CN102473796A - 控制iii氮化物器件中的凹坑形成 - Google Patents
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Abstract
一种器件包括半导体结构，该半导体结构包括设置在n型区与p型区之间的III氮化物发光层（26）和设置在n型区和p型区中的一个内的多个层对。每个层对包括InGaN层(20a,20b,20c)和与InGaN层直接接触的凹坑填充层(22a,22b,22c)。凹坑填充层可以填充在InGaN层中形成的凹坑。
Description
技术领域
本发明涉及控制III氮化物发光器件中的含铟层中的凹坑。
背景技术
包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）以及边缘发射激光器的半导体发光器件是目前可用的最高效的光源之一。在能够跨越可见光谱进行操作的高亮度发光器件的制造中当前感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III氮化物材料。通常，通过用金属有机化学汽相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）or其它外延技术在适当的衬底上外延地生长不同成分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造III氮化物发光器件。该叠层常常包括用例如Si掺杂的在衬底上形成的一个或多个n型层、在形成于一个或多个n型层上的有源区中的一个或多个发光层以及在有源区上形成的用例如Mg掺杂的一个或多个p型层。还在n型区和p型区上形成电接触。常常将III氮化物器件形成为倒置或倒装芯片器件，其中，在半导体结构的同一侧形成n接触和p接触这两者，并且从与接触相反的半导体结构的那侧提取光。
III氮化物衬底一般是昂贵的，并且不是广泛地可用的，因此，常常在蓝宝石或SiC衬底上生长III氮化物器件。此类非III氮化物衬底并不是那么理想，因为蓝宝石和SiC具有与在其上生长的III氮化物层不同的晶格常数，在III氮化物器件层中引起应变和晶体缺陷，这可能引起不良的性能和可靠性问题。
在图1中示出且在通过引用结合在本文中的US 2007/0072324中描述了一种复合衬底，其可以具有与器件中的发光层中的晶格常数更接近地匹配的晶格常数。衬底10包括主体衬底12、种子层（seed layer）16和将主体12结合到种子16的结合层14。衬底10中的每个层由能够耐受在器件中生长半导体层所需的处理条件的材料形成。在种子层16上生长器件层18。结合层14可以是由能够用不冲击器件层18的蚀刻来蚀刻的材料形成的释放层，从而将器件层18和种子层16从主体衬底12释放。邻近于种子层16的层的成分可以针对其晶格常数或其它性质和/或针对其在种子层16的材料上成核的能力来选择。在一个示例中，主体12是蓝宝石且种子层16是InGaN。
发明内容
在复合衬底上生长的器件可能需要厚的InGaN区。本发明的目的是在III氮化物器件中包括在InGaN层与另一材料的层之间交替的结构。该结构充当厚的InGaN区，并且另一材料的层可以填充InGaN层中的凹坑。
在本发明的实施例中，器件包括半导体结构，所述半导体结构包括设置在n型区与p型区之间的III氮化物发光层以及设置在n型区和p型区中的一个之内的多个层对(layer pair)。每个层对包括InGaN层和与InGaN层直接接触的凹坑填充层。凹坑填充层可以填充在InGaN层中形成的凹坑。
附图说明
图1举例说明在复合衬底上生长的III氮化物器件层。
图2举例说明根据本发明的实施例的器件中的层。
图3举例说明附接于底座的倒装芯片III氮化物器件。
具体实施方式
本文所使用的“面内”晶格常数指的是在器件内的层的实际晶格常数，并且“体”晶格常数指的是给定成分的弛豫、自支撑材料的晶格常数。在等式（1）中定义了层中的应变的量。
应变 = ε = (ain-plane – abulk)/ abulk (1)
请注意，等式（1）中的应变ε可以是正的或负的，即ε > 0或ε < 0。在无应变膜中，ain-plane = abulk，因此，在等式（1）中ε = 0。其中ε > 0的膜被称为是处于拉伸应变下或处于张力下，而其中ε < 0的膜被称为是处于压缩应变下或处于压缩下。拉伸应变的示例包括在无应变GaN上生长的应变AlGaN膜或在无应变InGaN上生长的应变GaN膜。在这两种情况下，应变膜具有比该应变膜在其上生长的无应变层的体晶格常数更小的体晶格常数，因此应变膜的面内晶格常数被伸展以与无应变层的匹配，这在等式（1）中给出ε > 0，据此，将该膜称为是处于张力下。压缩应变的示例包括在无应变GaN上生长的应变InGaN膜或在无应变AlGaN上生长的应变GaN膜。在这两种情况下，应变膜具有比该应变膜在其上生长的无应变层的体晶格常数更大的体晶格常数，因此应变膜的面内晶格常数被压缩以与无应变层的匹配，这在等式（1）中给出ε < 0，据此，将该膜称为是处于压缩下。
在生长于蓝宝石衬底上的常规III氮化物器件中，通常，接近于衬底生长的GaN层（即，直接在衬底上或者在首先生长于衬底上的一个或多个成核或缓冲层上）为在其上生长的发光层设定了面内晶格常数。GaN具有比发光区中的InGaN发光层更小的体晶格常数。因此，常规器件中的InGaN发光层处于压缩应变下，这可能限制发光层的厚度以及可以结合在发光层中的InN的量，这可能限制发射波长。
已经提出了通过增加设定发光层中的面内晶格常数的层的晶格常数来减少发光层中的压缩应变的各种方法。两个示例是如在通过引用结合在本文中的US 7,534,638中所述的在蓝宝石上生长的应变减少模板以及上述复合衬底。在应变减少模板器件和在复合衬底上生长的器件这两者中，设定发光层中的面内晶格常数的层（在本文中称为“晶格常数设定层”）可以是InGaN。
InGaN生长条件常常引起凹坑在InGaN层的表面上形成。高密度的大凹坑可能引起发光层中的不均匀的InN成分，并且可能增强发光层中的杂质的结合，这可能导致不良的器件性能和可靠性问题。与凹坑相关联的问题可能随着InGaN层的厚度和/或InGaN层中的InN成分的增加而增加。
在具有InGaN晶格常数设定层的器件中，通常不在InGaN晶格常数设定层上生长厚的GaN层，因为在InGaN晶格常数设定层上生长的厚的GaN层将处于张力下并因此易于破裂。因而，常常在n型InGaN层上而不是在n型GaN层上形成n接触。特别是在倒装芯片器件中，n型InGaN层必须足够厚以便为器件设计提供足够的横向电流扩展。在大到足以提供电流扩展的厚度下，InGaN层可能具有高密度的大凹坑，这可能引起上述不良的器件性能和可靠性问题。
在本发明的实施例中，通过在III氮化物器件中包括凹坑填充结构来控制凹坑的尺寸和密度。凹坑填充结构包括InGaN和在填充形成于InGaN层中的凹坑的条件下生长的材料的交替层。
图2举例说明根据本发明的实施例的器件中的层。在可以是例如复合衬底或形成于蓝宝石衬底上的应变减少模板的结构30上生长半导体层。在结构30上生长InGaN晶格常数设定层20a。可以在晶格常数设定层20a上生长凹坑填充层22a。可以将InGaN层之后是凹坑填充层的序列重复多次。例如，在图2所示的结构中，举例说明三个InGaN层20a、20b和20c以及三个凹坑填充层22a、22b和22c。在某些实施例中，包括在2和50个之间的层对；在某些实施例中，包括在5和25个之间的层对。
凹坑填充层22a, 22b和22c具有与InGaN层20a、20b和20c不同的成分。凹坑填充层可以是例如含铝层、GaN、AlGaN、AlInN或AlInGaN。器件中的所有凹坑填充层可以具有相同的成分，尽管其不需要如此。类似地，器件中的所有InGaN层可以具有相同的成分，尽管其不需要如此。在某些实施例中InGaN层可以具有在1%和15%之间的InN成分，在某些实施例中可以具有在3%和10%之间的InN成分，且在某些实施例中可以具有6%的InN成分。在某些实施例中AlGaN、AlInN或AlInGaN凹坑填充层可以具有在大于0%和10%之间的AlN成分，在某些实施例中可以具有在3%和10%之间的AlN成分、在某些实施例中可以具有在6%和8%之间的AlN成分且在某些实施例中可以具有在1和5%之间的AlN成分。
InGaN层20a、20b和20c可以每个厚度例如在100和500 nm之间。InGaN层的厚度被选择为足够薄以避免高密度的大凹坑的形成。在某些实施例中凹坑填充层22a、22b和22c可以每个厚度例如在10和50 nm之间，并且在某些实施例中厚度在10和30 nm之间。凹坑填充层的厚度被选择为足够厚以至少部分地填充下部InGaN层中的凹坑。器件中的所有凹坑填充层可以具有相同的厚度，尽管其不需要如此。器件中的所有InGaN层可以具有相同的厚度，尽管其不需要如此。通过在InGaN层之间插入凹坑填充层来逐渐地填充存在于InGaN层的表面上的凹坑。因此，更接近于有源区26的InGaN层可以具有比更接近于结构30的InGaN层更少且更浅的凹坑。在某些实施例中，凹坑填充层可以处于张力下。在此类实施例中，保持凹坑填充层足够薄以避免破裂。
可以在与InGaN层不同的生长条件下生长凹坑填充层。可以将凹坑填充层的生长条件（诸如，例如压力、温度、NH3流速和载气类型）选择为有利于凹坑的填充。例如，与InGaN层的生长条件相比，可以在增加的温度下、在增加的氨浓度下和/或在缓慢的生长速率下生长凹坑填充层。InGaN层和凹坑填充层两者都是在高温下生长的高质量、基本上单晶的层。在某些实施例中在大于900℃的温度下、在某些实施例中在大于1000℃的温度下、在某些实施例中在1020和1060℃之间的温度下且在某些实施例中在920和1040℃之间的温度下生长凹坑填充层。例如，可以在920和1040℃之间的温度下生长AlGaN凹坑填充层；可以在1020和1060℃之间的温度下生长GaN凹坑填充层。在某些实施例中，例如用Si对InGaN层和凹坑填充层两者进行n型掺杂。
在最后的凹坑填充层22c上生长n型区24。n型区24可以包括不同成分和掺杂剂浓度的多个层，包括例如可以是n型或非有意掺杂的准备层、被设计为促进生长衬底的稍后释放或衬底去除之后的半导体结构的薄化的释放层、以及被设计为用于发光区高效地发光所期望的特定光学或电学性质的n或者甚至p型器件层。n型区24可以是例如单个n型InGaN层。
在有源区26的n侧上的半导体结构25包括InGaN层（图2所示的器件中的20a、20b和20c）、凹坑填充层（图2所示的器件中的22a、22b和22c）和n型区24。n结构25的总厚度可以是例如在某些实施例中至少500nm、在某些实施例中在1000nm和5000nm之间、在某些实施例中在1500和2500nm之间且在某些实施例中为2000nm。总厚度可以取决于电流必须在n结构中横向地扩展多远：更大的电流扩展距离可能需要更厚的n结构。
在n型区24上生长发光或有源区26。适合的发光区的示例包括单个厚或薄的发光层或者包括被阻挡层分离的多个薄或厚量子阱发光层的多量子阱发光区。例如，多量子阱发光区可以包括被阻挡体分离的多个发光层，每个发光层具有25?或更小的厚度，每个阻挡体具有100?或更小的厚度。在某些实施例中，器件中的每个发光层的厚度厚于50?。
在发光区26上生长p型区28。类似于n型区，p型区可以包括不同成分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。p型区28还可以包括InGaN层和凹坑填充层交替的凹坑填充结构。可以例如用Mg对p型区28中的凹坑填充结构进行p型掺杂。
图3举例说明连接到底座40的LED 42。在于p型区28（图2）上形成p接触48之前或之后，通过将发光区和p型区的一部分蚀刻掉来使n型区的一部分暴露。用图3中的结构44来表示半导体结构，所述半导体结构包括图2所示的晶格常数设定层20a、p型区28和在中间的所有层。在n型区的暴露部分上形成N接触46。
通过n和p互连56和58将LED 42结合到底座40。互连56和58可以是任何适当的材料，诸如焊料或其它金属，并且可以包括多个材料层。在某些实施例中，互连包括至少一个金层，并且通过超声结合来形成LED 42与底座40之间的结合。
在超声结合期间，将LED管芯42定位于底座40上。结合头位于LED管芯的顶表面上，在生长于蓝宝石上的III氮化物器件的情况下常常是蓝宝石生长衬底的顶表面。结合头连接到超声换能器。超声换能器可以是例如多个锆钛酸铅（PZT）层的叠层。当以促使系统谐波共振的频率（常常为约数十或数百kHz的频率）向换能器施加电压时，换能器开始振动，这又促使结合头和LED管芯振动，常常是以约数微米的幅度。该振动促使LED 42上的结构的金属晶格中的原子与底座40上的结构相互扩散，导致冶金上连续的接合点。在结合期间可以增加热量和/或压力。
在将LED管芯42结合到底座40之后，可以用适合于特定结构去除的任何技术来去除在其上生长半导体层的结构30的全部或一部分。例如，可以通过蚀刻图1的结合层14或通过任何其它适当技术来去除图1所示的复合衬底的主体12。图1所示的种子层16可以留在器件中，或者例如通过蚀刻来去除。可以例如用激光剥离来去除在其上生长应变减少模板的蓝宝石衬底。应变减少模板可以留在器件中或被去除。在去除结构30的全部或一部分之后，可以例如通过光电化学蚀刻来使剩余的半导体结构薄化，和/或例如用光子晶体结构来使表面粗糙化或图案化。可以在衬底去除之后在LED 42上设置在本领域中已知的透镜、波长转换材料或其它结构。
已详细地描述了本发明，本领域的技术人员将认识到，给定本公开内容，在不脱离本文所述的发明概念的精神的情况下可以对本发明进行修改。因此，意图并不是将本发明的范围局限于所示和所述的特定实施例。
Claims (16)
1.一种器件，包括：
半导体结构，包括：
III氮化物发光层，其设置在n型区与p型区之间；以及
多个层对，设置在n型区和p型区中的一个内，每个层对包括：
InGaN层；以及
与InGaN层直接接触的凹坑填充层，其中，凹坑填充层是GaN、AlGaN、AlInGaN和AlInN中的一个。
2.权利要求1的器件，其中，每个凹坑填充层是GaN。
3.权利要求1的器件，其中，每个凹坑填充层是AlGaN。
4.权利要求3的器件，其中，每个凹坑填充层具有在3%和10%之间的AlN成分。
5.权利要求1的器件，其中，每个凹坑填充层是AlInGaN。
6.权利要求5的器件，其中，每个凹坑填充层具有在3%和10%之间的AlN成分。
7.权利要求1的器件，其中，每个InGaN层具有在3%和10%之间的InN成分。
8.权利要求1的器件，其中，每个InGaN层具有在100和500nm之间的厚度。
9.权利要求1的器件，其中，每个凹坑填充层具有在10和50nm之间的厚度。
10.权利要求1的器件，还包括设置在层对中的一个中的InGaN层的顶表面上的多个凹坑，其中，InGaN层的顶表面上的多个凹坑的尺寸大于设置在同一层对中的凹坑填充层的顶表面上的多个凹坑的尺寸。
11.权利要求1的器件，其中，在半导体结构中包括在2和50个之间的层对。
12.权利要求1的器件，其中，部分发光层和p型区被去除以使部分n型区暴露，该器件还包括：
设置在p型区上的第一金属接触；以及
设置在n型区上的第二金属接触；
其中，第一金属接触和第二金属接触设置在半导体结构的同一侧上。
13.权利要求1的器件，其中，每个凹坑填充层是基本上单晶层。
14.一种方法，包括：
生长半导体结构，该半导体结构包括：
III氮化物发光层，设置在n型区与p型区之间；以及
多个层对，设置在n型区和p型区中的一个内，每个层对包括：
InGaN层；以及
与InGaN层直接接触的凹坑填充层，其中，凹坑填充层是GaN、AlGaN、AlInGaN和AlInN中的一个。
15.权利要求14的方法，还包括在大于900℃的温度下生长每个凹坑填充层。
16.权利要求14的方法，还包括在920℃和1060℃之间的温度下生长每个凹坑填充层。
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