專利名稱：控制iii氮化物器件中的凹坑形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制III氮化物發(fā)光器件中的含銦層中的凹坑。
背景技術(shù)：
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) 以及邊緣發(fā)射激光器的半導體發(fā)光器件是目前可用的最高效的光源之一。在能夠跨越可見光譜進行操作的高亮度發(fā)光器件的制造中當前感興趣的材料系統(tǒng)包括III-V族半導體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也稱為III氮化物材料。通常，通過用金屬有機化學汽相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE) or其它外延技術(shù)在適當?shù)囊r底上外延地生長不同成分和摻雜劑濃度的半導體層的疊層來制造III氮化物發(fā)光器件。該疊層常常包括用例如Si摻雜的在襯底上形成的一個或多個η型層、在形成于一個或多個η型層上的有源區(qū)中的一個或多個發(fā)光層以及在有源區(qū)上形成的用例如Mg摻雜的一個或多個ρ型層。還在 η型區(qū)和ρ型區(qū)上形成電接觸。常常將III氮化物器件形成為倒置或倒裝芯片器件，其中， 在半導體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)形成η接觸和ρ接觸這兩者，并且從與接觸相反的半導體結(jié)構(gòu)的那側(cè)提取光。III氮化物襯底一般是昂貴的，并且不是廣泛地可用的，因此，常常在藍寶石或 SiC襯底上生長III氮化物器件。此類非III氮化物襯底并不是那么理想，因為藍寶石和 SiC具有與在其上生長的III氮化物層不同的晶格常數(shù)，在III氮化物器件層中引起應(yīng)變和晶體缺陷，這可能引起不良的性能和可靠性問題。在圖1中示出且在通過引用結(jié)合在本文中的US 2007/00723Μ中描述了一種復合襯底，其可以具有與器件中的發(fā)光層中的晶格常數(shù)更接近地匹配的晶格常數(shù)。襯底10包括主體襯底12、種子層(seed layer)16和將主體12結(jié)合到種子16的結(jié)合層14。襯底10中的每個層由能夠耐受在器件中生長半導體層所需的處理條件的材料形成。在種子層16上生長器件層18。結(jié)合層14可以是由能夠用不沖擊器件層18的蝕刻來蝕刻的材料形成的釋放層，從而將器件層18和種子層16從主體襯底12釋放。鄰近于種子層16的層的成分可以針對其晶格常數(shù)或其它性質(zhì)和/或針對其在種子層16的材料上成核的能力來選擇。在一個示例中，主體12是藍寶石且種子層16是InGaN。

發(fā)明內(nèi)容
在復合襯底上生長的器件可能需要厚的InGaN區(qū)。本發(fā)明的目的是在III氮化物器件中包括在InGaN層與另一材料的層之間交替的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)充當厚的MiaN區(qū)，并且另一材料的層可以填充InGaN層中的凹坑。在本發(fā)明的實施例中，器件包括半導體結(jié)構(gòu)，所述半導體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在η型區(qū)與P型區(qū)之間的III氮化物發(fā)光層以及設(shè)置在η型區(qū)和P型區(qū)中的一個之內(nèi)的多個層對 (layer pair)。每個層對包括hGaN層和與hGaN層直接接觸的凹坑填充層。凹坑填充層可以填充在InGaN層中形成的凹坑。


圖1舉例說明在復合襯底上生長的III氮化物器件層。圖2舉例說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的器件中的層。圖3舉例說明附接于底座的倒裝芯片III氮化物器件。
具體實施例方式本文所使用的“面內(nèi)”晶格常數(shù)指的是在器件內(nèi)的層的實際晶格常數(shù)，并且“體”晶格常數(shù)指的是給定成分的弛豫、自支撐材料的晶格常數(shù)。在等式(1)中定義了層中的應(yīng)變的量。應(yīng)變=ε= (ain_plane - abulk) / abulk(1) 請注意，等式(1)中的應(yīng)變ε可以是正的或負的，S卩ε > 0或ε <0。在無應(yīng)變膜
中，= abulk，因此，在等式(1)中ε = 0。其中ε > 0的膜被稱為是處于拉伸應(yīng)變下或處于張力下，而其中ε < 0的膜被稱為是處于壓縮應(yīng)變下或處于壓縮下。拉伸應(yīng)變的示例包括在無應(yīng)變GaN上生長的應(yīng)變AlGaN膜或在無應(yīng)變InGaN上生長的應(yīng)變GaN膜。在這兩種情況下，應(yīng)變膜具有比該應(yīng)變膜在其上生長的無應(yīng)變層的體晶格常數(shù)更小的體晶格常數(shù)，因此應(yīng)變膜的面內(nèi)晶格常數(shù)被伸展以與無應(yīng)變層的匹配，這在等式(1)中給出ε > 0， 據(jù)此，將該膜稱為是處于張力下。壓縮應(yīng)變的示例包括在無應(yīng)變GaN上生長的應(yīng)變InGaN 膜或在無應(yīng)變AlGaN上生長的應(yīng)變GaN膜。在這兩種情況下，應(yīng)變膜具有比該應(yīng)變膜在其上生長的無應(yīng)變層的體晶格常數(shù)更大的體晶格常數(shù)，因此應(yīng)變膜的面內(nèi)晶格常數(shù)被壓縮以與無應(yīng)變層的匹配，這在等式(1)中給出ε < 0，據(jù)此，將該膜稱為是處于壓縮下。在生長于藍寶石襯底上的常規(guī)III氮化物器件中，通常，接近于襯底生長的GaN層 (即，直接在襯底上或者在首先生長于襯底上的一個或多個成核或緩沖層上)為在其上生長的發(fā)光層設(shè)定了面內(nèi)晶格常數(shù)。GaN具有比發(fā)光區(qū)中的InGaN發(fā)光層更小的體晶格常數(shù)。 因此，常規(guī)器件中的InGaN發(fā)光層處于壓縮應(yīng)變下，這可能限制發(fā)光層的厚度以及可以結(jié)合在發(fā)光層中的^N的量，這可能限制發(fā)射波長。已經(jīng)提出了通過增加設(shè)定發(fā)光層中的面內(nèi)晶格常數(shù)的層的晶格常數(shù)來減少發(fā)光層中的壓縮應(yīng)變的各種方法。兩個示例是如在通過引用結(jié)合在本文中的US 7，534，638中所述的在藍寶石上生長的應(yīng)變減少模板以及上述復合襯底。在應(yīng)變減少模板器件和在復合襯底上生長的器件這兩者中，設(shè)定發(fā)光層中的面內(nèi)晶格常數(shù)的層(在本文中稱為“晶格常數(shù)設(shè)定層”)可以是hGaN。InGaN生長條件常常引起凹坑在InGaN層的表面上形成。高密度的大凹坑可能引起發(fā)光層中的不均勻的InN成分，并且可能增強發(fā)光層中的雜質(zhì)的結(jié)合，這可能導致不良的器件性能和可靠性問題。與凹坑相關(guān)聯(lián)的問題可能隨著InGaN層的厚度和/或InGaN層中的InN成分的增加而增加。在具有InGaN晶格常數(shù)設(shè)定層的器件中，通常不在InGaN晶格常數(shù)設(shè)定層上生長厚的GaN層，因為在InGaN晶格常數(shù)設(shè)定層上生長的厚的GaN層將處于張力下并因此易于破裂。因而，常常在η ShGaN層上而不是在η型GaN層上形成η接觸。特別是在倒裝芯片器件中，η型^iGaN層必須足夠厚以便為器件設(shè)計提供足夠的橫向電流擴展。在大到足以提供電流擴展的厚度下，InGaN層可能具有高密度的大凹坑，這可能引起上述不良的器件性能和可靠性問題。在本發(fā)明的實施例中，通過在III氮化物器件中包括凹坑填充結(jié)構(gòu)來控制凹坑的尺寸和密度。凹坑填充結(jié)構(gòu)包括InGaN和在填充形成于InGaN層中的凹坑的條件下生長的材料的交替層。圖2舉例說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的器件中的層。在可以是例如復合襯底或形成于藍寶石襯底上的應(yīng)變減少模板的結(jié)構(gòu)30上生長半導體層。在結(jié)構(gòu)30上生長InGaN晶格常數(shù)設(shè)定層20a?？梢栽诰Ц癯?shù)設(shè)定層20a上生長凹坑填充層22a?？梢詫GaN層之后是凹坑填充層的序列重復多次。例如，在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，舉例說明三個InGaN層20a、 20b和20c以及三個凹坑填充層2h、22b和22c。在某些實施例中，包括在2和50個之間的層對；在某些實施例中，包括在5和25個之間的層對。凹坑填充層22ει，22b和22c具有與hGaN層20a、20b和20c不同的成分。凹坑填充層可以是例如含鋁層、6鄉(xiāng)4犯鄉(xiāng)411_或4^11&^。器件中的所有凹坑填充層可以具有相同的成分，盡管其不需要如此。類似地，器件中的所有InGaN層可以具有相同的成分， 盡管其不需要如此。在某些實施例中InGaN層可以具有在1%和15%之間的InN成分，在某些實施例中可以具有在3%和10%之間的InN成分，且在某些實施例中可以具有6%的hN 成分。在某些實施例中AWaN、AlInN或AUnGaN凹坑填充層可以具有在大于0%和10%之間的AlN成分，在某些實施例中可以具有在3%和10%之間的AlN成分、在某些實施例中可以具有在6%和8%之間的AlN成分且在某些實施例中可以具有在1和5%之間的AlN成分。MGaN層20a、20b和20c可以每個厚度例如在100和500 nm之間。MGaN層的厚度被選擇為足夠薄以避免高密度的大凹坑的形成。在某些實施例中凹坑填充層22a、22b和 22c可以每個厚度例如在10和50 nm之間，并且在某些實施例中厚度在10和30 nm之間。 凹坑填充層的厚度被選擇為足夠厚以至少部分地填充下部hGaN層中的凹坑。器件中的所有凹坑填充層可以具有相同的厚度，盡管其不需要如此。器件中的所有InGaN層可以具有相同的厚度，盡管其不需要如此。通過在InGaN層之間插入凹坑填充層來逐漸地填充存在于InGaN層的表面上的凹坑。因此，更接近于有源區(qū)沈的InGaN層可以具有比更接近于結(jié)構(gòu)30的hGaN層更少且更淺的凹坑。在某些實施例中，凹坑填充層可以處于張力下。在此類實施例中，保持凹坑填充層足夠薄以避免破裂?？梢栽谂chGaN層不同的生長條件下生長凹坑填充層。可以將凹坑填充層的生長條件(諸如，例如壓力、溫度、NH3流速和載氣類型)選擇為有利于凹坑的填充。例如，與 InGaN層的生長條件相比，可以在增加的溫度下、在增加的氨濃度下和/或在緩慢的生長速率下生長凹坑填充層。InGaN層和凹坑填充層兩者都是在高溫下生長的高質(zhì)量、基本上單晶的層。在某些實施例中在大于900°C的溫度下、在某些實施例中在大于1000°C的溫度下、在某些實施例中在1020和1060°C之間的溫度下且在某些實施例中在920和1040°C之間的溫度下生長凹坑填充層。例如，可以在920和1040°C之間的溫度下生長AKiaN凹坑填充層； 可以在1020和1060°C之間的溫度下生長GaN凹坑填充層。在某些實施例中，例如用Si對 InGaN層和凹坑填充層兩者進行η型摻雜。在最后的凹坑填充層22c上生長η型區(qū)Μ。η型區(qū)M可以包括不同成分和摻雜劑濃度的多個層，包括例如可以是η型或非有意摻雜的準備層、被設(shè)計為促進生長襯底的稍后釋放或襯底去除之后的半導體結(jié)構(gòu)的薄化的釋放層、以及被設(shè)計為用于發(fā)光區(qū)高效地發(fā)光所期望的特定光學或電學性質(zhì)的η或者甚至ρ型器件層。η型區(qū)M可以是例如單個η 型MGaN層。在有源區(qū)沈的η側(cè)上的半導體結(jié)構(gòu)25包括InGaN層(圖2所示的器件中的20a、 20b和20c)、凹坑填充層(圖2所示的器件中的22a、22b和22c)和η型區(qū)Μ。η結(jié)構(gòu)25的總厚度可以是例如在某些實施例中至少500nm、在某些實施例中在IOOOnm和5000nm之間、 在某些實施例中在1500和2500nm之間且在某些實施例中為2000nm。總厚度可以取決于電流必須在η結(jié)構(gòu)中橫向地擴展多遠更大的電流擴展距離可能需要更厚的η結(jié)構(gòu)。在η型區(qū)M上生長發(fā)光或有源區(qū)26。適合的發(fā)光區(qū)的示例包括單個厚或薄的發(fā)光層或者包括被阻擋層分離的多個薄或厚量子阱發(fā)光層的多量子阱發(fā)光區(qū)。例如，多量子阱發(fā)光區(qū)可以包括被阻擋體分離的多個發(fā)光層，每個發(fā)光層具有25Α或更小的厚度，每個阻擋體具有IOOA或更小的厚度。在某些實施例中，器件中的每個發(fā)光層的厚度厚于50Α。在發(fā)光區(qū)沈上生長ρ型區(qū)觀。類似于η型區(qū)，ρ型區(qū)可以包括不同成分、厚度和摻雜劑濃度的多個層，包括非有意摻雜的層或η型層。ρ型區(qū)觀還可以包括InGaN層和凹坑填充層交替的凹坑填充結(jié)構(gòu)?？梢岳缬肕g對ρ型區(qū)觀中的凹坑填充結(jié)構(gòu)進行ρ型摻
ο圖3舉例說明連接到底座40的LED 42。在于ρ型區(qū)觀(圖2)上形成ρ接觸48 之前或之后，通過將發(fā)光區(qū)和P型區(qū)的一部分蝕刻掉來使η型區(qū)的一部分暴露。用圖3中的結(jié)構(gòu)44來表示半導體結(jié)構(gòu)，所述半導體結(jié)構(gòu)包括圖2所示的晶格常數(shù)設(shè)定層20a、p型區(qū) 28和在中間的所有層。在η型區(qū)的暴露部分上形成N接觸46。通過η和ρ互連56和58將LED 42結(jié)合到底座40?；ミB56和58可以是任何適當?shù)牟牧?，諸如焊料或其它金屬，并且可以包括多個材料層。在某些實施例中，互連包括至少一個金層，并且通過超聲結(jié)合來形成LED 42與底座40之間的結(jié)合。在超聲結(jié)合期間，將LED管芯42定位于底座40上。結(jié)合頭位于LED管芯的頂表面上，在生長于藍寶石上的III氮化物器件的情況下常常是藍寶石生長襯底的頂表面。結(jié)合頭連接到超聲換能器。超聲換能器可以是例如多個鋯鈦酸鉛(PZT)層的疊層。當以促使系統(tǒng)諧波共振的頻率(常常為約數(shù)十或數(shù)百kHz的頻率)向換能器施加電壓時，換能器開始振動，這又促使結(jié)合頭和LED管芯振動，常常是以約數(shù)微米的幅度。該振動促使LED 42上的結(jié)構(gòu)的金屬晶格中的原子與底座40上的結(jié)構(gòu)相互擴散，導致冶金上連續(xù)的接合點。在結(jié)合期間可以增加熱量和/或壓力。在將LED管芯42結(jié)合到底座40之后，可以用適合于特定結(jié)構(gòu)去除的任何技術(shù)來去除在其上生長半導體層的結(jié)構(gòu)30的全部或一部分。例如，可以通過蝕刻圖1的結(jié)合層14 或通過任何其它適當技術(shù)來去除圖1所示的復合襯底的主體12。圖1所示的種子層16可以留在器件中，或者例如通過蝕刻來去除。可以例如用激光剝離來去除在其上生長應(yīng)變減少模板的藍寶石襯底。應(yīng)變減少模板可以留在器件中或被去除。在去除結(jié)構(gòu)30的全部或一部分之后，可以例如通過光電化學蝕刻來使剩余的半導體結(jié)構(gòu)薄化，和/或例如用光子晶體結(jié)構(gòu)來使表面粗糙化或圖案化?？梢栽谝r底去除之后在LED 42上設(shè)置在本領(lǐng)域中已知的透鏡、波長轉(zhuǎn)換材料或其它結(jié)構(gòu)。已詳細地描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，給定本公開內(nèi)容，在不脫離本文所述的發(fā)明概念的精神的情況下可以對本發(fā)明進行修改。因此，意圖并不是將本發(fā)明的范圍局限于所示和所述的特定實施例。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括 半導體結(jié)構(gòu)，包括III氮化物發(fā)光層，其設(shè)置在η型區(qū)與P型區(qū)之間；以及多個層對，設(shè)置在η型區(qū)和P型區(qū)中的一個內(nèi)，每個層對包括 InGaN層；以及與InGaN層直接接觸的凹坑填充層，其中，凹坑填充層是GaN、AWaN、AlInGaN和AUnN 中的一個。
2.權(quán)利要求1的器件，其中，每個凹坑填充層是GaN。
3.權(quán)利要求1的器件，其中，每個凹坑填充層是AKiaN。
4.權(quán)利要求3的器件，其中，每個凹坑填充層具有在3%和10%之間的AlN成分。
5.權(quán)利要求1的器件，其中，每個凹坑填充層是AUnGaN。
6.權(quán)利要求5的器件，其中，每個凹坑填充層具有在3%和10%之間的AlN成分。
7.權(quán)利要求1的器件，其中，每個InGaN層具有在3%和10%之間的InN成分。
8.權(quán)利要求1的器件，其中，每個InGaN層具有在100和500nm之間的厚度。
9.權(quán)利要求1的器件，其中，每個凹坑填充層具有在10和50nm之間的厚度。
10.權(quán)利要求1的器件，還包括設(shè)置在層對中的一個中的hGaN層的頂表面上的多個凹坑，其中，InGaN層的頂表面上的多個凹坑的尺寸大于設(shè)置在同一層對中的凹坑填充層的頂表面上的多個凹坑的尺寸。
11.權(quán)利要求1的器件，其中，在半導體結(jié)構(gòu)中包括在2和50個之間的層對。
12.權(quán)利要求1的器件，其中，部分發(fā)光層和ρ型區(qū)被去除以使部分η型區(qū)暴露，該器件還包括設(shè)置在P型區(qū)上的第一金屬接觸；以及設(shè)置在η型區(qū)上的第二金屬接觸；其中，第一金屬接觸和第二金屬接觸設(shè)置在半導體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)上。
13.權(quán)利要求1的器件，其中，每個凹坑填充層是基本上單晶層。
14.一種方法，包括生長半導體結(jié)構(gòu)，該半導體結(jié)構(gòu)包括III氮化物發(fā)光層，設(shè)置在η型區(qū)與ρ型區(qū)之間；以及多個層對，設(shè)置在η型區(qū)和P型區(qū)中的一個內(nèi)，每個層對包括InGaN層；以及與InGaN層直接接觸的凹坑填充層，其中，凹坑填充層是GaN、AWaN、AlInGaN和AUnN 中的一個。
15.權(quán)利要求14的方法，還包括在大于900°C的溫度下生長每個凹坑填充層。
16.權(quán)利要求14的方法，還包括在920°C和1060°C之間的溫度下生長每個凹坑填充層。
全文摘要
一種器件包括半導體結(jié)構(gòu)，該半導體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在n型區(qū)與p型區(qū)之間的III氮化物發(fā)光層(26)和設(shè)置在n型區(qū)和p型區(qū)中的一個內(nèi)的多個層對。每個層對包括InGaN層(20a,20b,20c)和與InGaN層直接接觸的凹坑填充層(22a,22b,22c)。凹坑填充層可以填充在InGaN層中形成的凹坑。
文檔編號H01L33/12GK102473796SQ201080029720
公開日2012年5月23日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者F. 加特納 N., L. 葉 Q., 李 S. 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(shè)備有限責任公司