專利名稱：生長(zhǎng)于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換襯底上的發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長(zhǎng)于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換復(fù)合襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光器件是當(dāng)前可用的最有效率的光源之一，包括發(fā)光二極管(LED)、諧振腔發(fā)光二極管(RCLED )、垂直腔激光二極管(VCSEL)和邊發(fā)射激光器。制造能夠在可見光譜工作的高亮度發(fā)光器件時(shí)當(dāng)前感興趣的材料系統(tǒng)包括πι-v族半導(dǎo)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(jī)化學(xué)氣相淀積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技術(shù)在藍(lán)寶石、碳化硅、III-氮化物或其他適當(dāng)襯底上外延生長(zhǎng)成分和摻雜劑濃度不同的半導(dǎo)體層的疊層，從而制造III-氮化物發(fā)光器件。疊層常常包括形成于襯底上，摻雜有例如Si的一個(gè)或多個(gè)η型層，形成于η型層上有源區(qū) 中的一個(gè)或多個(gè)發(fā)光層，以及形成于有源區(qū)上，摻雜有例如Mg的一個(gè)或多個(gè)P型層。在η和P型區(qū)域上形成電接觸。圖I示出了在US 7514721中更詳細(xì)描述的LED，在此通過引用將其并入本文?！霸诔珊私Y(jié)構(gòu)58和發(fā)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(fā)光陶瓷52接合到成核結(jié)構(gòu)58。如果使用接合層，接合層的折射率優(yōu)選介于接合層施加于其上的III-氮化物層和發(fā)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(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)設(shè)置于η型區(qū)域10和P型區(qū)域12之間包括發(fā)光區(qū)域14的外延層?！痹讦呛蚉型區(qū)域10和12上形成η和P接觸18和20。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一種器件包括襯底和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。襯底包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件和種子層之間的接合層。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III-氮化物發(fā)光層并生長(zhǎng)于種子層上。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)于襯底上，該襯底包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件和種子層之間的二向色濾光片。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一種器件包括襯底、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和散射結(jié)構(gòu)。襯底包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件和種子層之間的接合層。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)于種子層上，包括設(shè)置于η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III-氮化物發(fā)光層。散射結(jié)構(gòu)被配置成散射由III-氮化物發(fā)光層和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中的至少一個(gè)發(fā)射的光。


圖I示出了生長(zhǎng)于附著于發(fā)光陶瓷的成核結(jié)構(gòu)上的現(xiàn)有技術(shù)III-氮化物L(fēng)ED。
圖2示出了包括接合到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的種子層的復(fù)合襯底。圖3示出了生長(zhǎng)于包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的復(fù)合襯底上的器件。圖4示出了包括粗糙P型區(qū)域和透明導(dǎo)電金屬氧化物的器件的一部分。圖5示出了包括隧道結(jié)和粗糙η型區(qū)域的器件的一部分。圖6示出了包括設(shè)置于復(fù)合襯底上的圖案化非III-氮化物層的器件的一部分，復(fù)合襯底包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。圖7示出了包括設(shè)置于η型區(qū)域之內(nèi)的圖案化非III-氮化物層的器件的一部分。圖8是針對(duì)二向色濾光片一個(gè)范例作為波長(zhǎng)函數(shù)的反射率圖示，二向色濾光片可 以設(shè)置于襯底中的種子層和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件之間。圖9示出了生長(zhǎng)于包括兩個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的復(fù)合襯底上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的實(shí)施例中，在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換復(fù)合襯底上生長(zhǎng)III-氮化物發(fā)光器件，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換復(fù)合襯底包括接合到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的種子層。盡管在下面的范例中，半導(dǎo)體發(fā)光器件是發(fā)射藍(lán)色或紫外光的III-氮化物L(fēng)ED，但可以使用除LED之外的半導(dǎo)體發(fā)光器件，例如由其他材料系統(tǒng)制造的激光二極管和半導(dǎo)體發(fā)光器件，其他材料系統(tǒng)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(jù)本發(fā)明實(shí)施例的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換襯底。將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30接合到種子層34?？梢詫⒎N子層34直接接合到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30，或者可以在種子層34和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30之間設(shè)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(dǎo)體或電介質(zhì)。選擇波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30、任選的接合層32和種子層34的全部以便經(jīng)得起生長(zhǎng)III-氮化物發(fā)光器件所需的條件，例如包括在H2環(huán)境中在至少800°C溫度下五個(gè)小時(shí)。在一些實(shí)施例中，選擇波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30，使得在N2環(huán)境中暴露于高于800°C溫度下至少兩小時(shí)的時(shí)候，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換兀件的發(fā)光性質(zhì)劣化小于20%,或更優(yōu)選劣化小于10%,發(fā)光性質(zhì)例如包括量子效率、量子效率隨時(shí)間的維持、發(fā)射光譜、吸收光譜和量子效率隨溫度的維持。在一些實(shí)施例中，選擇波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30、任選的接合層32和種子層34以具有相當(dāng)好地匹配III-氮化物材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30的CTE介于每開氏度5ppm和9ppm之間。在一些實(shí)施例中，選擇波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shí)施例中，如US 7341878、US 7361938和US 7521862中更詳細(xì)所述，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30是例如通過燒結(jié)粉末磷光體形成的發(fā)光陶瓷，在此通過引用將這些文獻(xiàn)并入本文。在圖2中所示的實(shí)施例中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30是設(shè)置于透明材料38中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料36。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料36可以是，例如一種或多種粉末磷光體、染料、半導(dǎo)體材料或量子點(diǎn)?？梢栽谕该鞑牧匣虬l(fā)光陶瓷中包括非波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，例如TiOx顆粒，例如導(dǎo)致光散射或改善器件的關(guān)斷狀態(tài)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換襯底結(jié)合的LED生成白光或其他顏色的單色光?？梢酝ㄟ^波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換襯底將LED發(fā)射的全部或僅一部分光進(jìn)行轉(zhuǎn)換。LED發(fā)射的未轉(zhuǎn)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(fā)藍(lán)光LED與發(fā)黃光磷光體組合，發(fā)藍(lán)光LED與發(fā)綠光和紅光磷光體組合，發(fā)紫外光LED與發(fā)藍(lán)光和黃光磷光體組合，以及發(fā)紫外光LED與發(fā)藍(lán)光、綠光和紅光的磷光體組合?？梢蕴砑影l(fā)射其他顏色光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料以調(diào)節(jié)從器件發(fā)射的光的光譜?？梢栽趩蝹€(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中混合多種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，形成為單個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中的混合或離散層。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括兩個(gè)層壓在一起的發(fā)光陶瓷板，發(fā)光陶瓷板附著于設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料、設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料混合物或設(shè)置于透明材料不同區(qū)域中的多種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
圖9示出了具有多個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30a。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30a比波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30b距生長(zhǎng)于種子層34上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)42更近，是發(fā)紅光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30b距半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)42更遠(yuǎn)，是發(fā)黃光或綠光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件?？梢栽诎雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成一個(gè)或多個(gè)反射接觸，從而可以通過波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30a和30b從器件提取光?？梢栽谛纬梢r底22之前或之后，以及生長(zhǎng)和/或處理半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)42之前或之后，通過粘合劑連接波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件 30a 和 30b ο由器件的期望光譜確定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的量。在一些實(shí)施例中，在圖2所示的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中，將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料36限制到僅波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的部分厚度。在圖2的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料設(shè)置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件最接近種子層的區(qū)域35中。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件遠(yuǎn)離種子層的區(qū)域37不包括任何波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料?？梢灶嵉箖蓚€(gè)區(qū)域，使得沒有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的區(qū)域設(shè)置于種子層34和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料之間，或具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的區(qū)域可以夾在沒有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的兩個(gè)區(qū)域之間。類似地，在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件為發(fā)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(xì)所述。僅有具有激活摻雜劑的發(fā)光陶瓷部分才進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30必須要足夠厚，以機(jī)械支撐種子層和種子層上生長(zhǎng)的III-氮化物層。例如，在一些實(shí)施例中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件可以介于20和500微米厚之間，在一些實(shí)施例中介于50和200微米厚之間，在一些實(shí)施例中介于80和120微米厚之間。發(fā)光陶瓷波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件可以很適合半導(dǎo)體器件發(fā)射的全部光都被轉(zhuǎn)換的器件。利用激活摻雜劑均勻摻雜，足夠厚以機(jī)械支撐種子層和III-氮化物層的發(fā)光陶瓷可以基本轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件發(fā)射的所有光。這種器件的范例包括生長(zhǎng)于襯底上的發(fā)藍(lán)光或紫外光的半導(dǎo)體器件，襯底包括發(fā)綠光或琥珀黃光的發(fā)光陶瓷波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件。根據(jù)使用的發(fā)光陶瓷，該器件發(fā)射呈現(xiàn)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件具有一定形狀或紋理，例如以改善光的提取?？梢栽谛纬蓮?fù)合襯底之前或之后，在生長(zhǎng)III-氮化物結(jié)構(gòu)之前或之后，以及在例如通過蝕刻臺(tái)面和形成η和P接觸將III-氮化物結(jié)構(gòu)處理成器件之前或之后，使波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件具有一定形狀或紋理?？梢栽谏L(zhǎng)并測(cè)試半導(dǎo)體器件之后，例如通過激光燒蝕，減薄波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，以便實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件發(fā)射的組合光的期望顏色點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30具有粗糙表面。接合層32可以形成于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30上，然后例如通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)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(dāng)材料。種子層34 —般是單晶材料，例如藍(lán)寶石、SiC, ScMgAlO4, GaN, InGaN、AlGaN、AIN、InN、AlInGaN 或另一種III-氮化物或III-V材料?？梢匀缦滦纬蓤D2中所示的襯底。典型地襯底形成為晶片級(jí)，在晶片中同時(shí)形成有多個(gè)襯底。然后將晶片劃片成各單個(gè)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30的晶片。例如，可以如US 7361938中所述，通過燒結(jié)粉末磷光體來形成發(fā)光陶瓷晶片?？梢酝ㄟ^US 2005/0274967中描述的方法形成設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料晶片，在此通過引用將該文獻(xiàn)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(zhì)化良好的混合物插入適當(dāng)?shù)嫩釄逯?。將坩堝插入例如預(yù)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(duì)熔化物進(jìn)行均質(zhì)化。在熔化和均質(zhì)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?？梢曰诖渭?jí)光的期望波長(zhǎng)選擇片中嵌入的磷光體材料或其他波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。例如，可用于藍(lán)光發(fā)光器件以產(chǎn)生白光的一種適當(dāng)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(duì)片進(jìn)行模制以包括若干透鏡元件。在另一實(shí)施例中，利用溶膠-凝膠過程產(chǎn)生片。在形成期間在溶膠-凝膠玻璃之內(nèi)分散期望的磷光體。在通過引用并入本文中的美國(guó)專利No. 6642618中描述了一種溶膠-凝膠玻璃過程。然后在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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?yōu)榉N子層的材料。對(duì)于III-氮化物種子層，常規(guī)上在施主襯底上生長(zhǎng)種子層材料，所述施主襯底例如可以是藍(lán)寶石、Si或SiC。種子層材料可以生長(zhǎng)于犧牲半導(dǎo)體層上方，利用注入物種對(duì)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(duì)于非III-氮化物種子層，例如藍(lán)寶石、ScMgAlO4 *SiC，可以在對(duì)應(yīng)于種子層期望厚度的深度處對(duì)藍(lán)寶石、ScMgAlO4或SiC晶片進(jìn)行注入。在一些實(shí)施例中，犧牲層是GaN，種子層是InGaN，InN組分大于零，最大達(dá)到12%?？梢岳肐II族面，也稱為鎵面向上生長(zhǎng)III-氮化物種子層。優(yōu)選在種子層的鎵面上生長(zhǎng)器件層。因此，可以首先將鎵面III-氮化物種子層接合到臨時(shí)襯底，暴露V族或氮面，然后接合到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30。對(duì)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30。在臨時(shí)襯底上形成任選的接合層和順從層。施主襯底上生長(zhǎng)的種子層通過順從層接合到臨時(shí)襯底。在一些實(shí)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(cuò)、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(shí)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(guó)專利申請(qǐng)公開2005/0026394和美國(guó)專利5374564中更詳細(xì)地描述了對(duì)犧牲層進(jìn)行注入以及通過激活注入物種將種子層從施主襯底分離?？商鎿Q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(jié)構(gòu)，讓應(yīng)變種子層材料的區(qū)域膨脹和弛豫，例如，通過加熱順從層，使得種子層材料的區(qū)域在順從層上方滑動(dòng)。在一些實(shí)施例中，首先在種子層中蝕刻溝槽，處理該結(jié)構(gòu)以讓應(yīng)變種子層材料的區(qū)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(gè)結(jié)構(gòu)之間施加熱量和/或壓力，將種子層接合到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30。例如，通過蝕刻掉將臨時(shí)襯底接合到種子層的接合層來移除臨時(shí)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(fù)合襯底中所示出的。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換襯底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)42。在圖3中所示的器件中，種子層34和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(dāng)二向色濾光片的電介質(zhì)層疊層。例如，可以配置二向色濾光片40以透射半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有源區(qū)發(fā)射的光波長(zhǎng)并反射波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30發(fā)射的光波長(zhǎng)，以防止向半導(dǎo)體器件背向散射的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光被半導(dǎo)體器件吸收。例如，二向色濾光片可以包括10對(duì)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換兀件30發(fā)射的波長(zhǎng)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(duì)HfO2和SiO2的二向色濾光片作為波長(zhǎng)函數(shù)的反射率圖。在一些實(shí)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(zhì)之間，或以上兩者之間都設(shè)置額外的接合層，例如玻璃。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)42包括夾在η和ρ型區(qū)域之間的發(fā)光或有源區(qū)?？梢葬槍?duì)其晶格常數(shù)或其他性質(zhì)和/或針對(duì)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)42的層組成。N型區(qū)域44通常是首先生長(zhǎng)的，并且可以包括多個(gè)不同成分和摻雜劑濃度的層，包括，例如準(zhǔn)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(shè)計(jì)其以用于發(fā)光區(qū)域高效發(fā)光所希望的特定光學(xué)或電學(xué)性質(zhì)。在η型區(qū)域上方生長(zhǎng)發(fā)光或有源區(qū)46。適當(dāng)發(fā)光區(qū)域的范例包括單個(gè)厚或薄的發(fā)光層，或包括被勢(shì)壘層分開的多個(gè)薄或厚發(fā)光層的多量子阱發(fā)光區(qū)域。在發(fā)光區(qū)域上方生長(zhǎng)P型區(qū)域48。像η型區(qū)域那樣，ρ型區(qū)域可以包括多個(gè)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(qū)域和有源區(qū)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(cè)。接觸一般是反射性的，一般安裝器件，使得通過波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(qū)域插入多個(gè)η型接觸區(qū)域之間。在垂直注入LED中，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一側(cè)上形成η接觸，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上形成P接觸。例如，P接觸可以形成于P型區(qū)域上，可以移除波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(qū)域表面上。可以利用導(dǎo)線或金屬橋?qū)崿F(xiàn)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(shí)施例中，在器件中包括一種結(jié)構(gòu)以增大從器件的光提取，例如通過增大散射來實(shí)現(xiàn)。圖4-7示出了設(shè)置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30和ρ接觸54之間的散射結(jié)構(gòu)?？梢詫D4-7中所示的散射結(jié)構(gòu)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(cè)的接觸提取光的器件中。在圖4中所示的結(jié)構(gòu)中，在ρ型區(qū)域48之后生長(zhǎng)粗糙的ρ型層60。例如，在生長(zhǎng)P型區(qū)域48之后，可以將生長(zhǎng)條件切換到有利于形成粗糙表面的條件，例如更高的環(huán)境壓力，例如大于400毫巴。蝕刻掉粗糙ρ型層60、ρ型區(qū)域48和發(fā)光區(qū)域46的一部分以暴露 其上形成η接觸的η型區(qū)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(dǎo)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(dǎo)電氧化物層可以具有IOnm到10 μπι的厚度，更優(yōu)選地在IOOnm到I μπι范圍中。在透明導(dǎo)電氧化物62上方形成一個(gè)或多個(gè)P接觸54。導(dǎo)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(dǎo)電氧化物提取光，或者如果P型金屬覆蓋器件的大比例區(qū)域，可以將器件安裝成倒裝芯片，從而通過波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30提取光。粗糙ρ型層60和透明導(dǎo)電氧化物62之間折射率的差異導(dǎo)致光散射。在一些實(shí)施例中，在粗糙ρ型表面上設(shè)置諸如SiO2或其他氧化物的透明材料，然后例如通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化。在透明材料中形成開口，暴露P型區(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)中，如上所述生長(zhǎng)η型區(qū)域44、發(fā)光區(qū)域46和ρ型區(qū)域48。在P型區(qū)域48上生長(zhǎng)隧道結(jié)64。在US 6822991和US 6878975中更詳細(xì)地描述了用于III-氮化物L(fēng)ED的隧道結(jié)，通過引用將其并入本文。隧道結(jié)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(shí)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(shí)施例中，中間半導(dǎo)體層，例如A1N，可以夾在η++和ρ++層之間。隧道結(jié)64通常非常?。焕?，隧道結(jié)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(gè)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(shí)施例中，ρ++層和η++層的每個(gè)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(gè)實(shí)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(qū)域48相鄰的P++層的一部分可以具有從下方P型區(qū)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(jié)上生長(zhǎng)的η型區(qū)域相鄰的最小值的摻雜劑濃度。將隧道結(jié)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(dǎo)電流時(shí)，隧道結(jié)64顯示低的串聯(lián)電壓降。在一些實(shí)施例中，隧道結(jié)64兩側(cè)的電壓降為大約O. IV到大約IV。在隧道結(jié)64的η++區(qū)域上方設(shè)置粗糙的η型層65?？梢栽趯?dǎo)致粗糙表面的條件下生長(zhǎng)η型層65，或者可以生長(zhǎng)平坦的η型層，然后粗糙化，例如通過光電化學(xué)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(dá)η型層65的一個(gè)或多個(gè)開口 67。在透明材料66上方和開口 67之內(nèi)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(dǎo)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(fā)光區(qū)域46、ρ型區(qū)域48、隧道結(jié)64、η型層65和透明材料66的一部分或者通過移除波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30、接合層32和種子層34 —部分而暴露的η型區(qū)域44的一部分上形成η接觸。通過向η接觸和接觸540供應(yīng)電流對(duì)器件進(jìn)行正向偏置，導(dǎo)致隧道結(jié)64截止。在一些實(shí)施例中，由嵌入或形成于III-氮化物結(jié)構(gòu)表面上的光子晶體或點(diǎn)陣導(dǎo)致散射。在這樣的結(jié)構(gòu)中，以周期性方式在接近材料中發(fā)光區(qū)域發(fā)射光波長(zhǎng)的間隔上提供光學(xué)折射率的變化。可以選擇周期性折射率變化的參數(shù)，例如周期和幅度，以使提取的光量增大到期望的發(fā)射模式。例如，可以選擇點(diǎn)陣或光子晶體的尺寸和間距，以使與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)頂表面正交的方向上提取的光量最大化。在美國(guó)專利7642108、7442965、7442964、7294862、7279718,7012279和6956247中更詳細(xì)地描述了用于和形成光子晶體的參數(shù)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(diǎn)陣的器件。在圖6所示的器件中，如上所述形成包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(jìn)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(diǎn)陣或透明材料68的點(diǎn)陣柱。然后在透明材料68上生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?？梢陨L(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，使得η型區(qū)域44直接在透明材料68上方聚結(jié)，或使得在透明材料68的區(qū)域之間或上方形成氣穴，然后半導(dǎo)體材料聚結(jié)成基本平坦的η型區(qū)域44。然后如上所述生長(zhǎng)發(fā)光和ρ型區(qū)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件30的復(fù)合襯底上生長(zhǎng)η型區(qū)域44。如上文參考圖6所述，在η型區(qū)域44上方設(shè)置透明材料72，然后進(jìn)行圖案化。在透明材料72上方生長(zhǎng)額外的η型層76?？梢栽谌缦聴l件下生長(zhǎng)η型層76 :填充具有在透明材料72上方聚結(jié)的η型材料的透明材料72的區(qū)域之間的開口 74，或者導(dǎo)致氣穴形成于透明材料72的區(qū)域之間或上方，然后半導(dǎo)體材料聚結(jié)成基本平坦的η型區(qū)域76。如上所述，在η型區(qū)域76上方生長(zhǎng)發(fā)光區(qū)域46和ρ型區(qū)域48?？梢栽讦切蛥^(qū)域44或η型區(qū)域76上形成η接觸。在一些實(shí)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(shè)置納米多孔GaN層。在一些實(shí)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(qū)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(shù)和機(jī)械穩(wěn)定性的限制。適當(dāng)?shù)目紫抖瓤赡苌婕岸嗫讌^(qū)域的厚度。為了提供同樣量的散射，更厚的多孔區(qū)域可以比更薄的多孔區(qū)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(qiáng)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(dāng)陽極。鉬絲的另一端充當(dāng)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(yīng)任選的紫外照明。適當(dāng)?shù)目紫抖瓤赡苄枰?0到60分鐘處理，之后關(guān)掉燈和電流源?？商鎿Q地，可以直接在晶片表面上施加鉬，或者在光電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的過程中使用不同的溶液，例如Κ0Η、氟化物酸、或CH3OH HF :H202?？梢酝ㄟ^改變?nèi)芤旱臐舛葋砜刂瓶紫抖鹊拿芏群统叽?。蝕刻幾乎獨(dú)有地發(fā)生于電·解質(zhì)-半導(dǎo)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(zhǎng)，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(jìn)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(wěn)定性和多孔區(qū)域下方無孔材料厚度的限制。如果在導(dǎo)電SiC襯底上生長(zhǎng)導(dǎo)電GaN，可以通過繼續(xù)向生長(zhǎng)襯底中進(jìn)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(zhǎng)。在多孔區(qū)域中，在III-氮化物材料中形成氣孔洞?？锥创笮】梢约s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(qū)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(qū)域總體積的百分比，可能從20-80%變化，常常大于50%。半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)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(shí)施例中，多孔區(qū)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?？梢詫⒏鶕?jù)本發(fā)明實(shí)施例在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換襯底上形成的器件與其他常規(guī)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于有機(jī)密封劑中的粉末磷光體，有機(jī)密封劑被模板印刷、絲網(wǎng)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(jī)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(jiǎn)單連接將圖3中所示的器件連接到適當(dāng)器件，例如印刷電路板。由于器件是機(jī)械自支撐的，所以不需要支撐III-氮化物結(jié)構(gòu)的更魯棒連接，例如金-金互連或支撐用底填材料。在一些實(shí)施例中，在圖3所示器件的η和ρ接觸上形成可浸潤(rùn)金屬，界定η和ρ接觸上的可焊接區(qū)域。已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在給定本公開的情況下，可以對(duì)本發(fā)明做出修改而不脫離這里所述的發(fā)明理念的精神。因此，并非要將本發(fā)明的范圍限于圖示和描述的具體實(shí)施例 。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括 襯底，包括 包括設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(zhǎng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III-氮化物發(fā)光層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的器件，其中在將所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件暴露于大于800°C的溫度下至少兩個(gè)小時(shí)時(shí)，所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的發(fā)光性質(zhì)減弱小于20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的器件，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求I所述的器件，其中 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料設(shè)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的器件，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括設(shè)置于透明材料中、接合到陶瓷磷光體的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
6.一種器件，包括 襯底，包括 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(zhǎng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III-氮化物發(fā)光層。
7.根據(jù)權(quán)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件發(fā)射的波長(zhǎng)的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括陶瓷磷光體。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，還包括設(shè)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(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件和所述種子層之間的接合層； 在所述種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III-氮化物發(fā)光層；以及 散射結(jié)構(gòu)，其被配置成散射由III-氮化物發(fā)光層和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件中的至少一個(gè)發(fā)射的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述散射結(jié)構(gòu)包括具有粗糙表面的III-氮化物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，還包括設(shè)置于所述粗糙表面和金屬接觸之間的透明導(dǎo)電層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，還包括 設(shè)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(gè)開口，其中導(dǎo)電材料設(shè)置于所述開口中。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述散射結(jié)構(gòu)包括折射率的周期性變化，其中所述變化在平行于所述發(fā)光層主表面的方向上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其中所述折射率的周期性變化設(shè)置于所述η型區(qū)域之內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其中所述折射率的周期性變化設(shè)置于所述η型區(qū)域和所述種子層之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括能夠發(fā)射紅光的磷光體。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件是第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，所述器件還包括第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，所述第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括能夠發(fā)射綠光或黃光的磷光體；并且 所述第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和所述第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件之間。
全文摘要
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，器件包括襯底和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。襯底包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件(30)，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件(30)包括設(shè)置于透明材料中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shè)置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件和種子層之間的接合層(32)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于n型區(qū)域和p型區(qū)域之間的III-氮化物發(fā)光層并生長(zhǎng)于種子層上。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102870238SQ201180022799
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者N.F.加德納, A.J.F.達(dá)維達(dá), O.B.施徹金 申請(qǐng)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(shè)備有限責(zé)任公司