包括光抽取結(jié)構(gòu)的iii-v發(fā)光器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括光抽取結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括發(fā)光二極管(LED)、共振腔發(fā)光二極管(RCLED)、垂直腔激光二極管(VCSEL)和邊緣發(fā)射激光器，是目前可得到的最有效光源之一。在制造能夠跨越可見光譜操作的高亮度發(fā)光器件方面目前引起關(guān)注的材料系統(tǒng)包括II1-V族半導(dǎo)體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也被稱作II1-氮化物材料。通常，通過用金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(ΜΒΕ)或其它外延技術(shù)在藍(lán)寶石、碳化硅、II1-氮化物上外延地生長(zhǎng)不同成分和摻雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體層的堆疊來制作II1-氮化物發(fā)光器件。該堆疊通常包括在襯底上形成的一個(gè)或多個(gè)更多用例如Si摻雜的η型層，在一個(gè)或多個(gè)η型層上形成的有源區(qū)(active reg1n)中的一個(gè)或更多的發(fā)光層，以及在所述有源區(qū)上形成的用例如Mg摻雜的一個(gè)或更多P型層。在N型區(qū)和P型區(qū)上形成電接觸。
[0003]圖1示出了在US2007/0072324中更詳細(xì)描述的復(fù)合生長(zhǎng)襯底，其以引用的方式結(jié)合到本文中?！耙r底10包括主體襯底(host substrate) 12、晶種層16以及粘結(jié)主體12和晶種層16的粘結(jié)層14。...襯底10中的層由能夠經(jīng)受在器件中生長(zhǎng)半導(dǎo)體層所需的加工條件的材料形成。例如，在通過M0CVD生長(zhǎng)的II1-氮化物器件的情況下，在襯底10中的每一層必須能夠經(jīng)受超過1000°C溫度的H2環(huán)境；在通過MBE生長(zhǎng)的II1-氮化物器件的情況下，在襯底10中的每一層必須能夠在真空中經(jīng)受超過600°C的溫度。
[0004]“主體襯底12為襯底10以及在襯底10上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體器件層18提供機(jī)械支撐。主體襯底12通常為3到500微米厚且通常厚度超過100微米。在主體襯底12保持為器件的一部分的實(shí)施例中，如果光從器件中穿過主體襯底12提取，則主體襯底12可以是至少部分地透明的。主體襯底12通常不必是單晶材料，因?yàn)槠骷?8不直接在主體襯底12上生長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，選擇主體襯底12的材料以使具有的熱膨脹系數(shù)(CTE)與器件層18的CTE和晶種層16的CTE相匹配。能夠經(jīng)受外延層18的加工條件的任何材料都可為合適的……，包括半導(dǎo)體、陶瓷和金屬。諸如GaAs之類的材料具有理想地接近于器件層18的CTE的CTE，但在通過M0CVD生長(zhǎng)II1-氮化物層所需要的溫度下通過升華分解，該材料可以與諸如沉積在GaAs主體和晶種層16之間的氮化娃之類的不滲透的蓋層(cap layer)—起使用。
[0005]“晶種層16是器件層18在其上生長(zhǎng)的層，因此它必須是II1-氮化物晶體在其上能夠成核的材料。晶種層16可以處于約50 A和Ιμπι厚之間。在一些實(shí)施例中，晶種層16與器件層18的材料是CTE匹配的。晶種層16通常是與器件層18合理接近地晶格匹配的單晶材料。通常其上生長(zhǎng)器件層18的晶種層16的上表面的結(jié)晶取向是纖鋅礦(wurtzite)c軸。在晶種層16作為最終器件的一部分的實(shí)施例中，如果光從器件穿過晶種層16提取，那么晶種層16可以是透明的或薄的。
[0006]“一個(gè)或更多的粘結(jié)層14將主體襯底12粘結(jié)到晶種層16。粘結(jié)層14可以處于約100 A和1 μπι厚之間。適合的粘結(jié)層的例子包括S1jm Si02、SiNjm Si 3N4、Hf02、它們的混合物；金屬如Mo、T1、TiN，其它合金，以及其它半導(dǎo)體或電介質(zhì)。因?yàn)檎辰Y(jié)層14連接主體襯底12和晶種層16，所以選擇形成粘結(jié)層14的材料以在主體12和晶種16之間提供優(yōu)良粘結(jié)。在一些實(shí)施例中，粘結(jié)層14是由能夠被不侵蝕器件層18的蝕刻劑蝕刻的材料形成的釋放層(release layer)，從而使器件層18和晶種層16從主體襯底12釋放。例如，粘結(jié)層14可以是Si02，其可以用HF濕蝕刻而不會(huì)破壞II1-氮化物器件層18。在粘結(jié)層14保持作為最終器件一部分的實(shí)施例中，粘結(jié)層14優(yōu)選是透明或很薄的。在一些實(shí)施例中，可以省略粘結(jié)層14，晶種層16可以直接粘附到主體襯底12上。
[0007]“通過在粘結(jié)層14上形成作為條帶(stripe)或柵格(grid)而非作為單一連續(xù)層的晶種層，可以在外延層18中進(jìn)一步提供應(yīng)變釋放?？商鎿Q地，可以形成作為單一連續(xù)層的晶種層，然后例如通過形成溝槽在適當(dāng)?shù)奈恢贸ヒ蕴峁?yīng)變釋放。單一連續(xù)晶種層16可以通過粘結(jié)層14附連到主體襯底12，然后通過常規(guī)平版印刷技術(shù)(lithography)圖案化以除去部分晶種層以形成條帶。通過將外延層18內(nèi)的位錯(cuò)集中在晶種層條帶的邊緣處，每個(gè)晶種層條帶的邊緣可以提供額外的應(yīng)變釋放?？梢赃x擇晶種層16、粘結(jié)層14和核層的組成，從而成核層材料優(yōu)先在晶種層16上成核，而不是在粘結(jié)層14的由晶種層16的部分之間的空隙所暴露的部分上成核。
[0008]“在發(fā)光器件的晶片上，……晶種層16中的溝槽可以間隔開大約單個(gè)器件的寬度，例如分開幾百微米或毫米。在具有圖案化晶種層的復(fù)合襯底上形成的器件晶片可這樣分開，使得晶種層部分的邊緣不處于單獨(dú)器件的發(fā)光層的下面，因?yàn)榧性诰ХN層邊緣的位錯(cuò)可能導(dǎo)致差的性能或者可靠性問題。可替換地，在單個(gè)器件的寬度內(nèi)可以形成多個(gè)溝槽，例如分開大約數(shù)微米或數(shù)十微米。可以選擇在這樣的襯底上的生長(zhǎng)條件，使得在晶種層16上形成的成核層或隨后的外延層在形成于晶種層16中的溝槽上接合(coalesce)，使晶片上器件的發(fā)光層形成為未被晶種層16中的溝槽中斷的連續(xù)層。
[0009]“當(dāng)晶種層為II1-氮化物材料時(shí)，“晶種層在生長(zhǎng)襯底上應(yīng)變生長(zhǎng)。當(dāng)晶種層16連接到主體襯底12并且從生長(zhǎng)襯底釋放時(shí)，如果在晶種層16和主體襯底16之間的連接是順從的(compliant)，例如順從粘結(jié)層14，則晶種層16可以至少部分地松弛。因此，盡管晶種層生長(zhǎng)為應(yīng)變層，但是可以選擇組成使得在晶種層從生長(zhǎng)襯底釋放且松弛之后，晶種層的晶格常數(shù)合理地接近或匹配在晶種層上生長(zhǎng)的外延層18的晶格常數(shù)。
[0010]“例如，當(dāng)常規(guī)地在A1203上生長(zhǎng)II1-氮化物器件時(shí)，在襯底上生長(zhǎng)的第一層一般是具有約3.19晶格常數(shù)的GaN緩沖層。GaN緩沖層設(shè)定了在緩沖層上生長(zhǎng)的所有器件層的晶格常數(shù)，包括通常是InGaN的發(fā)光層。因?yàn)樗沙诘淖灾蔚腎nGaN具有比GaN大的晶格常數(shù)，所以該發(fā)光層在GaN緩沖層上生長(zhǎng)時(shí)是處于應(yīng)變狀態(tài)的。相反，……，InGaN晶種層可以在常規(guī)襯底上應(yīng)變生長(zhǎng)，然后粘結(jié)到主體，并且從生長(zhǎng)襯底上釋放，使得InGaN晶種層至少部分地松弛。在松弛之后，InGaN晶種層具有比GaN大的晶格常數(shù)。照這樣，與GaN相比，InGaN晶種層的晶格常數(shù)與具有和InGaN發(fā)光層相同組成的松弛的自支撐層的晶格常數(shù)更匹配。在InGaN晶種層上生長(zhǎng)的器件層，包括InGaN發(fā)光層，將復(fù)制InGaN晶種層的晶格常數(shù)。因此，具有松弛的InGaN晶種層晶格常數(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)變要小。減小發(fā)光層中的應(yīng)變可提高器件的性能。
[0011]“為了形成具有處于所需取向的II1-氮化物晶種層的復(fù)合襯底，II1-氮化物晶種層材料可能需要附加的粘結(jié)步驟。生長(zhǎng)在藍(lán)寶石或Sic生長(zhǎng)襯底上的II1-氮化物層典型地生長(zhǎng)為C-平面纖鋅礦(wurtzite)。這樣的纖鋅礦II1-氮化物結(jié)構(gòu)具有鎵面(galliumface)和氮面。II1-氮化物優(yōu)先生長(zhǎng)使得生長(zhǎng)層的頂面是鎵面，而底面(鄰接生長(zhǎng)襯底的表面)是氮面。簡(jiǎn)單地在藍(lán)寶石或SiC上常規(guī)地生長(zhǎng)晶種層材料，然后將該晶種層材料連接到主體并除去生長(zhǎng)襯底將得到具有帶有暴露的氮面的II1-氮化物晶種層的復(fù)合襯底。如上所述，in-氮化物優(yōu)選地在鎵面上生長(zhǎng)，也就是以鎵面作為頂面，因此在氮面上的生長(zhǎng)可能不期望地將缺陷引入晶體，或者導(dǎo)致質(zhì)量差的材料，因?yàn)榫w取向從氮面作頂面的取向轉(zhuǎn)換為鎵面作為頂面的取向。
[0012]“為了形成具有以鎵面作為頂面的II1-氮化物晶種層的復(fù)合襯底，可以在生長(zhǎng)襯底上常規(guī)地生長(zhǎng)晶種層材料，然后粘結(jié)到任意合適的第一主體襯底上，然后與生長(zhǎng)襯底分離，從而晶種層材料通過鎵面粘結(jié)到第一主體襯底，通過除去生長(zhǎng)襯底而留下暴露的氮面。然后，晶種層材料的氮面粘結(jié)到第二主體襯底10，復(fù)合襯底的主體襯底……。在粘結(jié)到第二主體襯底之后，通過適于生長(zhǎng)襯底的技術(shù)除去第一主體襯底。在最終的復(fù)合襯底中，晶種層材料16的氮面通過可選的粘結(jié)層14粘結(jié)到主體襯底12(第二主體襯底)，使得暴露II1-氮化物晶種層16的鎵面用于外延層18的生長(zhǎng)。
[0013]“例如，在藍(lán)寶石襯底上常規(guī)地生長(zhǎng)GaN緩沖層，接著是將形成復(fù)合襯底晶種層的InGaN層。將InGaN層用或不用粘結(jié)層粘結(jié)到第一主體襯底。通過鄰接藍(lán)寶石的GaN緩沖層的激光熔融除去藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底，然后通過蝕刻除去由于除去藍(lán)寶石而暴露的剩余GaN緩沖層，得到粘結(jié)到第一主體襯底的InGaN層。InGaN層可以注入材料如氫、氘或氦，以在與最終復(fù)合襯底中的晶種層的期望厚度相對(duì)應(yīng)的深度形成氣泡層……?？梢钥蛇x地加工InGaN層以