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CN101916802B - Ⅲ-v发光器件 - Google Patents

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CN101916802B CN2010102492977A CN201010249297A CN101916802B CN 101916802 B CN101916802 B CN 101916802B CN 2010102492977 A CN2010102492977 A CN 2010102492977A CN 201010249297 A CN201010249297 A CN 201010249297A CN 101916802 B CN101916802 B CN 101916802B
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Abstract

一种半导体结构，包括n型区、p型区和布置在n型区和p型区之间的III-氮化物发光层。所述III-氮化物发光层具有大于3.19ú的晶格常数。这种半导体结构可以在衬底上生长，所述衬底包括基质和与所述基质粘结的种子层。在某些实施例中，粘结层把基质粘结到种子层。种子层比用于松弛半导体结构中的应变的临界厚度更薄，如此使得半导体结构中的应变通过在种子层中形成的位错而减轻，或者通过在种子层和粘结层之间滑动两个层之间的界面来减轻。在某些实施例中，可以通过蚀刻掉粘结层来使所述基质与半导体结构和种子层分离。

Description

Ⅲ-V发光器件
本申请是申请日为2006年9月22日、申请号为200680035651.8、发明名称为“III-V发光器件”的专利申请的分案申请。 
技术领域
本发明涉及诸如发光二极管之类的半导体发光器件，具体来讲，涉及其上可以生长这种发光器件的生长衬底。 
相关技术说明 
包括发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器在内的半导体发光器件是现用的最有效的光源。在制造能够跨越可见光谱进行操作的高亮度发光器件的过程中，目前所关注的材料体系包括组III-V半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也将其称为III-氮化物材料。通常，III-氮化物发光器件是通过金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者其它外延生长工艺在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或者其它适当的衬底上外延生长具有不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造的。所述叠层往往包括在衬底上形成的例如掺杂了Si的一个或多个n型层、位于在一个或多个n型层上形成的有源区中的一个或多个发光层、以及在所述有源区上形成的例如掺杂了Mg的一个或多个p型层。在n和p型区上形成有电触点。 
由于天然的III-氮化物衬底通常较为昂贵并且无法被广泛利用，所以III-氮化物器件往往在蓝宝石或者SiC衬底上生长。这种非III氮化物衬底因几个原因而非最佳。 
首先，与在它们之上生长的III-氮化物层相比，蓝宝石和SiC具有不同的晶格常数，致使在III-氮化物器件层中的变形和晶体缺陷，这会导致性能和可靠性不良的问题。 
其次，在某些器件中，期望去除生长衬底，以便例如改进器件的光学属性或者增加对在生长衬底上生长的半导体层的电访问。在蓝宝石衬底的情况下，所述生成衬底往往是通过在蓝宝石和半导体层之间的 界面处对III-氮化物材料(在典型情况下，其为GaN)进行激光分离来去除。激光分离会在半导体层中产生震动波，这会损坏半导体或者接触层，很可能恶化所述器件的性能。其它衬底可以通过诸如蚀刻之类的其它技术来去除。 
发明内容
依照本发明的实施例，一种半导体结构包括n型区，p型区和布置在n型区和p型区之间的III-氮化物发光层。所述III-氮化物发光层具有大于 
Figure BSA00000223153700021
的晶格常数。这种结构可以在衬底上生长，所述衬底包括基质和与所述基质粘结的种子层。在某些实施例中，粘结层把基质粘结到种子层。在某些实施例中，种子层可以比用于松弛半导体结构中的应变的临界厚度更薄，如此使得半导体结构中的应变通过在种子层中形成的位错来减轻，或者通过在种子层和粘结层之间的界面处的这些层之间的滑动来减轻。在某些实施例中，在半导体结构中的种子层的晶格常数与成核层的晶格常数之差小于1％。在某些实施例中，所述基质的热膨胀系数至少是至少一层半导体结构的热膨胀系数的90％。在某些实施例中，在种子层中形成沟槽以便减少半导体结构中的应变。在某些实施例中，可以通过利用蚀刻将粘结层蚀刻掉来把所述基质与半导体结构和种子层分离开，所述蚀刻优选为腐蚀在半导体结构上的粘结层。 
依据本发明的一个方面，提供了一种结构，包括： 
基质衬底； 
InGaN种子层；以及 
粘结层，设置在所述InGaN种子层与所述基质衬底之间； 
其中所述InGaN种子层包括III-氮化物材料能够在其上成核的表面。 
依据本发明的另一个方面，提供了一种结构，包括： 
基质衬底； 
种子层，其中所述种子层是III-氮化物材料能够在其上成核的材料；以及 
粘结层，设置在所述种子层与所述基质衬底之间； 
其中多个沟槽形成在所述种子层中。 
依据本发明的又一个方面，提供了一种结构，包括： 
生长衬底，包括： 
基质衬底； 
III-氮化物种子层；以及 
粘结层，设置在所述种子层与所述基质衬底之间； 
生长在所述种子层上的III-氮化物结构，所述III-氮化物结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层。 
附图说明
图1说明了在包括基质衬底、粘结层和种子层的复合生长衬底上生长的III-氮化物半导体结构。 
图2说明了粘结到第二基质衬底的图1中的结构。 
图3说明了图2在去除了种子层、粘结层和第一基质衬底之后并且在外延层的暴露表面上形成触点之后的结构。 
图4说明了基质衬底和粘结层。 
图5说明了粘结到种子层材料的厚晶片的图4中的结构。 
图6说明了在去除了一部分种子层材料的厚晶片以便留下期望厚度的种子层之后的复合衬底。 
图7说明了在种子层材料的厚晶片中注入气泡层。 
图8说明了粘结到图4结构的图7的结构。 
图9说明了具有包括图案化种子层的复合衬底的器件。 
图10说明了在复合衬底的种子层上生长的倒装晶片器件。 
具体实施例
依照本发明的实施例，如图1中所示，诸如III-氮化物发光器件之类的半导体发光器件在复合生长衬底10上生长。衬底10包括基质衬底12、种子层16和用于把基质12粘结到种子16的粘结层14。衬底10中的每一层由能够承受在器件中生长半导体层所需的加工条件的材料来形成。例如，在通过MOCVD生长的III-氮化物器件的情况下，衬底10中的每一层必须能够忍受温度超过1000℃的H2环境；在通过MBE生长的III-氮化物器件的情况下，衬底10中的每一层必须能够在真空中忍受超过600℃的温度。 
基质衬底12为衬底10和在衬底10上生长的半导体设备层18提供机械支撑。基质衬底12通常厚度在3到500微米之间，并且往往比100微米更厚。在基质衬底12保留为器件一部分的实施例中，如果通过基质衬底12从所述器件提取光，那么基质衬底12可以至少是半透明的。一般说来，基质衬底12不必是单晶材料，这是因为器件层18不直接在基质衬底12上生长。在某些实施例中，需要对基质衬底12的材料进行选择，以便具有与器件层18的热膨胀系数(CTE)和种子层16的CTE相匹配的CTE。在本发明的实施例中，能够承受外延层18的加工条件的任何材料都是合适的，这些材料包括半导体、陶瓷和金属。诸如GaAs之类的材料可与诸如在GaAs基质和种子层16之间淀积的氮化硅之类的非渗透覆盖层一起使用，所述GaAs具有接近器件层18的CTE的理想CTE，但是当处于通过MOCVD生长III-氮化物层所需的温度时，其通过升华被分解。表1说明了III-氮化物材料的CTE和某些合适的基质衬底材料的CTE： 
表1：基质衬底材料的热膨胀系数 
Figure BSA00000223153700041
种子层16是其上生长器件层18的层，由此，它必须是III-氮化物晶体可以在其上成核的材料。种子层16的厚度可以在大约 
Figure BSA00000223153700042
到1μm的之间。在某些实施例中，种子层16与器件层18的材料的CTE相 匹配。种子层16通常是单晶材料，其具有与器件层18相当接近的晶格匹配。往往，其上生长有器件层18的种子层16的顶面的结晶方位是纤锌矿[0001]c轴。在其中种子层16保留为最终器件的一部分的实施例中，如果通过种子层16从所述器件提取光，那么种子层16可以是透明的或者很薄。表2举例说明了某些种子层材料的晶格常数： 
表2：种子层材料的晶格常数 
Figure BSA00000223153700051
一个或多个粘结层14把基质衬底12粘结到种子层16。粘结层14厚度可以在大约 
Figure BSA00000223153700052
到1μm之间。适合的粘结层示例包括诸如SiO2的SiOx、诸如Si3N4的SiNx、HfO2、其混合物、诸如Mo、Ti、TiN的金属、其它合金以及其它半导体或者电介质。由于粘结层14将基质衬底12连接到种子层16，所以要选择形成粘结层14的材料以便在基质12和种子16之间提供优良的附着力。在某些实施例中，粘结层14是这样的释放层，其由可以通过不腐蚀器件层18的蚀刻方式来蚀刻的材料形成，由此从基质衬底12释放器件层18和种子层16。例如，粘结层14可以是SiO2，其可以通过HF来湿蚀刻，而不会损坏III-氮化物器件层18。在粘结层14保留为部分最终器件的实施例中，粘结层14最好是透明的或者非常薄。在某些实施例中，粘结层14可以被省去，而把种子层16直接附着到基质衬底12。 
器件层18是通过所属技术领域已知的生长工艺生长的常规III-氮化物器件层。邻近于种子层16的一层的组分可以根据其晶格常数或者其它属性、和/或根据其在种子层16的材料上成核的能力来选择。 
在本发明的某些实施例中，种子层16和粘结层14是与基质衬底 12一起膨胀和收缩的厚层。例如，粘结层14和种子层16两者可以都比 
Figure BSA00000223153700061
更厚。在种子层16上生长的外延层18因外延层18和种子层16之间的晶格失配而发生应变，由此为了限制应变，需要将种子层的组分选为使其与外延层18在晶格方面十分匹配。另外，要选择种子层16和基质衬底12的组分以便其CTE接近于外延层18的CTE。在某些实施例中，如此来选择基质衬底和种子层的材料，即：基质的CTE至少是至少一个器件层的CTE的90％，所述至少一个器件层诸如是发光层。可能的种子层/粘结层/基质衬底组合的示例包括Al2O3/氧化物/Al2O3或者氧化铝；SiC/氧化物/具有相当接近的CTE的任意基质；ZnO/氧化物/具有相当接近的CTE的任意基质；以及诸如GaN之类的III-氮化物材料/氧化物/具有相当接近的CTE的任何基质。 
如果基质衬底12的CTE大于外延层18的CTE，那么外延层18在室温下处于受压应变。外延层18中的受压应变允许高Si掺杂的n型层生长，并且允许例如大于2μm厚的外延区18生长。相反，如果基质衬底12的CTE小于外延层18的CTE，那么外延层18在室温下处于受拉应变，如此使得外延层18内的厚度和掺杂级别因破裂而受限。因此，通常要将基质衬底12的组成选择为其CTE大于外延层18的CTE。 
在本发明的某些实施例中，通过把种子层16的厚度限制为小于或者接近等于外延层18的临界厚度，即外延层18松弛并且不再变形的厚度，由此来提供在复合衬底10上生长的外延层18中的应变消除。例如，在具有蓝宝石或者其它基质衬底12和SiC种子层16的复合衬底中，种子层16的厚度可以在50到 
Figure BSA00000223153700062
之间。 
在外延层18生长期间，随着层18的厚度在薄种子层的厚度上的增加，由于在晶格失配的种子层16上生长而在外延层18内导致的应变负担从外延层18转移到种子层16。一旦外延层18的厚度超出松弛临界点，就通过在种子层16内形成的位错以及通过在顺从的粘结层14和种子层16之间的滑动来提供外延层18内的应变消除，而不是通过经由外延层18向上传播位错来提供。当通过在种子层中形成位错来把应变负担从外延层18转移到种子层16时，种子层的晶格常数可以从松弛并且自立时种子层的晶格常数转变为接近于或者相同于外延层中的晶格常数的晶格常数。由此外延层18是高度无位错的高质量层。例如，器件层18中的螺线位错的密集度可以被局限于小于109cm-2，优选 是局限于小于108cm-2，更优选是局限于小于107cm-2，并且更优选是局限于小于106cm-2。 
如上所述，邻近于种子层16的III-氮化物层的组成通常为其在种子层16的材料上的成核能力来进行选择。在此实施例的上述示例中，其中SiC种子层16附着于蓝宝石基质衬底12，在种子层16上生长的III-氮化物层可以是AlN，其在SiC上成核良好并且具有相当接近于SiC的晶格常数的晶格常数。外延层18的组成可以按照III-氮化物层的任何组合的组成粒度(compositional grading)或者超晶格在层18的厚度上变换。例如，可以把非常薄的AlN层直接淀积在SiC种子层16上，然后添加GaN以形成减少AlN组分的AlGaN，直到AlN组分达到0％为止，最终产生GaN。通过然后添加并且增加InN的组成直到达到所期望的InGaN组成为止，所述组成可以从GaN转变为InGaN。 
在此实施例中，随着种子层厚度的减少，种子层16、基质衬底12和外延层18的CTE之间的匹配，以及种子层16和外延层18的晶格常数之间的匹配变得较不重要，这是因为薄种子层更能够扩展、形成位错或者在与粘结层14的界面上滑动以便减轻外延层18中的应变。 
在某些实施例中，如此来选择种子层16的材料和在种子层上生长的第一外延层18的材料，使得种子层16的晶格常数和在种子层上生长的第一外延层(也称为成核层)的晶格常数之间的差小于1％。例如，GaN或者InGaN成核层可以在复合生长衬底上生长，所述复合生长衬底包括通过氧化物粘结层粘结到任何基质衬底的ZnO种子层16，且该基质衬底的CTE相当接近于ZnO种子的CTE。ZnO的晶格常数是3.24。成核层的晶格常数可以例如在3.21和3.27之间，这取决于成核层的InN组成。例如，In0.09Ga0.91N成核层具有大约3.21的晶格常数，而In0.16Ga0.84N成核层具有大约3.24的晶格常数。由于ZnO可以在通过MOCVD生长InGaN所需的温度处分解，所以在具有ZnO种子层的复合衬底上生长的第一III-氮化物层可以通过诸如MBE之类的低温技术来生长。作为选择，晶格常数为3.11的AlN成核层可以在晶格常数为3.08的SiC种子层上生长。 
限制种子层和成核层的晶格常数之间的差可以减少器件中的应变量，这很可能减少在器件的外延层18中形成的位错的数目。在某些器件中，诸如成核层之类的外延层18中的晶格常数可以大于种子层16 中的晶格常数，因此外延层处于受压应变而不是受拉应变下。 
在某些实施例中，将基质衬底材料选择为具有这样的CTE，所述CTE令种子层的晶格常数在受热时伸长所期望的量，以便更加紧密地与外延层18的晶格常数相匹配。基质衬底12可以如此被选择，以使得在III-氮化物外延层18的生长温度处、其CTE结果导致种子层16内的受拉应变。种子层16的晶格常数因受拉应变而扩展，以便更好地匹配使外延层18的发光层发出可见光所必需的高InN组成(例如In0.15Ga0.85N)的晶格常数。在具有SiC种子层16位于蓝宝石基质衬底12上或者GaN种子层16位于多晶SiC基质衬底12上的复合衬底中，经扩展的种子层晶格常数是可能的。在由基质衬底12把受拉应变施加到种子层16的情况下，种子层16越薄，种子层16越能够忍受受拉应变而不会破裂。一般说来，把种子层16的晶格常数和成核层的晶格常数之间的差限制为小于大约1％是合乎需要的，特别是其中想把种子层的伸长后晶格常数与成核层的晶格常数相匹配的情况下更是如此。 
在选择基质衬底材料以拉伸种子层的晶格常数的一个例子中，在具有CTE大约为4×10-6℃-1并且晶格常数为3.08的SiC种子层16的衬底上生长CTE大约为5×10-6℃-1并且晶格常数为3.11的AlN成核层。基质衬底12可能具有至少为10×10-6℃-1的CTE。如果基质衬底12具有至少为15×10-6℃-1的CTE，那么随着环境温度升高到适合于生长外延层18的温度(例如大约1000℃)，基质衬底12的扩展将致使SiC种子层16的晶格常数扩大到与已生长的AlN成核层的晶格常数相匹配。因为种子层16和成核层之间没有晶格常数失配，所以AlN成核层可以无位错地或者具有非常低的位错密度来生长。具有至少为15×10 -6℃-1的CTE的合适基质衬底材料的一个示例是海钠合金(HaynesAlloy)214、UNS#N07214，这是一种75％Ni、16％Cr、4.5％Al和3％Fe的合金，且CTE为18.6×10-6℃-1并且熔点为1355℃。在另一个示例中，在具有AlN种子层16的衬底上生长具有高达50％AlN的AlGaN成核层。在另一个示例中，在具有GaN种子层16的衬底上生长InGaN成核层。可以在器件的晶片上形成沟槽，以便当生长之后把晶片冷却到室温并且种子层16的晶格常数再次收缩时，防止形成位错。下面将根据图9来描述这种沟槽。 
在某些实施例中，可以通过在粘结层14上将种子层形成为条纹或 者栅格而不是单个不间断层来提供外延层18中的进一步应变消除。作为选择，可以将种子层形成为单个不间断层，然后例如通过形成沟槽来从中去除，以便提供应变消除。图9是具有包括形成为条纹的种子层16的复合衬底的器件的横截面视图。单个不间断的种子层16可以通过粘结层14附属于基质衬底12，然后通过常规的光刻技术形成图案，以便去除部分种子层来形成条纹。每一种子层条纹的边缘可以通过在种子层的条纹边缘处集中外延层18内的位错来提供额外的应变消除。种子层16、粘结层14和成核层的组成可以如此选择，使得成核层材料优选在种子层16上成核，而不是在由部分种子层16之间的间隔而暴露的部分粘结层14上成核。 
在发光器件的晶片上，图9中示出的种子层16中的沟槽可以间隔大约单个器件宽度的量级，例如分开几百微米或者几百毫米。在具有已形成图案的种子层的复合衬底上形成的器件晶片可以如此被划分，以便种子层部分的边缘不位于单个器件的发光层之下，这是由于种子层边缘处集中的位错可能导致性能或可靠性不良的问题。作为选择，可以例如以分开几微米或者数十微米间隔的量级，在单个器件宽度内形成多个沟槽。这种衬底上的生长条件可以如此选择，以使得在种子层16或者后面的外延层上形成的成核层在种子层16中形成的沟槽上方接合，以便晶片上的器件的发光层形成为没有被种子层16中的沟槽间断的连续层。 
在上面的实施例和示例中描述的某些复合衬底可以如图4-6中所示那样来形成。图4-6说明了当种子层的膨胀材料可易于得到时，复合衬底的形成；例如，具有SiC、Al2O3、ZnO种子层的衬底以及诸如AlN之类的某些可能的III-氮化物层的形成。如图4所述，通过适合于粘结层和基质衬底材料的常规工艺在基质衬底12上形成粘结层14。例如，可以例如通过诸如化学气相淀积之类的淀积工艺在Al2O3基质衬底12上淀积SiO2粘结层14。在某些实施例中，可以在淀积之后通过例如机械抛光之类、使粘结层14变平的工艺来加工粘结层14。 
然后，如图5所示，把种子层材料的厚晶片16A粘结到粘结层14的暴露表面。种子层材料晶片16A必须也是平的，以便形成到粘结层14的强力粘结。基质衬底12和晶片16A在高温和高压下粘结。 
然后，如图6所示，通过适合于种子层16的组成的工艺60把超出 所期望的种子层16厚度的部分种子层材料16A去除。例如，Al2O3种子层材料可以通过碾磨去除，而SiC种子层材料可以通过蚀刻去除。最终得到的结构是如上所述的复合衬底10。 
图4、7和8说明了用于形成如上所述的复合衬底的替代方法。正如在上文根据图4-6所述的方法那样，首先在基质衬底12上形成粘结层14，然后如图4所示，必要时进行加工以使粘结层14变平。 
单独地，种子层材料的晶片16B被注入70诸如氢、氘或者氦之类的材料72，以便在与最终复合衬底中的种子层16期望厚度相对应的深度72处形成气泡层。种子层材料晶片16B可以是单一材料，诸如Al2O3，或者它也可以包括不同的材料，诸如如下所述、在Al2O3晶片上外延生长或者粘结到基质衬底的III-氮化物层。 
晶片16B粘结到粘结层14，以使注入了氢的晶片16B的一侧粘结到粘结层14。如上根据图5所述那样，粘结层14的暴露表面和晶片16B的表面都必须足够平，以便在高温和高压下形成强力粘结。最终的结构如图8所述。然后，在惰性环境中把图8的粘结结构加热到例如大于约500℃的温度，加热使注入晶片16B的气泡层膨胀，使晶片16B的薄种子层部分在注入气泡层72的厚度处从晶片16B的其余部分分离出来，由此产生如上所述的最终复合衬底10。 
在包括不易于用作膨胀材料的种子层材料的上述实施例和示例中，例如在诸如GaN、AlGaN、InGaN、InN和AlN之类的III-氮化物种子层通过诸如MOCVD或者MBE之类的外延生长技术在诸如蓝宝石之类的适当生长衬底上生长的情况下，必须单独地预备种子层。在生长衬底上生长了适当厚度的种子层材料之后，可以把种子层附于适当的基质，并且通过适合于所述生长衬底的技术去除所述生长衬底。 
在某些实施例中，诸如III-氮化物种子层材料，所述种子层在生长衬底上具有应变地生长。当种子层16与基质衬底12相连并且从生长衬底释放时，如果种子层16和基质衬底16之间的连接是顺从的，例如是顺从的粘结层14，那么种子层16至少可部分松弛。因此，尽管种子层是作为应变层生长的，也可以如此选择组成，以便种子层从生长衬底释放并且松弛之后，种子层的晶格常数相当接近种子层上生长的外延层18的晶格常数或者与之匹配。 
例如，当III-氮化物器件在Al2O3上常规地生长时，在衬底上生 长的第一层通常是晶格常数约为3.19的GaN缓冲层。该GaN缓冲层为在缓冲层上方生长的全部器件层(包括往往是InGaN的发光层)设置晶格常数。由于松弛、自立的InGaN具有比GaN更大的晶格常数，所以当在GaN缓冲层上方生长时，发光层发生应变。相反，在本发明的实施例中，InGaN种子层在常规衬底上具有应变地生长，然后粘结到基质并且从生长衬底释放，以便InGaN种子层至少部分松弛。在松弛之后，InGaN种子层具有比GaN更大的晶格常数。照此，与GaN相比，InGaN种子层的晶格常数和与InGaN发光层具有相同组成的松弛自立层的晶格常数更加匹配。包括InGaN发光层在内，在InGaN种子层上方生长的器件层将复现InGaN种子层的晶格常数。因此，具有松弛的InGaN种子层晶格常数的InGaN发光层与具有GaN缓冲层晶格常数的InGaN发光层相比应变更小。减少发光层中的应变可以改进器件的性能。 
例如，传统在蓝宝石上生长的GaN缓冲层可能具有 
Figure BSA00000223153700111
的晶格常数。发射蓝光的InGaN层可能具有In0.12Ga0.88N的组成，其是自立晶格常数为 
Figure BSA00000223153700112
的组成。发光层中的应变是发光层中的实际晶格常数(对于在常规GaN缓冲层上生长的层而言是 )与相同组成的自立层的晶格常数之间的差，因此应变可以被表示为(afreestanding-aactual)/afreestanding。在常规的In0.12Ga0.88N层的情况下，应变是 
Figure BSA00000223153700114
Figure BSA00000223153700115
约为1.23％。如果相同组成的发光层在具有InGaN种子层的复合衬底上生长，那么可以减少或者消除应变，这是因为InGaN种子层的较大晶格常数造成发光层中较大的实际晶格常数。在本发明的某些实施例中，发射430和480纳米之间的光的器件发光层中的应变可以被减少为小于1％，并且优选是小于0.5％。用于发射青色光的InGaN层可能具有In0.16Ga0.84N的组成，当在常规的GaN缓冲层上生长时，其是可能具有约为1.7％的应变的组成。在本发明的某些实施例中，发射480和520纳米之间的光的器件发光层中的应变可以被减少为小于1.5％，并且优选是小于1％。用于发射绿光的InGaN层可能具有In0.2Ga0.8N的组成，其是自立晶格常数为 
Figure BSA00000223153700116
的组成，并且当在常规的GaN缓冲层上生长时，最终导致约为2.1％的应变。在本发明的某些实施例中，发射520和560纳米之间的光的器件发光层中的应变可以被减少为小于2％，并且优选小于1.5％。 
III-氮化物种子层材料需要额外的粘结步骤以便以期望的定向形 成具有III-氮化物种子层的复合衬底。在蓝宝石或者SiC生长衬底上生长的III-氮化物层通常生长为c-平面纤锌矿。这种纤锌矿III-氮化物结构具有镓表面和氮表面。III-氮化物优选如此生长，以便生长层的顶面是镓表面，而底面(邻近于生长衬底的表面)是氮表面。简单传统地在蓝宝石或者SiC上生长种子层材料，然后把种子层材料与基质连接并且去除生长衬底，这会结果产生具有暴露的氮表面的III-氮化物种子层的复合衬底。如上所述，III-氮化物优选在镓表面上生长，即以镓表面作为顶面，由此当结晶定向从以氮表面作为顶面的定向转变为以镓表面作为顶面的定向时，在氮表面上生长会不期望地把缺陷引入晶体中，或者结果产生不良质量的材料。 
为了形成具有以镓表面作为顶面的III-氮化物种子层的复合衬底，种子层材料可以传统地在生长衬底上生长，然后粘结到任何适当的第一基质衬底，然后与生长衬底分离，以便种子层材料经由镓表面粘结到第一基质衬底，并留下通过去除生长衬底而暴露的氮表面。然后把种子层材料的氮表面粘结到第二基质衬底10，即依照本发明实施例的复合衬底的基质衬底。在粘结到第二基质衬底之后，通过适合于生长衬底的工艺去除第一基质衬底。在最终的复合衬底中，种子层材料16的氮表面经由可选的粘结层14粘结到基质衬底12(第二基质衬底)，以便暴露III-氮化物种子层16的镓表面以便生长外延层18。 
例如，在蓝宝石衬底上传统地生长GaN缓冲层，继之以InGaN层，其将形成复合衬底的种子层。所述InGaN层可以利用或不利用粘结层来粘结到第一基质衬底。通过激光熔化邻近于蓝宝石的GaN缓冲层来去除蓝宝石生长衬底，然后通过蚀刻来去除因去除蓝宝石而暴露的剩余GaN缓冲层，这结果产生粘结到第一基质衬底的InGaN层。如上根据图7所述，所述InGaN层可以被注入诸如氢、氘或者氦之类的材料，以便在与最终的复合衬底中的种子层的期望厚度相对应的深度处形成气泡层。作为选择，还可以加工所述InGaN层以形成足够平的表面以便粘结。然后，可以利用或不利用粘结层把所述InGaN层粘结到第二基质衬底，其将形成最终复合衬底中的基质。然后，如上所述那样加热第一基质衬底、InGaN层和第二基质衬底，令注入InGaN层的气泡层膨胀，使InGaN层的薄种子层部分与InGaN层的剩余部分和第一基质衬底分离，由此产生如上所述的、其中InGaN种子层粘结到基质衬底 的最终复合衬底。 
作为把种子层材料与第一基质衬底粘结、然后与第二基质衬底粘结来粘结两次以便两次改变种子层材料的结晶定向的替换，所述种子层材料可以在氮表面向上的生长衬底上生长。当把氮表面的种子层材料与基质衬底12如上所述那样相连时，种子层16的镓表面被暴露以便生长外延层18。氮表面薄膜例如可以通过气相处延或者MOCVD来生长，这如Journal of Crystal Growth 204(1999)第419-428页的“Morphological and structure characteristics of homoepitaxialGaN grown by metalorganic chemical vapour deposition(MOCVD)”和Phys.Stat.Sol.(b)228(2001)第2号第505-512页的“Playingwith Polarity”中更加详细描述的那样，这二者都通过引用在此并入。 
在某些实施例中，所述种子层材料生长为m平面或者a平面材料，而不是如上所述生长为c平面材料。 
如图1-3所述，依照任何上述实施例在复合衬底10上生长的III-氮化物器件可以被加工为薄膜器件。如上所述，器件层18在复合衬底10上生长。然后把器件层粘结到新的基质衬底，然后可以去除全部或者部分复合衬底10。图1举例说明了在复合衬底10上生长的器件层。器件层18通常包括在衬底10上方生长的n型区，其可以包括诸如缓冲层或者成核层之类的可选预备层，以及用来便于释放复合衬底10或者在去除复合衬底10之后使外延层变薄的可选释放层。在n型区上方，通常生长一个或多个发光层，继之以p型区。器件层18的顶面可以被加工以便增强从最终器件提取光，这例如通过打磨或者通过形成诸如光子晶体之类的结构来实现。 
如图2中所示，在器件层18的顶面上方淀积例如包括欧姆接触层、反射层、隔离层以及粘结层在内的一个或多个金属层20。然后，将器件层经由金属层20的暴露表面粘结到基质衬底22。一个或多个粘结层(通常为金属)可以充当顺从的材料，以用于在外延器件层18与基质衬底22之间的热压缩或者熔化粘结。适当的粘结层金属的示例包括金和银。在去除复合生长衬底10之后，基质衬底22向外延层提供机械支撑。并且提供与器件层18的一个表面的电接触。通常将基质衬底22选择为导电(即小于约0.1Ω厘米)、导热，具有与外延层的CTE匹配的CTE，以及使其足够平(即具有小于约10纳米的均方根粗糙度)以 便形成强力晶片粘结。适当的材料例如包括诸如Cu、Mo、Cu/Mo和Cu/W之类的金属；具有金属接触的半导体，诸如例如包括Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag的一个或多个在内的欧姆接触的Si以及欧姆接触的GaAs；以及诸如AlN、压缩的金刚石、或者通过化学气相淀积生长的金刚石层之类的陶瓷。 
器件层18可以在晶片规模上粘结到基质衬底22，如此使得器件的整个晶片与基质的晶片粘结，然后在粘结之后切割各个器件。作为选择，可以将器件的晶片切割为单个器件，然后在模具规模上把每个器件与基质衬底22粘结，这如在2004年10月28日提出的名称为“Package-Integrated Thin-Film LED”、序号为10/977,294的美国申请中更加详细地描述的那样，该申请的内容通过引用在此并入。 
基质衬底22和外延层18在高温和高压下被压在一起，以便在基质衬底22和金属层20之间的界面处形成持久的粘结，例如在所述界面处形成在金属粘结层之间的持久金属粘结。用于粘结的温度和压力范围的低端由所产生粘结的强度所限，并且其高端由基质衬底结构、金属化和外延结构的稳定性所限。例如，高温和/或高压可以导致外延层分解，金属接触分层，扩散隔膜故障或者外延层中的组成材料脱气。用于粘结的合适温度范围例如是室温到大约500℃。用于粘结的合的压力范围例如是不施加压力到大约500psi。 
如图3所示，然后可以去除全部或者一部分复合衬底10。例如，可以在腐蚀粘结层14的蚀刻过程中通过蚀刻所述器件来去除复合衬底10的基质衬底12。基质衬底12和粘结层14由此被去除，剩下与第二基质衬底22粘结的种子层16和器件层18。诸如通过蚀刻、重叠、碾磨或者其组合，也可以去除种子层16。例如，可以蚀刻掉SiC种子层并且可以磨掉Al2O3种子层。在某些实施例中，种子层16或者整个复合衬底10保留为部分最终器件。 
如果如图3中图示的器件那样去除整个复合衬底10，那么剩余的器件层18可以变薄，例如以去除最接近种子层16且具有较低材料质量的器件层部分。例如，可以通过化学机械抛光、常规干蚀刻或者光照电化蚀刻(PEC)来使外延层变薄。外延层的顶面可以有纹理或者变粗糙以便增强光提取量。在外延层18的暴露表面上以例如圆圈或栅格 形式形成有触点26(往往是n触点)。在触点下面的器件层例如可以被注入氢，以便防止光线从触点下面的发光区部分射出。正如所述技术领域中已知的那样，可以把诸如荧光体之类的波长转换层和/或诸如分色镜或者偏光器之类的次级光学器件应用于发射表面上。 
作为选择，如图10所示，图1中所示器件的一部分外延层18可以被去除，如此使得夹住发光区域的n型区和p型区都暴露在器件的同一侧上。在这些暴露部分上形成电触点26和28。如果电触点26和28是反射性的，那么如图10所示，可以在载片24上以触点侧向下的方式来安装所述结构，以便经由种子层16提取光。如图10所示，可以去除全部或者某些复合衬底，例如保留附属于外延层18的种子层16。如果电触点26和/或28是透明的，那么可以依照触点侧向上的方式来安装所述器件，以便经由触点26和28提取光(图10中未示出)。 
已经详细地描述了本发明，本领域技术人员将理解的是，考虑到本公开内容，在不脱离此处所述的发明构思的精神的情况下，可以对本发明做出修改。因此，本发明范围不局限于所说明以及描述的具体实施例。 

Claims (21)

1.一种半导体结构，包括：
基质衬底；
InGaN种子层；以及
粘结层，设置在所述InGaN种子层与所述基质衬底之间；
其中所述InGaN种子层包括III-氮化物材料能够在其上成核的表面，并且
其中所述InGaN种子层包括镓面表面和氮面表面，其中所述氮面表面接触所述粘结层并且所述III-氮化物材料能够在其上成核的表面包括所述镓面表面。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述粘结层是SiO2。
3.根据权利要求1所述的结构，其中所述基质是蓝宝石。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述基质是Si、SiC、AlN、GaAs、金属和Y3Al5O12之一。
5.一种半导体结构，包括：
基质衬底；
种子层，其中所述种子层是III-氮化物材料能够在其上成核的材料；以及
粘结层，设置在所述种子层与所述基质衬底之间；
其中多个沟槽形成在所述种子层中，并且
其中所述种子层包括镓面表面和氮面表面，其中所述氮面表面接触所述粘结层。
6.根据权利要求5所述的结构，其中所述种子层是III-氮化物材料。
7.根据权利要求5所述的结构，其中所述沟槽延伸通过所述种子层的整个厚度并露出所述粘结层。
8.根据权利要求5所述的结构，其中所述粘结层是SiO2。
9.根据权利要求5所述的结构，其中所述基质是蓝宝石。
10.根据权利要求5所述的结构，其中所述基质是Si、SiC、AlN、GaAs、金属和Y3Al5O12之一。
11.根据权利要求5所述的结构，其中所述种子层是GaN、SiC、ScMgAlO4、ZnO、Al2O3和AlGaN之一。
12.一种半导体结构，包括：
生长衬底，包括：基质衬底；III-氮化物种子层；以及粘结层，设置在所述种子层与所述基质衬底之间；以及
生长在所述生长衬底的种子层上的III-氮化物结构，所述III-氮化物结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层，
其中所述种子层包括镓面表面和氮面表面，其中所述氮面表面接触所述粘结层并且所述镓面表面接触所述III-氮化物结构。
13.根据权利要求12所述的结构，其中所述种子层是InGaN。
14.根据权利要求12所述的结构，还包括形成在所述种子层中的多个沟槽，其中所述沟槽延伸通过所述种子层的整个厚度并露出所述粘结层。
15.根据权利要求14所述的结构，其中所述III-氮化物结构在所述沟槽上方接合。
16.根据权利要求12所述的结构，其中所述粘结层是SiO2。
17.根据权利要求12所述的结构，其中所述基质是蓝宝石。
18.根据权利要求12所述的结构，其中所述基质是Si、SiC、AlN、GaAs、金属和Y3Al5O12之一。
19.根据权利要求12所述的结构，其中所述III-氮化物结构的表面被粗糙化。
20.根据权利要求12所述的结构，还包括形成在所述n型区和所述p型区上的电触点。
21.根据权利要求20所述的结构，其中所述电触点形成在所述III-氮化物结构的同一侧上。
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