專(zhuān)利名稱(chēng)：基于結(jié)晶弛豫結(jié)構(gòu)的固態(tài)發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)發(fā)光器件以及用于制造這種固態(tài)發(fā)光器件的方法。
背景技術(shù)：
在從傳統(tǒng)照明系統(tǒng)到光通信系統(tǒng)的廣泛的應(yīng)用中使用固態(tài)發(fā)光器件，比如，發(fā)光二極管(LED)和固態(tài)激光器。特別地，基于氮化物的LED使得能夠出于一般照明目的使用LED。然而，這種器件的發(fā)射效率對(duì)于高于480nm的波長(zhǎng)顯著下降。一種補(bǔ)償這一點(diǎn)的方式是:使用藍(lán)光發(fā)射LED，以使得通過(guò)與磷光材料的交互作用將所發(fā)射的藍(lán)光的一部分轉(zhuǎn)換為綠黃光。然而，磷光轉(zhuǎn)換在從較高能量輻射至較低能量輻射的轉(zhuǎn)變期間經(jīng)受多種轉(zhuǎn)換損耗機(jī)制，從而導(dǎo)致有限的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)，發(fā)射峰形也展寬。因此，LED直接在可見(jiàn)光譜的綠至紅部分中發(fā)射將提供顯著優(yōu)點(diǎn)，比如消除轉(zhuǎn)換損耗和改進(jìn)顏色可調(diào)性。例如，基于氮化鎵(GaN)的光源可以適于向可見(jiàn)光譜的紅端移位發(fā)射波長(zhǎng)。W02008/078297公開(kāi)了一種用于制造被配置為發(fā)射光的多個(gè)波長(zhǎng)的基于GaN的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。這是通過(guò)從具有多個(gè)開(kāi)口的掩模層形成多個(gè)柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中，每個(gè)柱包括布置在η型區(qū)與P型區(qū)之間的發(fā)光層。所發(fā)射的波長(zhǎng)由柱的直徑控制。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種用于制造固態(tài)發(fā)光器件的改進(jìn)方法，并且特別地，提供一種使得能夠制造發(fā)射可見(jiàn)光譜的綠色至紅色部分中的波長(zhǎng)的器件的用于制造固態(tài)發(fā)光器件的改進(jìn)方法。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于制造具有多個(gè)光源的固態(tài)發(fā)光器件的方法，所述方法包括以下步驟:提供具有生長(zhǎng)表面的襯底；在所述生長(zhǎng)表面上提供掩模層，所述掩模層具有多個(gè)開(kāi)口，通過(guò)所述多個(gè)開(kāi)口，暴露所述生長(zhǎng)表面，其中，所述開(kāi)口中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3 μ m，以及其中，所述掩模層包括第一掩模層部分和第二掩模層部分，所述第一掩模層部分和所述第二掩模層部分具有相同表面積并包括多個(gè)開(kāi)口，其中，所述第一掩模層部分展示出所述生長(zhǎng)表面的暴露面積與所述生長(zhǎng)表面的未暴露面積之間的第一比率，以及其中，所述第二掩模層部分展示出所述生長(zhǎng)表面的暴露面積與所述生長(zhǎng)表面的未暴露面積之間的第二比率，所述第二比率與所述第一比率不同；在所述掩模層的開(kāi)口的每一個(gè)中，在所述生長(zhǎng)表面上生長(zhǎng)基底結(jié)構(gòu)；以及在所述基底結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的表面上生長(zhǎng)至少一個(gè)光生成量子阱層。在當(dāng)前上下文中，術(shù)語(yǔ)“固態(tài)發(fā)光器件”應(yīng)當(dāng)理解為基于半導(dǎo)體的發(fā)光器件，例如光致發(fā)光器件、LED、激光二極管或垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。在當(dāng)前上下文中，光源應(yīng)當(dāng)理解為在電驅(qū)動(dòng)器件中通過(guò)直接發(fā)射或在無(wú)源器件中通過(guò)跟隨光激勵(lì)的光致發(fā)光反應(yīng)來(lái)發(fā)射光的每個(gè)個(gè)體結(jié)構(gòu)。光生成量子阱(QW)層是具有比周?chē)牧细偷哪軒兜牟牧系谋?，從而形成?shì)阱。當(dāng)電荷載流子在帶隙之上復(fù)合時(shí)，生成光，并且，帶隙的尺寸確定所發(fā)射的光的波長(zhǎng)。可以在電驅(qū)動(dòng)器件中通過(guò)電注入或在無(wú)源器件中通過(guò)光激勵(lì)來(lái)提供電荷載流子。通過(guò)在至少部分弛豫的基底結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)光生成量子阱層，可以實(shí)現(xiàn)各材料成分，并從而在量子阱層中實(shí)現(xiàn)在非弛豫表面上不可能實(shí)現(xiàn)的帶隙能量。因此，提供至少部分弛豫的基底結(jié)構(gòu)促進(jìn)了量子阱層的生長(zhǎng)，其具有在非弛豫表面上不能實(shí)現(xiàn)的期望的發(fā)光屬性。特別地，可以生長(zhǎng)在可見(jiàn)光譜的紅色部分中具有發(fā)射峰值的量子阱。同樣地，可以生長(zhǎng)在基底結(jié)構(gòu)中堆疊的多個(gè)量子阱，以制造發(fā)光器件，例如LED、激光二極管和VCSEL。此外，限制開(kāi)口尺寸以實(shí)現(xiàn)弛豫結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)還使得能夠使用非晶格匹配襯底，否則，將導(dǎo)致在生長(zhǎng)更大結(jié)構(gòu)或連續(xù)膜時(shí)常出現(xiàn)的應(yīng)力相關(guān)問(wèn)題。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí):可以通過(guò)控制開(kāi)口的相對(duì)尺寸和分隔距離，尤其通過(guò)控制暴露的生長(zhǎng)表面積與掩模層面積之間的比率，來(lái)控制在一定尺寸的開(kāi)口中的生長(zhǎng)表面上外延生長(zhǎng)的基于結(jié)晶弛豫結(jié)構(gòu)的光源的屬性。
由于至少部分弛豫的基底結(jié)構(gòu)允許具有與可能在應(yīng)變材料上生長(zhǎng)的屬性不同的屬性的光生成量子阱層的后續(xù)生長(zhǎng)，因此期望實(shí)現(xiàn)這種結(jié)晶弛豫基底結(jié)構(gòu)。假設(shè)開(kāi)口中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3 μ m，那么局部表面弛豫將減小或消除否則將由于生長(zhǎng)表面的晶格常數(shù)與基底結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)之間的晶格失配而引起的應(yīng)力。例如多邊形的最大橫向尺寸是最大對(duì)角線，即，將多邊形的兩個(gè)不同非順序角相連接的最大線段。用以實(shí)現(xiàn)弛豫基底結(jié)構(gòu)的開(kāi)口中每一個(gè)的最大可允許尺寸用于由材料參數(shù)(比如，楊氏模量和晶格常數(shù))確定的所選材料組合。
從量子阱發(fā)射的光的波長(zhǎng)與量子阱厚度相關(guān)，而量子阱厚度又是在生長(zhǎng)量子阱層時(shí)使用的生長(zhǎng)條件的結(jié)果。由于通常以氣體或蒸汽形式提供前體，因此可以假定前體在沉積期間均勻地到達(dá)公共旋轉(zhuǎn)晶片配置中的晶片的整個(gè)表面。由于生長(zhǎng)僅發(fā)生在基底結(jié)構(gòu)上而不發(fā)生在掩模層表面上，因此沉積到掩模層表面上的前體材料向包含基底結(jié)構(gòu)的開(kāi)口遷移，在此處對(duì)量子阱生長(zhǎng)作出貢獻(xiàn)。因此，暴露的和未暴露的生長(zhǎng)表面積之間的比率確定了對(duì)生長(zhǎng)量子阱層來(lái)說(shuō)可用的前體材料的量。由此，晶片的暴露了生長(zhǎng)表面的較大比例的部分導(dǎo)致比在晶片的暴露了生長(zhǎng)表面的較小比例的部分上更薄的量子阱。
因此，開(kāi)口的尺寸與分隔相結(jié)合則將確定相對(duì)生長(zhǎng)速率，并由此確定在特定基底結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)的QW的厚度。因此，開(kāi)口尺寸和分隔距離的組合是用于調(diào)節(jié)QW厚度并由此調(diào)節(jié)來(lái)自特定光源的發(fā)射顏色的強(qiáng)力手段。
可以提供充當(dāng)載體的襯底。有利地，襯底可以是使得能夠接觸襯底的背面的導(dǎo)電材料的晶片。更具體地，襯底可以包括從由以下各項(xiàng)構(gòu)成的組中選擇的材料:GaN、藍(lán)寶石、硅、SiC, Zn。、ScN, TiN, HfN, AIN、ZrB2, HfB2, NbB2' BP、GaAs, GaP、LiGaO2' NdGaO3' LiAlO2'ScMgAlO4、石槽石和尖晶石。
可以在襯底的上表面上提供生長(zhǎng)表面，在上表面處，生長(zhǎng)表面促進(jìn)期望的弛豫基底結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。在當(dāng)前上下文中，有利地，生長(zhǎng)表面可以是適于基于II1-V族半導(dǎo)體的材料的外延生長(zhǎng)的表面，更具體地，生長(zhǎng)表面可以適于基于GaN的材料的外延生長(zhǎng)。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)器件，可以使用基于GaN的η摻雜生長(zhǎng)層。
可以在生長(zhǎng)表面上方布置掩模層，并且可以在掩模層中創(chuàng)建暴露生長(zhǎng)表面的開(kāi)口。有利地，掩模層可以是絕緣的，如基于SiO2的材料的情況那樣。掩模層還可以是從諸如SiNx、TiO2, ZrO2或者類(lèi)似氧化物、氮化物或碳化物之類(lèi)的廣泛的絕緣材料中選擇的。
基底結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)開(kāi)始于暴露的生長(zhǎng)表面，這意味著:在掩模層的表面上不發(fā)生生長(zhǎng)。因此，掩模層中的開(kāi)口限定了在何處生長(zhǎng)基底結(jié)構(gòu)?；捉Y(jié)構(gòu)的主要目的是充當(dāng)光生成量子阱層的后續(xù)生長(zhǎng)的基底，所述光生成量子阱層可在基底結(jié)構(gòu)的表面上生長(zhǎng)為連續(xù)膜。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)固態(tài)照明器件而言，優(yōu)選地，基底結(jié)構(gòu)是η摻雜的。
還應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于光致發(fā)光器件，并不嚴(yán)格要求量子阱。在光致發(fā)光器件中，基底結(jié)構(gòu)可以是發(fā)光結(jié)構(gòu)，盡管在這種器件中，量子阱也可以用于發(fā)光屬性的附加控制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)開(kāi)口具有基本上相同的尺寸，并且相鄰開(kāi)口之間的距離在所述第二掩模層部分中比在所述第一掩模層部分中更大。因此，在單個(gè)晶片上可以將量子阱屬性調(diào)整為在器件的不同部分中不同，同時(shí)在所述第一和第二部分中使用基本上相同的開(kāi)口尺寸。不用說(shuō)，可以存在在開(kāi)口之間具有互不相同的距離的多于兩個(gè)的掩模層部分。
這提供了在相同表面上同時(shí)產(chǎn)生發(fā)射不同波長(zhǎng)的光源的組合、同時(shí)能夠使用最優(yōu)開(kāi)口尺寸以使得在期望時(shí)可以在所有開(kāi)口中生長(zhǎng)弛豫基底結(jié)構(gòu)的高度靈活的方式。
用稍微不同的話來(lái)說(shuō)，基本上相同尺寸的開(kāi)口的密度可以在第一和第二掩模層部分中不同。例如，開(kāi)口可以是基本上規(guī)則地布置的，并且間距可以在這兩個(gè)部分之間變化。
例如，開(kāi)口之間的距離可以在第二掩模層部分中比在第一掩模層部分中大至少10%，從而可以實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)顏色區(qū)別，同時(shí)仍在弛豫基底結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)光生成量子阱層。通過(guò)局部改變開(kāi)口的分隔距離和/或開(kāi)口尺寸，可以局部調(diào)節(jié)所發(fā)射的波長(zhǎng)。通過(guò)在器件的相對(duì)較大的區(qū)域(足夠大以被單獨(dú)接觸)之上這樣做，該器件變成分段的，并從而變成顏色可調(diào)節(jié)的。另一方面，通過(guò)隨機(jī)或準(zhǔn)隨機(jī)地改變開(kāi)口尺寸和分隔中的任一個(gè)或這兩者從而改變QW厚度，可以獲得具有不同波長(zhǎng)的光源的高度均勻的混合，這在從均勻性觀點(diǎn)來(lái)看高度需要的應(yīng)用中可以作為優(yōu)勢(shì)。此外，由于使用弛豫基底結(jié)構(gòu)，調(diào)整發(fā)射的可能性與發(fā)射覆蓋可見(jiàn)光譜的波長(zhǎng)的可能性相結(jié)合使得可以生產(chǎn)發(fā)射白光的LED器件。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述多個(gè)開(kāi)口中的每個(gè)開(kāi)口具有多邊形形狀，其中，開(kāi)口的至少一個(gè)邊與所述生長(zhǎng)表面的結(jié)晶取向基本上平行地對(duì)準(zhǔn)。
開(kāi)口的形狀將對(duì)約束從多邊形形狀的開(kāi)口生長(zhǎng)的多面體的晶體平面的晶格結(jié)構(gòu)有影響?；捉Y(jié)構(gòu)中的不同晶體平面可以擁有不同生長(zhǎng)屬性，從而導(dǎo)致所生長(zhǎng)的光生成量子阱層的不同材料成分或?qū)雍穸?。量子阱的不同材料成分或厚度可以?dǎo)致發(fā)射波長(zhǎng)的移位。與基底結(jié)構(gòu)的不同晶體平面相對(duì)應(yīng)的量子阱屬性中的區(qū)別可以相對(duì)較小，并將在這種情況下主要導(dǎo)致總發(fā)射峰值的明顯展寬。更寬的發(fā)射峰值導(dǎo)致更連續(xù)的發(fā)射光譜，從而導(dǎo)致所發(fā)射的光的更好的顏色感知度。作為示例，具有不同屬性的不同晶體平面的效果將對(duì)被形成為截棱錐的多面體來(lái)說(shuō)是明顯的，其中，與在棱錐的側(cè)壁上生長(zhǎng)的量子阱相比，在頂表面上生長(zhǎng)的量子阱很可能不僅展示出不同材料成分，而且展示出顯著不同的生長(zhǎng)速率。此外，對(duì)于棱錐，一旦棱錐形狀開(kāi)始形成，結(jié)構(gòu)的總生長(zhǎng)區(qū)域(最初為掩模中的開(kāi)口)就生長(zhǎng)，并且，當(dāng)棱錐生長(zhǎng)得超出掩模時(shí)更是如此，這意味著與表面垂直的相對(duì)生長(zhǎng)速率開(kāi)始降低。這是可以利用的，原因在于:該效果將在相對(duì)較小的分隔距離下對(duì)小尺寸的孔來(lái)說(shuō)更早且在更大程度上出現(xiàn)。
不同平面處的QW的不同生長(zhǎng)速率是一種可以更強(qiáng)地調(diào)節(jié)所發(fā)射的光的顏色的方式，這是由于這將導(dǎo)致不同厚度的QW。量子阱的厚度直接確定量子限制的程度，量子限制的程度進(jìn)而(與材料成分和由晶格失配引起的應(yīng)變相結(jié)合)確定所發(fā)射的光的波長(zhǎng)。
此外，有利地，開(kāi)口的對(duì)準(zhǔn)可以被選擇為使得基底結(jié)構(gòu)的所有邊相對(duì)于生長(zhǎng)表面等值，這導(dǎo)致器件區(qū)域之上的更高程度的均勻性。
此外，有利地，開(kāi)口的受控的形狀和對(duì)準(zhǔn)可以導(dǎo)致具有更少結(jié)晶缺陷的基底結(jié)構(gòu)，從而降低非輻射復(fù)合中心的風(fēng)險(xiǎn)，非輻射復(fù)合中心降低器件的效率。
在開(kāi)口的邊與下層結(jié)晶結(jié)構(gòu)之間強(qiáng)烈未對(duì)準(zhǔn)的情況下，所生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)將部分地與各個(gè)結(jié)晶方向?qū)?zhǔn)。例如，未對(duì)準(zhǔn)的方形開(kāi)口可以導(dǎo)致分成小面的所生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，這意味著可以生長(zhǎng)具有6或8個(gè)側(cè)面的多面體。然而，可以允許一些未對(duì)準(zhǔn)，這是由于所生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)固有地與優(yōu)先生長(zhǎng)方向?qū)?zhǔn)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，有利地，開(kāi)口的形狀可以是六邊形的。通過(guò)將所生長(zhǎng)的基底結(jié)構(gòu)的邊與期望的下層結(jié)晶取向?qū)?zhǔn)從而使結(jié)構(gòu)的所有邊等值，可以實(shí)現(xiàn)更高的均勻性并從而實(shí)現(xiàn)更加良好限定的發(fā)射波長(zhǎng)，這在期望單色發(fā)射時(shí)可能是有利的。根據(jù)生長(zhǎng)表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，開(kāi)口的形狀同樣很可能是三角形、矩形或任何其他多邊形。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述用于制造固態(tài)發(fā)光器件的方法還可以包括以下步驟:在所述基底結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的光生成量子阱層上提供第一接觸結(jié)構(gòu)，并提供與該基底結(jié)構(gòu)電接觸的第二接觸結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，有利地，所述第一接觸結(jié)構(gòu)可以包括布置在所述光生成量子阱層的表面上的電荷載流子限制層，之后緊跟限制層的表面上的導(dǎo)電層。所述電荷載流子限制層是形成量子阱的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分，其中，限制層的功能是限定量子阱的邊界之一，從而提供量子阱與相鄰材料之間的能量勢(shì)壘。相對(duì)的量子阱邊界由基底結(jié)構(gòu)形成。作為示例，所述電荷載流子限制層可以是電子阻擋層，并且所述導(dǎo)電層可以包括具有布置在所述導(dǎo)電層上的接觸的P摻雜空穴傳導(dǎo)層。器件可以作為平面生長(zhǎng)的LED而被接觸，即，通過(guò)將適當(dāng)接觸層施加至η摻雜生長(zhǎng)層和P摻雜頂層。
可以在器件的相對(duì)側(cè)上形成接觸，或者這些接觸可以均處于器件的相同側(cè)上。當(dāng)這兩個(gè)接觸布置在相同側(cè)上時(shí)，可以利用透明接觸來(lái)形成該器件，并安裝該器件以使得在與接觸相同的側(cè)上提取光?？商鎿Q地，接觸可以是反射的并作為倒裝芯片而安裝，在這種情況下，從布置接觸的相對(duì)側(cè)提取光。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供掩模層的步驟可以包括以下步驟:將掩模層材料沉積在生長(zhǎng)表面上；以及根據(jù)預(yù)定義圖案來(lái)選擇性地移除掩模層材料，以形成上述開(kāi)口。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，有利地，可以通過(guò)納米壓印來(lái)進(jìn)行所述掩模層的圖案化。通過(guò)使用諸如表面共形納米壓印之類(lèi)的圖案化方法，可以在單個(gè)工藝步驟中在晶片規(guī)模上進(jìn)行圖案化。此外，可以減少或者甚至避免與其他光刻方法相關(guān)聯(lián)的晶片彎曲的問(wèn)題。有利地，可以在以來(lái)源于溶膠-凝膠的SiO2的形式提供的可變形硅石(silica)中壓印圖案，在其中形成與預(yù)定義壓印模板相對(duì)應(yīng)的多個(gè)凹坑。在納米壓印之后，硅石的薄殘余層可以保持處于凹坑的底部處。優(yōu)選地，可以通過(guò)相對(duì)于下層生長(zhǎng)層選擇性地蝕刻掩模層材料來(lái)移除殘余層，其中，例如，可以使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)來(lái)進(jìn)行移除。其他圖案化方法也是可用的，比如步進(jìn)式光刻、電子束光刻和全息干涉光刻。將針對(duì)相應(yīng)光刻方法使用合適的掩模移除方法。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種固態(tài)發(fā)光器件，包括:具有生長(zhǎng)表面的襯底；所述生長(zhǎng)表面上的掩模層，所述掩模層具有多個(gè)開(kāi)口，其中，所述開(kāi)口中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3 μ m，以及其中，所述掩模層包括第一掩模層部分和第二掩模層部分，所述第一掩模層部分和所述第二掩模層部分具有相同表面積并包括多個(gè)開(kāi)口，其中，所述第一掩模層部分展示出開(kāi)口面積與掩模層面積之間的第一比率，以及其中，所述第二掩模層部分展示出開(kāi)口面積與掩模層面積之間的第二比率，所述第二比率與所述第一比率不同；在所述掩模層的開(kāi)口的每一個(gè)中在所述生長(zhǎng)表面上生長(zhǎng)的至少部分結(jié)晶弛豫的基底結(jié)構(gòu)；以及在所述基底結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的表面上生長(zhǎng)的光生成量子阱層。
本發(fā)明的該第二方面的效果和特征大部分類(lèi)似于以上結(jié)合第一實(shí)施例描述的那些效果和特征。然而，將討論一些附加特征。
根據(jù)依照本發(fā)明的固態(tài)發(fā)光器件的實(shí)施例，有利地，所述基底結(jié)構(gòu)可以突出到所述掩模層以上。所生長(zhǎng)的基底結(jié)構(gòu)并非一定受到掩模層的厚度限制，相反，取而代之，所生長(zhǎng)的基底結(jié)構(gòu)可以突出到掩模層中的開(kāi)口以上并延伸到掩模層中的開(kāi)口之外。對(duì)于結(jié)構(gòu)已經(jīng)突出到掩模層以上之后的繼續(xù)生長(zhǎng)而言，還可以沿橫向方向使這些結(jié)構(gòu)延伸。允許延伸的生長(zhǎng)提供了除了關(guān)于本發(fā)明的第一方面討論的開(kāi)口的幾何布置外還調(diào)節(jié)基底結(jié)構(gòu)和量子阱的尺寸和幾何形狀的另一種可能性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，有利地，所述生長(zhǎng)表面可以包括布置在載體襯底上的GaN或InGaN生長(zhǎng)層。從生長(zhǎng)層可以生長(zhǎng)GaN或InGaN基底結(jié)構(gòu)，之后緊跟InGaN量子阱層。還將可以使用其他材料組合，優(yōu)選地來(lái)自基于II1-V族半導(dǎo)體的材料，以及更優(yōu)選地來(lái)自基于氮化物的II1-N材料的子集。


現(xiàn)在將參照示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其他方面，在附圖中: 圖1是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的示例性制造方法的流程圖； 圖2a_h示意性地示出了圖1中的流程圖所示出的方法的步驟； 圖3a_c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于制成固態(tài)發(fā)光器件的制造方法中的中間步驟；以及 圖4a_b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的固態(tài)發(fā)光器件的替換性光源圖案。
具體實(shí)施方式
在以下詳細(xì)描述中，主要參照基于作為發(fā)光二極管的基底的弛豫半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)的方法來(lái)討論根據(jù)本發(fā)明的用于制造固態(tài)發(fā)光器件的方法的各個(gè)實(shí)施例。
應(yīng)當(dāng)注意，這決不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明同樣適用于通過(guò)光致發(fā)光發(fā)射來(lái)發(fā)光的無(wú)源器件。使用以下描述的處理步驟的變型的制造方法也是可能的。作為示例，可以使用其他掩模圖案化方法，比如光刻法或電子束光刻。此外，該方法同樣適用于其他材料組合,主要包括來(lái)自II1-V族的基于半導(dǎo)體的材料的材料。此外，可以從實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)的多種方法中選擇生長(zhǎng)方法，例如，可以使用MBE而不使用MOVPE。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D1所示的流程圖以及圖2來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性方法，圖2示意性地示出了制造工藝的不同階段中的器件。
在第一步驟101中，如圖2a所示，提供具有生長(zhǎng)表面204的襯底201。合適的襯底可以是藍(lán)寶石或摻雜碳化硅(SiC)晶片。作為示例，如圖2a所示，將GaN層203沉積在藍(lán)寶石晶片202的表面上，以形成生長(zhǎng)表面204。由通過(guò)在常用襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)GaN而獲得的弛豫GaN的所謂緩沖層構(gòu)成的生長(zhǎng)表面是非常合適的。該GaN層的至少頂部是η摻雜的，以制造電致發(fā)光器件。
在下一步驟102中，如圖2b所示提供掩模層205。將掩模層的可變形前體層沉積在GaN生長(zhǎng)表面上。在該實(shí)施例中，可變形前體是來(lái)源于溶膠-凝膠的Si02。
在接下來(lái)的步驟103中，對(duì)掩模層205進(jìn)行圖案化。圖案化通過(guò)使用表面共形的納米壓印(SCIL)在單個(gè)步驟中將前體層壓印在晶片的整個(gè)區(qū)域之上而進(jìn)行，從而導(dǎo)致如圖2c所示的娃石層(silica layer)中的正方形形式的凹坑。凹坑中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3 μπι。由于壓印，在凹坑的底部處可能存在薄的殘余硅石層?？梢酝ㄟ^(guò)反應(yīng)離子蝕刻來(lái)移除凹坑底部處的其余硅石，從而形成暴露GaN生長(zhǎng)表面204的開(kāi)口 206。優(yōu)選地，娃石的蝕刻是相對(duì)于GaN生長(zhǎng)表面204具有選擇性的。
在生長(zhǎng)基底結(jié)構(gòu)207的后續(xù)步驟104中，如圖2d中示意性地示出的，在掩模層205的開(kāi)口 206的每一個(gè)之中，在暴露的GaN生長(zhǎng)表面204上生長(zhǎng)InGaN基底結(jié)構(gòu)207。例如，InGaN生長(zhǎng)可以在金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)反應(yīng)器中進(jìn)行，并且In含量由三甲基銦(TMI)與三乙基鎵(TEG)前體比率確定。還可以通過(guò)在生長(zhǎng)期間適配溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)In含量的變化。外延生長(zhǎng)的InGaN基底結(jié)構(gòu)207僅在GaN表面204處的開(kāi)口 206中成核，并且在硅石掩模層的表面上不發(fā)生生長(zhǎng)。由于開(kāi)口 206的有限尺寸，所產(chǎn)生的InGaN基底結(jié)構(gòu)207具有弛豫晶體結(jié)構(gòu)。在使用正方形開(kāi)口、以如本實(shí)施例中所述的方式生長(zhǎng)時(shí)，基底結(jié)構(gòu)207的形狀是正方棱錐。根據(jù)生長(zhǎng)時(shí)間，棱錐的頂部可能是平坦的。頂部的形狀對(duì)發(fā)光器件的功能來(lái)說(shuō)并不關(guān)鍵，并且諸如傳統(tǒng)棱錐之類(lèi)的形狀同樣是可能的。根據(jù)基底結(jié)構(gòu)207的掩模層厚度和生長(zhǎng)時(shí)間，基底結(jié)構(gòu)207可以突出或可以不突出到掩模層205以上。在本實(shí)施例中，在聚結(jié)之前停止基底結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，但是原理上，將同樣可以由聚結(jié)的結(jié)構(gòu)制造發(fā)光器件，只要基底結(jié)構(gòu)保持結(jié)晶弛豫即可。
在圖2e所示的下一步驟105中，在基底結(jié)構(gòu)207的表面上生長(zhǎng)薄光生成量子阱層208。外延生長(zhǎng)的量子阱層208僅在基底結(jié)構(gòu)207上生長(zhǎng)，并且在掩模層205的表面上不發(fā)生生長(zhǎng)。在該實(shí)施例中，量子阱層208包括具有比基底結(jié)構(gòu)207更高的In含量的InGaN?；捉Y(jié)構(gòu)207的弛豫晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在量子阱層208中并入在相同條件下與在非弛豫基底結(jié)構(gòu)上并入的In含量相比更高的In含量。通過(guò)增加In含量，充分地減小了帶隙，以允許綠或紅光的發(fā)射。在另一實(shí)施例中，基底結(jié)構(gòu)207可以由具有用于制造發(fā)射藍(lán)光的光源的InGaN量子阱的GaN制成。
圖2f所示的下一步驟106是電荷載流子限制層209的沉積。在本實(shí)施例中，電荷載流子限制層209包括氮化鋁鎵(AlGaN)電子阻擋層。
在圖2g所示的下一步驟107中，沉積導(dǎo)電層210。導(dǎo)電層210的沉積包括p摻雜InGaN層的沉積以及之后緊跟p++摻雜InGaN層的沉積。
在圖2h中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中的最終步驟108，其中，以導(dǎo)電接觸材料(例如ITO (銦錫氧化物)或Pd/Au)的形式沉積接觸層211。隨后可以使用傳統(tǒng)加工來(lái)限定P接觸和η接觸?？梢酝ㄟ^(guò)在頂層中蝕刻的孔或者經(jīng)由η摻雜側(cè)處的襯底移除和接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)與器件的η摻雜側(cè)的接觸。所得到的固態(tài)照明器件自身可以是連續(xù)的或分段的，以實(shí)現(xiàn)在器件區(qū)域之上對(duì)各個(gè)(基底)結(jié)構(gòu)的區(qū)別化接觸。
圖3a示出了具有圖案301的器件，其中，掩模層中的開(kāi)口 206的尺寸和分隔距離在器件的表面上是變化的。通過(guò)如概述的那樣改變開(kāi)口 206的尺寸和分隔距離，可以將所產(chǎn)生的光源調(diào)整為在不增加任何工藝步驟的情況下在相同晶片上發(fā)射不同波長(zhǎng)。一般地，如圖3a的頂部302中所示，具有更小的開(kāi)口與掩模比率導(dǎo)致更厚的量子阱層，這進(jìn)而給出與具有更大的開(kāi)口與掩模比率的區(qū)域303相比更高波長(zhǎng)處的發(fā)射。作為示例，通過(guò)將多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行組合，可以制造發(fā)射白光的器件。作為另一示例，通過(guò)分段和分別接觸發(fā)射不同波長(zhǎng)的區(qū)域，可以制成顏色可調(diào)的器件。
圖3b示出了在基底結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)之前掩模層205中的暴露生長(zhǎng)表面204的開(kāi)口206。
圖3c示意性地示出了具有相同大尺寸的開(kāi)口的器件，但是其中，開(kāi)口的分隔距離在器件的不同區(qū)域中不同。特別地，在第一區(qū)域(302)中，開(kāi)口之間的距離比在第二區(qū)域(303)中更大，這導(dǎo)致開(kāi)口的不同密度。
圖4a示意性地示出了掩模層中的開(kāi)口的可能形狀，其中，六邊形形狀402實(shí)現(xiàn)了在下層生長(zhǎng)表面中沿特定晶體方向的對(duì)準(zhǔn)。作為示例，示出了生長(zhǎng)表面的兩個(gè)示意性晶體方向(^和(32。還示出了:可以將六邊形開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)，使得其具有與晶體方向基本上平行的邊(404、405)。通過(guò)將所生長(zhǎng)的基底結(jié)構(gòu)的邊與期望的下層結(jié)晶取向?qū)?zhǔn)從而使該結(jié)構(gòu)的所有邊等值，可以實(shí)現(xiàn)更高的均勻性并從而實(shí)現(xiàn)更加可控的發(fā)射屬性。當(dāng)如圖4b所示在六邊形圖案403中包入了六邊形開(kāi)口 402時(shí)，可以獲得甚至更高程度的均勻性，此時(shí)，相鄰六邊形之間的距離也可以被選擇為恒定。
作為示例，沿GaN表面上的低指數(shù)取向?qū)㈤_(kāi)口的六邊形配置對(duì)準(zhǔn)意味著:所有開(kāi)口壁將沿著(10-10)或(11-20)方向。
作為另一示例，沿GaN的C平面上的主要低指數(shù)結(jié)晶軸取向的三角形開(kāi)口將導(dǎo)致等效晶體平面的明確定義的結(jié)晶生長(zhǎng)。
作為又一示例，當(dāng)在藍(lán)寶石的均展示出矩形對(duì)稱(chēng)的M平面、A平面或R平面上生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，最初生長(zhǎng)平面的至少兩個(gè)不同集合，并可以通過(guò)選擇開(kāi)口的尺寸形狀和取向來(lái)調(diào)節(jié)平面之間的比率。
本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明決不限于以上描述的優(yōu)選實(shí)施例。相反，許多修改和變型在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)是可能的。例如，根據(jù)本發(fā)明的方法還可以用于制造垂直腔發(fā)射激光器(VCSEL)和激光二極管(LD)。此外，已經(jīng)根據(jù)上述方法制造了 LED，但利用不同材料成分來(lái)制造是同樣可能的。此外，通過(guò)省略η型和P型摻雜以及接觸層，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)非常適于充當(dāng)具有關(guān)于如上所述的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)和選擇的大多數(shù)屬性的光致發(fā)光發(fā)射器。這樣的材料可以直接由合適的UV或藍(lán)光發(fā)射光源照明或者通過(guò)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而被照明。此外，一般而言，通過(guò)提供具有與晶格參數(shù)和應(yīng)變水平相關(guān)的期望屬性的用于生長(zhǎng)的表面，本發(fā)明的基本原理還可以適用于基于半導(dǎo)體的器件的制造，所述半導(dǎo)體是基于II1-V族的。
權(quán)利要求
1.一種用于制造具有多個(gè)光源的固態(tài)發(fā)光器件的方法，所述方法包括以下步驟: 提供具有生長(zhǎng)表面(204)的襯底(201)； 在所述生長(zhǎng)表面上提供掩模層(205)，所述掩模層具有多個(gè)開(kāi)口(206)，通過(guò)所述多個(gè)開(kāi)口(206),暴露所述生長(zhǎng)表面(204),其中，所述開(kāi)口(206)中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3 μ m,以及其中，所述掩模層(205)包括第一掩模層部分(302)和第二掩模層部分(303),所述第一掩模層部分(302)和所述第二掩模層部分(303)中的每一個(gè)包括暴露所述生長(zhǎng)表面(204)的多個(gè)開(kāi)口(206)， 其中，所述第一掩模層部分(302)展示出所述生長(zhǎng)表面(204)的暴露面積與所述生長(zhǎng)表面(204)的未暴露面積之間的第一比率，以及其中，所述第二掩模層部分(303)展示出所述生長(zhǎng)表面(204)的暴露面積與所述生長(zhǎng)表面(204)的未暴露面積之間的第二比率，所述第二比率與所述第一比率不同； 在所述掩模層(205 )的所述開(kāi)口( 206 )中的每一個(gè)中，在所述生長(zhǎng)表面(204)上生長(zhǎng)基底結(jié)構(gòu)(207);以及 在所述基底結(jié)構(gòu)(207)中的每一個(gè)的表面上生長(zhǎng)至少一個(gè)光生成量子阱層(208)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個(gè)開(kāi)口具有基本上相同的尺寸，以及其中，相鄰開(kāi)口之間的距離在所述第二掩模層部分(303)中比在所述第一掩模層部分(302)中更大。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述多個(gè)開(kāi)口(206)中的每一個(gè)開(kāi)口具有多邊形形狀，其中，所述開(kāi)口的至少一個(gè)邊與所述生長(zhǎng)表面(204)的結(jié)晶取向基本上平行地對(duì)準(zhǔn)。
4.根據(jù)前述權(quán)利 要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述開(kāi)口是六邊形的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟:在所述基底結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的光生成量子阱層(207)上提供第一接觸結(jié)構(gòu)，并提供與該基底結(jié)構(gòu)電接觸的第二接觸結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，提供第一接觸結(jié)構(gòu)的步驟包括以下步驟: 在所述光生成量子阱層(208)的表面上生長(zhǎng)電荷載流子限制層(209)； 在所述電荷載流子限制層(209)的表面上提供導(dǎo)電層(210);以及 提供與所述導(dǎo)電層的接觸。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述提供掩模層(205)的步驟包括以下步驟: 將掩模層材料沉積在所述生長(zhǎng)表面上；以及 選擇性地移除掩模層材料以形成所述開(kāi)口(206)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述選擇性地移除的步驟包括以下步驟: 通過(guò)經(jīng)由納米壓印在所述掩模層(205)中產(chǎn)生多個(gè)凹坑，對(duì)所述掩模層(205)進(jìn)行圖案化；以及 通過(guò)相對(duì)于所述生長(zhǎng)表面材料選擇性地蝕刻所述掩模層材料，在所述凹坑的底部處移除所述掩模層材料，以形成暴露所述生長(zhǎng)表面(204)的所述開(kāi)口(206)。
9.一種固態(tài)發(fā)光器件,包括: 具有生長(zhǎng)表面(204)的襯底(201)；所述生長(zhǎng)表面(204)上的掩模層(205)，所述掩模層(205)具有多個(gè)開(kāi)口(206)，其中，所述開(kāi)口中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3 μ m，以及其中，所述掩模層(205)包括第一掩模層部分(302 )和第二掩模層部分(303 )，所述第一掩模層部分(302 )和所述第二掩模層部分(303)中的每一個(gè)包括多個(gè)開(kāi)口(206)， 其中，所述第一掩模層部分(302)展示出開(kāi)口面積與掩模層面積之間的第一比率，以及其中，所述第二掩模層部分(303)展示出開(kāi)口面積與掩模層面積之間的第二比率，所述第二比率與所述第一比率不同； 在所述掩模層(205 )的所述開(kāi)口( 206 )中的每一個(gè)中，在所述生長(zhǎng)表面(204)上生長(zhǎng)的至少部分結(jié)晶弛豫的基底結(jié)構(gòu)(207);以及 在所述基底結(jié)構(gòu)(207)中的每一個(gè)的表面上生長(zhǎng)的光生成量子阱層(208)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)發(fā)光器件，其中，所述多個(gè)開(kāi)口具有基本上相同的尺寸，以及其中，相鄰開(kāi)口之間的距離在所述第二掩模層部分(303)中比在所述第一掩模層部分(302)中更大。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的固態(tài)發(fā)光器件，其中，所述多個(gè)基底結(jié)構(gòu)(207)中的每一個(gè)具有多邊形形狀，其中，所述多邊形的至少一個(gè)邊與所述生長(zhǎng)表面(204)的結(jié)晶取向基本上平行地對(duì)準(zhǔn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的固態(tài)發(fā)光器件，還包括:第一接觸結(jié)構(gòu)，布置在所述基底結(jié)構(gòu)(207)中的每一個(gè)的光生成量子阱層(208)上；以及第二接觸結(jié)構(gòu)，與該基底結(jié)構(gòu)電接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的固態(tài)發(fā)光器件，其中，所述基底結(jié)構(gòu)(207)中的每一個(gè)突出到所述掩模層(205)以上。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至 13中任一項(xiàng)所述的固態(tài)發(fā)光器件，其中，所述生長(zhǎng)表面(204)和基底結(jié)構(gòu)(207)中的至少一個(gè)包括GaN或InGaN。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的固態(tài)發(fā)光器件，其中，所述量子阱層(208)包括 InGaN。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于制造具有多個(gè)光源的固態(tài)發(fā)光器件的方法，所述方法包括以下步驟提供具有生長(zhǎng)表面的襯底；在所述生長(zhǎng)表面上提供掩模層，所述掩模層具有多個(gè)開(kāi)口，通過(guò)所述多個(gè)開(kāi)口，暴露所述生長(zhǎng)表面，其中，所述開(kāi)口中的每一個(gè)的最大橫向尺寸小于0.3μm，以及其中，所述掩模層可以包括第一掩模層部分和第二掩模層部分，所述第一掩模層部分和所述第二掩模層部分具有相同表面積并包括多個(gè)開(kāi)口，其中，所述第一掩模層部分展示出所述生長(zhǎng)表面的暴露面積與所述生長(zhǎng)表面的未暴露面積之間的第一比率，以及其中，所述第二掩模層部分展示出所述生長(zhǎng)表面的暴露面積與所述生長(zhǎng)表面的未暴露面積之間的第二比率，所述第二比率與所述第一比率不同；在所述掩模層的開(kāi)口的每一個(gè)中，在所述生長(zhǎng)表面上生長(zhǎng)基底結(jié)構(gòu)；以及在所述基底結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的表面上生長(zhǎng)至少一個(gè)光生成量子阱層。
文檔編號(hào)H01L21/02GK103190005SQ201180053408
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者A.R.巴肯恩德, M.A.維斯楚尤倫, G.伊明克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司