СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ III-V ГРУПП, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ В СЕБЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩУЮ СТРУКТУРУ
LIGHT-EMITTING DEVICE OF ELEMENTS OF III-V GROUPS THAT INCLUDES LIGHT-EMITTING STRUCTURE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к полупроводниковым светоизлучающим устройствам, включая светоизвлекающие структуры.
ОПИСАНИЕ РОДСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ
[0002] Полупроводниковые светоизлучающие устройства, содержащие светоизлучающие диоды (LEDs), светоизлучающие диоды с объемным резонатором (RCLEDs), лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSELs) и лазеры с торцевым излучением находятся среди наиболее доступных в настоящее время источников света. Системы материалов, представляющие в настоящее время интерес для получения светоизлучающих устройств с высокой яркостью, способные действовать по всему видимому спектру, включают в себя полупроводники III-V групп, более конкретно бинарные, трехкомпонентные и четырехкомпонентные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, именуемые также III-нитрид материалами. Обычно светоизлучающие устройства на нитриде элементов III группы (III-нитриде) изготавливают с помощью эпитаксиального выращивания набора полупроводниковых слоев различных составов и различных концентраций легирующей примеси на сапфире, карбиде кремния, нитриде элемента III группы (III-нитриде) или другой отвечающей требованиям подложке с помощью химического осаждения из паровой фазы металлорганического соединения (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE) или другими способами эпитаксиального наращивания. Набор часто включает в себя один или более слоев n-типа, легированных, например, Si, сформированных на подложке, один или более светоизлучающих слоев в активной области, сформированных на слое или слоях n-типа, и один или более слоев p-типа, легированных, например, Mg, сформированных поверх активной области. Электрические контакты формируют на областях n-типа и p-типа.
2
[0003] Фиг. 1 показывает сложную (многослойную) подложку для роста, описанную более подробно в US 2007/0072324, который включен в данный документ по ссылке. Подложка 10 включает в себя подложку-основу 12, затравочный слой 16 и связующий слой 14, который связывает основу 12 с затравкой 16… Слои в подложке 10 образованы из материалов, которые могут выдержать условия обработки, требуемые для выращивания полупроводниковых слоев в устройстве. Например, в случае устройства на III-нитриде, выращенном посредством MOCVD, каждый из слоев подложки 10 должен обладать способностью выдерживать атмосферу H при температурах, превышающих 1000°C; в случае устройства на III-нитриде, выращенном посредством МВЕ, каждый из слоев подложки 10 должен обладать способностью выдерживать в вакууме температуры, превышающие 600°C.
[0004] Подложка-основа 12 предоставляет механическую поддержку подложке 10 и слоям 18 полупроводникового устройства, выращенным на подложке 10. Толщина подложки-основы 12 составляет, как правило, от 3 до 500 микрон и часто составляет более 100 микрон. В вариантах воплощения, где подложка-основа 12 остается частью устройства, подложка-основа 12 может быть, по меньшей мере, частично прозрачной, если свет извлекают из устройства через подложку-основу 12. Как правило, нет необходимости в том, чтобы подложка-основа 12 была монокристаллической, поскольку слои 18 устройства не выращивают непосредственно на подложке-основе 12. В некоторых вариантах воплощения материал подложки-основы 12 выбирают, чтобы иметь коэффициент термического расширения (КТР), который соответствует КТР слоев 18 устройства и КТР затравочного слоя 16. Можно использовать любой материал, способный выдерживать условия обработки эпитаксиальных слоев 18, включающий полупроводники, керамику и металлы. Материалы, такие как GaAs, которые имеют КТР, желательно близкий к КТР слоев 18 устройства, но которые разлагаются при возгонке при температурах, требуемых для выращивания слоев III-нитрида посредством MOCVD, можно использовать с плотным верхним защитным слоем, таким как нитрид кремния, осажденным между основой из GaAs и затравочным слоем 16.
[0005] Затравочный слой 16 является слоем, на котором выращены слои 18 устройства, значит это должен быть материал, который может служить центром затравки кристаллического III-нитрида. Затравочный слой 16 может быть толщиной между примерно 50 Å и 1 микроном. В некоторых вариантах воплощения затравочный слой 16 может быть согласован по КТР с материалом слоев 18 устройства. Затравочный слой 16 является обычно монокристаллическим материалом, т.е. достаточно близко согласованным по параметру кристаллической решетки со слоями 18 устройства. Часто кристаллографической ориентацией верхней поверхности затравочного слоя 16, на которой выращены слои 18 устройства, является с-ось вюрцита [0001]. В вариантах воплощения, где затравочный слой 16 остается частью готового устройства, упомянутый затравочный слой 16 может быть прозрачным или тонким, если свет извлекают из устройства через затравочный слой 16.
x
2
x
3
4
2
2
[0006] Один или более связующих слоев 14 связывают подложку-основу 12 с затравочным слоем 16. Связующий слой 14 может быть толщиной приблизительно между 100 Å и 1 мкм. Примеры отвечающих требованиям связующих слоев, включающие SiO, например SiO, SiN, например SiN, HfO, их смеси, металлы, например, Mo, Ti, TiN, другие сплавы и другие полупроводники или диэлектрики. Поскольку связующий слой 14 соединяет подложку-основу 12 с затравочным слоем 16, то материал, формирующий связующий слой 14 выбран, чтобы обеспечить хорошее сцепление между основой 12 и затравкой 16. В некоторых вариантах воплощения связующий слой 14 является разделительным слоем, образованным из материала, который можно удалить травлением, которое не разрушает слои 18 устройства, таким образом отделяя слои 18 устройства и затравочный слой 16 от подложки-основы 12. Например, связующим слоем может быть SiO, который можно удалить мокрым травлением с помощью HF, не повреждая слои 18 устройства на III-нитриде. В варианте воплощения, где связующий слой 14 остается частью готового устройства, упомянутый связующий слой 14 является предпочтительно прозрачным или очень тонким. В некоторых вариантах воплощения связующий слой 14 может быть не включен, и затравочный слой 16 может быть присоединен непосредственно к подложке-основе 12.
[0007] Формированием затравочного слоя в виде полосок или решетки на связующем слое 14, предпочтительнее, чем в виде отдельного сплошного слоя дополнительно может быть предоставлено снятие напряжения в эпитаксиальных слоях 18. Альтернативно затравочный слой можно сформировать в виде отдельного сплошного слоя, затем можно местами удалить, например, формируя канавки, чтобы обеспечить снятие напряжения. Отдельный сплошной затравочный слой 16 может быть присоединен к подложке-основе 12 с помощью связующего слоя 14, после этого можно сформировать рисунок общепринятыми способами литографии, чтобы удалить участки затравочного слоя, чтобы сформировать полоски. Края каждой из полосок затравочного слоя могут предоставить дополнительное снятие напряжения концентрированием дислокаций в эпитаксиальных слоях 18 на краях полосок затравочного слоя. Состав затравочного слоя 16, связующего слоя 14 и слоя зародышеобразования может быть выбран таким образом, что материал зародышевого слоя образует зародыши предпочтительно на затравочном слое 16 не на тех участках связующего слоя 14, которые открыты пространством между участками затравочного слоя 16.
[0008] На пластине светоизлучающих устройств канавки в затравочном слое 16 … могут быть расположены на расстоянии примерно ширины отдельного устройства, например разнесены на сто микрон или миллиметров. Пластина устройств, сформированных на сложной подложке с затравочным слоем со сформированным рисунком, может быть разделена так, что края участков затравочного слоя не размещены под светоизлучающим слоем отдельных устройств, поскольку дислокации, сконцентрированные на крае затравочных слоев, могут стать причиной низких эксплуатационных характеристик или проблем надежности. Альтернативно множественные канавки можно сформировать в пределах ширины отдельного устройства, например, разнесенными приблизительно на микроны или десятки микрон. Условия роста на таких подложках могут быть выбраны таким образом, что слой зародышеобразования, образованный на затравочном слое 16 или более позднем эпитаксиальном слое, срастается над канавками, сформированными в затравочном слое 16, так, что светоизлучающий слой устройств на пластине сформирован как сплошной непрерываемый канавками слой в затравочном слое 16.
[0009] Если затравочным слоем является III-нитрид материал, то на подложке для выращивания выращен напряженный затравочный слой. Если затравочный слой 16 соединен с подложкой-основой 12 и отделен от подложки для выращивания, то, в случае если соединение между затравочным слоем 16 и подложкой-основой 16 является соответствующим, например соответствующим связующим слоем 14, затравочный слой 16 может, по меньшей мере, частично снять напряжение. Таким образом несмотря на то что затравочный слой выращен как напряженный слой, после того как затравочный слой отделен от подложки для выращивания и снято напряжение, он является достаточно близким или совпадающим с параметром кристаллической решетки эпитаксиальных слоев 18, выращенных поверх затравочного слоя.
2
3
[0010] Например, если III-нитрид устройство традиционно выращено на AlO, то первым слоем, выращенным на подложке, является, как правило, буферный слой GaN с параметром кристаллической решетки около 3,19. Буферный слой GaN устанавливает параметр кристаллической решетки для всех слоев устройства, выращенных на буферном слое, включая светоизлучающий слой, которым часто является InGaN. Поскольку ненапряженный отдельно стоящий InGaN имеет больший параметр кристаллической решетки, чем GaN, светоизлучающий слой является напряженным при выращивании на буферном слое GaN. В сравнении… затравочный InGaN слой может быть выращен напряженным на традиционной подложке, после этого соединен с основой и отделен от подложки для выращивания так, что затравочный InGaN слой, по меньшей мере, частично уменьшает напряжение. После уменьшения напряжения затравочный InGaN слой имеет параметр кристаллической решетки больше, чем GaN. Как таковой параметр кристаллической решетки затравочного InGaN слоя является более близко согласованным, чем GaN к параметру кристаллической решетки ненапряженного отдельно стоящего слоя такого же состава, что и светоизлучающий InGaN слой. Слои устройства, выращенные на затравочном InGaN слое, включая светоизлучающий InGaN слой, будут точно копировать параметр кристаллической решетки затравочного InGaN слоя. Соответственно светоизлучающий InGaN слой с параметром кристаллической решетки ненапряженного затравочного InGaN слоя является менее напряженным, чем светоизлучающий InGaN слой с параметром кристаллической решетки буферного GaN слоя. Уменьшая напряжение в светоизлучающем слое можно улучшить эксплуатационные характеристики устройства.
[0011] Материалы III-нитридного затравочного слоя могут потребовать дополнительных связующих этапов для того, чтобы сформировать сложную подложку с III-нитридным затравочным слоем с требуемой ориентацией. III-нитридные слои, выращенные на сапфире или SiC подложках для выращивания, обычно выращены как c-грани кристалла вюрцита. Такие вюрцитные III-нитридные структуры имеют грань галлия и грань азота. III-нитриды предпочтительно выращивают так, что верхняя поверхность выращенного слоя является гранью галлия, в то время как нижняя поверхность (поверхность, соседняя с подложкой для выращивания) является гранью азота. Простое выращивание материала затравочного слоя традиционно на сапфире или SiC, затем соединение материала затравочного слоя с основой и удаление подложки для выращивания имело бы следствием сложную подложку III-нитридного затравочного слоя с открытой гранью азота. Как описано выше, III-нитриды предпочтительно выращены на грани галлия, т.е. с гранью галлия в качестве верхней поверхности, соответственно, выращивание на грани азота может нежелательно ввести дефекты в кристалл или иметь следствием материал низкого качества, поскольку кристаллическая ориентация изменяется с ориентации с гранью азота в качестве верхней поверхности на ориентацию с гранью галлия в качестве верхней поверхности.
[0012] Чтобы сформировать сложную подложку с III-нитридным затравочным слоем с гранью галлия в качестве верхней поверхности, материал затравочного слоя может быть традиционно выращен на подложке для выращивания, после этого соединен с любой соответствующей подложкой-основой, после этого отделен от подложки для выращивания так, что материал затравочного слоя связан с первой подложкой-основой через грань галлия, оставляя грань азота открытой при удалении подложки для выращивания. Грань азота материала затравочного слоя затем соединяют со второй подложкой-основой 10, упомянутой подложкой-основой сложной подложки… После соединения со второй подложкой-основой первую подложку-основу удаляют с помощью способа, соответствующего подложке для выращивания. В окончательной сложной подложке грань азота материала затравочного слоя 16 соединена с подложкой-основой 12 (второй подложкой-основой) через необязательный связующий слой 14 так, что грань галлия затравочного слоя 16 III-нитрида кристалла открыта для роста эпитаксиальных слоев 18.
[0013] Например, GaN буферный слой традиционно выращивают на сапфировой подложке с последующим InGaN слоем, который будет формировать затравочный слой сложной подложки. Слой из InGaN соединен с первой подложкой-основой связующим слоем или без него. Сапфировую подложку для выращивания удаляют лазерным плавлением GaN буферного слоя, соседнего с сапфиром, после этого оставшийся GaN буферный слой, открытый удалением сапфира, удаляют травлением, получая в результате InGaN слой, связанный с первой подложкой-основой. InGaN слой может быть легирован материалом, таким как водород, дейтерий или гелий, чтобы сформировать пузырьковый слой на глубину, соответствующую требуемой толщине затравочного слоя в конечной сложной подложке… InGaN слой может быть необязательно обработан, чтобы образовать достаточно плоскую поверхность для соединения. InGaN слой после этого соединяют связующим слоем или без него со второй подложкой-основой, которая будет формировать основу конечной сложной подложки. Первую подложку-основу, InGaN слой и вторую подложку-основу после этого нагревают, как описано выше, заставляя пузырьковый слой, внедренный в InGaN слой, увеличиваться в объеме, отслаивая тонкий участок InGaN затравочного слоя от остального InGaN слоя и первой подложки-основы, имея в результате конечную сложную подложку, как описано выше с InGaN затравочным слоем, который связан с подложкой-основой."
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Варианты воплощения изобретения предоставляют светоизвлекающую структуру в устройстве, выращенном на сложной (многослойной) подложке.
[0015] Варианты воплощения изобретения включают в себя подложку, содержащую основу и затравочный слой, связанный с основой, и полупроводниковую структуру, включающую светоизлучающий слой, расположенный между областью n-типа и областью p-типа, выращенный поверх затравочного слоя. Вариация показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению роста полупроводниковой структуры, находится между основой и светоизлучающим слоем.
[0016] Вариация показателя преломления может извлекать свет из устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017] Фиг. 1 показывает полупроводниковую III-нитрид структуру, выращенную на сложной (многослойной) подложке для выращивания, включающей подложку-основу, связующий слой и затравочный слой.
[0018] Фиг.2 показывает затравочный слой, выращенный на подложке.
[0019] Фиг.3 показывает соединение затравочного слоя с временной подложкой и удаление подложки для выращивания.
[0020] Фиг.4 показывает затравочный слой после формирования рисунка.
[0021] Фиг.5 показывает светоизвлекающую структуру, сформированную на затравочном слое после релаксации.
[0022] Фиг.6 показывает сложную подложку, включающую затравочный слой, связующий слой и подложку-основу.
[0023] Фиг.7 показывает слои устройства на III-нитриде, выращенные на сложной подложке Фиг.6.
[0024] Фиг.8 показывает затравочный слой со сформированным рисунком.
[0025] Фиг.9 показывает контрастирующий материал, расположенный поверх затравочного слоя со сформированным рисунком Фиг.8.
[0026] Фиг.10 показывает связующий слой, сформированный на структуре Фиг.9.
[0027] Фиг.11 показывает структуру Фиг.10, соединенную с подложкой-основой.
[0028] Фиг.12 показывает сложную подложку, включающую затравочный слой, связующий слой и подложку-основу.
[0029] Фиг.13 показывает слои устройства на III-нитриде, выращенные на сложной подложке Фиг.12.
[0030] Фиг.14 показывает слой со сформированным рисунком сформированный поверх затравочного слоя сложной подложки.
[0031] Фиг.15 показывает рост полупроводникового материала в условиях, способствующих горизонтальному росту, на подложке Фиг.14.
[0032] Фиг.16 показывает рост полупроводникового материала в условиях, способствующих вертикальному росту, на подложке Фиг.14.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
2
2
5
2
2
2
[0033] В вариантах воплощения изобретения структура для извлечения света расположена между подложкой-основой и светоизлучающим слоем устройства на III-нитриде, выращенном на сложной подложке. Светоизвлекающей структурой может быть, например, вариация показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению роста слоев устройства на III-нитриде. Вариация показателя преломления может быть упорядоченной, случайной или частично упорядоченной, такое как квазикристаллическая фотонная структура. Несмотря на то что приведенные ниже примеры показывают столбики материала, формирующие вариацию показателя преломления, бугорки и долины вариаций могут принять любую форму при условии, что получается вариация показателя преломления. Например, вместо столбиков могут быть использованы пирамиды материала. Характерный боковой размер вариации показателя преломления может быть примерно одна или несколько оптических длин волн, например, между 100 нм и 10 микронами в некоторых вариантах воплощения, в некоторых вариантах воплощения между 300 нм и 3 микронами, в некоторых вариантах воплощения между 500 нм и 1 микроном. Вертикальный размер вариации показателя преломления может также быть примерно одна или несколько оптических длин волн, например, в некоторых вариантах воплощения между 100 нм и 10 микронами, в некоторых вариантах воплощения между 300 нм и 3 микронами, в некоторых вариантах воплощения между 500 нм и 1 микроном. Вариацией показателя преломления является в некоторых вариантах воплощения контраст (противоположность) между материалом с высоким показателем (таким как, например, III-нитрид, стекло с высоким показателем, TiO или TaO) и материалом с низким показателем (таким как, например, SiO, MgF, CaF, воздух или пористый материал, такой как пористый оксид или диэлектрик). Различие показателей преломления между двумя материалами составляет для некоторых вариантов воплощения, по меньшей мере, 0,1, для некоторых вариантов воплощения, по меньшей мере, 0,3 и для некоторых вариантов воплощения, по меньшей мере, 0,5.
[0034] Светоизвлекающая структура может быть сформирована в связующем слое между подложкой-основой и затравочным слоем, как показано на Фиг. 2-7; в границах затравочного слоя, как показано на Фиг. 8-13; или на верхней поверхности затравочного слоя, как показано на Фиг. 14-16.
[0035] Кроме конкретных материалов и способов, описанных ниже, для структур и способов, проиллюстрированных на Фиг. 2-6, могут быть использованы материалы и способы, описанные в US 2007/0072324.
+
[0036] На Фиг. 2 затравочный слой 24 III-нитрида обычно выращен на донорной подложке 20, которой может быть, например, сапфир, Si или SiC. Затравочный слой 24 может быть выращен на временном полупроводниковом слое 22, который введен с имплантированными примесями 26, например H, которые способствуют в дальнейшем отделению донорной подложки 20 от затравочного слоя 24. В некоторых вариантах воплощения временным слоем 22 является GaN, а затравочным слоем является InGaN с содержанием InN больше нуля и до 12%.
[0037] На Фиг.3 необязательный (дополнительный) связующий слой 30 и согласующий слой 28 сформированы на временной (промежуточной) подложке 32. Затравочный слой 24 структуры, показанной на Фиг.2, связан с временной подложкой 32 через согласующий слой 28. В некоторых вариантах воплощения дополнительным (необязательным) слоем 30 является один или более оксиды, нитриды, карбиды или фториды кремния, алюминия, бора, фосфора, цинка, галлия, германия, индия, олова, сурьмы, свинца, висмута, титана, вольфрама, магния, кальция, калия, никеля, иттрия, циркония, гафния, неодима и тантала. В некоторых вариантах воплощения согласующим слоем является борфосфоросиликатное стекло (BPSG) или другие промышленные стекла, осажденные, к примеру, испарением, распылением и осаждением.
[0038] Затравочный слой 24 отделяют от донорной подожки 20 активированием имплантированными примесями 26, чтобы разделить временный слой 22. Имплантирование временного слоя и отделение затравочного слоя от донорной подложки активированием имплантированными примесями описано более подробно в Публикации Заявки на Патент США 2005/0026394 и Патенте США US5374564, которые вводятся в данный документ по ссылке. Альтернативно донорная подложка может быть удалена лазерным плавлением временного слоя 22.
[0039] На Фиг.4 любой оставшийся временный слой 22 удален из затравочного слоя 24, а в затравочном слое 24 вытравлены канавки 34. Структура обработана, чтобы заставить напряженные области материала затравочного слоя 24 расширяться и ослаблять напряжение, например, нагреванием согласующего слоя 28, так что области материала затравочного слоя плавно перемещаются поверх согласующего слоя.
[0040] На Фиг.5 светоизвлекающую структуру формируют в слое, образованном поверх затравочного слоя 24, например в связующем слое. Затравочный слой присоединен к подложке-основе, например, используя нагрев и/или давление между двумя структурами. В некоторых вариантах воплощения подложкой-основой 36 является сапфир. Элементом светоизвлекающей структуры может быть, к примеру, вариация показателя преломления. Слой 40 со сформированным рисунком и связующий слой 38 образованы на одном или на обоих из затравочном слое 24 и подложке-основе 36. Слои со сформированным рисунком могут быть образованы на одной или более поверхности, включая затравочный слой 24, связующие слои и подложку-основу 36. Связующими слоями 40 и 38 могут быть, например, оксиды кремния или любой другой соответствующий материал, такой как материалы, перечисленные выше со ссылкой на связующий слой 30 на Фиг.3. В одном или обоих связующих слоях сформирован рисунок, чтобы образовать вариации показателя преломления между материалом связующего слоя и воздухом или газом, заполняющим зазоры, образованные в связующем слое в процессе формирования рисунка. Одним примером вариации показателя преломления является периодическая решетка отверстий или сетка, сформированная в связующем слое.
[0041] Временная подложка 32 затем удалена, например, вытравливанием связующего слоя 30. Согласующий слой 28 также удален, открывая поверхность затравочного слоя 24, как проиллюстрировано на готовой сложной подложке, показанной на Фиг.6. Светоизвлекающий элемент 45 может быть расположен соседним с затравочным слоем 24, как показано на Фиг.6, соседним с подложкой-основой 36 или между двумя непрерывными связующими слоями, которые находятся в непосредственном контакте с затравочным слоем 24 и подложкой-основой 36.
[0042] В структуре, проиллюстрированной на Фиг.7, слои 18 устройства выращены поверх ненапряженных участках затравочного слоя 24. Состав слоя, соседнего с затравочным слоем 24, может быть выбран из-за постоянной кристаллической решетки или других свойств и/или из-за его способности служить центром кристаллизации на материале затравочного слоя 24. Слои устройства могут быть выращены в условиях, которые способствуют вертикальному росту над горизонтальным ростом, чтобы сохранить расстояние 34 между отдельными областями, или в условиях, которые способствуют горизонтальному росту над вертикальным ростом, чтобы образовать сплошной коалесцированный слой поверх участков затравочного слоя 24.
[0043] Слои 18 устройства включают в себя область 42 n-типа, светоизлучающую или активную область 44 и область 46 p-типа. Сначала часто выращена область 42 n-типа, хотя в некоторых вариантах воплощения сначала может быть выращена область p-типа. Область n-типа может включать в себя повторяющиеся слои с различными составами и концентрацией легирующих примесей, включая например, подготовительные слои, такие как буферные слои или слои зародышеобразования, которые могут быть n-типа или намеренно нелегированными, разделительными слоями, спроектированными, чтобы облегчить последующее отделение сложной подложки или уменьшения толщины полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слоями устройства n- или даже p-типа, спроектированными для конкретных оптических или электрических свойств, желательных для светоизлучающей области, чтобы эффективно излучать свет. В некоторых вариантах воплощения область 42 n-типа - это InGaN или включает в себя один или более InGaN слоев. GaN, выращенный на затравочном слое с увеличенным параметром кристаллической решетки, может быть увеличенным в объеме, соответственно толщина любого GaN слоя в устройстве может быть ограничена, чтобы предотвратить растрескивание.
[0044] Светоизлучающая или активная область выращена поверх области 42 n-типа. Примеры соответствующих светоизлучающих областей включают отдельный толстый или тонкий светоизлучающий слой или светоизлучающую область с повторяющейся квантовой ямой, включающую повторяющиеся тонкие или толстые светоизлучающие слои с квантовой ямой, разделенные барьерными слоями. Например, светоизлучающая область с многократно повторяющейся квантовой ямой может включать многократно повторяющиеся светоизлучающие слои, каждый толщиной 25Å или меньше, разделенные барьерами, каждый толщиной 100Å или меньше. В некоторых вариантах воплощения толщина каждого из светоизлучающих слоев в устройстве толще чем 50Å.
[0045] Область 46 p-типа выращена поверх светоизлучающей области 44. Так же, как и область n-типа, область p-типа может включать в себя повторяющиеся слои различных составов, толщины и концентраций легирующих примесей, включая слои, которые могут быть намеренно нелегированными или слоями n-типа. В некоторых вариантах воплощения областью 46 p-типа является InGaN или включает в себя один или более InGaN слоев.
[0046] Фиг.8-13 иллюстрируют образование сложной подложки и светоизлучающего устройства на III-нитриде со светоизвлекающей структурой в границах затравочного слоя. Затравочный слой 24 выращен и присоединен к временной подложке, как показано на Фиг.2-4 и описано в сопровождающем тексте. На Фиг.8 в верхней поверхности затравочного слоя 24 сформирован рисунок 48. В затравочном слое 24 рисунок может быть сформирован до или после снятия напряжения, что проиллюстрировано, например, на Фиг.4. В виде примера формирования рисунка в верхней поверхности затравочного слоя 24 может быть образована периодическая решетка отверстий или сетка.
[0047] На Фиг.9 второй материал 50 расположен поверх верхней поверхности 48 со сформированным рисунком затравочного слоя 24 и заполняет зазоры, образованные в процессе формирования рисунка затравочного слоя, как описано выше. Второй материал 50 имеет показатель преломления, отличающийся от показателя преломления затравочного слоя 24. В некоторых вариантах воплощения второй материал 50 обладает показателем преломления меньше 2. Примеры соответствующих вторых материалов 50 включают материалы, перечисленные выше со ссылкой на связующий слой 30 Фиг.3. Верхняя поверхность второго материала 50 может необязательно быть полированной.
[0048] На Фиг.10, поверх второго материала 50 сформирован необязательный связующий слой 52, например, слой оксида кремния и необязательно отполирован, если второй материал 50 не пригоден для соединения.
[0049] На Фиг.11 связующий слой 38 сформирован на подложке-основе 36, затем затравочный слой 24 соединен с подложкой-основой 36 связующими слоями 38 и 52.
[0050] На Фиг.12 временная подложка 32, связующий слой 30 и согласующий слой 28 удалены.
[0051] На Фиг.13 слои 18 устройства на III-нитриде выращены на затравочном слое, как описано выше.
[0052] Фиг.14-16 иллюстрируют формирование светоизлучающего устройства на III-нитриде со структурой извлечения света, расположенной на поверхности затравочного слоя. Сложная подложка Фиг.14 образована соединением затравочного слоя структуры Фиг.4 с подложкой-основой 36 с помощью одного или более связующих слоев 38, сформированных на затравочном слое 24, подложке-основе 36 или на обоих. Временная подложка 32, связующий слой 30 и согласующий слой 28 после этого удалены, как описано выше. Слой 54 материала, которым может, например, один или более из материалов, перечисленных выше со ссылкой на связующий слой 30 Фиг.3, образован на поверхности затравочного слоя 24, затем сформирован рисунок для формирования, например, периодической решетки отверстий или сетки.
[0053] На Фиг. 15 полупроводниковый слой 56 выращен поверх затравочного слоя 24 и материала 54 со сформированным рисунком в условиях, которые способствуют заполнению промежутков между областями материала 54. Контраст показателей преломления между полупроводниковым материалом 56 и материалом 54 со сформированным рисунком образует светоизвлекающую структуру. Слои 18 устройства выращены на полупроводниковом слое 56, как описано выше.
[0054] Альтернативно, как показано на Фиг. 16, на затравочном слое 24 и материале 54 со сформированным рисунком может быть выращен полупроводниковый слой 60 в условиях, когда вертикальный рост преобладает над горизонтальным. В результате создают столбики из полупроводникового материала, разделенные воздушными карманами 58, поверх материала 54 со сформированным. Условия выращивания могут затем быть изменены на условия, которые способствуют горизонтальному росту, чтобы создать сплошной плоский слой 60 поверх пустот 58. Контраст показателя преломления между пустотами 58 и полупроводниковым материалом 60 и между материалом 54 со сформированным рисунком и полупроводниковым материалом 60 создает светоизвлекающую структуру. Контраст показателя преломления между пустотами 58 и полупроводниковым материалом 60 может привести к значительному извлечению света, даже когда материал 54 со сформированным рисунком очень тонкий, например толщиной меньше 5 нм. Слои устройства выращены на полупроводниковом слое 60, как описано выше.
[0055] В некоторых вариантах воплощения материал 54 со сформированным рисунком используют для формирования рисунка нижележащего затравочного слоя 24, например, с помощью традиционных способов травления. Например, окна, выровненные с отверстиями или остальные участки материала 54 со сформированным рисунком, могут быть сформированы в затравочном слое 24. Окна в затравочном слое 24 могут простираться через всю толщину затравочного слоя 24 так, что открыт связующий слой 38, или они могут простираться только через часть толщины затравочного слоя 24. После формирования рисунка затравочного слоя, материал 54 со сформированным рисунком удален с помощью традиционного способа. Полупроводниковый материал может быть выращен поверх затравочного слоя со сформированным рисунком в условиях, когда вертикальный рост преобладает над горизонтальным, так что пустоты сохранены в затравочном слое и/или первоначально выращенном участке полупроводниковой структуры. Условия роста затем могут быть изменены на условия, когда горизонтальный рост преобладает над вертикальным, чтобы создать сплошной плоский слой поверх пустот. Затем выращены слои 18 устройства. Данная структура подобна структуре, проиллюстрированной на Фиг.16, за исключением отсутствия под пустотами материала 54 со сформированным рисунком.
[0056] В некоторых вариантах воплощения на каждой области создан отражающий p-контакт в области p-типа. Участки p-контакта, область p-типа и светоизлучающая область могут быть удалены из каждой области, чтобы открыть участок области n-типа, на котором создан n-контакт. Устройство затем соединено со сборкой межсоединениями, выстроенными по одной линии с n- и p-контактами на каждой области. Отдельные области могут быть объединены электрическими соединениями, созданными на полупроводниковой структуре или на сборке. Вся подложка-основа или ее часть, связующий слой и затравочный слой могут быть удалены из устройства несмотря на то, что в некоторых вариантах воплощения они остаются частью готового устройства. Структура извлечения света обычно остается частью устройства. В некоторых вариантах воплощения p-контакт создан на каждой области p-типа, затем n-контакт создан на противоположной стороне полупроводниковой структуры как на проводящей подложке-основе, связывающем слое или затравочном слое, так и на поверхности области n-типа, открытой удалением сложной подложки для выращивания.
[0057]В некоторых вариантах воплощения слои 18 устройства, показанные на Фиг. 7, 13, 15 и 16, могут быть выращены, чтобы соединиться поверх канавок между отдельными областями, чтобы создать отдельную область материала, непрерываемую канавками 34.
[0058] Компоновка устройств, включающих несколько островков полупроводникового материала, таких как устройства, описанные выше, более подробно описана в Заявке на патент США 12/236853, озаглавленной “ Semiconductor Light Emitting Devices Grown On Composite Substrates” и введенной в данный документ по ссылке.
[0059] Необязательный конвертирующий длину волны материал, который поглощает свет, излучаемый светоизлучающей областью, и испускает свет одной или более различных пиковых длин волн, может быть расположен поверх светоизлучающего слоя. Материалом, конвертирующим длину волны, может быть, например, один или более порошкообразный люминофор, помещенный в прозрачный материал, например кремнийорганическое соединение или эпоксидную смолу, и осажденный на LED трафаретной печатью или нанесением через трафарет, упомянутый один или более люминофор, созданный электрофоретическим осаждением, или один или более керамический люминофор, приклеенный или соединенный с LED, один или более кристалл или любые сочетания вышеописанных конвертирующих длину волны слоев. Керамические люминофоры описаны более подробно в Патенте США 7361938, который введен в данный документ по ссылке. Материал, конвертирующий длину волны, может быть сформирован так, что часть света, испускаемого светоизлучающей областью, остается неконвертируемой материалом, конвертирующим длину волны. В некоторых вариантах воплощения неконвертируемый свет является голубым, а конвертируемый свет является желтым, зелеными и/или красным, так что сочетание конвертируемого и неконвертируемого цвета, излучаемого устройством, кажется белым.
[0060] В некоторых вариантах воплощения поверх островков или поверх конвертирующего длину волны материала сформированы поляризаторы, дихроичные фильтры или другие оптические устройства, известные в данном уровне техники.
[0061] В некоторых вариантах воплощения описанные выше устройства скомбинированы с другими светоизвлекающими элементами, такими как макроскопическое формирование LED. Например, если каждая область занимает определенный размер отдельного светодиода (например, шириной приблизительно сотни микрон или миллиметры), то боковые стенки LED могут быть расположены под углом с помощью травления или полирования.
[0062] После того как данное изобретение описано более подробно, квалифицированный специалист в данной области техники может оценить, что, приводя настоящее раскрытие, могут быть выполнены модификации без отступления от объема идей изобретения, описанных в данном документе. Например, несмотря на то что описанные выше примеры нацелены на устройства на III-нитриде, устройства, выполненные из совокупности других материалов, например, таких как другие III-V материалы, устройства на III-As или на III-P или II-VI устройства, могут быть использованы в вариантах воплощения изобретения. Кроме того, несмотря на то что описанные выше примеры выращены на сложных подложках, в некоторых вариантах воплощения устройства могут быть выращены на других подложках, например Si подложках. Вариация показателя преломления, которая создает светоизвлекающую область, может быть сформирована на поверхности Si подложки или полупроводниковом или неполупроводниковом слое, созданном на Si подложке. Поэтому оно не подразумевает то, что объем данного изобретения ограничен конкретными описанными и проиллюстрированными вариантами воплощения.