專利名稱：具有增大的提取效率的再發(fā)光半導(dǎo)體構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及固態(tài)半導(dǎo)體光源以及相關(guān)的器件、系統(tǒng)、和方法。
背景技術(shù)：
已知多種半導(dǎo)體器件和制備半導(dǎo)體器件的方法。這些器件中的一些被設(shè)計(jì)為發(fā)射光，例如可見光或近可見(如，紫外或近紅外)光。實(shí)例包括發(fā)光二極管(LED)和激光二極管。另一個(gè)實(shí)例為形成再發(fā)光半導(dǎo)體構(gòu)造(RSC)的半導(dǎo)體層疊堆。與LED不同，RSC不需要來自外電子電路的電驅(qū)動(dòng)電流來發(fā)射光。相反，RSC通過在RSC的有源區(qū)吸收第一波長(zhǎng)X1的光而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這些電子和空穴隨后在有源區(qū)的勢(shì)阱中復(fù)合以根據(jù)勢(shì)阱的數(shù)目和它們的設(shè)計(jì)特征而發(fā)射不同于第一波長(zhǎng)X1的第二波長(zhǎng)λ 2以及任選的其他波長(zhǎng)λ3、入4等的光。第一波長(zhǎng)X1的引發(fā)輻射或“泵浦光”通常由耦接至RSC的發(fā)射藍(lán)光、紫光、或紫外光的LED來提供。示例性的RSC器件、其構(gòu)造方法、以及相關(guān)器件和方法可見于(如)美國(guó)專利7，402，831 (Miller等人)、美國(guó)專利申請(qǐng)公開 US 2007/0284565 (Leatherdale 等人)和 US 2007/0290190 (Haase 等人)、PCT 公開WO 2009/048704 (Kelley等人)、以及2008年6月洸日提交的標(biāo)題為‘、emiconductor Light Converting Construction”(半導(dǎo)體光轉(zhuǎn)換構(gòu)造)的待審的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào) 61/075，918 (代理人案卷號(hào)64395US002)，上述全部專利均以引用方式并入本文。

圖1示出了組合RSC 108和LED 102的示例性器件100。LED具有位于LED襯底 106上的LED半導(dǎo)體層疊堆104 (有時(shí)稱為外延層)。層104可包括ρ型和η型結(jié)層、光發(fā)射層(通常包括量子阱)、緩沖層、和覆蓋層。層104可通過任選粘合層116附接至LED襯底 106。LED具有上表面112和下表面，并且上表面為紋理化的，從而與上表面為平坦的情況相比增加從LED的光提取。電極118、120可設(shè)置在這些上表面和下表面上，如圖所示。當(dāng)通過這些電極連接至合適的電源時(shí)，LED發(fā)射第一波長(zhǎng)X1W光，其可對(duì)應(yīng)于藍(lán)光或紫外(UV) 光。LED光中的一些進(jìn)入RSC 108并且在此被吸收。RSC 108通過粘合層110附接至LED的上表面112。RSC具有上和下表面122、124， 其中來自LED的泵浦光通過下表面IM進(jìn)入。RSC還包括量子阱結(jié)構(gòu)114，所述量子阱結(jié)構(gòu) 114被設(shè)計(jì)為使得此結(jié)構(gòu)的某些部分中的帶隙被選定以便吸收LED 102發(fā)出的泵浦光的至
6少一些。通過吸收泵浦光而產(chǎn)生的電荷載流子進(jìn)入此結(jié)構(gòu)中具有更小帶隙的其他部分，即量子阱層，在此處載流子復(fù)合并產(chǎn)生更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。這在圖1中示為第二波長(zhǎng)λ2的再發(fā)射的光，其源于RSC 108內(nèi)并且離開RSC以提供輸出光。圖2示出了包括RSC的示例性半導(dǎo)體層疊堆210。使用分子束外延(MBE)在磷化銦αηΡ)晶片上生長(zhǎng)疊堆。首先通過MBE在InP襯底上生成(iaInAs緩沖層以制備用于 II-VI生長(zhǎng)的表面。然后通過超高真空傳遞系統(tǒng)將該晶片移至另一個(gè)MBE室以生長(zhǎng)用于RSC 的II-VI外延層。生長(zhǎng)RSC的細(xì)節(jié)示于圖2中并且概述于表1中。該表列出了與RSC相關(guān)的不同層的厚度、材料組成、帶隙、和層描述。RSC包括八個(gè)Cda^e量子阱230，其中每個(gè)量子阱均具有2. 15eV的躍遷能量。每個(gè)量子阱230被夾在能夠吸收LED發(fā)射的藍(lán)光的具有 2. 48eV的帶隙能量的CdMgZMe吸收層232之間。RSC還包括各種窗口層、緩沖層、和漸變層。
權(quán)利要求
1.一種器件，其包括半導(dǎo)體層的疊堆，所述疊堆包括有源區(qū)，適于將第一波長(zhǎng)X1的光轉(zhuǎn)換成第二波長(zhǎng)λ 2的光，所述有源區(qū)包括至少第一勢(shì)阱；以及第一無源區(qū)，從所述疊堆的外表面延伸到所述有源區(qū)，從所述外表面到所述有源區(qū)的距離對(duì)應(yīng)于所述第一無源區(qū)的厚度，所述第一無源區(qū)的特征在于其內(nèi)傳播的所述第一波長(zhǎng) λ ！的光基本上不轉(zhuǎn)換成其他光；其中，所述疊堆還包括在其中形成的多個(gè)凹陷，所述多個(gè)凹陷從所述外表面延伸到所述第一無源區(qū)內(nèi)，所述凹陷通過平均凹陷深度來表征，并且其中所述平均凹陷深度為所述第一無源區(qū)的厚度的至少50%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述凹陷具有標(biāo)稱相同的深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述第一無源區(qū)的厚度的至少 60%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述第一無源區(qū)的厚度的至少 70%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述第一無源區(qū)的厚度的至少 80%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述第一無源區(qū)的厚度的至少 90%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述凹陷基本上不延伸到所述有源區(qū)內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中各個(gè)凹陷在平面圖中具有二維形狀，并且其中所述凹陷具有標(biāo)稱相同的二維形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中各個(gè)凹陷在平面圖中具有最大橫向尺寸，并且其中所述凹陷具有標(biāo)稱相同的橫向尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述疊堆沿基本上平行于參考平面的橫向方向延伸，并且其中各個(gè)凹陷包括相對(duì)于所述參考平面成斜角傾斜的表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中各個(gè)凹陷在平面圖中具有投影面積，并且其中所述投影面積的至少20%對(duì)應(yīng)于以斜角傾斜的表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述投影面積的至少20%對(duì)應(yīng)于以10度到80 度范圍內(nèi)的斜角傾斜的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中各個(gè)凹陷在垂直于所述參考平面的局部剖視平面中具有輪廓，并且其中各個(gè)凹陷的所述輪廓包括彎曲部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中各個(gè)凹陷的所述輪廓包括大致U形的末端。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中各個(gè)凹陷在垂直于所述參考平面的局部剖視平面中具有輪廓，并且其中各個(gè)凹陷的所述輪廓包括大致V形的末端。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中各個(gè)凹陷在垂直于所述參考平面的局部剖視平面中具有輪廓，并且其中各個(gè)凹陷的所述輪廓包括大致截平的V形末端。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述半導(dǎo)體層疊堆的有源區(qū)還包括第一吸收層， 所述第一吸收層毗鄰所述第一勢(shì)阱，并且具有大于所述第一勢(shì)阱的躍遷能量的帶隙能量。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述疊堆沿基本上平行于參考平面的橫向方向延伸，并且其中位于所述凹陷的至少一些之間的所述外表面的一部分為平坦的并且平行于所述參考平面。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多個(gè)凹陷具有至少40%的堆積密度，所述堆積密度為當(dāng)所述外表面在平面圖中顯示時(shí)由所述多個(gè)凹陷占據(jù)的面積百分比。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的器件，其中所述多個(gè)凹陷具有至少50%的堆積密度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其中所述多個(gè)凹陷具有至少60%的堆積密度。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述有源區(qū)包括具有第一折射率的第一半導(dǎo)體材料，并且所述無源區(qū)包括具有第二折射率的第二半導(dǎo)體材料，所述第一和第二折射率是在所述第二波長(zhǎng)λ 2下測(cè)定的，并且其中所述第二折射率為所述第一折射率的至少80%。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多個(gè)凹陷通過相鄰凹陷之間的平均間距Λ 來表征，并且其中Λ大于所述第二波長(zhǎng)λ 2除以所述無源區(qū)的折射率。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述外表面暴露于空氣。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述外表面由固態(tài)非半導(dǎo)體材料覆蓋。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的器件，其中所述固態(tài)非半導(dǎo)體材料包括粘結(jié)材料。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述疊堆具有整體疊堆厚度，并且其中所述第一無源區(qū)的厚度大于所述整體疊堆厚度的50%。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述有源區(qū)具有有源區(qū)厚度，并且其中所述第一無源區(qū)的厚度大于所述有源區(qū)厚度。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其與被構(gòu)造成發(fā)射所述第一波長(zhǎng)X1的光的電致發(fā)光器件相結(jié)合。
30.一種器件，其包括半導(dǎo)體層的疊堆，所述疊堆包括有源區(qū)，適于將第一波長(zhǎng)X1的光轉(zhuǎn)換成第二波長(zhǎng)λ 2的光，所述有源區(qū)包括至少第一勢(shì)阱；以及第一無源區(qū)，從所述疊堆的外表面延伸到所述有源區(qū)，所述第一無源區(qū)的特征在于其內(nèi)傳播的所述第一波長(zhǎng)λ工的光基本上不轉(zhuǎn)換成其他光；其中所述第一勢(shì)阱為相對(duì)于所述疊堆的外表面的最近勢(shì)阱，并且通過從所述外表面到所述第一勢(shì)阱的最近勢(shì)阱距離來表征；并且其中，所述疊堆還包括在其中形成的多個(gè)凹陷，所述多個(gè)凹陷從所述外表面延伸到所述第一無源區(qū)內(nèi)，所述凹陷通過平均凹陷深度來表征，并且其中所述平均凹陷深度為所述最近勢(shì)阱距離的至少50%。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中所述凹陷具有標(biāo)稱相同的深度。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述最近勢(shì)阱距離的至少 60%。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述最近勢(shì)阱距離的至少 70%。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述最近勢(shì)阱距離的至少 80%。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的器件，其中所述平均凹陷深度為所述最近勢(shì)阱距離的至少 90%。
36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中所述凹陷基本上不延伸到所述有源區(qū)內(nèi)。
37.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中所述疊堆沿基本上平行于參考平面的橫向方向延伸，并且其中各個(gè)凹陷包括相對(duì)于所述參考平面成斜角傾斜的表面。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的器件，其中各個(gè)凹陷在平面圖中具有投影面積，并且其中所述投影面積的至少20%對(duì)應(yīng)于以斜角傾斜的表面。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的器件，其中所述投影面積的至少20%對(duì)應(yīng)于以10度到80 度范圍內(nèi)的斜角傾斜的表面。
40.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中所述多個(gè)凹陷具有至少40%的堆積密度，所述堆積密度為當(dāng)所述外表面在平面圖中顯示時(shí)由所述多個(gè)凹陷占據(jù)的面積百分比。
41.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其與被構(gòu)造成發(fā)射所述第一波長(zhǎng)X1的光的電致發(fā)光器件相結(jié)合。
42.一種多層半導(dǎo)體構(gòu)造，其包括半導(dǎo)體層的疊堆，被構(gòu)造用于吸收第一波長(zhǎng)的光并且發(fā)射較長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)的光，所述疊堆包括勢(shì)阱；第一半導(dǎo)體層，吸收所述第一波長(zhǎng)的光，并且具有折射率Ii1 ；和第二半導(dǎo)體層，具有折射率n2，并且包括用于從所述疊堆中提取所述第二波長(zhǎng)的光的多個(gè)提取結(jié)構(gòu)；其中n2等于或大于叫。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的制品，其中對(duì)于所述疊堆中設(shè)置在所述第一和第二半導(dǎo)體層之間的任何層，該層具有不大于n2的折射率。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的制品，其中所述疊堆包括設(shè)置在所述第一和第二半導(dǎo)體層之間的第三半導(dǎo)體層，并且其中所述第二半導(dǎo)體層具有第二帶隙能量，且所述第三半導(dǎo)體層具有高于所述第二帶隙能量的第三帶隙能量。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的制品，其中所述勢(shì)阱和所述第一半導(dǎo)體層為所述疊堆的有源區(qū)的一部分，所述第一波長(zhǎng)的光在所述疊堆的有源區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換成所述第二波長(zhǎng)的光，所述疊堆還具有無源區(qū)，所述無源區(qū)的特征在于其內(nèi)傳播的所述第一波長(zhǎng)的光基本上不轉(zhuǎn)換光，所述無源區(qū)包括所述第二半導(dǎo)體層并且具有無源區(qū)厚度；其中所述多個(gè)提取結(jié)構(gòu)包括多個(gè)凹陷，所述多個(gè)凹陷通過平均凹陷深度來表征，并且其中所述平均凹陷深度為所述無源區(qū)厚度的至少50%。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的制品，其中所述疊堆沿基本上平行于參考平面的橫向方向延伸，其中所述多個(gè)提取結(jié)構(gòu)包括多個(gè)凹陷，并且其中各個(gè)凹陷包括相對(duì)于所述參考平面成斜角傾斜的表面。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的制品，其中各個(gè)凹陷在平面圖中具有投影面積，并且其中所述投影面積的至少20%對(duì)應(yīng)于以斜角傾斜的表面。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的制品，其中所述投影面積的至少20%對(duì)應(yīng)于以10度到80度范圍內(nèi)的斜角傾斜的表面。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的制品，其中所述多個(gè)凹陷具有至少40%的堆積密度，所述堆積密度為當(dāng)所述外表面在平面圖中顯示時(shí)由所述多個(gè)凹陷占據(jù)的面積百分比。
50.根據(jù)權(quán)利要求46所述的制品，其與被構(gòu)造成發(fā)射所述第一波長(zhǎng)的光的電致發(fā)光器件相結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明整體涉及固態(tài)半導(dǎo)體光源以及相關(guān)的器件、系統(tǒng)、和方法。半導(dǎo)體層疊堆(310)形成再發(fā)光半導(dǎo)體構(gòu)造(RSC)。疊堆(310)包括將第一波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成第二波長(zhǎng)的光的有源區(qū)(316)，有源區(qū)(316)包括至少一個(gè)勢(shì)阱。疊堆(310)還包括從疊堆的外表面延伸到有源區(qū)的無源區(qū)(318)。凹陷(326)形成于疊堆(310)中，且凹陷(326)從外表面延伸到無源區(qū)(318)內(nèi)。平均凹陷深度為無源區(qū)的厚度的至少50％。作為另外一種選擇，平均凹陷深度為最近勢(shì)阱距離的至少50％。本發(fā)明還公開了凹陷(326)的其他可供選擇的特征。凹陷(326)可在平面圖中具有至少40％的堆積密度。凹陷(326)的投影表面積的相當(dāng)大一部分還可與傾斜表面相關(guān)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102460741SQ201080030323
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者凱瑟琳·A·萊瑟達(dá)勒, 易亞沙, 楊朝暉, 特里·L·史密斯, 邁克爾·A·哈斯 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司