TWI378569B - Photonic crystal light emitting device - Google Patents

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TWI378569B
TWI378569B TW093131556A TW93131556A TWI378569B TW I378569 B TWI378569 B TW I378569B TW 093131556 A TW093131556 A TW 093131556A TW 93131556 A TW93131556 A TW 93131556A TW I378569 B TWI378569 B TW I378569B
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photonic crystal
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TW093131556A
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Jonathan J Wierer Jr
Michael R Krames
Mihail M Sigalas
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Philips Lumileds Lighting Co
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Description

1378569 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與包括光子晶體結構的半導體發光裝置有關。 【先前技術】 發光二極體（light emitting diodes ; LED)係技術先進而且 節省的固態光源》LED能夠可靠地提供高光亮度的光線， 因此過去十年内，已經在許多的應用中扮演重要角色，包 括平板顯示器、紅綠燈和光學通信等。一LED包括一正向 偏壓P_n接面。當受到電流驅動時，電子和電洞被注入接面 區域之内，其中二者再結合，並藉由發射光子釋放能量。 LED品質的特色係，例如其擷取效率可測量在lED晶片内產 生既定數量光子的發光強度。擷取效率會受到例如所發 射光子的限制，該等光子在高折射率的半導體介質壁上遭 受多重的全内反射。因此，所發射的光子不會逃脫至自由 工間内，而導致較差的擷取效率（通常低於3〇%)。 過去一十年來，已提出各種不同的方法，以提高LED的 擷取效率。增加擷取效率的方式包括，例如，冑由擴大空 間角的方式’其中所發射的光子可以藉由開發適當的幾何 圖形來逃脫’包括立方形、圓筒形和金字塔形和類似圓頂 的形狀。但是，此等幾何圖形都不能完全消除全内反射的 損失。 另一個造成損失的來源係因LED與周圍介質之間的折射 率不匹配而造成的反射。雖然此等損失可以利用抗反射塗 料來減少，但是反射的完全消除只有在特定光子能量和某 96799-1000722.doc 1378569 一入射角度時才能達成。 美國專利第5,955,749號「使用一週期性介電結構的發光 裝置」（授mGa_pQulQS等人）說明—種針對提高擁取效 率之問題的方法。依據美國專利第5,955,749號，藉由在發 光二極體的該等半導體層中形成一孔的晶格，可產生一光 子的體。孔的晶格以一週期調變的介電常數產生一介質， 以影響光線傳播過介質的方式。發光二極體的光子之特色 在於其光譜或散佈關係，該關係描述能量和該等光子波長 之間的關係。可以標繪該關係、，產生由能帶組成的一光子 能帶圖，或由能隙分開的光子能帶。儘管光子能帶圖係類 似於晶體晶格中電子的光譜（如電子能帶圖中所示），但光子 能帶圖與電子能帶圖無關。光子能隙中具有能量的光子不 能夠在光子晶體中傳播。典型LED中之再結合程序以定義 明確的能量發射光子。因此，若光子晶體在LED中形成， 以致於所發射光子的能量落在光子晶體的光子能隙之内， 則由於沒有引導光子可以此等能量存在，所有發射的光子 都會作為輻射光子發射。.由於所有轄射光子能夠從LED逃 脫，故此設計可增加LED的擷取效率。 在探索用於產生光的光子晶體之有效性的成果中，美國 專利第5,955,749號部分地說明一光子晶體裝置的理論結 構。 美國專利第5,955,749號說明一η摻雜層、一作用層、一p 摻雜層以及形成於此等層中的一孔之晶格。然而，美國專 利第5,955,749號之裝置不適合操作，因此並非一led。首 96799-1000722.doc 1378569 先，其中未說明電極，而電極係光子晶體LED(ph〇t〇nic crystalLED; PXLED)之成功操作所必須的。雖然一般lED 中電極的製造方法在本技術中為已知，但就pXLED而言， 電極的製造及其對PXLED操作的影響都不明顯。例如，適 當地使電極層的光罩與孔的晶格對齊，可能需要新的製造 技術。並且，當電極將所發射的一部分光子反射回led内， 並吸收另一部分所發出光線的時候，電極通常被視為會降 低榻取效率。 其次’美國專利第5,955,749號提出要從GaAs中製造光子 晶體發光裝置。對於製造一般的LED，GaAs的確係方便而 且常用的材料。然而，如S. Tiwari在學術出版社「化合物 半導體裝置物理學」（1992)之所述，GaAs具有約l〇6cm/秒 的較高表面再結合速度。該表面再結合速度表示二極體表 面上電子與電洞的再結合速率。電子與電洞呈現於LED的 接面區域内，其係分別來自η摻雜層與p摻雜層。當電子與 電洞橫跨電子能隙再結合時’再結合能量會以光子的形式 發射並且產生光線。然而，當電子與電洞透過電子能隙中 的中間電子狀態再結合時，再結合能量係以熱而不是光子 的形式發射’因此會降低LED的發光效率。在一理想的晶 體中’電子能隙中應該沒有狀態。並且，在目前的高純度 半導體晶體中，許多材料的電子能隙申只有很少的狀態。 ‘然而’在半導體的表面上通常有大量的表面狀態與缺陷狀 ’I、’其中的許多狀態 系位於電子能隙内。因此，一大部分 靠近表面的電子與電洞將透過此等表面狀態與缺陷狀態再 96799-1000722.doc 1378569 結合。此表面再結合產生熱而不是光線，使LED的效率大 幅降低。 此問題不會造成一般LED結構在效率上的嚴重損失。 而，PXLED包括大量的電洞，因此pxLED具有較一般led 大得多的表面積。因此，表面再結合可能會使pxLED的效 率降低，低於無光子晶體結構的相同LED的效率，因此使 光子晶體結構的形成沒有意義。由於（^^具有較高的表面 再結合速度，故其並非製造光子晶體LED的候選材料。此 問題的嚴重性在於如下事實，即迄今為止，就中請人的認 識而言，尚無文獻報導在作用區域附近具有光子晶體以及 使用GaAs的操作LED，並聲稱其具有提高的棟取或内部效 率。特定言之，A國專利第5,955,749號未說明一光子晶體 LED的成功操作。而且，美國專利第5,955,749號未說明光 子晶體對發射程序的影響，該影響會損害㈣的内部效率。 雖然光子晶體基於如上所描述的理由’極適合用於光線 擷取，但存在叹计上的問題。一些刊物對已經在半導體板 中形成的孔晶格之實驗進行說明。在美國光學社團期刊B (2000)第17卷之1438頁的文章「來自二維光子能隙晶體板 之改良自發發射」t ’ R. K· Lee等人已報導提高光子能隙 中光子能量擷取速度的—種辦法。R κ. ^等人不僅顯示 發光設計中光子晶體的梅取好處，而絲示，光子晶格會 影響自發發射。然而，Lee等人並未顯示怎樣使用此設計來 形成並操作發光裝置。藉由包含電極，可自^等人的發光 設計中形成光子晶體LED。然而，電極的加入實質上將影 96799-1000722.doc 1378569 響擷取及自發發射。由於此效果係未知的，故其在的 設計中不能被忽視。由於Lee等人的設計並未包括此等電 極’故不清楚由此設計形成的LED的全部特徵。其對Lee等 人之設計的有效性提出質疑。 【發明内容】 依據本發明的具體實施例，於一 III族氮化物發光裝置之η - 型層上形成一光子晶體結構。在某些具體實施例中，該光 子晶體η型層形成於一穿随接面上方。該裝置包括一第一導 • 電型態的第一層、一第二導電型態的第一層以及夾置於一 第一導電型態之層與一第二導電型態之層之間的一作用區 域。該穿隧接面包括一第一導電型態的第二層與一第二導 電型態的第二層，並將該第一導電型態之第一層與該第一 導電型態之一第三層隔開。一光子晶體結構係形成於第一 導電型態之第三層上。 【實施方式】 參圖1顯示一 III族氮化物光子晶體LED(PXLED)100，更詳 細地說明於專利申請序號1 〇/〇59,588「使用光子晶體結構之 LED的效率」（於2002年1月28曰提出專利申請），此處以提 及方式併入本文。 在圖1之PXLED 100中，一 η型區域108形成於主體基板 102上方，基板102可為（例如）藍寶石、SiC或GaN ;—作用 區域112形成於η型區域108上方；以及一 p型區域116形成於 作用區域112上方。區域1〇8、112與116之每·一區域可為相 同或不同成分、厚度或摻雜濃度的一單層或多層。將？型區 96799-1000722.doc -10- 1378569 域116及作用區域ii2之一部分姓刻掉，以曝露一 η型區域 108之一部分，於是可在ρ型區域116上形成一 ρ接點12〇，並 在η型區域1〇8之曝露部分上形成一 ^接點1〇4。 作用區域112包括一接面區域，其中將來自η型區域jog的 電子與ρ型區域116的電洞結合’並以光子的形式發射再結 合的能量。作用層112可包括一量子井結構，用以使光子的 產生最佳化。例如，G_ Β. Stringfellow與 M. George Craford 在1997年由Associated Press出版的「高亮度發光二極體」 文章中已說明許多不同的量子井結構。圖1之pXLED i 〇〇的 光子晶體係藉由在LED中形成一週期性孔結構122“而產 生。 在圖1所不裝置中，製造一通常的m族氮化物結構時，首 先於基板上形成η型區域，隨後形成該作用區域及ρ型區 域。圖1所示的光子晶體裝置與美國專利第5,955,749號所述 的該等裝置可能有幾項缺點。首先，圖丨之裝置中的光子晶 體結構可藉由（例如）乾式蝕刻進入該p型區域之中，以形成 一週期性結構而形成。乾式㈣可為反應性離子、感應輛 合電漿、聚焦的離子光束、噴濺蝕刻、電子迴旋加速器共 振或化學輔助離子束蝕刻。由於蝕刻會損壞晶體，造成可 引起η型施體的空位，故ρ型材料的乾式蝕刻存在問題。在ρ 型區域116中，η型施體的出現會降低孔濃度，並且，在晶 體嚴重受損的情況下會將區域116的導電型態改變至η型。 發月者已經發現’由乾式#刻造成的損壞並不限於银刻區 域周圍的局部區域’且其可透過晶體的非姓刻區域縱向及 96799-1000722.doc 1378569 橫向傳播’於是有可能消除該p-n接面，並導致該裝置不適 合電性操作。美國專利第5,955,749號所述的該等裝置也蝕 刻穿過p型材料’因此可能遭受該等發明者所觀測到的同樣 大範圍的損壞。其次，在圖1之裝置及美國專利第5,955,749 號之該等裝置中’已移除部分作用層，用以形成光子晶體 結構’減少作用區域材料的數量，並潛在地減少裝置中產 ' 生的光線數量。 ^ 依據本發明的具體實施例，於該裝置之一 η型區域中，通 常係在終止於一η型層之磊晶結構的最後磊晶層中，形成一 光子晶體結構。在某些具體實施例中，終止於一 η型層中的 一蟲晶結構係藉由首先生長Ρ型區域，並隨後生長作用區域 及η型區域來實現。隨後可在η型區域的表面上形成光子晶 體。此設計可能受到置疑。首先，摻雜劑常常係。 除非採取艱難的預防措施’否則p型區域生長後，反應器中 剩餘的殘留Mg會與作用區域混合為一體。作用區域中的厘8 φ 可能降低裝置的光線產生效率。其次，若該生長基板係一 絕緣或導電能力差的基板（如藍寶石），則二接點必須形成於 蟲晶表面上。此裝置結構只能依賴於該等卩型層中的橫向電 流，於是會在裝置中產生較高的電阻。為避免橫向電流分 佈的問題’必須移除該基板。在摻雜層生長之前，藍寶石 上的生長始於一或多個未摻雜層的生長。必須將該等未摻 雜層蝕刻掉，以便到達該等p型層，以產生一接點。該蝕刻 可能損壞P型晶體，從而可能造成其不能使用。或者，可使 用一 P型導電基板如Sic，而非一絕緣基板，用以避免橫向 96799-1000722.doc 12 1378569 電流問題，並避免移除該基板。然而，psSic常常具有電 阻’於是需要額外的電壓來操作該裝置。 在本發明的其他具體實施例中，一光子晶體led的光子 晶體結構係在生長於一穿隧接面上的—n型裝置層中形 成。圖2顯示本發明的第一項具體實施例。n型區域1〇8、作 用區域112以及ρ型區域116係如圖丨之裝置中一樣形成於基 板102上。隨後於ρ型區域116上形成一穿隧接面。一第二打 型區域7形成於該穿隧接面上方。光子晶體結構形成於η型 區域7之中。光子晶體結構係一裴置之折射率中的一週期性 變化，一般藉由在η型區域7中形成一孔陣列122產生。該等 孔可以空氣或不吸收光線的另一材料填充，並具有與η型區 域7之折射率形成高對比的一折射率。一適當材料的一範例 係一介電層《以下更詳細地說明光子晶體結構之結構。接 點120與104係附者於η型區域7與η型區域108上。 穿隧接面1包括一高度摻雜的ρ型層5,亦稱為一ρ++層， 以及一高度摻雜的η型層6,亦稱為一η++層。ρ++層5可為（例 如）使用一受體如Mg或Ζη摻雜為約1〇i8cm-3至約5xl〇2〇cm_3 之一濃度的AlGaN、AlInGaN、InGaN或GaN。在某些具體 實施例中，P++層5係摻雜為約2xl〇2〇cm-3至約4xl〇2〇cm-3的 一濃度。Π++層6可為（例如）使用一施體如si、以或以摻雜 一為約 1018cnT3至約 5xl02°cm-3之濃度的 A1GaN、AUn(}aN、
InGaN或GaN。在某些具體實施例中，n++層6係摻雜一為約 7xl019cm·3至約9xl019cm-3的濃度。穿隧接面i通常係甚薄， 例如穿隧接面1的總厚度範圍可為約2 nrn至約1 〇〇 nm，且每 96799-1000722.doc •13- 1378569 — p++層5與n++層6的厚度範圍可為 约1 nm至約50. nm。在 某些具體實施例申，每— p++層5與n++層6的厚度範圍為可 為約25 nm至約35 nm β p++層5與n++層6的厚度無需相同。 在一項具體實施例中’ p++層5為15 nm厚的Mg摻雜InGaN， 而n++層6為30 nm厚的Si摻雜GaN。 P++層5與n++層6可具有梯度摻雜濃度。例如，接近下部 - 層的一部分p++層5可具有一摻雜劑濃度，該濃度的級別係 從下部P型層之摻雜劑濃度改變為P++層5中所需的摻雜劑 很度。與此類似，n+十層6可具有一摻雜劑濃度，該濃度的 級別係從接近P++層5的一最大值改變為接近n型層7的一最 小值。 穿隧接面1係製造成充分薄並被充分摻雜，以使載子能夠 穿過穿隧接面1，從而當傳導電流處於反向偏壓模式時穿 隧接面1顯示較低的串聯電壓降。在某些具體實施例中，橫 跨穿隧接面1的電壓降係約01V至約1Ve橫跨該穿隧接面的 φ 電壓降較佳係〇v。製造穿隨接面1，使得當橫跨接點104與 120施加一電壓降，使在作用區域112與p型區域ιΐ6之間的 p-n接面受到正向偏壓時，穿隧接面丨會迅速崩潰，且在反 向偏壓方向以最小電壓降傳導。穿隧接面1中的每一層無需 具有相同的成分、厚度、或摻雜成分。穿隧接面丨亦可包括 P++層5與層6之間的一額外層，其包含1?與11型摻雜劑。 由於接點120與1〇4均形成於一 區域上，即使沒有必 要，其也可以為同一材料。通常，接點12〇與1〇4可反射由 作用區域112所發射的光線。適當接點材料之範例包括（例 96799-1000722.doc •14- 丄谓569 如）A卜Rh及接點丨2〇與i〇4可為多層結構。例如，接點 120與1〇4可包括鄰近該半導體的一鋁層及位於該鋁層上方 的一鋁合金層。形成於光子晶體結構上的接點12〇可為一焊 接於η型區域7上的-扁平材料薄片，以使接點12()能夠呈現 於形成光子晶體結構的該等孔122上方，如圖2所示。或者， 接點120可於光子晶體結構形成之前形成於n型區域7上以 便在光子晶體結構形成時移除部分接點丨2〇 ^ 圖3及4顯示用於圖2之裝置的接點配置。圖3係一平面 圖，且圖4係一沿圖3之軸乂的斷面圖。磊晶結構2〇〇的作用 區域（其包括圖2之層1〇8、112、116、5、6及7)係藉由其中 形成接點104的三溝渠分隔成四區域。每一區域係藉由形成 於接點120上的八個ρ型次安裝台連接2〇4連接至一次安裝 〇。接點120可為如圖2所示之一焊接層。接點1〇4環繞該等 四作用區域》接點104係藉由六個11型次安裝台連接2〇5連接 至個次女裝台。接點104與120可藉由一絕緣層2〇3電絕 緣。 穿隨接面1使裝置的光子晶體結構能夠形成於一 η型區域 7之中。在一 η型區域而非一 ρ型區域内蝕刻該光子晶體結 構，以避免與ρ型III族氮化物有關的類型轉換問題，已如上 所述。此外，由於η型區域7中的光子結構係與ρ型區域116 及作用區域112隔開，故可以避免因蝕刻光子結構而造成此 等區域受到損壞。此外，穿隧接面“吏光子晶體結構能夠形 成’而無需移除部分作用區域。 穿隧接面1亦用作一電洞分佈層，用以在11型區域116中分 96799-1000722.doc •15· 1378569 配正電荷載子。11型111族氮化物材料中的載子具有比P型ΠΙ 族氮化物材料中之載子高許多的遷移率，目此，電流在η 至層中之刀佈比ρ型層更容易。由於分佈於Ρ·η接面之ρ側上 的電流出現於η型層7之中，故包括一穿隧接面的裝置比缺 少穿隨接面之-裝置可具有更好的？側電流分佈。此外，由 於η型可有效地將電流分佈於光子晶體區域，故可將接點 120與光子晶體區域隔開，以減少光子晶體上接點12〇的吸 收作用。 圖5至9顯示二光子晶體裝置，其利用分佈於η型材料7中 的電流。圖5係本發明之二項具體實施例的斷面圖。圖6係 圖5之裝置的平面圖。在圖5及6之裝置中，光子晶體結構形 成於一部分η型區域7中。接點1〇4形成於臺面123外側。接 點120形成於一部分η型區域7上，該部分並未與光子晶體結 構交織在一起。由於接點12〇係形成於η型區域7之平坦表面 上，故可不必將接點120與η型區域7焊接，且可藉由諸如蒸 發、喷滅或電鐘等技術沈積接點120，如此可產生比焊接接 點更優質的接點。由於區域7係一 η型區域，電流會遠離接 點120而分佈於η型區域7中，於是能夠使用無需接觸η型區 域7中所有或大部分半導體材料的接點。接點12〇可為反射 型、透明型或半透明型。安裝圖5及6所示裝置，以便透過 基板102操取光線’即在一倒裝晶片配置中擷取光線，或透 過接點104、120及η型區域7從裝置之磊晶側擷取光線。在 從裝置之蟲晶側掏取光線的具體實施例中，可於基板1 〇2 的背部上形成一反射層，用以反射朝向發射表面的任何向 96799-1000722.doc 1378569 下的光線。 圖7與8顯禾用於圖5之裝置之接點的一替代配置。圖7係 該裝置的平面圖，且圖8係沿軸γ的該裝置之一部分的斷面 圖。每一接點1〇4與12〇具有指狀物，其係插入對立接點的 指狀物。焊墊204與205藉由（例如）一焊線將裝置與一次安裝 台或其他裝置電連接。 ~ 在圖9之裝置中，一部分„型區域7係肖一光子晶體結構交 織在-起，且一部分並未交織。一介電材料8形成於η型區 域7上方，並可填充或可不填充光子晶體結構之孔。圖案化 並钱刻介電材料8,以曝露η型區域7之未交織部分，隨後沈 積接點120。接點120延伸於介電材料8上方，並接觸η型區 域7之已曝露的未交織部分。如圖5之裝置中，電流將_ 接點120而在η型區域7中分佈。由於接點12〇具有較大的表 面區域’故圖9之裝置係容易在倒裝晶片配置中安裝。此 外，藉由有效地將熱運輸至遠離圖9之裝置的❹區域，讓 接點12 0可允許高電流操作。 雖然在圖2至9所示裝置中，穿隧接面⑽在作用區域之後 形成(即’位於圖2至9所示倒裝晶片配置中的作用區域之 下)，然而在替代具體實施例中，穿随接面!可在作用區域 之前形成，讀按以下順序生長該等裝置層：η型區域⑽、 ㈣接面層6'穿㈣面層5、ρ型區域U6、作用區域ιΐ2以 及η型區域7。 〜〜/手度的一週期性 化，具有交替的最大值與最小值…範例係孔122的一平 96799-1000722.doc •17- 1378569 晶格。該晶格之特徵係該等孔的直徑d、晶格常數&，其可 測量最近相鄰孔之中心間的距離、孔深度w、以及置放於該 等孔中之介電質的介電常數εΐι。參數a、d、…及以會影響該 等能帶之狀態的密度，特定言之，會影響位於光子晶體之 光譜之能帶邊緣的狀態之密度。從而參數a、d、…及〜會影 響藉由裝置所發射的輻射圖案，並可被選擇成用於提高裝 置的操取效率。 孔122-1可具有圓形、正方形、六邊型或其他斷面。在某 些具體實施例中’晶格間隔a係位於約〇丨λ與約1 〇λ之間，較 佳位於約0.1 λ與約4λ之間，其中λ係裝置中藉由作用區域所 發射的光線的波長。在某些具體實施例中，孔122可具有位 於約0.1 a與約〇.5a之間的一直徑d，其中，a係晶格常數，以 及位於零與n型區域7(於其中形成光子晶體結構）之全部厚 度之間的一深度w。在某些具體實施例中，孔丨22的深度為 約0.05λ與約5λ之間般而言，孔122係完全形成於η型層 7以内’且不會穿透穿隧接面之頂層。^型區域7係設計成足 夠各’用以形成孔並分佈電流，其通常係約〇丨微米或更 厚選擇孔122的練度’用以將孔122的底部置放至盡可能 接近作用區域，而不會穿透層，否則可能造成問題，如上 述類型轉換問題。孔122-i可使用空氣或介電常數為&(通常 位於約1至約16之間）的介電質來填充。可能的介電質包括 二氧化矽。 圖1〇顯示晶格參數a、直徑d及深度w對發射的輻射圖案之 影響°圖11顯示晶格參數a、直徑d及深度…對擷取效率的影 96799-1000722.doc 1378569 響。從五裝置中觀測的資料係如圖丨〇與丨丨所示，其中，如 圖5與6所不製造、無光子晶體結構的一裝置以及如圖5與6 所不製造、有光子晶體結構的四裝置包括填充有空氣的— 二胃#孔晶格。晶格常數、直徑及深度係如下表所列： 裝置 晶格參數a (nm) 直徑d (nm) 深度w (nm) PX1 270 200 53 PX2 295 220 90 PX3 315 235 105 PX4 340 250 129 圖1 〇中，90度代表從裝置頂部沿該等lED層之生長方向 發射的光線。零與180度代表從裝置的側面發射的光線。如 圖10所不，從該裝置發射的輻射圖案係依據晶格參數、孔 直徑及孔深度而改變。缺少光子晶體結構的裝置（對應於曲 線a)具有一典型的Lambertian輻射圖案，其中，一頂峰位於 90,且二頂峰位於扣及丨5〇,均由從臺面邊緣逃脫該裝置的 光線造成。曲線b至e對應於光子晶體裝置1>又1至1>乂4，且實 質上不同於曲線a ^例如，曲線b具有約7個頂峰、曲線c具 有約3個頂峰、曲線d具有約6個頂峰且曲線&具有約4個頂 峰。曲線b與c在90度處具有最大值，而曲線(1與&在9〇處具 有局部最小值，且頂峰位於約7〇至75度處及1〇5至11〇度 處。圖10顯示，一裝置中之光子晶體結構的存在及形狀會 影響從該裝置中發射的光線的方向。藉由改變光子晶體的 參數，可修改輕射圖帛。例如，包括光子晶體參數為ρχι 及PX2之光子晶體的裝置可用於需要頂部發光度）的一 96799-1000722.doc -19- 1378569 應用中，而包括光子晶體參數為PX3及PX4之光子晶體的裝 置有利於需要更多側面發光的一應用。從圖丨〇可清楚發 現，在大多數角度處，任一所示該等光子晶體的存在均可 改善自裝置輸出的光線的數量。
圖11顯示上列五裝置之功率（曲線&至匀，其係相對於角度 整合，以便在90度處得出總功率。圖u所示該等結果係用 於晶粒尺寸為170微米乘以17〇微米的裝置，並在33A/cm2 的電流密度處操作，且無封裝地發射至空中。光子晶體裝 置PX1、PX3與PX4輸出的功率比無光子晶體裝置多將近 50/。光子曰曰體裝置的輸出功率係介於約0 28 mW與0.30 心之間’而無光子晶體裝置的輸出功率係約G.2GmW。圖 η亦列出該等四光子晶體裝置之增益（曲線mi)，其係定義 為光子晶體LED的輪出功率與無光子晶體之裝置的輸出功 率之比# „亥等光子晶體裝置在較小角度處顯示重大的 增益。與無光子晶體的裝置比較’光子晶體裝置ρχ_Μ3〇 度處具有約1.7χ的增益’指示ρχ_4可用於需要近乎垂直於 該裝置而發光的應用。光子晶體裝置、ρχ_3與之 每一個具有約1.4的總增益。 孔122-i之晶格的晶格結構也會影響擷取。在不同的具體 實施例中’孔122-i形成三角形、正方形、六邊形蜂巢形 及其他眾所周知的二維晶格類型。在某些具體實施例中， 不同的晶格類型係形成於裝置 一光子晶體結構，其係作為孔 圖13顯示發射進入一 12度出口 的不同區域之中。圖12顯示 122-i的一三角形晶格形成。 錐形之輸出功率與總輸出功 96799-1000722.doc -20- 1378569 率之比的電腦模型，該比率係作為量子井深度（亦稱為偶 極深度）除以波長之函數，該模型係針對依據圖2的一三角 形晶格光子晶體裝置（曲線b)與無光子晶體的一裝置（曲線 a)。偶極深度係一量子井與裝置之光子晶體表面的磊晶表 面間的距離《孔深度與晶格常數a之比係125，孔半徑與晶 格常數之比係、G.36,且偶極深度與晶格常數之比係172。在 偶極深度與波長之比係約時，光子晶體裝置之光線輸出 具有一最大值。在光線輸出之最大值處，一 12度錐形中的 輸出功率與光子晶體裝置之總輸出功率之比係比無光子晶 體之裝置的光線輸出最大值大20〇/〇。 圖14顯示一光子晶體結構，其形成作為孔丨22-丨的一蜂巢 形晶格。圖15顯示發射進入一12度出口錐形之輸出功率與 總輸出功率之比的一電腦模型，該比率係作為偶極深度除 以波長之函數，該模型係針對依據圖2的一蜂巢形晶格光子 晶體裝置（曲線b)與無光子晶體的一裝置（曲線a)。如圖13所 不，孔深度與晶格常數a之比係丨.25，孔半徑與晶格常數之 比係0.3 6，且偶極深度與晶格常數之比係丨7 2。在偶極深度 與波長之比係約1.4時，光子晶體裝置之光線輸出具有一最 大值。在光線輸出之最大值處，一 12度錐形中的輸出功率 與光子晶體裝置之總輸出功率之比係比無光子晶體之裝置 的光線輸出最大值還要大兩倍。 圖13與15顯示，晶格結構及作用區域與光子晶體之間的 距離係可以被選擇成用以沿一所選方向較佳地發射光線。 例如，在圖13與15中顯示的光子晶體裝置中，在藉由偶極 96799-1000722.doc -21· 1378569 深度除以波長之數值係約K5時，發射進入一 12度出口雜形 中的輸出功率與總輸出功率之比係處於最大值處，指示光 線被較佳地發射進入一狹窄的頂部逃脫錐形之中。此外， 圖15(蜂巢形晶格裝置）中的最大值係大於圖ι3(三角形晶格 裝置）中的最大值，此指示，與具有相同結構之三角形晶格 裝置比較，一蜂巢形晶格能夠向一狹窄的頂部逃脫錐形發 射更大一部分光線。 φ 在某些具體實施例中，週期性結構係一或多個選定半導 體層之厚度的變化。該週期性結構可包括在半導體層平面 内沿著一方向的厚度變化，但沿著沒有變化的第二方向延 伸，基本上會形成一組平行的凹槽。厚度的二維週期性變 化包括各種不同的凹陷晶格。 圖16至19說明製造圖〗至5之光子晶體裝置的方法。磊晶 區域200係藉由常規的沈積技術形成於一基板（未顯示）上 方’該蟲晶區域200可包括圖2至9中的區域1〇8、112、5、6 • 與7。一或多個光阻層、金屬層或介電層202形成於磊晶層 的頂部表面上方，如圖丨6所示。將光阻層2〇2圖案化，用以 形成圖17中-開口之晶格’其係使用高解析度微影技術， 如電子束微影、奈米印微影、深度又射線微影、干涉測量微 影、熱壓紋或微觸印刷等。圖丨8中，採用已知的蝕刻技術 蝕刻磊晶層20(^可由後續短暫的濕式化學蝕刻、退火處 理、一者之組合或其他表面鈍化技術來減少乾式蝕刻造成 . 的損壞。隨後，在圖19中將剩餘的光阻層202移除。專利申 請序號10/059,588「使用光子晶體結構之LED的效率」更詳 96799-1000722.doc -22- 1378569 細地說明用於形成光子晶體的其他技術，如磊晶橫向過生 長技術。 經對本發明作詳細說明，熟知技術人士應明白，根據本 揭示内容’可對本發明作修改，而不致背離此處說明之本 發明概念之精神。因此並不希望本發明之範疇限於所解釋 及說明的特定具體實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係一光子晶體發光二極體的斷面圖。 圖2係包括一穿隧接面之光子晶體發光裝置之一項具體 實施例的斷面圖。 圖3係用於圖2所示裝置的一接點配置之範例的平面圖。 圖4係圖3之裝置的斷面圖。 圖5係包括一穿隧接面之光子晶體發光裝置之一項替代 具體實施例的斷面圖。 圖ό係圖5之裝置的平面圖。 圖7係用於圖5所示裝置之一替代接點配置的平面圖。 圖8係圖7之裝置之一部分的斷面圖。 圖9係包括一穿隧接面之光子晶體發光裝置之另一項替 代具體實施例的斷面圖。 圖10顯示藉由無光子晶體之 構之四裝置所發射的輻射圖案 圖11顯示無光子晶體之一裝 四裝置的輸出功率。 一裝置以及具有光子晶體結 置以及具有光子晶體結構之 圖12係一三角形晶格光子晶體的俯視圖口 96799-1000722.d〇i •23· 1378569 圖13係發射進入一 12度出口錐形之輸出功率與總輸出功 率之比的-繪圖，該比率係、作為偶極深度除以波長之函 數，並且此圖係針對無光子晶體的一裝置及具有一三角形 晶格光子晶體的一裝置。 圖14係一蜂巢形晶格光子晶體的俯視圖。
圖15係發射進入一 12度出口錐形之輸出功率與總輸出功 率之比的一繪圖，該比率係作為偶極深度除以波長之函 數’並且此圖係針對無光子晶體的一裝置及具有一蜂巢形 晶格光子晶體的一裝置。 > 圖16至19說明形成一光子晶體裝置的方法。 【主要元件符號說明】
1 穿隧接面 5 P++層 6 n++層 7 η型區域 8 介電材料 100 光子晶體LED 102 基板 104 η接點 108 η型區域 112 作用區域 116 Ρ型區域 120 Ρ接點 122 96799-1000722.doc -24- 1378569 122-i 孔 123 臺面 200 蟲晶結構 202 光阻層 203 絕緣層 204 焊墊 205 焊墊 PX1 至 PX4 光子晶體裝置 a至e 曲線 a 晶格常數 d 子匕直徑 sh 介電常數 w 孔深度 X 轴 y 軸 96799-1000722.doc -25-

Claims (1)

  1. 十、申請專利範圍： 1. 一種發光裝置，其包括： 第093131556號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(101年6月） 一 III族氮化物半導體結構，其包括置放於一 η型與一 p 型區域之間的一作用區域；以及 一光子晶體結構，其係形成於一 η型區域之中， 其中’該ρ型區域實質上為平面的且該光子晶體結構未 延伸至該ρ型區域。 青长項1之裝置，其中該光子晶體結構包括該η型區域 之一厚度的週期性變化。 3·如清求項1之裝置’其中該光子晶體結構包括-平坦的孔 晶格。 4·如°月求項3之裝置’其中該晶格具有約0.1 λ至10λ的一晶格 *數a’其中λ係藉由該作用區域所發射之光線的_波長。 5. 如請求項3之裝置，其中該晶格具有一晶格常數3，且談 等孔具有約0.1a至〇.5a的一直徑β X 6. ::求項3之裝置，其中該等孔具有約〇观與約从之間的 /木度’其中λ係藉由該作用區域所發射之光線的一波 7. 如明求項3之裝置，其中一晶格類型、晶格常數、孔 及孔深度係被選擇以產生一預定的輻射圖案。 馒 8_ -種發光裝置，其包括： 一第一導電型態之第一層； 一第二導電型態之第一層； 作用層，其係置放於該第一導電型態之第一層與該 96799-1010605.doc 1378569 -----------· ·— — — — — - 第二導電型態之第一層之間] -————一 一穿隧接面，該穿隧接面包括： 第V電型態之第二層，其摻雜濃度大於該第 導電型態的第—層；以及 第-導電型態之第二層，其摻雜濃度大於該第 刑能夕馆 » 化 導電型態之第一層；以及 一第一導電型態的第三層； 其中，該第一導電型態的第三層 厚度係週期性養 ”中4穿1^接面係位於該第-導電型態之第-層！ 該第一導電型態之第三層之間。 > 9.如請求項8之裝置，其中： 該第一導電$】能@ „ 守电生心之第二層具有一摻雜濃度，其 從約1〇18咖-3至約叫〇2W3;以及 該第二導電型態之第二層具有一摻雜濃度 從約 至約 5M〇2〇cm.3。 胃求項8之裂置’其中該第二導電型態之第二層具有 払雜濃度，其範圍為從約2xl〇20cm-3至約4xl〇20cm-3。 Π·如°月求項8之裳置，其中該第一導電型態之第二層具有 推=濃度，其範圍為從約7xl〇19cm-3至約9x1〇,W3。 12. 如μ求項8之裝置’其中當以反向偏壓模式操作時，該 随接面恩右一發两. 、有一電壓降，其範圍在從約〇V至 13. 如請求項8 又間 隧接面 其中當以反向偏壓模式操作時，該 、有電壓降，其範圍在從約0.1 V至約1V之間《 96799-1010605.doc I4.如請求項8之裝置，其中： 厚度’其範圍為從約1 nm 該第一導電型態之第二層具有— 至約50 nm ;以及 厚度，其範圍為從約1 該第二導電型態之第二層具有— 至約50 ηιη。 15.如請求項8之裝置，其中 牙隧接面具有一厚度，其範圍 馬從約2 nm至約1〇〇 nm。 如請求項8之裝置，其 料。 、。作用區域包括ΙΠ族氮化物材 的週期性變化包括一平坦 17,如請求項8之裝置’其中該厚度 的孔晶格。 、一正方形晶格、一六邊 A如請求項17之裝置，其中該平坦晶格係選自由以下各項 所組成之群組：一三角形晶 形晶袼以及一蜂巢形晶格。 19·如請求項17之裝置’其中該平坦晶格包括不止-種的晶 格類型。 2〇·如請求項17之裝置’其中該晶格具有約0.U至m的-晶 常數a ’其中λ係藉由該作用區域所發射之光線的一波 長。 如°月求項17之裝置，其中該曰曰曰格具有約〇 1λ^4λ的一晶格 *數a ’其中λ係藉由該作用區域所發射之光線的一波長。 22·，玥求項17之裝置，其中該晶格具有一晶格常數社，且該 等孔具有約0.1a至〇.5a的一直徑。 23·如吻求項17之裝置，其中該等孔具有約0.05λ至5λ的一深 96799-1010605.doc 1378569 度，其中λ係藉由該作用區域所發射之光線的一波長。 24. 如請求項17之裝置，其中該等孔係使用一介電質來填充。 25. 如明求項24之裝置，其中該介電質具有一位於約1與約Μ 之間的介電常數。 26. 如咕求項8之裝置，其中該第一導電型態之第三層具有至 少約0.1微米的一厚度。 27. 如請求項8之裝置，其進一步包含： 第電極，其係電連接至該第一導電型態之第—層； 以及 ’ 第—電極，其係電連接至該第一導電㉟態之第三層。 如月求項27之裝f，其令該第二電極包括附著於該第一 Si態，第二層上的一薄片’其中該薄片僅接觸該第 電型態之第三層的較厚部分。 29.7t項8之裝置，其中該厚度的週期性變化係形成於該 ::導電型態之第三層的一第一部分上，該裝置進一步 :二-電極，該電極係電連接至該第一導電型態之第三 層的一第二部分上。 3〇:=!8之裝置’其中該週期性變化之週期與藉由該作用 如心求^中所發射之光線的一波長之比係約0.1至約5。 31.如喷求項8之裝置，其中·· 以及 深度係被選擇成 該厚度的週期性變化包括一孔晶袼； 一晶格類型、晶格常數、孔直徑及孔 用以產生一預定的輻射圖案。 32. 一種製造發光裝置之方法，其包括： 96799-丨 010605.doc 1378569 形成一第一導電型態之第一層； 形成一第二導電型態之第一層； 形成一作用區域，其係位於該第一導電型態之第一層 與該第二導電型態之第一層之間； 形成一穿随接面’該穿隨接面包括： 一第一導電型態之第二層，其摻雜濃度大於該第一導 電型態的第一層；以及 第一導電型態之第一層，其摻雜濃度大於該第二導 電型態的第一層； 形成一第一導電型態的第三層；以及 形成複數個孔，其形成於該第一導電型態的第三層之 中；其中： 該穿隧接面係位於該第一導電型態之第一層與該第一 導電型態之第三層之間； 該等複數個孔形成一晶格；以及 選擇一晶格類型、晶格常數、孔直徑及孔深度以產生 一預定的輻射圖案。 33. —種發光裝置，其包括： 一 III族氮化物半導體結構，其包括置放於一 n型與一 p 型區域之間的一作用區域；以及 一光子晶體結構，其係形成於一 η型區域之中，該光子 晶體結構包含一平面的孔晶格，每個孔具有一自一頂部 開口延伸至一底部表面之深度，其中該等孔之頂部開口 係位於形成該光子晶體結構之該η型區域之一表面上。 96799-1010605.doc 1378569 • “一 — 如。奮求項3 3之裝置，其中該晶格具有約 Ο.ΐλ至10λ的一晶 *數a ’其巾λ係藉由該作用區域所發射之光線的一波 長。 求項33之裝置，其中該晶格具有一晶格常數&，且該 專孔具有約0.1a至〇.5a的一直徑。 声月之裝置’其中該等孔具有約〇.〇5λ至5λ的-深 37 :二；藉由該作用區域所發射之光線的-波長。 37. 如s月求項33之裝 曰 徑及孔深声孫（ 型、晶格常數、孔直 二：度係被選擇以產生一預定 38. 如清求項33之裝置 圃系 該光+ aa f* @ Μ 〇 底部表面係位於形成 尤于日日體結構之該η型區域内。 96799-1010605.doc 1378569 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（1)圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 100 光子晶體LED 102 基板 104 η接點 108 η型區域 112 作用區域 116 ρ型區域 120 Ρ接點 122 子L 122-i 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 96799-1000722.doc
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