具有氢扩散阻挡层的III-V族发光微像素阵列装置的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供固态发光微像素阵列结构，具有氢阻挡层以最小化或消除由氢扩散引起的掺杂氮化镓结构的非理想钝化。氮化镓结构的非理想钝化。氮化镓结构的非理想钝化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有氢扩散阻挡层的III
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V族发光微像素阵列装置的装置及方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请案要求2018年6月12日申请的美国临时申请案第62/684,106号的权利，所述申请案的公开内容以引用的方式并入本文中。


[0003]本专利技术大体上涉及发光装置和结构。更具体地说，本专利技术涉及包括用于改进的装置性能的一或多个氢阻挡层的III
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V族半导体发光装置和结构。
[0004]本专利技术大体上适用于基于III族氮化物的装置(例如LED、微LED)的领域，且具体地说，适用于CMOS集成微LED阵列发射装置。在一个实施例中，公开最小化或消除氢在发光装置中到掺杂GaN材料中的扩散的装置和制造方法。消除或减少半导体发光结构中的氢暴露路径能够有益地实现掺杂GaN材料自身的稳定性。在本专利技术中减少氢暴露能够改进所述领域中的装置性能和装置操作。

技术介绍

[0005]三维或“3D”半导体集成能够改进半导体集成电路(integrated circuit，IC)的性能且能够经由不同材料层的异构集成提升基于Si的IC平台的功能(参看G.Q.张(G.Q.Zhang)和A.J.范罗斯马伦(A.J.van Roosmalen)，“超越摩尔定律：创造高价值的微/纳米电子系统(More than Moore:Creating High Value Micro/Nanoelectronics Systems)”，斯普林格出版社)。这类装置的一个非限制性实例是称作“量子光子成像器”显示器或显示器的CMOS/III
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V族集成3D微LED阵列发射装置(参看美国专利第7,623,560、7,767,479、7,829,902、8,049,231、8,243,770、8,567,960号)。是本申请的申请人奥斯坦德技术(Ostendo Technologies)公司的注册商标。
[0006]这类发射微米级像素(即，微像素)阵列成像器装置在例如以下各项中公开：美国专利第7,623,560号、美国专利第7,767,479号、美国专利第7,829,902号、美国专利第8,049,231号、美国专利第8,243,770号、美国专利第8,567,960号以及美国专利第8,098,265号，所述专利中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。
[0007]所公开的QPI显示器装置理想地在包含所有所需图像处理控制电路的极小装置配置中具有高亮度、极快多色光强度以及空间调制能力。这些所公开装置的固态光(solid state light，SSL)发射像素可以是发光二极管(light emitting diode，LED)或激光二极管(laser diode，LD)或两者，具有由容纳在CMOS控制器芯片(或装置)内的控制电路管理的开/关状态，QPI显示成像器的发射微米级像素阵列根据其结合及电子耦合。
[0008]包括QPI显示器的像素的大小可以在约5微米到20微米的范围内，其中典型芯片级发射表面面积在约15平方毫米到150平方毫米的范围内。上述发射微米级像素阵列显示装置的像素可通过其CMOS控制器芯片的驱动电路分别在空间、色度以及时间上进行寻址。由这类QPI成像器装置产生的光的亮度可在适当低功耗下达到100,000s cd/m2的倍数。
[0009]在例如QPI显示器的装置中，各种材料沉积工艺的制造期间的反复氢暴露以及热循环期间从装置中的含氢介电质释放(即，脱附)氢可导致基于GaN的发光装置明显劣化。装置制造期间氢和热暴露最常见的有害结果之一是掺杂GaN材料在发光结构自身中意外钝化。另外，氢可不利地影响p
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接触层和GaN界面层。
[0010]所需的是一种使用工艺及含有结构来制造的装置，所述工艺和结构在沉积过程期间或在热循环期间或两者期间(由于含氢介电质和工艺的氢释放)减轻或消除底层GaN的氢暴露。
附图说明
[0011]本文中的实施例借助于实例而非限制在附图的图中示出，在附图中相似编号指示相似或类似元件。
[0012]提供描述中定义的事项(例如详细结构和元件)以帮助理解示例性实施例。然而，本专利技术可在无这些特别定义的事项的情况下实践。另外，未详细描述众所周知的功能或结构，因为它们会因不必要的细节而使本专利技术模糊不清。为了理解本专利技术且查看其实际实施方式，借助于非限制性实例仅参考附图描述若干实施例，在附图中：
[0013]图1示出氢阻挡层、GaN二极管结构、缓冲层以及外延生长衬底的本专利技术的微像素阵列的固态发光材料结构的截面。
[0014]图2示出包括图1的固态发光结构的微像素台面的集合的截面，其中氢阻挡层处于微像素台面的顶侧和侧壁上。
[0015]图3示出图2的另外已处理微像素台面的集合的截面。
[0016]图4是图3的充分包封微像素阵列多层结构的截面。
[0017]图5示出包括生成态氢阻挡层的基于GaN的发光微像素结构，具有利用生成态氢阻挡层的其它设计元素。
[0018]图6示出微像素外延结构的其它详细特征的图5的基于GaN的发光微像素结构的截面。
具体实施方式
[0019]在本专利技术的以下详细描述中对“一个实施例”或“实施例”的参考意指本专利技术的至少一个实施例中包含结合实施例描述的特定特征、结构或特性。短语“在一个实施例中”在这一详细描述中的各处的出现未必都指同一实施例。
[0020]GaN材料中的P型掺杂最常见的方法是使用被认为是最有效的掺杂剂之一的Mg掺杂剂原子(参看J.K.舒(J.K.Sheu)和G.C.纪(G.C.Chi)，“GaN的掺杂工艺和掺杂剂特性(The doping process and dopant characteristics of GaN)”，物理期刊：凝聚态(J.Phys.:Condens.Matter)，14(2002)R657
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R702)。通常，MOCVD
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生长的基于GaN的LED装置和结构中的Mg掺杂剂在外延生长过程期间因氢而钝化。MOCVD
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生长结构稍后需要生长后高温退火以激活Mg掺杂剂以进行有效装置操作。
[0021]在多层发光半导体装置(例如微像素(micropixel)的制造期间，可在多个步骤处发生二极管结构的GaN材料的有害氢暴露。在反应器自身中在生长/生长后阶段期间并入的氢是氢暴露的主要来源，但氢暴露的额外来源是后续装置制造步骤期间暴露于氢的基于
GaN的材料或装置。举例来说，导致明显装置氢暴露的共同半导体工艺步骤是对半导体制造中所使用的介电质进行的被称作“等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)”的众所周知的工艺。通常，各种其它共同半导体工艺步骤也导致III
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V族氮化物中的氢并入(参看S.J.皮尔顿(S.J.Pearton)、R.J.舒(R.J.S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多层半导体发光结构，包括：第一层，具有第一组合物；第二层，具有第二组合物；至少一个多量子阱有源区，处于所述第一层与所述第二层之间；以及至少一个氢阻挡层，处于所述第一层上，具有针对使氢气与所述多层半导体发光结构隔离而选择的带隙和晶体性质中的至少一个，由此防止氢扩散到所述多层半导体发光结构中或使扩散最小化。2.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中所述至少一个氢阻挡层是在所述多层半导体发光结构的外延生长期间沉积的最终层。3.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中所述至少一个氢阻挡层的所选择材料是与所述第一组合物和所述第二组合物外延地相容的材料。4.根据权利要求3所述的多层半导体发光结构，其中所述至少一个氢阻挡层的所选择材料包括未掺杂氮化镓(GaN)或氮化铝(AIN)或两者的合金。5.根据权利要求3所述的多层半导体发光结构，其中所述至少一个氢阻挡层的所选择材料是具有一定比率的铝的氮化铝镓(Al
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Ga1‑
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N)材料，选择铝的比率以使得所述至少一个氢阻挡层具有必需的带隙能量以形成有效阻挡来防止氢扩散到所述多层半导体发光结构中或使扩散最小化。6.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中所述至少一个氢阻挡层包括第一氢阻挡层和所述第一氢阻挡层上的第二氢阻挡层，所述第一氢阻挡层和所述第二氢阻挡层中的每一个具有选择以有效地防止氢扩散到所述多层半导体发光结构中的对应带隙能量。7.根据权利要求6所述的多层半导体发光结构，其中所述第一氢阻挡层的所选择材料包括未掺杂氮化镓(GaN)或氮化铝(AIN)或两者的合金，且所述第二氢阻挡层的所选择材料包括氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)。8.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中所述至少一个氢阻挡层的厚度为约10纳米(nm)到约50纳米。9.根据权利要求6所述的多层半导体发光结构，其中使用溅镀、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)来沉积所述第二氢阻挡层。10.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，进一步包括：缓冲层和衬底；其中所述缓冲层沉积在所述衬底上，且所述第二层沉积在所述缓冲层上。11.一种发光微像素阵列结构，包括：多个多层半导体发光结构，每一多层半导体发光结构包括：第一层，具有第一组合物，第二层，具有第二组合物，至少一个多量子阱有源区，处于所述第一层与所述第二层之间，以及第一氢阻挡层，处于所述第一层上以使氢与所述多层半导体发光结构隔离；以及第二氢阻挡层，处于每一多层半导体发光结构上且邻接所述多层半导体发光结构的侧
壁以防止氢扩散到所述多层半导体发光结构中或使所述扩散最小化。12.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层是在所述多层半导体发光结构的外延生长期间沉积的最终层。13.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层的所选择材料是与所述第一组合物和所述第二组合物外延地相容的材料。14.根据权利要求13所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层的所述所选择材料包括未掺杂氮化镓(GaN)或氮化铝(AIN)或两者的合金。15.根据权利要求13所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层的所述所选择材料是具有一定比率的铝的氮化铝镓(Al
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N)材料，选择所述铝的所述比率以使得第一氢阻挡层具有必需的带隙能量以形成有效阻挡来防止氢扩散到所述多层半导体发光结构中或使所述扩散最小化。16.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层和所述第二氢阻挡层中的每一个具有选择以有效地防止氢扩散到所述多层半导体发光结构中的对应带隙能量。17.根据权利要求16所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层的所选择材料包括未掺杂氮化镓(GaN)或氮化铝(AIN)或两者的合金，且所述第二氢阻挡层的所选择材料包括氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)。18.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，其中所述第一氢阻挡层和所述第二氢阻挡层中的每一个的厚度为约10纳米(nm)到约50纳米。19.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，进一步包括：缓冲层和衬底；其中所述缓冲层沉积在所述衬底上，且所述多层半导体发光结构沉积在所述缓冲层上。20.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，其中每一侧壁的间距宽度是所述多层半导体发光结构的宽度的分数。21.根据权利要求11所述的发光微像素阵列结构，其中所述侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：海森，
申请(专利权)人：欧斯顿都技术公司，
类型：发明
国别省市：