发光二极管结构中的屏蔽层

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年10月11日提交的名称为“发光二极管结构中的屏蔽层(MASKINGLAYERS IN LED STRUCTURES)”的美国非临时申请第17/498,373号的权益和优先权，该美国非临时申请的内容出于所有目的全文以引用方式并入本文。

技术领域

本技术涉及半导体处理和材料。更特定言之，本技术涉及用于发光二极管(light-emitting diode；“LED”)部件的形成工艺和材料。

背景

LED面板或装置可由许多作为装置上的像素操作的光源形成。所述像素可以由单色光源形成，所述单色光源随后通过转换层传递以产生颜色，或者所述像素可以各自具有形成的单独的红色、蓝色和绿色光源。在任一种情况下，可以形成任何数量的高达数百万的光源并连接用于操作。尽管LED已经有了相当大的发展，但是LED仍可能遇到导致性能下降的缺陷。

因此，需要可用于生产高质量装置和结构的改进的系统和方法。本技术解决了这些和其他需求。

概述

例示性半导体处理方法可以包括将含硅前驱物提供至半导体处理腔室的处理区域。基板可以设置在半导体处理腔室的处理区域内。基板可以包括沉积在基板上的含氮成核层。所述方法可包括在含氮成核层的至少第一部分上形成含硅材料。第一材料层可为或包括介电材料。所述方法可包括在含氮成核层的至少第二部分上形成第二材料层。该第二材料层可以包含含镓材料。所述方法可包括在第二材料层的一部分上形成屏蔽层。该屏蔽层可覆盖第二材料层的小于或约90％。所述方法可包括经由屏蔽层生长第二材料层。所述方法可包括在屏蔽层上方聚结第二材料层。

在一些实施方式中，含镓材料可为或包括氮化镓。基板可为或包括硅或蓝宝石。含氮成核层可为或包括氮化镓(gallium nitride,GaN)、氮化铌(niobium nitride,NbN)、氮化铪(hafnium nitride,HfN)或氮化铝(aluminum nitride,AlN)。所述方法可包括在形成含硅材料之后图案化该含硅材料以暴露含氮成核层的一个或多个区域。含镓材料可选择性地形成在含氮成核层的一个或多个区域上。介电材料可为或包括氮化硅。聚结第二材料层可导致含镓材料中的穿透位错在该含镓材料内弯曲并横向向外延伸。经由屏蔽层生长材料层可包括穿过屏蔽层中的间隙形成额外的含镓材料。屏蔽材料层的特征可为小于或约5nm的厚度。将第二材料层聚结在屏蔽层上方可以形成第二材料层的上部部分，该上部部分以金字塔形状为特征。

本技术的一些实施方式可以涵盖半导体处理方法。所述方法可包括在含氮成核层的至少第一部分上形成第一材料层。该第一材料层可为或包括含硅材料。所述方法可包括在含氮成核层的至少第二部分上形成第二材料层的第一部分。第二材料层可为或包括含镓材料。所述方法可包括形成跨第二材料层的不连续屏蔽层和形成第二材料层的第二部分。第二材料层的第一部分和第二部分可以被屏蔽层部分地分开。第二部分可以金字塔形状为特征。

在一些实施方式中，不连续屏蔽层可以覆盖第二材料层的第一部分的小于或约80％。含氮成核层可为或包括氮化镓(gallium nitride,GaN)、氮化铌(niobium nitride,NbN)、氮化铪(hafnium nitride,HfN)或氮化铝(aluminum nitride,AlN)。含硅材料可为或包括氮化硅。屏蔽材料层可以原位形成。屏蔽材料层的特征可为小于或约5nm的厚度。

本技术的一些实施方式可以涵盖半导体结构。所述结构可包括基板、形成在基板上的含氮成核层、跨含氮成核层延伸的第一材料层、含镓材料和不连续屏蔽层。第一材料层可以限定一个或多个暴露含氮成核层的部分的窗口。第一材料层包含介电材料。含镓材料可以设置在由第一材料层限定的窗口内。含镓材料可以形成以金字塔形状为特征的量子阱。不连续屏蔽层可以结合在含镓材料中。屏蔽层可以小于或约5nm的厚度为特征。

在一些实施方式中，基板可为或包括硅或蓝宝石。含氮成核层可为或包括氮化镓(gallium nitride,GaN)、氮化铌(niobium nitride,NbN)、氮化铪(hafnium nitride,HfN)或氮化铝(aluminum nitride,AlN)。介电材料可为或包括氮化硅。屏蔽层可为或包括氮化硅并且可以小于或大约3nm的厚度为特征。

与常规系统和技术相比，此种技术可以提供许多益处。例如，本技术可以提供一种形成有效减少穿透位错的屏蔽层的方法。另外，本技术可以利用减少传播到在量子阱中生长的晶体的表面的穿透位错的量的生长和/或形成方法。结合以下描述及附图，更详细地描述了所述及其他实施方式以及它们的许多优点及特征。

附图简要说明

通过参考说明书的剩余部分和附图，可以实现对所公开技术的本质和优点的进一步理解。

图1图示了根据本技术的一些实施方式的例示性处理系统的一个实施方式的俯视图。

图2图示了根据本技术的一些实施方式的形成发光二极管结构的方法中的选定操作。

图3A至图3F图示了根据本技术的一些实施方式开发的装置的示意图。

附图中的几幅图作为示意图被包括。应当理解的是，所述图是为了说明的目的，并且除非特别声明是按比例的，否则不视为按比例的。此外，作为示意图，附图被提供用于帮助理解，并且与现实表示相比，附图可不包括所有方面或信息，并且可包括用于说明目的的夸大材料。

在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在附图标记后面加上在相似的部件之间进行区分的字母来区分。若说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的类似部件中的任何一个类似部件，而无论字母如何。

具体描述

LED是半导体光源，所述半导体光源在电流流过其时发光。半导体中的电子与空穴复合，从而以光子形式释放能量。许多常规LED以厚膜(诸如厚于1微米的厚膜)形成，该厚膜限定量子阱。穿透位错可以从下伏基板传播穿过量子阱中的材料，并且可能导致量子阱区域中的非辐射复合，其中LED发射声子而不是光子。习知技术中的穿透位错可以容易地穿过至量子阱的表面，此可能非期望地增加非辐射复合。此类穿透位错可能由于生长和/或形成过程期间的缺陷而存在。所述位错可能贯穿随后形成的装置层(包括LED有源区)携带，此可能进一步降低装置的效率。

本技术可通过由在量子阱的一部分上沉积屏蔽层来克服与常规技术相关联的问题。作为一个非限制性实例，屏蔽层可为介电材料，诸如氮化硅。屏蔽层可以减少能够传播穿过量子阱的穿透位错的量。此可以提高随后形成的LED结构的质量，此可以提高装置的效率。尽管剩余的公开内容将利用所公开的技术常规地鉴定特定的LED材料和工艺，但是将很容易理解，所述系统和方法同样适用于生产显示器时可能出现的各种材料和工艺。因此，该技术不应被认为局限于仅用于LED工艺。在论述了根据本技术的一些实施方式可以使用的例示性腔室系统之后，将描述用于生产高质量结构的方法。

图1图标了多腔室处理系统100的俯视图，该多腔室处理系统100可以被特别地配置为实施根据本技术的一些实施方式的各方面或操作。多腔室处理系统100可以被配置为在单独基板(诸如任意数量的半导体基板)上执行一个或多个制造工艺，以用于形成半导体装置。多腔室处理系统100可以包括传送腔室106、缓冲腔室108、单晶片装载锁定机构110和112(但是也可以包括双装载锁定机构)、处理腔室114、116、118、120、122和124、预热腔室123和125以及机器人126和128中的一些或全部。单晶片装载锁定机构110和112可以包括加热元件113，并且可以附接至缓冲腔室108。处理腔室114、116、118和120可以附接至传送腔室106。处理腔室122和124可以附接至缓冲腔室108。两个基板传送平台102和104可以设置在传送腔室106与缓冲腔室108之间，并且可以促进机器人126与128之间的传送。平台102、104可以对传送腔室和缓冲腔室开放，或者平台可以选择性地与腔室隔离开或密封，以允许在传送腔室106与缓冲腔室108之间维持不同的操作压力。传送平台102和104可各自包括一个或多个工具105，诸如用于取向或测量操作。

多腔室处理系统100的操作可由计算机系统130控制。计算机系统130可以包括被配置为实施下述操作的任何装置或装置组合。因此，计算机系统130可为控制器或控制器阵列和/或配置有存储在非暂时性计算机可读介质上的软件的通用计算机，该软件在被执行时可以执行关于根据本技术的实施方式的方法所描述的操作。处理腔室114、116、118、120、122和124中的每一者可以被配置为在半导体结构的制造中执行一个或多个工艺步骤。更特别地，处理腔室114、116、118、120、122和124可以被装配成执行许多基板处理操作，包括干法蚀刻工艺、循环层沉积、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、蚀刻、预清洁、脱气、取向，以及任何数目的其他基板工艺。

图2图示半导体处理方法200的选定操作。方法200可包括在该方法开始之前的一个或多个操作，包括前端处理、沉积、蚀刻、抛光、清洁或可以在所述操作之前执行的任何其他操作。例如，在一些实施方式中，可以在诸如硅或蓝宝石基板的基板上执行脱气操作，以使基板准备好用于沉积。该方法可以包括多个可选操作，所述可选操作可以或可以不与根据本技术的方法的一些实施方式特别相关联。例如，描述操作中的许多操作是为了提供结构形成的更宽范围，但是对于技术来说不是关键的，或者可以通过替代的方法来执行，如将在下面进一步论述的。方法200描述了图3A至图3F中示意性图示的操作，该图将结合方法200的操作来描述。应该理解的是，图3A至图3F仅图示了部分示意图，并且基板可以含有任何数量的具有如图所示的各方面的区段，以及仍然可以受益于本技术的方面的替代结构态样。

方法200可涉及将结构发展为特定制造操作的可选操作。如图3A至图3F所示，基板305可用于促进多个方面形成或生长成上覆于基板上。尽管仅图示了两个方面，但是应理解的是，基板可以具有数百、数千、数百万或更多个方面，并且可为任何大小。基板305可为其上可以形成结构的任何基板，例如含硅材料、铝材料，包括蓝宝石，或者可以在显示器或半导体制造中使用的任何其他材料。在实施方式中，基板305可以具有实质上平坦的表面或不平坦的表面。基板305可以具有各种尺寸，诸如200mm或300mm直径的晶片，以及矩形或正方形面板。例如，可以清洁或处理基板305以准备在基板上沉积一个或多个材料层来产生结构，诸如LED，但是任何数量的其他半导体结构可以类似地受益于本技术的各方面。

含氮成核层310可以形成为上覆于基板305。含氮成核层310可为或包括但不限于氮化镓(GaN)、氮化铌(NbN)、氮化铪(HfN)或氮化铝(AlN)。在实施方式中，含氮成核层可为AlN、包含AlN、由AlN组成或基本上由AlN组成。进一步地，在实施方式中，AlN成核层可以沉积在硅基板上，并且AlN成核层可以经由等离子体气相沉积而沉积在硅基板上。含氮成核层310可允许随后形成如本文所进一步论述的可能无法直接形成于基板305上的材料，诸如含镓材料。也就是说，含氮成核层310可以充当用于方法200中的后续沉积操作的种子层。

方法200可包括在操作205处将含硅前驱物提供至半导体处理腔室的处理区域。可用于沉积的含硅前驱物可为或包括任何数量的含硅前驱物。因此，含硅前驱物可为硅烷(SiH

在操作210处，可以在含氮成核层310的第一部分上方形成第一材料层315。如图3A所示，第一材料层315可以跨(across)含氮成核层310形成并图案化，使得在第一材料层315之间产生间隙或窗口，从而暴露下伏含氮成核层310的各部分。所述间隙或窗口可以通过图案化第一材料(也称为含硅材料)层以暴露含氮成核层的一个或多个区域来形成。第一材料层315可以包含介电材料。第一材料层315可为含硅材料，诸如氮化硅。

参见图3B，方法200可包括在操作215处在含氮成核层310的至少第二部分上形成第二材料层320。第二材料层320可以设置在由第一材料层315限定的间隙或窗口内。含氮成核层310的第一部分上的含硅材料和含氮成核层310的第二部分上的第二材料层320可以略微重叠，但该两个部分也可彼此不同。第二材料层320可以包含含镓材料，并且在一些实施方式中可为氮化镓。在两个部分彼此不同的实施方式中，含镓材料可以选择性地形成在含氮成核层310的一个或多个区域上。在成核材料而非图案化的介电材料上方形成含镓材料可促进选择性形成。例如，氮化镓可以从暴露的成核层延伸而外延地生长，此可以允许在介电材料315的开放区域中选择性形成，与此同时限制或防止在第一材料层315上的生长。

如图3C所示，在操作220处，可以在第二材料层的一部分上，或者跨基板形成屏蔽层325。屏蔽层325可以覆盖少于所有的第二材料层320。也就是说，屏蔽层325可为不连续的，使得下伏第二材料层320的一部分保持未被覆盖和暴露。屏蔽层325可在形成材料层320的相同腔室中原位形成，或在任何其他腔室中在相同或不同处理工具上原位形成。作为非限制性实例，屏蔽层325可以包括一个或多个氮化硅单层，并且可以形成至使得不可能形成完整层的厚度。因此，每个第二材料层320的至少一部分可以保持穿过屏蔽层325暴露。例如，通过如下所述限制沉积的时序，膜可以形成至小于或约5nm的厚度，并且可以形成至小于或约4nm、小于或约3nm、小于或约2nm、小于或约1nm，或更小的厚度，此可确保不产生完整层，并且材料岛可跨基板形成。此可以维持暴露材料320的至少一定的开放量。类似于操作205，也可以在操作220处将含硅前驱物和含氮前驱物提供至半导体处理腔室的区域以形成氮化硅的屏蔽层325。

可能期望在操作220处在相对短的时段内形成屏蔽层325。用于形成屏蔽层325的时段越短，则屏蔽层325将越不连续。反之，用于形成屏蔽层325的时段越长，则遮蔽层325将越连续。若用于形成屏蔽层325的时段太长，则屏蔽层325可能是连续的或实质上连续的，此可能会抑制或减少下伏第二材料层320的成核。因此，屏蔽层325可以在小于或约10分钟，诸如小于或约8分钟、小于或约6分钟、小于或约5分钟、小于或约4分钟，小于或约3分钟、小于或约2分钟、小于或约1分钟、小于或约45秒、小于或约30秒、或更短的时间段内形成。尽管取决于第一材料层315中的间隙或窗口的大小，但大于20分钟的生长期可能导致屏蔽层325是连续的，此可能阻止第二材料层320的进一步生长。

用于沉积屏蔽层325的特定时序可能导致不连续量。在实施方式中，屏蔽层325可覆盖第二材料层320的小于或约90％，诸如小于或约85％、小于或约80％、小于或约75％、小于或约70％、小于或约65％、小于或约60％、小于或约55％、小于或约50％、小于或约45％、小于或约40％、小于或约35％、小于或约30％、小于或约25％、或更少。类似地，为了促进如下文进一步解释的穿透位错弯曲，屏蔽层325可以覆盖第二材料层320大于或约10％，诸如大于或约15％、大于或约20％、大于或约25％、大于或约30％，或更多。第二材料层320的较大覆盖量意味着屏蔽层325中通往下伏第二材料层320的较少开口，并且因此第二材料层320的后续生长较慢，如本文进一步描述的。相反，第二材料层320的较小覆盖量导致第二材料层320的后续生长较快。此也可能导致更大量的穿透位错延伸穿过量子阱，此可能进一步降低装置性能。

在常规技术中，可以在不使用屏蔽层的情况下使用用于量子阱的厚平坦膜，诸如大于1微米。因此，穿透位错可以传播穿过厚平坦膜，该厚平坦膜可以具有与本公开内容的第一材料层315类似的间隙或窗口。本发明实施方式可以通过使用如前所述的额外屏蔽层325来局部地减少穿透位错并提高整体装置效率，此允许在各个方面，诸如在每个LED像素处减少穿透位错。穿透位错的从基板305传播的部分将被屏蔽层325阻挡。此外，由于本发明实施方式的生长方法，可能导致穿透位错的穿过屏蔽层325的部分横向弯曲穿过量子阱区域，并且不穿出量子阱。

转向图3D，方法200可包括在操作225处穿过屏蔽层325生长第二材料层320。经由屏蔽层325生长第二材料层320可以包括穿过屏蔽层325中的间隙形成额外的含镓材料。额外的含镓材料可为第二材料层320的第二部分，该第二部分也可被称为上部部分。第二材料层320的第二部分可以由屏蔽层325与第二材料层320的第一部分部分地分离。如前所述，第二材料层320的生长速率可取决于屏蔽层325的覆盖率。屏蔽层325的较大覆盖量可导致生长速率较慢，而屏蔽层325的较小覆盖量可导致生长速率较快。此是因为在可以进一步生长或形成第二材料层320的操作225期间，屏蔽层325可以减少第二材料层320的暴露部分。此外，屏蔽层325的较大覆盖量可导致传播穿过第二材料层320的较少穿透位错，而屏蔽层325的较小覆盖量可导致传播穿过第二材料层320的较多穿透位错。

随着第二材料层320的第二部分在屏蔽层325上方生长，第二材料层320的多个突起可以在屏蔽层325上方并穿过该屏蔽层形成。如前所述，穿透位错的从基板305传播的部分将被屏蔽层325阻挡。穿透位错的从基板305传播的另一部分在其到达形成最终金字塔之前形成多个突起的部分时可以弯曲并保持掩埋在基面中，如将在下面进一步描述的。在第二材料层320中形成多个突起可以赋能第二材料层320中的穿透位错弯曲。此可以减少到达第二材料层320的最终表面的穿透位错的量。表面处的穿透位错减少可能导致量子阱区域中的非辐射复合减少。

在操作230处，方法200可包括在屏蔽层325上方聚结第二材料层320。在屏蔽层325上方聚结第二材料层320可以形成第二材料层320的上部部分，该上部部分也可以被称为第二部分。第二材料层320的上部部分可以金字塔形状为特征，该金字塔形状可以在形成期间逐渐形成。也就是说，聚结第二材料层320可以在操作225处组合在屏蔽层325上方延伸的多个突起，以形成一个金字塔结构，如图3E至图3F中所示。第二材料层320的此种聚结可以被称为局部聚结，或者第二材料层320仅在屏蔽层325中的间隙上方的聚结。局部聚结的区别在于更全局的聚结，其中第二材料层320可以聚结成屏蔽层325上的平坦膜，而不是图3E至图3F中所示的金字塔结构。聚结第二层材料320可导致含镓材料中的穿透位错沿着某些小面交叉部弯曲，并在含镓材料内横向向外延伸。在操作225处形成并且在图3D中图示的多个突起可以允许穿过金字塔的侧壁，而不是最上面的点传播的穿透位错以90°角弯曲并横向延伸到如图3F所示的金字塔的最终侧壁的一侧。此种弯曲可以减少或消除量子阱区域中的非辐射复合。通过在基面中弯曲穿透位错，第二材料层的上部部分，诸如金字塔的上部部分，可以具有很少的穿透位错并提高结构的整体效率。

如前所述，屏蔽层325的覆盖量可能影响屏蔽层325上方的第二材料层320的生长速率。类似地，屏蔽层325的覆盖量可影响形成金字塔所需的屏蔽层325上方的第二材料层320的量。例如，随着屏蔽层325的更多覆盖，屏蔽层325上方可能需要更大量的材料以将材料聚结成金字塔形状。在具有较少屏蔽的一些实施方式中，仅需要在屏蔽层325上方生长几百nm以形成金字塔，而在具有更多屏蔽的情况下，可能需要在屏蔽层325上方生长几微米以形成金字塔。因此，通过平衡屏蔽层325的覆盖程度，可以产生更受控的生长和时序，以在屏蔽层上方的第二材料层320中沉积足够的材料以形成金字塔。

在形成结构300之后，方法200可进一步包括在操作235处形成LED结构。在操作235处形成LED结构的实施方式可包括在结构300的屏蔽层325上方的第二材料层320上形成p掺杂层。p掺杂层可以由氮化镓(GaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)中的一者或多者制成。在进一步的实施方式中，p掺杂层可以包含无镓的铟和氮材料，诸如氮化铟(InN)和氮化铝铟(AlInN)，以及其他无镓氮化物材料。在操作235处形成LED结构可以另外包括在结构300的各层上形成接触垫。接触垫可以由一种或多种导电材料(诸如铜、铝、钨、铬、镍、银、金、铂、钯、钛、锡和/或铟)以及其他导电材料制成。如本领域技术人员将理解的，可以包括用于形成LED结构的任何额外或替代操作或工艺。

操作235还可包括在LED结构上形成光转换区域。光转换区域可以吸收由LED结构发出的光并从LED显示器发出更长波长的光。在实施方式中，光转换区域可为量子点层。在另外的实施方式中，量子点层可以可操作以将来自LED结构的较短波长的光转换成红光、绿光或蓝光中的一者。可以在其他LED结构上形成额外的量子点层，以将LED结构发出的较短波长的光转换成红色光、绿色光和蓝色光中的另一种光。在进一步的实施方式中，三个LED结构上的三个量子点层的组合可以形成LED像素，该LED像素包括可操作以发射红光、绿光和蓝光的子像素。在更多实施方式中，顺序操作可以在每个LED像素的子像素中的一个子像素中形成红色量子点层，然后在子像素中的另一个子像素中形成绿色量子点层，且然后在子像素中的又一个子像素中形成蓝色量子点层。在形成蓝色量子点之后，LED像素阵列中的每个LED像素可以包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。

本公开内容的实施方式，例如方法200和结构300，包括限制延伸穿过量子阱的穿透位错的量的操作和结构。如前所述，穿透位错可能会降低所得结构的效率和性能。通过使用间断的屏蔽层，例如本文所述的不连续的屏蔽层325，可以减少所述穿透位错，此也可以减少非辐射复合的量并如预期的一般维持结构(诸如LED)的操作。因此，本技术的实施方式提供用于具有减少的穿透位错量的结构的制造方法以提高发光二极管的效率。

在前面的描述中，出于解释的目的，已经阐述了许多细节，以便提供对本技术的各种实施方式的理解。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，某些实施方式可以在没有所述细节中的一些细节或者具有额外细节的情况下实践。

已经揭示了几个实施方式，本领域技术人员将会认识到，在不脱离实施方式的精神的情况下，可以使用各种修改、替代构造和等同物。此外，为了避免不必要地模糊本技术，没有描述许多众所周知的工艺及元件。因此，以上描述不应被视为限制该技术的范围。

在提供值范围的情况下，应当理解的是，除非上下文另有明确指示，否则该范围的上限与下限之间的每个中介值至下限单位的最小分数还被特别公开。包含在规定范围内的任何规定值或未规定的中介值与该规定范围内的任何其他规定值或中介值之间的任何较窄范围。所述较小范围的上限和下限可以独立地被包括在该范围内或排除在该范围外，并且该技术涵盖其中该范围的任一极限、该范围的两个极限或该范围的没有一个极限被包括在该较小范围内的每个范围，受制于规定范围内的任何特别排除的极限值。当规定范围包括所述极限值中的一者或两者时，也包括排除了那些被包括的极限值中的一者或两者的范围。

如本文和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”包括多个引用物。因此，例如，提及“含硅前驱物”包括多个此类前驱物，并且提及“该含氮成核层”包括提及本领域技术人员已知的一个或多个层及其等同物，等等。

此外，当在本说明书和以下权利要求书中使用时，词语“包括”、“包含”和“含有”意欲指定所陈述的特征、整数、部件或操作的存在，但是它们不排除一个或多个其他特征、整数、部件、操作、动作或基团的存在或添加。