生長于波長轉換襯底上的發光器件的制作方法

專利名稱：生長于波長轉換襯底上的發光器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生長于波長轉換復合襯底上的半導體發光器件。
背景技術：
半導體發光器件是當前可用的最有效率的光源之一，包括發光二極管(LED)、諧振腔發光二極管(RCLED )、垂直腔激光二極管(VCSEL)和邊發射激光器。制造能夠在可見光譜工作的高亮度發光器件時當前感興趣的材料系統包括πι-v族半導體，尤其是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也稱為III-氮化物材料。典型地，通過金屬有機化學氣相淀積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技術在藍寶石、碳化硅、III-氮化物或其他適當襯底上外延生長成分和摻雜劑濃度不同的半導體層的疊層，從而制造III-氮化物發光器件。疊層常常包括形成于襯底上，摻雜有例如Si的一個或多個η型層，形成于η型層上有源區 中的一個或多個發光層，以及形成于有源區上，摻雜有例如Mg的一個或多個P型層。在η和P型區域上形成電接觸。圖I示出了在US 7514721中更詳細描述的LED，在此通過引用將其并入本文。“在成核結構58和發光陶瓷之間的界面處，直接通過晶片接合或通過中間接合層(未示出)，通過接合體56將發光陶瓷52接合到成核結構58。如果使用接合層，接合層的折射率優選介于接合層施加于其上的III-氮化物層和發光陶瓷的折射率之間，但可以使用折射率更低的接合層。然后在成核結構上生長設置于η型區域10和P型區域12之間包括發光區域14的外延層。”在η和P型區域10和12上形成η和P接觸18和20。

發明內容
在本發明的一些實施例中，一種器件包括襯底和半導體結構。襯底包括波長轉換元件，波長轉換元件包括設置于透明材料中的波長轉換材料；包括III-氮化物材料將在其上成核的材料的種子層；以及設置于波長轉換元件和種子層之間的接合層。半導體結構包括設置于η型區域和P型區域之間的III-氮化物發光層并生長于種子層上。在本發明的一些實施例中，半導體結構生長于襯底上，該襯底包括波長轉換元件，包括III-氮化物材料將在其上成核的材料的種子層，以及設置于波長轉換元件和種子層之間的二向色濾光片。在本發明的一些實施例中，一種器件包括襯底、半導體結構和散射結構。襯底包括波長轉換元件；包括III-氮化物材料將在其上成核的材料的種子層；以及設置于波長轉換元件和種子層之間的接合層。半導體結構生長于種子層上，包括設置于η型區域和P型區域之間的III-氮化物發光層。散射結構被配置成散射由III-氮化物發光層和波長轉換元件中的至少一個發射的光。


圖I示出了生長于附著于發光陶瓷的成核結構上的現有技術III-氮化物LED。
圖2示出了包括接合到波長轉換元件的種子層的復合襯底。圖3示出了生長于包括波長轉換元件的復合襯底上的器件。圖4示出了包括粗糙P型區域和透明導電金屬氧化物的器件的一部分。圖5示出了包括隧道結和粗糙η型區域的器件的一部分。圖6示出了包括設置于復合襯底上的圖案化非III-氮化物層的器件的一部分，復合襯底包括波長轉換元件。圖7示出了包括設置于η型區域之內的圖案化非III-氮化物層的器件的一部分。圖8是針對二向色濾光片一個范例作為波長函數的反射率圖示，二向色濾光片可 以設置于襯底中的種子層和波長轉換元件之間。圖9示出了生長于包括兩個波長轉換元件的復合襯底上的半導體結構。
具體實施例方式在本發明的實施例中，在波長轉換復合襯底上生長III-氮化物發光器件，波長轉換復合襯底包括接合到波長轉換元件的種子層。盡管在下面的范例中，半導體發光器件是發射藍色或紫外光的III-氮化物LED，但可以使用除LED之外的半導體發光器件，例如由其他材料系統制造的激光二極管和半導體發光器件，其他材料系統例如是其他III-V材料、III-磷化物、III-砷化物、II-VI材料或Si基材料。圖2示出了根據本發明實施例的波長轉換襯底。將波長轉換元件30接合到種子層34。可以將種子層34直接接合到波長轉換元件30，或者可以在種子層34和波長轉換元件30之間設置任選的接合層32，例如SiOx、SiO2、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、SiNx, Si3N4,HfO2、其混合物，金屬，例如Mo、Ti、TiN、其他合金和其他半導體或電介質。選擇波長轉換元件30、任選的接合層32和種子層34的全部以便經得起生長III-氮化物發光器件所需的條件，例如包括在H2環境中在至少800°C溫度下五個小時。在一些實施例中，選擇波長轉換元件30，使得在N2環境中暴露于高于800°C溫度下至少兩小時的時候，波長轉換兀件的發光性質劣化小于20%,或更優選劣化小于10%,發光性質例如包括量子效率、量子效率隨時間的維持、發射光譜、吸收光譜和量子效率隨溫度的維持。在一些實施例中，選擇波長轉換元件30、任選的接合層32和種子層34以具有相當好地匹配III-氮化物材料的熱膨脹系數(CTE)。在一些實施例中，波長轉換元件30的CTE介于每開氏度5ppm和9ppm之間。在一些實施例中，選擇波長轉換元件30、任選的接合層32和種子層34以具有特定的折射率。例如，可以選擇折射率以從III-氮化物層向空氣中有效率地提取光。在一些實施例中，如US 7341878、US 7361938和US 7521862中更詳細所述，波長轉換元件30是例如通過燒結粉末磷光體形成的發光陶瓷，在此通過引用將這些文獻并入本文。在圖2中所示的實施例中，波長轉換元件30是設置于透明材料38中的波長轉換材料36。波長轉換材料36可以是，例如一種或多種粉末磷光體、染料、半導體材料或量子點。可以在透明材料或發光陶瓷中包括非波長轉換材料，例如TiOx顆粒，例如導致光散射或改善器件的關斷狀態白色外觀。透明材料38可以是，例如玻璃、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、石英或Si02。可以使用與包括一種或多種波長轉換材料的波長轉換襯底結合的LED生成白光或其他顏色的單色光。可以通過波長轉換襯底將LED發射的全部或僅一部分光進行轉換。LED發射的未轉換光可以是最終光譜的一部分，但未必一定這樣。常見組合的范例包括發藍光LED與發黃光磷光體組合，發藍光LED與發綠光和紅光磷光體組合，發紫外光LED與發藍光和黃光磷光體組合，以及發紫外光LED與發藍光、綠光和紅光的磷光體組合。可以添加發射其他顏色光的波長轉換材料以調節從器件發射的光的光譜。可以在單個波長轉換元件中混合多種波長轉換材料，形成為單個波長轉換元件中的離散層，或形成為可以接合或粘合在一起的多個波長轉換元件中的混合或離散層。在一些實施例中，波長轉換元件包括兩個層壓在一起的發光陶瓷板，發光陶瓷板附著于設置于透明材料中的波長轉換材料、設置于透明材料中的波長轉換材料混合物或設置于透明材料不同區域中的多種波長轉換材料。
圖9示出了具有多個波長轉移元件30a和30b的襯底22。種子層34通過接合層32附著于波長轉換元件30a。在一些實施例中，波長轉換元件30a比波長轉換元件30b距生長于種子層34上的半導體結構42更近，是發紅光的波長轉換元件。波長轉換元件30b距半導體結構42更遠，是發黃光或綠光的波長轉換元件。可以在半導體結構上形成一個或多個反射接觸，從而可以通過波長轉換元件30a和30b從器件提取光。可以在形成襯底22之前或之后，以及生長和/或處理半導體結構42之前或之后，通過粘合劑連接波長轉換元件 30a 和 30b ο由器件的期望光譜確定波長轉換元件中波長轉換材料的量。在一些實施例中，在圖2所示的波長轉換元件中，將波長轉換材料36限制到僅波長轉換元件的部分厚度。在圖2的波長轉換元件30中，波長轉換材料設置于波長轉換元件最接近種子層的區域35中。波長轉換元件遠離種子層的區域37不包括任何波長轉換材料。可以顛倒兩個區域，使得沒有波長轉換材料的區域設置于種子層34和波長轉換材料之間，或具有波長轉換材料的區域可以夾在沒有波長轉換材料的兩個區域之間。類似地，在波長轉換元件為發光陶瓷的器件中，僅有陶瓷平板一部分厚度可以包括激活摻雜劑，如題為“Multi-Grain LuminescentCeramics for Light Emitting Devices”且通過引用并入本文的US 2008/0149956 中更詳細所述。僅有具有激活摻雜劑的發光陶瓷部分才進行波長轉換。波長轉換元件30必須要足夠厚，以機械支撐種子層和種子層上生長的III-氮化物層。例如，在一些實施例中波長轉換元件可以介于20和500微米厚之間，在一些實施例中介于50和200微米厚之間，在一些實施例中介于80和120微米厚之間。發光陶瓷波長轉換元件可以很適合半導體器件發射的全部光都被轉換的器件。利用激活摻雜劑均勻摻雜，足夠厚以機械支撐種子層和III-氮化物層的發光陶瓷可以基本轉換半導體器件發射的所有光。這種器件的范例包括生長于襯底上的發藍光或紫外光的半導體器件，襯底包括發綠光或琥珀黃光的發光陶瓷波長轉換元件。根據使用的發光陶瓷，該器件發射呈現綠色或琥拍黃色的光。例如，可以通過粗糙化或通過形成圖案，例如光子晶體，使波長轉換元件具有一定形狀或紋理，例如以改善光的提取。可以在形成復合襯底之前或之后，在生長III-氮化物結構之前或之后，以及在例如通過蝕刻臺面和形成η和P接觸將III-氮化物結構處理成器件之前或之后，使波長轉換元件具有一定形狀或紋理。可以在生長并測試半導體器件之后，例如通過激光燒蝕，減薄波長轉換元件，以便實現半導體器件和波長轉換元件發射的組合光的期望顏色點。在一些實施例中，波長轉換元件30具有粗糙表面。接合層32可以形成于波長轉換元件30上，然后例如通過化學機械拋光進行平坦化。種子層34可以是III-氮化物材料將在其上成核的任何適當材料。種子層34 —般是單晶材料，例如藍寶石、SiC, ScMgAlO4, GaN, InGaN、AlGaN、AIN、InN、AlInGaN 或另一種III-氮化物或III-V材料。可以如下形成圖2中所示的襯底。典型地襯底形成為晶片級，在晶片中同時形成有多個襯底。然后將晶片劃片成各單個襯底。除了下述具體材料和方法之外，也可以使用US 2007/0072324中描述的材料和方法。
首先，形成波長轉換元件30的晶片。例如，可以如US 7361938中所述，通過燒結粉末磷光體來形成發光陶瓷晶片。可以通過US 2005/0274967中描述的方法形成設置于透明材料中的波長轉換材料晶片，在此通過引用將該文獻并入本文。例如，將磷光體、例如大約10到20vol%的YAG，η和粉末玻璃、例如BPSG或石英的均質化良好的混合物插入適當的坩堝中。將坩堝插入例如預加熱的電爐或其他類型的爐中，例如高頻爐或微波爐。在透明材料混合物熔化之后，在爐中對熔化物進行均質化。在熔化和均質化大約十到三十分鐘之后，將熔化物傾倒到盤子、例如不銹鋼盤子上。將熔化物按壓在片上以形成嵌入在玻璃或石英中的磷光體片。可以基于次級光的期望波長選擇片中嵌入的磷光體材料或其他波長轉換材料。例如，可用于藍光發光器件以產生白光的一種適當磷光體是Y3Al5O12 = Ce (YAG:Ce)。如果需要的話，可以使用其他磷光體，包括，但不限于=Gd3Ga5O12:Ce，(Lu, Y)3A15012:Ce, SrS:Eu,SrGa2S4:Eu, (Sr, Ca, Ba) (Al, Ga) 2S4: Eu, (Ca, Sr) S: Eu, (Ca, Sr) S: Eu, Mn, (Ca, Sr) S: Ce,(Sr, Ba, Ca)2Si5N8:Eu, (Ba, Sr, Ca)2Si04:Eu,以及(Ca, Sr, Ba) Si2O2N2:Eu。可以讓傾倒的玻璃和磷光體熔化物在平坦片中硬化。可替換地，可以將片模制成具有期望特征。例如，可以對片進行模制以包括若干透鏡元件。在另一實施例中，利用溶膠-凝膠過程產生片。在形成期間在溶膠-凝膠玻璃之內分散期望的磷光體。在通過引用并入本文中的美國專利No. 6642618中描述了一種溶膠-凝膠玻璃過程。然后在波長轉換元件30的晶片上形成接合層32。接合層32可以是，例如通過例如蒸鍍、濺射和沉降來淀積的SiO2、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)或其他商用玻璃。然后制備將變為種子層的材料。對于III-氮化物種子層，常規上在施主襯底上生長種子層材料，所述施主襯底例如可以是藍寶石、Si或SiC。種子層材料可以生長于犧牲半導體層上方，利用注入物種對其注入，注入物種例如是H+,便于稍后從種子層分離施主襯底。對于非III-氮化物種子層，例如藍寶石、ScMgAlO4 *SiC，可以在對應于種子層期望厚度的深度處對藍寶石、ScMgAlO4或SiC晶片進行注入。在一些實施例中，犧牲層是GaN，種子層是InGaN，InN組分大于零，最大達到12%。可以利用III族面，也稱為鎵面向上生長III-氮化物種子層。優選在種子層的鎵面上生長器件層。因此，可以首先將鎵面III-氮化物種子層接合到臨時襯底，暴露V族或氮面，然后接合到波長轉換元件30。對于非III-氮化物種子層或氮面III-氮化物種子層，如下所述，可以直接將種子層接合到波長轉換元件30。在臨時襯底上形成任選的接合層和順從層。施主襯底上生長的種子層通過順從層接合到臨時襯底。在一些實施例中，任選的接合層是娃、招、硼、磷、鋅、鎵、鍺、銦、錫、鋪、鉛、秘、鈦、鶴、鎂、 丐、鉀、鎳、乾、錯、鉿、釹和鉭的一種或多種氧化物、氮化物、碳化物或氟化物。在一些實施例中，順從層是通過例如蒸鍍、濺射和沉降來淀積的SiO2、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)或其他商用玻璃。通過激活注入的物種，例如通過加熱將種子層與施主襯底分離，以分裂犧牲層。在通過引用并入本文的美國專利申請公開2005/0026394和美國專利5374564中更詳細地描述了對犧牲層進行注入以及通過激活注入物種將種子層從施主襯底分離。可替換地，可以通過用激光熔化犧牲層來移除施主襯底。從種子層移除任何剩余的犧牲層，并在種子層中蝕刻溝槽。處理該結構，讓應變種子層材料的區域膨脹和弛豫，例如，通過加熱順從層，使得種子層材料的區域在順從層上方滑動。在一些實施例中，首先在種子層中蝕刻溝槽，處理該結構以讓應變種子層材料的區域 膨脹和弛豫(例如通過加熱)，然后從種子層移除任何剩余的犧牲層。然后，例如通過在兩個結構之間施加熱量和/或壓力，將種子層接合到波長轉換元件30。例如，通過蝕刻掉將臨時襯底接合到種子層的接合層來移除臨時襯底。還移除順從層，暴露種子層的鎵面，如圖2所示的已完成的復合襯底中所示出的。圖3示出了根據本發明實施例的器件。在圖3的器件中，在包括附著于種子層34的波長轉換元件30的波長轉換襯底上生長半導體結構42。在圖3中所示的器件中，種子層34和波長轉換元件30之間的接合層32是二向色濾光片40。例如，接合層32可以是充當二向色濾光片的電介質層疊層。例如，可以配置二向色濾光片40以透射半導體結構有源區發射的光波長并反射波長轉換元件30發射的光波長，以防止向半導體器件背向散射的波長轉換光被半導體器件吸收。例如，二向色濾光片可以包括10對HfO2和SiO2層，厚度分別為66. 75和94. 5nm。這樣的濾光片將反射波長轉換兀件30發射的波長大于500nm小于620nm的光的超過95%，如圖8中所示，這是如上所述具有10對HfO2和SiO2的二向色濾光片作為波長函數的反射率圖。在一些實施例中，在二向色濾光片和種子層之間，二向色濾光片和基質之間，或以上兩者之間都設置額外的接合層，例如玻璃。半導體結構42包括夾在η和ρ型區域之間的發光或有源區。可以針對其晶格常數或其他性質和/或針對其在種子層34的材料上成核的能力選擇與種子層34相鄰的半導體結構42的層組成。N型區域44通常是首先生長的，并且可以包括多個不同成分和摻雜劑濃度的層，包括，例如準備層，其例如是緩沖層或成核層，可以是η型或未人為摻雜的，以及η或甚至ρ型器件層，設計其以用于發光區域高效發光所希望的特定光學或電學性質。在η型區域上方生長發光或有源區46。適當發光區域的范例包括單個厚或薄的發光層，或包括被勢壘層分開的多個薄或厚發光層的多量子阱發光區域。在發光區域上方生長P型區域48。像η型區域那樣，ρ型區域可以包括多個不同成分、厚度和摻雜劑濃度的層，包括未人為摻雜的層或η型層。在圖3中所示的器件中，蝕刻掉P型區域和有源區的部分以暴露η型層用于金屬化，使得P接觸54和η接觸50位于器件的同一側。接觸一般是反射性的，一般安裝器件，使得通過波長轉換襯底提取光，但可以限制接觸的范圍或使其是透明的，并可以安裝器件，從而通過其上形成接觸的表面提取光。在圖3中所示的器件中，ρ型接觸區域插入多個η型接觸區域之間。在垂直注入LED中，在半導體結構的一側上形成η接觸，在半導體結構的另一側上形成P接觸。例如，P接觸可以形成于P型區域上，可以移除波長轉換襯底的一部分，η接觸形成于通過移除襯底一部分而暴露的η型區域表面上。可以利用導線或金屬橋實現通往η接觸的電接觸。P接觸常常直接接合到底座上的接觸焊盤。在一些實施例中，在器件中包括一種結構以增大從器件的光提取，例如通過增大散射來實現。圖4-7示出了設置于波長轉換元件30和ρ接觸54之間的散射結構。可以將圖4-7中所示的散射結構包括在圖3所示的具有反射接觸的倒裝芯片器件中，垂直器件中或通過形成于器件同一側的接觸提取光的器件中。在圖4中所示的結構中，在ρ型區域48之后生長粗糙的ρ型層60。例如，在生長P型區域48之后，可以將生長條件切換到有利于形成粗糙表面的條件，例如更高的環境壓力，例如大于400毫巴。蝕刻掉粗糙ρ型層60、ρ型區域48和發光區域46的一部分以暴露 其上形成η接觸的η型區域44的一部分。在剩余的粗糙ρ型表面60的至少一部分上方形成透明導電氧化物62，例如氧化銦錫、氧化銅鋁、氧化鋅或氧化釕。透明導電氧化物層可以具有IOnm到10 μπι的厚度，更優選地在IOOnm到I μπι范圍中。在透明導電氧化物62上方形成一個或多個P接觸54。導電氧化物上形成的ρ型金屬可以被限制范圍，并安裝器件，使得通過透明導電氧化物提取光，或者如果P型金屬覆蓋器件的大比例區域，可以將器件安裝成倒裝芯片，從而通過波長轉換元件30提取光。粗糙ρ型層60和透明導電氧化物62之間折射率的差異導致光散射。在一些實施例中，在粗糙ρ型表面上設置諸如SiO2或其他氧化物的透明材料，然后例如通過化學機械拋光進行平坦化。在透明材料中形成開口，暴露P型區域。在透明材料上以及開口中淀積反射金屬P接觸，使其形成通往P型區域的電接觸。透明材料層可以改善P接觸的反射性，這可以提高器件的效率。下面的圖5中示出了接觸的范例，包括具有開口的透明材料。在圖5中所示的結構中，如上所述生長η型區域44、發光區域46和ρ型區域48。在P型區域48上生長隧道結64。在US 6822991和US 6878975中更詳細地描述了用于III-氮化物LED的隧道結，通過引用將其并入本文。隧道結64包括高摻雜ρ型層，也稱為P++層，以及高摻雜η型層，也稱為η++層。P++層可以是，例如摻有受主的InGaN或GaN，受主例如是Mg或Zn，濃度大約為IO18CnT3到大約5X 102°cm_3。在一些實施例中，將ρ++層摻雜到大約2Χ IO19CnT3到大約2Χ 102°cm_3的濃度。η++層可以是，例如摻有受主的InGaN或GaN，受主例如是Si或Ge，濃度大約為IO18CnT3到大約5X102°cnT3。在一些實施例中，中間半導體層，例如A1N，可以夾在η++和ρ++層之間。隧道結64通常非常薄；例如，隧道結64可以具有范圍從大約2nm到大約IOOnm的總厚度。P++層和η++層的每個都可以具有范圍從大約Inm到大約50nm的厚度，中間層(如果包括的話)，可以具有范圍從大約Inm到50nm的厚度。在一些實施例中，ρ++層和η++層的每個都可以具有范圍從大約25nm到大約35nm的厚度。ρ++層和η++層可以未必是相同厚度。在一個實施例中，ρ++層為15nm的摻Mg的InGaN, η++層是30nm的摻Si的GaN。P++層和η++層可以具有漸變摻雜劑濃度。例如，與下方P型區域48相鄰的P++層的一部分可以具有從下方P型區域的摻雜劑濃度漸變到P++層中期望摻雜劑濃度的摻雜劑濃度。類似地，η++層可以具有從與ρ++層相鄰的最大值漸變到與隧道結上生長的η型區域相鄰的最小值的摻雜劑濃度。將隧道結64制造成充分薄，并摻雜足夠高，使得在反向偏置模式中傳導電流時，隧道結64顯示低的串聯電壓降。在一些實施例中，隧道結64兩側的電壓降為大約O. IV到大約IV。在隧道結64的η++區域上方設置粗糙的η型層65。可以在導致粗糙表面的條件下生長η型層65，或者可以生長平坦的η型層，然后粗糙化，例如通過光電化學蝕刻。在η型層65上方形成諸如SiO2或另一種氧化物的透明材料66。在透明材料66中形成向下到達η型層65的一個或多個開口 67。在透明材料66上方和開口 67之內形成接觸540。作為透明材料66和開口 67的替代，可以在接觸540和η型層65之間形成透明導電氧化物， 如上面在圖4中所示。在通過例如移除或不形成發光區域46、ρ型區域48、隧道結64、η型層65和透明材料66的一部分或者通過移除波長轉換元件30、接合層32和種子層34 —部分而暴露的η型區域44的一部分上形成η接觸。通過向η接觸和接觸540供應電流對器件進行正向偏置，導致隧道結64截止。在一些實施例中，由嵌入或形成于III-氮化物結構表面上的光子晶體或點陣導致散射。在這樣的結構中，以周期性方式在接近材料中發光區域發射光波長的間隔上提供光學折射率的變化。可以選擇周期性折射率變化的參數，例如周期和幅度，以使提取的光量增大到期望的發射模式。例如，可以選擇點陣或光子晶體的尺寸和間距，以使與半導體結構頂表面正交的方向上提取的光量最大化。在美國專利7642108、7442965、7442964、7294862、7279718,7012279和6956247中更詳細地描述了用于和形成光子晶體的參數的選擇，通過引用將其全部并入本文。圖6和7示出了包括光子晶體或其他點陣的器件。在圖6所示的器件中，如上所述形成包括波長轉換元件30和接合層32以及種子層34的襯底。在種子層34上淀積諸如SiO2的透明材料68，然后例如通過納米壓印光刻進行圖案化，以形成光子晶體或折射率的其他變化。例如，可以使透明材料68圖案化以形成開口 70的點陣或透明材料68的點陣柱。然后在透明材料68上生長半導體結構。可以生長半導體結構，使得η型區域44直接在透明材料68上方聚結，或使得在透明材料68的區域之間或上方形成氣穴，然后半導體材料聚結成基本平坦的η型區域44。然后如上所述生長發光和ρ型區域，并如上所述形成器件。在圖7所示的器件中，如上所述，在包括波長轉換元件30的復合襯底上生長η型區域44。如上文參考圖6所述，在η型區域44上方設置透明材料72，然后進行圖案化。在透明材料72上方生長額外的η型層76。可以在如下條件下生長η型層76 :填充具有在透明材料72上方聚結的η型材料的透明材料72的區域之間的開口 74，或者導致氣穴形成于透明材料72的區域之間或上方，然后半導體材料聚結成基本平坦的η型區域76。如上所述，在η型區域76上方生長發光區域46和ρ型區域48。可以在η型區域44或η型區域76上形成η接觸。在一些實施例中，可以在器件中的η型層中，例如在種子層上方淀積的第一 η型GaN層中設置納米多孔GaN層。在一些實施例中，納米多孔III-氮化物材料可以替代圖7中所示器件中的透明材料72的區域。由多孔層的厚度和孔隙度確定散射量。多孔層一般具有O. 5和40微米之間的厚度。多孔層可以具有5%和80%之間的孔隙度，常常具有20%和40%之間的孔隙度。孔隙度的下限受到多孔層散射光的能力限制，上限受到多孔層電阻系數和機械穩定性的限制。適當的孔隙度可能涉及多孔區域的厚度。為了提供同樣量的散射，更厚的多孔區域可以比更薄的多孔區域孔隙度更低。多孔層反射和散射的光線將具有Lambertian福射模式,最大強度指向垂直于表面。可以如下使得III-氮化物層成為多孔的連接到要成為多孔的層的鉬絲充當陽極。鉬絲的另一端充當陰極。將晶片和鉬絲浸入2M NaOH溶液中。通過鉬絲和晶片施加直流電流，例如密度介于10和20 mA/cm2之間。由250W的汞燈供應任選的紫外照明。適當的孔隙度可能需要10到60分鐘處理，之后關掉燈和電流源。可替換地，可以直接在晶片表面上施加鉬，或者在光電化學驅動的過程中使用不同的溶液，例如Κ0Η、氟化物酸、或CH3OH HF :H202。可以通過改變溶液的濃度來控制孔隙度的密度和尺寸。蝕刻幾乎獨有地發生于電·解質-半導體界面的尖端(孔的末端)；因此，通過改變蝕刻期間的溶液，可以生成多層孔隙度。為了方便生長，可以利用低摩爾濃度的溶液(O. 5%的Κ0Η)制造模板表面處的小孔層。然后，為了提高模板的順從性并由此促進弛豫，可以利用高摩爾濃度的溶液(2%的Κ0Η)制造表面下方的大孔層。小孔層可以是30-150nm厚，大孔層可以是100_4000nm厚，受到多孔材料穩定性和多孔區域下方無孔材料厚度的限制。如果在導電SiC襯底上生長導電GaN，可以通過繼續向生長襯底中進行蝕刻過程生成在多孔SiC上的多孔GaN，這可以允許更薄的III-氮化物生長。在多孔區域中，在III-氮化物材料中形成氣孔洞。孔洞大小可以約為幾十到幾百nm,例如大小介于10和500nm之間。最近的相鄰孔洞可以間隔約幾十到幾百nm,例如介于10和500nm之間。多孔區域例如可以介于O. 02和3Mm厚之間。百分比孔隙度定義為孔洞體積占多孔區域總體積的百分比，可能從20-80%變化，常常大于50%。半導體材料中的導電類型和摻雜劑濃度可以影響多孔層的特性，例如通過影響所形成孔的大小和間隔。在一些實施例中，多孔區域由摻雜有零(未人為摻雜)和IO19CnT3之間的摻雜劑濃度的η型GaN層形成。可以將根據本發明實施例在波長轉換襯底上形成的器件與其他常規波長轉換材料組合，例如粘合或接合到LED的事先形成的陶瓷磷光體層，或設置于有機密封劑中的粉末磷光體，有機密封劑被模板印刷、絲網印刷、噴射、沉降、蒸鍍、派射或以其他方式散布于LED 上。圖3中所示的器件可以是機械自支撐的，無需底座或支撐襯底或透鏡。因此，可以由用戶通過諸如焊料的簡單連接將圖3中所示的器件連接到適當器件，例如印刷電路板。由于器件是機械自支撐的，所以不需要支撐III-氮化物結構的更魯棒連接，例如金-金互連或支撐用底填材料。在一些實施例中，在圖3所示器件的η和ρ接觸上形成可浸潤金屬，界定η和ρ接觸上的可焊接區域。已經詳細描述了本發明，本領域的技術人員將認識到，在給定本公開的情況下，可以對本發明做出修改而不脫離這里所述的發明理念的精神。因此，并非要將本發明的范圍限于圖示和描述的具體實施例 。
權利要求
1.一種器件，包括 襯底，包括 包括設置于透明材料中的波長轉換材料的波長轉換元件； 種子層，包括III-氮化物材料將在其上成核的材料；以及 設置于所述波長轉換元件和所述種子層之間的接合層；以及在所述種子層上生長的半導體結構，所述半導體結構包括設置于η型區域和P型區域之間的III-氮化物發光層。
2.根據權利要求I所述的器件，其中在將所述波長轉換元件暴露于大于800°C的溫度下至少兩個小時時，所述波長轉換元件的發光性質減弱小于20%。
3.根據權利要求I所述的器件，其中所述波長轉換材料是磷光體，所述透明材料是玻璃、石英和SiO2之一。
4.根據權利要求I所述的器件，其中 所述波長轉換材料設置于所述透明材料的第一部分中；并且 所述透明材料的第二部分沒有波長轉換材料。
5.根據權利要求I所述的器件，其中所述波長轉換元件包括設置于透明材料中、接合到陶瓷磷光體的波長轉換材料。
6.一種器件，包括 襯底，包括 波長轉換元件； 種子層，包括III-氮化物材料將在其上成核的材料；以及 設置于所述波長轉換元件和所述種子層之間的二向色濾光片；以及在所述種子層上生長的半導體結構，所述半導體結構包括設置于η型區域和P型區域之間的III-氮化物發光層。
7.根據權利要求6所述的器件，其中所述二向色濾光片被配置成反射由所述波長轉換元件發射的波長的光。
8.根據權利要求6所述的器件，其中所述波長轉換元件包括陶瓷磷光體。
9.根據權利要求6所述的器件，其中所述波長轉換元件包括設置于透明材料中的波長轉換材料。
10.根據權利要求6所述的器件，還包括設置于所述二向色濾光片和所述種子層之間的接合層。
11.一種器件，包括 襯底，包括 波長轉換元件； 種子層，包括III-氮化物材料將在其上成核的材料；以及 設置于所述波長轉換元件和所述種子層之間的接合層； 在所述種子層上生長的半導體結構，所述半導體結構包括設置于η型區域和P型區域之間的III-氮化物發光層；以及 散射結構，其被配置成散射由III-氮化物發光層和波長轉換元件中的至少一個發射的光。
12.根據權利要求11所述的器件，其中所述散射結構包括具有粗糙表面的III-氮化物層。
13.根據權利要求12所述的器件，還包括設置于所述粗糙表面和金屬接觸之間的透明導電層。
14.根據權利要求12所述的器件，還包括 設置于所述粗糙表面和金屬接觸之間的透明絕緣層，其中所述透明絕緣層具有平坦頂表面；以及 形成于所述透明絕緣層中的至少一個開口，其中導電材料設置于所述開口中。
15.根據權利要求11所述的器件，其中所述散射結構包括折射率的周期性變化，其中所述變化在平行于所述發光層主表面的方向上。
16.根據權利要求15所述的器件，其中所述折射率的周期性變化設置于所述η型區域之內。
17.根據權利要求15所述的器件，其中所述折射率的周期性變化設置于所述η型區域和所述種子層之間。
18.根據權利要求11所述的器件，其中所述波長轉換元件包括能夠發射紅光的磷光體。
19.根據權利要求18所述的器件，其中 所述波長轉換元件是第一波長轉換元件，所述器件還包括第二波長轉換元件，所述第二波長轉換元件包括能夠發射綠光或黃光的磷光體；并且 所述第一波長轉換元件設置于所述半導體結構和所述第二波長轉換元件之間。
全文摘要
在本發明的一些實施例中，器件包括襯底和半導體結構。襯底包括波長轉換元件(30)，波長轉換元件(30)包括設置于透明材料中的波長轉換材料；包括III-氮化物材料將在其上成核的材料的種子層(34)；以及設置于波長轉換元件和種子層之間的接合層(32)。半導體結構包括設置于n型區域和p型區域之間的III-氮化物發光層并生長于種子層上。
文檔編號H01L33/00GK102870238SQ201180022799
公開日2013年1月9日 申請日期2011年4月8日 優先權日2010年5月6日
發明者N.F.加德納, A.J.F.達維達, O.B.施徹金 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司