专利名称：生长于衬底上的iii族氮化物层的制作方法
技术领域：
本发明涉及在衬底上生长III族氮化物层。可以将III族氮化物层用作半导体发光器件结构的生长衬底。
背景技术：
半导体发光器件是现有可用的最有效率的光源之一，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)和边发光激光器。在制造能够在可见光谱范围工作的高亮度发光器件时当前感兴趣的材料系统包括II1-V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III族氮化物材料。典型地，通过用金属有机化学气相沉积(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其他适当衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造III族氮化物发光器件。该叠层常常包括形成于衬底上方、掺杂有例如Si的一个或多个η型层，形成于一个或多个η型层上方有源区中的一个或多个发光层，以及形成于有源区上方、掺杂有例如Mg的一个或多个P型层。电接触形成于η和P型区域上。由于天然III族氮化物衬底一般非常昂贵且不易获得，所以常常在蓝宝石或SiC衬底上生长III族氮化物器件。这些非III族氮化物衬底并不是最优的，因为蓝宝石和SiC与其上生长的III族氮化物层具有不同的晶格常数，这在III族氮化物器件层中导致应变和晶体缺陷，可能造成 性能不良和可靠性问题。US 6086673教导了:“在生长衬底上产生氮化物层……[对于]很多应用而言，优选独立式的GaN层……可以在生长衬底上进行GaN的生长，该生长衬底固有地或人为地经过加工，以在平行于主要生长表面的平面中表现出机械性弱点，其量值足以促成沿该平面的机械破坏，并且由于生长氮化物之后冷却衬底和氮化物层时产生的热应力而导致外延氮化物层剥落……冷却和剥落机制……[使得能够]形成厚而无裂缝且独立式的GaN层……促成GaN层自动剥落的[适当]异质衬底包括，例如云母状、即分层或石墨材料，例如ScMgAlO4,以及云母材料一类。”。
发明内容
本发明的目的是提供一种生长于衬底上的III族氮化物合金膜。在一些实施例中，可以在III族氮化物合金膜上生长III族氮化物发光器件结构。在根据本发明实施例的方法中，在衬底上生长III族氮化物层。所述衬底是RAO3(MO)n，其中R是从Sc、In、Y和镧系元素中选择的；Α是从Fe (III)、Ga和Al中选择的；M是从Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd中选择的；η是彡I的整数。在一些实施例中，[(I aSUbStrate ~ Slayer | ) /asubstrate] *100% 不超过 1%,其中 asubstMte 是衬底的面内晶格常数，Blayer是III族氮化物层的体晶格常数。在根据本发明实施例的方法中，在衬底上生长III族氮化物层。所述衬底是非III族氮化物材料。所述III族氮化物层是三元、四元或五元合金。III族氮化物层足够厚，以在机械上自支持并具有低缺陷密度。这里描述的III族氮化物合金膜可以用作用于III族氮化物发光器件的生长衬底。生长于这种合金膜上的III族氮化物发光器件可以具有较小的应变，因此比常规方法生长的III族氮化物发光器件具有更好的性能。
图1示出了生长于衬底上的合金膜。图2示出了生长于合金膜上的半导体器件结构。图3示出了薄膜倒装芯片发光器件。图4示出了垂直发光器件。
具体实施例方式一种生产可以在其上生长III族氮化物器件的三元或四元III族氮化物合金膜厚层的方法是，在诸如GaN的二元半导体模板膜上，通过高生长速率沉积技术、例如HVPE (氢化物气相处延)沉积合金膜，模板膜是沉积于诸如蓝宝石的常规衬底上的。衬底(在本范例中为蓝宝石)和模板膜(在本范例中为GaN)之间的晶格失配一般较大(>1%)，因此GaN将含有很多缺陷。合金膜(在本范例中为InGaN)与二元膜也高度失配(>1%的晶格失配)，从而在其生长期间向合金膜中引入了额外的缺陷或不均匀性。由于晶格失配导致的缺陷，生长于用这种方法生产的合金膜上的器件可能会表现出较差性能。此外，合金膜的厚度一般不超过几微米，以便使额外缺陷的密度最小化，因此在机械上无法自支持。因此，在合成衬底上进行器件的生长，在本范例中，合成衬底包括蓝宝石、GaN和InGaN，它们全都具有不同的热膨胀系数，可能导致晶片显著的弓形弯曲或其他几何畸变。在本发明的实施例中，提供了一种衬底，它与期望的合金膜晶格匹配(或接近匹配)，并且具有相同的六边形对称性。由于衬底是晶格匹配的，所以在生长期间将在合金膜中引入更少的缺陷或不均匀性，并且可以生长更厚的膜(例如，在一些实施例中大于50Mffl厚，在一些实施例中大于100 μ m厚，在一些实施例中大于200 μ m厚)，从而在机械上可以自支持。可以从厚的合金膜上去除衬底，接下来可以重新使用所述衬底。图1示出了根据本发明实施例，生长于衬底10上的合金膜12。半导体材料层的特征可以是体晶格常数以及面内晶格常数。体晶格常数是与半导体层组分相同的理论上完全弛豫层的晶格常数。面内晶格常数是生长时半导体层的晶格常数。如果半导体层有应变，体晶格常数与面内晶格常数不同。如果半导体层生长于基本晶格匹配的衬底上，半导体层的体晶格常数将与半导体层的面内晶格常数接近相同，并与衬底的面内晶格常数相同，无需消除裂缝或其他应变。对于被生长为体锭并解理成晶片的衬底，衬底的面内晶格常数可能与衬底的体晶格常数相同。对于生长时有应变的衬底或合成衬底，衬底的面内晶格常数可能与衬底的体晶格常数不同。在一些实施例中，合金膜12的体晶格常数alayCT在衬底10的面内晶格常数asubstMte的1%之内，在一些实施例中，在衬底10的面内晶格常数asubstrate的
0.5% 之内。换言之，在一些实施例中，[(I Bsubstrate-BlayerI)/asubstrate] *100% 不超过 1%，在一些实施例中，不超过0.5%。衬底10是非III族氮化物材料。在一些实施例中，衬底10与合金膜12具有类似或相同的六边形纤锌矿对称性。在一些实施例中，衬底10基本不受沉积合金膜12期间经历的化学和热环境的侵袭。在一些实施例中，衬底10的面内热膨胀系数在所沉积合金膜12的面内热膨胀系数的30%之内。在一些实施例中，衬底10可以对近紫外辐射透明或不透明。在一些实施例中，衬底10是单晶或基本单晶材料。在一些实施例中，衬底10是一般组分为RAO3 (MO)n的材料，其中R是三价阳离子，常常从Sc、In、Y和镧系元素(原子序数57-71)中选择；A也是三价阳离子，常常从Fe(III)、Ga和Al中选择；M是二阶阳离子，常常从Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd中选择；η是彡I的整数。在一些实施例中，η < 9，在一些实施例中η < 3。在一些实施例中，RAMO4(即η=1)化合物是YbFe2O4结构类型，而RAO3 (MO)n (η彡2)化合物是InFeO3 (ZnO)n结构类型。下表列出了用于衬底10的适当材料以及与相应衬底具有相同面内晶格常数的InGaN合金组分的范例
权利要求
1.一种方法，包括: 在衬底上生长III族氮化物层；其中 所述衬底是RAO3(MO)n，其中R是从Sc、In、Y和镧系元素中选择的；A是从Fe (III)Xa和Al中选择的;M是从Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd中选择的；n是彡I的整数； 所述衬底具有面内晶格常数asubstrate ； 所述III族氮化物层具有体晶格常数alayCT ;并且[(Iasubstrate - alayer|)/asubstrate]*100% 不超过 1%。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是ScMgAlCVScGaMgO4, ScAlMnO4,InAlMnO4 之一。
3.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之一。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物层具有大于50μ m的厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括去除所述衬底。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述III族氮化物层上生长包括设置于η型区域和P型区域之间的III族氮化物发光层的结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其中η型区域包括至少一层Inai4Gaa86N,所述发光层包括Inai6Gaa84N,所述P型区域包括至少一层Ina 12Gaa88N。
8.根据权利要求5所述的方法，其中去除包括熔化设置于所述衬底和所述III族氮化物层之间的牺牲层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述牺牲层是图案化的非III族氮化物膜和带隙低于所述III族氮化物层的III族氮化物材料之一。
10.根据权利要求5所述的方法，其中去除包括通过机械方法去除以及利用刀刃破坏所述III族氮化物层和所述衬底之间的界面之一。
11.根据权利要求5所述的方法，其中去除包括在设置于所述衬底中、所述III族氮化物层中或所述衬底和所述III族氮化物层之间的界面处的弱化区处，将所述衬底与所述III族氮化物层分开。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述弱化区包括图案化层。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述弱化区包括注入有H原子和N原子之一的区域。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述III族氮化物层为InGaN，所述弱化区包括InN组分比所述III族氮化物层更高的区域。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述弱化区包括通过利用聚焦激光束辐射生成的多个微米尺度的晶体缺陷或孔洞。
16.一种方法，包括在衬底上生长III族氮化物层，其中: 所述衬底是非III族氮化物材料； 所述III族氮化物层是三元、四元 或五元合金； 所述III族氮化物层足够厚，以在机械上自支持；并且 所述III族氮化物层的缺陷密度低于5X 108cnT2。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括从所述III族氮化物层去除所述衬底。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在去除所述衬底之后在所述III族氮化物层上生长发光层。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述衬底是ScMgAlCVScGaMgO4, ScAlMnO4,InAlMnO4 之一。
20.根据权利要求16所述的方法，其中: 所述衬底具有面内晶格常数asubstrate ； 所述III族氮化物层具有体晶格常数alayCT ;并且
全文摘要
在根据本发明实施例的方法中，在衬底上生长III族氮化物层。所述衬底是RAO3(MO)n，其中R是从Sc、In、Y和镧系元素中选择的；A是从Fe(III)、Ga和Al中选择的；M是从Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn和Cd中选择的；n是≥1的整数。在一些实施例中，[(|asubstrate–alayer|)/asubstrate]*100%不超过1%，其中asubstrate是衬底的面内晶格常数，alayer是III族氮化物层的体晶格常数。在根据本发明实施例的另一种方法中，在衬底上生长III族氮化物层。所述衬底是非III族氮化物材料。所述III族氮化物层是三元、四元或五元合金。III族氮化物层足够厚，以在机械上自支持并具有低缺陷密度。
文档编号H01L21/02GK103180971SQ201180052858
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月25日 优先权日2010年11月2日
发明者N.F.加德纳, W.K.戈伊茨, M.J.格伦德曼恩, M.B.麦劳林, J.E.埃普勒, M.D.坎拉斯, F.M.斯特兰卡 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司