氮化铟镓结构和装置的制作方法

氮化铟镓结构和装置
1.本技术要求2019年11月19日提交的美国申请第16/689,064号的优先权。
技术领域
2.本公开涉及具有基本弛豫区的氮化铟镓(ingan)层以及在该ingan层上制造的装置。基本上弛豫的纤锌矿(0001)ingan区具有大于或等于的面内或“a”晶格参数。基本弛豫的ingan区生长在多个iii族氮化物晶种区上，例如gan、ingan、algan或aln晶种区。在生长期间，在晶种区上生长的ingan弛豫并聚结以提供可用作其它半导体材料的生长表面的基本上弛豫的ingan区。ingan层可用于制造作为照明和显示应用系统中的光源使用的光学和电子装置。


背景技术：

3.化合物半导体材料通常以原子晶格匹配方式沉积或生长到生长衬底以避免生成例如位错的生长缺陷。在一些情况下，希望改变化合物半导体材料的晶格参数以提供具有特定特性的材料和/或装置和/或系统。
4.ingan目前是用于基于gan的光电子装置的有源层的选材，所述基于gan的光电子装置包括例如发射蓝光或紫光的发光二极管(led)和发射紫光的激光二极管(ld)，所述发光二极管(led)目前是迄今为止商业化的大多数基于led的照明和显示系统的基础，而所述发射紫光的激光二极管(ld)是蓝光tm行业的基础。如今，使用假晶生长在氮化镓(gallium-nitride，gan)外延层上的ingan有源层来制造这种装置。遗憾的是，ingan的晶体原子晶格参数大于gan的晶体原子晶格参数，导致严重的应变，并且随着在gan上生长的ingan(ingan/gan)的inn摩尔分数增加或厚度增加，材料质量越来越差。这限制了包括例如led和ld的基于ingan/gan的光电子装置的性能。
5.迄今为止，为装置应用生长高质量的、平面的、弛豫的ingan的尝试还没有成功地实现商业化。使用低温分子束外延(mbe)为ingan尝试了在在某些iii-v族材料系统中使用的分级层方法。然而，弛豫机理与高密度失配位错、堆垛层错和线位错的出现有关，导致材料质量差。使用商业上优选的金属有机化学气相沉积(mocvd)用于c平面ingan的类似方法由于缺少用于(极性)c平面生长的滑移系统而受到损害，并且试图利用非极性和半极性生长平面导致材料具有高缺陷密度。氢化物气相外延(hvpe)已经用于生长厚的ingan层，其目的是减少晶体缺陷，但是该方法在可实现的inn摩尔分数方面是有限的，并且仅适用于n极性表面，因此对于低成本制造是不理想的。已经尝试了可被剥离并结合到顺应性载体以促进弛豫的应变ingan层的生长，但是该方法导致有限的晶格膨胀和非平面的沟槽表面。使用被设计为避免传统异质外延的应变极限的纳米柱或纳米棒装置结构导致不适合制造的非平面装置几何形状，并且可能表现出低光学质量。
6.图案化和再生长的使用已经用于生长用于单元素(例如si上的ge)和二元iii-v族(例如si上的gaas)闪锌矿半导体的高质量、晶格失配的异质外延。然而，纤锌矿半导体和/或三元合金(如ingan)的类似方法还没有成功。


技术实现要素：

7.根据本发明，一种iii族氮化物半导体结构包含(a)包含in
x
ga
1-x
n(0≤x＜1)和纤锌矿iii族氮化物晶体结构的晶种区；(b)与所述纤锌矿iii族氮化物结构的所述(0001)平面平行并与所述晶种区相交的第一平面；其中，所述第一平面与所述晶种区的第一边缘的交点定位in
x
ga
1-x
n/inyga
1-y
n异质结，其中0＜y≤1且y＞x；所述in
x
ga
1-x
n/inyga
1-y
n异质结与所述晶种区的第一晶面共面；(c)与所述纤锌矿iii族氮化物晶体结构的所述(0001)平面平行并与所述晶种区的第二边缘相交的任何第二平面定位iii族氮化物异质结，其中所述iii族氮化物异质结与所述晶种区的第二晶面共面；以及(d)覆盖所述晶种区的(0001)ingan区，其中所述(0001)ingan区的特征在于大于的面内a晶格参数，其中所述第一晶面和所述第二晶面中的每一个是结晶学上等效的。
8.根据本发明，半导体装置包含根据本发明的iii-v族半导体结构。
9.根据本发明，照明系统包含根据本发明的半导体装置。
10.根据本发明，显示系统包含根据本发明的半导体装置。
附图说明
11.本领域技术人员将理解，这里描述的附图仅用于说明目的。附图并非旨在限制本公开的范围。
12.图1a至1e示出了用于制造具有本公开提供的弛豫的ingan区的ingan层的工艺流程的实例。
13.图2a至2e示出了用于制造具有本公开提供的弛豫的ingan区的ingan层的工艺流程的实例。
14.图3a至3e示出了用于制造具有本公开提供的弛豫的ingan区的ingan层的工艺流程的实例。
15.图4a至4e示出了用于制造具有本公开提供的弛豫的ingan区的ingan层的工艺流程的实例。
16.图5示出了相对于iii族氮化物纤锌矿材料的(1-100)和(11-20)晶向具有各种形状、尺寸和取向的正蚀刻掩模的实例。
17.图6示出了相对于iii族氮化物纤锌矿材料的(1-100)和(11-20)晶向具有各种形状、尺寸和取向的负蚀刻掩模的实例。
18.图7示出了由与gan(实心圆)的晶格参数相似的晶格参数“a”表征的ingan晶格到由晶格参数“a”(虚线圆)表征的较大弛豫ingan晶格的转变。
19.图8示出了结合本公开提供的iii族氮化物半导体结构的led的实例。
20.图9a至9d示出了结合本公开提供的iii族氮化物半导体结构的led的实例。
21.图10示出了结合本公开提供的iii族氮化物半导体结构的激光二极管(ld)的实例。
22.图11示出了其中可以结合本公开提供的led的照明装置和系统的实例。
23.图12示出了其中可以结合本公开提供的led的显示装置和系统的实例。
24.图13示出了本公开提供的iii族氮化物半导体结构的实例的截面图。
25.图14a至14b分别示出了根据峰值发射波长的(0001)弛豫的ingan区的inn摩尔分
数和a晶格参数的范围。
26.图15a至15f示出了用于制造本公开提供的ingan层的工艺流程的实例。
27.图16a至16f示出了用于制造本公开提供的ingan层的工艺流程的实例。
28.图17a和17b示出了本公开提供的iii族氮化物半导体结构的实例的截面图。
29.图18a至18c示出了在iii族氮化物半导体的(10-11)小面上逐渐生长ingan以填充“v坑”结构的实例。
30.图19示出了ingan在(10-11)gan晶种小面上逐渐生长以提供弛豫的ingan区。
31.图20示出了在(10-11)gan晶种小面上逐渐生长ingan以提供弛豫的ingan区的实例。
具体实施方式
[0032]“基本上均匀的晶格参数”是指半导体层，其特征在于半导体层的局部晶格参数相对于平均晶格参数变化小于1％，例如相对于平均晶格参数变化小于0.5％，或相对于平均晶格参数变化小于0.1％。
[0033]“缺陷密度”是指在平面图中半导体层中的延伸缺陷(例如位错)的密度。缺陷密度可以使用例如蚀刻(和计数蚀刻坑密度，epd)，阴极发光以观察和计数暗点，原子力显微镜(afm)以观察和计数小坑来确定。
[0034]
可以使用x射线衍射(xrd)和倒易空间图(rsm)分析来确定晶格参数。高角度或接近掠入射的xrd技术可用于确定其中晶格参数可作为深度的函数而变化的结构中的上层的晶格参数。
[0035]“iii-v族材料”是指包含来自周期表的至少一种iii族元素和至少一种v族元素的化合物半导体材料。
[0036]“生长平面”是指与材料在平面上的沉积平面平行的平面，例如常规衬底生长表面的平面。
[0037]“基本上垂直于生长平面”是指相对于生长平面形成大约90度的角度的表面，例如相对于生长平面从88度到92度。
[0038]
纤锌矿gan的特征在于具有室温a和c晶格参数分别为和的纤锌矿晶体结构。垂直于c晶格参数方向(“c方向”)的晶体平面是c平面，其具有ga面(0001)和n面(000-1)。包含c方向并垂直于a晶格参数方向(“a方向”)的平面是(11-20)平面或“a平面”。包含c方向并相对于a方向旋转30度的平面是(1-100)平面或“m平面”。
[0039]
纤锌矿in
x
ga
1-x
n具有与纤锌矿gan相同的晶体结构，但包括innr非零摩尔分数x，以形成三元化合物，其中指定分数的iii族原子是in，并且剩余部分是ga。inn具有分别为和的室温a晶格参数和c晶格参数，并且根据摩尔分数，in
x
ga
1-x
n具有在gan和inn的室温a晶格参数和c晶格参数之间的室温a晶格参数和c晶格参数。
[0040]
尽管本说明书集中于在gan晶种表面上生长(0001)ingan，但是该方法可应用于其它纤锌矿材料，例如aln上的ingan，aln上的algan和gan上的algan。此外，本发明适用于非基面纤锌矿结构，例如所谓的非极性和半极性gan和相关材料。最后，本发明还可应用于其它化合物半导体系统，包括闪锌矿材料，例如gaas上的ingaas和gasb上的ingasb，以及ii-vi族化合物半导体系统。
[0041]“弛豫的ingan”是指表现出面内晶格参数等于或几乎等于完全弛豫的ingan材料的面内晶格参数的ingan材料。例如，纤锌矿弛豫ingan具有大于且至多的室温a平面晶格参数。这与应变的ingan材料形成对比，例如ingan假晶生长为gan并因此表现出面内晶格参等于或几乎等于gan的面内晶格参数(即约3.189)，而与inn摩尔分数无关。这种应变的ingan材料被称为ingan/gan。
[0042]“面内晶格参数”是指生长平面内的晶格间距。对于(0001)材料，面内晶格参数是a晶格参数。
[0043]“横向生长”是指在不同于垂直于生长平面的方向上的生长，包括平行于生长平面。
[0044]
现在详细参考材料、半导体结构、光电子装置和方法的某些实施例。所公开的实施例不旨在限制权利要求。相反，权利要求旨在覆盖所有替换、修改和等同物。
[0045]
本发明教导了用于光学和/或电子装置中的大面积、平面、相干、至少部分但基本上均匀弛豫的化合物半导体材料层的形成。大面积是指大于1mm2的面积，例如在范围上大于1cm2。平面是指表现出至少一个基本上平坦的表面并且在大面积内基本上没有显著的厚度变化的半导体层。例如，平面半导体层可以具有小于1nm的rms粗糙度，如使用原子力显微镜测定的。平面半导体层可以具有例如在平均厚度的+/-10％内的厚度。相干是指材料基本上是结晶的，而不是无定形的。弛豫是指材料的面内晶格参数近似为自立式、相干、100％弛豫形式的材料的晶格参数。基本上弛豫是指其中材料的面内晶格参数在自立式、相干、100％弛豫形式的材料的面内晶格参数的30％内的材料。均匀地是指在其上可以构建光学和/或电子装置结构的大面积内基本上不变的面内晶格参数。此外，本发明适用于宽范围的半导体晶体系统，包括纤锌矿晶体结构，并且适用于包括三元和四元合金的高阶合金。最后，本发明适用于通过多种生长方法，特别是金属有机化学气相沉积(mocvd)生长的结构。
[0046]
特别地，本发明教导了大面积、平面、相干、至少部分但基本上均匀弛豫的氮化铟镓(ingan)材料层的形成，其用作光学和/或电子装置的基层。可实现各种组成(即，inn摩尔分数)。相干是指ingan材料基本上是结晶的，而不是无定形的。弛豫是指ingan材料的晶格参数近似为相同组成的自立式、相干、100％弛豫的ingan材料的晶格参数。均匀弛豫是指在包含生长平面的平面中的绝大部分大面积上面内晶格参数基本上不变的层。在本发明中，这种弛豫的ingan材料被称为弛豫的ingan，例如native [0047]
本发明还教导了基于所述弛豫的ingan的光学和/或电气装置和系统的形成，其可包括假晶生长为弛豫的ingan(即ingan/ingan)的其它ingan层，例如native [0048]
根据以下描述和附图，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。特别地，本发明的教导可应用于其它化合物半导体装置材料，例如氮化铝镓、氮化铝镓铟、iii-as、iii-p、iii-sb等。
[0049]
本发明公开了使用沉积在衬底上的半导体晶种材料来记录化合物半导体材料的结晶生长。晶种材料具有多个晶种区，所述多个晶种区具有为平面晶种表面部分的边缘，且这些平面晶种表面部分的每一法线具有不平行于衬底的大面积的法线的结晶学上等效的方向。有限(优选为一个)数量的暴露的平坦晶种表面结晶学上等效的取向确保生长在其上的ingan材料的均匀弛豫和组成控制，避免竞争的生长模式和与不受控的组成控制相关的问题，例如当同时呈现用于ingan生长的可变晶种表面取向时的不均匀的inn结合、粗糙表
面等。晶种表面部分的尺寸在一定程度上受到限制，使得附加的化合物半导体材料可以被接种并且在生长期间容易地弛豫到其弛豫的晶格参数。所得“弛豫的”化合物半导体材料随后向外生长并聚结以形成大面积(即，大于1
×
1mm2，优选大于1
×
1cm2的面积)膜。大面积、弛豫的化合物半导体材料膜提供了用于生长改进的光学和/或电子装置结构的模板。
[0050]
特别地，本发明公开了使用具有晶种表面部分的gan晶种区来记录ingan的结晶生长。与gan晶种表面相关的尺寸和几何形状在一定程度上受到限制，使得ingan材料可以被接种并且在生长期间容易地于弛豫到其弛豫的晶格参数。表征平面晶种表面部分的法线的晶向可以是非极性方向，例如(11-20)或(1-100)或在它们之间旋转的平面，或半极性方向，例如(1-101)。(弛豫的)ingan层随后向外生长并聚结成平面的大面积膜。大面积、弛豫的ingan膜提供了用于生长改进的基于ingan的光学和/或电子装置结构的模板。
[0051]
图1a至1e示出了用于生长弛豫的ingan区的方法的实例。
[0052]
如图1a所示，可以使用任何合适的半导体生长方法在衬底101上生长主要(0001)，即c平面gan(或aln)层102。合适的衬底的实例包括蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝和氮化镓。其它有用的衬底材料包括工程衬底，例如绝缘体上硅(soi)。gan层可以是例如小于3μm厚、小于0.3μm厚或小于0.03μm厚。gan层102可以用缓慢促进iii族氮化物材料成核的材料的掩模层103覆盖。合适的掩模材料包括例如诸如氮化硅、氧化硅和氧化铝的电介质。掩模层103和下面的gan层102可以使用光刻(例如使用纳米光刻和湿和/或干蚀刻技术)来图案化和蚀刻，以提供如图1b所示的期望图案。已去除掩模和gan材料的蚀刻区104暴露了gan晶种表面102a。晶种表面可以基本上垂直于gan(0001)c平面。如图1c所示，gan晶种表面102a可用于至少横向生长ingan 105，从而形成与衬底101不共面的ingan/gan异质结。每个暴露的gan晶种表面可以具有相等的结晶取向。例如，gan晶种表面可以主要是(1-100)，即m平面，或主要是(11-20)，即a平面，或在m平面与a平面之间旋转的任何平面。此外，晶种表面102a可以相对于主gan晶体平面有意地错向，例如，以促进有利的和均匀的生长特性。图1e示出了穿过弛豫的ingan区并与表面107共面的平面108a，以及平分晶种区102和晶种区102之间的ingan区的平面108b。晶种区的中心用108c表示，并且晶种区102之间的ingan区的中心用108d表示。
[0053]
gan晶种表面的取向可以通过图案化和gan层的生长取向来确定。晶种表面的取向还取决于蚀刻的gan层表面的角度。例如，对于(0001)gan层和近垂直蚀刻，gan晶种表面的取向可以从大约(1-100)到(11-20)变化，以及在它们之间旋转的任何取向。可以选择该取向以优化ingan生长条件和ingan材料质量。
[0054]
对于在某些gan晶种表面上的ingan生长，特别是那些基本上垂直于衬底主表面的生长，为了促进聚结，可能需要通过优化生长条件和/或选择促进快速生长速率的gan晶种表面取向来增强横向-纵向生长。
[0055]
gan晶种表面的小尺寸促进了沉积在其上的ingan材料的ingan，并提供平面的结晶取向以促进相干的ingan生长。在生长期间，ingan相干地生长并向其弛豫的晶格参数弛豫，并最终与相邻的ingan生长前沿聚结。参考图1c，从gan晶种表面生长ingan105，并且在图1d中生长ingan 106以填充蚀刻腔并覆盖掩模层103。连续的ingan生长导致在相邻腔中的gan晶种表面上生长的ingan聚结。然后在掩模层上方生长弛豫的ingan，以在上ingan生长表面107处形成连续的、平面的、弛豫的ingan区或ingan模板。
[0056]
在本发明的ingan生长方法中，弛豫主要横向地发生，即，通过扭曲，而不是通过在直接在gan(0001)表面上尝试ingan弛豫时发生的倾斜。后一种方法引入垂直的ingan应变梯度，其在ingan随后的生长和聚结期间变得有问题。相反，本发明提供了减小的倾斜，这允许最终的聚结膜基本上没有应变和/或组成不均匀性，因此提供了用于半导体生长的高质量平面弛豫的ingan大面积表面。此外，因为弛豫在gan晶种表面均匀地发生，所以极大地避免了当应变层首先假晶生长(然后蚀刻和弛豫)时可能产生的垂直应变梯度。
[0057]
在本公开提供的ingan生长方法中，ingan生长主要发生在gan晶种材料的表面，并且应当最小化或完全避免ingan在其它暴露表面上的生长。由于这个原因，蚀刻穿过gan晶种材料并进入下面的衬底，以将衬底生长表面移离ingan成核区可能是有益的。此外，可选择ingan层的生长条件以促进在一个或多个gan晶种表面处的生长，这与ingan成核和在衬底上的生长相反，ingan成核和生长将呈现竞争性生长模式。该方法在图2a至2e中示出，其中蚀刻gan层和蚀刻衬底的一部分。通过蚀刻衬底，在竞争性生长(在衬底表面处)和在gan晶种材料的一个或多个表面处的期望生长之间的距离增加，目的是使生长在衬底上的ingan不具竞争性。此外，蚀刻衬底可用于阻止ingan的成核和生长，这进一步降低了干扰竞争性生长模式的可能性。
[0058]
图2a示出了衬底201、上覆gan层202和上覆掩模层203。在图2b中，掩模层203、gan层202和衬底201的一部分已经被蚀刻以提供具有暴露的gan晶种表面202a的腔204。如图2c所示，ingan 205生长在gan晶种表面202a上，并横向生长到相应的腔204中和衬底201上方。如图2d所示，连续的ingan生长206导致横向生长区合并并从所述腔向外生长并在掩模层203上生长。腔204的一部分208，即空隙，可以在衬底201与腔内的合并的ingan 206之间产生。如图2e所示，连续的ingan生长导致从相邻腔生长的ingan聚结并形成弛豫的ingan表面207，其可用于半导体层的生长。图2e示出了穿过弛豫的ingan区并与表面207共面的平面208a，以及平分晶种区202和晶种区202之间的ingan区的平面208b。晶种区的中心用208c表示，并且晶种区202之间的ingan区的中心用208d表示。
[0059]
图13是由图2a至2e中所示的工艺流程产生的结构的详细横截面图。衬底1301(例如(0001)蓝宝石)包括延伸到衬底1301中的任选蚀刻区域1306。由面内a晶格参数a1表征的gan(或aln)晶种层材料1302在未蚀刻区域中覆盖衬底1301，且在掩模层1303下方。ingan 1305已在gan晶种表面1307上的晶种层材料1302的边缘处成核，从而形成ingan/gan异质结1307(即，异质结位于ingan区与gan晶种区之间的界面处)，其法线共享不平行于衬底1301的主表面的等效结晶方向。ingan材料1305已经至少部分地横向向外生长，以在gan晶种表面之间的ingan区中朝向弛豫的ingan面内a晶格参数a2弛豫。平行于衬底1301的主表面并平分gan晶种表面1307的平面1308b的特征在于在横截面内的不同位置处的不同面内a晶格参数。例如，在gan晶种区内的中心点处，沿平面1308b的晶格参数的特征在于与gan a晶格参数相当的a1，并且在gan晶种表面1307之间的中心点1305处，沿平面1308b的晶格参数近似为a2，与至少部分弛豫的ingan的晶格参数相当，并且根据该ingan层中的inn的平均摩尔分数，尤其与mocvd中的三甲基镓(tmg)相比，通过如三甲基铟(tmi)的有机金属前体的外延生长条件(如温度和相对流速)来确定。在这两个中心点之间的区域中，沿平面1308b的晶格参数的特征在于面内a晶格参数大于a1且小于a2，因为a2》a1。在平面图(未示出)中，平面1308a内的面内a晶格参数的变化的特征在于施加到gan晶种层的二维掩模图案(见图5和
6)。
[0060]
ingan材料在掩模层1303上聚结以形成具有平坦ingan表面1305c的弛豫ingan区1304。平行于原始生长衬底的主表面并位于弛豫ingan区1304内的平面1308a主要特征在于面内a晶格参数a2。特别地，在gan晶种表面之间的中心点1305处，沿平面1308a的ingan晶格参数的特征在于a2，而在gan晶种表面上方的中心点处，沿平面1308a的ingan a晶格参数略小于a2。在平面图(未示出)中，平面1308a内的面内a晶格参数的变化的特征在于施加到gan晶种层的二维掩模图案(见图5和6)。例如，可以使用xrd和rsm来检测ingan的面内a晶格参数的变化，并且可以使用掠入射角技术在亚微米尺度和上表面中进行分辨。晶种区内的平面1308b的中点表示为1308c，而晶种区之间的平面1308b的中点表示为1308d。
[0061]
gan晶种区1302具有例如小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm的面内尺寸。gan晶种区1302的高度可以是例如小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm。相邻gan晶种区1302之间的距离，例如gan晶种区1302的宽度，可以小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm。掩模层1303的厚度可以是例如0.01μm至1μm，0.02μm至0.8μm，0.05μm至0.5μm，或0.1μm至0.4μm。
[0062]
图3a至3e示出了使用soi衬底制造弛豫的ingan的工艺流程的实例。在该实施例中，可能希望在半导体结构(未示出)内包括应变控制夹层，例如gan、algan或alingan，以管理晶片弯曲，如对于在si上生长gan所熟知的。
[0063]
图3a示出了衬底301、氧化物层301a和硅层301b、晶种层302和掩模层303。图3b示出了向下蚀刻到硅层301b之后的腔304，其从晶种层302形成晶种区。图3c示出了从腔304内的晶种层302在晶种区的边缘表面上横向生长ingan。这种ingan生长具有足够高的inn摩尔分数以诱导应变弛豫。在图3d中，来自晶种层302的ingan生长306已经向外生长并合并以填充所述腔并在掩模303上延伸。如图3e所示，连续的ingan生长提供平面弛豫的ingan层307。图3e示出了穿过弛豫的ingan区并与表面307共面的平面308a，以及平分晶种区302和晶种区302之间的ingan区的平面308b。晶种区的中心用308c表示，并且晶种区302之间的ingan区的中心用308d表示。
[0064]
图4a至4e示出了使用soi衬底制造弛豫的ingan层的工艺流程的另一实例。此实例类似于图3a至3e的实例，其中添加了通过蚀刻(在区域404中)去除soi衬底401b的顶部硅层和隐埋氧化物层401a以最小化ingan在硅衬底上的竞争生长且有利于晶种表面上的ingan生长。
[0065]
图4a示出了soi衬底401、氧化物层401a和硅层401b、晶种层402和上覆掩模层403。图4b示出了由向下蚀刻到衬底401而产生的腔404，其从晶种层402形成晶种区。在图4c中，横向ingan生长405从晶种层402的边缘表面延伸到腔404中。这种ingan生长具有足够高的inn摩尔分数以诱导应变弛豫。如图4d所示，连续的ingan生长406使得从相对的晶种表面生长的ingan合并并垂直生长以填充所述腔的上部并在掩模层403上延伸。与在衬底上的生长相比，从晶种表面的优先生长在衬底401与ingan层406之间产生空间408，即空隙。如图4e所示，连续的ingan生长提供平面弛豫的ingan层407。图4e示出了穿过弛豫的ingan区并与表面407共面的平面408a，以及平分晶种区402和晶种区402之间的ingan区的平面408b。晶种区的中心用408c表示，并且晶种区402之间的ingan区的中心用408d表示。
[0066]
图5示出了用于蚀刻晶种材料的实例掩模图案，包括条纹、矩形、三角形和六边形。对于纤锌矿材料如iii族氮化物材料，包括ingan，优选的图案特征是具有共享相同结晶取
向的边缘的图案特征，如六边形或三角形。可以使用其它形状和其它相对尺寸。掩模图案的最窄尺寸可以是例如小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm。掩模图案的边缘可以与某些晶体平面对准。例如，对于具有(0001)主生长平面的纤锌矿材料，掩模边缘可以与(1-100)或(11-20)平面对齐，或在这些平面之间的任何取向，以便于生长高质量、弛豫的ingan层。
[0067]
图6示出了一组替代的掩模图案，它们是图5所示的掩模图案的负像，但在其它方面类似。
[0068]
图7示出了具有晶格参数a的图案化gan晶种材料的概念性平面截面图，在该图案化gan晶种材料的侧表面上执行横向异质外延以生长允许通过扭曲来弛豫至弛豫晶格参数a'的ingan层。对于足够小的尺寸，变形是完全弹性的，并且不形成缺陷。对于较大的尺寸，可能发生一些塑性变形，但是如果在随后沉积的上覆半导体层中的最终缺陷密度足够低，则可能是可容忍的。例如，希望随后沉积的半导体层中的延伸缺陷密度小于5e9cm2，例如小于5e8cm2或小于5e7cm2。本公开提供的横向ingan生长和聚结方法有助于iii族氮化物材料中的线位错的湮灭。
[0069]
可以通过生长多层结构而不是使用主体ingan层来提供对弛豫的ingan生长的厚度和组成均匀性的进一步控制。例如，25％的主体ingan层可例如通过3nm的gan和1nm的inn，或2nm的gan和2nm的in
0.5
ga
0.5
n的交替层代替。各层的层厚度可以为例如0.5nm至100nm，例如1nm至30nm。多层结构不限于基层，而是可以在整个外延叠层中或者在弛豫的ingan基层和装置层之间的层中使用，该外延叠层包括覆盖在弛豫的ingan层上的半导体装置层，例如n型、p型和有源层。
[0070]
与ingan/gan相比，弛豫的ingan层的增加的晶格参数允许在比ingan/gan高得多的温度下生长随后沉积的半导体层。例如，与ingan/gan的约4％相比，具有的a晶格参数的ingan已显示掺入约7％的inn。因为掺入到gan中的inn摩尔分数与mocvd中的生长温度成反比，这表明约0.015至0.020的ingan a晶格参数增加可将有用的生长温度增加约50℃。ingan a晶格参数的进一步增加将允许对于相同的inn摩尔分数使用甚至更高的温度。这种效应不仅可以用于实现在弛豫的ingan上生长的更高质量的半导体层，这通过在更高温度下减少点缺陷形成来实现，而且可以通过减少或消除在ingan膜表面中的线位错位置处出现的坑来实现。理想地，ingan层的生长温度保持足够高以消除或至少限制坑的直径远小于1μm，例如小于200nm，或小于50nm。可以使用生长在带坑的ingan膜上的薄的、高温的gan或algan层来“填充”小坑。
[0071]
本公开提供的方法可以包括递归，这可以有助于获得大的晶格参数变化。例如，弛豫的ingan层可用作晶种层，以提供用于生长较高-inn摩尔分数层的晶种表面。所得到的新的弛豫的ingan层然后可以在该工艺的另一轮中用作晶种层，等等。该方法可有助于获得具有非常高的inn摩尔分数的弛豫的ingan层，其可适合作为用于生长有源半导电层的基层，所述有源半导电层用于在例如700nm至1.6μm范围内的波长下发射长波长，例如超过红色、至深红色和甚至红外发射。
[0072]
本公开提供的弛豫的ingan层可用作用于生长光学和/或电气装置的模板和/或支撑结构。非常大面积的晶片是可能的，包括150mm、200mm或更大直径的晶片，这有利于这些装置的高体积、低成本制造。
[0073]
作为实例，图8示出了led结构，所述led结构通过在ingan层804的弛豫ingan表面
上生长n型层806(例如掺杂有si或ge)，然后生长含ingan的有源区807，包括例如gan、algan或ingan(或包含这些合金的多层)的任选p型电子阻挡层808，然后生长如p型gan或ingan层的p型层809而形成。包含例如gan或ingan的高掺杂(例如，mg掺杂)的p型接触层810覆盖在p型层809上，并提供与p侧上的装置的欧姆接触。如图8所示，ingan层804下面的半导体结构包括衬底801、gan晶种区802和掩模区803。在这些不同特征之间存在折射率对比度的程度上，它们的存在可以帮助改善从装置的光提取。所得半导体晶片可经历一系列工艺步骤，例如光刻、蚀刻和半导体沉积，以形成具有到n型层和p型层的合适电接触材料的隔离led区域。这样的接触材料可以包括具有合适的光学特性(例如高光反射性和/或透明性)的那些接触材料。可沉积并图案化电极金属化层812a(例如，niag、niau、tialcrniau等)及812b(例如，tial、tialcrniau等)以提供电连接，例如，使用引线接合(wirebond)。如氧化铟锡(ito)的各种透明导电氧化物(tco)材料(未示出)可用于促进电流散布层811，尤其用于电阻性p型层。在制造半导体结构之后，晶片可以被切割，以提供能够通过包括环氧树脂管芯附着或焊接的各种方式被安装到合适的封装中的各个装置。例如，可使用引线接合使p型层和n型层形成电接触，以形成最终可向其供应电力的功能装置。装置可进一步包括发光下变频材料，和/或封装材料，例如硅酮，以提供期望的光输出特性，包括用于照明应用的白光。所述装置可用于照明系统和/或显示应用中。
[0074]
如图9a至9d所示，各种倒装芯片(fc)led结构是可能的，包括(a)标准的，(b)薄膜倒装芯片(tffc)，其中初始生长衬底已被去除，但保留了掩模和晶种层部分，(c)去除掩模和晶种层部分的tffc，以及(d)去除掩模和晶种层部分并通过如光刻和/或基于化学的蚀刻技术使暴露的ingan层纹理化(用于光提取目的)的tffc。
[0075]
图9a至9d所示的半导体结构包括衬底901、晶种区902、掩模区903、弛豫的ingan层904和初始ingan生长区905、n型层906、含ingan的有源区907、任选的p型电子阻挡层结构908、p型层909、p型接触层910、p侧电极金属化层911和n侧电极金属化层912。在图9b中，衬底已被去除，在图9c中，生长区和掩模区已被去除，并且在图9d中，弛豫的ingan区904的一部分已被去除和/或粗糙化904a，例如以增强装置的某些光学特性。
[0076]
图10示出了在弛豫的ingan层上生长的激光二极管结构。如图10所示，包括初始ingan区1005的弛豫ingan层1004覆盖掩模区1003、晶种区1002和衬底1001。可以通过在弛豫的ingan材料1004和n型接触层1006上生长n型光学限制(“覆盖”)层1007，并且然后在含ingan的有源层1009的任一侧上生长包括包含波导层1008和1010的波导区的基于ingan的有源区，并且随后生长p型光学限制(“覆盖”)层1011来形成激光二极管。层1012和层1013覆盖p覆盖层1011。用于激光二极管的晶片制造类似于用于led的晶片制造，除了装置被形成为条纹以形成激光腔。在切割和形成蚀刻或劈开的镜面后，高反射和抗反射电介质涂层可分别沉积在后和前小面上(未示出)。根据材料选择和应用细节，激光二极管可以被安装到适当的封装中，外延侧朝下或者衬底侧朝下。可以分别通过电极金属化层1015a和1015b使高度掺杂的p型接触层1014和n型接触层1006形成电接触，以形成可以向其提供电功率的功能装置。激光二极管用于照明系统和/或显示应用中。
[0077]
本公开提供的弛豫的ingan层适用于宽范围的化合物半导体装置，其影响用于各种应用的宽范围的系统解决方案的性能，包括照明装置和系统(图11)以及显示装置和系统(图12)。
[0078]
弛豫的ingan层的目标组成可根据预期的装置、应用和性能要求来选择。对于与gan晶格匹配的常规ingan发光二极管，性能最好的装置是在紫色波长范围内发射的那些装置。在这些波长下，ingan量子阱相对于gan基层的应变状态为约1％至2％。对应的组成差异足够高，使得带隙设计可以提供非常高的量子效率装置，而应变状态足够低，以允许相对厚的ingan量子阱(qw)层，其用于降低载流子密度和减轻非辐射俄歇复合(又称“衰减”)。将该可接受范围的应变状态应用于其它发射波长，对于从蓝色(约450nm)至红外(约1.3μm)波长的宽范围的发射体，可以计算本公开提供的弛豫的ingan基层的优选组成范围。优选的范围列于表1和2中。
[0079]
表1.根据发射颜色(pwl＝以nm计的峰值波长，eg＝以ev计的带隙，a_base＝以计的在300k下的基层面内a晶格参数，a_qw＝以计的在300k下的量子阱层面内a晶格参数)，用于发光二极管和激光二极管的弛豫的ingan(0001)基层的inn摩尔分数的优选范围。
[0080][0081]
表2.根据发射颜色(pwl＝以nm计的峰值波长，eg＝以ev计的带隙，a_base＝以计的在300k下的基层面内a晶格参数，a_qw＝以计的在300k下的量子阱层面内a晶格参数)，用于发光二极管和激光二极管的弛豫的ingan(0001)基层的inn摩尔分数的优选范围。
[0082][0083]
图14a和14b图示说明了根据峰值发射波长用作制造发光二极管和激光二极管的模板的(0001)弛豫ingan层的inn摩尔分数和a晶格参数的优选范围，其与表1和2中给出的参数一致。例如，作为峰值发射波长a的函数，弛豫的in
x
ga
1-x
n基层的inn摩尔分数x应当满
101}结晶学上等效平面的三角面。如图16d所示，在完全形成晶种区之后，三角面表面1607用作晶种表面，用于至少横向生长ingan，从而在与衬底不共面的结晶学上等效平面中形成六个异质结。gan晶种表面的小尺寸和生长的ingan材料的目标组成的选择促进了在晶种表面上生长的ingan的弛豫。此外，每个晶种表面提供平坦的、结晶学上等效的取向，以确保整个向外生长的ingan材料的相干性。ingan相干地生长并向其弛豫晶格参数弛豫，以形成如图16e所示的弛豫ingan的小面1608。这些小面进一步向外生长，并最终与从其它晶种区生长的相邻ingan生长前沿聚结。如图16f所示，聚结的ingan然后在掩模层上方生长，并且选择生长条件(例如，生长温度和tmi流)以形成跨越衬底的连续、平面、弛豫的ingan区1609或模板。该方法具有不需要蚀刻gan(或aln)材料来提供用于ingan成核的晶种表面的优点。该方法还具有可以在单个外延生长工艺中提供整个工艺的优点。此外，当生长衬底是iii族氮化物材料，例如gan或aln衬底时，该方法是非常合适的。
[0092]
图17a提供了由图15a至15f中的工艺流程得到的结构的详细横截面图。如(0001)蓝宝石的衬底1701用作gan(或ingan、algan或aln)晶种层1702的主生长衬底，其特征在于面内a晶格参数a1。gan晶种层1702已经在掩模区1703之间向外生长，以形成gan晶种区1702a，其具有结晶学上等效的平坦gan晶种表面的暴露边缘。ingan材料已经在gan晶种区的三角形gan晶种表面上成核，从而形成不平行于原始生长衬底1701的主表面的异质结1707。异质结1707可以形成在gan晶种区的稳定的结晶学上等效的小面上，例如在{1-101}结晶学上等效的小面上。为了在gan晶种表面之间的区域1705中朝向弛豫的ingan面内a晶格参数a2弛豫，ingan材料至少部分横向向外生长。平行于原始生长衬底的主表面并且平分gan晶种材料的平面1708b的特征在于在沿着该平面的不同位置处的不同面内a晶格参数。特别地，在gan晶种区1702a内的中心点处，其特征在于晶格参数a1，并且在gan晶种区1702a之间的中心点1705处，晶格参数近似为a2。在这两个中心点之间的gan区域中，面内a晶格参数大于a1并小于a2，因为a2》a1。在平面图(未示出)中，平面1708b内的gan面内a晶格参数的变化的特征在于已经施加到gan晶种层材料的二维掩模图案(参见图5和6)。
[0093]
如图17a和17b所示，平面1708b与晶种区1702a的边缘相交，以在ingan区1704与晶种区之间的界面处定位异质结1709b。异质结与晶种区的第一晶面共面。如与主生长表面平行并与ingan区(如1708c)和晶种区1702a相交的平面1708b之类的任何平面，与晶种区1702a的边缘相交以在ingan区与晶种区之间的界面处定位异质结1709c，该界面与晶种区的第二晶面共面。如图17a和17b所示，第一和第二晶面是相同的。第一和第二晶面可以是结晶学上等效的晶面。
[0094]
ingan材料在掩模层1703上聚结以形成具有平坦表面1705c的弛豫ingan层1704。平行于原始生长衬底的主表面并位于靠近表面1705c的ingan层1704内的平面1708a主要特征是于ingan面内a晶格参数a2。在gan晶种区之间的中心点1705处，ingan晶格参数是a2，并且在gan晶种区内的中心点处，面内a晶格参数略小于a2。在平面图(未示出)中，平面1708b内的面内a晶格参数的变化的特征在于施加到晶种层材料的二维掩模图案(见图5和6)。面内a晶格参数的变化可通过如xrd和rsm的测量技术来检测，并可在亚微米尺度上分辨。晶种区1702a内沿着平面1708b的中点表示为1708c，而晶种区1702a之间的中点表示为1708d。
[0095]
gan晶种区1702a可以具有面内尺寸，例如小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm。gan晶种区1702a的高度可以是例如小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm。相邻gan晶种区1702a之
间的距离可以是例如小于3μm、小于0.3μm或小于0.03μm。掩模材料1703的厚度可以是例如0.01μm至1μm。图17b提供了由图16a至15f中的工艺流程得到的结构的详细横截面图。该结构与图17a的结构相似，相似的元件以相同的数字方式标识。然而，在图17b的结构中，没有平面起始gan(或aln)晶种层1702。相反，gan(或aln)晶种材料直接在掩模区1703之间的开口中的衬底1701上成核。衬底可以是蓝宝石、gan、aln或硅等。
[0096]
一种iii族氮化物半导体结构可包含(a)包含in
x
ga
1-x
n(0≤x《1)和纤锌矿iii族氮化物晶体结构的晶种区；(b)与所述纤锌矿iii族氮化物结构的所述(0001)平面平行并与所述晶种区相交的第一平面；其中，所述第一平面与所述晶种区的第一边缘的交点定位in
x
ga
1-x
n/inyga
1-y
n异质结，其中0《y≤1且y》x；所述in
x
ga
1-x
n/inyga
1-y
n异质结与所述晶种区的第一晶面共面；(c)与所述纤锌矿iii族氮化物晶体结构的所述(0001)平面平行并与所述晶种区的第二边缘相交的任何第二平面定位iii族氮化物异质结，其中所述iii族氮化物异质结与所述晶种区的第二晶面共面；以及(d)覆盖所述晶种区的(0001)ingan区，其中所述(0001)ingan区的特征在于大于的面内a晶格参数，其中所述第一晶面和所述第二晶面中的每一个是结晶学上等效的。
[0097]
第一平行平面可以与晶种区的两个小面相交。晶种区的小面平行于晶种区的晶面，例如纤锌矿晶体结构的晶面。晶种区的小面可以是结晶学上等效的小面。第一平行平面与晶种区的小面的交点定位异质结，如in
x
ga
1-x
n/inyga
1-y
n，其中0≤x《1，0《y≤1，且y》x。
[0098]
与纤锌矿iii族氮化物晶体结构的(0001)平面平行并与晶种区相交的任何第二平面定位iii族氮化物异质结。第二平面可以与和第一平面相同的小面相交。第二平面可以与晶种区的晶面共面的晶种区的小面相交。结晶学平面中的每一个可以是结晶学上等效的平面。晶种区中的每一个的特征在于平行于晶种区的晶面的小面，例如纤锌矿晶体结构的晶面。晶面中的每一个可以是结晶学上等效的平面。晶面中的每一个可以是结晶学上等效于{10-11}平面。晶面中的每一个可以是结晶学上等效于{1-100}平面。晶面中的每一个可以是结晶学上等效于{11-20}平面。晶面中的每一个可以是(1-100)平面或(11-20)平面。
[0099]
ingan区位于晶种区之间。ingan区，或晶种区之间的ingan区的至少一部分可以是部分弛豫的ingan区。ingan区可以包含多于一个ingan层，其中ingan层中的每一个具有不同的元素组成。(0001)ingan区可以覆盖晶种区。该(0001)ingan区可以是完全弛豫的ingan区，并且可以具有大于(如从到)的面内a晶格参数。
[0100]
晶种区可以具有2个或更多个小面，例如2、3、4、5或6个小面。晶种区可以具有3个或6个小面。晶种区可以具有例如矩形基部、三角形基部、正方形基部、五边形基部或六边形基部。晶种区可以具有三角形基部或六边形基部。
[0101]
每个晶种区可以包含例如gan，并且可以具有例如约的晶格参数。每个晶种区可以包含gan，并且in
x
ga
1-x
n/inyga
1-y
n异质结和iii族氮化物异质结中的每一个是gan-ingan异质结。
[0102]
图18至20示出了本发明的各个方面。图18a、18b和18c示出了可以在基面上的iii族氮化物生长中形成的所谓“v坑”结构的平面示意图。特别地，对于在低温下生长的iii族氮化物材料，例如，使用mocvd在小于800℃的温度下生长的gan，吸附原子动力学使得半导体材料不倾向于填充附近的位错芯，从而导致在中心处从具有位错芯的稳定(10-11)平面形成坑。当在低温条件下继续生长时，所述坑变大(图18b)并碰撞(图18c)。随着坑变得更
大，暴露的(10-11)小面的总表面积变得与暴露的(0001)表面相当或甚至更大。(10-11)小面的这种大表面积的存在(其中每个小面是结晶学上等效的)提供了在(10-11)晶种表面上形成高质量、弛豫的ingan(例如gan)的机会，如本发明所构思的。
[0103]
例如，如图19所示，gan可以在低温下成核到合适的衬底上，如gan、蓝宝石、si、sic、aln等。一旦例如通过在升高的温度(例如，大于900℃)下生长gan外延膜而获得合理高质量的gan外延膜，则可以再次改变生长条件，使得例如通过在低于800℃的温度下生长gan而形成v坑。然后可以停止生长，从mocvd反应器中取出gan结构，并且可以在(0001)表面上而不是在(10-11)表面上选择性地沉积合适的生长掩模层，例如sio2或sin
x
的电介质层。这可以通过各种方式来实现，例如通过使用大角度溅射或沉积，或通过将光致抗蚀剂选择性沉积到v坑中，随后例如沉积和剥离。然后可以将gan结构返回到反应器，如mocvd或mbe反应器。然后，可以在(10-11)小面上的暴露的gan晶种区材料上选择性地生长ingan，任选地在此之前沉积gan薄层。可以以inn摩尔分数为目标，以便在增加的ingan层厚度时引起大的应变并因此引起弛豫。可允许ingan生长在掩蔽的区域上继续向外生长并聚结，从而提供平面的、高质量的、弛豫的ingan(0001)区域，其可用作装置制造的模板，如本公开中所述。ingan层可以在比ingan/gan生长的典型温度更高的温度下生长，例如在大于900℃的温度下，这是可能的，因为弛豫的ingan材料比ingan假晶更容易掺入in。增加的生长温度允许填充v坑缺陷并提供聚结的平面膜。可以通过生长多层结构而不是通过使用主体ingan层来促进对弛豫的ingan生长的形态和组成均匀性的控制。例如，25％的主体ingan层可以由3nm的gan和1nm的inn，或2nm的gan和2nm的in
0.5
ga
0.5
n的交替层代替。各层的层厚度可以为例如0.5nm至100nm，例如1nm至30nm。可以使用这种多层结构的许多周期，例如2至10层，2至100层或大于100层。
[0104]
在另一个实例中，可以消除掩蔽步骤，并且可以在生长室中原位完成整个过程。例如，如图20所示，gan可以成核到合适的衬底上，例如gan、蓝宝石、si、aln等。在例如通过在升高的温度(例如，》900℃)下生长来实现合理高质量的gan外延膜之后，可以再次改变生长条件，使得例如通过在低于800℃的温度下生长gan来形成v坑。v坑可以向外生长以使得{10-11}等效小面的暴露表面积大于(0001)gan的暴露表面积。优选地，(10-11)小面的暴露表面积是(0001)gan的暴露表面积的两倍以上，更优选为(0001)gan的暴露表面积的十倍以上。然后，ingan可以选择性地生长在作为晶种区的(10-11)小面上。可以以inn组成为目标，以便在增加的ingan层厚度时引起大的应变并因此引起弛豫。可允许ingan生长继续向外生长并聚结，从而提供平面的、高质量的、弛豫的ingan(0001)区域，其可用作装置制造的模板，如本公开中所述。
[0105]
因为(0001)生长表面积小于(10-11)生长表面积，所以后一种生长模式占主导地位，从而允许ingan随着膜厚度的增加而弛豫并变成占主导地位的生长表面。在比ingan/gan生长的典型温度更高的温度下生长ingan层是有用的，这是可能的，因为弛豫的ingan材料可以比ingan假晶更容易地掺入gan。增加的生长温度允许v坑缺陷填充以提供聚结的平面膜。可以通过生长多层结构而不是通过使用主体ingan层来促进对弛豫的ingan生长的形态和组成均匀性的控制。例如，25％的主体ingan层可以由3nm的gan和1nm的inn，或2nm的gan和2nm的in
0.5
ga
0.5
n的交替层代替。各层的层厚度可以为例如0.5nm至100nm，例如1nm至30nm。可以使用这种多层结构的许多周期，例如2至10层，2至100层或大于100层。
[0106]
例如，可以将c平面(0001)蓝宝石衬底装载到能够供应至少三甲基镓、三甲基铟和氨的mocvd反应器中。可以提供低温gan成核层，随后是较高温度的gan生长，其可以包括在聚结为二维(0001)gan膜之前形成三维岛。这种三维到二维的过渡有助于使线位错横向改变方向，并有助于减小生长表面处的总线位错密度，其可以减小到小于1e9cm-2
。最终在平面gan层中可以实现1e8cm-2
的位错密度。接下来，可以降低生长温度(例如，小于800℃)以在位错芯处形成v坑结构，其特征在于倾斜的(10-11)平面。这些平面可以相对于(0001)生长表面形成大约63度的角度。低温层的厚度控制v坑高度并且通过生长而增加，使得暴露的{10-11}小面的总表面积大于(0001)的表面积，如表3中针对此特定实例所示。
[0107]
表3.生长结构的实例。
[0108][0109]
例如，在位错密度为1e8cm-2
的情况下，目标v坑高度可以为0.14μm或更大。
[0110]
在可以实现(10-11)与(0001)材料之间的目标表面积比之后，使tmi流入室中以在(10-11)晶种区上生长一个或多个ingan层并引起应变弛豫。ingan层可以周期性地与gan层交替。例如，每个ingan层可以是0.5nm至100nm厚，例如1nm至30nm厚，并且可以夹在具有相似厚度的gan层之间。为了引起应变弛豫，应变弛豫层的平均组成应该相当高，例如，平均inn含量可以大于5％。在开始应变弛豫之后或之前，可以升高生长温度以帮助平坦化生长并获得用于装置制造的平坦、均匀、弛豫的(0001)ingan层。
[0111]
重要的是要注意，虽然前述讨论针对gan晶种区，但是也可以利用ingan(或algan)晶种区，只要材料对任何下面的gan层(例如gan成核和/或缓冲层)是假晶的。晶种区是在最终引起弛豫的ingan-gan(或ingan-ingan)异质结附近的区域。这些区域下面的晶种材料被称为晶种材料而不是晶种区。
[0112]
本公开提供的弛豫的ingan层和包含弛豫的ingan层的半导体结构可用于制造电子和光电装置，包括基于ingan的光电装置，例如led和ld(和vcsel)。本公开提供的包含弛豫的ingan层的led和ld可用于照明系统和显示系统中。特别地，对于led，装置可以形成在衬底上的弛豫的ingan基层上。衬底可以通过如研磨、精研或蚀刻的技术来减薄，并且可以通过本领域已知的方式(如锯切、划片和折断或激光划片和折断)来切割，以提供单独的led芯片或管芯。led芯片或管芯尺寸可以为例如250μm2至10mm2。然后可以将单独的led芯片附着到合适的封装元件，该封装元件提供用于电接触和散热该装置的引线。可以使用任何合适的方法来实现管芯附着，例如环氧树脂或硅树脂附着，或基于焊料的附着。芯片到封装的电连接可以通过使用如au或ag线的接合线来完成，以将封装中的阳极和阴极引线连接到led芯片上的相应接触金属化层，即电极。在倒装芯片装置的情况下，可以通过位于led芯片与封装之间的中间基板进行电接触。芯片电极可以通过如焊料附着或金凸点附着的方式附着到基板载体。基板载体可以被切割，且然后通过任何合适的方法安装到封装中。
[0113]
通过制造并提供具有期望峰值发射波长的弛豫的基于ingan的led来获得来自封装led装置的期望发射颜色。任选地具有不同峰值发射波长的多个这种led芯片可包括在单独的封装中，或在多芯片封装中组合在一起。例如，单个封装可以包括发射红光、发射绿光和发射蓝光的led芯片，其可以布置在电路中并电耦合到封装内或封装外的驱动器电路，用
于操作led。可以选择电路细节和驱动器以允许不同颜色的led单独地或一起操作，以提供宽范围的总发射特性，包括用于照明应用中的白光发射，或用作液晶显示器(lcd)装置(例如电视显示器、计算机监视器、移动电话显示器、可穿戴显示装置等)的背光。
[0114]
一个或多个led芯片可以与发光下变频材料组合以提供期望的发射光谱。这种发光下变频材料可以包括磷光体、半导体纳米颗粒(例如量子点)或钙钛矿材料。多个发光下变频材料可以在单个封装中组合在一起。可以选择led芯片发射波长以激发发光下变频材料，使得来自封装的发射是led芯片直接发射和发光下变频材料的发射的组合，或者发射可以主要仅是发光下变频材料的发射，其中led芯片光被发光下变频材料完全吸收或者被阻挡或过滤而不离开封装。使用发光下变频材料的封装led可用于产生白光，其可用于照明应用。此类装置可以电耦合到驱动器电路，由如电源或电池电源的外部电源供电，热耦合到散热器，以及光耦合到各种光学器件或透镜以提供如led灯或led灯具的照明装置。
[0115]
使用本发明可以制造具有较小尺寸的led芯片。特别地，可以制造尺寸为1μm2至50μm2的装置，即所谓的“微led”。对于微led，传统的切割技术不太适合，并且因此经常使用用于分割装置的其它方式。例如，可以通过在衬底上形成所需尺寸的led，且然后将led的顶表面结合到载体(例如蓝带或基板载体)，然后去除衬底来实现切割。然后可以将各个装置拾取并放置到封装元件中或放置到用于基于微led的显示器的底板上。如本领域已知的，先进的管芯处理技术可用于处理微led装置。具体地，基于本发明的发射红光、发射绿光和发射蓝光的led可以形成为微led，并被布置为提供微led显示器，并被结合到如电视、计算机监视器、平板电脑、移动电话、可穿戴装置等的系统中。
[0116]
还可以将本公开提供的结合了弛豫的ingan层的ld结合到各种系统中。ld封装类似于本文所述的led封装，除了提供用于从热学角度管理ld装置中的较高功率密度的方式并且提供用于光学访问激光器小面的方式。多发射颜色的ld可以在单独的封装中提供或组合成单个封装。ld可以耦合到发光下变频材料以提供期望的发射光谱。ld在需要非常高的光密度的应用中是有用的，例如在汽车前照明系统或投影显示器中，其可以包括光调制装置，例如光栅光学器件、微镜装置或lcd调制器。
[0117]
图11和12示出了照明和显示系统的实例。
[0118]
本发明的各方面
[0119]
本发明由以下方面进一步限定。
[0120]
方面1.一种iii族氮化物半导体结构，其包含ingan区，其中所述ingan区包含弛豫的(0001)ingan区；并且所述弛豫的(0001)ingan区具有由至少一个方向上的周期性表征的面内a晶格参数。
[0121]
方面2.根据方面1所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区的特征在于c平面生长取向。
[0122]
方面3.根据方面1至2中任一项所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区的特征在于大于的平均面内a晶格参数。
[0123]
方面4.根据方面1至3中任一项所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区具有小于3μm的厚度。
[0124]
方面5.根据方面1至4中任一项所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区具有20nm至1μm的厚度。
[0125]
方面6.根据方面1至5中任一项所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区具有小于5e9cm2的缺陷密度。
[0126]
方面7.根据方面1至6中任一项所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区包含ingan-gan超晶格。
[0127]
方面8.根据方面1至7中任一项所述的半导体结构，其进一步包含：在所述弛豫ingan区的第一部分下面的多个掩模区；以及在所述弛豫ingan区的第二部分下面的多个非掩模区。
[0128]
方面9.根据方面8所述的半导体结构，其中所述多个掩模区中的每一个包含电介质材料。
[0129]
方面10.根据方面9所述的半导体结构，其中所述电介质材料包含氮化硅、氧化硅或氧化铝。
[0130]
方面11.根据方面8至10中任一项所述的半导体结构，其中多个掩模区中的每一个具有20nm至2μm的厚度。
[0131]
方面12.根据方面8至10中任一项所述的半导体结构，其中所述多个掩模区中的每一个具有小于2μm的厚度。
[0132]
方面13.根据方面8至12中任一项所述的半导体结构，其中所述多个非掩模区中的每一个的最大面内尺寸小于1μm。
[0133]
方面14.根据方面8至13中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述多个掩模区中的每一个下面的晶种区。
[0134]
方面15.根据方面14所述的半导体结构，其中所述晶种区包含gan、aln或algan。
[0135]
方面16.根据方面14至15中任一项的半导体结构，其中所述晶种区具有20nm至2μm的厚度。
[0136]
方面17.根据方面14至16中任一项所述的半导体结构，其中所述晶种区具有小于2μm的厚度。
[0137]
方面18.根据方面14至17中任一项的半导体结构，其中晶种区包含水平界面和晶种界面；所述水平界面与所述(0001)ingan晶面基本上共面；并且所述晶种界面包含不平行于所述水平界面的平面晶种部分。
[0138]
方面19.根据方面18所述的半导体结构，其中所述平面晶种部分包含a平面、m平面或a平面与m平面之间的平面。
[0139]
方面20.根据方面19所述的半导体结构，其中所述水平界面的特征在于c平面取向；并且所述平面晶种部分与所述水平界面不共面。
[0140]
方面21.根据方面19至20中任一项所述的半导体结构，其中所述平面晶种部分包含异质结。
[0141]
方面22.根据方面21所述的半导体结构，其中所述异质结是gan-ingan异质结。
[0142]
方面23.根据方面22所述的半导体结构，其中所述晶种区包含gan；所述平面晶种部分包含gan/ingan异质结；并且所述gan/ingan异质结基本上平行于gan(1-100)晶面、gan(11-20)晶面，或gan(1-100)晶面与gan(11-20)晶面之间的晶面。
[0143]
方面24.根据方面8至23中任一项所述的半导体结构，其中所述多个非掩模区包含ingan。
[0144]
方面25.根据方面8至24中任一项所述的半导体结构，其中所述多个非掩模区的特征在于图案。
[0145]
方面26.根据方面8至25中任一项所述的半导体结构，其中所述多个非掩模区的特征在于在至少一个维度上的非掩模区周期性。
[0146]
方面27.根据方面26所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区的所述面内a晶格参数的周期性对应于所述非掩模区周期性。
[0147]
方面28.根据方面8至27中任一项所述的半导体结构，其中所述多个非掩模区的特征在于形状阵列。
[0148]
方面29.根据方面28所述的半导体结构，其中形状包含相对于ingan的晶面取向的边缘。
[0149]
方面30.根据方面29所述的半导体结构，其中所述边缘相对于ingan a平面或ingan m平面错位+/-1
°
。
[0150]
方面31.根据方面29至30中任一项的半导体结构，其中所述边缘平行于(1-100)ingan晶面取向。
[0151]
方面32.根据方面29至31中任一项的半导体结构，其中所述边缘平行于(11-20)ingan晶面取向。
[0152]
方面33.根据方面29至31中任一项所述的半导体结构，其中所述边缘取向在不平行于(1-100)ingan晶面和不平行于(11-20)ingan晶面的方向上。
[0153]
方面34.根据方面8至33中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述多个非掩模区中的每一个和所述多个掩模区中的每一个下面的衬底。
[0154]
方面35.根据方面34所述的半导体结构，其中所述衬底包含蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、绝缘体上硅(soi)或氮化铝。
[0155]
方面36.根据方面8至35中任一项的半导体结构，其进一步包含：所述多个非掩模区的每一个下面的衬底；以及在所述非掩模区内并覆盖所述衬底的一部分的腔。
[0156]
方面37.根据方面1至36中任一项的半导体结构，其中iii-v族半导体结构具有由宽度和长度限定的面积；并且所述面积大于0.1mm2。
[0157]
方面38.根据方面37所述的半导体结构，其中所述周期性的特征在于比所述宽度小至少10倍和/或比所述长度小至少10倍的周期。
[0158]
方面39.根据方面37至38中任一项所述的半导体结构，其中所述面积内的非掩模区的数量大于10。
[0159]
方面40.根据方面1至39中任一项的半导体结构，其中在与所述周期性相关联的周期内，所述面内a晶格参数在小于1％的平均面内a晶格参数周围的最小值与最大值之间变化。
[0160]
方面41.根据方面1至40中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的第一部分下面的多个晶种区，其中所述多个晶种区中的每一个包含多个平面晶种部分；并且所述多个平面晶种部分中的每一个都不是共面的(0001)ingan晶面。
[0161]
方面42.根据方面41所述的半导体结构，其中所述平面晶种部分形成具有六边形基部的棱锥形形状的至少一部分。
[0162]
方面43.根据方面41至42中任一项所述的半导体结构，其中所述多个平面晶种部
分中的每一个的特征在于(1-101)晶面。
[0163]
方面44.根据方面41至43中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的第二部分下面的多个掩模区，其中所述多个晶种部分中的每一个在所述多个掩模区上方延伸。
[0164]
方面45.根据方面44所述的半导体结构，其进一步包含位于所述多个掩模区中的每一个下面和所述多个晶种区中的每一个下面的晶种层。
[0165]
方面46.根据方面45所述的半导体结构，其中所述晶种层和所述多个晶种区中的每一个是邻接的。
[0166]
方面47.根据方面46所述的半导体结构，其进一步包含在所述晶种层下面的衬底。
[0167]
方面48.根据方面44至47中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述多个晶种区中的每一个下面和在所述多个掩模区中的每一个下面的衬底。
[0168]
方面49.根据方面1至48中任一项所述的半导体结构，其中在平行于所述ingan c平面并穿过所述弛豫的ingan区的平面中，所述平面内a平面晶格参数大于
[0169]
方面50.根据方面1至49中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的一部分下面的多个非掩模区，其中所述弛豫的ingan区的所述晶格参数的周期性对应于所述多个非掩模区的周期性。
[0170]
方面51.根据方面1至50中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的一部分下面的多个晶种区，其中，所述多个晶种区中的每一个的特征在于面内a晶格参数a1；所述弛豫的ingan区的特征在于面内a晶格参数a2；并且a2大于a1。
[0171]
方面52.根据方面1至51中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的一部分下面的多个晶种区，其中，所述弛豫的ingan区和所述多个晶种区形成多个异质结；并且所述多个异质结中的每一个不平行于所述晶种区和所述弛豫的ingan区的生长平面。
[0172]
方面53.根据方面1至52中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的一部分下面的多个晶种区，其中，所述弛豫的ingan区和所述多个晶种区形成多个异质结；并且所述多个异质结中的每一个都垂直于所述弛豫ingan区的所述c平面。
[0173]
方面54.根据方面1至53中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的一部分下面的多个晶种区，其中，所述弛豫的ingan区和所述多个晶种区形成多个异质结；并且所述多个异质结中的每一个平行于所述ingan a平面，平行于所述ingan m平面，或在所述ingan a平面与所述ingan m平面之间成角度。
[0174]
方面55.根据方面1至54中任一项所述的半导体结构，其进一步包含在所述弛豫的ingan区的一部分下面的多个晶种区，其中，所述多个晶种区的特征在于在至少一个方向上的周期性；并且所述弛豫的ingan区的所述面内a晶格参数的周期性对应于所述多个晶种区的周期性。
[0175]
方面56.根据方面55所述的半导体结构，其中所述弛豫的ingan区的所述面内a晶格参数的周期性与所述多个晶种区的周期性相同。
[0176]
方面57.根据方面1至56中任一项所述的半导体结构，其进一步包含覆盖所述弛豫的ingan区的n掺杂半导体层、有源半导体层和p掺杂半导体层。
[0177]
方面58.根据方面1至57中任一项所述的半导体结构，其进一步包含覆盖所述弛豫
的ingan区的多个半导体外延层。
[0178]
方面59.一种iii族氮化物半导体结构，其包含：ingan区，其中所述ingan区包含弛豫的(0001)ingan区；在所述弛豫的ingan区的第一部分下面的多个掩模区；在所述弛豫的ingan区的第二部分下面的多个非掩模区；以及位于所述掩模区中的每一个下面的晶种区。
[0179]
方面60.根据方面59所述的半导体结构，其中所述晶种区包含gan；并且所述晶种区之间和所述ingan区的所述第二部分下面的所述非掩模区包含ingan。
[0180]
方面61.根据方面59至60中任一项所述的半导体结构，其中，在平行于所述弛豫的ingan区的所述c平面并平分晶种区的平面中，所述晶种区内的面内a晶格参数小于晶种区与所述ingan区的所述第二部分下面之间的所述面内a晶格参数。
[0181]
方面62.一种半导体装置，其包含根据方面1至61中任一项所述的iii-v族半导体结构。
[0182]
方面63.根据方面62所述的半导体装置，其中所述半导体装置包含光电装置。
[0183]
方面64.根据方面62所述的半导体装置，其中所述半导体装置包含发光二极管或激光二极管。
[0184]
方面65.根据方面64所述的半导体装置，其进一步包含峰值发射波长。
[0185]
方面66.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在440nm与460nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0186]
方面67.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在520nm与540nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0187]
方面68.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在580nm与600nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0188]
方面69.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在620与640nm之间，并且所述面内a晶格参数在3.282与3.296a之间。
[0189]
方面70.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在690与710nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0190]
方面71.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在840nm与870nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0191]
方面72.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在940nm与980nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0192]
方面73.根据方面65所述的半导体装置，其中所述峰值发射波长在1300nm与1350nm之间，并且所述面内a晶格参数在与之间。
[0193]
方面74.一种照明系统，其包含根据方面62至73中任一项所述的半导体装置。
[0194]
方面75.一种显示系统，其包含根据方面62至73中任一项所述的半导体装置。
[0195]
最后，应注意，存在实施本文所公开的实施例的替代方式。因此，本实施例被认为是说明性的而非限制性的，并且权利要求不限于本文给出的细节，而是可以在其范围和等同物内进行修改。