專利名稱：生長于襯底上的iii族氮化物層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在襯底上生長III族氮化物層。可以將III族氮化物層用作半導(dǎo)體發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的生長襯底。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光器件是現(xiàn)有可用的最有效率的光源之一，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)光激光器。在制造能夠在可見光譜范圍工作的高亮度發(fā)光器件時(shí)當(dāng)前感興趣的材料系統(tǒng)包括II1-V族半導(dǎo)體，尤其是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也稱為III族氮化物材料。典型地，通過用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技術(shù)在藍(lán)寶石、碳化硅、III族氮化物或其他適當(dāng)襯底上外延生長不同組分和摻雜劑濃度的半導(dǎo)體層的疊層來制造III族氮化物發(fā)光器件。該疊層常常包括形成于襯底上方、摻雜有例如Si的一個(gè)或多個(gè)η型層，形成于一個(gè)或多個(gè)η型層上方有源區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)發(fā)光層，以及形成于有源區(qū)上方、摻雜有例如Mg的一個(gè)或多個(gè)P型層。電接觸形成于η和P型區(qū)域上。由于天然III族氮化物襯底一般非常昂貴且不易獲得，所以常常在藍(lán)寶石或SiC襯底上生長III族氮化物器件。這些非III族氮化物襯底并不是最優(yōu)的，因?yàn)樗{(lán)寶石和SiC與其上生長的III族氮化物層具有不同的晶格常數(shù)，這在III族氮化物器件層中導(dǎo)致應(yīng)變和晶體缺陷，可能造成 性能不良和可靠性問題。US 6086673教導(dǎo)了:“在生長襯底上產(chǎn)生氮化物層……[對于]很多應(yīng)用而言，優(yōu)選獨(dú)立式的GaN層……可以在生長襯底上進(jìn)行GaN的生長，該生長襯底固有地或人為地經(jīng)過加工，以在平行于主要生長表面的平面中表現(xiàn)出機(jī)械性弱點(diǎn)，其量值足以促成沿該平面的機(jī)械破壞，并且由于生長氮化物之后冷卻襯底和氮化物層時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力而導(dǎo)致外延氮化物層剝落……冷卻和剝落機(jī)制……[使得能夠]形成厚而無裂縫且獨(dú)立式的GaN層……促成GaN層自動(dòng)剝落的[適當(dāng)]異質(zhì)襯底包括，例如云母狀、即分層或石墨材料，例如ScMgAlO4,以及云母材料一類?！薄?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生長于襯底上的III族氮化物合金膜。在一些實(shí)施例中，可以在III族氮化物合金膜上生長III族氮化物發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法中，在襯底上生長III族氮化物層。所述襯底是RAO3(MO)n，其中R是從Sc、In、Y和鑭系元素中選擇的；Α是從Fe (III)、Ga和Al中選擇的；M是從Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd中選擇的；η是彡I的整數(shù)。在一些實(shí)施例中，[(I aSUbStrate ~ Slayer | ) /asubstrate] *100% 不超過 1%,其中 asubstMte 是襯底的面內(nèi)晶格常數(shù)，Blayer是III族氮化物層的體晶格常數(shù)。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法中，在襯底上生長III族氮化物層。所述襯底是非III族氮化物材料。所述III族氮化物層是三元、四元或五元合金。III族氮化物層足夠厚，以在機(jī)械上自支持并具有低缺陷密度。這里描述的III族氮化物合金膜可以用作用于III族氮化物發(fā)光器件的生長襯底。生長于這種合金膜上的III族氮化物發(fā)光器件可以具有較小的應(yīng)變，因此比常規(guī)方法生長的III族氮化物發(fā)光器件具有更好的性能。


圖1示出了生長于襯底上的合金膜。圖2示出了生長于合金膜上的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。圖3示出了薄膜倒裝芯片發(fā)光器件。圖4示出了垂直發(fā)光器件。
具體實(shí)施例方式一種生產(chǎn)可以在其上生長III族氮化物器件的三元或四元III族氮化物合金膜厚層的方法是，在諸如GaN的二元半導(dǎo)體模板膜上，通過高生長速率沉積技術(shù)、例如HVPE (氫化物氣相處延)沉積合金膜，模板膜是沉積于諸如藍(lán)寶石的常規(guī)襯底上的。襯底(在本范例中為藍(lán)寶石)和模板膜(在本范例中為GaN)之間的晶格失配一般較大(>1%)，因此GaN將含有很多缺陷。合金膜(在本范例中為InGaN)與二元膜也高度失配(>1%的晶格失配)，從而在其生長期間向合金膜中引入了額外的缺陷或不均勻性。由于晶格失配導(dǎo)致的缺陷，生長于用這種方法生產(chǎn)的合金膜上的器件可能會(huì)表現(xiàn)出較差性能。此外，合金膜的厚度一般不超過幾微米，以便使額外缺陷的密度最小化，因此在機(jī)械上無法自支持。因此，在合成襯底上進(jìn)行器件的生長，在本范例中，合成襯底包括藍(lán)寶石、GaN和InGaN，它們?nèi)季哂胁煌臒崤蛎浵禂?shù)，可能導(dǎo)致晶片顯著的弓形彎曲或其他幾何畸變。在本發(fā)明的實(shí)施例中，提供了一種襯底，它與期望的合金膜晶格匹配(或接近匹配)，并且具有相同的六邊形對稱性。由于襯底是晶格匹配的，所以在生長期間將在合金膜中引入更少的缺陷或不均勻性，并且可以生長更厚的膜(例如，在一些實(shí)施例中大于50Mffl厚，在一些實(shí)施例中大于100 μ m厚，在一些實(shí)施例中大于200 μ m厚)，從而在機(jī)械上可以自支持?？梢詮暮竦暮辖鹉ど先コr底，接下來可以重新使用所述襯底。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，生長于襯底10上的合金膜12。半導(dǎo)體材料層的特征可以是體晶格常數(shù)以及面內(nèi)晶格常數(shù)。體晶格常數(shù)是與半導(dǎo)體層組分相同的理論上完全弛豫層的晶格常數(shù)。面內(nèi)晶格常數(shù)是生長時(shí)半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)。如果半導(dǎo)體層有應(yīng)變，體晶格常數(shù)與面內(nèi)晶格常數(shù)不同。如果半導(dǎo)體層生長于基本晶格匹配的襯底上，半導(dǎo)體層的體晶格常數(shù)將與半導(dǎo)體層的面內(nèi)晶格常數(shù)接近相同，并與襯底的面內(nèi)晶格常數(shù)相同，無需消除裂縫或其他應(yīng)變。對于被生長為體錠并解理成晶片的襯底，襯底的面內(nèi)晶格常數(shù)可能與襯底的體晶格常數(shù)相同。對于生長時(shí)有應(yīng)變的襯底或合成襯底，襯底的面內(nèi)晶格常數(shù)可能與襯底的體晶格常數(shù)不同。在一些實(shí)施例中，合金膜12的體晶格常數(shù)alayCT在襯底10的面內(nèi)晶格常數(shù)asubstMte的1%之內(nèi)，在一些實(shí)施例中，在襯底10的面內(nèi)晶格常數(shù)asubstrate的
0.5% 之內(nèi)。換言之，在一些實(shí)施例中，[(I Bsubstrate-BlayerI)/asubstrate] *100% 不超過 1%，在一些實(shí)施例中，不超過0.5%。襯底10是非III族氮化物材料。在一些實(shí)施例中，襯底10與合金膜12具有類似或相同的六邊形纖鋅礦對稱性。在一些實(shí)施例中，襯底10基本不受沉積合金膜12期間經(jīng)歷的化學(xué)和熱環(huán)境的侵襲。在一些實(shí)施例中，襯底10的面內(nèi)熱膨脹系數(shù)在所沉積合金膜12的面內(nèi)熱膨脹系數(shù)的30%之內(nèi)。在一些實(shí)施例中，襯底10可以對近紫外輻射透明或不透明。在一些實(shí)施例中，襯底10是單晶或基本單晶材料。在一些實(shí)施例中，襯底10是一般組分為RAO3 (MO)n的材料，其中R是三價(jià)陽離子，常常從Sc、In、Y和鑭系元素(原子序數(shù)57-71)中選擇；A也是三價(jià)陽離子，常常從Fe(III)、Ga和Al中選擇；M是二階陽離子，常常從Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd中選擇；η是彡I的整數(shù)。在一些實(shí)施例中，η < 9，在一些實(shí)施例中η < 3。在一些實(shí)施例中，RAMO4(即η=1)化合物是YbFe2O4結(jié)構(gòu)類型，而RAO3 (MO)n (η彡2)化合物是InFeO3 (ZnO)n結(jié)構(gòu)類型。下表列出了用于襯底10的適當(dāng)材料以及與相應(yīng)襯底具有相同面內(nèi)晶格常數(shù)的InGaN合金組分的范例
權(quán)利要求
1.一種方法，包括: 在襯底上生長III族氮化物層；其中 所述襯底是RAO3(MO)n，其中R是從Sc、In、Y和鑭系元素中選擇的；A是從Fe (III)Xa和Al中選擇的;M是從Mg、Mn、Fe (II)、Co、Cu、Zn和Cd中選擇的；n是彡I的整數(shù)； 所述襯底具有面內(nèi)晶格常數(shù)asubstrate ； 所述III族氮化物層具有體晶格常數(shù)alayCT ;并且[(Iasubstrate - alayer|)/asubstrate]*100% 不超過 1%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底是ScMgAlCVScGaMgO4, ScAlMnO4,InAlMnO4 之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物層是InGaN和AlInGaN之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物層具有大于50μ m的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括去除所述襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在所述III族氮化物層上生長包括設(shè)置于η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的III族氮化物發(fā)光層的結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中η型區(qū)域包括至少一層Inai4Gaa86N,所述發(fā)光層包括Inai6Gaa84N,所述P型區(qū)域包括至少一層Ina 12Gaa88N。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中去除包括熔化設(shè)置于所述襯底和所述III族氮化物層之間的犧牲層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述犧牲層是圖案化的非III族氮化物膜和帶隙低于所述III族氮化物層的III族氮化物材料之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中去除包括通過機(jī)械方法去除以及利用刀刃破壞所述III族氮化物層和所述襯底之間的界面之一。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中去除包括在設(shè)置于所述襯底中、所述III族氮化物層中或所述襯底和所述III族氮化物層之間的界面處的弱化區(qū)處，將所述襯底與所述III族氮化物層分開。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述弱化區(qū)包括圖案化層。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述弱化區(qū)包括注入有H原子和N原子之一的區(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述III族氮化物層為InGaN，所述弱化區(qū)包括InN組分比所述III族氮化物層更高的區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述弱化區(qū)包括通過利用聚焦激光束輻射生成的多個(gè)微米尺度的晶體缺陷或孔洞。
16.一種方法，包括在襯底上生長III族氮化物層，其中: 所述襯底是非III族氮化物材料； 所述III族氮化物層是三元、四元 或五元合金； 所述III族氮化物層足夠厚，以在機(jī)械上自支持；并且 所述III族氮化物層的缺陷密度低于5X 108cnT2。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括從所述III族氮化物層去除所述襯底。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在去除所述襯底之后在所述III族氮化物層上生長發(fā)光層。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述襯底是ScMgAlCVScGaMgO4, ScAlMnO4,InAlMnO4 之一。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中: 所述襯底具有面內(nèi)晶格常數(shù)asubstrate ； 所述III族氮化物層具有體晶格常數(shù)alayCT ;并且
全文摘要
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法中，在襯底上生長III族氮化物層。所述襯底是RAO3(MO)n，其中R是從Sc、In、Y和鑭系元素中選擇的；A是從Fe(III)、Ga和Al中選擇的；M是從Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn和Cd中選擇的；n是≥1的整數(shù)。在一些實(shí)施例中，[(|asubstrate–alayer|)/asubstrate]*100%不超過1%，其中asubstrate是襯底的面內(nèi)晶格常數(shù)，alayer是III族氮化物層的體晶格常數(shù)。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一種方法中，在襯底上生長III族氮化物層。所述襯底是非III族氮化物材料。所述III族氮化物層是三元、四元或五元合金。III族氮化物層足夠厚，以在機(jī)械上自支持并具有低缺陷密度。
文檔編號H01L21/02GK103180971SQ201180052858
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者N.F.加德納, W.K.戈伊茨, M.J.格倫德曼恩, M.B.麥勞林, J.E.埃普勒, M.D.坎拉斯, F.M.斯特蘭卡 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司