專利名稱：形成復(fù)合襯底以及在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)iii-v族發(fā)光器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合襯底以及在復(fù)合襯底上的πι-v族發(fā)光器件的生長(zhǎng)。
背景技術(shù)：
包括發(fā)光二極管(LED)、共振腔發(fā)光二極管(RCLED)、垂直腔激光二極管(VCSEL)、以及邊緣發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光器件是目前可獲得的最有效的光源。在能夠跨越可見(jiàn)光譜范圍工作的高亮發(fā)光器件的制造中，目前感興趣的材料系統(tǒng)包括III-V族半導(dǎo)體，特別是鎵、鋁、銦和氮的ニ元、三元、和四元合金，也稱為III族氮化物材料。典型地，III族氮化物發(fā)光器件通過(guò)由金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)、或者其它的外延技術(shù)在藍(lán)寶石、碳化硅、III族氮化物、或者其它合適的襯底上外延生長(zhǎng)不同的組分和摻雜濃度的半導(dǎo)體層的堆疊來(lái)制造。堆疊通常包括在襯底上形成的摻雜有例如Si的一個(gè)或者多個(gè)η-型層，在η-型層(多個(gè)η-型層)上形成的有源區(qū)中的一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光層，以及在有源區(qū)上形成的摻雜有例如Mg的ー個(gè)或者多個(gè)P-型層。在η-型區(qū)域和P-型區(qū)域上形成電接觸。圖I圖示了更詳細(xì)地在US2007/0072324中描述的復(fù)合生長(zhǎng)襯底，其通過(guò)引用并入于此?！耙r底10包括基體襯底12、種子層16、以及將基體12和種子16結(jié)合的結(jié)合層14…襯底10中的層由可以經(jīng)受器件中生長(zhǎng)半導(dǎo)體層所要求的加工條件的材料來(lái)形成。例如，在由MOCVD生長(zhǎng)III族氮化物器件的情形中，襯底10中的每ー層在超過(guò)1000°C的溫度時(shí)必須能夠容許H2環(huán)境；在由MBE生長(zhǎng)III族氮化物器件的情形中，襯底10中的每ー層在真空中必須能夠容許超過(guò)600°C的溫度?！盎w襯底12為襯底10和在襯底10上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體器件層18提供機(jī)械支撐。基體襯底12 —般地厚度在3和500微米之間并且通常比100微米更厚。在基體襯底12仍然是器件的一部分的實(shí)施例中，如果通過(guò)基體襯底12從器件來(lái)提取光，基體襯底12可以至少部分地透明?；w襯底12 —般地不必是單晶材料，因?yàn)槠骷?8未直接在基體襯底12上生長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，基體襯底12的材料被選擇具有匹配器件層18的熱膨脹系數(shù)(CTE)和種子層16的CTE的CTE。能夠經(jīng)受外延層18的加工條件的任何材料可以是合適的…包括半導(dǎo)體、陶瓷、以及金屬。例如GaAs的材料(其具有理想地接近器件層18的CTE的CTE，但是其在由MOCVD生長(zhǎng)III族氮化物層所要求的溫度時(shí)通過(guò)升華來(lái)分解)可以與不透水帽層(例如，在GaAs基體和種子層16之間沉積的氮化娃)一起使用?！胺N子層16是在其上生長(zhǎng)器件層18的層，因而其必須是在其上III族氮化物晶體可以形成晶核的材料。種子層16可以厚度在大約50A和Ιμπι之間。在一些實(shí)施例中，種子層16的CTE與器件層18的材料相匹配。種子層16 —般地是單晶材料，其與器件層18是相當(dāng)接近的晶格匹配。通常在其上生長(zhǎng)器件層18的種子層16的頂面上的晶向是纖鋅礦c-軸。在種子層16仍然是完成了的器件的一部分的實(shí)施例中，如果通過(guò)種子層16從器件來(lái)提取光，種子層16可以是透明的或者薄的。
“ー個(gè)或者多個(gè)結(jié)合層14將基體襯底12與種子層16結(jié)合。結(jié)合層14可以厚度在大約IOOA和I μ m之間。合適的結(jié)合層的實(shí)例包括SiOx (例如，SiO2), SiNx (例如，Si3N4),HfO2、其混合物、金屬(例如，Mo、Ti、TiN)、其它合金、或者其它半導(dǎo)體或電介質(zhì)。因?yàn)榻Y(jié)合層14將基體襯底12與種子層16連接，形成結(jié)合層14的材料被選擇以在基體12和種子16之間提供好的粘合。在一些實(shí)施例中，結(jié)合層14是釋放層，其由可以通過(guò)不腐蝕器件層18的蝕刻劑來(lái)蝕刻的材料形成，由此將器件層18和種子層16從基體襯底12上釋放。例如，結(jié)合層14可以是SiO2，其可以由HF來(lái)濕法蝕刻，而不會(huì)導(dǎo)致對(duì)III族氮化物器件層18的損壞。在結(jié)合層14仍然是所完成的器件的一部分的實(shí)施例中，結(jié)合層14優(yōu)選地是透明的或者非常薄。在一些實(shí)施例中，結(jié)合層14可以被省略，并且種子層16可以直接附著到基體襯底12上?！霸谕庋訉?8中的另外的應(yīng)變消除可以通過(guò)在結(jié)合層14上將種子層形成為條紋或網(wǎng)格(而不是形成為單個(gè)不間斷的層)來(lái)提供。可替代地，種子層可以被形成為單個(gè)不間斷的層，然后例如通過(guò)形成溝道在某些位置被去除，從而提供應(yīng)變消除。單個(gè)不間斷的種子層16可以通過(guò)結(jié)合層14附著到基體襯底12，然后通過(guò)傳統(tǒng)的光刻技術(shù)來(lái)圖案化，以去除種子層的一部分，從而形成條紋。每個(gè)種子層條紋的邊緣可以通過(guò)將位錯(cuò)集中到種子層條紋的邊緣處的外延層18內(nèi)部來(lái)提供附加的應(yīng)變消除。種子層16、結(jié)合層14以及晶核形成層的組分可以被選擇使得晶核形成層材料優(yōu)選地在種子層16上形成晶核，而不是在由種子層16的部分之間的空間所暴露的結(jié)合層14的部分上形成晶核?！霸诎l(fā)光器件的晶片上，種子層16中的溝道可以以單個(gè)器件寬度的數(shù)量級(jí)(例如，幾百微米或者毫米)來(lái)間隔。在具有圖案化的種子層的復(fù)合襯底上形成的器件的晶片可以被劃分以使得種子層部分的邊緣不位于單獨(dú)器件的發(fā)光層下面，因?yàn)樵诜N子層的邊緣處集中的位錯(cuò)可以引起差的性能或者可靠性問(wèn)題?？商娲?，可以在例如以微米或者幾十微米的數(shù)量級(jí)間隔開(kāi)的單個(gè)器件的寬度內(nèi)形成多個(gè)溝道。在這些襯底上的生長(zhǎng)條件可以被選擇使得在種子層16上形成的晶核形成層或者后來(lái)的外延層在種子層16中形成的溝道上合并，從而使得晶片上器件的發(fā)光層形成為不由種子層16中的溝道間斷的連續(xù)層。當(dāng)種子層是III族氮化物材料吋，“種子層在生長(zhǎng)襯底上發(fā)生應(yīng)變地生長(zhǎng)。當(dāng)種子層16與基體襯底12連接并且從生長(zhǎng)襯底釋放，如果種子層16和基體襯底16之間的連接是相容的(compliant)，例如，相容的結(jié)合層14，種子層16可以至少部分地弛豫。因而，雖然種子層生長(zhǎng)為應(yīng)變層，但是組分可以被選擇使得在種子層從生長(zhǎng)襯底釋放并且弛豫后，種子層的晶格常數(shù)相當(dāng)?shù)亟咏蛘咂ヅ湓诜N子層上生長(zhǎng)的外延層18的晶格常數(shù)?！袄?，當(dāng)III族氮化物器件按慣例在Al2O3上生長(zhǎng)時(shí)，在襯底上生長(zhǎng)的第一層一般地是具有大約3. 19晶格常數(shù)的GaN緩沖層。GaN緩沖層設(shè)定在緩沖層上生長(zhǎng)的所有器件層的晶格常數(shù)，包括通常是InGaN的發(fā)光層。因?yàn)槌谠?，?dú)立的InGaN具有比GaN更大的晶格常數(shù)，當(dāng)發(fā)光層在GaN緩沖層上生長(zhǎng)時(shí)發(fā)生應(yīng)變。相反，一InGaN種子層可以在傳統(tǒng)的襯底上發(fā)生應(yīng)變地生長(zhǎng)，然后與基體結(jié)合并且從生長(zhǎng)襯底釋放，以使得InGaN種子層至少部分地弛豫。在弛豫之后，InGaN種子層具有比GaN更大的晶格常數(shù)。因此，InGaN種子層的晶格常數(shù)比GaN更加接近匹配與InGaN發(fā)光層相同的組分的弛豫獨(dú)立層的晶格常數(shù)。在InGaN種子層上生長(zhǎng)的器件層(包括InGaN發(fā)光層)將復(fù)制InGaN種子層的晶格常數(shù)。因此，具有弛豫的InGaN種子層晶格常數(shù)的InGaN發(fā)光層比具有GaN緩沖層晶格常數(shù)的InGaN發(fā)、光層更小地發(fā)生應(yīng)變。減少發(fā)光層中的應(yīng)變可以改善器件的性能?！癐II族氮化物種子層材料可以需要附加的結(jié)合步驟，以便于形成在理想方向具有III族氮化物種子層的復(fù)合襯底。在藍(lán)寶石或者SiC生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)的III族氮化物層典型地生長(zhǎng)為C-平面纖鋅礦結(jié)構(gòu)。這種纖鋅礦型III族氮化物結(jié)構(gòu)具有鎵面和氮面。III族氮化物優(yōu)選地生長(zhǎng)，以使得生長(zhǎng)層的頂表面是鎵面，而底表面(與生長(zhǎng)襯底相鄰的表面)是氮面。常規(guī)地在藍(lán)寶石或者SiC上簡(jiǎn)單生長(zhǎng)種子層材料、然后將種子層材料與基體連接并去除生長(zhǎng)襯底將導(dǎo)致復(fù)合襯底，其中，III族氮化物種子層具有暴露的氮面。如上所述，III族氮化物優(yōu)選地在鎵面上生長(zhǎng)，即，具有作為頂表面的鎵面，因而在氮面上的生長(zhǎng)可能將缺陷非預(yù)期地引入晶體內(nèi)，或者導(dǎo)致差質(zhì)量材料，來(lái)作為從以氮面作為頂表面的取向至以鎵面作為頂表面的晶體取向轉(zhuǎn)換?！盀榱诵纬蓮?fù)合襯底，其中，III族氮化物種子層具有作為頂表面的鎵面，種子層材料可以常規(guī)地在生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)，然后與任何合適的第一基體襯底結(jié)合，然后與生長(zhǎng)襯底分離，以使得種子層材料通過(guò)鎵面與第一基體襯底結(jié)合，從而留下通過(guò)去除生長(zhǎng)襯底所暴露的氮面。種子層材料的氮面然后與第二基體襯底10、復(fù)合襯底的基體襯底結(jié)合…。在與 第二基體襯底結(jié)合之后，第一基體襯底通過(guò)適于生長(zhǎng)襯底的技術(shù)來(lái)去除。在最后的復(fù)合襯底中，種子層材料16的氮面通過(guò)可選的結(jié)合層14與基體襯底12 (第二基體襯底)結(jié)合，以使得III族氮化物種子層16的鎵面被暴露用于外延層18的生長(zhǎng)?！袄纾珿aN緩沖層常規(guī)地在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)，接下來(lái)是InGaN層，其將形成復(fù)合襯底的種子層。使用或無(wú)需結(jié)合層，InGaN層與第一基體襯底結(jié)合。藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底通過(guò)激光熔化與藍(lán)寶石相鄰的GaN緩沖層來(lái)去除，然后通過(guò)去除藍(lán)寶石暴露的殘留GaN緩沖層由蝕刻來(lái)去除，這導(dǎo)致了與第一基體襯底結(jié)合的InGaN層。該InGaN層可以被注入例如氫、氘或者氦的材料，以在與最后的復(fù)合襯底中的種子層的理想厚度相對(duì)應(yīng)的深度處形成氣泡層…。InGaN層可以可選地被加工，以形成用于結(jié)合的足夠平的表面。然后，InGaN層需要或者不需要結(jié)合層來(lái)與第二基體襯底結(jié)合，其將在最后的復(fù)合襯底中形成基體。第一基體襯底(InGaN層)和第二基體襯底然后被加熱…，從而使得注入InGaN層的氣泡層膨脹，使InGaN層的薄的種子層部分與InGaN層和第一基體襯底的剰余部分分層，從而導(dǎo)致了如上所述具有與基體襯底結(jié)合的InGaN種子層的已完成的復(fù)合襯底?，F(xiàn)有技術(shù)中所必須的是具有III族氮化物種子層的復(fù)合襯底，其至少部分地弛豫，在所述復(fù)合襯底上，半導(dǎo)體層可以以更少的應(yīng)變來(lái)生長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層具有大于復(fù)合襯底上種子層區(qū)域橫向延伸的橫向延伸。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法包括提供包含基體和與基體結(jié)合的種子層的襯底。種子層包含多個(gè)區(qū)域。包含在η-型區(qū)域和P-型區(qū)域之間沉積的發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在襯底上生長(zhǎng)。在種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層的頂表面具有比多個(gè)種子層區(qū)域中每ー個(gè)更大的橫向延伸。


圖I圖示了在復(fù)合生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合生長(zhǎng)襯底包括基體襯底、結(jié)合層、以及種子層。圖2圖示了在襯底上生長(zhǎng)的種子層。圖3圖示了將種子層結(jié)合至臨時(shí)襯底以及去除生長(zhǎng)襯底。圖4圖示了在圖案化之后的種子層。圖5圖示了在弛豫之后與基體襯底結(jié)合的種子層。圖6圖示了包括種子層、結(jié)合層和基體襯底的復(fù)合襯底。

圖7圖示了在圖6的復(fù)合襯底上生長(zhǎng)的III族氮化物器件層。圖8、9和10圖示了種子層材料和溝道的區(qū)域布置。圖11圖示了附著到底座的LED。圖12和13圖示了具有三次対稱的種子層材料區(qū)域的布置。
具體實(shí)施例方式標(biāo)題為“Semiconductor Light Emitting Devices Grown on CompositeSubstrates”以及通過(guò)引用并入于此的美國(guó)申請(qǐng)No. 12/236，853描述了 III族氮化物器件，其包括在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)的III族氮化物結(jié)構(gòu)的組，其中，在種子層材料的島狀物之間形成溝道。III族氮化物結(jié)構(gòu)在更喜歡垂直而不是橫向生長(zhǎng)的條件下生長(zhǎng)，以使得溝道維持在材料的島狀物之間。單獨(dú)的島狀物可以是任意大或者小，但是典型地長(zhǎng)度在數(shù)十微米和幾毫米之間。分離島狀物的溝道寬度可以在5和50微米之間。在美國(guó)申請(qǐng)No. 12/236，853的器件中，每個(gè)島狀物的n_和p-型區(qū)域必須被制作電連接。在制造LED、在其上安裝LED的結(jié)構(gòu)、以及兩者過(guò)程中，形成這種電連接需要附加的步驟，這可能増加制造器件的成本。在本發(fā)明的實(shí)施例中，復(fù)合襯底的種子層材料中的溝道被形成，以使得器件的發(fā)光區(qū)域可以形成為合并(coalesce)的連續(xù)薄膜，而不是一系列分立的島狀物。圖2-6圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例來(lái)形成復(fù)合襯底。除了以下描述的特定材料和方法，在US2007/0072324中所描述的材料和方法可以用在圖2_6中所圖示的結(jié)構(gòu)和方法中。圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的III族氮化物器件，其在圖6中所圖示的復(fù)合襯底上生長(zhǎng)。在圖2中，III族氮化物種子層24常規(guī)地在施主襯底20上生長(zhǎng)，所述襯底可以是例如藍(lán)寶石或者Sic。種子層24可以在犧性的半導(dǎo)體層22上生長(zhǎng)，其被注入有注入種26，例如，促進(jìn)施主襯底20從種子層24后來(lái)分離的H"。在一些實(shí)施例中，犧牲層22是GaN并且種子層24是發(fā)生應(yīng)變的InGaN。在一些實(shí)施例中，InGaN種子層具有大于O直到6%的InN組分。在圖3中，可選的結(jié)合層30和相容層28形成在臨時(shí)襯底32上。圖2中所圖示的結(jié)構(gòu)的種子層24通過(guò)相容層28與臨時(shí)襯底32結(jié)合。在一些實(shí)施例中，可選的結(jié)合層30是一個(gè)或者多個(gè)氧化物、氮化物、碳化物、或者硅、鋁、硼、磷、鋅、鎵、鍺、銦、錫、銻、鉛、鉍、鈦、鎢、鎂、鈣、鉀、鎳、釔、鋯、鉿、釹和鉭的氟化物。在一些實(shí)施例中，相容層28是硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)或者通過(guò)例如蒸發(fā)、濺射以及沉淀所沉積的其它商品化的玻璃。種子層24通過(guò)激勵(lì)注入種26 (圖2)與施主襯底20 (圖2)分離，以分開(kāi)犧牲層22(圖2)。植入犧牲層以及通過(guò)激勵(lì)植入種將種子層與施主襯底分離在美國(guó)專利申請(qǐng)公布2005/0026394和美國(guó)專利5，374，564中更詳細(xì)地描述，其通過(guò)弓I用并入于此?？商娲?，施主襯底可以通過(guò)激光熔化犧牲層22 (圖2)來(lái)去除。在圖4中，任何殘留犧牲層22被從種子層24去除，并且溝道34形成在種子層24中向下直到相容層28。結(jié)構(gòu)被處理為使得發(fā)生應(yīng)變的種子層材料24的區(qū)域弛豫，例如，通過(guò)加熱，這使得種子層區(qū)域沿著相容層28滑動(dòng)并且膨脹。在本發(fā)明的實(shí)施例中，種子層材料34和溝道34的區(qū)域的尺寸、位置、和間隔被選擇以使得種子層材料24的區(qū)域在弛豫時(shí)膨脹到接近或者幾乎接近種子層材料的相鄰區(qū)域之間的間隙(即，溝道34的寬度)。在ー些實(shí)施例中，種子層材料的相鄰島狀物的側(cè)壁在弛豫后接觸，正如圖5中的界面36所圖示的。
然而，因?yàn)榉N子層的相鄰區(qū)域由溝道分離，所以在弛豫后，在種子層的相鄰區(qū)域之間的界面處不存在任何化學(xué)結(jié)合。溝道34的最小寬度可以由InGaN種子層的組分和在種子層弛豫過(guò)程中所獲得的弛豫量來(lái)確定。例如，具有更大的InN組分的種子層可以弛豫更多，其可以比具有較小InN組分的種子層需要更大的溝道寬度。在結(jié)晶層中的應(yīng)變可以被限定如下給定層具有與和該層相同組分的獨(dú)立材料的晶格常數(shù)相對(duì)應(yīng)的主體晶格常數(shù)abulk，以及與生長(zhǎng)時(shí)該層的晶格常數(shù)相對(duì)應(yīng)的平面內(nèi)晶格常數(shù)ain_pl■。層中的應(yīng)變量是形成特殊層的材料的平面內(nèi)晶格常數(shù)與器件中層的主體晶格常數(shù)之間的差異，其除以主體晶格常數(shù)。在InGaN層中的應(yīng)變對(duì)于含10%InN的InGaN是 1%，因此，對(duì)于10%InN的完全弛豫薄膜，在弛豫前的最小溝道寬度將是種子區(qū)域尺寸的 1%。如果溝道34的寬度比最小值更小，種子區(qū)域在弛豫過(guò)程中可以碰撞，這可能引起在隨后生長(zhǎng)層上的材料質(zhì)量問(wèn)題。溝道34的寬度在一些實(shí)施例中小于I微米,在一些實(shí)施例中小于500nm,并且在一些實(shí)施例中小于200nm。對(duì)于不連續(xù)的種子區(qū)域，如以下圖8和10中所圖示的，相鄰種子區(qū)域上的任何兩個(gè)點(diǎn)之間的最小距離可以如下對(duì)于是GaN的種子層(0%ΙηΝ)，最小溝道寬度34可以是在一些實(shí)施例中對(duì)于I微米長(zhǎng)度的區(qū)域是Onm，在一些實(shí)施例中對(duì)于5微米長(zhǎng)度的區(qū)域是Onm，以及在一些實(shí)施例中對(duì)于10微米長(zhǎng)度的區(qū)域是Onm ;對(duì)于是具有5% InN的InGaN的種子層，最小溝道寬度34可以是在一些實(shí)施例中對(duì)于I微米長(zhǎng)度的區(qū)域是5nm，在一些實(shí)施例中對(duì)于5微米長(zhǎng)度的區(qū)域是25nm，以及在一些實(shí)施例中對(duì)于10微米長(zhǎng)度的區(qū)域是50nm ；以及對(duì)于是具有10% InN的InGaN的種子層，最小溝道寬度34可以是在一些實(shí)施例中對(duì)于I微米長(zhǎng)度的區(qū)域是10nm，在一些實(shí)施例中對(duì)于5微米長(zhǎng)度的區(qū)域是50nm，以及在一些實(shí)施例中對(duì)于10微米長(zhǎng)度的區(qū)域是lOOnm。在一些實(shí)施例中，在弛豫之后相鄰種子層區(qū)域之間的間隙可以至多在幾(1-2)微米的數(shù)量級(jí)。在種子層中的間隙上合并的層的生長(zhǎng)是比較慢的過(guò)程，其要求橫向附生(overgrowth)0在種子層區(qū)域之間附生大間隙(例如，幾十微米)，盡管不是技術(shù)上不可行的，將很貴，這是由于在生長(zhǎng)器件層之前合并層所需要的大的循環(huán)時(shí)間，正如以下參考圖7所述。較大的間隙(例如，在5和20微米之間的間隙)可以被忍受，其中，合并層的生長(zhǎng)條件可以被調(diào)整以促進(jìn)橫向晶體表面上的生長(zhǎng)，而在垂直定向的平面上抑制它，其允許人們合并薄膜，同時(shí)保持整體薄膜厚度相對(duì)薄。例如，可以調(diào)整GaN的生長(zhǎng)條件，以希望橫向生長(zhǎng)勝過(guò)垂直生長(zhǎng)。如果間隙在弛豫后保持在種子層材料的區(qū)域之間，相容層28 (其通常是非結(jié)晶的或者多晶的材料)可以被選擇，以成為在其上III族氮化物材料將不成核的材料，因?yàn)樵陂g隙中非結(jié)晶的或者多晶的相容層28上成核的III族氮化物材料可以不結(jié)晶化排列(line up)，而材料在種子區(qū)域上生長(zhǎng)，這將引起后續(xù)生長(zhǎng)的層的材料質(zhì)量問(wèn)題。圖8、9和10圖示了種子層材料24和溝道34的區(qū)域的布置的三個(gè)實(shí)例。在圖8中所圖示的布置中，形成種子層材料24的島狀物，其由溝道34來(lái)完全環(huán)繞。在圖9中所圖示的布置中，種子層材料的區(qū)域在材料的連續(xù)網(wǎng)中被連接，以有助于在種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層生長(zhǎng)期間的晶體取向。在O. 2和I微米寬之間的開(kāi)ロ在種子層材料24中形成。圖10中所圖示的布置是圖9中的布置的鏡像-種子層材料殘留在圖10中的布置的區(qū)域中，其中，其從圖9的布置中去除， 反之亦然。可以使用種子層材料和溝道的區(qū)域的布置的其它形狀，例如，三角形和溝道的其它晶格、網(wǎng)格、以及任何其它合適的布置。在一些實(shí)施例中，種子層材料24的區(qū)域保持比特定種子層材料的屈曲長(zhǎng)度更小，其是能夠弛豫而不屈曲(buckle)的最長(zhǎng)種子層區(qū)域的長(zhǎng)度。屈曲長(zhǎng)度取決于種子層的組分，并且可以是例如幾十微米或者更大。在一些實(shí)施例中，種子層材料的區(qū)域被成形以具有與形成種子層的材料相同的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。例如，在一些實(shí)施例中，種子層24是III族氮化物材料，例如，GaN或者InGaN。在例如藍(lán)寶石和SiC的襯底上生長(zhǎng)的III族氮化物材料常常是纖鋅礦結(jié)構(gòu)(具有六角形晶胞的晶體)，其被定向以使得III族氮化物材料的頂面是C-平面。在一些實(shí)施例中，C-平面、纖鋅礦、III族氮化物種子層材料的區(qū)域是具有三次対稱的形狀，例如，三角形(正如圖12中所圖示的)，或者六角形(正如圖13中所圖示的)。在一些實(shí)施例中，正如圖12和13中所圖示的，島狀物邊緣與纖鋅礦的結(jié)晶平面(例如，纖鋅礦的a-和m-平面)平行。具有纖鋅礦的結(jié)晶平面的島狀物邊緣的對(duì)齊可以促進(jìn)島狀物邊緣鄰接合并壁。在一些實(shí)施例中，種子層是非極性或者半極性III族氮化物的纖鋅礦材料。例如，種子層可以被定向以使得頂面是a-平面或者m-平面，其具有兩次對(duì)稱。因此，當(dāng)種子層是非極性或者半極性材料時(shí)，例如，a-或者m-平面纖鋅礦，方形或者矩形的種子區(qū)域與晶體對(duì)稱對(duì)齊。纖鋅礦III族氮化物種子層可以更趨向于在ー些結(jié)晶方向上屈曲。在一些實(shí)施例中，與在其中種子層更趨向于屈曲的方向相比，種子層區(qū)域可以沿著在其中種子層材料更少趨向于屈曲的方向上更長(zhǎng)。種子層材料的遠(yuǎn)距離區(qū)域膨脹，并且因此溝道34的寬度可以取決于種子層材料的區(qū)域尺寸和種子層材料中的InN組分。種子層材料的小區(qū)域?qū)⒈确N子層材料的大區(qū)域膨脹更少。具有更大InN組分的種子層更加發(fā)生應(yīng)變，并且因此將比具有更小InN組分的種子層膨脹得多。在圖5中，弛豫的種子層24與基體襯底40結(jié)合，在所述基體襯底上形成可選的結(jié)合層38?；w襯底40可以是例如藍(lán)寶石或者任何其它合適材料。結(jié)合層38可以是例如一種或者多種氧化物、氮化物、碳化物、或者硅、鋁、硼、磷、鋅、鎵、鍺、銦、錫、銻、鉛、鉍、鈦、鎢、鎂、 丐、鉀、鎳、乾、錯(cuò)、鉿、釹和鉭的氟化物。臨時(shí)襯底32、結(jié)合層30、以及相容層28在圖6中被去除。在圖7中所圖示的結(jié)構(gòu)中，器件層18在弛豫的種子層24上生長(zhǎng)。與種子層24相鄰的層的組分可以由于其晶格常數(shù)或者其它屬性，和/或由于其在種子層24的材料上成核的能力而被選定。在種子層24上生長(zhǎng)的層可以在以下條件下生長(zhǎng)使得層在種子層材料24的區(qū)域之間的任何殘留間隙上合井，從而形成連續(xù)的、基本平坦的層。器件層18包括η-型區(qū)域42、發(fā)光或者有源區(qū)44、以及ρ-型區(qū)域46。η_型區(qū)域42首先生長(zhǎng)。η-型區(qū)域可以包括不同組分和摻雜濃度的多個(gè)層，其包括例如，如緩沖層或者成核層的預(yù)備層，其可以是η-型或者非有意摻雜、釋放層，其被設(shè)計(jì)成便于復(fù)合襯底后來(lái)釋放或者在襯底去除之后使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)變薄，以及η-或者甚至ρ-型器件層，其被針對(duì)對(duì)于發(fā)光區(qū)域希望的特定光或者電屬性來(lái)設(shè)計(jì)以有效發(fā)光。在一些實(shí)施例中，η-型區(qū)域42是InGaN或者包括ー個(gè)或多個(gè)InGaN層。在具有膨脹的晶格常數(shù)的種子層上生長(zhǎng)的GaN可以受拉，因而在器件中的任何GaN層的厚度可以被限制，以防止破裂。發(fā)光或者有源區(qū)44在η-型區(qū)域42上生長(zhǎng)。合適的發(fā)光區(qū)域的實(shí)例包括單個(gè)厚的或者薄的發(fā)光層，或者包括由勢(shì)壘層分離的多個(gè)薄的或者厚的量子阱發(fā)光層的多量子阱 發(fā)光區(qū)域。例如，多量子阱發(fā)光區(qū)域可以包括多個(gè)發(fā)光層，每個(gè)發(fā)光層具有25Α或者更少的厚度，其由勢(shì)壘分離，每個(gè)勢(shì)壘具有100Α或者更少的厚度。在一些實(shí)施例中，器件中的發(fā)光層的每一個(gè)的厚度比50Α更厚。ρ-型區(qū)域46在發(fā)光區(qū)域44上生長(zhǎng)。類似于η_型區(qū)域，ρ-型區(qū)域可以包括不同組分、厚度和摻雜濃度的多個(gè)層，其包括非有意摻雜的層，或者η-型層。在一些實(shí)施例中，P-型區(qū)域46是InGaN或者包括ー個(gè)或多個(gè)InGaN層。圖11圖示了附著到底座54的III族氮化物L(fēng)ED。反射金屬p_接觸50在ρ-型區(qū)域上形成。P-接觸50的部分、ρ-型區(qū)域24、和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)48的發(fā)光區(qū)域被蝕刻掉以暴露η-型區(qū)域的部分。N-接觸52在η-型區(qū)域的暴露部分上形成。LED通過(guò)η-和ρ-的互連56和58與底座54結(jié)合?；ミB56和58可以是任何合適的材料，例如，焊料、金、金錫、或者其它金屬，并且可以包括多層材料。在一些實(shí)施例中，互連包括至少ー個(gè)金層，并且LED和底座54之間的結(jié)合由超聲波焊接來(lái)形成。對(duì)于超聲波焊接，LED管芯設(shè)置在底座54上。結(jié)合頭設(shè)置在LED管芯的頂表面上，通常在復(fù)合襯底的頂表面上。結(jié)合頭與超聲換能器連接。超聲換能器可以是例如鋯鈦酸鉛(PZT)層的堆疊。當(dāng)電壓以使得系統(tǒng)諧振的頻率(通常是幾十或者幾百kHz的數(shù)量級(jí)的頻率)被施加到換能器時(shí)，換能器開(kāi)始振動(dòng)，其接下來(lái)使得結(jié)合頭和LED管芯通常以微米數(shù)量級(jí)的振幅振動(dòng)。振動(dòng)使得在LED上結(jié)構(gòu)的金屬晶格(例如，η-和ρ-接觸或者在η-和ρ-接觸上形成的金屬層)中的原子與底座54上的結(jié)構(gòu)互相擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了由互連56和58在圖11中所表現(xiàn)的冶金學(xué)上連續(xù)的接頭。在結(jié)合過(guò)程中可以添加熱量和/或壓力。在將LED管芯與底座54結(jié)合之后，在其上生長(zhǎng)半導(dǎo)體層48的襯底的所有部分和一部分可以被去除。例如，藍(lán)寶石基體襯底可以通過(guò)激光剝離或者通過(guò)蝕刻在基體40和種子層24之間的結(jié)合層38來(lái)去除，正如圖6中所圖示的。結(jié)合層可以被去除或者可以仍然為器件的一部分。在去除基體襯底后殘留的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以例如通過(guò)光電化學(xué)蝕刻來(lái)變薄。例如，種子層24的全部或者部分可以被去除，或者可以仍然為器件的一部分。在種子層上生長(zhǎng)的第一層(其在種子層24的區(qū)域之間的界面36上合井)可以被去除或者可以仍然為器件的一部分。所暴露的半導(dǎo)體表面可以例如以光子晶體結(jié)構(gòu)被粗糙化或者圖案化，其可以增加從器件的光提取。吸收由發(fā)光區(qū)域所發(fā)射的光并且發(fā)射ー個(gè)或多個(gè)不同峰值波長(zhǎng)的光的光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料60可以布置在LED上。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料60可以是例如布置在例如硅樹(shù)脂(silicone)或環(huán)氧樹(shù)脂(epoxy)的透明材料中并通過(guò)絲網(wǎng)印刷或者模板印刷來(lái)沉積在LED上的一種或者多種磷光體粉末、由電泳沉積所形成的一種或者多種磷光體粉末、或者與LED膠合或結(jié)合的ー種或者多種陶瓷磷光體、ー種或者多種染料、或者以上所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的任意組合。陶瓷磷光體在US 7，361，938中被更詳細(xì)地描述，其通過(guò)引用合并于此。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料60可以被形成以使得由發(fā)光區(qū)域所發(fā)射的光的一部分未由波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料來(lái)轉(zhuǎn)換。在一些實(shí)例中，未轉(zhuǎn)換的光是藍(lán)色并且被轉(zhuǎn)換的光是黃色、緑色、和/或紅色，以使得從器件所發(fā)射的未轉(zhuǎn)換的和轉(zhuǎn)換的光的組合顯現(xiàn)白色。在一些實(shí)施例中，現(xiàn)有技術(shù)中已知的偏振器、ニ向色濾光器或者其它光學(xué)器件在LED上形成或者在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料60上形成。雖然圖11圖示了薄膜式倒裝芯片器件，圖7中所圖示的結(jié)構(gòu)可以被加工成任何其它合適的器件結(jié)構(gòu)，例如，在其中接觸形成在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)的垂直器件、在其中襯底仍然附著至器件的倒裝芯片器件、或者其中光通過(guò)在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相同或者相對(duì)側(cè)上形成的透明接觸提取的結(jié)構(gòu)。 通過(guò)詳細(xì)描述本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，給定本公開(kāi)內(nèi)容，可以對(duì)本發(fā)明做出修改，而不脫離此處所描述的本創(chuàng)新性概念的精神。例如，雖然以上實(shí)例指出了III族氮化物器件，但是由其它材料系統(tǒng)制成的器件(例如，其它III-V族材料、III-As或III-P器件、或者II-VI族器件)可以用在本發(fā)明的實(shí)施例中。因此，本發(fā)明的范圍不旨在 被限于所圖示和所描述的特定實(shí)施例中。
權(quán)利要求
1.ー種方法，包括 提供襯底，該襯底包括 基體；以及 與基體結(jié)合的種子層，該種子層包括多個(gè)區(qū)域， 其中，種子層的相鄰區(qū)域在相鄰區(qū)域之間的界面處彼此直接接觸；以及在襯底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括在η-型區(qū)域和P-型區(qū)域之間設(shè)置的發(fā)光層; 其中，在種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層的頂表面具有大于多個(gè)種子層區(qū)域中的每ー個(gè)的橫向延伸。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)ー步地包括 將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與底座連接；以及 去除基體。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)ー步地包括去除種子層。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，發(fā)光層是III族氮化物層。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，界面延伸穿過(guò)種子層的整個(gè)厚度。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，每個(gè)區(qū)域由界面與最近的鄰近區(qū)域完全分離。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，界面在種子層的相鄰區(qū)域之間基本上沒(méi)有化學(xué)結(jié)ムロ ο
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，每個(gè)區(qū)域具有在I和10微米之間的橫向延伸。
9.ー種方法，包括 提供襯底，該襯底包括 基體；以及 與基體結(jié)合的種子層，該種子層包括由界面分離的多個(gè)區(qū)域，其中，連接相鄰區(qū)域，以形成種子層材料的連續(xù)網(wǎng)；以及 在襯底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括在η-型區(qū)域和P-型區(qū)域之間設(shè)置的發(fā)光層; 其中，在種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層的頂表面具有大于多個(gè)種子層區(qū)域中的每ー個(gè)的橫向延伸。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，發(fā)光層是III族氮化物層。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，界面處種子層區(qū)域之間的間隙在小于I微米寬。
12.—種方法,包括 提供襯底，該襯底包括 基體；以及 與基體結(jié)合的種子層，該種子層包括多個(gè)區(qū)域，其中，種子層是具有結(jié)晶晶胞的結(jié)晶材料，其中，每個(gè)種子層區(qū)域被成形以具有與結(jié)晶晶胞的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱相同的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；以及 在襯底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括在η-型區(qū)域和P-型區(qū)域之間沉積的發(fā)光層; 其中，在種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層的頂表面具有大于多個(gè)種子層區(qū)域中的每ー個(gè)的橫向延伸。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，發(fā)光層是III族氮化物層。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，種子層是纖鋅礦結(jié)構(gòu)并且每個(gè)種子層區(qū)域被成形為三角形或者六角形。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，每個(gè)種子層區(qū)域由間隙或者界面與最近的鄰近種子層區(qū)域完全分離。
全文摘要
一種根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法包括提供襯底，該襯底包含基體和與基體結(jié)合的種子層。種子層包括多個(gè)區(qū)域。包括在n-型區(qū)域和p-型區(qū)域之間設(shè)置的發(fā)光層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在襯底上生長(zhǎng)。在種子層上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層的頂面具有大于多個(gè)種子層區(qū)域中每一個(gè)的橫向延伸。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102696120SQ201180006006
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者M.B.麥老恩, M.R.克拉梅斯, N.F.加德納, S.伊 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司