CN111133592A - 具有减反射碳化硅或蓝宝石衬底的发光器件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

发光器件包括对于光辐射是至少部分透明的并且具有第一折射率的衬底。二极管区被设置在所述衬底的第一表面上并且被配置成响应于施加于其上的电压发射光。封装层被设置在所述衬底的第二表面上并且具有第二折射率。在所述衬底内、直接在所述的所述第二表面下方形成减反射层堆叠体。所述减反射层具有无定形无孔第一层、多孔第二层、无定形无孔第三层以及具有改性的结晶度的第四层。所述封装层也可以被省去并且所述衬底第二表面可以将所述衬底与空气隔开，所述衬底具有在所述衬底内、直接在所述第二衬底表面下方的减反射层堆叠体。

Description

具有减反射碳化硅或蓝宝石衬底的发光器件及其形成方法

发明内容

本发明总体上涉及微电子器件及其制作方法，并且更具体地涉及发光器件及其制作方法。

发光二极管(LED)广泛用于消费者和商业应用。如本领域技术人员所熟知的，发光二极管一般包括在微电子衬底上的二极管区。微电子衬底可以包括例如砷化镓、磷化镓、其合金、碳化硅和/或蓝宝石。对LED的不断开发已经产生可以覆盖并且超过可见光谱的高效且机械鲁棒性的光源。这些属性，结合固态器件潜在的长使用寿命，可以实现多种新的显示应用，并且可以使LED处于与良好确立的白炽灯和荧光灯相竞争的位置。

现在参考图1，常规的GaN基LED 100包括碳化硅或蓝宝石衬底105，该衬底具有第一相对表面和第二相对表面，分别为110a和110b，并且对于光辐射是至少部分透明的。包括n型层115、有源区120、和p型层125的二极管区设置在第二表面110b上并且被配置成在跨越二极管区(例如跨越欧姆接触130和135)施加电压时发射光辐射到衬底105中。

包括n型层115、有源区120、和/或p型层125的二极管区可以包括氮化镓基半导体层，包括其合金，诸如氮化铟镓和/或氮化铝铟镓。在碳化硅上制作氮化镓是本领域技术人员已知的，并且例如在美国专利6,177,688中有所描述。还应理解，可以在n型氮化镓层115与衬底105之间提供包含例如氮化铝的一个或多个缓冲层，如美国专利5,393,993、5,523,589、6,177,688中所述。

有源区120可以包括单层n型、p型或本征氮化镓基材料、另一种同质结构、单异质结构、双异质结构、和/或量子阱结构，所有这些都是本领域技术人员熟知的。此外，有源区120可以包括由一个或多个包覆层(cladding layer)限制的发光层。n型氮化镓层115可以包含掺杂硅的氮化镓，而p型氮化镓层125可以包含掺杂镁的氮化镓。另外，有源区120可以包括至少一个氮化铟镓量子阱。

在一些LED中，用于p型氮化镓层125的欧姆接触135包括铂、镍和/或钛/金。在其他LED中，可以使用包括例如铝和/或银的反射欧姆接触。至n型氮化镓层115的欧姆接触130可以包括铝和/或钛。形成至p型氮化镓和n型氮化镓的欧姆接触的其他合适材料可以分别用于欧姆接触135和130。至n型氮化镓层和p型氮化镓层的欧姆接触的实例在例如美国专利5,767,581中有所描述。

不幸的是，由于各种光学损耗(诸如全内反射(TIR))，在LED器件内部产生的大部分光典型地决不会逸出器件。现在参考图2，当光从一种介质行进到另一种介质时，它可以被折射，使得折射角由斯涅尔定律(Snell's law)如下控制：n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，其中n₁是介质1的折射率并且n₂是介质2的折射率。然而，逸出的光具有小于“临界角”的角度依赖性，该临界角如下定义：θ_1临界＝sin^-1(n₂/n₁)。以大于临界角的角度入射的光不会穿过介质2，而是被反射回介质1中。这种反射通常称为全内反射。因此，具有显著不同的折射率的介质可以导致透射穿过两种介质的光的相对小的临界角，并且可能由于全内反射而导致显著的光学损耗。

GB-A-1136218披露了安装在砷化镓衬底的一侧上的发光二极管，该衬底的另一侧在其上具有可以具有梯度折射率的减反射涂层。此发光二极管可以包括多个层，并且可以包括梯度组合物层，该梯度组合物诸如二氧化硅与另一种金属氧化物(诸如氧化钛)的混合物。

US-A-2002/0140879披露了显示器件，该显示器件包括呈透明衬底形式的光提取层，在其上布置有减反射层。

EP 1618614 A1披露了发光器件，该发光器件包括碳化硅或蓝宝石衬底，该衬底具有第一表面、第二表面和第一折射率；在衬底的第一表面上的二极管区，该二极管区被配置成响应于施加于其上的电压发射光；以及在衬底的第二表面上的减反射层，该减反射层具有梯度折射率并且包含(SiC)_x(SiO₂)_1-x或(Al₂O₃)_x(SiO₂)_1-x。

本发明提供了发光器件，所述发光器件包括：

·结晶碳化硅或蓝宝石衬底，所述衬底对于光辐射是至少部分透明的并且具有第一表面、第二表面、和第一折射率；

·在所述衬底的所述第一表面上的二极管区，所述二极管区被配置成响应于施加于其上的电压发射光；并且

·其特征在于，所述衬底包括在所述衬底内、直接在所述衬底的所述第二表面下方的减反射层堆叠体，所述减反射层堆叠体具有在所述衬底体的所述第一折射率与第二折射率之间的值的总折射率，所述第二折射率与相邻于所述减反射层的第二表面的介质相关联，所述介质由封装材料或空气组成。

有利的是，通过使用本发明的减反射层堆叠体来在第一介质(即衬底体)与第二介质(即封装材料或空气)之间过渡，可以避免突然的折射率变化，这可以减少在衬底和/或封装材料的边界处内反射的光的量。

在一些实施例中，衬底可以包含在体衬底中折射率为约2.6的SiC并且封装材料具有约1.5的折射率。衬底还可以包含在体衬底中折射率为约1.8的Al₂O₃、特别是蓝宝石，并且封装材料具有约1.5的折射率。出于本发明的目的，考虑在550nm的波长下的反射率。

在衬底内、直接在衬底的第二表面下方的减反射层堆叠体包括若干个层。从第二衬底表面开始，减反射层堆叠体依次包括：第一层、第二层、可选的第三层、和第四层。第一层是无定形无孔层，第二层是多孔层，第三层是无定形无孔层，并且第四层是部分结晶层。

形成减反射层堆叠体的固体材料基本上由与衬底体相同的材料组成，也就是说，该固体材料优选地基本上由碳化硅或Al₂O₃组成。因此，衬底体和减反射层堆叠体是同一衬底的一部分。在部分结晶层下方，存在结晶的体衬底。多孔层的孔填充有气体。由相同气体形成的离子将遍及减反射层堆叠体的所有层的固体材料存在。

在第二衬底表面上使用离子注入工艺，可以在衬底内、直接在衬底的第二表面下方形成减反射层堆叠体。特别地，将O、Ar、N、或He的阳离子用于注入工艺中。也可以使用O、Ar、N和/或He中的任何两种或更多种阳离子的混合物。

在具体的实施例中，

本发明的减反射层堆叠体的多孔层的孔包含O₂、Ar、N₂、或He，并且O、Ar、N、或He的离子将分别遍及减反射层堆叠体的所有层的固体材料存在。

附图说明

当结合附图阅读时，通过以下对本发明的具体实施例的详细描述，将更容易理解本发明的其他特征，在附图中：

·图1是展示了常规的GaN基发光二极管(LED)的截面图；

·图2是展示了光在具有不同折射率的两种介质之间行进的截面图；

·图3是展示了根据本发明的一些实施例的发光器件及其制作方法的截面图；

·图4是在衬底内、直接在第二衬底表面下方形成的本发明的减反射层堆叠体的TEM截面的示意图；以及

·图5是展示了根据本发明的一些实施例的用于制作发光器件的示例性操作的流程图。

实施方式说明

尽管本发明易受各种修改和替代形式的影响，但是在附图中以实例的方式示出本发明的具体实施例并且将在本文中进行详细的描述。然而，应理解，不意欲将本发明限制于所披露的特定形式，而是相反地，本发明将涵盖所有落入如权利要求定义的本发明的精神和范围内的修改、等效物和替代形式。贯穿图的描述，相同的标记是指相同的元件。在图中，为了清楚起见，放大了层和区域的尺寸。本文所述的每个实施例还包括其互补导电类型的实施例。

应理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为位于另一元件“之上”时，它可直接位于另一元件之上或还可以存在中间元件。应理解，如果元件的一部分(诸如表面)被称为“内部”，则它比该元件的其他部分更远离器件的外部。此外，相对术语，诸如“在……下方”或“在……上面”在本文中可以用于描述一个层或区域与另一层或区域相对于衬底或基底层的关系，如图中所展示的。应理解，除图中所描绘的取向外，这些术语还意欲涵盖器件的不同取向。最后，术语“直接”意指不存在中间元件。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任意和所有组合。

应理解，尽管第一、第二等术语可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但这些元件、部件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。除非另外说明，否则这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一区域、层或区段区分开。因此，下文讨论的第一区域、层或区段可以称作第二区域、层或区段，以及类似地第二区域、层或区段也可以称作第一区域、层或区段，而并不脱离本发明的传授内容。

可以用于本发明的实施例中的发光器件的实例包括但不限于以下美国专利号中描述的器件：6,201,262、6,187,606、6,120,600、5,912,477、5,739,554、5,631,190、5,604,135、5,523,589、5,416,342、5,393,993、5,338,944、5,210,051、5,027,168、5,027,168、4,966,862和/或4,918,497，将这些专利的披露内容通过援引并入本文。其他合适的LED和/或激光器在2002年5月7日提交的标题为“GROUP III NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODESTRUCTURES WITH A QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE,GROUP III NITRIDE BASEDQUANTUM WELL STRUCTURES AND GROUP III NITRIDE BASED SUPERLATTICE STRUCTURES[具有量子阱和超晶格的基于Ⅲ族氮化物的发光二极管结构，基于Ⅲ族氮化物的量子阱结构和基于Ⅲ族氮化物的超晶格结构]”的美国专利申请序列号10/140,796，以及2002年1月25日提交的标题为“LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATE MODIFICATIONS FORLIGHT EXTRACTION AND MANUFACTURING METHODS THEREFOR[包括针对光提取的衬底修正的发光二极管及其制造方法]”的美国专利申请序列号10/057,821中有所描述，将所述专利的披露内容如同全文阐述一样并入本文。此外，涂有磷的LED，诸如在2003年9月9日提交的标题为“PHOSPHOR-COATED LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING TAPERED SIDEWALLS,ANDFABRICATION METHODS THEREFOR[包括锥形侧壁的涂有磷光体的发光二极管及其制作方法]”的美国专利申请序列号10/659,241中描述的那些(将所述专利的披露内容如同全文阐述一样通过援引并入本文)也可以适用于本发明的实施例。

LED和/或激光器可以被配置成以“倒装芯片”构造操作，使得通过衬底产生光发射。在此类实施例中，衬底可以被图案化以便增强器件的光输出，如例如2002年1月25日提交的标题为“LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATE MODIFICATIONS FOR LIGHTEXTRACTION AND MANUFACTURING METHODS THEREFOR[包括针对光提取的衬底修正的发光二极管及其制造方法]”的美国专利申请序列号10/057,821中所述的，将所述专利的披露内容如同在本文全文阐述一样通过援引并入本文。

现在参考图3，展示了根据本发明的一些实施例的发光器件300。发光器件300包括类似于上文关于图1描述的GaN LED的GaN基LED。在图3中以倒装芯片构造示出，GaN基LED包括衬底305，该衬底具有第一相对表面和第二相对表面，分别为310a和310b，并且对于光辐射是至少部分透明的。衬底305可以是例如但不限于SiC衬底或蓝宝石(Al₂O₃)衬底。包括n型层315、有源区320、和p型层325的二极管区设置在第二表面310b上并且被配置成在跨越二极管区(例如跨越欧姆接触330和335)施加电压时发射光辐射到衬底305中。

包括n型层315、有源区320、和/或p型层325的二极管区可以包括氮化镓基半导体层，包括其合金，诸如氮化铟镓和/或氮化铝铟镓。在碳化硅上制作氮化镓例如在上文并入的美国专利6,177,688中有所描述。可以在n型氮化镓层315与碳化硅衬底305之间提供包含例如氮化铝的一个或多个缓冲层，如上文并入的美国专利5,393,993、5,523,589、6,177,688中所述。

有源区320可以包括单层n型、p型或本征氮化镓基材料、另一种同质结构、单异质结构、双异质结构、和/或量子阱结构。此外，有源区320可以包括由一个或多个包层限制的发光层。n型氮化镓层315可以包含掺杂硅的氮化镓，而p型氮化镓层325可以包含掺杂镁的氮化镓。另外，有源区320可以包括至少一个氮化铟镓量子阱。

在一些实施例中，用于p型氮化镓层325的欧姆接触335包括铂、镍和/或钛/金。在其他实施例中，可以使用包括例如铝和/或银的反射欧姆接触。n型氮化镓层315的欧姆接触330可以包括铝和/或钛。形成p型氮化镓和n型氮化镓的欧姆接触的其他合适材料可以分别用于欧姆接触335和330。n型氮化镓层和p型氮化镓层的欧姆接触的实例在例如上文并入的美国专利5,767,581中有所描述。

示出了呈倒装芯片或倒置构造的LED，使用粘结区345和350将其安装在安装支架340(诸如热沉)上。粘结区345和350可以包括焊料预成型件，这些焊料预成型件附接到二极管区和/或安装支架340，并且可以使用常规焊料回流技术回流以将欧姆接触335和330附接到安装支架340。粘结区345和350的其他实施例可以包括金、铟和/或铜焊。可以提供阳极引线355和阴极引线360以实现外部连接。

还如图3中所示，倒装芯片或倒置包装构造将衬底305远离安装支架340放置，并且将二极管区向下、相邻于安装支架340放置。可以在欧姆接触335、330与粘结区345、350之间包括势垒区(未示出)。势垒区可以包含镍、镍/钒、和/或钛/钨。也可以使用其他势垒区。

根据本发明的一些实施例，减反射层堆叠体365在衬底内、直接在第二衬底表面310a下方形成，并且采用范围为在与相邻于其的第一介质(即衬底体305)相关联的约第一折射率与与相邻于其的第二介质相关联的第二折射率之间的折射率。根据本发明的各种实施例，第二介质可以是空气或如图中3所示的封装材料370。

因此，根据本发明的一些实施例，减反射层堆叠体具有采用范围为在与不同的光传输介质相关联的两个不同折射率之间的值的中间折射率。有利的是，通过使用减反射层堆叠体来在不同介质之间过渡，可以避免突然的折射率变化，这可以减少在一种或两种介质的边界处内反射的光的量。

根据本发明，可以使用包括以下操作的离子注入工艺，在衬底内、在衬底的第二表面下方并且最靠近衬底的第二表面形成减反射层堆叠体：

在衬底的第一表面上形成被配置成响应于施加于其上的电压发射光的二极管区之后或之前，可以使用包括以下操作的离子注入工艺，在衬底内、在衬底的第二表面下方并且最靠近衬底的第二表面形成减反射层堆叠体。

·提供在O₂、Ar、N₂和He中选择的第一源气体，

·电离化所述第一源气体以便形成O、Ar、N、或He的单电荷离子与多电荷离子的第一混合物，

·用第一加速电压加速所述单电荷离子与多电荷离子的第一混合物以便形成包含单电荷离子与多电荷离子的混合物的第一束，其中所述第一加速电压包括在15kV与60kV之间，以及

·将所述第二衬底表面定位在所述第一束的轨迹中以便获得包括在10¹⁷个离子/cm²与10¹⁸个离子/cm²之间的第一离子剂量。

本发明人已经出乎意料地发现，利用本发明的离子注入工艺提供包含N、O、Ar、或He的单电荷和多电荷离子的混合物的离子束，该混合物用相同的特定加速电压加速并且以此特定的剂量施加于蓝宝石或碳化硅衬底，产生具有减反射层堆叠体的衬底，该减反射层堆叠体在衬底内、在经注入的衬底表面下方并且最靠近经注入的衬底表面。如图4中所展示，所得衬底(305)从第二衬底表面(310a)开始具有为无孔无定形层的第一层(1)、为多孔层的第二层(2)、为无定形无孔层的第三层(3)、以及为部分结晶层的第四层(4)。多孔层的孔填充有通过注入离子的重组形成的气体。由相同气体形成的注入离子将遍及减反射层堆叠体的所有层的固体材料以小于10原子％的浓度存在。与针对钠钙玻璃观察到的相反，仅存在一个可检测的多孔层。优选地，在不同的层1至层4中注入的物种的相对浓度C如下：C(第2层)>C(第1层)～(第3层)>C(第4层)。

优选地，使用电子回旋共振离子源(RCE)形成单电荷与多电荷离子的混合物。

看起来，由于多孔层，减反射层堆叠体降低了衬底的耐划伤性。第一无孔无定形层的存在某种程度上缓解了该问题，该第一无孔无定形层在多孔层的顶部上形成了相对致密且因此保护的层，并且防止在第二衬底表面上出现开孔。

本发明的注入工艺导致结晶度的部分损失、无定形化和孔形成(这取决于一定深度处的离子浓度)，伴有与结晶衬底体相比降低的折射率。优选地，不同的层1至层4的相对折射率N如下：N(第2层)<N(第1层)～N(第3层)<N(第4层)。本发明人估计，随着注入离子量越高，折射率越低。具体而言，位于衬底体与第一无定形层之间的多孔层、无定形多孔第三层和部分结晶第四层的顺序形成从第二衬底表面朝向衬底体折射率增加的顺序。

无定形无孔第一层的折射率高于多孔层的折射率，然而此层的厚度低于其他三个层的厚度，因此其对反射率的影响保持相对较低，同时仍足以在某种程度上保护更加敏感的多孔层。优选地，第一多孔层的几何厚度小于减反射层堆叠体的其他层，即，多孔第二层、无定形无孔第三层和部分结晶第四层中的每一个的几何厚度。优选地，第一无定形无孔层的几何厚度小于多孔层的几何厚度的30％。更优选地，第一无定形无孔层的几何厚度小于多孔层的几何厚度的20％。

将在O₂、Ar、N₂和He中选择的离子源气体电离化，以便分别形成O、Ar、N、或He的单电荷离子与多电荷离子的混合物。用加速电压加速单电荷离子与多电荷离子的混合物以便形成包含单电荷离子与多电荷离子的混合物的束。此束可以包含各种量的不同O、Ar、N、或He离子。对应离子的示例性电流示出在下表1中(以毫安测量)。离子源气体也可以是O₂、Ar、N₂和He中的两种或更多种的混合物，以便形成O、Ar、N和He中的两种或更多种的单电荷离子与多电荷离子的对应混合物。

表1

对于给定的衬底，通过选择适当的离子注入处理参数来控制形成减反射层堆叠体的层的厚度、它们的无定形化程度和多孔层的孔隙率。对于给定的离子源气体，关键的离子注入参数是离子加速电压和离子剂量。

选择衬底在单电荷和多电荷离子的束的轨迹中的定位，使得获得每表面积一定量的离子或离子剂量。离子剂量以每平方厘米的离子数来表示。出于本发明的目的，离子剂量是单电荷离子和多电荷离子的总剂量。离子束优选地提供连续的单电荷和多电荷离子流。离子剂量是通过控制衬底对离子束的暴露时间来控制的。根据本发明，多电荷离子是带有超过一个正电荷的离子。单电荷离子是带有单一正电荷的离子。

在本发明的一个实施例中，定位包括使衬底和离子注入束相对于彼此移动，以便渐进地处理玻璃衬底的某一表面积。优选地，它们以包括在5mm/s与150mm/s之间且最优选在5mm/s与100mm/s之间的速度相对于彼此移动。衬底相对于离子注入束的移动速度是以适当的方式选择的，以控制样品在该束中的停留时间，该停留时间影响被处理的区域的离子剂量。

本发明的方法可以易于按比例放大以便在一个工艺步骤中处理大量的小衬底，例如通过用本发明的离子束连续扫描承载多个衬底的衬底载体，或例如通过形成多个离子源的阵列，这些离子源在单程或多程中在移动衬底载体的整个宽度内处理该移动衬底载体。

根据本发明，加速电压和离子剂量优选地包括在以下范围内：

表2

本发明人已经发现，提供包含用相同的加速电压加速的单电荷离子与多电荷离子的混合物的离子束的离子源由于它们可以提供比单电荷离子更低剂量的多电荷离子而特别有用。看起来，具有在衬底内、直接在衬底表面下方的减反射层堆叠体的衬底可以用在此种束中提供的单电荷离子(具有较高的剂量和较低的注入能量)与多电荷离子(具有较低的剂量和较高的注入能量)的混合物来获得。实际上，这样选择的离子混合物产生注入分布，该注入分布形成从衬底表面到碳化硅或蓝宝石的衬底体具有增加的折射率的层顺序。注入能量(以电子伏(eV)表示)是通过将单电荷离子或多电荷离子的电荷乘以加速电压计算的。

在本发明的优选实施例中，位于被处理的区域下面的被处理的衬底的区域的温度小于或等于该衬底的熔融温度。此温度例如受该束的离子电流、被处理的区域在该束中的停留时间以及该衬底的任何冷却手段的影响。

在本发明的优选实施例中，仅使用了一种类型的注入离子，该类型的离子是在N、O、或Ar离子中选择的。在本发明的另一个实施例中，组合了两种或更多种类型的注入离子，这些类型的离子是在N、O、或Ar离子中选择的。

在本发明的一个实施例中，同时或连续地使用若干离子注入束来处理该玻璃衬底。

在本发明的一个实施例中，通过经由离子注入束进行的单一处理获得了衬底的每表面单位面积的离子总剂量。

在本发明的另一个实施例中，通过经由一个或多个离子注入束进行的若干连续处理获得了衬底的每表面单位面积的离子总剂量。每个连续处理可以具有不同的工艺参数。

在本发明的优选实施例中，在衬底的第一表面上形成被配置成响应于施加于其上的电压发射光的二极管区之后或之前，可以使用包括以下第一操作的离子注入工艺，在衬底内、在衬底的第二表面下方并且最靠近衬底的第二表面形成减反射层堆叠体。

·提供在O₂、Ar、N₂和He中选择的第一源气体，

·电离化所述第一源气体以便形成O、Ar、N、或He的单电荷离子与多电荷离子的第一混合物，

·用第一加速电压加速所述单电荷离子与多电荷离子的第一混合物，以便形成包含单电荷离子与多电荷离子的混合物的第一束，其中所述第一加速电压包括在15kV与60kV之间，以及将所述第二衬底表面定位在所述第一束的轨迹中以便获得包括在10¹⁷个离子/cm²与10¹⁸个离子/cm²之间的第一离子剂量，

·之后进行以下第二操作：

·提供在O₂、Ar、N₂和He中选择的第二源气体，

·电离化所述第二源气体以便形成O、Ar、N、或He的单电荷离子与多电荷离子的第一混合物，

·用第二加速电压加速所述单电荷离子与多电荷离子的第二混合物以便形成包含单电荷离子与多电荷离子的混合物的第一束，其中所述第二加速电压包括在15kV与60kV之间，以及

·将所述第二衬底表面定位在所述第二束的轨迹中以便获得包括在10¹⁷个离子/cm²与10¹⁸个离子/cm²之间的第二离子剂量。

在一个优选的实施例中，通过单次离子注入处理或通过多次离子注入处理获得的总离子剂量包括在10¹⁷个离子/cm²与10¹⁸个离子/cm²之间。

本发明的方法优选地在真空室中在包括在10^-2毫巴与10^-7毫巴之间、更优选在10^-5毫巴与10^-6毫巴之间的压力下进行。

用于进行本发明的方法的示例性离子源是来自奎尔科技公司(Quertech S.A.)的Hardion+ECR离子源。

本发明还涉及单电荷离子与多电荷离子的混合物用于在衬底内、直接在第二衬底表面下方形成减反射层堆叠体的用途，该衬底在衬底的第一表面上具有二极管区，该二极管区被配置成响应于施加于其上的电压发射光。

最终，由于在衬底内、直接在第二衬底表面下方形成的减反射层堆叠体，本发明的发光器件具有更高的光输出，因为通过衬底的内反射的损耗减少。

根据一个实施例，所得减反射层堆叠体的层具有以下厚度：

表3

根据本发明的一个实施例，多孔第二层包含具有包括在3nm与50nm之间、优选在10nm与30nm之间的截面等效圆直径的孔。如下所解释的，在双多孔表面层的截面的TEM图像上测定截面等效圆直径。对于下部多孔层的孔，截面等效圆直径的下限设定为3nm，因为这是通过此方法可以可靠地测定的最低直径。

根据本发明的一个实施例，孔占多孔层的截面面积的10％至50％。

具有在衬底内的减反射层堆叠体的此类衬底至少借助于层的这种特定组合具有提供具有减少的内反射率的衬底的优点，特别是在大入射光角度下，并且通过一种简单的、环境友好的且可放大至用于大量衬底的大衬底载体的方法获得。优选地，反射率对于入射光角度而言减小，该入射光角度相对于衬底表面的法线，包括在50°与70°之间、更优选包括在50°与60°之间。

可以注入到这些衬底中的离子类型分别是O、Ar、N或He的离子。这些注入的离子是单电荷离子与多电荷离子的混合物。多电荷离子是带有超过一个正电荷的离子。单电荷离子是带有单一正电荷的离子。注入在玻璃衬底中的单电荷离子可以是单电荷离子O⁺、Ar⁺、N⁺或He⁺。注入在玻璃衬底中的多电荷离子是例如O²⁺或Ar²⁺、Ar³⁺、Ar⁴⁺和Ar⁵⁺或N²⁺和N³⁺或和He^{2 +}。

优选地，O、Ar、N或He的多电荷离子与单电荷离子的混合物分别包含比O⁺更低量的最多O²⁺，比Ar⁺更低量的Ar²⁺、Ar³⁺、Ar⁴⁺和Ar⁵⁺，比N⁺更低量的N²⁺和N³⁺，比He⁺更低量的He²⁺。

在这些衬底中，离子注入深度可以包括在0.1μm与1μm之间、优选在0.1μm与0.5μm之间。

通过透射电子显微镜(TEM)研究经处理的衬底的微结构、层厚度以及特别是孔径和孔分布。使用聚焦离子束(FIB)程序制备截面样品。在制备期间，将工艺碳和铂保护层沉积在膜的顶部上。出于本发明的目的，如通过本方法测定的二维孔径被认为是孔的三维尺寸的代表。

根据图4中示意性示出的TEM显微照片评估孔隙率。使用图像分析软件ImageJ(由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health,USA)开发)处理图像，以将孔识别为界限分明的明亮区域。通常具有不规则形状的孔的截面等效圆直径是如通过此图像分析方法确定的具有与孔的截面等效的面积的二维圆盘的直径。将孔密度评估为多孔第二层的被孔占据的截面面积的百分比。

层厚度也在TEM显微照片上进行评估。

具体实施方式的详细说明

离子注入实例是根据下表中详述的各种参数使用用于产生单电荷离子与多电荷离子的混合物的束的RCE离子源制备的。使用的离子源是来自奎尔科技公司的Hardion+ECR离子源。

所有样品具有约7cm²的尺寸并且通过以在10mm/s与100mm/s之间选择的速度将该衬底位移通过离子束来在整个表面上进行处理。

将被处理的蓝宝石衬底的区域的温度保持在小于或等于该衬底的熔融温度的温度下。

对于所有实例，在真空室中在10^-6毫巴的压力下进行注入。

使用ECR离子源和N₂源气体，将N离子注入1.8mm厚的蓝宝石衬底中。在用本发明的离子注入方法注入之前，玻璃衬底的反射率是约14％。关键的注入参数可以在下表4中找到。用两个后续的离子注入步骤产生样品E5。

表4

光反射率RL是用光源D65和2°观察者角度在经处理的一侧测量的。

样品E1至E5中的减反射层堆叠体的层的厚度范围可以在下表5中找到。

表5

样品E1至E5的关键孔测量值的范围可以在下表6中找到。

表6

如可以从上表5、本发明的实例E1至E5看到的，用包含N的单电荷离子与多电荷离子的混合物(用相同的特定加速电压加速并且在此特定剂量下)的离子束处理蓝宝石衬底导致在衬底中形成多孔表面层。

现在将参考图5的流程图和图3的截面示图描述根据本发明的一些实施例的用于形成发光器件的示例性操作。现在参考图5，操作在提供衬底305的框500处开始。在框505处，在第一衬底表面310b上形成二极管区，即层315、320和325。在框510处，在衬底内、直接在衬底第二表面310a下方形成包括四个层的本发明的减反射层堆叠体365。可以使用离子注入工艺，诸如单电荷和多电荷离子注入工艺在衬底305内形成减反射层堆叠体365。可选地，在框515处，可以在衬底的第二表面上形成封装材料370。

Claims (10)

1.一种发光器件(300)，所述发光器件包括：

包含碳化硅或蓝宝石的结晶衬底(305)，所述结晶衬底对于光辐射是至少部分透明的并且具有第一表面、第二表面、和第一折射率；

在所述衬底的所述第一表面上的二极管区(315)，所述二极管区被配置成响应于施加于其上的电压发射光；以及

在所述衬底内、直接在所述衬底的所述第二表面(310a)下方的减反射层堆叠体(365)，其特征在于，所述减反射层堆叠体从所述第二衬底表面依次包括无定形无孔第一层(1)、多孔第二层(2)、可选的无定形无孔第三层(3)、以及具有降低的结晶度的第四层(4)。

2.如权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一层的厚度包括在5m与20m之间，所述第二层的厚度包括在20nm与80nm之间，所述第三层的厚度包括在2nm与60nm之间，并且所述第四层的厚度包括在30nm与80nm之间。

3.如任一项前述权利要求所述的发光器件，其中，所述第二层直接在所述第一层下方，所述第三层在存在时直接在所述第二层下方，并且所述第四层直接在所述第三层下方。

4.如任一项前述权利要求所述的发光器件，其中，如权利要求1所述的发光器件，其中，所述多孔第二层的截面面积的15％至50％被孔占据。

5.如任一项前述权利要求所述的发光器件，其中，如权利要求1所述的发光器件，其中，所述多孔第二的所述孔具有包括在5nm与25nm之间的截面等效圆直径。

6.一种形成发光器件的方法，所述方法包括以下操作：

-提供包含碳化硅或蓝宝石的结晶衬底，所述结晶衬底对于光辐射是至少部分透明的并且具有第一表面、第二表面、和第一折射率；

-在所述衬底的所述第一表面上形成二极管区，所述二极管区响应于施加于其上的电压发射光；

-通过离子注入在所述衬底内、直接在所述第二衬底表面下方形成减反射层堆叠体。

7.如权利要求6所述的方法，其中，通过离子注入在所述衬底内、直接在所述第二衬底表面下方形成减反射层堆叠体包括以下第一操作：

-提供选自N₂、O₂、Ar或He或其混合物的第一源气体，

-电离化所述第一源气体以便形成N、O、Ar或He或其混合物的单电荷离子与多电荷离子的第一混合物，

-用第一加速电压加速所述N、O、Ar或He或其混合物的单电荷离子与多电荷离子的第一混合物以便形成单电荷离子与多电荷离子的第一束，其中所述第一加速电压包括在15kV与60kV之间，以及

-将所述衬底的第二表面定位在所述第一束的轨迹中以便获得包括在10¹⁷个离子/cm²与10¹⁸个离子/cm²之间的第一离子剂量。

8.如权利要求6所述的方法，其中，通过离子注入在所述衬底内、直接在所述第二衬底表面下方形成减反射层堆叠体在所述第一操作之后进一步包括以下第二操作：

-提供选自N₂、O₂、Ar或He或其混合物的第二源气体，

-电离化所述第二源气体以便形成N、O、Ar或He或其混合物的单电荷离子与多电荷离子的第一混合物，

-用第二加速电压加速所述N的单电荷离子与多电荷离子的第二混合物以便形成单电荷离子与多电荷离子的第二束，其中所述第二加速电压包括在15kV与60kV之间，以及

-将所述衬底的第二表面定位在所述第二束的轨迹中以便获得包括在10¹⁷个离子/cm²与10¹⁸个离子/cm²之间的第二离子剂量。

9.如权利要求7或8中任一项所述的方法，其中，所有离子剂量的总和包括在2.5×10¹⁷个离子/cm²与7.5×10¹⁷个离子/cm²之间。

10.如权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括在所述衬底的所述第二表面上形成封装材料的最后操作。

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