CN102714256A - 具有用于补偿基底热膨胀的层的半导体发光器件 - Google Patents

Abstract

一种半导体结构(14,16,18)，其在生长基底的顶表面上生长。该半导体结构包括布置在n型区和p型区之间的III族氮化物发光层。弯曲控制层(10)布置成直接接触生长基底(12)。生长基底(12)的热膨胀系数小于GaN的热膨胀系数，并且弯曲控制层(10)的热膨胀系数大于GaN的热膨胀系数。

Description

具有用于补偿基底热膨胀的层的半导体发光器件

技术领域

本发明涉及一种在包括弯曲控制层的基底上生长的半导体发光器件。

背景技术

半导体发光器件包括发光二极管(LED)、共振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)以及边发射激光器是目前可用的最有效的光源。目前在制造能够跨越可见光谱运行的高亮度发光器件中所关心的材料系统包括III-V族半导体，特别是也被称为III族氮化物材料的镓、铝、铟、和氮的二元合金、三元合金和四元合金。通常，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或其它外延技术在宝石蓝、碳化硅、III族氮化物、或其它适当的基底上外延地生长不同组分和掺杂浓度的半导体层的堆叠来制造III族氮化物发光器件。该堆叠常常包括：一个或多个形成在基底上的掺杂有例如硅的n型层；一个或多个在形成在一个或多个n型层上的有源区内的发光层；以及一个或多个形成在有源区上的掺杂有例如Mg的p型层。电接触形成在n型区和p型区上。

US 7,612,361 指出“大体上，在异质基底诸如宝石蓝基底上…或在SiC基底上通过诸如金属有机化学汽相淀积（MOCVD）或氢化物汽相外延（HVPE）的汽相生长方法，或分子束外延方法（MBE）生长氮化物单晶。然而，由于昂贵和限于2英寸或3英寸的尺寸，不利地，单晶宝石蓝基底或SiC基底不适合于大规模生产。因此，在本领域中，需要采用在半导体工业中常用的Si基底。但是，由于Si基底和GaN单晶之间的晶格常数和热膨胀系数上的差异，GaN层遭受太多缺陷和裂纹以至于无法商业化”。

“根据用以克服该问题的常规方法，可以在硅基底上形成缓冲层。”缓冲层的一个例子是“AlN缓冲层...形成在Si基底的(111)晶面上...，Al_xGa_1-xN中间层...生长到300nm的总厚度，其Al组分率（x）的变化范围大约0.87至0.07，并且GaN单晶...在Al_xGa_1-xN中间层上生长...至2μm的厚度”。

发明内容

本发明的目的在于，提供在其上形成有弯曲控制层的基底上生长的III族氮化物发光器件。

在本发明的实施例中，半导体结构在生长基底的顶表面上生长。该半导体结构包括布置在n型区和p型区之间的III族氮化物发光层。弯曲控制层布置成直接接触生长基底 。生长基底的热膨胀系数小于GaN的热膨胀系数，并且弯曲控制层的热膨胀系数大于GaN的热膨胀系数。

附图说明

图1示出在基底的底表面上带有弯曲控制层的基底上生长的发光器件。

图2示出图1的已形成到薄膜倒装芯片器件中的结构。

图3示出作为III族氮化物结构在宝石蓝上生长、在没有弯曲控制层的Si上生长、以及在带有弯曲控制层的Si上生长的生长时间的函数的晶片弯曲度。

图4示出在基底的顶表面上带有弯曲控制层的基底上生长的发光器件。

图5示出在基底的顶表面和底表面上带有弯曲控制层的基底上生长的发光器件。

具体实施方式

下表中示出了GaN、Si和蓝宝石的模量、热膨胀系数、相对于GaN的热膨胀百分比以及在300K的热导率：

	模量(MPa)	热膨胀 (10-6/K)	热膨胀(%)	热导率(W/mK)
					GaN	260	5.59		130
Si	120	2.59	-50% (拉伸)	149
					Al2O3	500	7.50	+35%(压缩)	30

根据热膨胀系数，在Si上生长的GaN在冷却时会导致拉伸弯曲，意味着GaN薄膜会被拉开，而在蓝宝石上生长的GaN会导致压缩弯曲，意味着GaN薄膜会被压缩在一起。Si具有最低的模量（和熔点），表明其相对强度与GaN和蓝宝石相比较弱，尤其是在GaN的可超过1000℃的生长温度时。相应地，形成在Si基底上的GaN或Al₂O₃薄膜能够影响系统中的弯曲和开裂性质，这取决于薄膜和基底的相对厚度。

在本发明的实施例中，弯曲控制层形成在基底上，以减小因半导体材料和基底之间的热失配所引起的弯曲。在一些实施例中，半导体材料是III族氮化物材料，并且生长基底是Si，然而可使用其它半导体材料和其它基底。弯曲控制层可形成在基底的前侧上（即，III族氮化物材料在其上生长的表面上）、基底的后侧上或基底的两侧上。

图1示出本发明的一实施例。弯曲控制层10形成在生长基底12的后侧上。在一些实施例中，弯曲控制层10是能够经受形成器件所需的加工条件的材料，具有比生长基底12大的热膨胀系数。在一些实施例中，弯曲控制层10是还具有比生长基底12大的模量的材料。

弯曲控制层10的厚度可以根据如下方面确定：生长基底12的厚度、在生长基底12上生长的半导体材料的厚度、弯曲控制层材料的模量、以及生长基底12的热膨胀系数和弯曲控制层10的热膨胀系数之间的差异大小。例如，通常，为了实现对因热失配所引起的弯曲的给定影响水平，当生长基底的厚度较小时，可以使用较薄的弯曲控制层，当长成的半导体材料的厚度较小时，可以使用较薄的弯曲控制层，当弯曲控制层的模量较小时，可以使用较厚的弯曲控制层，并且当生长基底12的热膨胀系数和弯曲控制层10的热膨胀系数之间的差减小时，可以使用较厚的弯曲控制层。

在一些实施例中，生长基底12是硅，其是热膨胀系数小于GaN的热膨胀系数的材料，并且弯曲控制层10是Al₂O₃，其是热膨胀系数大于GaN的热膨胀系数的材料。弯曲控制层10可以是例如溅射沉积或电子束蒸发在基底12上的多晶α-Al₂O₃。形成在Si基底的后侧上的多晶Al₂O₃弯曲控制层10的厚度在一些实施例中可以在50nm和5微米之间、在一些实施例中在50nm和1微米之间、在一些实施例中在50nm和500nm之间、在一些实施例中在100nm和300nm之间、以及在一些实施例中为200nm。在一些实施例中，Si基底的厚度可以在200微米和5mm之间，在一些实施例中在300微米和2mm之间，在一些实施例中在400微米和1mm之间。在一些实施例中，较大直径基底比较小直径基底厚。适当直径的例子包括3英寸、6英寸和其它可商购的Si基底。

基底12和弯曲控制层10被放置在生长反应器中，并且III族氮化物生长开始。一个或多个预备层在基底12的顶表面上生长，在图1的器件中该表面与弯曲控制层10相对。图1中所示的结构中示出了两个预备层14和16。

AlN成核层14生长成与基底12直接接触。AlN常常代替GaN被用作Si基底上的成核层，因为镓不期望地与Si基底的表面反应。在成核层生长温度下不分解或不与Si反应，并且III族氮化物材料将在其上成核的其它成核层，可与诸如ScN的Si基底一起使用。其它成核层可与其它基底材料一起使用。在一些实施例中，成核层的厚度可以在50nm和500nm之间，在一些实施例中可以为约100nm。

渐变缓冲区16在成核层14上生长。渐变区16可从与成核层14相接触的区中的AlN到与器件层18相接触的区中的AlGaN渐变。在一些实施例中，渐变区16可从AlN到具有90%AlN的AlGaN渐变，在一些实施例中到具有10%AlN的AlGaN，以及在一些实施例中到GaN。在一些实施例中，渐变区16的厚度可以在100nm和2000nm之间。在一些实施例中，省去渐变区16，并且器件层直接在成核层14上生长。包括渐变区可以允许较高的质量和/或较厚的待生长的器件层。

在一些实施例中，弯曲控制层形成在基底12和半导体材料之间，如图4中所示，或弯曲控制层10 形成在基底12的前侧和后侧上，如图5中所示。布置在基底12和一个或多个预备层之间的弯曲控制层可以形成使得III族氮化物材料将在弯曲控制层上成核。

器件层18，包括n型区、发光或有源区、和p型区，在预备层14和16上生长。n型区通常首先生长并且可包括不同组分和掺杂物浓度的多个层，所述多个层包括例如：附加预备层，诸如可以是n型或非有意掺杂的缓冲层或成核层；释放层，被设计用以有利于基底稍后的释放或在移开基底之后减薄半导体结构；以及n型乃至p型器件层，被设计用于光发区所期望的特定光学或电气性能以有效地发出光。发光或有源区在n型区上生长。适当的发光区的例子包括单独的厚或薄的发光层，或多量子阱发光区，该多量子阱发光区包括由阻挡层隔开的多个薄或厚的量子阱发光层。p型区在发光区上生长。像n型区一样，p型区可包括多个不同组分、厚度以及掺杂浓度的层，包括非有意掺杂层或n型层。

图2示出图1的结构加工成薄膜倒装芯片器件，其中在该结构的顶侧上形成接触，将结构倒置并且附接到底座上，然后移除生长基底。图1、图4和图5中所示出的结构可被加工成任何合适的器件。可使用的器件结构的其它例子包括：垂直器件，其中n接触和p接触形成在器件的相对侧上；倒装芯片器件，其中生长基底仍然是器件的一部分；以及通过透明接触提取光的器件。在一些实施例中，基底12是Si，整个基底12或其一部分是导电的，在器件层18长成之后从基底12移除弯曲控制层10，并且在基底12的后侧上形成n接触。

为了形成图2中所示的器件，在p型区的顶表面上形成p接触60。P接触60可以包括诸如银的反射层。P接触60可包括其它可选的层，诸如欧姆接触层和包含例如钛和/或钨的护板。移除p接触60、p型区、以及有源区的一部分以使n型区的其上形成有n接触62的一部分暴露。

互联件（未在图2中示出）形成在p接触和n接触上，然后器件通过互联件连接到底座22。互联件可以是任何适当的材料，诸如焊料或其它金属，并且可包括多层材料。在一些实施例中，互联件包括至少一个金层以及在LED段之间的结合件，并且底座通过超声结合形成。将LED管芯定位在底座上用于超声结合。将结合件头部定位在LED管芯的顶表面上，例如定位在生长基底的顶表面上。将结合件头部连接到超声换能器。超声换能器例如可以是一堆锆钛酸铅(PZT)层。当以使系统谐振的频率（通常大约几十或几百kHz的频率）对换能感器施加电压时，换能器开始振动，进而使得结合件头部和LED管芯通常以大约几微米的幅度振动。振动使得LED上的诸如n接触和p接触或形成在n接触和p接触上的互联件的结构的金属晶格中的原子与底座上的结构相互扩散，产生冶金连续的连接。在结合期间可以增加热量和/或压力。

在将半导体结构结合到底座22之后，可以移除整个生长基底或其一部分。例如，多晶Al₂O₃弯曲控制层可通过激光剥离或通过诸如研磨、抛光或化学机械抛光的机械技术移除，然后可通过蚀刻或诸如研磨的机械技术移除Si基底。在移除生长基底之后，可以减薄半导体结构，例如通过光电化学（PEC）蚀刻。n型区的暴露表面可例如通过粗糙化或通过形成光子晶体而被纹理化。在垂直器件中，n接触可形成在通过移开生长基底而暴露的n型区的表面上。在一些实施例中，生长基底和弯曲控制层仍旧是成品器件的一部分。

一种或多种波长转换材料56可以布置在半导体结构上。一种或多种波长转换材料可以是例如：布置在诸如硅树脂或环氧树脂的透明材料中并且通过丝网印刷或模板印刷沉积在LED上的一种或多种粉末磷光体；通过电泳沉积、喷雾涂布、或沉淀形成的一种或多种粉末磷光体；或者胶合或结合到LED的一种或多种陶瓷磷光体；一种或多种染料；或上述波长转换层的任意组合。在美国专利7,361,938中更详细地描述了也被称为发光陶瓷的陶瓷磷光体，该美国专利以引用方式并入此处。波长转换材料可以形成使得由发光区发出的光的一部分不被波长转换材料转换。在一些实例中，未转换光是蓝光，并且转换光是黄光、绿光和/或红光，使得从器件发出的未转换光和转换光的组合体呈现白色。

在一些实施例中，一个或多个透镜、偏光器、二向色性过滤器或本领域中已知的其它光学器件形成在波长转换层56上或在波长转换层56和器件层18之间。

在如图1中所示的具有Si基底12、200nm厚的多晶Al₂O₃弯曲控制层10、0.5微米厚的AlN成核层14和AlGaN渐变区16的预备层结构、以及具有取代器件层18的1.5微米厚的GaN层的结构中，与没有弯曲控制层10而在Si基底生长上的结构相比，在从GaN生长温度冷却时本发明人观察到拉伸弯曲的减小。由于多晶Al₂O₃弯曲控制层10的导热性，在晶片的最初加热中也观察到一些弯曲减小。

图3示出三个晶片的弯曲度作为生长时间的函数。0.5微米厚的AlN成核层14和AlGaN渐变区16的预备层结构和1.5微米厚的GaN层在三个基底上生长，一个蓝宝石基底和两个相同厚度的Si基底，Si基底中的一个带有如图1中所示的多晶Al₂O₃弯曲控制层并且另一个Si基底没有所述弯曲控制层。对于图3上的生长运行时间以任意单位示出，最初加热从0至1.5发生，III族氮化物生长从1.5到6发生，并且冷却从6秒到8秒发生。在没有弯曲控制层的Si基底上的生长由于跨越晶片的温度梯度而在最初加热时表现出如图3中所示的1个任意单位的拉伸弯曲。在冷却之后，最终的拉伸弯曲是3个任意单位。对于具有弯曲控制层的Si基底，在加热期间没有观察到弯曲。在GaN层长成并冷却之后， 最终的拉伸弯曲是1.5个任意单位。与没有弯曲控制层的Si基底相比，在带有弯曲控制层的Si基底上观察到较少的裂纹。为了比较，在蓝宝石基底上的生长由于跨越蓝宝石的温度梯度导致在最初加热时引起3个任意单元的拉伸弯曲，并且在冷却之后引起3个任意单元的最终压缩弯曲。

已经详细地描述了本发明，本领域的技术人员应当意识到，考虑到本公开，在不脱离此处所描述发明构思的精神的情况下，可以对本发明作出修改。因此，本发明的范围并不旨在限于所示出的和所描述的特定实施例。

Claims (13)

1.一种方法，包括：

在生长基底的顶表面上生长半导体结构，其中：

所述半导体结构包括布置在n型区和p型区之间的III族氮化物发光层；

所述生长基底的热膨胀系数小于GaN的热膨胀系数；

弯曲控制层布置成直接接触所述生长基底；并且

所述弯曲控制层的热膨胀系数大于GaN的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长基底是硅。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲控制层包括多晶α-Al₂O₃。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲控制层布置在所述生长基底的底表面上。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲控制层布置在所述半导体结构和所述生长基底之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述弯曲控制层是布置在所述生长基底的底表面上的第一弯曲控制层；以及

第二弯曲控制层布置在所述半导体结构和所述生长基底之间。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲控制层的模量大于所述生长基底的模量。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在n型区和p型区上形成n接触和p接触。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述n接触和p接触形成在所述半导体结构的同侧上。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述n接触和p接触形成在所述半导体结构的相对的侧上。

11.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述弯曲控制层具有在50nm和5微米之间的厚度；并且所述生长基底具有在200微米和1mm之间的厚度。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在生长所述半导体结构之后除去所述生长基底。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述半导体结构上方布置透镜。

Images