TWI419352B - 半導體發光裝置中成長的光子晶體 - Google Patents

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Description

半導體發光裝置中成長的光子晶體
本發明係關於包含光子晶體結構的半導體發光裝置。
發光裝置諸如發光二極體(「LED」)為技術上及經濟上有優勢的固態光源。LED能夠可靠地提供高亮度的光，所以過去數十年內在眾多應用中扮演了要緊的角色，包括在平面顯示器、交通燈光及光學通信等應用。LED包含一正向偏壓的p－n接面。當藉由電流驅動時，電子和電洞注入接面區，其中重新組合並發射光子來釋放其能量。目前在製造高亮度發光元件上，能夠橫跨可見光譜操作的重要材料系統包括III－V族半導體，尤其是鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金，亦稱之為III族氮化物材料。
LED之品質之特徵在於，舉例來說，擷取效率，擷取效率係測量光子從裝置被擷取對在發光區中產生光子的比率。擷取效率，舉例來說，受限於該高折射率半導體晶體壁處多重全內反射下所發射的光子，該高折射率半導體晶體中形成該裝置之p型、n型及發光區。結果，有許多所發射之光子不逸入自由空間，而導致低落的擷取效率，一般低於30%。
以提出各種方法來加強LED之擷取效率。擷取效率，舉例來說，可藉由合適的幾何形狀包括立方形、圓柱形、角錐形及半球形，藉由放大發射光子所能逸出的空間角度來提高。然而，此等幾何形狀都不能全然消除全內反射所致的耗損。
一另一的耗損來源係LED與環境介質之間的折射率失配所造成的反射。雖然如此的耗損可能以抗反射塗層來減少，完全消去反射卻僅能以特定光子能量及一入射角來實現。
美國專利案第5,955,749號，題為「利用週期性介電結構的發光裝置」，頒給J.Joannopoulos等人，說明了一種加強擷取效率問題之方法。根據美國專利案第5,955,749號，藉由形成一完全穿過發光二極體之半導體層之電洞晶格，製成一光子晶體。該電洞晶格造成一具有週期性調變的介電常數的介質，而影響了光透過該介質而傳播的方式。發光二極體之光子特徵在於光譜或色散關係，說明了光子之能量與波長之間的關係。該關係可繪圖，給出一光子能帶圖，係由若干能量帶所組成，或若干光子能帶而由若干帶隙所分離。雖然光子能帶圖係類比於表達為電子能帶圖的電子能譜之晶體晶格，但光子能帶圖與電子能帶圖無關。當一光子晶體在LED中形成時，其係影響著光如何在該結構中傳播。因此，若選取適當的晶格間距，藉由全內反射而遭捕獲於結構中，光能逸出而增進LED之擷取。還有，替代的晶格能減小LED結構中的光子模式體積，而提高LED作用層之輻射率及內部效率。
美國專利第5,955,749號並不教示如何形成完全的有功效的發光裝置，其係提出：在以GaAs為主之晶體中形成光子晶體發光裝置。在此項技術中所需要的，乃是III族氮化物光子晶體發光裝置設計及製造此裝置的方法。
根據本發明之具體實施例，光子晶體在半導體結構諸如III族氮化物結構之內成長，該半導體結構係包含一放置於一n型區與一p型區之間之發光區。該光子晶體可為多個半導體材料區，由一具有折射率異於該半導體材料者的一材料所分隔。舉例來說，該光子晶體可為成長於該結構中的半導體材料柱，而由空氣隙或遮罩材料區所分隔。成長光子晶體，而非將光子晶體蝕刻至半導體層，如此避免可減少效率之蝕刻所致的損害，且提供不間斷的平面表面以形成電性接點。
圖1闡示一III族氮化物光子晶體LED(PXLED)100，更詳細說明於美國專利申請案第2003/0141507號，「使用光子晶體結構的LED效率」，其申請提出於2002年1月28日，係以提及的方式併入本文中。
在圖1之PXLED 100中：一n型區108形成於一成長基板102上方，該成長基板例如藍寶石、SiC或GaN；一作用區112形成於該n型區108上方；且一p型區116形成於該作用區112上方。每一區域108、112及116皆為單層，或為相同或不同組成物、厚度或摻雜濃度之多層。p型區116和作用區112之一蝕刻，而曝露出n型區108之一部份，然後一p接點120形成於p型區116上，且一n接點104形成於n型區108之曝露部份。該裝置可翻轉，如圖1所示，且透過接點104及120而連接於一底座(未示出)。
作用區112包含一接面區，其中來自n型區108的電子與p型區116的電洞結合而以光子形式理想地發射能量。作用區112可包含一量子井結構，來最佳化光子之產生。許多不同的量子井結構，舉例來說，已有所說明於G.B.Stringfellow和M.George Craford的「高亮度發光二極體」，1997年，Associated Press出版。圖1 PXLED 100之光子晶體係藉一在該LED形成週期性電洞結構122－i而製造。
在圖1所闡示的裝置中，製造一習知的III族氮化物結構，該n型區首先形成於該基板上，接續為該作用區及該p型區。圖1所闡示的光子晶體裝置及美國專利第5,955,749號所說明的裝置可能有若干缺點。例如，圖1裝置中的光子晶體結構可藉乾式蝕刻至p型區形成，以形成一形成週期性接構之電洞陣列。乾式蝕刻可為反應性離子、感應耦合式電漿、聚焦離子束、噴濺、電子迴旋共振或化學輔助離子束蝕刻。p型材料之乾式蝕刻是有問題的，因為蝕刻可能損壞晶體而導致造成n型施體的氮空位。在p型區116中，n型施體之存在降低了電洞濃度，且在晶體受嚴重損壞時可能改變p型區116之導電型態為n型。本發明人發現，乾式蝕刻所致的損壞並不受限於蝕刻區附近的局部區域，尚可垂直地及橫向地傳播穿過晶體之非蝕刻區域，而有可能消除p－ n接面而致使裝置電性不可操作。美國專利第5,955,749號所說明的裝置亦蝕刻穿過p型材料，因而可能蒙受本發明人所觀察到的相同的遍布的損壞。而且，雖然模型化曾闡示，如圖1中極靠近或穿過作用區來形成光子晶體，蝕刻穿過作用區中的量子井則造成表面重新組合而可能降低裝置之效率。
根據本發明之具體實施例，光子晶體係成長於半導體發光裝置中，而非蝕刻。圖11為一光子晶體範例之俯視圖。區域2被區域4之不同折射率材料所間斷。舉例來說，圖11之光子晶體可為半導體材料成長的半導體柱4陣列，而非蝕刻至半導體材料的電洞陣列(如上述)，該半導體柱4陣列則由一空氣區2所圍繞。或者，區域2可為電洞4成長的半導體區。
該光子晶體結構可包含該等半導體區其中一個之厚度週期性變化，而有交替的最大值和最小值。一範例為光柵(一維晶格)或半導體材料柱之平面晶格，如上所述(二維晶格)。該晶格特徵在於該等柱之直徑d、晶格常數a(其測量最近的鄰柱中心之間的距離)、該等柱之高度w，及放置於該等柱附近的電介質之介電常數εh 。參數a、d、w及εh 影響能帶之狀態密度，且特別影響該光子晶體之光譜能帶邊緣處的狀態密度。因此，參數a、d、w及εh 影響了裝置所發射的輻射圖案，且能被選擇來加強裝置的擷取效率。或者，當選取適當的光子晶體參數時，發射光之輻射圖案可窄化而增大LED之輻射率。此點應用於僅特定角度下的光可用的場合，是有幫助的。在一個具體實施例中，光子晶體參數係經選取，而使得大於50%退出該裝置的輻射率發射在一與裝置之一表面的正交之軸成45度角所定義的出口圓錐體中。
該等柱可配置以形成三角形、正方形、六角形、蜂房形或其他周知的二維晶格型態。可在裝置之同一區域中包含多種晶格型態，或用多種晶格型態來造成準晶體，準晶體可對裝置的光之傳播提供較大的控制。圖13及14闡式形成準晶體之電洞配置的兩個範例。如圖13及14所闡示者，準晶體於一位於正方形131及三角形132重複圖案之頂點上的電洞圖案。如此的重複圖案經常係指阿基米德晶格(Archimedean lattice)或彭羅斯磚塊(penrose tile)。準晶體之晶格常數為該重複圖案中一三角形或正方形一側邊之長度。
在一些具體實施例中，係在裝置之不同區域中形成不同的晶格型態。舉例來說，在裝置之一個區域中可形成一個光子晶體結構，係設計以最佳化總輻射功率(輻射效率)，且在裝置之另一個區域中可形成另一個光子晶體結構，係設計以最佳化光擷取(光汲效率)。
該等柱通常有六角形斷面，雖然其他的斷面也屬可能。在一些具體實施例中，晶格間距係在約0.1 λ與約10 λ之間，較佳者在約0.1 λ與約5 λ之間，更佳者在約0.1 λ與約3 λ之間，更佳者在約0.1 λ與約λ之間，其中λ為裝置中作用區所發射的光波長。在一些具體實施例中，晶格常數a係選擇在光子晶體帶隙以內或附近。舉例來說，在形成於GaN層中且充滿空氣的三角形電洞晶格中，範圍從0.35 λ至0.55 λ的晶格常數係在帶隙以內而利於在該範圍最低部分擷取，且在能帶邊緣利於在該範圍較高部分的內部效率。該晶格常數範圍(0.35 λ至0.55 λ)假定柱半徑為0.36 a。在一些具體實施例中，該等柱之直徑d在約0.1 a與約0.5 a之間，其中a為晶格常數。該等半導體材料柱可以空氣圍繞或視情況可用的介電常數εh (往往在約1與約16之間)的電介質。可能的電介質包括二氧化矽，其可為以下範例中所說明的遮罩層。在一些具體實施例中，柱高度w為至少0.25 λ。柱高度係受限於電性接點偏好形成於無柱的平面層上，如此，半導體材料柱乃無法延伸裝置之全部高度。有一些具體實施例中，其中發光區為不受光子晶體間斷的平面層，光子晶體係位在發光區以上或以下，如此則光子晶體係較佳地延伸至發光區之3 λ內。
在本發明一些具體實施例中，發光區係包含形成光子晶體的成長半導體材料柱中。圖2－5及6A－6C闡示此裝置之範例。在圖2裝置中，一n型區22習知地成長於任何合適的基板20上方，例如藍寶石、SiC或GaN。n型區22通常包含具不同厚度、組成物及摻雜濃度之多層，例如視情況可用的製備層諸如緩衝層或成核層，係設計來提供高品質模板，使n型裝置層諸如n型披覆層或n型接觸層成長於該模板上。n型區22可能包含非蓄意摻雜之層。有一些具體實施例中，其中係移除了成長基板20，如n型區22可包含若干層，其有助於釋出成長基板20或有助於薄化成長基板20移除後的磊晶層。
在該平面n型區22上方，形成一遮罩層24諸如二氧化矽(SiO2 )。遮罩層24可為一薄層，舉例來說其厚度小於200奈米。在遮罩層24中形成開口。將會形成光子晶體的半導體材料柱則成長於該等開口中。n型半導體材料柱26首先成長，接著是發光區材料柱28。在本文所說明的範例中，該發光區可為任何合適的發光區結構，例如包括單一厚發光層、單一薄量子井、多個由障壁層所分離的薄量子井，及多個由障壁層所分離的厚發光層。在發光區28之後，則成長p型半導體材料柱30。該等柱之尺寸、高度、間距及組織可經選擇以形成一光子晶體，如上所述。
該等半導體材料柱舉例來說，可由Kipshidze等人所著「脈衝式金屬有機化學汽相沈積控制的GaN奈米線成長」，應用物理通訊，第86卷，第033104頁(2005年)所說明的低壓金屬有機化學氣體沈積法來形成，該文獻以提及的方式併入本文中。成長可在低壓下實行，例如在30托，使用III族母核諸如三甲基鎵及V族母核諸如氨，而以N2 為載體氣體。成長之成核，藉一金屬觸媒島(諸如鎳)在遮罩層24中的開口中形成2－5奈米厚。鎳則與Ga及汽相所供應的活性氮成過飽和。一旦成核，半導體柱之成長則發生於半導體與鎳之間的固液介面。成長可為脈衝式，以避免成長氣體之間的汽相反應，使得對反應器導入一V族母核脈衝一給定時間，隨後一延遲，隨後一III族母核脈衝。所產生之柱成長垂直於基底表面，具有固定不變的直徑及平滑的側壁。
或者，該等柱可由S.Hoffouz等人所著「錳及矽對金屬有機汽相磊晶的GaN圖案化基板之橫向過成長的效應」，MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.第3卷，第8頁(1998年)所說明者來成長，該文獻以提及的方式併入本文中。Hoffuz說明了以成長遮罩中的微米尺寸開口來圖案化該成長基板表面。該遮罩防止了在遮罩頂部上的成長。成長係在遮罩中的開口起始，能向上在遮罩上方以一橫向過成長模式進行，或能視成長期間所流過的摻雜劑型態及濃度而定而較佳地垂直成長。舉例來說，若圓柱狀成長是合意的，則在成長期間使用高SiH4 流。若橫向過成長是合意的，則使用低SiH4 或Cp2 Mg流。
在p型柱30成長之後，成長條件改變而使得該等柱上方形成逆轉的角錐體，該等角錐體最終則連接而在該等柱上方形成一平面層32，且在該等柱之間形成空間25。若使用金屬觸媒，則其先於平面層32成長被移除。Hoffouz等人所著，係以上併入本文者，說明了對p型摻雜鎂的III族氮化物材料的橫向過成長技術。p型柱30及平面p型區32可包含具不同厚度、組成物及摻雜濃度之多層，例如p型披覆層及p型接觸層。
在平面p型區32成長之後，係在p型區32上沈積形成一p點(未示出)之一或多個金屬層。該p接點可包含多層，諸如一歐姆接觸層、一反射層及一保護金屬層。該反射層通常為銀或鋁。該保護金屬層舉例來說包含鎳、鈦或鎢。該保護金屬可選取以防止該反射層移動，特別是在銀反射層此情形下，且可選取以提供一黏著層，使用一黏合層用來將該半導體結構黏合至一主基板。
然後該半導體結構可金屬黏合於一主基板，且經處理成一薄膜裝置，如圖12所闡示。一或多個黏合層90(一般為金屬)，可供作柔性材料而用來在該半導體結構與主基板92之間熱壓縮或共熔合。合適的黏合層金屬之範例包括金及銀。主基板92在成長基板移除之後提供對半導體層的機械式支撐，且提供對p型區的電性接點而穿過金屬層90。該主基板係選擇為導電性(即，小於約0.1歐姆厘米)、為熱導性、以具有一熱膨脹係數匹配該半導體層者，且足夠平坦(即，均方根糙度小於約10奈米)來形成強黏合。合適的材料舉例來說包括金屬諸如Cu、Mo、Cu/Mo及Cu/W，具有金屬接點94之半導體層諸如具有歐姆接點之Si，及具有歐姆接點之GaAs，該等歐姆接點舉例來說包括一或多個Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag；及陶瓷，諸如壓縮鑽石及AlN。
該主基板及半導體結構在升高的溫度下被壓在一起，且受壓力而在黏合層之間形成耐久的金屬黏合。在一些具體實施例中，係在一具有該半導體結構的晶圓被切成個別的裝置之前，在晶圓尺度上黏合。或者，係在一具有該半導體結構的晶圓被切成個別的裝置之後，在晶粒尺度上黏合。黏合的溫度及壓力範圍係由所得的黏合強度限制在較低部分，而由主基板及該半導體結構之穩定性限制在較高部分。舉例來說，高溫及/或高壓可引起該半導體結構中的磊晶層分解、p接點被剝層、擴散障壁失效，例如在p接點中，或半導體層中的組件材料釋氣。合適的溫度範圍舉例來說約200℃至約500℃。合適的壓力範圍舉例來說約100 psi至約300 psi。
在黏合於主基板之後，可藉適於該成長基板20材料的技術來移除。藍寶石成長基板舉例來說可藉雷射熔化來移除成長基板。其他的移除技術包括蝕刻及精削。一旦成長基板移除，n型區22可薄化至一合意的厚度，或移除鄰接於成長基板20的低品質製備層。然後一n接點96可形成於n型區22之曝露表面上。由於p接點為反射性，則光從裝置穿過n型區22之曝露表面被擷取。
或者，圖2裝置可處理成一覆晶，其中成長基板20維持在裝置上，而光從裝置穿過成長基板被擷取。p型區30及32和發光區28之一部分被移除而曝露n型區22或24之一之一部分。一n接點形成於n型區之一之曝露部分上，而一p接點形成於p型區32之其餘部分上。該晶粒係與一載體覆晶式連接，光則從裝置穿過基板20被擷取。為進一步改良光擷取，可側填滿晶粒以用於機械式支撐該半導體結構移除基板20，然後舉例來說以雷射剝離、蝕刻或精削來移除基板。
圖3闡示裝置之另一範例，其中發光區係包含於成長而形成光子晶體的半導體材料柱中。n型區22、n型柱26、發光區柱28及p型柱30係參照圖2如上述成長。成長係成長該等半導體材料柱之後停止且該結構黏合於一成長在一第二成長基板42上的半導體區40，並非於該等柱上成長一平面p型區32。半導體區40舉例來說可為一p型區。
該等半導體柱之頂表面及半導體區40之表面係在升高的溫度及壓力下黏合在一起。適當的黏合溫度舉例來說可在700與1200℃之間；適當的黏合壓力舉例來說可在5與1500 psi之間。該等表面可在諸如N2 或NH3 氣體環境中以上述溫度及壓力被壓在一起一指定時間，舉例來說，至少2分鐘，而經常至少30分鐘。在此等條件下，一穩健的半導體黏合形成於該二個表面之間。如此的黏核可承受黏合後續的需進一步的半導體處理之溫度，諸如成長額外的半導體層。也可使用半導體晶圓黏合以外的其他的黏合技術，諸如擴散焊接黏合。在擴散焊接黏合中，一或一個以上的金屬諸如Zn及Sn沈積在黏合介面，而以低溫黏合。該ZnSn黏合在高溫下穩定，例如在大於900℃之溫度。在另一替代方法中，該等表面係用一薄金屬膜諸如Al做為黏合層而黏合。該Al金屬膜可合金至該二個半導體表面，以製造一適於高溫之黏合。
在黏合之後，成長基板20及成長基板42其中之一可移除，以曝露一半導體表面。比起在p型柱30頂部上，接點在移除任一基板所曝露的不間斷的平面表面上可更容易形成。在成長基板42移除之後，所得的裝置可被處理成一薄膜裝置或一覆晶，兩者都參照圖2說明於上。
圖4裝置如同圖3裝置，除了其半導體柱為金屬44黏合於一主基板46，參照圖2如上所說明。成長基板20可被移除，參照圖2如上所說明。
在圖2、3及4所闡示的每一裝置中，形成光子晶體的半導體柱係成長通過一薄遮罩層24中的開口。在圖5所闡示的裝置中，半導體柱係成長通過一厚遮罩層48中的開口。遮罩48可為SiO2 ，而有厚度大於0.25 λ。遮罩48中的開口可配置而使得成長於該等開口中的半導體材料形成一柱陣列。或者，遮罩48可形成使得遮罩形成柱陣列，該半導體材料填充於該等遮罩材料柱之間的區域中。該遮罩侷限成長在該等遮罩區之間的區域，如此則不需特殊的成長技術，除了成長期間需較高的壓力，例如可能需100托將母核氣體迫入遮罩48中的開口。一旦該等半導體柱達到遮罩48頂部，則p型區50在一不間斷的平面薄片中成長。遮罩48可留在該等半導體柱之間的間隙中，如圖5中所闡示者，或者先於平面p型區50之成長而移除，以製造該等半導體柱之間的空氣隙。
圖6A－6C闡示一成長圖2－4裝置的替代方法，其中該等半導體柱係成長在乾式蝕刻所形成的一模板上。如圖6A所闡示，一平面n型區22成長於基板20上方。一遮罩層52形成於n型區22上方，然後n型區22之一部分蝕刻而形成n型柱54。遮罩52被移除，成長乃重新開始。該成長條件係經選擇而使得該等柱54之間的區域中不發生成核作用，而成長則僅在n型柱54上持續。例如，於低壓中成長，例如低於100扥，或於高n型摻雜劑流中成長可侷限於柱54之頂部成長。發光區柱28，隨後p形區柱30，如上所述。該裝置可藉由在一不間斷的平面p型區成長完成，如圖2所闡示，在半導體柱黏合於一半導體區，如圖3所闡示，或在半導體柱金屬黏合於一主基板，如圖4所闡示。
在圖2－5及6A－6C所闡示的具體實施例中，發光區28位在形成光子晶體的半導體柱之內。該等半導體柱之成長容許光子晶體形成於難以遮罩及蝕刻來實現的深度。此外，該等半導體柱之成長避免由乾式蝕刻形成光子晶體所致的損壞及高度的表面重新組合。如此的損壞對發光區特別成問題。
在本發明之一些具體實施例中，發光區係一平面層，不被光子晶體所間斷，且在形成光子晶體的成長半導體材料柱前及/或後形成。圖7－10闡示此裝置之範例。在圖7所闡示的裝置中，一n型區22成長於一基板20上方，如上述。在一n型區22上方成長一不間斷的平面發光區34，繼而成長一薄p型區36。舉例來說，如上所述，p型區36之厚度小於3 λ。隨著光子晶體與發光區之間的厚度減小，裝置性能預期會改良，如此則p型區36成長得儘可能地薄。然後在p型區36上方形成一具有開口的薄遮罩層，類似於上述參照圖2形成於n型區22上的遮罩。p型半導體柱形成光子晶體，係成長穿過遮罩24中的開口。在p型柱38成長之後，一平面p型區32可成長於該等柱上方，如圖7所闡示，或者可一半導體區黏合於柱38，如圖3所闡示，或者一主基板可金屬黏合於p型柱38，如圖4所闡示。
另外，光子晶體可位於作用區下方，在n型區中，如圖10所闡示。在圖10所闡示的裝置中，一平面n型區22成長於成長基板20上方。n型柱26形成光子晶體，係成長穿過遮罩24中的開口。不間斷的平面n型區80、發光區82及p型區84放置於n型柱26上方。n型區80、發光區82及p型區84可成長於n型柱26上方或彼等可成長於一分離的成長基板上，且黏合於n型柱26，如以上參照圖3所說明者。
圖8所闡示的裝置包含二個放置於一平面發光區之對立側上的光子晶體。一具有開口的厚遮罩層56形成在n型區22上方。遮罩56舉例來說至少厚0.25 λ。n型柱58形成第一光子晶體，係成長穿過遮罩56中的開口。n型材料持續在遮罩56上方成長，而形成一不間斷的平面n型區60。在n型區60上方成長一發光區34，繼而成長一薄p型區36。如上所述，n型區60和p型區36之厚度皆小於3 λ。一具有開口的第二厚遮罩62形成在p型區36上方，然後p型柱64成長穿過遮罩62中的開口，接著是一不間斷的平面p型區66，p型區66係在遮罩62上方形成。在一些具體實施例中，係對準圖8所示的二個光子晶體中的半導體中的間隙。
在圖9所闡示的裝置中，光子晶體並非形成自該等柱，如上所述，而係形成自角錐體。當III族氮化物材料習知地成長穿過遮罩層中的開口時，角錐體產生，與以上參照圖2所說明用以形成半導體柱成長技術相反。在圖9裝置中，一n型區22形成於成長基板20上方，繼而形成一發光區34和一薄p型區36。在p型區上方沈積一具有開口的遮罩層70，然後p型材料72先成長在遮罩70中，其次在遮罩形成角錐體74。成長係在角錐體74之間的間隙76填滿之前停止。然後該半導體區40(通為p型而成長於一分離的成長基板上)黏合至該角錐體74。成長基板20或者半導體區40所成長的成長基板(未示出)則被移除。作為半導體區40之替代，一主基板可金屬黏合於角錐體74。而且，可維護該角錐體74間之間隙76，但在頂部一平面不間斷之表面結束的一層可成長於該角錐體74上。
或者，圖9之遮罩70可沈積於n型區22上方，使得成長於遮罩開口及角錐體74中的材料72為n型。一不間斷的平面p型區、作用區且視情況可用的n型區可成長在一分離的成長基板上，然後黏合於n型角錐體74。
本發明之具體實施例提供若干優點。蝕刻光子晶體所致的損壞得以避免，如此併有一成長的光子晶體的裝置可提供改良的效率，超越了具有蝕刻的光子晶體的裝置。而且，在本發明之具體實施例中，在作用區之p型側和n型側上都有平面表面，其上製造電性接點。接點設計乃得以簡化，而優於需對形成有光子晶體的一層製造電性接點的裝置。
本發明既經詳細說明，熟知此項技術者應明白，依所給的本揭示內容，可不脫離本文中所說明的本發明概念之精神來對本發明作修改。舉例來說，以上所闡示的範例中的裝置結構並不限於範例中所說明的特定成長技術。舉例來說，圖8中所闡示的具有二個光子晶體的裝置可用薄遮罩層來成長，如圖2中所闡示者，而不使用圖8中所闡示的厚遮罩層，或者可以圖9中所闡示的角錐體來成長而不使用圖8中所闡示的半導體柱。因此，本文並不意圖將本發明之範疇限制在所闡示說明的特定具體實施例。
2．．．區域
4．．．區域
20．．．成長基板
22．．．n型區
24．．．遮罩層
25．．．空間
26．．．n型柱
28．．．發光區材料柱
30．．．p型柱
32．．．p型區
34．．．發光區
36．．．p型區
38．．．p型柱
40．．．半導體區
42．．．成長基板
44．．．金屬
46．．．主基板
48．．．遮罩層
50．．．p型區
52．．．遮罩層
54．．．n型柱
56．．．遮罩層
58．．．n型柱
60．．．n型區
62．．．第二厚遮罩層
64．．．p型柱
66．．．p型區
70．．．遮罩層
72．．．p型材料
74．．．角錐體
76．．．間隙
80．．．n型區
82．．．發光區
84．．．p型區
90．．．黏合層
92．．．主基板
94．．．金屬接點
96．．．n接點
100．．．光子晶體發光二極體
102．．．成長基板
104．．．接點
108．．．n型區
112．．．作用區
116．．．p型區
120．．．接點
122－1,122－2,...,122－i．．．週期性電洞結構
124．．．文中未說明
131．．．正方形重複圖案
132．．．三角形重複圖案
圖1為一III族氮化物光子晶體發光裝置之斷面圖。
圖2係一裝置之斷面圖，該裝置具有形成光子晶體的半導體柱內形成之發光區。一不間斷的平面p型區成長於該等半導體柱上方。
圖3係一裝置之斷面圖，該裝置具有形成光子晶體的半導體柱內形成之發光區。該等半導體柱接合於一第二成長基板上所形成的一第二半導體結構。
圖4係一裝置之斷面圖，該裝置具有形成光子晶體的半導體柱內形成之發光區。該等半導體柱為接合於一主基板的金屬。
圖5係一裝置之斷面圖，該裝置具有形成光子晶體的半導體柱內形成之發光區，其中該等半導體柱成長穿過厚遮罩層。
圖6A－6C闡示一種形成圖2－4中所闡示的裝置的替代方法。
圖7係一裝置之斷面圖，該裝置具有一不間斷的平面作用區，及一形成於該作用區之後的光子晶體。
圖8係一裝置之斷面圖，該裝置具有二由一不間斷的平面作用區所分離之個光子晶體。
圖9係一裝置之替代具體實施例之斷面圖，該裝置具有一不間斷的平面作用區，及一形成於該作用區之後的光子晶體。
圖10係一裝置之斷面圖，該裝置具有一不間斷的平面作用區，及一形成於該作用區之前的光子晶體。
圖11為具變動折射率的材料之一光子晶體晶格範例之俯視圖。
圖12闡示圖2裝置經處理而成為一薄膜裝置。
圖13及14闡示二個形成準晶體體的配置範例。
20．．．成長基板
22．．．n型區
24．．．遮罩層
25．．．空間
26．．．n型柱
28．．．發光區材料柱
30．．．p型柱
32．．．p型區

Claims (49)

  1. 一種用於在一半導體發光結構之內成長一光子晶體的方法，該半導體發光結構包含一發光區，其配置當正向偏壓時發射波長λ的光，該發光區放置於一n型區與一p型區之間，其中成長該光子晶體包含：形成複數個具一第一折射率的半導體材料區；及形成複數個具一第二折射率的材料區，其中該第二折射率不同於該第一折射率；其中該等具該第二折射率的材料區係放置於成一陣列的該等半導體材料區之間，具該第一折射率的材料係成長在具該第二折射率的材料周圍，該等具該第二折射率的材料區未延伸至該半導體發光結構之一頂部表面或一底部表面，且具該第二折射率的各材料區皆距離最鄰近的具該第二折射率的材料區不到5λ。
  2. 如請求項1之方法，其中該半導體發光結構為一III族氮化物結構。
  3. 如請求項1之方法，其中該具該第二折射率的材料為空氣。
  4. 如請求項1之方法，其中該具該第二折射率的材料包含空氣、矽氧化物、矽氮化物、矽氧氮化物及電介質等其中之一或多個。
  5. 如請求項1之方法，其中成長該光子晶體包含：形成一具有複數個開口的遮罩於一半導體表面上；及成長一半導體材料穿過該等開口。
  6. 如請求項5之方法，其中該成長穿過該等開口的半導體材料包含複數個半導體柱。
  7. 如請求項5之方法，其中該半導體材料之厚度大於該遮罩之厚度。
  8. 如請求項5之方法，其中該半導體材料之厚度實質上同於該遮罩之厚度。
  9. 如請求項5之方法，其進一步包含成長該複數個半導體材料柱前，提供一金屬觸媒於該複數個開口中。
  10. 如請求項5之方法，其中該金屬觸媒為鎳。
  11. 如請求項5之方法，其進一步包含成長一具有實質上平面且不間斷的頂表面之半導體層於該複數個半導體柱上方。
  12. 如請求項5之方法，其中該半導體發光結構為一第一半導體結構，該方法進一步包含黏合一第二半導體結構至該等半導體柱。
  13. 如請求項5之方法，其進一步包含藉由一放置在該主基板與該等半導體柱之間的金屬黏合層，黏合該主基板至該等半導體柱。
  14. 如請求項5之方法，其中該發光區係放置在該等半導體柱內。
  15. 如請求項5之方法，其進一步包含成長複數個半導體柱前，蝕刻半導體表面之一部分而定義一光子晶體。
  16. 如請求項5之方法，其中該發光區不被該光子晶體所間斷。
  17. 如請求項5之方法，其中該光子晶體形成於該n型區中。
  18. 如請求項5之方法，其中該光子晶體形成於該p型區中。
  19. 如請求項5之方法，其中該光子晶體為一形成於該n型區中之第一光子晶體，該方法進一步包含於該p型區中形成一第二光子晶體。
  20. 如請求項5之方法，其中該複數個半導體柱之至少一個具有實質上固定不變的直徑、實質上平直的側壁，且垂直於一成長基板表面而成長。
  21. 如請求項1之方法，其中該等具該第二折射率的材料區之厚度為至少1/4λ。
  22. 如請求項1之方法，其中該等具該第二折射率的材料區為位於該發光區3λ內。
  23. 如請求項1之方法，其中該複數個半導體材料區和該複數個具該第二折射率的材料區係配置於一晶格常數在0.1λ與3λ之間的晶格中。
  24. 如請求項1之方法，其中該複數個半導體材料區和該複數個具該第二折射率的材料區係配置於一晶格常數在0.1λ與λ之間的晶格中。
  25. 如請求項1之方法，其中：具有有該第二折射率之該材料為空氣；及該複數個半導體材料區和該複數個具該第二折射率的材料區係配置於一晶格常數在0.35λ與0.55λ之間的晶格中。
  26. 如請求項1之方法，其中該複數個半導體材料區和該複數 個具該第二折射率的材料區係配置於一線性光柵中。
  27. 如請求項1之方法，其中該複數個半導體材料區和該複數個具該第二折射率的材料區係配置於一晶格中，該晶格之至少一部份包含三角形、蜂房形、阿基米德或準晶體晶格其中之一。
  28. 如請求項27之方法，其中該等半導體材料區之一的半徑為0.36乘以晶格常數。
  29. 如請求項1之方法，其進一步包括：蝕刻該p型區之一部分和該發光區，以曝露該n型區之一部分；於該p型區之其餘部分和該n型區之曝露的部分形成電性接點；及附接該等電性接點於一載體。
  30. 如請求項29之方法，其中該半導體係成長在一成長基板上，該方法進一步包含：填充該載體與該半導體結構之間的一間隙；及移除該成長基板。
  31. 如請求項1之方法，其中該半導體結構係成長在一成長基板上，該方法進一步包含：附接該半導體結構之一表面於一載體；及移除該成長基板。
  32. 一種半導體發光裝置，其包含：一半導體結構，其包含一發光層配置發射波長λ的光，該發光層放置於一n型區與一p型區之間，該半導體結構 有一頂表面及一底表面；及一光子晶體，其放置於該半導體結構之內，該光子晶體包含：複數個具一第一折射率的半導體材料區；及複數個具一第二折射率的材料區，其中該第二折射率異於該第一折射率；其中該等具該第二折射率的材料區係放置於成一陣列的該等半導體材料區之間，且具該第二折射率的各材料區皆距離最鄰近的具該第二折射率的材料區不到5λ；其中該發光層係放置於該光子晶體之內；及其中該半導體結構之頂表面及底表面不被該光子晶體所間斷。
  33. 如請求項32之裝置，其中該發光層為III族氮化物層。
  34. 如請求項32之裝置，其中該具該第二折射率的材料為空氣。
  35. 如請求項32之裝置，其中該具該第二折射率的材料包含矽氧化物、矽氮化物、矽氧氮化物及電介質等其中一個。
  36. 如請求項32之裝置，其中該等具該第二折射率的材料區之厚度為至少1/4λ。
  37. 如請求項32之裝置，其中該複數個半導體材料區和該複數個具該第二折射率的材料區係配置於一晶格常數在0.1λ與3λ之間的晶格中。
  38. 如請求項32之裝置，其進一步包含：一第一接點，其放置於該半導體結構之一底表面上；及 一第二接點，其放置於該半導體結構之一頂表面上。
  39. 如請求項32之裝置，其中：該頂表面包含一實質上為平面的表面；該發光層之一部分和該n型區及該p型區其中一個自該底表面移除，致使該底表面包含該n型區之一曝露部分和該p型區之一曝露部分；一第一接點形成於該n型區之曝露部分；及一第二接點形成於該p型區之曝露部分。
  40. 一種半導體發光裝置，其包含：一半導體結構，其包含一發光層配置發射波長λ的光，該發光層放置於一n型區與一p型區之間，該半導體結構有一頂表面及一底表面；及一光子晶體，其放置於該p型區之內，該光子晶體包含：複數個具一第一折射率的半導體材料區；及複數個具一第二折射率的材料區，其中該第二折射率異於該第一折射率；其中該等具該第二折射率的材料區係放置於成一陣列的該等半導體材料區之間，且具該第二折射率的各材料區皆距離最鄰近的具該第二折射率的材料區不到5λ；其中該半導體結構之頂表面及底表面不被該光子晶體所間斷。
  41. 如請求項40之裝置，其中該光子晶體為一第一光子晶體，該裝置進一步包含一第二光子晶體，其放置於該n型區之內。
  42. 如請求項40之裝置，其中該發光層為III族氮化物層。
  43. 如請求項40之方法，其中該具該第二折射率的材料為空氣。
  44. 如請求項40之裝置，其中該具該第二折射率的材料包含矽氧化物、矽氮化物、矽氧氮化物及電介質等其中一個。
  45. 如請求項40之裝置，其中該等具該第二折射率的材料區之厚度為至少1/4λ。
  46. 如請求項40之裝置，其中該複數個半導體材料區和該複數個具該第二折射率的材料區係配置於一晶格常數在0.1λ與3λ之間的晶格中。
  47. 如請求項40之裝置，其進一步包含：一第一接點，其放置於該半導體結構之一底表面上；及一第二接點，其放置於該半導體結構之一頂表面上。
  48. 如請求項40之裝置，其中：該頂表面包含一實質上為平面的表面；該發光層之一部分和該n型區及該p型區其中一個自該底表面移除，致使該底表面包含該n型區之一曝露部分和該p型區之一曝露部分；一第一接點形成於該n型區之曝露部分；及一第二接點形成於該p型區之曝露部分。
  49. 如請求項40之裝置，其中該頂表面與該底表面中之一者包含該p型區之一表面，而該頂表面與該底表面中之另一者則包含該n型區之一表面。
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