TW200541112A - Semiconductor light emitting devices including in-plane light emitting layers - Google Patents

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James C Kim
John Epler
Nathan F Gardner
Michael R Krames
Jonathan J Wierer Jr
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Lumileds Lighting Llc
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Description

200541112 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於發射偏振光之半導體發光裝置。 【先前技術】 包括發光二極體（LED)、諧振腔發光二極體（RCLED)、垂 直共振腔面射型雷射二極體（VCSEL)、邊射型雷射之半導 體發光裝置為目前可購得之最有效之光源之一。在能通過 _ 跨越可見光譜而操作之高亮度發光裝置之製造中，目前受 到關注的材料系統包括第in·V族半導體，詳言之為鎵、鋁、 銦及氮之二元、三元及四元合金，亦被稱為Ιπ•氮化物材 料。通常，藉由在一藍寶石、碳化矽、ΙΙΙβ氮化物或其它適 合基板上藉由有機金屬化學氣相氣體沉積（M〇cvD)、分子 束磊晶法（ΜΒΕ)或其它磊晶技術磊晶地生長具有不同組合 物及摻雜濃度之半導體層之堆疊來製造ΙΠ-氮化物發光裝 置。该堆疊通常包括一或多個用（例如）矽摻雜之形成於該基 _ 板上之11型層、一形成於該或該等η型層上之發光或作用區 域及一或多個用（例如）!^§摻雜之形成於該作用區域上之ρ 型層。藉由發綠光二極體或短波雷射二極體之一類紫外線 使用InGaN/GaN或InGaN/InGaN應變量子井，以藉由自夾住 。亥等里子井之η及p型區域注入的電子及電洞之重組而產生 光。 在許多III-氮化物裝置中，晶體結構為具有兩個在量子井 之平面中的均等晶體轴線及一垂直於該量子井的第三晶體 轴線（轴線·1>}之纖鋅礦。自該等裝置發射之光被觀察 100259.doc 200541112 到不具有淨偏振，意謂在該等裝置之作用區域中之任何點 (原子、分子或電子電洞對）被觀察到發射具有及時隨機及非 吊迅速地（通常小於1 0奈米秒）改變之偏振方向的光，以使得 經較長時標觀察不到淨偏振。據說該等習知結構發射隨機 > 偏振光。 【發明内容】 根據本發明之實施例，一種半導體發光裝置包括一具有 Φ 纖鋅礦晶體結構之平面作用區域，被稱為平面偏光作用區 域，該纖鋅礦晶體結構具有一大致平行於該層之平面之 <οοοι>軸線。平面偏光作用區域可包括（例如）一 {115%或 {1〇1〇} InGaN發光層。發光偏振方向垂直於<〇〇〇1>軸線並 平打於量子井，因此大量所發射之光中處於單一線性偏振 狀態。在一些實施例中，一線栅接觸充當一經定向以透射 或反射具有自作用區域發射之大多數光之偏振的光之偏光 器。在一些實施例中，兩個發射相同或不同彩色光之作用 籲區域由一、經定向則吏具有由底部作用_發射之偏振的光 穿過並反射由頂部作用區域發射之交叉偏振光之偏光器分 離。在-些實施例中，一偏光器反射由一波長轉換層散射 之光。 【實施方式】 圖1說明了一種纖鋅礦晶體GaN結構。歸因於廣泛可講得 性及易於操作該等基板，通常將⑴·氮化物裝置生長於藍寶 石基板之{0001}5iu_平面上。所得之包括作用區域中之該 或該等發光層之耶氮化物層通常為{刚1}層，意謂〈剛〉 100259.doc .200541112 軸線垂直於III-氮化物層之平面。當從晶體之外部量測時， 由該等作用區域發射之光通常未圖示何種偏振較佳。 根據本發明之實施例，生長一丨丨仁氮化物發光裝置，使得 • 結晶<0001>方向大致平行於發光III-氮化物層之平面。由該 - 等裝置發射之光可為至少部分線性偏振的。具有平行於該 或該等層之平面之<0001>方向的裝置或晶體層在下文中被 稱為平面或"平面偏光”裝置或層，因為〇軸平行於裝置層 φ 之平面或在裝置層之平面中。在一些實施例中，一III-氮化 物裝置之作用區域中之該或該等發光層為四元合金 匕1)之 <1〇τ〇>或 <ll5〇>層。 可藉由在一平面生長基板上生長裝置層來製造具有平面 發光層之裝置。適於一平面作用區域生長之基板之實例包 括2H、4H、或6H多型體的Sic之{10T0}與{115〇}表面；藍寶 石之{10T2}表面；及_LiA102之{1〇〇}表面。在Sic基板之情 況下’所沉積之ΙΠ-氮化物膜之定向與該基板之定向匹配。 Φ 當使用有機金屬化學氣相磊晶技術時，沉積平面III-氮化物 層之製程類似於用於在<0001>siC基板上沉積<〇〇〇1>111_氮 化物層之製程。在高溫（〜11〇〇〇c)下，將AiGaN之緩衝層直 接沉積於SiC基板上。將一 QaN層沉積於八….緩衝層上。 將發光AlInGaN量子井沉積於GaN層上。 在一具有{10了2}表面之藍寶石基板之情況下，將所沉積之 III-氮化物膜定向於<11芝〇>方向中。當使用有機金屬化學氣 相蠢晶技術時，沉積平面ΠΙ-氮化物層之製程類似於用於在 一 <0001>藍寶石基板上沉積<0001>ΠΙ_氮化物層之製程。在 100259.doc 200541112 低溫（〜550°C)下，將III-氮化物緩衝層直接沉積於藍寶石基 板上。將一 GaN層沉積於ΙΠ•氮化物緩衝層上。將發光 AlInGaN量子井沉積於GaN層上。 在<100>Y-LiA102基板之情況下，將所沉積之m_氮化物 膜定向於<1〇Τ〇>方向中。用於藉由分子束磊晶法沉積平面 in-氮化物層之製程由以下步驟組成：在低溫（〜55〇t)下將
III-氮化物緩衝層直接沉積於該基板上，隨後在一更高溫度 下生長一GaN層。將發光AlInGaN量子井沉積於GaN層上。 本發明者製備生長於{l〇T〇}Sic與{1〇了2丨藍寶石上之山-氮 396 nm雷射激發該等測試 {l〇T〇}SiC裝置之光大於約 化物光致發光測試結構。當由一 結構以發射475 nm之光時，來自 燃偏振’且來自00 了2}藍寶石裝置之光為約8〇%偏振。當 該等測試結構被電激發時，來自〇〇了〇} Sic裝置之光為 70-80°/。偏振。百分比偏振被定義為： xlOO% 1心-人 . +/, 其中Ip與Is為垂直及水平偏振光之強度。本發明之實施例可 包括發射至少鄉偏振之光之裝置。未偏振之光由來自非 常大量之個別原子、分子、或電子電洞對之非常大量之光 子發射組成。每一光子將具有-隨機但衫之偏振方向， 且將以—非常高（可能大於i億每秒）之速率發射—串該等光 子二當遠大於^億秒之時標取樣時，對於未偏振之光 3二母:原子、分子或電子電洞對之偏振之總和將總計 寻於零。未偏振之光因此為〇%偏振。 100259.doc 200541112 下述之實施例㈣自平面發光層發射之線性偏振光。圖 2-5說明了將—平面作用區域與—偏光器組合之裝置，視相 對於具有由作用區域發射之光之偏振的偏光器之定向而 定，該裝置可充當一透明或反射電接觸。圖6及7說明了一 ，併入一平面作用區域之光子晶體裝置。圖8及10說明了併入 一平面作用區域之垂直共振腔面射型雷射及邊射型雷射。 圖9A及9B說明了包括一平面作用區域及一諸如散射表面 φ 或雙折射層的偏光偏移表面之裝置。 圖2及3為一包括一平面發光層及一偏光器的本發明之一 第一實施例之截面圖及平面圖。將平面作用區域4夾於η型 區域2及ρ型區域6之間。η型區域2、作用區域4、及ρ型區域 6中之每一個可包括具有不同組合物、摻雜濃度、及厚度之 多個層。作用區域4可包括多個由障壁層分離之量子井。反 射接觸8將磊晶區域2、4及6附著至主基板1〇。接觸8可包括 (例如）一歐姆接觸層、一諸如銀之反射層、一保護層、及用 鲁乂將《亥蠢aa t構黏合至該主基板之黏合層。藉由Η型區域2 自該裝置提取光。 偏光器12形成於η型區域2上。在圖2中說明之偏光器為一 線柵偏光裔。線柵偏光器反射具有平行於導線之偏振之光 子並透射具有垂直於導線的偏振之光子。偏光器12經定 向以透射具有由作用區域4發射之偏振之光子，並反射具有 任何相反偏振之光子。在線栅偏光器中之導線之週期性可 被最佳化以配合該裝置之發射波長，導致高反射效率。導 線之間距及厚度可視由該裝置發射之光之波長而定。導線 100259.doc •10· 200541112 可為在約10 nm與約1000 nm之間厚，且通常在約5〇 與約 80 nm之間厚。可使導線的間距在約10 nm與約1〇〇〇 之 間，且通常間距在約100 nm與約200 nm之間。導線可為（例 如）單或多層金屬結構，其包括（例如）歐姆層、一反射層、 -一保護層、及一黏合層中之一或多層。適當材料之實例包 括銀、鋁、金及姥。已展示在上述範圍内之尺寸之市售線 柵偏光器對具有在400-600 nm範圍内之波長之光具有偏振 _ 選擇性。可基於裝置之構造或藉由量測由該裝置發射之光 之偏振來選擇線栅偏光器之適當定向。 在圖2中說明之實施例中，線柵偏光器12充當對口型區域2 之接觸。可藉由形成電連接至線柵偏光器12且適於黏合至 (例如）一子基板或銲線（Wire Bond)的襯墊來完成接觸。使 用一經定向以使具有由作用區域發射之偏振之光穿過的偏 光器導致對由作用區域發射之光透明之接觸，由會減少裝 置之提取效率之接觸降低光之任何吸收。在一些實施例 _中了將諸如氧化銦錫之電流散佈層安置於半導體層（圖2 中之η型區域2)及偏光器之間。 在其它實施例中，一線栅偏光器可充當對ρ型區域6之接 觸。在該等實施例中，線栅偏光器允許在裝置中使用薄蟲 阳層。^例而言，區域2、4及6之總厚度可在約與約丨微 間厚。使磊晶結構變薄增強自該裝置之光提取。隨磊 =構之厚度減少，在Ρ型區域6中之電流散佈距離減少， 而要一覆蓋寬大區域之ρ接觸，或需要一近間隔栅格或指狀 Ρ接觸右ρ接觸吸收光，則在一薄裝置中所需要之寬大區 100259.doc 200541112 域或近間隔之指狀物可吸收非常大量之光，從而降低該裝 置之效率平面偏光作用區域及作為p接觸之線栅偏光器之 ‘ 使用導致具有一接觸之裝置，該接觸具有與足夠接近以提 供足夠電流至裝置之指狀物，但該接觸對由作用區域發射 一 之光透明。因此，平面作用區域可允許製造更薄之裝置而 不犧牲光提取。 藉由在一生長基板上生長磊晶區域2、4及6，沉積接觸8， φ 接著將該磊晶結構黏合至主基板10來製造圖2中說明之裝 置。可接著（例如）在藍寶石基板之情況下藉由雷射起離或在 SiC基板之情況下藉由蝕刻來移除生長基板。在生長基板移 除後，可使磊晶結構變薄至一所要厚度。在2〇〇4年3月19 曰申睛並以引用的方式倂入本文中之申請案序號第[代理 人案號LUM-03-05-01 ]號中更具體地描述藉由基板移除之 HI-氮化物裝置之製造。 在將來自主基板晶圓之晶粒單一化之前，偏光器12通常 _作為最終處理步驟而形成。可藉由以下方法形成一線拇偏 光為·將一金屬層沉積於晶圓上，接著藉由（例如）在金屬上 沉積一光阻層，接著藉由將其曝光至輻射而圖案化該光阻 來圖案化該金屬層，曝光係（例如）藉由經由一具有已在其上 形成之線栅偏光器圖案之光罩來照射短&光，使用來 自兩個雷射束之干擾圖案以將一具有變化的強度之光線的 陣歹Η又影至邊光阻上，或藉由用一電子束在該光阻上繪出 ^柵偏光☆圖案。-旦將光阻曝光，便將其顯影並沖洗， 導致光阻線留在金屬層上。作為光阻之—替代物，可用一 100259.doc 200541112 含有所要圖案之反轉圖案之主印模將線柵偏光器圖案轉印 入一聚合物層。由化學材料（濕式蝕刻）、反應性離子束 (RIE(反應性離子蝕刻））、一電漿增強反應性離子束、及一 1 電感耦合電漿（ICP)、或其它在此項技術中已知之適當技術 -來蝕刻經曝光之金屬層。接著可用化學方法自該晶圓去除 保留光阻或聚合物，從而導致在晶圓上之由間隔丨6分離的 均勻間隔的平行金屬線丨4之圖案，如圖3中說明。 0 圖4說明了包括一平面發光層及一偏光器之本發明之一 第二實施例。堆疊兩個磊晶結構3&及3b並由可充當磊晶結 構3a與3b之間的電接觸及黏合層之偏光器12將其分離。偏 光器12可為一線栅偏光器。兩個作用區域牦及仆發射具有 垂直偏振之光。由反射接觸8將底部磊晶結構3a黏合至主基 板10。藉由第二蠢晶結構3b之η型區域2b之頂部自該裝置提 取來自兩個作用區域之光。選擇偏光器12之結構及定向， 使得透射自底部作用區域4a發射之偏振光，同時反射自頂 φ 部作用區域作發射之偏振光。 光射線20、22、24及26演示了圖4之裝置之行為。作用區 域4a主要發射具有偏振p光子。作用區域朴主要發射具有偏 振s光子。偏光器12透射具有偏振p光子並反射具有偏振s光 子。光射線20由作用區域4a朝接觸8向下發射。光射線2〇由 接觸8反射，且其入射至偏光器12上。因為光射線2〇具有偏 振P ’所以其由偏光器12透射並經該裝置之頂部表面離開。 光射線22由作用區域4a朝偏光器12發射，因為其為p-偏振 的’所以由偏光器12透射，並經該裝置之頂部表面離開。 100259.doc 13 200541112 光射線24由作用區域4b朝偏光器12向下發射。因為光射線 24為s-偏振的，其由偏光器12反射並經該裝置之頂部表面 離開。由作用區域4b朝其離開之裝置之頂部表面發射光射 線26。因此偏光器12防止由頂部磊晶結構3b向下發射之光 •被底部磊晶結構3a吸收。因為由作用區域4a發射之光具有 垂直於由作用區域4b發射之光之偏振，所以作用區域仆將 不吸收來自作用區域4a通過磊晶結構3b通過之光。對於一 φ 給定之裝置佔據面積，圖4中說明之裝置可在一具有單作用 區域之裝置上提供增加之光輸出。在一些實施例中，兩個 作用區域4a及4b可發射不同波長之光。可選擇波長，使得 由該裝置發射之組合光呈白色。在一些實施例中，可自不 同材料系統形成兩個磊晶結構33及3b，從而增加可得到之 波長範圍。 可製造圖4中說明之裝置的方式為，在一生長基板上生長 η型區域2a、作用區域4a及p型區域6a，接著在p型區域6&之 _表面上形成接觸8，接觸8可包括（例如）歐姆接觸層、反射 層、障壁層、及黏合層。接著將磊晶結構3a黏合至主基板 1〇並移除生長基板。接著在藉由生長基板之移除而曝露之n 型區域2a之表面上形成偏光器12。偏光器12可充當磊晶結 構3a與磊晶結構补之間的電接觸及黏合層，或可在11型區^ 2a之表面上形成—分離金屬或高導電層，以充當蠢晶結構 3a” 3b之間的黏合層及電接觸。可自一諸如銀之適於黏合 之軟金屬來形成偏光器12。藉由在—生長基板上生長η型區 域2b、作用區域4b、及p型區域6b，接著將屋晶結構黏合至 100259.doc 14 200541112 偏光器12使得p型區域6b之表面面向偏光器12來形成第二 磊晶結構。接著可移除第二生長基板並在n型區域孔之曝露 表面上形成一第二接觸丨8。儘管圖4中說明之實施例展示了 ‘ 兩個以串聯之二極體，諸如兩個並聯之二極體之其它電配 、置係可能的。 圖5說明了包括一平面發光層及一偏光器之本發明之一 第三實施例。在一生長基板3〇上生長n型區域2、平面作用 φ 區域4、及卩型區域6。藉由蝕刻去作用區域4及p型區域6之 一部分以曝露η型區域2之一部分而將n&p接觸（未圖示）均 形成於與生長基板、11接觸相對之磊晶結構之側面上。自該 裝置經生長基板30提取光。在生長基板3〇之表面上形成一 例如線柵偏光器之偏光器12。構造偏光器12並使其經定向 以透射具有由作用區域4發射之偏振之光並反射具有相對 偏振之光。將波長轉換材料32安置於自該裝置發射之光之 路徑中。可（例如）藉由模板印刷或電泳沉積將波長轉換材料 籲32共形地沉積於基板3〇上，其安置於沉積於基板3〇上或塗 覆於在絲日日、、、σ構上开> 成透鏡或覆蓋片％之材料之表面上或 其内的填充材料中。 波長轉換材料32可為一諸如吸收由作用區域發射之光並 再發射不同波長之光的磷光質或染料之螢光材料。波長轉 換材料32向所有方向發光，意謂朝生長基板3 〇發射大部分 由波長轉換材料32發射之光。由波長轉換材料32發射之光 為非偏振的。因此，由波長轉換材料32朝基板30發射之光 刀的半將由偏光器12透射，且一半將被反射。相反， 100259.doc -15- 200541112 在習知之裝置中，朝該基板發射之光之大部分由生長基板 30或磊晶結構3吸收，從而降低裝置之提取效率。光射線36 說明了此活動。自作用區域6發射光36，其具有由偏光器12 透射之偏振。光36入射至波長轉換層32上，在其上，光36 作為非偏振、波長轉換之光被吸收並朝基板3 〇發射。當光
36入射至偏光器12上時，一部分朝波長轉換層32反射回 來，在波長轉換層32上，其具有另一離開該裝置之機會。 將一部分透射至生長基板30中，在生長基板3〇上，可其可 被吸收或反射，使得其具有另一離開該裝置之機會。 雖然在圖5中說明之裝置為一固定生長基板之覆晶裝 置，但包括一如圖2中說明的生長基板被移除的薄裝置之其 它類型之裝置可將一偏光器與一波長轉換層組合。 圖6為一包括一光子晶體及一平面作用區域之裝置之截 面圖。在磊晶結構3之η型區域2中藉由形成由臺面44分離之 孔42之晶格來創建光子晶體40。孔之晶格創建一具有一週 期調變介電常數之介質，影響光傳播遍佈介質之方式。發 光二極體之光子可以其光譜或分散關係為特徵，描述能量 與光子之波長之間的關係。可將該關係繪出，得到一由能 帶隙分離之能帶或光子帶組成之光子帶圖。雖然光子帶圖 類似於如在-電子帶圖中表現之在晶格中電子之光谱，但 光子帶圖與電子帶圖無關。當將光子晶體形成於⑴·氮化物 LED(發光二極體）中時’其影響光在該結構中如何傳播。因 此’若選擇適當晶格間隔’則否則會由全内反射截留於該 結構中之光現在可離開，從而增加LED之提取。又，替代 100259.doc 200541112 晶格可減少在㈣結構中之光子模式容積，增加㈣作用層 之輪射率或内部效率。 可在不以光子晶體為表面特徵之η型區域2之-區域上形 成η接觸46,雖然在其它實施例中，可在η型區域^光子晶 體區域上形成η接觸46。因為光子晶體形成於-η型區域 中，η型材料（高導電性）可自接祕至光子晶體雜向注入 電流。自該裝置經光子晶體4G提取光，因此，選擇η接觸“ 之配置，以使光子晶體之區域最大化。舉例而言，η接觸“ 可環繞光子晶體區域40。η接觸46不限於一環接觸，但亦可 為-柵格或促進適當電流散佈之其它結構。為避免光被η 接觸46吸收，可在η接觸46下方之蟲晶材料上使用植入，從 而防止在彼區域中之電流及光產生。在0型區域6上形成__ 反射Ρ接觸8βρ接觸8將磊晶結構3直接或經由可選擇之黏合 層連接至主基板Π)。可在與蟲晶結構3相對之主基板1〇之表 面上形成一可選擇之接觸（未圖示）。 光子晶體結構可包括-η型區域2之厚度之週期變化，伴 以交互最大值及最小值。-實例為一格栅（一維晶格）或上述 孔42之平面晶格（二維晶格卜晶格之特徵為孔之直徑d、量 測最近之相鄰孔中心之間的距離之晶格常數a、孔之深度w 及安置於孔中之介電質之介電常數“。參數a、d、w及^影 響帶之狀態之密度’且詳言之在光子晶體之光譜的帶邊緣 處的狀態之密度。參數a、d、w、％因此影響由該裝置發射 之輻射圖案，且可被選擇以增強自該裝置之提取效率。X 孔42可經配置以形成三角形、正方形、六邊形、蜂㈣、 100259.doc -17- 200541112 a a 或其匕眾所熱知之二維晶格類型。在一些實施例中，在裝 不同區域中形成不同晶格類型。孔42可具有圓形、^ ，、邊形、或其它截面。在一些實施例中，晶格間隔（ 約〇.1 λ與約⑽之間’較佳在約。.ΐλ與約以之間，其中 ^為在裝置中之由作用區域發射之光之波長。在—些實施例 :孔42可具有-在約0·1 a與約0.5 a之間的直徑d，其中s 為S曰格吊數。可藉由空氣或藉由一通常介電常數〜在約1與 約16之間之可選擇介電質（未圖示）來填充孔42 雷 質包括氧化矽。 電 一平面作用區域之使用可簡化光子晶體4()之結構。習知 之作用區域發射具有所有偏振之光，使一對光之所有偏振 具有能帶隙之光子晶體結構成為必要。一發射偏振光之平 面作用區域之使用可允許一簡易許多之晶格之使用，因為 不再需要控制自仙區域發射之光之偏振以外的光之偏 振。因此，為達成相同之裝置效能，一簡易線格桃或正方 形晶格，而非-難以製造之三角形或六邊形晶格，可為平 面作用區域裝置之全部需要。 、 在-些實施例中，在-具有一薄蟲晶結構之裝置上形成 光子晶體4G。腔愈薄’波導模式愈少，意謂隨厚度減少， 自裝置發射更多光。選擇^結構3之厚度，使得蟲晶層儘 量薄，以降低波導模式之數量，但足夠厚以有效散佈電流。 在諸多實施例中，磊晶結構3之厚度小於約〗pm。 在一些實施例中，蟲晶結構3之厚度在約λ與約5入之間， 對於發射450 nm光之裝置而言，在約〇18 _與約〇•叫^ 100259.doc -18- 200541112 之間。孔42具有一在約化05人與11型區域2之整體厚度之間的 冰度。大體而吕，孔42整體形成於n型區域2以内且不穿透 至作用區域中。n型區域2通常具有一約〇1微米或更多之厚 度。大體而言，選擇孔42之深度，以儘量接近作用區域而 置放孔42之底部’而並不穿透作用區域。 可藉由改變晶格類型、作用區域與光子晶體之間的距 離、晶格參數a、直徑d、及深度w來調整自該裝置發射之輕 射圖案。在圖7中所示之正方形晶格中說明晶格參數&及直 位d在一些實施例中，輻射圖案可經調整，以較佳向一所 選方向發光。 、在圖6中說明之裝置中，光子晶體被全部包含於n型區 内在其匕實施例中，光子晶體40可形成於ρ型區域6 中或可自ρ型區域6或η型區域2延伸至作用㊣域4中或通過 作用區域4。在該等實施例中，可具有平面作用區域之可能 的簡化光子晶體結構可藉由限制被钱刻去以形成光子晶體 =作用區域之量並藉由限制可損壞晶體並降低裝置效能之 处、 儿成之餘刻之量而S一步&良裝置之效 月b。雖然圖6展示了在該梦詈 J在°亥哀置之表面上之光子晶體40,但在 子晶許4〇。乂#* "之一不在表面上之區域中形成光 一 J在作用區域之一側上形成 内埋光子晶體，且可在該 。玫置之表面上之作用區域之相 面上开少成一諸如圖2中說明的骷 觸。 兒明的裝置中充當偏光器之接 在2〇02年1月28 曰申請之申請案序號 第 10/059,588 號 100259.doc -19- 200541112 LED Efficiency Using Photonic Crystal Structure”及在 2004 年3月19日申請之申請案序號第[代理人案號LuM-03-05-01] 號中更具體地描述III-氮化物光子晶體發光裝置，兩者以引 用之方式併入本文中。 ‘ 圖8為一併入一平面作用區域之垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)之截面圖。將作用區域4夾於p型區域6與一第一^ 型區域2a之間。穿隧接面53將ρ型區域6自一第二η型區域2b φ 分離。由可為（例如）介電分佈布拉格反射器（DBR)之兩個鏡 面51及52形成腔。腔由安置於η型區域2b與主基板1〇之間的 接觸8連接至主基板10。在η型區域2a上形成一第二接觸 18。可將層2a、2b、4及ό之部分與氫一起植入，以將電流 限制於鏡面5 1與52之間的區域以内。 VCSEL需要足夠粒子數反轉（p〇pulati〇I1 inversi〇n)，以為 雷射模式提供大於光學損耗之光學增益。進入所要之腔模
式之受激發射以外之任何重組過程傾向於耗盡粒子數反轉 及限制效率。在一典型之VCSEL之非常短腔之情況下，一 不恰當模式之實例為退化但與所要之雷射模式垂直偏振之 模式。當在激光臨限值下操作時，一在單偏振中發光之平 面作用層將不支撐垂直偏振模式，且將因此需要更少之注 入載體以達到激光臨限值。此外，併人—平面作用區域之 VCSEL可不展現對於許多諸如需要特定偏振之光的顯示器 之申請案有問題之偏振”翻轉，，。 為了形成一 VCSEL，鏡面51及52必須為高反射性，即大 於99%反射性。在—些實施例中，圖8之裝置可為諸振腔裝 100259.doc •20- 200541112 置，其中-或兩個鏡面之反射性小於對於一vcsel所需要 之反射性。因為鏡面對諧振腔裝置不必與對同樣反 射’所以在一谐振腔裝置中，圖$ φ+
^ T圃所不之如鏡面52之DBR 可用一金屬鏡面替代。因為金屬鏡面導電，所以在一具有 •金屬鏡面52之裝置中，可自圖8之裝置省略η型區域㉛及穿 隧接面53。適當之金屬之實例包括（例如）銀、金、鋁、及鍺。 上述參看圖8說明之雷射結構中之平面作用區域的使用 φ 之益處亦可應用於諸如圖10中說明之雷射二極體之邊射型 雷射二極體。在圖10之裳置中，在生長基板60上生長蟲晶 層，接著蝕刻該堆疊，以形成一隆脊結構，其垂直壁提供 波導。藉由分解或蝕刻波導之末端以提供一反射表面來形 成平行鏡面63。η接觸62及p接觸65完成該結構。 圖9Α及9Β說明了包括平面作用區域及偏光偏移表面之 I置。圖9Α之裝置包括偏光旋轉層％。圖9Β之裝置包括偏 光隨機化層68。圖9Α及9Β中所示之裝置為覆晶裝置，其中 • 在生長基板60上形成η型區域2、作用區域4及ρ型區域6。將 ρ型區域及作用區域之一部分蝕刻去，以曝露η型區域之一 部分’將η接觸62沉積於其上。自該裝置經生長基板6〇提取 光。 在一具有與晶體表面垂直之結晶<〇〇〇1 >軸之習知m-氮 化物裝置中，III-氮化物層之吸收獨立於入射光之偏振。因 此’無論其偏振’一由作用區域發射之光子具有一在作用 區域中被再吸收之相等機會。因為光子在半導體空氣或半 導體生長基板介面處遭受全内反射，所以大部分再吸收發 100259.doc -21 - 200541112 生。該光子被"導引”通過㈣置，且在遇到另—離開該裝 置之機會前必須通過作用區域。 在一諸如圖9A及9B中說明之裝置的包括一平面作用區 • 域之裝置的情況下，自作用區域發射之光為垂直於<0001> • 車由線性偏振的。在該裝i中之ΠΙ-氮化物層較佳吸收沿此相 同方向偏振之光。因此，圖9 a及9B中說明之裝置包括一為 偏光旋轉層66或偏光隨機化表面68之偏光偏移表面，其背 • 靠反射器67以將光反射回該裝置中。入射至轉換表面上之 光會經歷其偏振之旋轉或隨機化，從而降低光被再吸收之 可旎性。一偏光隨機化結構68之實例為一在該裝置之磊晶 結構表面上（諸如在P型區域6之表面上，如圖9B中說明）或 在基板側面上的粗糙散射表面。可藉由選擇生長條件以促 進三維生長或在生長後藉由（例如）蝕刻表面或諸如用研磨 粗砂機械地使表面粗糙來使表面粗糙。偏光旋轉結構66之 一實例為一位於金屬接觸與磊晶表面之間或相鄰處（諸如 •圖9八所示之與P-接觸64及p型區域6相鄰）或位於該裝置之 基板側面上之雙折射介電質。因為III-氮化物晶體亦為雙折 射的，所以為了降低隨光後退經作用區域4朝基板60通過而 被吸收之可能性，必須選擇偏光旋轉結構66，使得隨著光 自作用區域4經p型區域6行進至偏光旋轉結構66並後退經p 型區域6，在偏振中之所有旋轉之和為卯度。在圖从及叩 中说明之裝置中，P接觸64形成為複數個均勻間隔之金屬線 或一栅格。選擇P-接觸區64之厚度及間隔，使得在p型區域 6中存在足夠電流散佈，但使由偏光偏移結構覆蓋之p型區 100259.doc • 22 - 200541112 域6之表面最大化。在圖9A及9B中，在由卜接觸M覆蓋之p 型區域6之區域中，可必須藉由蝕刻來移除粗糙區域68或雙 折射材料66。 圖9A及9B中說明之偏光偏移結構亦可用於—諸如圖2中 說明之裳置之薄膜裳置。在該等裝置中，可將偏光偏移結 構安置於主基板10與P型區域6之間。 已詳細描述本發明，熟習此項技術者將瞭解，給定本揭 示内容，可不偏離本文所述之發明概念之精神對本發明作 出修改。舉例而言，上述兩個或兩個以上特徵可組合於一 單個裝置中。因此，不希望本發明之範疇限於所說明及描 述之特定實施例。 【圖式簡單說明】 圖1說明了一纖辞礦ΙΠ-氮化物半導體之晶體結構。 圖2為包括一平面偏光作用區域及一偏光器之裝置之 截面圖。 圖3為圖2之裝置之平面圖。
圖 4 A 一 I 钓一匕括兩個由一線栅偏光器分離之LED的裝置之 截面圖。 圖5為_七& 及一波長 裝置之截 ’、、、一匕括一平面偏光作用區域、一偏光; 轉換層之裝置之截面圖。 為—包括—平面偏光作用區域之光子蓋 面圖。 方形日日格光子晶體之平面圖。 圖8為一包括一亚 f面作用區域之垂直共振腔面射型雷 100259.doc -23- 200541112 之截面圖。 圖9A說明了 一包括一偏光旋轉層及一平面作田 1F用區域之裝 域 置。圖9B說明了 一包括一偏光隨機化層及一平面义 '區 之裝置。 圖10說明了一包括一平面作用區域之邊射型雷射。 【主要元件符號說明】 2 2a 2b 3 3a 3b 4 4a 4b 6p 6a 6b 8 10 12 14 16 18
n型區域 n型區域 n型區域 蠢晶結構 頂部蟲晶結構 底部磊晶結構 作用區域 底部作用區域 頂部作用區域 型區域 P型區域 P型區域 接觸 主基板 偏光器 金屬線 間隔 第二接觸 100259.doc -24· 200541112
20 22 24 26 30 32 34 36 40 42 光射線 光射線 光射線 光射線 生長基板 波長轉換層 透鏡/覆蓋片 光（射線） 光子晶體 孔 44 臺面 46 η接觸 51 鏡面 52 鏡面 53 穿隧接面
60 生長基板 62 η接觸 63 64 65 66 67 68 平行鏡面 Ρ-接觸 Ρ-接觸 偏光旋轉層 反射器 偏光隨機化層/表面/結構 100259.doc -25-

Claims (1)

  1. 200541112 十、申請專利範圍： 1 · 一種結構，其包含： 一磊晶結構，其包含一夾於—區域與—p型區域之 間的作用區域’該作用區域經組態以在經正向偏壓時發 射至少50%偏振之光；及 一安置於由該作用區域所發射之光的一路徑中的偏光 器’其中該偏光器經定向以透射具有由該作用區域發射 之大多數光中之一偏振的光。 2.如請求項〗之結構，其中該作用區域經組態以在經正向偏 壓時發射至少80%偏振之光。 3·如請求項1之結構，其中該作用區域包含至少一 {115〇} InGaN 層。 4·如請求項1之結構，其中該作用區域包含至少一 {1〇ϊ〇} I n G aN 層。 5·如靖求項〗之結構，其進一步包含一黏合至該磊晶結構之 主基板，其中該偏光器包含複數個均勻間隔的平行金屬 線。 6·如請求項5之結構，其中： °亥等金屬線中的每一個的厚度為在約10 nm與約1 〇〇〇 nm 之間；及 °亥等金屬線的間距在約10 nm與約1000 nm之間。 7·如請求項5之結構，其中： "亥等金屬線中的每一個的厚度為在約50 nm與約80 nm 之間；及 100259.doc 200541112 该專金屬線的間距名 8. 9· 10. 11. 12. 13. 14. ,^ + 在、力〗0()nm與約2〇〇nm之間。 如鮰求項5之結構，苴中 ^ ^專句勻間隔的平行金屬線包 金、銀、鋁、及鍺中至少一者。 員之、、“冓’其進-步包含-安置於該Ρ型區域虚 地:二反之間的反射接觸，其令該偏光器安置於該η型區 或上並形成一至該η型區域的電接觸。 。、求員9之…構’其中該η型區域、該ρ型區域及該作用 區域之一總厚度在約〇·1微米與約!微米之間。 月求員5之釔構’其中該磊晶結構為一包含一夹於一第 - η曰型區域與—第—ρ型區域之間的第—作用區域之第一 蟲晶結構，該裝置進一步包含·· 一第二磊晶結構，其包含一夾於一第型區域與一第 二Ρ型區域之間的第二作用區域’該第二作用區域經組態 以在經正向偏壓時發射至少50%偏振之光；其中： 該偏光器安置於該第-蟲晶結構與該第二蟲晶結構之 間；及 該偏光器經定向以反射具有由該第二作用區域所發射 之大多數光中之一偏振的光。 如請求項11之結構，其中該第一作用區域與該第二作用 區域發射具有一相同色彩之光。 如請求項11之結構，其中該第一作用區域與該第二作用 區域發射不同色彩之光。 如請求項1之結構，其進一步包含一波長轉換材料，其中 該偏光器安置於該磊晶結構與該波長轉換材料之間。 100259.doc -2- 200541112 15. —種半導體發光裝置，其包含： 日日、、。構’其包含—夹於-η型區域與—p型區域之 二區域’該作用區域經組態以在經正向偏麼時發 射至少50%偏振之光； 一第一鏡面；及 一第二鏡面； 其中該第一鏡面及該第 ,.,^ . 乐鏡面形成一諧振腔。 裝置:其，該作用區域一在經正向 之光。 限值以下時發射至少50%偏振 1 7 ·如請求項1 5之襄置 InGaN 層。 1 8 ·如明求項1 5之裝晉 InGaN 層。 其中該作用區域包含至少一 {u珣 其中該作用區域包含至少一 {10ϊ0} 19.如請求項15之裝置，其中： _ 該第-鏡面為一具有 布拉格反射器，…… 射率之介電分佈 該第二r面a只’兄面平打於且接近該η型區域；及 布拉格:射V;第具有;大於99%之反射率之介電分佈 2〇如μ項19μ 平行於且接近該Ρ型區域。 月求項19之裝置，其中該η型區域為-第 該裝置進一步包含： 罘η型Q域， 一穿隧接面；及 一第二η型區域； 其中該穿隧接面及該第 二11型區域安置於該ρ型 區域與 100259.doc 200541112 5亥第二鏡面之間。 2 1 ·如晴求項1 5之裝置，其中·· 該第一鏡面為一具有一大於99❶/〇之反射率之介電分佈 布拉格反射器，該第一鏡面接近該η型區域；及 忒第一鏡面為一具有一小於99%之反射率之金屬層，該 第一鏡面接近該ρ型區域。 22·如請求項15之裳置，其中該第一鏡面及該第二鏡面係在 > 該裝置之相對端處之分解刻面，該等分解刻面垂直於該 蟲日日結構之一平面。 23· —種半導體發光裝置，其包含·· 磊晶結構，其包含一夾於一η型區域與一ρ型區域之 、乍用區域’該作用區域經組態以在經正向偏壓時發 射至少5 0 %偏振之光，·及 晶體’其形成於該ρ魏域、該η型區域及該作 用&域中的至少一者中。 24.如請求項23之裝置， 區域中之孔之週期陣列。 體包含-形成於該η型 A如請求項24之裝置’其中該等 26.如請求項23之裝 正方形日日格中。 财之複數個平行凹槽光子晶體包含形成於該η型區 27·如凊求項23之裝罟 廿丄 ㈣⑽層。 〃中該作用區域包含至少-勵} 28·如清求項23之梦署 ^ InGaN層。、4作用區域包含至少- {1〇了〇} I00259.doc 200541112 29· —種半導體發光裝置，其包含： 蠢日日、、’口構其包含一夾於一 η型區域與一 ρ型區域之 間的作用區域’该作用區域經組態以在經正向偏壓時發 射至少50%偏振之光； 一偏光偏移表面，其接近於該η型區域及該ρ型區域中 之一者。 30·如請求項29之裝置，其中該作用區域包含至少一 如} InGaN 層。 3 1 ·如請求項29之裝置，其中該作用區域包含至少一 {1〇T〇} InGaN層。 3 2 · 士 1求項2 9之裝置’其中該偏光偏移表面使由該作用區 域所發射之光之一偏振隨機化。 33· 士 ”月求員29之裝置，其中該偏光偏移表面旋轉由該作用 區域所發射之光之一偏振。 34·如請求項29之裝置，其中該偏光偏移表面包含一粗糙半 導體表面。 100259.doc
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