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)的半導體發(fā)光器件。
【背景技術(shù)】
[0002]半導體發(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-有機化學氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(ΜΒΕ)或其它外延技術(shù)在藍寶石、碳化硅、II1-氮化物上外延地生長不同成分和摻雜質(zhì)濃度的半導體層的堆疊來制作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或多個更多用例如Si摻雜的η型層，在一個或多個η型層上形成的有源區(qū)(active reg1n)中的一個或更多的發(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中更詳細描述的復合生長襯底，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)受在器件中生長半導體層所需的加工條件的材料形成。例如，在通過M0CVD生長的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上生長的半導體器件層18提供機械支撐。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，因為器件層18不直接在主體襯底12上生長。在一些實施例中，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，以及其它半導體或電介質(zhì)。因為粘結(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施例中，粘結(jié)層14優(yōu)選是透明或很薄的。在一些實施例中，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中進一步提供應變釋放?？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?shù)奈恢贸ヒ蕴峁冡尫?。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)的位錯集中在晶種層條帶的邊緣處，每個晶種層條帶的邊緣可以提供額外的應變釋放?？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器件的發(fā)光層的下面，因為集中在晶種層邊緣的位錯可能導致差的性能或者可靠性問題?？商鎿Q地，在單個器件的寬度內(nèi)可以形成多個溝槽，例如分開大約數(shù)微米或數(shù)十微米?？梢赃x擇在這樣的襯底上的生長條件，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]“當晶種層為II1-氮化物材料時，“晶種層在生長襯底上應變生長。當晶種層16連接到主體襯底12并且從生長襯底釋放時，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，盡管晶種層生長為應變層，但是可以選擇組成使得在晶種層從生長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的外延層18的晶格常數(shù)。
[0010]“例如，當常規(guī)地在A1203上生長II1-氮化物器件時，在襯底上生長的第一層一般是具有約3.19晶格常數(shù)的GaN緩沖層。GaN緩沖層設定了在緩沖層上生長的所有器件層的晶格常數(shù)，包括通常是InGaN的發(fā)光層。因為松弛的自支撐的InGaN具有比GaN大的晶格常數(shù)，所以該發(fā)光層在GaN緩沖層上生長時是處于應變狀態(tài)的。相反，……，InGaN晶種層可以在常規(guī)襯底上應變生長，然后粘結(jié)到主體，并且從生長襯底上釋放，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晶種層上生長的器件層，包括InGaN發(fā)光層，將復制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)光層相比應變要小。減小發(fā)光層中的應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。生長在藍寶石或Sic生長襯底上的II1-氮化物層典型地生長為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)先生長使得生長層的頂面是鎵面，而底面(鄰接生長襯底的表面)是氮面。簡單地在藍寶石或SiC上常規(guī)地生長晶種層材料，然后將該晶種層材料連接到主體并除去生長襯底將得到具有帶有暴露的氮面的II1-氮化物晶種層的復合襯底。如上所述，in-氮化物優(yōu)選地在鎵面上生長，也就是以鎵面作為頂面，因此在氮面上的生長可能不期望地將缺陷引入晶體，或者導致質(zhì)量差的材料，因為晶體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-氮化物晶種層的復合襯底，可以在生長襯底上常規(guī)地生長晶種層材料，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，通過適于生長襯底的技術(shù)除去第一主體襯底。在最終的復合襯底中，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。
[0013]“例如，在藍寶石襯底上常規(guī)地生長GaN緩沖層，接著是將形成復合襯底晶種層的InGaN層。將InGaN層用或不用粘結(jié)層粘結(jié)到第一主體襯底。通過鄰接藍寶石的GaN緩沖層的激光熔融除去藍寶石生長襯底，然后通過蝕刻除去由于除去藍寶石而暴露的剩余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，以在與最終復合襯底中的晶種層的期望厚度相對應的深度形成氣泡層……?？梢钥蛇x地加工InGaN層以