專利名稱：用于生長半導(dǎo)體裝置的復(fù)合生長襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種致使施主層的面內(nèi)晶格常數(shù)改變的方法。
背景技術(shù)：
包含發(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)及邊緣發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光裝置是當(dāng)前可用的最有效率的光源之一。在制造能跨越可見光譜操作的高亮度發(fā)光裝置中，當(dāng)前受關(guān)注的材料系統(tǒng)包含III-V族半導(dǎo)體，尤其是也被稱為III族氮化物材料的鎵、鋁、銦以及氮的二元、三元及四元合金。典型地，III族氮化物發(fā)光裝置通過利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技術(shù)，在藍(lán)寶石、碳化硅、III族氮化物或其它適當(dāng)襯底上外延生長具有不同組分以及摻雜劑濃度的半導(dǎo)體層堆疊而制得。該堆疊通常包含摻雜有(例如)硅的形成在該襯底上的一個或多個η型層；在形成在該或這些η型層上的有源區(qū)中的一個或多個發(fā)光層；及摻雜有(例如)鎂的形成在該有源區(qū)上的一個或多個P型層。電接觸形成在η型區(qū)域及P型區(qū)域上?！DI圖示出在US 2007/0072324中更詳細(xì)描述的復(fù)合生長襯底，其是以引用的方式并入本文中。襯底10包含基質(zhì)襯底12、種晶層16、及將基質(zhì)12接合至種晶層16的接合層14?；|(zhì)襯底12對襯底10及生長在襯底10上的半導(dǎo)體裝置層18提供機(jī)械支撐。種晶層16是其上生長裝置層18的層，因此該種晶層16必須是可使III族氮化物晶體在其上成核的材料。如本文中所使用，“面內(nèi)”晶格常數(shù)意指裝置中的半導(dǎo)體層的實際晶格常數(shù)，而“體”晶格常數(shù)意指給定組分的松弛、獨立的材料的晶格常數(shù)。層中的應(yīng)變量被定義為
I^"in-plane ^bulk I /^bulk °
可根據(jù)維加德定律(Vegards law)估計三元或四元III族氮化物化合物AxByCzN的體晶格常數(shù)，其中ax，y，z =x (aM) +y (aBN) +z (aCN)，其中a意指二元化合物的體晶格常數(shù)。AlN具有3. IllA的體晶格常數(shù)，InN具有3. 544A的體晶格常數(shù)，并且GaN具有3. 1885A的體晶格常數(shù)。當(dāng)圖I的復(fù)合襯底的種晶層是III族氮化物材料時，該種晶層在生長襯底上是經(jīng)生長應(yīng)變(strained),意味著ain_pl·不等于abulk。當(dāng)種晶層16被連接至基質(zhì)襯底12并自該生長襯底釋放時，若種晶層16與基質(zhì)襯底12之間的連接為順從的(例如，經(jīng)由接合層14)，則該種晶層16可能至少部分松弛。例如，當(dāng)III族氮化物裝置是常規(guī)生長在Al2O3上時，生長在該襯底上的第一層通常為具有大約3. 19的a晶格常數(shù)的GaN緩沖層。該GaN緩沖層為生長在該緩沖層上的所有裝置層(包含通常為InGaN的發(fā)光層)設(shè)定面內(nèi)晶格常數(shù)。由于InGaN具有大于GaN的體晶格常數(shù)，所以當(dāng)生長在GaN緩沖層上時，該發(fā)光層經(jīng)應(yīng)變。在具有InGaN種晶層的復(fù)合襯底中，在松弛后，該InGaN種晶層可具有大于GaN的面內(nèi)晶格常數(shù)。同樣地，該InGaN種晶層的面內(nèi)晶格常數(shù)比GaN更緊密匹配于InGaN發(fā)光層的體晶格常數(shù)。生長在該InGaN種晶層上的裝置層(包含該InGaN發(fā)光層)將復(fù)制該InGaN種晶層的面內(nèi)晶格常數(shù)。因此，生長在松弛的InGaN種晶層上的InGaN發(fā)光層的應(yīng)變可以比生長在GaN緩沖層上的InGaN發(fā)光層小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效發(fā)光的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法包含提供包括施主層及應(yīng)變層的外延結(jié)構(gòu)。該外延結(jié)構(gòu)經(jīng)處理以致使該應(yīng)變層松弛。該應(yīng)變層的松弛致使該施主層的面內(nèi)晶格常數(shù)改變。根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)包括襯底及通過接合層而附接至該襯底的外延結(jié)構(gòu)。該外延結(jié)構(gòu)包括施主層，其中該施主層是其上可生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料；應(yīng)變層；及設(shè)置在該施主層與該應(yīng)變層之間的松弛層。在上述的方法及結(jié)構(gòu)中，可使用施主層以形成復(fù)合襯底的種晶層。該施主層可與應(yīng)變層一起生長在外延結(jié)構(gòu)中。當(dāng)使該外延結(jié)構(gòu)松弛時，該施主層及該應(yīng)變層的結(jié)合應(yīng)變能量(combined strain energy)可改變該施主層的面內(nèi)晶格常數(shù),使其超出可通過使僅包·含施主層的外延結(jié)構(gòu)松弛而達(dá)到的面內(nèi)晶格常數(shù)?？蓪l(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長在該種晶層上。因為種晶層是至少部分松弛，所以生長在該種晶層上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光層可具有小于生長在常規(guī)襯底上的發(fā)光層的應(yīng)變。因此，生長在種晶層上的發(fā)光層可比常規(guī)發(fā)光層更有效地發(fā)光，因為生長在該種晶層上的發(fā)光層可具有較小應(yīng)變。


圖I圖示出現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合生長襯底。圖2圖示出包含施主層、松弛層及倔強(qiáng)層(mule layer)的施主結(jié)構(gòu)。圖3圖示出包含施主層、兩個松弛層及倔強(qiáng)層的施主結(jié)構(gòu)。圖4圖示出經(jīng)由接合層接合至中間襯底的施主結(jié)構(gòu)的部分。圖5圖示出接合至基質(zhì)襯底的種晶層。圖6圖示出包含剝離層的施主結(jié)構(gòu)的一部分。圖7圖示出生長在圖5中所圖示的復(fù)合襯底上的倒裝芯片半導(dǎo)體裝置。圖8圖示出包含帽蓋層的施主結(jié)構(gòu)的一部分。
具體實施例方式圖I中所圖示的種晶層16是生長在生長襯底上，并且接合至基質(zhì)襯底12，接著自該生長襯底釋放并且被迫松弛。如本文中所使用，種晶層意指松弛之后的種晶層。在本文中，將在松弛之前生長在生長襯底上的種晶層稱為施主層。施主層中的應(yīng)變能量E可表示為E= (O. 5) (Y) (d) e2，其中Y是施主層的模量，d是施主層的厚度，并且e是施主層中的應(yīng)變。當(dāng)施主層經(jīng)由接合層而附接至襯底、自生長襯底被釋放、接著經(jīng)由該接合層的回流焊而被迫松弛時，該應(yīng)變能量會驅(qū)動施主層的松弛。如上所述，應(yīng)變能量是與施主層的厚度及施主層中的應(yīng)變的平方成比例。施主層的組分決定面內(nèi)晶格常數(shù)以及由此的種晶層中的應(yīng)變。施主層優(yōu)選為盡可能厚，因為厚度增大則應(yīng)變能量增大，并且增大施主層在松弛期間抵抗屈曲的硬度。在InGaN施主層的情況下，隨著厚度增大，具有所需組分的種晶層趨于產(chǎn)生非期望的缺陷及粗糙表面形態(tài)。例如，以大于10%的InN組分及大于數(shù)百納米的厚度生長具有足夠高質(zhì)量的InGaN施主層是困難的。在本發(fā)明的實施例中，包含施主層的結(jié)構(gòu)(在本文中稱為施主結(jié)構(gòu))包含在本文中稱為倔強(qiáng)層的至少一個附加層，該附加層是用以增大施主結(jié)構(gòu)的厚度及應(yīng)變能量。倔強(qiáng)層的附加可增大施主結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能量，其可以增大種晶層中的松弛量。倔強(qiáng)層的附加也可增大施主結(jié)構(gòu)的厚度，所述施主結(jié)構(gòu)的厚度為施主層提供額外硬度，并且可降低或防止在松弛期間種晶層中的屈曲。圖2圖示出生長在生長襯底20 (其可為任何適當(dāng)?shù)纳L襯底，諸如藍(lán)寶石、SiC或Si)上的施主結(jié)構(gòu)25的一個實例?？稍谝r底20上首先生長可選的成核層22。成核層22可為將要在其上生長III族氮化物施主層24并且在襯底20的材料上容易地成核的材料。例如，當(dāng)生長在藍(lán)寶石襯底20上時，成核層22可為GaN。在成核層22上生長施主層24。施主層24通常是InGaN層，盡管其可為例如GaN、AlInGaN、另一 III族氮化物材料或另一材料。施主層24是其上可生長高質(zhì)量III族氮化物裝置層的材料。施主層24通常是經(jīng)應(yīng)變的。在生長在GaN成核層22上的InGaN施主層24的情況下，該InGaN施主層24經(jīng)壓縮應(yīng)變。施主層24是InGaN層，其在一些實施例中具有在1%與10%之間的InN組分，在一些實施例中具有在1%與5%之間的InN組分，在一 些實施例中具有在5%與8%之間的InN組分，在一些實施例中具有7%的InN組分，在一些實施例中具有6%的InN組分，并且在一些實施例中具有3%的InN組分。施主層24的厚度在一些實施例中可例如在50nm與I微米之間，并且在一些實施例中可為在IOOnm與500nm之間。在一些實施例中，倔強(qiáng)層的附加允許使用具有較小應(yīng)變能量的施主層，諸如具有較少InN的InGaN施主層或甚至GaN施主層，因為該倔強(qiáng)層補(bǔ)充施主層的應(yīng)變能量。在無倔強(qiáng)層的施主結(jié)構(gòu)中，施主層中的InN的組分定義可達(dá)到的晶格常數(shù)的上限，因為當(dāng)面內(nèi)晶格常數(shù)到達(dá)體晶格常數(shù)時，該施主結(jié)構(gòu)中不再存在任何應(yīng)變能量以驅(qū)動松弛。在具有倔強(qiáng)層的施主結(jié)構(gòu)中，生長時名義上未經(jīng)應(yīng)變的低InN組分InGaN施主層或GaN施主層可能會通過該倔強(qiáng)層的應(yīng)變能量的松弛而被驅(qū)使超過體晶格常數(shù)，而成為拉伸。施主結(jié)構(gòu)的特性(諸如，施主層的應(yīng)變能量、厚度以及晶格常數(shù))經(jīng)選擇使得若通過使倔強(qiáng)層松弛而成為拉伸時，施主層不至于破裂。在一些實施例中，為防止破裂，種晶層中的拉伸應(yīng)力是被限制為不大于O. 15%。在施主層24上生長松弛層26。松弛層26具有經(jīng)選擇使得其在生長在施主層24上時部分或完全松弛的組分和厚度。松弛層26的特性也經(jīng)選擇使得具有可接受的質(zhì)量的厚的、壓縮應(yīng)變的倔強(qiáng)層27可生長在松弛層26上。松弛層中產(chǎn)生的任何缺陷僅會傳播至倔強(qiáng)層，而不會傳播至下方的施主層。在一些實施例中，松弛層26是A1N，其可在小于例如100埃的厚度中完全松弛。在一些實施例中，松弛層26是具有高AlN組分的AlGaN。例如，AlGaN松弛層26的AlN組分在一些實施例中可在40%與100%之間，并且在一些實施例中可在70%與100%之間。松弛層26在一些實施例中可具有在5nm與I微米之間的厚度，在一些實施例中可具有在20nm與500nm之間的厚度，并且在一些實施例中可具有在50nm與200nm之間的厚度。在松弛層26上方生長倔強(qiáng)層27。倔強(qiáng)層27經(jīng)應(yīng)變，例如，倔強(qiáng)層27可經(jīng)至少
0.1%應(yīng)變。倔強(qiáng)層27中的應(yīng)變通常是壓縮應(yīng)變。倔強(qiáng)層的組分經(jīng)選擇以提供足夠的應(yīng)變能量以增大施主層中的面內(nèi)晶格常數(shù)。倔強(qiáng)層可將施主層中的面內(nèi)晶格常數(shù)增大至小于體晶格常數(shù)(部分松弛)、增大至體晶格常數(shù)(松弛)或超過體晶格常數(shù)(拉伸)。該組分經(jīng)選擇使得倔強(qiáng)層27在生長期間不會大體上松弛或退化至不良材料質(zhì)量。此外，該組分經(jīng)選擇使得具有足夠高質(zhì)量的倔強(qiáng)層27可生長至大到足以改良施主結(jié)構(gòu)的硬度的厚度，以防止或降低松弛期間種晶層中的屈曲。在一些實施例中，倔強(qiáng)層27是具有在60% AlN與80%AlN之間的組分的AlGaN。例如，生長在AlN松弛層26上的70% AlN AlGaN倔強(qiáng)層27具有大約O. 7%的壓縮應(yīng)變，其相當(dāng)于生長在GaN成核層22上的具有7%的InN組分的InGaN施主層24的應(yīng)變?？缮L比由InGaN組成的高質(zhì)量施主層24厚的由AlGaN組成的高質(zhì)量倔強(qiáng)層27。倔強(qiáng)層27的厚度在一些實施例中可在IOOnm與20微米之間，并且在一些實施例中可在I微米與5微米之間。圖3圖示出生長在生長襯底20上的施主結(jié)構(gòu)25的另一實例。如在圖2中，在生長襯底20上生長成核層22、施主層24及松弛層26。在松弛層26上方生長附加松弛層28。生長在松弛層26上的該附加松弛層28提供自松弛層26至更容易生長的倔強(qiáng)層30 (例如，其可為GaN或低AlN組分AlGaN)的晶格常數(shù)遞降。例如，松弛層26可為AlN或具有在70%與100%之間的AlN組分的AlGaN0間層(interlayer) 28可為(例如)具有在20%與40%之間的AlN組分的AlGaN。間層28可具有在一些實施例中在IOnm與I微米之間的厚度，在一些實施例中在20nm與500nm之間的厚度，并且在一些實施例中在50nm與200nm之間的 厚度。倔強(qiáng)層30可為(例如)生長至在一些實施例中在IOOnm與20微米之間并且在一些實施例中在I微米與5微米之間的厚度。在具有InGaN施主層24、A1N松弛層26、30% AlN的AlGaN間層28及GaN倔強(qiáng)層30的施主結(jié)構(gòu)中，GaN倔強(qiáng)層30具有大約O. 7%的壓縮應(yīng)變。在一些實施例中，倔強(qiáng)層及施主層的組分和厚度經(jīng)選擇使得施主層中的壓縮應(yīng)變能量等于倔強(qiáng)層中的壓縮應(yīng)變能量。在一些實施例中，倔強(qiáng)層及施主層的組分和厚度經(jīng)選擇使得施主層中的壓縮應(yīng)變能量多于或少于倔強(qiáng)層中的壓縮應(yīng)變能量。當(dāng)使施主結(jié)構(gòu)松弛時，施主結(jié)構(gòu)中的總應(yīng)變能量(包含施主層中的應(yīng)變能量及倔強(qiáng)層中的應(yīng)變能量)經(jīng)選擇以將施主層中的晶格常數(shù)改變成期望的面內(nèi)晶格常數(shù)。在第一實例中，在松弛的GaN成核層22上生長具有6% InN的2500A厚的應(yīng)變InGaN施主層24。在該施主層上生長AlN松弛層26，接著生長具有70% AlN的40000A厚的AlGaN倔強(qiáng)層27。施主層具有大約O. 66%的長成時的壓縮應(yīng)變，并且倔強(qiáng)層具有大約O. 74的長成時的壓縮應(yīng)變。在如下述那樣完全松弛之后，倔強(qiáng)層具有3. 134A的面內(nèi)a晶格常數(shù)，并且種晶層具有3. 212A的面內(nèi)a晶格常數(shù)。在第二實例中，在GaN成核層22上生長具有6% InN的2500A厚的InGaN施主層24。在該施主層上方生長AlN松弛層26，接著生長30% AlN的AlGaN松弛層28。該AlN松弛層26具有3. IlA的面內(nèi)a晶格常數(shù)，并且該AlGaN層28具有3. 165A的面內(nèi)a晶格常數(shù)。生長在松弛層28上的40000A厚GaN倔強(qiáng)層30復(fù)制層28的該a晶格常數(shù)3. 165A。施主層具有大約O. 66%的長成時的壓縮應(yīng)變，并且倔強(qiáng)層具有大約O. 73%的長成時的壓縮應(yīng)變。在如下述那樣完全松弛之后，倔強(qiáng)層具有3. 189A的面內(nèi)a晶格常數(shù)，并且種晶層具有
3.212A的面內(nèi)a晶格常數(shù)。在第三實例中，在GaN成核層22上生長2500A厚的GaN施主層24。在該施主層上方生長AlN松弛層26，接著生長30% AlN的AlGaN松弛層28。在松弛層28上方生長40000A厚的GaN倔強(qiáng)層30。施主層是長成時松弛的(無應(yīng)變)并且倔強(qiáng)層具有大約O. 73%的長成時的壓縮應(yīng)變。在如下述那樣完全松弛之后，該倔強(qiáng)層具有3. 189A的面內(nèi)a晶格常數(shù)，并且該種晶層具有3. 212A的面內(nèi)a晶格常數(shù)。在一些實施例中，倔強(qiáng)層是在施主層之前生長。例如，可在生長襯底上方生長高InN組分的InGaN倔強(qiáng)層，接著生長較低InN組分的InGaN施主層。由于倔強(qiáng)層中的高InN組分，所以與InGaN倔強(qiáng)層相比，該InGaN施主層可為更佳質(zhì)量的材料。倔強(qiáng)層及施主層的組合應(yīng)變能量經(jīng)選擇使得在松弛期間，該施主層松弛至具有期望的面內(nèi)晶格常數(shù)的種晶層。盡管以上實例使用壓縮下的倔強(qiáng)層以擴(kuò)大施主層的面內(nèi)晶格常數(shù)，然在其它實施例中，可使用拉伸中的倔強(qiáng)層以對施主層施加壓縮，或降低該施主層的面內(nèi)晶格常數(shù)。可以如下方式將圖2和圖3中圖示出及以上描述的施主結(jié)構(gòu)25形成為復(fù)合襯底。
在圖4中，施主結(jié)構(gòu)25通過接合層34連接至中間襯底32。在一些實施例中，接合 層34是通過(例如)蒸鍍、濺射及沉降沉積的SiO2、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)或其它商業(yè)玻璃。中間襯底可為(例如)藍(lán)寶石、Si或任何其它適當(dāng)材料?？稍谑┲鹘Y(jié)構(gòu)25、中間襯底32或該兩者上形成接合層34。生長襯底20是通過適合生長襯底材料的技術(shù)予以移除。例如，可通過激光熔融任何適當(dāng)層(諸如，下述的在施主層之前生長在生長襯底上的剝離層)來移除藍(lán)寶石襯底。可通過蝕刻移除SiC襯底。例如，可通過蝕刻移除成核層22以暴露施主層24的表面。在一些實施例中，施主結(jié)構(gòu)25包含犧牲半導(dǎo)體層，該犧牲半導(dǎo)體層是被植入諸如H+的植入核素以促進(jìn)施主層與生長襯底的隨后分離。施主層是通過(例如)利用加熱(其致使經(jīng)植入?yún)^(qū)域膨脹并分裂該犧牲層)使所植入核素活化而與生長襯底分離。在美國專利申請公開2005/0026394及美國專利5，374，564(其等是以引用的方式并入本文中)中，更詳細(xì)描述植入犧牲層及通過使植入核素活化而使施主層與生長襯底分離。例如，可通過蝕刻在施主層24中或該施主層及倔強(qiáng)層29兩者中形成若干溝渠?？蓪D4中所圖示的結(jié)構(gòu)加熱(例如)至大于800°C的溫度，以致使施主結(jié)構(gòu)25經(jīng)由接合層34的回流焊而膨脹。倔強(qiáng)層29可為(例如)如圖2中所圖示的倔強(qiáng)層27或如圖3中所圖示的倔強(qiáng)層30。厚的壓縮應(yīng)變倔強(qiáng)層29膨脹，從而驅(qū)動施主層24的膨脹。倔強(qiáng)層29及施主層24可完全或部分松弛。經(jīng)松弛的施主層24在圖4上被圖示為種晶層38。當(dāng)仍具有應(yīng)變并且附接至生長襯底20時，種晶層38的面內(nèi)晶格常數(shù)是隨應(yīng)變施主層24的面內(nèi)晶格常數(shù)而增大。在松弛之后，種晶層中的面內(nèi)a晶格常數(shù)在一些實施例中可為至少3. 192A，在一些實施例中至少3. 199A，在一些實施例中至少3. 2A，并且在一些實施例中至少3. 224A。可能需要兩個接合步驟以形成在期望的定向上具有III族氮化物種晶層24的復(fù)合襯底。通常將生長在藍(lán)寶石或SiC生長襯底上的III族氮化物層(如以上圖2和圖3中所圖示)生長為c平面纖鋅礦。此種纖鋅礦III族氮化物結(jié)構(gòu)具有III族面(也稱為鎵面)及氮面。III族氮化物優(yōu)選地經(jīng)生長使得生長層的頂面為鎵面，而底面(鄰近該生長襯底的表面)為氮面。在藍(lán)寶石或SiC上常規(guī)簡單地生長施主層后，將施主層連接至基質(zhì)并且移除該生長襯底，于是產(chǎn)生具有使氮面暴露的III族氮化物種晶層的復(fù)合襯底。III族氮化物優(yōu)選地生長在鎵面上，也即以該鎵面為頂面，因此會因為晶體定向自以該氮面為頂面的定向切換至以該鎵面為頂面的定向，使得氮面上的生長可能非期望地將缺陷引入晶體中，或產(chǎn)生不良質(zhì)量的材料。為了形成具有以鎵面為頂面的種晶層24的復(fù)合襯底，如圖2和圖3中所圖示的使施主層常規(guī)地生長在生長襯底上，接著如圖4中所圖示接合至中間襯底并且與該生長襯底分離，使得種晶層材料經(jīng)由該鎵面而接合至該中間襯底，從而使氮面通過移除該生長襯底
ο在圖5中，種晶層38的氮面被接合至基質(zhì)襯底40，該基質(zhì)襯底40可為(例如)藍(lán)寶石、Si或任何其它適當(dāng)材料。在一些實施例中，將可選的接合層42設(shè)置在種晶層38與基質(zhì)襯底40之間。可選的接合層42可為娃、招、砸、憐、鋒、嫁、錯、鋼、錫、鋪、鉛、秘、欽、鶴、鎂、鈣、鉀、鎳、釔、鋯、鉿、釹及鉭的一種或多種氧化物、氮化物、碳化物或氟化物。在接合至基質(zhì)襯底之后，通過適合于襯底及接合層材料的技術(shù)(諸如，激光熔融或蝕刻)移除中間襯底及接合層。用于激光熔融的激光經(jīng)選擇使得激光能量由倔強(qiáng)層或松弛層吸收，而非由接 合層或中間襯底吸收。在最終的復(fù)合襯底中，種晶層38的氮面是經(jīng)由可選的接合層42接合至基質(zhì)襯底40，使得III族氮化物種晶層38的鎵面暴露出用以裝置層的生長。例如，可通過蝕刻或激光熔融移除倔強(qiáng)層29及松弛層26，留下經(jīng)由可選的接合層42接合至基質(zhì)襯底40的種晶層38，如圖5中所圖示。在一些實施例中，通過蝕刻移除所有或部分的倔強(qiáng)層29以暴露含鋁層。使此層氧化，接著通過蝕刻移除松弛層26及任何剩余的倔強(qiáng)層29。在一些實施例中，使松弛層26及倔強(qiáng)層29 (這些在圖5中展示的定向上的種晶層38的頂面上)暴露于被松弛層吸收而不被倔強(qiáng)層吸收的頻率下的激光束。使該松弛層與該倔強(qiáng)層之間的界面熔融，從而允許該倔強(qiáng)層與該松弛層分離。在一些實施例中，使松弛層26暴露于被種晶層吸收而不被松弛層吸收的頻率下的激光束。使該松弛層與該種晶層之間的界面熔融，從而允許該松弛層與該種晶層分離。在一些實施例中，將低帶隙剝離層并入于施主結(jié)構(gòu)中以促進(jìn)倔強(qiáng)層及松弛層的激光剝離。圖6圖示出包含剝離層的施主結(jié)構(gòu)的部分。剝離層44是在施主層24之后并且在松弛層26及倔強(qiáng)層29之前生長，或在施主層24及松弛層26之后并且在倔強(qiáng)層29之前生長。剝離層44可為(例如)具有高InN組分層的薄InGaN層。剝離層44中的InN組分經(jīng)選擇使得該剝離層吸收由激光器發(fā)射的用于激光剝離的頻率的光。激光頻率經(jīng)選擇使得施主結(jié)構(gòu)中的在剝離層之前激光所照射的層不吸收激光。在一些實施例中，剝離層44的帶隙經(jīng)選擇遠(yuǎn)低于施主結(jié)構(gòu)中具有次最低(next lowest)帶隙的層(通常是施主層24)的帶隙。剝離層在一些實施例中可為具有在2%與25%之間的InN組分的InGaN。剝離層的厚度可在IOnm 與 500nm 之間?？赏ㄟ^接合層將圖6中所圖示的施主層24作為松弛的種晶層連接至基質(zhì)襯底，如以上圖4及圖5以及相關(guān)文字所述。可通過以下方式移除倔強(qiáng)層29及松弛層26 :使激光束透過倔強(qiáng)層的頂面照射以使剝離層44熔融并且自施主層24釋放松弛層26及倔強(qiáng)層29。在一些實施例中，在施主層24上方形成帽蓋層(例如)以防止自InGaN施主層24的銦解吸(desorption)。該帽蓋層可為(例如)GaN。在圖2和圖3中所圖示的施主結(jié)構(gòu)中，可將帽蓋層80設(shè)置在施主層24與松弛層26之間，如圖8中圖示出。在圖6中所圖示的部分施主結(jié)構(gòu)中，可將帽蓋層設(shè)置在剝離層44與松弛層26之間?？稍趫D5中所圖示的復(fù)合襯底的種晶層38上生長III族氮化物裝置。盡管在以下實例中，半導(dǎo)體裝置是發(fā)射可見光或UV光的III族氮化物L(fēng)ED，然可使用本發(fā)明的實施例以生長除了 LED之外的其它半導(dǎo)體光電子裝置或電子裝置(諸如激光二極管、場效應(yīng)晶體管及探測器)，及來自除III族氮化物以外的材料系統(tǒng)(例如III族磷化物、其它III-V族、II-VI族)的裝置，或其它裝置。在種晶層38上方生長若干裝置層。這些裝置層可具有與種晶層38相同的面內(nèi)晶格常數(shù)。這些裝置層包含夾置于η型區(qū)域與P型區(qū)域之間的發(fā)光區(qū)域或有源區(qū)。通常首先生長η型區(qū)域，并且η型區(qū)域可包含具有不同組分及摻雜劑濃度的多個層，舉例而言，該多個層包含制備層(諸如緩沖層或成核層)，該些層可為η型或未經(jīng)刻意摻雜；用以促進(jìn)基質(zhì)襯底40、接合層42、種晶層38或整個復(fù)合襯底的隨后的移除的若干層；及η型裝置層甚至P型裝置層，該些層是針對發(fā)光區(qū)域有效地發(fā)射光所需的特定光學(xué)性質(zhì)或電性質(zhì)而設(shè)計。發(fā)光區(qū)域或有源區(qū)是生長在該η型區(qū)域上方。適當(dāng)?shù)陌l(fā)光區(qū)域的實例包含單個厚的或薄的發(fā)光層或多重量子阱發(fā)光區(qū)域，該多重量子阱發(fā)光區(qū)域包含由障壁層分離的多重薄或厚的量子阱發(fā)光層。P型區(qū)域是生長在該發(fā)光區(qū)域上。如同η型區(qū)域，該P型區(qū)域可包含具有不同組分、厚度及摻雜劑濃度的多個層，該多個層包含未經(jīng)刻意摻雜的層或η型層。圖7圖示出倒裝芯片裝置。在包含種晶層38、接合層42及基質(zhì)襯底40的復(fù)合襯底的種晶層38上生長裝置層18。形成P接觸金屬，接著移除P接觸48、ρ型區(qū)域及有源區(qū) 的部分以暴露其上沉積有η接觸金屬46的η型區(qū)域的部分。在圖7中所圖示的裝置中，多個η接觸區(qū)域之間插入P接觸區(qū)域。在其它實施例中，形成單個η接觸區(qū)域及單個P接觸區(qū)域。P接觸48及η接觸46形成在該裝置的同側(cè)上。這些接觸通常是反射性并且該裝置通常安裝在相對于生長方向翻轉(zhuǎn)的基座50上，使得在圖7中示出的定向上經(jīng)由該裝置的頂面而提取光。通過在η接觸46及P接觸48與基座50之間的互連件(未示出)將裝置安裝至基座50。例如，這些互連件可為金-金互連件，并且該裝置可通過熱超聲接合而附接至該基座，或這些互連件可為焊料并且該裝置可通過回流焊而附接至該基座。復(fù)合襯底可保留為如圖7中所圖示的裝置的部分，或可通過適合于所移除的材料的技術(shù)(諸如，激光剝離、蝕刻、或諸如研磨或化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)械處理)而移除整個復(fù)合襯底、基質(zhì)襯底40或接合層42。例如，可通過光電化學(xué)蝕刻薄化外延結(jié)構(gòu)。在薄化之后剩余的外延結(jié)構(gòu)的頂面可經(jīng)紋理化，例如通過利用(例如)晶格或光子晶體結(jié)構(gòu)粗糙化或圖案化該表面以改良光提取。可在該外延結(jié)構(gòu)上方形成本領(lǐng)域中已知的結(jié)構(gòu)，諸如波長轉(zhuǎn)換組件、二向色濾光器或透鏡?？墒褂贸寡b芯片之外的其它裝置結(jié)構(gòu)。在一個替代例中，可自裝置經(jīng)由外延結(jié)構(gòu)的頂面(也即，其上形成有η接觸46及P接觸48的表面)提取光。在一些實施例中，可在形成粗糙表面的條件下生長P型區(qū)域的頂部、在該P型區(qū)域上方生長分離的粗糙P型層，或可在生長之后蝕刻或粗糙化P型層的光滑表面?？稍谠揚型表面上方形成透明導(dǎo)電材料(諸如，透明導(dǎo)電氧化物)的層。例如，該透明導(dǎo)電材料可為氧化銦錫、氧化鋅或氧化釕。移除該P型結(jié)構(gòu)及該發(fā)光區(qū)域的一部分以暴露η型層。在該暴露的η型層上形成η接觸46。在該透明導(dǎo)電材料的部分上形成P接觸48，該P接觸48使電流橫向擴(kuò)散而通過P型區(qū)域38?？上拗痞墙佑|46及P接觸48的范圍，或可將η接觸46及ρ接觸48制成透明。該裝置可經(jīng)安裝使得光經(jīng)由透明材料的表面提取。在另一替代例中，形成垂直注入LED。在ρ型區(qū)域的表面上形成P接觸，并且經(jīng)由該P接觸將該外延結(jié)構(gòu)附接至基座?？梢瞥龔?fù)合襯底的所有或部分以暴露η型區(qū)域的表面。例如，可移除基質(zhì)襯底以暴露導(dǎo)電接合或種晶層(其上可形成有η接觸)，或可移除該基質(zhì)、接合層及種晶層的所有或部分，以暴露裝置層的η型區(qū)域。在該暴露表面或另一暴露η型表面(諸如，η型區(qū)域的側(cè)面)上形成η接觸。該η接觸形成在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一側(cè)(例如，頂面)上，并且P接觸形成在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一側(cè)(例如，底面)上。可使用任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)(諸如，打線接合或?qū)щ姌?制成至該η接觸的電接觸。該η接觸的范圍可經(jīng)限制使得光可自該裝置的頂部提取。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)是包含于該裝置中以(例如)通過增加散射而增加自該裝置的光提取。例如，可粗糙化外延結(jié)構(gòu)的表面。在一些實施例中，散射是通過嵌入III族氮化物結(jié)構(gòu)的表面中或形成在該表面上的光子晶體或晶格引起。在這種結(jié)構(gòu)中，以接近通過材料中的發(fā)光區(qū)域所發(fā)射的光的波長之間距而周期性地提供光學(xué)折射率的改變。周期折射率改變的參數(shù)(諸如周期及振幅)可經(jīng)選擇以增加提取為期望的發(fā)射圖案的光的量。例如，晶格或光子晶體的大小及間距可經(jīng)選擇以最大化在正交于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂面的方向上所提取的光的量。在美國專利 7, 642，108,7, 442，965,7, 442，964,7, 294，862,7, 279，718、7，012，279及6，956，247 (這些美國專利均以引用的方式并入本文中)中更詳細(xì)描述選擇光子晶體的參數(shù)及形成該光子晶體。 可將一個或多個波長轉(zhuǎn)換材料設(shè)置在該裝置上方以產(chǎn)生白光或其它色彩的單色光。由LED發(fā)射的未經(jīng)轉(zhuǎn)換的光可為光的最后的光譜的一部分，盡管其不必是最后的光譜的一部分。常見組合的實例包含與發(fā)射黃光的磷光體組合的發(fā)射藍(lán)光的LED、與發(fā)射綠光及紅光的磷光體組合的發(fā)射藍(lán)光的LED、與發(fā)射藍(lán)光及黃光的磷光體組合的發(fā)射UV的LED、以及與發(fā)射藍(lán)光、綠光及紅光的磷光體組合的發(fā)射UV的LED。可添加發(fā)射其它色彩的光的波長轉(zhuǎn)換材料以按需要調(diào)適自該裝置發(fā)射的光的光譜?？蓪⒍鄠€波長轉(zhuǎn)換材料混合于單個波長轉(zhuǎn)換層中或形成為若干離散層。適當(dāng)?shù)牟ㄩL轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實例包含粘合或接合至LED的預(yù)制陶瓷磷光體層，或設(shè)置在有機(jī)囊封劑(其是電泳沉積、模版印刷、絲網(wǎng)印刷、噴灑、沉降、蒸鍍、濺鍍、或以其它方式設(shè)置在LED上)中的粉末磷光體。盡管上述實施例在III-V族結(jié)構(gòu)(諸如，III族氮化物結(jié)構(gòu))中使用倔強(qiáng)層，然而本發(fā)明的實施例可以其它材料系統(tǒng)(諸如，Si)實施。例如，倔強(qiáng)層可允許制造潛在較便宜的并且缺陷比通過常規(guī)方法制造的應(yīng)變硅少的應(yīng)變硅。常規(guī)方法采用在Si上生長松弛SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)，接著是在該松弛SiGe上生長薄Si “施主”層的生長，所述松弛SiGe帶有拉伸應(yīng)變地生長。使該薄Si施主層轉(zhuǎn)移至基質(zhì)并且該Si襯底及SiGe層是通過如上所述的使植入的犧牲層活化而被移除。在松弛SiGe中所產(chǎn)生的位錯會非期望地傳播至該Si應(yīng)變“施主”層中。在包含倔強(qiáng)層的裝置中，厚壓縮應(yīng)變SiGe倔強(qiáng)層是生長在Si (它們之間無松弛層)上并且被轉(zhuǎn)移至載體襯底。移除大多數(shù)的Si，僅留下薄的Si “施主”層。該結(jié)構(gòu)經(jīng)退火以使SiGe松弛并將該Si“施主”層拉成拉伸應(yīng)變。作為SiGe倔強(qiáng)層的替代物，可生長松弛的SiGe層，接著生長具有大于松弛的SiGe層的Ge組分的拉伸應(yīng)變SiGe倔強(qiáng)層。應(yīng)變SiGe倔強(qiáng)層名義上不產(chǎn)生缺陷；運用松弛SiGe層及純Ge倔強(qiáng)層，所有的缺陷皆產(chǎn)生于松弛層中并且僅傳播至倔強(qiáng)層中，而不會傳播至下方的施主層中。已詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解給定本發(fā)明公開內(nèi)容，可在不脫離本文所描述的發(fā)明概念的精神下對本發(fā)明進(jìn)行修改。因此，不應(yīng)將本發(fā)明的范圍限于所圖示出及描述的特定實施例。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括 提供外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)包括施主層，其中所述施主層是其上可生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料；以及應(yīng)變層； 處理所述外延結(jié)構(gòu)以致使所述應(yīng)變層松弛，其中所述應(yīng)變層的松弛致使所述施主層的面內(nèi)晶格常數(shù)改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述施主層與所述應(yīng)變層之間的松弛層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述施主層與所述應(yīng)變層之間的第二松弛層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述施主層與所述應(yīng)變層之間的帽蓋層，其中所述帽蓋層經(jīng)配置以降低或防止自所述施主層的解吸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述松弛層包括鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中提供的步驟包括將所述外延結(jié)構(gòu)生長在第一襯底上，所述方法進(jìn)一步包括 將所述外延結(jié)構(gòu)連接至第二襯底；以及 移除所述第一襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中 所述外延結(jié)構(gòu)通過接合層連接至所述第二襯底；以及 處理的步驟包括加熱所述接合層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括 將所述施主層連接至第三襯底；以及 移除所述應(yīng)變層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中 所述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述施主層與所述應(yīng)變層之間的低帶隙層，其中所述低帶隙層具有低于所述施主層及所述應(yīng)變層的帶隙的帶隙；以及移除所述應(yīng)變層包括使用激光熔融所述低帶隙層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述應(yīng)變層中的應(yīng)變是至少如所述施主層中的應(yīng)變一樣大。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中 所述施主層是InGaN或GaN ； 所述應(yīng)變層是AlGaN或GaN ;并且 所述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述施主層與所述應(yīng)變層之間的松弛層，其中所述松弛層包括鋁。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在處理之后，所述施主層具有至少3.2k的面內(nèi)晶格常數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述處理之后，在所述施主層上生長結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在η型區(qū)域與P型區(qū)域之間的發(fā)光層。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在處理的步驟之前，所述施主層是處于壓縮中；以及 處理的步驟包括致使所述施主層的所述面內(nèi)晶格常數(shù)增大使得所述施主層在處理之后是至少部分松弛的。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中 在處理的步驟之前，所述施主層是經(jīng)松弛的，并且 處理的步驟包括致使所述施主層的所述面內(nèi)晶格常數(shù)增大，以使所述施主層在處理之后是處于拉伸中。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在處理的步驟之前，所述應(yīng)變層是處于壓縮中。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在處理的步驟之前，所述應(yīng)變層中的應(yīng)變是至少·O. 1%。
18.—種結(jié)構(gòu),其包括 襯底；以及 外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)是通過接合層而附接至所述襯底，所述外延結(jié)構(gòu)包括施主層，其中所述施主層是其上可生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料；應(yīng)變層；以及松弛層，所述松弛層是設(shè)置在所述施主層與所述應(yīng)變層之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述接合層是硼磷硅酸鹽玻璃。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中 所述施主層是InGaN或GaN ； 所述應(yīng)變層是AlGaN或GaN ;并且 所述松弛層包括鋁。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的實施例的一種方法包含提供包括施主層及應(yīng)變層的外延結(jié)構(gòu)。該外延結(jié)構(gòu)經(jīng)處理以致使該應(yīng)變層松弛。該應(yīng)變層的松弛致使該施主層的面內(nèi)晶格常數(shù)改變。
文檔編號H01L21/02GK102893373SQ201180024753
公開日2013年1月23日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者A·Y·金 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(zé)任公司