专利名称：Iii族氮化物发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及III族氮化物发光器件。该III族氮化物器件可以生长在比传统衬底更紧密晶格匹配到III族氮化物层的衬底上。
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器件属于当前可获得的最高效光源。在能够跨过可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中当前感兴趣的材料体系包括也称为III族氮化物材料的II1-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。典型地，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适衬底上利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术，通过外延生长不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制作III族氮化物发光器件。该堆叠经常包括在衬底上形成的一个或多个η型层、在一个或多个η型层上形成的有源区域中的一个或多个发光层、以及在有源区域上形成的一个或多个P型层。η型层可以掺杂有例如Si，并且P型层可以掺杂有例如Mg。电接触形成于η和P型区域上。由于III族氮化物衬底通常是昂贵的并且不是广泛可获得的，III族氮化物器件经常生长在蓝宝石或SiC衬底上。这些衬底是次最优的，因为蓝宝石和SiC的晶格常数不同于生长在它们上的III族氮化物层，从而导致III族氮化物器件层中的应变和晶体缺陷，这会导致不良性能和可靠性问题。
发明内容
本发明的目的是在比蓝宝石或SiC更紧密晶格匹配到至少一些III族氮化物器件层的衬底上形成III族氮化物器件结构。
根据本发明实施例的方法包括生长一种生长在衬底上的III族氮化物结构，该III族氮化物结构包括布置在η型区域和P型区域之间的发光层。该方法还包括将该III族氮化物结构附着到载具以及移除该衬底。该衬底为RAO3(MO)n，其中R为三价阳离子Sc、In、Y和镧系元素其中之一 ；Α为三价阳离子Fe (III)、Ga和Al其中之一 ；Μ为二价阳离子Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd其中之一；并且η为彡I的整数。该衬底具有面内晶格常数aW/iS，并且该III族氮化物结构中的至少一个III族氮化物层具有体晶格常数as。在一些实施例中，[(Ia衬底_a层I )/a衬底]*100%不大于1%。在本发明各实施例中，一种器件包括衬底和生长在该衬底上的III族氮化物结构，该III族氮化物结构包括布置在η型区域和P型区域之间的发光层。该衬底为RAO3(MO)η，其中R为三价阳离子Sc、Ιη、Υ和镧系元素其中之一 ；Α为三价阳离子Fe (III) ,Ga和Al其中之一 ；Μ为二价阳离子Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd其中之一；并且η为彡I的整数。该衬底具有面内晶格常数aW/iS。该III族氮化物结构中的至少一个III族氮化物层具有体晶格常数as。衬底面内晶格常数和该III族氮化物结构中至少一个层的体晶格常数之间的百分比差异由[(Ia衬底_as |)/a衬底]*100%定义，该百分比差异不大于1%。
与生长在蓝宝石或SiC上的传统生长的III族氮化物发光器件相比，此处描述的器件结构可以具有更少应变并且因此具有更佳性能。
图1说明生长在衬底上的111族氮化物器件结构。图2、3和4说明在图1中说明的基底区域的示例。图5和6说明III族氮化物器件结构的部分。图7说明薄膜倒装芯片发光器件。图8说明垂直注入发光器件。图9说明包括至少一个分布式布拉格反射器的III族氮化物结构的一部分。
具体实施例方式如此处所使用，BAlGaInN可以指硼、铝、镓、铟和氮的二元、三元、四元或五元合金。在本发明的实施例中，III族氮化物器件结构生长在比传统衬底相更紧密晶格匹配到至少部分的III族氮化物膜的衬底上。该衬底可以具有与III族氮化物膜相同的六方对称性。由于衬底更紧密晶格匹配到器件结构，在生长期间更少的缺陷或不均匀性会被并入III族氮化物器件结 构中，这可以导致III族氮化物器件的更佳性能。图1说明根据本发明实施例的包括生长在生长衬底10上的一个或多个层的III族氮化物膜15。半导体层可以由体晶格常数和面内晶格常数表征。体晶格常数为组成与半导体层相同的自支撑层的晶格常数。面内晶格常数为所生长的半导体层的晶格常数。如果半导体层受应变，体晶格常数不同于面内晶格常数。生长衬底10可以是这样的非III族氮化物材料，其面内晶格常数aW/iS在一些实施例中在III族氮化物膜15的体晶格常数&]3的1%之内，并且在一些实施例中在III族氮化物膜15的体晶格常数的0.5%之内。换句话说，t (Ian&~as l)/a衬底]*100%在一些实施例中不大于1%,并且在一些实施例中不大于0.5%。出于本发明实施例的目的，三元或四元Al InGaN层的体晶格常数可以根据Vegard定理来估计，对于 AlxInyGazN 的 Vegard 定理可以表达为 aA1MaN=x (aA1N) +y (aInN) +z (aGaN),其中变量“a”是指每个二元材料的体a-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10具有与III族氮化物膜15相似或相同的六方基面对称性。在一些实施例中，生长衬底10基本上不受在沉积III族氮化物膜15期间所经历的化学和热环境的侵蚀。在一些实施例中，生长衬底10具有在III族氮化物膜15的面内热膨胀系数的30%之内的面内热膨胀系数。在一些实施例中，生长衬底10对于近UV辐射可以透明或者可以不透明。在一些实施例中，生长衬底10为单晶或基本上单晶材料。在一些实施例中，生长衬底10是一般组成为RAO3(MO)n的材料，其中R为三价阳离子，经常选自Sc、In、Y和镧系元素(原子序数57-71) ;A也是三价阳离子，经常选自Fe (III) ,Ga和Al ；M为二价阳离子，经常选自Mg,Mn,Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd ;并且η为彡I的整数。在一些实施例中，η彡9，并且在一些实施例中，η彡3。在一些实施例中，RAMO4( SPη=1)化合物为YbFe2O4结构类型，并且RAO3 (MO)n (η彡2)化合物为InFeO3 (ZnO)n结构类型。用于生长衬底10的合适材料的示例和晶格匹配的InGaN在下文中列出:
权利要求
1.一种方法，包括: 生长一种生长在衬底上的III族氮化物结构，该III族氮化物结构包括布置在η型区域和P型区域之间的发光层； 将该III族氮化物结构附着到载具；以及 移除该衬底，其中: 该衬底为RAO3 (MO)n，其中R为三价阳离子Sc、In、Y和镧系元素其中之一 ；Α为三价阳离子Fe (III)、Ga和Al其中之一 ；Μ为二价阳离子Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd其中之一；并且η为彡I的整数； 该衬底具有面内晶格常数aW/iS ； 该III族氮化物结构中的至少一个III族氮化物层具有体晶格常数as ;以及 [(1&衬底_&层I)/a衬底]*100%不大于1%。
2.根据权利要求1的方法，其中: 该III族氮化物结构包括一种仅仅包括三元、四元和/或五元III族氮化物层的区域；以及 所述仅仅包括三元、四元和/或五元III族氮化物层的区域厚于2Mm。
3.根据权利要求1的方法，其中该衬底为ScAlMg04。
4.根据权利 要求1的方法，其中该III族氮化物结构包括晶格匹配到该衬底的至少一个层。
5.根据权利要求1的方法，其中该III族氮化物结构包括第一层，该第一层直接接触第二层，其中第一层和第二层之间的界面不具有极性电荷。
6.根据权利要求5的方法，其中该第一层为Ala06In0 17Ga0 77N并且该第二层为1 14^ .86^0
7.根据权利要求1的方法，其中生长包括生长布置在该衬底和该发光层之间的基底区域，该基底区域包括接近该衬底的第一层和接近该发光层的第二层，其中第一层的带隙大于第二层。
8.根据权利要求7的方法，其中: 该衬底为ScAlMgO4 ； 该第一层为下述的其中之一:I%14Gaa86N ;以及晶格匹配到衬底的四元AlxInyGanyN,组成X和y满足关系y=0.136+0.228*x, x+y ( I ；以及 该第二层为下述的其中之一 =Alatl6Ina 17GaQ.77N、Ala6Inai3Gaa27N和四元层AlxInyGai_x_yN，铟组成 y 在 0.14 和 0.32 之间，满足 x=2*y-0.28。
9.根据权利要求1的方法，其中生长包括生长布置在该衬底和该发光层之间的基底区域，该基底区域包括接近该衬底的第一层和接近该发光层的第二层，其中第一层的极化不同于第二层。
10.根据权利要求9的方法，其中: 该衬底为ScAlMgO4 ； 该第一层为下述的其中之一:I%14Gaa86N ;以及晶格匹配到衬底的四元AlxInyGanyN,组成X和y满足关系y=0.136+0.228*x, x+y ( I ；以及 该第二层为下述的其中之一:GaN ；InyGa1^yN, y〈0.13 ;Ala5Ina25Gaa25N ;晶格匹配到衬底的四元 AlxInyGanyN 层；和 Ina29Altl.71N。
11.根据权利要求1的方法，其中该η型区域的至少一部分具有缓变的组成。
12.根据权利要求1的方法，其中: 该发光层为多量子阱发光区域的一部分，该多量子阱发光区域包括至少两个发光层以及布置在该至少两个发光层之间的至少一个垒层；以及 发光层中至少一个的组成以及该至少一个垒层的组成被选择为使得该发光区域中的净应变为零。
13.根据权利要求1的方法，其中: 该发光层为多量子阱发光区域的一部分，该多量子阱发光区域包括至少两个发光层以及布置在至少两个发光层之间的至少一个垒层；以及 该至少一个垒层的组成下述的其中之一:晶格匹配到衬底的四元层；GaN;以及InyGai_yN，铟组成介于O和y‘0.08，其中为发光层中至少一个的铟组成。
14.根据权利要求1的方法，其中该半导体结构还包括分布式布拉格反射器。
15.根据权利要求13的方法，其中该分布式布拉格反射器包括交替的AlInN和InGaN层。
16.—种器件,包括: 衬底；以及` 生长在该衬底上的III族氮化物结构，该III族氮化物结构包括布置在η型区域和ρ型区域之间的发光层；其中 该衬底为RAO3 (MO)n，其中R为三价阳离子Sc、In、Y和镧系元素其中之一 ；Α为三价阳离子Fe (III)、Ga和Al其中之一 ；Μ为二价阳离子Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd其中之一；并且η为彡I的整数； 该衬底具有面内晶格常数aW/iS ； 该III族氮化物结构中的至少一个III族氮化物层具有体晶格常数as ;以及 [(1&衬底_&层I)/a衬底]*100%不大于1%。
17.根据权利要求16的器件，其中: 该发光层配置成发射峰值波长大于440nm的光； 该III族氮化物结构包括一种仅仅包括三元、四元和/或五元III族氮化物层的区域；以及 所述仅仅包括三元、四元和/或五元III族氮化物层的区域厚于2Mm。
18.根据权利要求17的器件，其中: 仅仅包括三元、四元和/或五元III族氮化物层的区域中每个层的应变定义为[(Ia|)/a#]*100%，其中&#为具有与每个层相同组成的层在完全弛豫时的晶格常数，以及aB#为器件中所生长的每个层的晶格常数；并且 仅仅包括三元、四元和/或五元III族氮化物层的区域中每个层中的应变小于0.8%。
全文摘要
一种器件包括衬底(10)和生长在衬底上的III族氮化物结构(15)，该III族氮化物结构包括布置在n型区域(14)和p型区域(18)之间的发光层(16)。该衬底为RAO3(MO)n，其中R为三价阳离子Sc、In、Y和镧系元素其中之一；A为三价阳离子Fe(III)、Ga和Al其中之一；M为二价阳离子Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn和Cd其中之一；并且n为≥1的整数。该衬底具有面内晶格常数a衬底。该III族氮化物结构中的至少一个III族氮化物层具有体晶格常数a层，使得[(|a衬底_-a层|)/a衬底]*100%不大于1%。
文档编号H01S5/343GK103180973SQ201180052905
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年11月2日
发明者M.J.格伦德曼恩, N.F.加德纳, W.K.戈伊茨, M.B.麦克劳林, J.E.埃普勒, F.A.利昂 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司