用于光电子器件的iii族氮化物异质结构的制作方法
【专利说明】用于光电子器件的M I族氮化物异质结构
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年9月23 日提交的题目为"Group III Nitride HeterostrucUire for Ligth血ission and Sensing"的共同未决的美国临时申请号61/881,192的权益，并 通过因引用将其并入本文。
技术领域
[0003] 本公开内容一般地设及光电子器件，更具体地，设及用于制造光电子器件的HI族 氮化物异质结构。
【背景技术】
[0004] 具有高效率及高可靠性的电子和光电子器件(例如，基于III族氮化物的发光二极 管化ED))的发展取决于许多因素。运样的因素包括:半导体层的质量、有源层设计和接触质 量。设计高质量的半导体层对于包含紫外发光二极管(UV LED)的若干电子和光电子器件尤 其重要。半导体层的质量由半导体层内的若干位错W及存在于材料内的应力决定。当应力 变得大于阔值应力时，结构的可靠性可W由于在器件的操作期间形成载流子捕获缺陷而受 到损害。器件的导电特性同样可W由于裂纹和缺陷的形成而在器件操作期间被改变。而且， 导致的结溫度升高还会影响器件的可靠性和效率。
[0005] 要降低器件内的整体应力并进一步降低位错密度，需要仔细选择外延层。另外，需 要精屯、挑选的势垒和量子阱W在没有对有源层强加过大的应力和应变的情况下产生目标 发射波长。而且，控制P型层内的应力是必不可少的，W便确保器件的可靠性。
[0006] 现有的方案一直力图在不牺牲器件的电学性质的情况下控制应力。在一种方案 中，使半导体结构生长于原生氮化侣(AlN)基板上。在AlN晶体基板上生长的好处是在基板 与其余半导体层之间的晶格失配小。尽管如此，在AlN基板上进行制造是困难的且昂贵的。 而且，只可W制造尺寸相对较小的AlN基板，从而导致器件成品率小。
[0007] 当前，标准的方法包括在由蓝宝石、碳化娃(SiC)等制成的基板上外延生长III族 氮化物半导体。然而，基板与外延生长的半导体层之间的晶格常数和热膨胀系数显著不同。 结果，在外延生长期间可能在半导体层内形成裂纹、位错及凹坑。半导体层的质量可能受到 缺陷、组分不均匀性及渗杂浓度的不均匀性进一步影响。
[000引为了解决该问题，人们已经开发出各种技术，用于通过生长可W吸收基板引起的 应力的缓冲层来减羟基板的影响，并且一般地提供与后续的外延层紧密晶格匹配的层。例 如，一种方案寻求通过在娃基板与III族氮化物半导体层之间提供基于AlN的超晶格缓冲层 来在娃基板上产生高度结晶的HI族氮化物半导体层(其中防止了裂纹形成），所述基于AlN 的超晶格缓冲层具有由AlxGai-xN(其中Al含量x:0.5<x<l)制成的多个第一层W及由AlyGai-yN(其中Al含量y:0.01<y<0.2)制成的多个第二层，所述多个第一层与所述多个第二层交替 堆叠。
[0009]在用于获得高度结晶的HI族氮化物半导体层的另一种方案中，III族氮化物半导 体层通过在娃基板上形成AlN缓冲层并且在AlN缓冲层上依次堆叠组成渐变层(具有为使侣 含量沿晶体生长方向降低而渐变的组成）W及超晶格复合层(其中高含率层和低含率层交 替堆叠)而形成于超晶格复合层上。
[0010] 在另外一种方案中，AlN缓冲层使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长于蓝宝石 基板上。生长条件使用两步生长技术来优化，其中第一步生长在低溫(1200°C)下完成，紧跟 着在高溫（1270°C)下进行第二步生长。在第一步生长中，尽管在1.2和4.0的V/III比下观察 到了微晶岛，但是通过将V/III比降低至1.5使基板完全被二维生长的AlN覆盖。该方案据报 道在第二步生长之后可得到几乎无凹坑的平坦表面。
[0011] 方案一直力图通过MOCVD工艺的优化来控制AlN缓冲层的生长。例如，在一种方案 中，AlN缓冲层的生长条件得到了研究，W在蓝宝石基板上制作高质量的AlN层。S甲基侣 (TMA)和氨(畑3)被分别用作A巧日N的前体。在生长之前，基板在1000-1100°C下于出气氛中清 洁十分钟。AlN缓冲层然后在2763的V/III比下生长，生长溫度从800°C变化到1250°C，厚度 为5-50nm。最后，1皿的AlN层W584的V/III比在30Torr的气压下在1430°C下生长。
[0012] 基板对电子迁移率的影响可W通过测量在生长于各种基板上的调制渗杂的 Alo.sGao.sN-GaN异质结构中的电子迁移率来证实。例如，图IA和IB不出了蓝宝石基板、导电 的細-SiC基板和绝缘的4H-SiC基板的作为在异质界面处的薄层电子密度ns的函数的电子 迁移率的测量结果。如运些测量结果所示，与蓝宝石基板相比，在SiC基板上获得了稍微更 高的电子迁移率。与蓝宝石基板相比，更高的电子迁移率可W归因于在SiC基板上生长的层 质量更高，可能是因为AlGaN与SiC之间的晶格常数失配较低。
[0013] AlGaN/AlGaN异质结构W及AlGaN/GaN异质结构具有与产生于层内的位错关联的 各种陷阱。例如，图2示出了与根据现有技术的此类异质结构关联的各种陷阱。
[0014] 在异质结构（例如，AlGaN/GaN异质结构）中的应力/应变水平取决于层厚。例如，图 3示出了在根据现有技术的生长于厚的GaN基板上的Alo.25Gao.75N层内的相对应变。当层厚增 加时，所产生的应力由于位错及其它缺陷（例如，应力松弛）的形成而降低。例如，在突变界 面之前，应变是高的。然而，随着进一步移动远离突变界面，应变由于位错的存在而松弛。对 于好的近似而言，应力线性地且成比例地取决于层内的应变。因此，如图3所示，对于突变界 面，应力快速下降，而对于渐变界面，应力下降得更慢。
[0015] 层的临界厚度可W被定义为位错在能量方面变得有利时的厚度。对于AlGaN层，临 界厚度取决于Al的摩尔比。例如，图4示出了临界厚度对在根据现有技术的AlGaN/GaN异质 结构内的AlGaN层的侣摩尔比的依赖关系。如图所示，随着Al的摩尔比增加，由于晶格失配 而存在的应力同样增加，运会导致AlGaN层临界厚度的不断减小。
【发明内容】
[0016] 本发明的各个方面提供了用于光电子器件中的异质结构W及所得到的光电子器 件。异质结构的一个或多个参数可W被配置用于提高相应的光电子器件的可靠性。可W在 配置异质结构的n型和/或P型侧的各种参数时考虑用来创建器件的有源结构的材料。
[0017] 本发明的第一个方面提供了一种异质结构，包括:基板;位于基板上的AlN缓冲层； 位于缓冲层上的AlxGai-xN/Ak Gai-x' N第一超晶格结构，其中0.6<x。，0.1 <x ' <0.9，且X〉 X'，并且其中在第一超晶格结构中的每个层都具有小于或等于100纳米的厚度;位于第一超 晶格结构上的AlyGai-yN/Aly'Gai-y'N第二超晶格结构，其中y ' <x'，0.6<y。，O. Ky ' <0.8，且 y〉y'，并且其中在第二超晶格结构中的每个层都具有小于100纳米的厚度;位于第二超晶格 结构上的AlzGai-zN n型层，其中0.1知<0.85且z<y' ； W及AlbGai-bN/AlqGai-qN有源结构，其中 b-q>0.05O
[0018] 本发明的第二个方面提供了一种异质结构，包括:基板;位于基板上的缓冲层，其 中该缓冲层由包含侣的HI族氮化物材料形成;位于缓冲层上的渐变结构，其中该渐变结构 由具有从底异质界面处的侣摩尔分数减小到顶异质界面处的侣摩尔分数的侣摩尔分数的 III族氮化物材料形成;位于渐变结构上的n型层，其中该n型层由包含具有摩尔分数Z的侣 的III族氮化物材料形成，并且其中〇.Kz<0.85;包含量子阱和势垒的有源结构，其中该量 子阱由包含具有摩尔分数q的侣的III族氮化物材料形成，并且该势垒由包含具有摩尔分数 b的侣的HI族氮化物材料形成，并且其中b-q〉0.05;位于有源结构上的电子阻挡层，其中该 电子阻挡层由包含具有摩尔分数B的侣的HI族氮化物材料形成，并且其中B至少为1.05*b; 位于电子阻挡层上的P型GaN层；W及位于电子阻挡层与GaN层之间的渐变P型层，其中该渐 变P型层具有从在电子阻挡层与渐变P型层之间的异质界面处的B减小到在渐变P型层与GaN 层之间的异质界面处的0的侣摩尔分数。
[0019] 本发明的第=个方面提供了一种制造器件的方法，该方法包括:为器件创建器件 设计，其中该创建包括基于在所述器件的异质结构中的有源结构配置所述异质结构的n型 侦U，所述异质结构包含基于器件的目标波长的量子阱和势垒，其中该量子阱由包含具有摩 尔分数q的侣的HI族氮化物材料形成，而该势垒由包含具有摩尔分数b的侣的III族氮化物 材料形成，并且其中b-q〉0.05,其中该配置包括:配置位于异质结构的有源结构和缓冲层之 间的渐变结构，其中该渐变结构由具有从底异质界面处的侣摩尔分数减小到顶异质界面处 的侣摩尔分数的侣摩尔分数的III族氮化物材料形成;并且配置位于渐变结构与有源结构 之间的n型层，其中该n型层由包含具有摩尔分数Z的侣的III族氮化物材料形成，所述摩尔 分数Z是基于下列项中的至少一项选择的:b或q;并且根据该器件设计来制造器件。
[0020] 本发明的例示性方面被设计用于解决一个或多个本文所描述的问题和/或一个或 多个未讨论的其它问题。
【附图说明】
[0021] 根据下面结合示出本发明的各个方面的附图进行的关于本发明的各个方面的详 细描述，将会更容易理解本公开内容的运些及其它特征。
[0022] 图IA和IB示出了根据现有技术的作为薄层电子密度的函数的不同基板的电子迁 移率测量结果。
[0023] 图2示出了与根据现有技术的各种异质结构关联的各种陷阱。
[0024] 图3示出了在根据现有技术生长于厚的GaN基板上的Alo.25Gao.75N层内的相对应变。
[0025] 图4示出了临界厚度对在根据现有技术的AlGaN/GaN异质结构中的AlGaN层的侣摩 尔比的依赖关系。
[0026] 图5示出了根据一种实施例的一种例示性异质结构。
[0027] 图6示出了根据另一种实施例的一种例示性异质结构。
[0028] 图7示出了根据一种实施例的另一种例示性异质结构。
[0029] 图8示出了根据一种实施例的再一种例示性异质结构。
[0030] 图9示出了根据一种实施例的包含P型层的例示性异质结构。
[0031] 图10示出了根据一种实施例的例示性倒装发光二极管的示意性结构。
[0032] 图11示出了根据一种实施例的用于制造电路的例示性流程图。
[0033] 应当注意，运些图可W是不按比例的。附图旨在只是描绘本发