CN101091234A - 用于光电子应用的基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光电子应用的基板的制造方法,所述基板具有在最终载体上的至少一个活性氮化物层及最终载体与至少一个活性氮化物层之间的金属中间层,其中,所述方法包括以下步骤:制备辅助基板,其中将一个半导体氮化物层置于辅助载体上;金属化所述氮化物层一侧的所述辅助基板;将金属化的载体基板与所述最终基板相接合;以及在所述接合步骤之后移除所述辅助载体。本发明的目的是提供一种上述类型的可以提高活性氮化物层的结晶质量的方法。通过上述类型的以下方法来达到这一目的,在所述方法中,制备所述辅助基板的步骤包括:从大块半导体氮化物基板分离一部分;以及将所述部分转移到所述辅助载体上,从而在其上形成所述半导体氮化物层。

Description

用于光电子应用的基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于光电子应用的基板的制造方法,所述基板具有在最终载体上的至少一个活性氮化物层以及在最终载体与所述至少一个活性氮化物层之间的金属中间层,其中,所述方法包括以下步骤:制备辅助基板,其中将一个半导体氮化物层放置在辅助载体上;金属化所述氮化物层一侧的辅助基板;将金属化的载体基板与所述最终载体接合;以及在所述接合步骤之后移除所述辅助载体。
背景技术
在光学应用领域,包括发光二极管(LED)和激光二极管在内的基于GaN的发光器件近年来颇受关注。这是因为这些器件能够产生可以具有许多实际应用(例如,高密度存储、高速数据处理、固态照明、平板彩色显示及量子计算)的UV区和蓝光区中的短波发射。然而,基于GaN的层的实现与基于GaAs的层相比相对来讲较新。因此,基于GaN的层的技术仍处于开发阶段,在可以实现那些应用之前,许多技术问题仍待研究和解决。
考虑技术发展现状,已知制造蓝宝石上GaN模板用于蓝光LED的大规模生产。在传统方法的第一步骤中,在蓝宝石基板上生长GaN成核层。在第二步骤中,在该成核层上生长二至四微米厚的GaN缓冲层。该生长步骤非常耗费时间,通常要二至四小时。在最后步骤中,在GaN缓冲层上生长包括包层、多个量子阀(quantum valve)及p型层的InGaN/AlGaN/GaN-LED结构,该LED结构的总厚度约为1μm。
尽管利用该公知技术可以实现高的器件产量,但是所得到的结构具有一些缺点。虽然蓝宝石基板与高成本的GaN基板相比较为廉价并且是更普遍的选择,但是其不导电,因而在各芯片的顶部上需要两个接线头。随着电流在这两个触头之间侧向行进,封装效率大大降低。虽然蓝宝石是透明的使得更多光能够从芯片中漏出,但是遗憾的是,蓝宝石用作捕获热量的绝热器,显著降低了高工作电流效率并最终限制了可能的应用。
此外,由于蓝宝石与GaN之间的晶格失配和温度膨胀系数差,因此公知的是,生长在蓝宝石基板上的GaN器件结构具有许多趋向影响器件性能的缺陷。诸如蓝宝石材料的绝缘性质和无解理性的其他因素使得难以利用传统技术来制造GaN发光器件。
SiC基板可以替代蓝宝石基板用于在其上生长GaN层。然而,虽然SiC导电,但是由于大量吸收仅出现在UV范围中,因此SiC能捕获所发射的光的绝大部分。
因此,在另一用于制造垂直GaN-LED的公知方法中,考虑到蓝宝石基板和SiC基板的上述优点和缺点,将蓝宝石基板用作初始GaN生长基板,接着在GaN的顶部上接合导热且导电的金属层。通过接着使用适当的剥离技术,将蓝宝石基板从GaN剥离,使GaN和反射基底准备好用于制造垂直器件。
将垂直器件接合到表现出低热阻和高导电率的反射金属层得到以下高效器件:该器件适合于更薄的LED封装,同时保持足够粗糙以适于传统粘晶(die-mount)技术。由于亮度高,所以该方法对于诸如蜂窝式电话的背光应用(其中,更薄的裸晶(die)节省了宝贵的空间)以及诸如固态白光照明的高功率/超亮应用尤为有利。
然而,即使该方法也不能防止由于蓝宝石基板与生长在其上的GaN层之间的材料性质的差异所导致的缺点。具体地说,这种基板的活性氮化物层的位错密度通常在108/cm2量级,这严重限制了利用这种基板制造的光学器件的效率。
发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种上述类型的可以提高活性氮化物层的结晶质量的方法。
通过上述类型的以下方法来达到上述目的,在所述方法中制备辅助基板的步骤包括:从大块(massive)半导体氮化物基板分离一部分;并且将所述部分转移到所述辅助载体上,以在其上形成所述半导体氮化物层。
利用本发明的方法,可以制造具有结晶缺陷密度低的活性层的用于光电子应用的基板。具体地说,尽管可能将活性层制造得较薄,但是可以使活性层的位错密度低于108/cm2。这具有如下效果:通过使用这些基板制造的光电子器件可以在尺寸小且重量轻的同时实现高效率和长使用寿命。
此外,所述中间金属层可以确保活性氮化物层与载体基板之间良好的导电,并可以用作其他用途,即,作为活性层与载体基板之间的排热层。这样,最终基板可以良好地进行电接触,并且可以将操作过程中的热应力保持在较低值。
根据本发明的有益实施例,所述半导体氮化物基板是GaN基板或AlN基板。GaN和AlN具有以下优点:这些材料的生长以及它们的性质相对来讲是众所周知的,因此可以高结晶质量地制备这些材料。
在本发明的有利示例中,制造出位错密度小于106/cm2的大块半导体氮化物基板。由于要从其分离半导体氮化物层的半导体氮化物基板的位错密度非常低,因此形成在辅助载体上的氮化物层也具有非常低的位错密度,使得随后生长在被转移的半导体氮化物层上的层的位错密度也很低。利用该方法,所得基板的活性部分具有非常好的结晶度,而与最终载体的性质无关。
在本发明的有利示例中,所述分离和转移步骤包括:在所述半导体氮化物基板上淀积电介质层;通过所述电介质层将物类(species)注入到所述氮化物基板中一定深度,从而在其中形成预定分裂区;将所述氮化物基板在注入侧与所述辅助载体相接合;以及对所述氮化物基板进行热处理和/或机械处理,以沿所述预定分裂区分裂所述基板。这些步骤取自公知的Smart CutTM技术,并使得将限定厚度的高质量氮化物层平滑且高度准确地转移到所述辅助载体上。
在本发明的有利实施例中,所述辅助载体是从包括硅、GaAs和ZnO的材料的组中选择的基板。这些基板可以提供高机械强度,这在其中辅助载体处于相对高的机械应力下的分离和转移步骤过程中显然是有利的。此外,GaAs和ZnO的热膨胀系数略高于诸如GaN或AlN的典型半导体氮化物层的热膨胀系数,使得最终基板的活性层仅具有轻微的压缩,这防止在活性层中出现破裂后果。
根据本发明的另一有益变型例,在分离和转移步骤之后对所述辅助基板进行退火。所述退火步骤加强被转移氮化物层与辅助载体之间的界面处的连接。
在本发明的另一示例中,在退火步骤之前在被转移氮化物层上引入保护层,并在退火步骤之后移除该保护层。这样,可以保护被转移氮化物层免受退火环境中的化学影响,否则将导致与氮化物层发生化学反应或导致对氮化物层的结晶度或纯度的其他不期望的改变。
在本发明的另一优选实施例中,在分离和转移步骤之后或在退火步骤之后,对被转移氮化物层的表面进行平滑。一定程度地去除被转移氮化物层表面的粗糙度有利于其用作后续层的基底,使得可以将后续层更好地淀积在平滑的下部表面(subsurface)上。该平滑步骤可以在退火步骤之前或之后实施。
此外,有利的是,在辅助基板的被转移氮化物层上淀积至少一个外延氮化物层,所述至少一个外延氮化物层是由包括N掺杂GaN、InGaN、AlGaN、无掺杂GaN和P掺杂GaN的组中的材料制成的。该附加的外延层很适于形成光电子结构的活性层。
在本发明的另一有利实施例中,在所述至少一个外延氮化物层上淀积金属中间层。这样,所述金属中间层可以形成针对所述至少一个外延氮化物层的欧姆接触。取决于被选择用于形成所述中间层的金属物类,采用退火步骤以生成氮化物材料与所使用的金属之间的合金可能是有用的。这使得可以从肖特基接触状态变成欧姆接触状态。
在本发明的另一示例中,所述方法还包括以下步骤:制备最终载体;以及将所述最终载体接合在辅助基板的金属化侧上。最终载体从与辅助载体相对的一侧对被转移氮化物层及淀积的至少一个外延层提供良好的机械支撑。
在本发明的有益变型例中,所述最终载体的材料是从包括硅、碳化硅和铜的组中选择的。这些材料提供良好的导电性和导热性,这与制造出的基板的后续光电子应用尤为相关,在所述光电子应用中,导电性可以用于在最终载体上形成欧姆接触,而导热性用于为带有最终载体的光电子器件提供良好的排热。
在本发明的又一有利实施例中,在将最终载体与辅助基板进行接合的步骤之前,在最终载体上淀积至少一个反射层。所述反射层用作活性层与最终载体之间的反射镜,以使得从活性层发射的光不会被最终载体吸收。
根据本发明的另一便利实施例,在接合步骤之后机械地和/或化学地移除辅助载体,其中,氮化物层用作移除步骤的停止层。在该步骤中,可以挖出最终基板的活性层。
在本发明的再一有利示例中,在对辅助载体的移除步骤之后,从基板上移除被转移氮化物层。移除诸如被转移氮化物层的非必要层提高了整个结构的效率,这是由于无用的层会导致对从活性层发射的光子的不期望的吸收。
附图说明
通过以下参照附图的详细说明,本发明的其他有利目的将变得更加清楚,在附图中:
图1示意性地示出了根据本发明实施例的制备大块半导体氮化物基板的步骤;
图2示意性地示出了在图1的基板上淀积电介质层的步骤;
图3示意性地示出了向图2的结构中的注入步骤;
图4示意性地示出了图3的结构与辅助载体的接合步骤;
图5示意性地示出了对图4的结构的分裂步骤;
图6示意性地示出了对图5的分裂结构的抛光步骤;
图7示意性地示出了在图6的结构上淀积保护层的步骤;
图8示意性地示出了对图7的结构的退火步骤;
图9示意性地示出了在图8的退火步骤之后对图7的结构的保护层的移除步骤;
图10示意性地示出了在图9的结构上生长外延层的步骤;
图11示意性地示出了在图10的结构上淀积金属层的步骤;
图12示意性地示出了具有反射层的最终载体;
图13示意性地示出了图11的结构与图12的结构之间的接合步骤;
图14示意性地示出了对辅助载体和电介质层的移除步骤之后的图13的结构;
图15示意性地示出了移除半导体氮化物层之后的图14的结构;以及
图16示意性地示出了在图15的结构上制备电触头。
应注意的是,这些图中所示的尺寸并非是同比例的。
具体实施方式
尽管参照如以下详细描述及附图中所例示的实施例描述本发明,但应理解,以下详细描述及附图不旨在将本发明限于所公开的具体例示实施例,而仅将这些例示性实施例描述为例示本发明的各个方面,本发明的范围由所附权利要求来限定。
根据本发明,提供了一种制造用于光电子应用的基板的有效方法,该方法可以用于制造诸如LED结构或激光二极管的光电子器件。
图1至图16示出了本发明实施例的例示性工艺流程。
参照图1,示出了制备大块半导体氮化物基板的步骤。在所示的实施例中,大块半导体氮化物基板是顶部上有氮面18且其底部上有镓面19的GaN基板8。该大块GaN基板具有六方晶体结构且位错密度低于106/cm2。基板8的平面度在20μm范围内。氮化物基板8的厚度约为150μm至750μm。氮化物基板8的氮面18被抛光,并且用原子力显微镜(AFM)在约1×1μm2的范围(field)上测得其表面粗糙度(RMS)低于0.3nm。
也可以通过使用具有立方晶体结构的GaN的半导体氮化物基板、或者利用具有立方或六方单晶AlN基板来替代六方GaN基板8而实现上述技术。在所有这些情况下,基板8的位错密度应在105至106/cm2之间乃至更低。
图2示意性地示出了在大块半导体氮化物基板8上淀积电介质层9的步骤。该淀积步骤是在氮化物基板8的氮面18上进行的。电介质层9的材料可以从包括二氧化硅、氮化硅、这些材料的组合或其他与GaN基板8的氮面18具有良好粘附性的电介质材料的组中选择。有利的是,电介质层9通过化学气相淀积来淀积。尽管并非绝对必要,但可以对图2中所示的结构进行热退火以使电介质层9密实。
如图3所示,在注入步骤中向图2中所示的结构注入物类10。物类10可以是氢、氦或者单独其他元素或其组合。在所示出的实施例中,以20keV与200keV之间的能量和1015与1018at/cm2之间的剂量注入物类10。将物类10注入到氮化物基板8中一定深度d,从而在注入深度d处及其周围形成预定分裂区11。
根据图4,在图3的注入后结构的注入侧将该结构与辅助载体6相接合。辅助载体6优选地是硅基板、GaAs基板或ZnO基板,但也可以由具有相对高的机械稳定性的其他材料制成,这是由于这种材料将在接下来分裂氮化物基板8的Smart CutTM工艺过程中承受较高的应力。在GaAs或ZnO作为辅助基板6的情况下,按略高于GaN的热膨胀系数的方式选择或调整辅助载体6的热膨胀系数,这使得结构中的GaN层具有轻微的压缩,从而防止在该层中出现破裂。
如图5所示,利用热处理和/或机械处理将图4的结构分裂成两个部分。由于该处理而施加的应力导致图4的结构沿预定分裂区11分裂。该分裂步骤得到两个结构:以前的半导体氮化物基板8的残留部分,和包括辅助载体6、电介质层9及为以前的半导体氮化物基板8的一部分的半导体氮化物层2的辅助基板5。在该分裂步骤之后,分裂后的结构具有粗糙度增加的分裂表面14和22。
参照图6,在应用于氮化物层2的分裂表面14上的抛光步骤中对辅助基板5进行平滑。在该抛光步骤之后,GaN层2的表面粗糙度为原子级,在利用AFM进行测量时,该粗糙度仅为几个埃。
在接下来的图7中所示的步骤中,在GaN层2的表面14上淀积保护层13。保护层13优选地是电介质层。
如图8所示,在退火设备20中对图7的结构进行热退火。在使得可以保护GaN层2的晶体质量的气体环境下在500℃与1100℃之间的温度区域中对该结构进行热处理。图8中所示的退火步骤可以在图6中所示的抛光步骤之前应用,也可以直接应用到辅助基板5上而无需在退火步骤之前淀积保护层13。该热退火步骤使得辅助载体6与电介质层9之间的界面处的接合力增强。
如图9所示,在移除步骤中移除可能在图8中所示的退火步骤之前淀积的保护层13。在本发明的有利示例中,可以利用化学处理(例如,利用HF)来移除保护层13。该移除步骤使得辅助基板5在GaN层2的顶部上具有平滑且清洁的镓面14。GaN层2是单晶的,其具有与如图1所示的大块半导体氮化物基板8的晶体质量相当的晶体质量。GaN层2的表面几乎没有微粒。在本发明的一个有利示例中,GaN层2的厚度约为200nm。
参照图10,在进一步的步骤中,在GaN层2的镓面14上淀积外延层15。可以利用公知的外延生长方法(像MOCVD、MBE或HVPE)来淀积外延层15。在外延淀积步骤过程中采用的温度在700℃与1100℃之间的范围中。
例如,在图10中所示的步骤中淀积的外延层可以由以下材料制成:厚度约为0.2μm的掺杂有Si的n型GaN、InGaN、AlGaN和/或掺杂有Mg的p型GaN。在本发明的有利示例中,外延层15的总厚度约为0.5μm。外延层的组成取决于将利用所得到的基板制造的光电子结构的效率和波长。外延层15的位错密度几乎相当于初始GaN基板8的位错密度,这意味着其低于106/cm2。通常有利的是,使外延层的厚度增加,以促进在所得到的结构的活性层中的电流传播。
在接下来的图11中所示的步骤中,在外延层15上淀积金属层4。金属层4随后用作电接触所得到的结构的欧姆接触。金属层4可以由Ni/Au、Pt、铑或其他导电材料制成。
参照图12,制备在其上淀积有反射层17的最终载体7。最终载体7用作电阻率低且导热性良好的导电支撑基板。最终载体7可以由硅、SiC、铜或其他导电材料或半导体材料制成。反射层17可以由诸如金、铝或银的反射性良好的材料制成。反射层17随后用作布置在最终载体7与外延层15之间的反射镜层。对所述反射镜的选择取决于所得到的结构的发射波长。
如图13所示,在接合步骤中,在金属层4和反射层17上连接图11的结构和图12的结构。该接合步骤使用机械压力和一定的温度而使得图11的结构与图12的结构之间发生分子粘附,从而提供它们之间的接触。
如图14所示,在进一步的步骤中,在移除步骤中从接合的结构移除辅助载体6和电介质层9。该移除步骤可以包括机械研磨和/或抛光以及使用氮化镓层2作为止刻层的化学侵蚀。如果最终载体7由硅制成,则可以使用机械处理接着进行基于TMAH或HF/HNO3溶剂的化学处理来实现该移除。所述化学侵蚀可以通过使用以下设备将该结构浸入所述溶剂的浴中来实现:利用该设备可以旋转地保持该结构,并且在该设备中,可以将辅助载体暴露于化学溶剂。也可以通过仅使用化学处理来移除辅助载体。
在接下来的图15中所示的步骤中,从图14中所示的结构移除氮化镓层2。对诸如无掺杂GaN层2的无用层的移除可以使得所得到的结构的效率提高,这是由于这种层仅会导致对光子的不期望的吸收。例如,GaN吸收UV辐射。
参照图16,在外延层15上设置电触头21。
所得到的结构由最终载体7、反射层17、金属层4、外延层15以及电触头21组成。金属层4和反射层17一起形成载体基板7与外延层15之间的金属结(metallic junction)或金属中间层。金属中间层可以包括反射层17,也可不包括反射层17。
在未示出的后续步骤中,对图16中所示的结构进一步进行以下处理:通过采用平版印刷和蚀刻步骤来制造芯片、通过采用淀积电介质层的步骤来保护所述结构、并通过采用淀积金属层的步骤来在所述结构的两侧上实现接触。作为最后步骤,将制造好的结构分成最终封装的多个芯片。
利用本发明的方法,可以实现针对光电子应用的具有晶体质量非常好的活性层并去除了无用层的基板。良好的晶体质量对于结构(具体地说,对于激光二极管的LED结构)的高效率和长使用寿命是非常重要的。此外,由于本发明的方法中去除了GaN无用层,使得活性层中的光子吸收最小,从而得到高效的光辐射。
本发明的技术在将大块氮化物基板的一部分直接转移到最终基板上时利用了所述基板的非常好的结晶度。这样,最终活性外延层可以以同样良好的结晶度直接在高质量的被转移部分上生长,从而得到高质量的最终结构。

Claims (15)

1、一种用于光电子应用的基板(1)的制造方法,所述基板(1)具有在最终载体(7)上的至少一个活性氮化物层(2、15)以及在所述最终载体(7)与所述至少一个活性氮化物层(2、15)之间的金属中间层(4),其中,所述制造方法包括以下步骤:
制备辅助基板(5),其中将一个半导体氮化物层(2)置于辅助载体(6)上:
金属化所述氮化物层(2)一侧的所述辅助基板(5);
将金属化的所述辅助基板(5)与所述最终载体(7)相接合;以及
在所述接合步骤之后移除所述辅助载体(6)
所述制造方法的特征在于
所述制备辅助基板(5)的步骤包括:
将所述辅助载体(6)与具有氮面(18)的大块半导体氮化物基板(8)在所述氮化物基板(8)的所述氮面(18)一侧相接合;以及
从所述大块半导体基板(8)分离一部分以在所述辅助载体(6)上形成所述半导体氮化物层(2)。
2、根据权利要求1所述的制造方法,该制造方法的特征在于,所述半导体氮化物基板(8)是GaN基板或AlN基板。
3、根据权利要求1或2中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,将所述大块半导体氮化物基板(8)制造为位错密度小于106/cm2
4、根据前述权利要求中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,所述分离和转移步骤包括:
在所述半导体氮化物基板(8)上淀积电介质层(9);
通过所述电介质层(9)将物类(10)注入到所述氮化物基板(8)一定深度(d),从而在所述氮化物基板(8)中形成预定分裂区(11);
将所述氮化物基板(8)在注入侧(12)与所述辅助载体(6)相接合;以及
对所述氮化物基板(8)进行热处理和/或机械处理,以沿所述预定分裂区(11)分裂所述基板(8)。
5、根据前述权利要求中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,所述辅助载体(6)是从包括硅、GaAs和ZnO的材料的组中选择的基板。
6、根据前述权利要求中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述分离和转移步骤之后对所述辅助基板(5)进行退火。
7、根据权利要求6所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述退火步骤之前在所述被转移氮化物层(2)上淀积保护层(13),并在所述退火步骤之后移除所述保护层(13)。
8、根据前述权利要求中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述分离和转移步骤之后或在所述退火步骤之后,对所述被转移氮化物层(2)的表面(14)进行平滑。
9、根据前述权利要求中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述辅助基板(5)的所述被转移氮化物层(2)上淀积至少一个外延氮化物层(15),所述至少一个外延氮化物层(15)是由包括n型GaN、InGaN、AlGaN、无掺杂GaN和p型GaN的组中的材料制成的。
10、根据权利要求9所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述至少一个外延氮化物层(15)上淀积所述金属中间层(4)。
11、根据权利要求10所述的制造方法,该制造方法的特征在于还包括以下步骤:制备所述最终载体(7);以及将所述最终载体(7)接合在所述辅助基板(5)的金属化侧(16)上。
12、根据权利要求11所述的制造方法,该制造方法的特征在于,所述最终载体(7)的材料是从包括硅、碳化硅和铜的组中选择的。
13、根据权利要求11或12中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述最终载体(7)与所述辅助基板(5)的所述接合步骤之前,在所述最终载体(7)上淀积至少一个反射层(17)。
14、根据权利要求11至13中的一项所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在所述接合步骤之后机械地和/或化学地移除所述辅助载体(6),其中,所述氮化物层(2)用作该移除步骤的停止层。
15、根据权利要求14所述的制造方法,该制造方法的特征在于,在对所述辅助载体(6)的所述移除步骤之后,从所述基板(1)移除所述被转移氮化物层(2)。
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