專利名稱：具有曲率控制層的iii族氮化物發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有曲率控制層的III族氮化物裝置。
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) 和邊發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光裝置屬于目前可獲得的最高效光源。在制造能夠跨過可見光譜工作的高亮度發(fā)光裝置中當(dāng)前感興趣的材料體系包含III-V族半導(dǎo)體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，其也稱為III族氮化物材料。典型地，III族氮化物發(fā)光裝置是通過在藍寶石、碳化硅、III族氮化物、復(fù)合物或者其它合適襯底上，利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技術(shù)外延生長不同組份和摻雜劑濃度的半導(dǎo)體層疊層來制作。該疊層經(jīng)常包含形成于襯底上方的摻雜有例如Si的一個或多個 η型層，形成于所述一個或多個η型層上方的有源區(qū)中的一個或多個發(fā)光層，以及形成于該有源區(qū)上方的摻雜有例如Mg的一個或多個ρ型層。電學(xué)接觸形成于η和ρ型區(qū)上。III族氮化物裝置經(jīng)常形成為倒置或倒裝芯片裝置，其中η和P接觸都形成于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)面上，并且光從與接觸相對的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的側(cè)面被提取。圖1說明了在US6，194，742中更詳細描述的倒裝芯片III族氮化物裝置。在第 3欄第41行開始，如下描述圖1中說明的裝置“界面層16被添加到發(fā)光二極管或者激光二極管結(jié)構(gòu)以執(zhí)行應(yīng)變工程和雜質(zhì)吸除的任務(wù)。摻雜有Mg、Zn、Cd的Al Jr^GiimN層 (0彡χ彡1，0彡y彡1)可以用于該界面層?？商鎿Q地，當(dāng)使用AlJnyGai_x_yN(X>0)時，該界面層可以是未摻雜的。界面層也可包含AlInGaN、AlInGaP和AlInGaAs的合金以及GaN、 GaP和GaAs的合金。在生長η型(GaN: Si)層18、有源區(qū)10和ρ型層22之前，界面層16 直接沉積在緩沖層14頂部上。界面層的厚度在0. 01 - 10. 0 μ m范圍變化，優(yōu)選厚度范圍為 0. 25- LOym0緩沖層14形成于襯底12上方。襯底12可以是透明的。金屬接觸層24A、 24B分別沉積到ρ型層和η型層22、18?！痹搩?yōu)選實施例使用GaN:Mg和/或AlGaN用作界面層的組份。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在III族氮化物裝置中包含曲率控制層。在一些實施例中，曲率控制層可以減小生長在藍寶石襯底上的III族氮化物膜中的彎曲數(shù)量。本發(fā)明的實施例包含一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含布置在η型區(qū)和ρ型區(qū)之間的III 族氮化物發(fā)光層。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進一步包含生長在第一層上的曲率控制層。該曲率控制層布置在該η型區(qū)和該第一層之間。該曲率控制層具有比GaN的理論a晶格常數(shù)小的理論a 晶格常數(shù)。該第一層為基本上單晶層。


圖1說明III族氮化物發(fā)光裝置，其具有布置在緩沖層和η型層之間的界面層。
圖2說明根據(jù)本發(fā)明實施例的III族氮化物發(fā)光裝置的一部分。圖3說明連接到底座的倒裝芯片發(fā)光裝置。
具體實施例方式III族氮化物裝置經(jīng)常生長在藍寶石襯底上。生長在藍寶石上的第一層包含任何緩沖層或成核層以及第一高質(zhì)量的基本上單晶層，該第一層經(jīng)常為GaN。由于GaN和藍寶石之間的晶格和化學(xué)失配，生長在藍寶石上的GaN發(fā)展應(yīng)力。應(yīng)力數(shù)量會取決于成核和合并條件。在生長該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之后，隨著晶片冷卻，由于與藍寶石(7.hlO_6/K)相比之下GaN 的較小的熱膨脹系數(shù)(5.6χ10_6/Κ)的原因，附加應(yīng)力形成于該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。在冷卻期間出現(xiàn)的應(yīng)力會部分地抵消由于晶格和化學(xué)失配引起的固有應(yīng)力。隨著生長在藍寶石上的半導(dǎo)體材料的厚度增大，晶片會彎曲以部分地補償半導(dǎo)體材料中的壓應(yīng)力，使得當(dāng)從頂部，即半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長于其上的表面觀看時，晶片是凸起的。 例如，具有大約幾微米厚的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的晶片會彎曲大約幾十微米，其中該彎曲代表晶片邊緣高度和中央高度之間的差異。彎曲是有問題的，因為在諸如光刻的工藝期間，彎曲數(shù)量必須被補償。依據(jù)本發(fā)明的實施例，在III族氮化物發(fā)光裝置中包含至少部分地補償彎曲的層。圖2說明根據(jù)本發(fā)明實施例的III族氮化物裝置的一部分。在圖2說明的裝置中， GaN結(jié)構(gòu)23首先生長在生長襯底(圖2中未示出)上，該生長襯底可以是任何合適的生長襯底并且該生長襯底典型地為藍寶石或SiC。GaN結(jié)構(gòu)23可包含一個或多個準(zhǔn)備層，諸如緩沖層或成核層。至少一個高質(zhì)量的單晶層被包含在GaN結(jié)構(gòu)23中，該單晶層經(jīng)常是在高溫生長的GaN或低AlN組份的AWaN。GaN結(jié)構(gòu)23可包含不是GaN的III族氮化物層，諸如 hGaN、AlGaN 或 Al InGaN 層。曲率控制層25生長在GaN結(jié)構(gòu)23中包含的單晶層上方。曲率控制層25為單晶層，其理論a晶格常數(shù)小于曲率控制層生長于其上的單晶層的實際a晶格常數(shù)。在一些實施例中，曲率控制層25具有比GaN的理論a晶格常數(shù)小的理論a晶格常數(shù)。在一些實施例中，曲率控制層25為AlGaN或AlhGaN。當(dāng)曲率控制層25生長在GaN或者理論晶格常數(shù)比曲率控制層25大的某些其它材料(諸如具有較小AlN組份的AWaN)上時，曲率控制層25 受到張力。曲率控制層25中的張力可以至少部分地補償GaN結(jié)構(gòu)23中由于從生長溫度冷卻引起的由襯底感應(yīng)的熱壓應(yīng)力，從而減小裝置的晶片中的彎曲數(shù)量。在沒有曲率控制層的裝置中，發(fā)明人觀察到94 μ m的彎曲。在具有8. 5%A1N的AKiaN曲率控制層的可比裝置中，發(fā)明人觀察到61 μ m的彎曲。為了使曲率控制層25受張力，曲率控制層必須生長在足夠高質(zhì)量的層上，使得曲率控制層本身為基本上單晶層。在圖1說明的裝置中，界面層16直接沉積在緩沖層14上， 該緩沖層典型地為在低溫生長的無定形層。如US6，194，742中描述的生長在緩沖層上的界面層16將典型地不是受應(yīng)變的贗晶層，受應(yīng)變的贗晶層對于該層減小彎曲而言是必需的。AlGaN曲率控制層25中的AlN組份可以例如在一些實施例中小于30%，在一些實施例中介于饑和15%，在一些實施例中介于6%和10%，在一些實施例中介于7%和9%，在一些實施例中為7. 5%，以及在一些實施例中為8. 5%。在大于10%的組份，在一些裝置中發(fā)明
4人觀察到曲率控制層中的掩埋開裂，這實際上增加了彎曲數(shù)量。在一些實施例中，AlInGaN 曲率控制層25中的AlN組份可以與如上所述的AKiaN曲率控制層的AlN組份相同。因為 InN的晶格常數(shù)相比之下大于GaN的晶格常數(shù)，添加InN將減小曲率控制層中張力的數(shù)量， 因而InN組份通常保持小。例如，在一些實施例中，AlInGaN曲率控制層中的InN組份可以為幾個百分比的量級。在一些實施例中，AlInGaN曲率控制層中的AlN組份可以大于如上所述的AKiaN曲率控制層的AlN組份，從而至少部分地補償由添加InN造成的張力減小。根據(jù)Vegard 定律從 AlN (3. IllA) ,GaN (3. 189A) ,InN (3. 533A)的 a 晶格常數(shù)計算的曲率控制層25的理論晶格常數(shù)在一些實施例中可以介于3. 111和3. 189A，在一些實施例中可以介于3. 165和3. 188A，在一些實施例中可以介于3. 180和3. 184A，以及在一些實施例中可以介于3. 182和3. 183A。對于Al^ι^ει^Ν層，可以根據(jù)￡tA1MaN= (ειΑ1Ν) x+(aM) y+(aGaN) (1-x-y)計算晶格常數(shù)。曲率控制層25足夠厚以形成足夠的張力從而減小彎曲，但是足夠薄使得曲率控制層不開裂。曲率控制層可以在一些實施例中厚例如200A從而恰好低于開裂極限，在一些實施例中厚500至1500A，在一些實施例中厚0. 5至5 μ m，以及在一些實施例中厚1至2 μ m。 隨著AKiaN層中AlN的組份增大，理論晶格常數(shù)減小。因此，隨著AlN組份增大，AKiaN層可以生長到的沒有開裂的厚度減小。曲率控制層中張力的數(shù)量，并且因此曲率控制層減小彎曲的能力，為曲率控制層的厚度和曲率控制層的理論晶格常數(shù)與曲率控制層生長于其上的層的實際晶格常數(shù)之間的差異造成的應(yīng)變的乘積。為了實現(xiàn)指定張力數(shù)量，高度受應(yīng)變的曲率控制層可以薄于受應(yīng)變較小的曲率控制層。在一些實施例中，曲率控制層生長在GaN層上。這種GaN層的實際面內(nèi)晶格常數(shù)可以取決于生長條件，并且可以例如在3. 184和3. 189A之間變化。對于曲率控制層生長于其上的GaN層具有比較小面內(nèi)晶格常數(shù)的情形，曲率控制層的AlN組份和 /或厚度可以小于曲率控制層生長于其上的GaN層具有比較大面內(nèi)晶格常數(shù)的情形。在一些實施例中，曲率控制層生長速率慢于GaN結(jié)構(gòu)23。曲率控制層25通常是非故意摻雜的，不過它也可以用η型或ρ型摻雜劑摻雜。包含η型區(qū)、發(fā)光區(qū)或有源區(qū)和ρ型區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)生長在曲率控制層上方。η型區(qū)22首先生長在襯底上方。η型區(qū)22可包含不同組份和摻雜劑濃度的多個層，例如所述多個層包含準(zhǔn)備層，諸如緩沖層或成核層，其可以是η型或者非故意摻雜的；釋放層，其設(shè)計成有利于稍后釋放生長襯底或者在襯底移除之后減薄半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以及η或者甚至ρ型裝置層，其針對發(fā)光區(qū)高效地發(fā)射光所期望的具體光學(xué)或電學(xué)屬性而設(shè)計。在一些實施例中，曲率控制層25夾置在兩個高質(zhì)量的基本上單晶層之間。在一些實施例中，夾置曲率控制層25的兩個層的其中之一或二者中的位錯密度可以介于IO5和
1 α9 -2
10 cm ο發(fā)光區(qū)或有源區(qū)M生長在η型區(qū)22上方。合適發(fā)光區(qū)的示例包含單個厚或薄的發(fā)光層，或者包含由壘層分隔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)可包含由壘分隔的多個發(fā)光層，每個發(fā)光層厚度為25Α或更小，每個壘厚度為 IOOA或更小。在一些實施例中，裝置中的每個發(fā)光層的厚度大于50Α。ρ型區(qū)沈生長在發(fā)光區(qū)M上方。類似于η型區(qū)，ρ型區(qū)可包含多個不同組份、厚度和摻雜劑濃度的層，其包含非故意摻雜的層或者η型層。
圖3說明連接到底座40的LED 42。ρ接觸48經(jīng)常為反射銀接觸，形成于ρ型區(qū)上。在形成P接觸之前或之后，通過蝕刻掉部分的P型區(qū)和發(fā)光區(qū)而露出部分的η型區(qū)。包含η型區(qū)22、發(fā)光區(qū)M和ρ型區(qū)沈的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在圖3中用結(jié)構(gòu)44表示。η接觸46形成于η型區(qū)的露出部分上。由于η接觸46形成于η型區(qū)22上，曲率控制層25不位于裝置中的電流路徑中并且因此不改變裝置的電學(xué)屬性，而與曲率控制層25的組份無關(guān)。LED 42通過η和ρ互連56和58結(jié)合到底座40。互連56和58可以是任何合適材料，諸如焊料或其它金屬，并且可包含多層材料。在一些實施例中，互連包含至少一個金層并且LED 42和底座40之間的結(jié)合是通過超聲結(jié)合形成。在超聲結(jié)合期間，LED管芯42置于底座40上。結(jié)合頭置于LED管芯的上表面上， 對于生長在藍寶石上的III族氮化物裝置情形，經(jīng)常置于藍寶石生長襯底的上表面。結(jié)合頭連接到超聲換能器。超聲換能器可以是例如鋯鈦酸鉛(PZT)層的疊層。當(dāng)電壓以致使該系統(tǒng)和諧共振的頻率(經(jīng)常是幾十或幾百kHz量級的頻率)應(yīng)用到換能器時，換能器開始振動，這進而致使結(jié)合頭和LED管芯振動，振動振幅經(jīng)常為幾微米量級。振動致使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)互擴散，從而形成冶金學(xué)上連續(xù)的接合。 在結(jié)合期間可以添加熱和/或壓力。在將LED管芯42結(jié)合到底座40之后，半導(dǎo)體層生長于其上的生長襯底可以被移除，例如通過激光剝離、蝕刻或者適合于具體生長襯底的任何其它技術(shù)。在移除生長襯底之后，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以被減薄，例如通過光電化學(xué)蝕刻，并且/或者表面可以例如利用光子晶體結(jié)構(gòu)被粗糙化或圖案化。所有或者部分的GaN結(jié)構(gòu)23和曲率控制層25可以保留在裝置中，或者在移除生長襯底之后在減薄期間可以被移除。在襯底移除之后，透鏡、波長轉(zhuǎn)換材料或者本領(lǐng)域中已知的其它結(jié)構(gòu)可以布置在LED 42上方。已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，鑒于本公開內(nèi)容，可以對本發(fā)明進行調(diào)整而不背離此處描述的發(fā)明構(gòu)思的精神。因此，本發(fā)明的范圍不打算受限于所說明和描述的特定實施例。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包含半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含布置在η型區(qū)和ρ型區(qū)之間的III族氮化物發(fā)光層；以及生長在第一層上的曲率控制層，其中該曲率控制層具有比GaN的理論a晶格常數(shù)小的理論a晶格常數(shù)； 該第一層為基本上單晶層；以及該曲率控制層布置在該η型區(qū)和該第一層之間。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層包含鋁。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層為AKiaN。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中該曲率控制層具有大于0%且小于10%的AlN組份。
5.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層為AlInGaN。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層具有介于3.165和3. 188A的理論a晶格常數(shù)。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層具有介于3.180和3. 184A的理論a晶格常數(shù)。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層厚度介于0.5和5μπι。
9.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層厚度介于1和2μm。
10.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層為非故意摻雜的。
11.權(quán)利要求1的裝置，進一步包含布置在該η型區(qū)上的η接觸和布置在該ρ型區(qū)上的 P接觸，其中η和ρ接觸二者形成于該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的同一側(cè)面上。
12.權(quán)利要求1的裝置，其中該曲率控制層的組份和厚度被選擇以至少部分地補償在從提升的生長溫度冷卻期間在該第一層中感應(yīng)的熱壓應(yīng)力。
13.一種方法，包含在襯底上生長半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含 生長在第一層上的曲率控制層；以及布置在η型區(qū)和P型區(qū)之間的III族氮化物發(fā)光層；其中 該曲率控制層具有比GaN的理論a晶格常數(shù)小的理論a晶格常數(shù)； 該第一層為基本上單晶層；以及該曲率控制層布置在該η型區(qū)和該第一層之間。
14.權(quán)利要求13的方法，其中該曲率控制層生長速率慢于該第一層。
15.權(quán)利要求13的方法，其中該曲率控制層的組份和厚度被選擇以至少部分地補償在從提升的生長溫度冷卻期間在該第一層中感應(yīng)的熱壓應(yīng)力。
全文摘要
一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含布置在n型區(qū)(22)和p型區(qū)(26)之間的III族氮化物發(fā)光層(24)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進一步包含生長在第一層(23)上的曲率控制層(25)。該曲率控制層布置在n型區(qū)和第一層之間。該曲率控制層具有比GaN的理論a晶格常數(shù)小的理論a晶格常數(shù)。該第一層為基本上單晶層。
文檔編號H01L33/32GK102484178SQ201080039997
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者Y. 金 A., F. 克丁 J., T. 羅馬諾 L., P. 德布 P. 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