專利名稱：復(fù)合襯底上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
復(fù)合襯底上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件
背景技術(shù)：
包括發(fā)光二極管(LED)、諧振腔發(fā)光二極管(RCLED)、垂直腔激光二極管(VCSEL) 和邊發(fā)射激光器的半導(dǎo)體發(fā)光器件處于當(dāng)前可獲得的最有效的光源之中。能夠跨可見光譜工作的高亮度發(fā)光器件的制造中當(dāng)前引起興趣的材料系統(tǒng)包括III-V族半導(dǎo)體，尤其是也稱為III族氮化物材料的鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金。典型地，III族氮化物發(fā)光器件通過用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或者其他外延技術(shù)在藍(lán)寶石、碳化硅、III族氮化物或者其他適當(dāng)襯底上外延生長(zhǎng)不同成分和摻雜劑濃度的半導(dǎo)體層的疊層而制造。該疊層經(jīng)常包括在襯底上形成的摻雜有例如Si的一個(gè)或多個(gè)η型層、在所述一個(gè)或多個(gè)η型層上形成的有源區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)發(fā)光層、以及在有源區(qū)上形成的摻雜有例如Mg的一個(gè)或多個(gè)ρ型層。電接觸在η型區(qū)和ρ型區(qū)上形成。由于天然的III族氮化物襯底通常是昂貴的且不可廣泛獲得，因而III族氮化物器件經(jīng)常在藍(lán)寶石或SiC襯底上生長(zhǎng)。這樣的非III族氮化物襯底決不是最優(yōu)的，因?yàn)樗鼈兙哂信c在它們上生長(zhǎng)的III族氮化物層不同的晶格常數(shù)，這導(dǎo)致III族氮化物器件層中的應(yīng)變和晶體缺陷，這可能造成差的性能和可靠性問題。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明的實(shí)施例，在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個(gè)III 族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在η型區(qū)與P型區(qū)之間的發(fā)光層。該復(fù)合襯底包括通過結(jié)合層連接到基質(zhì)的多個(gè)III族氮化物材料的島。所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在這些 III族氮化物島上生長(zhǎng)。該復(fù)合襯底可以被形成，使得每個(gè)III族氮化物材料的島至少部分地弛豫。結(jié)果，每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光層具有大于3. 19埃的a晶格常數(shù)，這可以降低器件中的應(yīng)變。各個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以通過例如在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)本身上形成的或者在 III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所連接的基座上形成的導(dǎo)電材料而電連接。


圖1示出了在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2為包括在復(fù)合襯底上的種子層材料的島上生長(zhǎng)的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 III族氮化物器件的一部分的截面圖。圖3為圖2中的截面圖中示出的器件一部分的頂部表面的平面圖。圖4為圖3中所示的結(jié)構(gòu)可以安裝于其上的基座的頂部表面的平面圖。圖5為包括在復(fù)合襯底上的種子層材料的島上生長(zhǎng)的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 III族氮化物器件的一部分的截面圖，其包括鄰近的島之間的電連接。圖6示出了在器件上形成的P接觸上形成厚金屬，所述器件包括在復(fù)合襯底上的種子層材料的島上生長(zhǎng)的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖7示出了在對(duì)厚金屬層平坦化、將圖6的結(jié)構(gòu)結(jié)合到基座并且移除復(fù)合襯底之后的圖6的結(jié)構(gòu)。圖8示出了在對(duì)通過移除復(fù)合襯底而露出的表面紋理化以及形成η接觸之后的圖 7的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式依照本發(fā)明的實(shí)施例，III族氮化物發(fā)光器件包括一組由溝槽分開的III族氮化物結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以電連接以形成高性能器件。這樣的器件可以在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)，其中溝槽形成于種子層材料的島之間，所述溝槽可以改善由襯底提供的應(yīng)變減輕。題為“Substratefor Growing a III-V Light Emitting Device”且通過引用合并于此的美國(guó)專利申請(qǐng)公開2007/00723 中更詳細(xì)地描述了復(fù)合襯底。圖1中示出了復(fù)合襯底的一個(gè)實(shí)例。襯底10包括基質(zhì)襯底12、種子層16和將基質(zhì)12結(jié)合到種子16的結(jié)合層14。襯底10中的每個(gè)層由可以經(jīng)受生長(zhǎng)器件中的半導(dǎo)體層所需的工藝條件的材料形成。例如，在通過MOCVD生長(zhǎng)的III族氮化物器件的情況下，襯底10中的每個(gè)層必須能夠耐受超過1000°C的溫度下的壓氣氛；在通過MBE生長(zhǎng)的III族氮化物器件的情況下，襯底 10中的每個(gè)層必須能夠耐受真空中超過600°C的溫度?；|(zhì)襯底12向襯底10和襯底10上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體器件層18提供機(jī)械支撐?；|(zhì)襯底12通常厚度在3微米與500微米之間并且經(jīng)常厚于100微米。在其中基質(zhì)襯底12保持為器件的一部分的實(shí)施例中，如果光通過基質(zhì)襯底12而從器件提取，那么基質(zhì)襯底12可以是至少部分透明的。基質(zhì)襯底12通常不必為單晶材料，因?yàn)槠骷?8不直接生長(zhǎng)在基質(zhì)襯底12上。在一些實(shí)施例中，基質(zhì)襯底12的材料被選擇成具有與器件層18的熱膨脹系數(shù)(CTE)和種子層16的CTE匹配的CTE。在本發(fā)明的實(shí)施例中，能夠經(jīng)受外延層18的工藝條件的任何材料都可能是合適的，包括半導(dǎo)體、陶瓷和金屬。種子層16是器件層18生長(zhǎng)于其上的層，因此它必須是III族氮化物晶體在其上可以成核的材料。種子層16可以在大約50 A與Iym厚之間。III族氮化物種子層厚度可以例如在50nm與200nm之間并且厚度經(jīng)常在75nm與125nm之間。在一些實(shí)施例中，種子層 16與器件層18的材料CTE匹配。種子層16通常是與器件層18合理地接近晶格匹配的單晶材料。通常，器件層18生長(zhǎng)于其上的種子層16的頂部表面的晶體取向是纖鋅礦W001] c軸。在其中種子層16保持為完成的器件的一部分的實(shí)施例中，如果光通過種子層16而從器件提取，那么種子層16可以是透明的或薄的。一個(gè)或多個(gè)結(jié)合層14將基質(zhì)襯底12結(jié)合到種子層16。結(jié)合層14厚度可以在大約100 A與ιμπι之間。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合層的實(shí)例包括玻璃(例如硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG))、SiOx (例如Si02)、SiNx (例如Si3N4XHfO2、其混合物、金屬(例如Mo、Ti、TiN)、其他合金以及其他半導(dǎo)體或電介質(zhì)。由于結(jié)合層14將基質(zhì)襯底12連接到種子層16，因而形成結(jié)合層14的材料被選擇成在基質(zhì)12與種子16之間提供良好的粘合。在一些實(shí)施例中，結(jié)合層14是由可以被不侵蝕器件層18的蝕刻劑所蝕刻的材料形成的釋放層，從而使器件層18和種子層16 從基質(zhì)襯底12釋放。例如，結(jié)合層14可以是SiO2，其可以由HF濕法蝕亥lj，而不對(duì)III族氮化物器件層18造成損壞。在其中結(jié)合層14保持為完成的器件的一部分的實(shí)施例中，結(jié)合層14優(yōu)選地為透明的或者非常薄。在一些實(shí)施例中，可以省略結(jié)合層14，并且種子層16可以直接粘附到基質(zhì)襯底12。
器件層18是通過本領(lǐng)域中已知的生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)的常規(guī)III族氮化物器件層。鄰近種子層16的層的成分可以針對(duì)其晶格常數(shù)或其他性質(zhì)和/或針對(duì)其在種子層16的材料上成核的能力來選擇。在種子層16上生長(zhǎng)的外延層18經(jīng)常由于外延層18與種子層16之間的晶格失配而產(chǎn)生應(yīng)變，因此為了限制應(yīng)變，種子層的成分可以被選擇成合理地與外延層18晶格匹配。此外，種子層16與基質(zhì)襯底12的成分可以被選擇成具有與外延層18的CTE接近的 CTE0在一些實(shí)施例中，基質(zhì)襯底和種子層材料被選擇成使得基質(zhì)的CTE為器件層中的至少一個(gè)(例如發(fā)光層)的CTE的至少90%?；|(zhì)襯底12的成分通常被選擇成具有比外延層18 的CTE大的CTE，使得外延層18受到壓縮應(yīng)變而不是拉伸應(yīng)變。在一些實(shí)施例中，用于種子層16和在種子層上生長(zhǎng)的第一外延層18的材料被選擇成使得種子層16的晶格常數(shù)和在種子層上生長(zhǎng)的第一外延層的晶格常數(shù)之間的差值小于1%。限制種子層和第一生長(zhǎng)層的晶格常數(shù)之間的差值可以減小器件中的應(yīng)變量，從而潛在地減小器件的外延層18中形成的位錯(cuò)數(shù)。在一些器件中，諸如第一生長(zhǎng)層之類的外延層 18中的晶格常數(shù)可以大于種子層16中的晶格常數(shù)，因而外延層受到壓縮應(yīng)變而不是拉伸應(yīng)變。在一些實(shí)施例中，外延層18中的進(jìn)一步的應(yīng)變減輕可以通過在結(jié)合層14上將種子層形成為條帶或網(wǎng)格而不是單個(gè)無間斷層來提供。可替換地，種子層可以形成為單個(gè)無間斷層，然后例如通過形成溝槽而在若干位置被移除以便提供應(yīng)變減輕。單個(gè)無間斷種子層16可以通過結(jié)合層14附接到基質(zhì)襯底12，然后通過常規(guī)的光刻技術(shù)圖案化以便移除種子層的若干部分以形成條帶。通過將外延層18內(nèi)的位錯(cuò)集中在種子層條帶的邊緣處，每個(gè)種子層條帶的邊緣可以提供附加的應(yīng)變減輕。種子層16、結(jié)合層14和成核層的成分可以被選擇成使得成核層材料擇優(yōu)地在種子層16上成核，而不是在種子層16的各部分之間的間隔露出的結(jié)合層14的部分上成核。在一些實(shí)施例中，例如包括III族氮化物種子層材料的那些實(shí)施例，種子層有應(yīng)變地生長(zhǎng)在生長(zhǎng)襯底上。當(dāng)種子層16連接到基質(zhì)襯底12且從生長(zhǎng)襯底釋放時(shí)，如果種子層16與基質(zhì)襯底16之間的連接是柔性的，例如柔性結(jié)合層14，那么種子層16可以至少部分地弛豫。因此，盡管種子層生長(zhǎng)為有應(yīng)變的層，但所述成分可以被選擇成使得在種子層從生長(zhǎng)襯底釋放且弛豫之后，種子層的晶格常數(shù)合理地接近或匹配到在種子層上生長(zhǎng)的外延層18的晶格常數(shù)。例如，當(dāng)III族氮化物器件常規(guī)地生長(zhǎng)在Al2O3上時(shí)，生長(zhǎng)在襯底上的第一層通常為具有大約3. 19埃的a晶格常數(shù)的GaN緩沖層。該GaN緩沖層對(duì)于在緩沖層上生長(zhǎng)的所有器件層設(shè)定晶格常數(shù)，器件層包括通常為InGaN的發(fā)光層。由于弛豫的自支撐^iGaN具有比GaN更大的a晶格常數(shù)，因而當(dāng)在GaN緩沖層上生長(zhǎng)時(shí)，發(fā)光層是有應(yīng)變的。形成對(duì)照的是，在本發(fā)明的實(shí)施例中，InGaN種子層可以有應(yīng)變地生長(zhǎng)在常規(guī)襯底上，然后結(jié)合到基質(zhì)并且從生長(zhǎng)襯底釋放，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大的a晶格常數(shù)。因此，InGaN種子層的a晶格常數(shù)比GaN更接近地匹配到與InGaN 發(fā)光層具有相同成分的弛豫的自支撐層的a晶格常數(shù)。在^iGaN種子層上生長(zhǎng)的包括^iGaN 發(fā)光層的器件層將復(fù)制InGaN種子層的a晶格常數(shù)，該種子層至少部分地弛豫并且因而具有大于3. 19埃的a晶格常數(shù)。因此，具有弛豫的InGaN種子層a晶格常數(shù)的InGaN發(fā)光層比具有GaN緩沖層a晶格常數(shù)的^GaN發(fā)光層應(yīng)變更小。減小發(fā)光層中的應(yīng)變可以改進(jìn)器件的性能。當(dāng)種子層材料為有應(yīng)變地生長(zhǎng)在生長(zhǎng)襯底上的III族氮化物材料時(shí)，通常為結(jié)合層14的復(fù)合襯底的一部分必須充當(dāng)適應(yīng)III族氮化物種子層的彈性弛豫的柔性層。該柔性層可以是具有足夠低的剛度的固體，使得它可以通過其自身的彈性變形適應(yīng)III族氮化物種子層的弛豫，或者為可以通過剪切適應(yīng)III族氮化物種子層中的弛豫的粘性材料。在一些實(shí)施例中，結(jié)合層14為BPSG，BPSG是在低于700°C的溫度下熔化并且具有隨著溫度而變化很大的粘性的一種類型的玻璃。有應(yīng)變地生長(zhǎng)在生長(zhǎng)襯底上的InGaN種子層16在低溫下結(jié)合到涂敷有BPSG的基質(zhì)襯底，BPSG在該低溫下是固態(tài)的。InGaN種子層16的藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底例如通過激光熔化而移除。然后，在BPSG液化的溫度下對(duì)復(fù)合襯底退火，從而允許InGaN種子層弛豫。InGaN種子層橫向地膨脹，但是也可以通過翹曲(buckle)離開襯底平面而緩減應(yīng)變。由于翹曲同時(shí)發(fā)生在hGaN種子層中的各處并且橫向弛豫必須從弛豫膜的邊緣向內(nèi)傳播，因而橫向尺寸大于翹曲波長(zhǎng)的種子層傾向于在除了邊緣之外的各處翹曲。III族氮化物種子層材料可能需要附加的結(jié)合步驟以便形成具有希望取向的III 族氮化物種子層的復(fù)合襯底。生長(zhǎng)在藍(lán)寶石或SiC生長(zhǎng)襯底上的III族氮化物層典型地生長(zhǎng)為C面纖鋅礦。這樣的纖鋅礦III族氮化物結(jié)構(gòu)具有鎵面和氮面。常規(guī)商業(yè)的MOCVD生長(zhǎng)的III族氮化物材料擇優(yōu)地生長(zhǎng)成使得生長(zhǎng)層的頂部表面是鎵面，而底部表面(鄰近生長(zhǎng)襯底的表面)是氮面。簡(jiǎn)單地常規(guī)地在藍(lán)寶石或SiC上生長(zhǎng)種子層材料，然后將種子層材料連接到基質(zhì)并且移除生長(zhǎng)襯底，這將導(dǎo)致具有氮面露出的III族氮化物種子層的復(fù)合襯底。如上所述，III族氮化物擇優(yōu)地生長(zhǎng)在鎵面上，即鎵面作為頂部表面。常規(guī)的在氮面上的生長(zhǎng)可能不希望地將缺陷引入到晶體中，或者導(dǎo)致質(zhì)量差的材料，因?yàn)榫w取向從氮面作為頂部表面的取向切換到鎵面作為頂部表面的取向。氮面III族氮化物結(jié)構(gòu)可以利用修改的生長(zhǎng)條件通過MBE或MOCVD生長(zhǎng)，這可能是昂貴的并且可能使器件的制造復(fù)雜化。為了形成具有鎵面作為頂部表面的III族氮化物種子層的復(fù)合襯底，種子層材料可以常規(guī)地生長(zhǎng)在生長(zhǎng)襯底上，結(jié)合到任何適當(dāng)?shù)牡谝换|(zhì)襯底，然后與生長(zhǎng)襯底分離，使得種子層材料通過鎵面結(jié)合到第一基質(zhì)襯底，從而通過移除生長(zhǎng)襯底讓氮面露出。然后，將種子層材料的氮面結(jié)合到第二基質(zhì)襯底10，即依照本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合襯底的基質(zhì)襯底。 在結(jié)合到第二基質(zhì)襯底之后，第一基質(zhì)襯底通過適合于生長(zhǎng)襯底的技術(shù)被移除。在最終的復(fù)合襯底中，種子層材料16的氮面通過可選的結(jié)合層14結(jié)合到基質(zhì)襯底12 (第二基質(zhì)襯底)，使得III族氮化物種子層16的鎵面露出以用于生長(zhǎng)外延層18。例如，GaN緩沖層常規(guī)地生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，其后是將形成復(fù)合襯底的種子層的 hGaN層。在生長(zhǎng)之后，可以如上所述圖案化hGaN層以形成溝槽。利用BPSG結(jié)合層將圖案化的InGaN層結(jié)合到第一基質(zhì)襯底。藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底通過激光熔化鄰近藍(lán)寶石的GaN緩沖層而被移除，然后通過蝕刻移除通過移除藍(lán)寶石而露出的剩余GaN緩沖層，得到結(jié)合到第一基質(zhì)襯底的InGaN層?？梢约訜嵩摻Y(jié)構(gòu)，使得BPSG層的粘性降低并且InGaN層至少部分地弛豫?？梢栽谧罱K復(fù)合襯底中與種子層的希望厚度相對(duì)應(yīng)的深度處利用諸如氫、氘或氦之類的材料注入InGaN層。可選地，可以處理InGaN層以形成足夠平坦的用于結(jié)合的表面。然后，利用或不利用結(jié)合層(例如利用S^2結(jié)合層)將InGaN層結(jié)合到第二基質(zhì)襯底(例如Al2O3)，該第二基質(zhì)襯底將形成最終復(fù)合襯底中的基質(zhì)。然后，加熱第一基質(zhì)襯底、InGaN 層和第二基質(zhì)襯底，這在注入深度處將InGaN層的薄種子層部分與InGaN層的其余部分和第一基質(zhì)襯底脫層，導(dǎo)致如上所述的具有結(jié)合到基質(zhì)襯底的InGaN種子材料的島的最終復(fù)合襯底?？蛇x地，可以處理由脫層而得到的hGaN表面以形成適合于外延生長(zhǎng)的表面。在一些實(shí)施例中，可以將InGaN層生長(zhǎng)到希望的厚度，或者可以將其蝕刻到希望的厚度，從而消除對(duì)于注入步驟的需要。作為兩次結(jié)合種子層材料、即結(jié)合到第一基質(zhì)襯底然后結(jié)合到第二基質(zhì)襯底以便兩次翻轉(zhuǎn)種子層材料的晶體取向的可替換方案，可以在生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)種子層材料，使氮面朝上。當(dāng)?shù)娣N子層材料如上所述連接到基質(zhì)襯底12時(shí)，種子層16的鎵面被露出以用于生長(zhǎng)夕卜延層 18。如"Morphological and structure characteristics of homoepitaxial GaN grown by metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD), " Journal of Crystal Growth 204 (1999) 419-428 和“Playing with Polarity”， Phys. Stat. Sol. (b) 228，No. 2，505-512 (2001)中更詳細(xì)地描述的，氮面膜可以例如通過氣相外延或 MOCVD而生長(zhǎng)，這兩篇文獻(xiàn)通過引用合并于此。在一些實(shí)施例中，種子層材料生長(zhǎng)為m面或a面材料，而不是如上所述的c面材料。m面和r面III族氮化物材料是非極性取向的，即它們沒有鎵面和氮面。因此，非極性種子層取向不必如上所述被結(jié)合兩次。然而，如果用來促進(jìn)弛豫的柔性材料不與器件生長(zhǎng)兼容，或者為了避免處理由生長(zhǎng)襯底移除而得到的表面以便使得該表面適合于外延生長(zhǎng)， 非極性種子層可以被結(jié)合兩次。圖2示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的器件的一部分。在圖2所示的器件中，復(fù)合襯底包括通過柔性/結(jié)合層14連接到基質(zhì)襯底12的種子層材料的島(未示出)。III族氮化物器件結(jié)構(gòu)18的島30在有利于垂直生長(zhǎng)而不是橫向生長(zhǎng)的生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)在種子層材料的島上，使得溝槽34保持在III族氮化物材料的島30之間。器件層18包括η型區(qū)20、發(fā)光區(qū)22和ρ型區(qū)Μ。器件層18可以具有1微米與5微米之間的總厚度。在發(fā)射藍(lán)色光的器件中，種子層可以為例如InxGivxN,其中χ在0. 03與0. 07之間。η型區(qū)20可以包括生長(zhǎng)在種子層上的hfa^N層，其中χ在0.03與0.07之間。發(fā)光區(qū)22可以包括單個(gè)發(fā)光層或者具有多個(gè)薄量子阱發(fā)光層和設(shè)置在鄰近量子阱之間的阻擋層的多量子阱發(fā)光區(qū)。發(fā)光區(qū)22的發(fā)光層可以是Ιηχ(^_χΝ，其中χ在0. 16與0. 18之間。 P型區(qū)M可以包括一個(gè)或多個(gè)MxGiVxN層，其中χ在0. 03與0. 07之間。在發(fā)射青色光的器件中，種子層可以為例如InxGi^xN,其中χ在0. 08與0. 13之間。η型區(qū)20可以包括生長(zhǎng)在種子層上的hfa^N層，其中χ在0.08與0.13之間。發(fā)光區(qū)22可以包括單個(gè)發(fā)光層或者具有多個(gè)薄量子阱發(fā)光層和設(shè)置在鄰近量子阱之間的阻擋層的多量子阱發(fā)光區(qū)。發(fā)光區(qū)22的發(fā)光層可以是Ιηχ(^_χΝ，其中χ在0. 19與0. 22之間。 P型區(qū)24可以包括一個(gè)或多個(gè)InxGivxN層，其中χ在0. 08與0. 13之間。在發(fā)射綠色光的器件中，種子層可以為例如Inx(iai_xN，其中χ在0. 1與0. 16之間。 η型區(qū)20可以包括生長(zhǎng)在種子層上的Inx^vxN層，其中χ在0. 1與0. 16之間。發(fā)光區(qū)22 可以包括單個(gè)發(fā)光層或者具有多個(gè)薄量子阱發(fā)光層和設(shè)置在鄰近量子阱之間的阻擋層的多量子阱發(fā)光區(qū)。發(fā)光區(qū)22的發(fā)光層可以是Inx(iai_xN，其中χ在0.23與0.25之間。ρ型區(qū)對(duì)可以包括一個(gè)或多個(gè)^^fehN層，其中χ在0. 1與0. 16之間。
島30的適當(dāng)尺寸由若干因素支配。首先，在一些實(shí)施例中，InGaN種子層可以圖案化成比翹曲波長(zhǎng)(上面所描述的)小的島，其可以例如是大約數(shù)微米。第二，處理時(shí)間和條件可以有利于更小的島。例如，更大的島需要更多的時(shí)間橫向弛豫以便緩解可能在島的中心形成的翹曲。此外，實(shí)現(xiàn)翹曲的可接受的平坦化所需的退火溫度可能造成種子層材料隨著時(shí)間的退化。更小的島需要更短的退火時(shí)間，這限制了退化的量。第三，隨著翹曲尺寸增長(zhǎng)，柔性層與種子層材料之間的粘合可能開始失效。限制島的尺寸允許島的橫向膨脹達(dá)到島的中心以便在翹曲增長(zhǎng)得足夠大以與柔性層分開之前降低翹曲尺寸。第四，大的翹曲可能難以通過橫向弛豫來平坦化。如上所述，限制島的尺寸可以減小種子層材料中的翹曲尺寸。每個(gè)島30可以任意大或任意小，但是島30的長(zhǎng)度典型地在數(shù)十微米與數(shù)毫米之間。在一些實(shí)施例中，島30的長(zhǎng)度在50微米與500微米之間；在一些實(shí)施例中，島30的長(zhǎng)度在100微米與300微米之間。例如，每個(gè)島可以具有100微米X 100微米與300微米X 300 微米之間的面積。盡管圖3中示出了方形島30，但是島30可以是任何形狀。為了形成具有大約Imm2的有源區(qū)面積的器件，可以形成100個(gè)島，每個(gè)島具有100微米X 100微米的面積。因此，盡管下面的實(shí)例僅示出了少數(shù)島，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，單個(gè)器件可以具有許多島， 例如10與200個(gè)之間的島。分開鄰近島的溝槽可以任意大以及如用來形成島的技術(shù)所允許的那樣小。在一些實(shí)施例中，溝槽寬度在5微米與50微米之間；在一些實(shí)施例中，溝槽寬度在20微米與30微米之間。在圖2所示的器件中，在每個(gè)島30上，ρ型區(qū)M和發(fā)光區(qū)22的一部分被蝕刻掉以顯露η型區(qū)20的一部分。ρ接觸沈在ρ型區(qū)M的其余部分上形成。η接觸觀在η型區(qū)20的露出部分上形成。在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，其中η接觸觀接觸η型區(qū)20的區(qū)域是窄的，例如寬度在1微米與5微米之間，并且η接觸觀在ρ型區(qū)M頂部之上延伸。諸如硅的氧化物或硅的氮化物之類的電介質(zhì)材料25可以提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的ρ型區(qū)和發(fā)光區(qū)與η接觸觀之間的電隔離。圖3為包括9個(gè)諸如圖2的截面圖中所示的島之類的島30的結(jié)構(gòu)的頂部表面的平面圖。P接觸26的面積可以大于η接觸觀的面積，因?yàn)殡娏髟讦切虸II族氮化物材料中比在ρ型III族氮化物材料中更容易散布。圖2中未示出的η接觸環(huán)36可以圍繞每個(gè)島的邊緣形成。圖4為基座的頂部表面的平面圖，圖3的結(jié)構(gòu)可以安裝在該基座上，使得圖3中所示的表面連接到圖4中所示的表面。圖3中所示的島上的η接觸觀連接到圖4中所示的基座上的η接觸焊盤42。ρ接觸沈連接到ρ接觸焊盤44。鄰近島之間的電連接46在基座 40上形成，而不是形成在圖3中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上。電流通過接觸焊盤48和49提供給該結(jié)構(gòu)。在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，圖3的島30串聯(lián)連接。島之間的其他電布置是可能的并且處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在將圖3的結(jié)構(gòu)安裝到圖4的基座上之后，復(fù)合襯底可選地可以通過適合于襯底的技術(shù)(例如蝕刻或研磨)而被移除。圖2-4中所示的結(jié)構(gòu)可以被制造和安裝成使得通過復(fù)合襯底(在圖2中示為結(jié)合層14和基質(zhì)襯底12)或者在復(fù)合襯底被移除的情況下通過η型區(qū)20的表面從器件提取光。 在這樣的器件中，P接觸沈和η接觸觀可以是反射的。在一些實(shí)施例中，圖2-4中所示的結(jié)構(gòu)可以被安裝成使得光通過基座40從器件提取。在這樣的器件中，ρ接觸沈和η接觸28可以是透明的。此外，基座40、n接觸焊盤42和ρ接觸焊盤44以及電連接46可以是透明的，或者被形成為吸收盡可能少的光。例如，如果基座40可以保持是薄的。吸收性的η 接觸焊盤42和ρ接觸焊盤44以及電連接46可以制成盡可能小，以便減少被吸收的光量。 在這種器件的一個(gè)實(shí)例中，基座40是美國(guó)專利7361938中更詳細(xì)地描述的包括諸如磷光體之類的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的陶瓷，該文獻(xiàn)通過引用合并于此。η接觸焊盤42和ρ接觸焊盤44以及電連接46可以是透明的導(dǎo)電氧化物，例如氧化銦錫。圖5示出了一種器件，其中島之間的互連形成在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，而不是形成在如圖4所示的基座上。在圖5所示的器件中，像在圖2所示的器件中那樣，在每個(gè)島上，ρ型區(qū)M和發(fā)光區(qū)22的一部分被蝕刻掉以顯露η型區(qū)20的一部分，η接觸觀形成在η型區(qū)的該部分上。III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成的互連電連接各島30。特別地，通常為金屬的導(dǎo)電互連27將η接觸觀連接到鄰近的島30的ρ接觸26。在適當(dāng)?shù)牡胤酵ㄟ^電介質(zhì)層 25提供電隔離，其可以例如為硅的氮化物或硅的氧化物。圖5中所示的兩個(gè)島串聯(lián)連接。 島之間的其他電布置是可能的并且處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。島之間的互連可以通過常規(guī)的晶片級(jí)光刻工藝來形成。如圖5中所示在III族氮化物結(jié)構(gòu)上形成互連使得光刻工藝復(fù)雜化，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)互連置換需要單獨(dú)的光刻掩模設(shè)計(jì)，但是它簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化了該結(jié)構(gòu)安裝于其上的基座的設(shè)計(jì)。形成對(duì)照的是，如圖2-4中所示在基座上形成互連簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化了形成圖2中所示的III族氮化物結(jié)構(gòu)所需的光刻工藝，但是使得形成圖4中所示的基座所需的設(shè)計(jì)和光刻工藝復(fù)雜化。圖6、圖7和圖8示出了依照本發(fā)明實(shí)施例不需要蝕刻臺(tái)面以露出η型區(qū)的結(jié)構(gòu)的制造。在圖6中，η型區(qū)20、發(fā)光區(qū)22和ρ型區(qū)M如上所述在復(fù)合襯底上的島30中生長(zhǎng)。電介質(zhì)52被形成，其電隔離鄰近的島30。電介質(zhì)52中的開口允許在每個(gè)島上的ρ型區(qū)M的一部分上形成P接觸26。然后，通過諸如電鍍之類的任何適當(dāng)?shù)墓に囋讦呀佑|沈上形成厚的歐姆金屬層Μ。在圖7中，例如通過電化學(xué)拋光或機(jī)械拋光對(duì)厚金屬層M平坦化以形成平坦表面，然后將該平坦表面連接到基座56?；?6通常是導(dǎo)電和導(dǎo)熱的。例如，基座56可以是金屬晶片、頂部和底部上具有歐姆金屬接觸的半導(dǎo)體晶片，或者如圖7中所示，為具有連接頂部和底部上的歐姆金屬接觸的金屬填充通孔58的電絕緣晶片57，例如燒結(jié)的Α1Ν。III 族氮化物結(jié)構(gòu)可以通過任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)連接到基座56，所述技術(shù)包括例如焊接或熱超聲結(jié)合。然后，通過任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)移除圖6中所示的復(fù)合襯底10，該技術(shù)包括例如機(jī)械研磨、 化學(xué)蝕刻、激光剝離或者犧牲外延層的蝕刻。移除復(fù)合襯底10使η型區(qū)20露出。在圖8中，η型區(qū)20的表面通過例如機(jī)械拋光或者濕法蝕刻或干法蝕刻而平坦化。 可選地，可以例如通過蝕刻或者機(jī)械粗糙化或電化學(xué)粗糙化而對(duì)η型區(qū)20的平坦化表面進(jìn)行粗糙化或圖案化，以便改善來自器件的光提取。η接觸60在其中不存在發(fā)光區(qū)的島之間的溝槽上形成，使得η接觸60不吸收大量的發(fā)射光。η接觸60在邊緣61處電連接到η型區(qū)20。例如，邊緣61寬度可以在1微米與5微米之間?？蛇x的導(dǎo)電但是光學(xué)透明的膜(圖 8中未示出)可以在η型區(qū)20的露出部分上形成，以便改進(jìn)來自η接觸60的電流在η型區(qū) 20中的散布。適當(dāng)材料的實(shí)例包括透明導(dǎo)電氧化物(比如氧化銦錫或氧化錫)以及寬帶隙半導(dǎo)體(例如氧化鋅或氮化銦鋁)。
在一些實(shí)施例中，在η型區(qū)20上形成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料(諸如陶瓷或粉末磷光體)和/ 或本領(lǐng)域中已知的輔助光學(xué)器件(例如二向色濾光器)。例如，可以在從器件提取的光的路徑上將如上所述的陶瓷磷光體70置于η型區(qū)20上。諸如例如透明導(dǎo)電氧化物(例如氧化銦錫)之類的透明導(dǎo)電材料72可以在陶瓷磷光體上形成，與η型區(qū)20以及η接觸60和62 中的任何一個(gè)或全部接觸，以改進(jìn)η接觸60與62之間的η型區(qū)20中的電流散布。在一些實(shí)施例中，在復(fù)合襯底中形成一個(gè)或多個(gè)寬溝槽33。在這些寬溝槽上形成的η接觸62可以用作結(jié)合焊盤。周期性地間隔結(jié)合焊盤62，而不是讓每個(gè)η接觸60充當(dāng)結(jié)合焊盤，可以簡(jiǎn)化波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層或者諸如例如燒結(jié)的陶瓷磷光體晶片之類的輔助光學(xué)器件的形成和放置。在一些實(shí)施例中，使圖6的厚金屬M(fèi)變薄，以便維持島30之間的間隔55。代替如圖7和圖8中所示的ρ型區(qū)M與基座56之間的單個(gè)連續(xù)電接觸M的是，各個(gè)島可以通過電隔離的結(jié)合焊盤電連接到基座。在一些實(shí)施例中，P型區(qū)M與基座56之間的連接不導(dǎo)電。在這樣的實(shí)施例中，可以穿過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)蝕刻形成通孔以便制作到被掩埋的P型區(qū)的電接觸。諸如磷光體之類的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以置于從上面描述的任何實(shí)施例和實(shí)例提取的光的路徑上。例如，發(fā)射黃色光的單一磷光體或者發(fā)射紅色和綠色或黃色光的多種磷光體可以與發(fā)射藍(lán)色光的器件組合。來自器件和磷光體的組合光看起來為白色。除了上述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料之外或者代替上述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的是，諸如偏振器或?yàn)V光器之類的其他結(jié)構(gòu)可以置于從上面描述的任何實(shí)施例和實(shí)例提取的光的路徑上。包括許多III族氮化物材料島的器件可以比相同面積的單片器件具有優(yōu)勢(shì)。依照本發(fā)明實(shí)施例的器件具有任意的總面積。電流密度、驅(qū)動(dòng)電流和正向電壓可以至少部分地解耦。例如，可以以串聯(lián)連接和并聯(lián)連接的組合連接器件上的各個(gè)島，這可以允許在與單片器件相同的電流密度下以更高電壓和更低總電流驅(qū)動(dòng)該器件。最后，可以串聯(lián)連接島，使得與相同面積的單片器件相比，驅(qū)動(dòng)電流減小并且正向電壓增大到N倍，其中N為島的總數(shù)量。由于更低的電流/更高的電壓電流調(diào)節(jié)器典型地比更高的電流/更低的電壓電流調(diào)節(jié)器更廉價(jià)，因而具有島的器件的總系統(tǒng)成本可以小于等效面積的單片器件。在詳細(xì)地描述了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，鑒于本公開內(nèi)容，可以在不脫離本文描述的發(fā)明構(gòu)思的精神的情況下對(duì)本發(fā)明做出各種修改。來自不同實(shí)例和實(shí)施例的元件可以被組合。例如，在一些實(shí)施例中，島之間的一些互連在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成，并且一些互連在基座上形成。因此，本發(fā)明的范圍并非旨在受限于所示出和描述的具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在襯底上生長(zhǎng)多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在η型區(qū)與P型區(qū)之間的發(fā)光層；該襯底包括基質(zhì)、通過溝槽分開的多個(gè)III族氮化物材料的島以及設(shè)置在基質(zhì)與所述多個(gè)III族氮化物材料的島之間的結(jié)合層；并且每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光層具有大于3. 19埃的a晶格常數(shù)；以及形成電連接所述III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)的導(dǎo)電材料。
2.權(quán)利要求1的方法，其中形成導(dǎo)電材料包括在兩個(gè)連接的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一部分上形成金屬層。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述金屬層電連接所述兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的ρ 型區(qū)。
4.權(quán)利要求2的方法，其中所述金屬層將所述兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)的P型區(qū)電連接到所述兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的另一個(gè)的η型區(qū)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中形成導(dǎo)電材料包括在基座上形成金屬層并且將所述多個(gè) III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)連接到基座，使得該金屬層電連接兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求5的方法，進(jìn)一步包括在將所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)連接到基座之后移除基質(zhì)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中每個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有小于500微米的長(zhǎng)度。
8.權(quán)利要求1的方法，其中每個(gè)溝槽具有5微米與50微米之間的寬度。
9.一種器件，包括連接到基座的多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在η型區(qū)與P型區(qū)之間的發(fā)光層；鄰近的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過溝槽分開；并且每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光層具有大于3. 19埃的a晶格常數(shù)；以及設(shè)置在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)之間的導(dǎo)電材料，其中該導(dǎo)電材料電連接所述III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)。
10.權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電材料包括設(shè)置在兩個(gè)連接的III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一部分上的金屬層。
11.權(quán)利要求10的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬層電連接所述兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 P型區(qū)。
12.權(quán)利要求10的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬層將所述兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)的P型區(qū)電連接到所述兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的另一個(gè)的η型區(qū)。
13.權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電材料包括設(shè)置在基座上的金屬層，其中該金屬層將所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)連接到基座，使得該金屬層電連接兩個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
14.權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電材料包括設(shè)置在基座上的導(dǎo)電氧化物；并且該基座包括陶瓷材料，該陶瓷材料適于吸收發(fā)光層發(fā)射的第一光并且發(fā)射具有與第一光不同的峰值波長(zhǎng)的第二光。
15.權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有小于500微米的長(zhǎng)度。
16.權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)溝槽具有5微米與50微米之間的寬度。
17.權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括陶瓷材料，該陶瓷材料適于吸收發(fā)光層發(fā)射的第一光并且發(fā)射具有與第一光不同的峰值波長(zhǎng)的第二光，其中該陶瓷材料設(shè)置在所述多個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的與基座相反的一側(cè)。
18.權(quán)利要求17的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述多個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與所述陶瓷材料之間的導(dǎo)電氧化物。
全文摘要
在復(fù)合襯底上生長(zhǎng)多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在n型區(qū)與p型區(qū)之間的發(fā)光層。該復(fù)合襯底包括通過結(jié)合層連接到基質(zhì)的多個(gè)III族氮化物材料的島。所述多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在這些III族氮化物島上生長(zhǎng)。該復(fù)合襯底可以形成為使得每個(gè)III族氮化物材料的島至少部分地弛豫。結(jié)果，每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光層具有大于3.19埃的a晶格常數(shù)。
文檔編號(hào)H01L33/08GK102165609SQ200980137469
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者B. 麥克勞林 M., R. 拉姆斯 M. 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