具有增大的提取效率的再发光半导体构造制造技术

本发明专利技术整体涉及固态半导体光源以及相关的器件、系统、和方法。半导体层叠堆(310)形成再发光半导体构造(RSC)。叠堆(310)包括将第一波长的光转换成第二波长的光的有源区(316)，有源区(316)包括至少一个势阱。叠堆(310)还包括从叠堆的外表面延伸到有源区的无源区(318)。凹陷(326)形成于叠堆(310)中，且凹陷(326)从外表面延伸到无源区(318)内。平均凹陷深度为无源区的厚度的至少50％。作为另外一种选择，平均凹陷深度为最近势阱距离的至少50％。本发明专利技术还公开了凹陷(326)的其他可供选择的特征。凹陷(326)可在平面图中具有至少40％的堆积密度。凹陷(326)的投影表面积的相当大一部分还可与倾斜表面相关。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关专利申请本专利申请与和本文同一天提交且以引用方式并入的下述美国专利申请有关：标题为“Re-Emitting Semiconductor Carrier Devices For Use With LEDs and Methods of Manufacture”(与LED结合使用的再发光半导体载体器件以及制造方法)的美国专利申请号61/175,636(代理人案卷号65435US002)、和标题为“Semiconductor Devices Grown on Indium-Containing Substrates Utilizing Indium Depletion Mechanisms”(在含铟衬底上利用铟耗尽机制生长的半导体器件)的美国专利申请号61/175,632(代理人案卷号65434US002)。
本专利技术整体涉及固态半导体光源以及相关的器件、系统、和方法。
技术介绍
已知多种半导体器件和制备半导体器件的方法。这些器件中的一些被设计为发射光，例如可见光或近可见(如，紫外或近红外)光。实例包括发光二极管(LED)和激光二极管。另一个实例为形成再发光半导体构造(RSC)的半导体层叠堆。与LED不同，RSC不需要来自外电子电路的电驱动电流来发射光。相反，RSC通过在RSC的有源区吸收第一波长λ1的光而产生电子空穴对。这些电子和空穴随后在有源区的势阱中复合以根据势阱的数目和它们的设计特征而发射不同于第一波长λ1的第二波长λ2以及任选的其他波长λ3、λ4等的光。第一波长λ1的引发辐射或“泵浦光”通常由耦接至RSC的发射蓝光、紫光、或紫外光的LED来提供。示例性的RSC器件、其构造方法、以及相关器件和方法可见于(如)美国专利7,402,831(Miller等人)、美国专利申请公开US 2007/0284565(Leatherdale等人)和US 2007/0290190(Haase等人)、PCT公开WO 2009/048704(Kelley等人)、以及2008年6月26日提交的标题为“Semiconductor Light Converting Construction”(半导体光转换构造)的待审的美国专利申请序列号61/075,918(代理人案卷号64395US002)，上述全部专利均以引用方式并入本文。图1示出了组合RSC 108和LED 102的示例性器件100。LED具有位于LED衬底106上的LED半导体层叠堆104(有时称为外延层)。层104可包括p型和n型结层、光发射层(通常包括量子阱)、缓冲层、和覆盖层。层104可通过任选粘合层116附接至LED衬底106。LED具有上表面112和下表面，并且上表面为纹理化的，从而与上表面为平坦的情况相比增加从LED的光提取。电极118、120可设置在这些上表面和下表面上，如图所示。当通过这些电极连接至合适的电源时，LED发射第一波长λ1的光，其可对应于蓝光或紫外(UV)光。LED光中的一些进入RSC 108并且在此被吸收。RSC 108通过粘合层110附接至LED的上表面112。RSC具有上和下表面122、124，其中来自LED的泵浦光通过下表面124进入。RSC还包括量子阱结构114，所述量子阱结构114被设计为使得此结构的某些部分中的带隙被选定以便吸收LED 102发出的泵浦光的至少一些。通过吸收泵浦光而产生的电荷载流子进入此结构中具有更小带隙的其他部分，即量子阱层，在此处载流子复合并产生更长波长的光。这在图1中示为第二波长λ2的再发射的光，其源于RSC 108内并且离开RSC以提供输出光。图2示出了包括RSC的示例性半导体层叠堆210。使用分子束外延(MBE)在磷化铟(InP)晶片上生长叠堆。首先通过MBE在InP衬底上生成GaInAs缓冲层以制备用于II-VI生长的表面。然后通过超高真空传递系统将该晶片移至另一个MBE室以生长用于RSC的II-VI外延层。生长RSC的细节示于图2中并且概述于表1中。该表列出了与RSC相关的不同层的厚度、材料组成、带隙、和层描述。RSC包括八个CdZnSe量子阱230，其中每个量子阱均具有2.15eV的跃迁能量。每个量子阱230被夹在能够吸收LED发射的蓝光的具有2.48eV的带隙能量的CdMgZnSe吸收层232之间。RSC还包括各种窗口层、缓冲层、和渐变层。表1这种和其他RSC器件的其他细节可见于PCT公开WO2009/048704(Kelley等人)中。由于RSC中的层由半导体材料构成并且半导体材料通常具有相对高的折射率，因此第二波长λ2的光、以及RSC内产生的任何其他光易于在RSC内的外表面处通过全内反射被捕集并且易于在RSC内被吸收而非有利于所发射的输出光。因此，为了减少此损耗机制，已提出对RSC的一个或多个主表面进行表面纹理化以提高RSC内产生的长波长光的提取效率。参见(如)PCT公开WO 2009/048704(Kelley等人)。
技术实现思路
具体地讲，本文描述了改进再发光半导体构造(RSC)的光提取的现有技术的器件和方法。因此，除了仅纹理化RSC的一个或多个表面之外，本文公开了尤其适用于RSC应用的提取特征的具体设计细节。本专利技术所公开的细节中的一些涉及RSC的具体特征或特性。例如，在一些情况下，可能重要的是区分RSC的有源区和无源区，以便指定这些区域与提取特征的关系。在一些情况下，可能重要的是辨识下文中称为最近势阱距离的RSC特征，以便指定该参数与提取特征之间的关系。在一些情况下，可能重要的是辨识RSC的其他特征以便指定与RSC结合使用的有利提取特征。本专利申请因此公开了(除了别的以外)包括半导体层叠堆的器件。叠堆包括有源区和第一无源区。有源区包括至少第一势阱，并且适于将第一波长λ1的光转换成第二波长λ2的光。第一无源区从叠堆的外表面延伸到有源区，并且特征在于其内传播的第一波长λ1的光基本上不转换成其他光。从叠堆的外表面到有源区的距离对应于第一无源区的厚度。叠堆还包括在其中形成的多个凹陷，所述凹陷从外表面延伸到第一无源区内，凹陷通过平均凹陷深度来表征，并且其中平均凹陷深度为第一无源区的厚度的至少50％。另外公开了包括半导体层叠堆的器件。叠堆包括有源区和第一无源区。有源区包括至少第一势阱，并且适于将第一波长λ1的光转换成第二波长λ2的光。第一无源区从叠堆的外表面延伸到有源区，并且特征在于其内传播的第一波长λ1的光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.05.05 US 61/175,6401.一种器件，其包括：
半导体层的叠堆，所述叠堆包括：
有源区，适于将第一波长λ1的光转换成第二波长λ2的光，所
述有源区包括至少第一势阱；以及
第一无源区，从所述叠堆的外表面延伸到所述有源区，从所
述外表面到所述有源区的距离对应于所述第一无源区的厚度，所述第
一无源区的特征在于其内传播的所述第一波长λ1的光基本上不转换成
其他光；
其中，所述叠堆还包括在其中形成的多个凹陷，所述多个凹陷从
所述外表面延伸到所述第一无源区内，所述凹陷通过平均凹陷深度来
表征，并且其中所述平均凹陷深度为所述第一无源区的厚度的至少
50％。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述凹陷具有标称相同的深
度。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第
一无源区的厚度的至少60％。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第
一无源区的厚度的至少70％。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第
一无源区的厚度的至少80％。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述平均凹陷深度为所述第
一无源区的厚度的至少90％。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述凹陷基本上不延伸到所
述有源区内。
8.根据权利要求1所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有二
维形状，并且其中所述凹陷具有标称相同的二维形状。
9.根据权利要求1所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有最
大横向尺寸，并且其中所述凹陷具有标称相同的横向尺寸。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述叠堆沿基本上平行于
参考平面的横向方向延伸，并且其中各个凹陷包括相对于所述参考平
面成斜角倾斜的表面。
11.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在平面图中具有
投影面积，并且其中所述投影面积的至少20％对应于以斜角倾斜的表
面。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述投影面积的至少20％
对应于以10度到80度范围内的斜角倾斜的表面。
13.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在垂直于所述参
考平面的局部剖视平面中具有轮廓，并且其中各个凹陷的所述轮廓包
括弯曲部分。
14.根据权利要求13所述的器件，其中各个凹陷的所述轮廓包括
大致U形的末端。
15.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在垂直于所述参
考平面的局部剖视平面中具有轮廓，并且其中各个凹陷的所述轮廓包
括大致V形的末端。
16.根据权利要求10所述的器件，其中各个凹陷在垂直于所述参
考平面的局部剖视平面中具有轮廓，并且其中各个凹陷的所述轮廓包
括大致截平的V形末端。
17.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体层叠堆的有源
区还包括第一吸收层，所述第一吸收层毗邻所述第一势阱，并且具有
大于所述第一势阱的跃迁能量的带隙能量。
18.根据权利要求1所述的器件，其中所述叠堆沿基本上平行于
参考平面的横向方向延伸，并且其中位于所述凹陷的至少一些之间的
所述外表面的一部分为平坦的并且平行于所述参考平面。
19.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少40％
的堆积密度，所述堆积密度为当所述外表面在平面图中显示时由所述
多个凹陷占据的面积百分比。
20.根据权利要求19所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少
50％的堆积密度。
21.根据权利要求20所述的器件，其中所述多个凹陷具有至少
60％的堆积密度。
22.根据权利要求1所述的器件，其中所述有源区包括具有第一
折射率的第一半导体材料，并且所述无源区包括具有第二折射率的第
二半导体材料，所述第一和第二折射率是在所述第二波长λ2下测定的，
并且其中所述第二折射率为所述第一折射率的至少80％。
23.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个凹陷通过相邻凹
陷之间的平均间距Λ来表征，并且其中Λ大于所述第二波长λ2除以所
述无源区的折射率。
24.根据权利要求1所述的器件，其中所述外表面暴露于空气。
25.根据权利要求1所述的器件，其中所述外表面由固态非半导
体材料覆盖。
26.根据权利要求25所述的器件，其中所述固态非半导体材料包
括粘结材料。
27.根据权利要求1所述的器件，其中所述叠堆具有整体叠堆厚
度，并且其中所述第一无源区的厚度大于所述整体叠堆厚度的50％。
28.根据权利要求1所述的器件，其中所述有源区...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨朝晖，易亚沙，凯瑟琳·A·莱瑟达勒，迈克尔·A·哈斯，特里·L·史密斯，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：