CN102870238A - 生长于波长转换衬底上的发光器件 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一些实施例中，器件包括衬底和半导体结构。衬底包括：波长转换元件（30），波长转换元件（30）包括设置于透明材料中的波长转换材料；包括III-氮化物材料将在其上成核的材料的种子层（34）；以及设置于波长转换元件和种子层之间的接合层（32）。半导体结构包括设置于n型区域和p型区域之间的III-氮化物发光层并生长于种子层上。

Description

生长于波长转换衬底上的发光器件
技术领域
本发明涉及一种生长于波长转换复合衬底上的半导体发光器件。
背景技术
半导体发光器件是当前可用的最有效率的光源之一，包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边发射激光器。制造能够在可见光谱工作的高亮度发光器件时当前感兴趣的材料***包括III-V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III-氮化物材料。典型地，通过金属有机化学气相淀积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或其他适当衬底上外延生长成分和掺杂剂浓度不同的半导体层的叠层，从而制造III-氮化物发光器件。叠层常常包括形成于衬底上，掺杂有例如Si的一个或多个n型层，形成于n型层上有源区中的一个或多个发光层，以及形成于有源区上，掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。在n和p型区域上形成电接触。
图1示出了在US 7514721中更详细描述的LED，在此通过引用将其并入本文。“在成核结构58和发光陶瓷之间的界面处，直接通过晶片接合或通过中间接合层（未示出），通过接合体56将发光陶瓷52接合到成核结构58。如果使用接合层，接合层的折射率优选介于接合层施加于其上的III-氮化物层和发光陶瓷的折射率之间，但可以使用折射率更低的接合层。然后在成核结构上生长设置于n型区域10和p型区域12之间包括发光区域14的外延层。”在n和p型区域10和12上形成n和p接触18和20。
发明内容
在本发明的一些实施例中，一种器件包括衬底和半导体结构。衬底包括：波长转换元件，波长转换元件包括设置于透明材料中的波长转换材料；包括III-氮化物材料将在其上成核的材料的种子层；以及设置于波长转换元件和种子层之间的接合层。半导体结构包括设置于n型区域和p型区域之间的III-氮化物发光层并生长于种子层上。
在本发明的一些实施例中，半导体结构生长于衬底上，该衬底包括波长转换元件，包括III-氮化物材料将在其上成核的材料的种子层，以及设置于波长转换元件和种子层之间的二向色滤光片。
在本发明的一些实施例中，一种器件包括衬底、半导体结构和散射结构。衬底包括：波长转换元件；包括III-氮化物材料将在其上成核的材料的种子层；以及设置于波长转换元件和种子层之间的接合层。半导体结构生长于种子层上，包括设置于n型区域和p型区域之间的III-氮化物发光层。散射结构被配置成散射由III-氮化物发光层和波长转换元件中的至少一个发射的光。
附图说明
图1示出了生长于附着于发光陶瓷的成核结构上的现有技术III-氮化物LED。
图2示出了包括接合到波长转换元件的种子层的复合衬底。
图3示出了生长于包括波长转换元件的复合衬底上的器件。
图4示出了包括粗糙p型区域和透明导电金属氧化物的器件的一部分。
图5示出了包括隧道结和粗糙n型区域的器件的一部分。
图6示出了包括设置于复合衬底上的图案化非III-氮化物层的器件的一部分，复合衬底包括波长转换元件。
图7示出了包括设置于n型区域之内的图案化非III-氮化物层的器件的一部分。
图8是针对二向色滤光片一个范例作为波长函数的反射率图示，二向色滤光片可以设置于衬底中的种子层和波长转换元件之间。
图9示出了生长于包括两个波长转换元件的复合衬底上的半导体结构。
具体实施方式
在本发明的实施例中，在波长转换复合衬底上生长III-氮化物发光器件，波长转换复合衬底包括接合到波长转换元件的种子层。
尽管在下面的范例中，半导体发光器件是发射蓝色或紫外光的III-氮化物LED，但可以使用除LED之外的半导体发光器件，例如由其他材料***制造的激光二极管和半导体发光器件，其他材料***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。
图2示出了根据本发明实施例的波长转换衬底。将波长转换元件30接合到种子层34。
可以将种子层34直接接合到波长转换元件30，或者可以在种子层34和波长转换元件30之间设置任选的接合层32，例如SiOx、SiO2、硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）、SiNx、Si3N4、HfO2、其混合物，金属，例如Mo、Ti、TiN、其他合金和其他半导体或电介质。
选择波长转换元件30、任选的接合层32和种子层34的全部以便经得起生长III-氮化物发光器件所需的条件，例如包括在H2环境中在至少800℃温度下五个小时。在一些实施例中，选择波长转换元件30，使得在N2环境中暴露于高于800℃温度下至少两小时的时候，波长转换元件的发光性质劣化小于20%，或更优选劣化小于10%，发光性质例如包括量子效率、量子效率随时间的维持、发射光谱、吸收光谱和量子效率随温度的维持。
在一些实施例中，选择波长转换元件30、任选的接合层32和种子层34以具有相当好地匹配III-氮化物材料的热膨胀系数（CTE）。在一些实施例中，波长转换元件30的CTE介于每开氏度5ppm和9ppm之间。
在一些实施例中，选择波长转换元件30、任选的接合层32和种子层34以具有特定的折射率。例如，可以选择折射率以从III-氮化物层向空气中有效率地提取光。
在一些实施例中，如US 7341878、US 7361938和US 7521862中更详细所述，波长转换元件30是例如通过烧结粉末磷光体形成的发光陶瓷，在此通过引用将这些文献并入本文。
在图2中所示的实施例中，波长转换元件30是设置于透明材料38中的波长转换材料36。波长转换材料36可以是，例如一种或多种粉末磷光体、染料、半导体材料或量子点。可以在透明材料或发光陶瓷中包括非波长转换材料，例如TiOx颗粒，例如导致光散射或改善器件的关断状态白色外观。透明材料38可以是，例如玻璃、硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）、石英或SiO2。
可以使用与包括一种或多种波长转换材料的波长转换衬底结合的LED生成白光或其他颜色的单色光。可以通过波长转换衬底将LED发射的全部或仅一部分光进行转换。LED发射的未转换光可以是最终光谱的一部分，但未必一定这样。常见组合的范例包括发蓝光LED与发黄光磷光体组合，发蓝光LED与发绿光和红光磷光体组合，发紫外光LED与发蓝光和黄光磷光体组合，以及发紫外光LED与发蓝光、绿光和红光的磷光体组合。可以添加发射其他颜色光的波长转换材料以调节从器件发射的光的光谱。
可以在单个波长转换元件中混合多种波长转换材料，形成为单个波长转换元件中的离散层，或形成为可以接合或粘合在一起的多个波长转换元件中的混合或离散层。在一些实施例中，波长转换元件包括两个层压在一起的发光陶瓷板，发光陶瓷板附着于设置于透明材料中的波长转换材料、设置于透明材料中的波长转换材料混合物或设置于透明材料不同区域中的多种波长转换材料。
图9示出了具有多个波长转移元件30a和30b的衬底22。种子层34通过接合层32附着于波长转换元件30a。在一些实施例中，波长转换元件30a比波长转换元件30b距生长于种子层34上的半导体结构42更近，是发红光的波长转换元件。波长转换元件30b距半导体结构42更远，是发黄光或绿光的波长转换元件。可以在半导体结构上形成一个或多个反射接触，从而可以通过波长转换元件30a和30b从器件提取光。可以在形成衬底22之前或之后，以及生长和/或处理半导体结构42之前或之后，通过粘合剂连接波长转换元件30a和30b。
由器件的期望光谱确定波长转换元件中波长转换材料的量。在一些实施例中，在图2所示的波长转换元件中，将波长转换材料36限制到仅波长转换元件的部分厚度。在图2的波长转换元件30中，波长转换材料设置于波长转换元件最接近种子层的区域35中。波长转换元件远离种子层的区域37不包括任何波长转换材料。可以颠倒两个区域，使得没有波长转换材料的区域设置于种子层34和波长转换材料之间，或具有波长转换材料的区域可以夹在没有波长转换材料的两个区域之间。类似地，在波长转换元件为发光陶瓷的器件中，仅有陶瓷平板一部分厚度可以包括激活掺杂剂，如题为“Multi-Grain Luminescent Ceramics for Light Emitting Devices”且通过引用并入本文的US 2008/0149956中更详细所述。仅有具有激活掺杂剂的发光陶瓷部分才进行波长转换。
波长转换元件30必须要足够厚，以机械支撑种子层和种子层上生长的III-氮化物层。例如，在一些实施例中波长转换元件可以介于20和500微米厚之间，在一些实施例中介于50和200微米厚之间，在一些实施例中介于80和120微米厚之间。发光陶瓷波长转换元件可以很适合半导体器件发射的全部光都被转换的器件。利用激活掺杂剂均匀掺杂，足够厚以机械支撑种子层和III-氮化物层的发光陶瓷可以基本转换半导体器件发射的所有光。这种器件的范例包括生长于衬底上的发蓝光或紫外光的半导体器件，衬底包括发绿光或琥珀黄光的发光陶瓷波长转换元件。根据使用的发光陶瓷，该器件发射呈现绿色或琥珀黄色的光。
例如，可以通过粗糙化或通过形成图案，例如光子晶体，使波长转换元件具有一定形状或纹理，例如以改善光的提取。可以在形成复合衬底之前或之后，在生长III-氮化物结构之前或之后，以及在例如通过蚀刻台面和形成n和p接触将III-氮化物结构处理成器件之前或之后，使波长转换元件具有一定形状或纹理。可以在生长并测试半导体器件之后，例如通过激光烧蚀，减薄波长转换元件，以便实现半导体器件和波长转换元件发射的组合光的期望颜色点。
在一些实施例中，波长转换元件30具有粗糙表面。接合层32可以形成于波长转换元件30上，然后例如通过化学机械抛光进行平坦化。
种子层34可以是III-氮化物材料将在其上成核的任何适当材料。种子层34一般是单晶材料，例如蓝宝石、SiC、ScMgAlO4、GaN、InGaN、AlGaN、AlN、InN、AlInGaN或另一种III-氮化物或III-V材料。
可以如下形成图2中所示的衬底。典型地衬底形成为晶片级，在晶片中同时形成有多个衬底。然后将晶片划片成各单个衬底。除了下述具体材料和方法之外，也可以使用US 2007/0072324中描述的材料和方法。
首先，形成波长转换元件30的晶片。例如，可以如US 7361938中所述，通过烧结粉末磷光体来形成发光陶瓷晶片。可以通过US 2005/0274967中描述的方法形成设置于透明材料中的波长转换材料晶片，在此通过引用将该文献并入本文。例如，将磷光体、例如大约10到20vol%的YAG,n和粉末玻璃、例如BPSG或石英的均质化良好的混合物***适当的坩埚中。将坩埚***例如预加热的电炉或其他类型的炉中，例如高频炉或微波炉。在透明材料混合物熔化之后，在炉中对熔化物进行均质化。在熔化和均质化大约十到三十分钟之后，将熔化物倾倒到盘子、例如不锈钢盘子上。将熔化物按压在片上以形成嵌入在玻璃或石英中的磷光体片。
可以基于次级光的期望波长选择片中嵌入的磷光体材料或其他波长转换材料。例如，可用于蓝光发光器件以产生白光的一种适当磷光体是Y3Al5O12:Ce (YAG:Ce)。如果需要的话，可以使用其他磷光体，包括，但不限于：Gd3Ga5O12:Ce, (Lu,Y)3Al5O12: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)2SiO4:Eu, 以及 (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu。
可以让倾倒的玻璃和磷光体熔化物在平坦片中硬化。可替换地，可以将片模制成具有期望特征。例如，可以对片进行模制以包括若干透镜元件。
在另一实施例中，利用溶胶-凝胶过程产生片。在形成期间在溶胶-凝胶玻璃之内分散期望的磷光体。在通过引用并入本文中的美国专利No. 6642618中描述了一种溶胶-凝胶玻璃过程。
然后在波长转换元件30的晶片上形成接合层32。接合层32可以是，例如通过例如蒸镀、溅射和沉降来淀积的SiO2、硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）或其他商用玻璃。
然后制备将变为种子层的材料。对于III-氮化物种子层，常规上在施主衬底上生长种子层材料，所述施主衬底例如可以是蓝宝石、Si或SiC。种子层材料可以生长于牺牲半导体层上方，利用注入物种对其注入，注入物种例如是H+，便于稍后从种子层分离施主衬底。对于非III-氮化物种子层，例如蓝宝石、ScMgAlO4或SiC，可以在对应于种子层期望厚度的深度处对蓝宝石、ScMgAlO4或SiC晶片进行注入。在一些实施例中，牺牲层是GaN，种子层是InGaN，InN组分大于零，最大达到12%。
可以利用III族面，也称为镓面向上生长III-氮化物种子层。优选在种子层的镓面上生长器件层。因此，可以首先将镓面III-氮化物种子层接合到临时衬底，暴露V族或氮面，然后接合到波长转换元件30。对于非III-氮化物种子层或氮面III-氮化物种子层，如下所述，可以直接将种子层接合到波长转换元件30。在临时衬底上形成任选的接合层和顺从层。施主衬底上生长的种子层通过顺从层接合到临时衬底。在一些实施例中，任选的接合层是硅、铝、硼、磷、锌、镓、锗、铟、锡、锑、铅、铋、钛、钨、镁、钙、钾、镍、钇、锆、铪、钕和钽的一种或多种氧化物、氮化物、碳化物或氟化物。在一些实施例中，顺从层是通过例如蒸镀、溅射和沉降来淀积的SiO2、硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）或其他商用玻璃。
通过激活注入的物种，例如通过加热将种子层与施主衬底分离，以***牺牲层。在通过引用并入本文的美国专利申请公开2005/0026394和美国专利5374564中更详细地描述了对牺牲层进行注入以及通过激活注入物种将种子层从施主衬底分离。可替换地，可以通过用激光熔化牺牲层来移除施主衬底。
从种子层移除任何剩余的牺牲层，并在种子层中蚀刻沟槽。处理该结构，让应变种子层材料的区域膨胀和弛豫，例如，通过加热顺从层，使得种子层材料的区域在顺从层上方滑动。在一些实施例中，首先在种子层中蚀刻沟槽，处理该结构以让应变种子层材料的区域膨胀和弛豫（例如通过加热），然后从种子层移除任何剩余的牺牲层。
然后，例如通过在两个结构之间施加热量和/或压力，将种子层接合到波长转换元件30。例如，通过蚀刻掉将临时衬底接合到种子层的接合层来移除临时衬底。还移除顺从层，暴露种子层的镓面，如图2所示的已完成的复合衬底中所示出的。
图3示出了根据本发明实施例的器件。在图3的器件中，在包括附着于种子层34的波长转换元件30的波长转换衬底上生长半导体结构42。在图3中所示的器件中，种子层34和波长转换元件30之间的接合层32是二向色滤光片40。例如，接合层32可以是充当二向色滤光片的电介质层叠层。例如，可以配置二向色滤光片40以透射半导体结构有源区发射的光波长并反射波长转换元件30发射的光波长，以防止向半导体器件背向散射的波长转换光被半导体器件吸收。例如，二向色滤光片可以包括10对HfO2和SiO2层，厚度分别为66.75和94.5nm。这样的滤光片将反射波长转换元件30发射的波长大于500nm小于620nm的光的超过95%，如图8中所示，这是如上所述具有10对HfO2和SiO2的二向色滤光片作为波长函数的反射率图。在一些实施例中，在二向色滤光片和种子层之间，二向色滤光片和基质之间，或以上两者之间都设置额外的接合层，例如玻璃。
半导体结构42包括夹在n和p型区域之间的发光或有源区。可以针对其晶格常数或其他性质和/或针对其在种子层34的材料上成核的能力选择与种子层34相邻的半导体结构42的层组成。N型区域44通常是首先生长的，并且可以包括多个不同成分和掺杂剂浓度的层，包括，例如准备层，其例如是缓冲层或成核层，可以是n型或未人为掺杂的，以及n或甚至p型器件层，设计其以用于发光区域高效发光所希望的特定光学或电学性质。在n型区域上方生长发光或有源区46。适当发光区域的范例包括单个厚或薄的发光层，或包括被势垒层分开的多个薄或厚发光层的多量子阱发光区域。在发光区域上方生长p型区域48。像n型区域那样，p型区域可以包括多个不同成分、厚度和掺杂剂浓度的层，包括未人为掺杂的层或n型层。
在图3中所示的器件中，蚀刻掉p型区域和有源区的部分以暴露n型层用于金属化，使得p接触54和n接触50位于器件的同一侧。接触一般是反射性的，一般安装器件，使得通过波长转换衬底提取光，但可以限制接触的范围或使其是透明的，并可以安装器件，从而通过其上形成接触的表面提取光。在图3中所示的器件中，p型接触区域***多个n型接触区域之间。在垂直注入LED中，在半导体结构的一侧上形成n接触，在半导体结构的另一侧上形成p接触。例如，p接触可以形成于p型区域上，可以移除波长转换衬底的一部分，n接触形成于通过移除衬底一部分而暴露的n型区域表面上。可以利用导线或金属桥实现通往n接触的电接触。P接触常常直接接合到底座上的接触焊盘。
在一些实施例中，在器件中包括一种结构以增大从器件的光提取，例如通过增大散射来实现。图4-7示出了设置于波长转换元件30和p接触54之间的散射结构。可以将图4-7中所示的散射结构包括在图3所示的具有反射接触的倒装芯片器件中，垂直器件中或通过形成于器件同一侧的接触提取光的器件中。
在图4中所示的结构中，在p型区域48之后生长粗糙的p型层60。例如，在生长p型区域48之后，可以将生长条件切换到有利于形成粗糙表面的条件，例如更高的环境压力，例如大于400毫巴。蚀刻掉粗糙p型层60、p型区域48和发光区域46的一部分以暴露其上形成n接触的n型区域44的一部分。在剩余的粗糙p型表面60的至少一部分上方形成透明导电氧化物62，例如氧化铟锡、氧化铜铝、氧化锌或氧化钌。透明导电氧化物层可以具有10nm到10μm的厚度，更优选地在100nm到1μm范围中。在透明导电氧化物62上方形成一个或多个p接触54。导电氧化物上形成的p型金属可以被限制范围，并安装器件，使得通过透明导电氧化物提取光，或者如果p型金属覆盖器件的大比例区域，可以将器件安装成倒装芯片，从而通过波长转换元件30提取光。粗糙p型层60和透明导电氧化物62之间折射率的差异导致光散射。
在一些实施例中，在粗糙p型表面上设置诸如SiO2或其他氧化物的透明材料，然后例如通过化学机械抛光进行平坦化。在透明材料中形成开口，暴露p型区域。在透明材料上以及开口中淀积反射金属p接触，使其形成通往p型区域的电接触。透明材料层可以改善p接触的反射性，这可以提高器件的效率。下面的图5中示出了接触的范例，包括具有开口的透明材料。
在图5中所示的结构中，如上所述生长n型区域44、发光区域46和p型区域48。在p型区域48上生长隧道结64。在US 6822991和US 6878975中更详细地描述了用于III-氮化物LED的隧道结，通过引用将其并入本文。隧道结64包括高掺杂p型层，也称为p++层，以及高掺杂n型层，也称为n++层。P++层可以是，例如掺有受主的InGaN或GaN，受主例如是Mg或Zn，浓度大约为1018cm-3到大约5×1020cm-3。在一些实施例中，将p++层掺杂到大约2×1019cm-3到大约2×1020cm-3的浓度。n++层可以是，例如掺有受主的InGaN或GaN，受主例如是Si或Ge，浓度大约为1018cm-3到大约5×1020cm-3。在一些实施例中，中间半导体层，例如AlN，可以夹在n++和p++层之间。
隧道结64通常非常薄；例如，隧道结64可以具有范围从大约2nm到大约100nm的总厚度。p++层和n++层的每个都可以具有范围从大约1nm到大约50nm的厚度，中间层（如果包括的话），可以具有范围从大约1nm到50nm的厚度。在一些实施例中，p++层和n++层的每个都可以具有范围从大约25nm到大约35nm的厚度。p++层和n++层可以未必是相同厚度。
在一个实施例中，p++层为15nm的掺Mg的InGaN，n++层是30nm的掺Si的GaN。p++层和n++层可以具有渐变掺杂剂浓度。例如，与下方p型区域48相邻的p++层的一部分可以具有从下方p型区域的掺杂剂浓度渐变到p++层中期望掺杂剂浓度的掺杂剂浓度。类似地，n++层可以具有从与p++层相邻的最大值渐变到与隧道结上生长的n型区域相邻的最小值的掺杂剂浓度。
将隧道结64制造成充分薄，并掺杂足够高，使得在反向偏置模式中传导电流时，隧道结64显示低的串联电压降。在一些实施例中，隧道结64两侧的电压降为大约0.1V到大约1V。
在隧道结64的n++区域上方设置粗糙的n型层65。可以在导致粗糙表面的条件下生长n型层65，或者可以生长平坦的n型层，然后粗糙化，例如通过光电化学蚀刻。在n型层65上方形成诸如SiO2或另一种氧化物的透明材料66。在透明材料66中形成向下到达n型层65的一个或多个开口67。在透明材料66上方和开口67之内形成接触540。作为透明材料66和开口67的替代，可以在接触540和n型层65之间形成透明导电氧化物，如上面在图4中所示。
在通过例如移除或不形成发光区域46、p型区域48、隧道结64、n型层65和透明材料66的一部分或者通过移除波长转换元件30、接合层32和种子层34一部分而暴露的n型区域44的一部分上形成n接触。通过向n接触和接触540供应电流对器件进行正向偏置，导致隧道结64截止。
在一些实施例中，由嵌入或形成于III-氮化物结构表面上的光子晶体或点阵导致散射。在这样的结构中，以周期性方式在接近材料中发光区域发射光波长的间隔上提供光学折射率的变化。可以选择周期性折射率变化的参数，例如周期和幅度，以使提取的光量增大到期望的发射模式。例如，可以选择点阵或光子晶体的尺寸和间距，以使与半导体结构顶表面正交的方向上提取的光量最大化。在美国专利7642108、7442965、7442964、7294862、7279718、7012279和6956247中更详细地描述了用于和形成光子晶体的参数的选择，通过引用将其全部并入本文。
图6和7示出了包括光子晶体或其他点阵的器件。在图6所示的器件中，如上所述形成包括波长转换元件30和接合层32以及种子层34的衬底。在种子层34上淀积诸如SiO2的透明材料68，然后例如通过纳米压印光刻进行图案化，以形成光子晶体或折射率的其他变化。例如，可以使透明材料68图案化以形成开口70的点阵或透明材料68的点阵柱。然后在透明材料68上生长半导体结构。可以生长半导体结构，使得n型区域44直接在透明材料68上方聚结，或使得在透明材料68的区域之间或上方形成气穴，然后半导体材料聚结成基本平坦的n型区域44。然后如上所述生长发光和p型区域，并如上所述形成器件。
在图7所示的器件中，如上所述，在包括波长转换元件30的复合衬底上生长n型区域44。如上文参考图6所述，在n型区域44上方设置透明材料72，然后进行图案化。在透明材料72上方生长额外的n型层76。可以在如下条件下生长n型层76：填充具有在透明材料72上方聚结的n型材料的透明材料72的区域之间的开口74，或者导致气穴形成于透明材料72的区域之间或上方，然后半导体材料聚结成基本平坦的n型区域76。如上所述，在n型区域76上方生长发光区域46和p型区域48。可以在n型区域44或n型区域76上形成n接触。
在一些实施例中，可以在器件中的n型层中，例如在种子层上方淀积的第一n型GaN层中设置纳米多孔GaN层。在一些实施例中，纳米多孔III-氮化物材料可以替代图7中所示器件中的透明材料72的区域。由多孔层的厚度和孔隙度确定散射量。多孔层一般具有0.5和40微米之间的厚度。多孔层可以具有5%和80%之间的孔隙度，常常具有20%和40%之间的孔隙度。孔隙度的下限受到多孔层散射光的能力限制，上限受到多孔层电阻系数和机械稳定性的限制。适当的孔隙度可能涉及多孔区域的厚度。为了提供同样量的散射，更厚的多孔区域可以比更薄的多孔区域孔隙度更低。多孔层反射和散射的光线将具有Lambertian辐射模式，最大强度指向垂直于表面。
可以如下使得III-氮化物层成为多孔的：连接到要成为多孔的层的铂丝充当阳极。铂丝的另一端充当阴极。将晶片和铂丝浸入2M NaOH溶液中。通过铂丝和晶片施加直流电流，例如密度介于10和20 mA/cm2之间。由250W的汞灯供应任选的紫外照明。适当的孔隙度可能需要10到60分钟处理，之后关掉灯和电流源。可替换地，可以直接在晶片表面上施加铂，或者在光电化学驱动的过程中使用不同的溶液，例如KOH、氟化物酸、或CH3OH：HF：H2O2。
可以通过改变溶液的浓度来控制孔隙度的密度和尺寸。蚀刻几乎独有地发生于电解质-半导体界面的尖端（孔的末端）；因此，通过改变蚀刻期间的溶液，可以生成多层孔隙度。为了方便生长，可以利用低摩尔浓度的溶液（0.5%的KOH）制造模板表面处的小孔层。然后，为了提高模板的顺从性并由此促进弛豫，可以利用高摩尔浓度的溶液（2%的KOH）制造表面下方的大孔层。小孔层可以是30-150nm厚，大孔层可以是100-4000nm厚，受到多孔材料稳定性和多孔区域下方无孔材料厚度的限制。如果在导电SiC衬底上生长导电GaN，可以通过继续向生长衬底中进行蚀刻过程生成在多孔SiC上的多孔GaN，这可以允许更薄的III-氮化物生长。
在多孔区域中，在III-氮化物材料中形成气孔洞。孔洞大小可以约为几十到几百nm，例如大小介于10和500nm之间。最近的相邻孔洞可以间隔约几十到几百nm，例如介于10和500nm之间。多孔区域例如可以介于0.02和3μm厚之间。百分比孔隙度定义为孔洞体积占多孔区域总体积的百分比，可能从20-80%变化，常常大于50%。半导体材料中的导电类型和掺杂剂浓度可以影响多孔层的特性，例如通过影响所形成孔的大小和间隔。在一些实施例中，多孔区域由掺杂有零（未人为掺杂）和1019cm-3之间的掺杂剂浓度的n型GaN层形成。
可以将根据本发明实施例在波长转换衬底上形成的器件与其他常规波长转换材料组合，例如粘合或接合到LED的事先形成的陶瓷磷光体层，或设置于有机密封剂中的粉末磷光体，有机密封剂被模板印刷、丝网印刷、喷射、沉降、蒸镀、溅射或以其他方式散布于LED上。
图3中所示的器件可以是机械自支撑的，无需底座或支撑衬底或透镜。因此，可以由用户通过诸如焊料的简单连接将图3中所示的器件连接到适当器件，例如印刷电路板。由于器件是机械自支撑的，所以不需要支撑III-氮化物结构的更鲁棒连接，例如金-金互连或支撑用底填材料。在一些实施例中，在图3所示器件的n和p接触上形成可浸润金属，界定n和p接触上的可焊接区域。
已经详细描述了本发明，本领域的技术人员将认识到，在给定本公开的情况下，可以对本发明做出修改而不脱离这里所述的发明理念的精神。因此，并非要将本发明的范围限于图示和描述的具体实施例。

Claims (19)

1.一种器件，包括：
衬底，包括：
       包括设置于透明材料中的波长转换材料的波长转换元件；
       种子层，包括III-氮化物材料将在其上成核的材料；以及
       设置于所述波长转换元件和所述种子层之间的接合层；以及
在所述种子层上生长的半导体结构，所述半导体结构包括设置于n型区域和p型区域之间的III-氮化物发光层。
2.根据权利要求1所述的器件，其中在将所述波长转换元件暴露于大于800℃的温度下至少两个小时时，所述波长转换元件的发光性质减弱小于20%。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长转换材料是磷光体，所述透明材料是玻璃、石英和SiO2之一。
4.根据权利要求1所述的器件，其中：
所述波长转换材料设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没有波长转换材料。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长转换元件包括设置于透明材料中、接合到陶瓷磷光体的波长转换材料。
6.一种器件，包括：
衬底，包括：
       波长转换元件；
       种子层，包括III-氮化物材料将在其上成核的材料；以及
       设置于所述波长转换元件和所述种子层之间的二向色滤光片；以及
在所述种子层上生长的半导体结构，所述半导体结构包括设置于n型区域和p型区域之间的III-氮化物发光层。
7.根据权利要求6所述的器件，其中所述二向色滤光片被配置成反射由所述波长转换元件发射的波长的光。
8.根据权利要求6所述的器件，其中所述波长转换元件包括陶瓷磷光体。
9.根据权利要求6所述的器件，其中所述波长转换元件包括设置于透明材料中的波长转换材料。
10.根据权利要求6所述的器件，还包括设置于所述二向色滤光片和所述种子层之间的接合层。
11.一种器件，包括：
衬底，包括：
       波长转换元件；
       种子层，包括III-氮化物材料将在其上成核的材料；以及
       设置于所述波长转换元件和所述种子层之间的接合层；
在所述种子层上生长的半导体结构，所述半导体结构包括设置于n型区域和p型区域之间的III-氮化物发光层；以及
散射结构，其被配置成散射由III-氮化物发光层和波长转换元件中的至少一个发射的光。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述散射结构包括具有粗糙表面的III-氮化物层。
13.根据权利要求12所述的器件，还包括设置于所述粗糙表面和金属接触之间的透明导电层。
14.根据权利要求12所述的器件，还包括：
设置于所述粗糙表面和金属接触之间的透明绝缘层，其中所述透明绝缘层具有平坦顶表面；以及
形成于所述透明绝缘层中的至少一个开口，其中导电材料设置于所述开口中。
15.根据权利要求11所述的器件，其中所述散射结构包括折射率的周期性变化，其中所述变化在平行于所述发光层主表面的方向上。
16.根据权利要求15所述的器件，其中所述折射率的周期性变化设置于所述n型区域之内。
17.根据权利要求15所述的器件，其中所述折射率的周期性变化设置于所述n型区域和所述种子层之间。
18.根据权利要求11所述的器件，其中所述波长转换元件包括能够发射红光的磷光体。
19.根据权利要求18所述的器件，其中：
所述波长转换元件是第一波长转换元件，所述器件还包括第二波长转换元件，所述第二波长转换元件包括能够发射绿光或黄光的磷光体；并且
所述第一波长转换元件设置于所述半导体结构和所述第二波长转换元件之间。
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