TWI499075B - 具有光擷取結構的半導體發光裝置 - Google Patents

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TWI499075B TW097149448A TW97149448A TWI499075B TW I499075 B TWI499075 B TW I499075B TW 097149448 A TW097149448 A TW 097149448A TW 97149448 A TW97149448 A TW 97149448A TW I499075 B TWI499075 B TW I499075B
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Description

具有光擷取結構的半導體發光裝置
包含發光二極體(LED)、共振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)以及邊緣發射雷射的半導體發光裝置屬於當前可用之最有效率光源。當前在製造高亮度發光裝置上，能夠橫跨可見光譜操作的重要材料系統包含三五族半導體，尤其是鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金，亦稱之為三族氮化物材料。通常，三族氮化物發光裝置係藉由金屬有機化學汽相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、或其他磊晶技術在藍寶石、碳化矽、三族氮化物或其他適當的基板上，以磊晶方式來生長具有不同組合物與摻雜物濃度之半導體層堆疊來製造。該堆疊通常包含：形成於該基板上，摻雜(例如)Si之一或多個n型層；形成於該(等)n型層上，一作用區域中之一或多個發光層；以及形成於該作用區域上，摻雜(例如)Mg之一或多個p型層。電性接點係形成於該等n與p型區域上。
依據本發明之具體實施例，將結構併入至一發光裝置，其可增加以掠入射角發射之光的擷取。該發光裝置可為(例如)三族氮化物薄膜覆晶發光二極體。
在一些具體實施例中，該裝置包含藉由全內反射引導光遠離該等金屬接點之一結構。例如，該裝置可包含一半導體結構，其包括佈置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層。一反射金屬接點係佈置於該半導體結構之一底側上並電連接至該p型區域。低折射率材料係佈置於該反射金屬接點之至少一部分與該p型區域之間。選擇低折射率材料與p型區域之間的折射率中之差以及該低折射率層之厚度以確保掠射角光之全內反射。例如，低折射率材料之折射率與該p型區域之折射率之間的差可為至少0.4。半導體結構與該低折射率材料之間的介面經組態以有效率地反射相對於該發光層之一主平面的一法線以掠射角(即，以大於70°之一角)入射在該介面上之光。
在一些具體實施例中，該裝置包含擷取特徵，其可直接擷取掠射角光，或將該掠射角光引導至更易於從該裝置擷取之較小入射角。例如，該等特徵可為該半導體結構中之腔，其從該半導體結構之頂或底面延伸。該等腔可具有相對於該發光層之一主表面以35與55°之間的一角度定向之側壁。該等腔之側壁上可完全或部分佈滿介電材料。該等腔可填充金屬。在一些具體實施例中，該金屬使其與該n型區域電性接觸。
圖1說明以引用方式併入本文中之美國專利7,256,483中更詳細說明的三族氮化物覆晶薄膜LED。N型層16、作用層18與p型層20在(例如)藍寶石或SiC之任何適當基板上生長。該p層表面經高度摻雜以形成與模用金屬化層24(例如，Ag)的歐姆接點。可將金屬化24高度反射至藉由該作用層發射之光。在LED形成程序期間蝕刻掉p層20與作用層18之部分，而且金屬50(金屬化層加接合金屬)在與作為p接點金屬24之該裝置之相同側上接觸該n層16。
將n金屬50與p金屬24接合至封裝基板12上之墊22。底部填充材料52可沈積於LED下之空洞中以減少橫跨該LED之熱梯度，以將機械強度添加至附接，以及以防止污染物接觸該LED材料。接合技術可為焊接、熱壓、相互擴散或藉由超音波熔接而接合之金凸塊陣列。模用金屬化與接合材料之組合顯示為金屬24與50並可包含一擴散阻障或其他層以保護鄰近半導體材料之金屬化層的光學特性。該封裝基板12可由電絕緣材料AIN形成，其具有使用通道28及/或金屬跡線連接至可焊接電極26之金接觸墊22。或者，若為防止短路而加以鈍化，該封裝基板12可由導電材料形成，例如陽極化AlSiC。該封裝基板12可導熱以充當散熱器或將熱傳導至較大散熱器。
使用準分子雷射束來移除生長基板。該雷射束在具有生長基板之其介面熔化GaN材料，允許該生長基板接著加以剝離。或者，藉由蝕刻(例如RIE蝕刻)、藉由剝離技術(例如蝕刻掉該生長基板與LED層之間的一層)或藉由研磨來移除該生長基板。
藉由使用乾式蝕刻(例如RIE)之蝕刻按需要薄化曝露、相對厚的GaN層16。在一範例中，經蝕刻的該GaN層16之厚度為7μm，而且該蝕刻將該GaN層16之厚度減小為近似1μm。若所有磊晶LED層之初始厚度為9μm，則在此情況下該蝕刻使得該等LED層之總厚度為3μm。在一些具體實施例中，完成裝置中之半導體結構的總厚度可為10μm或更小，在一些具體實施例中為5μm或更小，在一些具體實施例中為2μm或更小，以及在一些具體實施例中為1μm或更小。薄化程序移除藉由雷射剝離程序引起的損害而且減小不再需要的光學吸收層(例如低溫GaN成核層及鄰近層)之厚度。鄰近該作用區域之n型包覆層之全部或部分原封不動。
織構化(textured)該LED(n層16)之頂表面用於增加光擷取。在一具體實施例中，使用KOH溶液46來光電化學蝕刻層16。此在GaN表面(具有n型Si摻雜)中形成「白色」粗糙度。此蝕刻程序亦可用於進一步薄化該n層16並使用在LED形成程序期間生長的一蝕刻停止層而在預定厚度停止，留下一光滑表面。此後者方法針對共振裝置設計係有用。對於此類裝置，現可將鏡面堆疊(例如，布拉格(Bragg)反射器)沈積於該LED之頂表面上。額外光擷取技術可包含微米或奈米級圖案化蝕刻(凹痕或光子晶體)。
一般而言，在圖1中說明的裝置中，在具有隨機織構化或具有有序織構化之表面中的表面織構化之特徵大小約藉由該作用區域發射之光的一波長之一等級。此類裝置之性能取決於該裝置中之光擷取程序及吸收程序(例如藉由該作用區域以及藉由該等金屬接點之吸收)的相對效率。吸收程序通常總計為每跳躍之若干百分比(1至10%)。若每跳躍之光擷取率強於每跳躍之吸收率，則從一裝置之光擷取係有效率的。
來自織構化表面之光擷取可很大程度上取決於光之入射角。容易擷取以相對於頂表面之法線的較小角撞擊該表面的光(圖2中顯示為光30)。較難擷取以相對於頂表面之法線的較大角撞擊該表面的光(本文中稱為掠射角光，圖2中顯示為光32)。藉由鏡面反射或藉由圖2中說明的後向散射將大部分掠射角光反射回至該LED。該反射光易受吸收的影響。掠射角光(例如相對於該裝置之頂表面的法線在70與90°之間的角範圍中入射)之擷取效率僅為幾個百分比。此在圖8中加以說明，其顯示撞擊光子晶體之平面波的該一次通過擷取與角(0°垂直於該光擷取表面之平面，即，n型區域16之頂部)。以較大角度(掠射角)之擷取小於以較小角度之擷取，因此要求更多跳躍用於擷取。
以掠射角後向散射之光大部分經受鏡面反射(相對於漫散射)並保持相同的入射角。此在圖9中加以說明，其顯示一次通過鏡面反射與用於與圖8相同的結構之角度(0°係垂直於該光擷取表面之平面)。該光之較大部分以掠射角經受鏡面反射。該織構化表面因此並非用於將掠射角光轉換為更易於加以擷取的以較小角度傳播之光的較佳機構。因為以掠入射角發射之光表示藉由該裝置(一些裝置中的約40%)發射之光的一顯著部分，所以需要擷取掠射角光以便改良該裝置之擷取效率。儘管圖8與9中說明的結果經計算用於該裝置之圖案化頂表面的特定幾何形狀，但其說明的趨勢(即，以掠射角之較差擷取及較大後向散射)保持該圖案化表面之各種幾何形狀。
依據本發明之具體實施例，將若干結構併入至三族氮化物薄膜覆晶發光裝置，其可增加以掠入射角發射之光的擷取。在一些具體實施例中，該裝置包含藉由全內反射引導光遠離該等金屬接點之一結構。在一些具體實施例中，該裝置包含該半導體結構內之擷取特徵，其可直接擷取掠射角光或將該掠射角光引導至更易於從該裝置擷取之較小入射角。
圖3與4說明具有佈置於該半導體結構之至少一部分與該金屬p接點之間的一低折射率層的裝置。在圖3與4中說明的兩裝置中，該低折射率層較佳引起較少光學損耗或不引起光學損耗。在一些具體實施例中，該p型區域、低折射率層及p接點經組態以使得該p型區域上之低折射率層與反射p接點金屬的複合反射率大於僅在該p型區域上的該反射p接點金屬之反射率。
添加低折射率層可增強該接點之反射率。低折射率層之類型及其厚度經選擇以最大化以有用角之光的總反射，以產生優於無低折射率層之反射金屬接點之一反射。圖14A與14B說明如何將在不同角之光反射離開低折射率層/金屬反射接點。圖14A之射線66具有小於GaN 20(n=nGaN )與低折射率層36、40(n=nlow )之間的臨界角θc 之一入射角，其藉由公式θc =Sin-1 (nlow /nGaN )給出。射線66之較小百分比能夠就在無損耗之情況下從該低折射率層36、40反射。大多數射線66穿透該低折射率層36、40並反射離開金屬24。對於射線66，該低折射率層36、40中之往返損耗(即，在光透過該低折射率層行進時，該金屬層反映損耗，接著透過該低折射率層行進返回)較佳不大於從該半導體結構20直接反射離開該金屬層24的射線之損耗(在沒有一插入低折射率層的情況下)。此損耗界定該低折射率層之最大厚度(其取決於該低折射率層中之吸收)以使得半導體/低折射率層/金屬反射器之反射率比半導體/金屬反射器之反射率更佳。
圖14B之射線70亦在該臨界角內，但該低折射率層36、40較厚且一些射線可在該層中加以共振捕獲，其增加其吸收(藉由金屬24或藉由該低折射率層36、40)。若未適當選擇該半導體20、低折射率層36、40以及金屬層24折射率及厚度，則此效應可降低該接點之有效反射率。針對SiO2 低折射率層，射線66與70之行為係顯示於圖10中。圖10係作為用於具有GaN p型區域20、SiO2 低折射率層36及Ag p接點24的裝置之入射角的一函數之反射率的圖。SiO2 之三個厚度係顯示於圖10中，0nm(即，沒有低折射率層)、70nm以及400nm。對於薄SiO2 層(70nm)，在臨界角(<40°)下不存在共振而且該反射率係光滑角函數。該反射率僅高於Ag。對於較厚SiO2 層(400nm)，在其中光於該SiO2 中受到捕獲而且該反射率受損失的臨界角下存在兩共振。為了避免此等共振，該低折射率層之厚度需要小於該低折射率層中之半波長長度(考量鏡相移)。對於大多數具體實施例，該介電層之厚度係足夠薄(例如小於100nm)以避免共振。在其它具體實施例中，該介電質較厚並可支援共振，但選擇半導體層之厚度以最小化或消除在此等相反角之光發射。
圖14A之射線68顯示其中該入射角大於臨界角引起此掠射角光之全內反射的情形。藉由引導光離開而減小入射在該金屬接點上之光的數量，藉由全內反射於大於臨界角之角度增加接點之反射率。存在該低折射率層的最小厚度以使得可達到反射率之最大值。在用於全內反射之角上，光係該低折射率層中之漸逝波，其具有指數衰減長度，其中λ為波長(在真空中)，θ為光之角以及nGaN 與nlow 分別為p材料及低折射率層之光學折射率。若該低折射率層之厚度與Ldecay 相比較係足夠大，則光未經受鏡損耗。一般而言，Ldecay ~40至80nm取決於θ與nlow 之值。在一些具體實施例中，該低折射率層之厚度至少為兩倍的Ldecay 。在其它具體實施例中，該厚度至少為Ldecay 。
藉由改良以小於臨界角(以上圖14A與14B中之射線66與70)或大於臨界角(以上圖14A中之射線68)之入射角行進之光的反射率之任一者或兩者來改良裝置之擷取效率。圖15概括以上在GaN/SiO2 /Ag結構情況下說明之效應。對於SiO2 厚度t<100nm，不存在採用t總體增加之共振及反射率。對於更大t，共振在一些角處出現並降低反射率。藉由對應於t=100nm與t=200nm之兩虛線來表示兩具體實施例。此等厚度分別對應於該SiO2 層中之無共振及一共振而且兩者確保一極高反射率(對於大於50°之角為>99.9%)。
在具有低折射率層之介面的半導體材料通常為p型GaN，其具有約2.4的折射率。在一些具體實施例中，該低折射率層具有2或更小的折射率n，更佳為1.7或更小。藉由具有針對該低折射率層的2或更小之折射率，將該臨界角限於不大於~55°。因此，在大於臨界角之角的所有光採用最大反射率加以全內反射。此包含如圖8中顯示的掠射角光(其最難擷取)。該低折射率層僅需要與要求一樣厚以引起掠射角光之全內反射。
在圖3中說明的裝置中，不導電低折射率層之區域36係沈積於p型區域20與p接點24之間。適當低折射率層之範例包含介電質(例如SiO2 (n=1.5)、SiN、TiO2 或Al2 O3 )及半導體(例如ZnO)。該介電低折射率層應足夠厚以確保掠射光之反射(如以上說明)，例如，至少80nm。在一些具體實施例中，該介電低折射率層係足夠薄(例如小於100nm)以避免如以上說明的共振或足夠薄(例如小於250nm)以僅支援一共振。在其它具體實施例中，該低折射率層較厚並支援共振，但調整該半導體結構之厚度以避免以對應於藉由該低折射率層支援之共振的角度之發射光。在一些具體實施例中，在小於臨界角入射之光的反射率大於95%。在一些具體實施例中，在大於臨界角入射之光的反射率大於98%。
一介電低折射率層可沈積於p型區域20之表面上並在p接點24形成前經圖案化。可在p型區域20之表面上生長或沈積一半導體低折射率層。將電流注入在低折射率材料之區域之間的間隙38中之半導體結構中，其中p接點24與p型區域20進行直接接觸。間隙38係足夠大而且係足夠間隔緊密在一起，因此電流在p型區域20中藉由低折射率材料36從與p接點24接觸之區域展開至自p接點遮蔽的區域。在p型GaN中展開電流係較難因為其電阻率(~1Ω-cm)係較高。為了使接點有效，該等間隙需要足夠緊密在一起以使得電流可在不導電低折射率層下展開。在三族氮化物LED中之p型GaN層傾向於係較薄(例如，小於0.5μm)，其亦限制該層之電流展開能力。在一些具體實施例中，間隙38可至少為100nm寬並在一些裝置中隔開小於2μm，在一些裝置中隔開小於0.5μm。一般而言，間隙之面積對總接觸面積之比率由於較高反射率而保持較低，但足夠高以提供有效率的電流展開。在一些具體實施例中，低折射率層覆蓋該p型區域之表面的總面積之50%或更多。在該低折射率層中之開口38可藉由(例如)印跡、全像或步進機/掃描儀微影技術來形成。
在圖3中說明的裝置中並在本文中說明的其它裝置中，生長基板可從該裝置移除。在其中移除該生長基板之具體實施例中，藉由移除該基板而曝露之該裝置的頂表面34可經隨機粗糙化或可採用(例如)光子晶體來圖案化。在一些具體實施例中，間隙38之圖案可以週期方式組織以增加或補足形成於頂表面34中的光子晶體之光擷取效應。例如，可調整間隙38之圖案的參數(例如晶體或準晶格之類型、間距、填充因數、間隙之深度及形狀)以擷取藉由形成於頂表面34中之光子晶體未較佳擷取之光。而且，可調整該等參數以增強此擷取光之方向性以使得其添加該光子晶體之方向光擷取。在一具體實施例中，間隙38之圖案的間距及晶格類型與該光子晶體之間距及晶格類型相同，例如，該間距約200至600nm之等級。
在圖4中說明的裝置中，導電低折射率層40係佈置於p型區域20與p接點24之間。因為低折射率層40導電，所以p型區域20與p接點24之間的整個介面可採用低折射率層40來覆蓋。該低折射率層亦與該p型層20進行較佳接觸。特定接觸電阻較佳為1×10-2 ohm-cm2 或更小。
在一些具體實施例中，低折射率層40與氧化物(例如氧化銦錫(ITO，n=1.5)、InO、ZnO、Gax Oy 或CuO)摻雜。該氧化物可為p摻雜或n摻雜，在此情況下，可使用至該p型區域的一穿隧接合。在一些具體實施例中，摻雜物係氧化物之組分(例如ITO中之錫)之一；在其它具體實施例中，摻雜物係一額外元素(例如用於p型ZnO之P)。該摻雜物之濃度足夠高以確保低接觸電阻以及適當的電注入，但足夠低以避免光學吸收。例如，ITO層中之錫的數量可在0與10%之間改變。
在一些具體實施例中，另一材料(例如，若干埃金屬，例如Ni)之一薄層係佈置於該半導體結構與低折射率層40之間以增強該低折射率層至該半導體結構的黏附並改良氧化物與該p型半導體材料之間的介面處之特定接觸電阻。
為了減小折射率並因此增加與該半導體之介面處的折射率對比，一氧化低折射率層可(例如)藉由電、化學或電化學濕式蝕刻而製成多孔。或者，多孔低折射率層可藉由傾斜蒸發形成，從而導致利用於柱間的空氣間隙以柱狀生長。因為低折射率層40係較薄，所以其可以有抵抗力。例如，低折射率層40可具有比得上p型GaN之電阻的最多至1Ω-cm之電阻。
在一些具體實施例中，低折射率層40係一磊晶生長半導體層。通常，儘管非三族氮化物磊晶材料(例如ZnO)係可行，但此一低折射率層係三族氮化物層(例如AlInGaN、AlGaN或AlInN)。一低折射率半導體層可經充分摻雜用於透過該低折射率層將電流從p接點24直接注入p型區域20。或者，在較薄較輕摻雜或不摻雜低折射率半導體層之情況下，可藉由穿隧注入電流。在穿隧注入之情況下，鄰近該低折射率半導體層之p型區域的表面可經高度摻雜以促進注入。
在一些具體實施例中，氧化低折射率半導體層以便減小折射率。圖5說明具有一氧化低折射率層之裝置的一部分。在一基板上生長N型區域16、發光區域18以及p型區域20。可晶格匹配至GaN的可經氧化之半導體層42(例如AlInN)在p型區域20上生長，接著高度摻雜p型層46。移除高度摻雜層46之部分以曝露下部待氧化層之部分。藉由用於圖案化高度摻雜層46之光罩來保護高度摻雜層46之剩餘部分。
例如，藉由將一小片In可經合金用於電流存取之晶圓曝露至溶解於水中之氫氧化鉀的0.3M溶液中以到達pH值8.5的氨基三乙酸之電解質溶液來接著氧化半導體層42之部分。將20μA/cm2 之較小電流密度施加於約3V之臨限電壓。氧化以(例如)每小時5與20μm之間的一速率橫向行進。氧化藉由圖案化高度摻雜層46而曝露之僅半導體層42之部分。在氧化後，氧化區域44係非晶性氧化層，例如Alx Oy 或Alx Iny Oz 。在AlInN層中之In的至少一些一般在氧化後保持在氧化層中。該In可或不可氧化。未氧化半導體材料42保持在氧化區域44之間。例如，AlInN晶格匹配至GaN之折射率約為2.2(與GaN的8%折射率對比)而相同氧化材料之折射率約為1.8。
一p接點24係沈積於該結構上。在其中高度摻雜層46之剩餘部分與導電半導體區域42對準之位置中，將電流從p接點24注入至發光區域18。氧化區域44並不導電，但引起入射在氧化區域44與p型區域20之間的介面上之光的全反射。導電半導體區域42可至少為100nm寬並隔開小於1μm，以便在p型區域20中提供充分電流展開。正如在圖3中說明的裝置中，氧化區域44之圖案可以週期方式組織以增加或補足形成於n型區域16之頂表面中的光子晶體之效應。
可最佳化反射p接點24與發光區域18之間的距離，以控制該半導體內的發射圖表以及載體之壽命，並進而影響該裝置之擷取效率及遠場場型。在以引用方式併入本文中之美國專利第6,903,376號中更詳細說明發光區域之位置。低折射率層之添加可增加從發光層至反射器之光學長度。為了達到最佳化發射圖表，從發光區域18之中心至金屬鏡24之光的相移(包含金屬相移)需要共振，正如在共振腔LED中進行共振。在一些具體實施例中，發光區域18之中心與金屬反射器24之間的光學距離係藉由發光區域18發射之光的四分之一波長的奇數倍減去該反射金屬24之相位。
圖6、7、11及12說明包含擷取特徵之裝置，其可直接擷取掠射角光或將該掠射角光引導至更易於從該裝置擷取之較小入射角。圖6、7、11及12之裝置包含從該半導體結構之頂或底表面延伸之宏觀光擷取特徵。該等光擷取特徵可為(例如)中斷該半導體結構之塊或錐形物。圖6、11與12中說明的特徵可為在與其上形成有n接點之凸台同時於半導體結構中蝕刻的腔。
在圖6中說明的裝置中，顯示兩個光擷取特徵48與54。光擷取特徵大小、形狀及間隔經選擇以引導掠射角光射出該裝置(如藉由射線60說明)，或成為可更易於加以擷取之較小入射角。儘管光擷取特徵不需要延伸穿過整個厚度(如藉由特徵54來說明)，但其可延伸穿過整個厚度(如藉由特徵48來說明)。在一些具體實施例中，較高特徵更有效率地重新引導掠射角光因為掠射角光之較小部分可在該特徵上傳播而無需經重新引導。圖6中說明的特徵採用介電材料或採用空氣來填充。介電材料可在與介電層56相同的時間形成於特徵中，其經沈積並圖案化以從發光區域及p型區域電隔離n接點50。
在圖11中說明的裝置中，特徵57可排列薄介電層(具有約一波長或更小等級之厚度)並採用在與p接點24相同的時間沈積之反射金屬來填充。如以上說明，保持該介電層較薄並調整其準確厚度以便避免光學共振(例如，圖10中說明的共振)並因此確保較佳反射率。
在圖12中說明的裝置中，該介電層未存在於該擷取特徵之頂部，因此在排列於該特徵之金屬與n型區域16之間進行電接觸。該特徵可接著代替該裝置之習知n接點或對其進行補充而用作一n接點。在此類具體實施例中，(例如)藉由在與用於塗布該特徵之該介電層相同的時間加以沈積的介電層而電隔離該等裝置層下之該p接點與該擷取特徵。
鄰近特徵之間的距離係足夠短以至於該掠射角光到達該等特徵而未在該結構中被吸收。此等特徵比形成(例如)於該裝置之頂表面34中的光子晶體中之特徵(例如，其隔開小於1μm)更遠間隔開(例如在10與300μm之間間隔開)。具有較大吸收之裝置要求較短距離。該吸收取決於該裝置中之鏡及金屬的反射率並亦取決於作用區域。例如，具有較多活性材料之裝置一般較多吸收。特徵之間的距離足夠大以至於僅該裝置之發光區域面積的一較小部分(例如，不大於50%)對於該等特徵係耗損。例如，若該等特徵在2與5μm之間寬，則特徵之間的50至200μm的平均分離對應於發射區域中之約10%等級的損耗。在一些具體實施例中，該等特徵經調整大小並隔開以使得掠射角光之所有軌跡在較短足夠距離(例如至多50μm)內撞擊一特徵。圖13顯示此一具體實施例之俯視圖，其中如在附隨圖6、11與12之文本中所說明的特徵48、54、57與62形成其上掠射光在該裝置內行進至多幾十微米後撞擊之腔而藉由該等特徵使用的表面之部分小於專屬於p接點之表面。特徵之間的間隔64可在(例如)50與150μm之間，通常為100μm。一般而言，將擷取特徵定位於該裝置外側以及該裝置內。如圖13中說明，其未用於將該裝置電分離為超過一個的裝置，在圖13中，陰影區域表示p接點24而且亦表示該p接點下之p型區域(例如圖6之p型區域20)。設計特徵以使得p接點為一連續件而非在整個裝置上分離。在一些具體實施例中，僅該等特徵之一些亦充當至n型區域之接點。可最小化充當接觸區域之特徵的數目以增加此等特徵之反射率。
一般而言，此等特徵之尺寸較大(例如光之波長的若干倍)以使得其以幾何方式反射光。選擇特徵之側壁角以便最大化其效率。因為掠射角光在材料中接近90°傳播，所以預期具有接近45°(例如在35與55°之間)之側壁角的特徵將有效率地擷取掠射角光。在形成於頂表面34中之光子晶體的情況下，可進一步最佳化特徵特色以藉由最佳化其側壁角以及其平面中之分佈而增加該裝置之方向性以在優先方向中擷取光。
在圖7中說明的裝置中，例如，在採用光子晶體結構粗糙化或織構化頂表面34的同時於移除生長基板後形成特徵58。腔58可與圖6中說明的特徵具有相同的形狀、大小及間隔。如圖7中說明，儘管腔58之側壁不需要，但可粗糙化或織構化腔58之側壁。可採用例如金屬、介電質或兩者之組合的一材料來塗布腔58之側壁。
本發明既經詳細說明，熟習此項技術人士應明白，依提供的本揭示內容，可對本發明進行修改而不脫離本文中所說明之本發明概念的精神。例如，儘管在圖3、4、6及7中，僅說明一n接點通道，但一裝置可具有多個n接點通道。而且，圖3、4與5中說明的裝置之特徵可與圖6、7、11、12與13中說明的裝置之特徵組合。因此，未預計本發明之範疇限於所解說及所說明的特定具體實施例。
12．．．封裝基板
16．．．N型層/GaN層
18．．．作用層
20．．．p型層/半導體結構
22．．．墊
24．．．金屬化層
26．．．電極
28．．．通道
30．．．光
32．．．光
34．．．頂表面
36．．．低折射率層
38．．．間隙
40．．．低折射率層
42．．．半導體層
44．．．氧化區域
46．．．溶液、p型層
48．．．光擷取特徵
50．．．金屬
52．．．材料
54．．．光擷取特徵
56．．．介電層
57．．．光擷取特徵
58．．．腔
60．．．射線
62．．．光擷取特徵
64．．．間隔
66．．．射線
68．．．射線
70．．．射線
圖1說明三族氮化物薄膜覆晶發光裝置。
圖2說明具有形成於該頂表面中之一光子晶體的三族氮化物裝置。
圖3說明具有佈置於該半導體結構與一金屬接點之間的一不導電低折射率層的一裝置。
圖4說明具有佈置於該半導體結構與一金屬接點之間的一導電低折射率層的一裝置。
圖5說明具有形成於該半導體結構之一部分中的一氧化低折射率層的一裝置。
圖6說明包含從其上形成該p接點之表面延伸至該半導體結構的光擷取特徵的一裝置。
圖7說明包含從光射出該裝置之表面延伸至該半導體結構的光擷取特徵的一裝置。
圖8係與入射角成函數關係的擷取之標繪圖，其說明撞擊GaN/空氣光子晶體之平面波(其週期及深度具有波長等級)的一次通過擷取效率。
圖9係與入射角成函數關係的擷取之標繪圖，其說明與圖8相同的結構之一次通過鏡面反射(例如採用與其入射角相同的角經反向散射之光的部分)。
圖10係對於SiO2 之三個不同厚度，與一裝置的入射角成函數關係的反射率之標繪圖，該裝置具有一GaN p型區域、一SiO2 低折射率層及一Ag接點。
圖11說明包含採用薄介電層塗布並採用金屬填充之光擷取特徵的一裝置。
圖12說明包含藉由介電層經部分塗布並亦用作n接點之光擷取特徵的一裝置。
圖13係一裝置中之光擷取特徵與n接點的佈局之俯視圖。
圖14A與14B說明入射在GaN/低折射率材料/金屬介面上之光線。圖14A顯示在一薄低折射率層中傳播的兩條射線。圖14B顯示在一厚低折射率層中傳播的一射線。
圖15說明與用於GaN/SiO2 /Ag結構之SiO2 層的入射角及厚度t成函數關係的反射率。
12．．．封裝基板
16．．．N型層/GaN層
18．．．作用層
20．．．p型層/半導體結構
24．．．金屬化層
34．．．頂表面
48．．．光擷取特徵
50．．．金屬
54．．．光擷取特徵
56．．．介電層
60．．．射線

Claims (15)

  1. 一種發光裝置，其包括：一半導體結構，其包括佈置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層；一反射金屬接點，其係佈置於該半導體結構之一底側上並電連接至該p型區域；一材料，其係佈置於該反射金屬接點之至少一部分與該p型區域之間，其中該材料之一折射率與該p型區域之一折射率之間的一差為至少0.4；其中：該半導體結構之一頂表面的至少一部分被織構化(textured)；該半導體結構之該頂表面的該織構化部分與該反射金屬接點之間的一距離係小於5μm；該半導體結構包括以一金屬填充之腔(cavities)，該等腔將以一第一入射角入射之一第一光引導至以一第二入射角入射之一第二光，該第二入射角小於該第一入射角；該等腔之一第一組具有與該反射金屬接點接觸之該金屬以及完全地佈滿(lined with)一介電材料之側壁以將該等腔之該第一組與該n型區域隔離；以及該等腔之一第二組具有部分地佈滿該介電材料之側壁以使該金屬接觸該n型區域並與該p型區域及該反射金屬接點隔離。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該材料之一折射率與該p型區域之一折射率之間的一差異為至少0.7。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中該半導體結構與該材料之間的一介面反射相對於該發光層之一主平面的一法線以大於70°之一角入射在該介面上之光。
  4. 如請求項1之發光裝置，其中該材料與該p型區域上之該反射金屬接點之一複合反射率大於與該p型區域直接接觸的該反射金屬接點之一折射率。
  5. 如請求項1之發光裝置，其中該材料中之一往返損耗小於一可見光譜波自與該p型區域直接接觸的該反射金屬接點反射之一損耗。
  6. 如請求項1之發光裝置，其中腔之間隔係小於2μm。
  7. 如請求項1之發光裝置，其中該材料之一厚度係小於500nm。
  8. 如請求項1之發光裝置，其中該材料之一厚度係大於40nm且小於藉由該發光層發射之光的一波長的一半。
  9. 如請求項1之發光裝置，其中：該材料之一厚度係大於藉由該發光層發射的光之一波長的一半，以使得在該材料中捕獲以一範圍的入射角入射在該材料上之光；以及該半導體結構最小化以該範圍的入射角發射的光之數量。
  10. 一種發光裝置，其包括：一半導體結構，其包括佈置於一n型區域與一p型區域 之間的一三族氮化物發光層；以及複數個腔，其延伸至該半導體結構中，其中該等腔以一金屬填充且反射相對於該發光層之一主平面的一法線以大於70°之一角度入射在該介面上之光；其中該等腔之一第一組具有與該p型區域接觸之該金屬以及完全地佈滿一介電材料之側壁以將該等腔之該第一組與該n型區域隔離；及該等腔之一第二組具有部分地佈滿該介電材料之側壁以使該金屬接觸該n型區域並與該p型區域隔離。
  11. 如請求項10之發光裝置，其進一步包括佈置於該半導體結構之一底側上的一反射金屬接點，其中該複數個腔從該半導體結構之該底側朝向該半導體結構之一頂表面延伸或從該半導體結構之該頂表面朝向該半導體結構之該底側延伸。
  12. 如請求項10之發光裝置，其中該等腔之大小係使得在該半導體結構內行進之一光子在與一腔互相作用前無法進一步行進超過50μm。
  13. 如請求項10之發光裝置，其中該等側壁係相對於該發光層之一主表面以35與55°之間的一角度而定向。
  14. 如請求項10之發光裝置，其中最近鄰近腔間隔在10與300μm之間。
  15. 如請求項10之發光裝置，其中粗糙化該等腔之側壁。
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