波长转换的半导体发光器件的制作方法

专利名称：波长转换的半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波长转换的半导体发光器件。
背景技术：
包括发光二极管(LED)、共振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔 激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器的半导体发光器件是目前可以 得到的最有效的光源。目前关注点集中于制造能够在整个可见光谱范
围中工作的高亮度发光器件的材料体系包括in-v族半导体，特别是 镓、铝、铟和氮的二价、三价和四价合金，也称作in-氮化物材料、以 及镓、铝、铟和磷的二价、三价和四价合金，也称作m-磷化物材料。 典型地，in-氮化物发光器件是通过金属-有机化学汽相沉积(M0CVD)、 分子束外延、或者其他外延技术，在蓝宝石、碳化硅、m-氮化物或者 其他合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂浓度的半导体层的叠层而 制造的。所述叠层通常包括形成在衬底上的掺杂有例如Si的一个或者
多个n-型层、形成在n-型层或者多个n-型层上的发光或者活性区域、 以及形成在活性区域上的掺杂有例如Mg的一个或者多个p-型层。形
成在导电衬底上的in-氮化物器件可以在该器件的相对侧上形成有p-触点和n-触点。通常，在绝缘衬底(例如蓝宝石)上制造m-氮化物器 件，在该器件的同一侧上具有两个触点。安装这种器件，使得光或者 通过触点(作为向上外延器件而已知的)或者通过器件中与触点相对 的表面(作为倒装芯片器件而已知的)而被提取。
图1说明了在美国专利US6, 650， 044中更加详细描述的m-氮化物 倒装芯片器件的例子。LED 2包括笫一导电类型的第一半导体层10和 第二导电类型的第二半导体层12。半导体层10和12与活性区域l4 电连接。活性区域14是例如与层10和12的界面相关联的p-n结。可 替换地，活性区域14包括一个或者多个掺杂或者未掺杂n-型或者p-型的半导体层。在半导体层10上设置任选的透明的添加覆盖层 (superstrate) 16。触点18和20分别与半导体层IO和12电耦连。 当经过触点18和20施加适当电压时，活性区域14发光。互连22和24分别将触点18和20电耦连到衬底触点26和28上。在一个实施方 案中，半导体层10和12以及活性区域14由m-氮化物化合物例如 ALIriyGazN化合物形成，活性区域14发射波长为例如大约470nm的蓝 光。任选的透明添加覆盖层16例如由蓝宝石或者碳化硅形成。衬底4 包括例如硅。参见美国专利US6， 650， 044笫3栏第40-63行。
III-氮化物LED结构通常生长在蓝宝石衬底上，因为蓝宝石具有高 温稳定性并且制造相对容易。使用蓝宝石衬底可能导致提取效率较 差，因为在半导体层和衬底之间的界面处的折射率之差较大。当光入 射在两种材料之间的界面上时，折射率之差决定了有多少光在那个界 面处全内反射，以及有多少光透射过去。折射率之差越大，被反射的
光就越多。蓝宝石的折射率(1.8)低于生长在蓝宝石上的m-氮化物 器件层的折射率(2.4)。因此，当m-氮化物器件层中产生的光到达
半导体层和蓝宝石衬底之间的界面时，大部分光被反射。被全内反射 的光必定散射并且在其被提取之前形成许多通过器件的通道。这些通 道导致光明显减弱，是因为触点位置上的光损失、自由载流子吸收和 在ffl-氮化物器件层中的任一层内的带间吸收。使用折射率与ffl-氮化 物材料的折射率更加接近地匹配的其他生长衬底可以降低光损失，但
是通常不能完全消除光损失。同样地，因为m-氮化物材料和空气之间
的折射率相差较大，所以除去生长衬底也不会消除光损失。

发明内容
根据本发明的实施方案， 一种例如磷光体的材料光学地结合在半
导体结构中，该半导体结构包括设置在n-型区域和p-区域之间的发光 区域，以便有效地将来自发光区域中的光提取进入到磷光体中。该磷 光体可以是与半导体结构的表面直接接触的磷光体颗粒，或者是结合 在半导体结构中的陶瓷磷光体，或者与其上可以生长半导体结构的薄 核结构(nucleation structure)的陶乾裤光体。该礴光体优选是高 吸收且高效的。当半导体结构将光发射到这种高效、高吸收的磷光体 中时，磷光体可以有效地从该结构中提取光，降低现有器件中存在的 光损耗。


图1示出现有技术中的倒装芯片ni-氮化物发光器件管。
图2示出根据本发明实施方案的磷光体-转换m-氮化物发光器件。
图3示出在生长衬底上生长的III-氮化物发光器件的外延层。
图4示出在结合到主衬底上的III-氮化物发光器件的外延层。
图5和6示出根据本发明实施方案的磷光体-转换III-氮化物发光器件。
图7, 8和9示出制造图5和6中示出的器件的方法。
图10和11示出制造图5和6中示出的器件的可替换方法。
图12示出封装的发光器件的剖视图。
图13示出结合到封装部分上的图5的器件。
具体实施例方式
图1中示出的现有技术的器件包括具有磷光体的层30。磷光体是 能够吸收激发能(通常为辐射能)然后发射所吸收的能量为与初始激 发能不同的能量的辐射的发光材料。最新(state-of-the-art)的磷 光体具有接近100 %的量子效率，这意味着被提供为激发能的几乎所有 质子被磷光体重发射。最新磷光体还是高吸收性的。如果发光器件能 够将光直接发射入这种高效率、高吸收的磷光体中，那么磷光体可以 从器件有效地提取光，降低上述光损耗。
图1中示出的器件没有使用磷光体的这些性质。在图1中示出的 器件中，衬底16使磷光体层30与III-氮化物器件区域10， 12和14 分隔开。如上所述，因为器件层和衬底之间界面处的折射率的阶跃 (step)，许多光被捕获在半导体层中。
根据本发明的实施方案，将磷光体紧密地耦合到器件中的其中一 个半导体层上，以促进光的有效提取。图2示出了本发明的第一实施 方案，其中磷光体的晶粒沉积在器件在去除生长衬底时暴露出来的III-氮化物表面上。磷光体晶粒(grain ) 34沉积在n-型区域10的表面上。 磷光体晶粒34与n-型区域10直接接触，使得活性区域14发射出来 的光直接耦合到磷光体晶粒34上。可以提供光耦合介质32以保持磷 光体晶粒34在适当位置上。选择光耦合介质32以具有比上述传统粘 结剂的折射率高的折射率，例如高于1.5，并且尽可能接近而没有显 著超过n-型区域10的折射率。为了更有效的运行，无损失的介质包 括在n-型区域10、磷光体晶粒34和光耦合介质32之间。磷光体晶粒 34通常具有在0. 1到20微米之间的晶粒大小，更典型地具有在1到8
微米之间的磷光体晶粒大小。
图2中示出的器件可以通过在传统生长衬底上生长器件层，将所 述器件层结合到主衬底上，然后除去生长村底而形成。图3示出在传 统生长衬底16上生长的器件层。N-型区域IO生长在衬底16的上方。 N-型区域IO可以包括任选预备层(preparation layer)(例如緩冲 层或者成核层)，以及被设计成易于释放生长衬底或者在除去衬底之 后使外延层变薄的任选释放层。活性区域14生长在n-型区域10的上 方，接着是p-型区域12。在p-型区域12的上方沉积一个或者多个金 属层50，该金属层50包括例如欧姆接触层、反射层、阻挡层、和结 合层的。
然后将器件层通过金属层50中暴露的表面结合到主村底28上， 在图4中示出。 一个或者多个结合层(未示出)，典型地是金属，可 以用作用于外延结构和主衬底之间的热压或者共晶键合(eutectic bonding)的顺应材料(compliant material)。适当的结合层金属 的例子包括金和银。在除去生长衬底之后主衬底38对外延层提供机械 支撑，并且提供与p-型区域12的电连接。通常选择主衬底38是导电 的(即，低于大约0. 10cm)、导热的、具有与外延层的热膨胀系数(CTE) 相匹配的热膨胀系数、以及扁平得足以(即，具有低于大约10 nm的 均方根硬度)形成坚固的晶片结合(wafer bond)。适合的材料包括 例如金属，诸如Cu、 Mo、 Cu/Mo和Cu/W;具有金属触点的半导体，诸 如具有欧姆触点的Si和具有欧姆触点的GaAs，包括例如Pd、 Ge、 Ti、 Au、 Ni、 Ag中的一种或者多种；以及陶瓷，诸如A1N;压缩的金刚石、或者通过化学汽相沉积生长的金刚石层。
器件层可以以晶片大小结合到主衬底38上，使得器件的整个晶片 结合到一个晶片的主衬底上，然后在结合之后将单个器件切成方块。 可替换地，可以将一个晶片大小的器件切成单个器件，然后以小切块 (die)大小将每个器件结合到主衬底38上。
在升高的温度和压力下将主衬底38和外延层10， 12和14压在一 起，从而在主村底38和金属层50之间的界面处形成耐久的结合，例 如在界面处在金属结合层(未示出)之间形成耐久的金属结合。用于 结合的温度和压力范围由得到的结合的强度限定在较低端，并且由主 衬底结构、金属化和外延结构的稳定性限定在较高端。例如，高温和/或高压能够引起外延层的分解、金属触点的剥离、扩散阻挡层
(diffusion barrier)的失效、或者外延层中组成材料的除气作用。
适当的温度范围是例如大约20ot;到大约50ox:。适当的压力范围是例
如大约100 psi到大约300 psi。
为了除去蓝宝石生长衬底，将衬底16和晶体区域10之间的界面 的一些部分经过衬底以梯级且重复图案暴露给高能注量(high fluence)脉冲紫外激光器。为了免受于因暴露于激光所引起的冲击波 的影响，可以通过蚀刻通过器件的晶体层的沟槽使暴露的部分可以免 受影响。激光器的光子能量在与蓝宝石(一些实施方案中为GaN)相邻 的晶体层的带隙以上，因此在与蓝宝石相邻的外延材料的第一个100 nm之内，脉冲能有效地转换成热能。在足够的高能注量(即，大于大 约1. 5 J/cm2)和在GaN的带隙以上且在蓝宝石的吸收边沿以下的光子 能(即在大约3. 44到大约6 eV之间)，在第一个100 nm之内的温度 以十亿分之一秒的大小升高到大于lOOOt:的温度，对于GaN来说高到 足以分离成镓和氮气，将外延层从衬底16上释放。得到的结构包括结 合到主衬底38上的外延层10， 12和14。可以使用适于特定生长衬底 的任何去除技术。例如，在一些实施方案中，可以通过其他方式例如 蚀刻、研磨或其组合来去除生长衬底，例如Si、 SiC、基于Si的工程 衬底、和GaAs。
在除去生长衬底之后，可以使余下的外延层变薄，例如除去与衬 底16最接近并且材料品质低的部分n-型区域10。可以通过例如化学 机械抛光、传统干蚀刻或者光电化学蚀刻(PEC)使外延层变薄。可以 使外延层的顶面具有紋理或者变粗糙以增加所提取的光量。然后在n-型区域10上形成触点18。触点10可以是例如栅格。可以在触点18 下面、即在图2上的区域36的外延层中注入例如氢气，以阻止触点 18下面的活性区域14的部分发光。
然后将磷光体晶粒34直接沉积在n-型区域10中暴露出来的表 面。可以通过例如电泳沉积、旋涂、喷涂、丝网印刷或者其他印刷扭_ 术涂覆磷光体晶粒34。在诸如旋涂或者喷涂之类的技术中，磷光体可 以和有机粘结剂一起置于浆料中，然后在沉积浆料之后通过例如加热 蒸发掉粘结剂。然后可以涂覆耦合介质32。磷光体颗粒可以是纳米颗 粒本身，即大小在100到1000 nm范围的颗粒。可以涂覆典型地通过喷雾热解法或其他方法制造的球形磷光体颗粒，形成具有高封装密度 的层，其提供了优异的散射性质。而且，可以用例如带隙比磷光体发
射出来的光大的材料涂覆磷光体颗粒，例如Si(h、 ALO" MeP04或多磷 酸盐、或其他合适的金属氧化物。
耦合介质32可以是通过化学汽相沉积法所沉积的例如SLN或高 折射率玻璃。高折射率玻璃的例子包括Schott玻璃SF59、 Schott玻 璃LaSF 3、 Schott玻璃LaSF N18、及其混合物。这些玻璃可以从 Schott Glass Technologies Incorporated, of Duryea，Pa 得到。 其他高折射率耦合介质的例子包括高折射率硫属化物玻璃，例如(Ge， Sb， Ga) (S, Se)硫属化物玻璃、包括但不局限于GaN的ffl-V半导 体、包括但不局限于ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 Zn0、 CdS、 CdSe和CdTe的 II-VI半导体、有机半导体、包括但不局限于氧化钨、氧化钛、氧化镍、 氧化锆、氧化铟锡、和氧化铬、铝基氧化物(例如氧化铝和尖晶石) 的金属氧化物、包括但不局限于氟化镁和氟化钙的金属氟化物、包括 但不局限于Zn、 In、 Mg和Sn的金属、磷化物化合物、砷化物化合物、 锑化物化合物、氮化物化合物、高折射率有机化合物、及其混合物或 者合金。
适合的耦合介质的其他例子是结合在结合介质中然后注入到磷光 体层34中的高折射率纳米颗粒。在这种实施方案中，将在由发光区域 所发射出来的光的波长、折射率比结合介质的大的纳米颗粒分散在基 本上透明的结合介质中。选择纳米颗粒以具有小于大约由发光区域所 发射的光的波长(例如，峰值波长)的直径，因此基本上不散射所发 射的光。优选地，纳米颗粒具有的直径小于发光区域的峰值发射波长 的大约1/4。例如，在发光区域发射具有大于大约400 nm的波长的光 的器件中，纳米颗粒可以具有大约2 nin到大约50 nm的直径。结合介 质基本上是透明的，意味着它透射在由发光区域所发射的峰值波长的 光少于大约25%，优选地少于大约10%,更优选小于大约2%，因为吸 收或者散射而引起单个通路损失。结合介质可以是有机的或者无机 的，并且可以包含例如包括但不限于传统环氧树脂、丙烯酸聚合物、 聚碳酸酯、硅树脂聚合物(silicone polymer)、光学玻璃、硫属化 物玻璃、螺环化合物、及其混合物的材料。纳米颗粒基本上不吸收在 由发光区域所发射的波长的光，特别是在峰值发射波长的光。此处使用的措辞"基本上不吸收"和"基本上不在吸收"是表明在这样实施 方案中的纳米颗粒是充分非吸收的，以致于它们并没有将密封剂所透
射的光的单个通道损失增加到多于大约30%，优选地不多于大约20%。 本领域技术人员应当明白，因由纳米颗粒对发光区域所发射的光的吸 收而引起的损失取决于各个纳米颗粒的吸收横截面、结合介质中纳米 颗粒的浓度，并且可能取决于纳米颗粒和周围材料之间的相互作用。 适合于这种实施方案的纳米颗粒可以包括但不局限于金属氧化物、氮 化物、磷酸盐、含氮珪酸盐(nitridosilicate)、及其混合物。适合 的金属氧化物可以包括但不局限于氧化钙、氧化铈、氧化铪、氧化钛、 氧化锌、氧化锆、及其组合。例如可以从Degussa-Huls AG of Frankfurt/Main Germany得到尺寸在例如大约2 nm到大约10 nm范 围的这种金属氧化物的纳米颗粒。适合于这种实施方案的纳米颗粒还 可以包括II-IV半导体(例如硫化锌、硒化锌、硫化钙、硒化钙、碲化 钾以及它们的三价和四价混合物)的纳米颗粒，以及ffl-V半导体(例
如m-氮化物、m-磷化物及其混合物)的納米颗粒。可以使用双壳
(double-shell)或者多壳(mul t i-shel 1)纳米颗粒。在前一个处理 步骤中纳米颗粒可以悬浮在结合介质中或者涂覆在磷光体上，如上所述。
适合的耦合介质的另 一个例子是通过溶胶-凝胶法注入在磷光体 晶粒34中的高折射率玻璃。然后通过接下来的退火除去任何有机物。 在耦合介质是溶胶-凝胶玻璃的实施方案中，为了使玻璃的折射率与器 件的磷光体和in-氮化物层的折射率接近匹配，可以在Si02溶胶-凝胶 玻璃中包含一种或多种材料(例如钛、铈、铅、镓、铋、镉、锌、钡 或铝的氧化物)，以增大玻璃的折射率。例如，Y3A15012: Ce3+磷光体的 折射率在大约1. 75到1. 8之间，并且可以粘着到折射率为大约2. 4的 m-氮化物层上。在这种器件的优选实施方案中，耦合介质的折射率在 Y3Al50u:Ce3+和ffl-氮化物层的折射率之间。例如，Fabes等的"Porosity and composition effects in sol-gel derived interference filters," Thin Solid Films 254 ( 1995 ) 175-180，在此作为参 考而引入，其叙述了具有计算为n=l.85的理论折射率的Si02-Ti02-A1203涂覆溶液。可以将这种溶液注入到磷光体中形成磷光体和涂覆溶 液浆料，然后例如通过旋涂将其沉淀在器件表面上，干燥，然后在适
于涂覆溶液的温度下烧制。
在磷光体晶粒34、耦合介质32和触点18之前或者之后，将本领 域中已知的二级光学器件例如二向色性镜或者偏振器设置在发射表面 上，从而在亮度或者转换效率方面提供进一步的益处。
图5和图6示出了本发明的实施方案，其中磷光体是陶瓷磷光体， 而不是磷光体粉末。陶乾磷光体可以通过在高压下加热粉末磷光体直 到辯光体颗粒的表面开始变软并且熔化而形成。部分熔化的颗粒粘在 一起形成坚硬的颗粒的结块。单轴的或均衡的压制步骤和已完成的"坯 体"的真空烧结对于形成多晶陶瓷层可以是必要的。通过调整加热或 者压制条件、制造方法、所使用的磷光体颗粒前体、和磷光体材料的 适当晶格，可以控制陶瓷磷光体的半透明度，即它产生的散射量，从 高度不透明到高度透明。除了磷光体之外，例如可以包括其他陶瓷形 成材料例如氧化铝，从而易于形成陶瓷或者调整陶瓷的折射率。
与光学上表现为没有光学不连续的单个的、大的磷光体颗粒的薄 膜不同，陶瓷磷光体表现为紧密压实的各个磷光体颗粒，使得在不同 磷光体颗粒之间的界面处有微小的光学不连续。因此，陶瓷磷光体在 光学上几乎是均匀的并且具有与形成陶瓷磷光体的磷光体材料同样的 折射率。与保形(conformal)磷光体层或者设置在透明材料例如树脂 上的磷光体层不同，发光陶瓷除了磷光体自身之外通常不需要任何粘 结剂材料(例如有机树脂或者环氧树脂)，因此在各个磷光体颗粒之 间具有非常小的间隔或者不同折射率的材料。
例如，YAG: Ce陶乾可以如下形成在辊子工作台上用1. 5 kg高 纯度氧化铝球(2 mm直径)在异丙醇中研磨40g Y203 ( 99. 998 % )、 32g A1203 ( 99. 999 % )和3. 44g Ce0"2个小时。然后在CO气氛下在 1300"C将经过干燥的前体粉末煅烧两个小时。然后在乙醇条件下用行 星式球磨机(玛瑙球)将得到的YAG粉末解聚。然后在千燥之后粉浆 浇铸陶瓷浆料，得到陶瓷坯体。然后在1700TC下在石墨板之间烧结该 坯体两个小时。
可以形成为陶瓷磷光体的辯光体的例子包括具有如下通式的铝石 榴石(aluminum garnet )磷光体在黄-绿色范围发光的(Lm"卞 bYXdy )3( Al卜XaOsO": CeaPr ，其中0<x<l， 0<y<l， 0<z^0. 1， 0<a￡0. 2 以及0〈b^0.1,例如Lu3Al50u: Ce3+和Y3A15Q12: Ce3 ;以及在红色范围内发光的(Sr一Ba,Cay)2』ihAlH: Eu +,其中0￡a<5， 0<x￡l， O^y^l以及0<zsl，例如Sr2Si5N8:Eu2+。适合的Y3A15012: Ce"陶资厚 片可以从Baikowski Internal;ional Corporation of Charlotte， NC 购买到。其它发射绿色、黄色和红色光的磷光体也是适合的，包括 (Sr卜"CaD SL緣Eu, ( a-0. 002-0. 2， b=0. 0-0. 25， c=0. O-0.25， x=1.5-2.5， y《5-2.5， x-1. 5-2. 5 )，其包括例如SrSi2胁 EuJ+; ( Sr,-…Mg。CavBa,) ( Ga卜yzAlyInzS4): Eu2+，其包括例如SrGaA: Eu2+; Sr卜,BaxSiO" Eu2+;以及(Ca,画,Sn) S: Eu2+，其中0<x^l,包括 例如CaS: Eu2>SrS: Eu2+。
陶瓷磷光体通过位于成核结构58和陶瓷磷光体之间界面处的结合 56，直接地通过晶片结合或者通过中间结合层(图5和6中未示出) 结合到成核结构58上。如果使用结合层，那么选择结合层以具有的折
射率在陶瓷磷光体和涂覆结合层的m-氮化物层的折射率之间。许多上
述高折射率耦合材料可以采用适当的结合层。
在图5的实施方案中，p-触点20是反射性的，或者一额外的反射 器可以设置与触点20相邻，使得将所有的光发射都向陶瓷磷光体定 向。任选的反射器54，例如分布式布拉格反射器，可以设置在与ID-氮化物器件层相对的陶瓷磷光体的表面上，以控制来自活性区域的避 开陶瓷磷光体而未转换的发射量。例如，在活性区域发射UV光的器件 中，反射器54可以完全过滤未转换的发射。在活性区域发射蓝光的器 件中，反射器54可以减弱避开陶瓷磷光体而未转换的蓝光的量，从而 获得所需的发射光i普。在一些实施方案中，可以省略反射器54并且可 以使与器件层相对的陶瓷磷光体52的表面变粗糙、具有紋理或者成形 以提高光提取。此外，可以控制陶瓷磷光体的半透明度，即它产生的 散射量，从高度不透明到高度透明，如上所述。
图5中示出的实施方案可以结合到封装元件中，如图13中所示。 在2004年10月28日提交的申请序列号为No. 10/977, 294，"封装-集成薄膜LED (Package-Integrated Thin Film LED)"中更加详细 地描述了这种器件，在此作为参考而引入。在图13中示出的器件中， 包括发光区域的半导体结构130通过结合界面56结合到陶瓷磷光体52 上，如下所述。触点18和20形成在半导体结构130上，通过金属界 面134与封装元件132连接。封装元件132通常具有超过半导体结构
130的横向伸展(lateral extent)。在一些实施方案中，设置在封 装元件132和陶瓷磷光体52之间的所有层具有低于IOO微米的厚度。 虽然图13示出倒装芯片构造中半导体结构130安装在封装元件132 上，该倒装芯片构造中两个触点18和20形成在半导体结构的同一侧 上，但是在可替换的实施方案中，可以除去部分陶瓷磷光体52而使触 点18形成在半导体结构130的与触点20的相对侧上。
在图6中示出的实施方案中，p-触点60和/或n-触点61至少是 部分透明的并且反射器62形成或者附着在陶瓷磷光体52的背面上， 使得所有光发射通过触点60和61被引导出器件。
在一些实施方案中，陶瓷磷光体包括具有惰性颗粒的部分而不是 磷光体，或者具有磷光体晶体而没有活性掺杂剂的部分，使得这些部 分不吸收光而发射光。例如SiN,可以包括在陶瓷磷光体52中作为惰性 颗粒。陶瓷磷光体中的活性掺杂剂还可以是分层次的，例如使得与器 件表面最接近的陶资部分中的磷光体具有最高掺杂浓度。当距器件表 面的距离增大时，磷光体中的掺杂浓度降低。掺杂剂曲线图(profile) 可以采用任意形状，包括例如线形的、台阶分级的、或者幂定律曲线 图，并且可以包括多个恒定掺杂浓度的区域或者没有恒定掺杂浓度的 区域。在一些实施方案中，距器件表面最远的陶瓷层部分可以不包括 任何磷光体或者任何掺杂剂。可以设计陶瓷磷光体厚度和活性掺杂剂 的负载以产生所需要的发射光谱。在一些实施方案中，陶瓷磷光体包 括多种礴光体，每种磷光体发射相同或者不同波长的光。所述多种磷 光体可以混合成或者形成为单一均质的陶瓷礴光体，或者所述多种磷 光体可以形成为在单独的层中，这些单独的层在陶资磷光体内构成磷 光体层的叠层。类似地，相同磷光体材料的多个陶瓷层可以结合在一 起形成多层陶乾叠层。包括陶瓷磷光体的器件还可以与传统磷光体 层、这种保形磷光体层或者置于环氧树脂中的磷光体结合使用。
图5中示出的器件可以通过使用陶瓷磷光体52作为生长衬底来制 造，如图7， 8和9中所示。在图7中，在生长衬底16上生长单个晶 核层58。在图7的优选实施方案中，核层58是GaN并且生长衬底16 是蓝宝石。核层58的表面和陶瓷磷光体52的表面结合在一起。任选 的结合层可以设置在两个结合的表面之间。结合层优选是高度透明 的。在优选实施方案中，结合层具有高折射率，例如在陶瓷磷光体52的折射率和核层58的折射率之间。适当的高折射率材料的例子是 TiO2如果该结合层很薄，可以使用透明的低折射率材料作结合层。例 如，在厚度小于例如IOOA时，可以使用Si02作结合层。如果该结合 层极薄，可以使用吸收材料作为结合层。例如在厚度小于例如几个单 层时，可以使用Si作为结合层。
典型地在升高的温度和压力下结合表面。用于结合的适当温度可 以是例如在500到IOOO"C之间；用于结合的适当压力可以是例如在5 到1000 psi之间。在上迷温度和压力下在例如N2气氛下可以将这些表 面压制在一起指定时间段例如至少一小时。在这些条件下，在两个表 面之间形成稳健结合。这种结合可以经受住对于结合之后的进一步的 半导体加工(例如生长附加的半导体层)来说所必须的温度。结合之 后，可以通过适合于衬底的方法(例如对如上所述的蓝宝石衬底进行 激光熔融、蚀刻或者研磨)除去生长衬底16。
可替换地，如图8中所示，单个晶核层58可以形成为层74的一 部分，该层74形成在衬底16的上方。在图8中，核层58可以是例如 SiC、 A1203、 GaN或AlN。生长衬底16可以是任何合适的衬底。将注入 核素(species )例如氢注入到层74中，如图8中在72处所示。然 后如上所述将核层58的表面和陶资磷光体52的表面结合在一起，参 考图7。结合之后，通过加热所述结构直到注入核素72分解，将生长 衬底从核层58和陶瓷磷光体52释放，而将生长村底16和余下的层 74除去。
在图7和8中，在陶瓷磷光体52和核层58之间形成结合，这能 够经受住其他半导体层的生长。如图9中所示，然后在核层58的上方 生长包括n-型区域10、活性区域14和p-型区域12的器件层。在已 完成的器件中，为了使从核层58的侧面逃逸出来的光量最小化，希望 核层58尽可能薄，例如薄于100微米，优选地薄于10微米，更优选 薄于1微米。在生长m-氮化物器件层之前，可以任选地使核层58变 薄。
在图7中的优选实施方案中，衬底16是蓝宝石，核层58是GaN 或者AlN。纤维锌矿ffl-氮化物层具有镓晶面和氮晶面。当GaN或者A1N 以传统方式生长在蓝宝石上时，晶体层的顶面典型地是镓表面。相应 地，当核层58结合到陶瓷磷光体52上并且除去生长衬底时，核层58暴露出来的表面是氮表面。在核层58的氮表面上可以生长包括n-型区 域10、活性区域14和p-型区域12的器件层，氮表面取向与核层58 相同。可以通过例如分子束外延或者M0CVD生长氮表面膜，并且在 "Morpohological and structure characteristics of homowpitaxial GaN grown by metalorganic chemical vapour deposition (M0CVD) , ，， Joural of Crystal Growth 204 ( 1999 ) 419-428以及"Playing with Polarity" ， Phys. Stat. So. (b) 228， No. 2， 505-512 ( 2001 )中更加详细地净皮描述，二者在此作为参考而 引入。可替换地，在器件层之前可以生长使到镓表面(例如低温半导 体层)上的晶体生长重新取向的结构，使得器件层以传统方式生长在 镓表面上。在一些实施方案中，核层58可以用氮表面生长在表面上， 使得在结合陶乾磷光体58和除去生长衬底16之后，暴露出来的表面 是镓表面。在器件层生长之后，可以通过常规方法将器件层加工成图5 和6中示出的任一种器件，例如通过蚀刻暴露一部分n-型区域10,然 后在n-型区域10和p-型区域12上形成触点。陶瓷磷光体可以包括载 体，在将晶片切成小块之前通过常规方法(例如蚀刻或者研磨)可以 将载体除去或者使载体变薄。
可替换地，图5和6中示出的器件可以通过在生长村底上生长器 件层，然后将器件层结合到作为主衬底的陶瓷磷光体上来制造，如图 10和11中所示。在这种实施方案中，在活性区域和n-型区域之前生 长p-型区域。因此，n-型区域或者未掺杂的区域76直接生长在生长衬 底16的上方。这个区域可以包括任选预备层(例如緩沖层或者核层)， 以及任选的释放层，该释放层被设计成易于释放生长衬底或者在除去 衬底之后使外延层变薄。然后生长P-型区域12，接着是活性区域14 和n-型区域10。然后通过粘结剂56将n-型区域10的表面结合到陶 瓷磷光体层52上，如图10中所示并且如上参考图7所述。虽然图10 示出了在n-型区域10的表面上形成的粘结剂56，但是结合到陶瓷磷 光体52上的半导体结构的表面可以是p-型、n-型、或者未掺杂的。粘 结剂56必须是透明的。可以在两个结合表面之间设置结合层以便于结合，如上所述。如图11中所示一旦生长衬底16被除去，就会蚀刻外 延层以除去直接生长在生长衬底上方的区域，暴露出P-型区域12。可以通过例如再生长p+材料78或者通过在氨条件下退火对p-型区域12
的表面进行处理，以增加孔的密度以及修补由蚀刻所造成的损坏，正
如在申请序列号No. [Attorney Docker Number LUM-04-10-02]， "Polarization—Reversed迈一Nitride Ligtht-emitting Device" 中更加详细的描述，在此通过参考而引入。然后通过常规方法将晶片 加工成图5和6中任何一种器件；然而，这种器件不会包括图5和6 中示出的核层58，而是会在陶瓷辨光体层52和n-型区域IO之间设置 粘结剂56 。
陶资磷光体的优点，特别是在图5中示出的通过陶瓷磷光体从器 件中提取光的器件中，是能够将陶乾层模塑、研磨、机械加工、火印 或者抛光成所需形状，例如用于增大光提取。发光陶瓷层通常具有高 折射率，例如Y3AL0": Ce3+陶瓷磷光体的折射率为1. 75到1. 8。为了 避免在高折射率陶瓷磷光体和空气之间的界面上的全内反射，陶瓷磷 光体可以成形为透镜，例如半球形透镜或者菲涅耳透镜。通过任意地 或者以重复的图案使陶瓷磷光体的顶部变粗糙或具有紋理可以进一步 改善来自器件的光提取。而且，可以选择陶乾磷光体的延伸以提供相 对于观察角度来说均勻的颜色。例如，在一种或者多种磷光体与发光 区域发射出的未转换的蓝光相结合的器件中，如果陶资鳞光体明显小 于活性区域，那么当从顶部观察时，白光看起来是由蓝色环包围的。 如果陶瓷磷光体明显大于活性区域，那么白光可能看起来是由黄色环 包围的。在陶瓷磷光体成形为透镜的实施方案中，对于底部长度至少 是其上安装有陶瓷磷光体的器件表面长度的两倍的成形陶资磷光体来 说，可以期望有利的光提取。在这种实施方案中，可以选择波长-转换 磷光体在陶瓷主体内的位置，以提供均匀的光混合。例如，波长转换 材料可以限于陶瓷主体中与器件的顶部半导体层最接近的那部分内。 在其他实施方案中，波长转换材料可以设置在第一陶资鳞光体主体 中，然后附着到第二成形的透明陶瓷主体。
图12是封装的发光器件的分解图，如在美国专利6,274, 924中 详细所述。散热块(slug) 100放置在插入模铸(insert-molded)的 引线框中。插入模铸的引线框是例如在提供电通路的金属框106的周 围模塑的填充塑料材料105。块100可以包括光学反射器帽状物(cup) 102。发光器件小块104，其可以是上述实施方案中描述的任何一种器 件，通过导热子架103直接或者间接地安装在块100上。可以增加盖
子108，所述盖子108可以是光学透镜。
本发明的实施方案可以提供许多好处。首先，从活性区域中发射 出来的光被磷光体吸收的可能性很高，损失非常小。当光被磷光体重 发射时，它必定逃离磷光体区域，但是在磷光体区域之内的环境中几 乎没有光学损失。通过磷光体的散射和再次吸收以及重发射，磷光体 区域提供了许多随机化事件，对于光逃离磷光体区域进入周围环境中 是必要的。因此，上述实施方案可以提供比现有技术器件更好的光提 取。第二，上述一些实施方案消除了在图1中所示的现有技术中所用 的有机粘结剂，从而消除了由那些有机粘结剂例如在高温工作过程中 的劣化所引起的问题。
在上述实施方案中可以使用具有上述所需性质(例如初级发光层 发射的光的高吸收性和高量子效率)的磷光体的任何发光材料有效地 产生光。因此，本发明不局限于磷光体。在本发明的一些实施方案中 可以使用在发光区域发射的波长的折射率k和经过转换的波长的可忽 略的k具有很大虚数部分(imaginary component )的波长-转换材料 (例如一些III-V和II-VI半导体)代替磷光体。特别地，在适当的材 料中，以初级发光区域发射的波长，k大于0.01，更优选大于0.1，并且更优选大于i。在这种实施方案中，特别是在III-V和II-VI半导体实施方案中，在发光材料中为了有效的向下-转换(down-covers ion) 效率，可能需要来自初级发光区域的高能注量(100W/cm2或者更高)。 此外，提供用于从发光材料中提取光的方法，例如加紋理、变粗糙或 者成形。
已经详细地描述了本发明，本领域技术人员应当明白，即使给出 本发明的公开，但是可以对本发明进行改动，而不脱离此处描述的本发明概念的精神。例如，虽然上述实施例描述了III-氮化物半导体器件 ，但是可以使用其他材料体系的器件。而且，虽然上述实施例包括磷 光体，但是应当理解也可以使用其他发光材料，例如半导体纳米颗粒 ，量子点或者有机染料。因此，本发明的范围不局限于示出和描述的 特定实施方案。
权利要求
1.一种方法，包括提供一种包括磷光体的陶瓷主体，该磷光体构造成吸收第一峰值波长的光并且发射第二峰值波长的光；将陶瓷主体结合到核结构的表面上；并且在核结构上生长半导体结构，该半导体结构包括设置在n-型区域和p-型区域之间的发光区域，该发光区域构造成发射第一峰值波长的光；其中在生长之前，该核结构的厚度小于100微米。
2. 根据权利要求l的方法，其中结合包括形成基本上没有金属或 者粘合剂的结合。
3. 根据权利要求l的方法，其中结合包括在高于500TC的温度以 及大于5 psi的压力下将陶资主体和核结构压制在一起。
4. 根据权利要求1的方法，其中核结构选自GaN、 A1N、 SiC和
5. 根据权利要求l的方法，还包括 提供形成在衬底上的核结构；以及 在结合之后，除去所述衬底。
6. 根据权利要求l的方法，还包括蚀刻半导体结构以暴露出n-型区域和p-型区域的一部分；以及 在n-型区域和p-型区域上形成触点。
7. 根据权利要求6的方法，其中至少一个触点是反射性的。
8. 根据权利要求l的方法，还包括将陶瓷主体成形为透镜。
9. 根据权利要求l的方法，还包括使陶乾主体的表面具有紋理或 者变粗糙。
10. 根据权利要求l的方法，其中陶瓷主体是透明的。
11. 根据权利要求l的方法，其中陶瓷主体是不透明的。
12. 根据权利要求1的方法，其中在生长之前，核结构的厚度小 于IO微米。
13. 根据权利要求1的方法，其中在生长之前，核结构的厚度小 于1微米。
14. 根据权利要求1的方法，还包括在核结构和陶瓷主体之间提
15. —种方法，包括提供一种包括磷光体的陶瓷主体，该磷光体构造成吸收第一峰值波长的光并且发射第二峰值波长的光；提供形成在生长衬底上的半导体结构；该半导体结构包括设置在 n-型区域和p-型区域之间的发光区域，该发光区域构造成发射第一峰值波长的光；将陶瓷主体结合到半导体结构的表面；以及在结合之后，去除生长衬底。
16. 根据权利要求15的方法，其中在生长n-型区域之前在生长衬底上生长p-型区域。
17. 根据权利要求16的方法，还包括在除去生长衬底之后，对半导体结构进行退火。
18. 根据权利要求15的方法，其中半导体结构结合到陶瓷主体上的表面是n-型区域的表面。
19. 根据权利要求15的方法，还包括在半导体结构和陶瓷主体之间设置结合层。
20. —种发光器件，包括包括多个层的半导体结构，该多个层包括夹在n-型区域和p-型区域之间的发光区域以及；与多个层中之一直接接触的发光材料，其中以发光区域发射的光的波长，发光材料的折射率的虚数部分k大于0. 01。
21. 根据权利要求20的发光器件，其中k大于O. 1。
22. 根据权利要求20的发光器件，其中发光区域包括III-氮化物材料。
23. 根据权利要求20的发光器件，其中发光材料包括磷光体。
24. 根据权利要求23的发光器件，其中发光材料包括陶瓷磷光体。
25. 根据权利要求23的发光器件，其中发光材料包括磷光体晶粒。
26. 根据权利要求25的发光器件，还包括设置在磷光体晶粒上方的透明材料，该透明材料的折射率大于1.7。
27. 根据权利要求26的发光器件，其中透明材料包括玻璃。
28. 根据权利要求27的发光器件，其中玻璃包括溶胶-凝胶玻璃。
29. 根据权利要求26的发光器件，还包括设置在透明材料中的直 径在大约2 nm到大约50 nm的纳米颗粒。
30. 根据权利要求25的发光器件，其中使多个层中与磷光体晶粒 直接接触的其中一个的表面具有紋理或者变粗糙。
31. 根据权利要求20的发光器件，其中半导体结构结合到封装元件，该封装元件具有的横向伸展超过半 导体结构的横向伸展；以及该封装元件与发光材料间隔小于1OO微米。
32. —种结构，包括 陶瓷主体，以及 比100微米薄的核结构；以及连接陶瓷主体到核结构的结合界面，该结合界面设置在陶瓷主体 和核层之间；其中该核结构被构造成使得可以在核结构上生长外延结构；以及 在陶瓷主体和核结构之间的任意间隔小于100微米。
33. 根据权利要求32的结构，还包括生长在核结构上的半导体结 构，该半导体结构包括设置在n-型区域和p-型区域之间的发光区域， 该发光区域被构造成发射第一峰值波长的光，其中所述核结构设置在 半导体结构和陶瓷主体之间。
34. 根据权利要求33的结构，所述陶瓷主体包括被构造成吸收第 一峰值波长的光以及发射第二峰值波长的光的磷光体。
35. 根据权利要求33的结构，其中所述核结构选自GaN、 AlN、 SiC和Al2O3。
36. —种结构，包括 封装元件； 陶瓷主体；以及设置在陶瓷主体和封装元件之间并且与陶瓷主体和封装元件连接 的半导体结构，该半导体结构包括设置在n-型区域和p-型区域之间的发光区域，该发光区域被构造成发射第一峰值波长的光；其中所述封装元件与所述陶瓷主体间隔小于100微米并且所述封装元件具有的横向伸展超过半导体结构的横向伸展。
37.根据权利要求36的结构，其中所述陶瓷主体包括被构造成吸收第一峰值波长的光以及发射第二峰值波长的光的磷光体。
全文摘要
一种诸如磷光体之类的材料与半导体结构光学耦合，该半导体结构包括设置在n-型区域和p-区域之间的发光区域，以便有效地将来自发光区域的光提取进入到磷光体中。该磷光体可以是与半导体结构的表面直接接触的磷光体晶粒，或者是与半导体结构结合的陶瓷磷光体，或者与其上可以生长半导体结构的薄的核结构结合的陶瓷磷光体。该磷光体优选是高吸收的且高效的。当半导体结构将光发射到这种高效、高吸收的磷光体中时，该磷光体可以有效地从该结构中提取光，降低现有技术器件中存在的光损耗。
文档编号H01L33/00GK101176212SQ200680008317
公开日2008年5月7日 申请日期2006年3月7日 优先权日2005年3月14日
发明者G·O·米勒, M·R·克拉梅斯 申请人:飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司