TW201611331A - 控制ｉｉｉ族氮化物裝置中凹處形成 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種包含一半導體結構之裝置，該半導體結構包括：被設置在一n型區域與一p型區域之間的一III族氮化物發光層，及被設置在該n型區域與該p型區域之一者內的複數個層對。各個層對包含一InGaN層及與該InGaN層直接接觸之凹處-填充層。該凹處-填充層可填充形成在該InGaN層中的凹處。

Description

控制III族氮化物裝置中凹處形成
本發明係關於控制在一III族氮化物發光裝置中的含銦層中的凹處。
包括發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)、及邊緣發射雷射之半導體發光裝置係在現行的最有效的光源之中。能夠在該可見光譜範圍內操作的高亮度發光裝置之製造中目前所關注的材料系統包含III-V族半導體，尤其係鎵、鋁、銦、及氮之二元、三元、及四元合金，其亦被稱為III族氮化物材料。通常，III族氮化物發光裝置藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、或其他磊晶技術而在一合適的基板上藉由不同組合物及摻雜劑濃度之一半導體層堆疊之磊晶生長而被製造。該堆疊通常包含：一個或更多個n型層，其摻雜有諸如形成於該基板上方的Si；一個或更多個發光層，其在形成於該(等)n型層上方的一作用區域中；及一個或更多個p型層，其摻雜有諸如形成於該作用區域上方的Mg。電接觸件被形成於該等n型及p型區域中。III族氮化物裝置通常被形成為倒裝或覆晶裝置，其中該等n-及p-接觸件形成於該半導體結構之相同側上，從與該等接觸件相對的該半導體結構之該側擷取光。
III族氮化物基板大體上係昂貴的且並非係普遍可得的，因此III族氮化物裝置通常係在藍寶石或SiC基板上生長。此等非III族氮化物 基板並非係最佳的，此乃由於藍寶石及SiC與在其上生長的III族氮化物層具有不同的晶格常數，從而導致在該等III族氮化物裝置層之應變與晶體缺陷，其可產生較差的性能及可靠性問題。
一複合基板被顯示於圖1中及在以引用方式被併入本文中的US 2007/0072324中被描述，該複合基板可具有更精密匹配於在該裝置中的該發光層中的晶格常數之一晶格常數。基板10包含一主基板12、一種晶層16，及一結合層14，其將主基板12與種晶層16結合。在基板10中的該等層之各者係由可經受用於在該裝置中的該等半導體層之生長之製程條件的材料形成。裝置層18在種晶層16上生長。結合層14可係一釋放層，該釋放層由藉由一蝕刻劑而被蝕刻之一材料形成，該蝕刻劑不會腐蝕裝置層18、以及來自主基板12之釋放裝置層18及種晶層16。與種晶層16鄰接的該層之組合物可根據其晶格常數或其他性質、及/或根據其在種晶層16之材料上的成核能力而被選擇。在一實例中，主基板12係藍寶石及種晶層16係InGaN。
在一複合基板上生長的一裝置需要一厚InGaN區域。本發明之一目的係將可在InGaN層與另一材料之層之間交替的一結構包含在一III族氮化物裝置中。該結構充當一厚InGaN區域及另一材料之該等層可填充在該等InGaN層中的凹處。
在本發明之實施例中，一裝置包含一半導體結構，該半導體結構包括：被設置在一n型區域與一p型區域之間的一III族氮化物發光層，及被設置在該n型區域與該p型區域之一者內的複數個層對。各個層對包含一InGaN層及與該InGaN層直接接觸之一凹處-填充層。該凹處-填充層可填充在該InGaN層中形成的凹處。
10‧‧‧基板
12‧‧‧主基板
14‧‧‧結合層
16‧‧‧種晶層
18‧‧‧裝置層
20a‧‧‧InGaN層
20b‧‧‧InGaN層
20c‧‧‧InGaN層
22a‧‧‧凹處-填充層
22b‧‧‧凹處-填充層
22c‧‧‧凹處-填充層
24‧‧‧n型區域
25‧‧‧半導體結構
26‧‧‧作用區域
28‧‧‧p型區域
30‧‧‧結構
40‧‧‧座架
42‧‧‧LED
44‧‧‧結構
46‧‧‧n-接觸件
48‧‧‧p-接觸件
56‧‧‧n-互連件
58‧‧‧p-互連件
圖1繪示在一複合基板上生長的III族氮化物裝置層。
圖2繪示在根據本發明之實施例的一裝置中的該等層。
圖3繪示被附接於一座架的一覆晶III族氮化物裝置。
如在本文中所使用，一「平面內(in-plane)」晶格常數指代在該裝置內的一層之實際晶格常數，及一「塊體(bulk)」晶格常數指代一給定組合物之鬆弛、獨立材料之晶格常數。在一層體中之應變量係定義在方程式(1)中。
strain(應變)=ε=(ain-plane-abulk)/abulk (1)
請注意：在方程式(1)中的strain(應變)、ε可係正值或負值之任一者，亦即ε>0或ε<0。在一無應變的薄膜中ain-plane=abulk，因此在方程式(1)中ε=0。其中ε>0的一薄膜聲稱係在拉伸應變的作用下、或在拉伸的作用下，同時其中ε<0的一薄膜聲稱係在壓縮應變的作用下、或在壓縮的作用下。拉伸應變之實例包含在無應變的GaN上方生長的一應變的AlGaN薄膜、或在無應變的InGaN上方生長的一應變的GaN薄膜。在二個情況中，該應變的薄膜之一塊體晶格常數小於在其上生長的該無應變層之該塊體晶格常數，因此該應變薄膜之該平面內晶格常數被拉伸以匹配該無應變層之晶格常數，從而在方程式(1)中ε>0，根據此該薄膜聲稱係在拉伸作用下。壓縮應變之實例包含在無應變的GaN上方生長的一應變的InGaN薄膜、或在無應變的AlGaN上方生長的一應變的GaN薄膜。在二個情況中，該應變的薄膜之一塊體晶格常數大於在其上生長的該無應變層之該塊體晶格常數，因此該應變薄膜之該平面內晶格常數被壓縮以匹配該無應變層之晶格常數，從而在方程式(1)中ε<0，根據此該薄膜聲稱係在壓縮作用下。
在於一藍寶石基板上生長的一習知III族氮化物裝置中，通常靠近該基板生長(亦即，直接在該基板上或在首先於該基板上生長的一個或更多個成核或緩衝層上方)的GaN層設定該平面內晶格常數用於在 其上方生長的該等發光層。GaN比在該發光區域中的該等InGaN發光層具有一更小的塊體晶格常數。相應地，在一習知裝置中的該等InGaN發光層係在壓縮應變的作用下，其可限制該等發光層之厚度及被併入該發光層的InN之數量，其可限制該發射波長。
已提出藉由增大該層(其設定在該等發光層中的平面內晶格常數)之晶格常數來減少在該等發光層中的壓縮應變之各種方法。兩項實例係在藍寶石(如以引用的方式被併入本文中的US 7,534,638所描述)及如上所述之該複合基板上生長的應變-減小樣板。在應變-減小樣板裝置與在複合基板上生長的裝置之兩者中，將該平面內晶格常數設定在該等發光層中的該等層(在本文中，其被稱為該「晶格常數設定層」)可以係InGaN。
InGaN生長條件通常導致凹處在該InGaN層之表面形成。大的凹處之一高密度可導致在該發光層中的不均一InN組合物及可提高在該發光層中的雜質之合併，其可導致差的裝置性能及可靠性問題。與凹處相關的問題隨一InGaN層之厚度及/或在該InGaN層中的該InN組合物增加而增加。
在具有一InGaN晶格常數設定層的裝置中，厚GaN層大體上不會在該InGaN晶格常數設定層上方生長，此乃由於在該InGaN晶格常數設定層上方生長的厚GaN層將係在拉伸作用下及因此容易受到破裂影響。因此，該n接觸件通常係在一n型InGaN層而非一n型GaN層上形成。尤其在一覆晶裝置中，該n型InGaN層必須足夠厚以為該裝置設計提供足夠的橫向電流散佈。對於足夠大以提供電流散佈之一厚度，一InGaN層可具有大凹處之一高密度，其可導致如上所述之不良裝置性能及可靠性問題。
在本發明之實施例中，凹處之尺寸及密度藉由將一凹處-填充結構包含在一III族氮化物裝置中而被控制。該凹處-填充結構包含InGaN 之交替層及在填充於InGaN層中形成的凹處之條件下生長的一材料。
圖2繪示在根據本發明之實施例之一裝置中的該等層。該等半導體層在一結構30上方生長，舉例而言，該結構30可係一複合基板或在一藍寶石基板上形成的一應變-減小樣板。一InGaN晶格常數設定層20a係在該結構30上方生長。一凹處-填充層22a可在晶格常數設定層20a上方生長。一InGaN層(其後係一凹處填充層)之序列可被重複多次。舉例而言，在圖2所示之該結構中，三個InGaN層20a、20b、及20c及三個凹處-填充層22a、22b、及22c被繪示。在2與50之間的層對被包含在某些實施例中；在5與25之間的層對被包含在某些實施例中。
凹處-填充層22a、22b、及22c具有來自InGaN層20a、20b、及20c之一不同組合物。舉例而言，凹處-填充層可係含鋁層、GaN、AlGaN、AlInN、或AlInGaN。在該裝置中的該等凹處-填充層之全部可具有相同的組合物，儘管並不一定要如此。相似地，在該裝置中的該等InGaN層之全部可具有相同的組合物，儘管並不一定要如此。該等InGaN層可具有一InN組合物，其在某些實施例中係在1%與15%在之間、在某些實施例中係在3%與10%在之間、及在某些實施例中係6%。AlGaN、AlInN、或AlInGaN凹處-填充層可具有一AlN組合物，其在某些實施例中係在大於0%與10%之間、在某些實施例中係在3%與10%之間、在某些實施例中係在6%與8%之間、及在某些實施例中係在1與5%之間。
舉例而言，InGaN層20a、20b、及20c可各自係在100奈米與500奈米厚度之間。該InGaN層之厚度被選擇從而係足夠薄的以避免大的凹處之一高密度之形成。舉例而言，凹處-填充層22a、22b、及22c之各者在某些實施例中可係在10奈米與50奈米厚之間，及在某些實施例中可係在10奈米與30奈米厚之間。該凹處-填充層之厚度被選擇從而係 足夠厚的以至少局部地填充在該底層InGaN層中的該等凹處。在該裝置中的該等凹處-填充層之全部可具有相同的厚度，儘管並不一定要如此。在該裝置中的該等InGaN層之全部可具有相同的厚度，儘管並不一定要如此。在該等InGaN層之表面上所呈現的凹處藉由在該等InGaN層之間插入凹處-填充層而被逐漸填充。相應地，靠近該作用區域26的InGaN層比靠近結構30的InGaN層可具有更少及更淺的凹處。在某些實施例中，該等凹處-填充層可在拉伸作用下。在此等實施例中，該等凹處-填充層被保持足夠薄的以避免破裂。
可在與該等InGaN層不同的生長條件下生長該等凹處-填充層。舉例而言，諸如壓力、溫度、NH3流速、及運載氣體之類型之該等凹處-填充層之生長條件可被選擇以促成凹處之填充。舉例而言，與該等InGaN層之生長條件相比，可在增溫條件下、在增加的氨濃度條件下、及/或以一緩慢生長率生長該等凹處-填充層。該等InGaN層及該等凹處-填充層二者皆係高品質的，實質上係在高溫下生長的單晶層。該等凹處-填充層在某些實施例中在大於900℃的一溫度下生長、在某些實施例中在大於1000℃的一溫度下生長、在某些實施例中在1020℃與1060℃之間的一溫度下生長及在某些實施例中在920℃與1040℃之間的一溫度下生長。舉例而言，可在920℃與1040℃之間的一溫度下生長AlGaN凹處-填充層；可在1020℃與1060℃之間的一溫度下生長GaN凹處-填充層。在某些實施例中，該等InGaN層及該等凹處-填充層二者皆係諸如具有Si之摻雜n型。
在該最後凹處-填充層22c上方生長一n型區域24。n型區域24可包含多個不同組合物及摻雜劑濃度之層，舉例而言，該等層包含：預備層，其可係n型或非有意摻雜；釋放層，其經設計以促進隨後該生長基板之釋放或在基板被移除之後該半導體結構之減薄；及n-或甚至p-型裝置層，其被設計用於該發光區域之理想的特定光學或電性質從而 有效地發光。舉例而言，n型區域24可係一單一n型InGaN層。
在該作用區域26之n側之該半導體結構25包含該等InGaN層(在圖2所示之裝置中的20a、20b、及20c)、該等凹處-填充層(在圖2所示之裝置中的22a、22b、及22c)、及n型區域24。舉例而言，n-結構25之該總厚度在某些實施例中可係至少500奈米、在某些實施例中可係在1000奈米與5000奈米之間、在某些實施例中可係在1500奈米與2500奈米之間、及在某些實施例中係2000奈米。該總厚度依據電流必須在該n-結構中橫向散佈多遠：電流散佈距離越大，需要的n-結構越厚。
在n型區域24上方生長一發光或作用區域26。合適的發光區域之實例包含一單一厚的或薄的發光層，或一多量子井發光區域(其包括多個藉由障壁層而被分隔開的薄的或厚的量子井發光層)。舉例而言，一多量子井發光區域可包含多個光發光層，各者具有25Å或更小的一厚度(其藉由障壁而被分隔)，各者具有100Å或更小的一厚度。在某些實施例中，在該裝置中各個發光層之厚度係厚於50Å。
在發光區域26上方生長一p型區域28。與該n型區域相似，該p型區域可能包含多個不同組合物、厚度、及摻雜劑濃度的層，此等層包含未被故意摻雜之層，或n型層。該p型區域28亦可包含替代InGaN層及凹處-填充層之一凹處-填充結構。在p型區域28中的一凹處-填充結構可係諸如具有Mg的摻雜p型。
圖3繪示一LED 42，其被連接至一座架40。在於p型區域28(圖2)上形成一p-接觸件48之前或之後，一n型區域之部分藉由蝕刻掉該p型區域及該發光區域之部分而被曝露。包含在圖2中所繪示之晶格常數設定層20a、p型區域28、及其之間的所有層之該半導體結構在圖3中由結構44代表。n-接觸件46在該n型區域之曝露部分上形成。
LED 42藉由n-及p-互連件56及58而被結合至座架40。互連件56與58可係任一合適的材料(諸如焊料或其他金屬)，及可包含多個材料 層。在某些實施例中，互連件包含至少一個金層及在LED 42與座架40之間的該結合藉由超音波結合而被形成。
在超音波結合之期間，該LED晶粒42被定位在一座架40上。一結合頭部被定位在該LED晶粒之該頂面上，在一III族氮化物裝置在藍寶石上生長的情況下，通常係在一藍寶石生長基板之該頂面上。該結合頭部被連接至一超音波換能器。舉例而言，該超音波換能器可係一鋯鈦酸鉛(PZT)層堆疊。當一電壓以一可導致該系統調和地共振之一頻率(其通常係大約幾十或幾百kHz之一頻率)被施加於該換能器時，該換能器開始振動，其繼而導致該結合頭部及該LED晶粒振動，振幅通常係大約幾微米。該振動導致在該LED 42上的一結構之該金屬晶格中的原子連同在座架40上的一結構互相擴散，其導致一冶金連續連接。熱量及/或壓力可在結合之期間被添加。
在LED晶粒42與座架40結合之後，該結構30之全部或部分(該等半導體層在其上生長)可藉由適合於一特定移除結構之任一技術而被移除。舉例而言，圖1所示之一複合基板之該主基板12可藉由蝕刻圖1之結合層14、或藉由任一其他合適的的技術而被移除。圖1所示之該種晶層16可保留在該裝置中或諸如藉由蝕刻而被移除。一藍寶石基板(一應變-減小樣板在其上生長)可諸如藉由雷射剝離而被移除。該應變-減小樣板可保留在該裝置中或被移除。在移除結構30之全部或部分之後，該保留的半導體結構可藉由諸如光電化學蝕刻而被減薄，及/或該表面可諸如連同一光子晶體結構而被粗糙化或圖案化。在本技術中已知的一透鏡、波長轉換材料、或其他結構可在基板移除之後被設置在LED 42上方。
已經對本發明作了詳細描述，熟習此項技術者應瞭解，就本揭示而言，可在不偏離在本文中所描述的本發明構思之精神的前提下對本發明做出修改。因此，其並非意欲為本發明之範圍限於被繪示及描述 之該等特定的實施例。
20a‧‧‧InGaN層
20b‧‧‧InGaN層
20c‧‧‧InGaN層
22a‧‧‧凹處-填充層
22b‧‧‧凹處-填充層
22c‧‧‧凹處-填充層
24‧‧‧n型區域
25‧‧‧半導體結構
26‧‧‧作用區域
28‧‧‧p型區域
30‧‧‧結構

Claims (1)

  1. 一種發光裝置，其包括：一半導體結構，其包括：一III族氮化物發光層，其被設置在一n型區域與一p型區域之間，其中該n型區域包括一InGaN接觸層；及複數個層對(layer pairs)，其等被設置在該n型區域及該p型區域之一者內，各個層對包括：一InGaN層；及一凹處-填充層(pit-fillig layer)與該InGaN層直接接觸，其中該凹處填充層係GaN、AlGaN、AlInGaN、及AlInN中之一者；及一金屬接觸件，其被設置在該InGaN接觸層的一部分上。
TW104136058A 2009-06-30 2010-05-25 用於製造發光裝置的方法 TWI649897B (zh)

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US12/495,258 US8183577B2 (en) 2009-06-30 2009-06-30 Controlling pit formation in a III-nitride device

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