CN115136328B - 功率光电二极管、用于将光纤耦接到功率光电二极管的方法以及光纤供电系统 - Google Patents
功率光电二极管、用于将光纤耦接到功率光电二极管的方法以及光纤供电系统 Download PDFInfo
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Abstract
根据本公开，提供了与基于III族金属氮化物和镓基衬底的功率光电二极管结构和器件的制造和应用相关的技术。更具体地，本公开的实施方式包括用于制作包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN结构和器件中的一个或多个的光电二极管器件的技术。此类结构或器件能够被用于包括光电子器件、光电二极管、光纤供电接收器等的各种应用。
Description
技术领域
本公开总体涉及用于通过光纤传输功率(power，电力或能量)的技术，并且具体地，涉及用于在含有极性、半极性或非极性材料的块状镓和氮上制作的高电流密度功率光电二极管结构和器件的技术。本发明能够被应用于涉及特别经由光纤、其他光电器件和类似产品将光能转换为电能的应用。
背景技术
电功率或电力(Electrical power)通常通过电线(例如，铜电线)传输。然而，此类电线可能重量重、笨重且昂贵，并且所传输的功率可能经受电磁干扰。这些限制中的一些能够通过在光纤上传输功率来克服，但遗憾的是，在当前能力情况下此类方法在商业上尚不可行。另外，当前方法通常涉及红外波长下的光，其与可见光或可见光辐射相比具有某些缺点，诸如，对周围环境中的温度变化的敏感性更大。
基于氮化镓(GaN)的光电子和电子器件具有巨大的商业重要性。这些器件中发展最好的包括发光二极管(LED)和激光二极管，并且基于GaN的功率二极管和晶体管正变得日益重要。人们对新兴应用也感兴趣。De Santi和合著者[Materials 11,153(2018)]描述了一种应用，借此使用激光二极管来将电功率转换为光功率，光功率耦合到光纤并传输到远程位置，然后使用光电二极管来将光功率转换回为电能。激光二极管和光电二极管都是基于蓝宝石上GaN器件并且系统性能相对差。光电二极管因17％的报告效率而成为特别挑战。许多团队也报告了基于GaN的太阳能电池，通常将蓝宝石上GaN结构用于低功率(大约一个太阳)应用。甚至在本领域中对于其他材料系统众所周知的聚光器太阳能电池结构也仅能够产生比作为当前发明的主要焦点的那些低得多的电流密度。
在激光二极管的情况下，众所周知，能够在GaN上GaN(GaN-on-GaN)器件中获得优异的性能和可靠性，所述GaN上GaN器件具有大大减小的缺陷密度并且已经历许多年的优化和改进。在光电二极管的情况下，已完成相当少的工作。例如，D’Evelyn等人[US 6,806,508]公开了一种GaN上GaN光电二极管，此器件意在供光电检测器应用使用，而不是意在供功率二极管应用使用。
已公开了在近红外波长下使用基于GaAs的激光器和光电二极管的相关应用。然而，由于其较大的带隙，相对于对应基于GaAs的器件和系统，基于氮化物的光电二极管应该在升高的温度下并在高输入功率水平下实现相当更高的开路电压和优异的效率。
根据上文，看到了用于改进基于GaN的功率光电二极管的技术和用于与其光耦合的方法是非常需要的。还需要解决上述问题的系统、器件以及方法。
发明内容
本公开的实施方式可以提供一种光电二极管结构，所述光电二极管结构包括具有第一表面和第二表面的衬底，其中衬底的第二表面与第一表面相反，衬底是单晶III族金属氮化物，并且衬底的第一表面具有在(0001)+c面、{10-10}m面或选自{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0-1±2}、{1 0-1±3}之一的半极性面的5度内的结晶定向(或取向)，或者与(000-1)相差介于2度与5度之间。所述光电二极管结构还包括：设置在衬底的第一表面上方的n型层和p型层，其中n型层和p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有至少1×1017cm-3的掺杂剂浓度；设置n型层与p型层之间的一个或多个吸收体层，其中所述一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约109cm-2的位错密度；设置在p型层上方的p侧电接触层，其中所述p侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长为至少70％的平均反射率和低于3×10-3Ωcm2的接触电阻；设置在衬底的第二表面上方的n侧电接触层，其中所述n侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长为至少70％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻；以及光接收表面，其中所述光接收表面被对准(或调准)以使具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长并且以一定角度入射在光接收表面上的光从n侧电接触层且从p侧电接触层反射至少一次。光电二极管结构还可以由在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下至少50％的填充因子表征。
本公开的实施方式还可以提供一种光电二极管结构，所述光电二极管结构包括：一个或多个吸收体层，其中所述一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1；n型层和p型层，其中一个或多个吸收体层设置在n型层上方并且p型层设置在一个或多个吸收体层之上；具有第一表面和第二表面的载体衬底，其中所述载体衬底的第一表面设置在p型层上方或在n型层下方；被放置为与p型层电接触的p侧电接触层，其中p侧电接触层具有低于3×10-3Ωcm2的接触电阻；设置在p型层和载体衬底的第二表面之一上的p侧反射器层，所述p侧反射器层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长为至少70％的平均反射率；被放置为与n型层电接触的n侧电接触层，其中所述n侧电接触层具有低于1×10-3Ωcm2的接触电阻；设置在n侧层和载体衬底的第二表面之一上方的n侧反射器层，所述n侧反射器层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长为至少70％的平均反射率；以及光接收表面，其中所述光接收表面被对准以使具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长并且以一定角度入射在所述光接收表面上的光从n侧反射器层且从p侧反射器层反射至少一次。n型层和p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有至少为1×1016cm-3的掺杂剂浓度。载体衬底在介于390纳米与460纳米之间的波长下是大体上透明的。
本公开的实施方式还可以提供一种光电二极管结构，所述光电二极管结构包括具有第一表面、第二表面和第三表面的衬底、设置在衬底的第一表面上方的n型层和p型层、设置在n型层与p型层之间的一个或多个吸收体层、设置在p型层上方的p型电极层、设置在衬底的第二表面上方的n型电极层和光接收表面，其中第三表面包括光接收表面并且被配置为使穿过其接收的光在n型电极层与p型电极层之间反射至少一次。n型电极层包括形成在其中的开口阵列(an array of openings)，并且在介于390纳米与460纳米之间的波长下具有至少70％的平均反射率。p型电极层包括形成在其中的开口阵列，并且在介于390纳米与460纳米之间的波长下具有至少70％的平均反射率。一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x- yN材料，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约109cm-2的位错密度。n型层和p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN材料，其中0≤x、y、x+y≤1；并且具有至少1×1016cm-3的掺杂剂浓度。衬底的第二表面与第一表面相反，衬底的第三表面以一定角度与第一表面和第二表面对准，衬底是单晶III族金属氮化物，并且衬底的第一表面具有在(0001)+c面、{10-10}m面或选自{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0 -1±2}、{1 0 -1±3}之一的半极性面的5度内的结晶定向，或者与(000-1)相差介于2度与5度之间。
本公开的实施方式可以包括一种光电二极管结构，所述光电二极管结构包括位于n型与p型层之间的一个或多个吸收体层，吸收体及n型和p型层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约109cm-2的位错密度，第一非吸收体层和第二非吸收体层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少1×1016cm-3，其中吸收体层被配置用于波长在约390纳米与460纳米之间的光的高效功率转换；并且所述结构的特征在于在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下的填充因子为至少50％。
本公开的实施方式还可以提供一种光学器件，所述光学器件包括管芯，所述管芯包括设置在第一非吸收体层和第二非吸收体层之间的一个或多个吸收体层，所述一个或多个吸收体层以及第一非吸收体层和第二非吸收体层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约1010cm-2的位错密度；其中所述一个或多个吸收体层各自具有在第一方向上测得的厚度，以及平行于第一平面并垂直于所述第一方向定向的吸收体层表面，并且所述管芯具有器件腔区，所述器件腔区具有光学窗口，所述器件腔区包括至少两个相对的反射构件，所述至少两个相对的反射构件被配置为使通过所述光学窗口进入的电磁辐射的内反射至少两次或更多次地穿过所述一个或多个吸收体层。
本公开的实施方式还可以提供一种光学器件，包括管芯，所述管芯包括光学窗口和设置在n型第一非吸收体层和第二非吸收体层之间的至少两个吸收体层，所述吸收体层和非吸收体层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约1010cm-2的位错密度；其中，单独的n型触点设置在所述第一非吸收体层上，且p型触点设置在所述第二非吸收体层上。
本公开的实施方式还可以提供一种光纤供电模块，包括至少一个激光二极管、至少一根光纤，以及至少一个光电二极管。所述激光二极管包括至少一个有源层，所述有源层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约107cm-2的位错密度。所述激光二极管被配置为具有介于约400纳米与约500纳米之间的发射波长。所述光电二极管包括至少一个吸收体层，所述吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约1010cm-2的位错密度。所述光电二极管被配置为具有介于约400纳米与约550纳米之间的吸收体层带隙波长。
本公开的实施方式还可以提供一种光纤供电系统，包括至少一个激光二极管、至少一根光纤，以及至少一个光电二极管，其中来自光电二极管的电功率用于为物联网传感器或致动器(actuator)或个人电子设备供电。所述激光二极管包括至少一个有源层，所述有源层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约107cm-2的位错密度。所述激光二极管被配置为具有介于约400纳米与约500纳米之间的发射波长。所述光电二极管包括至少一个吸收体层，所述吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约1010cm-2的位错密度。所述光电二极管被配置为具有介于约400纳米与约550纳米之间的吸收体层带隙波长。
所述光纤供电模块或光纤供电系统还可以包括至少一个光学分配器件，和/或控制模块，以至少一个受控AC频率调制激光二极管功率并以至少一个受控频率将光电二极管信号分离成DC功率分量和AC信号分量。在一些情况下，激光二极管功率和光电二极管功率的调制后AC分量的幅度小于相应DC分量的10％。在一些实施方式中，以音频频率调制AC信号分量，并且模块耦接到耳机或音频扬声器。在一些实施方式中，使用相同的光电二极管以至少一个受控频率检测AC信号分量，所述光电二极管也将DC功率分量转换成电功率。在一些实施方式中，使用单独的信号光电检测器装置以至少一个受控频率检测AC信号分量。在一些实施方式中，单独的信号光电检测器装置被定位在光纤的端部与一个光电二极管之间。在一些实施方式中，单独的信号光电检测器装置靠近光耦合构件定位，所述光耦合构件定位在光纤的端部与一个光电二极管之间。在一些实施方式中，所述光纤供电系统还包括位于光耦合构件内的内反射器，所述内反射器包括金属、电介质以及空隙中的至少一者，并且具有小于约1毫米的最大尺寸。
在所述光纤供电模块或光纤供电系统的一些实施方式中，光纤具有分支结构。在光纤供电模块或光纤供电系统的一些实施方式中，所述至少一个激光二极管包括至少两个激光二极管，所述至少一个光电二极管包括至少两个光电二极管，并且所述模块被配置为能够在至少两个不同方向上进行信号通信。在一些实施方式中，至少一个光电二极管被配置为用于输入和输出光功率。在光纤供电模块的一些实施方式中，使用至少一个非刚性或非接触式光耦合器来适应光电二极管相对于激光二极管的旋转。在一些实施方式中，光纤供电系统还包括照明系统，所述照明系统包括磷光体、散热器、用于使光的远场分布成形的反射或透射光学器件、传感器，以及控制系统中的至少一者。所述照明系统可以包括灯具。
本公开的实施方式还可以提供一种光学组件，其包括第一管芯，所述第一管芯包括设置在第一非吸收体层和第二非吸收体层之间的一个或多个吸收体层，其中所述一个或多个吸收体层以及第一非吸收体层和第二非吸收体层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约1010cm-2的位错密度，具有光学窗口的光腔区，以及夹具，其被配置为将光纤的第一端定位为与第一管芯的光学窗口的表面有第一距离。所述一个或多个吸收体层各自具有在第一方向上测得的厚度，以及平行于第一平面并垂直于第一方向定向的吸收体层表面。光腔区包括器件腔区，所述器件腔区包括一个或多个吸收体层、第一非吸收体层、第二非吸收体层，以及被配置为使通过所述光学窗口进入的电磁辐射的内反射至少两次或更多次地穿过所述器件腔区的至少两个相对的反射构件。
本公开的实施方式还可以提供一种光学组件，包括第一管芯，所述第一管芯包括设置在第一非吸收体层和第二非吸收体层之间的一个或多个吸收体层，其中所述一个或多个吸收体层以及所述第一非吸收体层和第二非吸收体层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约1010cm-2的位错密度，并且具有具有光学窗口的器件腔区。光学组件还将包括光学元件，所述光学元件被配置为接收来自光纤的光辐射并将接收到的光辐射传输到光学窗口的至少一部分。所述一个或多个吸收体层各自具有在第一方向上测得的厚度，以及平行于第一平面并垂直于第一方向定向的吸收体层表面。器件腔区包括至少两个相对的反射构件，所述反射构件被配置为使通过光学窗口进入的电磁辐射的内反射至少两次或更多次地穿过所述一个或多个吸收体层。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施方式具有在上面简要地概述的本公开的更特定描述，一些实施方式被图示在附图中。然而，应当注意的是，附图仅图示示例性实施方式并且因此不应被认为限制其范围，而且可以允许其他同样有效的实施方式。
图1是图示已根据本公开的一个实施方式制备的基于氮化物的功率光电二极管结构的简化图。
图2是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代基于氮化物的功率光电二极管管芯的简化图。
图3是图示已根据本公开的一个实施方式制备的另一替代基于氮化物的功率光电二极管结构的简化图。
图4是图示根据本公开的一个实施方式的光电二极管的填充因子的定义的简化图。
图5是图示根据本公开的第一比较实施方式的光电二极管的照射电流-电压行为和填充因子的简化图。
图6是图示根据本公开的第二比较实施方式的光电二极管的照射电流-电压行为和填充因子的简化图。
图7是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管结构内的半导体层的示意图示的简化图。
图8A、图9A和图10A是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管结构的作为施加电压的函数的光电流的简化图。
图8B、图9B以及图10B是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管结构内的作为位置的函数的局部能带结构的简化图。
图11是示出根据本公开的一个实施方式的被照射光电二极管的作为施加电压的函数的光电流的简化图。
图12是示出根据本公开的一个实施方式的被照射、封装的光电二极管的作为施加电压的函数的光电流的简化图。
图13A和图13D是图示已根据本公开的一个实施方式制备的另一替代基于氮化物的功率光电二极管结构和光电二极管管芯的简化图。
图13B和图13C是图示根据本公开的一个实施方式从基于氮化物的功率光电二极管结构去除衬底的方法的简化图。
图14A、图14B以及图14C是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代光电二极管结构和光电二极管管芯的简化图。
图15包括根据本公开的一个或多个实施方式的InGaN/GaN光电二极管结构的照射I-V性能特性的表。
图16A、图16B以及图16C是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代光电二极管管芯的简化图。
图17A是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代光电二极管管芯的简化图。
图17B是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代光电二极管管芯的简化图。
图18A和图18B是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管管芯的侧视图的简化图。
图18C和图18D是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管管芯的横截面的简化图。
图18E是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管管芯的平面图的简化图。
图19A、图19B、图19C、图19D以及图19E是图示根据本公开的一个实施方式的进入和位于光电二极管管芯内的光路的简化图。
图20A和图20B是示出根据本公开的一个替代实施方式的光电二极管管芯的侧视图的简化图。
图20C和图20D是示出根据本公开的一个替代实施方式的光电二极管管芯的横截面的简化图。
图20E是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管管芯的平面图的简化图。
图21A和图21B是图示根据本公开的一个替代实施方式的进入和位于光电二极管管芯内的光路的简化图。
图22A和图22B是示出根据本公开的另一替代实施方式的光电二极管管芯的侧视图的简化图。
图22C和图22D是示出根据本公开的另一替代实施方式的光电二极管管芯的横截面的简化图。
图22E是示出根据本公开的另一替代实施方式的光电二极管管芯的平面图的简化图。
图23A是示出根据本公开的又一替代实施方式的光电二极管管芯的横截面的简化图。
图23B是示出根据本公开的又一替代实施方式的光电二极管管芯阵列的横截面的简化图。
图24A、图24B以及图24C是图示根据本公开的几个实施方式的光纤供电模块的配置的简化图。
图25A、图25B、图25C以及图25D是图示根据本公开的若干实施方式的结合了功率和调制信号的光纤供电模块的配置的简化图。
图26是示出在300、400、500以及600开氏温度下作为半导体带隙的函数的细致平衡模型效率计算的简化图。
图27A和图27B是示出根据本公开的又一替代实施方式的光电二极管管芯的横截面的简化图。
图28是耦接到根据本公开的一个实施方式的照明系统的光纤供电模块的简化图。
图29A和图29B是示出根据本公开的一个实施方式的封装光电二极管的光吸收模型的简化图。
图30是示出根据本公开的一个实施方式的图案化衬底的简化图。
图31A和图31B是示出根据本公开的一个实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管的侧视图和侧视横截面图的简化图。
图31C和图31D是示出根据本公开的一个实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管的俯视图和俯视横截面图的简化图。
图31E是示出根据本公开的一个实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管的仰视图的简化图。
图32是示出根据本公开的一个实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管的侧视横截面图的简化图。
图33A至图33I是示出根据本公开的一个替代实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管的侧视横截面图的简化图。
图34A至图34I是示出根据本公开的一个替代实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管的侧视横截面图的简化图。
图35A至图35F是示出根据本公开的一个实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管和单独的光电检测器的侧视横截面图的简化图。
图36是根据本公开的一个实施方式的用于支撑光电二极管管芯和光纤的夹具的等距视图。
为了方便理解，在可能的情况下，已使用了相同的附图标记来标明为各图所共有的相同的元素。设想了一个实施方式的元素和特征可以被有益地并入在其他实施方式中，而不用进一步叙述。
具体实施方式
根据本公开，提供了与基于III族金属氮化物和镓基衬底的功率光电二极管结构和器件的制造和应用相关的技术。更具体地，本公开的实施方式包括用于制作包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN结构和器件中的一个或多个的光电二极管器件的技术。此类结构或器件能够被用于包括光电子器件、光电二极管、光纤供电(power-over-fiber)接收器等的各种应用。
如先前所指出的，激光器和光电二极管在GaAs材料系统中得到更好地发展。砷化物和氮化物系统之间的材料性质方面的关键差异之一是带隙在砷化物的情况下可以容易地变化而对晶格常数的影响最小，例如经由AlGaAs，但是在氮化物的情况下则不然。并入氮化物吸收体层的传统光电二极管封装架构可能需要大约数百纳米数的吸收体层厚度来吸收入射光的大多数。假定1×105cm-1的吸收体层吸收系数，在单遍(single pass)中吸收的光对50nm、100nm、200nm、300nm和400nm的厚度来说分别是大约39％、63％、87％、95％和98％。在氮化物的情况下，具有充足铟(In)以高效地吸收蓝光或紫外光的这种厚度的InGaN可能太过应变(strained)而无法避免因位错产生或因破裂引起的松弛。发明人已发现规避此问题的方法，涉及沿穿过吸收体层的长光路输送电磁辐射以实现接近100％的光吸收，即使当提供含有功率光电二极管结构的相对薄的吸收体层时也可以实现接近100％的光吸收。新方法的附加好处包括优异的散热、零或非常低的网格阴影损耗和长有效少数载流子寿命。这里，有效少数载流子寿命包括被定义为由吸收体层发射的光子的再吸收的光子回收。术语“光”和“光辐射”在本文中经常可互换使用，除非在讨论的上下文中另有说明，否则二者均旨在一般性地描述一个或多个波长的电磁辐射。
为了适当地利用涉及穿过吸收体层的长光路的几何结构，本文公开了新颖的光耦合几何结构、夹具以及方法。新颖的光耦合方法的附加好处包括提高对准的简易性和精度以及提高效率、稳健性、耐用性以及寿命。
另外，光电二极管结构(诸如外延生长层的堆叠)与用于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的结构既具有相似之处，也具有不同之处。例如，LED和LD结构通常都在p型层内包括电子阻挡层，以使来自有源区域的电子损耗最小化并且促进有源区域内的辐射载流子复合(recombination)。然而，此类结构可以增加光电二极管结构的串联电阻并且可能适得其反。类似地，LD结构通常包括包覆层、光限制层和单独的限制异质结构(SCH)层中的一个或多个，它们可以降低光电二极管的性能，因为它们的设计是通过与本申请不同的考虑事项驱动的。
出于为光电二极管设计有效外延结构的目的，一般而言并且对于有源层包括InGaN或Ga(In)N或者由InGaN或Ga(In)N构成的特定情况，针对少数载流子的高水平的有源层光吸收和收集效率将增加检测灵敏度和工作电流Imp。低浓度的缺陷(包括点缺陷和扩展缺陷，诸如位错和堆叠故障)将减少肖克利-雷德-霍尔非辐射复合，从而导致更高的工作电压Vmp。低浓度的缺陷还可以在高光条件下(即，高光功率(瓦特)条件下)实现改进的光电二极管性能。可以将光电二极管的效率η写为η＝Vmp×Imp/Pin，其中Pin是输入辐射功率。
表达光电二极管效率η的另一方式是η＝Voc×Isc×FF/Pin，如图4示意性地图示的，其中Voc是开路电压，Isc是短路电流，并且FF是填充因子。表达半导体光电二极管的效率η的方法的再一方式是η＝(eVoc/Eg)×OA×IQE×FF×Eg/(hv)，其中e是电子的电荷，Eg是半导体的带隙，OA是光吸收(或在吸收体层中吸收的入射光子的分数)，IQE是内部量子效率(产生被收集的电子-空穴对的被吸收光子的分数)，h是普朗克常数，并且v是光子频率。在优选实施方式中，FF大于50％、大于60％、大于70％、大于80％或大于90％。
相对于大多数使用蓝宝石上GaN结构制作的为低得多的光子通量设计的现有技术的光电二极管，本发明的光电二极管(包括GaN上GaN结构)由于对半导体层的组分和掺杂的精心优化并且由于具有高反射率以便与多反射激发架构一起使用且具有非常低的接触电阻以使高电流密度下的横向欧姆损耗最小化的大面积p侧和n侧电触点而具有高转换效率的特点。在某些实施方式中，当前的光电二极管结构是为光照由单个激光器或多个激光器提供并且通过边缘或通过孔径进入结构的应用所设计的，如图2示意性地所示的。在某些实施方式中，激光使用光纤、透镜或波导耦合到光电二极管结构的边缘中或者耦合到形成在光电二极管结构中的孔径中。在某些实施方式中，本发明的光电二极管结构进一步并入低得多的位错密度，其中对更高的电流来说少数载流子扩散长度较长加上对更高的开路电压和填充因子来说少数载流子寿命较长。另外，本发明的器件可以包括导电衬底，从而使得能够在垂直定向的功率器件中垂直输送以获得实现更简单的设计和减小的串联电阻，并且实现具有与吸收体层的折射率非常类似的折射率的透明衬底，从而使光损耗最小化。在某些实施方式中，衬底具有非极性或半极性结晶定向，从而使得能够调谐偏振场以获得最佳器件性能。
图1和图3描绘基于III族金属氮化物的光电二极管结构1000的简化图，并且图2描绘基于III族金属氮化物的光电二极管管芯1002的简化图。参考图1，提供了衬底101。在某些实施方式中，衬底101包括单晶III族金属氮化物、含镓氮化物或氮化镓。衬底101可以通过HVPE、氨热法或通过焊剂方法(flux method)生长。在某些实施方式中，衬底101是模板，其中单晶III族金属氮化物层1104已被沉积或生长在由诸如蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅构成或包含它们的模板衬底1101上。在替代实施方式中，模板衬底1101可以由以下项构成或包含以下项：砷化镓、锗、硅锗合金、MgAl2O4尖晶石、ZnO、ZrB2、BP、InP、AlON、ScAlMgO4、YFeZnO4、MgO、Fe2NiO4、LiGa5O8、Na2WO4O4、In2CdO4、铝酸锂(LiAlO2)、LiGaO2、Ca8La2(PO4)6O2、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等。衬底101的一个或两个大面积表面可以被抛光和/或化学机械地抛光。衬底101的大面积表面102可以具有在(0001)+c面、(000-1)-c面、{10-10}m面、{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0 -1±2}、{1 0 -1±3}、{2 1 -3±1}或{3 0 -3±4}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的结晶定向。应理解的是，面{3 0 -3±4}意指{3 0 -3 4}面和{3 0 -3 -4}面。大面积表面102可以具有(h k i l)半极性定向，其中i＝-(h+k)并且l及h和k中的至少一个是非零的。在某些实施方式中，模板衬底1101由蓝宝石构成或包含蓝宝石并且具有结晶定向在(0001)、(10-10)、(10-12)、(22-43)或(11-23)的5度内、2度内、1度内或0.5度内的大面积表面102。在某些实施方式中，模板衬底1101由蓝宝石构成或包含蓝宝石并且具有从(0001)起朝向{11-20}a面、朝向{10-10}m面或朝向介于a面与m面之间的a面中间面(intermediate)错误定向了介于约0.5度与约8度之间或介于约2度与约4度之间的角度的大面积表面102。在某些实施方式中，模板衬底1101具有立方结构以及结晶定向在{111}、{100}、{110}或{114}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的大面积表面102。也可以选取其他定向。
在某些实施方式中，模板衬底1101的表面1102被图案化，以促进模板衬底1101与n型第一非吸收体层105、吸收体层107、任选的第二非吸收体层109以及p型层或p型非吸收体层111的叠层之间的光传输。如图30所示，表面1102可以包括特征1106的图案化阵列。特征1106可以包括圆锥、圆顶、半球、三角锥、四角锥、六角锥等或由圆锥、圆顶、半球、三角锥、四角锥、六角锥等构成。其他形状也是可能的。特征1106可以通过间距1108、高度1110以及宽度1112来表征。特征1106可以跨表面1102布置成正方形阵列、矩形阵列或六边形阵列。特征1106也可以具有其他图案。间距1108可以介于约0.2微米与约10微米之间，或介于约1微米与约5微米之间。高度1110可以介于约0.1微米与约10微米之间，或者介于约1微米与约3微米之间。宽度1112可以介于约0.1微米与约10微米之间，或介于约1微米与约5微米之间。在某些实施方式中，模板衬底1101由蓝宝石构成或包括蓝宝石，并且具有表面1102，表面1102的结晶定向在(0001)的约5度内。在某些实施方式中，如本领域已知的，模板衬底1101可称为图案化蓝宝石衬底。
大面积表面102可以具有介于约0.2毫米与约600毫米之间的最大尺寸和介于约0.2毫米与约600毫米之间的最小尺寸，并且衬底101的厚度可以介于约10微米与约10毫米之间，或介于约100毫米与约2微米之间。在某些实施方式中，衬底101是大体上圆形的，具有一个或多个定向平面。在替代实施方式中，衬底101是大体上矩形的。在某些实施方式中，大面积表面102具有约50mm、100mm、125mm、150mm、200mm、250mm或300mm的最大尺寸。相对于大面积表面的平均定向，大面积表面102的结晶定向中的变化可以小于约5度、小于约2度、小于约1度、小于约0.5度、小于约0.2度、小于约0.1度或小于约0.05度。
衬底101的大面积表面102可以具有小于约1010cm-2、小于约109cm-2、小于约108cm-2、小于约107cm-2、小于约106cm-2、小于约105cm-2、小于约104cm-2、小于约103cm-2或小于约102cm-2的穿透位错密度。衬底101的大面积表面102可以具有低于约104cm-1、低于约103cm-1、低于约102cm-1、低于约10cm-1或低于约1cm-1的堆叠故障浓度。衬底101的大面积表面102可以具有小于约500弧秒(arcsec)、小于约300弧秒、小于约200弧秒、小于约100弧秒、小于约50弧秒、小于约50弧秒、小于约35弧秒、小于约25弧秒或小于约15弧秒的对称x射线摇摆曲线半最大值全宽(FWHM)。衬底101的大面积表面102在至少一个或至少两个独立或正交方向上可以具有大于0.1米、大于1米、大于10米、大于100米，或大于1000米的结晶曲率半径。在一个特定实施方式中，衬底101的大面积表面102具有小于约105cm-2的表面穿透位错密度、低于约10cm-1的堆叠故障浓度和小于约50弧秒的对称x射线摇摆曲线半最大值全宽(FWHM)。相对于大多数现有技术的光电二极管，衬底101中减小的位错密度预期导致光电二极管的半导体层中的位错密度减小并且在高电流密度下导致更高的开路电压Voc和更高的效率。
在一些实施方式中，衬底101可以包括被具有相对低浓度的穿透位错的区域分离的具有相对高浓度的穿透位错的区域。相对高浓度区域中的穿透位错的浓度可以大于约105cm-2、大于约106cm-2、大于约107cm-2、或大于约108cm-2。相对低浓度区域中的穿透位错的浓度可以小于约106cm-2、小于约105cm-2或小于约104cm-2。衬底101还可以或单独地包括被具有相对低的导电性的区域分离的具有相对高的导电性的区域。衬底101可以具有介于约10微米与约100毫米之间或介于约0.1毫米与约10毫米之间的厚度。衬底101可以具有至少约5毫米、至少约10毫米、至少约25毫米、至少约50毫米、至少约75毫米、至少约100毫米、至少约150毫米、至少约200毫米、至少约300毫米、至少约400毫米或至少约600毫米的尺寸，包括直径。在一个特定实施方式中，衬底101具有介于约250微米与约600微米之间的厚度、介于约15毫米与约160毫米之间的最大横向尺寸或直径，并且包括其中穿透位错的浓度小于约104cm-2的区域。
衬底101可以包括用于使单晶III族金属氮化物层1104与衬底(例如，模板衬底1101)的其余部分容易分离的释放层1103。在一些实施方式中，释放层1103在至少一个波长下具有大于1000cm-1的光吸收系数，其中模板衬底是大体上透明的，具有小于50cm-1的光吸收系数，从而使得能够(例如，在制作至少一个器件结构之后)通过激光剥离技术去除衬底。在某些实施方式中，释放层1103包含大量掺杂(heavily doped)有Co的GaN或者由大量掺杂有Co的GaN构成，从而在整个可见光谱之上将其光吸收系数增加到大于5000cm-1。在一个特定实施方式中，在模板衬底1101上以氨热方式形成厚度介于0.5微米与50微米之间的掺杂Co的释放层1103，其中CoF2作为矿化剂的添加剂并且模板衬底1101由高质量GaN籽晶构成。在另一特定实施方式中，使用环戊二烯基二羰基钴((C5H5)Co(CO)2)、钴(II)乙酰丙酮化物(Co(CH3C(O)CHC(O)CH3)2)、三羰基亚硝基钴(Co(CO)3NO)、八羰基二钴(Co2(CO)8)和十二羰基四钴(Co4(CO)12)中的至少一种作为掺杂剂前体，通过MOCVD在模板衬底1101(例如，高质量GaN衬底)上形成掺杂Co的释放层1103。在再一特定实施方式中，使用环戊二烯基二羰基钴((C5H5)Co(CO)2)、钴(II)乙酰丙酮化物(Co(CH3C(O)CHC(O)CH3)2)、三羰基亚硝基钴(Co(CO)3NO)、八羰基二钴(Co2(CO)8)和十二羰基四钴(Co4(CO)12)中的至少一种作为掺杂剂前体，通过氢化物气相外延(HVPE)在模板衬底1101(诸如，高质量GaN衬底)上形成掺杂Co的释放层1103。进一步细节在特此通过引用整体地并入的美国专利8,148,801中被描述。在一些实施方式中，释放层1103包含InGaN或由InGaN构成，从而使得能够(例如，在制作至少一个器件结构之后)通过光电化学蚀刻技术去除衬底。在一些实施方式中，含InGaN的释放层具有介于约2纳米与约100纳米或约5纳米与约50纳米之间的厚度。在一些实施方式中，释放层的带隙小于下文所述的吸收体层107的带隙。在一个特定实施方式中，释放层1103包括InGaN和GaN或AlGaN的应变层超晶格或者由InGaN和GaN或AlGaN的应变层超晶格构成。在一些实施方式中，应变层超晶格中的铟(In)百分比(％)大于吸收体层107中的铟(In)百分比(％)，并且通过MOCVD在模板衬底1101(诸如，高质量GaN衬底)上生长。InGaN释放层的进一步细节在美国专利8,866,149中且在美国专利申请公开号US2019/0088495中被更详细地描述，两个专利都特此通过引用整体地并入。
在某些实施方式中，衬底101由接合到或形成在模板衬底1101的表面上的单晶III族金属氮化物层1104构成或包括接合到或形成在模板衬底1101的表面上的单晶III族金属氮化物层1104。单晶III族金属氮化物层1104可以包含镓。单晶III族金属氮化物层1104可以通过HVPE、通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等沉积。单晶III族金属氮化物层1104的厚度可以介于约1微米与约100微米之间、介于约2微米与约25微米之间、或介于约3微米与约15微米之间。在某些实施方式中，单晶III族金属氮化物层1104具有纤锌矿晶体结构以及在(0001)+c面、(000-1)-c面、{10-10}m面、{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0 -1±2}、{1 0 -1±3}、{2 1 -3±1}或{3 0 -3±4}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的结晶定向。在某些实施方式中，成核层(未示出)存在于模板衬底1101与单晶III族金属氮化物层1104之间的界面处。在某些实施方式中，成核层由氮化铝、氮化镓和氧化锌中的一种或多种构成或者包括氮化铝、氮化镓和氧化锌中的一种或多种。在某些实施方式中，成核层通过低温MOCVD、溅射和电子束蒸发中的至少一种被沉积在模板衬底1101上。在某些实施方式中，成核层的厚度介于约1纳米与约200纳米之间或介于约10纳米与约50纳米之间。在某些实施方式中，衬底还包括一个或多个应变管理层，例如，AlGaN层或应变层超晶格。
在某些实施方式中，大面积表面102具有高于约1×1016cm-3、高于约1×1017cm-3或高于约1×1018cm-3的氧(O)和氢(H)中的至少一种的原子杂质浓度。在某些实施方式中，H的原子杂质浓度与O的原子杂质浓度的比率介于约0.3与约2之间，介于约1.1与约1000之间，或介于约5与约100之间。在某些实施方式中，大面积表面102具有高于约1×1015cm-3、高于约1×1016cm-3、或高于约1×1017cm-3或高于约1×1018cm-3的锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)中的至少一种的杂质浓度。在某些实施方式中，大面积表面102具有分别如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约1×1016cm-3与约1×1019cm-3之间、介于约1×1016cm-3与约2×1019cm-3、低于1×1017cm-3、低于1×1016cm-3和低于1×1016cm-3的O、H、碳(C)、Na和K的杂质浓度。在另一实施方式中，大面积表面102具有分别如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约1×1016cm-3与1×1019cm-3之间、介于约1×1016cm-3和约2×1019cm-3之间、低于1×1017cm-3和介于约3×1015cm-3与约1×1018cm-3之间的O、H、C及Na和K中的至少一种的杂质浓度。在再一实施方式中，大面积表面102具有分别如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约1×1016cm-3与约1×1019cm-3之间、介于约1×1016cm-3与约2×1019cm-3之间、低于1×1017cm-3和介于约1×1015cm-3与约1×1019cm-3之间的O、H、C及F和Cl中的至少一种的杂质浓度。在一些实施方式中，大面积表面102具有如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约5×1017cm-3与1×1019cm-3之间的H的杂质浓度。在一个特定实施方式中，衬底101在约3175cm-1下具有红外吸收峰，其中每单位厚度的吸光度大于约0.01cm-1。
衬底101可以特征在于大体上不含任何立方实体或其他晶体结构的纤锌矿结构，其他结构根据大体上纤锌矿结构在体积上小于约0.1％。
衬底101可以特征在于小于约25微米、小于约10微米、小于约5微米、小于约2微米或小于约1微米的总厚度变化(TTV)，并且小于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约25微米或小于约10微米的宏观弓形。衬底101可以在直径或特征尺寸大于约100微米的大面积表面102上具有小于约2cm-2、小于约1cm-2、小于约0.5cm-2、小于约0.25cm-2或小于约0.1cm-2浓度的宏观缺陷。跨衬底101的大面积表面102的错切角变化在两个正交结晶方向中的每一个方向上可以小于约5度、小于约2度、小于约1度、小于约0.5度、小于约0.2度、小于约0.1度、小于约0.05度或小于约0.025度。如在至少10μm×10μm的面积之上测量的大面积表面102的均方根表面粗糙度可以小于约0.5纳米、小于约0.2纳米、小于约0.15纳米、小于约0.1纳米或小于约0.05纳米。衬底101可以由载流子浓度介于约1×1017cm-3与约3×1019cm-3之间并且载流子迁移率大于约100cm2/V-s的n型导电性表征。在某些实施方式中，衬底101是高度透明的，其中光吸收系数在405纳米或450纳米的波长下小于约10cm-1、小于约5cm-1、小于约2c cm-1、小于约1cm-1、小于约0.5cm-1、小于约0.2cm-1或小于约0.1cm-1。
在某些实施方式中，一个或多个n型第一非吸收体层105，包含AluInvGa1-u-vN层，其中0≤u、v、u+v≤1，被沉积在衬底上。在某些实施方式中，在单晶III族金属氮化物层1104沉积之后立即沉积n型第一非吸收体层105，也就是说，无需中断生长过程或从沉积反应器移除衬底101或模板衬底1104。在某些实施方式中，沉积一个或多个附加层以帮助管理整体结构中的应力。n型第一非吸收体层105中的载流子浓度可以位于介于约1016cm-3与1020cm-3之间的范围内。在某些实施方式中，硅、锗或氧是n型第一非吸收体层105中的n型掺杂剂。在某些实施方式中，选择锗作为n型掺杂剂。在某些实施方式中，n型第一非吸收体层105中的n型载流子浓度位于介于5×1017cm-3与1020cm-3之间或介于2×1018cm-3和6×1019cm-3之间的范围内。如果衬底101具有(0001)+c面定向，则高掺杂水平可以是特别所希望的，因为可以更有效地屏蔽压电场以进行高效载流子收集。如果模板衬底1101具有电绝缘性或高电阻性，则也可能需要高掺杂水平。可以在n型第一非吸收体层105内的界面处并入(incorporate)突变(abrupt)或渐变组成(grade composition)或掺杂分布(doping profiles)。可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来执行沉积。例如，可以将衬底放置在MOCVD反应器中的衬托器上。在关闭、抽空和回填反应器之后，可以在存在含氮气体的情况下将衬托器加热至介于约800摄氏度与约1350摄氏度之间的温度。在一个特定实施方式中，衬托器在流动氨下被加热至大约1185摄氏度。可以在载气中以介于大约1标准立方厘米/分钟(sccm)与50标准立方厘米/分钟(sccm)之间的总速率发起诸如三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)或三异丙基镓的含镓金属有机前体的流动。载气可以包括氢气、氦气、氮气或氩气。在生长期间V族前体(氨)的流动速率与III族前体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝)的流动速率的比率介于约2000与约12000之间。可以按介于约0.1sccm与10sccm之间的总流动速率发起载气中的乙硅烷的流动。在某些实施方式中，通过向输入气体添加SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、GeH4、GeCl4、O2和H2O中的一种或多种来实现掺杂。在某些实施方式中，一个或多个n型第一非吸收体层105和第二非吸收体层109是变质缓冲层并且促进各层之间的晶格常数差异的调节。在某些实施方式中，n型第一非吸收体层105中的掺杂水平可以是不均匀的，具有两个或更多个掺杂水平和/或渐变掺杂水平。在某些实施方式中，衬底温度在n型第一非吸收体层105的沉积期间变化。在某些实施方式中，衬底温度对于n型第一非吸收体层105的第一部分被保持在高值，例如，介于1100摄氏度与1350摄氏度之间，然后对于n型第一非吸收体层105的第二部分降低到较低值，例如，与沉积吸收体层107时的温度相同的温度，例如，介于约700摄氏度与约950摄氏度之间。在某些实施方式中，n型第一非吸收体层105的第二部分的厚度介于约1纳米与约20纳米之间。
在将n型第一非吸收体层105沉积预定时间段以便达到预定厚度之后，沉积吸收体层107。在某些实施方式中，在介于约700摄氏度与约950摄氏度之间的衬底温度下通过MOCVD沉积吸收体层107。可以通过在MOCVD中使用三甲基铟(TMIn)、三乙基铟(TEIn)和三异丙基铟中的至少一种作为前体来将铟添加到吸收体层107。可以将吸收体层107的沉积速率选取为位于约0.005纳米每秒与约1纳米每秒之间，或位于约0.01纳米每秒与约0.5纳米每秒之间，或位于约0.02纳米每秒与约0.2纳米每秒之间。在某些实施方式中，吸收体层107是无故意掺杂的。在某些实施方式中，吸收体层107是使用氧、硅或锗作为掺杂剂n型掺杂的，其中掺杂剂浓度介于约5×1015cm-3与约5×1019cm-3之间，或介于约5×1016cm-3与约5×1018cm-3之间。在某些实施方式中，吸收体层107是使用Mg作为掺杂剂p型掺杂的，其中掺杂剂浓度介于约5×1015cm-3与约5×1019cm-3之间，或介于约5×1016cm-3与约5×1018cm-3之间。在一些实施方式中，吸收体层107具有介于约400纳米与约550纳米之间的带隙波长，诸如，介于约440纳米与约500纳米之间的带隙波长。吸收体层107可以包括单量子阱或多个量子阱，具有2-50个量子阱(未示出)。在一些实施方式中，吸收体层107包括介于约10个与约30个之间的量子阱。量子阱可以包括InGaN阱层和GaN势垒层。在其他实施方式中，量子阱可以分别包含AlwInxGa1-w-xN阱层和AlyInzGa1-y-zN势垒层，其中0≤w、x、y、z、w+x、y+z≤1，其中w<u、y和/或x>v、z，使得阱层的带隙小于势垒层和n型第一非吸收体层105和第二非吸收体层109的带隙。阱层和势垒层可以各自具有介于约0.5纳米与约20纳米之间的厚度。在某些实施方式中，势垒层的厚度介于约1纳米与约3纳米之间、介于约3纳米与约5纳米之间、介于约5纳米与约10纳米之间或介于约10纳米与约15纳米之间。在某些实施方式中，阱层的厚度介于0.5纳米与约1.5纳米之间、介于约1.5纳米与约2.5纳米之间、介于约2.5纳米与约3.5纳米之间、介于约3.5纳米与约4.5纳米之间或介于约4.5纳米与约10纳米之间。在另一实施方式中，吸收体层107包括双异质结构或者由双异质结构构成，其中约20nm至约500nm厚的InGaN或AlwInxGa1-w-xN层被GaN或AlyInzGa1-y-zN层围绕，其中w<u、y和/或x>v、z。在某些实施方式中，双异质结构的厚度介于约10纳米与约25纳米之间、介于约25纳米与约40纳米之间、介于约40纳米与约60纳米之间、介于约60纳米与约100纳米之间、介于约100纳米与约200纳米之间，或比约200纳米厚。可以在吸收体层107内的界面处并入突变或渐变组成或掺杂分布。有源层的组成和结构被选取为在预选波长下，例如，在405纳米下或在450纳米下提供光吸收。在某些实施方式中，波长被选取为位于约400纳米至约500纳米之间。吸收体层107可以由光致发光光谱学表征。在某些实施方式中，吸收体层107的组成被选取为使得光致发光光谱具有在波长上比光电二极管结构1000的期望吸收波长长了介于5纳米与50纳米之间或介于10纳米与25纳米之间的峰。在某些实施方式中，吸收体层107内的质量和层厚度由x射线衍射表征。
在一些实施方式中，接下来沉积一个或多个任选的第二非吸收体层109。第二非吸收体层109可以包含AlsIntGa1-s-tN，其中0≤s、t、s+t≤1，具有比吸收体层107高的带隙，并且可以是p型掺杂的，或可以是非故意掺杂的。在一个特定实施方式中，第二非吸收体层109包括AlGaN。在另一实施方式中，第二非吸收体层109包括AlGaN/GaN多量子势垒(MQB)，包括AlGaN和GaN的交替层，每个层的厚度介于约0.2nm与约5nm之间。在某些实施方式中，一个或多个第二非吸收体层109是变质(metamorphic)缓冲层并且促进光电二极管结构1000的各层之间的晶格常数差异的调节。可以在第二非吸收体层109内的界面处并入突变或渐变组成或掺杂分布。在一些实施方式中，调谐第二非吸收体层109的光学设计以达到通过吸收体层107从衬底传输的光的大于约70％光反射。
接下来，由AlqInrGa1-q-rN(其中0≤q、r、q+r≤1)形成的p型层，或p型非吸收体层111被沉积在吸收体层107上方，并且若存在的话，沉积在第二非吸收体层109上方。p型层111可用Mg掺杂至介于约1016cm-3与1021cm-3之间的水平，并且可以具有介于约5纳米与约1微米之间、介于约20纳米与约400纳米之间或介于约100纳米与约250纳米之间的厚度。在某些实施方式中，最靠近吸收体层107的p型层111中的Mg的浓度介于1018cm-3与1021cm-3之间、介于3×1018cm-3与3×1020cm-3之间或介于1019cm-3与2×1020cm-3。如果衬底101具有(0001)+c面定向，则高掺杂水平可以是特别所希望的，因为可以更有效地屏蔽压电场以获得高效载流子收集。p型层111的最外面1-30纳米与p型层111的其余部分比可以被掺杂得更重(heavily，多)，以便实现改进的电接触。在某些实施方式中，衬底温度在p型层111的沉积期间变化。在某些实施方式中，衬底温度对于p型层111的第一部分被保持在低值，例如，与沉积吸收体层107时的温度相同的温度，例如，介于约700摄氏度与约950摄氏度之间。然后，衬底温度对于p型层111的第二部分被升高到更高的水平，例如，介于约750摄氏度与约1000摄氏度之间。在某些实施方式中，p型层111的第一部分的厚度介于约1纳米与约20纳米之间，或介于约20纳米与40纳米之间。
在一个特定实施方式中，隧道结和另一n型层(未示出)被沉积在p型层111之上。在某些实施方式中，一个或多个附加非吸收体层和附加吸收体层被沉积在隧道结上面。
(包括n型第一非吸收体层105、吸收体层107、一个或多个任选的第二非吸收体层109、p型层111，并且还可以包括附加吸收体层层、一个或多个n型包覆层和一个或多个p型包覆层的)半导体层具有相同的结晶定向(介于约2度内、约1度内或约0.5度内)，因为衬底101的大面积表面102的结晶定向具有非常高的结晶质量，包含氮，并且可以具有低于109cm-2的表面位错密度。半导体层可以具有低于1010cm-2、低于109cm-2、低于108cm-2、低于107cm-2、低于106cm-2、低于105cm-2、低于104cm-2、低于103cm-2或低于102cm-2的表面位错密度。在一些实施方式中，半导体层是大体上透明的，其中光吸收系数在介于约400nm与约3077nm之间的波长下并且在介于约3333nm与约6667nm之间的波长下低于100cm-1、低于50cm-1或低于5cm-1。
在一个特定实施方式中，半导体层具有在m面的五度内的定向并且顶面的1-100x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒，或低于50弧秒。在另一特定实施方式中，半导体层具有在a面的五度内的定向并且顶面的11-20x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒或低于50弧秒。在又一特定实施方式中，半导体层具有在选自{1 -1 0±1}、{1-1 0±2}、{1 -1 0±3}、{2 0 -2±1}、{3 0-3±1}或{1 1-2.+-.2}的半极性定向的五度内的定向并且顶面的最低阶半极性对称x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒或低于50弧秒。在另一特定实施方式中，半导体层具有在(0001)c面的五度内的定向并且顶面的0002x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒或低于50弧秒。在再一特定实施方式中，半导体层具有在(000-1)c面的十度内的定向并且顶面的0002x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒或低于50弧秒。
在某些实施方式中，出于工艺开发目的，制作缺失一个或多个上述层的结构可以是有用的。例如，如下所述，可能出于开发或优化p侧反射电触点113的目的而省略p型层111和吸收体层107。可能出于开发或优化吸收体层107的电、光和材料性质的目的而省略p侧反射电触点113和p型层111中的一个或多个。
半导体层的结晶定向以及掺杂和带隙分布可能对光电二极管(包括光电二极管结构、光电二极管管芯或封装的光电二极管中的一者或多者)的性能具有主要影响。众所周知，对于含有异质结构、自发压电极化的+c面GaN基器件，由于Ga-N键的强极性和在纤锌矿晶体结构中缺少反向对称性，能够创建可能导致不利的器件性能的强电场。据信，这些场可能负面地影响光电二极管的性能，特别是在高电流密度下，并且已在本文中确定并公开了克服这些影响的若干方法。
+c面衬底的使用，也就是说，在结晶定向在(0001)的5度内、2度内、1度内或0.5度内的情况下，对于高功率光电二极管具有若干优点，包括1)具有大面积外延就绪(epi-ready)衬底的更成熟的商业供应链，2)完善稳定的外延生长条件，以及3)相对容易在许多数量级之上控制掺杂剂浓度。然而，如下面的比较例所图示的，相对标准的LED型结构的使用可能无法实现具有高填充因子的光电二极管。
在某些实施方式中，通过在吸收体层107的n侧和p侧两侧使用高掺杂水平来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响，所述有害影响随着吸收体层107中的铟(In)百分比增加而变得逐渐更严重。已经调查了在高电流密度下带隙对准和自发压电场对光电二极管性能的影响。在光电二极管管芯的光电二极管结构1000的性能的分析中使用的半导体层被示意性地示出在图7中。在简化的模型中，吸收体层730被定位在n型掺杂层710与p型掺杂层750之间。任选地，n型非吸收体层(或包覆层)720被插置在n型掺杂层710与吸收体层730之间。任选地，p型非吸收体层(或包覆层)740被插置在吸收体层730与p型掺杂层750之间。为了简单，吸收体层730被建模为厚度为40纳米的双异质结构，但是当吸收体层由多量子阱(MQW)结构构成或者包括多量子阱(MQW)结构时预期类似的效果。
在吸收体层730含有适于吸收波长为约473纳米或更小的光的包含In0.18Ga0.82N的一个或多个层的情况下，短路电流和填充因子在与吸收体层730的第一侧接触的n型掺杂层710的掺杂水平是2.0×1019cm-3并且与吸收体层730的第二侧接触的p型掺杂层750的掺杂水平是2.0×1019cm-3时非常低，如图8A所示。这种非常差的性能被认为是由于与InGaN和GaN之间的极化不连续性和带偏移(band offsets)相关的电场的差屏蔽而导致的，如图8B所示。然而，当与吸收体层730的第一侧接触的n型掺杂层710的掺杂水平被升高到3.5×1019cm-3并且与吸收体层730的第二侧接触的p型掺杂层750的掺杂水平被升高到6.0×1020cm-3，被照射IV性能好得多，如图9A所示。这种大大改进的性能是由于对在吸收体层730中并与GaN-InGaN界面极为接近的电场的更好屏蔽而导致的，如图9B所示。如图15中图示的表所示，能够通过增加与吸收体层730接触的两个层中的掺杂水平来实现填充因子FF的改进。特别地，能够通过在n型掺杂层710或n型非吸收体层720(若存在的话)中以约3.5×1019cm-3或更高的浓度掺杂并且通过在p型掺杂层750或p型非吸收体层740(若存在的话)中以约2.0×1020cm-3或更高的浓度激活掺杂水平来达到高于90％的填充因子。
回参图1，在一些实施方式中，光电二极管结构1000包括各自具有低于107cm-2的穿透位错密度的n型第一非吸收体层105、至少一个吸收体层107以及p型层111。光电二极管结构1000还可以包括具有与(000-1)-c面相差介于2度与5度之间的结晶定向的一个或多个吸收体层107、n型第一非吸收体层105以及p型层111。光电二极管结构1000还可以包括具有在{10-10}m面的5度内的结晶定向的一个或多个吸收体层107、n型第一非吸收体层105以及p型层111，并且n型第一非吸收体层105和p型层111中的每一个由至少4×1018cm-3的掺杂剂浓度表征。光电二极管结构1000还可以包括具有在选自{10-1-2}、{10-1-1}、{20-2-1}、{30-3-1}以及{40-4-1}中的半极性面的5度内的结晶定向的一个或多个吸收体层107、n型第一非吸收体层105以及p型层111，并且n型第一非吸收体层105和p型层111中的每一个由至少2×1018cm-3的掺杂剂浓度表征。
图15包括具有图7示意性地指示的结构的InGaN/GaN光电二极管的被照射I-V性能特性。为了简单，吸收体层被建模为40纳米厚的双异质结构。
在吸收体层730含有适于波长为约435纳米或更小的光的吸收的包含In0.12Ga0.88N的一个或多个层的情况下，填充因子在与吸收体层730的第一侧接触的n型掺杂层710或n型包覆层720(若存在的话)的掺杂水平是2.0×1019cm-3并且与吸收体层730的第二侧接触的p型掺杂层750或p型包覆层740(若存在的话)的掺杂水平是8.0×1018cm-3时低于60％。然而，当与吸收体层730的第二侧接触的p型掺杂层750或p型包覆层740(若存在的话)的掺杂水平被升高到2.0×1019cm-3时，填充因子被升高到几乎80％，而当与吸收体层730的第二侧接触的p型掺杂层750或p型包覆层740(若存在的话)的掺杂水平被进一步升高到1.0×1020cm-3，填充因子被升高到约93％。图15的表中的结果表明如果与吸收体层730相邻的p型包覆层740中的掺杂水平相对于p型掺杂层750中的掺杂水平减小了，则填充因子显著地减小了。此结果是显著的，因为可能难以达到完全掺杂一直到未掺杂吸收体层730的沉积，从而在掺杂分布中并且紧接在从在低于950摄氏度的温度下沉积的未掺杂吸收体层730切换到具有期望掺杂水平的在相当更高的温度下沉积的p型掺杂层750时产生急剧转变。然而，如图15的表同样所示，还能够通过在吸收体层730的n型侧和p型侧之一或两者引入n型包覆层720和/或p型包覆层740来实现填充因子FF的改进，特别是当p型包覆层740具有介于吸收体层730的铟浓度与n型掺杂层710和/或p型掺杂层750的铟浓度之间的铟浓度时。包覆层中的中间铟浓度可以是均匀的、连续地渐变的或阶梯渐变的。n型包覆层740可以包括应变层超晶格。在一些实施方式中，光电二极管结构1000包括n型包覆层和p型包覆层中的至少一个，其中n型包覆层720位于n型掺杂层710与一个或多个吸收体层730之间，并且其中n型包覆层720具有至少2×1019cm-3的掺杂剂浓度，而p型包覆层740位于一个或多个吸收体层730与p型掺杂层750之间，并且其中p型包覆层740具有至少5×1019cm-3的掺杂剂浓度。
在某些实施方式中，通过使用具有在(000-1)的10度内如在(000-1)的6度内、5度内、4度内、3度内、2度内或1度内的结晶定向的-c面衬底来减轻+c面定向的光电二极管中的自发压电场的有害影响。在某些实施方式中，衬底和半导体层具有与(000-1)相差介于1度与10度之间或介于2度与5度之间的结晶定向。在某些实施方式中，衬底和半导体层从(000-1)朝向<10-10>m方向错误定向。在某些实施方式中，衬底和半导体层从(000-1)朝向<11-20>a方向错误定向。再次参考图15的表，已发现了紧邻吸收体层730的n型掺杂层和p型掺杂层中的1.0×1016cm-3或1.0×1017cm-3或1.0×1018cm-3的掺杂剂浓度对于吸收体层730中的12％铟浓度和18％铟浓度两者足以达到高填充因子。据信如果n型掺杂层710和p型掺杂层750中的掺杂浓度在衬底和半导体层各自具有-c结晶定向的情况下对于大于8％的吸收体铟浓度介于1.0×1016cm-3与1.0×1020cm-3之间，则能够达到大于85％的填充因子。在一个实施例中，光电二极管结构由在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下至少50％的填充因子表征。
在某些实施方式中，通过使用m面衬底即以结晶定向在(10-10)的5度内、2度内、1度内或0.5度内的定向来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响。再次参考图15的表，已发现了紧邻吸收体层的n型掺杂层710或n型包覆层720(若存在的话)和p型掺杂层750或p型包覆层740(若存在的话)中的2.0×1019cm-3的掺杂剂浓度对于吸收体层中的12％铟浓度和18％铟浓度两者足以达到高于90％的填充因子。
在某些实施方式中，通过使用具有在{20-2-1}或{30-3-1}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的结晶定向的半极性衬底来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响。再次参考图15的表，已发现了紧邻吸收体层的n型掺杂层和p型掺杂层中的8.0×1018cm-3的掺杂剂浓度对于吸收体层中的12％铟浓度和18％铟浓度两者足以实现高于约90％的填充因子。
在某些实施方式中，为了减小N极性或半极性InGaN层中的碳含量，使用三乙基镓(TEG)和三乙基铟(TEIn)而不是更常规的三甲基镓(TMG)和三甲基铟(TMIn)作为金属有机前体。例如，半导体层中的碳浓度可以小于1×1018cm-3或小于1×1017cm-3。在某些实施方式中，优化氢气(H2)和氮气(N2)载气的比率、衬底温度和压力以使N极性半导体层中异常析出的形成最小化。
在某些实施方式中，半导体层被退火以电激活p型掺杂剂。在某些实施方式中，在用于沉积半导体层的MOCVD反应器中原位执行退火，例如，在流动N2下至介于约500摄氏度与约900摄氏度之间的温度。在某些实施方式中，在炉子中或在快速热退火(RTA)烘箱中执行退火(例如，在流动N2下)至介于约400摄氏度与约900摄氏度之间的温度。在某些实施方式中，退火工艺期间的气氛还可以包含诸如O2的氧化气体。在某些实施方式中，退火气氛内的氧化气体(oxidizing gas)的分数介于约5％与约95％之间。在某些实施方式中，退火工艺的持续时间介于约一秒与约五小时之间，或介于约10秒与约一小时之间。在某些实施方式中，在退火之后，清洁半导体层的表面以使它们准备好附加沉积。在某些实施方式中，清洁包括以下项或者由以下项中的一种或多种构成：通过诸如盐酸、硝酸或王水的矿物酸处理、食人鱼蚀刻(piranha etch)、缓冲氧化物蚀刻、通过干蚀刻、或通过用诸如氩等离子体的等离子体处理。
在某些实施方式中，透明导电层被沉积在p型半导体层上。在某些实施方式中，透明导电层包含诸如铟锡氧化物或铝锌氧化物的透明导电氧化物(TCO)。在某些实施方式中，透明导电层通过热蒸发、电子束蒸发和溅射中的一种或多种来沉积。在某些实施方式中，经沉积的TCO层在含有氧的受控气氛中在介于约300摄氏度与700摄氏度之间的温度下退火，以便共同优化TCO层的光/透明度和电性质。在某些实施方式中，透明导电层的厚度介于约10纳米与约1000纳米之间。
本公开中描述的光电二极管结构1000中的每一个意图在具有多反射几何形状的封装光电二极管的光电二极管管芯1002中使用。封装光电二极管含有光电二极管管芯1002并且还可以含有由环氧树脂或硅胶等聚合物构成或包括环氧树脂或硅胶等聚合物的散热器、外壳、单独的光电检测器、光学入射孔径、焊料凸块、引线键合或封装中的一者或多者。在一些实施方式中，封装光电二极管还可以包括一个或多个部件，用于将光耦合进或耦合出光电二极管管芯1002并用于实现更多反射。
为了使封装光电二极管的效率最大化，可能很重要的是使光电二极管管芯1002的光电二极管结构1000的正面和背面的反射率最大化。光电二极管管芯1002通常通过单片化(singulation)或切片从包括一个或多个非吸收体层105、109、吸收体层107、p侧反射电触点113以及n侧反射电触点114的光电二极管结构1000被切割为分立的尺寸(例如，矩形片体)。光电二极管管芯1002由器件腔区构成或包括器件腔区，器件腔区可以包括衬底和透光构件中的至少一个并且可以由边缘结构(诸如，光学窗口和反射涂层)界定。器件腔区由至少两个相对的反射构件和两个相对的反射构件之间的透光构件形成。通过光学窗口进入器件腔区的电磁辐射穿过透光构件并且在反射构件之间被内反射至少两次或更多次。从一个或多个吸收体层发射的发光光线也可以在反射构件之间内反射至少两次或更多次。
在一些实施方式中，两个相对的表面彼此平行。在一些其他实施方式中，两个相对的表面彼此不平行。在图1所示的光电二极管结构1000中，透光构件是衬底101，且反射构件是下文描述的p侧反射电触点113和n侧反射电触点114。
另外，为了使封装光电二极管的效率最大化，重要的是使光电二极管结构中的触点的电阻最小化。再次参考图1，可以在p型层111上沉积p侧反射电触点113。在优选实施方式中，反射p侧电触点的平均反射率在光在操作期间以之入射的特定角度或角度范围下大于70％、大于80％、大于85％、大于90％、大于95％、大于97％或大于98％。一般而言，如本文所使用的术语“平均反射率”旨在广义地描述通过在介于390纳米与460纳米之间的特定波长下并且在相对于层的表面的表示器件操作期间的入射角的范围的一个或多个角度下计算表面上的至少两个反射率测量数据点的平均值来计算的反射率值。在封装光电二极管的操作期间，在一些实施方式中，光(或光辐射)被耦合到光电二极管管芯1002的垂直边缘或近似垂直边缘中并且在内部光在反射层(例如，图1和图2中的p侧反射电触点113或n侧反射电触点114)上的入射角如从反射层的面(例如，图2中平行于大面积表面102的面)所测量的那样介于约0度与约30度之间、介于约0.2与约20度之间或介于约0.3度与约10度之间。在一个实施例中，图2中图示的光接收表面252被定向为与大面积表面102成一定角度(例如，90°角)的光电二极管管芯1002的垂直边缘或光电二极管管芯1002内的垂直面。在光电二极管管芯1002的一些实施方式中，光被耦合到光电二极管管芯1002的非垂直边缘中并且在内部反射层上的入射角如从反射层的面所测量的那样介于约0.1度与约60度之间、介于约0.2度与约40度之间或介于约0.3度与约20度之间。在光电二极管管芯1002的其他实施方式中，光通过孔径被耦合到光电二极管管芯1002的大面积表面中，并且在内部反射层上的入射角如从反射层的面(例如，图2中平行于大面积表面102的面)所测量的那样介于约30度与90度之间、介于约45度与90度之间或介于约60度与90度之间。在光电二极管管芯1002的其他实施方式中，光通过孔径被耦合到光电二极管管芯1002的大面积表面中并且以斜角经受内部反射，并且在内部反射层上的入射角如从反射层的面所测量的那样介于约0.1度与约45度之间、介于约0.3度与约30度之间或介于约0.5度与约20度之间。p侧反射电触点的接触电阻小于3×10-3Ωcm2、小于1×10-3Ωcm2、小于5×10-4Ωcm2、小于2×10-4Ωcm2、小于10-4Ωcm2、小于5×10-5Ωcm2、小于2×10-5Ωcm2或小于10-5Ωcm2。在优选实施方式中，接触电阻小于1×10-4Ωcm2。p侧反射电触点可以包括银、金、铝、镍、铂、铑、钯、钛、铬、锗、钌、镁、钪等中的至少一种。在一些实施方式中，p侧反射电触点可以包括至少两个层或者由至少两个层构成，其中第一层提供良好的电接触并且包含铂、镍、铝或钛而且具有介于0.1纳米与5纳米之间的厚度，而第二层提供优异的光学反射率并且包含银、金或镍而且具有介于0.4纳米与1微米之间的厚度。在某些实施方式中，p侧反射电触点可以包括至少三个层、至少四个层或至少五个层或者由至少三个层、至少四个层或至少五个层构成。在某些实施方式中，p侧反射电触点包括三个层，其中第一层包含银，具有介于约1纳米与约200纳米之间的厚度，第二层包含适度亲氧性金属，具有介于约0.5纳米与约2纳米之间的厚度，并且第三层包含银，具有介于约50纳米与约200纳米之间的厚度。在某些实施方式中，适度亲氧金属包括镍或者由镍构成。在某些实施方式中，适度亲氧金属包括铜、钴、铁和锰中的一种或多种或者由铜、钴、铁和锰中的一种或多种构成。在某些实施方式中，反射p侧电触点在沉积之后被退火以提高其反射率和/或减小其接触电阻。在某些实施方式中，在快速热退火(RTA)炉子中执行退火至介于约300摄氏度与约1000摄氏度之间的温度。在某些实施方式中，p侧反射电触点在介于约0.1托与约200托之间的分压下在含有氧的受控气氛下被退火至介于约500摄氏度与约900摄氏度之间的温度，以便引起适度亲氧金属与银之间的相互扩散并且将受控浓度的氧原子引入到p侧反射电触点层中。在优选实施方式中，在使p侧反射电触点冷却至约250摄氏度的温度以下之前将氧的分压减小至约10-4托以下，以便避免过量氧化银的形成。在某些实施方式中，p侧反射电触点包含最大局部浓度介于约1×1020cm-3与约7×1020cm-3之间的氧。进一步细节在特此通过引用整体地并入的美国专利9,917,227中被描述。p侧反射电触点可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅射或另一合适的技术来沉积。在一个优选实施方式中，p侧反射电触点用作功率光电二极管的p侧电极。在某些实施方式中，p侧反射电触点是平面的并且与半导体层平行，这对于使其反射率最大化可以是有用的。在一个替代实施方式中，p侧反射电触点被图案化或纹理化，这对于光(例如，在孔径内)的接纳或提取可以是有用的。
在某些实施方式中，可以通过制备至少两种样品类型来执行特定反射表面的反射率测量，其中一种样品类型具有保持完整的反射表面而另一种样品类型具有去除的反射表面。两个样品可以被制作为使得测量探测光通过第一表面以低反射率耦合输入，经历来自与要测量的反射表面相对应的第二表面的反射和折射，并且通过第三表面以低内部反射率耦合输出。在一些实施方式中，通过应用被调谐到探测光的波长的介电的(dielectric)抗反射涂层来使第一表面和第三表面处的反射最小化，探测光的波长与功率光电二极管器件操作期间使用的波长相似。能够通过制作样品使得光以接近法向入射透射通过第一表面和第三表面来进一步减小第一表面和第三表面处的反射。根据本领域中公知的方法针对两种样品类型测量从与反射表面和第三表面相对应的表面中透射的光功率并且使用其来计算反射表面的反射率。
再次参考图1，在某些实施方式中，具有大于约70％的平均反射率的n侧反射电触点114被沉积在衬底101的背面上。在一个优选实施方式中，反射n侧电触点的平均反射率在光在操作期间以之入射的特定角度或角度范围下大于80％、大于85％、大于90％、大于95％、大于97％或大于98％。反射n侧电触点的接触电阻小于1×10-3Ωcm2、小于5×10-4Ωcm2、小于2×10-4Ωcm2、小于10-4Ωcm2、小于5×10-5Ωcm2、小于2×10-5Ωcm2或小于10-5Ωcm2。在优选实施方式中，接触电阻小于5×10-5Ωcm2。反射n侧电触点可以包含银、金、铝、镍、铂、铑、钯、钛、铬等中的至少一种。在一些实施方式中，反射n侧电触点可以包括至少两个层或者由至少两个层构成，其中第一层提供良好的电接触并且包含铝或钛并且具有介于0.1纳米与5纳米之间的厚度，而第二层提供优异的光学反射率并且包含铝、镍、铂、金或银而且具有介于10纳米与10微米之间的厚度。在某些实施方式中，n侧反射电触点可以包括至少三个层、至少四个层或至少五个层或者由至少三个层、至少四个层或至少五个层构成，以便共同优化反射率(被最大化)、接触电阻(被最小化)以及稳健性(robustness)(被最大化)。反射n侧电触点可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅射或其他合适的技术来沉积。在某些实施方式中，n侧反射电触点用作功率光电二极管的n侧电极。在某些实施方式中，n侧反射电触点是平面的并且与半导体层平行对准，这对于使其反射率最大化可以是有用的。在替代实施方式中，n侧反射电触点被图案化或纹理化，这对于光(例如，在孔径内)的接纳或提取可以是有用的。
在某些实施方式中、特别是在其中n侧反射电触点包括铝的实施方式中，为了减小n侧反射电触点的接触电阻，衬底101的背面使用含氯气体或等离子体通过反应离子蚀刻(RIE)来处理。在一个特定实施方式中，含氯气体或等离子体包括SiCl4。在某些实施方式中，为了减小n侧反射电触点的接触电阻，执行进一步清洁步骤。在某些实施方式中，进一步清洁步骤包括以下项中的一种或多种或者由以下项中的一种或多种构成：通过诸如盐酸、硝酸或王水的矿物酸处理、缓冲氧化物蚀刻、通过干蚀刻或通过用诸如氩等离子体的等离子体处理。
在一些实施方式中，如图2所示，p侧反射电触点包括包括有不连续p电极215和p侧反射电触点113的双部件镜/p电极，p侧反射电触点113被示出为沉积在不连续p电极215元件上方的p侧反射电接触层。不连续p电极215被优化为电触点并且能够例如由镍/金或铂/金叠层制成，其中镍或铂厚约20nm至200nm并且金厚约100nm至1微米。在一个合适的实施方式中，不连续p电极215是在一侧具有介于约1微米与0.1cm之间的网格开口的网格化电极。p侧反射电触点113可以包含银、金、铝、铂、铑、钯、铬等中的至少一种，并且可以被沉积在p型层111之上且在网格化不连续p电极215之上。优选地，在不连续p电极的任何退火处理之后沉积p侧反射电触点以减小相互扩散。任选地，诸如镍、铑、铂、钯、铱、钌、铼、钨、钼、铌、钽或MCxNyOz(其中M包括诸如铝、硼、硅、钛、钒、铬、钇、锆、镧或稀土金属的金属元素，并且x、y、z各自介于0与3之间)的扩散势垒层设置在不连续p电极215与p侧反射电触点113之间。假定工作电流密度为10A/cm2，p型层的薄层电阻为4×105Ω/sq，并且此电流仅从p型层传导到网格化不连续p电极215而不直接传导到p侧反射电触点113，对于2、5和10微米网格指间距，所计算出的由于p型层内的横向传导而导致的功率损耗百分比分别是大约0.6％、3.6％和14.5％。不是网格配置，而是能够可替代地将不连续p电极215布置为位于平行于大面积平面102的面中的点、矩形、圆形等的阵列。不连续p电极215之间的间隔优选地介于约1微米与0.1cm之间。反射金属p电极或反射电触点和不连续电极的组合的使用使得能够制作大面积功率光电二极管，而无需在大距离之上通过p掺杂层进行横向载流子输送，从而使器件中的横向欧姆损耗和串联电阻最小化。能够通过设计电极图案并且定向光传播路径使得入射在不连续p电极图案上的光被大大避免来使通过不连续p电极的寄生光吸收(parasiticoptical absorption)最小化。
光电二极管结构可以包括设置在p型层上方的p侧反射电触点，其中在操作期间光入射的特定角度或角度范围下，p侧反射电触点对于介于390纳米与460纳米之间的波长来说具有至少80％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻。
如上面指出的，本公开中描述的光电二极管结构1000意图在具有多反射几何形状的光电二极管管芯和封装光电二极管中使用。在一些实施方式中，在操作期间设置在封装光电二极管内的光电二极管管芯被配置为从光照源251接收一个或多个辐射波长，在本文中也称为光。光照源251可以包括激光器、光纤或其他有用的辐射源。为了优化封装光电二极管的功率效率，重要的是使光电二极管管芯的正面和背面以及单片化(singulation)之后各个光电二极管管芯(die)的侧面的反射率最大化。另外，重要的是使触点的电阻最小化并且优化光电二极管管芯的光接收表面252与反射触点结构(例如，p侧反射电触点和n侧反射电触点)之间的配置。再次参考图2，期望波长(例如，405纳米或450纳米)的光可以通过孔径或窗口(未示出)进入光电二极管结构1000并进入光接收表面252，使得光在衬底101和半导体层内传播，并且从p侧反射电触点113和n侧反射电触点114且从边缘反射器(未示出)反射。光接收表面252通常包括光电二极管器件(或光电二极管管芯)的一部分，被定位和对准以将从光照源251发射的辐射提供给光电二极管管芯的设置在p侧反射电触点113与n侧反射电触点114之间的区域的一部分，如图2所示。在一些实施方式中，光接收表面252可以包括光电二极管管芯的边缘上的区域，如图2示意性地所示。在其他实施方式中，光接收表面表面252可以包括在表面255或256之一上的开放区域，其不包括用于分别形成p侧反射电触点113或n侧反射电触点114的材料的部分。在此配置中，开放区域被设计为允许从光照源251发射的辐射进入光电二极管管芯的设置在p侧反射电触点113与n侧反射电触点114之间的区域。在一些实施方式中，光接收表面252相对于光电二极管管芯对准以使从光照源251递送的光在p侧反射电触点113与n侧反射电触点114之间被反射至少一次、至少两次、至少三次或至少五次。从光照源251递送的光，例如，能够具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长。
在某些实施方式中，如图2另外所示，n侧反射电触点包括包括有不连续n电极217和n侧反射电触点114的双部件镜/n电极。不连续n电极217被优化为电触点并且能够，例如，由钛/铝或钛/铝/金叠层制成，其中钛厚约5nm至200nm并且铝或金厚约100nm至1微米。在一个合适的实施方式中，不连续n电极217是在一侧具有介于约1微米与1厘米之间的网格开口的网格化电极。在某些实施方式中，在网格化电极沉积之前，网格化电极下方的表面部分被粗糙化，例如，使用湿蚀刻处理被粗糙化。在某些实施方式中，粗糙化表面的均方根粗糙度介于约300纳米与约1毫米之间，或介于约1微米与约200微米之间。假定n型GaN衬底的工作电流密度为10A/cm2并且薄层电阻为0.27Ω/sq，所计算出的由于衬底层内的横向传导而导致的功率损耗对于分别0.2、0.5和1cm网格指间距是大约0.4％、2.5％和9.8％。在某些实施方式中，作为背面n侧反射电触点的补充或替代还添加在由此结构制备的单片化管芯侧的n侧反射电触点。在某些实施方式中，视需要，在形成分别到n型掺杂层或p型掺杂层的沟槽之后，将n触点和p触点添加到管芯的同一侧。可以通过如本领域中公知且将在下文详细描述的光刻和干蚀刻或湿蚀刻形成沟槽。n侧反射电触点114可以包含银、金、铝、铂、铑、钯、铬等中的至少一种，并且可以被沉积在衬底101的背面上方和在网格化不连续n电极217上方。优选地，在不连续n电极的任何退火处理之后沉积电触点以减小相互扩散。任选地，诸如镍、铑、铂、钯、铱、钌、铼、钨、钼、铌、钽或MCxNyOz(其中M包括诸如铝、硼、硅、钛、钒、铬、钇、锆、镧或稀土金属的金属元素，并且x、y、z各自介于0与3之间)的扩散势垒层设置在不连续n电极217与n侧反射电触点114之间。不是网格配置，而是能够将不连续n电极217布置为位于平行于大面积表面102的面中的点、矩形、圆形等的阵列。不连续n电极217之间的间隔优选地介于约1微米与0.1cm之间。反射金属n电极或反射电触点和不连续电极的组合的使用使得能够制作大面积功率封装光电二极管，而无需在大距离之上传输通过衬底101进行横向载流子输送，这在衬底101的载流子浓度低以便优化透明度的情况下或者在它相当薄，例如，小于约100微米、小于约50微米或小于约25微米的情况下是重要的。能够通过设计电极图案和光传播路径使得入射在不连续n电极图案上的光被大大避免来使通过不连续n电极的寄生光吸收最小化。
光电二极管结构1000可以包括n侧反射电触点，所述n侧反射电触点对于介于390纳米与460纳米之间的波长具有在光在操作期间以之入射的特定角度或角度范围下至少80％的平均反射率并且具有低于5×10-4Ωcm2的接触电阻。
在一些实施方式中，如图3所图示的，p侧反射电触点和n侧反射电触点中的至少一个还包括半透明电流散布层321。半透明电流散布层321可以由氧化镍(NiO)、氧化镍/金(NiO/Au)、NiO/Ag、铟锡氧化物(ITO)、p型氧化锌(ZnO)、氧化钌(RuO2)、另一透明导电氧化物等中的至少一种构成或包含氧化镍(NiO)、氧化镍/金(NiO/Au)、NiO/Ag、铟锡氧化物(ITO)、p型氧化锌(ZnO)、氧化钌(RuO2)、另一透明导电氧化物等中的至少一种。半透明电流散布层321促进与p型层111或与衬底101的电接触，例如，欧姆或准欧姆行为。为了使半透明电流散布层321中的光吸收最小化，此层具有优选地介于约1nm与约100nm之间的厚度，具有超过70％透光性。对于覆盖p型层的半透明电流散布层321假定工作电流密度为10A/cm2并且薄层电阻为25Ω/sq，则所计算出的由于电流散布层内的横向传导而导致的功率损耗分别对于0.02、0.05和0.1cm网格间距是大约0.4％、2.3％和9.1％。
在一些实施方式中，透明电介质319设置在半透明电流散布层321的一部分上并且在不连续p电极315和/或不连续n电极317之间。透明电介质可以包括TiO2、Ta2O5、ZrO2、SiO2、SiOx、SiNx、Si3N4、SiOxNy、Al2O3或MgF2中的至少一种。透明电介质319可以是四分之一波厚，也就是说，具有大约等于空气中的入射光子波长的四分之一除以电介质(dielectric)的折射率的厚度。例如，在光电二极管结构1000具有405纳米的设计波长并且透明电介质由折射率为大约2.28的Ta2O5构成的情况下，透明电介质319的厚度可以被选取为约405/2.28/4＝44纳米。透明电介质319包括其中设置有不连续p电极315或不连续n电极317的开放区域。不连续p电极315和不连续n电极317可以包括镍(Ni)、氧化镍(NiO)、钛-钨/金(Ti-W/Au)中的至少一种。在优选实施方式中，不连续p电极315和/或不连续n电极317不在透明电介质上方延伸。p侧反射电触点113设置在透明电介质和电触点材料上方并且在各个网格开口中电互连不连续p电极315。n侧反射电触点114设置在透明电介质和电触点材料上方并且在各个网格开口中电互连不连续n电极317。p侧反射电触点113和n侧反射电触点114还与透明电介质319协作以限定用于在器件内反射光的反射器。反射金属触点的进一步变体在特此通过引用整体地并入的美国专利No.7,119,372中被描述。
在另一组实施方式中，如图13A、图13B以及图13C示意性地所示，半导体层被转移到一个或多个载体衬底1313并且模板衬底1101被去除。通过与图3示意性地图示的结构相比，p侧电触点可以类似地包括半透明电流散布层321和不连续p电极315，并且还可以包括设置在半透明电流散布层321的部分上的透明电介质319(图13A)。载体衬底1313然后接合到p型层111、半透明电流散布层321(若存在的话)、不连续p电极315(若存在的话)和透明电介质319(若存在的话)中的一个或多个。载体衬底1313或透光构件1313的接合可以借助于粘合剂、借助于沉积在载体衬底1313的第一表面中的至少一个上的一个或多个粘合层(未示出)与要与之接合的层之间的热压缩接合，或借助于本领域中已知的替代接合方法来实现。在某些实施方式中，载体衬底1313和粘合层在封装光电二极管的感兴趣波长下(例如，在390纳米与460纳米之间)是透明的。在某些实施方式中，载体衬底1313包括玻璃、透明陶瓷、二氧化硅玻璃、硼硅玻璃、铝硅酸盐玻璃、石英、蓝宝石、MgAl2O4尖晶石、氧化锌或氧氮化铝中的一种或多种或者由它们中的一种或多种构成。粘合层可以包括以下项中的一种或多种或者由以下项中的一种或多种构成：SiOx、GeOx、SiNx、AlNx、GaOx、Al2O3、Sc2O3、Y2O3、B2O3、R2O3，其中R是稀土元素、MgO、CaO、SrO、HfO2、ZrO2、Ta2O5，或B、Al、Si、P、Zn、Ga、Si、Ge、Au、Ag、Ni、Ti、Cr、Zn、Cd、In、Sn、Sb、Tl或Pb，或它们的氧化物、氮化物或氮氧化物。粘合层可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等来沉积，或者通过沉积的金属膜的热氧化来沉积。粘合层的厚度可以介于约1纳米与约10微米之间，或者介于约10纳米与约1微米之间。粘合层可以被，例如，退火至介于约300摄氏度与约1000摄氏度之间的温度。在一些实施方式中，至少一个粘合层被化学机械抛光。在一个优选实施方式中，至少一个粘合层的均方根表面粗糙度在20×20μm2面积之上低于约0.5纳米或低于约0.3纳米。在某些实施方式中，在空气中每立方厘米小于10,000、小于1,000、小于100或小于10个粒子的洁净室中执行热压缩接合。可以在晶片接合之前通过用离子氮、CO2射流、CO2雪、高电阻水、有机溶剂(诸如，甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮)等喷射、刷洗或冲洗来从至少一个表面中去除粒子。在一些实施方式中，相反表面在被浸入在液体中的同时接触。任选地，至少一个表面被暴露于等离子体以增强晶片接合。在热压缩接合工艺期间相反表面之间的压力可以介于约0.1兆帕与约100兆帕之间，并且温度可以被保持在约30摄氏度与约950摄氏度之间、在约30摄氏度与约400摄氏度之间或在约30摄氏度与约200摄氏度之间持续介于约1分钟与约10小时之间的时段。
p侧反射器层1315可以被沉积在载体衬底1313的与光电二极管结构1000相对的表面上。P侧反射器层1315可以包括银、电介质镜和分布式布拉格反射器(DBR)中的一个或多个或者由银、电介质镜和分布式布拉格反射器(DBR)中的一个或多个构成。P侧反射器层1315可以在光在操作期间以之入射的特定角度或角度范围下具有在封装光电二极管的设计波长下，例如，在360纳米与460纳米之间高于约80％、高于约85％、高于约90％、高于约95％、高于约97％或高于约98％的反射率。
光电二极管结构1000可以通过激光剥离方法与模板衬底1101分离，如图13B示意性地所示。激光束1321可以在衬底101的背面上光栅化。在某些实施方式中，在单晶III族金属氮化物层1104被沉积在诸如蓝宝石衬底的模板衬底1101上的情况下，紫外激光束聚焦在单晶III族金属氮化物层1104与模板衬底1101之间的界面上，从而引起单晶III族金属氮化物层1104的背面的局部分解和N2的微米或纳米气泡的形成并且导致模板衬底1101与光电二极管结构1000的其余部分分离。在某些实施方式中，在单晶III族金属氮化物层1104被沉积在光吸收系数在至少一个波长下大于1000cm-1的释放层1103上，其中模板衬底1101的其余部分是大体上透明的，在光吸收系数小于50cm-1情况下，可以使具有释放层1103强烈吸收的波长的激光束1321聚焦在释放层1103上，从而引起N2的微米或纳米气泡的局部分解和形成并且导致模板衬底1101与光电二极管结构1000的其余部分分离。可以通过调整光电二极管结构1000的温度、激光功率、激光光斑大小、激光脉冲持续时间和/或激光脉冲数来实现界面的最佳弱化程度，而不对高质量外延层或半导体结构引起不希望的损坏。用于实现分离的激光能流(fluence)可以介于300毫焦/平方厘米与900毫焦/平方厘米之间或者介于约400mJ/cm2与约750mJ/cm2之间。可以通过在光束路径中包括光束均化器来改进激光束1321的均匀性，并且光束大小可以是约4mm乘4mm。在一些实施方式中，激光束1321跨释放层被扫描或光栅化而不是被保持不动。可以在高于由分解产生的金属的熔点(例如，在镓金属的情况下高于约30摄氏度)的温度下执行分离。
或者，光电二极管结构1000可以通过光电化学蚀刻与模板衬底1101分离，如图13C示意性地所示。在某些实施方式中，释放层1103包含InGaN并且具有小于吸收体层的带隙的带隙。沟槽1322可以形成在相邻的载体衬底1313之间，穿过每一个半导体层向下至释放层1103，从而形成台面。沟槽1322可以在常规光刻之后通过干蚀刻或湿蚀刻形成，如本领域中公知的。然后将光电二极管结构1000浸入在光电化学蚀刻溶液中并且可以用具有被释放层1103强烈吸收但未被其他半导体层中的至少一些半导体层强烈吸收的波长的光照射。在某些实施方式中，蚀刻溶液包括氢氧化钾(KOH)、过硫酸钾(K2S2O8)、氢氧化钠(NaOH)、过氧化氢(H2O2)、乙二醇和四甲基氢氧化铵(TMAH)中的一种或多种。KOH可以具有介于0.01与10摩尔之间或介于约0.1摩尔与约2摩尔之间的浓度。在某些实施方式中，光源包括宽带源，诸如，汞弧灯、汞氙灯、钨灯或LED。在某些实施方式中，光源与滤光器耦合以排除被半导体层中的一个或多个半导体层强烈吸收的波长。光源的通流(fluence)可以介于约1W/cm2与约50W/cm2之间。在某些实施方式中，光电二极管结构1000电连接到阳极，其中单独的阴极浸入在蚀刻溶液中。在某些实施方式中，电流在阴极与阳极之间通过，以引起从沟槽1322的基部开始并且横向地延伸的释放层1103的溶解。在其他实施方式中，光电化学蚀刻工艺是无电极的。在某些实施方式中，释放层的氧化和溶解由存在于诸如K2S2O8的蚀刻溶液中的氧化剂驱动。在蚀刻持续预定时间之后，释放层1103大体上溶解，从而使得能够容易地从模板衬底1101去除光电二极管结构1000。
在去除模板衬底1101之后，具有在光在操作期间以之入射的特定角度或角度范围下大于约70％、大于约80％、大于约90％、大于约95％、大于约97％或大于约98％的反射率的n侧反射电触点1319可以沉积在单晶III族金属氮化物层1104的新暴露的背面表面1317上，如图13D示意性地所示并且在上面描述的。在一些实施方式中，在n侧反射电触点1319的沉积之前，通过湿工艺或干工艺中的一种或多种清洁表面1317。在操作期间，来自光照源251的光穿过孔径或光接收表面1352，作为光束1353进入载体衬底1313，并且在p侧反射器层1315与n侧反射电触点1319之间多次反射。
模板衬底去除和载体衬底接合工艺的变化是可能的。例如，(可能透明或可能不透明的)第一载体衬底1411可以接合到p侧反射电触点层113，如图14A示意性地所示。第一载体衬底1411可以包括蓝宝石、碳化硅、氧化锌、硅、SiO2、玻璃、铜、银以及铝中的一种或多种或由蓝宝石、碳化硅、氧化锌、硅、SiO2、玻璃、铜、银以及铝中的一种或多种构成。然后，在通过与上文所述且在图13B和图13C中示意性地所示的工艺类似的工艺去除模板衬底1101之后，可以在单晶III族金属氮化物层1104的新暴露的背面表面1417上沉积半透明电流散布层321，如图14B示意性地所示并且在上面描述的。半透明电流散布层321促进与单晶III族金属氮化物层1104的电接触，例如，欧姆或准欧姆行为。在一些实施方式中，透明电介质319设置在半透明电流散布层321的一部分上并且在不连续n电极317之间。在某些实施方式中，不连续n电极317具有高反射性，并且透明电介质319是抗反射层。在感兴趣波长下透明的第二载体衬底1413的第一表面然后可以接合到单晶III族金属氮化物层1104、半透明电流散布层321、不连续n电极317和/或透明电介质319，如图14C所示。然后可以在第二载体衬底1413的第二表面上沉积n侧反射器层1414，其可以用作透光构件。现在，来自光照源251的光穿过孔径或光接收表面1452，作为光束1453进入载体衬底1313，并且在p侧反射电触点113与n侧反射器层1414之间多次反射。
在某些实施方式中，如图16A、图16B以及图16C示意性地所示，n型和p型电触点均被置于透光构件的同一侧。在某些实施方式中，透光构件包括其上沉积有半导体层的衬底或由其上沉积有半导体层的衬底构成。在其他实施方式中，将半导体层从衬底上移除并且随后接合到透光构件。衬底或透光构件连同半导体层和电介质层(若存在的话)可以限定器件腔区1669，当光在吸收体层107内被吸收时穿过器件腔区1669被多次反射。在某些实施方式中，器件腔区1669可以包括光腔区的一部分，除了器件腔区1669之外，光腔区还可以包括填充有空气或气态或液态流体或电介质的区域。透光构件和横向电触点的一些实施方式在下面进一步详细说明。
在一个具体的实施方式中，如图16A所示，电触点被置于覆盖模板衬底1101的器件层上，并且定位在模板衬底1101上的台面1651附近，台面1651可以限定器件腔区1669。在器件腔区1669中，透光构件是衬底101，并且反射构件是p侧反射电触点113和n侧反射器层1414。这样的配置可能是有利的，例如，当模板衬底1101是电绝缘衬底时。在沉积p型层111和任选的半透明电流散布层321之后，可以使用本领域公知的工艺通过光刻和干蚀刻在相邻的台面1651之间形成沟槽1653。沟槽1653的深度可以被选取为使得n型第一非吸收体层105的区域被暴露，但使得n型第一非吸收体层105的厚度的大部分在沟槽1653下方保持完整，从而实现欧姆损耗最小的良好的横向导电。P侧反射电触点113可以在沟槽1653形成之前或之后沉积。N侧电触点1657可以沉积在n型第一非吸收体层105的暴露部分上。绝缘电介质层1655设置在p侧反射电触点113与n侧电触点1657之间。绝缘电介质层1655可以，例如，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，通过原子层沉积(ALD)或通过高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)来沉积，并且可以包括SiO2、SiNx、Al2O3等。在一些实施方式中，绝缘电介质层1655在p侧反射电触点113和n侧电触点1657之一或两者之后沉积。在一些实施方式中，绝缘电介质层1655在p侧反射电触点113和n侧电触点1657之一或两者之前沉积。n侧电触点1657的接触电阻小于1×10-3Ωcm2，小于5×10-4Ωcm2，小于2×10-4Ωcm2，小于10-4Ωcm2，小于5×10-5Ωcm2，小于2×10-5Ωcm2，或小于10-5Ωcm2。在优选实施方式中，接触电阻小于5×10-5Ωcm2。n侧电触点1657可以包括银、金、铝、镍、铂、铑、钯、钛、铬等中的至少一种。在某些实施方式中，使其上放置n侧电触点的表面暴露于SiCl4等离子体，以在沉积n侧电触点之前减小接触电阻。然后，可以在模板衬底1101的背面1659上沉积n侧反射器层1414。N侧反射器层1414可以包括银和铝中的一种或多种或由银和铝中的一种或多种构成。如果需要的话，在沉积n侧反射器层1414之前，对背面1659进行研磨和/或抛光，并且任选地进行化学机械抛光，以实现大于80％、大于85％、大于90％、大于95％、大于97％或大于98％的反射率。在优选实施方式中，台面1651的宽度比管芯单片化后的沟槽1653的宽度大得多，使得在p侧反射电触点113和n侧反射器层1414之间内部反射的光很少会从器件的侧面损失掉。在某些实施方式中，n侧电触点1657可以具有高反射性，具有大于70％、大于80％、大于90％或大于95％的反射率。
在某些实施方式中，器件是倒装的(flip-chiped)并且p型和n型电触点均被置于器件结构的同一侧。这样的配置可能是有利的，例如，当模板衬底1101是光学透明但具有电绝缘性时，这样的配置可能是有利的。参考图17A，在沉积p型层111之后，可以蚀刻两个或更多个通孔穿过p型层111、第二非吸收体层109(若存在的话)、吸收体层107，并进入n型第一非吸收体层105。通孔可以通过常规的光刻和干蚀刻工艺(诸如，反应离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体(ICP)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE))形成。绝缘电介质层1616可以沉积在通孔的侧壁上，例如，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，通过原子层沉积(ALD)或通过高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)，并且可以包括SiO2、SiNx、Al2O3等。P侧反射电触点113可以沉积在通孔之间的p型层111的部分上，并且n侧反射电触点1614可以被置于通孔内。电介质反射器层1618或金属n侧反射器层可以沉积在衬底101或模板衬底1101的背面。所需波长(例如，405纳米或450纳米)的光可以通过(可以包括光接收表面252的)孔径或窗口(未示出)进入光电二极管结构1000，使得发射的光在衬底101和半导体层内传播，并且从p侧反射电触点113、n侧反射电触点1614反射，从电介质反射器层1618以及从边缘反射器(未示出)反射。器件内的光会受到设置在通孔内的材料的一定程度的散射。然而，由于通孔的面积分数相对较小并且它们的深度与衬底101的厚度相比较小，因此，散射将是适度的。
在替代实施方式中，通孔被置于n侧上而不是p侧上，如图17B中示意性地所示。例如，再次参考图13C，在移除模板衬底1101之后，两个或更多个通孔可以蚀刻穿过单晶III族金属氮化物层1104、n型第一非吸收体层105、吸收体层107以及第二非吸收体层109(若存在的话)，并且进入p型层111或半透明电流散布层321，而不是将n侧反射电触点1319沉积或接合到表面1317，如图13D中示意性地所示。可以放置绝缘电介质层1616、p侧反射电触点1615以及n侧反射电触点1663，类似于图17A所示光电二极管管芯1002的结构。
再次参考图16B，在某些实施方式中，电触点被置于载体衬底1313下方和侧面的器件层上。当载体衬底1313是光学透明但具有电绝缘性(构成透光构件的另一个实施例)时，这种配置可能是有利的。例如，p侧反射电触点1661可以放置成与p型层111、半透明电流散布层321、不连续p电极315以及透明电介质319中的一者或多者接触。与载体衬底1313相邻或围绕载体衬底1313的放置有p侧反射电触点1661的间隙或沟槽1654可以通过以下一者或多者形成：使用切片锯切割载体衬底1313、对载体衬底1313进行湿蚀刻或干蚀刻(例如，通过在锯切之后留下的残余部分)，或接合放置多个分立的载体衬底1313而不是单个大载体衬底。N侧反射电触点1319可以沉积在单晶III族金属氮化物层1104的下侧。
再次参考图16C，在某些实施方式中，电触点被置于第二载体衬底1413上方和侧面的器件层上，这可以构成透光构件的又一实施方式。当第二载体衬底1413是光学透明的但具有电绝缘性时，这样的配置可能是有利的。例如，n侧反射电触点1663可以放置成与单晶III族金属氮化物层1104、半透明电流散布层321、不连续n电极317以及透明电介质319中的一者或多者接触。与第二载体衬底1413相邻或围绕第二载体衬底1413的放置有n侧反射电触点1663的间隙或沟槽1656可以通过以下一者或多者形成：使用切片锯切割第二载体衬底1413、对第二载体衬底1413进行湿蚀刻或干蚀刻(例如，通过在锯切之后留下的残余部分)，或接合放置多个分立的第二载体衬底1413而不是单个大载体衬底。
在某些实施方式中，可以在单片化之前表征光电二极管结构1000。例如，可以通过光吸收光谱法来调查光学性质，诸如，透射或反射。一个或多个层的形态可以通过微分干涉对比显微术(DICM或Nomarski)和/或通过原子力显微术来表征。一个或多个外延层的发光特性可以通过光致发光光谱学、光致发光显微术和微荧光中的一种或多种来表征。一个或多个层中的杂质浓度可以通过校准的二次离子质谱法(SIMS)来表征。一个或多个外延生长层的结晶度可以通过x射线衍射来表征。一个或多个层的电性质可以通过霍尔测量、范德堡测量或非接触电阻率测量来表征。可以通过透射线测量(TLM)来调查p侧反射电触点和n侧反射电触点中的一个或多个以及一个或多个层的接触电阻和串联电阻。光电二极管电性质和功率转换效率可以通过在黑暗中或在通过各种强度的常规或激光光源的照射下的电流-电压(I-V)测量来表征。光电二极管结构1000内的少数载流子收集可以通过量子效率测量来量化。光电二极管结构1000可以通过电致发光测量进一步表征。
在晶片级制作之后，个别光电二极管管芯可以，例如，通过激光划线和劈开，通过激光切割，通过隐形切片，通过管芯锯切等分离并封装。可以选取相对于晶轴的切片或劈开方向以控制边缘的形态。例如，c面制成的光电二极管晶片(包括半导体层、反射p型和/或n型触点以及其他器件结构)可以被沿着m面劈开以获得平滑的劈开表面，或着被沿着a面劈开以获得由m面小面组成的粗糙劈开面。
图18A至图18E示出了设计成用于通过拐角或边缘的侧面照明的封装光电二极管的光电二极管管芯1002的侧视图、横截面以及平面图的简化示意图。图18E包括剖切线，这些剖切线图示了图18A至图18D所示视图的观察位置。除了n侧反射电触点114和p侧反射电触点113之外，一个或多个吸收体层的侧边缘可以由于钝化层的沉积或形成或通过在现有层上执行一种或多种处理技术(例如，暴露于等离子体产生的离子或自由基、反应性退火工艺等)以减少沿器件边缘的分流电流路径，而被钝化(例如，在本文中也称为边缘钝化)。在某些实施方式中，钝化工艺包括涂层或由涂层构成，并且涂层包括AlNx、Al2O3、TiO2、Ta2O5、ZrO2、SiO2、SiOx、SiNx、Si3N4、SiOxNy、AlOxNy或SiuAlvOxNy中的一种或多种或由AlNx、Al2O3、TiO2、Ta2O5、ZrO2、SiO2、SiOx、SiNx、Si3N4、SiOxNy、AlOxNy或SiuAlvOxNy中的一种或多种构成。在某些实施方式中，钝化涂层或钝化层通过原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)或电子回旋共振(ECR)等离子沉积来沉积。在某些实施方式中，沉积的钝化层包含浓度大于1019cm-3的氢，其使半导体层和钝化层之间的界面处的悬空接合点(dangling-bond point)缺陷钝化。在某些实施方式中，钝化层具有比半导体层低的功函数。在一些实施方式中，未在光电二极管管芯中使用边缘钝化或未在光电二极管管芯上形成边缘钝化。
在光电二极管管芯边缘的一个位置处，边缘包括光学窗口912。光学窗口912可以涂覆有抗反射光学窗口层911，而边缘的外缘(perimeter)的其余部分可以涂覆有边缘反射器层905。在一些实施方式中，边缘的光学窗口912部分包括具有所期望的粗糙度或纹理的表面，以代替抗反射光学窗口层911或作为抗反射光学窗口层911的补充。在某些实施方式中，光学窗口912被放置在拐角。在其他实施方式中，光学窗口912远离拐角放置。光学窗口912的面积可以小于在平行于大面积表面102的平面中测得的至少一个吸收体区域的表面积的约40％、小于约30％、小于约20％、小于约10％、小于约5％、小于约2％、小于约1％、小于约0.5％、小于约0.2％或小于约0.1％。抗反射光学窗口层911可以包括MgF2、SiO2、Al2O3、HfO2、LaTiO3、Si3N4或TiO2中的至少一种，并且可以通过电子束沉积、溅射或其他合适的沉积技术来沉积。在某些实施方式中，抗反射光学窗口层911是有纹理的。在某些实施方式中，光学窗口912的边缘的表面法线与衬底的表面法线之间的角度可以偏离90度。光学窗口912可以包括一个或多个平面层和/或纹理化结构。在某些实施方式中，光学窗口912的定向平行于管芯的边缘。在其他实施方式中，光学窗口具有不平行于管芯边缘的外部定向，例如，以使在以非垂直入射角耦合到光纤时的光学损失最小化。边缘反射层可以包括银、金、铝、铂、铑、钯、铬等中的至少一种，并且可以通过电子束沉积或溅射来沉积。在某些实施方式中，边缘反射器层可以包括电介质层，以增强边缘反射。进入光学窗口912的光多次穿过设置在衬底上的半导体层(包括非吸收体、吸收体以及p型接触半导体层)915的组合(图18C和图18D)。
管芯可以附接到下散热器901或上散热器909中的一个或多个。也可以提供单独的底座(submount)并将其定位在管芯和下散热器901或上散热器909之间。散热器和底座可以包括包含铜、铝、硅、碳化硅、蓝宝石、氮化铝、氧化铍、金刚石等中的至少一种的层和/或板或其他形状。光电二极管管芯1002可以通过Au/Sn共晶、Au/Ge共晶或类似接合层之一附接到散热器和/或底座。
图19A、图19B、图19C、图19D以及图19E分别示出了从光纤1001到光电二极管管芯1002的光路的横截面图和平面图的示意图。关于图19A至图19E描述的光纤1001与光纤3180类似地配置，这将在下文更详细地描述。在这些图中，X方向被选取为沿第一方向位于光电二极管管芯的平面中(即，平行于大面积表面102)，Y方向被选取为位于管芯的平面中，垂直于X方向，并且Z方向被选取为垂直于管芯的平面。可以具有抗反射涂层1003的光纤1001以相对于光电二极管管芯的平面的角度α(参见图19A)和相对于管芯的边缘1902的角度β(参见图19B)耦合到光学窗口912。光电二极管管芯的平面总体平行于半导体层915的主表面，在一个实施例中，此主表面平行于图19A中的X-Y平面。在一些实施方式中，如图19B所示，光纤1001耦接到光电二极管管芯，使其还包括相对于边缘1901(例如，图19B中的光电二极管管芯1002的光接收边缘)的角度Δ。角度α与0度的偏差导致进入管芯的光经过反射p型触点和反射n型触点进行多次反射。在某些实施方式中，可以在顶部和底部镜中利用全内反射。在某些实施方式中，α的值被选取为介于0与约50度之间、0度与约40度之间、0度与约20度之间或0度与约5度之间或者甚至介于0.1度与5度之间。角度β与0度的偏差导致进入管芯的光经过边缘反射层进行多次反射并照亮整个管芯体积。在β值相对较小的情况下，光从光电二极管管芯的一个边缘递增式反弹到另一个边缘(图19B)。β值越大，光穿过管芯时反弹越少(图19C)。在某些实施方式中，β的值被选取为介于0度与约60度之间、介于0度与约20度之间、介于0度与约10度之间、介于10度与约30度之间或介于约30度与约50度之间。在某些实施方式中，管芯在Y方向上可以是较窄的，例如，宽度在管芯厚度的5倍与0.5倍之间，在管芯厚度的2倍与0.8倍之间，或在管芯厚度的1.5倍与1倍之间，而β的值可以很小，例如，小于约20度、小于约10度、小于约5度或近似为0度，使得光传播到管芯的远端，然后沿大致相同的路径反射回来。在某些实施方式中，可以通过利用全内反射来促进来自管芯边缘的有效反射，也就是说，确保内部光线相对于表面法线的入射角大于(360/(2π))*arcsin(n1/n2)度，其中n1是外折射率，而n2是内折射率。在某些实施方式中，角度Δ的值被选取为介于0度与约20度之间、介于0度与约10度之间或介于0度与约5度之间或者甚至介于0.1度与5度之间。
通过本领域已知的方法，可以使用包括连接器和套圈(ferrule)中的一个或多个的夹具将一根或多根光纤耦接到光电二极管管芯。在一个实施方式中，如图36所示，夹具3601包括支撑结构3611、安装板3610以及安装元件3620，它们被配置为相对于边缘1901(例如，图19B和图36)或光电二极管管芯1002的表面(例如，图33A至图33I中的包含表面的n侧反射电触点)定位、支撑以及对准光纤3180的光发射端3182。通过使用安装元件3620将光纤3180定位并附接到安装板3610的表面3609。安装元件3620可以包括被配置为将光纤的一部分固位的简单的夹持装置。然而，在一些实施方式中，安装元件3620可以包括一个或多个固位特征，这些固位特征被配置为支撑耦接到光纤3180的一部分的连接器或套圈。光电二极管管芯1002也被定位在并且附接到安装板3610的表面3609。在一些实施方式中，通过使用可拆卸夹持件、紧固元件、粘合剂、金属或陶瓷接合层或本领域已知的其他类似装置或装置固位方法将光电二极管管芯1002接合或夹持到安装板3610的表面3609。在一些实施方式中，光电二极管管芯1002包括设置在光电二极管管芯1002的有源区与安装板3610的表面3609之间的散热器901。在一些实施方式中，底座(未示出)被定位在光电二极管管芯1002与散热器901之间。在一些实施方式中，光纤3180的第一端(即，光发射端3182)、光纤的主轴线3183A(图31B和图36)、光电二极管管芯的第一边缘和第二边缘的相对位置被控制在介于约1微米与约1毫米之间或介于约1微米与约100微米之间或者介于约2微米与约50微米之间或者介于约3微米与约25微米之间的公差。在一些实施方式中，夹具被配置为将光纤的辐射发射端3182定位到距光学窗口912的表面第一距离3630(图36)处，其中第一距离介于约2微米与约10毫米之间。在光纤3180的辐射发射端3182不平行于光电二极管管芯1002的边缘1901或光学窗口912的表面的配置中，第一距离可以从主轴线3183A通过光纤3180的辐射发射端3182延伸到照射在光学窗口912的表面或光电二极管管芯1002的边缘1901上的发出辐射的中心的点来测量。类似地，在光纤3180的辐射发射端3182不平行于光耦合构件3187的光接收表面(图33A至图33E)或光波导3190的光接收表面(图31A至图32)的配置中，第一距离(例如，图31B中的距离D1)可以从主轴线3183A通过光纤3180的辐射发射端3182延伸到照射在光耦合构件3187或光波导3190的光接收表面上的发出辐射的中心的点来测量。
一般来说，夹具提供一种结构，此结构用于将光纤3180的光发射端3182相对于光伏管芯1002的光接收边缘1901的相对位置在介于约1微米与约1毫米之间的公差内保持恒定。在一些实施方式中，安装板3610由具有与光纤3180和/或光电二极管管芯1002的热膨胀系数(CTE)相匹配的热膨胀系数(CTE)的材料形成，以帮助在光电二极管封装的操作期间保持所期望的公差(tolerance)。在一个实施例中，安装板3610包括诸如Invar或具有与形成光纤3180和/或光电二极管管芯1002的材料相似的CTE的其他材料。
在某些实施方式中，可以包括二氧化硅、玻璃以及塑料中的一种或多种或由二氧化硅、玻璃以及塑料中的一种或多种构成，并且可以是单模或多模的一根或多根光纤的端部可以通过粘合剂(诸如，环氧树脂)附接到套圈。可以在夹具中使用的套圈可以由陶瓷、不锈钢、铝、铜或塑料构成或包括陶瓷、不锈钢、铝、铜或塑料。套圈的端面可以连同一根或多根光纤的端部(即，辐射发射端3182)一起被抛光。套圈可以通过连接器附接到夹具。可以通过将管芯的横向尺寸精确控制为，例如，优于100微米、优于50微米、优于25微米或优于10微米，并且通过将管芯的第一边缘(例如，边缘1901)和第二边缘、管芯附接到的底座或底座附接到的散热器901抵靠夹具中的特征定位来确定光电二极管管芯1002在夹具内的位置。如上所述，光电二极管管芯1002可以通过金-锡焊料、Au-Au-热压结合、环氧树脂、银环氧树脂、烧结银界面材料或热粘合剂中的一种或多种附接到夹具3601的安装板3610。底座和散热器中的一个或多个可以包括在光电二极管管芯和夹具之间的热路径和机械路径中。光电二极管管芯和底座、底座和散热器以及散热器和夹具中的每一个可以通过金-锡焊料、Au-Au-热压结合、环氧树脂、银环氧树脂、烧结银界面材料或热粘合剂中的一种或多种来接合。底座可以由硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅、氧化铍、金刚石、铜钨合金或氮化铝中的一种或多种构成或包括硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅、氧化铍、金刚石、铜钨合金或氮化铝中的一种或多种。散热器901可以由铜和铝中的一种或多种构成或包括铜和铝中的一种或多种。
图19A至图19D所示的边缘光耦合几何形状具有多个优点，包括由于从光纤1001接收的光的高入射角，从器件的前表面和后表面实现高光学反射率简单且容易。然而，这些几何形状也可能具有一些缺点，这些缺点在下文描述的替代几何形状中得到解决。例如，在不结合聚焦光学器件的情况下，如果器件比光纤的直径更厚，或者至少比纤芯的直径更厚，则光耦合在边缘耦合几何结构的情况下可能是最有效的。由于GaN、蓝宝石以及其他衬底的厚度通常为300微米量级，这对某些光纤来说可能是一个挑战。例如，在某些实施方式中，光纤1001可以是单模光纤，纤芯的直径低于约15微米。然而，在对于从一个或多个激光二极管传输的功率高于1瓦、高于2瓦、高于5瓦、高于10瓦、高于20瓦或高于50瓦的高功率应用可能是有用的其他实施方式中，光纤1001可以是多模光纤，其纤芯直径介于约25微米与约500微米之间、介于约40微米与约300微米之间或介于约50微米与约200微米之间。在又一些实施方式中，光纤1001实际上是光纤束或光束纤维束，其总直径介于约100微米与约5毫米之间，或介于约200微米与约2毫米之间，或介于约250微米与约1毫米之间。第二个挑战是，光纤和器件之间可能需要非常精确的对准，以确保将所期望部分的光辐射传递到光电二极管管芯1002。第三个挑战是，由于在初始阶段穿过吸收体层或有源区的光的强度高，光电二极管内的某些位置可能会产生高密度的电子和空穴载流子，从而导致吸收体层内的载流子浓度高，并且可能导致显著的非辐射俄歇复合过程，产生效率损失。有源区通常将包括吸收体层，其可以包括具有不同组成和/或材料特性的一个或多个层。
在某些实施方式中，如图19E中示意性地图示的，光从定向为大致垂直于管芯表面(即Z方向)的光纤传输到镜子1005的表面并同时进入一个、两个、三个、四个或更多个管芯的边缘。这种几何形状可能有利于增强光耦合并对光纤耦合夹具利用成熟的商业供应链。
图19A、图19B、图19C以及图19D所示的侧入射管芯的几何形状具有相对简单和易于制造的优点。然而，在这些实施方式中，如果衬底保持在大于光纤或纤维束的厚度，例如，约100微米、200微米、300微米或500微米，则可能是有益的。此外，由传递到侧入射管芯几何配置中的光辐射的定向(如图19A至图19D所示)产生的相对较长的路径长度将需要在由衬底构成透光构件的实施方式中使衬底的光吸收系数最小化。在某些实施方式中，如图27A和图27B所示，光耦合到固定到第一透光构件(例如，衬底101)的第二透光构件2101中，或者在一些实施方式中，直接固定到边缘反射器层905，以实现光通过器件高效横向散布。在这些实施方式中，除了衬底101之外，光腔区还可以包括第二透光构件2101，衬底101是器件腔区的主要部件。在某些实施方式中，诸如，在图14B所示的实施方式中，衬底101已经被移除，并且第二透光构件2101可以直接光耦合到半导体层915。第二透光构件可以由SiO2或Al2O3等构成或包括SiO2或Al2O3等。在某些实施方式中，可以在第二透光构件中利用全内反射。在某些实施方式中，包括电介质层和金属层的反射结构可以设置在一个或多个第二透光构件表面上，以增强内反射。在一些实施方式中，第二透光构件和III-N族衬底之间的界面被粗糙化或图案化，RMS高度变化介于30纳米与100微米之间，或介于50纳米与10微米之间。在一些实施方式中，第二透光构件上的一个或多个表面被粗糙化。在一些实施方式中，第二透光构件上的一个或多个表面被粗糙化。在一些实施方式中，电介质抗反射涂层沉积在III-N族表面上。在某些实施方式中，第二透光构件2101被选取为比在组件中耦合到它的光纤的直径更厚。
图20A至图20E示出了设计成用于靠近拐角或边缘的顶部或底部照明的封装光电二极管的光电二极管管芯1002的侧视图、横截面图以及平面图的简化示意图。图20E包括剖切线，这些剖切线图示了图20A至图20D所示视图的观察位置。边缘钝化、抗反射窗口涂层1111、边缘反射层905等与结合图19A至图19E描述的那些相似，只是到光电二极管管芯的光学窗口(或入射孔径)的位置不同。然而，在某些实施方式中，衬底的背面连同反射性n型电触点被成形为使得通过具有抗反射涂层1111的光学窗口1119入射到管芯中的光以不同的角度反射回来，使光经由与反射p型和n型层的后续反射而通过管芯横向散布。在某些实施方式中，光学窗口1119的定向平行于管芯的顶面或底面。在其他实施方式中，1119光学窗口具有不平行于管芯的顶部或底部表面的外部定向，例如，以使在以非垂直入射角耦合到光纤时的光学损耗最小化。
在某些实施方式中，与衬底或透光构件接触的反射构件2020(图20C)使光在器件腔区内的传播方向改变超过约30度、超过约45度或超过约60度。在一些实施方式中，反射构件2020使进入器件腔区的光的第一反射的传播方向改变介于约40度与约140度之间。这些实施方式可以实现与直径大于衬底厚度的光纤的高效耦合，并且还可以有利于光耦合的稳健性和稳定性或对光纤耦合夹具利用成熟的商业供应链。
图21A和图21B分别是从光纤到类似于图20A至图20E所示配置的顶部/边缘-照明光电二极管管芯的光路的横截面图和平面图的示意图。光纤以相对于光电二极管管芯的表面法线成角度γ的方式耦接到具有抗反射涂层1111的光学窗口(参见图21A)。在某些实施方式中，γ的值被选取为介于0度与约60度之间、介于0度与约40度之间、介于0度与约20度之间或介于0与约5度之间或甚至介于0.1度与5度之间。角度γ与0度的偏差导致进入光电二极管管芯的光经过来自反射性p型触点和反射性n型触点的多次反射。然而，在这种情况下，由于与光学窗口(或入射孔径)1119(图20E以及图21A和图21B)相对的反射器(例如，图21A中的n侧反射电触点114层)中的一个或多个非平面特征形成在p侧反射电触点113中，因此，光在远离入射孔径1119的各个横向方向上反射(图21B)。在某些实施方式中，可以在边缘镜中利用全内反射。
图22A至图22E示出了用于封装光电二极管的光电二极管管芯的侧视图、横截面图以及平面图的简化示意图，封装光电二极管被设计成用于在管芯的中心或中间位置进行顶部或底部照明。边缘钝化、抗反射涂层、边缘反射层等与结合图18A至图18E描述的那些类似，只是光电二极管管芯的光学窗口或入射孔径的位置不同。然而，在某些实施方式中，衬底的背面(例如，散热器901侧)连同n侧反射电触点114被成形为使得通过具有抗反射涂层1111的光学窗口(即，入射孔径1119)入射到管芯中的光以不同的角度反射回来，导致光通过随后的反射p型层和n型层的反射通过管芯横向散布。在某些实施方式中，反射性n型电触点114中形成有锥形或棱锥特征，使得从入射孔径入射的光在远离入射孔径1119的多个方向上横向反射。
图22A至图22E所示的顶部(或底部)-入射管芯几何形状可能需要比上面讨论的边缘入射设计(例如，图2、图13D、图14B、图17、图19A等)的制造稍微复杂一些的制造。例如，非平面特征必须在沉积半导体和反射性p型接触层之前或之后以及沉积反射性n型层之前放置在衬底中或形成在衬底上。可以通过光刻、激光烧蚀、研磨、湿蚀刻以及干蚀刻中的至少一种来形成非平面特征(例如，半球形、金字塔形或圆锥形)。激光、研磨或干蚀刻工艺造成的残留表面损伤可以通过湿蚀刻去除。在某些实施方式中，在形成非平面特征之前将衬底减薄到，例如，低于300微米、低于200微米、低于100微米、低于50微米或低于25微米的厚度。可以通过精研、研磨、抛光、化学机械抛光、干蚀刻以及湿蚀刻中的至少一种来执行衬底减薄。在某些实施方式中，衬底101从器件中完全移除。
图18A至图22E示出了具有主要呈矩形或正方形的外缘的管芯。在其他实施方式中，管芯具有三角形、梯形或六边形外缘。在又一些实施方式中，管芯边缘的至少一部分是弯曲的，例如，沿圆形或椭圆形轮廓弯曲。其他外缘也是可能的，并且在本发明的范围内。在某些实施方式中，作为顶部或底部表面的补充或代替顶部或底部表面，在其一个或多个边缘处制造与管芯的一个或多个电触点。
在某些实施方式中，在引入光电二极管之前，利用一个或多个光学部件使从光纤射出的光辐射沿至少一个维度散布。此类配置可能是有用的，例如，降低吸收体层中光辐射进入光电二极管附近的区域中的最大载流子浓度，降低非辐射俄歇复合的程度，以及提高光电二极管和光学系统的效率。
图31A至图31E是封装光电二极管的侧视图、横截面图以及俯视图和仰视图的简化示意图，封装光电二极管被设计成用于通过光波导3190的光耦合构件3187通过拐角或边缘进行侧面照明。图31A是沿图31C观察的剖切线所见的光耦合到光纤3180的封装光电二极管的侧视图。图31B是沿图31C所示的剖面线观察的封装光电二极管的侧视横截面图。图31C是沿图31A所示的剖切线观察的封装光电二极管的俯视图。图31D是沿图31A所示的剖切线观察的封装光电二极管的俯视横截面图。图31E是沿图31A所示的剖切线观察的封装光电二极管的仰视图。
参考图31A至图31E，在某些实施方式中，在预定波长处具有低光吸收系数的光波导3190或光管被光耦合到光纤3180和光电二极管封装的光电二极管管芯1002两者，使从光纤3180射出的光辐射在横向方向(即，Y方向)上散布，以使器件腔区1669内的光辐射强度均匀化，从而在给定的光功率下，比未使用光波导3190的比较设计具有更高的效率。
光纤3180可以包括纤芯3183和光纤包层3181，并且可以通过夹具(例如，图36的夹具3601)定位在封装光电二极管的光电二极管管芯1002的一个边缘附近，这是本领域已知的。光纤3180包括主轴线3183A，其是纤芯3181的中心轴线，并且在本文中通常被称为对从辐射发射端3182发射辐射的方向的参照物，在本文中通常被称为光纤3180的第一端。参考图31B，在一个实施例中，主轴线3183A平行于X轴。纤芯3183可以包括二氧化硅、玻璃或塑料或由二氧化硅、玻璃或塑料构成，并且光纤包层3181可以包括比纤芯3183的折射率低的折射率以通过全内反射来限制光辐射的电介质组合物(诸如，玻璃或塑料)或由具有比纤芯3183的折射率低的折射率以通过全内反射来限制光辐射的电介质组合物(诸如，玻璃或塑料)构成，这是本领域已知的。在光电二极管管芯1002的边缘的一个位置，边缘可以涂覆有抗反射光学窗口层911，而外缘的其余部分可以涂覆有边缘反射器层905。光电二极管管芯1002可以附接到下散热器901或上散热器909中的一个或多个。散热器可以包括包括铜、铝等中的至少一种的层和/或板或其他形状。光电二极管管芯1002可以通过Au/Sn共晶、Au/Ge共晶或类似接合层之一附接到散热器909。在优选实施方式中，光耦合构件3187在由光电二极管管芯1002的吸收体层吸收的辐射的一个或多个波长处是高度透明的。在某些实施方式中，光耦合构件3187由石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、高折射率玻璃、另一种玻璃组合物、蓝宝石、石英、氧化锌、MgAl2O4尖晶石、另一种结晶组合物、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或另一种聚合物组合物中的一种或多种构成，或包括石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、高折射率玻璃、另一种玻璃组合物、蓝宝石、石英、氧化锌、MgAl2O4尖晶石、另一种结晶组合物、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或另一种聚合物组合物中的一种或多种。在某些实施方式中，光耦合构件3187的一个或多个表面涂覆有反射涂层3185。反射涂层3185可以包括银、金、铂、镍、铝或诸如TiO2、Ta2O5、ZrO2、SiO2、SiOx、SiNx、Si3N4、SiOxNy、Al2O3或MgF2的电介质中的一种或多种。反射涂层3185在被吸收体层吸收的一个或多个波长下可以具有大于85％、大于90％、大于95％、大于98％或大于99％的预选波长的反射率。在一些实施方式中，辐射的一个或多个波长在介于400nm与550nm之间的区域内。入射孔径3189和光耦合构件3187的面向光电二极管管芯的一侧中的一者或多者可以涂覆有抗反射涂层。抗反射涂层可以包括选自MgF2、SiO2、Al2O3、HfO2、LaTiO3、Si3N4或TiO2的材料，并且可以通过电子束沉积、溅射或其他合适的沉积技术来沉积。
参考图31A和图31B，由光纤3180提供的光辐射耦合到光电二极管管芯1002的器件腔区1669中(图31B)，在垂直于光电二极管的半导体层的Z方向上没有显著散布，角度由光耦合构件3187的几何形状确定，并且被选取为能够实现来自反射层的高反射率并且多次穿过吸收体层以实现高效的光吸收。如本文所讨论的，器件腔区1669将包括有源区，有源区包括一个或多个半导体层915，诸如，非吸收体、吸收体以及p型接触半导体层中的一者或多者，以及衬底101。参考图31C和图31D，从光纤3180耦合的光辐射耦合到光电二极管管芯1002的器件腔区1669中，在平行于光电二极管管芯1002的半导体层915的边缘的方向(即，Y方向)上有显著散布，角度由光耦合构件3187的几何形状和形状确定，并且被选取为能够在横向维度上显著散布，使靠近入射孔径3189的吸收体层的区域中的载流子浓度降低，以及转换效率提高。
在替代实施方式中，入射孔径3189被选取为垂直凸出(即，在Z方向(未示出)上)，以准直，以使光辐射在垂直方向上准直或轻微聚焦，并且在横向方向(即Y方向(未示出))上凹入，以使光辐射更快地横向散布。在某些实施方式中，向光纤3180的辐射发射端3182添加曲率，以改变发射辐射的角分布。在某些实施方式中，光耦合构件3187和/或光电二极管管芯1002在X-Y平面中呈非矩形。在某些实施方式中，光耦合构件3187和/或光电二极管管芯1002的边缘是非线性的。最佳设计将取决于光电二极管参数，诸如，衬底吸收系数、衬底折射率、有源区有效吸收系数和厚度、n和p触点反射率、边缘反射率等。用于光耦合构件3187的材料可以被选取为与器件腔区1669的折射率紧密匹配，在这种情况下，可能不需要在光学窗口912上方设置抗反射光学窗口层911。
在另一组实施方式中，如图32示意性地所示，光辐射通过积分球3293从纤芯3183耦合到光电二极管管芯1002中。光辐射可以通过入射孔径3189进入积分球3293的腔室3291，并且可以照射到设置在器件腔区1669的入口处的光学窗口912的抗反射光学窗口层911上。在某些实施方式中，积分球3293的形状是球体、椭圆体、抛物面或其他非球体形状的截面。来自器件腔区1669的光辐射可以穿过半导体层915和衬底101(若存在的话)，从p侧反射电触点113反射，离开器件腔区1669，并照射到积分球3293的内表面3294上。在某些实施方式中，由于涂层、表面纹理、表面特征或其他光分布特征的结合，积分球3293的内表面3294上的反射是漫反射。在某些实施方式中，积分球3293的内表面3294涂覆有漫反射器，其可以包括二氧化钛(TiO2)或由二氧化钛(TiO2)构成。在某些实施方式中，衬底101被移除，例如，如图14B中示意性地图示的。在一些实施方式(诸如，图32中示意性地图示的实施方式)中，光腔区涵括器件腔区1669和腔室3291两者。
在某些实施方式中，入射孔径3189和积分球3293的几何形状被选取为使得进入腔室3291的光在照射到抗反射光学窗口层911上之前可以经过来自积分球3293的内表面3294的反射。在某些实施方式中，孔径3189包括透明窗口或由透明窗口构成，透明窗口可以包含抗反射涂层(未示出)。在某些实施方式中，腔室3291填充有透明液体或气体而非空气。在某些实施方式中，透明液体或气体包括硅树脂、环氧树脂、全氟化化合物以及聚合物中的一种或多种或由硅树脂、环氧树脂、全氟化化合物以及聚合物中的一种或多种构成。在某些实施方式中，腔室3291保持在亚大气压下，以避免光辐射的散射。在某些实施方式中，光电二极管是倒装芯片并且通过n型触点1614进行n侧电连接，如图17A和图17B中更详细地示意性地图示的。
在另一组实施方式中，从光纤提供的一个或多个波长下的光辐射通过n侧电触点(诸如，图33A至图33I中示意性地示出的n侧反射电触点3317)中的透明开口耦合。图33A至图33I是封装光电二极管的简化侧视图，封装光电二极管被设计成用于通过包括n侧反射电触点的光电二极管管芯1002的表面进行照明。参考图33A，在某些实施方式中，光电二极管管芯1002的器件腔区1669由衬底101和半导体层915构成或包括衬底101和半导体层915。如下所述，光腔区3301可以包括器件腔区1669。在一些实施方式中，诸如，图13C和图14B中示意性地所示，衬底101已经被移除并且器件腔区1669可以包括半导体层915，诸如，p型层111、第二非吸收体层109、吸收体层105以及n型非吸收体层103，它们接合到p型反射触点113或p侧反射层1315但可以不包括单独的透光构件(图14B)。光电二极管管芯1002可以包括设置在光电二极管管芯1002的表面上的n侧反射电触点3317和电介质层3319。在优选实施方式中，n侧反射电触点3317具有网格结构，在平行于光电二极管管芯1002的包括n侧电触点的一侧的平面(例如，X-Y平面)内，其开口面积大于50％、大于75％、大于80％、大于90％或大于95％，并且具有高度反射性。在n侧反射电触点3317中形成的开口可以填充有电介质层3319，电介质层3319可以由抗反射涂层构成或包括抗反射涂层。光耦合构件3187可以具有覆盖其大部分外围的反射涂层3185，在入射孔径3189和出射孔径3388上具有抗反射涂层。光耦合构件3187可以具有圆锥形、四角锥体、矩形锥体、三角锥体、六角锥体、立方体、矩形棱柱、球形、椭圆体、抛物面或其他类似形状。来自光纤芯3183的光辐射可以通过光纤耦合透镜3390聚焦到光耦合构件3187的入射孔径上。光纤耦合透镜3390的一个或两个大面积表面可以覆盖有抗反射涂层3391(例如，MgF2)。在某些实施方式中，抗反射涂层3392存在于纤芯3183的发射端上。在图33A所述的实施方式中，光耦合构件3187用作光腔区3301的一部分，光腔区3301包括器件腔区1669，其中通过入射孔径3189入射的光辐射在吸收体层107内被光吸收时经过多次反射，并且光辐射可以多次穿过电介质层3319和出射孔径3388。类似地，在吸收体层107内发射的光辐射(例如，发光的光线)(也就是说，在吸收体层107内电子和空穴以辐射方式复合，而不是被p侧反射电触点113和n侧反射电触点3317分离和收集)在被吸收体层107重新吸收之前可以在光腔内经过多次反射(所谓的光子循环)。使用光纤耦合透镜3390使得来自光纤芯3183的光辐射能够聚焦到小于纤芯的横截面积的区域上，使得入射孔径3189能够相对较小并且使通过入射孔径3189向外反射或发光的光辐射的损失最小化。当光纤耦合透镜和焦平面之间的介质的折射率为1时，相对于纤芯的面积，聚焦面积可以减少多达NA-2倍，其中NA是光纤的数值孔径。
可以采用这种方法的变型，其中光辐射通过n侧反射电触点3317而不是通过器件的边缘或顶部上的光学窗口912、1119耦合到光电二极管管芯1002中。例如，透明的折射率匹配的粘合剂3394可以设置在光耦合构件3187与n侧反射电触点3317和电介质层3319之间，如图33B至图33E中示意性地所示。光纤耦合透镜3390可以设置在光纤芯3183的端部，而不是作为分立元件，如图33C中示意性地所示。光纤耦合透镜3390可以省略，如图33D和图33E示意性地所示。光辐射可以通过透明的折射率匹配的粘合剂3394从光纤芯3183进入入射孔径3189，如图33D中示意性地所示，或通过纤芯3183端部上的抗反射涂层3392从光纤芯3183进入入射孔径3189，如图33E中示意性地所示。在替代实施方式中，光辐射可以通过p侧反射电触点中的开口而不是通过n侧反射电触点中的开口耦合到光电二极管管芯1002中。
如图33F至图33I中示意性地所示，光辐射可以耦合到n侧反射电触点114中的光电二极管入射孔径3396中，而不是如图33A至图33E中那样通过n侧反射电触点3317中的许多开口将来自光纤3180的光辐射耦合到相对较大的区域中。光电二极管入射孔径3396可以涂覆有抗反射层(未示出)，类似于上文在图18A至图22E的讨论中描述的光学窗口912的抗反射光学窗口层911。在这些实施方式中，光腔区3301涵括器件腔区1669，但不涵括外部集成光腔。在此实施方式的优选版本中，如上所述，器件腔区1669包括衬底或透光构件中的至少一者。来自光纤芯3183的光辐射可以通过光纤耦合透镜3390聚焦到光电二极管入射孔径3396上，光纤耦合透镜3390或者作为独立元件(图33F)或者耦接到光纤芯3183的端部(图33G)。或者，来自光纤芯3183的光辐射可以通过光纤芯3183端部的抗反射涂层3392(图33H)或通过透明的折射率匹配的粘合剂3394(图33I)直接耦合到入射孔径3396。在某些实施方式中，光电二极管管芯1002边缘上的光学窗口或光电二极管入射孔径的面积介于光电二极管管芯1002边缘面积的约1％与约20％之间，或约2％与约10％之间。
在又一组实施方式中，使用附加的光学元件，光辐射从光纤3180耦合到光电二极管管芯1002的边缘上的光学窗口912，如图34A至图34I示意性地所示。在本文所公开的一个或多个实施方式中，光学窗口912的面积可以介于光电二极管管芯1002边缘的表面积的大约百分之一与大约百分之二十之间。在一个或多个替代实施方式中，光学窗口912的面积可以大于光电二极管管芯1002的边缘或侧面的表面积的20％，诸如，大于50％，或介于50％与100％之间，或者甚至介于80％与99.9％之间。图34A至图34I是为通过光电二极管管芯1002的边缘照明而设计的封装光电二极管的简化侧视横截面图。参考图34A，器件腔区1669包括衬底或透光构件3401和半导体层915(未示出)，类似于图31A至图31E。光电二极管管芯1002可以包括n侧反射电触点114和p侧反射电触点113。光耦合构件3187可以具有覆盖其大部分外围的反射涂层3185，在入射孔径3189和出射孔径3388上具有抗反射涂层。光耦合构件3187可以具有圆锥形、四角锥体、矩形锥体、三角锥体、六角锥体、立方体、矩形棱柱、球形、椭圆体、抛物面或其他类似形状。来自光纤芯3183的光辐射可以通过光纤耦合透镜3390聚焦到光耦合构件3187的入射孔径3189上，然后通过光学窗口912进入透光构件3401，光学窗口912可以包括抗反射光学窗口层911。光纤耦合透镜3390的一个或两个大面积表面可以覆盖有抗反射涂层3391。在某些实施方式中，抗反射涂层3392存在于纤芯3183的辐射发射端上。在图34A所述的实施方式中，光耦合构件3187与衬底或器件腔区1669一起用作光腔区3301的一部分，其中通过入射孔径3189入射的光辐射在吸收体层107(未示出)内被光吸收时经过多次反射。类似地，在吸收体层107内发射的光辐射，也就是说，电子和空穴以辐射方式复合而不是被p侧反射电触点113和n侧反射电触点114分离和收集，在被吸收体层107重新吸收(所谓的光子循环)之前可能会在光腔区内经过多次反射。使用光纤耦合透镜3390使得来自光纤芯3183的光辐射能够聚焦到一个小区域上，从而使入射孔径3189相对较小，并且使通过入射孔径3189向外反射的光辐射的损失最小化。
可以采用这种方法的变型，其中光辐射通过光电二极管管芯1002边缘上的光学窗口912耦合到光电二极管管芯1002中。例如，可以在光耦合构件3187和光学窗口912之间提供透明的折射率匹配的粘合剂3394，如图34B至图34E中示意性地所示。光纤耦合透镜3390可以设置在光纤芯3183的端部，而不是作为分立元件，如图34C中示意性地所示。光纤耦合透镜3390可以省略，如图34D和图34E示意性地所示。光辐射可以通过透明的折射率匹配的粘合剂3394从光纤芯3183进入入射孔径3189，如图34D中示意性所示，或通过纤芯3183端部上的抗反射涂层3392从光纤芯3183进入入射孔径3189，如图34E中示意性地所示。
如图34F至图34I中示意性地所示，光辐射可以耦合到光电二极管入射孔径3396中，而不是如图34A至图34E中那样在光电二极管管芯1002的边缘将来自光纤3180的光辐射耦合到相对较大的区域中。在一些配置中，光电二极管管芯1002的边缘将包括由边缘反射器层905包围的光电二极管入射孔径3396。光电二极管入射孔径3396可以涂覆有抗反射层(未示出)，类似于上文在图18A至图22E的讨论中描述的光学窗口912的抗反射光学窗口层911。在这些实施方式中，光腔区3301涵括器件腔区1669，但不涵括外部集成光腔。在此实施方式的优选版本中，如上所述，器件腔区1669包括衬底或透光构件中的至少一者。在此实施方式的替代版本中，如图27A和图27B所示，光腔区3301涵括第二透光构件2101，且可能或可能不包括衬底101或第一透光构件。来自光纤芯3183的光辐射可以通过光纤耦合透镜3390聚焦到光电二极管入射孔径3396上，光纤耦合透镜3390或者作为独立元件(图34F)或者耦接到光纤芯3183的端部(图34G)。或者，来自光纤芯3183的光辐射可以通过光纤芯3183端部的抗反射涂层3392(图34H)或通过透明的折射率匹配的粘合剂3394(图34I)直接耦合到入射孔径3396。
在某些实施方式中，需要可以将来自光纤的一些但不是全部的入射光辐射能量转换为电功率的封装光电二极管。被设计成用于仅提取由激光二极管或光纤2401产生的入射光辐射能量的一部分的光电二极管组件2301的示意性横截面在图23A中示出。在某些实施方式中，如图23A所示，光电二极管组件2301包括反射边缘层1404，但是光辐射从光纤通过p型触点1111、半导体层915、通过透光构件(例如，衬底101)耦合到光学二极管管芯的顶部(或在一些替代配置中，为底部)中，并通过输出光学窗口1412耦合到另一个相邻定位且类似配置的光纤(未示出)中。多个这样的光电二极管组件可以串联放置，诸如，垂直堆叠，如图23B所示。在一些实施方式中，串联的多个光电二极管组件具有大致相同的由吸收体层中的铟成分确定的峰值吸收波长。在替代实施方式中，光电二极管组件被配置为吸收不同波长的光辐射，例如，通过改变相应吸收体层中的铟成分来吸收不同波长的光辐射。
如上所述，在可见光波长下工作的氮化物基封装光电二极管预计比在红外线下工作的砷化物基封装光电二极管具有某些优势。图26示出了作为包括基于氮化物和基于砷化物的封装光电二极管的能量的带隙能量的函数的比较效率的示意图。使用Shockley和Queisser描述的方法[应用物理学杂志32,510(1961)]，假设功率封装光电二极管在输入光子能量略高于带隙、100％光吸收以及100％外部量子效率的非简并条件下运行的细致平衡限制下计算效率。为简单起见，假设输入功率为0.1W且假设光学窗口的面积为10-5m2，但对于这些参数的大范围值，预计会产生类似的结果。在某些实施方式中，封装光电二极管将在近室温下使用。如图26所示，在300开尔文(室温)的温度下，在880纳米波长下工作的GaAs光电二极管的理论限制效率为78.2％，而在450纳米波长下工作的InGaN光电二极管的理论限制效率为86.5％。由于普朗克分布的性质和形状，与GaAs相比，InGaN的更高带隙会产生更高的效率。然而，在某些实施方式中，光电二极管将在升高的温度(例如，400开氏度、500开氏度或600开氏度，或者甚至更高的温度)下使用。在400开氏温度下，在880纳米波长下工作的GaAs光电二极管的理论限制效率为71.2％，而在450纳米波长下工作的InGaN光电二极管的理论限制效率为82.0％。尽管在较高温度下效率的绝对值较低，但InGaN光电二极管相对于GaAs光电二极管的相对效率优势从+10％提高至+15％。在500开氏度的温度下，在880纳米波长下工作的GaAs光电二极管的理论限制效率为64.2％，而在450纳米波长下工作的InGaN光电二极管的理论限制效率为77.6％。尽管效率的绝对值较低，但InGaN光电二极管相对于GaAs光电二极管的相对效率优势已进一步提高至+21％。在600开氏温度下，在880纳米波长下工作的GaAs光电二极管的理论限制效率为57.4％，而在450纳米波长下工作的InGaN光电二极管的理论限制效率为73.2％。尽管效率的绝对值较低，但InGaN光电二极管相对于GaAs光电二极管的相对效率优势已进一步提高至+28％。
至少一个封装的基于氮化物的功率光电二极管可以结合到光纤供电模块中。光纤供电模块包括至少一个激光二极管2401和耦接到至少一个激光二极管2401以及还耦接到至少一个光电二极管2403的至少一段光纤2402，如图24A至图24C中示意性地所示。在一些实施方式中，光纤2402包括光纤束。在某些实施方式中，光纤供电模块仅包括一个激光二极管2401、一根光纤2402以及一个光电二极管2403(图24A)。在某些实施方式中，一个或多个分支存在于光纤2402(或光纤束)中，其中不同的光纤段耦接到不同的光电二极管2403(图24B)。在某些实施方式中，光纤供电模块包括一个或多个光学分配器件2404，其中每个光学分配器件2404能够将受控部分的光功率传输到至少两个输出光纤分支(图24C)。在一些实施方式中，光学分配器件2404包括一个或多个检流计镜、一个或多个微扫描镜、一个或多个聚焦透镜以及一个或多个光束分离器中的至少一者或由一个或多个检流计镜、一个或多个微扫描镜、一个或多个聚焦透镜以及一个或多个光束分离器中的至少一者构成。
在某些实施方式中，光纤供电模块被设计成简单地以光学方式传输功率。在其他实施方式中，如图25A至图25D中示意性地所示，光纤供电模块被设计成用于传输功率和信号。例如，可以通过以一个或多个频率调制激光二极管2401的幅度来将信号叠加在光功率上。在一些实施方式中，控制模块被配置为以至少一个受控AC频率调制激光二极管的发射功率，并且在至少一个受控频率下将光电二极管信号分离成DC功率分量和AC信号分量。调制后的激光二极管功率和光电二极管功率的调制后AC分量的幅度可以小于对应的DC分量的10％、1％或0.1％。第一光电二极管被配置为将DC功率分量转换为电功率，可以进一步被配置为以至少一个受控频率检测AC信号分量。在一些实施方式中，提供了单独的信号光电检测器装置，其中单独的信号光电检测器装置被配置为以至少一个受控频率检测AC信号分量。
然后，耦接到光电二极管的放大器系统在一个或多个频率下提取一个或多个信号。在某些实施方式中，光纤供电模块包括至少两个激光二极管2401和2405以及至少两个光电二极管2403和2404，并且被配置为能够在至少两个不同方向上进行信号通信(图25C)。在某些实施方式中，以音频频率来调制信号，并且输出被耦合到音频装置，诸如，耳机或扬声器。在某些实施方式中，以音频频率来调制AC信号分量，并且模块被耦接到耳机或音频扬声器。在某些实施方式中，以千赫、兆赫或千兆赫频率来调制信号(图25D)。
在某些实施方式中，使用同样将光功率转换为电功率的相同的基于GaN的光电二极管器件来检测调制后的信号。在替代实施方式中，使用单独的信号光电检测器装置将调制后的光信号的一部分转换成调制后的电信号。在某些实施方式中，单独的信号光电探测器装置选自GaN基光电二极管、Si基光电二极管、雪崩光电二极管、InGaAs基光电二极管以及InP基光电二极管。在某些实施方式中，单独的信号光电检测器装置是边缘耦合的或包含谐振腔区或折射面。在某些实施方式中，单独的信号光电检测器装置具有至少1MHz、至少10MHz、至少100MHz、至少1GHz、至少10GHz、至少25GHz或至少100GHz的带宽。在某些实施方式中，单独的信号光电检测器装置安装到GaN基光电二极管从其接收DC光功率的相同光腔区并接收来自此光腔区的调制后的光信号。在某些实施方式中，单独的信号光电检测器装置从连接到与GaN基功率光电二极管相同的网络的光纤接收信号。在某些实施方式中，单独的信号光电检测器装置与GaN基功率光电二极管光解耦，使得来自后者的杂散光发射不会降低前者的带宽。在某些实施方式中，来自光纤的一小部分光辐射被路由到单独的光电检测器装置，而剩余的大部分光辐射被路由到GaN基功率光电二极管。
图35A至图35F是示出根据本公开的实施方式的耦接到光纤的封装光电二极管和单独的信号光电检测器装置3595的侧视横截面图的简化图。在一些实施方式中，从光纤3180发射的光辐射在被光纤耦合透镜3390路由到光电二极管管芯1002进入光耦合构件3187的入射孔径3189之前从信号光电检测器装置3595反射，如图35A中示意性地示出。在某些实施方式中，信号光电检测器装置3595具有高反射率涂层3596，其仅允许一小部分入射光辐射进入信号光电检测器装置3595。在某些实施方式中，高反射率涂层3596的反射率大于90％，大于95％，大于97％或大于98％。在某些实施方式中，高反射率涂层3596包括金属(诸如，银)和电介质中的一者或多者。
在某些实施方式中，第二光纤耦合透镜3390用于将来自光纤3180的光辐射聚焦到信号光电检测器装置3595上(图35B)，从而能够使用信号光电检测器装置3595的小横向尺寸，这可以降低电容并增加后者的带宽。在某些实施方式中，信号光电检测器装置3595的横向尺寸小于1毫米、小于300微米、小于200微米、小于100微米或小于50微米。在某些实施方式中，信号光电检测器装置3595通过光耦合构件3187上的反射涂层3185中的孔径3598对光辐射进行采样，如图35C至图35F示意性地所示。在某些实施方式中，包含在光耦合构件3187内的小型内反射器3597将一部分光辐射反射向孔径3598。在某些实施方式中，内反射器3597包括金属(诸如，银)和电介质中的一者或多者。在某些实施方式中，内反射器3597包括在光耦合构件3187内的气泡或空隙。在某些实施方式中，内反射器3597的最大尺寸小于约2毫米、小于约1毫米、小于约500微米、小于约200微米、小于约100微米或小于约50微米。
在某些实施方式中，从光耦合构件3187出射的光辐射进入光电二极管管芯1002的边缘(图35C)。在其他实施方式中，从光耦合构件3187出射的光辐射通过n侧反射电触点3317中的开口进入光电二极管管芯1002(图35D至图35F)。在某些实施方式中，来自光纤3180的光辐射通过光纤耦合透镜3390聚焦到光耦合构件3187的入射孔径3189上(图35C至图35E)。在某些实施方式中，折射率匹配的粘合剂3394用于将光辐射从光耦合构件3187传输到光电二极管管芯1002(图35E、图35F)或从光纤3180传输到入射孔径3189(图35F)。
在某些实施方式中，光纤供电模块近室温运行，即在低于约400开氏度的温度下运行。在其他实施方式中，光纤供电模块在介于约400开尔文与约500开氏度之间、约500开氏度与约600开氏度之间或约600开氏度以上的温度下运行。
在某些实施方式中，光纤和光电二极管之间的光耦合可以是非刚性的或非接触的，从而使光功率能够容易地耦合到旋转的物体。
在某些实施方式中，来自光电二极管的电功率用于为物联网(IoT)传感器或致动器供电。在某些实施方式中，来自光电二极管的电功率用于为个人电子应用或个人电子装置供电。
在替代实施方式中，从光源(诸如，激光二极管)到光电二极管的光功率传输是在没有光纤的情况下完成的，例如，在太空中的卫星之间或在地面与机载无人机之间完成的。
在某些实施方式中，如图28示意性地所示，光纤供电模块与照明系统2407集成在一起。照明系统2407可以包括磷光体、散热器、用于使光的远场分布成形的反射或透射光学器件、传感器以及控制系统中的一者或多者。这种能力对于光源(例如，激光二极管)2401和基于氮化物半导体材料系统的光电二极管系统是可能的，但对于，例如，基于砷化物的系统，是不可能的。由光源(诸如，激光二极管2401)通过光纤2402注入的一部分光通过光电二极管2403转换为电功率，而其余的光输出耦合到另一根光纤2406并注入照明系统2407。在一些实施方式中，照明系统2407是灯具。在一些实施方式中，照明系统2407是汽车头灯。在一些实施方式中，灯具包含一种或多种磷光体，以转换来自光纤的一部分光，例如，具有400纳米至460纳米之间的一个或多个波长的光，以发射绿光、黄光和/或红光。在一些实施方式中，灯具发射接近太阳光谱的光。在一些实施方式中，灯具发射具有约2700开氏度、约3000开氏度、约4000开氏度或约6000开氏度的色温的光。在一些实施方式中，灯具发射具有约80、介于80与90之间、介于90与95之间或高于95的显色指数(CRI)的光。在一些实施方式中，灯具发射具有小于45度、小于30度、小于20度、小于10度、小于5度或小于3度的锥角的准直光。在某些实施方式中，来自光电二极管2403的电功率用于为灯具中的部件(诸如，传感器或无线通信装置)供电。在某些实施方式中，来自光电二极管2403的电功率用于为控制系统供电，控制系统改变照明系统的输出特性，诸如，色温、相对于其他颜色的强度的蓝光的强度、光的角分布等。
一个或多个光纤供电模块可以结合到光纤供电系统中。除了至少一个激光二极管光源、至少一个功率光电二极管以及至少一段光纤之外，光纤供电系统还可以包括以下一者或多者：控制系统、通向电源(诸如，电池)的电导线、交流发电机或市电AC或DC电源、围绕光纤的至少一部分的柔性护套、至少一个温度传感器、用于保持光纤供电模块的至少一个部件的相对于其中放置的结构的位置的至少一个线束构件、用于提供冷却的装置(诸如，风扇或流动的冷却液)，以及至少一个传感器。光纤供电系统可以放置在汽车内、汽车发动机内、卡车或卡车发动机内、公共汽车或公共汽车发动机内、机车内、飞机或飞机发动机内、直升机或直升机发动机内、房屋、公寓或住宅建筑内或商业建筑内。
在某些实施方式(诸如，汽车中或建筑物房间内的光纤供电系统)中，光纤的长度相对较短，介于约一厘米与约一米之间。在这种情况下，光纤内的光衰减可能不会限制性能，而其他因素(诸如，转弯半径和热稳定性)可能更重要。在其他实施方式(诸如，建筑物中的光纤供电系统，其中光功率从一个房间传输到另一个房间)中，光纤的长度可以介于一米与一百米之间。在这种情况下，光纤内的光衰减可能更重要，但转弯半径可能不太重要。在其他实施方式中，光纤的长度可以介于100米与1千米之间，或大于1千米。
与其他系统相比，光纤供电系统可以具有改进的可靠性。例如，相对于传统的线材供电系统，触点(光接触而非电接触)可能不太容易受到氧化或其他退降的影响，并且可以消除由电流产生的电传输噪声。相对于基于砷化物的系统，基于氮化物的系统可能具有更长的使用寿命，并且对高温偏移灵敏性更低。
如上所述，光在光电二极管的器件腔区内的主要横向传播使得沉积在相对较厚的衬底上的相对较薄的吸收体层能够吸收器件腔区内的大部分光。我们已经为器件腔区构建了一个光学吸收模型，这个模型考虑了衬底、非吸收体层、吸收体层以及顶部和底部反射触点内的吸收，以便量化光电二极管的各种设计参数之间的权衡。模型的输入包括衬底和吸收体层的吸收系数、折射率和厚度，以及顶部和底部反射触点的反射率。使用这些输入，可以将光吸收分数计算为相对于吸收体层平面的光传播角的函数。作为一个实施例，图29A和图29B示出了作为横向传播距离的函数的衬底、吸收体层、顶部p接触镜以及底部p接触镜中的累积光吸收，以及用于此计算的输入参数。对于图29A中所示的一组参数，15度的光传播角使吸收体层内的光吸收最大化。
实施例
通过参考以下比较例和示例性工艺实施例进一步图示由本公开提供的实施方式。对本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在不脱离本公开的范围的情况下实践对材料和方法的许多修改。
比较例1
作为比较点，+c面GaN上GaN管芯是从以大约405纳米发射并用作光电二极管的商用LED收获的。LED结构被认为包括在p型GaN层下面的AlGaN电子阻挡层以及包括InGaN阱层和GaN势垒层的多量子阱MQW结构。LED结构被认为既不包括高掺杂层，也不包括直接邻接MQW层的掺杂带隙减小的层。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被作为“LIV”曲线示出在图5中。根据实测结果，Voc被评价为2.74V，Eg＝3.06eV，Isc＝2.6A/cm2，eVoc/Eg＝0.89，并且FF＝46％。Voc和Isc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的器件设计。通过对比，在图5中示出具有相对高的填充因子的曲线以供比较。
比较例2
外延结构，包括含有浓度为2×1018cm-3的Si掺杂剂的500纳米n型掺杂GaN层，后面是含有浓度为4×1018cm-3的Si掺杂剂的100纳米n型掺杂GaN层，后面是无故意(unintentionally)掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为1×1019cm-3的Mg的90纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层，被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是无故意掺杂的并且由后面是4纳米In0.14Ga0.86N阱层和7纳米GaN势垒层的10个交替层的7纳米GaN层构成。所述结构由大约447纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被示出在图6中。根据实测结果，Voc被评价为2.32V，Eg＝2.77eV，Isc＝6.5×10-3A，eVoc/Eg＝0.84，并且FF＝33％。Voc和Isc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的器件设计。
比较例3
在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是含有浓度为2×1019cm-3的Si掺杂剂的30纳米n型掺杂GaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2×1019cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层。吸收体层是无故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.13Ga0.87N层构成。所述结构由大约435纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被示出在图11中。根据实测结果，Voc被评价为2.43V，Eg＝2.85eV，Isc＝0.013A，eVoc/Eg＝0.85，并且FF 38％。Voc和Isc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的器件设计。
比较例4
在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是含有浓度为5.0×1017cm-3的Si掺杂剂的100纳米n型掺杂GaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2×1020cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层。吸收体层是无故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.18Ga0.82N层构成。所述结构由大约473纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.62eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF45％。Voc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的设备设计。
实施例1
在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是含有浓度为3.0×1019cm-3的Si掺杂剂的30纳米n型掺杂GaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为3×1019cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层。吸收体层是无故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.13Ga0.87N层构成。所述结构由大约435纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.43V，Eg＝2.85eV，eVoc/Eg＝0.85，并且FF 85％。
实施例2
在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有平均浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是含有平均浓度为4.0×1019cm-3的Si的30mn型掺杂GaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2×1020cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层。吸收体层是无故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.18Ga0.82N层构成。所述结构由大约473纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.62eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 91％。
实施例3
在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有平均浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是含有平均浓度为5.0×1017cm-3的Si的100nm n型掺杂GaN层，后面是初始组成为GaN并且最终组成为大约In0.18Ga0.72N而且Si掺杂剂浓度为大约5.0×1017cm-3的大约6nm厚的组成渐变的InGaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2.0×1020cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层。吸收体层是无故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.18Ga0.82N层构成。所述结构由大约473纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.62eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 85％。
实施例4
在衬底表面法线在氮化物外延层的[0001]的5度内的蓝宝石衬底上生长外延结构，包括含有平均浓度为3.5×1018cm-3的Si掺杂剂的300纳米n型掺杂GaN层，后面是InGaN-GaN应变层超晶格(SLS)，后面是初始组成为大约In0.04Ga0.96N并且最终组成为大约In0.2Ga0.8N而且Si掺杂剂浓度为大约4×1017cm-3的大约6nm厚的组成渐变的InGaN层，后面是由3nm In0.2Ga0.8N阱和含有浓度为大约3×1017cm-3的Si掺杂剂的9nm GaN势垒层组成的9周期的多量子阱结构，后面是含有浓度为大约2×1020cm-3的Mg的100纳米p型掺杂层。吸收体层由9周期的多量子阱结构构成。所述结构由大约457纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录制作的器件的反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被示出在图12中。根据实测结果，Voc被评价为2.34V，Eg＝2.71eV，Isc＝0.0114A，eVoc/Eg＝0.86，并且FF 78％。Voc、Isc和FF的值被视为相对好的。由于由电探测n型金属触点的方法产生的串联电阻，实测FF是人为(artificially)低的。
实施例5
在从(000-1)朝向[10-10]错切了大约4度的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有平均浓度为1.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是由2nmIn0.18Ga0.82N阱和4nm GaN势垒层组成的无故意掺杂的20周期多量子阱结构，后面是含有浓度为大约2×1018cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层。吸收体层由9周期多量子阱结构构成。所述结构由大约470纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.63eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 88％。
实施例6
在结晶定向在(30-3-1)的0.1度内的块状GaN衬底上沉积外延结构，包括含有平均浓度为5.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂GaN层，后面是由2nm In0.18Ga0.82N阱和4nm GaN势垒层组成的无故意掺杂的20周期多量子阱结构，后面是含有浓度为大约1×1019cm-3的Mg的100纳米p型掺杂层。所述结构由大约470纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.63eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 88％。
虽然前文涉及本公开的实施方式，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计本公开的其他和另外的实施方式，并且本公开的范围由以下权利要求确定。
Claims (15)
1.一种光学组件，包括：
第一管芯，包括衬底和设置在第一非吸收体层和第二非吸收体层之间的一个或多个吸收体层，所述一个或多个吸收体层以及所述第一非吸收体层和第二非吸收体层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0 ≤ x、y、x+y ≤ 1，并且具有低于1010 cm-2的位错密度；
其中
所述一个或多个吸收体层各自具有在第一方向上测得的20 nm至500 nm的厚度，以及平行于第一平面并垂直于所述第一方向定向的吸收体层表面，
所述一个或多个吸收体层具有对应于400纳米与550纳米之间的波长的带隙，
所述衬底的厚度为在第一方向上测得的介于10微米与10毫米之间，并且
所述光学组件包含光腔区，所述光腔区具有光学窗口，所述光腔区包括：
器件腔区，所述器件腔区包括所述衬底、所述一个或多个吸收体层、第一非吸收体层和第二非吸收体层；以及
至少两个相对的反射构件，所述至少两个相对的反射构件被配置为使通过所述光学窗口进入的电磁辐射的内反射至少两次或更多次地穿过所述器件腔区；以及
夹具，被配置为将光纤的第一端定位为与所述第一管芯的光学窗口的表面有第一距离。
2. 根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光学窗口的面积小于所述一个或多个吸收体层的一个吸收体层的吸收体层表面的表面积的40%。
3. 根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，其中
所述光纤具有主轴线，且
所述光纤的主轴线与所述第一平面之间的角度α介于0度与50度之间。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，其中所述光纤的主轴线与垂直于所述第一平面的方向之间的角度γ介于0度与60度之间。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，其中所述光纤的主轴线与所述第一管芯的边缘的法线之间的角度β介于0度与60度之间。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，还包括镜子，所述镜子被配置为将来自光源的光辐射反射到所述光学窗口的表面中。
7.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，其中所述光腔区包括第一透光构件和第二透光构件，其中所述第二透光构件光耦合到所述第一透光构件。
8.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，还包括光耦合构件，其中所述光耦合构件被定位在所述光纤的第一端和所述光学窗口之间，并且被配置为使所述光辐射在平行于所述光学窗口的表面的方向上散布。
9.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，还包括积分球，所述积分球被配置为将从所述光纤的第一端接收的光辐射耦合到所述第一管芯的器件腔区中。
10.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，还包括光耦合构件，所述光耦合构件被定位在所述光纤的第一端和所述光学窗口之间，其中所述光学窗口包括具有开口的反射电触点，并且所述光耦合构件被配置为使光辐射在所述第一平面中的两个正交方向上散布。
11.根据权利要求10所述的光学组件，还包括被定位在所述光纤的第一端和所述光耦合构件之间的光纤耦合透镜。
12.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，其中所述器件腔区还包括n侧反射电触点和p侧反射电触点，并且所述光学窗口被定位在所述n侧反射电触点和所述p侧反射电触点之一内。
13.根据权利要求1和2中任一项所述的光学组件，其中所述光学窗口包括被配置用于接收所述电磁辐射并且定位在所述第一管芯的边缘上的表面，并且其中所述光学窗口的表面的面积介于所述第一管芯的边缘的面积的百分之一与百分之二十之间。
14.根据权利要求13所述的光学组件，还包括被定位在所述光纤的第一端和所述光学窗口之间的光纤耦合透镜。
15.一种光学组件，包括：
第一管芯，包括衬底和设置在第一非吸收体层和第二非吸收体层之间的一个或多个吸收体层，所述一个或多个吸收体层以及所述第一非吸收体层和第二非吸收体层中的每一个包含AlxInyGa1-x-yN，其中0 ≤ x、y、x+y ≤ 1，并且具有低于1010 cm-2的位错密度；
其中
所述一个或多个吸收体层各自具有在第一方向上测得的20 nm至500 nm的厚度，以及平行于第一平面并垂直于所述第一方向定向的吸收体层表面，
所述一个或多个吸收体层具有对应于400纳米与550纳米之间的波长的带隙，
所述衬底的厚度为在第一方向上测得的介于10微米与10毫米之间；并且
所述第一管芯具有器件腔区，所述器件腔区具有光学窗口，所述器件腔区包括：
所述衬底和至少两个相对的反射构件，所述至少两个相对的反射构件被配置为使通过所述光学窗口进入的电磁辐射的内反射至少两次或更多次地穿过一个或多个吸收体层；和
光学元件，被配置为接收来自光纤的光辐射并将接收到的光辐射传输到所述光学窗口的至少一部分。
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