CN100487927C - 导电和绝缘复合氮化镓基生长衬底及其生产技术和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示大直径高质量的导电和绝缘两种复合氮化镓基晶片及其在硅晶片上生长的技术和工艺，以及分别在导电和绝缘复合氮化镓基晶片上生长垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术。在硅晶片上生长复合氮化镓基晶片的工艺流程包括：在硅晶片上生长第一中间媒介层，外延生长氮化镓基外延层，层叠反射/欧姆层，键合支持衬底，剥离硅生长衬底，得到氮化镓基外延层键合在支持衬底上，构成复合氮化镓基晶片。
Description
技术领域
本发明揭示大直径高质量的导电和绝缘复合氮化镓基生长衬底(pseudo GaNbased substrate)及其在硅晶片上生长的技术和工艺，以及在导电和绝缘复合氮化镓基生长衬底上分别生长垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术和工艺，属于半导体电子技术领域。
背景技术
氮化镓晶片是生长氮化镓基半导体发光二极管的最佳生长衬底，氮化镓基外延层和氮化镓生长衬底之间的晶格常数和热胀系数相同，不会产生位错(dislocation)和畸变(distortion)，因此外延层的质量最高，但是氮化镓商品晶片的价格极其昂贵，且晶片直径小。另一方面，美国专利6639258揭示一种在蓝宝石生长衬底上外延生长厚度约为100微米的氮化镓层作为复合氮化镓生长衬底，剥离蓝宝石生长衬底，最后在复合氮化镓生长衬底上外延生长氮化镓基半导体发光二极管的方法。但是，使用该方法外延生长的复合氮化镓生长衬底极其昂贵，生长衬底的直径小，且只能用于生长横向结构的氮化镓基半导体发光二极管(横向结构的半导体发光二极管的两个电极在生长衬底的同一侧面)。
蓝宝石和碳化硅晶片被作为生长氮化镓基半导体发光二极管的生长衬底。但是，蓝宝石晶片的导热性能低，价格偏高。碳化硅晶片不但价格高，并且具有本征材料缺陷。大直径的蓝宝石和碳化硅晶片都没有商业化。
大功率半导体发光二极管具有取代白炽灯的巨大前途，但是，首先要解决技术上的问题，主要问题包括散热效率低和生产成本高。为解决横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的散热问题，倒装焊技术被提出。但是，倒装焊技术工艺复杂，成本高。因此，大量的研究投入垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的两个电极分别在支持衬底的两面。该发光二极管不但具备倒装焊技术的散热效率高的优点，不具备倒装焊技术的缺点，而且具备电流分布均匀，电流密度大，光取出效率高等优点。为降低大功率半导体发光二极管的生产成本，一个成效显著的方法是使用大直径的生长衬底，而生产大直径蓝宝石和碳化硅晶片技术上很困难。
硅晶片的优点如下：价格低，商品晶片直径大(因此生产成本进一步降低)，质量高。因此，大量的研究工作集中于在硅晶片上生长氮化镓基半导体发光二极管。在硅晶片上生长氮化镓外延层的主要困难来源于氮化镓和硅晶片之间的热涨系数和晶格常数的极大的不同，该不同造成氮化镓外延层内的巨大应力，该应力降低外延层的质量。另外，当使用大直径硅晶片时，均匀性成为非常重要的关键。第一，很小的温度起伏会造成外延层生长速度和组成成份比例的显著变化，因此引起外延层的电/光特性的不均匀性。第二，由于硅晶片的上表面辐射热能和接触硅晶片上表面的气体吸收热能，因此在外延生长过程中，硅晶片的边缘向上翘起，这导致硅晶片表面的温度不均匀，并引起外延层的电/光特性的不均匀性。均匀性问题限制了可以使用的硅生长衬底的直径。
美国专利6649287揭示在硅晶片上生长绝缘复合氮化镓基生长衬底的方法，但是，一部分该生长衬底仍然有裂痕。
因此，需要大直径高质量的复合氮化镓基晶片和批量生产的工艺方法，由此得到的复合氮化镓基晶片可以应用于生长高质量的垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管及其它半导体芯片或器件，又能够避免上面提到的缺点。
发明内容
本发明揭示一类新的复合氮化镓基晶片：导电复合氮化镓基晶片。本发明揭示几种具有不同结构的导电复合氮化镓基晶片，该类晶片可以用于生长高质量的垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
本发明揭示几种具有不同结构的绝缘复合氮化镓基晶片，该类晶片可以用于生长导热性能优良的横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
本发明揭示在硅晶片上生长大直径高质量的复合氮化镓基晶片的工艺方法，主要工艺步骤如下：在硅晶片生长衬底上，生长第一中间媒介层，生长氮化镓基外延层，在氮化镓基外延层暴露的一面上依次层叠反射/欧姆层，低溶点的第二中间媒介层，和支持衬底。支持衬底可以是硅晶片，导电硅晶片，也可以是其它材料。然后剥离硅晶片生长衬底，氮化镓基外延层及支持衬底构成复合氮化镓基晶片。如此生长而成的复合氮化镓基晶片，可以用于生长高质量的大功率氮化镓基半导体发光二极管。使用硅晶片作为生长衬底带来巨大的好处：(1)硅晶片的直径大，目前最大为300毫米。一片200毫米的硅晶片的可利用面积至少等同于16片50毫米的蓝宝石晶片；因此，外延生长，光刻，层叠电极等工艺的生产率极大的提高，生产成本降低；(2)硅晶片的价格比蓝宝石和碳化硅生长衬底低，成本进一步降低；(3)生长在硅晶片上的半导体发光二极管可以的与生长在硅晶片上的集成电路(例如半导体发光二极管的控制电路，)整合；(4)硅晶片的导热性能优于蓝宝石，以硅晶片为衬底的导电和绝缘复合氮化镓基晶片可以分别用于生长垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
本发明同时揭示在复合氮化镓基晶片上生长高质量的垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术和生产方法，同样的方法可以应用于其他半导体芯片或器件。
本发明的目的和能达到的各项效果如下：
(1)本发明的目的是提供大直径高质量的复合氮化镓基晶片及的批量生产的技术和工艺，复合氮化镓基晶片具有与所使用的硅生长衬底相同的直径，因此目前最大可以达到300毫米。
(2)本发明的目的是提供批量生产高质量的垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的方法。本发明的批量生产方法是生长氮化镓基半导体发光二极管于高质量的复合氮化镓基晶片上，使得氮化镓基半导体发光二极管具有高质量。在导电复合氮化镓基晶片上生产垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术和生产工艺比传统的生产横向结构的氮化镓基半导体发光二极管简单，不需要蚀刻到n导电型限制层并层叠电极于其上，成品率高。在绝缘复合氮化镓基晶片上制成的横向结构的氮化镓基半导体发光二极管的散热效率高，因此，可以生产大功率横向结构的氮化镓基半导体发光二极管，不需要使用倒装焊技术进行封装，生产成本降低。
本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
附图说明
图1a是本发明的生产导电和绝缘复合氮化镓基晶片的工艺流程的一个具体实施实例。
图1b是本发明的绝缘复合氮化镓基晶片的第一个具体实施实例的截面图。
图1c是本发明的导电复合氮化镓基晶片的第一个具体实施实例的截面图。
图1d是本发明的导电复合氮化镓基晶片的第二个具体实施实例的截面图。
图1e是本发明的导电复合氮化镓基晶片的第三个具体实施实例的截面图。
图2a是本发明的生产绝缘复合氮化镓基晶片的工艺流程的一个具体实施实例。
图2b是本发明的绝缘复合氮化镓基晶片的第二个具体实施实例的截面图。
图2c是本发明的绝缘复合氮化镓基晶片的第三个具体实施实例的截面图。
图2d是本发明的绝缘复合氮化镓基晶片的第四个具体实施实例的截面图。
图3a是本发明的以导电复合氮化镓基晶片为生长衬底的高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的截面图。
图3b是本发明的以绝缘复合氮化镓基晶片为生长衬底的高质量的横向结构的氮化镓基半导体发光二极管的截面图。
图4是室温下，氮化镓，氮化铝，氮化硼，磷化硼，硼铝氮，和硼镓氮的晶格常数(埃)和带隙能量(电子伏)。
图5a是本发明的纹理结构的顶视图。
图5b是本发明的纹理结构的截面图。
具体实施实例和发明的详细描述
虽然本发明的具体化实施实例将会在下面被描述，但下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项描述。
注意下列各项：
(1)图1和图2展示生产大直径的复合氮化镓基晶片的技术和工艺。但是相同的技术和工艺可以应用于其它的大直径复合晶片的生产。
(2)本发明中的“氮化镓基”材料包括由元素镓，铝，硼，铟，氮，磷所组成的二元系材料，三元系材料，或四元系材料，例如，氮化镓，氮化铝，硼铝氮(BAlN)，硼镓氮(BGaN)，铝镓氮(AlGaN)，铟镓氮(InGaN)，铝镓铟氮(AlInGaN)，铝镓氮磷(AlGaNP)，等。
(3)本发明的复合氮化镓基晶片的生长衬底的材料包括，硅晶片生长衬底。硅生长衬底的晶体平面的取向可以是，(111)。
(4)本发明的复合氮化镓基晶片的硅生长衬底的一面可以具有蚀刻形成的纹理结构。蚀刻方法包括湿法和干法。湿法化学蚀刻的一个具体实施实例：使用NHO3和HF的醋酸溶液蚀刻硅晶片。
(5)为了在外延生长时，本发明的复合氮化镓基晶片的硅生长衬底的边缘不会向上翘起，可以使用下述方法：(1)非刚性固定硅生长衬底于一个导热良好的托盘上。托盘的材料包括，但不限于，钼。非刚性固定的方法包括，但不限于，低熔点金属键合，非刚性机械夹具，或两者的组合。(2)利用红外热源对硅晶片生长衬底的上表面加热。(3)硅晶片具有较高的热导率，使用较厚的硅生长衬底。(4)上述方法的组合。当在复合氮化镓基晶片上生长氮化镓基半导体发光二极管时，可使用相同方法。
(6)本发明的复合氮化镓基晶片的第一中间媒介层的材料包括：(A)元素氮，磷，硼，硅，碳，铝，镓，铟，钛的二元系材料，三元系材料，和四元系材料，例如：氮化铝，氮化镓，氮化钛，磷化硼，碳化硅，硼铝氮，硼镓氮，铝镓氮，铟镓氮，铝铟镓氮，硼铝镓氮(BAlGaN)，及它们的组合；(B)一层低熔点金属，低熔点金属层的材料包括，但不限于，铟和锡；(C)一层高熔点金属，高熔点金属层的材料包括，但不限于，钛；(D)上述材料(A)，(B)和(C)的组合。
(7)本发明的复合氮化镓基晶片的第一中间媒介层和氮化镓基外延层具有成份分层结构(compositionally graded layer)：在该层的不同深度，每种成份之间的比例不同。例如，当第一中间媒介层不包括低熔点金属层和高熔点金属层时，第一中间媒介层与硅生长衬底接触的表层的各种成份之间的比例使得第一中间媒介层与硅生长衬底之间的由于晶格常数的不同引起的应力最小。第一中间媒介层与氮化镓基外延层接触的表层的各种成份之间的比例使得第一中间媒介层与氮化镓基外延层之间的由于晶格常数的不同引起的应力最小。
(8)本发明中，第一中间媒介层的氮化镓层和氮化镓基外延层的生长方法包括，但不限于，两步生长法：在镓元素按化学计量少于氮元素的条件下，生长氮化镓层和氮化镓基外延层；然后，在镓元素按化学计量多于氮元素的条件下，继续生长氮化镓层和氮化镓基外延层。
(9)第一中间媒介层中的低熔点金属层的功能：当在硅生长衬底上，生长第一中间媒介层中的其它媒介层时，低熔点金属层熔化，第一中间媒介层中的其它媒介层漂浮在硅生长衬底上。熔化的第一中间媒介层有三个作用：由于熔化的金属的表面张力，第一中间媒介层中的其它媒介层被整体地“粘”在硅生长衬底上，熔化的低熔点金属层将热均匀地传导到第一中间媒介层中的其它媒介层。另外，当外延生长结束，温度降到约160摄氏度(铟的溶点为157摄氏度)时，低熔点金属层凝固，温度继续降到约20摄氏度室温。在大约140摄氏度的温度差的范围内，外延层和生长衬底之间的热涨系数的不同造成应力，但此应力很小，该应力对外延层的质量的影响很小。在剥离硅生长衬底的工艺中：直接加热，使低熔点金属层熔化，即可分离硅生长衬底和第一中间媒介层。
(10)本发明的复合氮化镓基晶片的第一类型氮化镓基外延层包括n导电型氮化镓基外延层和p导电型氮化镓基外延层。作为复合氮化镓基晶片和生长该晶片的工艺流程的具体实施实例，本发明使用n导电型氮化镓基外延层。
(11)本发明的复合氮化镓基晶片的反射/欧姆层的材料包括，但不限于，金，铑，镍，铂，和它们的合金。
(12)本发明的复合氮化镓基晶片的反射/欧姆层也可以是分布布拉格反射器。
(13)本发明的复合氮化镓基晶片的第二中间媒介层的材料包括，铟，锡。
(14)第二中间媒介层的功能：当在复合氮化镓基晶片上，生长氮化镓基半导体发光二极管的外延层时，第二中间媒介层熔化，外延层漂浮在支持衬底上。熔化的第二中间媒介层有两个作用：由于熔化的金属的表面张力，外延层被整体地“粘”在支持衬底上，熔化的第二中间媒介层将热均匀地传导到外延层。另外，当外延生长结束，温度降到约160摄氏度(铟的溶点为157摄氏度)时，第二中间媒介层凝固，温度继续降到约20摄氏度室温。在大约140摄氏度的温度差的范围内，外延层和生长衬底之间的热涨系数的不同造成应力，但此应力很小，该应力对外延层的质量的影响很小。当氮化镓基外延层直接生长在复合氮化镓基晶片上，外延生长的温度约为1000-1100摄氏度，与冷却到20摄氏度室温的温度差为1000摄氏度，如此大的温度差会在外延层内造成很大的应力，因此降低外延层的质量。
(15)本发明的复合氮化镓基晶片的导电支持衬底的材料包括，但不限于，导电硅晶片和熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的导电薄膜。
(16)剥离硅生长衬底的工艺中：当第一中间媒介层不包括低熔点金属层时，剥离硅生长衬底和第一中间媒介层的方法包括，但不限于，精密机械研磨/抛光，选择性蚀刻，及它们的组合。当第一中间媒介层包括低熔点金属层时，可直接加热，使低熔点金属层熔化，即可分离硅生长衬底和第一中间媒介层，然后利用选择性蚀刻腐蚀第一中间媒介层中的其它媒介层。
(17)本发明的生长于复合氮化镓基晶片上的氮化镓基半导体发光二极管的发光层的材料包括，但不限于，元素氮，硼，铝，镓，砷，磷，铟的二元系材料，三元系材料，四元系材料，和五元系材料，例如：氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铟镓氮磷(InGaNP)，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)；其中铟镓氮，铟镓氮磷，和铝铟镓氮磷已经被应用于白光LED。
(18)本发明的生长于复合氮化镓基晶片上的氮化镓基半导体发光二极管的结构可以是p-n结或双异质结构。
(19)本发明的生长于复合氮化镓基晶片上的氮化镓基半导体发光二极管的发光层的结构可以是单量子阱或多量子阱。
(20)本发明的生长于复合氮化镓基晶片上的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形使得电流分布均匀，电流密度大。
图1a展示本发明的批量生产以硅晶片作为生长衬底的复合氮化镓基晶片的工艺流程的一个具体实施实例。该复合氮化镓基晶片可以作为生长衬底生长垂直和横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
工艺流程101：在硅晶片生长衬底的一面上蚀刻纹理结构，图5展示纹理结构的图形的一个具体实施实例，纹理结构使第一中间媒介层/氮化镓基外延层和支持衬底之间的热涨系数和晶格常数的不同所造成的应力局部化并互相抵消一部分，因而，减少位错和畸变，提高外延层的质量。
为避免外延生长时硅晶片生长衬底的边缘向上翘起，因而使大直径硅晶片作为生长衬底成为可行，可采取下列方法：(1)硅晶片具有较高的热导率，可使用较厚的硅晶片作为生长衬底。(2)非刚性固定硅晶片生长衬底于一个导热良好的托盘上，使得硅晶片的边缘不会向上翘起，均匀受热。(3)上述方法的组合。
工艺流程102：第一中间媒介层生长在硅晶片生长衬底有纹理结构的一面上。
在硅晶片上外延生长氮化镓基外延层的最大问题在于晶格常数和热胀系数的不同，引入第一中间媒介层将晶格常数和热胀系数的不同的效应降低到最小。
工艺流程102的第一个具体实施实例：氮化铝。在硅生长衬底上生长氮化铝：硅生长衬底放在金属有机物化学气相淀积炉(MOCVD)中，在大气压下，使用三甲脂铝(trimethylaluminum，TMA)，和氨气。在1000-1250摄氏度，厚度为10-300纳米的有平滑表面的氮化铝生长在硅生长衬底的(111)晶面上。
第二个具体实施实例：氮化铝/铝。为防止氮化硅的形成，首先在硅生长衬底上生长厚度为几个单原子层(monolayer)到几个纳米的铝，再使用工艺流程102的第一个具体实施实例的方法继续生长氮化铝。
第三个具体实施实例：成份分层结构：氮化铝/硼铝氮(BxAl1-xN)。在硅生长衬底上生长硼铝氮：硅生长衬底放在金属有机物化学气相淀积炉中，在大气压下，温度为1050-1150摄氏度，使用三甲脂铝，三乙基硼(TEB)，和氨气，在硅生长衬底上生长硼铝氮。硼铝氮具有成份分层结构：在该层的不同深度，硼和铝的成份不同，即不同的“x”的值。在与硅生长衬底接触的硼铝氮层，选择“x”的值，使得硼铝氮层和硅生长衬底之间的晶格常数的不同最小。然后“x”的值逐步减低直到0，即从硼铝氮(BxAl1-xN)过渡成氮化铝。“x”的值可以连续变化，也可以不连续变化。
第四个具体实施实例：氮化铝/硼铝氮/铝。为防止氮化硅的形成，首先在硅生长衬底上生长厚度为几个单原子层(monolayer)到几个纳米的铝，再使用工艺流程102的第三个具体实施实例的方法继续生长氮化铝/硼铝氮。
第五个具体实施实例：n导电型铝镓氮(n-type AlxGa1-xN)。应用n导电型铝镓氮作为第一中间媒介层直接生长在导电硅晶片生长衬底上。使用分子束外延炉(MBE)，在950-1050℃，通入氮气，氨气，硅烷(SiH4)，氯化氢。镓，铝，硅烷，氯化氢和氨气反应，生成n导电型铝镓氮，选择“x”的值，使得不会有裂痕。由此得到的n导电型铝镓氮/导电硅生长衬底是本发明的导电复合氮化镓基晶片的一个具体实施实例。由此得到的n导电型铝镓氮/导电硅生长衬底可以进一步施行工艺流程105。
第六个具体实施实例：氮化铝/钛/铟。在硅生长衬底上层叠一层铟，再层叠一层钛，氮化铝生长在钛层上。
第七个具体实施实例：氮化铝/氮化钛/钛/铟。在硅生长衬底上层叠一层铟，再层叠一层钛，放入金属有机物化学气相淀积炉中，在1000-1100℃，通入氨气和氢气，在钛层的表面形成氮化钛层。在氮化钛层上继续生长氮化铝。
在工艺流程102的第一，二，三，四，六，七个具体实施实例中的氮化铝层上，在400-650℃温度下，生长厚度为100-2000埃的氮化镓层作为第一中间媒介层的表面层。
工艺流程102的第八个具体实施实例：采用两步法生长第一中间媒介层的氮化镓层。生长氮化镓层包括两个步骤：在镓元素按化学计量少于氮元素的条件下，例如镓元素与氮元素按化学计量的比小于1，生长氮化镓层，由此得到的氮化镓层的表面粗糙，但是可以减少位错和畸变；在镓元素按化学计量多于氮元素的条件下，继续生长氮化镓层，由此生长的氮化镓层的表面平滑，晶体质量高。
工艺流程103：n导电型氮化镓基外延层外延生长在第一中间媒介层的氮化镓层上。利用MOCVD方法，在氮化镓层上外延生长n导电型氮化镓基外延层。
在第一中间媒介层的氮化镓层上，也可以外延生长p导电型氮化镓基外延层。
工艺流程104：在n导电型氮化镓基外延层上利用干法或湿法蚀刻出纹理结构。在n导电型氮化镓基外延层的暴露的一面蚀刻纹理结构，使得n导电型氮化镓基外延层随后层叠的反射/欧姆层之间的热涨系数的不同造成的应力局部化并互相抵消一部分，因而，提高外延层的质量。
工艺流程105：层叠反射/欧姆层在具有纹理结构的n导电型氮化镓基外延层上。层叠方法包括真空蒸发法。反射/欧姆层的材料包括金，铑，镍，铂，等高反射率和熔点高于外延层生长温度的金属。
工艺流程106：层叠第二中间媒介层在反射/欧姆层上。第二中间媒介层包括一层或数层低熔点金属薄膜，包括铟，锡等。层叠第二中间媒介层的方法包括真空蒸发法等。
工艺流程107：选择具有良好的导电和导热性能的支持衬底，层叠在第二中间媒介层上，支持衬底的材料包括高熔点金属薄膜和导电硅晶片等。对于高熔点金属薄膜支持衬底，层叠的方法包括电镀，化学镀，和真空蒸发法等。对于导电硅晶片支持衬底，层叠的方法包括晶片键合。
工艺流程108：当第一中间媒介层不包括低熔点金属层时，利用机械研磨/抛光剥离硅生长衬底，机械研磨/抛光的厚度控制可以精密到一微米，然后利用选择性蚀刻腐蚀第一中间媒介层，直到n导电型氮化镓基外延层暴露。第一中间媒介层和n导电型氮化镓基外延层的总厚度要足以补偿剥离硅生长衬底和第一中间媒介层的工艺过程中的公差。当第一中间媒介层包括低熔点金属层时，加热直到低熔点金属层熔化，分离硅生长衬底，然后利用选择性蚀刻腐蚀第一中间媒介层的其它部分，直到n导电型氮化镓基外延层暴露。
工艺流程109：利用热处理方法，温度为400-900℃和氮气环境，消除工艺流程108对n导电型氮化镓基外延层的损伤。另外，由于在热处理中，第二中间媒介层中的低熔点金属薄膜熔化，n导电型氮化镓基外延层飘浮在支持衬底上，n导电型氮化镓基外延层的两个表面都不再受到影响其晶体结构的外力，因此部分位错和畸变恢复成正常的晶体结构。在工艺流程101和工艺流程108之间，可以进行其它热处理。
图1b展示本发明的大直径高质量的绝缘复合氮化镓基晶片的第一个具体实施实例：第一中间媒介层122层叠在硅生长衬底121上，该具体实施实例由工艺流程101到工艺流程102制造。其中，第一中间媒介层122的暴露的一面是在低温(400-650℃)下生长在氮化铝层上的氮化镓层.由于硅生长衬底的较高导热效率，该绝缘复合氮化镓基晶片可以作为生长衬底生长横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
图1c展示本发明的大直径高质量的导电复合氮化镓基晶片的第一个具体实施实例：n导电型铝镓氮(n-type AlxGa1-xN)外延层124直接生长在导电硅生长衬底123的一面上。该具体实施实例由工艺流程101和工艺流程102的第五个具体实施实例制造，其中，n导电型铝镓氮外延层124作为第一中间媒介层。该导电复合氮化镓基晶片可以作为生长衬底生长垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
图1d展示本发明的大直径高质量的导电复合氮化镓基晶片的第二个具体实施实例：反射/欧姆层125和n导电型氮化镓基外延层124依次层叠在导电支持衬底126的一面上。该具体实施实例由工艺流程101到工艺流程105及工艺流程107到工艺流程109制造。该导电复合氮化镓基晶片可以作为生长衬底生长垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
图1e展示本发明的大直径高质量的导电复合氮化镓基晶片的第三个具体实施实例：第二中间媒介层127，反射/欧姆层125和n导电型氮化镓基外延层124依次层叠在导电支持衬底126的一面上。该具体实施实例由工艺流程101到工艺流程109制造。该导电复合氮化镓基晶片可以作为生长衬底生长垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
图1b中的绝缘导电复合氮化镓基生长衬底的第一中间媒介层122的第六个具体实施实例包括至少有一层低熔点金属薄膜，该金属薄膜在外延生长时熔化，第一中间媒介层122中的其它媒介层与生长衬底121，进而，与MOCVD的加热底盘很好的接触，温度分布均匀，因而生长的第一中间媒介层的质量均匀。熔化的金属薄膜在生长外延层结束后冷却时凝固，外延层中的由于热胀系数的不同产生的应力很小。图1e中的导电复合氮化镓基生长衬底的第二中间媒介层127具有相同的作用。
图2a展示本发明的批量生产以硅晶片作为生长衬底的绝缘复合氮化镓基晶片的工艺流程的另一个具体实施实例。工艺流程101，工艺流程102，工艺流程105，工艺流程106，和工艺流程109与图1a展示的工艺流程相同。
工艺流程201：生长氮化镓基外延层在第一中间媒介层上。生长氮化镓基外延层的方法包括，两步生长法。
工艺流程202：在氮化镓基外延层的暴露的一面上利用干法或湿法蚀刻出纹理结构，使得氮化镓基外延层和随后层叠的反射/欧姆层之间的热涨系数的不同造成的应力局部化并互相抵消一部分，因而，提高外延层的质量。
工艺流程203：选择具有良好的导热性能的支持衬底，层叠在第二中间媒介层上，支持衬底的材料包括熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的金属薄膜和硅晶片等。对于金属薄膜支持衬底，层叠的方法包括电镀，化学镀，和真空蒸发法等。对于硅晶片支持衬底，层叠的方法包括晶片键合。
工艺流程204：当第一中间媒介层不包括低熔点金属层时，利用机械研磨/抛光剥离硅生长衬底，机械研磨/抛光的厚度控制可以精密到一微米，然后利用选择性蚀刻腐蚀第一中间媒介层，直到氮化镓基外延层暴露。第一中间媒介层和氮化镓基外延层的总厚度要足以补偿剥离硅生长衬底和第一中间媒介层的工艺过程中的公差。当第一中间媒介层包括低熔点金属层时，加热直到低熔点金属层熔化，分离硅生长衬底，然后利用选择性蚀刻腐蚀第一中间媒介层的其它部分，直到氮化镓基外延层暴露。
在工艺流程101和工艺流程108之间，可以进行其它热处理。一个具体实施实例：在施行图1的工艺流程103和图2的工艺流程201之后，进行下述工艺流程：
工艺流程301：分别层叠低熔点金属层在图1的n导电型氮化镓基外延层和图2的氮化镓基外延层上。
工艺流程302：分别层叠第一支持衬底在图1的n导电型氮化镓基外延层和图2的氮化镓基外延层上。
工艺流程303：剥离硅生长衬底和第一中间媒介层，直到图1的n导电型氮化镓基外延层和图2的氮化镓基外延层暴露。
工艺流程304：热处理。
继续进行图1的工艺流程104，105，106和图2的工艺流程202，105，106。
工艺流程305：分别层叠不同的第二支持衬底在图1的n导电型氮化镓基外延层和图2的氮化镓基外延层上。
工艺流程306：剥离第一支持衬底，腐蚀在图1的n导电型氮化镓基外延层和图2的氮化镓基外延层上的低熔点金属层，直到图1的n导电型氮化镓基外延层和图2的氮化镓基外延层暴露。
然后，继续进行图1和图2的工艺流程109。
图2b展示本发明的大直径高质量的绝缘复合氮化镓基晶片的第二个具体实施实例：第一中间媒介层122和氮化镓基外延层206依次层叠在硅生长衬底121上。氮化镓基外延层的厚度为纳米到数微米，该具体实施实例由工艺流程101，工艺流程102，工艺流程201制造。由于硅生长衬底的较高导热效率，该绝缘复合氮化镓基晶片可以作为生长衬底生长横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
图2c展示本发明的大直径和高质量的绝缘复合氮化镓基晶片的第三个具体实施实例：反射/欧姆层125和氮化镓基外延层206依次层叠在支持衬底205上。该支持衬底具备高热导率。该具体实施实例由图2(除工艺流程106之外)的工艺流程制造。反射/欧姆层125使得生长于其上的横向结构的氮化镓基半导体发光二极管的光取出效率提高。高热导率的支持衬底205使得生长于其上的横向结构的氮化镓基半导体发光二极管的散热效率提高，因此，该种绝缘复合氮化镓基生长衬底可以应用于生长横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。
图2d展示本发明的大直径和高质量的绝缘复合氮化镓基晶片的第四个具体实施实例：第二中间媒介层127，反射/欧姆层125，和氮化镓基外延层206依次层叠在支持衬底205上。该具体实施实例由图2的工艺流程制造。反射/欧姆层125使得生长于其上的横向结构的氮化镓基半导体发光二极管的光取出效率提高。高热导率的支持衬底205使得生长于其上的横向结构的氮化镓基半导体发光二极管的散热效率提高，因此，该种绝缘复合氮化镓基生长衬底可以应用于生长横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管。图2d中的绝缘复合氮化镓基生长衬底的第二中间媒介层的一个具体实施实例包括至少有一层低熔点金属薄膜，该金属薄膜在外延生长时熔化，因此，外延层中的由于热胀系数的不同产生的应力也很小。因此，外延层具有很低的位错和畸变密度。
图3a展示本发明的生长在图1c，图1d，和图1e中的大直径高质量的导电复合氮化镓基生长衬底301上的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的一个具体实施实例。为防止在生长氮化镓基半导体发光二极管时，导电复合氮化镓基生长衬底301的边缘向上翘起，可以使用下述方法：(1)非刚性固定导电复合氮化镓基生长衬底301于一个导热良好的托盘上。(2)利用红外热源对导电复合氮化镓基生长衬底301的上表面加热。(3)使用较厚的导电复合氮化镓基生长衬底301。(4)上述方法的组合。依次在导电复合氮化镓基生长衬底301上外延生长氮化镓基第一导电类型限制层302，发光层303，和氮化镓基第二导电类型限制层304。发光层303亦可以是单量子阱(SQW)或多量子阱(MQW)结构。图1e的导电复合氮化镓基生长衬底301包含第二中间媒介层127，该层包含熔点低于生长外延层的温度的金属薄膜，因而金属薄膜在生长外延层时熔化，导电支持衬底126很好的接触MOCVD的加热底盘，温度分布均匀，因而生长的外延层的质量均匀。熔化的金属薄膜在生长外延层结束后冷却时凝固，因此在外延层和支持衬底126之间的应力为最小。电流扩散层305层叠在氮化镓基第二导电类型限制层304和具有优化的图形的第二电极306之间。导电复合氮化镓基生长衬底的全部底面作为第一电极。
因为如下原因，采用以上方法生长的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管具有优良质量：
(1)首先，导电复合氮化镓基生长衬底中的n导电型氮化镓基外延层的晶体质量高，位错和畸变密度低：(2)剥离生长衬底的工艺过程在生长发光层303之前，因此剥离工艺不影响发光层质量；(3)在生长氮化镓基半导体发光二极管外延层的工艺过程中，导电复合氮化镓基生长衬底与MOCVD的加热底盘有良好的接触；第二中间媒介层中至少有一层金属薄膜熔化，所以n导电型氮化镓基外延层与导电支持衬底很好的接触，温度分布均匀，生长于n导电型氮化镓基外延层上的氮化镓基半导体发光二极管外延层的质量均匀；(4)熔化的金属薄膜在冷却到约160摄氏度时固化，因此使得n导电型氮化镓基外延层与生长衬底之间的由于热涨系数的不同造成的应力为最小；(5)n导电型氮化镓基外延层表面的纹理结构使得n导电型氮化镓基外延层和反射/欧姆层之间的应力最小化和局部化；(6)传统的在硅生长衬底上外延生长氮化镓基LED有一个不足之处：由于氮化镓和硅生长衬底的热胀率的不同，在拉应力下，氮化镓基外延层变形。但是，采用本发明的图1d和图1e的导电复合氮化镓基生长衬底，在生长氮化镓基半导体发光二极管外延层之前，硅生长衬底和第一中间媒介层已经被剥离，该不足之处已不存在。
图3b展示本发明的生长在图1b，图2b，图2c和图2d中的大直径高质量的绝缘复合氮化镓基生长衬底311上的横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的一个具体实施实例。依次在绝缘复合氮化镓基生长衬底311上外延生长氮化镓基第一导电类型限制层302，发光层303和氮化镓基第二导电类型限制层304层。发光层303亦可以是单量子阱或多量子阱结构。电流扩散层305层叠在氮化镓基第二导电类型限制层304和第二电极307之间。在预定的位置蚀刻外延层直到氮化镓基第一导电类型限制层302暴露，在暴露部分层叠第一电极308。在绝缘复合氮化镓基生长衬底311上生长的横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管具备良好的散热效率，不需要使用倒装焊技术封装。
图4展示室温下，氮化铝，氮化硼，氮化镓，硼铝氮，硼镓氮，磷化硼，蓝宝石，和硅的晶格常数(埃)和带隙能量(电子伏)。硼铝氮(BxAl1-xN)和硼镓氮(ByGa1-yN)的晶格常数取决于“x”和“y”的值。
图5a和图5b分别展示表面纹理结构500的一个具体实施实例的顶视图和截面图。表面纹理结构500具有不同的类型。表面纹理结构500包括井502和凸分隔501。凸分隔501的高度为纳米到微米。表面纹理结构500将会局部化和最小化由于两个接触面之间的热胀率的不同产生的应力。
上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权力要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施实例决定。
Claims (12)
1.一种导电复合氮化镓基晶片，其组成部分包括：
- 导电支持衬底；其中，所述的导电支持衬底是从一组材料中选出，该组材料包括：导电硅晶片和熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的导电薄片；
- 第一导电类型氮化镓基外延层；其中，所述的第一导电类型氮化镓基外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：由元素氮、硼、铝、镓、铟组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料；其中，所述的第一导电类型氮化镓基外延层是n导电型氮化镓基外延层和p导电型氮化镓基外延层之一；
- 反射/欧姆层；所述的反射/欧姆层层叠于所述的导电支持衬底和所述的第一导电类型氮化镓基外延层之间。
2.权利要求1所述的导电复合氮化镓基晶片，进一步包括中间媒介层；其中，所述的中间媒介层层叠在所述的导电支持衬底和所述的反射/欧姆层之间；其中，所述的中间媒介层的材料是从一组熔点低于氮化镓基外延层的生长温度的金属材料中选出，该组材料包括：铟，锡。
3.权利要求1所述的导电复合氮化镓基晶片，其中，所述的反射/欧姆层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：金、铑、铂、镍、和它们的合金。
4.一种绝缘复合氮化镓基晶片，其组成部分包括：
- 支持衬底；其中，所述的支持衬底是从一组材料中选出，该组材料包括：硅晶片和熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的薄片；
- 氮化镓基外延层；其中，所述的氮化镓基外延层的材料包括：由元素镓、铝、硼、铟、氮组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料；
- 反射/欧姆层；其中，所述的反射/欧姆层层叠于所述的支持衬底和所述的氮化镓基外延层之间。
5.权利要求4所述的绝缘复合氮化镓基晶片，其中，所述的反射/欧姆层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：金、铑、铂、镍、和它们的合金。
6.权利要求4所述的绝缘复合氮化镓基晶片，进一步包括中间媒介层；其中，所述的中间媒介层层叠在所述的支持衬底和所述的反射/欧姆层之间；其中，所述的中间媒介层的材料是从一组熔点低于氮化镓基外延层的生长温度的金属材料中选出，该组材料包括：铟，锡。
7.一种复合氮化镓基晶片，其组成部分包括：
- 硅晶片生长衬底；
- 中间媒介层；其中，所述的中间媒介层层叠在所述的硅晶片生长衬底上；其中，所述的中间媒介层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：(1)由元素氮、磷、硼、硅、碳、铝、镓、铟、钛组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料；(2)熔点低于氮化镓基外延层的生长温度的金属层，所述的低熔点金属层的材料包括，铟，锡；(3)熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的金属层，所述的高熔点金属层的材料包括，钛；(4)以上材料的组合。
8.权利要求7所述的复合氮化镓基晶片，其中，所述的硅晶片生长衬底是导电硅晶片，所述的中间媒介层是第一导电类型铝镓氮。
9.权利要求7所述的复合氮化镓基晶片，进一步包括氮化镓基外延层；其中，所述的氮化镓基外延层生长在所述的中间媒介层上；其中，所述的氮化镓基外延层的材料包括，由元素镓、铝、硼、铟、氮组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料。
10.一种批量生产导电复合氮化镓基晶片的方法包括下述工艺步骤：
- 提供一个硅生长衬底；
- 外延生长第一中间媒介层于所述的硅生长衬底上；其中，所述的第一中间媒介层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：(1)由元素氮、磷、硼、硅、碳、铝、镓、铟、钛组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料；(2)熔点低于氮化镓基外延层的生长温度的金属层，所述的低熔点金属层的材料包括，铟和锡；(3)熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的金属层，所述的高熔点金属层的材料包括，钛；(4)以上材料的组合；
- 外延生长第一导电类型氮化镓基外延层于所述的第一中间媒介层上；其中，所述的第一导电类型氮化镓基外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，由元素镓、铝、硼、铟、氮组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料；
- 层叠反射/欧姆层于所述的第一导电类型氮化镓基外延层上；
- 层叠第二中间媒介层于所述的反射/欧姆层上；
- 层叠导电支持衬底于所述的第二中间媒介层上，因此形成键合晶片；其中，所述的导电支持衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：导电硅晶片和熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的导电薄片；
- 从所述的键合晶片上剥离所述的硅生长衬底和所述的第一中间媒介层，使得第一导电类型氮化镓基外延层暴露；其中，所述的剥离的方法包括：机械研磨/抛光、选择性蚀刻、加热熔化分离、及它们的组合。
11.一种批量生产复合氮化镓基晶片的方法包括下述工艺步骤：
- 提供一个硅生长衬底；
- 外延生长第一中间媒介层于所述的硅生长衬底上；其中，所述的第一中间媒介层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：(1)由元素氮、磷、硼、硅、碳、铝、镓、铟、钛组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料，及它们的组合；(2)熔点低于氮化镓基外延层的生长温度的金属层，所述的低熔点金属层的材料包括，铟和锡；(3)熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的金属层，所述的高熔点金属层的材料包括，钛；(4)以上材料的组合；
- 外延生长氮化镓基外延层于所述的第一中间媒介层上；其中，所述的氮化镓基外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：由元素氮、磷、铝、镓、铟组成的二元系材料、三元系材料、和四元系材料。
12.权利要求11所述的批量生产复合氮化镓基晶片的方法，进一步包括工艺步骤：
- 在所述的氮化镓基外延层上层叠反射/欧姆层
- 层叠第二中间媒介层于所述的反射/欧姆层上；
- 在所述的第二中间媒介层上层叠支持衬底，因此形成键合晶片；其中，所述的支持衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：硅晶片和熔点高于氮化镓基外延层的生长温度的薄片；
- 从键合晶片上剥离所述的硅生长衬底和第一中间媒介层，使得氮化镓基外延层暴露；其中，剥离的方法包括：机械研磨/抛光、选择性蚀刻、加热熔化分离、及它们的组合。
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