包括光抽取结构的iii-v发光器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括光抽取结构的半导体发光器件。
【背景技术】
[0002]半导体发光器件，包括发光二极管(LED)、共振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器，是目前可得到的最有效光源之一。在制造能够跨越可见光谱操作的高亮度发光器件方面目前引起关注的材料系统包括II1-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也被称作II1-氮化物材料。通常，通过用金属-有机化学气相沉积(M0CVD)、分子束外延(ΜΒΕ)或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、II1-氮化物上外延地生长不同成分和掺杂质浓度的半导体层的堆叠来制作II1-氮化物发光器件。该堆叠通常包括在衬底上形成的一个或多个更多用例如Si掺杂的η型层，在一个或多个η型层上形成的有源区(active reg1n)中的一个或更多的发光层，以及在所述有源区上形成的用例如Mg掺杂的一个或更多P型层。在N型区和P型区上形成电接触。
[0003]图1示出了在US2007/0072324中更详细描述的复合生长衬底，其以引用的方式结合到本文中。“衬底10包括主体衬底(host substrate) 12、晶种层16以及粘结主体12和晶种层16的粘结层14。...衬底10中的层由能够经受在器件中生长半导体层所需的加工条件的材料形成。例如，在通过M0CVD生长的II1-氮化物器件的情况下，在衬底10中的每一层必须能够经受超过1000°C温度的H2环境；在通过MBE生长的II1-氮化物器件的情况下，在衬底10中的每一层必须能够在真空中经受超过600°C的温度。
[0004]“主体衬底12为衬底10以及在衬底10上生长的半导体器件层18提供机械支撑。主体衬底12通常为3到500微米厚且通常厚度超过100微米。在主体衬底12保持为器件的一部分的实施例中，如果光从器件中穿过主体衬底12提取，则主体衬底12可以是至少部分地透明的。主体衬底12通常不必是单晶材料，因为器件层18不直接在主体衬底12上生长。在一些实施例中，选择主体衬底12的材料以使具有的热膨胀系数(CTE)与器件层18的CTE和晶种层16的CTE相匹配。能够经受外延层18的加工条件的任何材料都可为合适的……，包括半导体、陶瓷和金属。诸如GaAs之类的材料具有理想地接近于器件层18的CTE的CTE，但在通过M0CVD生长II1-氮化物层所需要的温度下通过升华分解，该材料可以与诸如沉积在GaAs主体和晶种层16之间的氮化娃之类的不渗透的盖层(cap layer)—起使用。
[0005]“晶种层16是器件层18在其上生长的层，因此它必须是II1-氮化物晶体在其上能够成核的材料。晶种层16可以处于约50 A和Ιμπι厚之间。在一些实施例中，晶种层16与器件层18的材料是CTE匹配的。晶种层16通常是与器件层18合理接近地晶格匹配的单晶材料。通常其上生长器件层18的晶种层16的上表面的结晶取向是纤锌矿(wurtzite)c轴。在晶种层16作为最终器件的一部分的实施例中，如果光从器件穿过晶种层16提取，那么晶种层16可以是透明的或薄的。
[0006]“一个或更多的粘结层14将主体衬底12粘结到晶种层16。粘结层14可以处于约100 A和1 μπι厚之间。适合的粘结层的例子包括S1jm Si02、SiNjm Si 3N4、Hf02、它们的混合物；金属如Mo、T1、TiN，其它合金，以及其它半导体或电介质。因为粘结层14连接主体衬底12和晶种层16，所以选择形成粘结层14的材料以在主体12和晶种16之间提供优良粘结。在一些实施例中，粘结层14是由能够被不侵蚀器件层18的蚀刻剂蚀刻的材料形成的释放层(release layer)，从而使器件层18和晶种层16从主体衬底12释放。例如，粘结层14可以是Si02，其可以用HF湿蚀刻而不会破坏II1-氮化物器件层18。在粘结层14保持作为最终器件一部分的实施例中，粘结层14优选是透明或很薄的。在一些实施例中，可以省略粘结层14，晶种层16可以直接粘附到主体衬底12上。
[0007]“通过在粘结层14上形成作为条带(stripe)或栅格(grid)而非作为单一连续层的晶种层，可以在外延层18中进一步提供应变释放。可替换地，可以形成作为单一连续层的晶种层，然后例如通过形成沟槽在适当的位置除去以提供应变释放。单一连续晶种层16可以通过粘结层14附连到主体衬底12，然后通过常规平版印刷技术(lithography)图案化以除去部分晶种层以形成条带。通过将外延层18内的位错集中在晶种层条带的边缘处，每个晶种层条带的边缘可以提供额外的应变释放。可以选择晶种层16、粘结层14和核层的组成，从而成核层材料优先在晶种层16上成核，而不是在粘结层14的由晶种层16的部分之间的空隙所暴露的部分上成核。
[0008]“在发光器件的晶片上，……晶种层16中的沟槽可以间隔开大约单个器件的宽度，例如分开几百微米或毫米。在具有图案化晶种层的复合衬底上形成的器件晶片可这样分开，使得晶种层部分的边缘不处于单独器件的发光层的下面，因为集中在晶种层边缘的位错可能导致差的性能或者可靠性问题。可替换地，在单个器件的宽度内可以形成多个沟槽，例如分开大约数微米或数十微米。可以选择在这样的衬底上的生长条件，使得在晶种层16上形成的成核层或随后的外延层在形成于晶种层16中的沟槽上接合(coalesce)，使晶片上器件的发光层形成为未被晶种层16中的沟槽中断的连续层。
[0009]“当晶种层为II1-氮化物材料时，“晶种层在生长衬底上应变生长。当晶种层16连接到主体衬底12并且从生长衬底释放时，如果在晶种层16和主体衬底16之间的连接是顺从的(compliant)，例如顺从粘结层14，则晶种层16可以至少部分地松弛。因此，尽管晶种层生长为应变层，但是可以选择组成使得在晶种层从生长衬底释放且松弛之后，晶种层的晶格常数合理地接近或匹配在晶种层上生长的外延层18的晶格常数。
[0010]“例如，当常规地在A1203上生长II1-氮化物器件时，在衬底上生长的第一层一般是具有约3.19晶格常数的GaN缓冲层。GaN缓冲层设定了在缓冲层上生长的所有器件层的晶格常数，包括通常是InGaN的发光层。因为松弛的自支撑的InGaN具有比GaN大的晶格常数，所以该发光层在GaN缓冲层上生长时是处于应变状态的。相反，……，InGaN晶种层可以在常规衬底上应变生长，然后粘结到主体，并且从生长衬底上释放，使得InGaN晶种层至少部分地松弛。在松弛之后，InGaN晶种层具有比GaN大的晶格常数。照这样，与GaN相比，InGaN晶种层的晶格常数与具有和InGaN发光层相同组成的松弛的自支撑层的晶格常数更匹配。在InGaN晶种层上生长的器件层，包括InGaN发光层，将复制InGaN晶种层的晶格常数。因此，具有松弛的InGaN晶种层晶格常数的InGaN发光层与具有GaN缓冲层晶格常数的InGaN发光层相比应变要小。减小发光层中的应变可提高器件的性能。
[0011]“为了形成具有处于所需取向的II1-氮化物晶种层的复合衬底，II1-氮化物晶种层材料可能需要附加的粘结步骤。生长在蓝宝石或Sic生长衬底上的II1-氮化物层典型地生长为C-平面纤锌矿(wurtzite)。这样的纤锌矿II1-氮化物结构具有镓面(galliumface)和氮面。II1-氮化物优先生长使得生长层的顶面是镓面，而底面(邻接生长衬底的表面)是氮面。简单地在蓝宝石或SiC上常规地生长晶种层材料，然后将该晶种层材料连接到主体并除去生长衬底将得到具有带有暴露的氮面的II1-氮化物晶种层的复合衬底。如上所述，in-氮化物优选地在镓面上生长，也就是以镓面作为顶面，因此在氮面上的生长可能不期望地将缺陷引入晶体，或者导致质量差的材料，因为晶体取向从氮面作顶面的取向转换为镓面作为顶面的取向。
[0012]“为了形成具有以镓面作为顶面的II1-氮化物晶种层的复合衬底，可以在生长衬底上常规地生长晶种层材料，然后粘结到任意合适的第一主体衬底上，然后与生长衬底分离，从而晶种层材料通过镓面粘结到第一主体衬底，通过除去生长衬底而留下暴露的氮面。然后，晶种层材料的氮面粘结到第二主体衬底10，复合衬底的主体衬底……。在粘结到第二主体衬底之后，通过适于生长衬底的技术除去第一主体衬底。在最终的复合衬底中，晶种层材料16的氮面通过可选的粘结层14粘结到主体衬底12(第二主体衬底)，使得暴露II1-氮化物晶种层16的镓面用于外延层18的生长。
[0013]“例如，在蓝宝石衬底上常规地生长GaN缓冲层，接着是将形成复合衬底晶种层的InGaN层。将InGaN层用或不用粘结层粘结到第一主体衬底。通过邻接蓝宝石的GaN缓冲层的激光熔融除去蓝宝石生长衬底，然后通过蚀刻除去由于除去蓝宝石而暴露的剩余GaN缓冲层，得到粘结到第一主体衬底的InGaN层。InGaN层可以注入材料如氢、氘或氦，以在与最终复合衬底中的晶种层的期望厚度相对应的深度形成气泡层……。可以可选地加工InGaN层以