CN112292764A - 包括二极管阵列的光电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电子器件，其包括轴向二极管(100)的矩阵(200)，每个二极管形成谐振腔，在该谐振腔中形成有定态电磁驻波，每个发光二极管包括基本上位于电磁波的极值(110)水平上的有源区域(104)，该矩阵形成光子晶体，所述光子晶体被配置为最大化由该二极管阵列提供的电磁辐射的强度。

Description

包括二极管阵列的光电子器件
本专利申请主张法国专利申请FR18/55450的优先权益，该申请在此纳入作为参考。
技术领域
本公开涉及一种光电子器件，具体而言，涉及一种包括由半导体材料制成的发光二极管的显示屏或图像投影设备，及其制造方法。
背景技术
已知将图像投影在透明屏幕(例如眼镜、汽车挡风玻璃或玻璃板)的波导光栅的输入端上，然后将图像投影到用户的眼睛上。例如，智能眼镜或增强现实眼镜就是这种情况。为此，光电子器件在屏幕上投影图像，然后在屏幕中引导图像到达使用户可以看到图像的系统。光电子器件可以包括例如由半导体材料制成的发光二极管。通常将显示器配置为仅适当地引导发光二极管发射的辐射，该辐射基本上沿着给定方向传播。因此，由发光二极管提供的辐射的方向性是这种光电子器件的重要特性。
发明内容
因此，实施例提供了一种包括轴向二极管的阵列的光电子器件，每个二极管形成谐振腔，在所述谐振腔中形成有电磁驻波，每个发光二极管包括基本上位于所述电磁波的极值水平上的有源区域，所述阵列形成光子晶体，所述光子晶体被配置为最大化由所述二极管阵列提供的电磁辐射的强度。
根据实施例，所述阵列包括上面搁置所述二极管的支撑件，每个二极管包括搁置在所述支撑件上的第一半导体区域、与所述第一半导体区域接触的所述有源区域，以及与所述有源区域接触的第二半导体区域的堆叠。
根据实施例，所述器件包括位于所述支撑件与所述二极管的所述第一区域之间的反射层。
根据实施例，所述反射层由金属制成。
根据实施例，所述二极管的所述第二区域被导电层覆盖，所述导电层对于由所述二极管发射的所述辐射至少部分地透明。
根据实施例，所述二极管中的至少一个的高度与kλ/2n基本成正比，其中λ是由所述二极管发射的所述辐射的波长，k是正整数，n基本上等于所考虑的光学模式下的所述二极管的有效折射率。
根据实施例，所述二极管被电绝缘材料隔开。
根据实施例，所述阵列包括至少第一和第二二极管组件，所述第一组件的所述二极管具有相同的第一高度，所述第二组件的所述二极管具有相同的第二高度，所述第一和第二高度是不同的。
根据实施例，对于所述二极管中的至少一个，所述二极管的所述第一区域包括由蚀刻停止层隔开的至少两个部分。
根据实施例，每个蚀刻停止层具有1至200nm范围内的厚度。
根据实施例，所述阵列的间距与所提供的电磁辐射的波长的商在大约0.4到大约0.92的范围内。
根据实施例，所述二极管是发光二极管或光电二极管。
另一实施例提供了一种制造光电子器件的方法，所述光电子器件包括轴向二极管的阵列，每个二极管形成谐振腔，在所述谐振腔中形成有电磁驻波，每个二极管的有源区域基本上位于所述电磁波的极值水平上，所述阵列的间距被配置为最大化由所述二极管阵列提供的强度。
根据实施例，所述阵列的所述二极管的形成包括：
在衬底上形成第一区域，所述第一区域通过所述阵列的间距彼此分离；
在每个第一区域上形成有源区域；以及
在每个有源区域上形成第二区域。
根据实施例，所述方法包括蚀刻所有所述第二区域，使得它们具有相同高度的第一步骤。
根据实施例，所述方法包括蚀刻所有所述第一区域，使得它们具有允许所述有源区域位于所述电磁波的所述极值水平上的高度的第二步骤。
根据实施例，所述方法包括在所述有源区域的形成之前执行所述第二蚀刻步骤。
根据实施例，在所述第二蚀刻步骤之前是去除所述衬底的步骤，所述第二蚀刻步骤是从最靠近所述衬底的所述二极管的末端进行的。
根据实施例，所述方法包括在所述二极管中的至少一个的所述第一区域中形成能够用作所述第二蚀刻步骤的停止层的至少一个层。
根据实施例，所述二极管是发光二极管或光电二极管。
附图说明
通过结合附图，在特定实施例的以下非限制性描述中详细地讨论前述以及其他特征和优点，其中：
图1是轴向发光二极管的实施例的局部简化透视图；
图2是发光二极管阵列的实施例的局部简化透视图；
图3A和图3B示意性地示出了图2的阵列的发光二极管的布局的示例；
图4A至图4F是示出在制造图2的阵列的方法的另一实施例的步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图5A至图5D是示出在制造图2的阵列的方法的实施例的其他步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图6是示出在制造图2的阵列的方法的实施例的一个步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图7A和图7B是示出在制造图2的阵列的方法的另一实施例的步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图8是示出根据阵列的某些特性的由诸如图2中的阵列发射的强度的图；
图9A至图9E是示出发光二极管阵列的实施例的仿真结果的曲线图；以及
图10A至图10E是示出发光二极管阵列的其他实施例的仿真结果的曲线图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的元件已经用相同的参考标号表示，另外，各个附图并未按比例绘制。为清楚起见，仅示出并详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，所考虑的光电子器件可选地包括将不详细描述的其他组件。
在下面的描述中，当提及诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等之类的限定绝对位置的术语，或诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等之类的限定相对位置的术语时，或者当提及诸如术语“水平”、“垂直”等之类的限定方向的术语时，指的是图中相关元件的取向。本文中使用术语“近似”、“大概”、“基本上”和“大约”来表示所考虑的值的正负10％，优选地正负5％的容差。
当提及“透明的”或“反射的”元件时，考虑了对于器件执行操作时的波长(例如，由所考虑的发光二极管发射的电磁辐射的波长)具有透明性或反射性的元件。
此外，发光二极管的术语“有源区域”表示从中发射由发光二极管提供的大部分电磁辐射的发光二极管区域。
术语“轴向发光二极管”表示沿着主方向具有细长形状(例如，圆柱形)的三维结构，该结构具有至少两个称为次要尺寸的尺寸，其范围为5nm至2.5μm，优选地为50nm3到2.5μm。称为主尺寸的第三尺寸大于或等于最大次要尺寸的1倍，优选地大于或等于其5倍，更优选地大于或等于其10倍。在某些实施例中，次要尺寸可以小于或等于大约1μm，优选地在100nm至1μm的范围内，更优选地在100nm至800nm的范围内。在某些实施例中，每个发光二极管的高度可以大于或等于500nm，优选地在1μm至50μm的范围内。
图1是轴向发光二极管100的实施例的透视图。
发光二极管100包括区域102、有源区域104和区域106的堆叠。区域102的上表面与有源区域104的下表面接触。有源区域104的上表面与区域106的下表面接触。
发光二极管100被称为轴向发光二极管是因为有源区域104与区域102在一条直线上，而区域106与有源区域104在一条直线上。轴线Δ对应于轴向发光二极管的轴线。
区域102由第一导电类型的掺杂半导体材料(例如P掺杂)制成。区域102位于支撑件105上，该支撑件例如是电子电路，例如中介层，其包括与区域102接触并能够控制发光二极管100的互连。然后，轴线Δ与支撑件105的上表面正交。区域102的下表面109(即，位于支撑件105侧的表面)与反射层接触。例如，下表面109可以通过由金属(例如铝)制成的层107与支撑件105分开。例如，金属层107可以全部或部分地覆盖支撑件105。
区域106由不同于第一导电类型的第二导电类型(例如，N型)的半导体材料制成。区域106的上表面111例如被一种或多种透明或半反射材料所构成的层(或层堆叠)覆盖，该层未示出，例如为一层透明导电氧化物(TCO)。
区域102和106可以至少部分地由主要包含III-V族化合物(例如III-N族化合物)的半导体材料构成。III族元素的示例包括镓(Ga)、铟(In)或铝(Al)。III-N族化合物的示例是GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN或AlInGaN。也可以使用其他V组元素，例如磷(P)或砷(As)。III-V族化合物中的元素可以与不同的摩尔分数结合。
区域102和106可以至少部分地由主要包含II-VI族化合物的半导体材料构成。II族元素的示例包括IIA族元素，特别是铍(Be)和镁(Mg)，以及IIB族元素，特别是锌(Zn)、镉(Cd)和汞(Hg)。VI族元素的示例包括VIA族元素，特别是氧(O)和碲(Te)。II-VI族化合物的示例是ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe或HgTe。通常，II-VI族化合物中的元素可以与不同的摩尔分数结合。
区域102和106可以至少部分地由主要包含至少一种IV族化合物的半导体材料构成。IV族半导体材料的示例是硅(Si)、碳(C)、锗(Ge)、碳化硅合金(SiC)、硅锗合金(SiGe)或碳化锗合金(GeC)。
区域102和106可以包含掺杂剂。例如，对于III-V族化合物，掺杂剂可以选自P型II族掺杂剂，例如镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)或汞(Hg)，P型IV族掺杂剂，例如碳(C)，或N型IV族掺杂剂，例如硅(Si)、锗(Ge)硒(Se)、硫(S)、铽(Tb)或锡(Sn)。
优选地，区域102是P掺杂的GaN区域，区域106是N掺杂的GaN区域。
对于每个发光二极管，有源区域104可以包括限制装置，例如，区域104可以包含单个量子阱，然后包括不同于形成区域102和160的半导体材料且带隙小于形成区域102和160的半导体材料的半导体材料。有源区域104可以包括多个量子阱，然后包括形成量子阱和势垒层的交替的半导体层的堆叠。
在图1中，所示的发光二极管100呈柱形，包括以轴线Δ为中心的圆形底面。但是，发光二极管100也可以呈以轴线Δ为中心的带有多边形底面(例如，正方形、矩形或六边形)的柱形。优选地，发光二极管100呈带有六边形底面的柱形。
发光二极管100的高度h(即区域102的下表面109与区域106的上表面111之间的距离)基本上与k*λ/2*neff成正比，λ是由发光二极管发射的辐射的波长，neff是处于所考虑的光学模式下的发光二极管的有效折射率，k是正整数。有效折射率例如在Joachim Piprek所著的“半导体光电子器件：物理学与仿真入门”中定义。
高度h等于区域102的高度P1、有源区域104的高度P2、区域106的高度P3以及可以覆盖表面111的可选层的高度之和。
发光二极管100沿着轴线Δ形成谐振腔。因此，在工作中的发光二极管中形成了沿着轴线Δ的电磁驻波，在图1中通过曲线108非常示意性地示出了该电磁驻波。因此，如果发光二极管具有圆形横截面，则该波例如具有旋转对称性。沿着轴线Δ的电磁驻波表示这样的电磁波：它的节点(例如，零强度点)在空间中固定，而它在其他点处的强度随时间变化。
根据实施例，有源区域104有利地位于电磁波的极值110的水平上。于是，由该发光二极管发射的辐射的功率强度更加显著，并且从该发光二极管逸出的辐射与具有相同结构，但是有源区域不在电磁波的极值处的发光二极管的情况相比更密集。
图2是发光二极管100的阵列200的实施例的透视图。
阵列200包括位于填充材料层202中的发光二极管100，该填充材料例如是电绝缘材料，例如氧化硅。在图2的实施例中，所有的发光二极管100具有相同的高度。层202的厚度例如被选择为等于发光二极管的高度，使得层202的上表面与每个发光二极管的上表面(即，与每个区域106的上表面111)共面。
未示出的电极层与发光二极管的上表面接触。该电极层可以是覆盖层202的导电层。该电极层可以是透明或半反射层。
阵列的上表面对应于电极层的与发光二极管相对的表面。
图2示出了十二个发光二极管100。实际上，阵列200例如可以包括7至100,000个发光二极管。
阵列200的发光二极管100以行和列排列(图2中以3行和4列为例)。阵列的间距是一个发光二极管100的轴线与同一行或相邻行中的紧挨的发光二极管100的轴线之间的距离。间距a基本上是恒定的。更具体地，阵列的间距被选择为使得阵列200形成光子晶体。所形成的光子晶体例如是2D光子晶体。
有利地，选择由阵列200形成的光子晶体的特性，使得与不形成光子晶体的发光二极管100的组件情况相比，由该阵列的所有发光二极管100发射的辐射的强度更大，并且辐射更有方向性。
在图2的示例中，折射率neff基本上等于发光二极管100的GaN和层202的材料的折射率的平均值，其中通过这两种材料之间的表面积比FF进行加权。因此，折射率neff例如基本上等于：FF*nGaN+(1-FF)*nSiO2，其中nGaN是发光二极管100的GaN的折射率，nSiO2是层202的材料的折射率，FF等于发光二极管100的水平横截面面积与阵列200的周期元件的水平横截面面积的商。例如，阵列200的周期元件具有以发光二极管100为中心的正方形的水平横截面，以及等于两个相邻发光二极管的轴线Δ之间的距离的边长。
图3A至图3B示意性地示出了阵列200的发光二极管100的布局的示例。特别地，图3A示出了所谓的正方形网格布局，而图3B示出了所谓的六边形网格布局。
图3A和3B进一步示出了阵列的间距a，即，一个发光二极管的轴线与同一行或相邻行中的紧挨的发光二极管的轴线之间的距离。图3A和3B还示出了具有圆形底面的发光二极管100的半径R。在发光二极管不具有圆形底面的情况下，半径R对应于其中内接底面的圆的半径。
图3A示出了三行发光二极管100，每行四个。在这种布局中，发光二极管100位于每个行和列的交叉点处，行垂直于列。
与图3A类似，图3B示出了三行发光二极管100，每行四个。在这种布局中，一行中的二极管相对于上一行和下一行中的发光二极管移动了半个间距a。
图4A至图4F是示出在图2的阵列200的制造方法的实施例的步骤中获得的结构的截面图。
图4A示出了在下文描述的形成步骤之后获得的结构。
在衬底304上形成籽晶层302。然后由籽晶层302形成发光二极管100。更具体地，以区域106与籽晶层302接触的方式形成发光二极管100。每个发光二极管100的有源区域104位于区域106上，而区域102位于有源区域104上。
此外，通过定位发光二极管100以形成阵列200，即，以形成具有阵列200的期望间距的行和列。图4A至图4F中仅示出了一行。
可以在籽晶层302上形成发光二极管之前形成未示出的掩模，以仅在发光二极管所在的位置处暴露出籽晶层302的一部分。作为变型，可以蚀刻籽晶层以形成位于发光二极管将要定位的位置处的焊垫。
发光二极管100的生长方法可以是诸如化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)(也称为金属有机气相外延(MOVPE))的方法。但是，也可以使用诸如分子束外延(MBE)、气源MBE(GSMBE)、金属有机MBE(MOMBE)、等离子体辅助MBE(PAMBE)、原子层外延(ALE)或氢化物气相外延(HVPE)之类的方法。然而，也可以使用电化学过程，例如化学浴沉积(CBD)、水热过程、液体气溶胶热解或电沉积。
发光二极管100的生长条件使得阵列200的所有发光二极管基本上以相同的速度形成。因此，区域102和106的高度以及有源区域104的高度对于阵列200的所有发光二极管基本相同。
进一步认为，区域102和有源区域104的高度基本上对应于先前描述的值P1和P2，这些值的确定使得在操作中，有源区域104位于电磁波的极值上。区域106的高度大于期望值P3。区域106的高度难以精确地控制，尤其是因为区域106从籽晶层302开始生长。此外，直接在籽晶层上形成半导体可能导致籽晶层正上方的半导体材料中出现晶体缺陷，因此需要去除区域106的一部分。
图4B示出了在形成对应于层202的材料的填充材料的层306(例如，电绝缘材料，例如氧化硅)之后形成的结构。层306例如通过在结构上沉积层一层填充材料来形成，该层的厚度大于发光二极管100的高度。然后部分地去除该填充材料层以使其平坦化，从而露出区域102的上表面，每个上表面对应于关于图1描述的表面109。因此，层306的上表面与每个区域102的上表面基本共面。作为变型，该方法可以包括蚀刻步骤，在该蚀刻步骤期间部分地蚀刻区域102。
通过选择填充材料，使得由阵列200形成的光子晶体具有所需的特性，即，它提高了由发光二极管100发射的辐射的方向性和强度。
图4C示出了在先前步骤中获得的结构上沉积层308之后获得的结构。层308是反射层，例如金属层，例如铝层。层308也是导电层，该层将阵列200的所有区域102彼此连接。阵列200的发光二极管100因此经由层308被控制。
图4D示出了在例如通过金属对金属的接合，通过热压或通过使用支撑件310侧面的低共熔合金进行钎焊而接合到不与层306接触的层308的表面的支撑件310之后获得的结构支撑件310。支撑件310例如是电子电路，例如中介层，其包括未示出的与层308接触的互连。
图4E示出在去除衬底304和籽晶层302之后获得的结构。此外，以使得每个区域106的高度具有值P3的方式蚀刻层306和区域106，从而能够如先前那样放置有源区域。该步骤有利地使得能够精确地控制发光二极管的高度h并且去除可能具有晶体缺陷的区域106的一部分。
图4F示出了在通过先前步骤获得的结构上沉积层312之后获得的结构。层312是透明或半反射的，以允许辐射的发射，并且是导电的，以控制发光二极管100。层312例如由透明的导电氧化物制成，例如由氧化锌或氧化铟锡制成，或者可以是氧化物层的堆叠，以便能够根据堆叠材料的厚度和折射率来调节堆叠的反射率。
图5A至图5D是示出在制造图2的阵列200的方法的实施例的其他步骤中获得的结构的截面图。更具体地，图5A至图5D至少部分地示出区域106的形成。
图5A示出了在覆盖衬底304的籽晶层302上形成区域106之后获得的结构。
本实施例例如适用于其中发光二极管100的生长条件使得能够获得具有不同高度的区域106的情况。
图5B示出了在区域106上形成填充材料层402(例如氧化硅)之后的结构。层402的形成例如包括沉积厚度大于位于层302上的区域106的高度的一层填充材料。
图5C示出了在蚀刻区域106和层402，使得所有区域106的上表面和层402的上表面共面之后获得的结构。然后，区域106全部具有相同的高度。
图5D示出了在去除层402之后获得的结构。
然后可以恢复发光二极管100的生长，例如以达到关于图4A所描述的结构。然后，发光二极管100具有基本上采取相同速度的生长。图5D的步骤之后例如是区域106其余部分的生长以及有源区域104和区域102的生长的步骤。作为变型，图5D的步骤后面可以紧跟有源区域104和区域102的生长的步骤。在这种情况下，图5D中的区域106的高度已经对应于图4A中的区域106的高度。因此，无论阵列中的发光二极管如何，区域106和102以及区域104基本上具有相同的高度。然后可以恢复关于图4A至图4F的描述。
图6是示出在制造图2的阵列的方法的另一实施例的步骤中获得的结构的截面图。该步骤例如在图5D所示的步骤之后。
在该步骤期间，在先前形成并平坦化的区域106的部分106a(例如在关于图5A至图5D描述的方法期间)上形成蚀刻停止层502。作为示例，形成蚀刻停止层502的材料可以元素可以是元素周期表第IV、V或VI列中的过渡金属的氮化物、碳化物、金属或硼化物，或者是这些化合物的组合。例如，蚀刻停止层502可以由以下项制成：氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、硼(B)、氮化硼(BN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铪(Hf)、氮化铪(HfN)、铌(Nb)、氮化铌(NbN)、锆(Zr)、硼酸锆(ZrB2)、氮化锆(ZrN)、碳化硅(SiC)、碳氮化钽(TaCN)、MgXNY形式的氮化镁，其中x大约等于3，y大约等于2，例如，Mg3NY2形式的氮化镁。层502的厚度例如在大约1至100nm的范围内。
然后在层502上形成区域106的部分106b。然后在区域106上形成有源区域104和区域102。
部分106b的高度基本上对应于期望高度P3。部分106a的高度足够大以包括大多数晶体缺陷。
然后，在图6的步骤之后可以是关于图4B至图4F描述的步骤，先前关于图4E描述的步骤的蚀刻在蚀刻停止层502处停止，并且例如包括去除蚀刻停止层502。
图7A和图7B是示出在制造图2的阵列的方法的另一实施例的步骤中获得的结构的截面图。更具体地，图7A和7B示出包括具有不同高度的发光二极管的阵列的制造。
图7A示出了与对应于发光二极管100的生长的图4A的步骤等效的步骤，不同之处在于，在该步骤期间，在每个区域106中形成了多个蚀刻停止层。在图7A中，在每个区域106中形成三个蚀刻停止层602a、602b和602c，层602a最接近籽晶层302，并且层602c最接近有源区域104。蚀刻停止层例如由相同的材料制成并且通过区域106的一部分彼此分开。
图7B示出了在类似于先前关于图4B、4C和4D描述的那些步骤之后，从图7A的结构获得的发光二极管的阵列。
该方法然后包括蚀刻步骤。在这些步骤期间，对于发光二极管100的组件604，将每个发光二极管100的区域106从自由端蚀刻到蚀刻停止层602c，该蚀刻停止层602c也被蚀刻。对于发光二极管100的组件606，将每个发光二极管100的区域106从自由端一直蚀刻到蚀刻停止层602b，然后蚀刻该蚀刻停止层602b，以露出区域106的位于蚀刻停止层602b和602c之间的部分。对于发光二极管100的组件608，将每个发光二极管100的区域106从自由端一直蚀刻到蚀刻停止层602a，然后蚀刻该蚀刻停止层602a，以露出区域106的位于蚀刻停止层602b和602a之间的部分。
不同组件604、606和608的发光二极管例如提供具有相同波长λ的辐射，并且例如具有等于λ/2n的不同倍数的总高度h。作为变型，不同组件604、606和608的发光二极管可以适合于发射具有不同波长的辐射，因此具有不同的高度。
选择蚀刻停止层602a、602b和602c的材料和尺寸，使得它们对发光二极管的操作的影响可忽略不计。
然后将层312沉积在结构上。层312例如可以围绕某些发光二极管组件的区域106的上部。选择层312的厚度以覆盖每个发光二极管100的上表面。
反射层308例如被划分为多个非连接部分，每个部分与发光二极管的组件接触。因此，可以彼此独立地控制不同的发光二极管组件。
通常，蚀刻停止层的数量对应于阵列中期望的不同发光二极管的高度的数量。
上述制造方法实施例的优点在于它们使得能够将有源区域104精确地定位在发光二极管100内，即，能够控制高度P1、P2和P3的值。
以下附图8、9A至9E和10A至10E示出了与根据上述实施例的阵列的示例有关的仿真结果。此类仿真示出了确定发光二极管的尺寸和阵列的间距的方法。为了进行仿真，所考虑的阵列的发光二极管包括GaN区域102和106。区域102的厚度大于或等于30nm。有源区域104包括单个InGaN层，其厚度等于40nm。层306由氧化硅制成，反射材料层308由铝制成。层312具有50nm的厚度。层312由透明的导电氧化物制成，该透明的导电氧化物在所考虑的波长下具有基本上等于2的折射率，例如ITO。所考虑的发光二极管100呈带有圆底的柱形。阵列的发光二极管以正方形网格布置。每行和每列包括七个发光二极管。因此，此处的阵列包括四十九个发光二极管。在下面的仿真中，将所有发光二极管视为具有相同的高度。
选择对正方形网格的填充率施加以下约束：5％≤πR2/a2≤65％，其中R是每个发光二极管横截面的半径，a是阵列的间距。
图8是包括根据第一商数a/λ的由阵列发射的辐射的强度(功率)的变化曲线的曲线图，其中λ是由阵列发射的辐射的波长，每个阵列示例，以及每条曲线对应于第二商数2πR/λ的不同值。
为了清楚起见，图8仅示出6条曲线。实际上，已经通过将第二商数2πR/λ从0.7变为1.7执行了仿真。
该图可以确定出现强度峰值的第一商数a/λ的一个或多个值范围。可以观察到两个区域702和704，每个区域对应于这样一个值范围。在两个区域702和704中的至少一个中包括峰值。
区域702对应于基本上在大约0.4至大约0.82的范围内的第一商数a/λ的值范围。区域704对应于基本上在大约0.8至大约0.92的范围内的第一商数a/λ的值范围。
图9A至图9E是示出发光二极管阵列的实施例的仿真结果的曲线图。更具体地，图9A和图9B示出了在阵列的第一商数a/λ处于与区域702相关联的范围内，从而允许确定阵列的最佳特性的情况下的仿真，并且图9C至图9E示出了在选定特性的情况下的仿真结果。
选择由发光二极管发出的辐射的波长λ，例如蓝光的波长450nm，绿光的波长530nm，红光的波长630nm。选择在对应于区域702的范围内具有最大值的一条曲线以及选定曲线的最大值处的第一商数a/λ的值允许确定发光二极管的半径R和阵列的间距a。
例如，这里选择630nm的波长，以及在区域702中具有对应于所有曲线中的最强发射强度的极值的曲线706。然后，第一商数a/λ基本上等于0.7111，第二商数2πR/λ因此基本上等于1.1。因此，间距a基本上等于448nm，并且半径R基本上等于110nm。
图9A示出了在上面选定的条件下，根据发光二极管的总高度h的由阵列的发光二极管的上表面发射的强度(最高功率)。
可以观察到对应于等于190nm、375nm和550nm的高度h的三个强度峰值。
在这些值中选择一个h值。尽管对于等于190nm的高度h，由上表面发出的强度更大，但是为了便于制造，此处将高度h选择为等于375nm。
图9B示出了根据区域102的厚度P1的由具有上面确定的特性的发光二极管阵列发射的强度。在给定的值范围内，可以观察到一个最大值，该最大值允许确定区域102的厚度P1的值，在这里为40nm。
图9C示出了根据由发光二极管发射的辐射的波长λ的由阵列的上表面发射的辐射的强度。曲线802对应于不形成光子晶体的发光二极管的阵列，并且曲线804对应于形成光子晶体并具有上面确定的特性的阵列。这些值已经归一化，使得曲线802的最大值对应于值1。
可以观察到，根据实施例并且具有上面确定的特性的发光二极管阵列在其上表面的水平处发射强度比不形成光子晶体的阵列发射的辐射强度大1.5倍的辐射。
图9D示出了根据发射强度与正交于阵列上表面的方向之间的角度的由上述阵列发射的辐射的强度。由阵列发射的辐射有利地是定向的。
图9E示出了根据相对于阵列上表面测得的立体角的采取累积的方式的由阵列发射的辐射的强度。图9E包括对应于不形成谐振腔的轴向发光二极管的阵列的曲线806，以及对应于由形成谐振腔并具有上面确定的特性的轴向发光二极管形成的光子晶体的曲线808。
可以观察到，根据实施例的阵列(曲线808)提供了更具方向性的强度。实际上，对应于曲线808的阵列以30°的立体角提供了其强度的50％，而对应于曲线806的阵列以45°的立体角提供了其强度的50％。
因此，与由对应于曲线806的发光二极管阵列提供的辐射相比，根据图2的实施例并且具有上面确定的特性的阵列提供强度更大，并且更具方向性的辐射。
图10A至图10E是示出了发光二极管阵列的另一实施例的仿真结果的曲线图。更具体地，图10A和图10B示出了在阵列的第一商数a/λ处于与区域704相关联的范围内，从而允许确定阵列的最佳特性的情况下的仿真结果，并且图10C至图10E示出了选定特性的仿真结果。
如前所述，这里选择630nm的波长，并且选择图8的曲线708，其极值对应于所提供的曲线中的最大发射强度。对应于极值的商数a/λ基本上等于0.85且曲线的商数2πR/λ基本上等于1.49。因此，所确定的间距a等于536.7nm，并且所确定的半径R等于150nm。
图10A示出了在上面选定的条件下，根据发光二极管的总高度h的由发光二极管的上表面发射的强度(最高功率)。
可以观察到对应于基本上等于180nm和325nm的高度h的两个强度峰值。
在这些值中选择一个h值。此处将h选择为等于325nm，对应于最强的强度。
图10B示出了根据区域102的厚度P1的由具有上面确定的特性的发光二极管阵列发射的强度。
在给定的值范围内，可以观察到一个最大值，该最大值允许确定区域102的厚度P1的值，在这里为40nm。
图10C示出了根据由发光二极管发射的辐射的波长λ的由阵列的上表面发射的辐射的强度。曲线902对应于不形成光子晶体的发光二极管的阵列，并且曲线904对应于形成光子晶体并具有上面确定的特性的阵列。这些值已经归一化，使得曲线902的最大值对应于值1。
可以观察到，根据实施例并且具有上面确定的特性的发光二极管阵列在其上表面的水平处发射强度比不形成光子晶体的阵列发射的辐射强度大1.6倍的辐射。
图10D示出了根据发射强度与正交于阵列上表面的方向之间的角度的由上述阵列发射的辐射的强度。可以观察到，与关于图9A至图9E描述的情况相比，辐射更具方向性。
图10E示出了根据相对于阵列上表面测得的立体角的采取累积的方式的由阵列发射的辐射的强度。图10E包括对应于包括不形成谐振腔的轴向发光二极管的阵列的曲线906，以及对应于包括形成谐振腔并具有上面确定的特性的轴向发光二极管的光子晶体的曲线908。
可以观察到，根据实施例的阵列(曲线908)提供了更具方向性的强度。实际上，对应于曲线908的阵列以33°的立体角提供了其强度的50％，而对应于曲线906的阵列以45°的立体角提供了其强度的50％。
因此，与由对应于曲线906的发光二极管阵列提供的辐射相比，根据图2的实施例并且具有上面确定的特性的阵列提供强度更大，并且更具方向性的辐射。
发明人已经针对诸如关于图1和图2描述的具有不同特性的发光二极管阵列执行了类似的仿真，特别是针对具有不同形状的横截面的发光二极管，针对其有源区域包括多个量子阱而非单个量子阱的发光二极管，针对具有六边形而非正方形网眼布局的发光二极管，或者针对不同的材料。然后通过仿真结果可以确定上述发光二极管和阵列的特性值，并且显示出由发光二极管阵列发射的辐射的强度和方向性的增加。
已经描述了具体实施例。本领域技术人员将想到各种改变和修改。特别地，尽管这里仅描述了发光二极管的情况，但是实施例也可以应用于光电二极管。
上面已经描述了具有不同变型的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可以将这些各种实施例和变型的各种要素进行组合，而不示出任何创造性。

Claims (20)

1.一种光电子器件，包括轴向二极管(100)的阵列(200)，每个二极管形成谐振腔，在所述谐振腔中形成有电磁驻波，每个发光二极管包括基本上位于所述电磁波的极值(110)水平上的有源区域(104)，所述阵列形成光子晶体，所述光子晶体被配置为最大化由所述二极管阵列提供的电磁辐射的强度。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述阵列(200)包括上面搁置所述二极管(100)的支撑件(105、310)，每个二极管包括搁置在所述支撑件上的第一半导体区域(102)、与所述第一半导体区域接触的所述有源区域(104)以及与所述有源区域接触的第二半导体区域(106)的堆叠。
3.根据权利要求2所述的器件，包括位于所述支撑件(105、310)与所述二极管的所述第一区域(102)之间的反射层(107、308)。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述反射层(107、308)由金属制成。
5.根据权利要求3或4所述的器件，其中所述二极管的所述第二区域(106)被导电层(312)覆盖，所述导电层对于由所述二极管发射的所述辐射至少部分地透明。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件，其中所述二极管(100)中的至少一个的高度(h)与kλ/2n基本成正比，其中λ是由所述二极管发射的所述辐射的波长，k是正整数，n基本上等于所考虑的光学模式下的所述二极管的有效折射率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件，其中所述二极管(100)被电绝缘材料(202、306)隔开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的器件，所述阵列包括至少第一和第二二极管组件(604、606、608)，所述第一组件的所述二极管具有相同的第一高度，所述第二组件的所述二极管具有相同的第二高度，所述第一高度和第二高度是不同的。
9.根据权利要求2所述的器件，其中对于所述二极管中的至少一个，所述二极管的所述第一区域包括由蚀刻停止层(502、602a、602b、602c)隔开的至少两个部分(106a、106b)。
10.根据权利要求9所述的器件，其中每个蚀刻停止层(502、602a、602b、602c)具有1至200nm范围内的厚度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的器件，其中所述阵列的间距与所提供的电磁辐射的波长的商在大约0.4到大约0.92的范围内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的器件，其中所述二极管是发光二极管或光电二极管。
13.一种制造光电子器件的方法，所述光电子器件包括轴向二极管(100)的阵列(200)，每个二极管形成谐振腔，在所述谐振腔中形成有电磁驻波，每个二极管的有源区域(104)基本上位于所述电磁波的极值(110)水平上，所述阵列形成光子晶体，所述光子晶体被配置为最大化由所述二极管阵列提供的电磁辐射的强度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述阵列的所述二极管的形成包括：
在衬底(304)上形成第一半导体区域(106)，所述第一区域通过所述阵列的间距彼此分离；
在每个第一区域上形成有源区域(104)；以及
在每个有源区域上形成第二半导体区域(102)。
15.根据权利要求14所述的方法，包括蚀刻所有所述第二区域以使得它们具有相同高度的第一步骤。
16.根据权利要求14或15所述的方法，包括蚀刻所有所述第一区域以使得它们具有允许所述有源区域位于所述电磁波的所述极值水平上的高度的第二步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在所述有源区域的形成之前执行所述第二蚀刻步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，其中在所述第二蚀刻步骤之前是去除所述衬底的步骤，所述第二蚀刻步骤是从最靠近所述衬底的所述二极管的末端进行的。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，包括在所述二极管中的至少一个的所述第一区域中形成能够用作所述第二蚀刻步骤的停止层的至少一个层。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中所述二极管是发光二极管或光电二极管。
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