专利名称：形成复合衬底的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成复合衬底的方法。诸如III族氮化物发光装置的半导体发光装置可生长在复合衬底上。
背景技术：
包括发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)、以及边发射激光器的半导体发光装置是当前可用的最有效的光源之一。在可跨越可见光谱而操作的高亮度发光装置的制造中，当前受关注的材料系统包括II1-V族半导体、尤其是镓、铝、铟及氮的二元、三元及四元合金，也称为III族氮化物材料。通常，通过利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延法(MBE)或其它外延技术在蓝宝石衬底、碳化硅衬底、III族氮化物衬底或其它适当衬底上外延地生长不同组分及掺杂浓度的半导体层堆叠而制造III族氮化物发光装置。该堆叠通常包括形成于该衬底上的例如用Si掺杂的一个或多个η型层，在形成于该η型层或多个η型层上的有源区中的一个或多个发光层，及形成于该有源区上的例如用M g掺杂的一个或多个P型层。电接触形成在这些η型及P型区域上。图1示出用于生长III族氮化物结构的在US2007/0072324中更详细地描述的复合衬底，US2007/0072324通过引用并入本文。衬底10包括基质衬底12、种晶层16、以及将基质12接合到种晶层16的接合层14。基质层12可为例如蓝宝石或Si，并且接合层14可为例如SiOx或SiNx。种晶层16可为例如InGaN层，该InGaN层在诸如蓝宝石的常规衬底上生长发生应变，然后接合到基质12并且在该过程中从生长衬底释放，使得InGaN种晶层至少部分地松弛。在接合层14上设置种晶层作为条纹或栅格，而非作为单个中断层，可导致进一步的应变消除。例如，种晶层16可形成为单个连续层，然后例如通过形成沟而在适当的位置移除种晶层16，以提供应变消除。III族氮化物种晶层材料可能需要附加接合步骤以便在期望的取向(orientation)上与III族氮化物种晶层形成复合衬底。生长在c_面蓝宝石或c_面SiC生长衬底上的纤锌矿III族氮化物层是典型地以C-面取向生长；例如，III族氮化物层和衬底的所谓的“c-面”彼此平行。这种C-面纤锌矿III族氮化物结构具有镓面和氮面。已熟知当生长层的顶面是III族面时III族氮化物以最高的晶体质量生长，为了语言简洁，III族面常常被称为“镓面”或“Ga面”，即使它不必须包括镓。底面(与生长衬底相邻的面)是氮面或“N-面”。例如，Masui 等人在 Japanese Journal of Applied Physics 48, 071003(2009) “Luminescence Characteristics of N-Polar GaN and InGaN Films Grown byMetal Organic Chemical Vapor Deposition”中描述了，由金属有机化学汽相沉积(M0CVD)生长的N面InGaN薄膜的发光效率小于由MOCVD生长的Ga面InGaN薄膜的发光效率。仅仅传统地在蓝宝石或SiC上生长种晶层材料，然后将该种晶层材料连接到基质并且移除生长衬底，将导致具有暴露的氮面的III族氮化物种晶层的复合衬底。III族氮化物优选地生长在镓面上，即具有镓面作为顶面，因此生长在氮面上可能不期望地将缺陷引入到晶体中，或导致低质量材料，因为晶体取向从利用氮面作为顶面的的取向变换至利用镓面作为顶面的的取向。为了利用具有镓面作为顶面的III族氮化物种晶层形成复合衬底，种晶层材料可传统地生长在生长衬底上，然后接合至任何适当的中间衬底，然后从生长衬底分离，使得种晶层材料通过镓面接合至中间衬底，留下通过移除生长衬底而暴露的氮面。种晶层材料的氮面然后结合至基质衬底12,复合衬底的基质衬底。在接合至基质衬底之后,通过适合于生长衬底的技术移除中间衬底。在最终复合衬底中，将种晶层材料16的氮面通过可选的接合层14接合至基质衬底12，使得III族氮化物种晶层16的镓面暴露用于外延装置层的生长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有111族氮化物种晶层的复合衬底。在根据本发明的实施例的方法中，III族氮化物层生长在生长衬底上。III族氮化物层连接到基质衬底。移除生长衬底。该生长衬底是非III族氮化物材料。该生长衬底具有面内晶格常数aW/iS。III族氮化物层具有体晶格常数as。在一些实施例中，[(Iaws -a
层I )/a衬底]*100%不超过1%。在一些实施例中，由于种晶层与生长衬底是密切晶格匹配的，所不需要沟以形成松驰的种晶层。此外，在一些实施例中，种晶层可利用氮面作为顶面来生长，因此，不需要两个接合步骤来形成具有镓面作为在其上生长装置结构的面的复合衬底。可使用本文中所描述的复合衬底作为III族氮化物发光装置的生长衬底。生长在根据本发明的实施例所形成的复合衬底上的III族氮化物发光装置在发光区中可具有比传统地生长的III族氮化物发光装置少的应变，并且因此可展示比传统地生长的III族氮化物发光装置更好的性能。
`图1示出现有技术复合衬底。图2示出生长在衬底上的111族氮化物种晶层。图3示出接合至基质衬底的III族氮化物种晶层。图4示出包括III族氮化物种晶层的复合衬底。图5示出生长在图4的复合衬底上的III族氮化物装置结构。图6示出薄膜倒装芯片发光装置。图7示出垂直发光装置。
具体实施例方式在图1中所示的复合衬底中，当发生应变的III族氮化物种晶层从生长衬底释放并且导致松弛时，通常在种晶层中存在如此大的应变以致平面种晶层屈曲。沟可形成在种晶层中以将种晶层划分成比屈曲波长小的岛。岛松弛而无屈曲，但是形成沟需要附加加工步骤。此外，在种晶层的岛上生长III族氮化物结构的步骤需要在多个岛上联合III族氮化物膜(这是耗时的)或生长III族氮化物材料的单独的岛(这降低在装置设计中的灵活性)。
此外，接合种晶层两次，首先接合到中间衬底，然后接合到基质衬底，以便形成III族氮化物材料生长在种晶层的镓面上的复合衬底，需要附加加工步骤并且增加种晶层的污染的可能性，这可减小产量或导致装置故障。在本发明的实施例中，复合衬底包括通过可选的接合层附接到基质衬底的III族氮化物种晶层。种晶层生长在与期望的III族氮化物种晶层晶格匹配的(或基本如此的)并且与III族氮化物种晶层具有相同的六角对称性的衬底上。由于该衬底是晶格匹配的，所以在该种晶层中的应变减小或消除，从而提高种晶层以及外延沉积在种晶层上的任何层的晶体质量。在一些实施例中，种晶层生长在具有暴露的氮面的衬底上，使得需要仅一个接合步骤来形成复合衬底，其中III族氮化物结构可生长在种晶层的镓面上。图2示出根据本发明的实施例的生长在生长衬底30上的种晶层32。半导体层可具有体晶格常数和面内晶格常数的特征。体晶格常数是与半导体层相同的组分的理论上的完全松弛层的晶格常数。面内晶格常数是所生长的半导体层的晶格常数。如果半导体层发生应变，则体晶格常数不同于面内晶格常数。生长衬底30在一些实施例中可为非III族氮化物材料，该非III族氮化物材料具有沉积的种晶层32的体晶格常数的1%内的面内晶格常数，在一些实施例中，具有沉积的种晶层32的体晶格常数的0.5%内的面内晶格常数。换言之，[(Ia衬底- a种晶I )/a衬底]*100%在一些实施例中不超过1%，并且在一些实施例中，不超过0.5%。为了本发明的实施例的目的,三元或四元AlInGaN层的体晶格常数可根据Vegard定律来估计，对于AlxInyGazN,该定律可表示为aA1IneaN=x (aA1N) +y (aInN) +z (aGaN),其中变量“a”表示每个二元材料的体晶格常数并且x+y+z=l。AlN具有3.1llA的体晶格常数，InN具有
3.544A的体晶格常数，并且GaN具有3.1885A的体晶格常数。在一些实施例中，生长衬底30具有与种晶层32类似或相同的六角基面对称性。在一些实施例中，生长衬底30基本上不会受到在种晶层32的沉积期间所经历的化学和热环境引起的侵蚀的影响。在一些实施例中，生长衬底30具有在沉积的种晶层32的面内热膨胀系数的30%以内的面内热膨胀系数。在一些实施例中，生长衬底30对于近UV辐射可为或可不为透明的。在一些实施例中，生长衬底30是单晶体或基本上是单晶体材料。在一些实施例中，生长衬底30是一般成分RAO3(MO)n的材料，其中R是三价阳离子，常常选自Sc、In、Y、以及镧系元素(原子数57-71) ;A也是三价阳离子，常常选自Fe(III)、Ga、以及Al ;M是二阶阳离子，常常选自Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn以及Cd ;并且η是彡I的整数。在一些实施例中，η ( 9，并且在一些实施例中，η < 3。在一些实施例中，RAMO4( S卩，η=1)化合物是YbFe2O4结构类型，并且RAO3(MO)n(η彡2)化合物是InFeO3(ZnO)η结构类型。用于生长衬底30和晶格匹配的InGaN种晶层32的适当的材料的示例在以下列出:
权利要求
1.一种方法，包括: 在生长衬底上生长III族氮化物层；其中 所述生长衬底是非III族氮化物材料； 所述生长衬底具有面内晶格常数aW/iS ； 所述III族氮化物层具有体晶 格常数as ;并且 [(Ia衬底- a层I )/a衬底]*100%不超过1%; 将所述III族氮化物层连接至基质衬底；以及 移除所述生长衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长衬底是ScAlMgO4，并且所述III族氮化物层是InGaN。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长衬底是RAO3(MO)n，其中R选自Sc、In、Y、以及镧系元素；A选自Fe (III)、Ga、以及Al ;M选自Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn以及Cd ;并且η是彡I的整数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物层是InGaN和AlInGaN中的一者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物层是InxGai_xN，其中0.06 < χ <0.48。
6.根据权利要求1所述的方法，其中连接包括通过布置在所述III族氮化物层与所述基质衬底之间的接合层的接合。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述接合层是非III族氮化物材料、SiOx、和SiNx中的一者。
8.根据权利要求6所述的方法，其中: 所述III族氮化物层是InGaN ； 所述接合层是SiOx;并且 所述基质衬底是蓝宝石。
9.根据权利要求1所述的方法，其中生长包括生长使得所述III族氮化物层的顶表面是所述III族氮化物层的V族面，并且所述III族氮化物层的最接近所述生长衬底的底表面是所述III族氮化物层的III族面。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述III族氮化物层上生长结构，所述结构包括布置在η型区域与P型区域之间的III族氮化物发光层。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在生长包括布置在η型区域与P型区域之间的III族氮化物发光层的结构之后移除所述基质衬底。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述生长衬底中或在所述生长衬底与所述III族氮化物层之间的界面处形成弱化区，其中移除生长衬底包括在所述弱化区处将所述III族氮化物层从所述生长衬底分离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述弱化区包括植入有H原子和N原子中的一者的区域。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述弱化区包括因使用聚焦的激光束照射而产生的多个微米级晶体缺陷或空隙。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述基质衬底是蓝宝石。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物层生长在所述生长衬底的从所述生长衬底的a (OOOl)面定向变异在-10度与10度之间的表面上。
17.根据权利要求1所述的方法，其中移除包括通过机械方法移除。
18.根据权利要求1所述的方法，其中移除包括用刀片破坏所述生长衬底与所述III族氮化物层之间的界面。
19.根据权利要求1所述的方法，其中移除包括机械研磨、在所述生长衬底与所述III族氮化物层之间施加旋转力、将第一涂有粘合剂的塑料膜附接到所述生长衬底并且将第二涂有粘合剂的塑料膜附接到包括所述III族氮化物层的半导体结构并且将所述生长衬底与所述III族氮化物层拉开、使用声能脉冲与不均匀的温度分布中的一个以破坏在所述生长衬底与所述III族氮化物层之间的界面、以及横跨所述III族氮化物层与生长衬底的表面法线施加温度梯度使得在所述III族氮化物层/生长衬底界面的平面中的热感应应力足够导致该界面的断裂。 ·
全文摘要
在根据本发明的实施例的方法中，一种III族氮化物层生长在生长衬底上。该III族氮化物层连接到基质衬底。移除该生长衬底。该生长衬底是非III族氮化物材料。该生长衬底具有面内晶格常数a衬底。该III族氮化物层具有体晶格常数a层。在一些实施例中，[(|a衬底–a层|)/a衬底]*100%不超过1%。
文档编号C30B33/06GK103180495SQ201180052885
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月26日 优先权日2010年11月2日
发明者N.F.加德纳, M.B.麦劳林, M.J.格伦德曼恩, W.戈依茨, J.E.埃普勒, Q.叶 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司