專利名稱：發(fā)光器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光器件及其制造方法，更具體地，涉及一種能夠實現(xiàn)增強的發(fā)光效率和增強的可靠性的發(fā)光器件及其制造方法。
背景技術：
作為一種半導體發(fā)光器件，發(fā)光二極管(LED)是眾所周知的，其將電流轉換為光并發(fā)光。由于在1962年制造出了可商業(yè)應用的使用GaAsP化合物半導體的紅光LED，它就與GaP:N基綠光LED一起用作電子儀器的光源，用于圖像顯示。
從這種LED發(fā)出的光的波長取決于用于制造該LED的半導體材料。這是因為發(fā)出的光的波長取決于半導體材料的用于表示在價帶電子和導帶電子之間的能量差的帶隙。
氮化鎵(GaN)化合物半導體在包括發(fā)光二極管(LED)的大功率電子器件領域引人注目，因為它表現(xiàn)出高的熱穩(wěn)定性和0.8到6.2eV的寬帶隙。
GaN化合物半導體如此引人注目的原因之一在于，其可以使用GaN并結合其它元素例如銦(In)、鋁(Al)等制造能夠發(fā)射綠光、藍光和白光的半導體層。
因而，根據具體的儀器的特性，可以通過使用GaN并結合其它合適的元素來調整要發(fā)射的光的波長。例如，可以制造用于光學記錄的藍光LED或者能夠取代輝光燈的白光LED。
由于GaN基材料的上述優(yōu)點，自從GaN基LED在1994年獲得商業(yè)應用以來，與GaN基電光器件相關的技術已經得到迅猛發(fā)展。
使用上述GaN基材料制造的LED的亮度或者輸出主要取決于有源層的結構、與光的提取相關的提取效率、LED芯片的尺寸、用來組裝燈封裝的模的種類和角度、所用的熒光材料等。

發(fā)明內容
因而，本發(fā)明致力于一種基本上克服了由于現(xiàn)有技術的局限性和缺點引起的一個或者多個問題的發(fā)光器件及其制造方法。
本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)光器件以及制造該發(fā)光器件的方法，其具有能夠實現(xiàn)增強的提取效率的結構同時當在該發(fā)光器件中引入該光提取結構時保持想要的電氣特性、并且和光子晶體結構協(xié)同表現(xiàn)出良好的提取效率。
本發(fā)明的另外的優(yōu)點、目的和特征一部分在隨后的說明書中加以闡述，一部分對本領域普通技術人員來說，在認真閱讀以下內容后是顯而易見的，或者可以通過實踐該發(fā)明而獲知。本發(fā)明的這些目的和其它的優(yōu)點可以通過書面的說明書中所特別指出的結構和其權利要求書以及附圖而實現(xiàn)或者獲得。
為實現(xiàn)與本發(fā)明目的相符的這些目的和其它優(yōu)點，如所具體和廣泛描述的，這里提供了一種發(fā)光器件，包括半導體層；和光提取層，其被布置在該半導體層上并且由折射率等于或者高于該半導體層的折射率的材料制成。
在本發(fā)明的另一方面中，一種發(fā)光器件包括包括被布置在半導體層上的同一平面內的至少兩種光子晶體結構的光子晶體層，所述光子晶體結構具有不同的周期。
在本發(fā)明的另一方面中，一種發(fā)光器件包括包括具有周期結構的第一光子晶體和具有隨機結構的第二光子晶體的光子晶體層，第一和第二光子晶體被布置在半導體層上的同一平面內。
在本發(fā)明的另一方面中，一種發(fā)光器件包括反射性電極；布置在該反射性電極上的半導體層，該半導體層包括發(fā)光層；和形成于該半導體層上的光子晶體，其中位于該反射性電極和該發(fā)光層的中心之間的距離是0.65λ/n到0.85λ/n，其中“λ”代表發(fā)出的光的波長，而“n”代表該半導體層的折射率。
在本發(fā)明的另一方面中，一種發(fā)光器件包括反射性電極；布置在該反射性電極上的半導體層，該半導體層包括發(fā)光層；和形成于該半導體層上的光子晶體，其中位于該反射性電極和該發(fā)光層的中心之間的距離是λ/4n的奇數倍，其中“λ”代表發(fā)出的光的波長，而“n”代表該半導體層的折射率。
在本發(fā)明的又一方面中，一種用于制造發(fā)光器件的方法包括在襯底上生長多個半導體層；在該半導體層上形成第一電極；除去該襯底；在因除去該襯底而暴露的該半導體層上形成電介質層；在該電介質層內形成多個孔；蝕刻形成有這些孔的電介質層的表面，以在該半導體層內形成多個槽；除去該電介質層；并且在因該電介質層的除去而暴露的半導體層的表面上形成第二電極。
可以理解，本發(fā)明的前述一般性的描述和后面詳細的描述兩者都是示例性和解釋性的，并且打算如權利要求中提供對本發(fā)明進一步的解釋。


這些附圖，其提供對本發(fā)明的進一步的理解并且結合本申請并構成本申請的一部分，解釋了本發(fā)明的實施例，并且連同說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。在這些圖中圖1是用于解釋用于實現(xiàn)發(fā)光器件的提取效率的增強的結構的斷面圖；圖2是用于繪出取決于圖1中的半球的折射率的增加的提取效率的變化的曲線圖；圖3是用于解釋具有光子晶體結構的水平發(fā)光器件的實施例的斷面圖；圖4是用于繪出取決于圖3中結構的光子晶體的深度的提取效率的曲線圖；圖5是用于繪出在半導體層的厚度受到限制的情況下提取效率隨蝕刻深度而定的曲線圖；圖6是用于解釋具有光子晶體結構的垂直發(fā)光器件的實施例的斷面圖；圖7是用于解釋用于計算機仿真的垂直發(fā)光器件結構的斷面圖；圖8是用于解釋在圖7的結構中的發(fā)光層的吸收率的斷面圖；圖9是用于解釋在發(fā)光層與鏡子充分隔開的情況下表現(xiàn)出的輻射圖形的照片；圖10是用于繪出通過在改變光子晶體的周期的同時測量提取效率而獲得的結果的曲線圖；圖11是用于繪出取決于用于形成光子晶體的孔的尺寸的提取效率的變化的曲線圖；圖12是用于繪出取決于光子晶體的蝕刻深度的提取效率的變化的曲線圖；
圖13是用于解釋光子晶體結構提取與全反射角度相關的光的原理的示意圖；圖14是用于解釋在水平發(fā)光器件的頂層中引入光子晶體的結構的示意圖；圖15是用于解釋形成于圖形化的襯底上的發(fā)光器件結構的斷面圖；圖16是由于解釋其中引入了光子晶體和圖形化的襯底兩者的發(fā)光器件結構的斷面圖；圖17是用于繪出取決于與光子晶體和圖形化的襯底相關的光的傳播距離而定的提取效率的變化的曲線圖；圖18到21是用于解釋電偶極的輻射圖形的照片；圖22是用于解釋偶極相對于反射鏡的平面的布置的示意圖；圖23通過曲線和照片解釋取決于反射鏡和發(fā)光層之間的間隙而定的提取效率的增強以及相關的輻射圖形；圖24是用于解釋其中發(fā)光層和反射鏡之間的距離落在增強干涉條件下這一情況下的輻射圖形的照片；圖25是用于繪出因在具有增強的干涉條件的結構中引入光子晶體而獲得的效果的曲線圖；圖26是用于繪出取決于光子晶體在固定的蝕刻深度時的周期而定的提取效率的變化的曲線圖；圖27是用于繪出在增強的干涉條件下提取效率的變化隨蝕刻深度而定的曲線圖；圖28到30解釋本發(fā)明的第一實施例，其中圖28是用于解釋本發(fā)明第一實施例的斷面圖；圖29是用于解釋根據本發(fā)明第一實施例的水平發(fā)光器件的斷面圖；圖30是用于繪出提取效率隨光提取層的折射率而定的曲線圖；圖31到35解釋本發(fā)明第二實施例，其中圖31是用于解釋根據本發(fā)明第二實施例的水平發(fā)光器件結構的一個例子的斷面圖；
圖32是用于解釋根據本發(fā)明第二實施例的水平發(fā)光器件結構的另一個例子的斷面圖；圖33是用于繪出透射率隨透明導電層和透明金屬層的入射角而定的曲線圖；圖34是用于繪出提取效率隨透明導電層的厚度而定的曲線圖；圖35是用于解釋根據本發(fā)明第二實施例的發(fā)光器件的斷面圖；圖36是用于解釋本發(fā)明第三實施例的斷面圖；圖37到47解釋本發(fā)明的第四實施例，其中圖37是用于具有周期混合的光子晶體的發(fā)光器件的斷面圖；圖38是圖37所示結構的平面的電子顯微照片；圖39是圖37所示結構的斷面的電子顯微照片；圖40是用于解釋周期混合的光子晶體的例子的平面圖；圖41是對應于圖40的斷面圖；圖42是用于繪出其中引入了周期混合的光子晶體的結構的提取效率的曲線圖；圖43到46是用于解釋周期混合的光子晶體的實施例的斷面圖；圖47是用于解釋具有周期混合的光子晶體的垂直發(fā)光器件的斷面圖；圖48到53解釋本發(fā)明的第五實施例，其中圖48是用于解釋發(fā)光器件的一個例子的斷面圖；圖49是用于解釋發(fā)光器件的另一個例子的斷面圖；圖50是用于繪出提取效率的變化隨圖49的結構中的歐姆電極的厚度而定的曲線圖；圖51是用于繪出提取效率的變化隨圖49的結構中p型半導體層的厚度而定的曲線圖；圖52是用于解釋發(fā)光器件封裝的一個例子的斷面圖；圖53是用于解釋發(fā)光器件封裝的另一個例子的斷面圖；圖54到66解釋本發(fā)明第六實施例，其中圖54是用于解釋在襯底上形成LED結構的步驟的斷面圖；圖55是用于解釋除去襯底并且形成電介質層的步驟的斷面圖；
圖56是用于解釋在電介質層中布置用于形成孔圖形的掩模的步驟的斷面圖；圖57是用于解釋在電介質層中形成多個孔的步驟的斷面圖；圖58到62是用于解釋各種孔圖形的例子的平面圖；圖63是用于解釋干蝕工藝的示意圖；圖64是用于解釋在n型半導體層內形成光子晶體的步驟的斷面圖；圖65是光子晶體結構的電子顯微掃描(SEM)圖象；圖66是用于解釋發(fā)光器件結構的斷面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照后面的示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖對本發(fā)明進行具體的描述。
然而，本發(fā)明可以具體為多種變例，并且不應認為受限于這里描述的實施例。因而，雖然本發(fā)明可以有各種修改和變例，但是這里通過圖中的例子示出其具體的實施例并詳細地進行描述。然而，應該理解，這并無意將本發(fā)明限制于所公開的特定形式，相反，本發(fā)明包括落在如權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內的所有的修改、等效和變更。
在整個對附圖的描述中，相同的數字表示相同的元件。為清楚起見，在這些圖中，將層和區(qū)的厚度夸大了。
要理解，當稱一個元件例如一個層、一個區(qū)或者一個襯底位于另一元件“上”時，其可能直接位于此另一元件上，也可以有中間元件存在。還要理解，如果將一個元件的一部分，例如表面，稱為“內部的”時，其相比該元件的其它部分還是在該器件的外面。
此外，相對的詞語，例如“在……下面”和“在……上面”，用在這里可以描述一層或者一個區(qū)相對于別的層或者區(qū)的關系，如在圖中所示的一樣。
要理解，這些詞語意在包括該器件在圖中所繪的方位之外的不同方位。最后，詞語“直接地”指的是沒有中間元件。如這里所用的，詞語“和/或”包括一個或者多個相關列出的各項的任一和所有組合。
要理解，盡管詞語“第一”、“第二”等可以用在這里描述各種元件、組件、區(qū)、層和/或段，但是這些元件、組件、區(qū)、層和/或段不應受限于這些詞語。
這些詞語僅僅用于將一個區(qū)、層、或者段與別的區(qū)、層或者段區(qū)別開來。因而，下面討論的第一區(qū)、層或者段可以稱為第二區(qū)、層或者段，類似地，第二區(qū)、層、或者段可以稱為第一區(qū)、層、或者段，這不會偏離本發(fā)明的教導。
半導體發(fā)光器件的提取效率由半導體發(fā)光器件的半導體發(fā)光層(光從該發(fā)光層中發(fā)出)和介質(空氣或者環(huán)氧樹脂)(通過該介質最終觀察到所發(fā)出的光)之間的折射率差決定。半導體介質的提取效率僅僅為百分之幾，因為半導體介質通常具有高折射率(n＞2)。
例如，對于由氮化鎵(n＝2.4)制成的藍色發(fā)光器件，在假設外部介質是環(huán)氧樹脂(n＝1.4)時，從發(fā)光器件的頂層發(fā)出的光的提取效率僅僅為大約9％。除從頂層發(fā)出的光之外的光由于全反射過程而被局限在器件的內部，并且在被吸進吸收層，例如量子阱層后消失。
為了增強這種半導體發(fā)光器件的提取效率，有必要改變器件的結構，以便能夠將經歷全反射過程的光提取到外面。改變半導體發(fā)光器件的結構的最簡單的方案是在器件的頂層上涂敷由高折射率材料制成的半球。
由于入射到光入射表面的光的入射角對應于入射光和光入射表面之間定義的角度，因此入射到該半球的光的入射角在該半球上的任何一點總是90°。在光入射角為90°時，光在具有不同折射率的兩種介質之間的透射率是最高的。另外，在任何方向上都不存在出現(xiàn)全反射的角度。
具體地，對于半導體發(fā)光器件，在該器件上涂敷由環(huán)氧樹脂制成的半球。這里，該半球起到保護器件的表面和增強器件的提取效率的作用。
在圖1中示出了一種更有效地獲得上述效果的方法。所示方法是額外地引入其折射率與在環(huán)氧層1和半導體器件2之間的半導體折射率類似的半球3。這里，由于該額外引入的半球3的折射率與半導體的折射率近似，因此半導體器件2的提取效率增加了，如圖2所示。
這是因為在半導體器件2和該額外引入的半球3之間的臨界角增加了。
可以提出TiO2作為一種表現(xiàn)出對可見范圍內的光無吸收性和透明的材料的實例。例如，假定將由上述材料制成的半球應用到紅光發(fā)光器件上時，理論上能夠獲得對應于常規(guī)情形的提取效率大約3倍的提取效率的增強。
額外引入具有高折射率的半球是一種非常簡單和有效的方法。然而，為了實施這種方法，必須使用具有高折射率并且表現(xiàn)出對發(fā)光波長范圍內的光無吸收性的透明材料。
此外，在涉及用于制造具有足以覆蓋發(fā)光器件的尺寸的半球并且將制造的半球附合到發(fā)光器件上的過程中可能存在困難。
用于實現(xiàn)外部提取效率的增強的另一方法是將發(fā)光結構的側表面變形為金字塔形(pyramidal shape)。這種方法利用當光在發(fā)光器件內全反射的同時側向傳播的光在從金字塔表面反射后從器件頂層射出的原理。
然而，這種方法存在隨著器件尺寸增大想要的增強效果會減小的缺點。這是由光側向傳播時不可避免地產生的吸收損耗造成的。因此，為了在實際結構中獲得增加的增強效果，重要的是使光在沿盡可能短的路徑傳播后發(fā)射到外面。
為此，將一種能夠緩和全反射條件的結構引入發(fā)光器件。典型地，有這樣一種方法，其中將發(fā)光器件的結構設計成具有諧振腔結構，以從最初階段開始感應在特定方向上的輸出，或者有這樣一種方法，其中在發(fā)光器件的頂層布置尺寸為若干微米或者更大的半球形透鏡，以實現(xiàn)臨界角的增加。
然而，上述方法由于在制造工藝方面的困難而沒有獲得實際的應用。有另外一種方法，其中將尺寸基本上對應于光波長的粗糙表面引入發(fā)光器件的輸出部分，以通過光散射過程實現(xiàn)提取效率的增強。
對于在發(fā)光器件的頂層上形成粗糙表面的方法來說，與用于制造發(fā)光器件的材料相關的各種化學工藝已經被研究出來。當光到達粗糙表面時，即使入射角對應于全反射時的角度，光中的一部分也能夠通過粗糙表面。
然而，通過一個散射過程獲得的透光率并不那么高。因而，為了期望有高的光提取效率，應該重復進行該同樣的散射過程。因此，對于含有高吸收率的材料的發(fā)光器件來說，因粗糙表面引起的提取效率的增強是小的。
與上述方法相比，當引入具有空間周期折射率排列的光子晶體時，可以大大增強提取效率。另外，當選擇合適的光子晶體周期時，可以調整發(fā)光器件的輸出的方向性。由于視角取決于發(fā)光器件的應用，因此用于滿足該應用的方向性的設計被認為是一個重要的任務。
能夠采用全息攝影術、紫外線光刻術、納米印刷術等等來實現(xiàn)大面積光子晶體結構。因而，該技術能容易地在其實際的應用中實施。
從采用了光子晶體調整自發(fā)輻射的研究開始，人們在努力尋求通過光子晶體增強發(fā)光器件的提取效率的效果。
其后，在理論上證明了光子晶體能夠增強發(fā)光器件的提取效率這一事實。光子晶體對提取效率增強的貢獻過程主要歸納為兩個原理。
一個原理是利用光子帶隙效應截斷了光沿平面方向的運動，因而，能夠沿垂直方向提光提取。另一個原理是用布置在色散曲線中的光錐外、具有高的態(tài)密度的模耦合光，并且因此將光提取到外部。
能夠根據光子晶體的周期而獨立地應用上述兩個原理。然而，僅僅當在存在具有對應于半波長的厚度和沿垂直方向的高折射率對比的薄膜的條件下形成光子晶體時，可以較好地限定光子帶隙效應或者色散曲線的態(tài)密度。
此外，由于形成光子晶體的孔結構延伸通過發(fā)光層，增益介質的損耗就會不可避免地產生。另外，不可能避免因表面非輻射復合引起的內部量子效率的降低。
考慮光子帶隙鏡象效應(photonic band-gap mirror effect)或者強色散特性可應用于特定情形，因為在通常的發(fā)光器件的結構中難于實現(xiàn)它們。為了解決這個問題，應該僅僅在發(fā)光器件的結構上形成光子晶體，而不將其形成于發(fā)光器件的正(positive)介質上。
這里，盡管不可能如將光子晶體引入薄膜中那種情形一樣利用強色散特性，但是可以根據通常的衍射理論、通過用周期的結構耦合光來外部提取與全反射相關的光。
目前，人們正在積極的進行著在通過將光子晶體與發(fā)光層空間分離而不使由半導體制成的發(fā)光層的特性惡化的情況下增強提取效率的努力。
另外，關于上述同樣的方法，存在用以實現(xiàn)對使用InGaAs量子阱的發(fā)光器件增強提取效率的努力。此外，關于有機發(fā)光器件，有報告說使用形成于玻璃襯底上的光子晶體可以將有機發(fā)光器件的提取效率增強1.5倍。
還存在一種方法，其中將周期的光子晶體結構引入到半導體表面，以通過衍射過程提取由于全反射而限制的光，如上所述。例如，有報告說，可以通過在p型GaN半導體表面上形成具有200nm周期的光子晶體來實現(xiàn)提取效率的增強。
此外，存在一種方法，其中在GaN基發(fā)光器件的正介質區(qū)上均勻地形成光子晶體，以便利用光子帶隙效應實現(xiàn)提取效率的增強效果的增加。這是因為，當在甚至發(fā)光層被蝕刻的條件下將光子晶體引入時，電流-電壓特性特別惡化，如前所述。
從上面的描述中顯而易見，發(fā)光器件的外部提取效率的增強的原理能夠歸納為其中改變發(fā)光器件的結構，以便減輕全反射的情形的方法，其中在發(fā)光器件的表面引入粗糙表面的方法，其中在具有高折射率對比的薄膜中形成光子晶體，以便利用光子帶隙效應的方法，和其中將光子晶體從發(fā)光層上分開，以便外部提取通過衍射過程將因為全反射而限制的光的方法。
在這些方法中，考慮到該結構的實際情況和發(fā)光器件的效率增強，認為將周期光子晶體結構引入到發(fā)光器件的表面以實現(xiàn)提取效率的增強的方法是最好的。
圖3示出一個水平GaN基發(fā)光器件，其中GaN半導體層20在由折射率(n＝1.76)低于GaN的藍寶石制成的襯底10上生長。由于GaN半導體層20具有達到大約5μm的總厚度，因此被認為是存在各種更高的模的波導結構。作為其頂層部分，GaN半導體層20包括p型GaN半導體層21。作為發(fā)光層22，將多量子阱層設置在該p型GaN半導體層21的下面。
n型GaN半導體層23被設置在發(fā)光層22的下面?？梢栽趎型GaN半導體層23和襯底10之間插入緩沖層24。另外，可以在襯底10上形成反射性薄膜(未示出)，與GaN半導體層20相對。
為了在水平GaN基發(fā)光器件的整個表面上均勻地提供電流，將通常由氧化銦錫(ITO)制成的透明電極層30沉積在p型GaN半導體層21上。因而，對于將光子晶體引入水平GaN基發(fā)光器件來說，最大可蝕刻范圍對應于透明電極30的厚度和GaN半導體層21的厚度之和。通常，透明電極30和p型GaN半導體層21具有100到300nm的厚度。
通過計算機仿真(三維有限差分時域(3D FDTD))進行計算來識別由光子晶體的蝕刻深度決定的提取效率的變化。通過計算機仿真計算所獲得的結果繪于圖4中。參照圖4，可以看出有兩個特別的現(xiàn)象。
首先，提取效率與光子晶體40的蝕刻深度成比例地逐漸增加，并且之后急劇增加，這是從其中開始蝕刻GaN半導體層20的區(qū)域開始的。第二，在某一或者更深的蝕刻深度，提取效率趨于飽和，而不再增加。
總的考慮上述兩個現(xiàn)象，可以理解，在其中光子晶體40具有某一或者更深的蝕刻深度的情形下可能有必要在包括GaN半導體層20的區(qū)域中引入光子晶體40。
由于在提取效率達到飽和時的蝕刻深度與通常的p型GaN半導體層21的厚度相似，因此可以在不會造成發(fā)光層22的區(qū)域被蝕刻的情況下獲得理論上的提取效率飽和值。
然而，根據用于取決基于光子晶體40的蝕刻深度檢驗光輸出的變化的實際試驗發(fā)現(xiàn)，當將p型GaN半導體層21蝕刻到某一特定或者更深的深度時，光輸出反而減少。
光輸出減少，而不顧發(fā)光層22，也即量子阱結構未暴露這一事實的理由在于，由于p型GaN半導體層21的體積減小而導致電阻增加。這種電阻的增加在需要大功率發(fā)光器件的應用場合可能更為嚴重。
也即，從光的觀點看，由于電阻的增加，當前可使用的具有光子晶體的發(fā)光器件的結構不能利用獲得最大的提取效率的蝕刻深度。因此，要解決的問題是開發(fā)一種新的結構，對于該結構，在通過光子晶體獲得的提取效率達到最大時的蝕刻深度是可適用的，而不會導致電阻的增加。
參照通過上述計算機仿真獲得的、繪出取決于蝕刻深度的提取效率的變化的曲線圖，可以獲得一條通至新的結構的線索。在圖中發(fā)現(xiàn)的一個特別的現(xiàn)象是，當光子晶體40的蝕刻深度從ITO透明電極層30過渡到GaN半導體層20時，提取效率顯著增加。
主要地，這是因為ITO的折射率(n＝1.8)低于GaN半導體層20的折射率。將光子晶體40引入到具有低折射率的區(qū)域不能對提取效率的增強有大的幫助。這使我們能夠理解，光子晶體40起到提取發(fā)生全反射過程的光提取的作用。
提取效率取決于光子晶體辨別光子晶體40的區(qū)域的程度。通常，當全反射現(xiàn)象發(fā)生時，在具有不同折射率的兩個表面之間產生表面倏逝波。沿兩個表面的邊界表面存在該表面倏逝波，并且具有沿垂直于邊界表面的方向強度呈指數減小的性質。
例如，當僅僅ITO透明電極層30被蝕刻時，與全反射相關的光能夠辨別形成于ITO透明電極層30中的光子晶體40到對應于表面倏逝波的強度的水平。因而，不可能期望提取效率有大的增強。
因而，為了通過光子晶體40提取更大量的光，需要在光子晶體40和光之間有強的相互作用。從物理的觀點看，在形成于GaN基發(fā)光器件中的全反射模式和光子晶體40的結構之間的空間重疊構成一個重要的因素。也即，為了干擾在全反射過程中產生的表面倏逝波，必須蝕刻GaN半導體層20，用于形成光子晶體40。
與此同時，蝕刻GaN半導體層也可以指蝕刻一種具有與GaN半導體層的折射率相似或者更高的材料。也即，當在將具有與GaN半導體層的折射率相似或者更高的材料沉積在p型GaN半導體層上之后執(zhí)行光子晶體40的形成時，可以期望即使p型GaN半導體層沒被蝕刻，也有與上述情形相似的效果。
而且，當新近沉積的材料具有高于GaN的折射率時，可以表現(xiàn)出優(yōu)于光子晶體的上述效果的性質。這是因為光子晶體的效果取決于主要形成光提取結構的兩種材料之間的折射率差。
因而，當將用于增強提取效率的光提取結構引入GaN基發(fā)光器件中時，通過在額外被引入到發(fā)光器件的頂層，也即GaN半導體層(典型地為p-GaN)上的材料中形成光提取結構例如光子晶體，可以實現(xiàn)提取效率的增強，同時保持想要的特性，而不必蝕刻GaN半導體層。
對于將光子晶體40引入到水平GaN基發(fā)光器件中來說，最大可蝕刻范圍受到用于形成發(fā)光器件的頂層的p型GaN半導體層21的厚度(100到300nm)的限制。因此，這可能對提取效率是一個限制。
圖6示出一個垂直發(fā)光器件的例子。所示垂直發(fā)光器件具有這樣的結構襯底材料也即藍寶石被在GaN半導體層20生長過程中通過激光器的吸收處理除去，并且通過使用由Ni、Ag等制成的多層金屬薄膜，而在p型GaN半導體層21上形成反射性歐姆電極50，以用作反射鏡和電極。
垂直GaN基發(fā)光器件不同于通常的水平GaN基發(fā)光器件之處在于由于除去了絕緣體也即藍寶石，電流的流動方向是垂直的，并且在圖6中光輸出表面是相反的，導致從n型GaN半導體層23中輸出光。
在垂直發(fā)光器件結構中電流在垂直方向上流動意味著提供的電流有相當大的可能性能夠到達發(fā)光器件層22，也即量子阱層。這意味著能夠實現(xiàn)內部量子效率的增強。
而且，因為除去了絕緣體的藍寶石，并且在p型GaN半導體層21上形成了導體，垂直發(fā)光器件結構具有能夠容易地釋放熱量的特性。這些特性在設計大功率發(fā)光器件時具有優(yōu)點。
實際上，當在通常的GaN基藍光發(fā)光器件中所提供的電流的量大于幾百mA時，輸出反而減小。可以分析是這么引起的由于藍寶石襯底的低的導熱性，引起器件的內部溫度的增加，導致量子阱的內部量子效率的惡化。
除了電流易于流動和易于排熱的物理特性，垂直藍光發(fā)光器件結構具有在涉及提取效率增強時值得考慮的光學特性。這將在后面描述。
首先，垂直發(fā)光器件結構的優(yōu)點在于，由于垂直發(fā)光器件結構的頂層由n型GaN半導體層23構成，因此能夠將光子層60引入到相對p型GaN半導體層21更厚的n型GaN半導體層23中。通常，通過光子晶體60所獲得的提取效率的增強效果直到增強效率飽和之前都與蝕刻深度成比例。
因而，可以形成具有想要的深度的光子晶體結構，而不會出現(xiàn)在引入光子晶體時涉及的問題，也即，因蝕刻p型GaN半導體層時引起的電阻增加，或者由于有源層，也即量子阱層引起的與表面非輻射復合相關的任何限制。而且，由于用于提供最大提取效率的周期取決于蝕刻深度而稍微改變，因此就可以利用給出的蝕刻技術所提供的結構性條件。
而且，在垂直發(fā)光器件中，作為發(fā)光區(qū)域的量子阱層(發(fā)光層22)和反射鏡(反射性歐姆電極50)被布置在比發(fā)射的光的波長更短的位置。
就是說，如上所述，在垂直發(fā)光器件的結構中，起到反射鏡和電極作用的反射性歐姆電極50形成于p型GaN半導體層21上。因而，p型GaN半導體層21的厚度對應于發(fā)光器件中發(fā)光層22和金屬鏡之間的間隙。
通常，當具有高反射性的反射鏡位于靠近發(fā)光層22的位置時，與沒有反射鏡的情形相比，發(fā)光器件的發(fā)光性能可以大大改變。也即，衰減率的變化可能根據發(fā)光層22和反射鏡之間的間隙而產生。還可以根據發(fā)光層22和反射鏡之間的間隙調整輻射圖形。當這些特性被適當地利用時，就可以大大增強發(fā)光器件的提取效率。
以下將描述用于確定可應用到垂直GaN基發(fā)光器件的光子晶體的結構因素以及用于計算通過各個結構因素可獲得的提取效率增強的相對比率的過程。
垂直發(fā)光器件結構的總效率對應于根據垂直輻射獲得的效率，因為與水平結構相比，在垂直發(fā)光器件結構中沒有輻射通過襯底的側面。在圖7中示出了要用計算機仿真來分析的發(fā)光器件結構的例子。如圖7所示，發(fā)光器件結構包括用光子晶體60形成的發(fā)光半導體層80。在光子晶體60的外面布置了可用作密封劑的環(huán)氧樹脂層70。
由于計算機存儲器的限制，在計算結構中完全地包括通常的發(fā)光器件的尺寸是不可能的。為了解決這個問題，使用一種方法在具有有限尺寸(12μm)的發(fā)光器件結構的相對端布置理想的反射鏡(未示出)。
而且，在發(fā)光器件80的發(fā)光層(量子阱層22)的內側提供0.045的吸收率k，如圖8所示。然而，為了分析方便，用具有100％反射率的全反射鏡來代替實際的金屬鏡，該實際的金屬鏡表現(xiàn)出一定的吸收率并且被布置在該結構的下端。
在垂直結構中，由于反射鏡引起的干涉效應總是發(fā)生，因此在該結構中發(fā)光層22相對于反射鏡的相對位置是一個重要的參數。這是因為，當輻射圖形因產生于反射鏡和發(fā)光層22之間的干涉效應而改變時，可以使起有效作用的光子晶體60的結構因素改變。也即，可以認為，根據衍射過程產生有效的光提取的光的角度取決于光子晶體60的周期。
這里，想要計算在排除了反射鏡效應的條件下僅僅由光子晶體60所獲得的效應。為了排除由反射鏡引起的干涉效應，將反射鏡和發(fā)光層22之間的間隙設置得長，或者對應于位于增強的干涉條件和抵消的干涉條件之間的中間條件。
圖9示出了在發(fā)光層22不受反射鏡的干涉效應影響時獲得的輻射圖形，如上所述。即使在特定角度仍然表現(xiàn)出微細的干涉圖形，該輻射圖形可以被認為是球形波。
圖10示出了取決于光子晶體60的周期的提取效率的變化。如圖10所示，可以獲得最大提取效率的光子晶體60的周期“a”大約為800nm，并且提取效率相對增強大約2倍。這里，蝕刻深度被設為225nm，并且當“a”表示光子晶體60的周期時，將形成光子晶體60的孔61的半徑設為0.25a。
圖11示出了取決于用于形成光子晶體60的孔61的尺寸的提取效率的變化。這里，將蝕刻深度設為225nm，并且選擇800nm的周期。參照圖11，可以看出，當形成光子晶體60的孔61的尺寸相當于0.35a時，獲得最大的提取效率，并且相對增強增加到2.4倍。
如上所述，垂直GaN基發(fā)光器件的優(yōu)點在于受蝕刻深度的限制小。盡管在水平結構中最大蝕刻深度由p型GaN半導體層的厚度(實際上，當考慮到電阻的增加時，p-GaN半導體層的厚度的大約一半)確定，但是在垂直結構中可以使用n型GaN半導體層的厚度(大約3μm)，其比p型GaN半導體層的厚度大的多。
為了利用垂直結構的上述優(yōu)點，在順序改變蝕刻深度時驗證取決于用于形成光子晶體的蝕刻深度的最佳周期。
如上所述，根據對水平結構的研究，在某一或者更深的蝕刻深度存在提取效率飽和的趨勢。
然而，有一個令人感興趣的事實是，當蝕刻深度增加時，由具有長周期的光子晶體結構獲得的提取效率連續(xù)地增加。這是值得注意的，因為這可以使用具有長周期的光子晶體結構，這能夠在技術上容易地實現(xiàn)，同時增加蝕刻深度。
具有長周期的光子晶體結構的提取效率隨蝕刻深度連續(xù)增加的原因可以作如下分析(圖13)。
首先，僅僅當滿足沿平面方向上的相匹配條件時，光能夠通過具有不同折射率的兩種介質。
第二，當光從具有高折射率的介質傳播到具有低折射率的介質中時，在特定或者更大的角度滿足相匹配條件是不可能的。這個特定的角度被稱為“臨界角”。在該臨界角或者更大的角度發(fā)生全反射。
第三，光子晶體幫助外部提取引起全反射的角度相關的光。也即，當光子晶體與光耦合時，光子晶體的運動(motion)量增加，從而使得有關全反射的光滿足相匹配條件。
第四，光子晶體的運動量與光子晶體的周期成反比。也即，由于具有短周期的光子晶體能夠產生大量的運動，因此，它能夠有效地提光提取，該光被包括在有關全反射的光中，但是沿接近水平方向的方向遠離臨界角傳播。另一方面，具有長周期的光子晶體對提取沿靠近垂直方向的方向傳播的光是有效的。
第五，根據波動光學理論，可以和模相關地解釋在波導結構中進行的全反射過程。例如，入射角接近水平方向的光對應于基本波導模，而入射角接近垂直方向的光對應于高階波導模。
第六，GaN基發(fā)光器件也能夠被認為是具有若干或者更多微米厚度的波導結構。
因而，可以看出，具有短周期的光子晶體適于提取基本波導模，而具有長周期的光子晶體適于提取高階波導模。因而，考慮上述事實，就可以確定可應用于GaN基發(fā)光器件的合適的光子晶體。
通常，基本波導模表現(xiàn)出在光子晶體的某一或者更深的蝕刻深度(～λ/n)提取效率趨于飽和。另一方面，高階波導模表現(xiàn)出在增加的光子晶體蝕刻深度提取效率趨于連續(xù)增加。
因而，對于因具有長周期的光子晶體的高階波導模來說，提取效率隨著蝕刻深度的增加而連續(xù)增加。
為了獲得最大的提取效率，要通過使用計算機仿真計算來執(zhí)行用于優(yōu)化光子晶體的結構因素的任務。結果發(fā)現(xiàn)，提取效率與蝕刻深度、孔尺寸、周期等具有密切的關系。
特別是，對于垂直GaN基發(fā)光器件來說，其對蝕刻深度沒有限制，因為使用了相對較厚的n型GaN半導體層來形成光子晶體。因而，當引入大的蝕刻深度時，其也可以增加周期可選擇的可能性，能夠利用當前的技術來實現(xiàn)該周期。
如上所述，有效光的入射角取決于光子晶體的周期而改變。也即，在僅僅具有一個周期的光子晶體中，存在其中表現(xiàn)出相對低的衍射效率的入射角范圍。
然而，為了使提取效率最大化，光子晶體應該對于大于臨界角的角度表現(xiàn)出高的衍射效率。因而，對于具有兩個或者多個混合的周期的光子晶體結構來說，相比其中僅僅單獨存在一個周期的光子晶體，其可以表現(xiàn)出理想的提取效率特性。
可以將相似的原理應用到水平GaN基發(fā)光器件中。根據光子晶體的引入位置，用于將光子晶體引入到水平GaN基發(fā)光器件以實現(xiàn)外部提取效率的增強的方法主要可以分為兩種方法。
一種方法示于圖14中。該方法是蝕刻形成于藍寶石襯底10上的半導體層20的特定部分，也即布置在發(fā)光器件的頂部的p型GaN半導體層21，如圖14所示。在p型半導體層21上形成透明導電層30的位置，也蝕刻透明導電層30。
另一種方法示于圖15中。該方法是在之前形成有圖形11的圖形化的藍寶石襯底(PSS)12上生長GaN半導體層20，如圖15所示。
同時，可以實施采用了上述兩種結構的方法，如圖16所示。圖17示出對分別在上述結構中獲得的提取效率進行比較的曲線。
在這些曲線中，水平軸代表在計算空間內光的傳播距離，而縱軸代表取決于光的傳播距離的外部提光提取的量。
參照這些曲線，可以看出，在沒有應用周期結構的水平結構(基準)中，在光的傳播距離達到10μm之前出現(xiàn)了提取效率的飽和。由于水平結構僅僅能夠提取位于臨界角內的光，因此大多數光在一個傳遞(反射)過程中離去。
另一方面，在應用光子晶體40的結構或者帶有圖形11的圖形化藍寶石襯底12的情形下，表現(xiàn)出提取效率的連續(xù)增加，直到光的傳播距離達到100μm為止。這是因為在每次該光遇到周期結構時根據衍射過程提取與全反射有關的光。
提取效率最終由于器件的內部材料的吸收而達到飽和。因而，所采用的用結構的改變或者引入周期結構來實現(xiàn)外部提取效率的增強的基本原理是在盡可能短的傳播距離內外部提光提取，以使光遭受到減少的吸收損耗。
從上面的結果可以看出，當應用光子晶體40的結構和帶有圖形11的圖形化藍寶石襯底12這兩者時，可獲得最大的提取效率。
可以將其中在形成有圖形11的圖形化的藍寶石襯底12上生長GaN半導體層20，以及在GaN半導體層20的頂部采用光子晶體40的水平GaN基發(fā)光器件的結構在技術上限定為一種其中將具有不同周期的光子晶體單獨地應用到不同的平面的結構。
與水平發(fā)光器件不同，對垂直GaN基發(fā)光器件應用具有混合周期的光子晶體結構是不可能的。這是因為垂直GaN基發(fā)光器件具有除去襯底的結構。然而，其可以通過利用對蝕刻深度無限制的優(yōu)點在一個平面內應用具有不同周期的光子晶體結構。
通常，當發(fā)光層22和具有高反射率的金屬鏡之間的間隙比從發(fā)光層22產生的光的波長更短時，調整發(fā)光層22的特性是可行的。
圖18到22繪出通過FDTD計算機仿真得到的當將產生光的電偶極布置在非常接近全反射鏡的位置時出現(xiàn)的現(xiàn)象。電偶極指的是在符合偏振光的特定方向上電子的振蕩。
根據天線理論，從電偶極產生的光具有輻射圖形，該圖形具有分布在與電子的振蕩方向垂直的方向上的峰值。也即，當將電偶極放置在沒有高反射鏡存在的單電介質空間中時，從電偶極產生的光具有其峰值分布在與每個偏振方向垂直的方向上的輻射圖形。
然而，當將具有高反射率的反射鏡被布置在距離短于光的波長處的電偶極附近時，發(fā)光特性會出現(xiàn)很大的變化。根據電偶極和反射鏡之間的間隙，光有時圍繞垂直線集中，有時沿反射鏡的平面?zhèn)鞑ァ?br> 考慮這種現(xiàn)象，就可以通過最初應用用于從量子阱層，也即發(fā)光層22產生主要具有垂直分量的光的條件來實現(xiàn)提取效率的增強。而且，盡管圖18到21沒有繪出，但是可以調整固有常數(constant of nature)t(衰減率對應于“t”的倒數)，也即激發(fā)態(tài)電子躍遷到基態(tài)所花費的時間。
從上面的描述中顯而易見，能夠調整發(fā)光層22的發(fā)光特性這一特征主要意味著下面兩個特征。
一個特征是能夠利用在從發(fā)光層22產生的光和從金屬鏡反射的光之間產生的干涉效應來調整輸出輻射圖形。另一個特征是能夠通過發(fā)光層22中的偶極和從金屬鏡產生的圖像偶極之間的相互作用來調整衰減率。
第一個特征可以用傳統(tǒng)的光的干涉現(xiàn)象來解釋。當反射鏡和發(fā)光層22之間的間隙長到足以忽略因反射鏡引起的干涉效應時，從發(fā)光層22產生的光就可以被認為是球形波，在所有的方向都具有恒定的系數。
對于將反射鏡放在發(fā)光層22附近以致于輻射圖形可調的情形，從提取效率的角度看，增強的干涉的出現(xiàn)是有利的。
仍然參照如圖6所示的發(fā)光器件，在垂直發(fā)光器件結構中，發(fā)光層22和反射鏡(反射性電極或者反射性歐姆電極50)之間的間隙對應于p型GaN半導體層21的厚度。因而，在引起電氣特性的惡化的范圍內，選擇用于形成垂直輻射圖形的p型GaN半導體層21的合適的厚度是必要的。
與發(fā)光特性的調整相關的第二特征與諧振腔量子電氣力學領域密切相關。然而，這個特征，也即，定性調整衰減率的原理，能夠使用反射鏡的對稱性獲得容易的解釋。
圖22示意性地示出圍繞反射鏡51平面布置的垂直和水平偏振電偶極的圖。根據電磁場理論，在反射鏡51的平面上的電場應該總為“0”。
利用這個原理，能夠通過組合電偶極和布置在反射鏡51的相對一側同時與反射鏡51隔開相同的距離的圖像偶極來實現(xiàn)將電偶極圍繞反射鏡51布置的情形。
例如，對于沿z軸極化的電偶極來說，為了滿足反射鏡51平面上的電場條件，其偶極力矩應該同圖像偶極具有相同的方向。因而，隨著電偶極和反射鏡51之間的間隙減小，就會產生如同兩個電偶極彼此重疊的效應。結果，產生增加4倍衰減率的效應。
另一方面，當將在水平方向上極化的電偶極應用到反射鏡51平面上的電場條件時，總會感應圖像偶極在電偶極的偶極力矩相對的方向上的偶極力矩。因而，隨著水平極化電偶極靠近反射鏡51的平面，衰減率接近于“0”。
對提取效率增強的變化和取決于輸出圖形的變化的發(fā)光層的衰減率的變化，通過FDTD計算機仿真執(zhí)行一算術運算，同時調整反射鏡和發(fā)光層之間的間隙，如圖23所示。這里，假設反射鏡是具有100％反射率的全反射鏡，并且發(fā)光層的厚度被設為12.5mm。
首先參照相對提取效率增強的結果，可以看出，在光的大約1/4波長的間隔呈現(xiàn)提取效率峰值和提取效率谷值。這是一個證據，表明輻射圖形因光的干涉效應而改變，并且因而調整提取效率。
在觀察峰值和谷值處的輻射圖形之后，可以看出，實際上，在峰值出現(xiàn)在垂直方向上的強發(fā)光，而在谷值，沒有或者很少有垂直光，大多數的光是在以大于臨界角的特定角度的傾斜的狀態(tài)發(fā)射出來。
可以看出，當發(fā)光層和反射鏡之間的間隙是大約3/4(λ/n)時，獲得最大的提取效率，并且在該間隙相當于大約λ/4n的奇數倍時，獲得大的提取效率。
為了特別應用因反射鏡獲得的干涉效應于垂直GaN基發(fā)光器件結構，解決在計算機仿真中假設的這些問題是必要的。特別是，盡管在計算機仿真中假定發(fā)光層近似地為點光源，但是根據其層疊對的數目，實際的發(fā)光器件的量子阱層具有大約50到100nm的厚度。
然而，當發(fā)光層的厚度大于λ/4n時，由反射鏡產生的干涉效應減少了，并且到最后可以消失。因而，提供用于減小量子阱層的厚度同時保持想要的內部量子效率的生長技術是必要的。
接下來，參照衰減率變化的結果，可以看出，隨著反射鏡和發(fā)光層之間的間隙的減小，衰減率有增加的特性。也即，隨著反射鏡靠近發(fā)光層，增益介質的循環(huán)過程進行得更快。然而，應該注意，衰減率的變化不總是導致提取效率的增加。
衰減率僅僅是一個指標，指示在發(fā)光層內耦合的電子和空穴能夠多快地轉化為光能量。因而，對于衰減率和提取效率之間的關系來說，考慮因發(fā)光層內的增益介質的非輻射復合引起的衰減率也是有必要的。
盡管用提取效率的變化直接代替衰減率的變化是困難的，但是可以模擬衰減率增加導致更活躍的輻射復合，并且因而導致非輻射復合可能性的減少，從而導致提取效率的增強的定性的關系。
以下，將描述當反射鏡和發(fā)光層之間的間隙落在增強干涉條件下時光子晶體的效應。當該間隙對應于大約3/4(λ/n)時，增強干涉條件就建立起來。圖24示出在增強干涉條件下產生的輻射圖形。當將這個輻射圖形與圖10中的相比時，可以看出，相對大量的光在垂直方向傳播。
圖25示出在上述條件下將光子晶體引入時獲得的用于提取效率增強的測量的結果。
對于沒有應用光子晶體的結構來說，增強的干涉條件提供相當于沒提供或者提供很少的鏡象效應的球形波條件的提取效率增強的大約2倍的提取效率增強。在這種情況下提取效率增強高于關于由反射鏡產生的干涉效應的計算而算得的提取效率增強(1.6倍)的原因是在這種結構中考慮到吸收率。
當對與應用光子晶體(周期＝800nm，并且蝕刻深度＝225nm)相關的情況的曲線進行比較時，可以看出，實施了增強干涉條件的該結構表現(xiàn)出最好的特性。
當然，在實施了增強干涉條件的該結構中，在光子晶體上表現(xiàn)出的相對增強是最大大約1.2倍。這是因為，在發(fā)光層內產生的大部分光最初位于臨界角內，從而使得通過光子晶體而提取的光的量相應地減少。
圖26示出針對在增強干涉條件下取決于光子晶體的周期的提取效率的變化進行的測量的結果。
這里，光子晶體的蝕刻深度固定為225nm。而且，形成光子晶體的孔的尺寸是0.25a。為了辨別在增強干涉條件下和在正常條件下提取效率對光子晶體的周期的相關性，在一個圖內繪出其兩種結果。
參照該結果，可以看出，在光子晶體處于增強的干涉條件下的優(yōu)化的周期和光子晶體處于正常條件下的優(yōu)化的周期之間沒有顯著的差別，并且該優(yōu)化周期在800nm附近。
以下將參照圖27描述取決于光子晶體的蝕刻深度的提取效率的變化。
在其中可以假設發(fā)光層的輸出圖形為球面波的正常條件下，參照大約1μm的周期，可將光子晶體的周期分為其中提取效率在某一蝕刻深度達到飽和的周期，和其中提取效率與蝕刻深度的增加成比例地連續(xù)增加的周期。
這是因為當光子晶體具有更長的周期時，光子晶體能夠更有效地衍射臨界角附近的全反射光。當將這個原理應用到當前討論的增強干涉條件時，可以期望，因為沿垂直方向光的輻射最初是在上述條件下進行的，具有更長周期的光子晶體的功能變得更重要。
為了驗證這個效應，在改變蝕刻深度的同時，通過使用計算機仿真的計算來計算根據該周期的提取效率，如圖27所示。在將這個條件和正常條件比較后，可以更顯而易見地看出，其中獲得最大提取效率的優(yōu)化周期隨著蝕刻深度的增加而在更長的周期方向上偏移。
例如，當蝕刻深度是900nm時，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化周期為2μm或者更大。這相當于一種結構，其能夠使用當前通常的光刻術的分辨率來制造，因此從實際應用的角度看，其相當有意義。
<第一實施例>
如圖28所示，使用折射率與半導體層110的相似或者更高的材料，在先前形成在襯底100上的GaN基半導體層110上形成光提取層120。
光提取層120可以具有特定的圖形。該特定的圖形可以形成具有周期結構的光子晶體?？梢酝ㄟ^蝕刻方法或者其它構圖方法來實現(xiàn)這種光子晶體的形成。
對光子晶體結構的形成來說，用于形成孔121的正光刻術或者用于形成棒的負光刻術是有用的。
可以通過由沉積工藝形成光提取層120來形成光子晶體圖形，然后使光提取層120經過光刻工藝和蝕刻工藝?；蛘?，可以通過在半導體層110上實施光刻術、沉積光提取層120，然后實施剝離工藝來形成光子晶體圖形。
當將上述光子晶體結構布置在發(fā)光器件的表面上時，就可以通過衍射過程提取由于全反射而受限的光，并且因此實現(xiàn)提取效率的增強。然而，即使如上所述，在光提取層120具有特定圖形的情況下，也可以通過形成粗糙表面來增強提取效率。
可以在形成光子晶體的光提取層120的孔121上形成透明電極材料。對透明電極材料來說，可以使用透明導電氧化物(TCO)130。
對透明導電氧化物130來說，可以使用氧化銦錫(ITO)。而且，可以使用氧化銦鋅(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎂鋅(MZO)或者氧化鎵鋅(GZO)。
當半導體層110是氮化鎵層時，光提取層120可以具有大約2.4或者更大的折射率，因為氮化鎵的折射率是2.4。光提取層120的折射率也可以稍微低于2.4。
對光提取層120來說，可以使用氧化物或者氮化物。特別是，可以使用SiN或者TiO2。
圖29示出具有上述光提取層120的水平發(fā)光器件的結構。半導體層110可以包括n型半導體層111、有源層112、和p型半導體層113，將它們按照這個順序在襯底100上順序形成。而且，襯底100由折射率為1.78的藍寶石制成。如果必要的話，可以在襯底100和n型半導體層111之間插入緩沖層114。
與光提取層120相鄰布置的p型半導體層113可以完全地保留在層疊該層113時獲得的厚度，而不在對光提取層120構圖時被蝕刻。P型半導體層113的厚度可以是30到500nm。而且，光提取層120可以具有150nm或者更大的厚度。
在圖29中，以放大的方式示出光提取層120的圖形。光提取層120的圖形由多個孔121構成，這些孔在GaN半導體中形成光子晶體。可以針對相關的半導體層110來優(yōu)化孔121的半徑、深度和周期。
也即，當假設孔121的周期，也即相鄰的孔121間的間隔是“a”，那么每個孔121的半徑可以是0.1a到0.45a，并且每個孔121的深度可以是0.25λ/n到10λ/n。這里，“λ”代表發(fā)射的光的波長，并且“n”代表形成光子晶體的介質的折射率，也即p型半導體層113的折射率。而且，周期“a”可以是200nm到5000nm。
與此同時，可以如上所述，通過形成規(guī)則的棒取代孔121來形成光子晶體結構。
為了在n型半導體層111上形成n型電極140，可以對半導體層110實施蝕刻工藝，以使n型半導體層111在其一側暴露。在光提取層120形成的區(qū)域可以形成p型電極150。
可以自由地確定用于形成光提取層120的材料的厚度。沉積有高折射率的材料以形成光子晶體的該結構可應用于發(fā)射紅色、綠色或者其它顏色的任何類型的發(fā)光器件。
為了檢驗本發(fā)明的效果，對根據第一實施例的結構測量取決于光提取層120的折射率的提取效率的變化，如圖30所示。
在圖30的曲線中，縱軸代表在沒有引入光提取層結構的通常的平面結構中提取效率的相對增強。
參照曲線所繪的結果，可以看出，提取效率增強隨著透明導電氧化物130的折射率和光提取層120的折射率之間差值的增加而增加。在圖30中，虛線代表在將半導體層(這里是p型半導體層)的最上層蝕刻以形成光子晶體的情況下的提取效率。
當光提取層120的折射率在2.6左右時，提取效率增強表現(xiàn)出與其中p型GaN半導體層被蝕刻的情況的提取效率增強相似。當光提取層120或者光子晶體是使用具有更高折射率的材料形成時，與通過根據蝕刻p型半導體層所形成的上述光子晶體結構相比，會產生出色的提取效率增強效果。
因此，為光提取層120給出的條件是光提取層120應該具有與半導體層20的折射率(2.4)相似或者更高的折射率，并且應該具有至少150nm(λ/n)的厚度。如果必要的話，光提取層120的厚度可以具有至少λ/4n的厚度。
而且，光提取層120的材料不應引起在發(fā)光器件的發(fā)光層中的波長范圍內的吸收損耗。光提取層120的材料也應該具有出色的物理粘合力。
對于滿足上面條件的材料來說，折射率為2.4的氮化硅(Si3N4)或者折射率為3.0的氧化鈦(TiO2)是優(yōu)選的。
當如上所述，使用折射率與半導體層110的折射率相似或者更高的材料在半導體層110上形成光提取層120時，就可以在為增強提取效率將光子晶體引入到發(fā)光器件的同時保持發(fā)光器件想要的電氣特性。而且，即使對于更高的電流來說，也能夠表現(xiàn)出同樣的光提取效果。
此外，光提取效果可以實現(xiàn)與其中蝕刻GaN半導體層以便形成光子晶體并且以便在形成光子晶體時將蝕刻深度增加到導致提取效率飽和的水平的情況下相等或者更為出色的光提取效果。
<第二實施例>
如圖31所示，在折射率為1.78的藍寶石襯底200上形成GaN基半導體層210。在半導體層210上可以形成透明導電層220。透明導電層220可以用作電極。
對于透明導電層220來說，可以使用氧化銦錫(ITO)。而且，可以使用氧化銦鋅(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎂鋅(MZO)或者氧化鎵鋅(GZO)。
使用折射率與半導體層210的折射率相似或者更高的材料，在透明導電層220上形成光提取層230。
光提取層230可以具有特定的圖形。該特定的圖形可以形成具有周期孔結構的光子晶體。這種光子晶體的形成可以通過蝕刻方法或者其它構圖方法來實現(xiàn)。
當半導體層210是氮化鎵層時，光提取層230可以具有大約2.4或者更大的折射率，因為氮化鎵的折射率是2.4。光提取層230的折射率也可以稍微低于2.4。對光提取層230來說，也可以使用氧化物或者氮化物。特別是，可以使用SiN或者TiO2。這些內容與第一實施例的相同。
與此同時，如圖32所示，可以用由例如Ni層241和Au層242構成的透明金屬薄層240代替透明導電層220。透明金屬層240足夠薄，以使光通過其中。
當然，可以使用包含Ni或者Au的合金形成透明金屬層240。
優(yōu)選的是，透明金屬層240具有小于10nm的幾納米的厚度。例如，Ni層240可以具有2nm或者更小的厚度，并且Au層242可以具有4nm或者更小的厚度。
如上所述，在半導體層210上可以形成透明導電層220或者透明金屬層240。當使用金屬氧化物形成透明導電層220時，優(yōu)選地透明導電層220的厚度足夠小。
圖33示出對于由例如ITO制成的透明導電層220，以及透明金屬層240的由光的入射角決定的透射率。參照圖33，可以看出，當使用ITO時，在入射角大于大約45°時透射率大為減小。
而且，參照圖34，可以看出，因光提取層230而獲得的提取效率增強隨著ITO層厚度的增加而逐漸減小。因而，當光提取層230具有低于半導體層210的折射率的折射率時，如上所述，優(yōu)選地透明導電層220的厚度小于λ/2n(“λ”代表光波長，而“n”代表透明導電層的折射率)。
由于透明導電層220能夠起到電極的作用，因此，當考慮電壓特性時，透明導電層220具有λ/16n到λ/4n的厚度更為有利。
對于透明金屬層240來說，可以確定透明金屬層240的厚度，因為能夠在大部分角度保持想要的透射率，如圖33所示。
圖35示出具有上述結構的發(fā)光器件。在所示的情況下，半導體層210包括布置在藍寶石襯底200上的n型半導體層211、布置在n型半導體層211上的發(fā)光層212、和布置在發(fā)光層212上的p型半導體層213。可以在藍寶石襯底200和n型半導體層211之間插入未摻雜的低溫緩沖層214。
在p型半導體層213的上面可以形成幾納米厚的電流擴散層215。電流擴散層215可以由未摻雜半導體層制成。
特別是，對于電流擴散層215來說，可以使用InxGa1-xN層或者InxGa1-xN/GaN超晶格層。電流擴散層215能夠起到增強載流子的遷移率的作用，并且因而導致電流平滑地流動?；谶@一角度，這種電流擴散層也被稱為電流輸運增強層(CTEL)。
p型半導體層213可以具有30到500nm的厚度。而且，光提取層230可以具有λ/4n或者更厚的厚度。這里，“n”代表形成光提取層230的材料的折射率。
沒有描述的與這個實施例相關的內容與第一實施例的那些相同。
<第三實施例>
圖36示出將具有高折射率的光提取層320應用到垂直發(fā)光器件的結構的實施例。
在這個實施例中，在半導體層310上使用折射率與半導體層310的折射率相似或者更高的材料形成光提取層320。半導體層310包括n型半導體層311、布置在n型半導體層311上的發(fā)光層312，和布置在發(fā)光層312上的p型半導體層313。
光提取層320可以具有特定的圖形。該特定的圖形可以形成具有周期結構的光子晶體。這種光子晶體的形成可以通過蝕刻分或者其它構圖方法來實現(xiàn)。
對于光子晶體結構的形成來說，用于形成孔的正光刻術或者用于形成棒的負光刻術都是可用的。這一內容可以與第一實施例的相同。
如圖36所示，半導體層310可以在由具有歐姆特性的透明電極330及反射性電極340構成的電極上形成?？梢允褂脤щ娦匝趸锢鏘TO形成透明電極330，可以使用金屬例如Al或者Ag形成反射性電極340。
該電極也可以由單層反射性歐姆電極(未示出)構成，代替由透明電極330和反射性電極340構成的多層結構。
可以將上述結構布置在由金屬或者半導體層制成的支撐層350上。這里，支撐層350能夠在除去其上已經生長出半導體層310的襯底的過程中支撐發(fā)光器件結構，以便獲得垂直結構。
在這種垂直發(fā)光器件結構中，在光提取層320上形成n型電極，以使n型電極電連接到n型半導體層313。因而，電流在發(fā)光器件的工作期間垂直流動。
<第四實施例>
圖37示出將具有不同的周期的光子晶體混合在一起的光子晶體層420的結構。圖38和39是當用試驗方法實現(xiàn)光子晶體層420時所獲的結構的電子顯微鏡照片。
參照這些電子顯微鏡照片，可以看出，當根據通常的蝕刻工藝對垂直結構中的n型GaN半導體層的表面進行構圖時，在GaN半導體層的表面與蝕刻工藝中使用的等離子體氣體起反應時附加地形成精細圖形。
根據上述形成工序所形成的光子晶體層420具有周期混合的結構，包括周期的光子晶體結構和平均周期短于周期光子晶體結構的周期的附加的隨機結構。
為了算術地評估光子晶體層420的周期混合結構的效果，通過使用計算機仿真的計算對圖40和41中的結構進行提取效率的比較。
光子晶體層420的周期混合結構可以有各種表示。然而，為簡化該表示，用下面原理表示該周期混合結構。
首先，引入具有較長周期作為第一周期的第一光子晶體421結構。第一光子晶體421結構的蝕刻深度被設為450nm。
將具有較短周期作為第二周期的第二光子晶體422結構引入到長周期結構的第一光子晶體421沒有被蝕刻的部分中。短周期結構性的第二光子晶體422的蝕刻深度被設為225nm。
根據以下方法在計算空間(calculation space)實驗性地處理該結構表示首先限定具有短周期的第二光子晶體422，然后引入具有長周期的第一光子晶體421。
這里，混合的光子晶體421和422的周期、蝕刻深度、和每個結構的形狀可以有不同的表示。因而，對光子晶體層420來說，根據上述結構因素的各種組合可以構思出各種周期混合結構。
參照計算的結果，可以看出，其中混合了不同的周期的光子晶體結構與其它結構相比，總是表現(xiàn)出出色的提取效率增強效果，如圖42所示。因此，如果能夠提供一種方法，其能夠可靠地制造試驗性的周期混合的光子晶體結構，就可以期望，提取效率的改善超過單光子晶體結構，而與光子晶體結構的組合無關。
如上所述，當在將光子晶體引入到垂直GaN基發(fā)光器件時通過蝕刻厚度為3μm的n型GaN半導體層而形成該光子晶體時，與光子晶體形成于p型GaN半導體層上的水平結構相比，就可以保持想要的電氣特性。而且，在蝕刻深度方面不存在基本的限制。
在具有單個周期的光子結構中，可將取決于蝕刻深度的提取效率增強的效果歸納如下。也即，當引入到n型GaN半導體層的光子晶體的蝕刻深度是300nm或者更深，并且引入的光子晶體的周期是1μm或者更大但是小于5μm時，滿足上面兩個條件的光子結構表現(xiàn)出提取效率在與蝕刻深度成比例地連續(xù)增加的同時靠近最大提取效率的趨勢。
隨著蝕刻深度的增加，優(yōu)化的周期向著長周期方向移動。例如，優(yōu)化的光子晶體周期在蝕刻深度為225nm時位于800nm附近，但是蝕刻深度為900nm時為1400nm。
當對蝕刻深度沒有基本的限制時，就可以提出各種周期混合的光子晶體結構。根據其制造方法，可以將周期混合的光子晶體結構的形狀作如下分類。
如圖43所示，在半導體層410上可以通過根據蝕刻工藝形成具有較長周期的第一光子晶體421，然后根據蝕刻工藝形成具有較短周期的第二光子晶體422形成周期混合的光子晶體層420。這里，第二光子晶體422具有隨機的結構，該結構的平均周期短于第一光子晶體421的周期。
當在形成長周期的第一光子晶體421之后形成短周期的第二光子晶體422時，如上所述，第二光子晶體422也在用于形成第一光子晶體421的孔421a內形成。因而，第二晶體422能夠存在于發(fā)光表面的整個部分。
相當于光子晶體層420的最長周期的第一光子晶體421的周期可以是800到5000nm。用于形成具有相當于光子晶體層420的最長周期的周期的第一光子晶體421的圖形的深度，可以是300到3000nm。
相當于光子晶體層420的最短周期的第二光子晶體422的周期可以是50到1000nm。用于形成具有相當于光子晶體層420的最短周期的周期的第二光子晶體422的深度可以是50到500nm。
與此同時，當假設光子晶體層420的周期是“a”時，用于形成光子晶體層420的光子晶體的孔的深度可以是0.1a到0.45a。
圖44示出形成于半導體層410上的周期混合光子晶體層420的結構，其根據蝕刻工藝形成具有相對短的周期的第二光子晶體422，然后根據蝕刻工藝形成具有相對長的周期的第一光子晶體421。
或者，如圖45所示，可以首先根據蝕刻工藝形成具有相對長周期的第一光子晶體421，然后可以根據沉積工藝形成具有相對短周期的第二光子晶體422。
當根據沉積工藝形成第二光子晶體422時，其具有從第一光子晶體421的結構突起來的微粒422a的圖形，取代雕刻圖形。微粒422a可以具有半球形狀。根據GaN晶體的形狀，微粒422a也可以具有六角形結構。
當在形成長周期的第一光子晶體421后形成短周期的第二光子晶體422時，如上所述，第二光子晶體422也在用于形成第一光子晶體421的孔421a內形成。因而，第二晶體422能夠存在于發(fā)光表面的整個部分。
圖46示出這樣一種結構其中根據沉積工藝形成具有較短周期的第二光子晶體422，然后根據蝕刻工藝形成具有較長周期的第一光子晶體421。
由于上述周期混合的光子晶體層420具有包括不同周期的光子晶體421和光子晶體422的結構，因此對光子晶體層420來說，可以根據光子晶體421和422的結構因素的各種組合來構思各種周期混合的結構。
基本上，提取效率取決于兩種光子晶體421和422的周期的組合。這里，蝕刻深度、光子晶體的形狀等都可以用作參數。當因沉積工藝引入新材料時，引入的材料的折射率也可以用作參數。
當在垂直GaN基發(fā)光器件的n型GaN半導體層中引入光子晶體時，對于提取效率的增強來說，根據本發(fā)明，就可以通過深度蝕刻光子晶體在易于制造的長周期結構(1μm)中保證有最大的提取效率。
根據本發(fā)明，可以通過提供周期混合的光子晶體結構，使提取效率達到最大，該結構中在同一平面內混合兩個或者多個周期，作為具有單個周期的光子晶體結構的擴展。
圖47示出垂直發(fā)光器件的結構，其包括上述周期混合的光子晶體層420。
其中形成有上述光子晶體結構的半導體層410包括n型半導體層411，發(fā)光層412，和p型半導體層413，它們按此順序布置。如上所述，在n型半導體層411上形成光子晶體層420。
可以在半導體層410的下面布置歐姆電極層或者反射性歐姆電極層430?？梢詫⑸鲜霭l(fā)光器件結構布置在由例如硅這樣的半導體或者金屬制成的支撐層440上。
可以在形成有光子晶體層420的n型半導體層411上布置n型電極450。
上述結構具有的特征在于，因為它是根據n型GaN半導體層411的蝕刻形成的，光子晶體對導致半導體層410中電阻的增加沒有或者有很小的效果。而且，由引入光子晶體層420而獲得的光提取效果即使在大功率輸出區(qū)域也能同等地保持，因為垂直GaNB基發(fā)光器件能夠容易地排熱。
同時，由于n型GaN半導體層411的厚度通常大于3μm，因此能夠將光子晶體的蝕刻深度增加到比提取效率達到飽和時的蝕刻深度大的多。
如上所述，隨著光子晶體的蝕刻深度增加，能夠保持有最大的提取效率的周期在長周期方向上移動。特別是，具有1μm或者更大周期的光子晶體能夠對于比當使用具有更短周期的光子晶體時提取效率達到飽和時的蝕刻深度大的蝕刻深度連續(xù)增加提取效率。
同時，與具有單一周期的結構相比，其中在同一平面內混合有不同的周期的周期混合的光子晶體層420的結構，能夠與光子晶體的組合無關地表現(xiàn)出出色的提取效率增強。而且，取決于蝕刻深度的優(yōu)化周期的移動和周期混合的光子晶體層420的結構可應用于其中光子晶體形成層的厚度是300nm或者更厚的其它發(fā)光器件結構。
<第五實施例>
圖48示出一種在考慮光子晶體的效果能夠使提取效率最大化的發(fā)光器件的結構，該效果是當反射鏡和發(fā)光層之間的間隙符合增強干涉條件下表現(xiàn)出來的。
在所示的發(fā)光器件結構中，反射性電極530被布置在支撐層540上，半導體層510被布置在反射性電極530上。對于反射性電極530來說，可以使用一種能夠產生與半導體層510歐姆接觸的材料。優(yōu)選的是，反射性電極530具有50％或者更大的反射率。
如圖49所示，在反射性電極530和半導體層510之間可以插入單獨的歐姆電極531。這里，對于歐姆電極531來說，可以使用透明電極。對于透明電極來說，可以使用具有低折射率的氧化銦錫(ITO)。而且，可以使用氧化銦鋅(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎂鋅(MZO)或者氧化鎵鋅(GZO)。
如圖48或49所示，半導體層510包括p型半導體層513、布置在p型半導體層513上的發(fā)光層512、和布置在發(fā)光層512上的n型半導體層511。
可以將由包括多個孔521或者棒的圖形構成的光子晶體520布置在n型半導體層511上。在n型半導體層511的一部分上布置n型電極550。可以不在布置有n型電極550的區(qū)域上形成光子晶體520的圖形。
在光子晶體520中，每個孔521的深度或者每個棒的高度可以是300到3000nm。光子晶體520可以具有0.8到5μm的周期。當假設光子晶體520的周期是“a”時，每個孔521或者每個棒的尺寸(直徑)可以是0.25到0.45a。
如上所述，反射性電極530和發(fā)光層512的中心之間的距離“d”可以是0.65λ/n到0.85λ/n，或者可以是λ/4n的奇數倍。
因而可以由p型半導體層513來調整反射性電極530和發(fā)光層512之間的距離。也即，通過調整反射性電極530和發(fā)光層512之間的距離，就可以在光提取過程中建立增強的干涉條件。
當在反射性電極530和發(fā)光層512之間插入單獨的由例如ITO這樣的材料制成的透明歐姆電極531時，就可以更容易地執(zhí)行這個過程以調整p型半導體層513的厚度，使之符合增強的干涉條件。
圖50用曲線繪出當在圖49的結構中將ITO用于歐姆電極531時由該歐姆電極531的厚度決定的提取效率。圖51繪出由圖49的結構中的p型半導體層513的厚度的變化決定的提取效率的變化。
參照圖50和51，可以看出，通過調整透明歐姆電極531的厚度可以更容易地實現(xiàn)提取效率控制。這意味著通過控制歐姆電極531的厚度，可以更容易地調整用于光提取的增強的干涉條件。
根據本發(fā)明，當為了實現(xiàn)增強的提取效率而在垂直GaN基發(fā)光器件的n型半導體層511中引入光子晶體520時，可以在光子晶體520具有長周期(1μm或者更長)以使其容易制造的條件下利用反射性電極530的干涉效應和蝕刻深度獲得最大的提取效率。而且，可以僅僅利用反射性電極530的干涉效應獲得提取效率的增強。
當對上述發(fā)光器件結構進行封裝時，它就能夠表現(xiàn)出高的提取效率，而不管封裝的結構如何。
圖52示出一種封裝結構，在該結構中，圍繞著封裝體560形成引線561，并且具有上述特征的發(fā)光器件500被安裝在封裝體560的頂部。發(fā)光器件500可以通過布線562連接到引線561。齊納二極管570被布置在發(fā)光器件500的一側，以達到耐電壓特性的改善。
用平面密封膠封其上安裝有發(fā)光器件500的封裝體560。
圖53示出一種結構其中將發(fā)光器件500安裝在封裝體580上，并且形成拱頂形密封590。
在圖52的平面封裝結構和圖53的拱頂形封裝結構中，從上述發(fā)光器件500發(fā)射的、同時具有沿垂直方向的強烈的方向性的光能夠表現(xiàn)出基本相等的功率特性。
<第六實施例>
以下將描述根據本發(fā)明的用于制造具有光提取結構，例如光子晶體的發(fā)光器件的過程。
圖54示出在襯底610上形成的LED結構600。
對于LED結構600的形成來說，首先在由例如藍寶石制成的襯底610上形成化合物半導體層620。半導體層620包括n形半導體層621、有源層622、和p形半導體層623，從襯底610這側開始按此順序布置它們。
n型半導體層621、有源層622、和p型半導體層623的布置順序可以顛倒。也即，這些層可以被按照p型半導體層623、有源層622和n型半導體層621的順序形成在襯底610上。
特別是，對于半導體層620來說，可以使用GaN基半導體。這里，有源層622可以具有InGaN/GaN量子阱(QW)結構。而且，可以將例如AlGaN或者AlInGaN這樣的材料用作有源層622。當對有源層622施加電場時，就會因電子-空穴對的耦合而產生光。
為了實現(xiàn)亮度的增強，有源層622可以具有包括如上所述的多個QW結構的多量子阱(MQW)結構。
在半導體層620上形成p型電極630。P型電極630是歐姆電極。在p型電極630上可以形成反射性電極640，以反射從有源層622產生的光，并且因此向外發(fā)射產生的光。
通過適當地選擇p型電極630和反射性電極640的材料，可以形成代替p型電極630和反射性電極640的單個電極，以用作p型電極630和反射性電極640。
在反射性電極640上形成支撐層650，以在隨后用于分離襯底610的過程中支撐該LED結構600。
可以通過將由硅(Si)、砷化鎵(AsGa)、或者鍺(Ge)或者由CuW制成的金屬襯底粘合到反射性電極640的上表面而形成支撐層650?；蛘?，可以通過在反射性電極640上電鍍例如鎳(Ni)或者銅(Cu)這樣的金屬而形成支撐層650。
在支撐層650由金屬制成的位置，為了增強對反射性電極640的粘結性，可以利用種子金屬形成其。
根據上述工藝過程，LED結構600具有如圖54所示的結構。之后將襯底610從這個結構中除去。之后，在已經除去襯底610的表面上形成電介質層660。因而獲得了如圖55所示的結構。
可以根據采用激光器的激光剝離工藝來實現(xiàn)襯底610的去除?；蛘撸梢愿鶕瘜W方法例如蝕刻法將襯底610除去。
在除去襯底610的過程中，支撐層650支撐LED結構600。
如上所述，電介質層660在因除去襯底610而暴露的n型半導體層621上形成。對于電介質層660來說，可以使用氧化物或者氮化物。例如，可以使用氧化硅(SiO2)。
在電介質層660內形成多個規(guī)則的孔661?？?61的形成可以利用干蝕工藝，例如反應性離子蝕刻(RIE)工藝或者感應耦合等離子體反應性離子蝕刻(ICP-RIE)工藝來實現(xiàn)。
干蝕工藝對孔661的形成來說是合適的，因為與濕蝕工藝不同，其能夠實現(xiàn)無方向性的蝕刻。也即，盡管在濕蝕工藝中實施各向同性蝕刻以在所有的方向上實現(xiàn)蝕刻，但是，僅僅在用于形成孔661的深度方向上的蝕刻能夠由干蝕工藝來實現(xiàn)。因而，根據干蝕工藝，能夠形成孔661以在尺寸和間隔方面實現(xiàn)想要的圖形。
為了形成如上所述的多個孔661，可以使用如圖56所示的形成有孔圖形671的圖形掩模670。
對于圖形掩模670來說，可以使用由例如鉻(Cr)制成的金屬掩模。如果必要，可以使用光刻膠。
在將光刻膠用作圖形掩模670的位置，可以利用光刻術、電子束印刷術、納米印刷術等形成孔圖形671。在這個過程中，可以使用干蝕工藝或者濕蝕工藝。
在將鉻掩模用作圖形掩模670的位置，首先在鉻層上形成聚合物層，以形成位于鉻層上的圖形。然后在聚合物層上根據印刷方法形成圖形。之后，蝕刻鉻層。因而，形成圖形掩模670。鉻層的蝕刻是利用干蝕工藝實現(xiàn)的。
對干蝕工藝來說，可以使用RIE工藝或者ICP-RIE工藝。對于在這個工藝中使用的氣體來說，可以使用Cl2和O2中的至少一種。
優(yōu)選的是，孔圖形671不形成于某一區(qū)域，以提供其中形成n型電極襯墊(圖66)的空的空間。
通過上述過程，在電介質層660上形成具有與孔圖形671相同的圖形的多個孔661，如圖57所示。這里，孔661在整個電介質層660上延伸。
孔661可以具有各種圖形。例如，孔661具有正方形圖形。而且，孔661可以具有如圖58到62所示的各種圖形。
也即，將孔661形成為沿著在發(fā)光器件封裝內限定的斜線布置，如圖58所示。而且，可以將孔661形成為沿著在發(fā)光器件封裝中的多個劃分的表面區(qū)域內限定的斜線布置，如圖59所示。這里，每個表面區(qū)域的斜線圖形可以不符合剩余的表面區(qū)域的斜線圖形。
或者，每個區(qū)域的斜線圖形可以符合余下區(qū)域的斜線圖形，如圖60和61所示。圖60示出將孔661沿著在發(fā)光器件的兩個劃分區(qū)域內限定的斜線布置以使斜線圖形在區(qū)域的邊界相符的情形。圖61示出將孔661沿著在發(fā)光器件的四個劃分區(qū)域內限定的斜線布置以使斜線圖形在區(qū)域的邊界相符的情形。
另一方面，如圖62所示，可以將孔661布置為形成同心的多個圓形圖形或者輻射狀圖形。
此外，孔661可以具有各種多邊形圖形，例如六邊形圖形或者八邊形圖形，或者梯形圖形。而且，可以形成不規(guī)則的圖形。
在布置于n型半導體層621上的電介質層660中形成孔661之后，對n型半導體層621實施根據干蝕工藝的蝕刻，以形成多個槽624，如圖58所示。
因而，形成于n型半導體層621上的電介質層660用作用于蝕刻n型半導體層621的掩?；蛘哜g化膜。
這里，將槽624形成為具有如孔661一樣的圖形。
也即，可以將槽624形成為具有例如正方形圖形的圖形、多個斜線圖形、劃分為至少兩個區(qū)域的多個斜線圖形、劃分為至少兩個區(qū)域同時在相對的方向上延伸的多個斜線圖形、多個同中心的圖形、多邊形圖形、梯形圖形、或者輻射狀圖形。
圖63示出用于在n型半導體層621內利用ICP-RIE裝置形成槽624的過程。
對于ICP-RIE裝置來說，可以使用平面型或者螺線管型。在圖63中，示出了平面型ICP-RIE裝置。
在該ICP-RIE裝置中，銅線圈710被布置在腔700上，腔700包括接地金屬屏蔽701和覆蓋金屬屏蔽701的絕緣窗702。來自射頻(RF)電源720的電力被施加到線圈710。這里，為了使絕緣窗702與RF電力絕緣，應該以合適的角度形成電場。
將形成有帶有孔661的圖形的電介質層660的LED結構600放在布置在腔700內的下電極730上。將下電極730連接到偏壓源740，該偏壓源740用于提供偏置電壓以偏置LED結構600，從而實現(xiàn)想要的蝕刻。
偏壓源740優(yōu)選提供RF電力和DC偏壓。
通過反應性氣體口將包括Ar、BCl3和Cl2至少一種的氣體化合物引入腔700內。這時，通過頂端口704將電子注入腔700內。
由于因線圈710產生的電磁場，注入的電子撞擊引入的氣體混合物的中性微粒，由此產生離子和中性原子以生成等離子體。
等離子體中的離子在來自偏壓源740提供給電極730的偏置電壓的作用下加速，以向著LED結構600移動。加速的離子連同加速的電子一起通過電介質層660的孔661的圖形，由此在n型半導體層621中形成槽624的圖形，如圖64所示。
這里，腔700的壓力保持在5mTorr。也可以使用He流。優(yōu)選的是，在蝕刻過程中，將腔700冷卻到10℃。
對于RF電源720和偏壓源740來說，可以分別使用33W和230W的電力。
對于在電介質661內形成孔660來說，也可以按照上述相同的方式使用上述ICP-RIE裝置。這里，氣體混合物可以包括CF4、Ar和CHF3中的至少一種。RF電源720和偏壓源740可以分別使用50W和300W的電力。
可以在上述過程中將孔660不規(guī)則地形成于電介質661內，以在n型半導體層621內不規(guī)則地形成槽624。不規(guī)則的槽624提供粗糙的表面，通過該表面提取光，以實現(xiàn)提取效率的增強。
然而，優(yōu)選的是，槽624的圖形是規(guī)則的，以具有某一周期(圖58到62)，并且因此，在n型半導體層621的表面上形成光子晶體結構680。
圖65示出根據上述過程形成于n型半導體層621上的光子晶體結構680的掃描電子顯微鏡(SEM)圖象。
這樣形成光子晶體結構680，以使光子晶體的周期為0.5到1.5μm，并且，考慮到GaN的折射率(2.6)、其包括在LED結構中并且從中提取光的環(huán)氧透鏡的折射率、以及與驅動電壓的關系，用于形成光子晶體的槽624的直徑相當于大約0.3到0.6倍的光子晶體周期。
槽624可以具有相當于n型半導體層621的厚度的1/3或者更厚的深度。
當形成上述光子晶體結構680時，它具有周期性的折射率排列。當光子晶體結構680的周期相當于發(fā)出的光的波長的大約一半時，根據由具有在折射率方面的周期性變化的光子晶體點陣導致的光子的多散射而形成光子帶隙。
在光子晶體結構680中，光具有在某一方向上有效發(fā)射的性質。也即，形成了光限制帶。因而，存在一種現(xiàn)象通過形成了光子晶體結構680的孔624以外的區(qū)域提取光，而無需進入或者通過孔624。
如上所述，在用光子晶體結構680形成的LED結構600的上表面和下表面上形成n型電極襯墊691和p型電極襯墊692，如圖66所示。因而，LED結構600被完整地制造出來。
對本領域技術人員來說，顯而易見，能夠對本發(fā)明作出各種修改和變例，而不脫離本發(fā)明的精神或者范疇。因而，本發(fā)明意在覆蓋這個發(fā)明的修改和變例，只要它們落在所附權利要求及其等效范圍內。
權利要求
1.一種發(fā)光器件，包括半導體層；和光提取層，其被布置在該半導體層上，并且由折射率等于或者高于該半導體層的折射率的材料制成。
2.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該光提取層形成有多個孔。
3.如權利要求2所述的發(fā)光器件，其中在這些孔中布置透明導電氧化物。
4.如權利要求2所述的發(fā)光器件，其中規(guī)則地形成這些孔。
5.如權利要求1所述的發(fā)光器件，還包括位于該光提取層和該半導體層之間的透明導電層。
6.如權利要求5所述的發(fā)光器件，其中，該透明導電層具有λ/16n到λ/2n的厚度(“n”代表該透明導電層的折射率)。
7.如權利要求1所述的發(fā)光器件，還包括位于該光提取層和該半導體層之間的透明金屬層。
8.如權利要求7所述的發(fā)光器件，其中該透明金屬層由Ni和/或Au、或者包含Ni和Au的合金制成。
9.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該光提取層由氧化物或者氮化物制成。
10.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該光提取層的折射率為2.4或者更大。
11.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該光提取層由SiN或者TiO2制成。
12.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該半導體層包括n型半導體層；布置在該n型半導體層上的有源層；和布置在該有源層上的p型半導體層。
13.如權利要求12所述的發(fā)光器件，其中該p型半導體層具有30到500nm的厚度。
14.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該光提取層包括布置在該半導體層上的透明導電氧化物層；和布置在該透明導電氧化物層上并且形成有多個孔的電介質層。
15.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該光提取層具有150nm或者更厚的厚度。
16.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該半導體層包括p型半導體層；布置在該p型半導體層上的有源層；和布置在該有源層上的n型半導體層。
17.如權利要求1所述的發(fā)光器件，其中該半導體層被布置在第一電極上。
18.如權利要求17所述的發(fā)光器件，其中該第一電極包括反射性電極；和布置在該反射性電極上的歐姆電極。
19.如權利要求17所述的發(fā)光器件，其中該第一電極由金屬或者半導體制成。
20.一種發(fā)光器件，包括包括被布置在半導體層上的同一平面內的至少兩種光子晶體結構的光子晶體層，所述光子晶體結構具有不同的周期。
21.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體層包括具有多個孔的圖形或者具有多個突起的微粒的圖形。
22.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該對應于光子晶體層中最長周期的光子晶體具有800到5000nm的周期。
23.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體層中對應于最長周期的光子晶體具有300到3000nm的圖形深度。
24.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體層中對應于最短周期的光子晶體具有50到1000nm的周期。
25.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體層中對應于最短周期的光子晶體具有50到500nm的圖形深度。
26.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中用于形成該光子晶體層的光子晶體的這些孔具有0.1a到0.45a的深度，其中“a”代表該光子晶體層的周期。
27.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該半導體層包括p型半導體層；布置在該p型半導體層上的有源層；和布置在該有源層上的n型半導體層。
28.如權利要求27所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體層在n型半導體層上形成。
29.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中在與該光子晶體層相對的該半導體層的表面上布置反射性歐姆電極層。
30.如權利要求29所述的發(fā)光器件，其中在該反射性歐姆電極層上布置有由半導體或者金屬制成的支撐層。
31.如權利要求20所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體層包括具有第一周期的第一光子晶體；和具有長于第一周期的周期的第二光子晶體。
32.如權利要求31所述的發(fā)光器件，其中該第一光子晶體或者第二光子晶體包括具有多個孔的圖形。
33.如權利要求32所述的發(fā)光器件，其中該第二光子晶體層被形成在用于形成第一光子晶體的孔中。
34.如權利要求31所述的發(fā)光器件，其中該第二光子晶體包括多個突起的微粒。
35.一種發(fā)光器件，包括包括具有周期結構的第一光子晶體和具有隨機結構的第二光子晶體的光子晶體層，該第一和第二光子晶體被布置在半導體層上的同一平面內。
36.如權利要求35所述的發(fā)光器件，其中該第二光子晶體具有短于第一光子晶體的周期的平均周期。
37.一種發(fā)光器件，包括反射性電極；布置在該反射性電極上的半導體層，該半導體層包括發(fā)光層；和形成于該半導體層上的光子晶體，其中位于該反射性電極和該發(fā)光層中心之間的距離是0.65λ/n到0.85λ/n，其中“λ”代表發(fā)出的光的波長，而“n”代表該半導體層的折射率。
38.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中該反射性電極包括歐姆電極。
39.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中該反射性電極具有50％或者更大的反射率。
40.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中該發(fā)光層具有0.05λ/n到0.25λ/n的厚度。
41.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體包括形成于該半導體層的孔或者棒的圖形。
42.如權利要求41所述的發(fā)光器件，其中這些孔具有300到3000nm的深度，且這些棒具有300到3000nm的高度。
43.如權利要求42所述的發(fā)光器件，其中這些孔或者棒具有0.25a到0.45a的直徑，其中“a”代表該光子晶體的周期。
44.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中該光子晶體具有0.8到5μm的周期。
45.如權利要求37所述的發(fā)光器件，還包括位于該反射性電極和該半導體層之間的歐姆電極。
46.如權利要求45所述的發(fā)光器件，其中該歐姆電極包括透明電極。
47.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中在該反射性電極和該發(fā)光層之間布置p型半導體層。
48.如權利要求37所述的發(fā)光器件，其中該反射性電極是在由半導體或者金屬制成的支撐層上。
49.一種發(fā)光器件，包括反射性電極；布置在該反射性電極上的半導體層，該半導體層包括發(fā)光層；和形成于該半導體層上的光子晶體，其中，位于該反射性電極和該發(fā)光層的中心之間的距離是λ/4n的奇數倍，其中“λ”代表發(fā)出的光的波長，而“n”代表該半導體層的折射率。
50.一種用于制造發(fā)光器件的方法，包括在襯底上生長多個半導體層；在該半導體層上形成第一電極；除去襯底；在因該襯底的除去而暴露的半導體層上形成電介質層；在該電介質層內形成多個孔；蝕刻形成有這些孔的電介質層的表面，以在該半導體層內形成多個槽；除去該電介質層；并且在因除去該電介質層而暴露的半導體層的表面上形成第二電極。
51.如權利要求50所述的方法，其中該生長多個半導體層的步驟包括在該襯底上形成n型半導體層；在該n型半導體層上形成有源層；以及在該有源層上形成p型半導體層。
52.如權利要求50所述的方法，其中該電介質層由氧化物或者氮化物制成。
53.如權利要求50所述的方法，其中這些槽被形成為具有對應于因除去該襯底而暴露的半導體層的1/3或者更大的厚度的深度。
54.如權利要求50所述的方法，其中形成這些孔或者這些槽以形成規(guī)則的圖形。
55.如權利要求50所述的方法，其中該形成多個孔的步驟或者形成多個槽的步驟是利用干蝕工藝實施的。
56.如權利要求55所述的方法，其中該干蝕工藝是反應性離子蝕刻(RIE)工藝或者感應耦合等離子體反應性離子蝕刻(ICP-RIE)工藝。
57.如權利要求55所述的方法，其中，該干蝕工藝使用Ar、BCl3、Cl2、CF4和CHF3中的至少一種。
58.如權利要求50所述的方法，其中在該電介質層中形成多個孔的步驟包括在不是形成第二電極的區(qū)域的區(qū)域內形成這些孔。
全文摘要
公開了一種能夠實現(xiàn)發(fā)射效率的增強和可靠性的增強的氮化物基發(fā)光器件。該發(fā)光器件包括半導體層，和布置在該半導體層上，并且由具有等于或者高于該半導體層的折射率的折射率的材料制成的光提取層。
文檔編號H01L33/32GK101071840SQ20071010496
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月8日 優(yōu)先權日2006年5月8日
發(fā)明者曹賢敬, 金鮮京, 張峻豪 申請人:Lg電子株式會社, Lg伊諾特有限公司