CN117916882A - 光电设备和光电半导体器件 - Google Patents

光电设备和光电半导体器件 Download PDF

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Abstract

一种光电设备(20)包括光电半导体器件(10)的阵列。光电设备(20)包括半导体层堆叠(105)，该半导体层堆叠(105)包括第一导电类型的第一半导体层(110)、有源区(115)和第二导电类型的第二半导体层(120)。邻近的光电半导体器件(10)由垂直延伸穿过半导体层堆叠(105)的分隔元件(125)分隔。光电半导体器件(10)被配置成经由第一半导体层(110)的第一主表面(111)发射生成的电磁辐射(15)。光电设备(20)还包括布置在第一半导体层(110)的一侧上的金属层(130)的部分，该金属层(130)的部分背离有源区(115)并且布置在分隔元件(125)的位置处。

Description

光电设备和光电半导体器件
例如用于增强或虚拟现实应用的显示器包括阵列或小型化LED(“发光二极管”)。正在努力开发具有改进方向性的光发射的微型LED。
本发明的目的是提供改进的光电设备以及改进的光电半导体器件。
发明内容
根据实施方式，以上目的通过根据独立权利要求的要求保护的主题来实现。进一步的发展在从属权利要求中限定。
一种光电设备包括光电半导体器件的阵列。该光电设备包括半导体层堆叠，该半导体层堆叠包括第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层。邻近的光电半导体器件由垂直延伸穿过半导体层堆叠的分隔元件分隔。光电半导体器件被配置成经由第一半导体层的第一主表面发射生成的电磁辐射。光电设备还包括布置在第一半导体层的一侧上的金属层的部分，该金属层的部分背离有源区并且布置在分隔元件的位置处。
根据实施方式，分隔元件包括导电体和使导电体与半导体层堆叠绝缘的绝缘层。金属层的部分的最大水平延伸大于或等于导电体的最小水平延伸。
金属层可以包括银或金或其他合适的反射金属。
根据实施方式，金属层的部分的水平延伸随着距第一主表面的距离的增加而增加。根据另外的实施方式，金属层的部分的水平延伸随着距第一主表面的距离的增加而减小。
根据示例，可以在金属层的部分的侧壁之上布置电介质层。
例如，金属层的厚度可以等于或大于0.1*we，其中，we是发射区域的宽度。通常，we可以对应于第一半导体层和第二半导体层的最大水平延伸。
根据另外的实施方式，光电半导体器件包括：半导体层堆叠，该半导体层堆叠包括第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层；以及分隔元件，邻近半导体层堆叠布置，分隔元件沿半导体层堆叠垂直延伸。光电半导体器件被配置成经由第一半导体层的第一主表面发射生成的电磁辐射。光电半导体器件还包括布置在第一半导体层的一侧上的金属层的部分，该金属层的部分背离有源区并且布置在分隔元件的位置处。空隙或多个孔形成在第一半导体层的第一主表面中，空隙或多个孔的垂直延伸v大于0.75*t，其中，t表示第一半导体层的层厚度。单独孔的深度可以是不同的。在平面视图中，孔的形状可以是圆形、正方形、矩形、三角形、六边形等，并且可以彼此不同。
根据另外的实施方式，一种光电半导体器件包括半导体层堆叠，该半导体层堆叠包括第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层。分隔元件邻近半导体层堆叠布置，分隔元件沿半导体层堆叠垂直延伸。光电半导体器件被配置成经由第一半导体层的第一主表面发射生成的电磁辐射。光电半导体器件还包括布置在第一半导体层的一侧上的金属层的部分，该金属层的部分背离有源区并且布置在分隔元件的位置处。在第一半导体层的第一主表面中形成多个孔，使得有序光子结构形成在第一半导体层的第一主表面中。
例如，分隔元件中的每个分隔元件包括通过电介质层与半导体层堆叠绝缘的导电体。
光电半导体器件还可以包括布置在空隙中或多个孔中的至少一个孔中的电介质填充物。
根据实施方式，光电半导体器件还包括填充在空隙或多个孔中的至少一个孔中的透明导电氧化物材料。
例如，半导体层堆叠被图案化以形成台面(mesa)，空隙的侧壁相对于水平方向的角度小于台面的侧壁相对于水平方向的角度。
根据示例，光电半导体器件还包括布置在孔中的至少一个孔中的反射材料。
通过示例的方式，反射材料包括布置在孔中的至少一个孔的侧壁上的电介质镜层。
附加地或替选地，反射材料可以包括金属。
根据实施方式，光电半导体器件包括半导体层堆叠，该半导体层堆叠包括第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层。光电半导体器件被配置成经由第一半导体层的第一主表面发射生成的电磁辐射。有源区的横向宽度z小于第一半导体层和第二半导体层的最小横向宽度c。
例如，有源区的横向宽度小于0.3*c，其中，c表示第一半导体层的最小横向宽度。
光电半导体器件还可以包括布置在第一半导体层的第一主表面上方的透镜，透镜的焦点布置在有源区的位置处。
根据实施方式，光电半导体器件还包括邻近半导体层堆叠布置的分隔元件，分隔元件沿半导体层堆叠垂直延伸。
光电半导体器件还可以包括布置在第一半导体层的一侧上的金属层的部分，该金属层的部分背离有源区并且布置在分隔元件的位置处。
光电设备包括上述光电半导体器件的阵列。
光电设备还可以包括分隔元件，该分隔元件包括绝缘材料，分隔元件被设置在光电半导体器件之间、在第一半导体层的第一主表面的位置处，并且具有小于半导体层堆叠的厚度的垂直延伸b。
附图被包括以提供对本发明的实施方式的进一步理解，并且被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的实施方式，并且与描述一起用于说明原理。将容易地理解本发明的其他实施方式和许多预期的优点，因为通过参照以下的详细描述它们变得更好理解。附图中的元件不一定是相对于彼此按比例的。类似的附图标记表示对应的类似部分。
附图说明
图1A至图1C示出了根据实施方式的光电设备的垂直截面图。
图2A至图2C示出了根据另外的实施方式的光电设备的截面图。
图3A至图3C示出了根据实施方式的光电半导体器件的垂直截面图。
图3D和图3E示出了根据实施方式的光电半导体器件的水平截面图。
图4A和图4B示出了根据另外的实施方式的半导体器件的截面图。
图4C示出了光电半导体器件的细节的另外的修改。
图5A至图5C示出了根据另外的实施方式的光电半导体器件的截面图。
图6A和图6B示出了根据另外的实施方式的光电半导体器件的截面图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，对附图进行参照，附图形成本发明的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本发明的特定实施方式。在这个方面，诸如“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“前面(front)”、“后面(back)”、“上面”、“上”、“上方”、“前面的(leading)”、“后面的(trailing)”等方向术语参照所描述附图的取向使用。由于本发明的实施方式的部件能够以多个不同的取向定位，因此方向术语用于说明的目的，而绝不是限制性的。应当理解，在不脱离权利要求所限定的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑变化。
对实施方式的描述不是限制性的。特别地，下文中描述的实施方式的元件可以与不同实施方式的元件组合。
以下描述中使用的术语“晶片”或“半导体基板”可以包括具有半导体表面的任何基于半导体的结构。晶片和结构应被理解为包括掺杂和未掺杂半导体、例如由基础半导体基底支承的外延半导体层以及其他半导体结构。例如，第一半导体材料的层可以生长在第二半导体材料的生长基板上。根据另外的实施方式，生长基板可以是绝缘基板，例如，蓝宝石基板。根据使用的目的，半导体可以基于直接或间接半导体材料。特别地，适于生成电磁辐射的半导体材料的示例包括：氮化物化合物半导体，例如GaN、InGaN、AlN、AlGaN、AlGaInN，通过该氮化物化合物半导体可以生成例如紫外线或蓝光或更长波长的光；磷化物化合物半导体，例如GaAsP、AlGaInP、GaP、AlGaP，通过该磷化物化合物半导体可以生成例如绿光或更长波长的光；以及另外的半导体材料，包括AlGaAs、SiC、ZnSe、GaAs、ZnO、Ga2O3、金刚石、六方BN和这些材料的组合。半导体材料的另外示例也可以是硅、硅锗和锗。化合物半导体材料的化学计量比可以变化。在本说明书的上下文中，术语“半导体”还包含有机半导体材料。
本说明书中使用的术语“垂直”旨在描述与基板或半导体主体的第一表面垂直布置的取向。
本说明书中使用的术语“横向”和“水平”旨在描述与基板或半导体主体的第一表面平行的取向。例如，这可以是晶片或管芯的表面。
如本文中使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示所陈述元件或特征的存在的开放性术语，但不排除附加的元件或特征。除非上下文另有明确指出，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数和单数。
如在本说明书中采用的，术语“耦接”和/或“电耦接”不意味着元件必须直接耦接在一起，即，可以在“耦接”或“电耦接”的元件之间设置中间元件。术语“电连接”旨在描述电连接在一起的元件之间的低欧姆电连接。
术语“电连接”还包括连接的元件之间的隧穿接触。
图1A示出了根据实施方式的光电设备的垂直截面图。如下面将说明的，光电设备20包括光电半导体器件10的阵列。光电设备包括半导体层堆叠105，该半导体层堆叠105包括第一导电类型(例如，n型)的第一半导体层110、有源区115和第二导电类型(例如，p型)的第二半导体层120。
例如，有源区115可以包括用于生成辐射的pn结、双异质结构、单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。在该上下文中，术语“量子阱结构”对于量化的维度没有含义。因此，其包括量子阱、量子线和量子点以及这些层的任何组合等。
邻近的光电半导体器件由垂直延伸穿过半导体层堆叠105的分隔元件125分隔。光电半导体器件10被配置成经由第一半导体层110的第一主表面111发射生成的电磁辐射15。光电设备20还包括布置在第一半导体层110的一侧上的金属层130的部分，该金属层130的部分背离有源区115并且布置在分隔元件125的位置处。
光电设备20可以布置在合适的载体100上，该载体100可以由绝缘、导电或半导体材料制成。布置在邻近光电半导体器件之间的分隔元件125可以包括导电体126和使导电体126与半导体层堆叠105绝缘的绝缘层129。例如，导电体可以包括分隔金属层127。分隔金属层127可以例如包括透明导电氧化物，例如ITO(“铟锡氧化物”)。分隔金属层127可以邻近绝缘层129布置。例如，分隔金属层127可以从第二半导体层120下方的一部分延伸到有源区115上方的区域。分隔金属层的水平部分可以电连接至第二半导体层。
第二电流扩散层140可以布置在载体100上。第二电流扩散层140可以经由分隔金属层127电连接至第二半导体层120。第二电流扩散层140的部分可以形成分隔元件125的导电体126的一部分。
例如，图1A中所示的结构可以通过使半导体层堆叠105在生长基板上生长使得第一半导体层110与生长基板邻近来形成。随后，在半导体层堆叠105中形成分隔槽。分隔槽内衬有绝缘层129和分隔金属层127。例如，可以从金属层127与第二半导体层120接触的部分去除绝缘层129。此后，在槽的剩余部分中填充另外的金属层，以形成导电体126的一部分，并且还形成第二电流扩散层140。由于分隔槽的形成，半导体层堆叠105被图案化为多个单台面128。其中形成有光电半导体器件10的单台面128可以例如具有正方形、圆形、具有圆角的正方形、六边形或具有圆角的六边形的形状。可以从图3B和图3E所示的水平截面图中识别出单个半导体器件10的示例。
第一半导体层110和第二半导体层120的材料可以包括InxGayAl1-x-yP，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，或者包括GaN和InGaN。
第一电流扩散层135可以布置在第一半导体层110的第一主表面111上。分隔元件125可以延伸至第一电流扩散层135。绝缘层129的水平上部部分可以与第一电流扩散层135邻近。第一电流扩散层135可以由透明材料(例如，透明导电氧化物)制成，或者也可以是第一半导体层110的一部分。
金属层130的部分布置在第一半导体层的一侧上。例如，金属层130可以包括通常采用的接触材料，例如AuGe、PdGe、Ag、Ag等。金属层130可以包括若干子层。例如，金属层130还可以包括在任何这些接触材料下方的诸如ITO的透明导电氧化物的层。
此外，可以在接触层上形成另外的金属。另外的金属可以包括银、或金或具有高反射率的另一金属。金属层的部分的水平宽度s可以大于或小于或等于分隔元件126的导电体126的最小宽度d。根据实施方式，水平宽度s可以大于或等于最小宽度d。在这种情况下，可以进一步改进发射的电磁辐射的方向性。
金属层的部分的高度h可以等于或大于0.1*we，其中，we是光发射部分的发射区域的宽度。
例如，单个光电半导体器件10的尺寸可以小于10μm。如还在图1A中所示出的，由于金属层130的部分的存在，可以使发射的电磁辐射15的束成形。因此，生成的电磁辐射的方向性被增强。金属层130的部分可以布置在相应台面128之间。根据另外的实施方式，金属层130的部分也可以在一定程度上与台面交叠。
图1B示出了根据另外的实施方式的光电设备20的垂直截面图。图1B的光电设备20包括与图1A中所示的光电设备同样或相同的部件。与图1A所示的实施方式不同，图1B的光电设备包括金属层130的部分，其中，部分的侧壁是倾斜的。如图1B所示，侧壁131可以具有相对于第一半导体层110的第一主表面111的大于90°的角度α。因此，金属层130的直径随着距第一半导体层110的距离增加而变小。在这种情况下，术语“金属层的部分的最大水平延伸”表示金属层的部分在与第一半导体层110邻近的区域中的宽度s。因此，金属层130的部分实现了梯形金属网格。例如，可以通过定制负性光致抗蚀剂侧壁斜度的斜度以及通过使用具有更好共形性的金属沉积方法(例如，行星电子束、溅射或电镀)来形成梯形金属网格。此后，如果需要，可以执行抛光以暴露光致抗蚀剂，随后进行剥离过程。根据另外的实现方式，这也可以通过干法蚀刻和调整抗蚀剂材料的干法蚀刻选择性相对于金属的干法蚀刻选择性来实现。
图1C的光电设备20与图1A和图1B所示的光电设备相同或包括与图1A和图1B所示的光电设备相同的部件。与图1A和图1B所示的实施方式不同的是，金属层130的侧壁131具有相对于水平面的小于90°的角度α。换言之，金属层130的部分的宽度s随着距第一半导体层的距离的增加而增加。在这种情况下，金属层130的部分的最大水平延伸s布置在背离第一半导体层110的一侧上。
因此，金属层130的部分实现了倒梯形金属网格。在图1C中示出的倒梯形金属网格可以通过定制正性光致抗蚀剂侧壁斜度、沉积金属并通过借助抛光去除顶部的金属直至光致抗蚀剂来形成。此后，通过标准抗蚀剂剥离方法去除剩余的光致抗蚀剂材料。
图2A的光电设备20包括与图1A所示的光电设备20同样或相同的部件。此外，电介质层132的部分形成在金属层130的部分上，以覆盖金属层130的侧壁131以及顶部部分。因此，金属层130的部分由电介质层132封装。由于电介质层132的存在，可以减少由金属层130对发射的电磁辐射15的吸收。
例如，电介质层132可以包括电介质镜。通常，电介质镜或DBR镜可以包括交替堆叠的第一成分的第一层和第二成分的第二层。第一层和第二层可以是电介质层。例如，第一层可以具有高折射率，并且第二层可以具有低折射率。在该上下文中，术语“高折射率”和“低折射率”可以意味着高折射率大于可以取决于材料***的特定值。低折射率小于特定值。
例如，层厚度可以为约λ/4或λ/4的倍数，其中，λ表示在特定介质中要反射的光的波长。电介质镜或DBR镜可以包括多于两个的不同层。例如，层的最大数目可以是10。单层的典型层厚度可以为30至90nm，例如约50nm。
图2B的光电设备20包括与图1B的光电设备20相同或对应的部件。此外，在金属层上形成已参照图2A说明的电介质层132。以与以上讨论类似的方式，电介质层132可以包括电介质镜。
图2C的光电设备20包括与图1C的光电设备20相同或对应的部件。此外，在金属层130的部分上形成已参照图2A说明的电介质层132。以与以上讨论类似的方式，电介质层132可以包括电介质镜。
根据实施方式，在图2A至图2C中所示的光电设备可以通过在第一半导体层110的部分上也布置电介质层132来进一步修改。在这种情况下，电介质层可以被优化为金属上的高反射层，而在半导体上方为抗反射层。根据另外的实施方式，单独的电介质层可以用于覆盖金属层130的部分并且覆盖第一半导体层110的部分。
图3A示出了根据另外的实施方式的光电设备20的垂直截面图。光电设备20包括光电半导体器件10的阵列。光电设备包括半导体层堆叠105，该半导体层堆叠105包括第一导电类型(例如，n型)的第一半导体层110、有源区115和第二导电类型(例如，p型)的第二半导体层120。
例如，有源区115可以包括用于生成辐射的pn结、双异质结构、单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。在该上下文中，术语“量子阱结构”对于量化的维度没有含义。因此，其包括量子阱、量子线和量子点以及这些层的任何组合。
邻近的光电半导体器件由垂直延伸穿过半导体层堆叠105的分隔元件125分隔。光电半导体器件10被配置成经由第一半导体层110的第一主表面111发射生成的电磁辐射15。光电设备20还包括布置在第一半导体层110的一侧上的第一接触元件136或金属层的部分，这些第一接触元件136或金属层的部分背离有源区115，并且布置在分隔元件125的位置处。
光电设备20可以布置在合适的载体100上，该载体100可以由绝缘、导电或半导体材料制成。布置在邻近光电半导体器件之间的分隔元件125可以包括导电体126和使导电体126与半导体层堆叠105绝缘的绝缘层129。例如，导电体可以包括分隔金属层127。分隔金属层127可以例如包括透明导电氧化物，例如ITO(“铟锡氧化物”)。分隔金属层127可以邻近绝缘层129布置。例如，分隔金属层127可以从第二半导体层120下方的一部分延伸到有源区115上方的区域。分隔金属层的水平部分可以电连接至第二半导体层。
第一半导体层110和第二半导体层120的材料可以包括InxGayAl1-x-yP，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，或者包括GaN和InGaN。
第二电流扩散层140可以布置在载体100上。第二电流扩散层140可以经由分隔金属层127电连接至第二半导体层120。第二电流扩散层140的部分可以形成分隔元件125的导电体126的一部分。
例如，可以以上文参照图1A所说明的类似方式形成图3A中所示的结构。
第一电流扩散层135可以布置在第一半导体层110的第一主表面111上。分隔元件125可以延伸至第一电流扩散层135。绝缘层129的水平上部部分可以与第一电流扩散层135邻近。第一电流扩散层135可以由诸如透明导电氧化物的透明材料制成。
金属层136的部分布置在第一半导体层的一侧上。例如，金属层可以包括通常采用的接触材料，例如AuGe、PdGe、Ag、Ag等。金属层可以包括若干子层。例如，金属层还可以包括在任何这些接触材料下方的诸如ITO的透明导电氧化物的层。例如，单个光电半导体器件10的尺寸可以小于10μm。
导电层的部分136可以实现用于电连接第一电流扩散层135的第一接触元件。第一接触元件136的高度h可以是任意的。例如，第一接触元件136的高度h可以小于0.1*we，其中，we是光发射部分的发射区域的宽度。
图3B示出了根据另外的实施方式的光电设备20的垂直截面图。光电设备20包括多个光电半导体器件10。光电设备20包括与图3A所示的光电设备类似或相同的部件。此外，光电半导体器件10中的每一个还包括形成在第一半导体层110的第一主表面111中的空隙107。空隙的垂直延伸v大于0.75*t，其中，t表示第一半导体层150的层厚度。换言之，每个空隙的深度v可以较大，并且空隙107甚至可以延伸至有源区115的位置。因此，第一半导体层的材料被去除，以减少吸收。例如，空隙107的水平宽度w可以小于宽度c，该宽度c可以对应于第一半导体层110或第二半导体层120的最小水平延伸。例如，空隙的水平宽度可以至少为1μm。例如，空隙的水平宽度可以小于0.9*we，其中，we表示光发射区域的宽度。可以通过考虑吸收与电流扩散之间的权衡来选择空隙107的水平延伸w。如图3B所示，空隙107的侧壁不需要相对于垂直方向倾斜。根据另外的实施方式，空隙107的侧壁也可以是垂直的。发射部分的宽度(例如相邻分隔元件125之间的距离)可以小于100μm或更小，例如约2μm。由于空隙的形成，至少第一电流扩散层135的一部分被去除。
图3C示出了包括多个光电半导体器件的光电设备的另外的垂直截面图。与图3B所示的实施方式不同，在第一半导体层110的第一主表面111中形成多个孔108。孔可以具有大于0.75*t的垂直延伸v，其中，t表示第一半导体层的层厚度。
孔108可以相同或者相互不同。例如，孔108可以在深度、形状和/或宽度上不同。此外，下面将描述孔108的各种填充物。孔108的填充物可以相同或者相互不同。例如，可以填充孔108中的一些孔，而不填充孔108中的其他孔。根据另外的实施方式，其他孔可以用不同的材料填充。相邻孔108之间的距离可以相同或相互不同。
根据另外的实施方式，如图3C所示的包括孔108的半导体主体可以实现有序光子结构106。例如，有序光子结构106可以包括光子晶体。根据另外的实施方式，有序光子结构还可以包括光子准晶体。此外，有序光子结构还可以包括确定性非周期性结构。
通常，在本公开内容的上下文中，术语“有序光子结构”意味着其中结构元件布置在预定位置处的结构。结构元件的布置图案服从特定顺序。有序光子结构的功能由结构元件的布置产生。例如，结构元件被布置成使得衍射效应发生。例如，结构元件可以周期性地布置成使得光子晶体被实现。根据另外的实施方式，结构元件可以布置成使得它们表示确定性非周期性结构，例如沃格尔螺旋。根据另外的实施方式，结构元件可以被布置成使得它们实现准周期晶体，例如阿基米德晶格。
图3D示出了图3B所示的半导体器件的水平截面图。在图3C中所示的I与I'之间截取截面图。如所示出的，多个半导体器件10被分隔元件125分隔。导电体126包括分隔金属层127。分隔元件125具有网格形状。如以上所讨论的，单个光电半导体器件的形状可以是例如正方形、圆形、具有圆角的正方形、六边形或具有圆角的六边形的形状。同样地，空隙107的形状可以是例如正方形、圆形、具有圆角的正方形、三角形、六边形或具有圆角的六边形的形状。根据另外的实施方式，空隙107的不同形状是可能的。
图3E示出了图3C所示的光电设备的水平截面图。在图3C中所示的I与I'之间截取截面图。如所示出的，在每个光电半导体器件10的半导体层110中布置多个孔108。孔的形状可以是例如正方形形状、圆形形状、矩形形状或任何其他任意形状。
图4A示出了根据另外的实施方式的光电设备的垂直截面图。
光电半导体器件10的部件可以与参照图3B讨论的部件相同或类似。与图3B所示的实施方式不同的是，光电半导体器件还包括形成在每个空隙107中的电介质填充物109。根据实施方式，第一电流扩散层135可以布置在空隙107上。根据另外的实施方式，可以从空隙107正上方的部分去除第一电流扩散层135。在这种情况下，可以减少由第一电流扩散层135进行的吸收。
根据实施方式，电介质填充物109可以具有与第一半导体层110相同或类似的折射率。因此，该光电半导体器件10的光提取可以与没有空隙的光电半导体器件的光提取类似。例如，如果将GaN作为第一半导体层的材料，则可以使用Ti2O3作为折射率匹配的电介质材料109。
根据另外的实施方式，电介质填充物109可以具有与邻近半导体材料的折射率不同的折射率。
此外，如图4A所示，空隙107的侧壁112不需要平行于台面的侧壁114。例如，侧壁112相对于水平面的角度γ可以小于台面的侧壁114相对于水平面之间的角度。例如，差可以为至少15°。此外，根据实施方式，腔在腔107的最低部分中的尺寸可以等于或大于1/3*z，其中，z表示有源区的横向宽度。
当电介质填充物109具有与邻近半导体材料的折射率不同的折射率时，由于折射和减少的吸收，则发射的电磁辐射的量和方向可能改变。
图4B示出了与图3C所示的光电器件类似的光电器件20。与图3C所示的实施方式不同的是，电介质填充物109填充在孔108中。通过示例的方式，电介质填充物109可以具有可以与第一半导体层110的折射率类似的折射率，以提供类似的光提取性质。根据另外的实施方式，以参照图4A讨论的类似方式，电介质填充物109可以具有与第一半导体层的折射率不同的折射率。因此，发射的电磁辐射15的量和方向性可能改变。根据另外的实施方式，包括根据图4B所示的实施方式采用的孔108的半导体主体可以包括有序光子结构106，例如，光子晶体或确定性非周期性结构。有序光子结构可以改变发射的电磁辐射的量和方向性。此外，有序光子结构可以提供邻近光电半导体器件10之间的高对比度。
图4C示出了对图3C和图4B中所示的孔108的进一步修改。如所示出的，孔108可以延伸到深度v，该深度v可以大于0.75*t，t与第一半导体层的层厚度对应。如图4C的左手部分所示的，孔108的侧壁116相对于水平面的角度β可以是例如约90°。换言之，孔108的侧壁116可以在基本垂直的方向上延伸。因此，孔108的直径基本上不随着距有源区115的距离的减小而改变。
根据进一步的修改，角度β可以大于90°，如图4C的中间部分所示。因此，孔108的直径随着距有源区115的距离的减小而减小。
如图4C的右手部分所示，孔108的侧壁116与水平面之间的角度β可以小于90°。因此，孔108的直径随着距有源区115的距离减小而变大。
当要形成可以可选地延伸至有源区115的多个孔108时，可以使用SAG(“选择性区域生长”)外延方法来使第一半导体层生长。根据另外的实施方式，半导体层可以生长并且随后被蚀刻。
可以针对方向性和发射增强对孔的设计(例如，宽度、深度、侧壁斜度)进行优化。可以通过相应地调节光刻和蚀刻方法来调节特定设计。例如，可以适当地选择干法蚀刻参数。此外，可以选择性地蚀刻晶体小平面。根据另外的实施方式，可以适当地调节外延过程，例如，SAG外延过程。
根据另外的实施方式，可以在孔108中布置可以基本上改变第一半导体层110的光学性质的改性材料113。例如，如图5A所示，改性材料113可以是覆盖孔108的侧壁116而不填充孔108的衬里材料。例如，改性材料可以是与第一半导体层110相比具有不同折射率的电介质层。由于改性材料113的存在，可以改进外耦合和方向性，并且可以减少相邻光电半导体器件之间的串扰。根据另外的实施方式，改性材料113可以是透明的导电氧化物。因此，可以改善电流流动。
根据另外的实施方式，如图5B所示，改性材料113可以是填充物。以与上面已经讨论的类似的方式，改性材料113可以是与第一半导体层110相比具有不同的折射率的电介质材料。因此，可以改进外耦合和方向性。此外，可以减少相邻光电半导体器件10之间的串扰。根据另外的实施方式，改性材料113可以包括透明导电氧化物，并且可以被实现为填充物。
通常，可以针对期望的发射角度、发射增强和诸如扩散的其他性质对改性材料113的层厚度和材料进行优化。
图5C示出了根据另外的实施方式的光电半导体器件10的截面图。除了先前描述的元件之外，光电半导体器件10包括布置在孔108中的反射材料117。如图5C所示，反射材料117可以由布置在孔的侧壁116上的电介质或DBR镜118以及另外填充在孔108中的金属填充物来实现。
由于图5C所示的实现方式，可以改进外耦合。此外，通过定制子结构的尺寸，可以增强引导模式。例如，包括反射材料的孔可以延伸至有源区115，或甚至延伸至第二半导体层120。这可以通过自下而上的方式来实现，例如通过使具有嵌入式有源区域的半导体纳米棒或纳米鳍生长来实现。因此，根据实施方式，可以提供波导效应。因此，可以实现方向向上发射。此外，可以减少串扰并且可以优化电流流动。本领域技术人员将理解，可以优化反射材料117的设计和材料以增强上述效果。
图6A示出了根据另外的实施方式的光电半导体器件10的阵列的垂直截面图。光电半导体器件10包括半导体层堆叠105，该半导体层堆叠105包括第一导电类型的第一半导体层110、第二导电类型的第二半导体层120和有源区115。光电半导体器件被配置成经由第一半导体层110的第一主表面111发射生成的电磁辐射15。有源区115的横向宽度z小于第一半导体层和第二半导体层的最小横向宽度c。
如图6A所示，半导体层的横向宽度随着距载体100的距离的增加而增加。因此，第一半导体层和第二半导体层的最小横向宽度对应于第二半导体层120在底部部分处(即与载体100邻近的一侧)的横向宽度c。根据参照图6A和图6B描述的实施方式，有源区的横向宽度基本上小于例如像素发射孔径。换言之，半导体层堆叠105内的发射部分可以被视为点状发射器。
图6A和图6B所示的半导体器件的另外的部件与本文之前讨论的部件类似。例如，可以通过形成具有与邻近第一半导体层或第二半导体层的宽度对应的水平宽度的有源区来形成其中有源区115具有比第一半导体层和第二半导体层的宽度小的宽度的半导体层堆叠105。执行光刻步骤，随后是蚀刻有源区115，以减小有源区115的宽度z。此后，采用另外的外延方法来使第二半导体层120或第一半导体层110生长。因此，形成了具有基本上小于邻近半导体层的横向宽度并且被嵌入在半导体层堆叠105中的有源区115。
图6A所示的光电半导体器件10还包括透镜122，该透镜122形成在第一电流扩散层135和第一半导体层的第一主表面110上。透镜122可以具有这样的形状，使得有源区115布置在透镜122的焦点的位置处。例如，根据图6A所示的实施方式，第一电流扩散层135可以包括InGaAlP。在制造光电半导体器件的阵列时，可以在第一电流扩散层135上形成另外的透明的InAlP层。然后，可以对InAlP层进行蚀刻，以形成微型透镜122。例如，考虑到感兴趣的锥体中的期望光量，微型透镜122的形状可以被优化以用于准直。可以通过对覆盖用于形成微型透镜的材料层的光致抗蚀剂的形状进行调整以及通过改变干法蚀刻条件来定制形状。可以通过改变处理条件来改变光致抗蚀剂材料的形状。
另一种方法可以包括首先使用抗蚀剂掩模通过湿法蚀刻来蚀刻微型透镜，直到到达InGaAlP层。此后，可以在去除光致抗蚀剂掩膜之后继续蚀刻过程，以产生期望的InAlP透镜的曲率，从而形成微型透镜。
根据另外的实施方式，微型透镜可以由具有与半导体层的材料相匹配的折射率的材料形成。例如，在使用GaN半导体材料的情况下，透镜可以由TiOx形成。
图6B示出了光电半导体器件10的阵列的示例。根据图6B所示的实施方式，半导体材料可以包括GaN，并且微型透镜可以由例如TiOx形成，以获得折射率匹配的材料。例如，邻近半导体器件10之间的分隔元件125不包括如例如图6A中的情况那样的导电体。替代地，分隔元件125可以仅包括绝缘材料129和/或空隙124。例如，可以通过在生长基板(未示出)上使第一半导体层110和第二半导体层120以及有源区115外延生长来形成图6B中所示的光电设备20。
电介质层123(例如，SiO2)的部分被布置在生长基板上，以使邻近的光电半导体器件10绝缘。使用这种方法，首先使第一半导体层生长，随后使有源区115生长。在将有源区115图案化之后，使第二半导体层120外延生长。根据这种方法，没有半导体材料生长在生长基板的被电介质层123的部分覆盖的部分上。在载体100上形成第二电流扩散层140并将第二电流扩散层140附接至半导体层堆叠105之后，去除生长基板，以暴露电介质层123。此后，在得到的表面上形成用于形成微型透镜的材料，例如TiOx。将材料层图案化以形成多个微型透镜122，并且在得到的表面上形成第一接触元件136。
如上所述，通过例如在发射表面上形成金属层的部分、在第一半导体层中形成空隙和/或在光发射部分上形成透镜以及减小有源区115的宽度，可以提供具有大大改善的方向性的微型LED。例如，透镜的材料可以是半导体层的材料或包括半导体层的材料。根据另外的实施方式，透镜的材料可以不同于半导体层的材料。
包括上述光电半导体器件的阵列的光电设备可以例如用作虚拟现实显示器、增强现实显示器或普通投影装置。
对于这样的应用，例如，通过单独的p接触或n接触，可以使阵列中的每个单独的微型LED可单独寻址。
虽然上文已经描述了本发明的实施方式，但明显的是，可以实现另外的实施方式。例如，另外的实施方式可以包括权利要求书中记载的特征的任何子组合或以上给出的示例中描述的元件的任何子组合。因此，所附权利要求书的该精神和范围不应当限于本文所包含的实施方式的描述。
附图标记列表
10 光电半导体器件
15 发射的电磁辐射
20 光电设备
100 载体
105 半导体层堆叠
106 有序光子结构
107 空隙
108 孔
109 电介质填充物
110 第一半导体层
111 第一半导体层的第一主表面
112 空隙的侧壁
113 改性材料
114 台面的侧壁
115 有源区
116 孔的侧壁
117 反射材料
118 电介质镜
120 第二半导体层
122 透镜
123 电介质层
124 空隙
125 分隔元件
126 导电体
127 分隔金属层
128 台面
129 绝缘层
130 金属层的一部分
131 侧壁
132 电介质层
135 第一电流扩散层
136 第一接触元件
140 第二电流扩散层

Claims (23)

1.一种包括光电半导体器件(10)的阵列的光电设备(20)，所述光电设备包括：
半导体层堆叠(105)，其包括第一导电类型的第一半导体层(110)、有源区(115)和第二导电类型的第二半导体层(120)，
邻近的光电半导体器件(10)由垂直延伸穿过所述半导体层堆叠(105)的分隔元件(125)分隔，
所述光电半导体器件(10)被配置成经由所述第一半导体层(110)的第一主表面(111)发射生成的电磁辐射(15)，
布置在所述第一半导体层(110)的一侧上的金属层(130)的部分，其背离所述有源区(115)，并且布置在所述分隔元件(125)的位置处。
2.根据权利要求1所述的光电设备(20)，其中，所述分隔元件(125)包括导电体(126)和将所述导电体(126)与所述半导体层堆叠(105)绝缘的绝缘层(129)，其中，所述金属层(130)的部分的最大水平延伸大于或等于所述导电体(126)的最小水平延伸。
3.根据权利要求1所述的光电设备(20)，其中，所述金属层是水平金属层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(20)，其中，所述金属层(130)包括银或金。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(20)，其中，所述金属层(130)的部分的水平延伸随着距所述第一主表面(111)的距离的增加而增加。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光电设备(20)，其中，所述金属层(130)的部分的水平延伸随着距所述第一主表面(111)的距离的增加而减小。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(20)，还包括在所述金属层(130)的部分的侧壁之上的电介质层(132)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(20)，其中，所述金属层(130)的厚度大于0.1*we，其中，we是所述光电半导体器件中的至少一个光电半导体器件的发射区域的宽度。
9.一种光电半导体器件(10)，包括：
半导体层堆叠(105)，其包括第一导电类型的第一半导体层(110)、有源区(115)和第二导电类型的第二半导体层(120)，
分隔元件(125)邻近所述半导体层堆叠(105)布置，所述分隔元件(125)沿所述半导体层堆叠(105)垂直延伸，
所述光电半导体器件(10)被配置成经由所述第一半导体层(110)的第一主表面(111)发射生成的电磁辐射(15)，
布置在所述第一半导体层(110)的一侧上的金属层(130)的部分，其背离所述有源区(115)，并且布置在所述分隔元件(125)的位置处，
空隙(107)或多个孔(108)形成在所述第一半导体层(110)的所述第一主表面(111)中，所述空隙(107)或所述多个孔(108)的垂直延伸v大于0.75*t，其中，t表示所述第一半导体层(110)的层厚度。
10.一种光电半导体器件(10)，包括：
半导体层堆叠(105)，其包括第一导电类型的第一半导体层(110)、有源区(115)和第二导电类型的第二半导体层(120)，
分隔元件(125)邻近所述半导体层堆叠(105)布置，所述分隔元件(125)沿所述半导体层堆叠(105)垂直延伸，
所述光电半导体器件(10)被配置成经由所述第一半导体层(110)的第一主表面(111)发射生成的电磁辐射(15)，
布置在所述第一半导体层(110)的一侧上的金属层(130)的部分，其背离所述有源区(115)，并且布置在所述分隔元件(125)的位置处，
多个孔(108)形成在所述第一半导体层(110)的所述第一主表面(111)中，使得有序光子结构(106)形成在所述第一半导体层(110)的所述第一主表面(111)中。
11.根据权利要求9或10所述的光电半导体器件(10)，其中，所述分隔元件(125)中的每个分隔元件包括通过电介质层(129)与所述半导体层堆叠(105)绝缘的导电体(126)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的光电半导体器件(10)，还包括布置在所述空隙(107)中或所述多个孔(108)中的至少一个孔中的电介质填充物(109)。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的光电半导体器件(10)，还包括填充在所述空隙(107)中或所述多个孔(108)中的至少一个孔中的透明导电氧化物材料(113)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的光电半导体器件(10)，其中，所述半导体层堆叠(105)被图案化以形成台面(128)，所述空隙(107)的侧壁(112)相对于水平方向的角度小于所述台面(128)的侧壁(114)相对于水平方向的角度。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的光电半导体器件(10)，还包括布置在所述孔(108)中的至少一个孔中的反射材料(117)。
16.根据权利要求15所述的光电半导体器件(10)，其中，所述反射材料(117)包括布置在所述孔(108)中的至少一个孔的侧壁(116)上的电介质镜层(118)。
17.根据权利要求15或16所述的光电半导体器件(10)，其中，所述反射材料(117)包括金属。
18.一种光电半导体器件(10)，包括：
半导体层堆叠(105)，其包括第一导电类型的第一半导体层(110)、有源区(115)和第二导电类型的第二半导体层(120)，
所述光电半导体器件(10)被配置成经由所述第一半导体层(110)的第一主表面(111)发射生成的电磁辐射(15)，
其中，所述有源区(115)的横向宽度z小于所述第一半导体层和所述第二半导体层(110，120)的最小横向宽度c，所述光电半导体器件还包括：
分隔元件(125)邻近所述半导体层堆叠(105)布置，所述分隔元件(125)沿所述半导体层堆叠(105)垂直延伸；以及
布置在所述第一半导体层(110)的一侧上的金属层(130)的部分，其背离所述有源区(115)，并且布置在所述分隔元件(125)的位置处。
19.根据权利要求18所述的光电半导体器件(10)，其中，所述有源区(115)的横向宽度小于0.3*c，其中，c表示所述第一半导体层(110)的最小横向宽度。
20.根据权利要求18或19所述的光电半导体器件(10)，还包括布置在所述第一半导体层(110)的所述第一主表面(111)上方的透镜(122)，所述透镜(122)的焦点布置在所述有源区(115)的位置处。
21.一种光电设备(20)，包括根据权利要求9至17、19和20中任一项所述的光电半导体器件(10)的阵列。
22.一种光电设备(20)，包括根据权利要求18所述的光电半导体器件(10)的阵列。
23.根据权利要求22所述的光电设备(20)，还包括分隔元件(125)，所述分隔元件包括绝缘材料(129)或空隙(124)，所述分隔元件(125)被设置在所述光电半导体器件(10)之间、所述第一半导体层(110)的所述第一主表面(111)的位置处，并且具有小于所述半导体层堆叠(105)的厚度的垂直延伸b。
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