TW202015255A - 包含二極體陣列之光電元件 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種包括軸向二極體（100）陣列（200）之光電元件，每一二極體形成共振腔，該共振腔具有形成於其中之駐電磁波，每一發光二極體包括實質上位於電磁波之極值（110）之層面的活性區（104），該陣列形成經配置以使由二極體陣列供應的電磁輻射之強度最大化之光子晶體。

Description

包含二極體陣列之光電元件
本專利申請案主張法國專利申請FR18/55450之優先權權益，該法國專利申請被以引用的方式併入本文中。
本揭露內容係關於一種光電元件，特定言之，一種顯示螢幕或一種影像投影裝置，其包含由半導體材料組成之發光二極體，且係關於其製造方法。
已知將影像投影於透明螢幕之波導光柵之輸入上，例如，眼睛、汽車擋風玻璃或玻璃板，該影像接著朝向使用者之眼睛投射。此例如針對智慧型眼鏡或擴增實境眼鏡之情況。為了達成此，光電元件將影像投射於螢幕上。該等影像接著在螢幕中導引以到達使影像能夠由使用者看到之系統。光電元件可包含發光二極體，例如，由半導體材料組成。顯示器通常經配置以恰當地僅導引實質上在給定方向上傳播的由發光二極體發射之輻射。由發光二極體供應的輻射之方向性因此為此等光電元件之重要特性。
因此，一實施例提供一種包含軸向二極體陣列之光電元件，每一二極體形成共振腔，該共振腔具有形成於其中之駐電磁波，每一發光二極體包含實質上位於電磁波之極值之層面的活性區，該陣列形成經配置以使由二極體陣列供應的電磁輻射之強度最大化之光子晶體。
根據一實施例，陣列包含支撐件，其具有擱置於其上之二極體，每一二極體包含以下各者之堆疊：在支撐件上之第一半導體區域、與第一半導體區域接觸之活性區及與活性區接觸之第二半導體區域。
根據一實施例，裝置包含在支撐件與二極體之第一區域之間的反射性層。
根據一實施例，反射性層由金屬製成。
根據一實施例，二極體之第二區域覆蓋有至少部分對由二極體發射的輻射透明之傳導性層。
根據一實施例，二極體中之至少一者之高度實質上與kλ/2n成比例，其中λ為由二極體發射的輻射之波長，k為一正整數，且n實質上等於在考慮之光學模式中的二極體之有效折射率。
根據一實施例，二極體由電絕緣材料分開。
根據一實施例，陣列包含至少第一及第二二極體總成，該第一總成之二極體具有一相同第一高度，該第二總成之二極體具有一相同第二高度，第一高度與第二高度不同。
根據一實施例，對於二極體中之至少一者，二極體之第一區域包含由蝕刻終止層分開之至少兩個部分。
根據一實施例，每一蝕刻終止層具有在自1 nm至200 nm之範圍中的一厚度。
根據一實施例，陣列之間距與供應之電磁輻射之波長的商在自大致0.4至大致0.92之範圍中。
根據一實施例，二極體為發光二極體或光電二極體。
另一實施例提供一種製造包含軸向二極體陣列之光電元件之方法，每一二極體形成共振腔，該共振腔具有形成於其中之駐電磁波，每一發光二極體之活性區實質上位於電磁波之極值之層面，該陣列之間距經配置以使由二極體陣列供應之強度最大化。
根據一實施例，陣列之二極體之形成包含： 在基板上形成第一區域，該等第一區域相互由陣列之間距分開； 在每一第一區域上形成活性區；及 在每一活性區上形成第二區域。
根據一實施例，該方法包含蝕刻所有第二區域使得其具有一相同高度之第一步驟。
根據一實施例，該方法包含蝕刻所有第一區域使得其具有使活性區能夠位於電磁波之極值之層面的高度之第二步驟。
根據一實施例，第二蝕刻步驟係在活性區之形成前進行。
根據一實施例，第二蝕刻步驟前為移除基板之步驟，該第二蝕刻步驟係自二極體之最靠近基板的端部進行。
根據一實施例，該方法包含在二極體中之至少一者之第一區域中形成至少一個層，其能夠用作用於第二蝕刻步驟之終止層。
根據一實施例，二極體為發光二極體或光電二極體。
在各種圖式中，相同元件已用相同元件符號來標示，且另外，各種圖式未按比例。為了清晰起見，已僅展示及詳述了對理解描述之實施例有用之彼等步驟及元件。詳言之，考慮之光電元件視情況包含將不詳述之其他組件。
在以下描述中，當對修飾絕對位置（諸如，術語「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「左邊」、「右邊」等）或相對位置（諸如，術語「在……上方」、「在……下」、「上部」、「下部」等）之術語或對修飾方向（諸如，術語「水平」、「垂直」等）之術語進行參考時，其指所關注之元件在圖式中之定向。術語「大致」、「約」、「實質上」及「大約」在本文中用以標示所論述的值的正或負10%、較佳地正或負5%之公差。
當說到「透明」或「反射性」元件時，考慮對於裝置意欲操作之波長（例如，由考慮之發光二極體發射的電磁輻射之波長）透明或反射性之元件。
另外，發光二極體之術語「活性區」表示由發光二極體提供之多數電磁輻射發射自的發光二極體之區域。
術語軸向發光二極體表示沿著具有在自5 nm至2.5 µm、較佳地自50 nm至2.5 µm之範圍中的叫作次要尺寸之至少兩個尺寸之一主方向具有一細長形狀（例如，圓柱形）之三維結構。叫作主要尺寸之第三尺寸大於或等於最大次要尺寸之1倍，較佳地大於或等於最大次要尺寸之5倍，且最佳地大於或等於最大次要尺寸之10倍。在某些實施例中，次要尺寸可小於或等於大致1 µm，較佳地在自100 nm至1 µm、更佳地自100 nm至800 nm之範圍中。在某些實施例中，每一發光二極體之高度可大於或等於500 nm，較佳地，在自1 µm至50 µm之範圍中。
第1圖為一軸向發光二極體100之一實施例之透視圖。
發光二極體100包含區域102、活性區104及區域106之堆疊。區域102之上表面與活性區104之下表面接觸。活性區104之上表面與區域106之下表面接觸。
發光二極體100叫作軸向，此係由於活性區104與區域102成直線，且區域106與活性區104成直線。軸線Δ對應於軸向發光二極體之軸線。
區域102由第一傳導類型（例如，P摻雜）之經摻雜半導體材料製成。區域102擱置於支撐件105上，該支撐件例如電子電路（例如，***器），其包含接觸區域102且使得能夠控制發光二極體100之互連件。軸線Δ接頭與支撐件105之上表面正交。區域102之下表面109（亦即，支撐件105之側上的表面）與反射性層接觸。舉例而言，下表面109可與支撐件105藉由由金屬（例如，鋁）製成之層107分開。舉例而言，金屬層107可全部或部分覆蓋支撐件105。
區域106由與第一傳導類型不同的第二傳導類型（例如，類型N）之半導體材料製成。區域106之上表面111例如覆蓋有未展示的透明或半反射性材料中之一者或多個之層（或具有一堆疊層），例如，透明傳導性氧化物（transparent conductive oxide; TCO）層。
區域102及106可至少部分由主要包含III-V化合物（例如，III-N化合物）之半導體材料組成。第III族元素之實例包含包含鎵（Ga）、銦（In）或鋁（Al）。III-N化合物之實例為GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN或AlInGaN。亦可使用其他第V族元素，例如，磷（P）或砷（As）。通常，在III-V化合物中之元素可與不同莫耳分率組合。
區域102及106可至少部分由主要包含II-VI化合物之半導體材料組成。第II族元素之實例包含第IIA族元素，特定言之，鈹（Be）及錳（Mg），及第IIB族元素，特定言之，鋅（Zn）、鎘（Cd）及汞（Hg）。第VI族元素之實例包含第VIA族元素，特定言之，氧（O）及碲（Te）。II-VI化合物之實例為ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe或HgTe。通常，在II-VI化合物中之元素可與不同莫耳分率組合。
區域102及106可至少部分由主要包含至少一種第IV族化合物之半導體材料組成。第IV族半導體材料之實例為矽（Si）、碳（C）、鍺（Ge）、碳化矽合金（SiC）、矽鍺合金（SiGe）或碳化鍺合金（GeC）。
區域102及106可包含摻雜劑。作為一實例，對於III-V化合物，摻雜劑可選自包含P型第II族摻雜劑（例如，錳（Mg）、鋅（Zn）、鎘（Cd）或汞（Hg））、P型第IV族摻雜劑（例如，碳（C））或N型第IV族摻雜劑（例如，矽（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）、硫（S）、鋱（Tb）或錫（Sn））之群組。
較佳地，區域102為P摻雜GaN區域，且區域106為N摻雜GaN區域。
對於每一發光二極體，活性區104可包含界限構件。作為一實例，區104可包含一單一量子井。其接著包含與形成區域102及106之半導體材料不同且具有比形成區域102及106之材料之能隙小的能隙之半導體材料。活性區104可包含多個量子井。其接著包含形成量子井與障壁層之交替的一堆疊半導體層。
在第1圖中，展示之發光二極體100具有一圓柱體之形狀，該圓柱體具有軸線Δ之圓形底。然而，發光二極體100可具有具一多邊形底（例如，正方形、矩形或六邊形）之軸線Δ之圓柱體之形狀。較佳地，發光二極體100具有具一六邊形底的圓柱體之形狀。
發光二極體100之高度h（亦即，區域102之下表面109與區域106之上表面111之間的距離）實質上與k*λ/2*neff成比例，λ為由發光二極體發射的輻射之波長，neff為在考慮之光學模式中的發光二極體之有效折射率，且k為一正整數。有效折射率例如在Joachim Piprek之作品「Semiconductor Optoelectronic Devices: Introduction to Physics and Simulation」中定義。
高度h等於以下各者之總和：區域102之高度P1、活性區104之高度P2、區域106之高度P3及可覆蓋表面11的可選層之高度。
發光二極體100沿著軸線Δ形成一共振腔。因此，沿著軸線Δ之駐電磁波在操作中之發光二極體中形成，該駐電磁波由曲線108非常示意性地說明於第1圖中。該波遵循發光二極體100之對稱軸。因此，若發光二極體具有一圓形橫截面，則該波例如具有一繞轉對稱性。沿著軸線Δ之駐電磁波意謂具有其在空間中固定之節點（亦即，零強度之點）且在其他點具有可隨時間而變之強度的電磁波。
根據一實施例，活性區104有利地位於電磁波之極值110之層面。由發光二極體發射的輻射之功率強度則更重要，且自發光二極體逸出之輻射比在同一結構之發光二極體具有將不位於電磁波之極值處的活性區之情況下大的強度。
第2圖為發光二極體100之陣列200之一實施例之透視圖。
陣列200包含位於填充材料（例如，電絕緣材料，例如，二氧化矽）之層202中的發光二極體100。在第2圖之實施例中，所有發光二極體100具有相同高度。層202之厚度例如經選擇以等於發光二極體之高度，使得層202之上表面與每一發光二極體之上表面（亦即，與每一區域106之上表面111）共平面。
一電極層（未展示）與發光二極體之上表面接觸。其可為覆蓋層202之一傳導性層。該電極層可為一透明或半反射性層。
該陣列之上表面對應於電極層之與發光二極體相對的表面。
在第2圖中展示十二個發光二極體100。實務上，陣列200可例如包含自7個至100,000個發光二極體。
陣列200之發光二極體100按列且按行排列（3列且4行展示為第2圖中之一實例）。該陣列之間距為在同一列中或在一鄰近列中的發光二極體100之軸線與靠近發光二極體100之軸線之間的距離。間距a實質上恆定。更特定言之，該陣列之間距經選擇，使得陣列200形成一光子晶體。形成之光子晶體為例如2D光子晶體。
由陣列200形成的光子晶體之性質經有利地選擇，使得由該陣列之所有發光二極體100發射的輻射之強度更重要，且使得該輻射比在將不形成一光子晶體的發光二極體100之一總成之情況下有方向性。
在第2圖之實例中，折射率neff實質上等於發光二極體100之GaN與層202之材料的折射率由兩種材料之間的表面積比FF加權的平均值。折射率neff因此例如實質上等於：FF * nGaN + (1 - FF) * nSiO2 ，其中nGaN為發光二極體100之GaN之折射率，nSiO2 為層202之材料之折射率，且FF等於發光二極體100之水平橫截面之面積對陣列200之週期性元件之水平橫截面之面積的商。舉例而言，陣列200之週期性元件具有在發光二極體100上居中之正方形水平橫截面，及等於兩個相鄰發光二極體之軸線Δ之間的距離之一邊長。
第3A圖至第3B圖示意性展示陣列200之發光二極體100之佈局之實例。詳言之，第3A圖說明所謂的正方形篩網佈局，且第3B圖說明所謂的六邊形篩網佈局。
第3A圖及第3B圖進一步說明陣列之間距a，亦即，在同一列中或在一鄰近列中的發光二極體之軸線與最靠近之發光二極體之軸線之間的距離。第3A圖及第3B圖亦說明具有圓底的發光二極體100之半徑R。在發光二極體不具有圓底之情況下，半徑R對應於具有內接於其中之底的圓之半徑。
第3A圖展示四個發光二極體100之三列。在此佈局中，發光二極體100位於一列與一行之各相交處，該等列垂直於該等行。
如第3A圖，第3B圖展示四個發光二極體100之三列。在此佈局中，一列中之二極體相對於在前一列及下一列中之發光二極體移位半個間距a。
第4A圖至第4F圖為說明在製造第2圖之陣列200之方法之一實施例之步驟處獲得的結構之橫截面圖。
第4A圖說明在下文描述之形成步驟後獲得之結構。
晶種層302形成於基板304上。發光二極體100接著自晶種層302形成。更特定言之，按區域106與晶種層302接觸之此方式形成發光二極體100。每一發光二極體100之活性區104位於區域106上，且區域102位於活性區104上。
另外，發光二極體100經定位以形成陣列200，亦即，以形成具有陣列200之所要的間距之列及行。在第4A圖至第4F圖中僅展示一個列。
未展示之遮罩可在發光二極體形成於晶種層302上之前形成以僅暴露晶種層302之在發光二極體將位於之位置處的部分。作為一變化，晶種層可經蝕刻以形成位於發光二極體將位於之位置處的襯墊。
發光二極體100之生長之方法可為諸如化學氣相沈積（chemical vapor deposition; CVD）或金屬有機化學氣相沈積（metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD）（亦稱為金屬有機氣相磊晶（metal-organic vapor phase epitaxy; MOVPE））之方法。然而，可使用諸如分子束磊晶（molecular-beam epitaxy; MBE）、氣體源MBE（gas-source MBE; GSMBE）、金屬有機MBE（metal-organic MBE; MOMBE）、電漿輔助式MBE（plasma-assisted MBE; PAMBE）、原子層磊晶（atomic layer epitaxy; ALE）或氫化物氣相磊晶（hydride vapor phase epitaxy; HVPE）之方法。然而，可使用電化學製程，例如，化學浴沈積（chemical bath deposition; CBD）、水熱製程、液體氣溶膠熱解或電沈積。
發光二極體100之生長之條件為使得陣列200之所有發光二極體實質上以相同速度形成。因此，對於陣列200之所有發光二極體，區域102及106之高度與活性區104之高度實質上相同。
進一步考慮，區域102及活性區104之高度實質上對應於先前描述之值P1及P2，該等值經判定使得在操作中，活性區104位於電磁波之極值上。區域106之高度大於所要的值P3。可能難以準確地控制區域106之高度，特定言之，歸因於開始自晶種層302生長區域106。另外，半導體直接在晶種層上之形成可引起緊接在晶種層上方之半導體材料中的缺陷。因此可需要移除區域106之一部分。
第4B圖說明在對應於層202之材料的填充材料（例如，電絕緣材料，例如，二氧化矽）之層306之形成後獲得的結構。層306例如係藉由在結構上沈積填充材料之層來形成，該層具有大於發光二極體100之高度的一厚度。填充材料之層接著經部分移除以平坦化，以便暴露區域102之上表面，該等上表面各對應於關於第1圖描述之表面109。層306之上表面因此與每一區域102之上表面實質上共平面。作為一變化，該方法可包含一蝕刻步驟，在此期間，部分蝕刻區域102。
填充材料經選擇，使得由陣列200形成之光子晶體具有所要的性質，亦即，其改良由發光二極體100發射的輻射之方向性及強度。
第4C圖說明在將層308沈積於在前一步驟獲得之結構上後獲得之結構。層308為一反射性層，例如，金屬層，例如，鋁層。層308亦為將陣列200之所有區域102相互連接之導電層。陣列200之發光二極體100因此經由層308來控制。
第4D圖說明在結合至不接觸層306的層308之表面之支撐件310（例如，藉由金屬至金屬結合、藉由熱壓或藉由使用在支撐件310之側上的共晶進行之焊接）後獲得之結構。支撐件310為例如電子電路，例如，***器，包含與層308接觸的未展示之互連件。
第4E圖說明在移除基板304及晶種層302後獲得之結構。另外，按每一區域106之高度具有值P3之此方式蝕刻層306及區域106，從而使活性區能夠如先前所描述來置放。此步驟有利地實現準確地控制發光二極體之高度h，及移除區域106之可具有晶體缺陷的部分。
第4F圖說明在將層312沈積於在前一步驟獲得之結構上後獲得之結構。層312係透明或半反射性的以允許輻射之發射，及傳導性的以控制發光二極體100。層312例如由透明傳導性氧化物製成（例如，由氧化鋅或氧化銦錫製成），或可為一堆疊氧化物層以能夠根據該堆疊之材料之厚度及折射率調整該堆疊之反射率。
第5A圖至第5D圖為說明在製造第2圖之陣列200之方法之一實施例之其他步驟處獲得的結構之橫截面圖。更特定言之，第5A圖至第5D圖至少部分說明區域106之形成。
第5A圖說明在於覆蓋基板304之晶種層302上形成區域106後獲得之結構。
本實施例例如適於發光二極體100之生長之條件為使得獲得具有不同高度之區域106的情況。
第5B圖說明在於區域106上形成例如二氧化矽之填充材料之層402後之結構。層402之形成例如包含沈積具有比位於層302上的區域106之高度大的一厚度之填充材料之層。
第5C圖說明在蝕刻區域106及層402使得所有區域106之上表面與層402之上表面共平面後獲得之結構。區域106則皆具有相同高度。
第5D圖說明在移除層402後獲得之結構。
接著可恢復發光二極體100之生長，例如，以達成關於第4A圖描述之結構。發光二極體100接著具有實質上處於相同速度之一生長。第5D圖之步驟後例如跟著為區域106之其餘部分之生長以及活性區104及區域102之生長之步驟。作為一變化，第5D圖之步驟後可緊跟著為活性區104及區域102之生長之步驟。在此情況下，第5D圖中的區域106之高度已對應於第4A圖之區域106之高度。無論陣列中之發光二極體如何，區域106及102與區104因此實質上具有相同高度。接著可恢復關於第4A圖至第4F圖描述之方法。
第6圖為說明在製造第2圖之陣列之方法之另一實施例之一步驟處獲得的結構之橫截面圖。此步驟例如跟在第5D圖中說明之步驟後。
在此步驟期間，蝕刻終止層502形成於先前形成且圖案化（例如，在關於第5A圖至第5D圖說明之方法期間）的區域106之部分106a上。作為一實例，形成蝕刻終止層502之材料可為來自元素週期表之第IV行、第V行或第VI行之過渡金屬之氮化物、碳化物、金屬或硼化物或此等化合物之組合。作為一實例，蝕刻終止層502可由氮化鋁（AlN）、氧化鋁（Al2 O3 ）、硼（B）、氮化硼（BN）、鈦（Ti）、氮化鈦（TiN）、鉭（Ta）、氮化鉭（TaN）、鉿（Hf）、氮化鉿（HfN）、鈮（Nb）、氮化鈮（NbN）、鋯（Zr）、硼酸鋯（ZrB2 ）、氮化鋯（ZrN）、碳化矽（SiC）、碳氮化但（TaCN）、呈Mgx Ny 形式之氮化鎂（其中x大致等於3，且大致等於2，例如，呈Mg3 N2 形式之氮化鎂）製成。層502例如具有在自大致1 nm至100 nm之範圍中的一厚度。
區域106之部分106b接著形成於層502上。活性區104及區域102接著形成於區域106上。
部分106b之高度實質上對應於所要的高度P3。部分106a之高度足夠大以包括多數晶體缺陷。
第6圖之步驟可接著跟有關於第4B圖至第4F圖描述之步驟，先前關於第4E圖描述之步驟之蝕刻終止於蝕刻終止層502上，且例如包含移除蝕刻終止層502。
第7A圖及第7B圖為說明在製造第2圖之陣列之方法之另一實施例之步驟處獲得的結構之橫截面圖。更特定言之，第7A圖及第7B圖說明包含具有不同高度之發光二極體的陣列之製造。
第7A圖說明等效於第4A圖之步驟的步驟，對應於發光二極體100之生長，差異在於，在此步驟期間，多個蝕刻終止層形成於每一區域106中。在第7A圖中，三個蝕刻終止層602a、602b及602c已形成於每一區域106中，層602a最靠近晶種層302，且層602c最靠近活性區104。蝕刻終止層例如由相同材料製成，且由區域106之部分相互分開。
第7B圖說明自在類似於先前關於第4B圖、第4C圖及第4D圖描述之步驟的步驟後之第7A圖之結構獲得的發光二極體之陣列。
該方法接著包含蝕刻步驟。在此等步驟期間，對於發光二極體100之總成604，每一發光二極體100之區域106經自自由端蝕刻至亦經蝕刻之蝕刻終止層602c。對於發光二極體100之總成606，每一發光二極體100之區域106經自自由端一直蝕刻至蝕刻終止602b，蝕刻終止602b接著經蝕刻以暴露區域106之位於蝕刻終止層602b與602c之間的部分。對於發光二極體100之總成608，每一發光二極體100之區域106經自自由端一直蝕刻至終止層602a，終止層602a接著經蝕刻以暴露區域106之位於蝕刻終止層602b與602a之間的部分。
不同總成604、606及608之發光二極體例如供應具有一相同波長λ之輻射，且例如具有等於λ/2n之不同位數的總高度h。作為一變化，不同總成604、606及608之發光二極體可適於發射不同波長之輻射，且因此具有不同高度。
蝕刻終止層602a、602b及602c之材料及尺寸經選擇，使得其具有對發光二極體之操作的可忽略影響。
接著將層312沈積於該結構上。層312可例如包圍某些發光二極體總成之區域106之上部部分。層312之厚度經選擇以覆蓋每一發光二極體100之上表面。
反射性層308例如經劃分成多個未連接之部分，每一部分與發光二極體之一總成接觸。因此，可將不同發光二極體總成獨立於彼此控制。
通常，蝕刻終止層之數目對應於陣列中需要的不同發光二極體之高度之數目。
先前描述之製造方法實施例之優勢在於，其能夠準確地將活性區104定位於發光二極體100內，亦即，以控制高度P1、P2及P3之值。
下列圖式8、9A至9E及10A至10E說明關於根據先前描述之實施例的陣列之實例的模擬之結果。此等模擬說明判定發光二極體之尺寸及陣列之間距之方法。對於該等模擬，考慮之陣列之發光二極體包含GaN區域102及106。區域102具有大於或等於30 nm之一厚度。活性區104包括一單一InGaN層，具有等於40 nm之一厚度。層306由二氧化矽製成，且反射性材料之層308由鋁製成。層312具有50 nm厚度。層312由在考慮之波長下具有實質上等於2之折射率的透明傳導性氧化物（例如，ITO）製成。考慮之發光二極體100具有具一圓底的圓柱體之形狀。該陣列之發光二極體按一正方形網格排列。每一列及每一行包含七個發光二極體。該陣列因此此處包含四十九個發光二極體。在以下模擬中考慮所有發光二極體具有相同高度。
選擇強加關於正方形網格之填充速率的以下約束：5% ≤ πR2 /a2 ≤ 65%，其中R為每一發光二極體之橫截面之半徑，且a為陣列之間距。
第8圖為包含根據第一商a/λ的由陣列發射的輻射之強度（功率）之變化之曲線之曲線圖，其中λ為由該陣列發射的輻射之波長，陣列之每一實例及因此每一曲線對應於第二商2πR/λ之不同值。
為了清晰起見，已在第8圖中展示僅六個曲線。實務上，已藉由將第二商2πR/λ自0.7變化至1.7來執行模擬。
此圖式實現判定強度峰值出現的第一商a/λ之一個或多個值範圍。可觀測到兩個區702及704，各對應於此值範圍。該等曲線中之每一者包含在兩個區702及704中之至少一者中的一峰值。
區702對應於實質上在自大致0.4至大致0.82之範圍中的第一商a/λ之值範圍。區704對應於實質上在自大致0.8至大致0.92之範圍中的第一商a/λ之值範圍。
第9A圖至第9E圖為說明發光二極體陣列之一實施例的模擬之結果之曲線圖。更特定言之，第9A圖及第9B圖說明在具有與區702相關聯之範圍中的其第一商a/λ之陣列之情況下的模擬，實現判定該陣列之最佳特性，且第9C圖至第9E圖展示在選定特性之情況下的模擬之結果。
由發光二極體發射的輻射之波長λ經選擇，例如，對於藍光，在450 nm下；對於綠光，在530 nm下；或對於紅光，在630 nm下。具有在對應於區702之範圍中的最大值之曲線中之一者及在選定曲線之最大值下的第一商a/λ之值之選擇實現判定發光二極體之半徑R及陣列之間距a。
作為一實例，此處選擇630 nm波長及在區702中具有其極值（對應於所有曲線當中之最高有效發射強度）之曲線706。第一商a/λ則實質上等於0.7111，且第二商2πR/λ因此實質上等於1.1。因此，間距a實質上等於448 nm，且半徑R實質上等於110 nm。
第9A圖說明根據先前選定條件中的發光二極體之總高度h由陣列之發光二極體之上表面發射的強度（最高功率）。
對於等於190 nm、375 nm及550 nm之高度h，有可能觀測到三個強度峰值。
在此等值當中選擇h之值。雖然由上表面發射之強度對於等於190 nm之高度h較大，但為了易於製造，高度h此處經選擇為等於375 nm。
第9B圖說明由具有根據區域102之厚度P1的先前判定之特性之發光二極體之陣列發射的強度。在給定值範圍上，可觀測到一單一最大值，其實現針對區域102之厚度P1判定該值，此處，40 nm。
第9C圖說明根據由發光二極體發射的輻射之波長λ由該陣列之上表面發射的輻射之強度。曲線802對應於不形成光子晶體之一陣列發光二極體，且曲線804對應於形成光子晶體且具有先前判定之特性的一陣列。該等值已經正交化，使得曲線802之最大值對應於值1。
可觀測到，根據一實施例且具有先前判定之特性的發光二極體之陣列在其上表面之層面發射具有一強度之輻射，該強度為由不形成光子晶體之一陣列發射的輻射之強度之1.5倍大。
第9D圖說明根據發射之輻射與正交於先前描述之陣列之上表面之方向之間的角度由該陣列發射的輻射之強度。由該陣列發射之輻射有利地有方向性。
第9E圖說明由一陣列以一累積方式根據相對於陣列之上表面量測之一立體角發射的輻射之強度。第9E圖包含對應於不形成共振腔之軸向發光二極體之陣列的曲線806，及對應於由形成共振腔且具有先前判定之特性之軸向發光二極體形成之光子晶體的曲線808。
可觀測到，根據一實施例（曲線808）之陣列供應一更有方向性之強度。實際上，對應於曲線808之陣列在30°立體角下供應其強度之50%，而對應於曲線806之陣列在45°立體角下供應其強度之50%。
因此，根據第2圖之實施例且具有先前判定之特性的一陣列供應比由對應於曲線806之發光二極體陣列供應的輻射大之強度且更有方向性之一輻射。
第10A圖至第10E圖為說明發光二極體陣列之另一實施例的模擬之結果之曲線圖。更特定言之，第10A圖及第10B圖說明在具有與區704相關聯之範圍中的其第一商a/λ之陣列之情況下的模擬之結果，實現判定該陣列之最佳特性，且第10C圖至第10E圖展示針對選定特性之模擬之結果。
630 nm波長此處如先前所選擇，且選擇第8圖之曲線708，其具有其對應於提供之曲線當中的最大發射之強度之極值。對應於極值之商a/λ實質上等於0.85，且該曲線之商2πR/λ實質上等於1.49。因此，判定之間距a等於536.7 nm，且判定之半徑R等於150 nm。
第10A圖說明根據先前判定之條件中的發光二極體之總高度h由發光二極體之上表面發射的強度（最高功率）。
對於實質上等於180 nm及325 nm之高度h，有可能觀測到兩個強度峰值。
在此等值當中選擇h之值。h在此處經選擇以等於325 nm，其對應於最強強度。
第10B圖說明由具有根據區域102之厚度P1的先前判定之特性之發光二極體之陣列發射的輻射之強度。
在給定值範圍上，可觀測到一單一最大值，其實現針對區域102之厚度P1判定該值，此處，40 nm。
第10C圖說明根據由發光二極體發射的輻射之波長λ由該陣列之上表面發射的輻射之強度。曲線902對應於不形成光子晶體之一陣列發光二極體，且曲線904對應於形成光子晶體且具有先前判定之特性的一陣列。該等值已經正交化，使得曲線902之最大值對應於值1。
可觀測到，根據一實施例且具有先前判定之特性的發光二極體之陣列在其上表面之層面發射具有一強度之輻射，該強度為針對不形成光子晶體之一陣列之1.6倍大。
第10D圖說明根據發射之輻射與正交於先前描述之陣列之上表面之方向之間的角度由該陣列發射的輻射之強度。可觀測到，該輻射比在關於第9A圖至第9E圖描述之情況中有方向性。
第10E圖說明由一陣列以一累積方式根據相對於陣列之上表面量測之立體角發射的輻射之強度。第10E圖包含對應於包含不形成共振腔之軸向發光二極體之陣列的曲線906，及對應於包含形成共振腔且具有先前判定之特性之軸向發光二極體形成之光子晶體的曲線908。
可觀測到，根據一實施例（曲線908）之陣列供應一更有方向性之強度。實際上，對應於曲線908之陣列在33°立體角下供應其強度之50%，而對應於曲線906之陣列在45°立體角下供應其強度之50%。
因此，根據第2圖之實施例且具有先前判定之特性的一陣列供應比由對應於曲線906之發光二極體陣列供應的輻射大之強度且更有方向性之一輻射。
本發明者已執行對於具有不同特性的諸如關於第1圖及第2圖描述之發光二極體陣列之類似模擬，特定言之，對於具有不同形狀之橫截面的發光二極體、對於具有其包含多個量子井而非一單一量子井之活性區的發光二極體、對於具有六邊形而非正方形網格佈局之發光二極體或對於不同材料。模擬結構則實現判定如前描述的發光二極體及陣列之特性之值，且展示由該發光二極體陣列發射的輻射之強度及方向性之增大。
已描述具體實施例。各種更改及修改將由熟習此項技術者想到。詳言之，雖然本文中僅描述發光二極體之情況，但該等實施例亦可適用於光電二極體。
上文已描述具有不同變化之各種實施例。應注意，熟習此項技術者可在不展示任何發明性步驟之情況下，組合此等各種實施例及變化之各種元件。
100:發光二極體 102:區域 104:活性區 105:支撐件 106:區域 106a:區域之部分 106b:區域之部分 107:金屬層 108:曲線 109:下表面 110:極值 111:上表面 200:發光二極體陣列 202:層 302:晶種層 304:基板 306:層 308:層 310:支撐件 312:層 402:層 502:蝕刻終止層 602a:蝕刻終止層 602b:蝕刻終止層 602c:蝕刻終止層 604:總成 606:總成 608:總成 702:區 704:區 706:曲線 708:曲線 802:曲線 804:曲線 806:曲線 808:曲線 906:曲線 908:曲線 P1:值 P2:值 P3:值 h:高度
前述及其他特徵及優勢將在結合附圖的具體實施例之以下非限制性描述中詳細地論述，在該等附圖中： 第1圖為一軸向發光二極體之一實施例之部分簡化透視圖； 第2圖為一發光二極體陣列之一實施例之部分簡化透視圖； 第3A圖及第3B圖示意性展示第2圖之陣列之發光二極體之佈局之實例； 第4A圖至第4F圖為說明在製造第2圖之陣列之方法之另一實施例之步驟處獲得的結構之部分簡化橫截面圖； 第5A圖至第5D圖為說明在製造第2圖之陣列之方法之另一實施例之其他步驟處獲得的結構之部分簡化橫截面圖； 第6圖為說明在製造第2圖之陣列之方法之一實施例之一步驟處獲得的結構之部分簡化橫截面圖； 第7A圖及第7B圖為說明在製造第2圖之陣列之方法之另一實施例之步驟處獲得的結構之部分簡化橫截面圖； 第8圖為展示根據諸如第2圖中之陣列的一陣列之某些特性的由該陣列發射之強度之曲線圖； 第9A圖至第9E圖為說明發光二極體陣列之實施例的模擬結果之曲線圖；且 第10A圖至第10E圖為說明發光二極體陣列之其他實施例的模擬結果之曲線圖。
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100:發光二極體
102:區域
104:活性區
105:支撐件
106:區域
107:金屬層
108:曲線
109:下表面
110:極值
111:上表面
P1:值
P2:值
P3:值
h:高度

Claims (20)

  1. 一種包含一軸向二極體（100）陣列（200）之光電元件，每一二極體形成一共振腔，該共振腔具有形成於其中之一駐電磁波，每一發光二極體包含實質上位於該電磁波之一極值（110）之層面的一活性區（104），該陣列形成經配置以使由該二極體陣列供應的電磁輻射之強度最大化之一光子晶體。
  2. 如請求項1所述之元件，其中該陣列（200）包含一支撐件（105、310），其具有擱置於其上之該等二極體（100），每一二極體包含以下各者之一堆疊：在該支撐件上之一第一半導體區域（102）、與該第一半導體區域接觸之該活性區（104）及與該活性區接觸之一第二半導體區域（106）。
  3. 如請求項2所述之元件，包含在該支撐件（105、310）與該等二極體之該等第一區域（102）之間的一反射性層（107、308）。
  4. 如請求項3所述之元件，其中該反射性層（107、308）由金屬製成。
  5. 如請求項3或4所述之元件，其中該等二極體之該等第二區域（106）覆蓋有至少部分對由該等二極體發射的該等輻射透明之一傳導性層（312）。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之元件，其中該等二極體（100）中之至少一者之高度（h）實質上與kλ/2n成比例，其中λ為由該二極體發射的該輻射之波長，k為一正整數，且n實質上等於在考慮之光學模式中的該二極體之有效折射率。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之元件，其中該等二極體（100）由一電絕緣材料（202、306）分開。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之元件，該陣列包含至少第一及第二二極體總成（604、606、608），該第一總成之該等二極體具有一相同第一高度，該第二總成之該等二極體具有一相同第二高度，該第一高度與該第二高度不同。
  9. 如請求項2所述之元件，其中對於該等二極體中之至少一者，該二極體之該第一區域包含由一蝕刻終止層（502、602a、602b、602c）分開之至少兩個部分（106a、106b）。
  10. 如請求項9所述之元件，其中每一蝕刻終止層（502、602a、602b、602c）具有在自1 nm至200 nm之範圍中的一厚度。
  11. 如請求項1至10中任一項所述之元件，其中該陣列之間距與該供應之電磁輻射之該波長的商在自大致0.4至大致0.92之範圍中。
  12. 如請求項1至11中任一項所述之元件，其中該等二極體為發光二極體或光電二極體。
  13. 一種製造包含一軸向二極體（100）陣列（200）之一光電元件之方法，每一二極體形成一共振腔，該共振腔具有形成於其中之一駐電磁波，每一二極體之活性區（104）實質上位於該電磁波之一極值（110）之層面，該陣列形成經配置以使由該二極體陣列供應的電磁輻射之強度最大化之一光子晶體。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該陣列之該等二極體之該形成之步驟包含以下步驟： 在一基板（304）上形成第一半導體區域（106），該等第一區域相互由該陣列之該間距分開；在每一第一區域上形成一活性區（104）；及在每一活性區上形成一第二半導體區域（102）。
  15. 如請求項14所述之方法，包含蝕刻所有該等第二區域使得其具有一相同高度之一第一步驟。
  16. 如請求項14或15所述之方法，包含蝕刻所有該等第一區域使得其具有使該活性區能夠位於該電磁波之一極值之該層面的該高度之一第二步驟。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該第二蝕刻步驟係在該等活性區之該形成前進行。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該第二蝕刻步驟前為移除該基板之一步驟，該第二蝕刻步驟係自該二極體之最靠近該基板的端部進行。
  19. 如請求項14至18中任一項所述之方法，包含以下步驟：在該等二極體中之至少一者之該第一區域中形成至少一個層，其能夠用作該第二蝕刻步驟之一終止層。
  20. 如請求項13至19中任一項所述之方法，其中該等二極體為發光二極體或光電二極體。
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