专利名称：具有曲率控制层的iii族氮化物发光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有曲率控制层的III族氮化物装置。
背景技术：
包含发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL) 和边发射激光器的半导体发光装置属于目前可获得的最高效光源。在制造能够跨过可见光谱工作的高亮度发光装置中当前感兴趣的材料体系包含III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也称为III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光装置是通过在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物、复合物或者其它合适衬底上，利用金属有机物化学气相沉积(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术外延生长不同组份和掺杂剂浓度的半导体层叠层来制作。该叠层经常包含形成于衬底上方的掺杂有例如Si的一个或多个 η型层，形成于所述一个或多个η型层上方的有源区中的一个或多个发光层，以及形成于该有源区上方的掺杂有例如Mg的一个或多个ρ型层。电学接触形成于η和ρ型区上。III族氮化物装置经常形成为倒置或倒装芯片装置，其中η和P接触都形成于半导体结构的同一侧面上，并且光从与接触相对的半导体结构的侧面被提取。图1说明了在US6，194，742中更详细描述的倒装芯片III族氮化物装置。在第 3栏第41行开始，如下描述图1中说明的装置“界面层16被添加到发光二极管或者激光二极管结构以执行应变工程和杂质吸除的任务。掺杂有Mg、Zn、Cd的Al Jr^GiimN层 (0彡χ彡1，0彡y彡1)可以用于该界面层。可替换地，当使用AlJnyGai_x_yN(X>0)时，该界面层可以是未掺杂的。界面层也可包含AlInGaN、AlInGaP和AlInGaAs的合金以及GaN、 GaP和GaAs的合金。在生长η型(GaN: Si)层18、有源区10和ρ型层22之前，界面层16 直接沉积在缓冲层14顶部上。界面层的厚度在0. 01 - 10. 0 μ m范围变化，优选厚度范围为 0. 25- LOym0缓冲层14形成于衬底12上方。衬底12可以是透明的。金属接触层24A、 24B分别沉积到ρ型层和η型层22、18。”该优选实施例使用GaN:Mg和/或AlGaN用作界面层的组份。
发明内容
本发明的目的是在III族氮化物装置中包含曲率控制层。在一些实施例中，曲率控制层可以减小生长在蓝宝石衬底上的III族氮化物膜中的弯曲数量。本发明的实施例包含一种半导体结构，其包含布置在η型区和ρ型区之间的III 族氮化物发光层。该半导体结构进一步包含生长在第一层上的曲率控制层。该曲率控制层布置在该η型区和该第一层之间。该曲率控制层具有比GaN的理论a晶格常数小的理论a 晶格常数。该第一层为基本上单晶层。
图1说明III族氮化物发光装置，其具有布置在缓冲层和η型层之间的界面层。
图2说明根据本发明实施例的III族氮化物发光装置的一部分。图3说明连接到底座的倒装芯片发光装置。
具体实施例方式III族氮化物装置经常生长在蓝宝石衬底上。生长在蓝宝石上的第一层包含任何缓冲层或成核层以及第一高质量的基本上单晶层，该第一层经常为GaN。由于GaN和蓝宝石之间的晶格和化学失配，生长在蓝宝石上的GaN发展应力。应力数量会取决于成核和合并条件。在生长该半导体结构之后，随着晶片冷却，由于与蓝宝石(7.hlO_6/K)相比之下GaN 的较小的热膨胀系数(5.6χ10_6/Κ)的原因，附加应力形成于该半导体结构中。在冷却期间出现的应力会部分地抵消由于晶格和化学失配引起的固有应力。随着生长在蓝宝石上的半导体材料的厚度增大，晶片会弯曲以部分地补偿半导体材料中的压应力，使得当从顶部，即半导体结构生长于其上的表面观看时，晶片是凸起的。 例如，具有大约几微米厚的半导体结构的装置的晶片会弯曲大约几十微米，其中该弯曲代表晶片边缘高度和中央高度之间的差异。弯曲是有问题的，因为在诸如光刻的工艺期间，弯曲数量必须被补偿。依据本发明的实施例，在III族氮化物发光装置中包含至少部分地补偿弯曲的层。图2说明根据本发明实施例的III族氮化物装置的一部分。在图2说明的装置中， GaN结构23首先生长在生长衬底(图2中未示出)上，该生长衬底可以是任何合适的生长衬底并且该生长衬底典型地为蓝宝石或SiC。GaN结构23可包含一个或多个准备层，诸如缓冲层或成核层。至少一个高质量的单晶层被包含在GaN结构23中，该单晶层经常是在高温生长的GaN或低AlN组份的AWaN。GaN结构23可包含不是GaN的III族氮化物层，诸如 hGaN、AlGaN 或 Al InGaN 层。曲率控制层25生长在GaN结构23中包含的单晶层上方。曲率控制层25为单晶层，其理论a晶格常数小于曲率控制层生长于其上的单晶层的实际a晶格常数。在一些实施例中，曲率控制层25具有比GaN的理论a晶格常数小的理论a晶格常数。在一些实施例中，曲率控制层25为AlGaN或AlhGaN。当曲率控制层25生长在GaN或者理论晶格常数比曲率控制层25大的某些其它材料(诸如具有较小AlN组份的AWaN)上时，曲率控制层25 受到张力。曲率控制层25中的张力可以至少部分地补偿GaN结构23中由于从生长温度冷却引起的由衬底感应的热压应力，从而减小装置的晶片中的弯曲数量。在没有曲率控制层的装置中，发明人观察到94 μ m的弯曲。在具有8. 5%A1N的AKiaN曲率控制层的可比装置中，发明人观察到61 μ m的弯曲。为了使曲率控制层25受张力，曲率控制层必须生长在足够高质量的层上，使得曲率控制层本身为基本上单晶层。在图1说明的装置中，界面层16直接沉积在缓冲层14上， 该缓冲层典型地为在低温生长的无定形层。如US6，194，742中描述的生长在缓冲层上的界面层16将典型地不是受应变的赝晶层，受应变的赝晶层对于该层减小弯曲而言是必需的。AlGaN曲率控制层25中的AlN组份可以例如在一些实施例中小于30%，在一些实施例中介于饥和15%，在一些实施例中介于6%和10%，在一些实施例中介于7%和9%，在一些实施例中为7. 5%，以及在一些实施例中为8. 5%。在大于10%的组份，在一些装置中发明
4人观察到曲率控制层中的掩埋开裂，这实际上增加了弯曲数量。在一些实施例中，AlInGaN 曲率控制层25中的AlN组份可以与如上所述的AKiaN曲率控制层的AlN组份相同。因为 InN的晶格常数相比之下大于GaN的晶格常数，添加InN将减小曲率控制层中张力的数量， 因而InN组份通常保持小。例如，在一些实施例中，AlInGaN曲率控制层中的InN组份可以为几个百分比的量级。在一些实施例中，AlInGaN曲率控制层中的AlN组份可以大于如上所述的AKiaN曲率控制层的AlN组份，从而至少部分地补偿由添加InN造成的张力减小。根据Vegard 定律从 AlN (3. IllA) ,GaN (3. 189A) ,InN (3. 533A)的 a 晶格常数计算的曲率控制层25的理论晶格常数在一些实施例中可以介于3. 111和3. 189A，在一些实施例中可以介于3. 165和3. 188A，在一些实施例中可以介于3. 180和3. 184A，以及在一些实施例中可以介于3. 182和3. 183A。对于Al^ι^ει^Ν层，可以根据￡tA1MaN= (ειΑ1Ν) x+(aM) y+(aGaN) (1-x-y)计算晶格常数。曲率控制层25足够厚以形成足够的张力从而减小弯曲，但是足够薄使得曲率控制层不开裂。曲率控制层可以在一些实施例中厚例如200A从而恰好低于开裂极限，在一些实施例中厚500至1500A，在一些实施例中厚0. 5至5 μ m，以及在一些实施例中厚1至2 μ m。 随着AKiaN层中AlN的组份增大，理论晶格常数减小。因此，随着AlN组份增大，AKiaN层可以生长到的没有开裂的厚度减小。曲率控制层中张力的数量，并且因此曲率控制层减小弯曲的能力，为曲率控制层的厚度和曲率控制层的理论晶格常数与曲率控制层生长于其上的层的实际晶格常数之间的差异造成的应变的乘积。为了实现指定张力数量，高度受应变的曲率控制层可以薄于受应变较小的曲率控制层。在一些实施例中，曲率控制层生长在GaN层上。这种GaN层的实际面内晶格常数可以取决于生长条件，并且可以例如在3. 184和3. 189A之间变化。对于曲率控制层生长于其上的GaN层具有比较小面内晶格常数的情形，曲率控制层的AlN组份和 /或厚度可以小于曲率控制层生长于其上的GaN层具有比较大面内晶格常数的情形。在一些实施例中，曲率控制层生长速率慢于GaN结构23。曲率控制层25通常是非故意掺杂的，不过它也可以用η型或ρ型掺杂剂掺杂。包含η型区、发光区或有源区和ρ型区的半导体结构生长在曲率控制层上方。η型区22首先生长在衬底上方。η型区22可包含不同组份和掺杂剂浓度的多个层，例如所述多个层包含准备层，诸如缓冲层或成核层，其可以是η型或者非故意掺杂的；释放层，其设计成有利于稍后释放生长衬底或者在衬底移除之后减薄半导体结构；以及η或者甚至ρ型装置层，其针对发光区高效地发射光所期望的具体光学或电学属性而设计。在一些实施例中，曲率控制层25夹置在两个高质量的基本上单晶层之间。在一些实施例中，夹置曲率控制层25的两个层的其中之一或二者中的位错密度可以介于IO5和
1 α9 -2
10 cm ο发光区或有源区M生长在η型区22上方。合适发光区的示例包含单个厚或薄的发光层，或者包含由垒层分隔的多个薄或厚量子阱发光层的多量子阱发光区。例如，多量子阱发光区可包含由垒分隔的多个发光层，每个发光层厚度为25Α或更小，每个垒厚度为 IOOA或更小。在一些实施例中，装置中的每个发光层的厚度大于50Α。ρ型区沈生长在发光区M上方。类似于η型区，ρ型区可包含多个不同组份、厚度和掺杂剂浓度的层，其包含非故意掺杂的层或者η型层。
图3说明连接到底座40的LED 42。ρ接触48经常为反射银接触，形成于ρ型区上。在形成P接触之前或之后，通过蚀刻掉部分的P型区和发光区而露出部分的η型区。包含η型区22、发光区M和ρ型区沈的半导体结构在图3中用结构44表示。η接触46形成于η型区的露出部分上。由于η接触46形成于η型区22上，曲率控制层25不位于装置中的电流路径中并且因此不改变装置的电学属性，而与曲率控制层25的组份无关。LED 42通过η和ρ互连56和58结合到底座40。互连56和58可以是任何合适材料，诸如焊料或其它金属，并且可包含多层材料。在一些实施例中，互连包含至少一个金层并且LED 42和底座40之间的结合是通过超声结合形成。在超声结合期间，LED管芯42置于底座40上。结合头置于LED管芯的上表面上， 对于生长在蓝宝石上的III族氮化物装置情形，经常置于蓝宝石生长衬底的上表面。结合头连接到超声换能器。超声换能器可以是例如锆钛酸铅(PZT)层的叠层。当电压以致使该系统和谐共振的频率(经常是几十或几百kHz量级的频率)应用到换能器时，换能器开始振动，这进而致使结合头和LED管芯振动，振动振幅经常为几微米量级。振动致使LED 42 上的结构的金属晶格中的原子与底座40上的结构互扩散，从而形成冶金学上连续的接合。 在结合期间可以添加热和/或压力。在将LED管芯42结合到底座40之后，半导体层生长于其上的生长衬底可以被移除，例如通过激光剥离、蚀刻或者适合于具体生长衬底的任何其它技术。在移除生长衬底之后，半导体结构可以被减薄，例如通过光电化学蚀刻，并且/或者表面可以例如利用光子晶体结构被粗糙化或图案化。所有或者部分的GaN结构23和曲率控制层25可以保留在装置中，或者在移除生长衬底之后在减薄期间可以被移除。在衬底移除之后，透镜、波长转换材料或者本领域中已知的其它结构可以布置在LED 42上方。已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解，鉴于本公开内容，可以对本发明进行调整而不背离此处描述的发明构思的精神。因此，本发明的范围不打算受限于所说明和描述的特定实施例。
权利要求
1.一种装置，包含半导体结构，该半导体结构包含布置在η型区和ρ型区之间的III族氮化物发光层；以及生长在第一层上的曲率控制层，其中该曲率控制层具有比GaN的理论a晶格常数小的理论a晶格常数； 该第一层为基本上单晶层；以及该曲率控制层布置在该η型区和该第一层之间。
2.权利要求1的装置，其中该曲率控制层包含铝。
3.权利要求1的装置，其中该曲率控制层为AKiaN。
4.权利要求3的装置，其中该曲率控制层具有大于0%且小于10%的AlN组份。
5.权利要求1的装置，其中该曲率控制层为AlInGaN。
6.权利要求1的装置，其中该曲率控制层具有介于3.165和3. 188A的理论a晶格常数。
7.权利要求1的装置，其中该曲率控制层具有介于3.180和3. 184A的理论a晶格常数。
8.权利要求1的装置，其中该曲率控制层厚度介于0.5和5μπι。
9.权利要求1的装置，其中该曲率控制层厚度介于1和2μm。
10.权利要求1的装置，其中该曲率控制层为非故意掺杂的。
11.权利要求1的装置，进一步包含布置在该η型区上的η接触和布置在该ρ型区上的 P接触，其中η和ρ接触二者形成于该半导体结构的同一侧面上。
12.权利要求1的装置，其中该曲率控制层的组份和厚度被选择以至少部分地补偿在从提升的生长温度冷却期间在该第一层中感应的热压应力。
13.一种方法，包含在衬底上生长半导体结构，该半导体结构包含 生长在第一层上的曲率控制层；以及布置在η型区和P型区之间的III族氮化物发光层；其中 该曲率控制层具有比GaN的理论a晶格常数小的理论a晶格常数； 该第一层为基本上单晶层；以及该曲率控制层布置在该η型区和该第一层之间。
14.权利要求13的方法，其中该曲率控制层生长速率慢于该第一层。
15.权利要求13的方法，其中该曲率控制层的组份和厚度被选择以至少部分地补偿在从提升的生长温度冷却期间在该第一层中感应的热压应力。
全文摘要
一种半导体结构包含布置在n型区(22)和p型区(26)之间的III族氮化物发光层(24)。该半导体结构进一步包含生长在第一层(23)上的曲率控制层(25)。该曲率控制层布置在n型区和第一层之间。该曲率控制层具有比GaN的理论a晶格常数小的理论a晶格常数。该第一层为基本上单晶层。
文档编号H01L33/32GK102484178SQ201080039997
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月4日 优先权日2009年9月8日
发明者Y. 金 A., F. 克丁 J., T. 罗马诺 L., P. 德布 P. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司, 飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司