CN113632200B 平坦化外延横向生长层上的表面的方法 （加利福尼亚大学董事会）

2021.09.27PCT/US2020/0206472020.03.02WO2020/180785EN2020.09.10US2009258453A1,2009.JP2007184504A,2007.07.19一种平坦化外延横向过度生长(ELO)层上的表面的方法，导致获得具有岛状III族氮化物半导体层的平滑表面。岛状III族氮化物半导体层是通过在ELO层彼此聚结之前停止它们的生长而状III族氮化物半导体层的侧分面的过量气体供应，这有助于在岛状III族氮化物半导体层上获解的n型掺杂剂(诸如硅和氧原子)对p型层的补2制备在基板上的生长限制掩模上或上方生长的多个外延横向过度生长(ELO)III族氮在所述多个ELOIII族氮化物层和所述基板上或上方生长多个III族氮化物器件层，其在生长所述多个ELOIII族氮化物层之后和在生长所述多个III族氮化物器件层中的至在所述多个III族氮化物器件层的生长期间发生移除所述生长限制掩模的底层的生所述多个ELOIII族氮化物层的高度防止所述底层连接至所述ELOIII族掩模包括所述生长限制掩模中未被所述多个ELOIII族氮化物层覆盖的至少部分生长限制避免由于所述生长限制掩模的分解而对所述p型6.根据权利要求1所述的方法，其中，在生长所述多8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个岛状所述底部区域的宽度取决于每个岛状III族氮化物半导体层的侧分9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述侧分面的边半导体层突出，使得所述侧分面的边缘在生长所述多个III族氮化物器件层期间减少向所基板和位于所述基板上且通过非生长区域彼此分离的多个岛其中，所述多个岛状半导体层中的每一个包括生长在外延横向过度生区域中形成底层，所述岛状半导体层通过所述半导体基板处的底部区域与所述底层分离，并且所述ELOIII族氮化物层防止所述底层与所述岛34坦化外延横向生长层上的表面的方法(METHODFORFLATTENINGASURFACEONAN理案卷号为30794.0653USWO(UC2017-621-1)的美国发明专利申请号16/608,071，该申请PCT国际专利申请号PCT/US18/31393的权益，该申请根据35U.S.C第119(e)节要求由30794.0653USP1(UC2017-621-1)的共同待决和共同转让的美国临时专利申请号62/502,交的、题为“使用裂开技术移除基板的方法(METHODOFREMOVINGASUBSTRATEWITHA(METHODOFREMOVINGASUBSTRATEWITHACLEAVINGTECHNIQUE)”、代理案卷号为30794.0659USP1(UC2018-086-1)的共同待决和共同转让的美国临时专利申请号62/559,[0008]由TakeshiKamikawa、SrinivasGandrothula和HongjianLi于2019年4月1日提交的、题为“使用外延横向过度生长制造非极性和半极性器件的方法()METHODOFFABRICATINGNONPOLARANDSEMIPOLARDEVICESUSINGEPITAXIALLATERALUS19/25187，该申请根据35U.S.C第119(e)节要求由TakeshiKamikawa、Srinivas极性和半极性器件的方法(METHODOFFABRICATINGNONPOLARANDSEMIPOLARDEVICES427-1)的共同待决和共同转让的美国临时专利申请序列号62/650,485分一个或多个器件的条的方法(METHODFORDIVIDINGABAROFONEORMOREDEVICES)”、代理案卷号为30794.0681WOU1(UC2018-605-2)的PCT国际专利申请号PCT/US19/32936，该申请根据35U.S.C.第119(e)节要求由TakeshiKamikawa和SrinivasDIVIDINGABAROFONEORMOREDEVICES)”、代理案卷号为G&C30794.0681USP1(UC2018-605-1)的共同待决且共同转让的美国临时申请序列号62/672,9半导体基板移除半导体层的方法(METHODOFREMOVINGSEMICONDUCTINGLAYERSFROMA专利申请号PCT/US19/34686，该申请根据35U.S.C.第119(e)节要求由Srinivas体层的方法(METHODOFREMOVINGSEMICONDUCTINGLAYERSFROMASEMICONDUCTING[0011]由TakeshiKamikawa和SrinivasGandrothula于2019年10月31日提交的、题为“使用外延横向过度生长获得平滑表面的方法(METHODOFOBTAININGASMOOTHSURFACE的PCT国际专利申请号PCT/US19/59086，该申请根据35U.S.C.第119(e)节要求由TakeshiKamikawa和SrinivasGandrothula于2018年10月31日提交的、题为“使用外延横向过度生长获得平滑表面的方法(METHODOFOBTAININGASMOOTHSURFACEWITHEPITAXIAL[0012]由TakeshiKamikawa、SrinivasGandrothula和MasahiroAraki于2020年1月16日提交的、题为“使用沟槽移除器件的方法(METHODFORREMOVALOFDEVICESUSINGATRENCH)”、代理案卷号为30794.0713WOU1(UC2019-398-2)的PCT国际专利申请号PCT/US20/13934，该申请根据35U.S.C.第119(e)节要求由TakeshiKamikawa、Srinivas(METHODFORREMOVALOFDEVICESUSINGATRENCH)”、代理案卷号为G&C30794.0713USP1(UC2019-398-1)的共同待决且共同转让的美国临时申请序列号62/793,6[0017]先前已经尝试从基于III族氮化物的基板移除基于III族氮化物的半导体层来回收基板。在一个示例中，首先使用外延横向过度生长(ELO)和生长限制掩模在基板上生长[0018]使用这种方法允许使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在分立的ELOIII族氮化种生长不能在具有分立的ELOIII族氮化物层的基板上获得平坦的表[0019]恶化的表面粗糙度意味着每层具有一厚度的平面内分布n型掺杂剂。如果生长限制掩模暴露或未被一些东西覆盖，则可以在生长p型层时补偿n型而易见的其它限制，本发明公开了一种获得具有分立的ELOIII族氮化物层的平滑表面的在ELOIII族氮化物层和基板上生长III族氮化物器件层，从而得到岛状III族氮化物半导合物III族氮化物半导体层的III族氮化物半导体层尤其7度超过1000℃以改进晶体质量。这种高生长温度使得SiO2生长限制掩模分解为Si原子和O比较在有和没有生长限制掩模的情况下获得的结果的示意图和扫描电子显微镜(SEM)图[0035]图4是根据本发明的一个实施例的由岛状基于III族氮化物的半导体层形成的激[0037]图6(a)和6(b)还图示了根据本发明的一个实施例的如何沿着器件的条以周期性移除后的器件的条的背侧和移除器件的条后的基板的[0042]图11(a)和11(b)图示了根据本发明的一个实施例的用于多个器件的多个条的生8[0043]图12(a)和12(b)是在移除器件的条之后没有错切取向的(1-100)平面的非常平滑[0044]图13(a)和13(b)是具有朝向m平面的错切取向为0.7度的(0001)平面的器件的条[0045]图14示出了在移除器件的条后(20-21)独立式GaN基板的表面的SEM图像和材料性[0048]图17(a)、17(b)和17(c)图示了根据本发明的一个实施例的如何将引线键合附接[0049]图18(a)和18(b)图示了根据本发明的一个实施例的散热板如何被划分为分离的[0055]图24(a)、24(b)和24(c)是图示根据本发明的实施例的在有和没有生长限制掩模[0057]图26(a)和26(b)是图示根据本发明的实施例的在有和没有生长限制掩模的情况[0058]图27(a)和27(b)是图示了根据本发明的实施例的在有和没有生长限制掩模的情况下在生长ELOIII族氮化物层和III族氮化物器件层之后剩余空间的形状的SEM图像和示[0060]图29(a)和29(b)是图示了根据本发明实施例的III族氮化物器件层的表面的SEM[0061]图30(a)和30(b)是图示了根据本发明的实施例的在移除生长限制掩模之后III族9且在基板101上或上方形成生长限制掩模102。在生长限制掩模102中限定条带状开口区域[0067]当使从生长限制掩模102中的相邻开口区域103生长的ELOIII族氮化物层105不[0069]ELOIII族氮化物层105的厚度很重要，因为它决定了一个或多个平坦表面区域[0070]ELOIII族氮化物层105和附加III族氮化物器件层106被称为岛状III族氮化物半[0071]非生长区域104的宽度可以控制生长限制掩模102的分解量。非生长区域104的宽引起的对III族氮化物器件层106的p[0072]彼此相邻的岛状III族氮化物半导体层109之间的距离为非生长区域104的宽度，物半导体层109可以被处理成分离的器件110。在平坦表面区域107和/或开口区域103上处[0073]在本发明中，基板101和ELOIII族氮化物层105之间的接合强度被生长限制掩模102削弱。在这种情况下，基板101和ELOIII族氮化物层105之间的接合面积为开口区域[0077]步骤1：在基板101上直接或间接形成具有多个开口区域103在平行于生长限制掩模102的条带状开口区域103的方向上延伸，其中ELOIII族氮化物层刻方法用蚀刻剂(诸如氢氟化物(HF)或缓冲HF(BHF))从基板1[0087]步骤7.4：利用聚合物薄膜与基板10[0097]由图案化的SiO2组成的生长限制掩模102沉积在基板101(诸如m平面GaN基板101)在异质基板101上形成的生长限制掩模102上直接生长ELOIII族素源的载气。重要的是在载气中包括氢气以获得外延层的平滑表面。ELOIII族氮化物层掩模102覆盖的区域可用于生长III族氮化物器件层106。与移除生长限制掩模102之前相[0107]盐和双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)用作n型和p型掺杂剂。压力典型地设置为50至[0111]如图2(a)中所示，如果在生长III族氮化物器件层106时生长限制掩模102保留在原位，则在生长限制掩模102的暴露区域201处不消耗供应气体，诸如TMGa、TEGa、TMIn、3等203中消耗供应气体202。生长限制掩模102的移除减少了ELOIII族氮化物层105的边缘附[0113]为了确认上述机理，制备了两个样品。同时制备两个样品的EL长限制掩模102，而第二个样品在生长III族氮化物器件层106之前移除生长限制掩模102。[0114]在未移除生长限制掩模102的情况下，ELOIII族氮化物层105边缘处的过量[0115]在移除生长限制掩模102的情况下，通过消除生长限制掩模102来减少ELOII[0124]3.岛状III族氮化物半导体层109具有与基于III族氮化物的半导体晶体的a轴线物半导体层109，该岛状III族氮化物半导体层109的平滑顶表面不具有锥形小丘和凹陷部[0129]图3(a)示出了在具有朝向c轴线错切-1.0度的m平面(1-100)上的岛状III族氮化[0130]图3(b)示出了具有m平面(1-100)的不同错切取向的岛状III族氮化物半导体层[0131]图3(c)示出了具有从m平面(1-100)朝向+c平面的不同斜角的岛状III族氮化物半[0132]图3(d)示出了具有从m平面(1-100)朝向-c平面(0001)的不同斜角的岛状III族氮[0133]图3(e)示出了具有从c平面(0001)朝向m平面(1-100)的不同错切取向的岛状III300Torr以获得岛状III族氮化物半导体层109的较宽宽度；生长温度范围为900℃至1200[0137]在生长约2-8小时后，ELOIII族氮化物层105具有约[0138]这种方法可以使用各种半极性和非极性平面基板101以及极性c平面基板101来获[0140]图4是沿垂直于光学谐振器的方向制造的III族氮化物半导体激光二极管器件110等设置在岛状III族氮化物半导体层109的预先确定的位置处。(该附图未描述弯曲区域[0142]激光二极管器件110包括在生长限制掩模102上沉积的基于ELOGaN的层105上生2限流层407和p电极408。三甲基铟(TMIn)和三乙基铝(TMAl)用[0145]可以使用常规方法(诸如光刻和干法蚀刻)来制造脊条带结构。脊深度(从表面到[0148]在III族氮化物器件层106的生长之前移除生长限制掩模102的情况存在问题。当岛状III族氮化物半导体层109与底层111连接时会出现该问题。如果两层109、111彼此连彼此连接的情况，其中图2(f)示出了通过底部区域204与底层111分离的岛状III族氮化物半导体层109，并且图2(g)示出了通过底部区域204a和204b与底层111分离的岛状III族氮层109的生长中使用的供应气体202中遮蔽底异质基板101通过生长限制掩模102能够使得ELOIII族氮化物层105生长。在使用III族氮[0153]划分支撑区域502是由金刚石尖端划刻器或激光划刻器划刻的线，如图5(a)中所示；或者是通过诸如RIE(反应离子蚀刻)或ICP(电感耦合等离子体)的干法蚀刻形成的沟[0154]这两种情况都可以在划分支撑区域502处将条501划分成分离器件110，因为划分支撑区域502比任何其他部分都更弱。划分支撑区域502避免在非有意的位置处使条501断[0155]划分支撑区域502以避开处于脊结构中的电流注入区域503和p电极408方式在平[0166]步骤7.4包括利用聚合物膜801与基板101之间的热系数差异来移除器件110的条[0168]如图8(c)中所示，聚合物膜801可在器件110的条501的侧分面处在水平方向上施加压力805，暴露裂开点807并使器件110的条501向下倾斜808。从侧分面施加的这个压力基板101和聚合物膜801的温度也可以使胀系数而可以向器件110的条501施加的情况。在这种情况下，使用聚合物膜801的移除方法擅长移除器件110的不同高度的条除后的分离区域的表面包含作为其表面的部分的m平面，并且可以通过较小的压力来移除(c)中所示，从垂直方向和在相对条501的长边的水平方向上对具有这样的形状的器件110从基板101消除生长限制掩模102。消除生长限制掩模102为在器件110的条501下方的裂开[0177]这种使用聚合物膜801的方法可以大面积且以适当的量向器件110的条501均匀地[0182]此处说明了利用m平面分面的裂开方法。图7(a)和7(b)示出了分别对于仅(1-后的基板101的表面的SEM图像。可以看出，如图7(a)中所示的对于仅(1-100)的平面的条[0183]如图12(a)的图像及其在图12(b)中的放大图中所示，在移除器件110的条501之110的条501之后的基板101的表面对于具有朝向m平面的错切取向为0.7度的(0001)平面布[0184]如图7(b)中所示，半极性(20-21)和(20-2-1)平面的器件110的条501的背侧具有[0185]包括LSCM测量的图14的图像示出了在移除器件110的条501之后的(20-21)独立式性(20-21)基板101不具有作为主表面的m平面，移除条501的方法也可以有效地利用m平面半极性的基于III族氮化物的半导体层组成的条501的背侧至少具有m平面作为背表面的部[0190]在图10(e)中放大的图10(d)的图像示出了移除器件110的条501之后基板101的表族氮化物层105的厚度至少超过4μm。ELOIII族氮化物层105的高度防止底层111生长。此外，ELOIII族氮化物层105的侧分面在底部区域204处的岛状III族氮化物半导体层109和1502接触未被划分支撑区域502形成[0207]如图15(d)中所示，横向设置的多个条501可以在划分支撑区域502处被裂开并断裂成分离的器件110。此外，横向和纵向设置的多个条501可以在划分支撑区域502处被裂的器件110接合到散热板1505上。可以通过以下两种方式将器件110安装在散热板1505上：(1)n电极1504侧向下或(2)p电极408侧向下。图15(f)示出了通过n电极1504件110的分面504穿透到器件110外侧的器件110中的光在分面504处被非辐射复合中心吸2O3222并且将多个间隔板1601存储在涂覆保持件16次分面504涂覆——一次用于器件110的前分面504以及一次用于器件110的后分面504。散热板1505的长度可以被维度化为约激光二极管器件110的腔体长度，这使得快速且容易地离探针1703和引线键合体1704与器[0220]图18(a)和18(b)还示出了如何划分散热板1505以分离器件110，这可能发生在附根据激光二极管器件110的规范(诸如高温和高功率)来进[0229]在现有技术中，如果发生有缺陷的生产，则有缺陷的产品以整个TO-CAN封装体110，允许在干燥空气或氮气气氛中的筛选测试中要检验带有散热板1505的子安装件的器当器件110仅包括芯片和子安装件时，本发明可以使用筛选测试来选择有缺陷的产品。因连续性设置的焊料1506的两部分。焊料1506的一部分通过引线(未示出)连接到p电极408，1505)安装在封装体2101中，以在封装体2101的底部处接合器件110。封装体2101的引脚2102通过引线2103连接至器件110。通过这样做，可以将来自外部电源的电流施加到器件[0237]如本文所阐述的，这些工艺提供了用于获得激光二极管器件110的改进方法。另[0245]基于III族氮化物的基板101可以包括任何类型的基于III族氮化物的基板，只要基于III族氮化物的基板101能够通过生长限制掩模102来生长基于III族氮化物的半导体{10-1-1}平面等或其他平面上切片的来自体GaN和AlN晶体的任何G长到约2-6μm的厚度，然后将生长限制掩模102设置在GaN模板112或其他基于III族氮化物m，并且更优选地，宽度大于40μm。通过溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积板101的0001方向的第二方向上分别周期性地以间隔p1和间隔p2来布置，该多个开口区域方向和与基板101的1-100方向平行[0253]在半极性(20-21)或(20-2-1)GaN基板101上，开口区域103分别在平行于[-1014]开口区域103与c平面独立式GaN基板的方向相同；当m平面蓝宝石基板101上生长m平面GaN面可以用于使用c平面GaN模板112划分器件110的条501，并且c平面裂开平面可用于使用m[0259]在生长限制掩模102上从生长限制掩模102的条带状开口区域103，使用外延横向过度生长(ELO)生长的岛状III族氮化物半导体层109的结形成)，因此在每个岛状III族氮化物半导体层109中生成的拉伸应力或压缩应力被限制在层109内，并且拉伸应力或压缩应力的效果对于其他基于III族氮化物的半导体层不会降过在生长限制掩模102与ELOIII族氮化物层105之间的界面处引起的滑动来缓和ELOIII[0266]而且，如非生长区域104所示，每个岛状III族氮化物半导体层109之间间隙的存[0268]如上所述，可以通过抑制基板101的弯曲来生长由高质量半导体晶体制成的岛状[0271]主要在平坦表面区域107上执行半导体器件110的制造。平坦表面区域107的宽度刻)来移除层弯曲区域108中的有源层的至少[0273]在半导体器件包括岛状III族氮化物半导体层109的情况下，彼此相邻的岛状III[0275]图22(a)和22(b)图示了弯曲的有源区域2201如何可以保留在器件110中。层弯曲区域108的定义是弯曲的有源区域2201外侧的包[0276]如果使用非极性或半极性基板，岛状III族氮化物半导体层109在岛状III族氮化之前移除第二分面区域中的有源层，并且第二蚀刻在从基板101移除外延层之后移除第三[0280]对于LD和LED两者，发光区域的边缘距[0285]使用聚合物膜801以从基于III族氮化物的基板101或与异质基板101一起使用的[0286]当聚合物膜801是UV敏感划片胶带并且暴露于UV光时，膜801的粘性剧烈地降度等于或短于用于分面504涂覆工艺的激光二极管器件110的长度，其中激光二极管器件[0294]优选的是，散热板1505具有用于划分如图15(e)和15(f)中所示的器件110的沟槽件110安装在散热板1505上之前通过湿法蚀刻方法形成沟槽1507并机械地处理沟槽1507。[0303]在ELOIII族氮化物层105生长之后，从MOCVD反应器中移除具有层105的基板化物器件层106生长在ELOIII族氮化物层105和生长限制掩模102已经被移除的基板101的族氮化物半导体层109的侧分面的过量供应气体使得与优化的条件的这种偏离更严重。由在到达ELOIII族氮化物层105的侧分面之前基板101中生长限制掩模102已经被移除的暴露区域处消耗ELOIII族氮化物层105的侧分面处的气体，这避免了向侧分面供应过量气生长限制掩模102的移除减少了供应到岛状III族氮化物半导体层109的侧分面的过量气[0313]图26(a)和26(b)示出了其中通过湿法蚀刻来移除生长限制掩模102的至少部分的板101移除岛状III族氮化物半导体层109时，保留在ELOIII族氮化物层105下方的生长限移除掩模102之后的剩余空间是相同的形状。当生长III族氮化物器件层106时，由于在(c)中所示，当生长III族氮化物器件层106时，生长限制掩模102的部分仍图3(c)和3(d)各自包括具有与岛状III族氮化物半导体层109一起使用的各种斜角基板101乎与第一实施例结构相同。缓冲层112通常与在蓝宝石基板101上生长的基于III族氮化物下，异质基板101表面和ELOIII族氮化物层105的底表面之间的界面由于异质界面而容易[0335]本实施例的目的是在移除生长限制掩模102后，避免在条501的边缘处岛状III族[0336]两部分是否连接取决于移除生长限制掩模102后的III族氮化物器件层106的厚此聚结之前通过停止ELOIII族氮化物层105的生长来形成岛状III族氮化物半导体层109，然后在ELOIII族氮化物层106上或上方生长一个或多个III族氮化物器件层106。在生长[0340]框3102代表在基板101上或上方(即在基板101本身上或在模板层112上)形成生长[0341]框3103代表使用外延横向过度生长(ELO)在生长限制掩模102上或上方生长一个[0342]框3104代表在ELOIII族氮化物层105上或上方生长一个或多个附加III族氮化物[0343]该步骤可以包括在生长ELOIII族氮化物层105之后和生长III族氮化物器件层可以在生长III族氮化物器件层106的至少有源层之前移除生长限制掩模[0345]在生长III族氮化物器件层106之前可以移除生长限制掩模102，以通过减少ELOIII族氮化物层105的边缘附近的供应气体量来避免ELOIII族氮化物层105的边缘附近的[0346]可以在生长III族氮化物器件层106之前移除生长限制掩模102并且III族氮化物氮化物层105的高度可以防止底层111生长或减慢底层1导体层109的侧分面之前在生长区域处消耗侧分面处的供给气体，这避免了向侧分面供应[0348]框3105代表沿着条501形成一个或多个划分支撑区域502的步骤。划分支撑区域[0349]框3106代表从基板101移除器件110的步骤。该步骤可以包括在基板101的表面上使用裂开技术将聚合物膜801施加到条501以从基板101移除条501，该步骤包括从基板101机械地分离或剥离岛状III族氮化物半导体层109。通过使用板806向膜801和基板101施加骤可以包括通过在沿条501形成的划分支撑区域502处劈开，将条501划分成一个或多个器[0350]框3107代表将每个器件110安装在散热板1505上以用于涂覆通过裂开创建的器件[0351]框3108代表该方法的所得产物，即根据该方法制造的一个或多个基于III族氮化[0352]器件110可以包括在基板101上的生长限制掩模102上或上方生长的一个或多个族氮化物层105的生长。器件110还可以包括在ELOIII族氮化物层105和基板101上或上方生长III族氮化物器件层106的至少一些之前移除生长限制掩模102的至少部分，以便获得[0355]例如，本发明可以用于各种取向的III族氮化物基板，该各种取向包括c平面