具有用於補償基底熱膨脹的層的半導體發光器件的製作方法

2023-12-11 14:09:37 3

專利名稱：具有用於補償基底熱膨脹的層的半導體發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在包括彎曲控制層的基底上生長的半導體發光器件。
背景技術：
半導體發光器件包括發光二極體(LED)、共振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)以及邊發射雷射器是目前可用的最有效的光源。目前在製造能夠跨越可見光譜運行的高亮度發光器件中所關心的材料系統包括III-V族半導體，特別是也被稱為111族氮化物材料的鎵、鋁、銦、和氮的二元合金、三元合金和四元合金。通常，通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或其它外延技術在寶石藍、碳化矽、III族氮化物、或其它適當的基底上外延地生長不同組分和摻雜濃度的半導體層的堆疊來製造III族 氮化物發光器件。該堆疊常常包括一個或多個形成在基底上的摻雜有例如矽的n型層；一個或多個在形成在一個或多個n型層上的有源區內的發光層；以及一個或多個形成在有源區上的摻雜有例如Mg的p型層。電接觸形成在n型區和p型區上。US 7,612, 361指出「大體上，在異質基底諸如寶石藍基底上…或在SiC基底上通過諸如金屬有機化學汽相澱積(MOCVD)或氫化物汽相外延(HVPE)的汽相生長方法，或分子束外延方法(MBE)生長氮化物單晶。然而，由於昂貴和限於2英寸或3英寸的尺寸，不利地，單晶寶石藍基底或SiC基底不適合於大規模生產。因此，在本領域中，需要採用在半導體工業中常用的Si基底。但是，由於Si基底和GaN單晶之間的晶格常數和熱膨脹係數上的差異，GaN層遭受太多缺陷和裂紋以至於無法商業化」。「根據用以克服該問題的常規方法，可以在矽基底上形成緩衝層。」緩衝層的一個例子是「A1N緩衝層...形成在Si基底的(111)晶面上...，AlxGa1J中間層...生長到300nm的總厚度，其Al組分率(x)的變化範圍大約0. 87至0. 07，並且GaN單晶...在AlxGa1J中間層上生長...至2 ii m的厚度」。

發明內容
本發明的目的在於，提供在其上形成有彎曲控制層的基底上生長的III族氮化物發光器件。在本發明的實施例中，半導體結構在生長基底的頂表面上生長。該半導體結構包括布置在n型區和p型區之間的III族氮化物發光層。彎曲控制層布置成直接接觸生長基底。生長基底的熱膨脹係數小於GaN的熱膨脹係數，並且彎曲控制層的熱膨脹係數大於GaN的熱膨脹係數。


圖I示出在基底的底表面上帶有彎曲控制層的基底上生長的發光器件。圖2示出圖I的已形成到薄膜倒裝晶片器件中的結構。圖3示出作為III族氮化物結構在寶石藍上生長、在沒有彎曲控制層的Si上生長、以及在帶有彎曲控制層的Si上生長的生長時間的函數的晶片彎曲度。圖4示出在基底的頂表面上帶有彎曲控制層的基底上生長的發光器件。圖5示出在基底的頂表面和底表面上帶有彎曲控制層的基底上生長的發光器件。
具體實施例方式下表中示出了 GaN、Si和藍寶石的模量、熱膨脹係數、相對於GaN的熱膨脹百分比以及在300K的熱導率
I模量(MPa) I熱膨脹(10_6/K)I熱膨脹(%)I熱導率(W/mK)
GaN ~260 ~ 5. 59"130 Si ~ 120 ~2. 59二50%(拉伸)149
ALA IsOO\7. 50|+35%(壓縮)丨30根據熱膨脹係數，在Si上生長的GaN在冷卻時會導致拉伸彎曲，意味著GaN薄膜會被拉開，而在藍寶石上生長的GaN會導致壓縮彎曲，意味著GaN薄膜會被壓縮在一起。Si具有最低的模量(和熔點)，表明其相對強度與GaN和藍寶石相比較弱，尤其是在GaN的可超過1000°C的生長溫度時。相應地，形成在Si基底上的GaN或Al2O3薄膜能夠影響系統中的彎曲和開裂性質，這取決於薄膜和基底的相對厚度。在本發明的實施例中，彎曲控制層形成在基底上，以減小因半導體材料和基底之間的熱失配所引起的彎曲。在一些實施例中，半導體材料是III族氮化物材料，並且生長基底是Si，然而可使用其它半導體材料和其它基底。彎曲控制層可形成在基底的前側上(即，III族氮化物材料在其上生長的表面上)、基底的後側上或基底的兩側上。圖I示出本發明的一實施例。彎曲控制層10形成在生長基底12的後側上。在一些實施例中，彎曲控制層10是能夠經受形成器件所需的加工條件的材料，具有比生長基底12大的熱膨脹係數。在一些實施例中，彎曲控制層10是還具有比生長基底12大的模量的材料。彎曲控制層10的厚度可以根據如下方面確定生長基底12的厚度、在生長基底12上生長的半導體材料的厚度、彎曲控制層材料的模量、以及生長基底12的熱膨脹係數和彎曲控制層10的熱膨脹係數之間的差異大小。例如，通常，為了實現對因熱失配所引起的彎曲的給定影響水平，當生長基底的厚度較小時，可以使用較薄的彎曲控制層，當長成的半導體材料的厚度較小時，可以使用較薄的彎曲控制層，當彎曲控制層的模量較小時，可以使用較厚的彎曲控制層，並且當生長基底12的熱膨脹係數和彎曲控制層10的熱膨脹係數之間的差減小時，可以使用較厚的彎曲控制層。在一些實施例中，生長基底12是矽，其是熱膨脹係數小於GaN的熱膨脹係數的材料，並且彎曲控制層10是Al2O3，其是熱膨脹係數大於GaN的熱膨脹係數的材料。彎曲控制層10可以是例如濺射沉積或電子束蒸發在基底12上的多晶a -Al2O30形成在Si基底的後側上的多晶Al2O3彎曲控制層10的厚度在一些實施例中可以在50nm和5微米之間、在一些實施例中在50nm和I微米之間、在一些實施例中在50nm和500nm之間、在一些實施例中在IOOnm和300nm之間、以及在一些實施例中為200nm。在一些實施例中，Si基底的厚度可以在200微米和5mm之間，在一些實施例中在300微米和2mm之間，在一些實施例中在400微米和Imm之間。在一些實施例中，較大直徑基底比較小直徑基底厚。適當直徑的例子包括3英寸、6英寸和其它可商購的Si基底。
基底12和彎曲控制層10被放置在生長反應器中，並且III族氮化物生長開始。一個或多個預備層在基底12的頂表面上生長，在圖I的器件中該表面與彎曲控制層10相對。圖I中所示的結構中示出了兩個預備層14和16。AlN成核層14生長成與基底12直接接觸。AlN常常代替GaN被用作Si基底上的成核層，因為鎵不期望地與Si基底的表面反應。在成核層生長溫度下不分解或不與Si反應，並且III族氮化物材料將在其上成核的其它成核層，可與諸如ScN的Si基底一起使用。其它成核層可與其它基底材料一起使用。在一些實施例中，成核層的厚度可以在50nm和500nm之間，在一些實施例中可以為約lOOnm。漸變緩衝區16在成核層14上生長。漸變區16可從與成核層14相接觸的區中的AlN到與器件層18相接觸的區中的AlGaN漸變。在一些實施例中，漸變區16可從AlN到具有90%A1N的AlGaN漸變，在一些實施例中到具有10%A1N的AlGaN，以及在一些實施例中到GaN。在一些實施例中，漸變區16的厚度可以在IOOnm和2000nm之間。在一些實施例中，省去漸變區16，並且器件層直接在成核層14上生長。包括漸變區可以允許較高的質量和/ 或較厚的待生長的器件層。
在一些實施例中，彎曲控制層形成在基底12和半導體材料之間，如圖4中所示，或彎曲控制層10形成在基底12的前側和後側上，如圖5中所示。布置在基底12和一個或多個預備層之間的彎曲控制層可以形成使得III族氮化物材料將在彎曲控制層上成核。器件層18，包括n型區、發光或有源區、和p型區，在預備層14和16上生長。n型區通常首先生長並且可包括不同組分和摻雜物濃度的多個層，所述多個層包括例如附加預備層，諸如可以是n型或非有意摻雜的緩衝層或成核層；釋放層，被設計用以有利於基底稍後的釋放或在移開基底之後減薄半導體結構；以及n型乃至p型器件層，被設計用於光發區所期望的特定光學或電氣性能以有效地發出光。發光或有源區在n型區上生長。適當的發光區的例子包括單獨的厚或薄的發光層，或多量子阱發光區，該多量子阱發光區包括由阻擋層隔開的多個薄或厚的量子阱發光層。P型區在發光區上生長。像n型區一樣，p型區可包括多個不同組分、厚度以及摻雜濃度的層，包括非有意摻雜層或n型層。圖2示出圖I的結構加工成薄膜倒裝晶片器件，其中在該結構的頂側上形成接觸，將結構倒置並且附接到底座上，然後移除生長基底。圖I、圖4和圖5中所示出的結構可被加工成任何合適的器件。可使用的器件結構的其它例子包括垂直器件，其中n接觸和p接觸形成在器件的相對側上；倒裝晶片器件，其中生長基底仍然是器件的一部分；以及通過透明接觸提取光的器件。在一些實施例中，基底12是Si，整個基底12或其一部分是導電的，在器件層18長成之後從基底12移除彎曲控制層10，並且在基底12的後側上形成n接觸。為了形成圖2中所示的器件，在p型區的頂表面上形成p接觸60。P接觸60可以包括諸如銀的反射層。P接觸60可包括其它可選的層，諸如歐姆接觸層和包含例如鈦和/或鎢的護板。移除P接觸60、p型區、以及有源區的一部分以使n型區的其上形成有n接觸62的一部分暴露。互聯件(未在圖2中示出)形成在p接觸和n接觸上，然後器件通過互聯件連接到底座22。互聯件可以是任何適當的材料，諸如焊料或其它金屬，並且可包括多層材料。在一些實施例中，互聯件包括至少一個金層以及在LED段之間的結合件，並且底座通過超聲結合形成。將LED管芯定位在底座上用於超聲結合。將結合件頭部定位在LED管芯的頂表面上，例如定位在生長基底的頂表面上。將結合件頭部連接到超聲換能器。超聲換能器例如可以是一堆鋯鈦酸鉛(PZT)層。當以使系統諧振的頻率(通常大約幾十或幾百kHz的頻率)對換能感器施加電壓時，換能器開始振動，進而使得結合件頭部和LED管芯通常以大約幾微米的幅度振動。振動使得LED上的諸如n接觸和p接觸或形成在n接觸和p接觸上的互聯件的結構的金屬晶格中的原子與底座上的結構相互擴散，產生冶金連續的連接。在結合期間可以增加熱量和/或壓力。在將半導體結構結合到底座22之後，可以移除整個生長基底或其一部分。例如，多晶Al2O3彎曲控制層可通過雷射剝離或通過諸如研磨、拋光或化學機械拋光的機械技術移除，然後可通過蝕刻或諸如研磨的機械技術移除Si基底。在移除生長基底之後，可以減薄半導體結構，例如通過光電化學(PEC)蝕刻。n型區的暴露表面可例如通過粗糙化或通過形成光子晶體而被紋理化。在垂直器件中，n接觸可形成在通過移開生長基底而暴露的n型區的表面上。在一些實施例中，生長基底和彎曲控制層仍舊是成品器件的一部分。
一種或多種波長轉換材料56可以布置在半導體結構上。一種或多種波長轉換材料可以是例如布置在諸如矽樹脂或環氧樹脂的透明材料中並且通過絲網印刷或模板印刷沉積在LED上的一種或多種粉末磷光體；通過電泳沉積、噴霧塗布、或沉澱形成的一種或多種粉末磷光體；或者膠合或結合到LED的一種或多種陶瓷磷光體；一種或多種染料；或上述波長轉換層的任意組合。在美國專利7，361，938中更詳細地描述了也被稱為發光陶瓷的陶瓷磷光體，該美國專利以引用方式併入此處。波長轉換材料可以形成使得由發光區發出的光的一部分不被波長轉換材料轉換。在一些實例中，未轉換光是藍光，並且轉換光是黃光、綠光和/或紅光，使得從器件發出的未轉換光和轉換光的組合體呈現白色。在一些實施例中，一個或多個透鏡、偏光器、二向色性過濾器或本領域中已知的其它光學器件形成在波長轉換層56上或在波長轉換層56和器件層18之間。在如圖I中所示的具有Si基底12、200nm厚的多晶Al2O3彎曲控制層10、0. 5微米厚的AlN成核層14和AlGaN漸變區16的預備層結構、以及具有取代器件層18的I. 5微米厚的GaN層的結構中，與沒有彎曲控制層10而在Si基底生長上的結構相比，在從GaN生長溫度冷卻時本發明人觀察到拉伸彎曲的減小。由於多晶Al2O3彎曲控制層10的導熱性，在晶片的最初加熱中也觀察到一些彎曲減小。圖3示出三個晶片的彎曲度作為生長時間的函數。0.5微米厚的AlN成核層14和AlGaN漸變區16的預備層結構和I. 5微米厚的GaN層在三個基底上生長，一個藍寶石基底和兩個相同厚度的Si基底，Si基底中的一個帶有如圖I中所示的多晶Al2O3彎曲控制層並且另一個Si基底沒有所述彎曲控制層。對於圖3上的生長運行時間以任意單位示出，最初加熱從0至I. 5發生，III族氮化物生長從I. 5到6發生，並且冷卻從6秒到8秒發生。在沒有彎曲控制層的Si基底上的生長由於跨越晶片的溫度梯度而在最初加熱時表現出如圖3中所示的I個任意單位的拉伸彎曲。在冷卻之後，最終的拉伸彎曲是3個任意單位。對於具有彎曲控制層的Si基底，在加熱期間沒有觀察到彎曲。在GaN層長成並冷卻之後，最終的拉伸彎曲是I. 5個任意單位。與沒有彎曲控制層的Si基底相比，在帶有彎曲控制層的Si基底上觀察到較少的裂紋。為了比較，在藍寶石基底上的生長由於跨越藍寶石的溫度梯度導致在最初加熱時引起3個任意單元的拉伸彎曲，並且在冷卻之後引起3個任意單元的最終壓縮彎曲。
已經詳細地描述了本發明，本領域的技術人員應當意識到，考慮到本公開，在不脫離此處所描述發明構思的精神的情況下，可以對本發明作出修改。因此，本發明的範圍並不旨在限於所示出的和所描述的特定實施例。
權利要求
1.ー種方法，包括 在生長基底的頂表面上生長半導體結構，其中 所述半導體結構包括布置在η型區和P型區之間的III族氮化物發光層； 所述生長基底的熱膨脹係數小於GaN的熱膨脹係數； 彎曲控制層布置成直接接觸所述生長基底；並且 所述彎曲控制層的熱膨脹係數大於GaN的熱膨脹係數。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述生長基底是矽。
3.根據權利要求I所述的方法，其中所述彎曲控制層包括多晶α-Α1203。
4.根據權利要求I所述的方法，其中所述彎曲控制層布置在所述生長基底的底表面上。
5.根據權利要求I所述的方法，其中所述彎曲控制層布置在所述半導體結構和所述生長基底之間。
6.根據權利要求I所述的方法，其中 所述彎曲控制層是布置在所述生長基底的底表面上的第一彎曲控制層；以及 第二彎曲控制層布置在所述半導體結構和所述生長基底之間。
7.根據權利要求I所述的方法，其中所述彎曲控制層的模量大於所述生長基底的模量。
8.根據權利要求I所述的方法，進ー步包括在η型區和P型區上形成η接觸和ρ接觸。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述η接觸和ρ接觸形成在所述半導體結構的同側上。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述η接觸和ρ接觸形成在所述半導體結構的相對的側上。
11.根據權利要求I所述的方法，其中 所述彎曲控制層具有在50nm和5微米之間的厚度；並且所述生長基底具有在200微米和Imm之間的厚度。
12.根據權利要求I所述的方法，進ー步包括在生長所述半導體結構之後除去所述生長基底。
13.根據權利要求I所述的方法，進ー步包括在所述半導體結構上方布置透鏡。
全文摘要
一種半導體結構(14,16,18)，其在生長基底的頂表面上生長。該半導體結構包括布置在n型區和p型區之間的III族氮化物發光層。彎曲控制層(10)布置成直接接觸生長基底(12)。生長基底(12)的熱膨脹係數小於GaN的熱膨脹係數，並且彎曲控制層(10)的熱膨脹係數大於GaN的熱膨脹係數。
文檔編號H01L33/12GK102714256SQ201180006004
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月4日 優先權日2010年1月15日
發明者B-K.韓, L.T.羅馬諾, M.D.克拉文 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司