CN101155949A - 金刚石上的氮化镓发光装置 - Google Patents
金刚石上的氮化镓发光装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101155949A CN101155949A CNA2006800080404A CN200680008040A CN101155949A CN 101155949 A CN101155949 A CN 101155949A CN A2006800080404 A CNA2006800080404 A CN A2006800080404A CN 200680008040 A CN200680008040 A CN 200680008040A CN 101155949 A CN101155949 A CN 101155949A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diamond
- layer
- gan
- semiconductor device
- type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 225
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 225
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 44
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title abstract description 43
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 100
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 75
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 55
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims description 22
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 21
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 claims description 2
- RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYSA-N arsane Chemical compound [AsH3] RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- IGOGAEYHSPSTHS-UHFFFAOYSA-N dimethylgallium Chemical compound C[Ga]C IGOGAEYHSPSTHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 claims 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 80
- 239000000463 material Substances 0.000 description 32
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 19
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 16
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 14
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 10
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- CHPZKNULDCNCBW-UHFFFAOYSA-N gallium nitrate Chemical compound [Ga+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O CHPZKNULDCNCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-OUBTZVSYSA-N Carbon-13 Chemical compound [13C] OKTJSMMVPCPJKN-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 4
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-IGMARMGPSA-N Carbon-12 Chemical compound [12C] OKTJSMMVPCPJKN-IGMARMGPSA-N 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 229940044658 gallium nitrate Drugs 0.000 description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N Phosphine Chemical compound P XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000004871 chemical beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000446313 Lamella Species 0.000 description 1
- ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N adamantane Chemical compound C1C(C2)CC3CC1CC2C3 ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001573 adamantine Inorganic materials 0.000 description 1
- FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N alumanylidynearsane;gallanylidynearsane Chemical compound [As]#[Al].[As]#[Ga] FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N hydridophosphorus(.) (triplet) Chemical compound [PH] BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910000073 phosphorus hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002470 thermal conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
- C30B23/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
- C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/04—Diamond
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
- C30B31/06—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state
- C30B31/18—Controlling or regulating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02376—Carbon, e.g. diamond-like carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02447—Silicon carbide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/0257—Doping during depositing
- H01L21/02573—Conductivity type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02656—Special treatments
- H01L21/02658—Pretreatments
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
- H01S5/0213—Sapphire, quartz or diamond based substrates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
- H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
在金刚石衬底上形成氮化镓装置,该装置例如用于发光二极管,以替代白炽灯泡和荧光灯泡。在一个实施方案中,以至少两种方法在金刚石上形成氮化镓二极管(或其他装置)。第一种方法包括在金刚石上生长氮化镓以及在该氮化镓层上构建所述装置。第二种方法包含将氮化镓(装置或薄膜)粘合到金刚石上,以及将所述装置构建到所粘合的氮化镓上。这些装置可以提供比白炽灯或荧光灯明显要高的效率,并且可以提供比其他技术显著要高的光密度或能量密度。利用类似的方法和结构可得到其他氮化镓半导体装置。
Description
背景技术
家用和工业照明用的光通常由白炽灯或荧光灯提供。这种灯通常消耗大量能量,效率低,并且还会产生不希望有的热量。作为这种灯的一种潜在替代,可以使用氮化镓发光二极管(LED)。氮化镓装置可以通过在硅、蓝宝石、尖晶石或碳化硅上生长氮化镓薄膜来形成。在适当掺杂下生长p型层和n型层,通过已知的方法形成接触以及通过施加适当的电压来获取发光。可以将氮化镓层用铝或铟掺杂(alloyed),以调节输出波长使适合于特定应用。光输出一般位于紫光、紫外线、蓝光或绿光光谱区域内。
来自氮化镓LED的光输出一般是单色的,并不适用于白光照明。为获得白光输出,将LED涂上磷光物质(phosphor),磷光物质吸收该单色的LED输出并将该光转化为宽频带白光。市场上已有这些装置,但这些装置只有非常低的光输出。
现有氮化镓基灯(gallium nitride based lamps)的另一个问题在于:为了氮化镓基灯工作时的光水平对于普通照明是有用的,要求其有更高的能量输出。同时,为了使该灯适销,要求该灯有更小的尺寸。这些在目前是相互对立的要求。
发明内容
在金刚石衬底上形成氮化镓装置,以制造金刚石半导体装置。在一个实施方案中,以至少两种方法中的一种在金刚石上形成氮化镓二极管(或其他装置)。第一个实例方法包括在金刚石上生长氮化镓以及在该氮化镓层上构建所述装置。第二个实例方法包含将氮化镓(装置或薄膜)光粘合到金刚石上以及将所述装置构建到所粘合的氮化镓上。这些装置可以提供比白炽灯或荧光灯明显要高的效率,并且可以提供比已有半导体技术要大的光密度或能量密度。利用类似的方法和结构可得到其他氮化镓半导体装置。
附图说明
图1-4图解了根据本发明的一些实施方案在金刚石衬底上制造氮化镓半导体装置的方法。
图5图解了一种根据本发明的一些实施方案形成于金刚石衬底上的氮化镓半导体装置,该金刚石衬底具有掺硼晶格,使得金刚石晶格为p型半导体。
图6图解了根据本发明的一些实施方案将掺硼金刚石用作p型半导体材料,以及将诸如氮化镓之类的其他掺杂剂用作形成n型半导体材料,以此形成诸如二极管之类的基础半导体装置。
图7图解了根据本发明的一些实施方案,异质结结构的形成,该异质结结构由插入在半导体结构中的具有适当带隙的材料形成。
具体实施方式
在以下描述中,参考了构成本说明书一部分的附图,在这些附图中,以图解的方式示出了可以实施的具体实施方案。对这些实施方案作充分详细的描述,以使本技术领域中的普通技术人员能够实施本发明,并且应该理解的是,可以使用其他实施方案,并且在不脱离本发明的范围的情况下可以作结构上、逻辑上以及电学上的改变。如此,不应当从限定的意义上去理解本发明,本发明的范围是由所附权利要求来限定的。
在金刚石衬底上形成氮化镓装置,该装置用于发光二极管和替代白炽灯泡和荧光灯泡用于白光照明。在一个实施方案中,以至少两种方法在金刚石上形成氮化镓二极管(或其他装置)。第一种方法包括在金刚石上生长氮化镓以及在氮化镓层上构建所述装置。第二种方法包含将氮化镓(装置或薄膜)粘合到金刚石上并且将所述装置构建到所粘合的氮化镓上。这些装置是非常理想的,因为它们比白炽灯或荧光灯具有明显要高的效率。
在一个实施方案中,金刚石衬底比任何目前衬底导热更好,从而当增加输出功率水平时,装置尺寸可以缩小。或者当更进一步增加输出时,可以使用相同尺寸的装置。用诸如金刚石之类的昂贵衬底替代诸如硅的低廉衬底看起来似乎并不正确。然而,在“任何衬底”上生长氮化镓层的成本是制造氮化镓装置的主要成本。由于所获每流明光的成本降低,使用金刚石衬底可能比使用较低廉的衬底更为经济。
在另一个实施方案中,在金刚石衬底上构建氮化镓和合金激光器。就功率和成本而言,可以将所述方法如同应用于LED那样应用于激光器。这类激光器应用可以包括:DVD、高密度光存储、数据传输、医疗诊断、外科以及其他应用。
氮化物半导体已知为宽带隙半导体。通常这些半导体在比常规半导体更高的频率和更高的功率水平下运行,以及可以产生(如LED或激光器)比其他半导体材料频率更高和功率水平更高的光。在所有情形下,所述装置的输出功率水平可能受到装置材料热导率的限制。其中有宽带隙半导体紧密固定在金刚石衬底上的,以及该装置层是薄的装置可以获得最高性能。这可通过在单晶金刚石上生长薄的宽带隙半导体层以及之后在该层上进行装置加工来最好地实现。
晶体完整性:晶体完整性程度高、没有应变的半导体的一些氮化物装置(以及其他半导体装置)性能发挥最好。就这方面而言,在金刚石薄膜上生长晶体薄膜的方法将既不会给出高度完整的晶体也不会给出程度低的应变(由所用金刚石和半导体之间巨大的热膨胀系数差异引起的)。
在一种制造用作氮化物衬底的金刚石衬底的方法中(加工方法),制造一种适当取向的无支撑的(free standing)金刚石板材。将该板材加工成具有高度理想磨光(在平滑度、光滑度和TTV方面)的半导体硬质基底(grade substrate),或者将其加工成与半导体加工机械相兼容(低的厚度变化、取向平面等)。在一个实施方案中,所制造的表面平滑度优于十分之一波长(一般为绿光)以及表面光滑度优于1nm或比1nm还小。通过适当的磨光可以获取这种光滑度。
在以下步骤中,将氮化物贴合到金刚石表面。以如上所述的金刚石衬底成品开始,利用溶剂、酸清理所述表面,并将其储存在没有微粒的环境中。和现有装置情形一样,然后可以制造氮化物装置。然后可以将所获的氮化物结构或装置薄化到可允许的最小厚度。然后通过下列方式将该结构或装置贴合至金刚石衬底:将结构或装置放在金刚石上,并轻微移动以除去层间空气。
在一个实施方案中,利用接近室温的热循环来促进空气层的除去。然后可以将金刚石-氮化物装置固定到散热片上并且将其作为一装置进行操作。在另一个实施方案中,制造在金刚石上的碳化硅。可以通过如上的通常方式来制造碳化硅装置,以及以与固定和操作氮化物装置相同或相似的方式对其进行固定和操作。于是该碳化硅装置如上地得到固定和操作。在再一个实施方案中,也可以将其他半导体装置固定在金刚石上。也可以如上所述地形成其他诸如硅、硅-锗、砷化物、磷化物、锑化物、硫化物、硒化物或碲化物之类的其他半导体装置以及将这些半导体装置粘合到金刚石上。
流程图
a.制造金刚石衬底的基本过程
b.粘合半导体装置层的过程
下面描述利用嵌入和剥离(lift off)技术在金刚石上制造氮化物半导体层的过程。氮化物半导体已知为宽带隙半导体。通常这些半导体在比传统半导体更高的频率和更高的功率水平下运行,以及可以产生(如LED或激光器)比其他半导体材料频率更高和功率水平更高的光。其中有宽带隙半导体紧密固定在金刚石衬底上的,以及装置层是薄的装置可以获得较高性能。这可以通过在单晶金刚石上生长薄的宽带隙半导体层以及之后在该层上进行装置加工来实现。
在III-V半导体生产过程中,电荷可以从一个半导体层移动到另一个半导体层,以产生不可能在两个半导体层中任何一个单独层中获得的电子性能。通常其原理是将电荷从高度掺杂的宽带隙半导体移动到未掺杂的较低带隙半导体处,从而在未掺杂的半导体中产生电荷。在两个半导体接触的边界层中还产生一些特殊的性能和效应。激光器、LED和大部分FET使用带隙复合层来操作。在金刚石上使用诸如cBN、AlN(和具有GaN或InN的合金)之类的宽带隙半导体可以在金刚石中产生这种效应并可以之实现制造n型或p型金刚石层。
在一种制造用作氮化物衬底的金刚石衬底的方法中(加工方法),制造一种适当取向的独立存在的金刚石板材。将该板材加工成具有高度理想磨光(在平滑度、光滑度、TTV方面)的半导体硬质基底以及要么以别的方式将其加工成与半导体加工机械相兼容(低的厚度变化、取向平面等)。
可以用多种方法在金刚石上制造cBN(全都使用如上所述制备的金刚石衬底)。cBN(立方氮化硼)是通常在高温和高压下制备的直接带隙半导体。低压下极难制备该半导体,并且在意欲获取cBN的制造中,经常得到的是所形成的hBN(六方氮化硼)。利用以下方法可以在金刚石上制造cBN层。该层可以是掺杂的或未掺杂的。
在一个实施方案中,使用来自等离子体的直接外延生长(directepitaxy from plasma)。在另一个实施方案中,利用磷化物转化。这种方法由以下步骤组成:1.使用CVD、MOCVD或MBE在金刚石上生长一层BP。2.通过在氨中加热复合层衬底到500至1000摄氏度来转化BP层,其中氮取代晶格中的磷并且形成立方氮化硼(由于BP是立方的)。所述薄膜可以是掺杂的或未掺杂的。
在再一个实施方案中,利用原子层外延生长在金刚石上形成cBN层。在原子层外延生长(epitaxy)中,使用上面所述的方法,此处BP在氨中转化为cBN。然而,这种方法的不同在于:在同一时间内完成一个原子层的转化,以获得完整的转化。应该注意到:尽管这看起来似乎是个缓慢的过程,但为获取所需效应,大多数装置结构仅要求有少数的原子层(10至100)。所述方法由以下步骤组成:1.将金刚石表面暴露在自限制硼源(self limiting boron source)(即BCl3)中,以便单层BCl3以取向的方式(in an oriented manner)(温度等等)将其自身固定到金刚石表面;2.将所述表面暴露在诸如磷化氢(PH3)的含磷源中,其中磷附到硼上,而氢提取氯,以此留出一层BP,该层BP是单晶并且依金刚石衬底来取向;3.将所述表面暴露在氨气(NH3)中,其中BP层中的磷与氨中的氮交换,制造出cBN层和磷化氢气体。以获取所需cBN厚度所需要的次数来重复这个过程。
在又一个实施方案中,可以在金刚石上形成其他氮化物(加工步骤)。以如上所述的完成了的金刚石衬底开始,利用溶剂、酸、干式等离子体蚀刻、热化学蚀刻或所有这些的组合清洁所述衬底。接着,利用以下其中一个方法(或一些还未报道的方法)中的一种在反应器中生长氮化物薄膜,所述方法有:氢化物-卤化物CVD、有机金属CVD、MBE、等离子体辅助MBE、化学分子束外延生长(chemical beamepitaxy)、原子层外延生长。
在一个实施方案中,在金刚石上制造碳化硅。利用外延生长,首先通过硅和含碳的气相物的反应在适当取向的金刚石上生长碳化硅,所述硅和含碳气相物的反应如文献所述。然后在升高的温度下将金刚石表面暴露在含碳气相物中,以进行转化。通过使硅渗入金刚石以及使碳从金刚石渗出到碳化物层中,使金刚石表面层转化为碳化硅。
在另一些实施方案中,在金刚石上的碳化硅上制造氮化物。碳化硅层可以如上所述地形成于金刚石上。如上所述地生长一层氮化物层。
在再一些实施方案中,在金刚石上制造其他半导体。如上所述,可以在金刚石上生长诸如硅、硅-锗、砷化物、磷化物、锑化物、硫化物、硒化物或碲之类的其他半导体层。
可以利用如上所述的方法将极薄的硅层固定在金刚石上,其中所述硅为位于绝缘体上的硅的形式,其中所述硅一般为一500nm或更薄的薄膜,该薄膜固定到氧化硅薄层上,而所述氧化硅薄层又固定到硅上。在通过光接触和温度循环将所述硅固定到金刚石上后,氧化硅薄层和背面的硅层利用选择性化学蚀刻除去。于是在硅薄层上形成所述装置。
在又一个实施方案中,在硅内蚀刻出窗口,以便于能在金刚石上构建装置,以利用该金刚石独特的性能以及提供全部集成的硅/金刚石电路。利用这些方法可以将诸如GaN、GaAs、SiC、Si/Ge和这些物质的合金之类的其他半导体固定到金刚石上。可以将一系列半导体晶片粘合到金刚石上,以在同一芯片上实现一系列功能。薄硅层也可以粘合到薄金刚石层上,而厚硅层可以粘合到金刚石层的背面。可以将薄金刚石层沉积成纳米结晶的金刚石形式。在再一些实施方案中,为了在金刚石装置的装置加工(包括光刻法)过程中提供支撑和处理,可以将大量金刚石晶片粘合到一个大的硅晶片上。
1.流程图
a.制造金刚石衬底的基本过程
c.生长半导体层的过程(不同于cBN)
图1-4图解了一种根据本发明的一些实施方案,在金刚石衬底上制造氮化镓半导体装置的方法。在金刚石衬底层101层上形成氮化镓(GaN),该衬底层在多种实施方案中为单晶金刚石、多晶金刚石、纳米结晶金刚石、人造金刚石或天然金刚石。氮化镓沉积在金刚石平面的102层上。
将金刚石晶种101磨出一平顶面,利用激光器或切削工具等切割掉该晶种的边缘,并进行清理、蚀刻和磨光。在一些实施方案中,将氢原子嵌入到所需深度。在多种实施例中以多种条件将所述氢原子嵌入,但是在一个实施例中,将氢原子在相对于金刚石表面10度的角度下嵌入,其嵌入的剂量大约为每平方厘米一微安。使电子以大概200KeV的能量嵌入,直到每平方厘米中大概有十七分之十的原子嵌入到金刚石101中。在一个替换实施方案中,使更多或更少剂量的氢以更大或更小的能量嵌入,例如更少剂量的氢以更大的能量嵌入以便在磨光的表面生成相对深的可塑金刚石层。改变氢嵌入的参数将因此改变氢嵌入层的深度和密度。当所述氢嵌入层存在于金刚石层中时,它在一些实施方案中用来形成具有晶格结构的可塑金刚石(complantdiamond)层,该可塑金刚石层更易于将其自身与生长在金刚石上的诸如氮化镓之类的材料的晶格结构方向对齐。
如果在单晶金刚石的可塑层上形成氮化镓,则氮化镓的晶格结构能够与可塑金刚石层的晶格结构基本对齐,从而得到单晶或大晶的氮化镓。在将多晶或纳米金刚石用作衬底材料的其他实施方案中,氮化镓将倾向于形成更小的晶体结构,局部地和金刚石衬底的晶格结构对齐。在一些实施方案中,单晶金刚石由于其优良的热导率受到优选,另外还由于在单晶金刚石上生长氮化镓可得到最均匀的氮化镓生长。
金刚石衬底上的生长可以发生在金刚石的任何晶体取向上,例如100晶面、110晶面或111晶面。在一个实施方案中,111晶面由于其所显示的对称性而受到优选。尽管111金刚石晶面有时更难于制造,但三个维度方向上的对称性使其更容易和氮化镓晶体结构调节对齐,借此得到优选的晶体结结构。
在图2中,金刚石衬底201和第一层n型或n掺杂氮化镓用作p型氮化镓层203生长的基部(base)。在其他实施方案中将P型层和n型层互换或以相反的顺序生长P型层和n型层,如图5中的装置所示。可以将多种掺杂材料用作p型和n型材料,包括硼、磷和其他此类材料。例如可以通过向氮化镓掺入只有三个价电子的硼来制备p型氮化镓,从而使金刚石成为强p型半导体材料。在氮化镓材料中含有硼的位置处,由于缺乏电子从而导致形成可接受电子的“空穴”,制造出实际上的可移动正电荷。负电荷的硼原子固定在晶格中,这意味着硼原子不能移动,但硼原子对导电过程贡献作为电子接收器的“空穴”。掺杂具有价电子或空穴的其他材料,基于掺杂剂的价电子数目可生成n型或p型材料。
在图3中,图2的结构经掩模和蚀刻形成303处的正掺杂氮化镓层小孤立区,而在304处形成一电接触,提供外部电路到所形成的半导体装置的连接方式。类似地,在负掺杂氮化镓层302上的305处形成电接触,也提供连接到所形成的半导体装置的另一部分的外部电接触。金刚石衬底301目前用作散热片,并且可以用作诸如集成电路之类的一个或多个其他半导体装置的衬底。
图4显示了图3中形成的装置的分离,其中切割金刚石衬底401侧面和n型氮化镓层402的侧面以形成单个装置,例如此处所示的二极管,其为独立组装。在另一个实施方案中,将金刚石层401耦合到诸如金属散热片或金刚石散热片的另一个热导体上,其在一些实施方案中成为所示半导体装置组装的一部分。
如果所述金刚石是掺杂金刚石或是导电金刚石,该金刚石可以形成半导体的一部分,如图5所示。在图5中,金刚石晶格掺入硼,使得金刚石晶格为p型半导体。在一些实施例中,当通过化学气相沉积形成金刚石时,硼生长进入金刚石中,硼或者通过其他过程被混合到金刚石中,而其他实施例使用扩散或离子嵌入技术将硼嵌入到金刚石中,无论该金刚石是人造的或天然形成的。
在一些实施方案中,其中嵌有硼或其他掺杂剂的金刚石区域将由于其金刚石晶体结构中所放置的掺杂剂而比未掺杂的金刚石或其他氮化镓类材料具有稍大或稍小的晶格结构。具有不同掺杂浓度的金刚石之间的晶格失配或掺杂的和未掺杂的金刚石之间的,或诸如氮化镓之类的其他晶体结构之间的晶格失配,在一些实施方案中可以通过嵌入经选择的离子来加以控制,以此给出所需要的晶格结构。例如掺有稍许硼的金刚石区域相对于主要由碳-12制成的未掺硼金刚石具有稍微膨胀的晶格结构。将碳-13加入到掺硼金刚石中可收缩所述晶格结构,并且在一些实施方案中可用来消除金刚石层之间的晶格失配或用来控制金刚石层之间的晶格失配或应变。
因此,图5的掺硼金刚石结构在一些实施方案中将利用碳-13或其他掺杂剂来改变其晶格结构,或利用单独的氢嵌入或除氢嵌入外再利用掺杂剂,以通过氢嵌入所提供的一定程度的可塑性来提供所需的晶格结构。
在502处所示的掺硼金刚石衬底501上形成一层p型氮化镓。在p型氮化镓层的顶部503处形成一层n型氮化镓,并且切割出几乎和图4的装置一样的装置。将金属接触504连接到n型氮化镓,而在505处将第二金属接触505耦合到p型导电金刚石。由此形成的二极管类似于图4的二极管,但依赖于金刚石进行导电,金刚石作为所形成的半导体装置的一部分而非仅仅作为散热片。
因为掺硼金刚石可以用作p型半导体材料而其他掺杂剂可以用来形成n型半导体材料,金刚石和单层氮化镓可以形成基础半导体装置,例如如图6所示的二极管。掺硼p型金刚石显示在601处,并且具有一层如在602处所示的生长在一表面上的n型掺杂的氮化镓层。在603处将导线固定到n型氮化镓,并且在604处将电导线固定到p型金刚石以形成二极管,该二极管既将金刚石层作为散热片又将其作为形成二极管半导体一部分的电导线来使用。
在另一个实施方案中,异质结结构如图7所示地由插入在半导体结构中的具有适当带隙的材料形成。金刚石衬底701用作半导体装置的基部和散热片,经沉积n型掺杂氮化镓层702形成。在氮化镓层702上通过诸如形成较重掺杂的n型氮化镓层之类的方式来形成异质结层703。在异质结层上形成如704处所示的诸如p型氮化镓之类的p型层,并且将该p型层耦合到电接触705。将第二电接触706耦合到掺杂较低的第一n型氮化镓层702以形成异质结二极管。由于所形成的异质结结构之故,所示二极管能够在相对高的速率下运行,以及归功于金刚石衬底701所提供的散热片效用,所示二极管能够在相对高的功率下运行。
在替换实施方案中,n型和p型掺杂剂互换,形成其阳极和阴极电连接与图7所示相反的的二极管。在另一些实施方案中,诸如图6的二极管、图7的异质结,以及图4和图5的二极管之类的基础装置中的掺杂剂可以互换,并且这些装置可进一步成为诸如双极结晶体管之类的更大的半导体结构的一部分。在再一些实施方案中,利用类似于此处所述的那些方法和结构来形成场效应晶体管。
在一些异质结结构中,诸如氮化镓、氮化铝、氮化铟、其合金及其他此类材料的异质结结构沉积在诸如p型金刚石之类的掺杂金刚石上将生成优良的p-n结,如对于p型金刚石,受主或空穴将从中扩散到氮化镓或其他异质结材料中,既提供了优良的p-n结又提供了具有散热优势的结,该散热优势源于作为半导体二极管一部分的或与半导体结紧密接触的金刚石散热片。
在又一些实施方案中,利用诸如砷化镓、铝砷化镓、磷化铟、氮化铟、氮化硼或其他这类材料来替换此处所示装置中的一个或多个半导体装置层,以形成诸如二极管,晶体管、异质结半导体装置、发光二极管、电子发射器等氮化硼半导体装置或其他半导体装置。
在一些实施方案中,通过化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、分子束外延生长或仅通过光学耦合在金刚石上“生长”形成半导体装置。此处光学耦合定义为在有待耦合的两种材料的面上制造一光学平坦的表面,将它们彼此接触放置得到两种材料的结合。在另一些实施方案中,对所述光学耦合材料进行加热或退火可排出所截留的空气或气体,并且使耦合材料的晶格结构更为均匀。
该光学接触增强了金刚石将热从所述耦合材料传导离开的能力,使得如此耦合到金刚石上的半导体装置可以以比其他可能方式更大的能量下进行操作。因此,比较理想的是,在一些实施方案中使金刚石形成为具有特别高的热导率。例如,具有纯度高于平均值的碳-12和浓度相应减少的碳-13同位素的金刚石已知为同位素加强的,并且具有特别强的热传导性。这使得它们非常适合应用于,例如半导体装置的加工上,促使获取比其他方式下更大的功率和更高的密度。金刚石CVD前驱体气体用碳-12进行同位素增强可以得到其中含有浓度显著少于一般值1.1%的碳-13的金刚石,以此得到3300W/mK的高热导率。
其他制造具有高热导率的人造金刚石的方法的实例包括:在低氮环境中生长金刚石、在富氢环境中生长人造金刚石、以及掺入硼,以此来增加热导率。所用的金刚石在一些实施方案中将具有大于至少2500W/mK、2700W/mK或3200W/mK的热导率,并且在碳-12的同位素增强下,金刚石本体中相应碳-13的浓度小于1%、.1%或.01%。在另一个实施方案中,金刚石内氮的浓度小于50ppm、10ppm或5ppm,从而得到热传导性比一般天然金刚石显著要强的金刚石结构。
在一些实施方案中,通过这种方法制造的金刚石半导体装置将提供比现有技术所能实现的明显要高的能量密度,以及给出明显要高的单位面积或体积的光输出。制造光的金刚石半导体的物理尺寸的减少也使制造所需输出所要求的装置数目减少,以此减少了连线以及减少了将金刚石半导体实施用于制造光时的复杂性。应该预见的是此处所提出的金刚石半导体技术的发光应用和其他应用将能制造出比目前所能制造的更为小、更为亮、更为有效的照明设备,从而使得这种技术对于广泛的工业和用户使用来说很重要。
应该预见的是,此处所述的方法和设备将不仅仅应用于此处所示和所述的具体的半导体结构,而且还应用于其他半导体、集成电路和电子装置。虽然此处已经图解和描述了具体的实施方案,本领域中的普通技术人员应该理解多种预计实现相同目的配置可以取代所示的具体实施方案。本申请意欲覆盖本发明的任何改编或变体。本发明应仅仅由权利要求以及与权利要求等同的整个范围所限定。
Claims (52)
1.一种方法,包括:
将H2嵌入到金刚石衬底中以提供一个顶部可塑层;以及
在嵌有H2的金刚石衬底上生长一层GaN。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于,使用高功率RF沉积生长所述GaN。
3.根据权利要求1的方法,其特征在于,使用微波沉积生长所述GaN。
4.根据权利要求1的方法,其特征在于,H2的浓度在每立方厘米大概8×1016至1017个原子之间。
5.根据权利要求1的方法,其特征在于,H2以50KeV到1MeV的能量嵌入。
6.根据权利要求1的方法,其特征在于,所述金刚石是单晶金刚石。
7.根据权利要求6的方法,其特征在于,所述金刚石可塑层具有111晶体取向。
8.根据权利要求1的方法,还包括在所生长的GaN层上生长一层金刚石。
9.根据权利要求8的方法,还包括将氢嵌入到所生长的金刚石层中。
10.根据权利要求9的方法,还包括在所生长的嵌有氢的金刚石层上生长第二层GaN。
11.根据权利要求10的方法,其特征在于,所生长的第二层GaN是n型掺杂或p型掺杂。
12.根据权利要求1的方法,其特征在于,所生长的GaN层是n型掺杂或p型掺杂。
13.根据权利要求1的方法,其特征在于,所述GaN层通过CVD形成,用到HCl与Ga的反应,并且进一步与砷化氢、磷化氢或氨中的至少一种发生反应以形成GaN层。
14.根据权利要求1的方法,其特征在于,所述GaN层通过金属有机CVD方法形成。
15.根据权利要求14的方法,其特征在于,所述GaN层在包括射频能量、光学能量或其他能量源的一种热源存在下,由与一种氢化物混合的三甲基镓、二甲基镓或其他有机镓中的至少一种形成。
16.根据权利要求1的方法,其特征在于,所述GaN层经过液相外延生长形成,其中籽晶放置在随后冷却的GaN溶液中。
17.根据权利要求1的方法,其特征在于,所述GaN层通过分子束外延生长形成,其中金属在相对的真空下气化并且沉积形成GaN层。
18.根据权利要求17的方法,其特征在于,所述真空里还包括磷化氢、氨、磷或氮中的至少一种。
19.根据权利要求17的方法,其中GaN层还通过增强与微波等离子体的反应而形成。
20.根据权利要求1的方法,其特征在于,利用所述方法形成半导体。
21.根据权利要求20的方法,其特征在于,所述半导体是发光二极管。
22.根据权利要求20的方法,其特征在于,所述半导体是电子发射器。
23.根据权利要求20的方法,其特征在于,所述金刚石是半导体元件。
24.根据权利要求20的方法,其特征在于,所述金刚石是用于半导体装置的散热片衬底。
25.根据权利要求1的方法,其特征在于,所述金刚石包括单晶、多晶、纳米晶或其他类型的金刚石。
26.一种金刚石半导体装置,包括:
一个金刚石衬底,该衬底嵌有氢,以形成一个顶部可塑层;以及
一层生长在嵌有H2的金刚石衬底上的GaN。
27.根据权利要求26的金刚石半导体装置,其特征在于,使用高功率RF沉积生长所述GaN。
28.根据权利要求26的金刚石半导体装置,其特征在于,使用微波沉积生长所述GaN。
29.根据权利要求26的金刚石半导体装置,其特征在于,H2的浓度在每立方厘米大概8×1016至1017个原子之间。
30.根据权利要求26的金刚石半导体装置,其特征在于,H2以50KeV到1MeV的能量嵌入。
31.根据权利要求26的金刚石半导体装置,其特征在于,所述金刚石是单晶金刚石。
32.根据权利要求31的金刚石半导体装置,其特征在于,所述金刚石可塑层具有111晶体取向。
33.根据权利要求26的金刚石半导体装置,还包括在所生长的GaN层上生长的第二层金刚石。
34.根据权利要求27的金刚石半导体装置,还包括将氢嵌入到第二层金刚石中。
35.根据权利要求28的金刚石半导体装置,还包括在所生长的嵌有氢的金刚石层上生长第二层GaN。
36.根据权利要求35的金刚石半导体装置,其特征在于,所生长的第二层GaN是n型掺杂或p型掺杂。
37.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,所生长的GaN层是n型掺杂或p型掺杂。
38.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,所述GaN层通过CVD形成,用到HCl与Ga的反应,并且进一步与砷化氢、磷化氢或氨中的至少一种反应以形成GaN层。
39.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,所述GaN层通过有机金属CVD过程而形成。
40.根据权利要求39的金刚石半导体装置,其特征在于,所述GaN层在包括射频能量、光学能量或其他能量源的一种热源存在下,由与一种氢化物混合的三甲基镓、二甲基镓或其他有机镓中的至少一种形成。
41.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,所述GaN层经过液相外延生长形成,其中籽晶放置在随后冷却的GaN溶液中。
42.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,所述GaN层通过分子束外延生长形成,其中金属在相对的真空下气化并且沉积形成GaN层。
43.根据权利要求42的金刚石半导体装置,其特征在于,所述真空里还包括磷化氢、氨、磷或氮中的至少一种。
44.根据权利要求42的金刚石半导体装置,其特征在于,所述GaN层还借助微波等离子体(microwave plasma)增强反应形成。
45.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,利用所述方法形成半导体。
46.根据权利要求45的金刚石半导体装置,其特征在于,所述半导体是发光二极管。
47.根据权利要求45的金刚石半导体装置,其特征在于,所述半导体是电子发射器。
48.根据权利要求45的金刚石半导体装置,其特征在于,所述金刚石是半导体元件。
49.根据权利要求45的金刚石半导体装置,其特征在于,所述金刚石是用于半导体装置的散热片衬底。
50.根据权利要求25的金刚石半导体装置,其特征在于,所述金刚石包括单晶、多晶、纳米晶或其他类型的金刚石。
51.一种方法,包括:
将H2嵌入到金刚石衬底中以提供一个顶部可塑层;
在嵌有H2的金刚石衬底上生长一层p型或n型掺杂的GaN;
在p型或n型掺杂的GaN上生长一层金刚石;
将H2嵌入到所生长的金刚石层中;以及
在所生长的嵌有氢的金刚石层上生长一层n型或p型掺杂的GaN。
52.一种金刚石半导体装置,包括:
一个金刚石衬底,该衬底嵌有氢,以形成一个顶部可塑层;
一层生长在所述的嵌有H2的金刚石衬底上的p型或n型掺杂的GaN;
一层生长在所述的p型或n型掺杂的GaN层上的第二层金刚石;所述第二层金刚石嵌有氢;以及
一层生长在第二层金刚石上的n型或p型掺杂的GaN。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US64721005P | 2005-01-26 | 2005-01-26 | |
US60/647,210 | 2005-01-26 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101155949A true CN101155949A (zh) | 2008-04-02 |
Family
ID=36498791
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNA2006800080404A Pending CN101155949A (zh) | 2005-01-26 | 2006-01-26 | 金刚石上的氮化镓发光装置 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US8129733B2 (zh) |
EP (1) | EP1851369A1 (zh) |
JP (1) | JP2008528420A (zh) |
CN (1) | CN101155949A (zh) |
WO (1) | WO2006081348A1 (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103779193A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-07 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 基于金刚石衬底的氮化物半导体器件及其制备方法 |
CN104756245A (zh) * | 2012-10-26 | 2015-07-01 | 六号元素技术美国公司 | 具有提高的可靠性和工作寿命的半导体器件及其制造方法 |
CN105826434A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-08-03 | 陕西科技大学 | 一种金刚石热沉GaN基LED制作方法 |
CN113056659A (zh) * | 2018-09-19 | 2021-06-29 | 阿卡什系统公司 | 用于卫星通信的系统和方法 |
Families Citing this family (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050181210A1 (en) * | 2004-02-13 | 2005-08-18 | Doering Patrick J. | Diamond structure separation |
JP2008528420A (ja) | 2005-01-26 | 2008-07-31 | アポロ ダイヤモンド,インク | ダイヤモンド上の窒化ガリウム発光デバイス |
US8674405B1 (en) * | 2005-04-13 | 2014-03-18 | Element Six Technologies Us Corporation | Gallium—nitride-on-diamond wafers and devices, and methods of manufacture |
TW200826322A (en) * | 2006-12-15 | 2008-06-16 | Kinik Co | LED and manufacture method thereof |
WO2009033076A1 (en) * | 2007-09-05 | 2009-03-12 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Transparent nanocrystalline diamond contacts to wide bandgap semiconductor devices |
TWI392117B (zh) * | 2008-10-08 | 2013-04-01 | Kinik Co | 具有鑽石薄膜之發光二極體及其製造方法 |
US8183086B2 (en) * | 2009-06-16 | 2012-05-22 | Chien-Min Sung | Diamond GaN devices and associated methods |
JP6098028B2 (ja) * | 2011-09-14 | 2017-03-22 | 株式会社リコー | 窒化ガリウム結晶、13族窒化物結晶、13族窒化物結晶基板および製造方法 |
JP2013060344A (ja) * | 2011-09-14 | 2013-04-04 | Ricoh Co Ltd | 窒化ガリウム結晶、13族窒化物結晶の製造方法および13族窒化物結晶基板 |
TWI552379B (zh) * | 2012-06-28 | 2016-10-01 | 國立成功大學 | 發光二極體及其製造方法 |
GB201301560D0 (en) * | 2013-01-29 | 2013-03-13 | Element Six Ltd | Synthetic Diamond Heat Spreaders |
WO2014095373A1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-06-26 | Element Six Limited | Substrates for semiconductor devices |
WO2014124486A1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-08-21 | Meaglow Ltd | Light emitting device using super-luminescence in semiconductor layer grown with moss-burstein effect |
JP2016139655A (ja) * | 2015-01-26 | 2016-08-04 | 富士通株式会社 | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 |
US9583607B2 (en) | 2015-07-17 | 2017-02-28 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Semiconductor device with multiple-functional barrier layer |
US9876102B2 (en) | 2015-07-17 | 2018-01-23 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Semiconductor device with multiple carrier channels |
JP6783063B2 (ja) * | 2016-03-17 | 2020-11-11 | 株式会社サイオクス | 窒化物半導体テンプレートおよび窒化物半導体積層物 |
CN108597993B (zh) * | 2018-07-05 | 2024-03-12 | 西安德盟特半导体科技有限公司 | 一种氮化镓/金刚石的直接键合方法 |
JP7389472B2 (ja) * | 2019-07-04 | 2023-11-30 | 公立大学法人大阪 | 半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス |
JP7407690B2 (ja) | 2020-11-02 | 2024-01-04 | 株式会社東芝 | 電子放出素子及び発電素子 |
CN113838817A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-24 | 太原理工大学 | 一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法 |
WO2023212856A1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-11-09 | Innoscience (suzhou) Semiconductor Co., Ltd. | Semiconductor device and method for manufacturing thereof |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5373171A (en) * | 1987-03-12 | 1994-12-13 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Thin film single crystal substrate |
JP2730271B2 (ja) * | 1990-03-07 | 1998-03-25 | 住友電気工業株式会社 | 半導体装置 |
US5306662A (en) * | 1991-11-08 | 1994-04-26 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Method of manufacturing P-type compound semiconductor |
JP3165536B2 (ja) * | 1992-11-12 | 2001-05-14 | 松下電器産業株式会社 | 半導体ダイヤモンドの形成方法及び装置 |
DE69521409T2 (de) * | 1995-03-01 | 2002-05-16 | Sumitomo Electric Industries | Boraluminiumnitrid-Beschichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung |
US5637146A (en) * | 1995-03-30 | 1997-06-10 | Saturn Cosmos Co., Ltd. | Method for the growth of nitride based semiconductors and its apparatus |
JP3481427B2 (ja) | 1997-07-03 | 2003-12-22 | 古河電気工業株式会社 | 窒化物半導体の結晶成長方法 |
US6087274A (en) * | 1998-03-03 | 2000-07-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Nanoscale X-Y-Z translation of nanochannel glass replica-based masks for making complex structures during patterning |
JP2003500866A (ja) * | 1999-05-31 | 2003-01-07 | デ ビアス インダストリアル ダイアモンズ (プロプライエタリイ)リミテッド | 結晶質基体へのドーピング |
US6500694B1 (en) * | 2000-03-22 | 2002-12-31 | Ziptronix, Inc. | Three dimensional device integration method and integrated device |
GB0127263D0 (en) * | 2001-11-13 | 2002-01-02 | Diamanx Products Ltd | Layered structures |
US6562127B1 (en) * | 2002-01-16 | 2003-05-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method of making mosaic array of thin semiconductor material of large substrates |
TW586246B (en) * | 2002-10-28 | 2004-05-01 | Super Nova Optoelectronics Cor | Manufacturing method of white light LED and the light-emitting device thereof |
RU2346996C2 (ru) | 2004-06-29 | 2009-02-20 | ЮРОПИЭН НИКЕЛЬ ПиЭлСи | Усовершенствованное выщелачивание основных металлов |
JP2008528420A (ja) | 2005-01-26 | 2008-07-31 | アポロ ダイヤモンド,インク | ダイヤモンド上の窒化ガリウム発光デバイス |
-
2006
- 2006-01-26 JP JP2007552409A patent/JP2008528420A/ja not_active Withdrawn
- 2006-01-26 US US11/275,748 patent/US8129733B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2006-01-26 CN CNA2006800080404A patent/CN101155949A/zh active Pending
- 2006-01-26 WO PCT/US2006/002755 patent/WO2006081348A1/en active Application Filing
- 2006-01-26 EP EP06719567A patent/EP1851369A1/en not_active Withdrawn
-
2012
- 2012-03-02 US US13/410,693 patent/US8435833B2/en active Active - Reinstated
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104756245A (zh) * | 2012-10-26 | 2015-07-01 | 六号元素技术美国公司 | 具有提高的可靠性和工作寿命的半导体器件及其制造方法 |
CN104756245B (zh) * | 2012-10-26 | 2017-09-22 | Rfhic公司 | 具有提高的可靠性和工作寿命的半导体器件及其制造方法 |
CN103779193A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-07 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 基于金刚石衬底的氮化物半导体器件及其制备方法 |
CN105826434A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-08-03 | 陕西科技大学 | 一种金刚石热沉GaN基LED制作方法 |
CN105826434B (zh) * | 2016-03-23 | 2018-05-01 | 陕西科技大学 | 一种金刚石热沉GaN基LED的制作方法 |
CN113056659A (zh) * | 2018-09-19 | 2021-06-29 | 阿卡什系统公司 | 用于卫星通信的系统和方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2006081348A1 (en) | 2006-08-03 |
EP1851369A1 (en) | 2007-11-07 |
US8129733B2 (en) | 2012-03-06 |
US20060211222A1 (en) | 2006-09-21 |
US8435833B2 (en) | 2013-05-07 |
JP2008528420A (ja) | 2008-07-31 |
US20120164786A1 (en) | 2012-06-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101155949A (zh) | 金刚石上的氮化镓发光装置 | |
Davis | Thin films and devices of diamond, silicon carbide and gallium nitride | |
TW475275B (en) | Vertical geometry ingan led | |
US7622398B2 (en) | Semiconductor device, semiconductor layer and production method thereof | |
CN102484179B (zh) | 具有改进的注入效率的led | |
JP2008544567A (ja) | 窒化物多重量子ウェルを有するナノロッドアレイ構造の発光ダイオード、その製造方法、及びナノロッド | |
JP2015023291A (ja) | GaN系LEDエピタキシャル構造およびその製造方法 | |
CN104022199A (zh) | 一种发光二极管的外延结构 | |
CN101635328A (zh) | 发光二极管及其形成方法 | |
CN115295693A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
CN109273571A (zh) | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法 | |
WO2007034761A1 (en) | Semiconductor device and method for fabrication thereof | |
TWI289937B (en) | White light LED | |
KR20120029256A (ko) | 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법 | |
Davis et al. | Epitaxial thin film growth, characterization and device development in monocrystalline α-and β-silicon carbide | |
CN105679898A (zh) | 具有翘曲调节结构层的led外延结构及其生长方法 | |
JP3603603B2 (ja) | Iii族窒化物半導体発光素子基板 | |
CN112563380A (zh) | Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法 | |
CN100461339C (zh) | 化合物半导体器件、化合物半导体器件的制造方法以及二极管 | |
TW559899B (en) | Forming method for semiconductor layer and semiconductor element | |
KR100793443B1 (ko) | 질화물계 화합물 반도체용 기판 구조체 및 그 제조방법 | |
US20240079525A1 (en) | Efficient group iii-nitride led devices and method of fabrication | |
US20230343589A1 (en) | Semiconductor structures and manufacturing methods thereof | |
CN115332403A (zh) | 垂直型GaN基同质外延结构及其制备方法 | |
JP4949181B2 (ja) | 基板及びそれを用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長用方法並びに窒化ガリウム系化合物半導体 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080402 |