專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件中生長的光子晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
技術(shù)背景諸如發(fā)光二極管("LED")之類的發(fā)光器件從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)學(xué)上說 是^f艮有利的固態(tài)光源。LED可以可靠地提供具有高亮度的光，因此在過 去數(shù)十年中，它們在包括有平板顯示器、交通燈、以及光通信在內(nèi)的許 多應(yīng)用中起了關(guān)鍵作用。LED包括正向偏置的p-n結(jié)。當(dāng)由電流驅(qū)動 時，將電子和空穴(hole)注入到結(jié)區(qū)中，在該結(jié)區(qū)中它們重新結(jié)合 并且通過發(fā)射出光子來釋放它們的能量。當(dāng)前在制造可在可見光譜上操 作的高亮度發(fā)光器件中所感興趣的材料系統(tǒng)包括組ni-V半導(dǎo)體，尤 其是包括還被稱為III-氮化物材料的鎵、鋁、銦、以及氮的二元合金、 三元合金、以及四元合金。LED的質(zhì)量可以表征為例如其提取效率，提取效率用于度量從器件 中提取的光子與在發(fā)光區(qū)中所產(chǎn)生的光子的比率。提取效率例如受到發(fā) 射光子在形成器件的P型、N型、以及發(fā)光區(qū)的高折射率半導(dǎo)體晶體的 壁上遭受了多次全內(nèi)反射的限制。其結(jié)果是，許多發(fā)射光子不會逸入空 閑空間，這會導(dǎo)致典型小于30%的低抽提效率。已提議了各種方法以提高LED的提取效率。例如通過開發(fā)包括有立 方形、圓柱形、棱錐體形、以及類似拱形的形狀在內(nèi)的適當(dāng)幾何形狀來 增大發(fā)射光子可逃逸的立體角來提高提取效率。然而，這些幾何形狀當(dāng) 中沒有一個可完全消除全內(nèi)反射的損失。進(jìn)一步的損失源是由于LED與周圍介質(zhì)之間的折射率不匹配所造成 的反射。雖然利用抗反射涂層可降低這種損失，但是僅僅可以在特定光 子能量和一個入射角處實(shí)現(xiàn)完全消除反射。授于 J. Joannopoulos 等人、名稱為"Light Emitting Device Utilizing a Periodic Dielectric Structure"的 U.S.專利 No. 5， 955， 749描述了針對提高提取效率的問題的方法。根據(jù)U. S.專利No. 5， 955， 749,通過形成完全穿過發(fā)光二極管的半導(dǎo)體層的空穴晶格來創(chuàng)建光子晶體。該空穴晶格創(chuàng)建了具有周期性調(diào)制的介電常數(shù)的介質(zhì)，這 會影響光傳播過介質(zhì)的路徑。發(fā)光二極管中的光子的特征在于它們的、 用于描述能量與光子波長之間的關(guān)系的光譜或色散關(guān)系?？蓪υ撽P(guān)系進(jìn) 行繪制，以得到由通過帶隙隔離的能帶或光子波帶組成的光子波帶圖。 雖然光子波帶圖與電子波帶圖所表示的晶格中的電子光譜類似，但是光子波帶圖與電子波帶圖無關(guān)。當(dāng)在LED中形成了光子晶體時，它會影 響光在結(jié)構(gòu)中怎樣傳播。因此如果選擇了恰當(dāng)?shù)木Ц耖g距，那么可使否 則會通過全內(nèi)反射而在該結(jié)構(gòu)中被俘獲的光現(xiàn)在逃逸，這增大了 LED 的提取。此外，替代的晶格可降低LED結(jié)構(gòu)中的光子模式體積，這會 增大LED有源層的輻射率或內(nèi)部效率。U. S.專利No. 5， 955， 749沒有教導(dǎo)怎樣形成完整功能性的發(fā)光器 件，并且提議在基于GaAs的晶體中形成光子晶體發(fā)光器件。在本技術(shù) 領(lǐng)域中需要設(shè)計(jì)III氮化物光子晶體發(fā)光器件以及用于形成這種器件 的方法。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，光子晶體在諸如III氮化物結(jié)構(gòu)之類的、包 括有位于N型區(qū)與P型區(qū)之間的發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之內(nèi)生長。光 子晶體可以是通過折射率與半導(dǎo)體材料不同的材料而分離的半導(dǎo)體材料中的多個區(qū)域。例如，光子晶體可以是在該結(jié)構(gòu)中生長的、且通過空隙 或掩模材料的區(qū)域而分離的半導(dǎo)體材料的柱樁(posts)。使光子晶體 生長到而不是將光子晶體蝕刻到已生長的半導(dǎo)體層中，這可避免由于會 降低效率的蝕刻所造成的損壞，并且可提供其上形成有電接觸點(diǎn)的不間 斷平坦表面。
圖l是III氮化物光子晶體發(fā)光器件的橫截面視圖； 圖2是具有在用于形成光子晶體的半導(dǎo)體柱樁之內(nèi)形成的發(fā)光區(qū)域 的器件的橫截面視圖。在半導(dǎo)體柱樁上生長了不間斷的平坦P型區(qū)。 圖3是具有在用于形成光子晶體的半導(dǎo)體柱樁之內(nèi)形成的發(fā)光區(qū)域的器件的橫截面視圖。將該半導(dǎo)體柱樁粘結(jié)到在笫二生長襯底上形成的 第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上。圖4是具有在用于形成光子晶體的半導(dǎo)體柱樁之內(nèi)形成的發(fā)光區(qū)域 的器件的橫截面視圖。將該半導(dǎo)體柱樁金屬粘結(jié)到主襯底上。圖5是具有在用于形成光子晶體的半導(dǎo)體柱樁之內(nèi)形成的發(fā)光區(qū)域的器件的橫截面視圖，其中半導(dǎo)體柱樁生長穿過厚掩模層。圖6A-6C說明了用于形成圖2-4所述的器件的替換方法。圖7是具有不間斷的平坦有源區(qū)以及在該有源區(qū)之后形成的光子晶 體的器件的橫截面視圖。圖8是具有通過不間斷的平坦有源區(qū)而分離的兩個光子晶體的器件 的橫截面視圖。圖9是具有不間斷的平坦有源區(qū)以及在該有源區(qū)之后形成的光子晶 體的器件的可替換實(shí)施例的橫截面視圖。圖10是具有不間斷的平坦有源區(qū)以及在該有源區(qū)之前形成的光子 晶體的器件的橫截面視圖。圖ll是具有改變的折射率的材料的光子晶格示例的俯視圖。圖12說明了被處理成薄膜器件的圖2中的器件。圖13和14說明了用于形成準(zhǔn)晶體排列的兩個示例。具體實(shí)施例圖l說明了在No. 2003 / 0141507、 "LED Efficiency Using Photonic Crystal Structure"、申請日為2002年1月28日、并且通過引用在 此并入的公開中更詳細(xì)描述的HI氮化物光子晶體LED (PXLED) 100。在圖1的PXLED 100中，在例如可以是藍(lán)寶石、SiC、或GaN的生 長襯底102上形成N型區(qū)108;在N型區(qū)108上形成有源區(qū)112;并且 在有源區(qū)112上形成P型區(qū)116。區(qū)域108、 ll2、以及l(fā)l6中的每一個可以是單個層或者組分、厚度、或摻雜劑濃度相同或不同的多個層。 將p型區(qū)和有源區(qū)112的一部分蝕刻掉以暴露出n型區(qū)108的一部分， 此后在p型區(qū)116上形成p觸點(diǎn)120并且在n型區(qū)108的暴露部分上 形成n觸點(diǎn)104。如圖1所示，該器件可以翻轉(zhuǎn)過來并且通過觸點(diǎn)104 和120與底座(未示出)相連。有源區(qū)112包括這樣的結(jié)區(qū)，在該結(jié)區(qū)中，來自n型區(qū)10S的電子 與p型區(qū)116的空穴相結(jié)合并且理想地以光子的形式發(fā)射出能量。有 源層112可以包括量子阱結(jié)構(gòu)以優(yōu)化光子的生成。例如，1997年由Associated Press所出版的、G. B. Stringf el low和M. George Craford 所著的"High Brightness Light Emitting Diodes"中已對許多不同的 量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述。通過在LED中形成周期性的空穴結(jié)構(gòu)122-i 來創(chuàng)建圖1中的PXLED IOO的光子晶體。在圖l所示的器件中，利用首先在村底上形成N型區(qū)、繼之以形成 有源區(qū)和p型區(qū)來制造傳統(tǒng)的III氮化物結(jié)構(gòu)。圖1所示的光子晶體 器件和在U. S.專利No. 5， 955， 749中所描述的器件具有一些缺點(diǎn)。例 如，可通過干蝕刻到p型區(qū)中以形成用于形成周期性結(jié)構(gòu)的空穴陣列、 來形成圖1器件中的光子晶體結(jié)構(gòu)。干蝕刻可以是反應(yīng)離子、感應(yīng)耦 合等離子體、聚焦離子束、濺射、電子回旋共振、或者用化學(xué)輔助離子 束蝕刻。p型材料的干蝕刻是有問題的，這是因?yàn)槲g刻會損壞晶體，這 可造成會創(chuàng)建n型施主的氮空位。在p型區(qū)116中，n型施主的存在會 使空穴的濃度下降，并且在嚴(yán)重?fù)p壞晶體的情況下可將區(qū)域116的傳 導(dǎo)類型改變?yōu)閚型。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)干蝕刻所造成的損壞并不局限于所 蝕刻區(qū)域周圍的局部區(qū)域，并且可垂直地和^f黃向地波及晶體的非蝕刻區(qū) 域，這可能會消除p-n結(jié)并且使器件在電學(xué)上是非操作的。在U.S.專 利No. 5,955, 749中所描述的器件也蝕刻過p型材料，并且因此會受 到發(fā)明人所觀察到的相同廣泛分布的破壞。此外，雖然建模已表明形成 非常靠近或穿過圖1所示有源區(qū)的光子晶體是所期望的，但是蝕刻穿 過有源區(qū)中的量子阱會造成表面重新組合，這可能會降低器件的效率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，光子晶體在半導(dǎo)體發(fā)光器件中生長，而不是 對其蝕刻。圖11是光子晶體示例的俯視圖。區(qū)域2由具有不同折射率 的材料的區(qū)域4來間斷。例如，圖11中的光子晶體可以是由空氣區(qū)域 2所環(huán)繞的、具有已生長半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體柱樁4的陣列，而不是蝕 刻到上述半導(dǎo)體材料中的空穴陣列?；蛘?，區(qū)域2可以是生長有空穴4 的半導(dǎo)體區(qū)域。光子晶體結(jié)構(gòu)可以包括半導(dǎo)體區(qū)域之一的厚度的周期性變化，其交替最大和最小。示例是光柵(一維晶格)或上述半導(dǎo)體材料的柱樁的平 坦晶格(二維晶格)。該晶格的特征在于柱樁的直徑d、用于計(jì)量最接 近相鄰柱樁的中心之間的距離的晶格常數(shù)a、柱樁的高度w、以及位于 柱樁周圍的電介質(zhì)的介電常數(shù)Sh。參數(shù)a、 d、 w、以及Sh影響波帶的 態(tài)密度，并且尤其是影響光子晶體光譜的波帶邊緣上的態(tài)密度。參數(shù)a、d、 w、以及"因此影響器件所發(fā)射出的輻射圖案，并且可對這些參數(shù) 進(jìn)行選擇以提高來自器件的提取效率?；蛘撸?dāng)選擇了恰當(dāng)?shù)墓庾泳w 參數(shù)時，發(fā)射光的輻射圖案可以變窄，以增加LED的輻射度。這在處 于僅僅特定角度的光是有用的應(yīng)用中是有用的。在一個實(shí)施例中，對光 子晶體參數(shù)進(jìn)行選擇，以便大于50%的射出該器件的輻射是在相對于垂 直于該器件表面的軸而言是45度的角所定義的出口圓錐體中發(fā)射出?？蓪χ鶚哆M(jìn)行排列以形成三角形的、正方形的、六角形的、蜂窩形 的、或者其他眾所周知的二維晶格類型。多個晶格類型可包括在器件的 相同區(qū)域中或者用于創(chuàng)建準(zhǔn)晶體，這可提供對來自該器件的光傳播更大 的控制。圖13和14說明了用于形成準(zhǔn)晶體的空穴排列的兩個示例。 如圖13和14所述，準(zhǔn)晶體是位于正方形131和三角形132的重復(fù)圖 案的頂點(diǎn)上的空穴的圖案。通常將這種重復(fù)圖案稱為阿基米德晶格或彭 羅斯(penrose)晶格。準(zhǔn)晶體的晶格常數(shù)是重復(fù)圖案中的三角形或正 方形的邊的長度。在一些實(shí)施例中，在該器件的不同區(qū)域中形成了不同的晶格類型。 例如，在該器件的一個區(qū)域中可以形成被設(shè)計(jì)成優(yōu)化總的輻射功率(輻 射效率)的一個光子晶體結(jié)構(gòu)，并且在該器件的另一區(qū)域中可以形成被 設(shè)計(jì)成優(yōu)化光提取(提取效率)的另一光子晶體結(jié)構(gòu)。柱樁通常具有六角形橫截面(雖然其他橫截面也是可能的)。在一 些實(shí)施例中，晶格間距a在大約0.1人與大約10人之間，更優(yōu)選的 是在大約0.1入與大約5入之間，更優(yōu)選的是在大約0.1入與大約3 入之間，并且更優(yōu)選的是在大約0.1 A與大約X之間，其中A是有源 區(qū)所發(fā)射出的光在器件中的波長。在一些實(shí)施例中，選擇晶格常數(shù)a 以使其在光子晶體的帶隙中或接近光子晶體的帶隙。例如，在GaN層 中所形成的、且充滿空氣的空穴的三角形晶格中，范圍從0. 35入至0.55 入的晶格常數(shù)處于有利于在該范圍的低端進(jìn)行提取的帶隙中，并且在有 利于該范圍的高端上的內(nèi)部效率的帶緣上。晶格常數(shù)范圍0. 35入至0.55 入假定0. 36a的柱樁半徑。在一些實(shí)施例中，柱樁可以具有在大約0. la 與大約0. 5a之間的直徑d，其中a是晶格常數(shù)。該柱樁可以被空氣所 圍繞或者被介電常數(shù)Sh通常在大約1與大約16之間的可選電介質(zhì)所圍 繞?？赡艿碾娊橘|(zhì)包括二氧化硅，該二氧化硅可以是在以下示例中所描 述的掩模層。在一些實(shí)施例中，柱樁的高度w至少是0. 25 X。柱樁的高度受到用于在不具有柱樁的平坦層上形成電觸點(diǎn)的首選項(xiàng)的限制，因 此柱樁不能擴(kuò)展該器件的整個高度。在其中發(fā)光區(qū)域是未受到光子晶體 間斷的平坦層并且光子晶體位于發(fā)光區(qū)域上面或下面的實(shí)施例中，光子晶體優(yōu)選為擴(kuò)展到發(fā)光區(qū)域的3入之內(nèi)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，發(fā)光區(qū)域包含在用于形成光子晶體的已 生長半導(dǎo)體材料的柱樁中。圖2-5和6A-6C對這種器件的示例進(jìn)行了說明。在圖2的器件中，傳統(tǒng)地在諸如例如藍(lán)寶石、SiC、或者GaN 這樣的任何適當(dāng)襯底20上生長N型區(qū)22。 N型區(qū)22通常包括厚度、 組分、以及摻雜劑濃度不同的多個層，這多個層例如是諸如緩沖層或者 結(jié)核層之類、被設(shè)計(jì)成提供其上生長有諸如n型披覆層和n型接觸層 這樣的n型器件層的高質(zhì)量模板的可選制備層。N型區(qū)22可包括不是 有意加入摻雜的層。在除去已生長襯底20的實(shí)施例中，n型區(qū)22包括 有助于除去已生長襯底20或者有助于在除去已生長村底20之后使外 延層變薄的層。在平坦的n型區(qū)22上，形成了諸如SiO,之類的掩模層24。掩模層 24可以是例如厚度小于200 nm的薄層。在掩模24上形成了開口。將 形成光子晶體的半導(dǎo)體材料的柱樁生長在該開口中。首先生長n型材 料的柱樁26，繼之以是生長發(fā)光區(qū)域材料的柱樁28。在這里所描述的 示例中，發(fā)光區(qū)域可以是包括例如單個厚發(fā)光層、單個薄量子阱、通過 屏障層分離的多個薄量子阱、以及通過屏障層分離的多個厚發(fā)光層這樣 的任何適當(dāng)發(fā)光區(qū)域。在發(fā)光區(qū)域28之后，生長p型材料的柱樁30。 如上所述，可選擇柱樁的大小、高度、間隔、以及組織以形成光子晶體。如Kipshidze等人在Applied Physics Utters 86， 033104 ( 2005 ) 所發(fā)表的 "Controlled growth of GaN nanowires by pulsed metalorganic chemical vapor deposition"(其通過引用在此并入) 中所述，半導(dǎo)體柱樁例如可以由低壓金屬有機(jī)化學(xué)蒸汽沉積形成。使用 利用^作為載氣的、諸如三曱基鎵之類的組III前體和諸如氨之類的 組V前體，可以在例如30Torr這樣的低壓下進(jìn)行生長。通過在掩模24 的開口內(nèi)形成厚度為2-5腿的、諸如鎳之類的金屬催化劑的島，可 使生長成核。利用氣相所提供的Ga和活性氮而使鎳變成過飽和 (supersatured)。 一旦成核，在半導(dǎo)體與鎳之間的固液界面上發(fā)生 半導(dǎo)體柱樁的生長。使該生長脈沖變化以避免生長氣體之間的氣相反應(yīng)，因此在給定時間可將組V前體的沖量引入到反應(yīng)器，繼之以是延遲，繼之以是組III前體的沖量。最終產(chǎn)生的柱樁垂直于襯底表面生 長，并具有恒定的直徑和光滑的側(cè)壁。作為選擇，柱樁可以如通過引用而在此并入的S. Hoffouz等人、" Effect of Magnesium and Silicon on the lateral overgrowth of GaN patterned substrates by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy"、 MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3， 8 ( 1998 )中所描述的那樣 生長。Hoffuz描述了用生長掩模中的微米大小的開口來刻畫生長襯底 表面的圖案。該掩?？煞乐乖谘谀ｍ敳康纳L。生長開始于掩模開口并 且可以以橫向過度生長(overgrowth)模式向上并且在掩模上進(jìn)行， 或者可根據(jù)在生長期間流動的摻雜劑的類型和濃度而優(yōu)選垂直地生長。 例如，如果期望圓柱形生長，那么在生長期間使用高SiH4流。如果希 望橫向過度生長，那么使用低SiH4或Cp2Mg流。在生長了 p型柱樁30之后，使生長條件變化以便在柱樁上形成倒 棱錐體，該棱錐體最終相連以在柱樁以及柱樁之間的間隔25上形成平 坦層32。如果使用，那么在平坦層32生長之前除去金屬催化劑。上面 所引入的Hoffouz等描述了用于p型摻雜了鎂的III氮化物材料的橫 向過度生成技術(shù)。P型柱樁30和平坦的p型區(qū)域32包括諸如例如p型 包覆層和P型接觸層之類、厚度、組分、以及摻雜劑濃度不同的多個 層。在平坦p型區(qū)32的生長之后，在p型區(qū)32上沉積用于形成p觸點(diǎn) (未示出)的一個或多個金屬層。p觸點(diǎn)可以包括諸如歐姆接觸層、反 射層、以及保護(hù)金屬層之類的多個層。反射層通常是銀或者鋁。保護(hù)金 屬可以包括例如鎳、鈦、或者鎢。可以對保護(hù)金屬進(jìn)行選擇以防止反射 金屬層移動(尤其是在銀反射層的情況下)，并且為用于將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 粘結(jié)到主襯底上的粘結(jié)層提供粘附層。如圖12所示，此后可以將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)金屬地粘接到主襯底上，并 且將其處理成薄膜器件。典型為金屬的一個或多個粘結(jié)層90可以用作 用于熱壓縮或者在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與主襯底92之間進(jìn)行低共熔粘結(jié)的適應(yīng) 性材料。適當(dāng)粘結(jié)層金屬的示例包括金和銀。在除去了生長襯底之后， 主村底92向半導(dǎo)體層提供機(jī)械支撐，并且通過金屬層90向p型區(qū)提 供電接觸。將主襯底選擇為是導(dǎo)電的(即小于大約0.1 Ocm)、導(dǎo)熱的、具有與半導(dǎo)體層相配的熱膨脹系數(shù)、以及是平坦的(即均方根粗糙度小于大約10 mn)以足以形成4艮強(qiáng)的粘結(jié)。適當(dāng)?shù)牟牧侠绨ㄖT 如Cu、 Mo、 Cu /Mo、以及Cu /W之類的金屬；諸如具有歐姆接觸的Si 和具有歐姆接觸的GaAs之類的具有金屬觸點(diǎn)94的半導(dǎo)體，所述歐姆 接觸例如包括Pd、 Ge、 Ti、 Au、 Ni、 Ag中的一個或多個；以及諸如壓 縮的金剛石和A1N之類的陶資。在升溫和升壓下將主襯底和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)壓在一起以在粘結(jié)層之間形 成耐用金屬粘結(jié)。在一些實(shí)施例中，在將具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶片切塊成 各個器件之前，在晶片尺度上進(jìn)行粘結(jié)?；蛘?，在將具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 晶片切塊成各個器件之后，在沖模尺度上進(jìn)行粘結(jié)。進(jìn)行粘結(jié)的溫度和 壓力范圍在其低端受最終粘結(jié)的強(qiáng)度的限制，并且在其高端受主襯底和 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的限制。例如，高溫和/或高壓可引起半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的外延層的分解、P觸點(diǎn)的分層、例如在P觸點(diǎn)中的擴(kuò)散屏障的損壞、 或者半導(dǎo)體層中的組分材料的氣泡。適當(dāng)溫度范圍例如是大約200。C至 大約500。C。適當(dāng)壓力范圍例如是大約100 psi至大約300 psi。在粘結(jié)到主襯底之后，通過對于已生長襯底材料的適當(dāng)技術(shù)來除去 生長襯底20。可通過例如激光熔化除去藍(lán)寶石生長村底。其他除去技 術(shù)包括蝕刻和研磨。 一旦除去了生長襯底，可使n型區(qū)22變薄至期望 厚度或者除去與生長襯底20相鄰的低質(zhì)量制備層。此后可在n型區(qū)22 的暴露表面上形成n觸點(diǎn)96。因?yàn)閜觸點(diǎn)是反射的，所以通過n型區(qū) 22的暴露表面從器件中提取出光?；蛘?，可將圖2的器件處理成倒裝芯片(flip chip)，其中生長 襯底20保持在器件上并且通過生長襯底從器件提取出光。除去p型區(qū) 30和32以及發(fā)光區(qū)28的一部分以暴露出n型區(qū)22或24之一的一部 分。在n型區(qū)之一的暴露部分上形成n觸點(diǎn)并且在p型區(qū)32的剩余部 分上形成P觸點(diǎn)。沖模是與載體相連的倒裝芯片并且通過襯底20從器 件中提取出光。為了進(jìn)一步改善光提取，通過對用于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的機(jī)械 支撐的沖模進(jìn)行底層填充并且此后例如通過激光剝離、蝕刻、或者研磨 而除去襯底，可除去襯底20。圖3說明了其中發(fā)光區(qū)包含在用于形成光子晶體的已生長半導(dǎo)體材 料的柱樁之中的器件的另一示例。如上面參考圖2所描述的，生長了 N 型區(qū)22、 n型柱樁26、發(fā)光區(qū)柱樁28、以及p型柱樁30。而不是在柱樁上生長平坦的p型區(qū)32，而是在生長了柱樁之后停止生長并且將該 結(jié)構(gòu)粘結(jié)到生長在第二生長襯底42上的半導(dǎo)體區(qū)域40上。半導(dǎo)體區(qū) 域40可以例如是p型區(qū)。在升溫和升壓之下將半導(dǎo)體柱樁的頂面和半導(dǎo)體區(qū)域40的表面粘 結(jié)在一起。用于粘結(jié)的適當(dāng)溫度可以例如是在700與1200°C之間；用 于粘結(jié)的適當(dāng)壓力可以例如是在5與1500 psi之間。在例如至少2分 鐘(經(jīng)常至少30分鐘)這樣的給定時段內(nèi)，在例如N2或NH3的氣氛下 以上述溫度和壓力將表面壓在一起。在這些條件下，在兩個表面之間形 成了牢固的半導(dǎo)體粘結(jié)。這種粘結(jié)可以經(jīng)受得起要在粘結(jié)之后進(jìn)行的、諸如生成附加的半導(dǎo)體層之類的進(jìn)一步半導(dǎo)體處理所必需的溫度。除了 半導(dǎo)體晶片粘結(jié)之外，還可使用諸如擴(kuò)散焊接粘結(jié)之類的其他粘結(jié)技術(shù)。在擴(kuò)散焊接粘結(jié)中，使諸如Zn和Sn之類的一個或多個金屬沉積 在粘結(jié)面上并且在低溫下進(jìn)行粘結(jié)。ZnSn粘結(jié)在例如大于900°C的溫 度之類的高溫下是穩(wěn)定的。在另一替換方法中，利用諸如Al之類的薄 金屬膜作為粘結(jié)層來對表面進(jìn)行粘結(jié)。可以將Al熔合到兩個半導(dǎo)體表 面中，以創(chuàng)建高溫下穩(wěn)定的粘結(jié)。在粘結(jié)之后，除去生長襯底20和生長襯底42之一，以暴露出半導(dǎo) 體表面?？筛菀自谙率霾婚g斷的平坦表面上形成接觸點(diǎn)，所述不間斷 的平坦表面是通過除去了 p型柱樁30頂部上的襯底而暴露出的。在除 去了生長襯底42之后，將結(jié)果產(chǎn)生的器件處理成薄膜器件或倒裝晶片， 這兩者在上面已參考圖2進(jìn)行了描述。如上參考圖2所述，除了半導(dǎo)體柱樁金屬地粘結(jié)(44 )到主村底46 上之外，圖4的器件與圖3的器件相似。如上參考圖2所述，可除去 生長村底20。在圖2、 3、以及4所述的每個器件中，形成光子晶體的半導(dǎo)體柱 樁生長穿過薄掩模層24中的開口。在圖5所述的器件中，半導(dǎo)體拄樁 生長穿過厚掩模層48中的開口。掩模48可以M度大于0.25入的 Si02。掩模48中的開口這樣排列以便在開口中生長的半導(dǎo)體材料形成 了柱樁陣列?；蛘?，這樣形成掩模48以便掩模形成柱樁陣列，并且使 半導(dǎo)體材料填充掩模材料柱樁之間的區(qū)域。該掩模將生長限制到掩模區(qū) 域之間的區(qū)，因此除了在生長期間需要例如大于100 Torr的更高壓力 以將前體氣體施壓到掩模48的開口中之外，不需要特定生長技術(shù)。一旦半導(dǎo)體柱樁到達(dá)掩模48的頂部，則p型區(qū)50在不間斷的平坦片上 生長。如圖5所述，掩模48可留在半導(dǎo)體柱樁之間的間隙中，或者在 平坦的p型區(qū)50生長之前除去該掩模48，以在半導(dǎo)體柱樁之間創(chuàng)建空 氣間隙。圖6A-6C說明了生長如圖2-4所述的器件的替換方法，其中半導(dǎo) 體柱樁生長在通過干蝕刻形成的模板上。如圖6A所述，在襯底20上 生長了平坦的n型區(qū)22。在n型區(qū)22上形成了掩模層52,此后將n 型區(qū)22的一部分蝕刻掉以形成n型柱樁54。除去掩模52,并且繼續(xù) 生長。對生長條件進(jìn)行選擇以便在柱樁54之間的區(qū)域中不發(fā)生成核， 并且僅在柱樁54上繼續(xù)生長。例如，在例如小于100 Torr的低壓下 的生長或者在高n型摻雜劑前體流下的生長可以將生長限制到柱樁54 的頂部。如上所述，生長發(fā)光區(qū)柱樁28，繼之以生長p型區(qū)柱樁30。 通過如圖2所述生長不間斷的平坦p型區(qū)、如圖3所述將半導(dǎo)體柱樁 粘結(jié)到半導(dǎo)體區(qū)域上，或者如圖4所述將半導(dǎo)體柱樁金屬粘結(jié)到主襯 底上而完成該器件。在圖2-5以及6A-6C所述的實(shí)施例中，發(fā)光區(qū)28位于形成了光 子晶體的半導(dǎo)體柱樁之內(nèi)。半導(dǎo)體柱樁的生長允許在通過掩模和蝕刻很難實(shí)現(xiàn)的深度處形成光子晶體。另外，生長半導(dǎo)體柱樁可避免由于干蝕 刻形成光子晶體所造成的損壞以及高表面重新組合。這種損壞對于發(fā)光 區(qū)是尤其有問題的。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，發(fā)光區(qū)是不由光子晶體中斷的平坦層， 并且形成于用于形成光子晶體的已生長半導(dǎo)體材料的柱樁之前和/或之 后。圖7-10對這種器件的示例進(jìn)行說明。在圖7所述的器件中，如 上所述，在襯底20上生長n型區(qū)22。在n型區(qū)22上生長不中斷的平 坦發(fā)光區(qū)34，繼之以是薄的p型區(qū)36。例如，如上所述，p型區(qū)36具 有小于3入的厚度。因?yàn)楣庾泳w與發(fā)光區(qū)之間的厚度減小了，因此期 望提高器件性能，因而p型區(qū)36盡可能薄的生長。與上面參考圖2所 描述的、在n型區(qū)22上形成的掩模相似，此后在p型區(qū)36上形成具 有開口的薄掩模層。形成光子晶體的P型半導(dǎo)體柱樁生長穿過掩模24 中的開口。在p型柱樁38的生長之后，可以如圖7所述在柱樁上生長 平坦的p型區(qū)32，或者如在圖3所述將半導(dǎo)體區(qū)域粘結(jié)到柱樁38上， 或者如圖4所述將主襯底金屬粘結(jié)到柱樁38上?；蛘撸鐖D10所述，在n型區(qū)中，光子晶體可位于有源區(qū)之下。 在圖10所述的器件中，在已生長襯底20上生長平坦的n型區(qū)22。形 成光子晶體的N型柱樁26生長穿過掩模24中的開口。不中斷的平坦n 型區(qū)80、發(fā)光區(qū)82、以及p型區(qū)84布置在n型柱樁26上。N型區(qū)80、 發(fā)光區(qū)82、以及p型區(qū)84可以生長在柱樁26上，或者如上參考圖3 所述、它們可以生長在分離生長的襯底上并且被粘結(jié)到n型柱樁26上。圖8所述的器件包括布置在平坦發(fā)光區(qū)的相對側(cè)上的兩個光子晶 體。在n型區(qū)22上形成具有開口的厚掩模層56。掩模56例如可以具 有至少0.25入厚度。使形成第一光子晶體的N型柱樁58生長穿過掩 模56中的開口。 n型材料繼續(xù)在掩模56上生長以形成不中斷的平坦n 型區(qū)60。在n型區(qū)60上生長發(fā)光區(qū)34，繼之以生長薄的p型區(qū)36。 如上所述，n型區(qū)60和p型區(qū)36每個都可具有小于3入的厚度。在p 型區(qū)36上形成具有開口的第二厚掩模層62，此后使p型柱樁64生長 穿過掩模62中的開口，繼之以是在掩模62上生長的不中斷的平坦p 型區(qū)66。在一些實(shí)施例中，使圖8所述的兩個光子晶體的半導(dǎo)體中的 間隙對準(zhǔn)。在圖9所述的器件中，如上所述，光子晶體不是由柱樁形成的，而 是由棱錐體形成的。與如上參考圖2所述的用于形成柱樁的生長技術(shù) 相反，當(dāng)傳統(tǒng)地使111-氮化物材料生長穿過掩模中的開口時產(chǎn)生棱錐 體。在圖9的器件中，在已生長的襯底20上形成n型區(qū)22，繼之以是 形成發(fā)光區(qū)34和薄的p型區(qū)36。將具有開口的掩模層70沉積在p型 區(qū)36上，此后p型材料72首先在掩模70的開口中生長，然后在掩模 上生長以形成棱錐體。在填滿棱錐體74之間的間隙76之前停止生長。 此后將通常是p型的且生長在分離的生長襯底上的半導(dǎo)體區(qū)域40粘結(jié) 到棱錐體74上。除去已生長襯底20或者其上生長有半導(dǎo)體區(qū)域40 (未 示出)的已生長襯底。作為半導(dǎo)體區(qū)域40的替換，可將主襯底金屬粘 結(jié)到棱錐體74上。此外，可以在棱錐體74上生長這樣的層，該層保 持棱錐體74之間的間隙，但是在位于頂部的平坦不中斷表面中結(jié)束?；蛘撸箞D9的掩模70沉積在n型區(qū)22上，以便在掩模開口和棱 錐體74中生長的材料72是n型?？梢栽诜蛛x的生長村底上生長不中 斷的平坦P型區(qū)、有源區(qū)、以及可選的n型區(qū)，并且此后將其粘結(jié)到n 型棱錐體74上。本發(fā)明的實(shí)施例提供了若干優(yōu)點(diǎn)?？杀苊馔ㄟ^對光子晶體進(jìn)行蝕刻 所造成的損壞，因此并入了生長光子晶體的器件相對于具有蝕刻的光子 晶體的器件可以提供改善的效率。此外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，其中可構(gòu)造電接觸的平坦表面在有源區(qū)的p型側(cè)和n型側(cè)兩者上是可用的。 因而對于要求與其中形成了光子晶體的層相接觸的器件而言，可簡化接 觸設(shè)計(jì)。已對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說應(yīng)該 理解的是，給定當(dāng)前的公開，在不脫離在這里所描述的發(fā)明構(gòu)思的精神 的情況下可對本發(fā)明做出修改。例如，上面所述示例中的器件結(jié)構(gòu)并不 局限于在該示例中所描述的特定生長技術(shù)。例如，可利用如圖2所述 的薄掩模層而不是利用圖8所述的厚掩模層來生長圖8所述的具有兩 個光子晶體的器件，或者利用圖9所述的棱錐體而不是利用圖8所述 的柱樁來生長圖8所述的具有兩個光子晶體的器件。因此，本發(fā)明的 范圍并不局限于所說明的和所描述的特定實(shí)施例。
權(quán)利要求
1、一種包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之內(nèi)生長光子晶體在內(nèi)的方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括被配置為當(dāng)正向偏置時發(fā)射出波長為λ的光的發(fā)光區(qū)，所述分光區(qū)布置在n型區(qū)與p型區(qū)之間，其中光子晶體包括具有第一折射率的多個半導(dǎo)體材料區(qū)域；以及具有第二折射率的多個材料區(qū)域，其中第二折射率與第一折射率不同；其中具有第二折射率的材料的區(qū)域以陣列方式布置在半導(dǎo)體材料區(qū)域之間，并且每個具有第二折射率的材料的區(qū)域距最近的、具有第二折射率的材料的相鄰區(qū)域小于5λ。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是III -氮 化物結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述具有第二折射率的材料 是空氣。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中具有第二折射率的材料包括 空氣、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、以及電介質(zhì)中的一個或多個。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中生長光子晶體包括在半導(dǎo) 體表面上形成具有多個開口的掩模；以及使半導(dǎo)體材料生長穿過所述開 o 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述生長穿過開口的半導(dǎo)體 材料包括多個半導(dǎo)體柱樁。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述半導(dǎo)體材料具有大于掩 模厚度的厚度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述半導(dǎo)體材料具有基本上與掩模厚度相同的厚度。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在生長所述多個半導(dǎo)體材 料的柱樁之前在多個開口中提供金屬催化劑。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述金屬催化劑是鎳。
11、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在所述多個柱樁上生長具 有基本上平坦的不間斷頂面的半導(dǎo)體層。
12、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該方法還包括將第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)粘結(jié)到所述柱樁上。
13、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括通過布置在主襯底與所 述柱樁之間的金屬粘結(jié)層將所述主襯底粘結(jié)到所述柱樁上。
14、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述發(fā)光區(qū)布置在所述柱樁 之內(nèi)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在生長多個柱樁之前， 將所述半導(dǎo)體表面的一部分蝕刻掉以定義光子晶體。
16、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述發(fā)光區(qū)不由所述光子晶 體間斷。
17、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中在n型區(qū)中形成所述光子晶體。
18、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中在p型區(qū)中形成所述光子晶體。
19、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述光子晶體是在n型區(qū)中 形成的第一光子晶體，該方法還包括在p型區(qū)中形成第二光子晶體。
20、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述多個柱樁中的至少一個 具有基本上恒定的直徑、基本上豎直的側(cè)壁，并且與已生長襯底的表面 相垂直地生長。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述具有第二折射率的材料 的區(qū)域具有至少1/4入的厚度。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述具有第二折射率的材料 的區(qū)域位于發(fā)光區(qū)的3入之內(nèi)。
23、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū)域 以及所述多個具有第二折射率的材料的區(qū)域以具有0.1 A與3入之間的 晶格常數(shù)的晶格進(jìn)行排列。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū)域 以及所述多個具有第二折射率的材料的區(qū)域以具有0. 1入與入之間的晶 格常數(shù)的晶格進(jìn)行排列。
25、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述具有第二折射率的材料是空氣；以及所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū)域以及所述多個具有第二折射率的材料的 區(qū)域以具有0. 35入與0. 55 A之間的晶格常數(shù)的晶格進(jìn)行排列。
26、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū)域 以及所述多個具有第二折射率的材料的區(qū)域以線性光柵進(jìn)行排列。
27、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū)域 以及所述多個具有第二折射率的材料的區(qū)域以晶格進(jìn)行排列，所述晶格 的至少一部分包括三角形、蜂窩狀、阿基米德、以及準(zhǔn)晶體晶格之一。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述半導(dǎo)體材料的區(qū)域之 一的半徑是晶格常數(shù)乘以0. 36。
29、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，還包括將所述p型區(qū)和發(fā)光區(qū)的一部分蝕刻調(diào)以暴露所述n型區(qū)的一部分；在所述p型區(qū)的剩余部分和所述n型區(qū)的暴露部分上形成電觸點(diǎn)； 以及使電觸點(diǎn)與載體附連。
30、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中在已生長襯底上生長半導(dǎo) 體，該方法還包4舌填充在所述載體與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的間隙；以及 除去所述已生長襯底。
31、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在已生長襯底上生長半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)，該方法還包4舌使所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面與所述栽體附連；以及 除去所述已生長襯底。
32、 一種器件包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所迷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括^^配置為發(fā)射出波長為入的光的 發(fā)光層，所述發(fā)光層布置在n型區(qū)與p型區(qū)之間，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具 有頂面和底面；以及布置在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之內(nèi)的光子晶體，所述光子晶體包括具有第一折射率的半導(dǎo)體材料的多個區(qū)域；以及具有第二折射率的材料的多個區(qū)域，其中第二折射率與第一折射率不同；其中具有第二折射率的材料的區(qū)域以陣列方式布置在半導(dǎo)體材料區(qū) 域之間，并且每個具有第二折射率的材料的區(qū)域距最近的、具有第二折 射率的材料的相鄰區(qū)域小于5入；其中所述發(fā)光層布置在所述光子晶體之內(nèi)；以及其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面和底面不由所述光子晶體間斷。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述發(fā)光層是III-氮化 物層。
34、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料是空氣。
35、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料包括硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、以及電介質(zhì)之一。
36、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料的區(qū)域具有至少1/4入的厚度。
37、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū) 域以及所迷多個具有第二折射率的材料的區(qū)域以具有0.1入與3入之間的晶格常數(shù)的晶格進(jìn)行排列。
38、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，還包括位于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底面上的第一觸點(diǎn)；以及 位于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面上的第二觸點(diǎn)。
39、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述頂面包括基本上平坦的表面；從所迷底面除去所述發(fā)光層以及所述n型區(qū)和p型區(qū)之一的一部 分，以便所述底面包括所述n型區(qū)的暴露部分以及所述p型區(qū)的暴露 部分；在所述n型區(qū)的暴露部分上形成第一觸點(diǎn)；以及 在所述p型區(qū)的暴露部分上形成第二觸點(diǎn)。
40、 一種器件包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括被配置為發(fā)射出波長為入的光的 發(fā)光層、所述發(fā)光層布置在ii型區(qū)與p型區(qū)之間，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具 有頂面和底面；以及布置在所述p型區(qū)之內(nèi)的光子晶體，所述光子晶體包括具有第一折射率的半導(dǎo)體材料的多個區(qū)域；以及 具有第二折射率的材料的多個區(qū)域，其中第二折射率與第一折射率不同；其中具有第二折射率的材料的區(qū)域以陣列布置在半導(dǎo)體材料區(qū)域之間，并且每個具有第二折射率的材料的區(qū)域距最近的、具有第二折射率的材料的相鄰區(qū)域不到5入；其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面和底面不由所述光子晶體間斷。
41、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中所述光子晶體是笫一光子 晶體，該器件還包括布置在所述n型區(qū)之內(nèi)的第二光子晶體。
42、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中所述發(fā)光層是III-氮化 物層。
43、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料是空氣。
44、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料包括硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、以及電介質(zhì)之一。
45、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中所述具有第二折射率的材 料的區(qū)域具有至少I/4人的厚度。
46、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中所述多個半導(dǎo)體材料的區(qū) 域以及多個具有第二折射率的材料的區(qū)域以具有0.1入與3入之間的晶 格常數(shù)的晶格進(jìn)行排列。
47、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，還包括位于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底面上的第一觸點(diǎn)；以及 位于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面上的第二觸點(diǎn)。
48、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的器件，其中 所述頂面包括基本上平坦的表面；從所述底面除去發(fā)光層以及n型區(qū)和p型區(qū)之一的一部分，以便底 面包括n型區(qū)的暴露部分以及p型區(qū)的暴露部分； 在所述n型區(qū)的暴露部分上形成第一觸點(diǎn)；以及 在所述p型區(qū)的暴露部分上形成第二觸點(diǎn)。
全文摘要
在諸如III-氮化物結(jié)構(gòu)之類的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)生長光子晶體，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括布置在n型區(qū)與p型區(qū)之間的發(fā)光區(qū)。該光子晶體可以是由具有與半導(dǎo)體材料不同的折射率的材料所分離的多個半導(dǎo)體材料區(qū)域。例如，光子晶體可以是在該結(jié)構(gòu)中生長、且通過空氣間隙或掩模材料區(qū)域分離的半導(dǎo)體材料的柱樁。生長光子晶體而不是將光子晶體蝕刻到早已生長的半導(dǎo)體層中，避免了由于蝕刻所導(dǎo)致的、可降低效率的損壞，并且提供了其上形成電觸點(diǎn)的不間斷的平坦表面。
文檔編號G02B6/13GK101278411SQ200680021717
公開日2008年10月1日 申請日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者J·J·小韋勒, M·R·克雷默斯, N·F·加德納 申請人:飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備美國有限責(zé)任公司