[发明专利]半导体结构及制造半导体结构的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种具有增强光扩射性能的半导体结构，其用作发光器件的一部分。更独特地，本半导体结构由具有纤锌矿晶体结构的III族金属氮化物组成，并在(0001)定向基片(oriented substrate)上气相生长，其由半导体结构材料或异质材料形成。本发明还涉及一种制造这种结构的方法。

背景技术

用于发光二极管的半导体结构的设计，通过两个主要参数影响了二极管的整体效率：即光产生区内电功率转换为光功率的效率及结构中该区域内产生的光的发射效率。发光结构由III族金属氮化物构成，其以气相生长于异质基片，反射率小于结构材料的反射率，在所述发光结构中，由于在结构/基片和结构/周围界面发生的反射，所以产生的光的大部分在结构内部进行传播。只有在某一临界角内传播的光的部分能经过结构表面离开结构，这个临界角根据Snell定律限定并与表面标准方向有关。这个临界角依赖于周围材料、基片和结构材料的折射率。由于基片的折射率(如蓝宝石折射率约为1.8)和周围材料(如典型的树脂封装折射率约为1.5)的折射率间差异显著，与结构材料的折射率(≈2.5-3)相比，这个临界角相对要小。作为波导，大于三分之二的光可以在结构层中传播。在发光二极管芯片(chip)上，这些光潜在具有能经过芯片表面离开的可能。然而，由于结构层和电极存在许多损耗机理，所以大部分的光在离开芯片表面前就损失了。因此，光从结构中发射出来的效率显著下降，这会导致器件整体效率降低。

许多方法中包含了换位(ex-situ)工艺操作，这些方法组成了专心于此问题的发明的重要部分。一种改进自结构发射光的性能的方法是将光发射表面制成半圆形。这种方法由Scifres和Burnham在美国专利3,954,534中公开，它包括基片上半圆形凹槽的形成，及在基片上半导体层的后续生长和移开基片。另外一种解决方法由Krames和Kish Jr在美国专利5,779,924中公开。这种方法提出通过制造规则的表面结构，来实现从结构到周围的整体光功率传输的增加。这种结构减少了结构和周围之间分界面的菲涅耳反射，并且增大了临界角，光可通过表面离开结构，在此临界角内进行传播。Kish Jr和Stockman在美国专利5,793,062中提出，在结构内部嵌入不吸收的、分布式的布拉格反射器，其设计成使光改变方向以远离诸如芯片内部接触面的吸收结构。事实上，对于III族氮金属要产生水平分布式的布拉格反射器是很难的。Gardner等人在美国专利6,847,057 B1中公开了一种发光器件，其中通过构造基片表面、或结构表面、或某个内部结构接触面而提供改进的光扩散。这项发明还提出使用一种可选的极化选择层，使有效区发射的光子被极化。极化选择层可以是线栅偏振器(wire gridpolarizer)，它可在与器件层相对的基片的一面上形成。线栅偏振器反射那些与界线平行的极化光子，并且传送那些与界线垂直的极化光子。线栅偏振器和反射结构表面的结合应该使光子反复循环，直到它们达到一个确定的极性。通过上面所述，这些方法的一个共同缺点是：尽管它们提供有效的光扩散，但是它们需要许多换位操作，这会导致制造过程复杂。