TW201740578A - 共振光學腔發光裝置 - Google Patents

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Abstract

共振光學腔發光裝置及製造該等裝置的方法係被揭露。該裝置包含一基材、一第一間隔物區、一發光區、一第二間隔物區、及一反射器。該發光區係構製成能發射一目標發射深紫外線波長，且係定位在離該反射器一分隔距離處。該反射器具有一金屬成分包含元素鋁。使用一個三維電磁空間與時間模擬器，可判定在一相對於該基材的出離平面之一發射輸出是否符合一預定標準。該發光區係定位在離該反射器一最終分隔距離處，而該最終分隔距離會使該預定標準被滿足。

Description

共振光學腔發光裝置
相關申請案 本案要請求2016年2月23日申請之No. 62/298,846美國臨時專利申請案的優先權，其名稱為「共振光學腔發光裝置」，內容併此附送。
發明領域 本發明係有關於共振光學腔發光裝置。
PIN二極體係為具有p型和n型區並有一本質區介於其間的二極體。在發光二極體(LED)中，電子和電洞會由該p型和n型源極區注入該本質區內再重組，而產生光。用於LED中之p型、i型和n型區的材料之種類會決定由該裝置發出之光的波長。
簡單的PIN二極體典型會展現不佳的光(輻射)抽取性質，其最後會限制可用的光之製造。此係由於用來製造LED之材料的高折射率，及該LED內之大量可用的光波型，其會造成一小逃逸錐來供由該裝置發射光。產生於該裝置內，且在此錐外部具有傳導向量的光，不會逃出該裝置，並會受到全內反射，故會在該裝置內衰減，而不能逃出成為可用的光。典型地，習知的LED會由一平面的裝置展現大約小於5%的光抽取效率，主要視該光會運行穿過的材料之折射率而定。
一種用以增加該等裝置中之輻射抽取效率的方法係組構該輻射穿出離開該裝置的表面。此一組構的逃出表面會提供一稍微較大的逃逸錐以供輻射由該裝置射出。另一種方法係成形該LED的頂部或底部表面，譬如成一拋物面形狀，以改良光束的折射和反射俾改良光的抽取。或者，研究者亦曾在一組構的基材表面上生長磊晶半導體來改良垂直光的抽取；然而，在紊亂的半導體晶體結構中之障礙已嚴重地限制此方法。塗層亦可被用於LED中來影響特定波長的光之發射，故能改良該裝置所造成的頻譜光品質。
不同結構的發光二極體亦存在用以抽取光的特定設計問題。例如，邊緣發光雷射是一種發光裝置，其中光係以一實質上平行於該等裝置層的方向傳導，並會由該裝置的邊緣發出。許多個邊緣發光LED及雷射係由一個半導體晶圓製成並切割成個別的裝置，該等被劈開、蝕刻或切斷的邊緣會變成刻面表面，光會由之射出。在波導LED的情況下，由該等刻面進入主動區的光反射會被布儒斯特角(Brewster angle)構造抑制；而於雷射者在該等平面腔穴之任一端的刻面必須是精確地平行並有高反射率。垂直腔穴表面發光二極體(VCSED)和雷射(VCSEL)是另一種發光二極體，其中光係實質上垂直於該等裝置層的平面傳導，且係穿過該裝置的頂部或底部表面射出。該光學腔能被設計成具有一共振來改良一特定波長的發射。平面VCSED和VCSEL之一優點係能夠藉增加該裝置的平面面積來放大該裝置的輸出功率。該垂直和側向光限制亦可被用來控制該裝置的光波型，故能改良其空間發射廓形及光譜品質。
在某些實施例中，一種共振光學腔發光裝置包含一基材、一第一間隔物區、一發光區、一第二間隔物區、及一反射器。該第一間隔物區係耦接於該基材，該第一間隔物區對一目標發射深紫外線波長(「目標波長」)係無吸收性，而該第一間隔物區的至少一部份包含一第一電極性。該發光區係在該第一間隔物區上，該發光區係構製成能發射該目標波長。該第二間隔物區係在該發光區上，該第二間隔物區對該目標波長係無吸收性，而該第二間隔物區的至少一部份包含一第二電極性相反於該第一電極性。該反射器係耦接於該第二間隔物區，該反射器有一材料成分包含元素鋁。該發光區係定位在離該反射器一分隔距離處。該共振光學腔發光裝置具有一光學腔在該反射器與該基材之一第一表面之間，該光學腔包含該第一間隔物區、該第二間隔物區及該發光區。該光學腔具有一總厚度小於或等於K·l/n，其中K為一常數在0.25至10的範圍內，l為該目標波長，而n是該光學腔在該目標波長之一有效折射率。
在某些實施例中，一種製造一共振光學腔發光裝置的方法包含提供一基材及提供一第一間隔物區。該第一間隔物區係耦接於該基材，該第一間隔物區對一目標發射深紫外線波長係無吸收性，而該第一間隔物區的至少一部份包含一第一電極性。一發光區係被提供在該第一間隔物區上，而該發光區係構製成能產生該目標波長的光。一第二間隔物區係被提供在該發光區上，該第二間隔物區對該目標波長係無吸收性，而該第二間隔物區的至少一部份包含一第二電極性相反於該第一電極性。一反射器係耦接於該第二間隔物區，該反射器具有一金屬成分包含元素鋁，而該發光區係定位在離該反射器一分隔距離處。該方法亦包含使用一個三維電磁空間與時間模擬器來模擬該共振光學腔發光裝置，該模擬會依據該發光區係在離該反射器該分隔距離處。該方法會判定在一相對於該基材的出離平面之一發射輸出是否符合一預定標準，其中該預定標準係選自：i)針對由該發光區產生之在該目標波長的光在該出離平面之一光抽取效率，ii)在該出離平面發射之在該目標波長的光之一目標空間廓形，及iii)由該裝置抽取之實質上垂直於該基材被發射的光。
在某些實施例中，一種製造一共振光學腔發光裝置的方法包含：選擇一要被該共振光學腔發光裝置製造的目標發射深紫外線波長，該共振光學腔發光裝置包含一發光區在一基材與一反射器之間，該反射器具有一金屬成分包含元素鋁。一第一間隔物區係在該發光區與該基材之間，及一第二間隔物區係在該發光區與該反射區之間。該發光區與該反射區間之一分隔距離會被選擇。該方法亦包含，使用一個三維電磁空間與時間模擬器來判定在一相對於該基材的出離平面之一發射輸出是否符合一預定標準，其中該預定標準係選自：i)針對由該發光區產生之在該目標波長的光在該出離平面之一光抽取效率，ii)在該出離平面發射之在該目標波長的光之一目標空間廓形，及iii)由該裝置抽取之實質上垂直於該基材被發射的光。若該發射輸出不符合該預定標準，則選擇一分隔距離及使用該模擬器來判定的步驟會重複進行。此重複會使用另擇的分隔距離之值，直到一最終的分隔距離會使該預定標準被滿足為止。該發光區係定位在離該反射器有該最終分隔距離處。
現將詳細說明所揭發明的實施例，其之一或更多舉例係被示於所附圖式中。各例係被提供作為本技術的說明，而非作為本技術的限制。事實上，精習於該領域者將會易知在本技術中有些修正和變化能被做成，而不超出其範圍。例如，被示出或描述為一實施例的一部份之特徵亦可被與另一實施例一起使用來產生又另一實施例。故，乃意圖使本標的內容涵蓋所有在所附請求項及其等同者之範圍內的全部該等修正和變化。
共振光學腔發光裝置(ROCLED)是一種發光裝置，它們係被設計成能使用一法布里-珀羅(Fabry-Perot)共振器的原理沿一主要軸線在一特定波長造成共振，以增加由該裝置發射的該波長。圖1示出一該領域中已知為法布里-珀羅(Fabry-Perot)式發光裝置的ROCLED 10之一垂直截面的概括示意圖，其中一發光區12 (LER，亦稱為一發射或主動區)係位於二反射器14和15之間。該等反射器14和15典型係選自一高(反射率)反射器，及一部份反射器，其中該部份反射器係用來抽取發自腔穴內之光的一部份。高品質的反射器可被由金屬製成，或由循環的雙層介電質或半導體材料製成，以形成分佈式布拉格反射器(DBR)。就金屬反射器而言，該光學腔的整體長度18係為該二反射器14或15之間的距離。就DBR反射器而言，該光場進入該DBR係實質上為空間穿透，其強烈取決於用來形成該DBR的四分之一波長厚度材料之間的折射率差。此DBR穿透距離對應用於紫外線用途係特別地不利，因其可能會變成與所需的光學腔長度為相同長度尺度，而使波長尺度腔穴的形成有挑戰性。又，若應用於紫外線波長，可適合於形成DBR之材料的選擇係嚴格地受限，且需要1/4波層之間有較大的折射率差更會將限制加諸於可用的材料上。
在圖1的描述中，該裝置將被視為一被形成具有可忽略穿透深度的反射器之共振光學腔。一間隔物16係置設於該上反射器14與該LER 12之間，且另一間隔物17係在該下反射器15與該LER 12之間。該LED的共振波長係由該光學腔的尺寸決定，譬如該光學腔的整體長度18及該等間隔物16和17的長度。請注意在本揭露中，於圖中被標示為一垂直長度“L”之量亦可被視為一厚度，譬如一特定區或層之一厚度。當電流施加於該裝置10時，在該n型和p型區(間隔物16和17)中所造成的電子和電洞會藉漂移及擴散程序被空間地傳送至該i區(LER 12)中，在該處它們會再重組，而在該主動區(LER 12)內產生自發的光。又，若在該LER內之大電子和電洞載體密度的同時激發能在一較高激發狀態中被實現，且在放鬆至一較低能量狀態之前具有足夠長的壽命時間，則模擬發射是可能的。此一電子較高狀態構造可藉半導體量子機械狀態的適當設計來被設計，譬如量子井和超晶格異體結構。此激發的LER主動區嗣可藉由該光子因為該等鏡(反射器)而在該腔穴內循環來被進行模擬的發射過程。在該腔穴內之能量等於該電子-電洞對之轉換能量的傳導光子會被模擬成由該激發的載體狀態放鬆至一較低能量或接地狀態。此一共振光學腔裝置因此能變成一半導體雷射。
雖共振光學腔LED係已知於該領域中，但它們未曾被使用於深紫外線(深UV，或DUV)波長，其係在200-280 nm的範圍內操作。DUV波長在有關該等材料和設計標準方面存在新的挑戰而必須被克服，其並非既有設計之一單純延伸。在本揭露中，具有改良效率之用於深紫外線波長的共振腔穴發光裝置會被呈現，其會克服專屬於此波長範圍的問題。
圖2為一依據本揭露的深紫外線共振光學腔發光裝置100之一實施例。圖2為一立體圖示出一簡化圖，以供清楚表示。裝置100具有：一透明基材110其可為，例如，玻璃或藍寶石或氟化鈣；一第一實質上透明的間隔物120在該基材110上；一輻射發射區130其係為一主動區或本質區，在該處電子和電洞會進一步組合來發射典型為約280 nm或更小的UV輻射；一第二實質上透明的間隔物140；及一反射器150在該第二間隔物140上。裝置100於此實施例中具有一圓筒狀構形。該共振光學腔在該反射器150和該透明基材110的第一表面112之間具有一長度LCAV 。該輻射或光發射區或LER 130具有一長度LEM ，第一間隔物120具有一長度LSEP1 ，且第二間隔物140具有一長度LSEP2 ，LCAV 典型係被選成等於一光學厚度，其可被選擇成為該要被製成的目標波長的一半波長之一倍數。一般而言，LCAV = m·l / n(l)，其中m ＞ 0，l是所需的操作波長，而n(l)為該腔穴材料在l的有效折射率。
一大種類的光學腔裝置乃是可能的，取決於該等反射器性質和針對該操作波長的有效光學厚度。例如，使用低光穿透深度的反射器譬如金屬鏡，則次波長和波長尺度的光學腔是可能的。大於該操作波長及其倍數腔穴長度亦是可能的。該腔穴的有效光學厚度會決定該裝置內的縱向波型密度和該等波型的頻率間隔。減少該結構內所產生的光之非傳導中的光波型之總數目，及增加傳導中的光波型與該LER區的重疊，對改良該光抽取效率可能是有利的。
該反射器150係為一高UV反射率材料，較好係選為鋁(Al)以供較佳地發射該深UV範圍中的輻射。本揭露的鋁金屬反射器150會提供一非常小的穿透深度，以用於由該輻射發射區130發射的深UV輻射。為整合於III族的金屬氮化物磊晶中－該AlN基的半導體－該鋁金屬反射器150的至少一部份可因該鋁金屬係為構成沉積源之一者，而能在該磊晶沉積系統內被定位沉積。配合定位薄膜厚度監測，此定位反射器製法可被用來精確地形成一如於此所述的光學腔裝置。
該LER 130係構製成能使一波長小於280 nm的UV輻射被發射。用於發光區130的可能材料包括，例如，III-N族材料，譬如AlN、GaN、和AlGaN，及該等材料的超晶格結構。在某些實施例中，該LER 130可包含一或多個量子井。在又另一實施例中，該LER 130可為一塊體狀的AlGaN合金，其會接受外部機械應力機的處理來調整所需的光電子性質。該第一間隔物120可包含至少一部份的n型材料，而該第二間隔物140係至少一部份為p型，或反之亦可。該等間隔物120和140係實質上透明的－即是，無吸收性的－對被該裝置發射的所需波長(在本揭露中亦稱為目標波長)。例如，該第一和第二間隔物區120和140對該裝置100所造成的目標波長可為至少80%透光的，譬如大於90%透光的。該基材110的折射率較好係小於該等間隔物120和140的折射率。該第一間隔物區120與該透明基材110之間的折射率差會形成一部份反射介面，其可被另用來調變該光學腔。
在其它實施例中，該基材110可為對該目標波長是不透明的。該不透明基材則可具有一光孔被蝕刻貫穿該基材，並至少終止在該第一間隔物區。一選擇性塗層可更被沉積在該第一間隔物的曝露部份上來形成一第二反射器。例如，一波許(Bosch)蝕刻製法能被用來在該光學裝置的主動區底下蝕刻一光通道。一部份透射的金屬反射器嗣可被沉積來形成該光學腔。或者，一或更多的電質透明塗層可被施加於該第一間隔物的曝露部份，譬如，一高一低折射率DBR或金屬一介電質DBR，如於此所揭者。
圖3示出該深UV LED裝置100之一垂直截面圖，示範光的傳導。產生於該發光區130中的光會向外傳導，譬如以一朝下方向如射線180a所示，及以一朝上方向如射線180b所示。就射線180a而言，一些光會在該基材110與第一間隔物120之間的介面處被反射，因為該兩種材料的折射率不同。射線180a嗣會由反射器150反射，且最後將會被射出穿過透明基材110 (或者該基材110是不透明的，則會穿過該基材中之一光孔)。就射線180b而言，光將會由反射器150反射，然後穿過基材110離開。請注意圖3係為一簡化圖示，其中該等射線180a和180b將會有另外的傳導路徑，由於該裝置100之各層間的介面處有不同的透射和反射量。又，三維的裝置會更具有側向特徵細構等，其會參與光反射和吸收。
該反射器150可由一平面布拉格光柵構成，或為一圖案化的金屬反射器。用於反射器150的材料必須具有一低吸收率(即對該目標操作波長有＞80%的高反射率)，且若需要次波長光學腔則在該裝置的波長要有小穿透深度。典型地，進入一鋁金屬反射器中的穿透距離係＜ 1Å。就深紫外線波長而言，鋁以外的其它金屬會傾向於吸收太多被該裝置所發射之波長的輻射。故，鋁是供用於該深UV裝置100之反射器150的選擇材料。此係驗證於圖22的圖表中，其中該鋁的反射率(具有空心圓圈的水平線)係大於0.9，相較於其它列示之金屬它們具有的反射率小於0.7。但是，利用鋁於一III-N裝置作為一鏡材料是有挑戰性的，因為製造LED所需的磊晶製程典型要求p型層最後被生長。雖鋁是在該DUV範圍中具有高反射率的唯一金屬，但其要作為對p型III-N裝置之一電接點係為一不佳的歐姆式金屬。P金屬接點最理想係為高功函數的金屬，譬如鋨、鎳和鈀可用於對p型III-N裝置的歐姆接點。然而，Os、Ni和Pd卻是高UV吸收材料。因此，使用該等材料作為該深UV裝置的電接點，將會使一UV吸收材料置於該裝置的主動層和該反射鏡Al之間。此外，薄p型GaN層通常需要金屬極「P上」結構(即該p型層在該裝置的上端，相反地該基材在該裝置的底部)，俾使一個二維電洞氣體能存在於該pGaN/AlGaN或pGaN/pSL (超晶格“SL”)介面處。此會協助釘住該價帶結構以供PIN二極體操作。PGaN亦為高UV吸收性，其也不理想用於一UV裝置。在本揭露中，這些問題可針對一所予的UV操作波長來被最佳化。
圖4A為一舉例的深UV共振光學腔發光裝置200之一詳細截面，其中電接點係被示出且該數層包含超晶格。裝置200包含基材210、n型第一間隔物區220、發光區230具有厚度LEM 、p型第二間隔物區240具有長度LSEP1 、及光反射器250。故，裝置200係為一P上裝置，因該等p型層係離該基材210最遠。裝置200亦包含一可擇的緩衝層260在該基材210與第一間隔物220之間。一光學腔在該基材210的上表面與該反射器250的下表面之間具有一總厚度LCAV 係由第一間隔物區220、發光區(LER) 230、及第二間隔物區240所構成。在本實施例中LCAV 亦包含緩衝層260。該緩衝層260、n型間隔物220及p型間隔物240形成該光學腔的主要部份。第一間隔物220、發光區230及第二間隔物240在本實施例中係為超晶格(SL)結構。第一間隔物220可包含至少一部份的n型SL，及一部份的i型SL，LER 230係為一i型SL，而第二間隔物240可包含來自超晶格層232和242的本質及p摻雜的材料。包含該n型、i型和p型區之該等SL結構的選擇係要能提供該裝置操作所需的較佳電子及光學效能(如在美國專利公開No. 2016/0149075名稱為「光電子裝置」中所揭者)。或者，該等半導體可被使用塊體狀半導體來形成，且該LER包含一或多個量子井區以供波長調變。
用於反射器250的材料是鋁，以提供對深UV波長之最少的吸收和最高的反射。但是，如前所述，Al不能提供與p型材料最佳的電接觸。為克服此問題，用於該裝置200之p型層的電接點係構製成一複合金屬接點，其中歐姆接點270會與該p型第二間隔物240接觸，在同一層上及在該反射器250的相反兩端。該歐姆接點270和反射接點250係橫越該p型間隔物240空間上分開，且此會開啟該設計用於近繞射自由錐面透鏡發射器。各種不同的構態皆有可能，但必須最佳化其串聯電阻。一選擇的p型GaN接觸層275可被置設於第二間隔物240和歐姆接點270之間。為形成該裝置200的電接觸區域，該Al金屬反射器250可被定位沉積在該磊晶疊層頂上。減去圖案化製法可被用來形成該裝置構形的其餘部份。該DUV裝置200中的Al反射部份250可被使用一種沒有覆晶製程的CMOS式處理方法來造成，其係與中間介電層(SiO2 )和金屬(Al)互接製程相容。
在其它實施例中，該裝置200可被構製成一p型在下磊晶疊層，其中第一間隔物220是p型，而第二間隔物240是n型。用於反射器250的鋁金屬在此一P下構造中係在一n型區頂上。就一P下裝置而言，鈍鋁或Ti/TiN/Al可被用作背面上之一n型接點(在第二間隔物240上方)。將該Ti及或TiN層選成充分地無吸收性會有助於該光學腔耦接於該鋁反射器。用於一P下裝置的光學腔或反射式背面LED因此得能使用一簡單的鋁金屬接點。
該反射器250亦可為一超晶格結構，如圖4B中所示。使用傳統上用於分佈式布拉格(Bragg)反射鏡(DBR)的AlN、AlGaN和GaN 1/4波長(l/4)之層的深UV反射器對小於280 nm的目標操作波長是有挑戰性的。此係因為該等塊體材料(特別是GaN)有強烈的光吸收性，且需要一極大的循環數目才能得到高反射率(因GaN、AlGaN和AlN材料在折射率只能提供一小變化來供實施DBR)。銦鋁氮化物(InAlN)亦有可能使用，但受到相同的限制，故同樣對製造是有挑戰性的。又，該等材料係困難以低缺陷密度及低微觀的和宏觀的薄膜應力來生長－因晶體材料對電摻雜成n型或p型導電性係更具挑戰性。亦請注意在Alx Ga1-x N之一x ＞ 0.7的摩爾分數係需要獲得充分的透光性才能操作小於280 nm的波長，此更會挑戰使用自然材料的本申請案中之DBR的實用性。在本揭露的實施例中，以形成一Al/AlN超晶格之超薄金屬層為基礎之新等級的光學結構，可被用來形成該等構成一DBR的1/4波層之一者。此係較有利的，因為元素Al金屬具有一極低的折射率，且超薄(例如＜ 2 nm)的Al膜可被調修成具有一可接受的吸收係數。此係由於該介電質-金屬-介電質AlN/Al/AlN結構的金屬量子限制，其能被調修成在所需的操作波長有較佳的透光性。所形成的薄膜係為一種金屬/介電質超晶格，其中該DBR係以多數個包含AlN和SL[Al/AlN]的l/4薄片為基礎。此一結構於此係界定為一金屬-介電質反射器。該SL[Al/AlN]的循環數目係由造成該l/(4 nEFF )所須的超晶格厚度之有效折射率nEFF 來決定。圖21A-21B示出反射器種類之一比較，其中圖21A示出一ROCLED具有DBR反射器，而圖21B示出一ROCLED具有金屬反射器。如可看出，圖21B的鋁反射器能使一極薄的結構可用於該ROCLED。
又另一可在該紫外線波長範圍中實現一高品質DBR的實施例係使用包含AlN和氟化鎂(MgF2 )的1/4波長層。該DBR及金屬-介電質反射器方法係另擇地使用一鈍鋁金屬反射器。一具有使用AlN和MgF2 1/4波之DBR反射器的共振光學腔裝置之舉例的反射光譜係示於圖23中。
圖21A和21B示出舉例的垂直光學裝置，圖21A形成一全介電質光學腔具有反射器係用二DBR結構所形成，而圖21B為一金屬-介電質-金屬光學腔係使用高反射率和半透明金屬反射器所形成。圖21B中的裝置會獲得非常小的光學腔厚度小於該光發射波長。一舉例的全介電質光學腔結構係示於圖23中其使用一高反射20次循環的AlN/MgF2 DBR，一半波長厚AlN腔穴，及部份反射輸出耦接器包含一5.5次循環的AlN/MgF2 DBR。取自該5.5循環DBR的垂直入射反射率係被示為波長的函數。在l=250 nm的單一光波型係清楚可見，而在l=250 nm除外的頻帶呈現極高的反射。一高反射率表示在該頻帶波長外的光波型於該裝置內會被遏止，故代表該裝置內沒有垂直傳導的光波型。相反地，該l=250 nm的光波型係被容許，且是該光學腔波型所需要的。該等DBR係被設計成在l=250 nm具有1/4波長厚度包含該等雙層對。請注意該較低反射率DBR中之附加的相位匹配半層能確保光相位是建設性的。相反地，圖24中之一金屬-介電質-金屬結構的反射光譜圖示出在包含15 nm的Al之部份反射金屬層的垂直入射反射率。各種不同的結構係被示出具有該AlN光學腔而有由1/2波長至7 x 1/2波長的厚度。光學腔波型的調變在由240 nm至290 nm的範圍中係清楚可見。因此該金屬-介電質-金屬光學腔是一多用的光學裝置，其能夠提供所須的光學腔調變範圍而遠離頻帶排斥。
圖5示出在某些實施例中，形成圖4A的裝置200之超晶格層的直接能隙材料GaN和AlN之價帶及最低能量區中心傳導之一圖表。該等GaN/AlN超薄層的超晶格會形成一偽合金具有該最低能量定量的能量狀態，而形成其電子和光學性質的主要部份。圖5的圖表示出一P上裝置，其中該等n型區係首先生長，而該等p型區最後生長。一選擇性pGaN接觸層亦被示出(生長層在140 nm開始)。在圖5的圖表中，圖4A的p型和n型超晶格(SL)層係被設計成對所須的發射波長lEM 係實質上透明的。該非刻意摻雜(NID)的i型SL區係被設計成可供發射所須的發射波長lEM 。電子和重電洞波函數重疊的絕大部份可能性係空間地限制在該i-SL區內。因此在本揭露中，該i-SL區可被垂直地置設在該PIN結構內，且係最好位於該鋁金屬反射器與該低折射率基材(例如藍寶石)之間。為應用於使用有極性和無極性的III族金屬氧化物半導體之紫外線操作，包含所設計的AlN/GaN層之超晶格結構的實用性能促成垂直發射裝置，並可使帶隙設計成該裝置只有兩種材料成分。但是，其它的方法譬如使用傳統的塊體狀Alx Ga1-x N三元合金亦可能用於摻雜的間隔物和LER區。又另外的實施例包括使用包含Aly Ga1-y N/Alx Ga1-x N及三層式AN/Alx Ga1-x N/GaN的超晶格，其中x≠y。
圖6示出一用於裝置200之舉例的橫向電(TE)發出頻譜，其中該LED疊層已被設計成使該i型SL區具有一狹窄的發射光譜避開該等摻雜的覆蓋層之吸收邊緣。該SL的最低能量定量狀態會產生一依據該電子和電洞定量的波函數之空間重疊的發射光譜。該AlN/GaN超晶格的光發射係由該最低能量定量的電子波函數與該最低能量定量的重電洞波函數空間重疊來支配。有三種重要的價帶構成該超晶格，即是，該重電洞(HH)、輕電洞(LH)及旋轉分裂(SO)帶。使用一GaN/AlN超晶格會確保該垂直發射係被該較佳的TE發射所支配，由於該最低能量電子狀態與來自該HH帶者之間的重組。該裝置的光波型表示該等空間和波長波型係被耦接於該裝置外。即是，產生該所需發射光譜的i-SL發射能量因此必須匹配於射出該裝置外之傳導中的光波型。即是，該裝置的光波型係由構成該裝置及該特定的1D和3D結構之材料的光學常數來決定。即是，形成一裝置其長度尺度係可相比於該發射波長時必須小心注意光在介面和不連續處互動的方式。此方法會使該最高的抽取效率成為可能。在本揭露的實施例中，該裝置疊層的光學構形能被使用一個三維電磁空間與時間模擬器來模擬，譬如三維有限差異時間領域(3D FDTD)法等，以最大化由該裝置發射之在該所需發射波長的光。另一種可被用來執行該光學設計的方法係一維轉移基質法(1D TMM)，其會利用：(i)當照射光穿過該基材時在該裝置之數空間區域內的吸收；及(ii)由該裝置內之一空間位置發射並被導向該基材外部的光之間的相互關係。雖該3D FDTD法令提供該所製成的實體裝置之3D細節，即是，側壁斜度和表面粗度等等，但該1D TMM會提供一決定該目標結構之縱向波型，並針對該被容許的光縱向波型來較佳地定位該LER的快速方法。
圖7提供一用以製造一共振光學腔發光裝置的方法之流程圖700，該裝置在一目標發射深紫外線波長符合一預定標準。在一所擇的波長頻率之目標光發射輸出係取決於該腔穴內之二間隔物所提供的LER之定位。圖7中所示的製程示出該裝置的結構如何可被達成。首先，在步驟710時，該ROCLED之一目標發射深紫外線波長會被選擇。該波長係小於或等於300 nm，譬如在190-300 nm，或200-280 nm，或250-280 nm之間。該LED具有一發光區在一基材與一反射器之間，而有一第一間隔物區係在該發光區與該基材之間，並有一第二間隔物區係在該發光區與該反射器之間。用於該深UV裝置的反射器包含一金屬成分包含元素鋁。該發光區、第一間隔物區、及第二間隔物區的至少一者可包含一超晶格。在某些實施例中，用於該基材的材料可被選擇，作為用以製造該ROCLED之製程的一部份，譬如選擇一種透光的基材其具有可適於發射要被產生的波長之光學性質。
嗣在步驟720時，所需的尺寸會被選擇，包括該發光區與該反射器間之一分隔距離。該LER在該腔穴長度LCAV 內的特定位置可被例如表示為LSEP1 及/或LSEP2 。在某些實施例中，步驟720可選擇該第一間隔物區之一厚度，及選擇該第二間隔物區之一厚度，以使該目標波長匹配於該光學腔和該反射器所形成之至少一個被容許的光波型。在其它實施例中，該模擬器可被用來計算該發光區與反射器間之一可能的分隔距離。
在步驟730時，在一相對於該基材的出離平面之輻射發射量會被使用一個三維電磁空間與時間模擬器，譬如一3D FDTD，來決定。該預定標準係選自：i)針對由該發光區產生之在該目標波長的光在一出離平面之一光抽取效率，ii)在該出離平面射出之於該目標波長的光之一目標空間廓形，及iii)由該裝置抽取之實質上垂直於該基材被射出的光。該定量狀態產生一發射光譜。該裝置的光波型表示其空間和波長波型係被耦接至該裝置外。該i-SL發射能量必須匹配於傳導至該裝置外的光波型。在某些實施例中，該裝置疊層的光學構形可被使用一3D FDTD及一1D TMM的至少一者來模擬。例如，該1D TMM可被用來直接模擬該整個結構內的電磁場傳導，包括波長相關的折射率及全部構成材料的吸收係數。使用吸收和發射之間的光學相互關係，該1D光學結構能被以一波長的範圍穿過該透明基材來發光。藉著進一步使用一充分薄的吸收測試層，其會被掃描作為該光學腔內的位置之一函數，該測試層內的吸收係數能被算出而來顯示該1D縱向光波型。將該LER定位在一被容許的光波型(即高吸收率)對最佳化在該LER處的光吸收率乃是有利的。相反地，在此所擇的LER位置發射的光亦能使光被以最高抽取效率穿過該基材向外耦接。
例如，圖16A-16C可被用來描述該方法。圖16A示出該1D(縱向)光波型可被發現如何用於一舉例的AlN腔穴具有一藍寶石基材和Al反射器的情況。實際上P上結構必須在該AlN腔穴與Al反射器之間使用中介的p-GaN和歐姆式金屬(譬如Os、Pt或Ni)層等。最佳化該p-GaN的吸收性質及歐姆式金屬層厚度，用以最小化該所需的紫外線操作波長之不良遽變，係可能藉最小化該個別的厚度來達成。圖16A為一舉例的光學腔裝置1600包含藍寶石基材1601及間隔物1602，間隔物具有長度Lcav1 (示為距離∆ 1630)且由AlN或高百分比的Al超晶格製成。光學腔裝置1600亦包含LER 1603(亦稱為電子電洞重組區(EHR) 1603)、具有長度Lcav2 且由AlN或高百分比的Al超晶格製成的間隔物1604、pGaN的p區1605 (可吸收UV)、高功函數金屬1606 (可吸收UV)，及鋁UV高反射器1607。該基材1601具有比該等介電材料更低的折射率。LER (即EHR)區1603較好係以距離∆ 1630置設於該介電腔穴內。此舉例的AlN基裝置包含一p型接觸疊層(1605和1606)位於該高反射器1607和間隔物1604之間，其對該裝置的操作波長是吸光性的。吸光層1605和1606會形成對該氮化鎵(GaN)層1605的歐姆接觸疊層。該裝置的光發射/吸收操作能藉最佳化該EHR內針對所用光波長的發射/吸收來被模擬。
圖16B示出算出的光波型作為穿過該基材輸入於該裝置的波長之一函數，並呈現出測試層(即LER或EHR區)1603的吸收共振1640為該光學腔1600之疊層內的垂直位置1630之一函數。明顯地，高吸收光波型能被唯獨地針對一所予的結構來決定。圖16C例示用以將具有一特定發射光譜1650的LER區定位於該腔穴內需要。例如，圖16C示出一LER光譜1650尖峰在l=265 nm，其會重疊該腔穴1600之一被容許的波型光譜1655，假使且僅若該LER係定位在離該基材(例如藍寶石)表面∆=735 nm的一距離處。相對地，若該LER係定位在∆=706 nm處而具有波型光譜1660，其代表該腔穴內之一干涉零位，則該LER光譜1650不能耦合於一被容許的光傳導波型，故光不能由該藍寶石射出，因為一LER定位在∆=706 nm處。
或者，在圖7的步驟730中，一更複雜且電腦密集的3D FDTD可被用來模擬該相關的光傳導作為在該光學腔內之一所予的LER位置之一時間函數。該傳導的電磁輻射可為時間依序地分段的，直到該光傳導穿出該結構為止，並在一所需的出離平面取樣。在一用以模擬該3D ROCLED的方法之一實施例中，係構建一形成該LER區之隨機偏振的電雙極射極等之個別的2D總成。又，該等電雙極會被一超短光脈衝同時地激發，其係特別地構製成能支持一充分寬的光譜。例如，一高斯毫微微(10-15 )秒的脈衝可被構製來支持一由170 nm跨至大約2微米的連續波長範圍。該光脈衝係在個別的時段中傳導(使用習知的李氏算法(Lee Algorithm)之跳蛙法)，直到該整個結構被該超短脈衝照明，並有一足夠長的時間可使該傳導的電磁波穿過所需的出離平面為止。在該出離平面取樣之該等電磁場向量的個別時間順序，可接著被應用於一傅立葉轉換來顯示該頻譜。即是，該裝置在該出離平面取樣之脈衝響應傳輸光譜係針對一所予的光學腔及LER位置構態所建立的。此方法亦能顯示在該出離平面針對一特定波長的空間波型圖案，且用於瞭解該側向結構對所造成的光空間廓形之影響是有利的。
該LER在該光學腔內的位置對該發光頻譜有一腔穴拖拉效應。即是，若該LER的發射光譜重疊單一且較窄的光波型，則所造成之透過該基材被抽取的光將會與被容許的光波型線寬等量。改變該LER位置會造成不同的吸收對比波長之反應。若注入的電子和電洞在該腔穴結構中之一被容許的節點內空間地重組，則該光能被產生。否則，自發的發射會被抑制。因此，該LER必須被設在形成該腔穴的外疊層內之一預定位置處。在某些實施例中，該等超晶格的周期性電子電洞重組區段可被生長在該外疊層中以匹配該等腔穴波型。該發光區可包含多數個光發射區被更多的間隔物層分開，而形成一周期性發射區其會重疊該光學腔之被容許的空間波型。
在步驟740中，若於步驟730所判定的發射輸出並不符合該預定標準，譬如未在一特定容差內達到一指定的量值，則一不同的LER位置會再被選擇。在720選擇一分隔距離，判定該發射輸出730，及判定該發射輸出是否符合該預定標準的步驟等，則會使用另擇的分隔距離之值來重複進行。該等程序會被重複，直到該分隔距離有一最佳的值，其在本揭露中將被定義為一最終分隔距離，其會使該預定標準符合一所需的效率。故，當該發射輸出在步驟740可被接受之後，該發光區會在步驟750時被設在離該反射器該最終分隔距離處。
圖8-12提供用以決定該發光區在該深UV裝置內之位置的模擬程序之舉例圖示。圖8A為一舉例的共振光學腔發光裝置800及一個二維出離平面801的示意圖，其中一所需的輸出或效率係會被評估。圖8B和8C為彼此正交(橫過該x和z維向)的垂直截面圖，示出一裝置805類似於裝置800，其中該基材810係面朝上。第一間隔物820是在該基材810和LER 830之間，而第二間隔物840是在該LER 830和反射器850之間。圖8D為一頂視圖，示出該裝置800具有一方形截面。該裝置800的側壁係傾斜的，在本實施例中該各層朝向該反射器850有一逐減的面積。例如，該第一間隔物820之一截面係大於第二間隔物840之一截面。圖8D示出該各不同層的外輪廓：基材810 (SUB邊界)，第一間隔物820 (底凸台)，LER 830 (主動SL體積)，及反射器850 (Al金屬)。圖8B-8D亦示出基材810上方的三個位置一孔口1、孔口2和孔口3一界定出一個二維的出離平面，在該處一所需的輸出，譬如一輻射發射的量值，將會被評估。圖8E示出一用於該主動層830中的Ez雙極之源極體積偏振地圖，顯示出該等射極的2D個別總成，其各係被用來形成該脈衝反應傳輸光譜的高斯超短脈衝所激發。該LED的尺寸會被輸入於該FDTD模擬，包括該發光區830相對於該反射器850的位置LSEP 。LSEP 可被輸入成一絕對距離，譬如以微米計，或成一比率，譬如該腔穴的長度之一分數。
圖9示出於本取樣結果中在一時間t=6.7 fs的瞬間該模型之一舉例的輸出。因來自LER 830的光受到多次反射，當它們傳導時會互相作用，故空間的EZ 場係與時間相關的。又，該裝置的三維構形會影響光的由該裝置發射。由圖8B-8D之孔口1、2和3所界定的二維出離平面係以紅色虛線表示。該出離平面即是輻射發射的量值將會被測量之處。於圖9中，在此時點有一些輻射場存在於該裝置內，而有一些已被由該裝置朝該出離平面發射。
圖10A示出在一稍後時間t=12.7 fs的模擬結果，在此時點該發射光已達到該出離平面。圖10B示出發射光在該出離平面之一頂視圖，在幾乎與圖10A相同的時點。圖10B示出光在該x-z平面之一不均勻的分佈會發生。此分佈會隨著時間改變。故，該裝置效率的預測是一複雜的三維問題，其會在本揭露中獨特地解決，乃藉使用有限差時間領域模式來最佳化該主動區在該LED內的位置。
圖11A-11B示出更多重複該模擬的結果，其中該LSEP 之值會改變，且所造成的輻射發射量值會被判定。於圖11A中LSEP 係小於圖9-10中所用之值，而在圖11B中LSEP 係較大。圖11A和11B中的圖表乃示出針對該裝置所造成的各種不同波長，在該出離平面的孔口處被算出的輻射發射量值。在圖11A的圖表中，該輻射量值於一大約300 nm的波長乃是最佳的，而在圖11B中該發射強度會隨著波長甚大地改變。由該等圖表中，可以看出透過本揭露的模擬方法，該裝置的發光區之一最佳位置能被決定，而來提供在一目標波長之一所需效率。
圖12A-12E示出針對三個該LER在該腔穴內的位置具有影響之特定波長l=205、222和275 nm在該出離平面取樣算出的2D空間光波型輪廓，其中∆＝分數/ LCAV 代表相對於該總腔穴長度LCAV 的分數位置。所擇的舉例位置為分數=1/6代表一LER靠近該反射器，而分數＝5/6代表一位置靠近該基材。該2D波型圖案係顯示全部三個波長用於分數=1/6皆會具有一致的空間功率遍及該主動裝置之一主要部份；而位置最遠離該Al鏡(分數=5/6)的LER顯示出一多波型空間圖案，其對外部功率耦接乃是不利的。
使用設計一如所述之ROCLED的方法，一共振光學腔發光裝置會被製成。在本揭露的實施例中，該ROCLED包含一基材，一第一間隔物區耦接於該基材，一發光區在該第一間隔物上，一第二間隔物區在該發光區上，及一反射器耦接於該第二間隔物區。該第一間隔物區對一目標發射深紫外線波長是無吸收性的，而該第一間隔物區的至少一部份包含一第一電極性。該發光區係構製成能產生該目標波長的光，且係定位在離該反射器一分隔距離處。該第二間隔物區對該目標波長是無吸收性的，而該第二間隔物區的至少一部份包含一第二電極性相反於該第一電極性。該反射器具有一金屬成分包含元素鋁。該共振光學腔發光裝置具有一光學腔在該反射器與該基材之一第一表面之間，該光學腔包含該第一間隔物區、第二間隔物區，及該發光區，而該光學腔具有一總厚度小於或等於K·l/n，K為一大於0的常數範圍由約0.25至10，譬如K=0.5、1、1.5、2等，l是該所需的發射波長，而n是該光學腔在該所需(目標)波長的有效折射率。
在某些實施例中，該發光區離該反射器的分隔距離係為用於該p上裝置結構的p型區之厚度的1/10至1/2，且典型限制於一最小值。或者，在某些實施例中，該發光區離該反射器的分隔距離係為用於該p下裝置結構的p型區之厚度的1/2至9/10，且典型限制於一最大值。
在某些實施例中，該基材對該目標波長是透光的。在某些實施例中，該基材對該目標波長是不透明的，該基材有一光孔穿過該基材。在某些實施例中，該發光區、該第一間隔物區，及該第二間隔物區的至少一者各包含一超晶格。在某些實施例中，該裝置垂直於構成該裝置之各層平面的側邊尺寸係在小於或等於5微米的範圍內，且大於或等於0.1微米。
圖13-15示範使用本方法來模型化更多的裝置構形。例如，在圖13A-13B中，一會朝向該基材斜張的側壁角度係被作為模型，其在本實施例中具有一-15°的角度。在圖14A-14B中一朝該基材斜縮的側壁角度係被作為模型，其具有一+45°的角度。即是，就圖14A-14B的斜向側壁而言，該第一間隔物區的截面積係大於該第二間隔物區的截面積。此構形將會影響該裝置的發射特性，並能透過該等模擬而被最佳化。
圖13和14的裝置在一水平面具有近似方形的截面，如可由圖13A中之垂直截面的寬度係大約與圖13B者相同，且圖14A和14B者亦有類似之事實來看出。相對地，圖15A-15B示出一矩形構形，其中該裝置在x維向(圖15A)的寬度係大於在z方向(圖15B)者。該LER位置LSEP 是該腔穴長度的一半。圖15C顯示圖15A-15B之裝置的發射輸出，示出該輻射發射量值之一尖峰大致與所需的波長lEM 相合。因此，此裝置構形係為該LED之一可行的設計選擇。
在某些實施例中，乃較好是該LED形狀為非對稱的(即是，不軸向對稱)而不是對稱的，俾能造成光發射偏振，其係為直線偏振或橢圓偏振的。此可用來偏振化該裝置所發射的輻射，並傾向於能加強該裝置的效率。即是，矩形形狀能使一較佳的偏振輻射在一較佳的方向被造成。圖17示出一裝置1700，其利用不對稱的構形來選擇偏振光。該裝置1700包含多數個矩形或突片狀的LED結構1705在一基材1710上互相平行，其中LED結構1705可為例如類似於圖15A～15B的結構。該等LED結構1705的上表面－它們是平行於該基材1710的平面－係非軸向對稱的。打破該軸向對稱並將光限制於該等層的平面中會造成一較佳的偏振光場能被由該裝置垂直地發射(箭號1720)。將該多個結構置設成水平地偏移半波長之一倍數，會更加強所發射的輻射場之建設性干涉。該等箭號1725和1730代表平面中的光偏振，而相對的大小代表由於該裝置突片1705的幾何形狀所致之在一特定方向的選擇性程度。即是，一不對稱的突片構形1705將會造成一橢圓偏振的TE狀發射圖案被以一方向1720導引。
在其它實施例中，一對稱的構形可被選擇來造成混合的偏振光，如圖18A-18C中所示，作為使用一不對稱結構如圖17中所示者之一另擇例來獲得選擇的偏振光。若該裝置是對稱的，譬如具有一水平截面係為圓筒形、六邊形或環形的形狀，則所發射的輻射是隨機偏振的，而矩形狀(不對稱)的裝置會使偏振定向的輻射以一特定方向發射。故，該發射輸出可在一觀察平面被限制成一理想的單波型發射輸出。此可藉一圓筒形裝置來被達成，其具有一直徑為例如大約2 mm以用於一III-N SL材料系統，如圖18A中所示，該圖提供具有不同直徑D_1＜ D_2＜ D_3之圓筒形對稱舉例光學腔裝置的平面和截面圖。該等垂直層包含一輸出耦接器1805，及一發光區1810設在離該高反射器1815一距離∆處。該等平面圖示出該等軸向對稱的圓形截面在一平行於該輸出耦接器基材1805的平面中。以一所予的∆，且操作波長並非很匹配於該直徑時，該近場空間發射圖案是多波型1820和1825。於該直徑D1係很匹配於該操作波長的情況下，該空間發射廓形為單波型，或準單波型1830。如同先前的實施例中，該裝置的腔穴係形成於一鋁背面反射器(1815)與一透明基板(1805)之間。裝置可藉蝕刻或側向氧化來構製，假若使用III-N形成較低折射率的III-氧化物。即是，側向光限制能被以氧化製程造成一有利的低折射率區和絕緣區而藉III-N的選擇性空間轉化來造成。該低折射率區或蝕刻區可被用來進一步限制該3D結構的平面範圍，而得更調變容許的波型數目。旋轉對稱(即盤式)的共振器會造成混合EX 和EZ 偏振光的傳輸波型，包括無偏振及圓形偏振的。因此在該裝置之體積內的容許光波型會被控制來造成最佳地耦合於垂直傳導波型。如前所述的FDTD模擬可被用來最佳化該裝置尺寸，譬如選擇一所需的盤半徑用於一所予的腔穴長度。例如，圖18B示出一圓筒形垂直共振光學腔LED具有一0.57 mm的半徑RCAV 。一所要的單光波型輸出係可在該出離平面處被看到，如該尖峰發射係集中於該盤中並逐漸地向外減少而得驗證。圖18C模擬一0.85 mm的半徑RCAV ，其中一不佳的多波型輸出係可被看出，因為有改變強度的同心環等。
在其它實施例中，一法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉計效應可被用來增加發射效率，乃藉將一部份反射鏡(例如5%)置設在基材上方並介於該透明基材與第一間隔物區之間。該部份鏡和該反射鋁可讓輻射強烈地干涉來加強該裝置所發射的輻射。此係示於圖19中用於該簡單的腔穴結構1905，其中一部份反射鏡1920作為該介電腔穴1925及高反射鏡1930之一輸出耦接材料。該舉例的光學腔1905係使用金屬鏡和包含氮化鋁的介電質半導體腔穴1925來形成。該垂直入射反射光譜1950係用於一具有AlN介電腔穴的半透明13 nm鋁，及形成該垂直光學腔1905的高反射100 nm鋁反射器，於L_cav=m* l/(2*n)及一所需操作波長為l=240 nm(如光波型1955所示者)的情況時，其中m=奇數整數，而n為AlN的折射率。該半透明的鋁輸出耦接鏡1920之厚度會針對一13 nm的厚度來被最佳化，以獲得一尖銳的光波型1955。垂直入射光1910和反射光1915的光譜相關性係針對不同的腔穴厚度示於該圖表1950中。例如，該裝置1905的光波型為該腔穴1925的厚度之一函數，會在該反射光譜1950中針對(m=1) 1935、 (m=3) 1940及(m=5) 1945的情況來被判定，如圖19中所示。因此該光波型1955可被有利地利用於該腔穴內所產生的光能之向外耦接。
圖20的流程圖2000描述用以製造各種構形之共振光學腔發光裝置，並使用於此所述之模擬方法的方法實施例。在步驟2010時，一基材會被提供。在步驟2020時，一第一間隔物區會被提供，該第一間隔物係耦接於該基材。該第一間隔物區對一目標發射深紫外線波長是無吸收性的，而該第一間隔物區的至少一部份包含一第一電極性。該第一間隔物區上之發光區會在步驟2030被提供，該發光區係構製成能發射該目標發射深紫外線波長。一第二間隔物區會在步驟2040被提供於該發光區上，該第二間隔物區對該目標發射深紫外線波長是無吸收性的。該第二間隔物區的至少一部份包含一第二電極性，相反於該第一電極性。在步驟2050時一反射器會被提供，該反射器係耦接於該第二間隔物區。該反射器具有一金屬成分包含元素鋁。該發光區係定位在離該反射器一分隔距離處。在步驟2060時該共振光學腔發光裝置會被使用一個三維電磁空間與時間模擬器來模擬。該模擬係依據該發光區是在離該反射器該分隔距離的狀況。在步驟2070時會判定一在相對於該基材之一出離平面的發射輸出是否符合一預定標準。該預定標準係選自：i)針對由該發光區產生之於該目標波長的光在該出離平面處之一光抽取效率，ii)在該出離表面發射之於該目標波長的光之一目標空間廓形，及iii)由該裝置抽取之實質上垂直於該基材被發射的光。
在流程圖2000的方法之某些實施例中，該三維電磁空間與時間模擬器是一有限差時間領域模擬器。在某些實施例中，該共振光學腔發光裝置可包含一p-i-n二極體的電結構，且係為一垂直腔穴表面發光裝置(VCSLED)。在某些實施例中，該發光區、第一間隔物區，及第二間隔物區的至少一者可各包含一超晶格。在某些實施例中，該共振光學腔發光裝置可被構製成一p上裝置，該第一電極性是n型，而該第二電極性是p型，其中該光反射器包含純鋁，且一複合的半導體和金屬接點會被提供在該第二間隔物區上。在某些實施例中，該共振光學腔發光裝置可被構製成一p下裝置，該第一電極性是p型而該第二電極性是n型，且其中該光反射器係為一用於該共振光學腔發光裝置的金屬電接點。
在流程圖2000的方法之某些實施例中，該基材可為透光的，而在該目標波長，該透光基材之一折射率係小於或等於該第一間隔物區之一折射率。在某些實施例中，該共振光學腔發光裝置在一平行於該基材的平面之截面係非軸向對稱的，而會提供一偏振光發射，其係直線偏振或橢圓偏振的。在某些實施例中，該共振光學腔發光裝置在一平行於該基材的平面之截面係為軸向對稱的，而會提供偏振光發射，其係無偏振或圓形偏振的。
在流程2000的方法之某些實施例中，該共振光學腔發光裝置具有一光學腔在該反射器與該基材之一第一表面之間，該光學腔包含該第一間隔物區、第二間隔物區及發光區；而該基材是透光的；且其中該光學腔具有一總厚度包含由該基材之該第一表面至該反射器的距離，該總厚度係小於或等於K·l/n。該光學腔的總厚度可為小於或等於所需的發射波長，而形成一次波長反共振器。該方法可更包含選擇該目標波長，選擇一用於該透光基材的材料，選擇該第一間隔物區之一厚度，及選擇該第二間隔物區之一厚度，以使該目標波長匹配於該光學腔和該反射器所形成之至少一被容許的光波型。
在不同的實施例中，該三維的ROCLED可被以一製法來構建，包括使用以下之至少一者側向地圖案化該疊層結構來形成一3D裝置：(i)空間地選擇性減去式蝕刻該疊層結構的一部份；(ii)空間地選擇性高能植入外來的原子種物於該疊層結構中；(iii)空間地選擇性轉變構成該疊層結構的材料，乃將初始材料轉變成另一形式材料成分其係不同於該初始材料；及(iv)使用至少一低折射率和電絕緣材料來空間地選擇性塗敷該3D結構的曝露側壁，其中該低折射率材料在該操作的深紫外線發射波長係小於該疊層結構的平均折射率。該圖案化製法會被執行而使該裝置的電子和光限制及或隔離能達成。於某些實施例中，在一光反射器之一第二間隔物區上的定位沉積可在圖案化並形成該3D裝置之前來被進行，而在該疊層結構的層形成製程期間形成一最終反射器結構的至少一部份。在某些實施例中，該3D裝置構建製程可包含一高反射器的沉積於該層形成步驟之後，然後再圖案化該3D裝置。在某些實施例中，該裝置係如下地製成：在薄膜形成時使用該疊層結構之一定位反射光譜監測來判定該光學腔厚度，並在沉積該光反射器的至少一部份之前，藉控制該第二間隔物區的厚度而來將該光學腔厚度調整至一預定值。
在以一包含側向圖案化該疊層結構之製法來構建該三維ROCLED的某些實施例中，該基材對至少該操作的深紫外線發射波長是透明的。該基材在該操作深紫外線發射波長可具有一折射率，其係小於該疊層結構材料在該操作深紫外線發射波長的平均折射率。該透明基材亦可被圖案化來形成一選自下列的光學元件：光集中器(譬如一透鏡)，繞射元件(譬如一平面繞射光柵元件，或平面貝梭(Bessel)射束同心孔隙)。在其它實施例中，該基材是不透明的，並會被圖案化來形成一光孔隙於所述的疊層結構及該高反射器的至少一部份底下。該不透明基材可被圖案化來形成一光孔隙，其實質上會移除該孔隙內的全部該不透明基材，而所形成的光孔隙可延伸貫穿該基材，並終結於至少該基材與該第一間隔物區之間的介面。一第二光反射器可被形成於該所形成的光孔隙內，其係藉沉積一反射器結構而形成者。該裝置可包含一光學腔乃藉將一疊層結構中夾於一上及一下反射器之間所形成，其中該等反射器之一者在該操作深紫外線發射波長係為高反射性，且另一反射器在該操作深紫外線發射波長是部份反射的。
在以一包含側向圖案化該疊層結構之製法來構建該三維ROCLED的某些實施例中，該反射器材料包含金屬鋁，其會在該操作深紫外線發射波長提供高反射和低損耗。在某些實施例中，該反射器材料係選自一循環式1/4波長雙層的疊層，其包含光學材料選自在該操作深紫外線發射波長實質上透明的成份，且該雙層對之間具有至少0.1的折射率差者。在某些實施例中，一反射器係為一金屬-介電質-金屬材料，其中該反射器金屬材料係選自一循環式1/4波長疊層，包含選自實質上透明的材料成分及金屬鋁成分的材料；其中該等1/4波長疊層成分之一者係選自氮化鋁(AlN)、氟化鎂(MgF2 )、氮氧化鋁(AlOx Ny )、氧化鋁(Al2 O3 )及氟化鈣(CaF2 )的至少一者；而另一1/4波長疊層成分係選自一多層的疊層，包含一透光材料和金屬鋁 (Al)，且該透光材料選自氮化鋁(AlN)、氟化鎂(MgF2 )、氮氧化鋁(AlOx Ny )、氧化鋁(Al2 O3 )及氟化鈣(CaF2 )的至少一者。在某些實施例中，該反射器係為選自一循環式1/4波長疊層的分佈介電布拉格(Bragg)反射器，包含至少二種不同的實質上透明材料成分，選自氮化鋁(AlN)、氟化鎂(MgF2 )、氮氧化鋁(AlOx Ny )、氧化鋁(Al2 O3 )、及氟化鈣(CaF2 )等之至少二者。
在以一包含側向圖案化該疊層結構之製法來構建該三維ROCLED的某些實施例中，一光學腔係被形成於該高反射器與該基材之間，其中該光學腔包含該第一間隔物區、發光區及第二間隔物區。該光學腔可具有一厚度係小於該操作深紫外線發射波長，而造成一次波長腔穴。該光學腔可具有一厚度係可相比於該操作深紫外線發射波長，而造成一奈米腔穴。該光學腔可具有一厚度係大於該操作深紫外線發射波長，而造成一次微米腔穴。
在以一包含側向圖案化該疊層結構之製法來構建該三維ROCLED的某些實施例中，該裝置具有的側向尺寸係小於2微米，而形成一光側向限制結構。在某些實施例中，該二側向尺寸的至少一者係小於2微米，而形成一光側向限制結構。在某些實施例中，該裝置具有該二側向尺寸的至少一者係小於2微米，而形成一光側向限制結構，並具有一輸出空間光波型係實質上為單波型。在某些實施例中，該裝置具有該二側向尺寸的至少一者係小於2微米，而形成一光側向限制結構，並具有一輸出空間光波型係實質上為一貝梭(Bessel)波型。
在以一包含側向圖案化該疊層結構之製法來構建該三維ROCLED的某些實施例中，該裝置係為一P上結構具有一P型導電性用於第一間隔物區結構的至少一部份係設成靠近該基材；及一n型導電性用於第二間隔物區結構的至少一部份係設成靠近該反射器。該發光區實質上為本質的導電性或不刻意地摻雜，且係定位在該腔穴之所容許的光波型處。該發光區較好係相對於該n型導電性區定位靠近該p型導電性區，因為電洞相較於電子有低遷移率。
在以一包含側向圖案化該疊層結構之製法來構建該三維ROCLED的某些實施例中，該裝置係為一P下結構具有一n型導電性用於第一間隔物區結構的至少一部份係設成靠近該基材；及一P型導電性用於第二間隔物區結構的至少一部份係設成靠近該反射器。該發光區實質上為本質的導電性或不刻意地摻離，且係定位在該腔穴之所容許的光波型處。該發光區較好係相對於該n型導電性區定位靠近該P型導電性區，因為電洞相較於電子有低遷移率。
用以造成可供深UV操作之光學腔的更多實施例係示於圖24-39中。圖24示出一使用金屬鏡及包含氮化鋁之介電質半導體腔穴形成的舉例光學腔。垂直入射反射率取自一金屬-介電質-金屬光學腔，其中該前金屬I為厚度15 nm的半透明鋁，而該後高反射器為100 nm的厚鋁。該等曲線示出改變該介電腔穴厚度L_cav=m*l/(2*n)的效應，其中該操作波長l係選為240 nm，且該折射率n係選擇為氮化鋁(AlN)在240 nm時所用者。而m=1,..,7。該反射率最小值 2405、 2410、2415、 2420、 2425、 2430係當該介電腔穴包含一光發射區時用來調整該裝置的發射波長者。以在200 nm至300 nm之間操作的深紫外線波長而言，該等反射器較好係選自鋁金屬，俾可減少光的穿透深度。
圖25為一使用金屬鏡及包含氮化鋁之介電質半導體腔穴形成的舉例光學腔。該垂直入射反射光譜2500係針對一形成一垂直光學腔之半透明鋁／AlN介電腔穴／高反射鋁的反射器，用於L_cav = m * l /(2*n)，其中m=3且l=240 nm。該半透明鋁輸出耦接鏡的厚度係被最佳化如用於13 nm之厚度的曲線2510所示。該腔穴的光共振之不佳解調會發生於與該13 nm的最佳厚度有2 nm差異者2505 (L=15 nm)和2515(L=11 nm)。
圖26為一使用圖16A的裝置之舉例光學腔2600，其中該等間隔物層1602和1604具有一800 nm的總長度(即該等間隔物層1602和1604之和為800 nm)，該功函數金屬1606是鉑並具有一2 nm的長度，鋁反射器1607具有一600 nm的長度，而GaN測試層EHR 1603為0.5 nm厚。箭號2645表示該藍寶石基材上的入射白色光譜，其會造成一反射光譜2650。圖26的光學裝置之反射率光譜係示於圖27中。作為波長之一函數的該p型GaN層1605之厚度(L_pGaN)的效應係示於圖27的曲線2715和2710中，分別針對L_pGaN=0 nm和25 nm的情況。該pGaN吸收器會減少鋁對該腔穴的耦接。該等pGaN層的寄生吸收之甚大吸收會改變該光學腔如所示。該pGaN的高吸收率會有效地減少該後鋁高反射器的影響，故而會抑制腔穴操作。
在圖28中，圖24和25之腔穴內的垂直光波型係針對三種p型氮化鎵厚度的情況來被示出。2805、2810和2815的圖表描述空間光譜吸收作為該EHR區1603 (圖16A)在該介電腔穴相對於該藍寶石基材表面的位置之一函數。該三個圖表2805、2810和2815係針對相同的裝置結構，但改變pGaN厚度，且固定的高功函數層厚度=2 nm。在該EHR區中的吸收係可見當該pGaN層的寄生吸收增加時會減少，由於增加L(pGaN)=0, 5和10 nm。即是，該pGaN吸收會減少該Al高反射器的效果，並減少該腔穴內的光波型強度。比較區域2830和2850顯示當以該腔穴波型共振時，該pGaN吸收不僅會減少該EHR的吸收，而且亦會稍微地紅向移位該等腔穴波型。因此，若該裝置係被設計來在L(pGaN)=0的情況下發射265 nm的波長(2820)，則增加該 L(pGaN)=10 nm將會造成一發射波長＞265 nm的明顯移位。顯然地，針對一所予的EHR位置1630，由該透明藍寶石基材入射的光在特定波長之高吸收的共振波型會被觀察到。一GaN之薄吸收區的引用係顯示能調變該共振的強度和波長位置。因此，該EHR較好係針對一所予的操作設計波長選成被定位在高吸收的位置。例如，在構形地圖2805中的光波型2830是當要以波長2820操作時該EHR在該腔穴內的較佳位置。
圖29為一用於一光學裝置2905的舉例反射器結構，包含一氮化鋁介電腔穴。該p型接觸疊層包含AlN基的介電腔穴2925，一厚度為L_pGaN的p型介電質／半導體2920，一歐姆式金屬層2915在該操作波長是部份吸收性的，及一鋁高反射器2910。例如，該AlN基腔穴的厚度係 L_ALN=800 nm。圖29的構造可另擇地為一AlGaN、 GaN或SL(AlN/GaN)腔穴來取代AlN。
圖30A和30B示出透過圖26中之該裝置的藍寶石基材所見之在一240 nm的設計波長之光反射效果。圖30A示出針對各種不同的鈦歐姆式金屬厚度之情況時的反射率3005作為pGaN厚度(L_pGaN)之一函數。該理想狀況3010係被示出，而最不佳狀況為3015。圖30B示出該反射率3020相對於鈦歐姆式金屬厚度(L_Ti)，其最佳狀況為曲線3025，而最不佳的是3030。該計算示出針對一所予的p型GaN及歐姆式金屬構態用於裝置操作的最佳化方法。因此，必須使用較有利的歐姆式電接觸材料，譬如圖29的2915、2920，但令較不利的光吸收性質能被最佳化，即藉最小化該高反射Al鏡2910與該介電腔穴之間的材料厚度並保有本揭露的光學腔效果。
圖31為光學腔之一示意圖，其係可能使用介電鏡(裝置3105)或金屬-介電質-金屬(裝置3150)者。該裝置類型3105的介電鏡包含1/4波長厚度的至少兩種不同材料3110和3115其有足夠的循環數目以在一操作波長造成所需的反射。厚度3130的介電腔穴3120及該EHR 3125係被示出。該EHR的發射光譜係匹配於該腔穴的光波型(例如圖28中所示者)。裝置3150係為金屬-介電質-金屬光學腔，包含該高反射金屬3155及介電腔穴3160。介電腔穴3160包含一EHR 3125，其亦作用如該發光區，且亦可提一發射增益光譜如圖表3140中所示。該部份反射／透射薄膜金屬輸出耦接器3165會完成該光學腔裝置3150。圖表3140代表由該等鏡和腔穴材料所造成的縱向光波型，而該增益光譜為該EHR 3125的發射廓形。該增益光譜與一被容許的光波型之重疊能使由該腔穴內產生的光逃出該等裝置，如光束3145所示。
圖32示出一反射光譜3200例如介電反射器3230者，其包含1/4波長的氮化鋁(AlN) 3235和氧化鋁(Al2 O3 ) 3240之數個雙合層。在一所需波長帶3220內的反射光譜3200係針對21次循環3205、9次循環3210、及6次循環3215的不同介電鏡來被示出。該等介電鏡可被用來形成圖31的該種光學腔裝置3105。波長的穿透深度3170 (圖31)係比一同等的金屬-介電質裝置更深很多。區域3225代表該光譜之一頻帶外的部份，其沒有造成有利的反射率增加。區域3220代表反射頻帶內的光譜，其對增加反射率是較佳的。
圖33示出一能被用來形成本揭露的光學腔之舉例介電筫-半導體鏡的反射光譜。該光學腔包含AlN，且該高反射器包含一30次循環的Al2 O3 /AlN 1/4波長疊層及一10.5次循環的輸出耦接器以用於一設計波長。於該反射光譜3300中，該光學腔波型3305係被示出在250 nm。
圖34示出能被用來形成本揭露的光學腔之另一舉例介電質-半導體鏡的反射光譜。該光學腔包含AlN，且該高反射器包含一20次循環的MgF2 /AlN 1/4波長疊層及一5.5次循環的輸出耦接器以用於一設計波長。於該反射曲線3400中，該光學腔波型3405係被示出在250 nm。該氟化鎂(MgF2 )與氮化鋁(AlN)之間的大折射率差會提供相較於3305更優異的光學腔波型3405。
圖35為一舉例的垂直發射光學腔裝置3520包含一基材3530和光學腔3525。光學腔3525包含Al2 O3 /AlN鏡等，一AlN腔穴具有Al2 O3 孔隙以控制橫向光波型，及一蝕刻區3550在該輸出耦接鏡中。該裝置結構3520會被以一在該AlN腔穴中間內的EHR位置來模擬，且該FDTD結果係被示於模擬地圖3500和電場圖3540中。該發射光束3503表示向外耦接的波長。該軸上電場強度3505係被測繪於圖3540中，示出穿入該等介電鏡中的穿透深度。該折射率變化3545示出用於該光學腔的高和低折射率。
圖36A-36B示出一使用薄奈米結構的鋁金屬層和介電層之一金屬-半導體組合物3620形成的深紫外線鏡之又另一例。各薄鋁金屬層係中夾於寬帶隙能量氮化鋁半導體／介電質之間。該雙層薄片的有效折射率n_eff係藉選擇該鋁層3630(L_Al)和該AlN層 3635(L_AlN)的厚度來設計，如圖36B中所示。針對l=250 nm的操作波長，如圖36A的圖表3600中所示，該雙層對包含該循環的金屬-介電質薄片單元組(L_Al、L_AlN)=(0.8 nm、1 nm) 3610和(1.65 nm、2 nm) 3615會造成n_eff=1.4。針對一所予的(L_Al、L_AlN)對來選成總循環次數等於一l/(4*n_eff)的光厚度，能在一反射性材料於該深UV範圍中操作時促成實用性。又，使用該功能如一1/4波長層的金屬-介電質薄片再包含一分佈式布拉格反射器(DBR)能被有利地用來造成一適合於一光學腔的高反射介質。即是，該等金屬-介電質循環薄膜層包含一超晶格SL[Al/AlN]會形成該DBR的一種有效折射率材料。一適合於所述光學腔的DBR之例係被形成包含至少二不同的兩種材料類型M1和M2，其中M1和M2皆為折射率n_M1和n_M2的1/4波長厚度材料，而DM=M2-M2，並更包含[M1/M2]_1、 [M1/M2]_2,…,[M1/M2]_P之一周期性重複疊層的數目P，且該M1包含所揭的SL[Al/AlN]薄片其係總厚度等於1/4波長，而M2係選自塊體AlN之一1/4波長厚層。此一金屬-介電質DBR之一優點係在該M1和M2間的折射率大變化Dn，故僅須要一小循環數次P即能在該深UV範圍達到高反射性。此DBR類型在AlN基的光電子裝置之定位沉積時係特別地有利，譬如LED和該種類型3105的垂直發射雷射(參見圖31)。
圖37A-37B示出在該深UV範圍操作之該種類型3150 (圖31)光學腔3700之一例。該高反射鋁後反射器3705以一低折射率的透明基材3720中夾一AlN基的介電腔穴3715。該有效輸出耦接器係藉該介電質3715和基材3720的折射率間之分階折射率來形成。一可擇的埋入式半透明反射器可被置設在該介電質與該基材之間。一奈米結構的發射／吸收區3710係置設在該AlN基的介電腔穴內離該高反射器3705一距離處。該區域3710可為一量子井或超晶格材料，包含氮化鎵鋁(AlGaN)設計成能獲得一光發射／吸收光譜如圖37B中所示。例如，形成一量子井或超晶格 SL[AlN/GaN]的材料AlN/GaN/AlN之疊層結構能被用於該區域3710。預定光譜3730和3735的譜寬及相對於波長的尖峰位置會被控制，乃藉選擇在埃(Å)至奈米規格內而形成量子限制狀態譬如激發子的材料厚度和成分。該非直線光區3710的插入作用如該EHR區。該EHR光譜會影響由該基材3720與反射器3705之間的介電質3715所形成的光學腔。
於圖38中，在圖37A中所述的光學腔之操作，係被以透過該透明的藍寶石基材3720所見之反射率地圖3800來示出。該EHR區3710的位置3805會戲劇化地影響該裝置的操作。以一所予的操作波長而言，例如240 nm或250 nm，其最大者和最小者可藉將該EHR定位於該AlN基的光學腔內來被有利地選擇，如所示。例如，該藍寶石基材上的入射白色光譜2645會造成一反射光譜2650 (圖26)，如在該反射率地圖3800中所示。透過該藍寶石所見的反射率會被該光學腔效應影響，如前所述。該EHR區3710內之一高吸收係可藉將該區域3710定位在一由3805所選的光學腔波型，並會造成一最小反射處，例如3810和3815，而被實現。該交互的作法亦請瞭解其中該EHR係為一光發射區，而目標係要抽取最大量穿出該藍寶石基材外的光。因此，藉著設計該光學腔並將該EHR區3710有利地定位在一吸收最大處，將會使用該光學腔造成一高抽取效率光發射器。
圖39係為一僅在圖37A的裝置之EHR(即LER)區3710內的吸收地圖3900，其中該EHR區3710係在一相對於該介電質-基材介面的位置3905透過該AlN-基的介電腔穴被垂直地掃描。明顯地，對一250 nm的操作波長而言，該吸收最大處，例如3910和3915，係為用於該EHR區的有利位置，於本實施例中係在大約25 nm和75 nm處。該EHR區在該AlN-基的介電腔穴內之其他位置將會在250 nm造成由該EHR區所產生之光的不佳光抽取效率。
雖本說明書已針對本發明的特定實施例詳細描述，但可體會精習於該技術者在獲得以上的瞭解時，將可輕易地想知該等實施例的替代、變化和等同例。這些和其它對本發明的修正和變化可能被精習於該技術者實施，而不超出本發明的範圍，其係更詳細地陳述於所附申請專利範圍中。且，精習於該技術者將會瞭解以上說明係僅作為舉例，而非意要要限制本發明。
10、800‧‧‧(共振光學腔發光)裝置(ROCLED)
12‧‧‧發光區(LER)
14‧‧‧(上)反射器
15‧‧‧(下)反射器
16、17‧‧‧間隔物
18‧‧‧整體長度
100‧‧‧(深紫外線共振光學腔發光)裝置；深UV(LED)裝置
110‧‧‧(透明)基材
112‧‧‧第一表面
120‧‧‧(第一)間隔物；第一間隔物區
130‧‧‧輻射發射區；LER；發光區
140‧‧‧(第二)間隔物；第二間隔物區
150‧‧‧(鋁金屬)反射器
180a、180b‧‧‧射線
200‧‧‧(深UV共振光學腔發光)裝置；DUV裝置
210、810、1710、3530‧‧‧基材
220‧‧‧第一間隔物(區)；間隔物
230‧‧‧發光區；LER
232、242‧‧‧超晶格層
240‧‧‧第二間隔物(區)；間隔物
250‧‧‧(光)反射器；反射接點：Al金屬反射器；Al金屬反射部份
260‧‧‧緩衝層
270‧‧‧歐姆接點
275‧‧‧p型GaN接觸層
700、2000‧‧‧流程圖
710-750、2010-2070‧‧‧步驟
801‧‧‧出離平面
805‧‧‧裝置
820‧‧‧第一間隔物
830‧‧‧LER；主動層；發光區
840‧‧‧第二間隔物
850‧‧‧反射器
1600、3520‧‧‧光學腔(裝置)；腔穴
1601‧‧‧(藍寶石)基材
1602、1604‧‧‧間隔物(層)
1603‧‧‧LER；電子電洞重組區(EHR)；測試層(EHR)
1605‧‧‧p區；p型接觸疊層；吸光層；(p型)氮化鎵(GaN)層
1606‧‧‧(高)功函數金屬；p型接觸疊層；吸光層
1607‧‧‧鋁(UV高)反射器；高反射器
1630‧‧‧距離；垂直位置；EHR位置
1640‧‧‧吸收共振
1650‧‧‧發射光譜；LER光譜
1655、1660‧‧‧波型光譜
1700、3105、3150‧‧‧裝置
1705‧‧‧LED結構
1720‧‧‧垂直發射光
1725、1730‧‧‧平面中偏振光
1805、3165‧‧‧輸出耦接器
1810‧‧‧發光區
1815‧‧‧高反射器
1820、1825‧‧‧多波型
1830‧‧‧單波型
1905、2600、3525、3700‧‧‧光學腔
1910‧‧‧垂直入射光
1915‧‧‧反射光
1920‧‧‧部份反射鏡
1925、2925、3120、3160‧‧‧介電腔穴
1930‧‧‧高反射鏡
1935、1940、1945、1955、2830、2850‧‧‧光波型
1950、2650、3200、3300、3400‧‧‧反射光譜
2405、2410、2415、2420、2425、2430‧‧‧反射率最小值
2500‧‧‧垂直入射反射光譜
2505、2510、2515、2710、2715‧‧‧反射波長曲線
2645‧‧‧入射白色光譜
2805、2810、2815‧‧‧吸收圖表
2820‧‧‧波長
2905‧‧‧光學裝置
2910‧‧‧鋁高反射器
2915‧‧‧歐姆式金屬層
2920‧‧‧p型介電質/半導體
3005、3020‧‧‧反射率
3010、3025‧‧‧最佳狀況
3015、3030‧‧‧最不佳狀況
3105‧‧‧(裝置)類型；(光學腔)裝置
3110、3115‧‧‧材料
3125‧‧‧EHR
3130‧‧‧厚度
3140、3600‧‧‧圖表
3145‧‧‧光束
3155‧‧‧高反射金屬
3170‧‧‧穿透深度
3205、3210、3215‧‧‧不同介電鏡的反射光譜
3220、3225‧‧‧波長帶區
3230‧‧‧介電反射器
3235‧‧‧氮化鋁
3240‧‧‧氧化鋁
3305、3405‧‧‧光學腔波型
3500‧‧‧模擬地圖
3503‧‧‧發射光束
3505‧‧‧電場強度
3540‧‧‧(電場)圖
3545‧‧‧折射率變化
3550‧‧‧蝕刻區
3600‧‧‧圖表
3610、3615‧‧‧金屬-介電質薄片單元組
3620‧‧‧金屬-半導體組合物
3630‧‧‧鋁層
3635‧‧‧AlN層
3705‧‧‧高反射鋁後反射器；(高)反射器
3710‧‧‧發射/吸收區；區域；非直線光區：EHR區
3715‧‧‧介電腔穴；介電質
3720‧‧‧(透明)基材；藍寶石基材
3730、3735‧‧‧光譜
3800‧‧‧反射率地圖
3805、3905‧‧‧位置
3810、3815‧‧‧最小反射處
3900‧‧‧吸收地圖
3910、3915‧‧‧吸收最大處
D‧‧‧直徑
LCAV‧‧‧長度；總厚度：腔穴長度
Lcav1、Lcav2‧‧‧長度
LEM‧‧‧發光區長度
LSEP1、LSEP2‧‧‧間隔物長度
∆、∆1630‧‧‧距離
圖1為一該領域中已知的共振光學腔發光裝置之一垂直截面。
圖2為一依據本揭露之某些實施例的深紫外線共振光學腔發光裝置之一立體圖。
圖3為圖2的裝置之一垂直截面。
圖4A為一依據某些實施例之具有超晶格層的深UV共振光學腔裝置之一垂直截面。
圖4B為一依據某些實施例之具有一超晶格反射器的深UV共振光學腔發光裝置之一立體圖。
圖5示出圖4A的裝置之一舉例的價帶能隙圖。
圖6示出圖4A的裝置之一舉例的發光圖。
圖7為一依據某些實施例之用以製造一深UV共振光學腔發光裝置的方法之流程圖。
圖8A示出一舉例的3D光學裝置和出離平面之一示意圖。
圖8B-8E示範一深UV共振光學腔發光裝置的模擬，其中該裝置具有一方形截面。
圖9示出一對應於圖8B-8E之模型的舉例模擬輸出。
圖10A-10B示出對應於圖8B-8E之模型的另外模擬輸出。
圖11A示出另一舉例的模擬，其中該發光區的位置已被改變。
圖11B示出又另一舉例的模擬，其中該發光區的位置已被改變至一與圖11A不同的位置。
圖12A-12B示出在該出離平面針對波長l=205 nm之一2D空間波型圖案。
圖12C-12D示出在圖12A-12B之裝置的出離平面針對波長l=222 nm之2D空間波型圖案。
圖12E-12F示出在圖12A-12B之裝置的出離平面針對波長l=274 nm之2D空間波型圖案。
圖13A-13B示範一依據某些實施例之具有一另擇的側壁角度的裝置之一實施例。
圖14A-14B示範另一依據某些實施例之具有一不同於圖13A-13B之側壁角度的裝置之一實施例。
圖15A-15B示範一依據某些實施例的矩形裝置構形之一實施例。
圖15C示出在一裝置的觀察孔口針對向外耦接光之一舉例的模擬發射輸出。
圖16A示出一舉例的ROCLED裝置。
圖16B示出圖16A的裝置之算出的光波型。
圖16C示出圖16A的裝置針對不同的LER位置之光波型。
圖17為一具有多個矩形結構以造成選擇性偏振的舉例裝置之一立體圖。
圖18A為一用以造成一單波型輸出的圓筒形裝置等之示意圖。
圖18B-18C為對應於圖18A的圓筒形裝置之舉例模擬。
圖19為一依據某些實施例的部份反射鏡之一圖表。
圖20為一依據某些實施例之用以製造一深UV共振光學腔發光裝置的方法之流程圖。
圖21A為一具有分佈式布拉格(Bragg)反射器之共振光學腔發光裝置之一立體圖。
圖21B為一具有金屬反射器的共振光學腔發光裝置之一立體圖。
圖22為金屬的反射光譜之一圖表。
圖23為一具有分佈式布拉格反射器形成一全介電質結構的共振光學腔發光裝置之一反射率對波長的圖表。
圖24為一具有鋁金屬之高和部份反射器形成一金屬-介電質-金屬結構的共振光學腔發光裝置之一反射率對波長的圖表。
圖25為一反射光譜驗證一光學腔長度之最佳化的圖表。
圖26示出圖16的裝置之數層的取樣值。
圖27為圖26的裝置之一反射光譜。
圖28示出圖24和25的腔穴之垂直光波型。
圖29示出一本揭露的光學裝置之一舉例的反射器結構。
圖30A-30B驗證一鈦歐姆式中介層的最佳化。
圖31示出使用介電鏡和金屬-介電質-金屬的光學腔。
圖32示出一具有氮化鋁和氧化鋁之雙合層的介電反射器之一實施例的反射光譜。
圖33示出一介電質-半導體鏡之一實施例的反射光譜。
圖34示出一介電質-半導體鏡之另一實施例的反射光譜。
圖35提供一有一蝕刻區在該輸出耦接鏡中的光學腔裝置之一視圖，以及一對應的模擬地圖和電場圖。
圖36A-36B示出一超晶格鏡結構之一實施例的折射率圖及一層疊。
圖37A-37B示出又另一光學腔裝置的實施例，及一對應的激發子吸收係數光譜。
圖38為一對應於圖37A之裝置的反射地圖。
圖39為一對應於圖37A之裝置的吸收地圖。
200‧‧‧(深UV共振光學腔發光)裝置；DUV裝置
210‧‧‧基材
220‧‧‧第一間隔物(區)；間隔物
230‧‧‧發光區；LER
232、242‧‧‧超晶格層
240‧‧‧第二間隔物(區)；間隔物
250‧‧‧(光)反射器；反射接點：Al金屬反射器；Al金屬反射部份
260‧‧‧緩衝層
270‧‧‧歐姆接點
275‧‧‧p型GaN接觸層

Claims (20)

  1. 一種共振光學腔發光裝置，包含： 一基材； 一第一間隔物區耦接於該基材，該第一間隔物區對一目標發射深紫外線波長(目標波長)係無吸收性，其中該第一間隔物區的至少一部份包含一第一電極性； 一發光區在該第一間隔物區上，該發光區係構製成能發射該目標波長； 一第二間隔物區在該發光區上，該第二間隔物區對該目標波長係無吸收性，其中該第二間隔物區的至少一部份包含一第二電極性相反於該第一電極性；及 一反射器耦接於該第二間隔物區，該反射器具有一金屬成分包含元素鋁； 其中該發光區係定位在離該反射器一分隔距離處；且 其中該共振光學腔發光裝置具有一光學腔在該反射器與該基材之一第一表面之間，該光學腔包含該第一間隔物區、該第二間隔物區及該發光區，其中該光學腔具有一總厚度小於或等於K·l/n，其中K為一範圍由0.25至10的常數，l是該目標波長，而n是該光學腔在該目標波長之一有效折射率。
  2. 如請求項1之裝置，其中該分隔距離為該光學腔之總厚度的1/10至1/2；且 其中該共振光學腔發光裝置係構製成一p上裝置，該第一電極性是n型，該第二電極性是p型。
  3. 如請求項1之裝置，其中該分隔距離為該光學腔之總厚度的1/2至9/10；且 其中該共振光學腔發光裝置係構製成一p下裝置，該第一電極性是p型，該第二電極性是n型。
  4. 如請求項1之裝置，其中該基材對該目標波長是透光的。
  5. 如請求項1之裝置，其中該基材對該目標波長是不透明的，該基材具有一光孔隙貫穿該基材。
  6. 如請求項1之裝置，其中該發光區，該第一間隔物區，及該第二間隔物區的至少一者包含一超晶格。
  7. 一種製造一共振光學腔發光裝置的方法，該方法包含： 提供一基材； 提供一第一間隔物區耦接於該基材，該第一間隔物區對一目標發射深紫外線波長係無吸收性，其中該第一間隔物區的至少一部份包含一第一電極性； 提供一發光區於該第一間隔物區上，該發光區係構製成能產生在該目標波長的光； 提供一第二間隔物區於該發光區上，該第二間隔物區對該目標波長係無吸收性，其中該第二間隔物區的至少一部份包含一第二電極性相反於該第一電極性； 提供一反射器耦接於該第二間隔物區，該反射器具有一金屬成分包含元素鋁，其中該發光區係定位在離該反射器一分隔距離處； 使用一個三維電磁空間與時間模擬器來模擬該共振光學腔發光裝置，該模擬是依據該發光區係位在離該反射器該分隔距離處；及 判定一在相對於該基材之一出離平面的發射輸出是否符合一預定標準，其中該預定標準係選自：i) 針對由該發光區產生之在該目標波長的光在該出離平面之一光抽取效率，ii)在該出離平面發射之在該目標波長的光之一目標空間廓形，及iii)由該裝置抽取之實質上垂直於該基材被發射的光。
  8. 如請求項7之方法，其中該三維電磁空間與時間模擬器為一有限差時間領域模擬器。
  9. 如請求項7之方法，其中該發光區，該第一間隔物區，及該第二間隔物區的至少一者包含一超晶格。
  10. 如請求項7之方法，其中該共振光學腔發光裝置係構製成一p上裝置，該第一電極性是n型，該第二電極性是p型，且其中該光反射器包含純鋁；及 其中該方法更包含提供一複合的半導體和金屬接點於該第二間隔物區上。
  11. 如請求項7之方法，其中該共振光學腔發光裝置係構製成一p下裝置，該第一電極性是p型，該第二電極性是n型，且 其中該光反射器係為一用於該共振光學腔發光裝置的金屬電接點。
  12. 如請求項7之方法，其中該基材對該目標波長是透光的，且在該目標波長時，該透光基材之一折射率係小於或等於該第一間隔物區之一折射率。
  13. 如請求項7之方法，其中該共振光學腔發光裝置在一平行於該基材的平面中之一截面係非軸向對稱的，而會提供一光發射偏振其係直線偏振或橢圓偏振的。
  14. 如請求項7之方法，其中該共振光學腔發光裝置在一平行於該基材的平面中之一截面係非軸向對稱的，而會提供光發射偏振其係無偏振或圓形偏振的。
  15. 如請求項7之方法，其中： 該共振光學腔發光裝置具有一光學腔在該反射器與該基材之一第一表面之間，該光學腔包含該第一間隔物區、該第二間隔物區及該發光區； 該基材在該目標波長是透光的；且 該光學腔具有一總厚度包含由該基材之該第一表面至該反射器的距離，該總厚度係小於或等於K·l/n，其中K為一範圍由0.5至10的常數，l是該目標波長，而n是該光學腔在該目標波長之一有效折射率。
  16. 如請求項15之方法，其中該光學腔的總厚度係小於或等於該目標波長而形成一次波長共振器。
  17. 如請求項15之方法，更包含： 選擇該目標波長； 選擇一材料用於該透光基材； 選擇該第一間隔物區之一厚度；及 選擇該第二間隔物區之一厚度，以使該目標波長匹配於由該光學腔和該反射器所形成之至少一容許的光波型。
  18. 一種製造一共振光學腔發光裝置的方法，該方法包含： 選擇一要被該共振光學腔發光裝置造成的目標發射深紫外線波長，該共振光學腔發光裝置包含一發光區在一基材與一反射器之間，該發光區係構製成能產生在該目標波長的光，且該反射器具有一金屬成分包含元素鋁，其中a)一第一間隔物區係在該發光區與該基材之間，及b)一第二間隔物區係在該發光區與該反射器之間； 選擇該發光區與該反射器間之一分隔器距離； 使用一個三維電磁空間與時間模擬器來判定在一相對於該基材的出離平面之一發射輸出是否符合一預定標準，其中該預定標準係選自：i)針對由該發光區產生之在該目標波長的光在該出離平面之一光抽取效率，ii)在該出離平面發射之在該目標波長的光之一目標空間廓形，及iii)由該裝置抽取之實質上垂直於該基材被發射的光； 若該發射輸出不符合該預定標準則重複該選擇一分隔距離的步驟及該判定的步驟，其中該重複會使用另擇的值為該分隔距離，直到一最終分隔距離會使該預定標準被滿足為止；及 將該發光區定位在離該反射器該最終分隔距離處。
  19. 如請求項18之方法，其中該共振光學腔發光裝置具有一光學腔在該反射器與該基材之一第一表面之間，該光學腔包含該第一間隔物區、該第二間隔物及該發光區；且 其中該方法更包含： 選擇一材料用於該基材； 選擇該第一間隔物區之一厚度；及 選擇該第二間隔物區之一厚度，以使該目標波長匹配於由該光學腔和該反射器所形成之至少一容許的光波型。
  20. 如請求項18之方法，其中該發光區、該第一間隔物區、及該第二間隔物區的至少一者各包含一超晶格。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI707482B (zh) * 2017-11-22 2020-10-11 日商創光科學股份有限公司 氮化物半導體發光元件
TWI764594B (zh) * 2020-03-04 2022-05-11 塞席爾商首源科技股份有限公司 波轉換方法

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10554020B2 (en) 2017-06-29 2020-02-04 Silanna UV Technologies Pte Ltd LED with emitted light confined to fewer than ten transverse modes
US11527519B2 (en) 2017-11-27 2022-12-13 Seoul Viosys Co., Ltd. LED unit for display and display apparatus having the same
US11282981B2 (en) 2017-11-27 2022-03-22 Seoul Viosys Co., Ltd. Passivation covered light emitting unit stack
US10892297B2 (en) 2017-11-27 2021-01-12 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting diode (LED) stack for a display
US10892296B2 (en) 2017-11-27 2021-01-12 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting device having commonly connected LED sub-units
US10748881B2 (en) 2017-12-05 2020-08-18 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting device with LED stack for display and display apparatus having the same
US10886327B2 (en) 2017-12-14 2021-01-05 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting stacked structure and display device having the same
US11552057B2 (en) 2017-12-20 2023-01-10 Seoul Viosys Co., Ltd. LED unit for display and display apparatus having the same
US11522006B2 (en) 2017-12-21 2022-12-06 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting stacked structure and display device having the same
US11552061B2 (en) 2017-12-22 2023-01-10 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting device with LED stack for display and display apparatus having the same
JP6727185B2 (ja) * 2017-12-28 2020-07-22 日機装株式会社 窒化物半導体発光素子
US11114499B2 (en) 2018-01-02 2021-09-07 Seoul Viosys Co., Ltd. Display device having light emitting stacked structure
US10784240B2 (en) 2018-01-03 2020-09-22 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting device with LED stack for display and display apparatus having the same
US10663350B1 (en) * 2018-06-22 2020-05-26 United States Of America As Represented By The Administration Of Nasa Two-dimensional phononic metamaterial filter structure for ultra-low-background detectors
CN108962042B (zh) * 2018-07-23 2021-04-02 上海天马微电子有限公司 显示面板及其制作方法
US11271143B2 (en) 2019-01-29 2022-03-08 Osram Opto Semiconductors Gmbh μ-LED, μ-LED device, display and method for the same
JP2022523081A (ja) * 2019-01-29 2022-04-21 オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング μ－ＬＥＤ、μ－ＬＥＤ配置構造、ディスプレイおよびそれらに関する方法
US11322647B2 (en) * 2020-05-01 2022-05-03 Silanna UV Technologies Pte Ltd Buried contact layer for UV emitting device
WO2023073404A1 (en) 2021-10-27 2023-05-04 Silanna UV Technologies Pte Ltd Methods and systems for heating a wide bandgap substrate
WO2023084274A1 (en) 2021-11-10 2023-05-19 Silanna UV Technologies Pte Ltd Epitaxial oxide materials, structures, and devices
WO2023084275A1 (en) 2021-11-10 2023-05-19 Silanna UV Technologies Pte Ltd Ultrawide bandgap semiconductor devices including magnesium germanium oxides
US11522103B1 (en) * 2021-11-10 2022-12-06 Silanna UV Technologies Pte Ltd Epitaxial oxide materials, structures, and devices

Family Cites Families (56)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5493577A (en) * 1994-12-21 1996-02-20 Sandia Corporation Efficient semiconductor light-emitting device and method
US5719891A (en) * 1995-12-18 1998-02-17 Picolight Incorporated Conductive element with lateral oxidation barrier
US5780867A (en) * 1996-03-07 1998-07-14 Sandia Corporation Broadband light-emitting diode
US6998281B2 (en) * 2000-10-12 2006-02-14 General Electric Company Solid state lighting device with reduced form factor including LED with directional emission and package with microoptics
US6969874B1 (en) * 2003-06-12 2005-11-29 Sandia Corporation Flip-chip light emitting diode with resonant optical microcavity
US7560736B2 (en) * 2005-08-15 2009-07-14 General Electric Company Mid-infrared resonant cavity light emitting diodes
DE102005057800B4 (de) * 2005-11-30 2009-02-26 Technische Universität Berlin Einzelphotonenquelle und Verfahren zu deren Herstellung und Betrieb
US7643526B1 (en) 2006-06-21 2010-01-05 Michael Lebby Spontaneous/stimulated light emitting μ-cavity device
JP5730484B2 (ja) 2007-01-26 2015-06-10 クリスタル アイエス インコーポレイテッド 厚みのある擬似格子整合型の窒化物エピタキシャル層
EP1976031A3 (en) 2007-03-29 2010-09-08 Seoul Opto Device Co., Ltd. Light emitting diode having well and/or barrier layers with superlattice structure
US9331240B2 (en) 2008-06-06 2016-05-03 University Of South Carolina Utlraviolet light emitting devices and methods of fabrication
KR20100033749A (ko) * 2008-09-22 2010-03-31 삼성전자주식회사 유기 발광 표시 장치
DE102009034359A1 (de) 2009-07-17 2011-02-17 Forschungsverbund Berlin E.V. P-Kontakt und Leuchtdiode für den ultravioletten Spektralbereich
US9287442B2 (en) 2009-12-04 2016-03-15 Sensor Electronic Technology, Inc. Semiconductor material doping
US9368580B2 (en) 2009-12-04 2016-06-14 Sensor Electronic Technology, Inc. Semiconductor material doping
US9412901B2 (en) 2010-01-08 2016-08-09 Sensor Electronic Technology, Inc. Superlattice structure
US8927959B2 (en) 2010-06-18 2015-01-06 Sensor Electronic Technology, Inc. Deep ultraviolet light emitting diode
US9337387B2 (en) 2011-06-15 2016-05-10 Sensor Electronic Technology, Inc. Emitting device with improved extraction
RU2561761C1 (ru) 2011-08-09 2015-09-10 Соко Кагаку Ко., Лтд. Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент
US9385271B2 (en) 2011-08-11 2016-07-05 Sensor Electronic Technology, Inc. Device with transparent and higher conductive regions in lateral cross section of semiconductor layer
US9330906B2 (en) 2013-05-01 2016-05-03 Sensor Electronic Technology, Inc. Stress relieving semiconductor layer
US9287455B2 (en) 2011-09-22 2016-03-15 Sensor Electronic Technology, Inc. Deep ultraviolet light emitting diode
WO2013046419A1 (ja) 2011-09-30 2013-04-04 創光科学株式会社 窒化物半導体素子及びその製造方法
US9252329B2 (en) 2011-10-04 2016-02-02 Palo Alto Research Center Incorporated Ultraviolet light emitting devices having compressively strained light emitting layer for enhanced light extraction
US9105792B2 (en) 2011-10-10 2015-08-11 Sensor Electronic Technology, Inc. Patterned layer design for group III nitride layer growth
US8723189B1 (en) 2012-01-06 2014-05-13 Trustees Of Boston University Ultraviolet light emitting diode structures and methods of manufacturing the same
US9269788B2 (en) 2012-02-23 2016-02-23 Sensor Electronic Technology, Inc. Ohmic contact to semiconductor
KR101669641B1 (ko) 2012-06-28 2016-10-26 서울바이오시스 주식회사 표면 실장용 발광 다이오드, 그 형성방법 및 발광 다이오드 모듈의 제조방법
US9312448B2 (en) 2012-07-12 2016-04-12 Sensor Electronic Technology, Inc. Metallic contact for optoelectronic semiconductor device
WO2014038794A1 (ko) 2012-09-07 2014-03-13 서울바이오시스 주식회사 웨이퍼 레벨의 발광 다이오드 어레이
US9401452B2 (en) 2012-09-14 2016-07-26 Palo Alto Research Center Incorporated P-side layers for short wavelength light emitters
KR102059030B1 (ko) 2012-09-24 2019-12-24 엘지이노텍 주식회사 자외선 발광 소자
US9112103B1 (en) 2013-03-11 2015-08-18 Rayvio Corporation Backside transparent substrate roughening for UV light emitting diode
KR102027301B1 (ko) 2012-12-14 2019-10-01 서울바이오시스 주식회사 광추출 효율이 향상된 발광다이오드
WO2014110195A1 (en) 2013-01-09 2014-07-17 Sensor Electronic Technology, Inc. Light emitting heterostructure with partially relaxed semiconductor layer
WO2014110197A1 (en) 2013-01-09 2014-07-17 Sensor Electronic Technology, Inc. Ultraviolet reflective rough adhesive contact
US9331244B2 (en) 2013-02-25 2016-05-03 Sensor Electronic Technology, Inc. Semiconductor structure with inhomogeneous regions
EP2973664B1 (en) 2013-03-15 2020-10-14 Crystal Is, Inc. Ultraviolet light-emitting device and method of forming a contact to an ultraviolet light-emitting device
US8896008B2 (en) 2013-04-23 2014-11-25 Cree, Inc. Light emitting diodes having group III nitride surface features defined by a mask and crystal planes
EP2993710B1 (en) 2013-04-30 2018-06-06 Soko Kagaku Co., Ltd. Ultraviolet light-emitting device
US9281441B2 (en) 2013-05-23 2016-03-08 Sensor Electronic Technology, Inc. Semiconductor layer including compositional inhomogeneities
JP6192378B2 (ja) 2013-06-18 2017-09-06 学校法人 名城大学 窒化物半導体発光素子
US9368582B2 (en) 2013-11-04 2016-06-14 Avogy, Inc. High power gallium nitride electronics using miscut substrates
KR102113256B1 (ko) * 2013-11-07 2020-05-20 삼성전자주식회사 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자
KR102131599B1 (ko) * 2013-12-16 2020-07-09 삼성디스플레이 주식회사 발광 다이오드 및 그 제조 방법
US9625647B2 (en) * 2014-01-29 2017-04-18 The University Of Connecticut Optoelectronic integrated circuit
US9240517B2 (en) 2014-02-21 2016-01-19 Osram Sylvania Inc. Strain relief superlattices and optoelectronic devices including the same
US9412902B2 (en) 2014-02-22 2016-08-09 Sensor Electronic Technology, Inc. Semiconductor structure with stress-reducing buffer structure
US9318650B2 (en) 2014-03-13 2016-04-19 Qingdao Jason Electric Co., Ltd. Light-emitting device with heavily doped active-region and method for manufacturing the same
JP2017510997A (ja) 2014-04-07 2017-04-13 クリスタル アイエス, インコーポレーテッドCrystal Is, Inc. 紫外線発光デバイスおよび方法
KR102320790B1 (ko) 2014-07-25 2021-11-03 서울바이오시스 주식회사 자외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법
US9082735B1 (en) * 2014-08-14 2015-07-14 Srikanth Sundararajan 3-D silicon on glass based organic light emitting diode display
CN105450842A (zh) 2014-09-25 2016-03-30 紫岳科技有限公司 紫外光源及其方法
US9246311B1 (en) 2014-11-06 2016-01-26 Soraa Laser Diode, Inc. Method of manufacture for an ultraviolet laser diode
US9444224B2 (en) 2014-12-08 2016-09-13 Palo Alto Research Center Incorporated Nitride laser diode with engineered non-uniform alloy composition in the n-cladding layer
US9455300B1 (en) 2015-03-02 2016-09-27 Rayvio Corporation Pixel array of ultraviolet light emitting devices

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI707482B (zh) * 2017-11-22 2020-10-11 日商創光科學股份有限公司 氮化物半導體發光元件
US11152543B2 (en) 2017-11-22 2021-10-19 Soko Kagaku Co., Ltd. Nitride semiconductor light-emitting element
TWI764594B (zh) * 2020-03-04 2022-05-11 塞席爾商首源科技股份有限公司 波轉換方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20170309779A1 (en) 2017-10-26
US10069036B2 (en) 2018-09-04
WO2017145026A1 (en) 2017-08-31
TWI712182B (zh) 2020-12-01

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