TWI520371B - 具有減少應變發光層之iii族氮化物發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於用於半導體發光裝置之成長技術及裝置結構。
半導體發光裝置(包括發光二極體(LED)、共振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊射型雷射)屬於目前可獲得的最有效光源。在能夠在可見光譜範圍內作業的高亮度發光裝置之製造中目前感興趣的材料系統包括III-V族半導體，尤其鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。通常，III族氮化物發光裝置係藉由金屬-有機物化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術在適宜基板上磊晶成長具有不同組合物及摻雜劑濃度之半導體層的堆疊來製造。該堆疊通常包括一或多個形成於基板上摻雜有(例如)Si之n型層、一或多個形成於該(等)n型層上之發光區域或作用區域、及一或多個摻雜有(例如)Mg之p型層。形成於導電基板上之III族氮化物裝置可具有形成於該裝置對置側上之p-及n-觸點。通常，III族氮化物裝置係製造於絕緣基板上，其中該裝置相同側具有兩種觸點。
在本發明實施例中，一種III族氮化物發光裝置包括一經設計以減少該裝置中、尤其發光層中之應變之應變消除層。減少該發光裝置中之應變可改良該裝置之效能。其上
成長應變消除層之表面係經組態以致使應變消除層僅在部分表面上成長，此為該應變消除層側向擴展且至少部分地鬆弛提供空間。在本發明一些實施例中，該應變消除層係成長於一紋理化半導體層或一遮罩層上。在本發明一些實施例中，該應變消除層係半導體材料柱之群組。
半導體發光裝置之效能可藉由量測外部量子效率來計量，外部量子效率量測對於每一供應至該裝置中之電子該裝置中所產生光子的數量。當施加於習用III族氮化物發光裝置之電流密度增加時，該裝置之外部量子效率最初增加，然後降低。當該電流密度增加過零時，該外部量子效率增加，且在一既定電流密度(例如，對於一些裝置而言約10 A/cm2
)下達到峰值。當電流密度增加超過該峰值時，該外部量子效率最初迅速下降，然後在較高電流密度(例如，對於一些裝置而言超過200 A/cm2
)下緩慢降低。
一種在高電流密度下減少或逆轉量子效率下降之技術係形成較厚發光層。舉例而言，一經組態以在450奈米下發射光之發光層較佳比50埃厚。一較厚發光層中之電荷載子密度可小於一量子井中之電荷載子密度，此可減少耗費在非輻射重組上之載子數量且因此增加外部量子效率。然而，由於III族氮化物裝置層中之應變，難以成長厚III族氮化物發光層。
由於天然III族氮化物成長基板通常昂貴、不能廣泛應用、且對於商業裝置之成長不切實際，故III族氮化物裝置
通常成長於藍寶石或SiC基板上。該等非天然基板具有與該基板上所成長之III族氮化物裝置層之塊體晶格常數不同之晶格常數，此導致該基板上所成長之III族氮化物層中有應變。如本文所用，一「面內」晶格常數係指裝置中一層之實際晶格常數，且一「塊體」晶格常數係指一既定組合物之鬆弛、獨立材料之晶格常數。層中之應變量係形成一特定層之材料之面內晶格常數與該層在裝置中之塊體晶格常數之間的差除以該層之塊體晶格常數。
當一種III族氮化物裝置按照慣例成長於Al2
O3
上時，成長於基板上之第一層通常係一面內a-晶格常數為約3.1885埃之GaN緩衝層。由於該GaN緩衝層設定所有成長於該緩衝層上之裝置層(包括InGaN發光層在內)之晶格常數，故其對於發光區域起到晶格常數模板之作用。由於InGaN之塊體晶格常數大於該GaN緩衝層模板之面內晶格常數，故當發光層成長於一GaN緩衝層模板上時其應變。舉例而言，一經組態以發射約450奈米光之發光層可具有組合物In0.16
Ga0.84
N，一種塊體晶格常數為3.242埃之組合物。當該發光層中之InN組合物增加時，如在較長波長下發射光之裝置中，該發光層中之應變亦增加。
若該應變層之厚度增加超過一臨界值，則該層內形成錯位或其他缺陷以減少與該應變有關之能量。該等缺陷變成非輻射重組中心，此可顯著降低該裝置之量子效率。因此，該發光層之厚度必須保持低於此臨界厚度。當該InN組合物及峰波長增加時，該發光層中之應變增加，由此一
發光層之臨界厚度降低。
即使該發光層之厚度保持低於該臨界厚度，但InGaN合金在某些組合物及溫度下熱動力學不穩定。舉例而言，在通常用於InGaN成長之溫度下，該合金可展示旋節分解，其中一組合物上均勻之InGaN層轉化成一具有高於平均InN組合物之區域及低於平均InN組合物之區域之層。InGaN發光層中之旋節分解產生非輻射重組中心，此可降低該裝置之量子效率。當該發光層之厚度增加、當該發光層中之平均InN組合物增加、及/或當該發光層中之應變增加時，旋節分解問題更嚴重。舉例而言，在一發光層成長於一藍寶石基板上且經組態以在450奈米下發射光之情況下，16%之InN組合物與大於50埃之較佳厚度之組合超過該旋節分解極限。
因此，如上所述，期望增加該發光層之厚度以減少或消除當電流密度增加時發生之外部量子效率之下降。需要減少該發光層中之應變以成長一更厚發光層，以藉由增加該臨界厚度將缺陷數量保持在可接受範圍內，並增加該層可成長而不會旋節分解之厚度。本發明之實施例係經設計以減少一種III族氮化物裝置中之裝置層、尤其發光層中之應變。
根據本發明實施例，藉由使III族氮化物發光裝置之至少一層成長於其上之表面組態以致使該層側向擴展且因此至少部分地鬆弛來提供該裝置之發光層中至少部分應變消除。此層稱為應變消除層。在一習用裝置中，裝置中之所
有層皆經成長足夠薄以致其應變，因此成長於該成長基板上之第一單晶層設定該裝置中各應變層之晶格常數。在本發明實施例中，該應變消除層至少部分鬆弛，以致使該應變消除層中之晶格常數大於在該應變消除層之前所成長之層的晶格常數。該應變消除層藉此擴展在該應變消除層之後所成長之層的晶格常數。
在一些實施例中，該發光層自身係應變消除層，此意味著該發光層係成長於允許該發光層側向擴展以消除應變之表面上。在一些實施例中，一在該發光層之前成長之層係應變消除層。在第一組實施例中，該應變消除層係成長於一紋理化表面上。在第二組實施例中，該應變消除層係成長於III族氮化物材料柱(通常稱為奈米線或奈米圓柱)內或其上。
在以下所闡述之實施例中，該III族氮化物發光裝置包括一通常首先成長於一適宜成長基板上之n型區域。該n型區域可包括若干具有不同組合物及摻雜劑濃度之層，該等層包括(例如)諸如緩衝層或成核層等可為n型或並未有意摻雜之製備層、經設計以有助於該成長基板之隨後釋放或基板去除後使該半導體結構變薄之釋放層、及針對發光區域期望之特定光學或電性質經設計以有效發光之n型裝置層。
一發光區域係成長於該n型區域上。儘管以下實施例可提及一單一發光層，但應瞭解，任何以下實施例可包括一具有一或多個厚或薄發光層之發光區域。適宜發光區域之實例包括一單一厚或薄發光層及多個量子井發光區域，該
等量子井發光區域包括多個由緩衝層隔開之薄或厚量子井發光層。
在一些實施例中，該裝置中各個發光層之厚度較佳比50埃厚。在一些實施例中，該裝置之發光區域係一厚度介於50與600埃之間、更佳介於100與250埃之間之單一厚發光層。最佳厚度可取決於該發光層中缺陷之數量。該發光區域中之缺陷濃度較佳限於小於109
公分-2
、更佳限於小於108
公分-2
、更佳限於小於107
公分-2
、且更佳限於小於106
公分-2
。
在一些實施例中，該裝置中之至少一發光層經摻雜劑(例如Si)摻雜至摻雜劑濃度介於1×1018
公分-3
與1×1020
公分-3
之間。Si摻雜可影響該發光層中之面內a晶格常數，此可能進一步減少該發光層中之應變。
一p型區域係成長於發光區域上。如n型區域一樣，該p型區域可包括多個具有不同組合物、厚度及摻雜劑濃度之層，其包括並未有意摻雜之層或n型層。
圖1繪示本發明之一實施例，其中一應變消除發光層係成長於一半導體層之紋理化表面上。在圖1之裝置中，一具有面內晶格常數a1
之n型區域11成長於一成長基板20上。n型區域11之頂部表面(其可為例如GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN)經紋理化。然後一具有面內晶格常數a2
之應變消除發光層12成長於該紋理化表面上。一亦具有面內晶格常數a2
之p型區域13係成長於發光層12上。
n型區域11之表面係利用一控制粗糙表面紋理化，例如
利用具有峰與穀交替之截面輪廓之特徵。毗鄰峰間之距離可為50至200奈米，更佳50至100奈米。自峰頂部至穀底部之深度可小於200奈米、更佳小於100奈米。可藉由(例如)習用光微影蝕刻、濺鍍蝕刻、光電化學蝕刻、或藉由一其中結晶材料藉由(例如)在高壓下成長來紋理化成長之原位製程來形成適宜尺寸、深度及間距之特徵。當該等特徵具有適宜尺寸時，發光層12之InGaN材料優先成長於該等峰上作為一組島。由於初始該等島並未覆蓋紋理化n型區域11之整個表面，故該等島可側向擴展以致使發光層12至少部分地鬆弛。應變消除發光層12之面內晶格常數a2
大於n型區域11之面內晶格常數a1
。
圖2繪示圖1裝置之變化方案，其中成長於該紋理化表面上以提供應變消除之層並非發光層12，而是在發光層12之前成長於n型區域11上之n型層21。如圖1中之裝置一樣，一具有面內晶格常數a1
之n型區域11係成長於一成長基板20上。n型區域11之頂部表面如參照圖1中所述經紋理化。一第二n型區域21(其可為GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN)係成長於n型區域11之紋理化表面上。當開始成長n型區域21時，n型區域21之III族氮化物材料優先成長於n型區域11之紋理化表面之峰上作為一組島。該等材料島可側向擴展且至少部分地鬆弛，因此n型區域21之面內晶格常數a2
大於n型區域11之面內晶格常數a1
。成長於應變消除區域21上之層(包括發光層12及p型區域13)複製應變消除區域21之較大面內晶格常數a2
。
圖3繪示本發明一實施例，其中一應變消除層係成長於一遮罩上。在圖3之裝置中，一具有晶格常數a1
之n型區域14係成長於一成長基板20上。n型區域14之表面經矽前驅物(例如矽烷)處理，以致使該表面部分地經氮化矽材料SiNx
覆蓋且在氮化矽中之小開口中部分地露出，此產生一遮罩。該等曝露區域可具有10至200奈米、更佳50至150奈米、且更佳小於100奈米之側向範圍。
一發光區域17係成長於該遮罩上。發光區域17之材料優先成長於遮罩材料15中之開口16上，該等開口在n型區域14之曝露表面上。發光層材料之島可側向擴展且至少部分地鬆弛，因此發光區域17之面內晶格常數a2
大於n型區域14之面內晶格常數a1
。一亦具有面內晶格常數a2
之p型區域18係成長於發光區域17上。如圖1及圖2中所展示之裝置一樣，發光區域17無需直接成長於該遮罩上，而是一(例如)GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN之第二n型區域可首先成長於該遮罩上，隨後成長發光區域17。
在圖1、2及3中所繪示之實施例中，其中該發光層係成長於一紋理化介面(例如圖1及2之紋理化層或圖3之遮罩層)上，該紋理化介面通常經定位靠近該發光層。在一些實施例中，該紋理化介面距該發光層之至少一部分在1000埃之內。
圖4、5、6及7繪示包括半導體材料柱之裝置。在圖4中，一n型區域22係成長於一基板20上。在平面n型區域22上形成一遮罩層24，例如上述SiNx
遮罩。在遮罩材料島之
間之開口中，成長半導體材料柱。在一些實施例中，半導體材料柱之成長溫度保持低於遮罩材料島之間之GaN材料開始分解之溫度(在一些應用中為1000℃)。半導體材料柱可在較一平面層成長於一遮罩(如圖3中)上為窄之溫度範圍內且在有利於緩慢成長之條件下成長，以形成半導體材料柱而非圖3之大體上平面層。舉例而言，柱可在介於900與1000℃之間之成長溫度下以小於0.5埃/秒之成長速率且在V族前驅物與III族前驅物之比率大於4000下成長。平面材料可在大於1000℃且小於900℃之溫度下以較快成長速率且在不同前驅物比率下成長。首先成長n型材料之柱26，隨後成長發光區域材料之柱28，隨後成長p型材料之柱30。
成長p型柱30之後，藉由(例如)引入或增加摻雜劑前驅物(例如Mg摻雜劑前驅物)之流、藉由減少氮前驅物(通常為NH3
)之流且藉由增加成長速率來改變成長條件，以致使在該等柱上形成倒置錐體，該等錐體最終接合以在該等柱及該等柱之間之空間25上形成一平面層32。
III族氮化物材料柱之尺寸係經選擇以致使該等柱側向擴展以適於該等柱中不同組合物之層之間晶格常數之差異。舉例而言，該等柱之直徑可限於小於500奈米、更佳小於200奈米。小至10奈米之直徑係可能的。介於50與150奈米之間之直徑(例如在100奈米範圍內)係合理的。直徑經選擇足夠小以致使該等柱中之材料可至少部分地鬆弛，並足夠大以致使有可接受高填充因數之發光層材料。該等柱無需具有恆定直徑，如圖4中所繪示。舉例而言，該等柱可為
截頂錐體。在一些實施例中，填充因數至少為90%，此意味著當成長時，該等柱佔據該裝置半導體結構之側向範圍的至少90%。填充因數係由柱直徑及該等柱之間之間距二者決定。若該等柱之直徑減小，則必須增加柱之數量密度以維持一既定填充因數。在一些實施例中，柱之數量密度至少為1010
公分-2
。
該等柱之高度可介於50奈米至3微米之間。在一具有單一發光層之裝置中，介於50與150奈米之間之高度(例如100奈米)係合理地。在具有多個量子井發光區域之裝置中，介於200奈米與1微米之間之高度(例如500奈米)係合理地。該等中柱之發光區域28可至少部分地鬆弛。
在一些實施例中，在圖4所繪示之裝置中，在單一裝置之不同柱中可形成若干發光區域以發射不同波長的光。舉例而言，該裝置中一些柱可經組態以發射淺紅色光，該裝置中一些柱可經組態以發射淺綠色光，且該裝置中一些柱可經組態以發射淺藍色光，以便組合紅色、綠色及藍色光看起來為白色。
一發光區域之發射波長取決於InN組合物：一InGaN發光層中之InN越多，該發射波長越長。在具有平面不間斷發光層之習用裝置中，該發光層中之應變限制可納入該發光層中之InN之量。通常，發射藍光之平面InGaN發光層可以較發射綠光之平面InGaN發光層為高之品質成長。極難成長一具有足夠高品質以致使在較綠色長之波長下發射光之平面InGaN發光層。由於如圖4中所示在一柱中所成長之
發光區域可至少部分地鬆弛，故在成長期間可納入較習用應變平面層中多的InN。該柱中之材料越鬆弛，則該發光層中即可納入更多InN。
發明者已經成長具有柱且包括至少一InGaN層之結構。該等結構之特徵在於光致發光，其展示InGaN材料之發射波長明顯自所成長之習用平面紅移。已經達成介於430奈米與750奈米之間之發射波長，該等發射波長代表自藍色至紅色(包括綠色及黃色)之顔色。
在一些實施例中，個別柱中之InN組合物係藉由控制柱直徑來控制。柱直徑越小，柱中之材料越鬆弛，因此在發光區域成長期間納入的InN越多。舉例而言，在具有直徑自約10奈米改變至約150奈米之柱的裝置中，預計直徑在10奈米範圍內之柱鬆弛最多，具有多個具有最高InN組合物之發光區域，且發射最長波長、最多紅光。預計直徑在150奈米範圍內之柱鬆弛較少，具有多個具有較低InN組合物之發光區域，且發射較短波長、較多藍光。
為製備發射白光之裝置，必須控制在可見光譜各個區域中發射光之柱的數量。如上所述，由各個柱所發射光之波長可藉由控制該柱之直徑來控制。為確保一既定直徑及相應發射波長之各柱的足夠數量，遮罩層24可藉由(例如)奈米轉印微影技術來圖案化以形成複數個具有期望直徑之開口。儘管將一發射白光之裝置作為一實例，但應瞭解，可藉由使具有適宜尺寸開口之遮罩24圖案化將該裝置之發射光譜改變成其他顔色的光。
一個其中不同柱發射不同顔色的光以便組合光看起來為白色之裝置可提供優於一習用白光裝置之優點，其中在習用白光裝置中一發藍光半導體發光裝置與一或多個波長轉換材料(例如磷光體)組合以致使該磷光體轉換之光與洩漏穿過該磷光體未經轉換之藍光形成白光。一具有發射不同顔色光之柱的裝置可減少製造複雜性，此乃因其不需要在形成該裝置後形成波長轉換層；由於發射光譜可能更易於控制，故可提供色度、色溫及現色性之經改良控制；可藉由(例如)消除與波長轉換材料相關之低效率而更有效；由於不再需要昂貴的波長轉換材料，製造可更便宜；且在改變發射光譜方面可提供更大靈活性。
在圖5之裝置中，一應變減少發光層係成長於一層上，該層在一組半導體柱之上接合。一具有面內晶格常數a1
之n型區域22係成長於一基板20上。在平面n型區域22上形成一遮罩層24，例如上述SiNx
遮罩。在遮罩材料島之間之開口中，成長n型材料柱26。該等柱係以直徑足夠小以致使該等柱可側向擴展且因此至少部分地鬆弛之方式成長，如上文所述。當改變成長條件以致使一n型區域34在柱26之上接合時，n型區域34保留該至少部分地鬆弛柱之面內晶格常數且因此具有一面內晶格常數a2
，其大於n型區域22之面內晶格常數a1
。一發光區域36及p型區域38(二者皆複製面內晶格常數a2
)成長於n型區域34上。
當n型區域34在柱26之上接合時，在成長於兩個柱之上之材料匯合在一起的地方可形成縫合缺陷27。缺陷27可經
複製穿過發光區域36及p型區域38且可降低效率或造成可靠性問題。圖6及圖7繪示經設計以消除縫合缺陷或減少縫合缺陷數量之本發明實施例。
在圖6之裝置中，一n型區域22係成長於基板20上，然後形成一遮罩24且如上所述成長n型柱26，以致使柱26至少部分地鬆弛。在柱26上形成電阻性材料之等形層40。電阻性層40可為(例如)磊晶成長之電阻性GaN(例如，經Zn或Fe摻雜之GaN)或電阻性氧化物(例如，矽氧化物)。然後藉由習用微影去除形成於柱26頂部之電阻性層，以致使僅在柱26之間之空間中保留電阻性材料40。然後使發光區域42在柱26之曝露頂部上成長成柱，隨後成長一p型區域44，p型區域44在發光區域42之上接合。電阻性區域40使n型區域22及26與p型區域44電絕緣。
在圖7之裝置中，一n型區域22成長於基板20上，然後形成一遮罩24且如上所述成長n型柱26，以致使柱26至少部分地鬆弛。一未摻雜InGaN之等形層46成長於柱26之上，然後將成長條件轉變成適於柱成長之條件以在等形層46在柱26上之區域之頂部成長經摻雜發光區域之柱48。然後成長一p型區域52，p型區域52在發光區域48之上接合。摻雜發光區域島48產生較柱26之間未摻雜InGaN區域46為低之擊穿電壓，藉此使n型區域22及26與p型區域52電絕緣。
在一些實施例中，成長發光區域島48之後，一離子植入步驟使得柱26之間之區域50變得不導電。植入之後，可藉由蝕刻去除柱26頂部之上離子破壞之InGaN區域46。在該
等實施例中，發光區域島48係直接成長於柱26上。
在圖10及圖11中所繪示之實施例中，如圖4中一樣，一n型區域22係成長於一基板20上。在平面n型區域22上形成一遮罩層24，例如上述SiNx
遮罩。在遮罩材料島之間之開口80中，成長半導體材料多面體82。如圖4及5中所展示之柱一樣，由於多面體82係成長於遮罩材料島之間之開口80中，故多面體82能夠側向擴展且因此至少部分地鬆弛。因此，多面體82之晶格常數a2
大於平面層22之晶格常數a1
。在一些實施例中，開口80之直徑可限於小於500奈米、更佳小於200奈米。小至10奈米之直徑係可能的。介於50與150奈米之間之直徑(例如在100奈米範圍內)係合理的。開口80之直徑經選擇足夠小以致使多面體82中之材料可至少部分地鬆弛。如圖4中一樣，可形成遮罩24以致使填充因數至少為90%，此意味著當成長時，多面體82之基座佔據該裝置半導體結構之側向範圍的至少90%。
至少一發光層84成長於多面體82上，以致使發光層84中之材料複製多面體82之經擴展晶格常數a2
。然後使一p型區域成長於發光層84上。在圖10中所繪示之裝置中，p型區域86優先成長於多面體82上。在毗鄰多面體之間由遮罩24覆蓋之區域填滿之前停止成長。可在該多面體上沈積一厚金屬層(未圖示)以形成一平面表面。絕緣遮罩層24提供接觸該p型材料之金屬與在開口80間之區域中之半導體n型區域間之電絕緣。在圖11中所繪示之裝置中，p型區域88之成長持續至毗鄰多面體間之區域填滿為止，此產生一大
體上平面p型層。
上述實施例中之發光層可具有大於在習用GaN模板上所成長發光層(其通常具有不超過3.1885埃之面內a-晶格常數)之面內a-晶格常數。發光層成長為一應變消除層或在應變消除層上成長可使面內晶格常數增加至大於3.189埃，且因此可有效減少該發光層中之應變以允許成長具有可接受缺陷密度且具有減少之旋節分解之較厚發光層。在一些實施例中，該發光層中之面內a-晶格常數可增加至至少3.195埃、更佳至少3.2埃。舉例而言，一發射藍光之InGaN層可具有組合物In0.12
Ga0.88
N，一種塊體晶格常數為3.23埃之組合物。發光層中之應變係該發光層中之面內晶格常數(對於在一習用GaN緩衝層上所成長之發光層為約3.189埃)與該發光層之塊體晶格常數之間的差，因此應變可表示為(ain-plane
-abulk
)/abulk
。在一習用In0.12
Ga0.88
N層之情況下，該應變為(3.189埃-3.23埃)/3.23埃，為約1.23%。若根據上述實施例成長具有相同組合物之發光層，則可減少或消除該應變。在本發明一些實施例中，在一在介於430與480奈米之間發射光之裝置之發光層中應變可減少至小於1%且更佳至小於0.5%。一發射青色光之InGaN層可具有組合物In0.16
Ga0.84
N，一種當成長於一習用GaN緩衝層上時應變為約1.7%之組合物。在本發明一些實施例中，在一在介於480與520奈米之間發射光之裝置之發光層中應變可減少至小於1.5%、且更佳至小於1%。一發射綠光之InGaN層可具有組合物In0.2
Ga0.8
N(一種獨立晶格常數為3.26埃之組
合物)，當成長於一習用GaN緩衝層上時產生約2.1%之應變。在本發明一些實施例中，在一在介於520與560奈米之間發射光之裝置之發光層中應變可減少至小於2%、且更佳至小於1.5%。
以上所繪示及闡述之半導體結構可包括於一發光裝置之任何適宜組態中，例如一具有形成於裝置對置側上之觸點之裝置或一具有兩種形成於裝置相同側上之觸點之裝置。當兩種觸點佈置於相同側上時，可形成具有透明觸點之裝置並安裝以致使自該等觸點形成於其上之相同側抽取光，或者形成具有反射觸點之裝置並安裝成一倒裝晶片，其中自該等觸點形成於其上之側的對置側抽取光。
圖8繪示一適宜組態(一已去除成長基板之倒裝晶片裝置)之一個實例的一部分。去除p型區域66與發光區域64之一部分以形成一曝露n型區域62一部分之平臺。儘管圖18中展示曝露n型區域62之一個通道，但應理解，在一單一裝置中可形成多個通道。n-及p-觸點70與68係藉由(例如)蒸發或鍍敷形成於n型區域62與p型區域66之曝露部分上。觸點68與70可藉由空氣或一介電層彼此電絕緣。形成觸點金屬68與70之後，可將裝置晶圓切成若干個別裝置，然後將各個裝置相對於成長方向翻轉並安裝於一底座73上，在此情況下底座73可具有大於該裝置之側向範圍。或者，可將裝置晶圓連接至底座晶圓，然後切成個別裝置。底座73可為(例如)半導體(例如Si)、金屬或陶瓷(例如AlN)，且可具有至少一電連接至p-觸點68之金屬墊71及至少一電連接
至n-觸點70之金屬墊72。互連(未圖示)(例如銲料或金柱凸點)將該半導體裝置連接至底座73。
安裝之後，藉由適於該基板材料之方法(例如蝕刻或雷射熔融)去除該成長基板(未圖示)。安裝之前或之後可在該裝置與底座73之間提供一剛性底部填充膠以在基板去除期間支撐該等半導體層並防止其破裂。去除該基板厚可藉由薄化去除一部分半導體結構。可藉由(例如)蝕刻製程(例如光電化學蝕刻)或機械製程(例如研磨)使n型區域62之曝露表面粗糙化。使抽取光之表面粗糙化可改良光自該裝置之抽取。或者，可在n型區域62藉由該去除成長基板所曝露之頂部表面中形成一光子晶體結構。一結構74(例如磷光體層)或該項技術中習知之輔助光學器件(例如二向色反射鏡或偏振器)可施加於該發射表面。
圖9係一經封裝發光裝置之分解圖，如更詳細闡述於美國專利第6,274,924號中者。將一散熱塊100放置於一插入模製引線框中。該插入模製引線框係(例如)一圍繞一提供一電路徑之金屬框106模製之填充塑膠材料105。塊100可包括一可選反射器杯102。發光裝置晶粒104(其可為任何以上實施例中所闡述之裝置)係直接或經由導熱子底座103間接地安裝至塊100。可添加一蓋子108，其可為一光學透鏡。
儘管已詳細闡述本發明，但熟悉該項技術者應瞭解，給出本發明揭示內容，可對本發明進行修改而不背離本文所闡述本發明概念之精神。因此，並不欲將本發明範圍限於
所繪示及所闡述之特定實施例。
11‧‧‧n型區域
12‧‧‧發光層
13‧‧‧p型區域
14‧‧‧n型區域
15‧‧‧遮罩材料
16‧‧‧開口
17‧‧‧發光區域
18‧‧‧p型區域
20‧‧‧成長基板
21‧‧‧n型層
22‧‧‧n型區域
24‧‧‧遮罩層
25‧‧‧空間
26‧‧‧柱
27‧‧‧縫合缺陷
28‧‧‧柱
30‧‧‧柱
32‧‧‧平面層
34‧‧‧n型區域
36‧‧‧發光區域
38‧‧‧p型區域
40‧‧‧電阻性層
42‧‧‧發光區域
44‧‧‧p型區域
46‧‧‧等形層
48‧‧‧柱
50‧‧‧區域
52‧‧‧p型區域
62‧‧‧n型區域
64‧‧‧發光區域
66‧‧‧p型區域
68‧‧‧p-觸點
70‧‧‧n-觸點
71‧‧‧金屬墊
72‧‧‧金屬墊
73‧‧‧底座
74‧‧‧結構
80‧‧‧開口
82‧‧‧多面體
84‧‧‧發光層
86‧‧‧p型區域
88‧‧‧p型區域
100‧‧‧散熱塊
102‧‧‧可選反射器杯
103‧‧‧導熱子底座
104‧‧‧發光裝置晶粒
105‧‧‧填充塑膠材料
106‧‧‧金屬框
108‧‧‧蓋子
圖1繪示一發光裝置之一部分，該發光裝置具有成長於一紋理化層上之應變消除發光層。
圖2繪示一發光裝置之一部分，該發光裝置具有成長於一應變消除層上之發光層，該應變消除層係成長於一紋理化層上。
圖3繪示一發光裝置之一部分，該發光裝置具有成長於一遮罩上之發光層。
圖4繪示一發光裝置之一部分，該發光裝置具有一成長於一組半導體材料柱內之發光層。
圖5繪示一發光裝置之一部分，該發光裝置具有一成長於接合層上之發光層，該接合層成長於一組半導體材料柱上。
圖6及圖7繪示發光裝置之若干部分，該發光裝置具有成長於一組半導體材料柱上之發光層且具有使n-及p型材料區域電絕緣之電阻性材料。
圖8繪示一已去除成長基板之倒裝晶片發光裝置之一部分。
圖9係一經封裝發光裝置之分解圖。
圖10及圖11繪示發光裝置之若干部分，該發光裝置具有成長於多面體上之等形發光層，該等多面體成長於遮罩中之開口上。
11‧‧‧n型區域
12‧‧‧發光層
13‧‧‧p型區域
20‧‧‧成長基板
Claims (15)
- 一種發光裝置，其包含：一具有複數個開口之遮罩層(24)；以及一III族氮化物結構，其包含：對應於該遮罩層中之開口之複數個半導體材料柱(26)，其中該複數個柱係由一絕緣材料(25)隔開，且其中，在平行於該遮罩層一表面之平面中，該複數個柱之一截面之側向範圍(lateral extent)係該發光裝置之側向範圍的至少90%；及一佈置於一n型區域與一p型區域之間之發光層，其中該發光層之一主要表面(major surface)實質上平行於該遮罩層之一表面。
- 如請求項1之裝置，其中該遮罩層(24)包含矽及氮。
- 如請求項1之裝置，其中該等柱(26)中之每一個均具有小於150奈米之直徑。
- 如請求項1之裝置，其中該發光層(28)係佈置於該等柱中。
- 如請求項1之裝置，其進一步包含一佈置於該複數個柱(26)上之p型半導體材料平面層(32)。
- 如請求項1之裝置，其進一步包含一佈置於該複數個柱(26)上之n型半導體材料平面層(34)。
- 如請求項1之裝置，其中該等柱具有介於50奈米與3微米之間之高度。
- 如請求項1之裝置，其中該絕緣材料(25)係空氣、電阻性 III族氮化物材料及矽氧化物中之一種。
- 如請求項1之裝置，其中該等柱係截頂多面體。
- 如請求項1之裝置，其中該等柱係多面體(82)。
- 如請求項1之裝置，其中該發光層(84)係一形成於該等多面體(82)上之等形層。
- 如請求項1之裝置，其中：該發光層具有對應於與該發光層具有相同組合物之獨立材料之晶格常數的塊體晶格常數abulk；該發光層具有對應於當該發光層在該結構中成長時之晶格常數的面內晶格常數ain-plane；且(ain-plane-abulk)/abulk小於1%。
- 如請求項1之裝置，其中該發光層具有大於50埃之厚度。
- 如請求項1之裝置，其中該發光層經矽摻雜至摻雜劑濃度介於1×1018公分-3與1×1020公分-3之間。
- 如請求項1之裝置，其進一步包含：電連接至該n型區域與該p型區域之觸點(68)、(70)；及一佈置於該III族氮化物半導體結構之上之蓋子(108)。
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