專利名稱：用于斜切塊狀襯底上的外延處理的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的公開內(nèi)容涉及光學(xué)器件(光學(xué)裝置)的制造。更特別地，本發(fā)明的公開內(nèi)容提供使用斜切(Al，Ga，In)N塊狀晶體的方法和器件(裝置)。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式包括使用斜切的含氮化鎵的材料來制造發(fā)光器件的技術(shù)。這樣的器件可以用于諸如光電子器件的應(yīng)用。在特定的實施方式中，本發(fā)明的公開內(nèi)容提供使用外延含鎵晶體進(jìn)行制造的方法，所述晶體在襯底(基板)的大表面積(表面區(qū)域，surface area)上具有極其平滑的表面形態(tài)和均一(一致)的波長。對于塊狀或圖案化的襯底的制造，這樣的晶體和材料包括 GaN、AIN、InN, InGaN, AlGaN 和 AlInGaN。
背景技術(shù)：
在19世紀(jì)晚期，托馬斯愛迪生發(fā)明了燈泡。通常稱作“愛迪生燈泡”的常規(guī)燈泡已經(jīng)使用了超過一百年。常規(guī)燈泡使用封閉在玻璃燈泡中的鎢絲，所述玻璃燈泡密封在基底(base)中，所述基底螺旋到插座中。所述插座與AC電源或DC電源耦接。常規(guī)燈泡通?？捎糜诜课?、建筑物和戶外照明設(shè)備中。遺憾的是，常規(guī)燈泡散逸大于90%的用作熱能的能量。另外，燈泡最終因鎢絲的蒸發(fā)而失效。熒光燈使用充有稀有氣體(惰性氣體，noble gas)的光學(xué)透明的管，并且典型地還包含汞。一對電極通過鎮(zhèn)流器耦接(結(jié)合)至交流電源。一旦汞被激發(fā)，則其放電以發(fā)射紫外光。典型地，所述管涂布有磷光體，所述磷光體被紫外光激發(fā)而提供白光。近來，已經(jīng)將熒光燈安裝到基底結(jié)構(gòu)上以耦接(結(jié)合)到標(biāo)準(zhǔn)插座中。固態(tài)發(fā)光依賴用于生產(chǎn)發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料，所述發(fā)光二極管通常稱作LED。最初，證明了紅色LED并將其引入商業(yè)中。在現(xiàn)代，紅色LED使用鋁銦鎵磷化物或AlInGaP半導(dǎo)體材料。最近，Shuji Nakamura首先使用InGaN材料以在用于藍(lán)色LED的藍(lán)色范圍內(nèi)產(chǎn)生LED發(fā)光。藍(lán)色LED導(dǎo)致了發(fā)光的創(chuàng)新，且藍(lán)色激光二極管使得DVD播放機(jī)和其他開發(fā)可行。將基于InGaN的發(fā)射藍(lán)色、紫色或紫外光的器件與磷光體一起使用以提供白色LED。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的公開內(nèi)容總體上涉及材料和器件的制造。更特別地，本發(fā)明的公開內(nèi)容提供使用斜切(Al、Ga、In)N塊狀晶體的方法和器件。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式包括使用斜切的含氮化鎵的材料來制造發(fā)光器件和/或電子器件的技術(shù)。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的器件可以應(yīng)用于諸如光電子器件的應(yīng)用。在特定的實施方式中，本發(fā)明公開內(nèi)容提供使用聞品質(zhì)外延含嫁晶體進(jìn)行制造的方法，所述晶體在襯底的大表面積(表面區(qū)域，surface area)上具有極其平滑的表面形態(tài)和均一(均勻，一致，uniform)的波長。對于塊狀或圖案化的襯底的制造，這樣的晶體和材料包括GaN、AIN、InN, InGaN, AlGaN和AlInGaN0由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式包括用于處理和利用塊狀襯底的方法。特定方法包括在(Al、Ga、In)N襯底或模板上直接制造至少一種(Al、Ga、In)N薄膜。所述襯底或模板具有特征在于朝向m方向的斜切角為至少0. 35°的表面，并且所述表面法線的投影與m軸重合(一致)。所述襯底或模板可以通過朝向或遠(yuǎn)離m方向以相對于c面至少0.35°的預(yù)定斜切角(miscut angle)對c面晶片進(jìn)行切片而獲得。在特定實施方式中，本發(fā)明的公開內(nèi)容提供由塊狀襯底材料如塊狀含鎵和氮的襯底材料，例如GaN來制造光學(xué)器件的方法。方法包括提供具有頂面的塊狀含鎵和氮的襯底材料。所述塊狀含鎵和氮的襯底的所述頂面上的至少一個表面區(qū)域朝向m方向具有至少0.35°的斜切角。方法還包括對所述表面區(qū)域進(jìn)行處理工藝(處理過程)以除去在所述表面區(qū)域內(nèi)的具有表面損傷或表面下?lián)p傷的一個或多個區(qū)域。所述處理工藝可以是使用含氫和氮的物質(zhì)的熱處理。在特定實施方式中，所述方法包括形成覆蓋所述表面區(qū)域的n型含鎵和氮的材料(或未摻雜的材料)和由薄膜層的堆疊形成有源區(qū)域。所述薄膜層中的每一 個可以包括覆蓋n型含鎵和氮的材料的銦物質(zhì)、鋁物質(zhì)以及含鎵和氮的物質(zhì)。在特定的實施方式中，所述方法包括形成覆蓋所述有源區(qū)域的含鋁、鎵和氮的電子阻擋材料(electronblocking material)和形成覆蓋所述電子阻擋材料的p型含鎵和氮的材料,從而使得形成經(jīng)處理的含鎵和氮的襯底。在特定實施方式中，所述經(jīng)處理的塊狀含鎵和氮的襯底的特征在于，光致發(fā)光(PU波長標(biāo)準(zhǔn)偏差為0. 2%以下；并且所述薄膜層中的每一個具有特征在于在至少2，500 u m2的面積(區(qū)域)上均方根(RMS)表面粗糙度為0. 3nm以下的表面區(qū)域。在特定實施方式中，含氫物質(zhì)和含氮物質(zhì)分別源自氫氣和氨氣。在特定實施方式中，所述n型含鎵和氮的材料是n型GaN。在特定的實施方式中，所述p型含鎵和氮的材料是P型GaN。在特定的實施方式中，所述電子阻擋材料是AlGaN。在特定的實施方式中，形成所述有源區(qū)域的所述薄膜層中的每一個是AlInGaN。在特定的實施方式中，所述有源層包括多個量子阱，其包含例如3至20個量子阱。在特定實施方式中，所述量子阱中的每一個可以被勢壘區(qū)域隔開。在特定的實施方式中，所述勢壘區(qū)域包括GaN。在特定實施方式中，本發(fā)明的公開內(nèi)容提供用于制造器件的方法。方法包括例如提供具有表面區(qū)域的含鎵和氮的襯底，其具有特征在于從C面朝向m方向斜切角為至少0.35°的C-面表面區(qū)域。在特定的實施方式中，所述方法包括在所述含鎵和氮的襯底上形成包含含鋁物質(zhì)和含銦物質(zhì)的含鎵和氮的薄膜。在特定的實施方式中，所述方法包括形成覆蓋所述薄膜的電接觸區(qū)域。本發(fā)明的公開內(nèi)容提供用于識別和選擇適合用于制造LED 二極管或其他器件的襯底的部分和/或區(qū)域的方式。這樣的區(qū)域的特征在于，在含鎵和氮的襯底上朝向m方向的斜切角為至少0. 35°。令人驚訝地，使用朝向m方向為至少0. 35°的斜切角提高了經(jīng)處理器件的一致性和產(chǎn)率。通過具有朝向m方向為至少0.35°的斜切角，或者在特定的實施方式中，與較小的斜切角相反，具有朝向m方向和/或a方向為大于0.4°的斜切角，以對于制造LED器件有利的方式改善了襯底的表面形態(tài)，使得提高了器件的制造產(chǎn)率并改善了性能。朝向m方向為至少0.35°的斜切角產(chǎn)生了平滑的襯底表面，從而改善了器件性能和可靠性。對于改善性能的原因之一是平滑的襯底表面導(dǎo)致高的載流子遷移率和較低的串聯(lián)電阻。另外，平滑的襯底表面降低了在襯底上形成的光學(xué)器件的光散射?？傊?，使用朝向m方向為至少0. 35°的斜切實現(xiàn)了改善的PL性能。


圖IA示出了沿m方向切割的襯底(襯底A)的斜切圖。所述值表示相對于c面的角度。圖IB示出了沿a方向切割的襯底的斜切圖。所述值表示相對于c面的角度。圖2示出了關(guān)于在圖IA和圖IB的襯底上生長的InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光(PL)圖。圖3是在襯底A上生長的表面形態(tài)的諾馬斯基(Nomarski)圖像。所述諾馬斯基圖像對應(yīng)于在圖3的左側(cè)上示出的襯底A上的相對位置。、
圖4示出了襯底A的5個2X2iim2面積(區(qū)域)的原子力顯微鏡(AFM)振幅圖像(幅度圖像，amplitude images)。對于特定區(qū)域指示了均方根(RMS)平均振幅(平均幅度)(nm)。圖5示出了襯底A的5個50X50 ii m2面積的原子力顯微鏡(AFM)振幅圖像。對于特定面積指示了均方根(RMS)平均振幅(nm)。圖6A示出了關(guān)于朝向m方向(m軸)斜切的c面晶片的晶面。圖6B示出了關(guān)于朝向a方向(a軸)斜切的c面晶片的晶面。圖6C示出了關(guān)于朝向m方向(m軸)和朝向a方向(a軸)斜切的c面晶片的晶面。圖6D示出了描繪晶格面相對于用于斜切晶片的晶片表面的相對取向的晶片的橫截面圖。圖7 示出了以朝向 m 方向為 0. 14。,0. 23° ,0. 31° ,0. 36° ,0. 41° 和 0.45。斜
切的c面晶片的表面形態(tài)的諾馬斯基圖像。圖8是示出了在m方向和a方向中的斜切角與RMS表面粗糙度之間的關(guān)系的圖。圖9示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式來生長光學(xué)器件的步驟。圖10示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式來生長整流p_n結(jié)二極管的步驟。圖11示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式來生長高電子遷移率晶體管或金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的步驟。
具體實施例方式現(xiàn)在參考聚合物、組成(組合物)和方法的特定實施方式。所公開的實施方式不旨在限制權(quán)利要求。相反，權(quán)利要求旨在覆蓋所有替代、修改和等價物。本發(fā)明公開內(nèi)容總體上涉及材料和器件的制造。更特別地，本發(fā)明公開內(nèi)容提供使用斜切(Al、Ga、In)N塊狀晶體的方法和器件。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式包括使用斜切的含氮化鎵的材料來制造發(fā)光器件的技術(shù)。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的器件可以應(yīng)用于諸如光電子器件的應(yīng)用。在特定實施方式中，本發(fā)明公開內(nèi)容提供使用外延含鎵晶體進(jìn)行制造的方法，所述晶體在襯底的大區(qū)域(面積)上具有極其平滑的表面形態(tài)和均一(均勻，一致)的波長。這樣的晶體和材料包括GaN、AlN、InN, InGaN,AlGaN和AlInGaN，并且可用于制造塊狀或圖案化的襯底。如本文中所用的，術(shù)語襯底還包括模板。作為背景信息，在紫外和可見區(qū)域中發(fā)光的常規(guī)GaN-基發(fā)光二極管(LED)典型地基于其中在GaN以外的襯底如藍(lán)寶石、碳化硅或硅上開始生長的異質(zhì)外延生長。這是由于獨立式(free-standing) GaN襯底的限制供應(yīng)和高成本,其阻止了所述襯底用于LED制造的可行性。然而，塊狀GaN技術(shù)的領(lǐng)域已經(jīng)在過去幾年內(nèi)獲得了快速的增加，從而對于到LED制造中的大規(guī)模部署(配置)提供了保證。這種技術(shù)改變會對LED性能和制造提供益處。在過去十五年期間在氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管的性能方面取得了進(jìn)展。在實驗室中已經(jīng)證明了發(fā)光效率大于100流明/瓦特的器件，并且商業(yè)器件具有已經(jīng)顯著優(yōu)于白熾燈的效率，并且可以與熒光燈競爭。效率的進(jìn)一步提高可以在產(chǎn)生用于發(fā)光應(yīng)用的能量時降低運行成本、降低電消耗并減少所產(chǎn)生的二氧化碳和其他溫室氣體的放出。平滑的形態(tài)對于高質(zhì)量晶體生長是重要的。在藍(lán)寶石、SiC或其他非同質(zhì)襯底上生長的強(qiáng)烈位錯的GaN膜具有由膜的微結(jié)構(gòu)指示的形態(tài)和生長條件。另一方面，GaN在同質(zhì) 塊狀襯底上的生長不再受膜的缺陷結(jié)構(gòu)而強(qiáng)烈介導(dǎo)；因此，可以預(yù)期，最佳生長條件和表面會與位錯材料上的生長不同。遺憾地，對于用于制造LED的晶體獲得平滑的形態(tài)是困難的，特別是當(dāng)在同質(zhì)塊狀襯底上生長GaN材料時。用于制造LED器件的GaN材料的表面通常不均勻，并且通常具有斜切，所述斜切通常認(rèn)為對于LED器件是不期望的。如下所述，本發(fā)明公開內(nèi)容利用了 GaN襯底的斜切和不均勻表面。如本文中所用的，“斜切”是指從“a面”、“m面”或其他晶面偏離的表面角度?！靶鼻小边€指在晶片表面與最近的高對稱/低指數(shù)主晶面，例如c面面或a面之間的角度。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式提供了用于改善在塊狀(Al、Ga、In)N襯底上生長的(Al、Ga、In)N薄膜的表面形態(tài)的方法。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的方法還產(chǎn)生了在包含(Al、Ga、In)N塊狀層或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層結(jié)構(gòu)中的均一(均勻，一致)發(fā)射波長。獲得的平滑的(Al、Ga、In)N薄膜可以充當(dāng)用于生長高性能發(fā)光和電子器件的模板。可以將通常的氣相外延技術(shù)如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)用于生長(Al、Ga、In)N薄膜。然而，由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式可同樣應(yīng)用于通過其他合適的氣相生長技術(shù)生長的(Ga、AI、In、B)N薄膜。本文中公開的是通過有意地使用斜切來改善在塊狀襯底上生長的(Al、Ga、In)N薄膜的表面形態(tài)的方法。改善的表面形態(tài)可以對氮化物器件帶來許多優(yōu)點，包括在給定器件中的單獨層的改善的厚度均一性、組成、摻雜、電性能和/或發(fā)光特性。此外，所得的平滑表面導(dǎo)致了光散射損失的顯著下降，這對于例如激光二極管的性能是有利的。典型地,當(dāng)在斜切表面上發(fā)生外延時,在一套平臺(terraces)的一個平臺端部暴露特定的面。斜切方向規(guī)定，暴露的且用于在
或
GaN表面上生長的面可以包括[1-100]和[11-20]方向的重疊(疊加)。遠(yuǎn)離法線的角度限定了階梯密度(st印density)。例如，朝向[1_100]的斜切暴露了一組m面。平滑的表面形態(tài)可以通過在朝向[1-100]面(m方向)的斜切為至少0.35°的同質(zhì)GaN塊狀襯底上生長GaN而獲得。在其中斜切跨越襯底或晶片變化的實施方式中，朝向[1-100]方向的最小斜切應(yīng)該為至少0. 35°。在[11-20]方向上斜切的襯底可以以較大的限度(裕度，余量，margin)發(fā)生變化，例如從-1°至1°，在特定實施方式中從-1°至I. 5°，或者在特定實施方式中大于-I. 5°至I. 5°。在較大斜切角上的生長可以獲得粗糙表面，如圖3和圖7中所示，其特征在于作為“波紋”或“褶皺”表面而顯現(xiàn)的嚴(yán)重階梯成束(st印-bunching)。如圖3和圖7中所示，由波紋構(gòu)成的表面的分?jǐn)?shù)(部分，fraction)隨著斜切角的增加而下降，所述斜切角可達(dá)約0.35°，在該斜切角處顯著的缺陷不再明顯。由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式包括非極性或半極性(Ga、Al、In、B)N膜，其包括作為非極性或半極性面的頂面，具有平面和可選平滑的區(qū)域，使得所述區(qū)域不存在如使用光學(xué)顯微鏡并以400nm到600nm之間的光波長測量的可識別的非平面的表面波動或特征，其中所述區(qū)域?qū)τ谟米饔糜谠谒鰠^(qū)域的頂面上外延沉積一個或多個器件層的襯底足夠大，并且所述器件層發(fā)射在20毫安(mA)驅(qū)動電流下具有至少2毫瓦的輸出功率的光。圖I是穿過襯底斜切的襯底的簡化表示。圖中示出的襯底是塊狀GaN襯底。圖IA描繪了 m斜切或朝向[1-100]方向斜切的變量(variation)。圖IB描繪了 a斜切或朝向[11-20]方向斜切的變量。在圖IA和圖IB中描繪的襯底的表面中示出了相對于c面的斜 切角。如圖IA中所示，朝向m方向的斜切角在約0.2°至約0.7°的范圍內(nèi)。比較起來，如圖IB中所示，朝向a方向的斜切在約-0.65°至約1°的范圍內(nèi)。圖2示出了關(guān)于在襯底上生長的InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光(PL)圖。提供了穿過晶片的波長分布、PL強(qiáng)度和半高寬度(半寬度)(FWHM)。襯底性能的一個方面是波長一致性，如圖2的左上所示(峰X I)。參考圖I中所示的沿m方向的斜切角，可以看出，在其中斜切角為至少0.35°的波長中存在較大量的一致性。例如，對于朝向m方向為0.35°以上的斜切角，波長接近于388. 5nm至393. 6nm，而當(dāng)斜切角小于0. 35°時，波長可以超過400nm。作為一個實例，對于固定的a面斜切，當(dāng)m面斜切小于0. 35°時，在襯底上(穿過襯底)的PL發(fā)射波長隨m面斜切而變化?？商鎿Q地，對于固定的m面斜切，在襯底上(穿過襯底)的PL發(fā)射波長基本上對a面斜切不敏感。也提供了在器件表面上的其他PL特性如峰強(qiáng)度(峰強(qiáng)度I (Peak Int I))、信號強(qiáng)度(信號強(qiáng)度I (Int. Signal I))和FWHM。圖3示出了在襯底上生長的器件的表面形態(tài)。所述圖像通過諾馬斯基顯微鏡獲得且對應(yīng)于襯底上的不同位置。可以看出，在其中沿m方向的斜切角小于0.35°的左上側(cè)褶皺表面變得可見。相反，當(dāng)斜切角為至少0.35°時，褶皺表面較不明顯。因此，可以將朝向m方向的斜切角為至少0. 35°的襯底區(qū)域用于消除、減少或最小化在塊狀含鎵和氮的襯底和在這種襯底上生長的層上的褶皺表面。圖4示出了穿過襯底表面的不同部分上的2iimX2iim區(qū)域(面積)的原子力顯微鏡(AFM)振幅或高度圖像。對于特定的單獨圖像，指示了對應(yīng)的RMS粗糙度值(nm)。圖5示出了穿過襯底表面的不同部分上的50iimX50iim面積(區(qū)域)的AFM高度或振幅圖像。對于每個單獨圖像，指示了對應(yīng)的RMS粗糙度(nm)。在50 y mX 50 y m水平下，對于斜切角小于0. 35°的區(qū)域，更加宣告了不均勻性(例如，RMS 6. 77nm)。相反，在斜切角為至少0. 35°的區(qū)域中，不均勻性較小，為0. 25nm至0. 6nm的RMS。在特定實施方式中，提供了用于在具有至少0.35°斜切角的襯底區(qū)域上制造(Al、Ga、In)N薄膜的方法。方法還提供了具有遠(yuǎn)離低指數(shù)晶體取向的斜切的襯底或模板?？梢栽谧鳛樾鼻衏面襯底或模板的Ga面(Al、Ga、In)N襯底或模板上直接生長(Al、Ga、In)N薄膜。所述襯底或模板可以為Ga面c面襯底(Ga-face c-plane substrate)或模板(template)，且朝向[1-100]方向的斜切角為至少0. 35°。(Al、Ga、In) N膜的所得表面形態(tài)是原子級平滑的，其中在表面的至少2，500 u m2面積(區(qū)域)上RMS粗糙度小于lnm。在特定實施方式中，還觀察到了在表面的至少2，500iim2面積(區(qū)域)上小于0. 2nm的RMS粗糙度。應(yīng)理解，朝向m方向的至少0.35°的斜切角對于在表面上制造的器件提供了波長均一性(一致性，均勻性)。在特定實施方式中，穿過平滑表面的波長均一性(一致性，均勻性)的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，并且在特定實施方式中，小于0. 2%。在特定實施方式中，在至少500 u m2，至少1000 u m2，至少1500 u m2，至少2000 u m2，至少2500 u m2，至少3000 u m2，至少4000 u m2，且 特定實施方式中，至少5000 u m2的表面積(表面區(qū)域)上RMS粗糙度小于lnm。在特定實施方式中，在至少500 iim2，至少IOOOii m2，至少1500 u m2，至少2000 u m2，至少2500 u m2，至少3000 u m2，至少4000 u m2，并且在特定實施方式中，至少5000 u m2的表面積(表面區(qū)域)上RMS粗糙度小于0. 2nm。在特定實施方式中，所述襯底或模板是Ga面c面襯底或模板，并且朝向[1_100]方向的斜切角為至少0.35°，且小于0.6°，并且在特定實施方式中，小于1°。當(dāng)在斜切的表面上生長(Al、Ga、In)N膜時，(Al、Ga、In)N膜的表面形態(tài)是原子級平滑的，其中在表面的至少2500 u m2面積(區(qū)域)上RMS粗糙度小于Inm,并且在特定實施方式中小于0. 2nm。來自在所述表面上生長的含(Al、Ga、In)N的器件的發(fā)射波長在所述表面上基本均一(均勻，一致)，其中波長均一性的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于I %，并且在特定實施方式中，低至小于0. 2%。在特定實施方式中，所述襯底或模板是Ga面c面襯底或模板，并且朝向[1_100]方向的斜切角大于至少0.35°且小于0.75°，或者在特定實施方式中，小于0.8°。在斜切的表面上生長的(Al、Ga、In) N膜是原子級平滑的，其中在至少2500 u m2面積上RMS粗糙度小于Inm,并且在特定實施方式中，在表面的至少2500 V- m2面積上小于0. 2nm。襯底還可以沿c面取向。在特定實施方式中，所述襯底或模板是Ga面c面襯底或模板，并且朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于1°。在特定實施方式中，所述襯底或模板是Ga面c面襯底或模板，朝向[1-100]方向的斜切角為至少0.35°且小于0.6°，或者在特定實施方式中，小于1° ;并且朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于1°。在斜切的表面上生長的(Al、Ga、In)N膜具有(Al、Ga、In)N的表面形態(tài)，其中在表面的至少2500 ii m2上RMS粗糙度小于lnm，并且在特定實施方式中小于0. 2nm,其中波長均一性(一致性)的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，且在特定實施方式中，小于0.2%。當(dāng)襯底或模板是Ga面c面襯底或模板時，獲得了類似的結(jié)果，其中朝向[1-100]方向的斜切角為至少0.35°且小于0.75°，或者在特定實施方式中，小于0.8° ;朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于
1° O可以以各種方式形成材料層。多個(Al、Ga、In)N層可以連續(xù)生長且可以用于形成發(fā)光器件和/或電子器件。所述層包括其中形成有至少一個有源區(qū)域的n型和p型摻雜層。在特定實施方式中，本發(fā)明公開內(nèi)容提供了用于由塊狀襯底材料制造LED 二極管的方法。所述方法包括提供具有頂面的塊狀襯底材料，所述頂面具有特征在于c面取向的區(qū)域，其中朝向m方向的斜切角為至少0.3°或至少0.35°。對所述區(qū)域進(jìn)行切割以形成其中形成有LED 二極管的單獨構(gòu)件。圖6A-D示出了根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式的襯底材料。在圖6A中，塊狀襯底602在
方向616上具有圓柱形狀(與作為單晶錠(單晶晶錠)類似)。為了獲得可用于制造LED器件的襯底，可以將按照c面601 (即，
晶面)對齊(對準(zhǔn))的塊狀襯底的頂面604用作基準(zhǔn)面(參考面)以產(chǎn)生c面晶片。常規(guī)處理技術(shù)包括例如，沿與c面基本平行的表面對塊狀襯底進(jìn)行切片以提供同軸的c面晶片612。相反，由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式將“斜切角”表面用于晶片材料。如圖6A中所示，所述c面晶片表面由a軸[2110]606和m軸
608限定。在圖6A中，可以選擇相對于m軸608為至少0. 35°的斜切角614以獲得用于晶片材料610的均勻且平滑的表面，所述晶片材料610用于制造LED器件。在圖6B中，塊狀襯底602在
方向611上具有圓柱形狀(與作為單晶錠類似)。為了獲得可用于制造LED器件的襯底，可以將按照c面(即，
晶面)對齊的塊狀襯底的頂面604用作基準(zhǔn)面以產(chǎn)生c面晶片。常規(guī)處理技術(shù)包括例如，沿與c面基本平行的表面對塊狀襯底進(jìn)行切片以提供同軸的c面晶片612。相反，由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式將“斜切角”表面用于晶片材料。如圖6B中所示，所述c面晶片表面由 a軸[2110]606和m軸
608限定。如圖6B中所示，可以選擇相對于a軸606為至少0. 35°的斜切角614以獲得用于晶片材料610的均勻且平滑的表面。在圖6C中，塊狀襯底602在
方向611上具有圓柱形狀(與作為單晶錠類似)。為了獲得可用于制造LED器件的襯底，可以將按照c面(即，
晶面)對齊的塊狀襯底的頂面604用作基準(zhǔn)面以產(chǎn)生c面晶片。常規(guī)處理技術(shù)包括例如，沿與c面基本平行的表面對塊狀襯底進(jìn)行切片以提供同軸的c面晶片612。相反，由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式將“斜切角”表面用于晶片材料。如圖6C中所示，所述c面晶片表面由a軸[2110]606和m軸
608限定。在圖6C中，可以選擇相對于a軸和m軸兩者為至少0. 35°的斜切角以獲得用于晶片材料610的均勻且平滑的表面。圖6D提供了描繪晶格面616相對于斜切晶片中的晶片表面624的相對取向的示意性橫截面圖。如從圖6D中可以看出的，與表面620正交的斜切方向618與晶面法線622偏離。在特定實施方式中，c面上的斜切角朝向m方向為至少0. 30°，至少0.32°，至少0.35°，至少0.37°，至少0.40°，并且在特定實施方式中，至少0. 42°。圖7示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式的各種斜切襯底的圖像。如所示出的，在朝向m軸為至少0.35°的斜切角處，表面粗糙度發(fā)生下降。圖8示出了根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式，朝向m方向和朝向a方向斜切的c面襯底的表面粗糙度與斜切角之間的關(guān)系。如所示出的，在朝向m方向為至少約3. 5°的斜切角處，表面粗糙度顯著下降。圖9示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式來制造光學(xué)器件的生長步驟的實例。圖9中所示的光學(xué)器件包括塊狀GaN襯底901，如本文中所提供的，其可以是斜切的型層902如硅摻雜的GaN層；有源區(qū)域，包括例如多量子阱，所述多量子阱包括有源層903和勢壘層(阻擋層)904 ；電子阻擋層905以及p型層907如Mg摻雜的GaN層。在特定的實施方式中，所述P-層包括第二 P型層905，其中一個p型層充當(dāng)電子阻擋層且第二 P型層充當(dāng)接觸區(qū)域。如圖9中所示，生長順序包括沉積至少(l)n型外延材料；
(2)有源區(qū)域；(3)電子阻擋區(qū)域；和(4)p型外延材料。當(dāng)然，可以有其他變化、修改和替代。在整個本說明書中并且更特別是在下面可以發(fā)現(xiàn)本方法的另外細(xì)節(jié)。關(guān)于形成圖9中所示的層的各種材料的特定屬性和沉積參數(shù)的實例提供如下I.塊狀晶片任何取向，例如，極性，非極性，半極性，c面。(Al、Ga、In)N 基材料螺旋位錯(穿透位錯)(TD)密度< lE8cm_2堆垛層錯(SF)密度<1E4CHT1 摻雜>lE17cnT32. N型外延材料厚度<I u m, < 0. 5 u m, < 0. 2 u m(Al、Ga、In)N 基材料生長溫度<1200°C，< IOOO0CUID或摻雜的3.有源區(qū)域至少一個AlInGaN 層多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)QW 為>20 A，>50 A, >80 A厚Qff以及n-層和P-層生長溫度相同或相似發(fā)射波長<575nm, < 500nm, < 450nm, < 41Onm4. P型外延材料至少一個Mg摻雜的層< 0. 3 um, < 0. Ium(Al'Ga、In)N 基生長溫度T < 110(TC，< IOOO0C, < 900°C至少一個層充當(dāng)電子阻擋層。至少一個層充當(dāng)接觸層。圖10示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式來生長整流p_n結(jié)二極管的步驟的實例。如圖10中所示，生長順序包括至少沉積(l)n型外延材料；和(4)p型外延材料。在特定實施方式中，塊狀GaN襯底1001包括具有任何取向如本文中公開的斜切取向、小于lE8cm_2的螺旋位錯密度、小于5E3CHT1的堆垛層錯密度和大于lE17cm_3的摻雜的(Al、Ga、In)N基襯底。在特定實施方式中，n_層1002是(Al、Ga、IN)N基的如n_GaN。在特定實施方式中，n-層1002具有小于2 u m,小于I y m,小于0. 5 y m的厚度，并且在特定實施方式中，小于0. 2 iim的厚度。在特定實施方式中，在小于1200°C，且在特定實施方式中，小于1000°C的溫度下生長n-層1002。在特定實施方式中，n-層1002可以無意地被摻雜或可被摻雜。在圖10的上部中所示的器件示出了包括塊狀GaN襯底、n型層如Si摻雜的AlInGaN層和p型層如Mg摻雜的AlInGaN層的器件的實例。圖11示出了用于根據(jù)由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式來形成高電子遷移率晶體管或金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的簡化生長方法的實例。如所示出的，生長順序包括至少沉積(I)無意摻雜的外延材料(緩沖劑(緩沖層，buffer));和⑷(AlInGaN)勢魚材料，其無意被摻雜或被n型摻雜。在特定實施方式中，塊狀GaN襯底1101包括具有任何取向如本文中公開的斜切取向、小于lE8cm_2的螺旋位錯密度、小于5E3CHT1的堆垛層錯密度和大于lE17cm_3的摻雜的(Al、Ga、In)N基襯底。在特定實施方式中，緩沖層1102是(Al、Ga、IN)N基的如n-GaN。在特定實施方式中，緩沖層1102具有小于2 y m，小于lym，小于
0.5um的厚度，并且在特定實施方式中，小于0. 2 ii m的厚度。在特定實施方式中，在小于1200°C，且在特定實施方式中，小于1000°C的溫度下生長緩沖層1102。在特定實施方式中，緩沖層1102包括通過Fe或C摻雜而使得半絕緣的單層。在特定實施方式中，緩沖層1102無意被摻雜。在特定實施方式中，勢魚層具有小于0. I ii m,小于500nm的厚度,并且在特定實施方式中，小于30nm的厚度。在特定實施方式中，勢壘層是(么1、6&、1110基的如六16&1其可以被Si摻雜或無意被摻雜。在特定的實施方式中，勢壘層是單層。在特定實施方式中，在小于1200°C，小于1100°C，且在特定實施方式中，小于1000°C的溫度下生長勢壘層。如圖11的頂部所示，在特定實施方式中，器件可以是包括例如，塊狀GaN襯底1101、無意摻雜的GaN緩沖層和無意摻雜或Si摻雜的AlGaN勢壘層的HEMT或MESFET。盡管上述公開內(nèi)容主要涉及LED器件，但是應(yīng)理解，該方法和材料可用于制造和 處理其他電子和光電子器件。作為一個實例，由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的特定實施方式可以使用自動盒MOCVD反應(yīng)器來應(yīng)用，在所述自動盒MOCVD反應(yīng)器中，所述盒保持用于多晶片反應(yīng)器的兩個以上單晶片或晶片母板(wafer platters)。在特定實施方式中,外延結(jié)構(gòu)可形成能夠在90-420nm，420-460nm，460-500nm，500-600nm等的范圍內(nèi)發(fā)射電磁輻射的LED器件。在特定實施方式中，可以使用由本發(fā)明公開內(nèi)容提供的方法、襯底和材料來制造各種器件，包括例如P_n 二極管、肖特基二極管、晶體管、高電子遷移率晶體管(HEMT)、雙極性結(jié)晶體管(BJT)、異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(HBT)、金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)以及上述的任意組合。在特定實施方式中，用作襯底的含鎵和氮的材料可以通過一種或不同的表面取向來表征，例如，非極性，半極性，極性。最后，應(yīng)注意，存在實施本文中公開的實施方式的替代方式。因此，應(yīng)將本發(fā)明的實施方式理解為示例性和非限制性的。此外，權(quán)利要求書不限于本文中給出的細(xì)節(jié)，并且具有它們的全部范圍及其等價物。
權(quán)利要求
1.一種用于制造器件的方法，所述方法包括 提供具有表面區(qū)域的含鎵和氮的襯底，所述表面區(qū)域的特征在于C面、從所述c面朝向m方向為至少O. 35°的斜切角，并且表面法線的投影與m軸重合； 形成含鎵和氮的薄膜；以及 形成覆蓋所述薄膜的電接觸區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述襯底包括特征在于朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于1°的表面；其中， 所述器件選自光學(xué)器件和電子器件；并且 所述薄膜包括包含含鋁物質(zhì)和含銦物質(zhì)的層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述襯底具有遠(yuǎn)離低指數(shù)晶體取向的斜切。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，薄膜材料包含(Al、Ga、In)N。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中 在作為斜切c面襯底的(Al、Ga、In) N襯底的Ga面上直接生長(Al、Ga、In) N薄膜；其中所述襯底是Ga面c面襯底并且朝向[1-100]方向的斜切角是至少O. 35°。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中 所述薄膜的特征在于在至少2500 μ m2表面積上具有小于O. 5nm的均方根粗糙度的表面形態(tài)；以及 還包括使得形成特征在于發(fā)射波長在所述表面上基本上均一的所得襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述襯底是Ga面c面襯底，并且所述斜切角朝向[1-100]方向并且為至少O. 35°且小于1°。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述襯底是Ga面c面襯底，并且所述斜切角朝向[11-20]方向并且為大于-1°且小于1°。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述襯底是Ga面c面襯底，并且所述斜切角朝向[1-100]方向并且為大于O. 4°且小于0.8°，并且朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于1°。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述薄膜是在c面的斜切表面上直接生長的(Al'Ga、In) N 膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述薄膜的特征在于在所述薄膜的至少2500 μ m2表面積上具有小于O. 3nm的均方根粗糙度的表面形態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述襯底是Ga面c面襯底，所述Ga面c面襯底朝向[1-100]方向的斜切角為至少O. 35°且小于1°，并且朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于1°。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括以連續(xù)的方式形成覆蓋所述表面區(qū)域的多個(Al'Ga、In)N 層。
14.ー種器件,包括(Al、Ga、In)N和第一表面,所述第一表面的特征在于朝向m方向的斜切角為至少O. 35°的c面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的器件，其中 所述器件是發(fā)光二極管，其特征在于光致發(fā)光波長標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于O. 2% ;并且 所述第一表面的特征在于在至少2500 μ m2的面積上均方根表面粗糙度小于lnm。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，包括至少ー個η型摻雜層和至少ー個P型摻雜層。
<
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的器件，包括至少ー個有源區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的器件，其中，所述第一表面包括Ga面c面襯底的表面，所述Ga面c面襯底朝向[1-100]方向的斜切角為至少O. 35°且小于1°，并且朝向[11-20]方向的斜切角大于-1°且小于1°。
19.一種由塊狀含鎵和氮的襯底來制造光學(xué)器件的方法，包括 提供具有頂面的所述塊狀含鎵和氮的襯底，其中所述頂面上的至少ー個表面區(qū)域是朝向m方向具有至少O. 35°的斜切角的c面； 對所述至少ー個表面區(qū)域進(jìn)行處理工藝以除去表面下?lián)p傷，所述處理工藝包括使用含氫和氮的物質(zhì)； 形成覆蓋所述至少ー個表面區(qū)域的η型含鎵和氮的材料； 形成包括覆蓋所述η型含鎵和氮的材料的多個薄膜層的有源區(qū)域，所述薄膜層中的每ー個包含銦物質(zhì)、鋁物質(zhì)、以及含鎵和氮的物質(zhì)； 形成覆蓋所述有源區(qū)域的含鋁、鎵、銦、鎵和氮的電子阻擋材料；以及 形成覆蓋所述電子阻擋材料的P型含鎵和氮的材料以使得形成經(jīng)處理的塊狀含鎵和氣的襯底； 其中，所述經(jīng)處理的塊狀含鎵和氮的襯底的特征在干，PL波長標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于O.2% ;并且所述薄膜層中的每ー個包括特征在于在至少2500 μ m2的表面積上均方根表面粗糙度小于或等于Inm的表面區(qū)域。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中 所述η型含鎵和氮的材料是η型GaN ; 所述P型含鎵和氮的材料是P型GaN ; 所述電子阻擋材料是AlGaN ； 所述有源區(qū)域中的所述層的每ー個是AlInGaN ;并且 所述有源區(qū)域包括多個量子阱，其中所述多個量子阱包括3至20個量子阱，所述量子阱中的每ー個被勢壘區(qū)域隔開，所述勢壘區(qū)域中的每ー個包括GaN。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于斜切塊狀襯底上的外延處理的方法和系統(tǒng)。該方法在使用c面表面的Ga面c面(Al、Ga、In)N襯底上設(shè)置(Al、Ga、In)N薄膜，所述襯底朝向m方向的斜切大于至少0.35°。在平滑的(Al、Ga、In)N薄膜上形成發(fā)光器件。在平滑表面上制造的器件顯示改善的性能。本發(fā)明還提供了由塊狀含鎵和氮的襯底來制造光學(xué)器件的方法。
文檔編號H01L33/16GK102738321SQ20121009811
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者邁克爾·格林德曼, 阿努拉·特亞吉, 阿爾潘·查克拉博爾蒂 申請人:天空公司