本發(fā)明涉及在具有可以改進(jìn)光提取的特征的襯底上生長(zhǎng)的發(fā)光器件。

背景技術(shù)：

包括發(fā)光二極管（LED）、諧振腔發(fā)光二極管（RCLED）、垂直腔激光二極管（VCSEL）和邊緣發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光器件是當(dāng)前可獲得的最高效的光源之一。在能夠跨可見(jiàn)光譜操作的高亮度發(fā)光器件的制造中當(dāng)前感興趣的材料系統(tǒng)包括III-V族半導(dǎo)體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，其還被稱為III氮化物材料。典型地，III氮化物發(fā)光器件通過(guò)借由金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技術(shù)而在藍(lán)寶石、碳化硅、III氮化物或其它合適襯底上外延生長(zhǎng)不同成分和摻雜劑濃度的半導(dǎo)體層的疊層來(lái)制作。疊層通常包括形成在襯底之上的摻雜有例如Si的一個(gè)或多個(gè)n型層、形成在一個(gè)或多個(gè)n型層之上的有源區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)發(fā)光層，以及形成在有源區(qū)之上的摻雜有例如Mg的一個(gè)或多個(gè)p型層。電氣接觸件形成在n和p型區(qū)上。

圖1圖示了設(shè)計(jì)成改進(jìn)來(lái)自半導(dǎo)體發(fā)光器件的光提取效率的襯底，其在US 2013/0015487中被更詳細(xì)地描述。在藍(lán)寶石襯底10上，以平行條帶圖案形成在第一方向（沿x軸）上延伸的多個(gè)凹槽11。其余沒(méi)有形成凹槽的表面是襯底的頂表面10a。每一個(gè)凹槽11在y軸方向上的寬度是1.5μm，并且在y軸方向上沒(méi)有形成凹槽的部分10a的每一條在y軸方向上的寬度是1.5μm。每一個(gè)凹槽11的深度是0.1μm。每一個(gè)凹槽11的深度可以在從100?到3μm的范圍內(nèi)。

多個(gè)SiO₂電介質(zhì)條帶15平行地形成在凹槽11的底表面和側(cè)表面上，并且形成在藍(lán)寶石襯底10的表面10a上。每一個(gè)電介質(zhì)條帶15在第二方向（y軸方向）上延伸。每一個(gè)電介質(zhì)條帶15的寬度在x軸方向上為1.5μm。每一個(gè)電介質(zhì)條帶15的厚度可以在100?到1μm的范圍內(nèi)。在具有圖1中所示的配置的藍(lán)寶石襯底10上，沉積具有10nm的膜厚度的氮化鋁（AlN）緩沖層。緩沖層（沒(méi)有在圖1中示出）形成在凹槽11的底表面11a和側(cè)表面11b、表面10a、以及電介質(zhì)條帶15的頂表面15a和側(cè)表面15b之上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有改進(jìn)的提取的發(fā)光器件。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的照明器件包括具有從襯底的表面延伸的多個(gè)孔的襯底。在多個(gè)孔內(nèi)設(shè)置非III氮化物材料。襯底的表面沒(méi)有非III氮化物材料。在襯底的表面上生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的發(fā)光層。

盡管在以下討論中，襯底是藍(lán)寶石，但是可以使用任何合適的襯底材料，諸如藍(lán)寶石、SiC、硅、GaN、III氮化物或者復(fù)合襯底。在一些實(shí)施例中，襯底具有比生長(zhǎng)在襯底上的III氮化物材料的折射率小的折射率。例如，藍(lán)寶石具有1.7的折射率，而GaN具有2.4的折射率。

附圖說(shuō)明

圖1圖示了用于改進(jìn)來(lái)自半導(dǎo)體發(fā)光器件的光提取效率的現(xiàn)有技術(shù)襯底。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有特征的襯底的部分的平面視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有特征的襯底的部分的截面視圖。

圖4是在特征的表面上形成一個(gè)或多個(gè)涂敷層之后的圖3的結(jié)構(gòu)的截面視圖。

圖5圖示了在圖4的襯底上形成的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。

圖6圖示了倒裝芯片器件。

具體實(shí)施方式

半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)可以形成在圖1中所圖示的襯底上。在具有平滑襯底的器件中，波導(dǎo)形成在襯底和半導(dǎo)體材料之間。由于襯底和半導(dǎo)體材料的不同折射率，波導(dǎo)將光俘獲在器件中。在具有圖1的襯底的器件中，襯底上的電介質(zhì)條帶15和凹槽11中斷波導(dǎo)并且因而可以改進(jìn)來(lái)自器件的光提取。在襯底的方向上發(fā)射的光可以被凹槽11和/或電介質(zhì)條帶15散射，使得更有可能從器件提取光。

在圖1中所圖示的結(jié)構(gòu)中，電介質(zhì)條帶15形成在平坦表面（凹槽11之間的表面10a，以及凹槽11的底表面11a）和非平坦表面（凹槽11的豎直側(cè)壁11b）二者上。平坦表面上的電介質(zhì)材料具有對(duì)光提取的最小影響，其可以減損在襯底上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的晶體生長(zhǎng)質(zhì)量。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)之前，特征被形成在襯底上，并且涂敷有一個(gè)或多個(gè)抗反射、散射和/或梯度折射率涂敷層。一個(gè)或多個(gè)涂敷層可以總體地或者部分地填滿形成在襯底表面中的特征。特征和（多個(gè)）涂敷層的主要功能可以是雙重的：（i）增加光從III氮化物材料向襯底中的透射，以及（ii）控制光的方向以調(diào)諧來(lái)自器件的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射。

將（多個(gè)）涂敷層約束到在生長(zhǎng)期間不顯著地貢獻(xiàn)于III氮化物材料的成核的襯底的表面區(qū)域。這些區(qū)域一般是相對(duì)于襯底的平面（相對(duì)于通過(guò)x和y軸描述并且垂直于z軸的平面）形成的特征的斜向和/或豎直區(qū)域。在襯底上的非平坦表面上形成諸如電介質(zhì)層之類的非III氮化物涂敷層不顯著地影響襯底上的晶體生長(zhǎng)，但是可以增強(qiáng)來(lái)自器件的光提取。

盡管在以下示例中半導(dǎo)體發(fā)光器件是發(fā)射藍(lán)光或UV光的III氮化物L(fēng)ED，但是可以使用除LED之外的半導(dǎo)體發(fā)光器件，諸如激光二極管，以及由諸如其它III-V材料、III磷化物、III砷化物、II-VI材料、ZnO或基于Si的材料之類的其它材料系統(tǒng)制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括特征22的襯底20的部分的平面視圖。

在圖2中圖示的特征22是形成在襯底20中的孔，其從襯底的頂表面向下延伸?？撞谎由齑┻^(guò)襯底的整個(gè)厚度。孔可以是任何合適的形狀，包括例如具有豎直側(cè)面和平坦底部的孔、具有傾斜側(cè)面和平坦底部的孔、截頭倒轉(zhuǎn)角錐體、截頭倒轉(zhuǎn)圓錐體、倒轉(zhuǎn)角錐體、倒轉(zhuǎn)圓錐體或者任何其它合適的形狀。在一些實(shí)施例中，孔可以沿垂直于襯底的頂表面的軸或者其它軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，盡管并不要求這樣?？卓梢砸匀魏魏线m的圖案進(jìn)行布置，包括例如，諸如三角形、正方形、六邊形之類的陣列或者任何其它合適的陣列、隨機(jī)布置，或者準(zhǔn)隨機(jī)布置，諸如阿基米德格子。

孔可以通過(guò)蝕刻、諸如鉆孔之類的機(jī)械技術(shù)、或者任何其它合適的技術(shù)來(lái)形成。例如，孔可以通過(guò)濕法化學(xué)蝕刻、在例如磷酸或硫酸的化學(xué)浴中，或者通過(guò)干法蝕刻技術(shù)在電感耦合等離子體（ICP）蝕刻機(jī)中形成。

圖3是包括典型特征22的襯底20的部分的截面視圖。由圖1的x和y軸形成的襯底的平面例如是在圖3中圖示的結(jié)構(gòu)的頂部或底部。在圖3中圖示的特征22的實(shí)施例具有倒轉(zhuǎn)三角形截面，其中每一個(gè)孔的軸垂直于襯底的平面取向。特征可以具有任何合適的截面。例如，特征可以具有平坦底部或圓形底部。特征可以具有豎直側(cè)面、傾斜側(cè)面、彎曲側(cè)面或分段側(cè)面，其中不同段具有不同的傾斜和/或形狀。在一些實(shí)施例中，特征的傾斜側(cè)面與發(fā)光層的最大角發(fā)射的方向正交或者基本上正交。例如，如果由發(fā)光層發(fā)射的光在具有距器件的主平面的法向的60度處的瓣極大點(diǎn)的圖案中發(fā)射，則特征的傾斜側(cè)壁可以在距器件的主平面的法向的角度30度處取向。

襯底20的頂表面24可以在特征22之間是平坦的，如在圖3中圖示的，盡管并不要求這樣。例如，頂表面24可以被圖案化、粗糙化或紋理化，或者可以相對(duì)于孔的取向而傾斜。

孔可以取向成使得所有或大多數(shù)孔的軸垂直于襯底的平面。在可替換方案中，所有或大多數(shù)孔的軸可以相對(duì)于襯底的平面成角度，或者孔的軸可以隨機(jī)地取向。

襯底20可以具有在一些實(shí)施例中至少100μm、在一些實(shí)施例中不大于500μm、在一些實(shí)施例中至少200μm、以及在一些實(shí)施例中不大于400μm的厚度34。

在特征22的開(kāi)口處，在襯底的頂邊緣處，特征22可以具有在一些實(shí)施例中至少1μm、在一些實(shí)施例中不大于20μm、在一些實(shí)施例中至少5μm、以及在一些實(shí)施例中不大于15μm的寬度26。特征22可以具有在一些實(shí)施例中至少1μm、在一些實(shí)施例中不大于20μm、在一些實(shí)施例中至少5μm、以及在一些實(shí)施例中不大于15μm的深度。最靠近的相鄰特征的中心之間的間距32可以是在一些實(shí)施例中至少2μm、在一些實(shí)施例中不大于50μm、在一些實(shí)施例中至少20μm、以及在一些實(shí)施例中不大于40μm。相鄰特征22之間的襯底20的頂表面24的寬度28可以是在一些實(shí)施例中至少100nm、在一些實(shí)施例中不大于50μm、在一些實(shí)施例中至少5μm、以及在一些實(shí)施例中不大于25μm。如圖3中所圖示的，孔不穿透襯底的整個(gè)厚度。在可替換方案中，一些或所有孔可以穿透襯底的整個(gè)厚度。

圖4圖示了具有特征22和一個(gè)或多個(gè)涂敷層的襯底。涂敷層36僅形成在特征22的斜向側(cè)壁22a上。涂敷層36可以通過(guò)如本領(lǐng)域中所已知的常規(guī)光掩蔽過(guò)程形成。例如，襯底可以被掩蔽，然后形成涂敷層，然后移除掩模；涂敷層可以被形成，然后通過(guò)掩蔽和蝕刻而圖案化；或者涂敷層可以選擇性地僅形成在特征的側(cè)壁上。特征22之間的襯底20的頂部、通常平坦的表面24可以保持未經(jīng)更改（即，沒(méi)有被涂敷層36所覆蓋）以確保在下文描述的III氮化物器件結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)期間的結(jié)晶過(guò)程的正確成核。特征22的側(cè)壁22a不顯著地貢獻(xiàn)于外延生長(zhǎng)期間的III氮化物晶體的成核，因?yàn)镮II氮化物晶體將優(yōu)選地在涂敷層36之上的襯底表面24上成核。

（多個(gè)）涂敷層36可以包括與外延過(guò)程兼容的任何合適的材料。合適的材料的示例包括非III氮化物材料、電介質(zhì)材料、通過(guò)除外延生長(zhǎng)之外的技術(shù)（諸如沉積）形成的材料、SiN、SiO₂、TiO₂、氧化物和氮化物。（多個(gè)）涂敷層36的折射率在一些實(shí)施例中可以在襯底的折射率與GaN的折射率之間（例如，諸如SiN以及SiO₂和TiO₂的復(fù)合物，以形成具有范圍在1.5和2.5之間的折射率的層）。

可以使用多個(gè)涂敷層36。可以選擇合適的層組合以放大以下意圖效果：增加從III氮化物材料向襯底中的光透射、或者在特定角方向上引導(dǎo)所發(fā)射的光束、或者二者。多個(gè)涂敷層可以基于抗反射體涂敷的原理或者通過(guò)仿效梯度折射率材料以便從高折射率向低折射率平滑地過(guò)渡光來(lái)選擇。在一些實(shí)施例中，最接近襯底并且典型地與襯底接觸的涂敷層（首先沉積的涂敷層）的折射率具有最低折射率，即與襯底的折射率最接近的折射率。最遠(yuǎn)離襯底的涂敷層（最后沉積的涂敷層）具有最高折射率，即與III氮化物層的折射率最接近的折射率。因而，在一些實(shí)施例中，涂敷層的疊層可以形成III氮化物材料和襯底之間的梯度折射率（GRIN）光學(xué)界面。

在一個(gè)示例中，涂敷層36是填充孔的深度的至少20%直至填充孔的深度的50%的SiN的單個(gè)層。例如，在2μm深的孔的情況下，涂敷層36可以具有高達(dá)1μm的厚度。

（多個(gè)）涂敷層36可以部分地或者完全地填充特征22。特別地，在一些實(shí)施例中，涂敷層36可以填充特征22，使得涂敷層36的頂表面與特征之間的襯底的頂表面24齊平。填充特征22使非成核表面最小化。

在形成（多個(gè)）涂敷層36之后，生長(zhǎng)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，如圖5中圖示的。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括夾在n和p型區(qū)之間的發(fā)光或有源區(qū)。

n型區(qū)38可以首先生長(zhǎng)并且可以包括不同成分和摻雜劑濃度的多個(gè)層，包括例如可以是n型或非有意摻雜的準(zhǔn)備層，諸如緩沖層或成核層、接觸層和限制層，以及針對(duì)對(duì)于使發(fā)光區(qū)高效地發(fā)射光而言合期望的特定光學(xué)、材料或電氣性質(zhì)而設(shè)計(jì)的n或甚至p型器件層。

n型區(qū)的第一部分可以填充特征并且聯(lián)合以形成具有足夠高的質(zhì)量以生長(zhǎng)器件層的表面。n型區(qū)的該部分可以是在一些實(shí)施例中至少2μm厚，以及在一些實(shí)施例中不大于5μm厚。最初生長(zhǎng)的III氮化物材料優(yōu)選地在特征之間的襯底的頂表面24上成核，而不在特征22中的涂敷層36上成核。

發(fā)光或有源區(qū)40生長(zhǎng)在n型區(qū)之上。合適的發(fā)光區(qū)的示例包括單個(gè)厚或薄的發(fā)光層，或者包括通過(guò)屏障層分離的多個(gè)薄或厚的發(fā)光層的多量子阱發(fā)光區(qū)。

p型區(qū)42可以然后生長(zhǎng)在發(fā)光區(qū)之上。與n型區(qū)類似，p型區(qū)可以包括不同成分、厚度和摻雜劑濃度的多個(gè)層，包括非有意摻雜的層或n型層。

在生長(zhǎng)之后，在p型區(qū)的表面上形成p接觸件44。p接觸件44通常包括多個(gè)傳導(dǎo)層，諸如反射金屬和防護(hù)金屬，其可以防止或減少反射金屬的電子遷移。反射金屬通常是銀，但是可以使用任何合適的一種或多種材料。

圖5圖示了器件中的光的行為。以掠射角撞擊襯底20的表面24的光（諸如射線46a）可以被襯底和III氮化物材料之間的波導(dǎo)全內(nèi)反射，從而將光俘獲在器件內(nèi)，如通過(guò)射線46b所圖示的。特征22中斷波導(dǎo)，使得從半導(dǎo)體材料提取以掠射角發(fā)射到特征22中的光（諸如射線48）。由表面24反射的一些射線再次被接觸件44反射，然后入射在特征22上，其中最終從半導(dǎo)體材料提取射線。在沒(méi)有特征22的情況下，光可能保持被多個(gè)表面以相同的角度反射并且保持被俘獲在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，直到光能被轉(zhuǎn)換成熱量。

在圖5中圖示的結(jié)構(gòu)可以形成為任何合適的器件結(jié)構(gòu)。一般地，在具有有著如以上所描述的光提取特征的襯底的器件中，主要通過(guò)襯底從器件提取光，所述襯底保持為器件的部分，盡管并不要求這樣。盡管在圖6中圖示了倒裝芯片，但是圖5的結(jié)構(gòu)可以形成為任何合適的器件。

如圖6中所圖示的，在形成p接觸件44之后，移除部分的p接觸件44、p型區(qū)42和有源區(qū)40以暴露在其上形成n接觸件50的n型區(qū)38的部分。n和p接觸件50和44通過(guò)間隙與彼此電氣隔離，所述間隙可以填充有電介質(zhì)52，諸如硅的氧化物或者任何其它合適的材料?？梢孕纬啥鄠€(gè)n接觸過(guò)孔；n和p接觸件50和44不限于在圖6中圖示的布置。n和p接觸件可以重新分布以形成具有電介質(zhì)/金屬疊層的鍵合墊（沒(méi)有在圖6中圖示），如本領(lǐng)域中所已知的。

為了形成到器件的電氣連接，一個(gè)或多個(gè)互連54和56形成在n和p接觸件50和44上或者電氣連接到n和p接觸件50和44?；ミB54電氣連接到圖6中的n接觸件50?；ミB56電氣連接到p接觸件44?；ミB54和56通過(guò)電介質(zhì)層52和間隙58與n和p接觸件50和44并且與彼此電氣隔離?；ミB54和56可以例如是焊料、柱形凸塊、金層或者任何其它合適的結(jié)構(gòu)。

許多單獨(dú)的LED形成在單個(gè)襯底晶片上，然后從器件的晶片切分。在切分之前、期間或之后，襯底20可以被減薄。在一些實(shí)施例中，除減薄之外或者替代于減薄，圖案化、紋理化或者粗糙化襯底20的背側(cè)表面60以改進(jìn)從襯底向周圍空氣中的光提取。

在圖6中圖示的器件可以例如在側(cè)面上為大約1mm長(zhǎng)。相應(yīng)地，單個(gè)器件的襯底可以在一些實(shí)施例中包括數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)特征。在一個(gè)示例中，可以存在襯底區(qū)域的每3μm x 3μm部分中的一到兩個(gè)特征的平均值。

已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，在給定本公開(kāi)的情況下，可以對(duì)本發(fā)明做出修改而不脫離本文描述的發(fā)明概念的精神。因此，不意圖將本發(fā)明的范圍限于所圖示和描述的具體實(shí)施例。