專利名稱：：Ⅲ-Ⅴ發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及諸如發(fā)光二極管之類的半導(dǎo)體發(fā)光器件，具體來講，涉及其上可以生長這種發(fā)光器件的生長襯底。相關(guān)4支術(shù)說明包括發(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)和邊緣發(fā)射激光器在內(nèi)的半導(dǎo)體發(fā)光器件是現(xiàn)用的最有效的光源。在制造能夠跨越可見光譜進(jìn)行操作的高亮度發(fā)光器件的過程中，目前所關(guān)注的材料體系包括組III-V半導(dǎo)體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也將其稱為III-氮化物材料。通常，III-氮化物發(fā)光器件是通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者其它外延生長工藝在藍(lán)寶石、碳化硅、III-i導(dǎo)體i的疊層來:造的:所述疊層往往包括:襯底上;成的例如摻雜了Si的一個或多個n型層、位于在一個或多個n型層上形成的有源區(qū)中的一個或多個發(fā)光層、以及在所述有源區(qū)上形成的例如摻雜了Mg的一個或多個p型層。在n和p型區(qū)上形成有電觸點。由于天然的III-氮化物襯底通常較為昂貴并且無法被廣泛利用，所以III-氮化物器件往往在藍(lán)寶石或者SiC襯底上生長。這種非III氮化物襯底因幾個原因而非最佳。首先，與在它們之上生長的III-氮化物層相比，藍(lán)寶石和SiC具有不同的晶格常數(shù)，致使在III-氮化物器件層中的變形和晶體缺陷，這會導(dǎo)致性能和可靠性不良的問題。其次，在某些器件中，期望去除生長襯底，以便例如改進(jìn)器件的光學(xué)屬性或者增加對在生長襯底上生長的半導(dǎo)體層的電訪問。在藍(lán)寶石襯底的情況下，所述生成襯底往往是通過在藍(lán)寶石和半導(dǎo)體層之間的界面處對III-氮化物材料(在典型情況下，其為GaN)進(jìn)行激光分離來去除。激光分離會在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生震動波，這會損壞半導(dǎo)體或者接觸層，很可能惡化所述器件的性能。其它襯底可以通過諸如蝕刻之類的其它技術(shù)來去除。
發(fā)明內(nèi)容依照本發(fā)明的實施例，一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括n型區(qū)，p型區(qū)和布置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的III-氮化物發(fā)光層。所述III-氮化物發(fā)光層具有大于3.19A的晶格常數(shù)。這種結(jié)構(gòu)可以在襯底上生長，所述襯底包括基質(zhì)和與所述基質(zhì)粘結(jié)的種子層。在某些實施例中，粘結(jié)層把基質(zhì)粘結(jié)到種子層。在某些實施例中，種子層可以比用于松弛半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變的臨界厚度更薄，如此使得半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變通過在種子層中形成的位錯來減輕，或者通過在種子層和粘結(jié)層之間的界面處的這些層之間的滑動來減輕。在某些實施例中，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的種子層的晶格常數(shù)與成核層的晶格常數(shù)之差小于1%。在某些實施例中，所述基質(zhì)的熱膨脹系數(shù)至少是至少一層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)的90%。在某些實施例中，在種子層中形成溝槽以便減少半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變。在某些實施例中，可以通過利用蝕刻將粘結(jié)層蝕刻掉來把所述基質(zhì)與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和種子層分離開，所述蝕刻優(yōu)選為腐蝕在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的粘結(jié)層。圖1說明了在包括基質(zhì)襯底、粘結(jié)層和種子層的復(fù)合生長襯底上生長的III-氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2說明了粘結(jié)到第二基質(zhì)襯底的圖1中的結(jié)構(gòu)。圖3說明了圖2在去除了種子層、粘結(jié)層和第一基質(zhì)襯底之后并且在外延層的暴露表面上形成觸點之后的結(jié)構(gòu)。圖4說明了基質(zhì)襯底和粘結(jié)層。圖5說明了粘結(jié)到種子層材料的厚晶片的圖4中的結(jié)構(gòu)。圖6說明了在去除了一部分種子層材料的厚晶片以便留下期望厚度的種子層之后的復(fù)合襯底。圖7說明了在種子層材料的厚晶片中注入氣泡層。圖8說明了粘結(jié)到圖4結(jié)構(gòu)的圖7的結(jié)構(gòu)。圖9說明了具有包括圖案化種子層的復(fù)合襯底的器件。圖IO說明了在復(fù)合襯底的種子層上生長的倒裝晶片器件。具體實施例依照本發(fā)明的實施例，如圖1中所示，諸如III-氮化物發(fā)光器件之類的半導(dǎo)體發(fā)光器件在復(fù)合生長襯底10上生長。襯底10包括基質(zhì)襯底12、種子層16和用于把基質(zhì)12粘結(jié)到種子16的粘結(jié)層14。襯底10中的每一層由能夠承受在器件中生長半導(dǎo)體層所需的加工條件的材料來形成。例如，在通過MOCVD生長的III-氮化物器件的情況下，襯底10中的每一層必須能夠忍受溫度超過IOO(TC的&環(huán)境；在通過MBE生長的III-氮化物器件的情況下，襯底10中的每一層必須能夠在真空中忍受超過60(TC的溫度?；|(zhì)襯底12為襯底IO和在襯底IO上生長的半導(dǎo)體設(shè)備層18提供機(jī)械支撐?；|(zhì)襯底12通常厚度在3到500微米之間，并且往往比100微米更厚。在基質(zhì)襯底12保留為器件一部分的實施例中，如果通過基質(zhì)襯底12從所述器件提取光，那么基質(zhì)襯底12可以至少是半透明的。—般說來，基質(zhì)襯底12不必是單晶材料，這是因為器件層18不直接在基質(zhì)襯底12上生長。在某些實施例中，需要對基質(zhì)襯底l2的材料進(jìn)行選擇，以便具有與器件層18的熱膨脹系數(shù)(CTE)和種子層16的CTE相匹配的CTE。在本發(fā)明的實施例中，能夠承受外延層18的加工條件的任何材料都是合適的，這些材料包括半導(dǎo)體、陶瓷和金屬。諸如GaAs之類的材料可與諸如在GaAs基質(zhì)和種子層16之間淀積的氮化硅之類的非滲透覆蓋層一起使用，所述GaAs具有接近器件層18的CTE的理想CTE，但是當(dāng)處于通過MOCVD生長III-氮化物層所需的溫度時，其通過升華被分解。表1說明了ni-氮化物材料的CTE和某些合適的基質(zhì)襯底材料的CTE:表l:基質(zhì)襯底材料的熱膨脹系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>種子層16是其上生長器件層is的層，由此，它必須是ni-氮化物晶體可以在其上成核的材料。種子層16的厚度可以在大約50A到1的之間。在某些實施例中，種子層16與器件層18的材料的CTE相匹配。種子層16通常是單晶材料，其具有與器件層18相當(dāng)接近的晶格匹配。往往，其上生長有器件層18的種子層16的頂面的結(jié)晶方位是纖鋅礦c軸。在其中種子層16保留為最終器件的一部分的實施例中，如果通過種子層16從所述器件提取光，那么種子層16可以是透明的或者很薄。表2舉例說明了某些種子層材料的晶格常數(shù)表2:種子層材料的晶格常數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>一個或多個粘結(jié)層14把基質(zhì)襯底12粘結(jié)到種子層16。粘結(jié)層14厚度可以在大約IOOA到1jLiiii之間。適合的粘結(jié)層示例包括諸如Si02的SiOx、諸如ShN4的SiNx、Hf02、其混合物、諸如Mo、Ti、TiN的金屬、其它合金以及其它半導(dǎo)體或者電介質(zhì)。由于粘結(jié)層14將基質(zhì)襯底12連接到種子層16，所以要選擇形成粘結(jié)層14的材料以便在基質(zhì)l2和種子16之間提供優(yōu)良的附著力。在某些實施例中，粘結(jié)層14是這樣的釋放層，其由可以通過不腐蝕器件層18的蝕刻方式來蝕刻的材料形成，由此從基質(zhì)襯底12釋放器件層18和種子層16。例如，粘結(jié)層14可以是Si02,其可以通過HF來濕蝕刻，而不會損壞III-氮化物器件層18。在粘結(jié)層14保留為部分最終器件的實施例中，粘結(jié)層14最好是透明的或者非常薄。在某些實施例中，粘結(jié)層14可以被省去，而把種子層16直接附著到基質(zhì)襯底12。器件層18是通過所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
已知的生長工藝生長的常規(guī)III-氮化物器件層。鄰近于種子層16的一層的組分可以根據(jù)其晶格常數(shù)或者其它屬性、和/或根據(jù)其在種子層16的材料上成核的能力來選擇。在本發(fā)明的某些實施例中，種子層16和粘結(jié)層14是與基質(zhì)襯底12—起膨脹和收縮的厚層。例如，粘結(jié)層14和種子層16兩者可以都比100A更厚。在種子層16上生長的外延層18因外延層18和種子層16之間的晶格失配而發(fā)生應(yīng)變，由此為了限制應(yīng)變，需要將種子層的組分選為使其與外延層18在晶格方面十分匹配。另外，要選擇種子層16和基質(zhì)襯底12的組分以便其CTE接近于外延層18的CTE。在某些實施例中，如此來選擇基質(zhì)襯底和種子層的材料，即基質(zhì)的CTE至少是至少一個器件層的CTE的90%，所述至少一個器件層諸如是發(fā)光層?？赡艿姆N子層/粘結(jié)層/基質(zhì)襯底組合的示例包括人1203/氧化物〃1203或者氧化鋁；SiC/氧化物/具有相當(dāng)接近的CTE的任意基質(zhì)；ZnO/氧化物/具有相當(dāng)接近的CTE的任意基質(zhì)；以及諸如GaN之類的III-氮化物材料/氧化物/具有相當(dāng)接近的CTE的任何基質(zhì)。如果基質(zhì)襯底12的CTE大于外延層18的CTE,那么外延層18在室溫下處于受壓應(yīng)變。外延層18中的受壓應(yīng)變允許高Si摻雜的n型層生長，并且允許例如大于2jum厚的外延區(qū)18生長。相反，如果基質(zhì)襯底12的CTE小于外延層18的CTE,那么外延層18在室溫下處于受拉應(yīng)變，如此使得外延層18內(nèi)的厚度和摻雜級別因破裂而受限。因此，通常要將基質(zhì)襯底12的組成選擇為其CTE大于外延層l8的CTE。在本發(fā)明的某些實施例中，通過把種子層16的厚度限制為小于或者接近等于外延層18的臨界厚度，即外延層18松弛并且不再變形的厚度，由此來提供在復(fù)合襯底10上生長的外延層18中的應(yīng)變消除。例如，在具有藍(lán)寶石或者其它基質(zhì)襯底12和SiC種子層16的復(fù)合襯底中，種子層16的厚度可以在50到300A之間。在外延層18生長期間，隨著層18的厚度在薄種子層的厚度上的增加，由于在晶格失配的種子層16上生長而在外延層18內(nèi)導(dǎo)致的應(yīng)變負(fù)擔(dān)從外延層18轉(zhuǎn)移到種子層16。一旦外延層18的厚度超出松弛臨界點，就通過在種子層16內(nèi)形成的位錯以及通過在順從的粘結(jié)層14和種子層16之間的滑動來提供外延層18內(nèi)的應(yīng)變消除，而不是通過經(jīng)由外延層18向上傳播位錯來提供。當(dāng)通過在種子層中形成位錯來把應(yīng)變負(fù)擔(dān)從外延層18轉(zhuǎn)移到種子層16時，種子層的晶格常數(shù)可以從松弛并且自立時種子層的晶格常數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏诨蛘呦嗤谕庋訉又械木Ц癯?shù)的晶格常數(shù)。由此外延層18是高度無位錯的高質(zhì)量層。例如，器件層18中的螺線位錯的密集度可以被局限于小于109cm—2,優(yōu)選是局限于小于108cm—2，更優(yōu)選是局限于小于107cnT2，并且更優(yōu)選是局限于小于106cnT2。如上所述，鄰近于種子層16的III-氮化物層的組成通常為其在種子層16的材料上的成核能力來進(jìn)行選擇。在此實施例的上述示例中，其中SiC種子層16附著于藍(lán)寶石基質(zhì)襯底l2,在種子層16上生長的III-氮化物層可以是A1N，其在SiC上成核良好并且具有相當(dāng)接近于SiC的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)。外延層18的組成可以按照III-氮化物層的{壬{可纟且合的《且成#立度(compositionalgrading)或者超晶才各在層18的厚度上變換。例如，可以把非常薄的A1N層直接淀積在SiC種子層16上，然后添加GaN以形成減少A1N組分的AlGaN，直到A1N組分達(dá)到0%為止，最終產(chǎn)生GaN。通過然后添加并且增加InN的組成直到達(dá)到所期望的InGaN組成為止，所述組成可以從GaN轉(zhuǎn)變?yōu)镮nGaN。在此實施例中，隨著種子層厚度的減少，種子層16、基質(zhì)襯底12和外延層18的CTE之間的匹配，以及種子層16和外延層18的晶格常數(shù)之間的匹配變得較不重要，這是因為薄種子層更能夠擴(kuò)展、形成位錯或者在與粘結(jié)層14的界面上滑動以便減輕外延層18中的應(yīng)變。在某些實施例中，如此來選擇種子層16的材料和在種子層上生長的第一外延層18的材料，使得種子層16的晶格常數(shù)和在種子層上生長的第一外延層(也稱為成核層)的晶格常數(shù)之間的差小于1%。例如，GaN或者InGaN成核層可以在復(fù)合生長襯底上生長，所述復(fù)合生長襯底包括通過氧化物粘結(jié)層粘結(jié)到任何基質(zhì)襯核層的晶格常數(shù)可以例如在3.21和3,27之間，這取決于成核層的InN組成。例如，In。.。9GaQ.9,N成核層具有大約3.21的晶格常數(shù)，而In。.,6GaQ.84N成核層具有大約3.24的晶格常數(shù)。由于Zn0可以在通過M0CVD生長InGaN所需的溫度處分解，所以在具有Zn0種子層的復(fù)合襯底上生長的第一III-氮化物層可以通過諸如MBE之類的低溫技術(shù)來生長。作為選擇，晶格常數(shù)為3.11的A1N成核層可以在晶格常數(shù)為3,08的SiC種子層上生長。限制種子層和成核層的晶格常數(shù)之間的差可以減少器件中的應(yīng)變量，這很可能減少在器件的外延層18中形成的位錯的數(shù)目。在某些器件中，諸如成核層之類的外延層18中的晶格常數(shù)可以大于種子層16中的晶格常數(shù)，因此外延層處于受壓應(yīng)變而不是受拉應(yīng)變下。在某些實施例中，將基質(zhì)襯底材料選擇為具有這樣的CTE,所述CTE令種子層的晶格常數(shù)在受熱時伸長所期望的量，以便更加緊密地與外延層18的晶格常數(shù)相匹配。基質(zhì)襯底12可以如此被選擇，以使得在III-氮化物外延層18的生長溫度處、其CTE結(jié)果導(dǎo)致種子層16內(nèi)的受拉應(yīng)變。種子層16的晶格常數(shù)因受拉應(yīng)變而擴(kuò)展，以便更好地匹配使外延層18的發(fā)光層發(fā)出可見光所必需的高InN組成(例如In。.,5Ga。.85N)的晶格常數(shù)。在具有SiC種子層16位于藍(lán)寶石基質(zhì)襯底12上或者GaN種子層16位于多晶SiC基質(zhì)襯底l2上的復(fù)合襯底中，經(jīng)擴(kuò)展的種子層晶格常數(shù)是可能的。在由基質(zhì)襯底n把受拉應(yīng)變施加到種子層16的情況下，種子層16越薄，種子層16越能夠忍受受拉應(yīng)變而不會破裂。一般說來，把種子層16的晶格常數(shù)和成核層的晶格常數(shù)之間的差限制為小于大約1。/。是合乎需要的，特別是其中想把種子層的伸長后晶格常數(shù)與成核層的晶格常數(shù)相匹配的情況下更是如此。在選擇基質(zhì)襯底材料以拉伸種子層的晶格常數(shù)的一個例子中，在具有CTE大約為4x10—〗并且晶格常數(shù)為3.08的SiC種子層16的襯底上生長CTE大約為5x10—'并且晶格常數(shù)為3,11的A1N成核層?；|(zhì)襯底12可能具有至少為10xl(T"C—'的CTE。如果基質(zhì)襯底12具有至少為15x1(T"CT'的CTE，那么隨著環(huán)境溫度升高到適合于生長外延層18的溫度(例如大約IOO(TC)，基質(zhì)襯底12的擴(kuò)展將致使SiC種子層16的晶格常數(shù)擴(kuò)大到與已生長的A1N成核層的晶格常數(shù)相匹配。因為種子層16和成核層之間沒有晶格常數(shù)失配，所以A1N成核層可以無位錯地或者具有非常低的位錯密度來生長。具有至少為15x10—"C—'的CTE的合適基質(zhì)襯底材料的一個示例是海鈉合金(HaynesAlloy)214、UNS#N07214，這是一種75%Ni、16%Cr、4.5%U和3%Fe的合金，且CTE為18.6xio—6°C—'并且熔點為1355°C。在另一個示例中，在具有AIN種子層16的襯底上生長具有高達(dá)50%A1N的AlGaN成核層。在另一個示例中，在具有GaN種子層16的襯底上生長InGaN成核層。可以在器件的晶片上形成溝槽，以便當(dāng)生長之后把晶片冷卻到室溫并且種子層16的晶格常數(shù)再次收縮時，防止形成位錯。下面將根據(jù)圖9來描述這種溝槽。在某些實施例中，可以通過在粘結(jié)層14上將種子層形成為條紋或者柵格而不是單個不間斷層來提供外延層18中的進(jìn)一步應(yīng)變消除。作為選擇，可以將種子層形成為單個不間斷層，然后例如通過形成溝槽來從中去除，以便提供應(yīng)變消除。圖9是具有包括形成為條紋的種子層16的復(fù)合襯底的器件的橫截面視圖。單個不間斷的種子層16可以通過粘結(jié)層14附屬于基質(zhì)襯底12，然后通過常規(guī)的光刻技術(shù)形成圖案，以便去除部分種子層來形成條紋。每一種子層條紋的邊緣可以通過在種子層的條紋邊緣處集中外延層18內(nèi)的位錯來提供額外的應(yīng)變消除。種子層16、粘結(jié)層14和成核層的組成可以如此選擇，使得成核層材料優(yōu)選在種子層16上成核，而不是在由部分種子層16之間的間隔而暴露的部分粘結(jié)層14上成核。在發(fā)光器件的晶片上，圖9中示出的種子層16中的溝槽可以間隔大約單個器件寬度的量級，例如分開幾百微米或者幾百毫米。在具有已形成圖案的種子層的復(fù)合襯底上形成的器件晶片可以如此被劃分，以便種子層部分的邊緣不位于單個器件的發(fā)光層之下，這是由于種子層邊緣處集中的位錯可能導(dǎo)致性能或可靠性不良的問題。作為選擇，可以例如以分開幾微米或者數(shù)十微米間隔的量級，在單個器件寬度內(nèi)形成多個溝槽。這種襯底上的生長條件可以如此選擇，以使得在種子層16或者后面的外延層上形成的成核層在種子層16中形成的溝槽上方接合，以便晶片上的器件的發(fā)光層形成為沒有被種子層16中的溝槽間斷的連續(xù)層。在上面的實施例和示例中描述的某些復(fù)合襯底可以如圖4-6中所示那樣來形成。圖4-6說明了當(dāng)種子層的膨脹材料可易于得到時，復(fù)合襯底的形成；例如，具有SiC、A1203、ZnO種子層的襯底以及諸如A1N之類的某些可能的in-氮化物層的形成。如圖4所述，通過適合于粘結(jié)層和基質(zhì)襯底材料的常規(guī)工藝在基質(zhì)襯底12上形成粘結(jié)層14。例如，可以例如通過諸如化學(xué)氣相淀積之類的淀積工藝在A1A基質(zhì)襯底12上淀積Si02粘結(jié)層14。在某些實施例中，可以在淀積之后通過例如機(jī)械拋光之類、使粘結(jié)層14變平的工藝來加工粘結(jié)層14。然后，如圖5所示，把種子層材料的厚晶片16A粘結(jié)到粘結(jié)層14的暴露表面。種子層材料晶片16A必須也是平的，以便形成到粘結(jié)層14的強(qiáng)力粘結(jié)?；|(zhì)襯底12和晶片16A在高溫和高壓下粘結(jié)。然后，如圖6所示，通過適合于種子層16的組成的工藝60把超出所期望的種子層16厚度的部分種子層材料16A去除。例如，Al力3種子層材料可以通過碾磨去除，而SiC種子層材料可以通過蝕刻去除。最終得到的結(jié)構(gòu)是如上所述的復(fù)合村底10。圖4、7和8說明了用于形成如上所述的復(fù)合襯底的替代方法。正如在上文根據(jù)圖4-6所述的方法那樣，首先在基質(zhì)襯底12上形成粘結(jié)層14,然后如圖4所示，必要時進(jìn)行加工以使粘結(jié)層14變平。單獨(dú)地，種子層材料的晶片16B被注入70諸如氫、氘或者氦之類的材料72,以便在與最終復(fù)合村底中的種子層16期望厚度相對應(yīng)的深度72處形成氣泡層。種子層材料晶片16B可以是單一材料，諸如A1203,或者它也可以包括不同的材料，諸如如下所述、在Ah03晶片上外延生長或者粘結(jié)到基質(zhì)襯底的III-氮化物層。晶片16B粘結(jié)到粘結(jié)層14,以使注入了氫的晶片16B的一側(cè)粘結(jié)到粘結(jié)層14。如上根據(jù)圖5所述那樣，粘結(jié)層14的暴露表面和晶片16B的表面都必須足夠平，以便在高溫和高壓下形成強(qiáng)力粘結(jié)。最終的結(jié)構(gòu)如圖8所述。然后，在惰性環(huán)境中把圖8的粘結(jié)結(jié)構(gòu)加熱到例如大于約500。C的溫度，加熱使注入晶片16B的氣泡層膨脹，使晶片16B的薄種子層部分在注入氣泡層72的厚度處從晶片16B的其余部分分離出來，由此產(chǎn)生如上所述的最終復(fù)合襯底10。在包括不易于用作膨脹材料的種子層材料的上述實施例和示例中，例如在諸如GaN、AlGaN、InGaN、InN和A1N之類的III-氮化物種子層通過諸如MOCVD或者M(jìn)BE之類的外延生長技術(shù)在諸如藍(lán)寶石之類的適當(dāng)生長襯底上生長的情況下，必須單獨(dú)地預(yù)備種子層。在生長襯底上生長了適當(dāng)厚度的種子層材料之后，可以把種子層附于適當(dāng)?shù)幕|(zhì)，并且通過適合于所述生長襯底的技術(shù)去除所述生長襯底。在某些實施例中，諸如in-氮化物種子層材料，所述種子層在生長襯底上具有應(yīng)變地生長。當(dāng)種子層16與基質(zhì)襯底12相連并且從生長襯底釋放時，如果種子層16和基質(zhì)襯底16之間的連接是順從的，例如是順從的粘結(jié)層14，那么種子層16至少可部分松弛。因此，盡管種子層是作為應(yīng)變層生長的，也可以如此選擇組成，以便種子層從生長襯底釋放并且松弛之后，種子層的晶格常數(shù)相當(dāng)接近種子層上生長的外延層18的晶格常數(shù)或者與之匹配。例如，當(dāng)III-氮化物器件在Al力3上常規(guī)地生長時，在襯底上生長的第一層通常是晶格常數(shù)約為3.19的GaN緩沖層。該GaN緩沖層為在緩沖層上方生長的全部器件層(包括往往是InGaN的發(fā)光層)設(shè)置晶格常數(shù)。由于松弛、自立的InGaN具有比GaN更大的晶格常數(shù)，所以當(dāng)在GaN緩沖層上方生長時，發(fā)光層發(fā)生應(yīng)變。相反，在本發(fā)明的實施例中，InGaN種子層在常規(guī)村底上具有應(yīng)變地生長，然后粘結(jié)到基質(zhì)并且從生長襯底釋放，以便InGaN種子層至少部分松弛。在松弛之后，InGaN種子層具有比GaN更大的晶格常數(shù)。照此，與GaN相比，InGaN種子層的晶格常數(shù)和與InGaN發(fā)光層具有相同組成的松弛自立層的晶格常數(shù)更加匹配。包括InGaN發(fā)光層在內(nèi)，在InGaN種子層上方生長的器件層將復(fù)現(xiàn)inGaN種子層的晶格常數(shù)。因此，具有松弛的InGaN種子層晶格常數(shù)的InGaN發(fā)光層與具有GaN緩沖層晶格常數(shù)的InGaN發(fā)光層相比應(yīng)變更小。減少發(fā)光層中的應(yīng)變可以改進(jìn)器件的性能。例如，傳統(tǒng)在藍(lán)寶石上生長的GaN緩沖層可能具有3.18殳A的晶格常數(shù)。發(fā)射藍(lán)光的InGaN層可能具有In。.12Ga。.88N的組成，其是自立晶格常數(shù)為3.23A的組成。發(fā)光層中的應(yīng)變是發(fā)光層中的實際晶格常數(shù)(對于在常規(guī)GaN緩沖層上生長的層而言是3.189A)與相同組成的自立層的晶格常數(shù)之間的差，因此應(yīng)變可以被表示為(/a^esu。一。在常規(guī)的In。.uGaQ.8sN層的情況下，應(yīng)變是(3.23A-3.189A)/3,23A，約為1.23%。如果相同組成的發(fā)光層在具有InGaN種子層的復(fù)合襯底上生長，那么可以減少或者消除應(yīng)變，這是因為InGaN種子層的較大晶格常數(shù)造成發(fā)光層中較大的實際晶格常數(shù)。在本發(fā)明的某些實施例中，發(fā)射430和480納米之間的光的器件發(fā)光層中的應(yīng)變可以被減少為小于P/。，并且優(yōu)選是小于0.5%。用于發(fā)射青色光的InGaN層可能具有In。.16Ga。.84N的組成，當(dāng)在常規(guī)的GaN緩沖層上生長時，其是可能具有約為1.7%的應(yīng)變的組成。在本發(fā)明的某些實施例中，發(fā)射480和520納米之間的光的器件發(fā)光層中的應(yīng)變可以被減少為小于1.5%，并且優(yōu)選是小于1%。用于發(fā)射綠光的InGaN層可能具有In。.2Ga。.8N的組成，其是自立晶格常數(shù)為3.26A的組成，并且當(dāng)在常規(guī)的GaN緩沖層上生長時，最終導(dǎo)致約為2.1%的應(yīng)變。在本發(fā)明的某些實施例中，于2°/。，并且優(yōu)選小于1.5%:'、"."—，；p、，；.、III-氮化物種子層材料需要額外的粘結(jié)步驟以便以期望的定向形成具有III-氮化物種子層的復(fù)合襯底。在藍(lán)寶石或者SiC生長襯底上生長的III-氮化物層通常生長為c-平面纖鋅礦。這種纖鋅礦III-氮化物結(jié)構(gòu)具有鎵表面和氮表面。III-氮化物優(yōu)選如此生長，以便生長層的頂面是鎵表面，而底面(鄰近于生長襯底的表面)是氮表面。簡單傳統(tǒng)地在藍(lán)寶石或者SiC上生長種子層材料，然后把種子層材料與基質(zhì)連接并且去除生長襯底，這會結(jié)果產(chǎn)生具有暴露的氮表面的III-氮化物種子層的復(fù)合襯底。如上所述，in-氮化物優(yōu)選在鎵表面上生長，即以鎵表面作為頂面，由此當(dāng)結(jié)晶定向從以氮表面作為頂面的定向轉(zhuǎn)變?yōu)橐枣壉砻孀鳛轫斆娴亩ㄏ驎r，在氮表面上生長會不期望地把缺陷引入晶體中，或者結(jié)果產(chǎn)生不良質(zhì)量的材料。為了形成具有以鎵表面作為頂面的ni-氮化物種子層的復(fù)合襯底，種子層材料可以傳統(tǒng)地在生長襯底上生長，然后粘結(jié)到任何適當(dāng)?shù)牡谝换|(zhì)襯底，然后與生長襯底分離，以便種子層材料經(jīng)由鎵表面粘結(jié)到第一基質(zhì)襯底，并留下通過去除生長襯底而暴露的氮表面。然后把種子層材料的氮表面粘結(jié)到第二基質(zhì)襯底10，即依照本發(fā)明實施例的復(fù)合襯底的基質(zhì)襯底。在粘結(jié)到第二基質(zhì)村底之后，通過適合于生長襯底的工藝去除第一基質(zhì)襯底。在最終的復(fù)合襯底中，種子層材料16的氮表面經(jīng)由可選的粘結(jié)層l4粘結(jié)到基質(zhì)襯底l2(第二基質(zhì)襯底)，以便暴露III-氮化物種子層16的鎵表面以便生長外延層18。例如，在藍(lán)寶石襯底上傳統(tǒng)地生長GaN緩沖層，繼之以InGaN層，其將形成復(fù)合襯底的種子層。所述InGaN層可以利用或不利用粘結(jié)層來粘結(jié)到第一基質(zhì)襯底。通過激光熔化鄰近于藍(lán)寶石的GaN緩沖層來去除藍(lán)寶石生長襯底，然后通過蝕刻來去除因去除藍(lán)寶石而暴露的剩余GaN緩沖層，這結(jié)果產(chǎn)生粘結(jié)到第一基質(zhì)襯底的InGaN層。如上根據(jù)圖7所述，所述InGaN層可以被注入諸如氫、氖或者氦之類的材料，以便在與最終的復(fù)合襯底中的種子層的期望厚度相對應(yīng)的深度處形成氣泡層。作為選擇，還可以加工所述InGaN層以形成足夠平的表面以便粘結(jié)。然后，可以利用或不利用粘結(jié)層把所述InGaN層粘結(jié)到第二基質(zhì)村底，其將形成最終復(fù)合襯底中的基質(zhì)。然后，如上所述那樣加熱第一基質(zhì)襯底、InGaN層和第二基質(zhì)襯底，令注入InGaN層的氣泡層膨脹，使InGaN層的薄種子層部分與InGaN層的剩余部分和第一基質(zhì)襯底分離，由此產(chǎn)生如上所述的、其中InGaN種子層粘結(jié)到基質(zhì)襯底的最終復(fù)合襯底。作為把種子層材料與第一基質(zhì)襯底粘結(jié)、然后與第二基質(zhì)襯底粘結(jié)來粘結(jié)兩次以便兩次改變種子層材料的結(jié)晶定向的替換，所述種子層材料可以在氮表面向上的生長襯底上生長。當(dāng)把氮表面的種子層材料與基質(zhì)襯底12如上所述那樣相連時，種子層16的鎵表面被暴露以便生長外延層18。氮表面薄膜例如可以通過氣相處延或者M(jìn)0CVD來生長，這如JournalofCrystalGrowth204(1999)第419—428頁的"MorphologicalandstructurecharacteristicsofhomoepitaxialGaNgrownbymetalorganicchemicalvapourdeposition(M0CVD)，，和Phys.Stat.Sol.(b)228(2001)第2號第505—512頁的"PlayingwithPolarity"中更加詳細(xì)描述的那樣，這二者都通過引用在此并入。在某些實施例中，所述種子層材料生長為m平面或者a平面材料，而不是如上所述生長為c平面材料。如圖1-3所述，依照任何上述實施例在復(fù)合襯底10上生長的III-氮化物器件可以被加工為薄膜器件。如上所述，器件層18在復(fù)合村底10上生長。然后把器件層粘結(jié)到新的基質(zhì)襯底，然后可以去除全部或者部分復(fù)合襯底10。圖1舉例說明了在復(fù)合襯底10上生長的器件層。器件層18通常包括在襯底10上方生長的n型區(qū)，其可以包括諸如緩沖層或者成核層之類的可選預(yù)備層，以及用來便于釋放復(fù)合襯底10或者在去除復(fù)合襯底10之后使外延層變薄的可選釋放層。在n型區(qū)上方，通常生長一個或多個發(fā)光層，繼之以p型區(qū)。器件層18的頂面可以被加工以便增強(qiáng)從最終器件提取光，這例如通過打磨或者通過形成諸如光子晶體之類的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。如圖2中所示，在器件層18的頂面上方淀積例如包括歐姆接觸層、反射層、隔離層以及粘結(jié)層在內(nèi)的一個或多個金屬層20。然后，將器件層經(jīng)由金屬層20的暴露表面粘結(jié)到基質(zhì)襯底22。一個或多個粘結(jié)層(通常為金屬)可以充當(dāng)順從的材料，以用于在外延器件層18與基質(zhì)襯底22之間的熱壓縮或者熔化粘結(jié)。適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)層金屬的示例包括金和銀。在去除復(fù)合生長襯底IO之后，基質(zhì)襯底22向外延層提供機(jī)械支撐。并且提供與器件層18的一個表面的電接觸。通常將基質(zhì)襯底22選擇為導(dǎo)電(即小于約0,1Q厘米)、導(dǎo)熱，具有與外延層的CTE匹配的CTE,以及使其足夠平(即具有小于約10納米的均方根粗糙度)以便形成強(qiáng)力晶片粘結(jié)。適當(dāng)?shù)牟牧侠绨ㄖT如Cu、Mo、Cu/Mo和Cu/W之類的金屬；具有金屬接觸的半導(dǎo)體，諸如例如包括Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag的一個或多個在內(nèi)的歐姆接觸的Si以及歐姆接觸的GaAs;以及諸如A1N、壓縮的金剛石、或者通過化學(xué)氣相淀積生長的金剛石層之類的陶瓷。器件層18可以在晶片規(guī)模上粘結(jié)到基質(zhì)襯底22,如此使得器件的整個晶片與基質(zhì)的晶片粘結(jié)，然后在粘結(jié)之后切割各個器件。作為選擇，可以將器件的晶片切割為單個器件，然后在模具規(guī)模上把每個器件與基質(zhì)襯底22粘結(jié)，這如在2004年10月28日提出的名稱為"Package—IntegratedThin—FilmLED"、序號為10/977，294的美國申請中更加詳細(xì)地描述的那樣，該申請的內(nèi)容通過引用在此并入?；|(zhì)襯底22和外延層18在高溫和高壓下被壓在一起，以便在基質(zhì)襯底22和金屬層20之間的界面處形成持久的粘結(jié)，例如在所述界面處形成在金屬粘結(jié)層之間的持久金屬粘結(jié)。用于粘結(jié)的溫度和壓力范圍的低端由所產(chǎn)生粘結(jié)的強(qiáng)度所限，并且其高端由基質(zhì)襯底結(jié)構(gòu)、金屬化和外延結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性所限。例如，高溫和/或高壓可以導(dǎo)致外延層分解，金屬接觸分層，擴(kuò)散隔膜故障或者外延層中的組成材料脫氣。用于粘結(jié)的合適溫度范圍例如是室溫到大約500°C。用于粘結(jié)的合的壓力范圍例如是不施加壓力到大約500psi。如圖3所示，然后可以去除全部或者一部分復(fù)合襯底10。例如，可以在腐蝕粘結(jié)層14的蝕刻過程中通過蝕刻所述器件來去除復(fù)合襯底10的基質(zhì)襯底12?；|(zhì)襯底12和粘結(jié)層14由此被去除，剩下與第二基質(zhì)襯底22粘結(jié)的種子層16和器件層18。諸如通過性刻、重疊、碾磨或者其組合，也可以去除種子層16。例如，可以蝕刻掉SiC種子層并且可以磨掉Ah03種子層。在某些實施例中，種子層16或者整個復(fù)合襯底IO保留為部分最終器件。如果如圖3中圖示的器件那樣去除整個復(fù)合襯底10，那么剩余的器件層18可以變薄，例如以去除最接近種子層16且具有較低材料質(zhì)量的器件層部分。例如，可以通過化學(xué)機(jī)械拋光、常規(guī)干蝕刻或者光照電化蝕刻(PEC)來使外延層變薄。外延層的頂面可以有紋理或者變粗糙以便增強(qiáng)光提取量。在外延層18的暴露表面上以例如圓圏或柵格形式形成有觸點26(往往是n觸點)。在觸點下面的器件層例如可以被注入氫，以便防止光線從觸點下面的發(fā)光區(qū)部分射出。正如所述
技術(shù)領(lǐng)域：
中已知的那樣，可以把諸如熒光體之類的波長轉(zhuǎn)換層和/或諸如作i選擇，:『圖i:所示，圖;^所;器件的一部分外延層18可以被去除，如此使得夾住發(fā)光區(qū)域的n型區(qū)和p型區(qū)都暴露在器件的同一側(cè)上。在這些暴露部分上形成電觸點26和28。如果電觸點26和28是反射性的，那么如圖IO所示，可以在載片24上以觸點側(cè)向下的方式來安裝所述結(jié)構(gòu)，以便經(jīng)由種子層16提取光。如圖IO所示，可以去除全部或者某些復(fù)合村底，例如保留附屬于外延層18的種子層16。如果電觸點26和/或28是透明的，那么可以依照觸點側(cè)向上的方式來安裝所述器件，以便經(jīng)由觸點26和28提取光(圖10中未示出)。已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，考慮到本公開內(nèi)容，在不脫離此處所述的發(fā)明構(gòu)思的精神的情況下，可以對本發(fā)明做出修改。因此，本發(fā)明范圍不局限于所說明以及描述的具體實施例。權(quán)利要求1.一種結(jié)構(gòu)，包括n型區(qū)；p型區(qū)；以及布置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的III-氮化物發(fā)光層，其中所述III-氮化物發(fā)光層具有大于3.19的晶格常數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物發(fā)光層具有應(yīng)變3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，還包括襯底，所述襯底包括基質(zhì)；以及與所述基質(zhì)粘結(jié)的III-氮化物種子層，其中所述in-氮化物種子層具有大于3.19A的晶格常數(shù)；其中所述n型區(qū)、p型區(qū)以及發(fā)光層在所述III-氮化物種子層上生長。4.如權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中所述種子層是InGaN。5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光層具有大于3.卩A的晶格常數(shù)。6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光層被配置為發(fā)射峰值波長在430和480納米之間的光。7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光層具有大于3.的晶格常數(shù)。8.如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光層被配置為發(fā)射峰值波長在480和520納米之間的光。9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光層具有大于3.23A的晶格常數(shù)。10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光層被配置為發(fā)射峰值波長在520和560納米之間的光。11.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，還包括與n型區(qū)和p型區(qū)電連接的觸點。12.—種結(jié)構(gòu)，包括n型區(qū)；p型區(qū)；以及布置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的III-氮化物發(fā)光層，所述發(fā)光層具有晶格常數(shù)其中.-具有與發(fā)光層相同組成的松弛、自立層具有晶格常數(shù)afreeslanding;(arreesUnding一aactuai)/arreesUnding小于1%;并且所述發(fā)光層被配置為發(fā)射具有在430和480納米之間的峰值波長的光。13.如才又利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中(a「reesUnding—aa"uai)/afreesUnding小于0.5%。14.如權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，還包括與n型區(qū)電連接的第一觸點；以及與p型區(qū)電連接的第二觸點。15.如權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中n型區(qū)、p型區(qū)和發(fā)光層都包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中；第一和第二觸點之一在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂部上形成；并且第一和第二觸點的另一個在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底部上形成。16.如權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中n型區(qū)、p型區(qū)和發(fā)光層都包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中；并且第一和第二觸點都在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)上形成。17.—種結(jié)構(gòu)，包括n型區(qū)；p型區(qū)；以及布置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的III-氮化物發(fā)光層，所述發(fā)光層具有晶格常數(shù)aactua1j其中具有與發(fā)光層相同組成的松弛、自立層具有晶格常數(shù)(a廠reesUnding—aaclual)/afreesLanding小于1-5/o，所述發(fā)光層被配置為發(fā)射具有在480和520納米之間的峰值波長的光。18.如一又利要求17所述的結(jié)構(gòu)，其中(arreestanding—aaclual)/arreeslanding小于1%。19.如權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，還包括與n型區(qū)電連接的第一觸點；以及與p型區(qū)電連接的第二觸點。20.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中n型區(qū)、p型區(qū)和發(fā)光層都包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中；第一和第二觸點之一在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂部上形成；并且第一和第二觸點的另一個在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底部上形成。21.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中n型區(qū)、p型區(qū)和發(fā)光層都包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中；并且第一和第二觸點都在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)上形成。22.—種結(jié)構(gòu)，包括n型區(qū)；p型區(qū)；以及布置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的III-氮化物發(fā)光層，所述發(fā)光層具有晶格常數(shù)aactua1，其中具有與發(fā)光層相同組成的松弛、自立層具有晶格常數(shù)a^standirig;(afrees"nding—a3ctualfreestanding小于2%;升且所述發(fā)光層被配置為發(fā)射具有在520和560納米之間的峰值波長的光。23.如權(quán)利要求22所述的結(jié)構(gòu)，其中(afreestanding—actual)/arreesUnding小于1.5%。24.如權(quán)利要求22所述的結(jié)構(gòu)，還包括與n型區(qū)電連接的第一觸點；以及與p型區(qū)電連接的第二觸點。25.如權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其中n型區(qū)、p型區(qū)和發(fā)光層都包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中；第一和第二觸點之一在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂部上形成；并且第一和第二觸點的另一個在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底部上形成。26.如權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其中n型區(qū)、p型區(qū)和發(fā)光層都包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中；并且第一和第二觸點都在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)上形成。全文摘要一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括n型區(qū)、p型區(qū)和布置在n型區(qū)和p型區(qū)之間的Ⅲ-氮化物發(fā)光層。所述Ⅲ-氮化物發(fā)光層具有大于3.19ú的晶格常數(shù)。這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以在襯底上生長，所述襯底包括基質(zhì)和與所述基質(zhì)粘結(jié)的種子層。在某些實施例中，粘結(jié)層把基質(zhì)粘結(jié)到種子層。種子層比用于松弛半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變的臨界厚度更薄，如此使得半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變通過在種子層中形成的位錯而減輕，或者通過在種子層和粘結(jié)層之間滑動兩個層之間的界面來減輕。在某些實施例中，可以通過蝕刻掉粘結(jié)層來使所述基質(zhì)與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和種子層分離。文檔編號H01L33/00GK101273469SQ200680035651公開日2008年9月24日申請日期2006年9月22日優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日發(fā)明者J·E·埃普勒,M·R·克拉梅斯,N·F·加德納申請人:飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司