專利名稱：生長在模板上以減小應(yīng)變的iii-氮化物發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體發(fā)光器件的生長技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
半導(dǎo)體發(fā)光器件包括發(fā)光二極管(LED)、諧振腔發(fā)光二極管(CLED)、垂直腔發(fā)光二極管(VCLED)以及邊發(fā)射激光器，這些器件當(dāng)前可用于最高效的光源之中。在制造能夠在UV、可見光以及可能的紅外光譜范圍內(nèi)工作的高亮度發(fā)光器件中當(dāng)前感興趣的材料系統(tǒng)包括III-V族半導(dǎo)體，尤其是稼、鋁、銦和氮的二元、三元以及四元合金，也被稱為III氮化物材料。典型地，通過利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技術(shù)以在藍(lán)寶石、碳化硅、III氮化物或者其它適合襯底上外延生長不同組分和摻雜濃度的一堆半導(dǎo)體層，來制作III氮化物發(fā)光器件。該堆(stack)往往包括在襯底上形成的摻雜有例如Si的一個(gè)或更多η型層、在η型層上形成的有源區(qū)中的一個(gè)或更多發(fā)光層、以及在有源區(qū)上形成的摻雜有例如Mg的一個(gè)或更多ρ型層。在η型區(qū)和ρ型區(qū)上形成電觸點(diǎn)。這些III-氮化物材料對于其它光電子以及電子器件(比如場效應(yīng)晶體管(FET)和探測器)而言也是備受關(guān)注的。發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的實(shí)施例中，包含III-氮化物器件的發(fā)光層的器件層生長在被設(shè)計(jì)用以減小器件中特別是發(fā)光層中應(yīng)變(strain)的模板(template)上。這個(gè)應(yīng)變可以被如下定義給定層具有與和該層相同組分的獨(dú)立式材料的晶格常數(shù)對應(yīng)的體(bulk)晶格常數(shù) abulk以及與生長在結(jié)構(gòu)中的該層的晶格常數(shù)對應(yīng)的面內(nèi)晶格常數(shù)ain-plane。層中的應(yīng)變量是形成特定層的材料的面內(nèi)晶格常數(shù)和器件中該層的體晶格常數(shù)之間的差除以體晶格常數(shù)。
減小發(fā)光器件中的應(yīng)變可以提高器件的性能。模板可以將發(fā)光層的晶格常數(shù)擴(kuò)展超過可從常規(guī)生長模板獲得的晶格常數(shù)的范圍。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，發(fā)光層中的應(yīng)變小于1%。
在一些實(shí)施例中，模板包括在低溫下生長的兩層，即直接在襯底上生長的無銦成核(nucleation)層比如GaN以及在無銦層上生長的含銦層比如InGaN。這兩層都可以是非單晶層。在一些實(shí)施例中，諸如GaN層的單晶層可以生長在成核層和含銦層之間。在一些實(shí)施例中，諸如GaN、InGaN或AlInGaN的單晶層可以生長在低溫含銦層上。
在一些實(shí)施例中，模板還包括多層堆或漸變(graded)區(qū)，或者通過一種包括熱退火或熱循環(huán)生長步驟的工藝來形成。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的器件的一部分的橫截面圖。
圖2是包括在常規(guī)低溫成核層后生長的低溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖3是包括在多個(gè)低溫成核層上生長的低溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖4是包括在常規(guī)低溫成核層上生長的多個(gè)低溫層的器件的一部分的橫截面圖。
圖5是包括不止一組低溫成核層和低溫hGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖6是包括多個(gè)低溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖7是圖6的結(jié)構(gòu)在退火并生長器件層后的橫截面圖。
圖8是包括在高溫GaN層后生長的低溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖9是包括在低溫InGaN層后生長的高溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖10是包括在高溫GaN層后生長的低溫InGaN層后生長的高溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖11是包括在兩個(gè)高溫InGaN層之間設(shè)置的低溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖12是包括在低溫InGaN層上生長的兩個(gè)高溫InGaN層的器件的一部分的橫截面圖。
圖13是包括通過熱循環(huán)生長所生長的多個(gè)富銦層和貧銦層的器件的一部分的橫截面圖。
圖14是包括低溫層和漸變組分層的器件的一部分的橫截面圖。
圖15是包括GaN成核層和厚高溫GaN層的若干器件以及包括低溫InGaN層和厚高溫GaN層的若干器件的、作為a-晶格常數(shù)的函數(shù)的c_晶格常數(shù)的曲線圖。
圖16是若干器件的C-晶格常數(shù)和a_晶格常數(shù)的曲線圖。
圖17說明了諸如藍(lán)寶石的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的若干主晶面。
圖18說明了從其去除了生長襯底的倒裝發(fā)光器件的一部分。
圖19是封裝后的發(fā)光器件的分解圖。
具體實(shí)施方式
半導(dǎo)體發(fā)光器件的性能可以通過測量外部量子效率來計(jì)量，所述外量子效率測量每向器件供給一個(gè)電子從器件中提取的光子數(shù)。當(dāng)施加到常規(guī)III-氮化物發(fā)光器件上的電流密度增加時(shí)，器件的外量子效率起初增加，然后降低。當(dāng)電流密度增加越過零時(shí)，外量子效率增加，在給定電流密度(例如，對于一些器件是在大約10 A/cm2)時(shí)達(dá)到峰值。當(dāng)電流密度增加超過該峰值時(shí)，外量子效率起初快速下降，然后在更高電流(例如，對于一些器件是超過200 A/cm2)時(shí)該降低變慢。器件的外量子效率還隨著發(fā)光區(qū)的InN組分增加以及隨著發(fā)射光的波長增加而降低。
—種用于在高電流密度時(shí)減小或反轉(zhuǎn)量子效率下降的技術(shù)是形成較厚的發(fā)光層。 然而，由于III-氮化物器件層中的應(yīng)變，厚III-氮化物發(fā)光層的生長很難。而且，為了獲得較長波長的發(fā)射，引入較高InN組分是所期望的。然而，由于III-氮化物器件層中的應(yīng)變，高h(yuǎn)N組分的III-氮化物發(fā)光層的生長很難。
因?yàn)樽匀籌II-氮化物生長襯底通常很昂貴、不可廣泛得到并且不實(shí)用于生長商業(yè)器件，所以III-氮化物器件往往生長在藍(lán)寶石(Al2O3)或SiC襯底上。這種非自然襯底具有與在襯底上生長的πι-氮化物器件層的體晶格常數(shù)不同的晶格常數(shù)、與器件層不同的熱膨脹系數(shù)以及不同的化學(xué)及結(jié)構(gòu)屬性，導(dǎo)致器件層中的應(yīng)變以及器件層和襯底之間的化學(xué)及結(jié)構(gòu)失配。這種結(jié)構(gòu)失配的示例能夠包括例如GaN的晶體結(jié)構(gòu)和GaN生長在其上的藍(lán)寶石襯底的晶體結(jié)構(gòu)之間的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如本文所用的，“面內(nèi)”晶格常數(shù)指的是器件內(nèi)層的實(shí)際晶格常數(shù)，而“體”晶格常數(shù)指的是給定組分的松弛獨(dú)立式材料的晶格常數(shù)。層中的應(yīng)變量被定義在等式(1)中
應(yīng)變=ε = (ain_plane-abulk) /abulk(1)
注意，應(yīng)變?chǔ)旁诘仁?1)中可以是正或者是負(fù)，即ε>0或ε<0。在無應(yīng)變薄膜中， ”-。二^-，因此等式丨^中ε =O0 ε >0的薄膜被稱為處于拉伸應(yīng)變或者處于拉伸，而 ε <0的薄膜稱為處于壓縮應(yīng)變或者處于壓縮。拉伸應(yīng)變的示例包括在無應(yīng)變GaN上生長的應(yīng)變AlGaN薄膜或者在無應(yīng)變InGaN上生長的應(yīng)變GaN薄膜。在這兩種情況下，應(yīng)變薄膜的體晶格常數(shù)小于該應(yīng)變薄膜生長在其上的無應(yīng)變層的體晶格常數(shù)，因此應(yīng)變薄膜的面內(nèi)晶格常數(shù)被拉長以匹配無應(yīng)變層的晶格常數(shù)，得出等式(1)中ε >0，據(jù)此該薄膜被稱為處于拉伸。壓縮應(yīng)變的示例包括在無應(yīng)變GaN上生長的應(yīng)變InGaN薄膜或者在無應(yīng)變AlGaN 上生長的應(yīng)變GaN薄膜。在這兩種情況下，應(yīng)變薄膜的體晶格常數(shù)大于該應(yīng)變薄膜生長在其上的無應(yīng)變層的體晶格常數(shù)，因此應(yīng)變薄膜的面內(nèi)晶格常數(shù)被壓縮以匹配無應(yīng)變層的晶格常數(shù)，得出等式(1)中ε <0，據(jù)此該薄膜被稱為處于壓縮。在拉伸薄膜中，應(yīng)變使得原子彼此拉開以便增加面內(nèi)晶格常數(shù)。這種拉伸應(yīng)變往往是不期望的，因?yàn)楸∧た赡芡ㄟ^破裂而對拉伸應(yīng)變做出響應(yīng)，這就降低了薄膜中的應(yīng)變但是損壞了薄膜的結(jié)構(gòu)和電學(xué)完整性。在壓縮薄膜中，應(yīng)變使得原子擠到一起，這種后果例如會(huì)降低諸如銦的大原子到InGaN薄膜中的引入，或者會(huì)降低InGaN LED中InGaN有源層的材料質(zhì)量。在許多情況下，拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變都是不期望的，因而降低器件的各層中的拉伸應(yīng)變或壓縮應(yīng)變是有益的。在這種情況下，引用應(yīng)變的絕對值或幅度就更方便，如等式 (2)所定義的。如本文所用的，術(shù)語“應(yīng)變”應(yīng)理解成意指應(yīng)變的絕對值或幅度就更方便，如等式2所定義的。應(yīng)變=Iε I = I (ain_plane-abulk) /abulk(2)
當(dāng)III-氮化物器件常規(guī)地生長在Al2O3上時(shí)，在襯底上生長的第一結(jié)構(gòu)通常是具有大約3. 189A或更小的面內(nèi)a-晶格常數(shù)的GaN模板層。GaN模板作為發(fā)光區(qū)的晶格常數(shù)模板， 原因在于其設(shè)定了在模板層上生長的所有器件層(包括InGaN發(fā)光層)的晶格常數(shù)。因?yàn)?InGaN的體晶格常數(shù)大于常規(guī)GaN模板的面內(nèi)晶格常數(shù)，所以發(fā)光層在生長到常規(guī)GaN模板上時(shí)被壓縮應(yīng)變。例如，被配置成發(fā)射大約450 nm光的發(fā)光層可以具有組分Lai6G^l84N, 即一種具有3. 242A的體晶格常數(shù)的組分，相比而言GaN的晶格常數(shù)為3. 189A。當(dāng)發(fā)光層中的MN組分增加(這在器件中被設(shè)計(jì)用于發(fā)射較長波長的光)時(shí)，發(fā)光層的壓縮應(yīng)變也增加。如果應(yīng)變層的厚度增加超過臨界值，則在層內(nèi)形成位錯(cuò)或其它缺陷以減小與應(yīng)變相關(guān)聯(lián)的能量，如在iTomiya等人的of 第 6133卷第 613308-1-613308-10 頁(2006)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。結(jié)構(gòu)缺陷可能與非輻射(non-radiative) 復(fù)合中心相關(guān)聯(lián)，這些非輻射復(fù)合中心會(huì)顯著地減小器件的量子效率。結(jié)果，發(fā)光層的厚度必須保持低于這個(gè)臨界厚度。當(dāng)MN組分和峰值波長增大時(shí)，發(fā)光層中的應(yīng)變增加，因而發(fā)光層的臨界厚度降低。
即使發(fā)光層的厚度保持低于臨界厚度，InGaN合金在特定組分和溫度下仍是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，如在 Ponce 等人的Status SolidiW^ 240 卷第 273484 頁(2003) 中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。例如，在典型用于hGaN生長的溫度下，InGaN可能表現(xiàn)出旋節(jié)線分解，其中組分均勻的InGaN層轉(zhuǎn)化成具有高于平均InN組分區(qū)和低于平均^N組分區(qū)的層。InGaN發(fā)光層中的旋節(jié)線分解產(chǎn)生了非輻射復(fù)合中心并且可能增加內(nèi)部吸收，這可能減小器件的量子效率。旋節(jié)線分解的問題隨著發(fā)光層的厚度增加、隨著發(fā)光層中的平均InN組分增加和/或隨著發(fā)光層中的應(yīng)變增加而更加嚴(yán)重。例如，在發(fā)光層生長在GaN模板上且被配置成發(fā)射550nm光的情況下，>20%的InN組分和>30 A的優(yōu)選厚度的組合就超過了旋節(jié)線分解極限。
因而，如上所述，期望的是增加發(fā)光層的厚度以減小或消除當(dāng)電流密度增加時(shí)出現(xiàn)的外量子效率的下降，或者期望的是增加InN組分以獲得較長的發(fā)射波長。在這兩種情況下，必要的是減小發(fā)光層中的應(yīng)變以便生長更厚或更高組分的發(fā)光層、通過增加臨界厚度將缺陷數(shù)量保持在可接受的范圍內(nèi)、以及增加層能夠生長的厚度而沒有旋節(jié)線分解。本發(fā)明的實(shí)施例被設(shè)計(jì)成減小III-氮化物器件的器件層中的應(yīng)變，特別是發(fā)光層中的應(yīng)變。
圖1說明了具有在襯底1上生長的常規(guī)成核層2的器件。一個(gè)或更多高溫層3和 5可以生長在成核層2上，并且器件層6可以生長在高溫層3或5上。用于減小III-氮化物發(fā)光層中的應(yīng)變的先前方法包括在聚結(jié)GaN區(qū)3上生長高溫、基本單晶InGaN區(qū)5，如圖 1所示和美國專利6，489，636所描述的；或者直接在藍(lán)寶石襯底上生長含銦成核層2，如圖 1所示和英國專利申請GB 2 338 107 A所描述的。然而，在聚結(jié)GaN上生長的^iGaN區(qū)典型地不會(huì)有效地松弛(relax)因而提供應(yīng)變和相關(guān)缺陷的有效減小，該方法被描述于英國專利申請GB 2 338 107 A中，其包括直接在藍(lán)寶石上生長的含銦成核層給器件層造成了一個(gè)或更多問題，包括高位錯(cuò)密度、粗糙表面以及高雜質(zhì)(比如碳和氧)濃度。因而，必要的是不僅控制器件層中的應(yīng)變而且要控制位錯(cuò)密度和表面粗糙度。
另一種控制諸如圖1所示的常規(guī)GaN模板中的應(yīng)變的方法是控制GaN模板中的位錯(cuò)(dislocation)密度，如在 B5ttcher 等^MApplied Physics Letter 第 78 卷第 1976-1978頁(2001)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。在這個(gè)方法中，a_晶格常數(shù)隨著線位錯(cuò)密度(TDD)的增大而增大。雖然a_晶格常數(shù)和線位錯(cuò)密度之間的確切關(guān)系取決于許多因素，包括Si濃度、生長溫度以及模板厚度，但是常規(guī)GaN模板中a-晶格常數(shù)和線位錯(cuò)密度之間的近似關(guān)系可以被描述為ain_plane = 3. 1832 + 9. 578X 1(T13*TDD(3)根據(jù)等式(3)要注意，3. 189A的面內(nèi)a-晶格常數(shù)對應(yīng)于大約6 X IO9 cm —2的線位錯(cuò)密度。雖然能夠利用不同的Si濃度、不同的生長溫度或者不同的模板厚度以較低的線位錯(cuò)密度獲得這個(gè)晶格常數(shù)，但是發(fā)明人觀察到晶格常數(shù)大于3. 189A的常規(guī)GaN模板通常具有至少2X IO9 cm —2的線位錯(cuò)密度。通過改變諸如圖1中的常規(guī)GaN模板的線位錯(cuò)密度， 發(fā)明人已將常規(guī)GaN模板中的面內(nèi)a-晶格常數(shù)在從大約3. 1832A到大約3. 1919A的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。
雖然增加線位錯(cuò)密度因而通常在增加常規(guī)GaN模板中的面內(nèi)a_晶格常數(shù)方面是有效的，但是這種方法有若干缺點(diǎn)。例如，諸如位錯(cuò)的缺陷作為非輻射復(fù)合中心，這會(huì)降低III"氮化物發(fā)光器件的外量子效率，如在Koleske等M、Applied Physics Letter第81 卷第1940-1942頁(2002)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。因此，期望的是減小位錯(cuò)密度以便增加外量子效率。而且，當(dāng)在常規(guī)GaN模板中面內(nèi)a_晶格常數(shù)接近和超過大約3. 189A時(shí)，GaN層由于過度張應(yīng)力而容易破裂，如在Romano等尺飽Journal of Applied 第87卷第7745-7752頁(2000)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。因此，期望的是打破晶格常數(shù)和位錯(cuò)密度之間的這種關(guān)系，這是通過二元組分的GaN模板進(jìn)行管制的。特別地，獲得低應(yīng)變的有源層以及低線位錯(cuò)密度的模板是增加外量子效率和πι-氮化物L(fēng)ED波長的重要目標(biāo)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，器件層所生長的模板基本是無破裂的并且結(jié)合了高達(dá)3. 200A的面內(nèi)a-晶格常數(shù)和低于2X IO9 cm —2的線位錯(cuò)密度。在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體發(fā)光器件的器件層生長在結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)在本文中被稱為模板，包含用于控制器件層中的晶格常數(shù)(以及因此應(yīng)變)的元件。增加器件中的晶格常數(shù)的結(jié)構(gòu)可以引起不期望增加的表面粗糙度或者增加的線位錯(cuò)密度，因而該模板還可以包括用于控制器件層中(尤其是發(fā)光區(qū)中)線位錯(cuò)密度和表面粗糙度的元件。該模板設(shè)定模板上半導(dǎo)體層的線位錯(cuò)密度和晶格常數(shù)。該模板用作從GaN的晶格常數(shù)到與發(fā)光層的體晶格常數(shù)更接近匹配的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)過渡。與常規(guī)模板上生長的器件中可得到的晶格常數(shù)相比，由模板設(shè)定的晶格常數(shù)能夠與器件層的體晶格常數(shù)更接近匹配，導(dǎo)致與常規(guī) GaN模板上生長的器件中相比在可接受的線位錯(cuò)密度和表面粗糙度時(shí)應(yīng)變更小。上面所涉及的器件層包括夾在至少一個(gè)η型層和至少一個(gè)ρ型層之間的至少一個(gè)發(fā)光層。不同組分和摻雜濃度的附加層可以被包含在η型區(qū)、發(fā)光區(qū)和ρ型區(qū)中的每一個(gè)中。例如，η型區(qū)和P型區(qū)可以包括相反導(dǎo)電類型的層或者非故意摻雜的層、為便于后面剝離生長襯底或在襯底去除后減薄半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的剝離層(release layer)、以及針對為發(fā)光區(qū)高效發(fā)射光所需的特定光學(xué)或電學(xué)屬性而設(shè)計(jì)的層。在一些實(shí)施例中，夾住發(fā)光層的η型層可以是模板的一部分。在下面描述的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)發(fā)光層中的InN組分可以很低以致器件發(fā)射藍(lán)光或UV光，或者很高以致器件發(fā)射綠光或較長波長的光。在一些實(shí)施例中，器件包括一個(gè)或多個(gè)量子阱發(fā)光層。多個(gè)量子阱可以由阻擋層進(jìn)行分離。例如，每個(gè)量子阱可以具有大于15Α的厚度。在一些實(shí)施例中，器件的發(fā)光區(qū)是單個(gè)厚發(fā)光層，其厚度在50和600Α之間，更優(yōu)選地在100和250Α之間。最優(yōu)厚度可能取決于發(fā)光層內(nèi)的缺陷數(shù)量。發(fā)光區(qū)中的缺陷濃度優(yōu)選地限制為小于IO9 cm—2，更優(yōu)選地限制為小于IO8 cm—2，更優(yōu)選地限制為小于IO7 cm_2， 且更優(yōu)選地限制為小于IO6 cm_2。在一些實(shí)施例中，器件中的至少一個(gè)發(fā)光層利用諸如Si的摻雜劑被摻雜成 IXio18 cm_3和1X102° cm_3之間的摻雜濃度。Si摻雜可以影響發(fā)光層中的面內(nèi)a晶格常數(shù)，可能進(jìn)一步減小發(fā)光層中的應(yīng)變。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該模板包括至少一個(gè)低溫InGaN層。已觀察到壓會(huì)影響InGaN薄膜中銦的引入，如在Bosi和Fornari飽Journal of Crystal Growth第265卷第434-439頁(2004)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。各種其它參數(shù)，比如生長溫度、生長壓力、生長速率以及NH3流量，也會(huì)影響InGaN薄膜中銦的引入，如在Oliver等人飽 Journal of Applied Physics 第 97 卷第 013707-1-013707-8 頁(2005)中所部分地描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考?？勺兊腍2流量因而有時(shí)被用作一種控制InGaN或AlInGaN 薄膜中的InN組分的手段。在一些實(shí)施例中，因此在模板生長期間利用流到反應(yīng)器內(nèi)的可變H2流量、可變隊(duì)流量或可變NH3流量中的一個(gè)或多個(gè)來生長本文所描述的模板。在其他實(shí)施例中，在模板生長期間利用可變溫度或可變壓力或者可變生長速率來生長模板。在另一些實(shí)施例中，在模板生長期間利用可變壓流量、可變隊(duì)流量、可變NH3流量、可變溫度、可變壓力或者可變生長速率中的一個(gè)或多個(gè)的任意組合來生長模板。
圖2說明了本發(fā)明的第一實(shí)施例。常規(guī)低溫成核層22直接生長在藍(lán)寶石襯底20 的表面上。成核層22典型地是在400和750°C之間的溫度下生長到厚度例如高達(dá)500埃的低質(zhì)量非單晶層，比如無定形的、多晶的或立方相的GaN層。
第二層沈也在低溫下生長到成核層22上。低溫層沈可以例如是在400和750°C 之間、更優(yōu)選在450和650°C之間、更優(yōu)選在500和600°C之間的溫度下生長到厚度例如高達(dá)500埃的低質(zhì)量非單晶層，比如無定形的、多晶的或立方相的III-氮化物層。在一些實(shí)施例中，低溫層沈小于300埃厚。低溫層26可以例如是InGaN層，其InN組分大于0%且往往小于20%、更優(yōu)選地在3%和6%之間、更優(yōu)選地在4%和5%之間。在一些實(shí)施例中， 低溫層沈中的InN組分很小，例如小于2%。該結(jié)構(gòu)可以在生長成核層22后但在生長低溫層26前、在生長低溫層沈后進(jìn)行退火或者在這兩個(gè)時(shí)間都進(jìn)行退火。例如，該結(jié)構(gòu)可以在950和1150°C之間的溫度下退火30秒到30分之間，通常在H2和NH3 ;N2和NH3 ；或者H2, N2和NH3的環(huán)境中。在一些實(shí)施例中，Ga、Al或h前驅(qū)物(precursor)可以在至少部分退火過程期間被引入。然后在低溫層沈上生長器件層10。低溫層沈可以將器件層10的晶格常數(shù)擴(kuò)展超過利用諸如常規(guī)GaN模板的常規(guī)成核層結(jié)構(gòu)可獲得的晶格常數(shù)范圍。晶格常數(shù)的擴(kuò)展是因?yàn)榈蜏貙?6生長得與底層(underlying layer)不相稱而發(fā)生的，而后者是由于GaN成核層具有與其生長其上的藍(lán)寶石或SiC或者其它襯底不同的晶格常數(shù)所致。因而，如上所述，低溫層26用作從成核層22的晶格常數(shù)到更大晶格常數(shù)的過渡。利用如圖2 所示的低溫化6鄉(xiāng)層沈的III-氮化物器件可以生長的質(zhì)量要比利用直接在襯底上生長的含InN成核層2的III-氮化物器件高，后者例如如圖1所示并且描述于英國專利申請GB 2 338 107 A 中。
在一些實(shí)施例中，低溫層沈可以由AlGaN或AUnGaN而不是InGaN組成，以致低溫層26降低由成核層22建立的晶格常數(shù)以便降低UV器件的AKiaN發(fā)光區(qū)中的拉伸應(yīng)變。 這種器件的發(fā)光有源層可以例如是AlGaN或AUnGaN。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，圖2所示的器件可以包括一個(gè)或更多個(gè)多層堆。多層堆的示例包括多個(gè)成核層22或多個(gè)低溫層26。例如，一個(gè)或更多附加GaN成核層可以設(shè)置在襯底20和InGaN低溫層沈之間，如圖3所示?？蛇x地，多個(gè)InGaN低溫層沈可以在成核層22之后生長，如圖4所示。在包括具有多層堆的模板的器件的另一示例中，GaN低溫層22后面是InGaN低溫層沈的序列可以被重復(fù)一次或更多次，如圖5所示。多個(gè)成核層或低溫層的使用可以減小器件中的線位錯(cuò)密度和堆疊缺陷(stacking fault)密度。
在一些實(shí)施例中，圖4或圖5中的多個(gè)低溫層沈可以具有不相等的InN組分、或不相等的厚度，如由圖6中的多個(gè)低溫層32、34和36所示。圖6所示的結(jié)構(gòu)可以直接生長在常規(guī)襯底20上或者在成核層22上，如圖2所示。最接近襯底的低溫層即層32可以具有最高的銦組分，而離襯底最遠(yuǎn)的低溫層即層36可以具有最低的銦組分。在另一實(shí)施例中，最接近襯底的低溫層即層32可以具有最低的銦組分，而離襯底最遠(yuǎn)的低溫層即層36可以具有最高的銦組分。可選地，可以使用低溫層的任意序列?？梢栽陧敳康蜏貙由闲纬蒅aN 蓋層38。每個(gè)低溫層不必是相同厚度。例如，較低銦組分的層可以比較高銦組分的層更厚。 可以使用多于或少于圖6所示的三個(gè)低溫層。另外，圖6所示的低溫層的多個(gè)堆可以被包含在器件中。每個(gè)這些層的厚度都可以從10埃變化到1000埃或更大厚度。在生長一個(gè)或多個(gè)層32、34、36或38后，可以退火圖6所示的結(jié)構(gòu)一次或多次。這個(gè)退火過程可以使InGaN低溫層32、34或36與GaN蓋層38相互混合以形成如圖7所示的單個(gè)InGaN區(qū)35，在該InGaN區(qū)35上生長器件層10。圖6中的GaN蓋層38可以減少退火期間被趕出InGaN低溫層32、34和36的hN量。退火的條件被選擇成使得最終結(jié)構(gòu)具有光滑表面和低缺陷密度。在一些實(shí)施例中，該退火包括生長暫停。例如，該結(jié)構(gòu)可以在950 和1150°C之間的溫度下退火30秒到30分之間。在生長低溫層32、34和36后，溫度可以升高到蓋層38或待生長的下一層的生長溫度，于是在生長蓋層38或下一層之前存在生長暫停。在另一些實(shí)施例中，退火僅僅是在生長低溫層32、34和36后將生長反應(yīng)器中的溫度增加到蓋層38的生長溫度。在一些實(shí)施例中，蓋層38的生長在生長反應(yīng)器中的溫度到達(dá)蓋層38的期望生長溫度前開始。在一些實(shí)施例中，蓋層38可以在與用于生長成核層22的溫度類似的低溫度下進(jìn)行生長。在低溫層32、34和36以及蓋層38的結(jié)構(gòu)中，低InN組分層可以有助于抑制在退火期間從高InN組分層中損失hN。圖3或4或5中的多層堆或者圖6中的漸變含hN層32、34及36以及圖7中的漸變含InN層35可以替代本文所描述的任一實(shí)施例中所示的單個(gè)低溫層26。如本文所用的，術(shù)語“漸變”在描述器件中的一層或多層中的組分或摻雜濃度時(shí)意指涵蓋任何以除了組分和/或摻雜濃度的單個(gè)階梯之外的任何方式實(shí)現(xiàn)組分和/或摻雜濃度的變化的結(jié)構(gòu)。每個(gè)漸變層可以一堆子層，每個(gè)子層具有與和其相鄰的每一子層不同的摻雜濃度或組分。如果這些子層具有可分辨的厚度，則漸變層是階梯漸變層。在一些實(shí)施例中，階梯漸變層中的這些子層的厚度可以從幾十埃變化到幾千埃。在各個(gè)子層的厚度接近零的極限時(shí)，漸變層是連續(xù)漸變區(qū)。構(gòu)成每個(gè)漸變層的這些子層能夠被布置為形成組分和/或摻雜濃度相對厚度的各種分布，包括但不限于線性漸變、拋物線漸變和冪律漸變。而且，漸變層不限于單個(gè)漸變分布，而是可以包括具有不同漸變分布的部分以及具有基本恒定組分和/或摻雜濃度區(qū)的一個(gè)或更多部分。在一個(gè)示例中，層32、；34和36可以由InGaN組成，其InN組分分別為9%、6%和 3%。在另一示例中，層32、；34和36可以具有9%、3%和9%的InN組分。在退火后，圖7 中的混合區(qū)35的InN組分可以從底部到頂部單調(diào)降低、從底部到頂部單調(diào)增加、或者以非單調(diào)方式改變。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體發(fā)光器件的器件層生長在模板上，該模板包括在高溫層上生長的至少一個(gè)低溫層。例如，高溫層可以建立低線位錯(cuò)密度和光滑表面形貌， 而低溫層為生長在模板上的層建立擴(kuò)展的晶格常數(shù)。晶格常數(shù)的擴(kuò)展是因?yàn)榈蜏貙?6生長得與底層不相稱而發(fā)生的，而后者是由于GaN成核層具有與其生長其上的藍(lán)寶石或SiC 或者其它襯底不同的晶格常數(shù)所致。圖8是這種器件的一部分的橫截面視圖。在圖8所示的器件中，高溫層M生長在成核層22上，該成核層22與上面關(guān)于圖 2所描述的成核層22相同。高溫層M可以例如是在900和1150°C之間的溫度下生長到厚度至少500埃的高質(zhì)量晶體GaN、 ( N、A aN或AlInGaN層。
在生長高溫層M后，使溫度下降并生長低溫層26。在一些實(shí)施例中，低溫層沈以 0. 1和10 A/s之間、更優(yōu)選小于5 A/s、更優(yōu)選0. 5和2 A/s之間的生長速率來生長，以避免不期望的粗糙表面。低溫層26可以例如是在400和750°C之間、更優(yōu)選在450和650°C 之間、更優(yōu)選在500和600°C之間的溫度下生長到厚度例如高達(dá)500埃的低質(zhì)量非單晶層， 比如無定形的、多晶的或立方層。在較高溫度下，低溫層沈可能復(fù)制底層的晶格常數(shù)，而不是如所期望的那樣松弛或建立其自己的晶格常數(shù)。低溫層沈在足夠低的溫度下進(jìn)行生長以使其不復(fù)制高溫層M的晶格常數(shù)；相反，低溫層26可以具有比高溫層M的晶格常數(shù)更大的晶格常數(shù)，這可能是由于低溫層26的較差質(zhì)量所致。低溫層沈可以例如是InN組分在1 %和20 %之間、更優(yōu)選地在3 %和6 %之間、更優(yōu)選地在4 %和5 %之間的InGaN層。低溫層26用作從GaN成核層22的晶格常數(shù)到與器件的發(fā)光層的體晶格常數(shù)更接近地匹配的較大晶格常數(shù)的過渡。
在一些實(shí)施例中，高溫層M和低溫層沈的生長溫度之間的差為至少300°C、更優(yōu)選地至少450°C、且更優(yōu)選地至少500°C。例如，高溫層M可以在900和1150°C之間的溫度下生長，而低溫層沈可以在450和650°C之間的溫度下生長。
由于在本發(fā)明的不同實(shí)施例中用于生長層沈的低生長溫度，低溫層沈可以具有高的碳含量。在一些實(shí)施例中，低溫層沈中的碳含量在IXlO18 cm —3和1X102° cm —3之間、往往在IXlOw cm —3和IXlO19 cm_3之間。相比而言，高溫層M中的碳含量通常小于 5X IO17 cm — 3、更優(yōu)選地小于IX IO17 cm —3、更優(yōu)選地小于1 X IO16 cm — 3。由于高的碳濃度， 低溫層沈可以吸收由有源層發(fā)射的光。在優(yōu)選實(shí)施例中，低溫層沈的厚度因而受限于小于1000 A、更優(yōu)選地小于500 A、且更優(yōu)選地小于300 Ao
同樣由于低生長溫度、晶格失配和熱膨脹失配，低溫層沈可以具有諸如堆疊缺陷、位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)線之類的缺陷的高濃度，這些缺陷位于低溫層沈和直接生長在低溫層沈上的層之間的界面處或該界面附近或者位于低溫層沈和低溫層沈生長其上的層之間的界面處或該界面附近。這些缺陷往往大致平行于襯底20和成核層22之間的生長界面進(jìn)行定向。這些面內(nèi)缺陷的密度對低溫層沈和生長在低溫層沈上的層的應(yīng)變松弛有貢獻(xiàn)。注意， 這些面內(nèi)缺陷的濃度不必與上面關(guān)于等式(3)所描述的線位錯(cuò)密度有關(guān)。在給定高溫層24 中，通過透射電子顯微鏡(TEM)沒有觀察到與生長界面平行的堆疊缺陷或位錯(cuò)，這表明與生長界面平行的堆疊缺陷或位錯(cuò)的密度低于TEM的檢測極限，其典型地大約為IXlO2 cm—、 對于幾千埃量級的TEM樣品厚度，InGaN低溫層沈的TEM圖像揭示了與生長界面平行的許多位錯(cuò)，這表明與生長界面平行的位錯(cuò)密度至少為IXlO2 cm—\更可能IXlO3 cm—\且更可能IXlO4 cm —\在一些實(shí)施例中，與生長界面平行的位錯(cuò)密度在IXlO2 cm—1和IXlO7 CnT1之間。
在一些實(shí)施例中，低溫層沈可以以如下方式進(jìn)行生長使低溫層沈在生長平面內(nèi)是不連續(xù)的，即低溫層可以具有使其非平坦或不連續(xù)的有意或無意特征。這種有意特征的示例可以包括使用一類涉及橫向過生長的技術(shù)中的一種或更多種。這些技術(shù)用各種術(shù)語來提及，包括外延橫向過生長(EL0或EL0G)、端面控制的外延橫向過生長(FAELO)和 Pendeo 夕卜延(PE),如在 Hiramatsu 飽 Journal of Physics -Condensed Matter 第 13 卷第 6961-6975頁(2001)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。這種無意特征的示例可以包括存在與低溫πι-氮化物層的上表面相交的V形缺陷(通常稱為“凹陷”)、大表面階梯、以及低溫層沈中的或者低溫層沈之下的一層或多層中的其他缺陷。使用這些有意橫向過生長技術(shù)或無意技術(shù)中的一種或更多種可以將缺陷區(qū)的橫向范圍(extent)限制為模板的小部分或許多小部分，同時(shí)模板的橫向過生長可以維持由低溫層26建立的大晶格常數(shù)。
在一些實(shí)施例中，器件層直接生長在圖8的低溫層沈上。在另一實(shí)施例中，附加高溫層觀可以生長在低溫層沈上，復(fù)制由低溫層沈所建立的晶格常數(shù)，如圖9所示。高溫層28可以例如是feiN、InGaN, AlGaN或AUnGaN。在一些實(shí)施例中，高溫層28是在800 和1000°C之間的溫度下生長到厚度在500和10，000埃之間的InGaN。高溫層28中的InN 組分通常小于低溫層沈中的InN組分，并且可以例如在0. 5%和20%之間、更優(yōu)選地在3% 和6%之間、更優(yōu)選地在4%和5%之間。
低溫層沈意欲增加后續(xù)生長層的晶格常數(shù)，而高溫層28意欲消除或填充凹陷、大表面階梯、以及低溫層26中的其他缺陷。高溫層觀提供高質(zhì)量基體，在該基體上生長后續(xù)層。低溫層沈的InN組分相對較高，以便盡可能多地?cái)U(kuò)展晶格常數(shù)，而高溫層觀的InN組分相對較低，以便生長一個(gè)期望高質(zhì)量的層。圖9所示的器件可以包括在襯底和器件層之間的多組低溫層26和高溫層觀。通過將低溫層沈中的InN組分從最靠近襯底的低溫層 26中的最低InN組分增加到最靠近器件層的低溫層沈中的最高InN組分，每組的晶格常數(shù)可以被小量地?cái)U(kuò)展。當(dāng)晶格常數(shù)擴(kuò)展時(shí)，還可以增加InN組分，在該hN組分下可以生長可接受高質(zhì)量的高溫層觀。因而，高溫層觀中的InN組分可以從最靠近襯底的高溫層觀中的最低InN組分增加到最靠近器件層的高溫層觀中的最高InN組分。雖然增加層沈中的 MN組分是一種增加層觀的MN組分的方法，但是可以通過其他方法而不用增加層沈中的 InN組分來增加層觀的組分。在圖10所示的另一實(shí)施例中，來自圖8的高溫層M可以與圖9中的高溫層觀結(jié)合使用。
在圖11所示的另一實(shí)施例中，首先生長低溫成核層22、然后是高溫層24，如上面關(guān)于圖8所描述的。第二高溫層30生長在高溫層M上，低溫工⑷鄉(xiāng)層沈生長在層30上。 高溫層28然后生長在低溫層沈上，器件層10生長在高溫層28上。可選地，在圖11中可以省略高溫層觀，器件層10可以直接生長在低溫^^鄉(xiāng)層沈的頂部上。
高溫層30可以例如是具有低hN組分(例如小于5%)的、在900和1000°C之間的溫度下生長到厚度在500和10，000埃之間的InGaN層。高溫層30通常是一種具有比高溫層M的晶格常數(shù)更大的體晶格常數(shù)的材料。結(jié)果，低溫層26和后續(xù)生長的高溫層觀的面內(nèi)晶格常數(shù)可能大于在低溫層26直接生長在高溫層M上的情況下可獲得的面內(nèi)晶格常數(shù)。
在一些實(shí)施例中，圖11中的高溫層30和28由InGaN組成。在一個(gè)這種實(shí)施例中， 與高溫層30相比，高溫層觀可以用環(huán)境中更少的壓或者在更低溫度下進(jìn)行生長，在這種情況下高溫層觀可以具有比高溫層30更高的InN組分。例如，高溫層30和低溫層沈的生長溫度之間的差可以為至少350°C、更優(yōu)選地至少400°C、且更優(yōu)選地至少450°C。相比而言，低溫層沈和高溫層28的生長溫度之間的差可以為至少250°C、更優(yōu)選地至少300°C、且更優(yōu)選地至少350°C。在另一實(shí)施例中，與高溫層30相比，高溫層觀可以用更多氏或者在更高溫度下進(jìn)行生長，在這種情況下高溫層觀可以具有比高溫層30更低的InN組分。在另一實(shí)施例中，高溫層觀可以在與高溫層30基本相同的條件下進(jìn)行生長，或者高溫層28可以具有與高溫層30基本相同的組分。在每個(gè)這些實(shí)施例中，低溫工⑷鄉(xiāng)層沈?qū)?huì)干擾高溫層M的晶格常數(shù)并且擴(kuò)展后續(xù)生長層的晶格常數(shù)，因此高溫層觀將具有比高溫層30 更大的面內(nèi)晶格常數(shù)。在該結(jié)構(gòu)的一些實(shí)施例中，低溫層沈可以建立大晶格常數(shù)而高溫層觀可以建立光滑表面。如果低溫層沈的面內(nèi)晶格常數(shù)顯著大于高溫層觀的體晶格常數(shù)，則高溫層觀可能處于顯著的拉伸應(yīng)變，如等式(1)所定義的，并且這一拉伸應(yīng)變可以通過在高溫層18 中或附近形成破裂或其他缺陷而得到部分松弛。這種影響是不期望的，因?yàn)槠屏褧?huì)使器件的電學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性降級，以及層觀中的破裂或其他結(jié)構(gòu)缺陷可能減小層觀中的晶格常數(shù)并且增加有源區(qū)中的壓縮應(yīng)變。在器件的一些實(shí)施例中，因此優(yōu)選的是在襯底20和器件層10之間生長附加層。在一個(gè)這種實(shí)施例中，高溫層31可以設(shè)置在低溫層沈和高溫層觀之間，如圖12所示。在這個(gè)實(shí)施例中，高溫層31的生長溫度可以高于低溫層沈的生長溫度但低于高溫層28的生長溫度。高溫層28和31每個(gè)都可以例如是在800和1000°C之間的溫度下生長到厚度在500和10，000埃之間的InGaN。每個(gè)高溫層中的InN組分可以例如是在0. 5%和20%之間、更優(yōu)選地在3%和6%之間、更優(yōu)選地在4%和5%之間?？蛇x地，高溫層28和31可以在基本相同的溫度下進(jìn)行生長，但高溫層31可以通過環(huán)境中比生長高溫層28所用的吐更少的吐來生長。在這種情況下，高溫層31可以具有比高溫層28更高的InN組分?？蛇x地，高溫層31可以比高溫層28在更高溫度下或者利用更多H2來生長，在這種情況下高溫層31可以具有比高溫層觀更低的InN組分。在另一實(shí)施例中，兩個(gè)以上的不同層可以生長在低溫層沈和器件層10之間。圖 13示出了這個(gè)實(shí)施例的一個(gè)示例，其中交替的富InN和貧InN材料層被包含在低溫層沈和器件層10之間的多層堆中。注意，圖13中的多層堆可以生長在圖2的成核層22上或者生長在圖10的高溫層M上。盡管圖13說明了三組富InN層和貧InN層，但是可以使用更多組或更少組。富銦層60、62和64可以例如是InGaN或Al InGaN。貧銦層61、63和65可以例如是GaN,InGaN或AlInGaN0層60、62和64可以具有3% InN組分，而層61、63和65可以具有0.5% InN組分。任選的蓋層67可以生長在頂部的貧InN層65上，然后器件層10生長在蓋層67 上或在頂部的貧InN層65上。蓋層67可以例如是GaN或hGaN。在另一實(shí)施例中，頂部的貧銦層可以被省略并且器件層直接生長在頂部的貧銦層，比如層60、62或64上。在本器件的另一實(shí)施例中，圖13的多層堆可以利用熱循環(huán)生長或退火來形成，如 Itoh 等MUpplied Physics Letter 第 52 卷第 1617-1618 頁(1988)中所描述的，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。熱循環(huán)生長用來生長具有良好表面形貌的器件，且該器件的器件層中的a-晶格常數(shù)大于可從常規(guī)GaN模板上的生長所得到的a_晶格常數(shù)。熱循環(huán)生長過程涉及生長諸如InGaN的外延層，接著是高溫生長或者退火步驟。在生長層60、61、62、63、64和65之后，生長可以通過停止某些前驅(qū)物氣體比如Ga、 Al和h前驅(qū)物的流動(dòng)而暫停，接著該結(jié)構(gòu)可以通過繼續(xù)N前驅(qū)物(往往是NH3)的流動(dòng)進(jìn)行退火，同時(shí)將溫度保持或升高持續(xù)預(yù)定的時(shí)間量。當(dāng)把溫度調(diào)整到下一層的生長溫度時(shí)開始下一層的生長，并且如果必要的話引入適當(dāng)?shù)那膀?qū)物。典型的退火條件包括在H2和NH3 的環(huán)境下、1000°C、持續(xù)5分鐘。隊(duì)也可以被添加到環(huán)境中或者可以從環(huán)境中去除吐以便防止InGaN層的過度分解。可選地，可以在這些高溫步驟和溫度上升(ramp)期間繼續(xù)生長。與在生長每層后未經(jīng)退火的器件相比，在生長每層后的退火可以改善表面形貌，但在生長貧 N層61、63和65后的退火可能導(dǎo)致形成額外的位錯(cuò)或位錯(cuò)環(huán)，這可以松弛貧InN層中的一些應(yīng)變以使得不再把這些層變形為富hN層的較大a-晶格常數(shù)，導(dǎo)致模板具有低于期望的晶格常數(shù)。
可選地，該結(jié)構(gòu)僅在生長富InN層60、62和64中的一些或全部之后或者在生長貧 InN層61、63和65中的一些或全部之后才進(jìn)行退火。僅在生長貧InN層61、63和65之后的退火可以導(dǎo)致模板中的更高平均InN組分，原因是在任何退火步驟期間貧InN層捕獲器件中的富InN層中的更多的hN。在另一實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)可以在生長每層后進(jìn)行退火，其中在生長富InN層后所用的退火條件不同于在生長貧InN層后所用的退火條件。注意，富 N層60、62和64中每層的組分或厚度不必相等。類似地，貧銦層61、63和65中每層的組分或厚度不必相等。
在另一實(shí)施例中，漸變InGaN層59可以設(shè)置在低溫層沈和器件層10之間，如圖14 所示。漸變層59可以包括例如具有變化InN組分的一個(gè)或更多二元、三元或四元III-氮化物層。如上所述，任選的蓋層(未示于圖14中)可以設(shè)置在漸變層59和器件層10之間。 例如，漸變層59可以是InGaN層，其中組分從與低溫層沈相鄰的最高InN組分11%線性漸變到與器件層10相鄰的最低MN組分3%。在另一示例中，漸變層59可以包括從與低溫層 26相鄰的高InN組分10%下至與器件層10相鄰的低InN組分0%的漸變。在又一實(shí)施例中，漸變層59可以包括從與低溫層沈相鄰的高InN組分8%下至某個(gè)中間位置處的低InN 組分0%的漸變或單個(gè)階梯、接著是回到與器件層10相鄰的較高InN組分3%的漸變或單個(gè)階梯。
在一些實(shí)施例中，圖11中的層M和30可以與圖12中的層觀和31結(jié)合使用。在另一實(shí)施例中，低溫層沈可以夾在兩個(gè)漸變^GaN層59之間，如圖14所示。在另一實(shí)施例中，任意一堆低溫層沈可以生長成散布于任意一堆高溫層或者任意一堆高溫層與低溫GaN 層之間。圖2、8、9和10所示的每個(gè)實(shí)施例可以包括漸變層、多層堆以及退火層或通過熱循環(huán)生長所生長的層，如圖3-7和圖11-14所討論的。
在一些實(shí)施例中，諸如圖12的高溫層31之類的層的特性被選擇成鎖定低溫層沈所建立的晶格常數(shù)。在一些實(shí)施例中，諸如圖12的高溫層觀之類的層的特性被選擇成改善器件中的表面形貌。
圖15和16是若干器件的作為a_晶格常數(shù)的函數(shù)的c_晶格常數(shù)的曲線圖。圖15 圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的模板事實(shí)上造成上覆層至少部分地松弛。能夠通過確定結(jié)構(gòu)的C-晶格常數(shù)和a_晶格常數(shù)來測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變狀態(tài)。在由圖15中的菱形所表示的結(jié)構(gòu)中，厚高溫GaN層3生長在GaN成核層2上，如圖1所示，其中改變成核層2和高溫GaN層 3的生長條件以便改變線位錯(cuò)密度以及因此改變GaN中的面內(nèi)a_晶格常數(shù)，如先前關(guān)于等式(3)所討論的。此類改變線位錯(cuò)密度的方法被描述于Figge等人的/oara^ of Crystal Growth第221卷第沈2_266頁(2000)中，該文獻(xiàn)并入本文以供參考。由圖15中的菱形所表示的結(jié)構(gòu)因此具有變化的線位錯(cuò)密度和a-晶格常數(shù)，與等式(3)相一致。在由圓圈所表示的結(jié)構(gòu)中，厚高溫GaN層生長在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的低溫InGaN層上。根據(jù)彈性理論，III-氮化物材料中的C-晶格常數(shù)和晶格常數(shù)是反相關(guān)的，這由菱形所表示的結(jié)構(gòu)圖示，它們所有都落在圖15所示的對角線附近。與菱形所表示的結(jié)構(gòu)相比，圓圈所表示的結(jié)構(gòu)每個(gè)都位于對角線之下，意味著這些結(jié)構(gòu)的C-晶格常數(shù)小于由菱形所表示的結(jié)構(gòu)的 C-晶格常數(shù)。圓圈所表示的結(jié)構(gòu)的較小C-晶格常數(shù)表明這些結(jié)構(gòu)中的厚高溫GaN層是在拉伸應(yīng)變下生長的，指示高溫GaN層的a-晶格常數(shù)被拉伸以匹配底下至少部分松弛的低溫 InGaN層沈的a_晶格常數(shù)。就給定a_晶格常數(shù)而言，圓圈所表示的結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出比菱形所表示的結(jié)構(gòu)更低的線位錯(cuò)密度，指示本發(fā)明打破了在常規(guī)GaN模板中所觀測的a-晶格常數(shù)和線位錯(cuò)密度之間的權(quán)衡，如先前在等式(3)中所量化的。圖16是針對本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的若干層所觀測的C-晶格常數(shù)和晶格常數(shù)的曲線圖。圖16中的閉圓圈表示圖9中的層28，而圖16中的開圓圈表示圖13中的一個(gè)或更多富銦層，菱形符號表示圖13中的一個(gè)或更多貧銦層或蓋層。圖16中的實(shí)對角線對應(yīng)于圖15中先前所示的實(shí)對角線，并且表示關(guān)于諸如圖1所示結(jié)構(gòu)的GaN模板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而虛對角線是實(shí)線向外到較大晶格值的外插。如圖16所示，富銦層60的C-晶格常數(shù)和晶格常數(shù)兩者與由圖15中的菱形符號所示的常規(guī)GaN模板的數(shù)據(jù)相比都是很大的。形成在富銦層60上的貧銦層61或蓋層67的C-晶格常數(shù)和a-晶格常數(shù)小于富銦層60的晶格常數(shù)，但比圖15中針對GaN模板所觀測的最大a_晶格常數(shù)大很多，這表明根據(jù)圖13所示實(shí)施例生長的貧銦層61或蓋層67被至少部分變形(strained)為富銦層60 的較大晶格常數(shù)。注意，貧銦層61或蓋層67通常被保持足夠薄或者在足夠高的InN組分下生長以避免破裂。在貧銦層61或蓋層67上生長應(yīng)變的器件層10復(fù)制這個(gè)大于GaN的 a-晶格常數(shù)，這就減小了發(fā)光層中的應(yīng)變。上面實(shí)施例中所描述的模板因此可以具有比常規(guī)GaN模板更大的a_晶格常數(shù)，典型地常規(guī)GaN模板的a_晶格常數(shù)不大于3. 189A。在具有比3. 189A更大的面內(nèi)晶格常數(shù)的模板(諸如上面描述的一些實(shí)施例中的結(jié)構(gòu))上生長包括一個(gè)或更多發(fā)光層的器件層可以充分地減小發(fā)光層中的應(yīng)變從而允許待生長的較厚發(fā)光層具有可接受的缺陷密度和減少的旋節(jié)線分解。例如，發(fā)射藍(lán)光的InGaN 層可以具有組分Inai2Giia88N —體晶格常數(shù)為3. 23A的組分。發(fā)光層中的應(yīng)變由發(fā)光層中的面內(nèi)晶格常數(shù)(對于生長在常規(guī)GaN緩沖層上的發(fā)光層而言大約3. 189A)和發(fā)光層的體晶格常數(shù)之間的差確定，因而應(yīng)變可以表達(dá)成I (ain_pl__abulk) |/abulk，如等式(2)中所定義的。在常規(guī)Inai2GEia88N層的情況下，應(yīng)變是I (3.189 A - 3. 23 A) |/ 3.23 A，大約為 1. 23%。如果相同組分的發(fā)光層生長在較大晶格常數(shù)的模板(比如上面描述的結(jié)構(gòu))上，則可以減小或消除應(yīng)變。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，發(fā)射430 nm和480 nm之間的光的器件的發(fā)光層中的應(yīng)變可以被減小到小于1%，且更優(yōu)選地減小到小于0.5%。發(fā)射藍(lán)綠光的 InGaN層可以具有組分Lai6Giia84N,即當(dāng)生長在常規(guī)GaN緩沖層上時(shí)體晶格常數(shù)為3. 24A且應(yīng)變大約為1.7%的組分。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，發(fā)射480 nm和520 nm之間的光的器件的發(fā)光層中的應(yīng)變可以被減小到小于1. 5%，且更優(yōu)選地減小到小于1%。發(fā)射綠光的 InGaN層可以具有組分Ina2Giia8N,即體晶格常數(shù)為3. 26A的組分，導(dǎo)致當(dāng)生長在常規(guī)GaN緩沖層上時(shí)應(yīng)變大約為2. 1%。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，發(fā)射520 nm和560 nm之間的光的器件的發(fā)光層中的應(yīng)變可以被減小到小于2%，且更優(yōu)選地減小到小于1. 5%。對于圖2所示的器件，發(fā)明人生長了具有高達(dá)3. 212 A的a_晶格常數(shù)和低至 4X IO9 cm—2的線位錯(cuò)密度的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)上生長的發(fā)光層可能對于藍(lán)光發(fā)射層變形 0. 55%、對于藍(lán)綠光發(fā)射層變形0. 87%而對于綠光發(fā)射層變形1. 5%。對于圖8和10所示的器件，發(fā)明人生長了具有高達(dá)3. 196 A的a-晶格常數(shù)和低至1.5X IO9 cm_2的線位錯(cuò)密度的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)上生長的發(fā)光層可能對于藍(lán)光發(fā)射層變形1. 1%、對于藍(lán)綠光發(fā)射層變形1. 4%而對于綠光發(fā)射層變形2. 0%。對于圖9和13所示的器件，發(fā)明人生長了具有高達(dá)3. 202 A的a-晶格常數(shù)和低至1.5X IO9 cm_2的線位錯(cuò)密度的結(jié)構(gòu)，如圖16所示。在這種結(jié)構(gòu)上生長的發(fā)光層可以對于藍(lán)光發(fā)射層變形0. 87%、對于藍(lán)綠光發(fā)射層變形1. 2% 而對于綠光發(fā)射層變形1.8%。對于圖11所示的器件，發(fā)明人生長了具有高達(dá)3. 204 A的 a_晶格常數(shù)和低至1.5X IO9 cm—2的線位錯(cuò)密度的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)上生長的發(fā)光層可以對于藍(lán)光發(fā)射層變形0.8%、對于藍(lán)綠光發(fā)射層變形1. 而對于綠光發(fā)射層變形1.7%。 因此，這些示例中每個(gè)都打破了面內(nèi)晶格常數(shù)和線位錯(cuò)密度之間的關(guān)系，如先前在等式 (3)中所描述的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上面所描述的生長模板以及器件層可以生長在藍(lán)寶石或 SiC生長襯底的表面上，該表面相對藍(lán)寶石的主晶面傾斜。圖17示出了藍(lán)寶石的C-面、 m-面和a-面。III-氮化物器件往往生長在藍(lán)寶石的C-面、r-面、m-面或a-面上。在本發(fā)明的實(shí)施例中，藍(lán)寶石襯底可以被切割并拋光以使得III-氮化物器件生長于其上的生長表面以方向12相對C-面、r-面、m-面或a_面傾斜例如大于0. 1°。生長在這種襯底上的發(fā)光層可能經(jīng)受減少的旋節(jié)線分解以及發(fā)光層中減小的應(yīng)變。這種襯底可以用來生長上面描述的任一模板。
上面描述和說明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以被包含在發(fā)光器件的任一合適配置中，比如器件的觸點(diǎn)(contact)形成在器件的相對側(cè)上或者器件的兩個(gè)觸點(diǎn)形成在器件的相同側(cè)上。 當(dāng)兩個(gè)觸點(diǎn)設(shè)置在相同側(cè)上時(shí)，器件可以用透明觸點(diǎn)來形成并且被裝配成使得光也通過其上形成觸點(diǎn)的相同側(cè)來提取，或者用反射觸點(diǎn)來形成并且被裝配倒裝，其中光通過其上形成觸點(diǎn)的相對側(cè)來提取。
圖18說明了適合配置的一個(gè)示例的一部分，即從其去除了生長襯底的倒裝器件。 如上所述，器件層10包括發(fā)光區(qū)72，該發(fā)光區(qū)72包括夾在包括至少一個(gè)η型層的η型區(qū) 71和包括至少一個(gè)ρ型層的ρ型區(qū)73之間的至少一個(gè)發(fā)光層。η型區(qū)71可以是生長模板的一部分或者是單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。P型區(qū)73和發(fā)光區(qū)72的一部分被去除以形成露出部分η型區(qū)71的臺面。盡管圖18中示出了露出部分η型區(qū)71的一個(gè)通孔，但要理解可以在單個(gè)器件中形成多個(gè)通孔。N觸點(diǎn)78和ρ觸點(diǎn)76例如通過蒸發(fā)和電鍍而形成在η型區(qū)71和ρ型區(qū)73的露出部分上。觸點(diǎn)78和76可以通過空氣或絕緣層而被彼此電隔離。在形成觸點(diǎn)金屬78和76后，器件的晶片可以切成單獨(dú)器件，然后每個(gè)器件相對于生長方向被翻轉(zhuǎn)并裝配到基座84上，在這種情況下基座84的橫向范圍可以大于器件的橫向范圍，如圖18所示。 可選地，器件的晶片可以被連接到基座的晶片上、然后被切成單獨(dú)器件。基座84可以例如是諸如Si的半導(dǎo)體、金屬或者諸如AlN的陶瓷，并且可以具有電連接到ρ觸點(diǎn)76的至少一個(gè)金屬焊盤80和電連接到η觸點(diǎn)78的至少一個(gè)金屬焊盤82。觸點(diǎn)76和78與焊盤80和 82之間設(shè)置的互連(未示于圖18中)將半導(dǎo)體器件連接到基座84上。這些互連可以例如是諸如金的元素金屬或者焊料。
在裝配后，生長襯底(未示出)通過適合于襯底材料的工藝比如蝕刻或激光熔融而被去除。在裝配前后剛性底層填料(underfill)可以被提供在器件和基座84之間以支撐半導(dǎo)體層并防止襯底去除期間發(fā)生破裂。器件層10生長其上的模板75可以保持完整無缺的、被完全去除或者被部分去除，例如通過蝕刻來完成。通過去除生長襯底和任何半導(dǎo)體材料所露出的表面可以例如通過蝕刻工藝比如光電化學(xué)蝕刻或者通過機(jī)械工藝比如研磨而被粗糙化。對從其中提取光的表面進(jìn)行粗糙化可以改進(jìn)器件的光提取?？蛇x地，光子晶體結(jié)構(gòu)可以形成在該表面上。諸如熒光層的結(jié)構(gòu)85或諸如分色鏡或偏光器的本領(lǐng)域熟知的二次光學(xué)器件可以施加到發(fā)射表面。圖19是封裝后的發(fā)光器件的分解圖，如美國專利6，274，擬4更詳細(xì)所描述的。熱沉金屬塊(slug)lOO被放到注模的引線框架內(nèi)。注模的引線框架例如是圍繞提供電氣通路的金屬框架106模制的充滿塑性材料105。金屬塊100可以包括任選的反射器杯102。發(fā)光器件管芯104可以是上面實(shí)施例中描述的任一器件，經(jīng)由導(dǎo)熱子基座103而被直接或間接裝配到金屬塊100上?？梢蕴砑由w罩108，其可以是光學(xué)透鏡。詳細(xì)描述本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白，已知本公開時(shí)可以在不偏離本文所描述的創(chuàng)造性概念的精神情況下對本發(fā)明進(jìn)行修改。因此，不企圖將本發(fā)明的范圍限制為所描述和說明的特定實(shí)施例。特別的，低溫層26可以由MGaN或AlInGaN而不是InGaN 組成。對于低溫層26由AWaN組成的實(shí)施例，低溫層沈的面內(nèi)晶格常數(shù)小于成核層22的面內(nèi)晶格常數(shù)，這會(huì)降低用于短波長UV發(fā)射器的AWaN或AlhGaN層中的應(yīng)變。對于低溫層沈由AlInGaN組成的實(shí)施例，低溫層沈的面內(nèi)晶格常數(shù)或大于或小于層22的面內(nèi)晶格常數(shù)，這取決于低溫層沈中的銦-鋁比。而且，本文所公開的發(fā)明可以應(yīng)用于電子或光電子器件以及發(fā)光器件，例如包括諸如FET的晶體管或探測器。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括ΙΠ-氮化物結(jié)構(gòu)，包括第一層，其中該第一層沒有銦；在所述第一層上生長的第二層，其中該第二層是包括銦的非單晶層；在所述第二層上生長的器件層，該器件層包括在η型區(qū)和P型區(qū)之間設(shè)置的III-氮化物發(fā)光層；和在所述第二層和發(fā)光層之間設(shè)置的并且與所述第二層直接接觸的第三層，其中所述第三層是包括銦的非單晶層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第二層具有與所述第三層不同的銦組分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中所述第二層是漸變層。
全文摘要
一種器件包括III-氮化物結(jié)構(gòu)，包括第一層(22)，其中該第一層基本沒有銦；在第一層上生長的第二層(26)，其中該第二層是包括銦的非單晶層；以及在第二層上生長的器件層(10)，該器件層包括在n型區(qū)和p型區(qū)之間設(shè)置的III-氮化物發(fā)光層。減小發(fā)光器件中的應(yīng)變可以提高器件的性能。應(yīng)變可以被如下定義給定層具有與和該層相同組分的獨(dú)立式材料的晶格常數(shù)對應(yīng)的體晶格常數(shù)abulk以及與生長在所述結(jié)構(gòu)中的該層的晶格常數(shù)對應(yīng)的面內(nèi)晶格常數(shù)ain-plane。層中的應(yīng)變量是|(ain-plane-abulk)|/abulk。在一些實(shí)施例中，發(fā)光層中的應(yīng)變小于1％。
文檔編號H01L33/00GK102544286SQ201210049139
公開日2012年7月4日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者L.T.羅馬諾, N.F.加德納, P.N.格里洛特, W.K.戈茨 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