具有应力管理的半导体异质结构的制作方法
【专利说明】具有应力管理的半导体异质结构
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求于2015年4月15日提交的美国临时申请N0.61/979，717的权益，通过引用将其并入于此。
技术领域
[0003]本公开总的来说涉及半导体结构，且更加具体地，涉及半导体结构中半导体层的外延生长期间减小内部应力和/或晶片弯曲。
【背景技术】
[0004]族III氮化物半导体广泛地用于制造高效蓝色和紫外发光器件(例如，二极管，激光器等)、紫外检测器和场效应晶体管。由于宽频带间隙，这些材料是用于制造深紫外发光二极管(DUV LED)的优先选择。近年来，在改进DUV LED的效率上做出显著的提高。但是，这些器件的总体效率仍然很低。对于DUV LED的制造，实现作为下层的高质量氮化铝(AlN)缓冲层可能对于任何富Al族III氮化物半导体层的后续生长是重要的。但是，在由蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅形成的衬底(其当前是用于族III氮化物器件的生长的主要衬底)上的具有高晶体质量的AlN层的生长是极度困难的。
[0005]对于发光器件，比如发光二极管(LED)和特别是深紫外LED (DUV LED)，最小化半导体层中错位密度和裂缝的数目增大器件的效率。另外，可能导致器件的增强的可靠性。为此，已经寻求若干方法在图案化的衬底上生长低缺陷半导体层。这些方法典型地依赖于减小存在于外延生长的半导体层中的应力。
[0006]例如，减小外延生长的层中的应力累积的一个方法依赖于使用微通道外延(MCE)图案化下层衬底。使用MCE，窄通道用作包含来自衬底的低缺陷信息的成核中心。掩模中的开口用作微通道，其将晶体信息传送到过生长的层，同时掩模防止错位传递到过生长的层。结果，过生长的层可能变得无错位。MCE的三维结构也提供应力释放的另一优点。因为过生长的层容易变型，所以可以有效地释放剩余应力。在另一方法中，在错位密度较大集中的位置应用掩模以屏蔽它们的进一步传播。
[0007]其他方法依赖于基于半导体超晶格外延生长族111氮化物。超晶格结构减轻氮化铝(AlN)/蓝宝石模板和后续厚AlxGal-xN(其中O < x < I)层之间的应变差。对于比如DUV LED的器件，需要厚AlGaN外延层(例如，几微米的量级)来减小当前拥挤。使用超晶格方法，生长AlN/AlGaN超晶格以减小二轴伸张应变和在蓝宝石上无任何裂缝地实现3.0 μ m厚的Ala2GaQ.sN。这种超晶格可用于最小化由于超晶格元件的子层中的变化应力而导致的错位密度。
[0008]虽然超晶格方法允许外延生长的氮化物半导体层中的伸张和压缩应力的某些控制，但是该方法不允许具有均匀组分的基于氮化物的半导体层的外延生长。基于从氮化镓(GaN)生长获得的先前经验，横向外延过生长(LEO)已经被证明是用于GaN膜中显著减少错位的有效方式。还开发了从LEO发展来的几个其他技术，比如悬挂-外延、悬臂外延和小面受控LEO。虽然以上方法对于GaN半导体层的外延生长很好地工作，但是氮化铝(AlN)层的外延生长由于AlN膜的相对小的横向生长而面对挑战。
[0009]另一优先方法包括在图案化的衬底，例如，图案化的蓝宝石衬底(PSS)之上的AlN膜的生长。虽然基于PSS的方法通常产生具有减小的应力和低错位密度的AlN层，图案化处理和后续AlN膜的生长在技术上是复杂和昂贵的。
【发明内容】
[0010]本发明的方面提供了用于制造光电子器件的异质结构。异质结构包括比如N型接触或者包覆层的层，其包含插入在其中的薄子层。薄子层可以在整个层中隔开和通过介入由层的材料制造的子层而分开。薄子层可以具有与介入的子层不同的组成，其改变在异质结构的生长期间出现的应力。层可以配置为控制在异质结构的生长期间出现的应力。就此而言，薄子层可以配置为缩小内部应力、晶片弯曲等。
[0011]本发明的第一方面提供一种异质结构，包括:衬底；和在衬底上外延生长的族III氮化物层，其中，族III氮化物层包括:第一族III氮化物材料和具有第一厚度的多个子层；和第二族III氮化物材料和具有第二厚度的多个薄子层，其中，多个子层与多个薄子层交替，其中，第一族III氮化物材料包括至少0.05的镓的摩尔分数，其中，第一族III氮化物材料中镓的摩尔分数与第一族III氮化物材料中镓的摩尔分数至少有0.05的不同，且其中，第二厚度最多是第一厚度的百分之五。
[0012]本发明的第二方面提供一种光电子器件，包括:衬底；和由族III氮化物材料形成的N型层，其中，该N型层包括:第一族III氮化物材料和具有第一厚度的多个子层；和第二族III氮化物材料和具有第二厚度的多个薄子层，其中，多个子层与多个薄子层交替，其中，第一族III氮化物材料包括至少0.05的镓的摩尔分数，其中，第一族III氮化物材料中的镓的摩尔分数与第一族III氮化物材料中的镓的摩尔分数有至少0.05的不同，且其中，第二厚度最多是第一厚度的百分之五。
[0013]本发明的第三方面提供一种制造器件的方法，该方法包括:在衬底上外延生长族III氮化物层，其中，族III氮化物层包括:第一族III氮化物材料和具有第一厚度的多个子层；和第二族III氮化物材料和具有第二厚度的多个薄子层，其中，多个子层与多个薄子层交替，其中，第一族III氮化物材料包括至少0.05的镓的摩尔分数，其中，第一族III氮化物材料中镓的摩尔分数与第一族III氮化物材料中镓的摩尔分数至少有0.05的不同，且其中，第二厚度最多是第一厚度的百分之五。
[0014]本发明的说明性方面设计用于解决在这里描述的一个或多个问题和/或没有讨论的一个或多个其他问题。
【附图说明】
[0015]从结合描绘本发明的各个方面的附图进行的本发明的各个方面的以下详细说明可以更容易地理解本公开的这些及其他特征。
[0016]图1示出了根据实施例的说明性的光电子器件的示意结构。
[0017]图2A和2B分别示出了根据现有技术和实施例的用于制造光电子器件的说明性的异质结构。
[0018]图3示出了根据实施例的作为薄AlN子层厚度的函数的AlGaN层的平均片电阻。
[0019]图4示出了根据实施例的作为薄AlN子层厚度的函数的衬底晶片的弯曲的量。
[0020]图5示出了在根据实施例的异质结构中AlN子层厚度关于几个半导体层的晶格常数的效果。
[0021]图6A和图6B分别示出了根据现有技术和实施例在室温下的弯曲的晶片的说明性的应力图。
[0022]图7A和7B分别示出了根据现有技术和实施例的从不具有和具有在这里描述的薄子层的生长导致的表面形态。
[0023]图8示出了根据实施例的作为AlN层的V/III比率的函数的晶格常数a和c的说明性的图表。
[0024]图9示出了根据实施例的作为在蓝宝石衬底上外延生长的AlN层的V/III比率的函数的应力和应变的图表。
[0025]图1OA和1B示出了根据实施例的说明性的N型层。
[0026]图11示出了根据实施例的用于制造电路的说明性的流程图。
[0027]应当注意附图可能不是成比例的。附图意在仅示出本发明的典型方面，且因此不应该被认为限制本发明的范围。在图中，相同的编号表示各附图之间相同的要素。
【具体实施方式】
[0028]如上所述，本发明的方面提供了用于制造光电子器件的异质结构。该异质结构包括比如N型接触或者包覆层的层，其包含插入在其中的薄子层。薄子层可以在整个层中隔开和通过介入由层的材料制造的子层而分开。薄子层可以具有与介入的子层不同的组成，其改变在异质结构的生长期间出现的应力。层可以配置为控制在异质结构的生长期间出现的应力。就此而言，薄子层可以配置为减小内部应力和/或晶片弯曲。如在此使用的，除非另作说明，术语“集合”意味着一个或多个(即，至少一个)，且短语“任何解决方案”意味着任何现在已知的或者之后开发的解决方案。
[0029]本技术可以与如在2014年2月22日提交的美国临时专利申请N0.61/943，365和2015年2月22日提交的美国专利申请N0.14/628，281中描述的缓冲层的生长的技术结合，将上述两个申请通过引用并入于此。
[0030]转到附图，图1示出了根据实施例的说明性的光电子器件10的示意结构。在更特定的实施例中，光电子器件10配置为操作为发射器件，比如发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)。在任意情况下，在光电子器件10的操作期间，可与频带间隙比较的偏压的施加造成从光电子器件10的活动区18的电磁辐射的发射。光电子器件10发射(或者感应)的电磁辐射可能具有任何波长范围内的峰值波长，包括可见光、紫外辐射、深紫外辐射、红外光等。在实施例中，器件10配置为发射(或者感应)具有紫外波长范围内的支配波长的辐射。在更特定的实施例中，支配波长在大约210和大约360纳米之间的波长范围内。在更加特定的实施例中，支配波长是大约280纳米。
[0031]光电子器件10包括异质结构11，其包括:衬底12，与衬底12相邻的缓冲层14，与缓冲层14相邻的N型层16 (例如，包覆层、电子供应层、接触层等)和具有与N型层16相邻的N型侧的活动区18。此外，光电子器件10的异质结构11包括与活动区18的P型侧相邻的第一 P型层20 (例如，电子屏蔽层、包覆层、空穴供应层等)和与第一 P型层20相邻的第二 P型层22 (例如，包覆