[发明专利]包括光抽取结构的III-V发光器件

说明书

技术领域

本发明涉及包括光抽取结构的半导体发光器件。

背景技术

半导体发光器件，包括发光二极管（LED）、共振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器，是目前可得到的最有效光源之一。在制造能够跨越可见光谱操作的高亮度发光器件方面目前引起关注的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也被称作III-氮化物材料。通常，通过用金属-有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物上外延地生长不同成分和掺杂质浓度的半导体层的堆叠来制作III-氮化物发光器件。该堆叠通常包括在衬底上形成的一个或多个更多用例如Si掺杂的n型层，在一个或多个n型层上形成的有源区（active region）中的一个或更多的发光层，以及在所述有源区上形成的用例如Mg掺杂的一个或更多P型层。在N型区和P型区上形成电接触。

图1示出了在US2007/0072324中更详细描述的复合生长衬底，其以引用的方式结合到本文中。“衬底10包括主体衬底（host substrate）12、晶种层16以及粘结主体12和晶种层16的粘结层14。. . . 衬底10中的层由能够经受在器件中生长半导体层所需的加工条件的材料形成。例如，在通过MOCVD生长的III-氮化物器件的情况下，在衬底10中的每一层必须能够经受超过1000℃温度的H₂环境；在通过MBE生长的III-氮化物器件的情况下，在衬底10中的每一层必须能够在真空中经受超过600℃的温度。

“主体衬底12为衬底10以及在衬底10上生长的半导体器件层18提供机械支撑。主体衬底12通常为3到500微米厚且通常厚度超过100微米。在主体衬底12保持为器件的一部分的实施例中，如果光从器件中穿过主体衬底12提取，则主体衬底12可以是至少部分地透明的。主体衬底12通常不必是单晶材料，因为器件层18不直接在主体衬底12上生长。在一些实施例中，选择主体衬底12的材料以使具有的热膨胀系数（CTE）与器件层18的CTE和晶种层16的CTE相匹配。能够经受外延层18的加工条件的任何材料都可为合适的……，包括半导体、陶瓷和金属。诸如GaAs之类的材料具有理想地接近于器件层18的CTE的CTE，但在通过MOCVD生长III-氮化物层所需要的温度下通过升华分解，该材料可以与诸如沉积在GaAs主体和晶种层16之间的氮化硅之类的不渗透的盖层（cap layer）一起使用。

“晶种层16是器件层18在其上生长的层，因此它必须是III-氮化物晶体在其上能够成核的材料。晶种层16可以处于约 50 ?和1μm厚之间。在一些实施例中，晶种层16与器件层18的材料是CTE匹配的。晶种层16通常是与器件层18合理接近地晶格匹配的单晶材料。通常其上生长器件层18的晶种层16的上表面的结晶取向是纤锌矿（wurtzite）[0001] c轴。在晶种层16作为最终器件的一部分的实施例中，如果光从器件穿过晶种层16提取，那么晶种层16可以是透明的或薄的。

“一个或更多的粘结层14将主体衬底12粘结到晶种层16。粘结层14可以处于约100 ?和1μm厚之间。适合的粘结层的例子包括SiO_x如SiO₂、SiN_x如Si₃N₄、HfO₂、它们的混合物；金属如Mo、Ti、TiN，其它合金，以及其它半导体或电介质。因为粘结层14连接主体衬底12和晶种层16，所以选择形成粘结层14的材料以在主体12和晶种16之间提供优良粘结。在一些实施例中，粘结层14是由能够被不侵蚀器件层18的蚀刻剂蚀刻的材料形成的释放层（release layer），从而使器件层18和晶种层16从主体衬底12释放。例如，粘结层14可以是SiO₂，其可以用HF湿蚀刻而不会破坏III-氮化物器件层18。在粘结层14保持作为最终器件一部分的实施例中，粘结层14优选是透明或很薄的。在一些实施例中，可以省略粘结层14，晶种层16可以直接粘附到主体衬底12上。