某些情况下，粗糙化工艺将n型III-V族半导体层的至少一部分粗糙化。在某些实施例中，光耦合层包括n型III-V族半导体层的粗糙化部分。
在方法500的一个或多个操作期间，加热基板，以促使形成发光装置。在示例中，在有源层的形成期间（操作515），以在大约750℃与850℃之间的温度来加热基板。
在某些情况下，在形成各种装置层期间，基板（或基板之上的层）同时暴露于III族前驱物以及V族前驱物。在其它情况下，在各种装置层形成期间，基板以交替方式并利用介入净化或抽真空操作暴露于III族前驱物以及V族前驱物，例如先III族前驱物，之后是V族前驱物。一般来说，如果需要多种前驱物来形成装置层，则以同时或以交替且依序的方式，将前驱物导入反应室中。
可借助各种沉积技术来形成装置层。在一些实施例中，借助于化学汽相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、等离子增强CVD（PECVD）、等离子增强ALD（PEALD）、金属有机CVD（MOCVD）、火线CVD（HWCVD）、初始CVD（iCVD）、改良式CVD（MCVD）、蒸汽轴沉积（VAD）、外部蒸汽沉积（OVD）、以及物理汽相沉积（例如溅射沉积、蒸发沉积），来形成装置层。
虽然以具有III-V族半导体材料（例如氮化镓）的发光装置的背景来描述本文提供的方法与结构，然而这样的方法和结构可适用于其它类型的半导体材料。本文提供的方法及结构可用于由氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、砷化铝镓（AlGaAs）、磷化镓砷（GaAsP）、磷化铝镓铟（AlGaInP）、磷化镓（GaP）、氮化铟镓（InGaN）、磷化铝镓（AlGaP）、硒化锌（ZnSe）、氮化铝（AlN）、氮化铝镓（AlGaN）以及氮化铝镓铟（AlGaInN）中的至少一部分来形成的发光装置。
配置成形成发光装置的系统
在本发明的另一方面，用于形成发光装置的系统包括保持基板的反应室、与该反应室流体连通的泵送系统（其配置成对反应室进行净化或抽真空）、以及计算机系统，该计算机系统具有用于执行机器可读代码以实施用于形成发光装置的方法的处理器。代码可实施本文提供的任何方法。在实施例中，代码实施一种方法，该方法包括在反应室中提供基板，在基板上沉积光耦合层，光耦合层包括一种或多种III-V族半导体材料，并且在光耦合层的一部分上形成电极，该电极与相邻于光传输器的n型半导体层和p型半导体层之一电连通。在另一实施例中，代码实施一种方法，其包括在反应室中提供具有缓冲层的基板，并且将缓冲层粗糙化以形成光耦合层。
图6示出根据本发明实施例的形成发光装置的系统600。系统600包括具有基座（或基板保持器）610的反应室605，该基座配置成保持用于形成发光装置的基板。该系统包括第一前驱物存储容器（或箱）615、第二前驱物存储容器620、以及载体气体存储箱625。第一前驱物存储容器615可用于容纳III族前驱物（例如TMG），并且第二前驱物存储容器620可用于容纳V族前驱物（例如NH3）。载体气体存储箱625用于容纳载体气体（例如H2）。系统600可包括其它存储箱或容器，例如用于容纳附加前驱物与载体气体。系统600包括在存储容器与反应室605之间的阀，用于将反应室605与每一存储容器相隔离。
系统600还包括真空系统630，用于给反应室605提供真空。真空系统630与反应室605流体连通。在某些情况下，真空系统630被配置成借助于阀（例如闸门阀）来隔离反应室605。
系统600的控制器（或控制系统）635有助于在反应室605中形成发光装置（例如形成该发光装置的一层或多层）的方法。控制器635连通地耦合至第一前驱物存储容器615、第二前驱物存储容器620、载体气体存储箱625以及真空系统630中的每一个的阀。控制器635可操作耦合至基座610，用于调节基座的温度以及基座上的基板，并且可操作地耦合至真空系统630，用于调节反应室605中的压力。
在某些情况下，真空系统630包括一个或多个真空泵，例如一个或多个涡轮分子（“涡轮”）泵、扩散泵和机械泵。泵可包括一个或多个备用泵。例如，涡轮泵的备用泵为机械泵。
在某些实施例中，控制器635配置成调节一个或多个处理参数，例如基板温度、前驱物流速、生长率、载体气体流速以及反应室压力。在某些情况下，控制器635和存储容器与反应室605之间的阀连通，这有助于终止（或调节）前驱物向反应室605的流动。控制器635包括处理器，其配置成有助于执行机械可执行代码，该机械可执行代码被配置成实施本文提供的方法。该机械可执行代码存储在物理存储介质上，例如闪存、硬盘或配置成存储计算机可执行代码的其它物理存储介质。
在某些实施例中，控制器635被配置成调节一种或多种处理参数。在某些实施例中，控制器635调节生长温度、载体气体流速、前驱物流速、生长率及/或生长压力。
除非文中清楚要求，否则整个说明与权利要求内所使用的单数或复数也分别包括多个或单个。此外，文字“本文”、“底下”、“之上”、“之下”以及表示本申请的类似文字为一整体，而非本申请的任何特定部分。当文字“或”用于参考二个或多个项目的列表时，该文字涵盖了下列所有文字的解释：列表内的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中项目的任意组合。
根据上述应理解的是，虽然已经例示并描述了特定实施，在本文中还是可进行各种修改以及补充。本发明也不受限于本说明书内提供的特定示例。虽然已经参考上述说明书来描述本发明，但是本发明实施例的描述与例示不应视为限制之意。另外，应理解的是，本发明的所有方面并不受限于本文内根据各种状况与变化所阐述的特定说明、配置或相对比例。本领域技术人员将理解本发明实施例中形式与细节的各种修改。因此，假定本发明也应涵盖任何这种修改、变化与等价体。

Claims (17)

1.一种发光装置，包括：
基板；
光学反射器，其与所述基板相邻；
p型III-V族半导体层，其与所述光学反射器相邻；
有源层，其与所述p型III-V族半导体层相邻；
n型III-V族半导体层，其与所述有源层相邻；
光耦合结构，其与所述n型III-V族半导体层相邻，所述光耦合结构包括多个光耦合凸起，所述多个光耦合凸起中的每一个光耦合凸起具有沿着远离所述有源层所取向的轴而递减的宽度并且包括III-V族半导体材料的第一层和u型氮化镓的第二层，使得所述第一层和所述第二层在所述多个光耦合凸起的侧表面处暴露出；以及
电极，其与所述n型III-V族半导体层电连通，所述电极形成在所述多个光耦合凸起上并且具有的厚度比所述光耦合凸起的厚度大，由此填充相邻的两个光耦合凸起之间的间隙，
其中所述电极在所述多个光耦合凸起的所述侧表面处接触所述第一层和所述第二层。
2.如权利要求1所述的发光装置，其中
所述光耦合凸起中的每一个光耦合凸起还包括第三层，并且
所述第二层位于所述第三层与所述第一层之间。
3.如权利要求1或2所述的发光装置，其中所述光耦合凸起具有在100纳米与2微米之间的厚度。
4.如权利要求1或2所述的发光装置，其中所述第一层是与所述第二层无成份分级的分离层。
5.如权利要求1或2所述的发光装置，其中所述第一层位于所述第二层与所述n型III-V族半导体层之间。
6.如权利要求1或2所述的发光装置，其中所述第一层包括n型氮化镓。
7.如权利要求1或2所述的发光装置，其中所述第一层包括氮化铝镓。
8.如权利要求1或2所述的发光装置，其中所述第一层包括氮化铝。
9.如权利要求2所述的发光装置，其中所述第三层包括氮化铝镓或氮化铝。
10.一种发光装置，包括：
基板；
光学反射器，其与所述基板相邻；
第一导电类型半导体材料的第一层，其位于所述光学反射器上；
第二导电类型半导体材料的第二层，其位于所述第一层上；
有源层，其在所述第一层与所述第二层之间；
光耦合结构，其位于所述第二层上，所述光耦合结构包括多个光耦合凸起，所述多个光耦合凸起中的每一个光耦合凸起具有沿着远离所述有源层所取向的轴而递减的宽度并且包括所述第二层的一部分和u型氮化镓的第三层，使得所述第二层的所述部分和所述第三层在所述多个光耦合凸起的侧表面处暴露出；以及
电极，其与所述第二层电连通，所述电极形成在所述多个光耦合凸起上并且具有的厚度比所述光耦合凸起的厚度大，由此填充相邻的两个光耦合凸起之间的间隙，
其中所述电极在所述多个光耦合凸起的所述侧表面处接触所述第二层的所述部分和所述第三层。
11.如权利要求10所述的发光装置，其中所述多个光耦合凸起还包括含铝的III-V族半导体材料的第四层。
12.如权利要求10所述的发光装置，其中所述多个光耦合凸起还包括所述第二导电类型半导体材料的第四层。
13.如权利要求10所述的发光装置，其中
所述光耦合凸起中的每一个光耦合凸起还包括n型氮化镓的第四层，并且
所述第四层位于所述第二层与所述第三层之间。
14.如权利要求10-13中的任一项所述的发光装置，其中所述第二层是与所述第三层无成份分级的分离层。
15.如权利要求14所述的发光装置，其中
所述光耦合凸起中的每一个光耦合凸起还包括含铝的III-V族半导体材料的第五层，并且
所述第三层位于所述第四层与所述第五层之间。
16.如权利要求1、2、10和11中的任一项所述的发光装置，所述光耦合结构具有锥形形状或金字塔形状。
17.如权利要求1、2、10和11中的任一项所述的发光装置，所述光耦合结构具有三角形剖面。
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