CN101371370A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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CN101371370A CN 200680050123 CN200680050123A CN101371370A CN 101371370 A CN101371370 A CN 101371370A CN 200680050123 CN200680050123 CN 200680050123 CN 200680050123 A CN200680050123 A CN 200680050123A CN 101371370 A CN101371370 A CN 101371370A
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Abstract

公开了一种半导体器件和方法。所述半导体器件包括形成于具有绝缘特性的生长衬底上的第一类型的基于氮化物的覆层、形成于所述第一类型的基于氮化物的覆层上的多量子阱的基于氮化物的有源层、以及形成于所述多量子阱的基于氮化物的有源层上且不同于所述第一类型的基于氮化物的覆层的第二类型的基于氮化物的覆层。在所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和第一类型的基于氮化物的覆层之间、或/和在所述第二类型的基于氮化物的覆层上形成隧道结层。

Description

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件。更具体而言，本发明涉及具有高亮度的半导体器件及其制造方法。
背景技术
基于氮化物的半导体主要用于诸如发光二极管或激光二极管的光学半导体器件。基于III族氮化物的半导体是光学半导体领域采用的具有最宽带隙的直接型(direct-type)化合物半导体材料。采用这样的基于III族氮化物的半导体制作能够发射具有处于黄色波段和紫外波段之间的范围内的宽波段的高效发光器件。但是，尽管人们在各种工业领域进行了数年的各种尝试来提供具有大面积、高容量和高亮度的发光器件，但是由于下述与材料和技术相关的基本困难的原因，这样的尝试均以失败告终。
首先，难以提供适于生长高质量的基于氮化物的半导体的衬底。
第二，难以生长包括大量铟(In)或铝(Al)的InGaN层和AlGaN层。
第三，难以生长具有较高空穴载流子密度的基于p型氮化物的半导体。
第四，难以形成适于基于n型氮化物的半导体和基于p型氮化物的半导体的高质量欧姆接触电极(＝欧姆接触层)。
尽管存在上述由材料和技术带来的困难，但是，在最近的1993年，Nichiachemicals(日本公司)仍然采用基于氮化物的半导体开发出了蓝光发光器件，这在全世界尚属首次。今天，已经有人开发出了包括与磷光体结合的高亮度蓝光/绿光发光器件的白光发光器件。这样的白光发光器件几乎应用于各种照明工业领域。
为了采用高质量的基于氮化物的半导体实现具有高效率、大面积和高容量的下一代发光器件，例如，发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，必须改善低EQE(提取量子效率)和热散逸。
基于发光器件的形状和从基于氮化物的有源层产生的光的发射方向将基于氮化物的LED划分成两种类型。发光器件的形状涉及衬底的电特性。因而，根据发光器件的形状，将基于氮化物的LED划分为MESA结构的基于氮化物的LED和垂直结构的基于氮化物的LED，在前者中，在绝缘衬底的上部生长基于氮化物的发光结构，并使N型和P型欧姆电极层平行于所述基于氮化物的发光结构对准，而后者则生长在包括硅(Si)或碳化硅(SiC)的导电衬底上。
就光强、散热和器件可靠性而言，垂直结构的基于氮化物的LED比MESA结构的基于氮化物的LED有利，因为垂直结构的基于氮化物的LED生长在具有优越的电和热特性的导电衬底上。此外，根据从基于氮化物的发光器件的有源层生成的光的发射方向将基于氮化物的LED划分成顶部发射型LED和倒装型(flip-chip type)LED。就顶部发射型LED而言，通过p欧姆接触层将基于氮化物的有源层生成的光发射至外部。相反，就倒装型LED而言，利用高反射p欧姆接触层使从基于氮化物的发光结构生成的光通过透明(蓝宝石)衬底发射至外部。
就已经得到了广泛应用的MESA结构的基于氮化物的LED而言，通过直接与基于p氮化物的覆层接触的p欧姆电极层将从基于氮化物的有源层生成的光发射至外部。因此，要想获得具有高质量的顶部发射型MESA结构的基于氮化物的LED，必须具备高质量p欧姆接触层。这样的高质量p欧姆接触层必须具有90％或更高的较高透光率，并且欧姆接触电阻率必须尽可能低。
换言之，为了制造具有大容量、大面积和高亮度的下一代基于氮化物的顶部发射型LED，必须实质上具备诸如低欧姆接触电阻率和薄层电阻率的电特性，从而同时执行沿横向的电流扩展和沿p电极层的垂直方向的电流注入，由此能够补偿由低空穴密度导致的基于p氮化物的覆层的高薄层电阻值。此外，在通过p型欧姆电极层将基于氮化物的有源层生成的光输出至外部时，为了使光吸收降至最低，必须提供具有较高透光率和薄层电阻的p欧姆接触电极。
本领域公知的采用基于氮化物的半导体的MESA结构顶部发射型LED采用p欧姆电极层，可以通过在基于p氮化物的覆层上叠置薄镍(Ni)金(Au)或诸如氧化铟锡(ITO)的厚透明导电层的双层并然后在氧(O2)气氛或者氮(N2)气氛下退火基于p氮化物的覆层而获得p欧姆电极层。具体而言，当在大约500℃的温度下对包括半透明的镍-金(Ni-Au)并且具有大约10-3cm2到10-4cm2的低接触电阻率值的欧姆电极层进行退火处理时，作为p半导体氧化物的氧化镍(NiO)以岛的形式分布在基于p氮化物的覆层和镍-金欧姆电极层之间的界面上。此外，具有优越的导电性的金(Au)颗粒嵌入到岛状氧化镍(NiO)内，由此形成微结构。
这样的微结构可以降低形成于基于p氮化物的覆层和镍-金欧姆电极层之间的肖特基势垒的高度和宽度，向基于n氮化物的覆层提供空穴载流子，并分布具有优越的导电性的金(Au)，由此实现优越的电流扩散性能。但是，由于采用由镍-金(Ni-Au)构成的p欧姆电极层的基于氮化物的顶部发射型LED包括降低透光率的金(Au)，基于氮化物的顶部发射型LED表现出低EQE(外部量子效率)，因此，基于氮化物的顶部发射型LED不适于具有高容量、大面积和高亮度的下一代LED。
出于这一原因，有人提出了另一种不采用半透明的Ni-Au提供p欧姆接触层的方法。根据这一方法，通过在基于p氮化物的覆层上直接淀积包括厚透明导电材料的透明导电氧化物层和包括诸如钛(Ti)或钽(Ta)的过渡金属的透明导电氮化物层而获得p欧姆接触层，其中，所述透明导电材料可以是诸如作为本领域公知的用于高透明欧姆接触电极的材料的铟(In)、锡(Sn)或锌(Zn)。但是，尽管通过上述方法制造的p欧姆电极层能够提高透光率，但是，p欧姆电极层和基于p氮化物的覆层之间的界面特性受到劣化，因而p欧姆电极层不适于MESA结构的顶部发射型的基于氮化物的LED。
各种文献(例如，IEEE PTL，Y.C.Lin，etc.Vol.14，1668和IEEE PTL，Shyi-Ming Pan，etc.Vol.15，646)均公开了具有良好的电和热稳定性并且通过利用p欧姆电极层而表现出大EQE的基于氮化物的顶部发射型LED，所述p欧姆电极层是通过在不采用诸如金(Au)或铂(Pt)的贵金属的情况下使具有优越的导电性的透明导电氧化物层与诸如镍(Ni)或钌(Ru)的金属结合而获得的，使得所述p欧姆电极层的透光率高于传统镍-金(Ni-Au)电极的p欧姆电极层的透光率。
最近，Semicond.Sci.Technol.公开了一篇涉及基于氮化物的顶部发射型LED的文献，所述LED采用氧化铟锡(ITO)透明层作为p欧姆电极层，并且其表现出的输出功率高于采用常规镍-金(Ni-Au)欧姆电极的常规LED的输出功率。但是，虽然采用ITO透明层的p欧姆电极层能够使LED的EQE最大化，但是在基于氮化物的LED工作时可能生成大量的热，因为所述p欧姆电极层具有相对较高的接触欧姆电阻率值，因而上述p欧姆电极层不适于具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的LED。
为了改善可能因包括透明导电氧化物(TCO)或透明导电氮化物(TCN)的p欧姆电极层而劣化的LED的电特性，LumiLeds Lighting Company(U.S.)开发出了一种LED，其通过将氧化铟锡(ITO)与薄镍-金(Ni-Au)或薄镍-银(Ni-Ag)结合而具有更高的透光率和优越的电特性(给予Michael J.Ludowise等人的美国专利No.6287947)。但是，上述专利中公开的LED需要复杂的工艺来形成p欧姆接触层，并且采用金(Au)或银(Ag)，因而这一LED不适于具有高容量、大面积和高亮度的基于氮化物的LED。
近来，由Samsung Electronics开发出了一种新的提供有高质量p欧姆电极层的MESA结构的基于氮化物的顶部发射型LED。根据上述MESA结构的基于氮化物的顶部发射型LED，将新的具有100纳米或更小的尺寸的球形透明纳米颗粒提供到基于p氮化物的覆层和诸如ITO电极或ZnO电极的透明导电氧化物电极之间的界面上，从而降低其间的高欧姆接触电阻值。
此外，各种专利文献和公开文献都公开了与MESA结构的顶部发射型的基于氮化物的LED的制作相关的技术。例如，为了直接采用高透明的导电层(ITO层或TiN层)作为p欧姆电极层，在基于p氮化物的覆层的上表面上重复生长超晶格结构之后，向包括+-InGaN/n-GaN、n+-GaN/n-InGaN或n+-InGaN/n-InGaN的超晶格结构上淀积透明导电层(ITO层或TiN层)。之后，通过退火工艺形成高质量n欧姆接触，并执行隧穿结处理，由此获得具有高质量的MESA结构的顶部发射型的基于氮化物的LED。
今天，很多公司认识到，包括与生长在蓝宝石衬底上的基于氮化物的发光结构结合的透明p欧姆电极层的MESA结构的顶部发射型的基于氮化物的LED可能不适于具有高容量、大面积和高亮度的下一代LED，因为在发光器件的工作过程中将从有源层和各个界面层产生大量的热。
LumiLeds Lighting Company(美国)和Toyoda Gosei Company(JP)已经通过在具有绝缘特性的蓝宝石衬底上叠置基于氮化物的发光结构而开发出了另一种先进的用于具有高亮度的下一代光源的基于氮化物的发光器件。根据上述基于氮化物的发光器件，将作为高反射薄金属的银(Ag)和铑(Rh)材料与p欧姆电极层结合，以提供作为具有高容量和1平方毫米大小的大面积的LED芯片的MESA结构的基于氮化物的倒装LED。但是，这样的MESA结构的基于氮化物的倒装LED可能因工艺复杂而降低成品率。此外，由于包括高反射薄金属(Ag和Rh)的p欧姆电极层热不稳定，并且在400nm或更低的波段上表现出低光反射率，因而所述p欧姆电极层不适于发射具有短波长的光的(近)紫外发光二极管。
近来，作为具有大面积、高亮度和高容量的下一代白光光源，垂直结构的基于氮化物的LED已经成了注意的焦点。可以通过在表现出了电和热稳定性的导电碳化硅(SiC)上叠置基于氮化物的发光结构，或者可以通过在具有绝缘特性的蓝宝石衬底上叠置基于氮化物的发光结构，通过采用强激光束的激光剥离(LLO)工艺去除蓝宝石衬底，并将所述结构接合到具有优越的散热功能并且包括诸如Ag或Rh、铜(Cu)或铜相关合金的高反射欧姆电极材料的热沉上的步骤而获得所述垂直结构的基于氮化物的LED。由于上述垂直结构的基于氮化物的LED采用了具有优越的导热性的热沉(heatsink)，因而所述垂直结构的基于氮化物的LED能够在具有大面积和高容量的LED的操作过程中容易地散发热量。
但是，上述垂直结构的基于氮化物的LED需要具有热稳定性的p型高反射欧姆电极层，并且表现出全内反射/光吸收，由此导致低EQE和低成品率，并导致低生产率和高成本。因而，必须进一步改进垂直结构的基于氮化物的LED，从而将其用作具有高亮度的下一代白光光源。具体而言，尽管叠置在碳化硅(SiC)衬底的发光器件表现出了优越的热散逸，但是在SiC衬底的制造方面仍存在技术问题，并且成本高。此外，由于垂直结构的基于氮化物的LED因高光吸收而表现出低EQE，因而采用SiC衬底的基于氮化物的LED无法得到广泛应用。
根据从有源层生成的光的发射方向，将近来被作为具有高亮度的下一代白光光源而受到高度关注的采用LLO方案的垂直结构的基于氮化物的LED划分成p侧向下垂直结构的基于氮化物的LED和n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
一般而言，通过基于n氮化物的覆层发光的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED表现出了优越的光和电特性，并且与通过基于p氮化物的覆层发射有源层生成的光的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED相比制造简单。
P侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED和n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED之间的光和电特性的差异是由用于制造p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED和n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED的透明反射欧姆电极层的特性差异导致的。就p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED而言，正如各种文献中公开的，p欧姆电极层包括诸如银(Ag)或铑(Rh)的高反射金属，并且具有低薄层电阻的基于n氮化物的覆层位于p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED的最上部分，因而所述p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED能够在不采用额外的高透明的n欧姆电极层的情况下通过基于n氮化物的覆层直接向外部发射光。因此，p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED具有优越的LED特性。
但是，如上所述，p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED可能使各种特性显著劣化，因为高反射p欧姆电极层在发射具有小于或等于400nm的波段的光的发光结构中引起问题。与p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED不同，n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED可以采用诸如银(Ag)或铑(Rh)的高反射金属作为n型高反射欧姆电极层的材料。此外，可以采用具有优越的反射率的铝(Al)作为小于或等于400nm的短波段内的n型高反射欧姆电极层的材料。但是，由于具有高薄层电阻的基于p氮化物的覆层位于n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED的最上部分，因而还需要高透明的导电p欧姆电极层。但是，如上所述，由于基于p氮化物的覆层的电特性不佳，因而在制造高透明的导电p欧姆电极层时存在困难。
就基于氮化物的发光器件而言，世界知名的各大公司，例如，德国的OSRAM，通过采用LLO技术制造LED而出售具有大面积、大容量和高亮度的LED。但是，在采用LLO技术制造具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的LED时，基于氮化物的LED的成品率大约为50％，因而可能导致低生产率和高成本。
为了实现半导体器件，即，为了提供采用基于GaN的半导体的光学器件，例如，在极低或高温度条件下使用且具有高容量的RF晶体管，各种电子器件，LED，LD，光探测器或太阳能电池，必须制造能够生长包括高质量的基于GaN的半导体的外延叠层结构的衬底。
为了获得这样的衬底，必须选择具有类似的晶格常数和热膨胀系数的材料。为此，要求均质衬底(homo-substrate)，即，制备包括基于III族氮化物的材料的生长衬底。
按照常规，为了生长适于高性能电子和光电器件的基于GaN的半导体的外延叠层结构，已经开发并采用了包括蓝宝石、碳化硅、硅或砷化镓的异质衬底(hetero-substrate)。
其中，蓝宝石(Al2O3)和碳化硅(SiC)衬底近来被广泛用于生长基于GaN的半导体外延叠层结构。但是，蓝宝石和碳化硅衬底在采用基于GaN的半导体外延叠层结构获得高性能电子和光电器件方面存在致命的问题。
首先，根据形成于蓝宝石衬底的上部上的基于GaN的半导体外延叠层结构，由于在基于GaN的半导体外延叠层结构和蓝宝石衬底之间存在晶格常数和热膨胀系数的差异，因而可能在基于GaN的半导体外延叠层结构中产生诸如位错(dislocation)和堆垛层错(stacking fault)的高密度晶体缺陷，由此降低了器件的可靠性，并且难以制造或操作基于GaN的电子或光电器件。
此外，由于蓝宝石衬底的导热性差，因而采用形成于蓝宝石衬底的上部上的基于GaN的半导体外延叠层结构的光电器件在其工作过程中不容易向外散发热量，因而可能缩短器件的寿命，并且可能降低器件的可靠性。
除了上述问题之外，由于蓝宝石衬底的电绝缘特性，可能无法获得被认为是理想的光电器件的垂直结构光电器件。出于这一原因，必须通过执行干法蚀刻和光刻处理制造MESA结构的光电器件，因而导致了高成本和低性能。
尽管SiC衬底比具有电绝缘特性的蓝宝石衬底有利，但是SiC也存在几个技术和经济缺陷。
具体而言，为了制造实现采用高性能的基于GaN的半导体的电子和光电器件所必需的单晶碳化硅，可能产生高成本。此外，由于由LED的有源层生成的光大多被SiC衬底吸收，因而SiC衬底不适于具有高效率的下一代LED。
为了解决上述由异质衬底引发的技术和经济问题，各种研究小组提出了采用HVPE(氢化物气相外延)法制造包括GaN和AlN的均质衬底的方法(参考phys.stat.sol.(c)No 6，16271650，2003)。
此外，有人提出了制造厚的基于III族氮化物的外延衬底的方法。根据这种方法，通过HVPE方法在蓝宝石衬底的上部上形成具有大约300□的厚度的厚的基于III族氮化物的外延层，并通过LLO方案照射强激光束，由此去除蓝宝石衬底。之后，通过执行后处理工艺，以获得厚的基于III族氮化物的外延生长衬底(参见phys.Stat.sol.(c)No7，1985-1988，2003).
除了上述常规方法之外，还有人提出了另一种制造厚的基于III族氮化物的外延衬底的方法，以提供基于GaN的半导体的外延叠层结构。根据这种方法，在生长基于GaN的半导体外延叠层结构时，将具有优越的导电性、具有类似的晶格常数和热膨胀系数、并且易于通过湿法蚀刻溶解的氧化锌(ZnO)引入到原始生长衬底内或者引入到蓝宝石衬底上，以形成高质量的基于GaN的半导体外延叠层结构。之后，通过湿法蚀刻去除蓝宝石衬底。
但是，上述用于基于III族氮化物的外延生长衬底的方法和技术表现出了技术困难、高成本、低质量和低成品率，因而针对采用基于氮化物的半导体外延叠层结构的高性能电子和光电器件的未来前景尚不明朗。
发明内容
本发明提供了一种具有高亮度的半导体器件。
本发明还提供了一种这样的半导体器件的制造方法。
技术方案
就本发明的一方面而言，一种半导体器件包括：具有绝缘特性的生长衬底；形成于所述生长衬底上的成核层；形成于所述成核层上、同时起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层；形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层上的第一类型的基于氮化物的覆层；形成于所述第一类型的基于氮化物的覆层上的多量子阱的基于氮化物的有源层；形成于所述多量子阱的基于氮化物的有源层上的第二类型的基于氮化物的覆层，所述第二类型不同于所述第一类型；以及隧道结层，形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和所述第一类型的基于氮化物的覆层之间，或形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上，或者既形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和所述第一类型的基于氮化物的覆层之间又形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上。
就本发明的另一方面而言，一种半导体器件包括：具有绝缘特性的生长衬底；形成于所述生长衬底上的基于氮化物的半导体薄膜层；形成于所述基于氮化物的半导体薄膜层上的支持衬底层；以及形成于所述支持衬底层上的发光结构。
所述支持衬底层包括按照单层或多层的形式制备的基于AlN的材料层。
所述支持衬底层包括按照单层或多层的形式制备的金属、氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、硅化物、氮氧化物和碳氮化物。
按照包括AlaObNc(a、b和c为整数)和GaxOy(x、y为整数)的单层或者多层的形式制备所述支持衬底层。
按照包括基于SiaAlbNcCd的材料(a、b、c和d为整数)的单层或者多层的形式制备所述支持衬底层。
就本发明的又一方面而言，一种半导体器件包括：厚膜层；形成于所述厚膜层上的第一外延层，其中，对所述第一外延层的顶表面进行表面处理；以及形成于所述第一外延层上并且具有包括用于电子和光电器件的基于氮化物的半导体的多层的第二外延层，其中，按照包括表示为InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的至少一种化合物的单层或多层的形式制备所述第一和第二外延层中的每者。
就本发明的又一方面而言，一种半导体器件的制造方法包括：在具有绝缘特性的生长衬底上形成第一外延层；在所述第一外延层上淀积具有30□或更大的厚度的厚膜层；利用激光束去除所述生长衬底；以及对因去除了所述生长衬底而暴露的所述第一外延层的表面进行处理。
有利效果
根据本发明的半导体器件表现出了高质量、大面积、高亮度和高容量。此外，在本发明的半导体器件内提供的层或发光结构不会受到热或机械变形或分解。此外，根据本发明的半导体器件可以采用高性能的半导体外延层。
附图说明
图1和图2是示出了根据本发明的第一实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层的上部内的第一隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图3和图4是示出了根据本发明的第二实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层的上部内的第一隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图5和图6是示出了根据本发明的第三实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图7和图8是示出了根据本发明的第四实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图9和图10是示出了根据本发明的第五实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图11和图12是示出了根据本发明的第六实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图13和图14是示出了根据本发明的第七实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层的上部内的第一隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图15和图16是示出了根据本发明的第八实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图17和图18是示出了根据本发明的第九实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图19和图20是示出了根据本发明的第十实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图21和图22是示出了根据本发明的第十一实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图23和24是示出了根据本发明的第十二实施例的基于III族氮化物的薄膜层和形成于所述基于III族氮化物的薄膜层上的支持衬底层的截面图，所述基于III族氮化物的薄膜层具有基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠层结构，并且形成于作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底的上部上；
图25和26是示出了根据本发明的第十三实施例的依次形成于作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底的上部上的基于III族氮化物的薄膜层和支持衬底层的截面图，其中，从所得的结构的上部生长用于生长衬底的另一基于III族氮化物的薄膜层和基于氮化物的发光结构层；
图27到30是示出了根据本发明的第十四实施例的通过激光剥离(LLO)方案去除了作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底之后的支持衬底层、形成于所述支持衬底层上的用于生长衬底的基于氮化物的薄膜层和形成于所述基于氮化物的薄膜层上的基于III族氮化物的发光结构层的截面图；
图31到34是示出了根据本发明的第十五实施例的通过激光剥离(LLO)方案去除了作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底之后的形成于支持衬底层上的四种类型的基于氮化物的发光结构层的截面图；
图35到39是示出了根据本发明的第十六实施例采用支持衬底层和激光剥离(LLO)方案制造的两个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和三个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图40到43是示出了根据本发明的第十七实施例采用支持衬底层、第一隧道结层和激光剥离(LLO)方案制造的两个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和两个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图44到50是示出了根据本发明的第十八实施例采用支持衬底层、第二隧道结层和激光剥离(LLO)方案制造的四个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和三个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图51到56是示出了根据本发明的第十九实施例采用支持衬底层、第一和第二隧道结层和激光剥离(LLO)方案制造的四个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和两个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图；
图57和58是示出了根据本发明的第二十实施例的形成于基于III族氮化物的牺牲层或者基于氮化物的薄膜层上的基于AlN的支持衬底层的截面图，所述基于III族氮化物的牺牲层或基于氮化物的薄膜层形成于作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底的上部上，并且所述基于氮化物的薄膜层包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构；
图59和60是示出了根据本发明的第二十一实施例的在800℃或者更高的温度下生长在一结构的上部上的高质量生长衬底的基于氮化物的厚膜层的截面图，在所述结构中，依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
图61和62是截面图，示出了根据本发明的第二十二实施例的在800℃或者更低的温度下生长的基于氮化物的薄成核层和在800℃或者更高的温度下生长的基于氮化物的厚膜层以提供用于高质量的生长衬底的厚层，其中，所述基于氮化物的薄成核层和基于氮化物的厚膜层依次形成于一结构的上部上，在所述结构中，依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层；
图63和64是示出了根据本发明的第二十三实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层；
图65和66是示出了根据本发明的第二十四实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层；
图67和68是示出了根据本发明的第二十五实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层；
图69和70是示出了根据本发明的第二十六实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层；
图71是示出了根据本发明的第二十七实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的制造过程的工艺流程图，其中，采用根据本发明的第二十三到第二十六实施例的LED叠层结构制造所述的高质量的p侧向下的发光二极管，其采取的方式能够使p型氮化物覆层位于n型氮化物覆层之下；
图72到75是示出了根据本发明的第二十八实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管；
图76到79是示出了根据本发明的第二十九实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管；
图80到83是示出了根据本发明的第三十实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管；
图84到87是示出了根据本发明的第三十一实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管；
图88是示出了根据本发明的第三十二实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的制造过程的工艺流程图，其中，采用根据本发明的第二十三到第二十六实施例的LED叠层结构制造所述的高质量的n侧向下的发光二极管，其采取的方式能够使n型氮化物覆层位于p型氮化物覆层之下；
图89到90是示出了根据本发明的第三十三实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图91到92是示出了根据本发明的第三十四实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图93到96是示出了根据本发明的第三十五实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图97到100是示出了根据本发明的第三十六实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图101是示出了根据本发明的第三十七实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的制造过程的工艺流程图，其中，采用根据本发明的第二十三到第二十六实施例的LED叠层结构制造所述的高质量的n侧向下的发光二极管，其采取的方式能够使n型氮化物覆层位于p型氮化物覆层之下；
图102到105是示出了根据本发明的第三十八实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图106到109是示出了根据本发明的第三十九实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图110到113是示出了根据本发明的第四十实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图114到117是示出了根据本发明的第四十一实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图118到121是示出了根据本发明的第四十二实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图122到125是示出了根据本发明的第四十三实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图126到129是示出了根据本发明的第四十四实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图130到133是示出了根据本发明的第四十五实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；
图134到138是示出了根据本发明的第四十六实施例的用于在采用基于GaN的半导体的电子和光电器件的衬底上形成外延叠层结构以提供高质量的外延衬底的流程的截面图；
图139到144是示出了根据本发明的第四十七实施例的用于在采用基于GaN的半导体的电子和光电器件的衬底上形成外延叠层结构以提供高质量的外延衬底的流程的截面图；
图145是示出了根据本发明的第四十八实施例的依次形成于厚膜层上的第一和第二外延叠层结构的截面图；以及
图146是示出了根据本发明的第四十九实施例的依次形成于厚膜层上的第一和第二外延叠层结构的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图说明本发明的示范性实施例。
图1和图2是示出了根据本发明的第一实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层的上部内的第一隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图1所示，为了制造根据本发明的具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的发光器件，在作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底410a上以等于或小于100nm的厚度淀积在600℃或更低的温度下形成的包括非晶GaN或AlN的成核层420a。然后，在形成起着缓冲层的作用的具有等于或小于3nm的厚度的未掺杂的基于氮化物的层430a之后，在未掺杂的基于氮化物的层430a上形成高质量的第一隧道结层440a。然后，依次形成n型的基于氮化物的薄覆层450a、多量子阱的基于氮化物的有源层460a和p型的基于氮化物的覆层470a，以提供高质量的基于氮化物的发光结构。
与垂直结构的基于氮化物的LED不同，其可通过激光剥离(LLO)方案制造，上述基于氮化物的发光结构包括形成于未掺杂的基于氮化物的层430a上的第一隧道结层440a。
图2详细示出了通过采用图1所示的基于氮化物的发光结构和LLO方案制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
参考图2，p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED包括支持衬底410b、粘合材料层420b、p反射欧姆接触层430b、p型的基于氮化物的覆层440b、多量子阱的基于氮化物的有源层450b、n型的基于氮化物的覆层460b、第一隧道结层470a和n电极焊盘480b。
在通过LLO方案从蓝宝石衬底去除薄的基于氮化物的发光结构时，用作保护所述发光结构并发散热量的热沉的支持衬底410b优选包括具有优越的导电性和导热性的金属、合金或固溶体。例如，代替采用硅衬底，支持衬底410b包括作为金属间化合物的硅化物、铝(Al)、与Al相关的合金或固溶体、铜(Cu)、与Cu相关的合金或固溶体、银(Ag)或者与银相关的合金或固溶体。可以通过机械、电化学、物理或化学淀积制造这样的支持衬底410b。
本发明采取了LLO方案以从蓝宝石衬底去除基于氮化物的发光结构。尽管LLO方案按照传统在常温和常压下执行，根据本发明，在将蓝宝石衬底浸没到具有40℃或更高的温度的诸如HCl的酸溶液或基液(base solution)的状态下执行LLO方案，从而提高可能因在处理过程中在基于氮化物的发光结构内产生裂缝而降低的成品率。
所述粘合材料层420b优选包括诸如铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、银(Ag)、钯(Pd)或金(Au)的具有较高粘合特性和低熔点的金属以及上述金属的合金或固溶体。
P反射欧姆接触层430b可以包括由Ag和Rh的厚层而不采用Al和与Al相关的合金或固溶体，其是在基于p氮化物的覆层上表现出了低接触电阻率和高光反射率的高反射材料。此外，p反射欧姆接触层430b可以包括双反射层或三反射层，其包括与镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、锌(Zn)、镁(Mg)或金(Au)结合的高反射金属。此外，p反射欧姆接触层430b可以包括透明导电氧化物(TCO)、基于过渡金属的透明导电氮化物和高反射金属的组合。与其他高反射金属、合金及其固溶体相比，铝、与铝相关的合金和与铝相关的固溶体更为优选。
P型的基于氮化物的覆层440b、多量子阱的基于氮化物的有源层450b和n型的基于氮化物的覆层460b中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向p型的基于氮化物的覆层440b和n型的基于氮化物的覆层460b添加掺杂剂。
此外，可以按照单层或多量子阱(MQW)结构的形式制备基于氮化物的有源层450b。
例如，如果采用了基于GaN的化合物，那么n型的基于氮化物的覆层460b包括GaN和诸如Si、Ge、Se、Te等的添加至GaN的n型掺杂剂，基于氮化物的有源层450b具有InGaN/GaN MQW结构或者AlGaN/GaN MQW结构。此外，p型的基于氮化物的覆层440b包括GaN和诸如Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Be等的添加至GaN的p型掺杂剂。
第一隧道结层470b基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备所述第一隧道结层470b。优选按照双层、三层或多层的形式制备所述第一隧道结层470b。
所述第一隧道结层470b优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对的元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第一隧道结层470b可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的单晶层、多晶层或非晶层。为了通过提供光子晶体效应(photonic crystal effect)或者通过调整第一隧道结层470b的上表面或下表面的粗糙度来改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性，可以通过利用激光束的干涉和光反应聚合物的干涉法方案或者通过蚀刻技术提供尺寸等于或小于10nm的点、孔、棱锥、纳米杆或者纳米柱。
还建议另一种通过表面粗糙度调整和光子晶体效应改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性的方法。在氧(O2)、氮(N2)、氩(Ar)或氢(H2)气氛内，在处于常温到800℃的范围内的温度下，执行这种方法10秒到1小时。
N电极焊盘480b可以具有叠层结构，其包括依次叠置的诸如钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)和钨(W)的难熔金属。
图3和图4是示出了根据本发明的第二实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层的上部内的第一隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图3和图4所示，叠置在绝缘生长衬底上的基于氮化物的发光结构和p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件与第一实施例中基本相同，但是在第一隧道结层570b上形成了作为高透明的导电薄膜层的n型欧姆电流扩散层580b。
优选地，形成于第一隧道结层570b上的高透明的导电薄膜层，即n型欧姆电流扩散层580b包括透明导电氧化物(TCO)或基于过渡金属的透明导电氮化物(TCN)。这里，TCO是包括与选自下述集合的至少一种元素结合的氧(O)的透明导电化合物：铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镓(Ga)、镉(Cd)、镁(Mg)、铍(Be)、银(Ag)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、铂(Pt)、钯(Pd)、铝(Al)和镧(La)。
此外，TCN是通过使氮(N)与钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、铼(Re)或钼(Mo)结合获得的透明导电化合物。
更优选地，可以使叠置在n型和p型的基于氮化物的覆层上的电流扩散层与金属成分结合，当在氮(N2)或氧(O2)气氛下执行热处理工艺时，所述金属成分将形成新的透明导电薄层。
为了提高n型欧姆电流扩散层580b的质量，主要利用采用包括氧(O2)、氮(N2)、氩(Ar)或氢(H2)的等离子体的溅射淀积工艺和脉冲激光淀积(PLD)工艺。除此之外，可以采用电子束或热蒸发、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、电镀、或电化学沉积。具体而言，在通过LLO方案获得的垂直结构的基于氮化物的发光器件中，当在基于氮化物的覆层上淀积n型或p型欧姆电流扩散层时，具有强能量的离子可能对基于氮化物的覆层的表面带来不利影响。为了避免这一问题，优选采用利用电子束或热电阻的蒸发器。
为了通过提供光子晶体效应或者通过调整n型或p型欧姆接触层或者n型或p型欧姆电流扩散层的表面粗糙度来改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性，在氧(O2)、氮(N2)、氩(Ar)或氢(H2)气氛下，在处于常温到800℃的范围内的温度下执行上述淀积10秒到1小时。
在下文中，将说明本发明的第三到第十一实施例。在第三到第十一实施例中，一些元件与第一和第二实施例中相同。因而，在图1到22当中将类似的附图标记赋予类似的元件，并且将省略对其的详细说明，以避免繁杂。
图5和图6是示出了根据本发明的第三实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图5所示，为了制造根据本发明的具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的发光器件，在作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底610a上以等于或小于100nm的厚度淀积在600℃或更低的温度下形成的包括非晶GaN或AlN的成核层620a。于是，在形成了具有等于或小于3nm的厚度的起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层630a之后，依次在未掺杂的基于氮化物的层630a上形成n型的基于氮化物的薄覆层640a、多量子阱的基于氮化物的有源层650a和p型的基于氮化物的覆层660a。然后，在p型的基于氮化物的覆层660a上形成第二隧道结层670a，以提供高质量的基于氮化物的发光结构。与通过激光剥离(LLO)方案制造的垂直结构的基于氮化物的LED不同，上述基于氮化物的发光结构包括形成于所述p型的基于氮化物的覆层660a上的第二隧道结层670a。
图6详细示出了采用图5所示的基于氮化物的发光结构和LLO方案制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
参考图6，所述基于氮化物的LED包括支持衬底610b、粘合材料层620b、p反射欧姆接触层630b、第二隧道结层640b、p型的基于氮化物的覆层650b、多量子阱的基于氮化物的有源层660b、n型的基于氮化物的覆层670b和n电极焊盘680b。
第二隧道结层640b基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备所述第二隧道结层640b。优选按照双层、三层或多层的形式制备所述第二隧道结层640b。
所述第二隧道结层640b优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对的元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第二隧道结层640b可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的单晶层、多晶层或非晶层。
P型的基于氮化物的覆层650b、多量子阱的基于氮化物的有源层660b和n型的基于氮化物的覆层670b中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中，所述AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向p型的基于氮化物的覆层650b和n型的基于氮化物的覆层670b添加掺杂剂。
此外，可以按照单层或多量子阱(MQW)结构的形式制备基于氮化物的有源层660b。
例如，如果采用了基于GaN的化合物，那么n型的基于氮化物的覆层670b包括GaN和诸如Si、Ge、Se、Te等的添加至GaN的n型掺杂剂，并且基于氮化物的有源层660b具有InGaN/GaN MQW结构或者AlGaN/GaNMQW结构。此外，p型的基于氮化物的覆层650b包括GaN和诸如Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Be等的添加至GaN的p型掺杂剂。
为了通过提供光子晶体效应或者通过调整n型的基于氮化物的覆层670b的上表面的粗糙度来改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性，可以通过利用激光束的干涉和光反应聚合物的干涉法方案或者通过蚀刻技术提供尺寸等于或小于10nm的点、孔、棱锥、纳米杆或者纳米柱。
还建议另一种通过表面粗糙度调整和光子晶体效应改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性的方法。在氧(O2)、氮(N2)、氩(Ar)或氢(H2)气氛内，在处于常温到800℃的范围内的温度下，执行这种方法10秒到1小时。
n电极焊盘680b可以具有叠层结构，其包括依次叠置的诸如钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)和钨(W)的难熔金属。
图7和图8是示出了根据本发明的第四实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图7和图8所示，叠置在绝缘生长衬底上的基于氮化物的发光结构和采用其的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED与第三实施例的基本相同，但是在n型的基于氮化物的覆层770b上形成了作为高透明的导电薄膜层的n型欧姆电流扩散层780b。此外，形成于所述n型的基于氮化物的覆层770b上的高透明的导电薄膜层与第二实施例中的相同。
图9和图10是示出了根据本发明的第五实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图9所示，为了制造根据本发明的具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的发光器件，在作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底810a上以等于或小于100nm的厚度淀积在600℃或更低的温度下形成的包括非晶GaN或AlN的成核层820a。然后，在形成了起着缓冲层的作用的具有等于或小于3nm的厚度的未掺杂的基于氮化物的层830a之后，在未掺杂的基于氮化物的层830a上叠置高质量第一隧道结层840a。然后，在高质量的第一隧道结层840a上依次形成n型的基于氮化物的薄覆层850a、多量子阱的基于氮化物的有源层860a和p型的基于氮化物的覆层870a。然后，在p型的基于氮化物的覆层870a上形成第二隧道结层880a，以提供高质量的基于氮化物的发光结构。
与通过激光剥离(LLO)方案制造的垂直结构的基于氮化物的LED不同，上述基于氮化物的发光结构包括分别形成于所述未掺杂的基于氮化物的层830a和p型的基于氮化物的覆层880a上的第一和第二隧道结层840a和880a。
图10详细示出了采用图9所示的基于氮化物的发光结构和LLO方案制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
参考图10，所述基于氮化物的LED包括支持衬底810b、粘合材料层820b、p反射欧姆接触层830b、第二隧道结层840b、p型的基于氮化物的覆层850b、多量子阱的基于氮化物的有源层860b、n型的基于氮化物的覆层870b、第一隧道结层880b和n电极焊盘890b。
P型的基于氮化物的覆层850b、多量子阱的基于氮化物的有源层860b和n型的基于氮化物的覆层870b中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向p型的基于氮化物的覆层850b和n型的基于氮化物的覆层870b添加掺杂剂。此外，可以按照单层或多量子阱(MQW)结构的形式制备基于氮化物的有源层860b。
n电极焊盘890b可以具有叠层结构，其包括依次叠置的诸如钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)和钨(W)的难熔金属。
图11和图12是示出了根据本发明的第六实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图11和图12所示，叠置在绝缘生长衬底上的基于氮化物的发光结构和采用其的p侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED与第五实施例中基本相同，除了叠置于n型的基于氮化物的覆层970b上的第一隧道结层980b和形成于所述第一隧道结层980b上的作为高透明的导电薄膜层的n型欧姆电流扩散层990b。
图13和图14是示出了根据本发明的第七实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层的上部内的第一隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图13所示，为了制造根据本发明的具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的发光器件，在作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底1010a上以等于或小于100nm的厚度淀积600℃或更低的温度下形成的包括非晶GaN或AlN的成核层1020a。然后，在形成了起着缓冲层的作用的具有等于或小于3nm的厚度的未掺杂的基于氮化物的层1030a之后，在未掺杂的基于氮化物的层1030a上形成高质量第一隧道结层1040a。然后，依次形成n型的基于氮化物的薄覆层1050a、多量子阱的基于氮化物的有源层1060a和p型的基于氮化物的覆层1070a，以提供高质量的基于氮化物的发光结构。
不同于垂直结构的基于氮化物的LED，其能够通过激光剥离(LLO)方案制造，上述基于氮化物的发光结构包括形成于未掺杂的基于氮化物的层1030a上的第一隧道结层1040a。
图14详细示出了采用图13所示的基于氮化物的发光结构和LLO方案制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
参考图14，所述基于氮化物的LED包括支持衬底1010b、粘合材料层1020b、n反射欧姆接触层1030b、第一隧道结层1040a、n型的基于氮化物的覆层1050b、多量子阱的基于氮化物的有源层1060b、p型的基于氮化物的覆层1070b、p型的欧姆电流扩散层1080b和n电极焊盘1090b。
n反射欧姆接触层1030b可以包括作为表现出低接触电阻率和高光反射率的高反射金属的Ag、Rh或Al构成的厚层。所述n反射欧姆接触层1030b可以包括基于所述高反射金属的合金或固溶体。此外，n反射欧姆接触层1030b可以包括双反射层或三反射层，其包括与镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、锌(Zn)、镁(Mg)或金(Au)结合的高反射金属。此外，n反射欧姆接触层1030b可以包括透明导电氧化物(TCO)、基于过渡金属的透明导电氮化物和高反射金属的组合。
n型的基于氮化物的覆层1050b、多量子阱的基于氮化物的有源层1060b和p型的基于氮化物的覆层1070b中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中，所述AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向n型的基于氮化物的覆层1050b和p型的基于氮化物的覆层1070b添加掺杂剂。
此外，可以按照单层或多量子阱(MQW)结构的形式制备基于氮化物的有源层1060b。
例如，如果采用了基于GaN的化合物，那么n型的基于氮化物的覆层1050b包括GaN和诸如Si、Ge、Se、Te等的添加至GaN的n型掺杂剂，基于氮化物的有源层1060b具有InGaN/GaN MQW结构或者AlGaN/GaN MQW结构。此外，p型的基于氮化物的覆层1070b包括GaN和诸如Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Be等的添加至GaN的p型掺杂剂。
高透明的导电薄层，即，形成于p型的基于氮化物的覆层1070b上的p型的欧姆电流扩散层1080b与第二实施例中相同。
图15和图16是示出了根据本发明的第八实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图15所示，为了制造根据本发明的具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的发光器件，在作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底1110a上以等于或小于100nm的厚度淀积600℃或更低的温度下形成的包括非晶GaN或AlN的成核层1120a。然后，在形成了具有等于或小于3nm的厚度的起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层1130a之后，依次在未掺杂的基于氮化物的层1130a上形成n型的基于氮化物的薄覆层1140a、多量子阱的基于氮化物的有源层1150a和p型的基于氮化物的覆层1160a。然后，在p型的基于氮化物的覆层1160a上形成第二隧道结层1170a，以提供高质量的基于氮化物的发光结构。与通过激光剥离(LLO)方案制造的垂直结构的基于氮化物的LED不同，上述基于氮化物的发光结构包括形成于所述p型的基于氮化物的覆层1160a上的第二隧道结层1170a。
图16详细示出了采用图15所示的基于氮化物的发光结构和LLO方案制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
参考图16，基于氮化物的LED包括支持衬底1110b。此外，依次在支持衬底1110b上叠置粘合材料层1120b、n反射欧姆接触层1130b、n型的基于氮化物的覆层1140b、多量子阱的基于氮化物的有源层1150b、p型的基于氮化物的覆层1160b、第二隧道结层1170b和n电极焊盘1180b。
图17和图18是示出了根据本发明的第九实施例的采用引入到p型的基于氮化物的覆层的上部内的第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图17和图18所示，叠置在绝缘生长衬底上的基于氮化物的发光结构和采用其的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件与第八实施例中基本相同，除了叠置于p型的基于氮化物的覆层1260b上的第二隧道结层1270b和形成于所述第二隧道结层1270b上的作为高透明的导电薄膜层的p型欧姆电流扩散层1280b。
图19和图20是示出了根据本发明的第十实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图19所示，为了制造根据本发明的具有大面积、高容量和高亮度的基于氮化物的发光器件，在作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底1310a上以等于或小于100nm的厚度淀积600℃或更低的温度下形成的包括非晶GaN或A1N的成核层1320a。然后，在形成了起着缓冲层的作用的具有等于或小于3nm的厚度的未掺杂的基于氮化物的层1330a之后，在未掺杂的基于氮化物的层1330a上形成高质量第一隧道结层1340a。然后，在高质量的第一隧道结层1340a上依次形成n型的基于氮化物的薄覆层1350a、多量子阱的基于氮化物的有源层1360a和p型的基于氮化物的覆层1370a。之后，在p型的基于氮化物的覆层1370a上形成第二隧道结层1380a，以提供高质量的基于氮化物的发光结构。与通过激光剥离(LLO)方案制造的垂直结构的基于氮化物的LED不同，上述基于氮化物的发光结构包括分别形成于所述未掺杂的基于氮化物的层1330a和p型的基于氮化物的覆层1370a上的第一和第二隧道结层1340a和1380a。
图20详细示出了采用图19所示的基于氮化物的发光结构和LLO方案制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED。
参考图20，基于氮化物的LED包括支持衬底1310b。此外，依次在支持衬底1310b上叠置粘合材料层1320b、n反射欧姆接触层1330b、第一隧道结层1340b、n型的基于氮化物的覆层1350b、多量子阱的基于氮化物的有源层1360b、p型的基于氮化物的覆层1370b、第二隧道结层1380b和p电极焊盘1390b。
图21和图22是示出了根据本发明的第十一实施例的采用引入到起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和p型的基于氮化物的覆层的上部内的第一和第二隧道结层制造的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
如图21和图22所示，叠置在绝缘生长衬底上的基于氮化物的发光结构和采用其的n侧向下的垂直结构的基于氮化物的LED与第十实施例中基本相同，除了叠置于p型的基于氮化物的覆层1470b上的第二隧道结层1480b和形成于所述第二隧道结层1480b上的作为高透明的导电薄膜层的p型欧姆电流扩散层1490b。
在下文中，将说明本发明的具有能够避免所述薄膜层或发光结构受到热或机械变形或分解的支持衬底的实施例。在下述说明中，如果没有特殊注明，那么相同的元件，例如在前述实施例中描述的欧姆接触层和隧道结层可以具有相同的功能和结构。
图23和24是示出了根据本发明的第十二实施例的基于III族氮化物的薄膜层和形成于所述基于III族氮化物的薄膜层上的支持衬底层的截面图，所述基于III族氮化物的薄膜层具有基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠层结构并且形成于作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底的上部上。
参考图23，在作为初始生长衬底的蓝宝石衬底100上淀积和生长包括厚度等于或小于100nm的在700℃或更低的温度下形成的低温GaN或AlN的基于氮化物的牺牲层110、以及包括在800℃或更高的温度下形成的具有优越的表面态的GaN的基于氮化物的平坦化层120。具体而言，在生长基于氮化物的薄膜层或包括基于III族氮化物的半导体的基于氮化物的发光结构时，通过蓝宝石衬底的后表面照射具有强能量的激光束。因而，在基于氮化物的牺牲层110处可发生Ga和N2气体或者Al和N2气体之间的热化学分解反应，由此促进蓝宝石衬底的释放。
参考图24，在包括基于III族氮化物的半导体的基于氮化物的平坦化层120上叠置/生长支持衬底层130。这样的支持衬底层130将衰减去除蓝宝石衬底100时因热和机械形变产生的应力，由此避免在支持衬底层130上生长的基于氮化物的薄膜层或发光结构产生热和机械形变或分解。
按照包括SiaAlbNcCd(a、b、c和d为整数)的单层、双层或三层形式制备支持衬底层130。主要将包括SiC或SiCN或者具有化学式SiCAIN的外延层、多晶层或非晶材料层应用于所述支持衬底层130。
此外，优选利用诸如金属有机化学气相淀积(MOCVD)的化学气相淀积(CVD)、采用具有高能量的气体离子的溅射淀积、或者物理气相淀积(PVD)诸如采用激光能量源的脉冲激光淀积(PLD)来淀积厚度等于或小于10微米的支持衬底层130。
同时，按照单层、双层或三层的形式制备支持衬底层130，例如AlaObNc(a、b和c为整数)或GaxOy(x和y为整数)。优选将具有六角晶系的单晶层、多晶层或者具有化学式Al2O3或Ga2O3的非晶材料层应用到支持衬底层130。
在此情况下，通过诸如金属有机化学气相淀积(MOCVD)的化学气相淀积(CVD)、或物理气相淀积(PVD)例如采用具有高能量的气体离子的溅射淀积或采用激光能量源的脉冲激光淀积(PLD)来淀积厚度等于或小于10微米的具有绝缘性质的支持衬底层130。
同时，支持衬底层130可以具有高熔点。在这种情况下，按照单层、双层或三层的形式，而不管其叠置顺序如何，制备具有高熔点的支持衬底层130。优选地，主要将具有六角晶系或立方晶系的单晶层、多晶层或者非晶材料层应用到所述支持衬底层130。
更优选地，支持衬底层130可以包括在氢气氛和或1000℃或更高的温度下的离子气氛下具有抗还原(reduction-resistant)特性的材料。这样的材料包括金属、氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、硅化物、氮氧化物和碳氮化物。
详细地，所述金属选自由Ta、Ti、Zr、Cr、Sc、Si、Ge、W、Mo、Nb和Al构成的集合，所述氮化物选自由Ti、V、Cr、Be、B、Hf、Mo、Nb、V、Zr、Nb、Ta、Hf、Al、B、Si、In、Ga、Sc、W和基于稀土金属的氮化物构成的集合，所述氧化物选自由Ti、Ta、Li、Al、Ga、In、Be、Nb、Zn、Zr、Y、W、V、Mg、Si、Cr、La和基于稀土金属的氧化物构成的集合，所述硼化物选自由Ti、Ta、Li、Al、Be、Mo、Hf、W、Ga、In、Zn、Zr、V、Y、Mg、Si、Cr、La和基于稀土金属的硼化物构成的集合，所述碳化物选自由Ti、Ta、Li、B、Hf、Mo、Nb、W、V、Al、Ga、In、Zn、Zr、Y、Mg、Si、Cr、La和基于稀土金属的碳化物构成的集合，所述硅化物选自由Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Th、Ti、W、V、Zr和基于稀土金属的硅化物构成的集合，所述氮氧化物包括Al-O-N，所述碳氮化物包括Si-C-N。
此外，优选利用诸如金属有机化学气相淀积(MOCVD)的化学气相淀积(CVD)或者诸如采用具有高能量的气体离子的溅射淀积和采用激光能量源的脉冲激光淀积(PLD)的物理气相淀积(PVD)来淀积厚度等于或小于10微米的具有高熔点的支持衬底层130。
图25和26是示出了根据本发明的第十三实施例的依次形成于作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底的上部上的基于III族氮化物的薄膜层和支持衬底层的截面图，其中，从所得的结构的上部生长用于生长衬底的另一基于III族氮化物的薄膜层和基于氮化物的发光结构层。
参考图25和26，在蓝宝石衬底100上依次形成基于氮化物的牺牲层110、平坦化层120以及采用外延、多晶或非晶材料按照单层、双层或三层的形式制备的支持衬底层130。在这种状态下，从所得结构的上表面生长另一基于氮化物的薄膜层240和基于氮化物的发光结构250。
图27到30是示出了根据本发明的第十四实施例的通过激光剥离(LLO)方案去除了作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底之后的支持衬底层、形成于所述支持衬底层上的用于生长衬底的基于氮化物的薄膜层和形成于所述基于氮化物的薄膜层上的基于III族氮化物的发光结构层的截面图。
具体而言，与图27和29不同，图28和30示出了即使在通过LLO方案去除了蓝宝石衬底100之后仍然保留在支持衬底层130的下部的基于氮化物的平坦化层120。
图31到34是示出了根据本发明的第十五实施例的通过激光剥离(LLO)方案去除了作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底之后的形成于支持衬底层上的四种类型的基于氮化物的发光结构层的截面图。
主要将所述基于氮化物的发光结构用于LED和LD。图31示出了未向发光结构内引入隧道结层的普通结构，图32到34示出了在n型的基于氮化物的覆层30的下部或者p型的基于氮化物的覆层50的上部形成了至少一个隧道结层60或70的发光结构。
图35到39是示出了根据本发明的第十六实施例采用支持衬底层和激光剥离(LLO)方案制造的两个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和三个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
具体地，图31、图35到39示出了五种类型的基于氮化物的发光器件，其包括具有支持衬底层130的基于氮化物的发光结构，支持衬底层130上依次形成包括基于III族氮化物的半导体的成核层10、起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层20、n型的基于氮化物的覆层30、多量子阱的基于氮化物的有源层40和p型的基于氮化物的覆层50。此外，使散发发光器件的工作过程中产生的热量的热沉80、粘合层90、与n型的和p型的基于氮化物的覆层30和50直接接触的欧姆电流扩散层150以及高反射欧姆接触层140与基于氮化物的发光结构相结合。
具体而言，如果支持衬底层130具有优越的导电性，那么可以应用图35和37所示的基于氮化物的发光器件。否则，优选采用图36、38和39所示的基于氮化物的发光器件。
图40到43是示出了根据本发明的第十七实施例采用支持衬底层、第一隧道结层和激光剥离(LLO)方案制造的两个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和两个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
具体地，与图32类似，图40到43示出了四种类型的基于氮化物的发光器件，其包括具有支持衬底层130的基于氮化物的发光结构，支持衬底层130上依次形成了包括基于III族氮化物的半导体的成核层10、起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层20、第一隧道结层60、n型的基于氮化物的覆层30、多量子阱的基于氮化物的有源层40和p型的基于氮化物的覆层50。此外，散发发光器件的工作过程中产生的热量的热沉80、粘合层90、与n型的和p型的基于氮化物的覆层30和50直接接触的欧姆电流扩散层150以及高反射欧姆接触层140与基于氮化物的发光结构相结合。
具体而言，如果支持衬底层130具有优越的导电性，那么可以应用图40所示的基于氮化物的发光器件。否则，可以采用图41到43所示的基于氮化物的发光器件。
图44到50是示出了根据本发明的第十八实施例采用支持衬底层、第二隧道结层和激光剥离(LLO)方案制造的四个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和三个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
详细地，与图33类似，图44到50示出了七种类型的基于氮化物的发光器件，其包括具有支持衬底层130的基于氮化物的发光结构，支持衬底层130上依次形成了包括基于III族氮化物的半导体的成核层10、起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层20、n型的基于氮化物的覆层30、多量子阱的基于氮化物的有源层40、p型的基于氮化物的覆层50和第二隧道结层70。此外，散发发光器件的工作过程中产生的热量的热沉80、粘合层90、与n型的和p型的基于氮化物的覆层30和50直接接触的欧姆电流扩散层150以及高反射欧姆接触层140与基于氮化物的发光结构相结合。
特别地，如果支持衬底层130具有优越的导电性，那么可以应用图44和45所示的基于氮化物的发光器件。否则，优选禾用图46到50所示的基于氮化物的发光器件。
图51到56是示出了根据本发明的第十九实施例采用支持衬底层、第一和第二隧道结层和激光剥离(LLO)方案制造的四个p侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件和两个n侧向下的垂直结构的基于氮化物的发光器件的截面图。
详细地，与图34类似，图51到56示出了六种类型的基于氮化物的发光器件，其包括具有支持衬底层130的基于氮化物的发光结构，支持衬底层130上依次形成了包括基于III族氮化物的半导体的成核层10、起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层20、第一隧道结层60、n型的基于氮化物的覆层30、多量子阱的基于氮化物的有源层40、p型的基于氮化物的覆层50和第二隧道结层70。此外，散发发光器件的工作过程中产生的热量的热沉80、粘合层90、与n型的和p型的基于氮化物的覆层30和50直接接触的欧姆电流扩散层150以及高反射欧姆接触层140与基于氮化物的发光结构相结合。
特别地，如果支持衬底层130具有优越的导电性，那么可以应用图51和52所示的基于氮化物的发光器件。否则，优选采用图53到56所示的基于氮化物的发光器件。
如上所述，起着保护用于本发明的基于氮化物的发光器件的发光结构以及散发热量的热沉的作用的支持衬底80优选包括具有良好的导电性和导热性的金属、合金或固溶体。例如，代替采用硅衬底，支持衬底80包括作为金属间化合物的硅化物、铝(Al)、与Al相关的合金或固溶体、铜(Cu)、与Cu相关的合金或固溶体、银(Ag)或者与Ag相关的合金或固溶体。可以通过机械、电化学、物理或化学淀积制造这样的支持衬底80。
本发明采取LLO方案以从绝缘蓝宝石衬底100去除基于氮化物的发光结构。不在常温常压下执行LLO方案。根据本发明，在将蓝宝石衬底浸没到具有40℃或更高的温度的诸如HCl的酸溶液或基液内的状态下，执行LLO方案，从而提高可能因在处理过程中在基于氮化物的发光结构内产生裂缝而降低的成品率。
所述粘合材料层90优选包括诸如铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、银(Ag)、钯(Pd)或金(Au)的具有较高粘合特性和低熔点的金属以及上述金属的合金或固溶体。
P反射欧姆接触层140可以在不采用Al和与Al相关的合金或固溶体的情况下包括由Ag和Rh构成的厚层，其是在基于p氮化物的覆层上表现出了低接触电阻率和高光反射率的高反射材料。此外，p反射欧姆接触层140可以包括双反射层或三反射层，其包括与镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、锌(Zn)、镁(Mg)或金(Au)结合的高反射金属。此外，p反射欧姆接触层430b可以包括透明导电氧化物(TCO)、基于过渡金属的透明导电氮化物和高反射金属的组合。
p型的基于氮化物的覆层50、多量子阱的基于氮化物的有源层40和n型的基于氮化物的覆层30中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中，所述AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向所述p型的基于氮化物的覆层50和n型的基于氮化物的覆层30添加掺杂剂。
此外，可以按照单层或多量子阱(MQW)结构的形式制备基于氮化物的有源层40。
例如，如果采用了基于GaN的化合物，那么n型的基于氮化物的覆层30包括GaN和诸如Si、Ge、Se、Te等的添加至GaN的n型掺杂剂，基于氮化物的有源层40具有InGaN/GaN MQW结构或者AlGaN/GaN MQW结构。此外，p型的基于氮化物的覆层50包括GaN和诸如Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Be等的添加至GaN的p型掺杂剂。
所述第一和第二隧道结层60和70基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备第一和第二隧道结层60和70。优选按照双层、三层或多层的形式制备第一和第二隧道结层60和70。
所述第一和第二隧道结层60和70优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第一和第二隧道结层60和70可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的外延层、多晶层或非晶层。
为了通过提供光子晶体效应或者通过调整第一隧道结层470b的上表面或下表面的粗糙度来改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性，可以通过利用激光束干涉和光反应聚合物的干涉法方案或者通过蚀刻技术提供尺寸等于或小于10nm的点、孔、棱锥、纳米杆或者纳米柱。
还建议另一种通过表面粗糙度调整和光子晶体效应改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性的方法。在氧(O2)、氮(N2)、氩(Ar)或氢(H2)气氛内，在处于常温到800℃的范围内的温度下，执行这种方法10秒到1小时。
n电极焊盘170可以具有叠层结构，其包括依次叠置的诸如钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)和钨(W)的难熔金属。
n电极焊盘160可以具有叠层结构，其包括依次叠置的诸如钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)和钨(W)的难熔金属。
图57和58是示出了根据本发明的第二十实施例的形成于基于III族氮化物的牺牲层或者基于氮化物的薄膜层上的基于AlN的支持衬底层的截面图，所述基于III族氮化物的牺牲层或基于氮化物的薄膜层形成于作为绝缘生长衬底的蓝宝石衬底的上部上，并且所述基于氮化物的薄膜层包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构。
详细地，参考图57，在蓝宝石衬底10＇上形成在低于800℃的温度下生长成基于III族氮化物的半导体的牺牲层20＇。此外，在牺牲层20＇上淀积包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇。图58与图57略有不同，其区别在于，在牺牲层20＇上淀积包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇之前在牺牲层20＇上形成在800℃或更高的温度下生长成基于III族氮化物的半导体的平坦化层40＇，以改善包括基于AlN的材料的薄膜层的质量。
在低温条件下形成的牺牲层20＇吸收通过蓝宝石衬底10＇的后表面照射的具有强能量的激光束，并且利用从激光束获得的热量促进蓝宝石生长衬底的释放。在利用激光束分离蓝宝石衬底10＇时，包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇避免形成于支持衬底层30＇上的基于氮化物的厚膜层或者发光结构的薄膜层受到热和机械形变或分解。
包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇具有化学式AlxGa1-xN(x大于或等于50％)，并且按照单层或双层的形式制备。支持衬底层30＇优选包括厚AlN单层。
优选通过MOCVD或混合气相外延(HVPE)淀积包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇，以提高薄膜层的质量。但是，还可以通过ALD、PLD、采用具有强能量源的等离子体的溅射或者物理和化学淀积来淀积所述支持衬底层30＇。
图59和60是示出了根据本发明的第二十一实施例的用于高质量生长衬底的基于氮化物的厚膜层的截面图，其在800℃或者更高的温度下生长在一结构的上部上，在所述结构中，依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
详细地，图59和60示出了用来制造用于新的衬底的厚膜层50＇的结构，所述新的衬底用于在本发明的第二十实施例中形成的基于AlN的支持衬底层30＇上生长均质外延的基于III族氮化物的半导体薄膜。
所述厚膜层50＇可以提供诸如高质量的LED和LD的光电器件和各种晶体管所需的高质量的基于氮化物的衬底。为此，在形成厚膜层50＇时主要应用表现出了相对较高的生长率的HVPE法或MOCVD法。但是，也可以采用PLD法或溅射法。
图61和62是示出了根据本发明的第二十二实施例的在800℃或者更低的温度下生长的基于氮化物的薄成核层和在800℃或者更高的温度下生长的用于为高质量的生长衬底提供厚层的基于氮化物的厚膜层的截面图，其中，所述基于氮化物的薄成核层和基于氮化物的厚膜层依次形成于一结构的上部上，在所述结构中，依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
具体地，图61和62与图59和60基本相同，除了新的成核层60＇，所述成核层60＇是在支持衬底层30＇上形成用于生长均质外延的基于III族氮化物的半导体薄膜的厚膜层50＇之前在800℃或更低的温度下形成的。
通过照射具有强能量的激光束从图59到62所示的模板去除初始蓝宝石衬底，由此提供适于诸如基于氮化物的LD、LED、HBT、HFET、HEMT、MESFET和MOSFET的各种高质量的光电器件的衬底。
图63和64是示出了根据本发明的第二十三实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
具体地，形成于基于AlN的支持衬底层30＇上的包括基于III族氮化物的半导体的LED叠层结构基本地包括四个层，即，起着缓冲层作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇、n型的基于氮化物的覆层80＇、多量子阱的基于氮化物的有源层90＇和p型的基于氮化物的覆层100＇。可以将低于800℃的温度下形成的成核层60＇插置到基于AlN的支持衬底层30＇和未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇之间，也可以不如此。
更具体而言，起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇、n型的基于氮化物的覆层80＇、多量子阱的基于氮化物的有源层90＇和p型的基于氮化物的覆层100＇中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中，所述AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向n型的基于氮化物的覆层80＇和p型的基于氮化物的覆层100＇添加掺杂剂。
此外，可以按照单层、多量子阱(MQW)结构或多量子阱点或线的形式制备基于氮化物的有源层90＇。
例如，如果采用了基于GaN的化合物，那么n型的基于氮化物的覆层80＇包括GaN和诸如Si、Ge、Se、Te等的添加至GaN的n型掺杂剂，基于氮化物的有源层90＇具有InGaN/GaN MQW结构或者AlGaN/GaN MQW结构。此外，p型的基于氮化物的覆层100包括GaN和诸如Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Be等的添加至GaN的p型掺杂剂。
图65和66是示出了根据本发明的第二十四实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
具体而言，图65和66示出了与第二十三实施例中类似的基于氮化物的LED结构，但是在起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇和n型的基于氮化物的覆层80＇之间插置了第一隧道结层110a＇。位于n型的基于氮化物的覆层80＇之下的第一隧道结层110a＇促进了高质量的基于氮化物的发光器件所需的高质量的n型的欧姆接触层的制造。此外，第一隧道结层110a＇允许将基于氮化物的有源层90＇生成的光尽可能多地释放至外部。
第一隧道结层110a＇基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备所述第一隧道结层110a＇。优选按照双层、三层或多层的形式制备所述第一隧道结层110a＇。
所述第一隧道结层110a＇优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第一隧道结层110a＇可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的外延层、多晶层或非晶层。
图67和68是示出了根据本发明的第二十五实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
具体地，图67和68示出了与第二十三实施例中类似地基于氮化物的LED结构，但是在p型地基于氮化物的覆层100＇上提供了第二隧道结层110b＇。位于p型的基于氮化物的覆层100＇上的第二隧道结层110b＇促进了高质量的基于氮化物的发光器件所需的高质量的p型的欧姆接触层的制造。此外，第二隧道结层110b＇允许将基于氮化物的有源层90＇生成的光尽可能多地释放至外部。
第二隧道结层110b＇基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备所述第二隧道结层110b＇。优选按照双层、三层或多层的形式制备所述第二隧道结层110b＇。
所述第二隧道结层110b＇优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第二隧道结层110b＇可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的外延层、多晶层或非晶层。
图69和70是示出了根据本发明的第二十六实施例的具有高质量并且包括基于III族氮化物的半导体的发光二极管(LED)叠层结构的截面图，其中，所述发光二极管(LED)叠层结构形成于蓝宝石衬底的上部上，所述蓝宝石衬底为初始绝缘生长衬底，并且在其上依次形成了基于III族氮化物的牺牲层或者包括基于氮化物的牺牲层和基于氮化物的平坦化层的叠置结构的基于氮化物的薄膜层以及基于AlN的支持衬底层。
具体而言，图69和70示出了与第二十三实施例中类似的基于氮化物的LED结构，但是在起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇和n型的基于氮化物的覆层80＇之间插置了第一隧道结层110a＇，并且在p型的基于氮化物的覆层100＇上提供了第二隧道结层110b＇。分别位于所述n型基于氮化物的覆层80＇的下部和p型的基于氮化物的覆层100＇的上部的第一和第二隧道结层110a＇和110b＇促进了高质量的基于氮化物的发光器件所需的高质量的n型欧姆接触层的制造。此外，第一和第二隧道结层110a＇和110b＇允许将基于氮化物的有源层90＇生成的光尽可能多地释放至外部。
所述第一和第二隧道结层110a＇和110b＇基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。优选按照双层、三层或多层的形式制备第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。
所述第一和第二隧道结层110a＇和110b＇优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第一隧道结层110a＇可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的外延层、多晶层或非晶层。
图71是示出了根据本发明的第二十七实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的制造过程的工艺流程图，其中，采用根据本发明的第二十三到第二十六实施例的LED叠层结构制造所述的高质量的p侧向下的发光二极管，其采取的方式能够使p型氮化物覆层位于n型氮化物覆层之下。
具体地，图71示出了采用根据本发明的第二十到第二十二实施例的包括基于AlN的材料的高质量的支持衬底层30＇的模板形成高质量的基于氮化物的LED的过程。首先，生长包括基于AlN的材料的高质量的支持衬底层30＇，之后生长高质量的基于氮化物的发光结构(步骤①)。
为了使在基于氮化物的发光结构的生长过程中产生的位错密度和裂纹降至最低，可以在淀积从起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇到p型的基于氮化物的覆层100＇的层之前，执行表面处理、干法蚀刻或者采用非晶氧化硅SiO2或非晶氮化物SiNx的横向外延过生长(LEO)方案。于是，在生长高质量的基于氮化物的发光结构之后，形成p型的高反射的欧姆电极(步骤②)。
在形成p型的高反射的欧姆电极之前，可以相对于p型的氮化物覆层或第二隧道结层的上表面执行光刻处理、图案化处理、蚀刻处理和表面粗糙化处理。特别地，如果在p型的氮化物覆层上叠置了隧道结层，那么可以将与Al相关的高反射的金属直接用于高反射的p型欧姆电极。在形成了高反射的p型欧姆电极之后，通过典型的粘合转移和电镀工艺形成用于热沉的厚膜(步骤③)。
之后，通过透明蓝宝石衬底10的后表面照射具有强能量的激光束，从而使形成于蓝宝石衬底10上的包括基于III族氮化物的半导体的牺牲层20＇吸收激光束，同时产生具有大约1000℃的温度的热量。因而，基于氮化物的半导体材料受到热化学分解，由此去除了作为初始绝缘生长衬底的蓝宝石衬底(步骤④)。
然后，执行光刻和蚀刻处理，从而彻底去除包括作为半绝缘或绝缘材料的基于AlN的材料的支持衬底层(步骤⑤)。之后，形成高透明的n型欧姆接触层和n型电极焊盘(步骤⑥)。在形成高透明的n型欧姆接触层之前，可以执行表面粗糙化处理和表面图案化处理，从而将有源层生成的光尽可能多地释放至外部。
图72到75是示出了根据本发明的第二十八实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造高质量的p侧向下的发光二极管。
具体地，如果采用了粘合转移工艺，那么需要粘合层130＇将热沉板粘合至高反射的p型的欧姆电极层120＇。所述粘合材料层130＇优选包括诸如铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、银(Ag)、钯(Pd)或金(Au)的具有较高粘合特性和低熔点的金属以及上述金属的合金或固溶体。但是，如果采用了电镀工艺，那么这样的粘合层130＇是不必要的。根据本发明，主要应用作为电化学工艺的电镀工艺，而不是粘合转移工艺。图72和73示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图74和75示出了向其应用了电镀工艺的结构。
一般而言，n型的基于氮化物的覆层具有低薄层电阻，因而高透明的n型欧姆电极层是不必要的。但是，要想制造具有较高可靠性的高质量的发光器件，就需要采用高透明的n型欧姆电极层。相应地，首要地形成高透明的n型欧姆电极层。同时，可以采用表面粗糙化处理和图案化处理使外量子效率最大化。
图76到79是示出了根据本发明的第二十九实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管。
具体地，根据本发明的第二十九实施例的LED与本发明的第二十八实施例的LED类似，但是将第一隧道结层110a＇引入到了n型的基于氮化物的覆层80＇上。图76和77示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图78和79示出了向其应用了电镀工艺的结构。
图80到83是示出了根据本发明的第三十实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管。
具体地，根据本发明的第三十实施例的LED与本发明的第二十八实施例的LED类似，但是在p型的基于氮化物的覆层100＇的下部引入了第二隧道结层110b＇。图80和81示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图82和83示出了向其应用了电镀工艺的结构。
图84到87是示出了根据本发明的第三十一实施例的高质量的p侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图71所示的流程图制造所述高质量的p侧向下的发光二极管。
具体地，根据本发明的第三十一实施例的LED与本发明的第二十八实施例的LED类似，但是分别在n型的基于氮化物的覆层80＇的上部和p型的基于氮化物的覆层100＇的下部引入了第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。图84和85示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图86和87示出了向其应用了电镀工艺的结构。
图88是示出了根据本发明的第三十二实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的制造过程的工艺流程图，其中，采用根据本发明的第二十三到第二十六实施例LED叠层结构制造所述的高质量的n侧向下的发光二极管，其采取的方式能够使n型氮化物覆层位于p型氮化物覆层之下。
具体地，图88示出了采用根据本发明的第二十到第二十二实施例的包括基于AlN的材料的高质量的支持衬底层30＇的模板形成高质量的基于氮化物的LED的过程。首先，生长包括基于AlN的材料的高质量的支持衬底层30＇，之后生长高质量的基于氮化物的发光结构(步骤①)。
为了使在基于氮化物的发光结构的生长过程中产生的位错密度和裂纹降至最低，可以在淀积从起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇到p型的基于氮化物的覆层100＇的层之前执行表面处理、干法蚀刻或者采用非晶氧化硅SiO2或非晶氮化物SiNx的横向外延过生长(LEO)方案。然后，在生长高质量的基于氮化物的发光结构之后，利用诸如作为有机粘合材料的蜡的粘合材料将Si衬底、GaAs衬底、蓝宝石衬底或临时衬底粘合至p型的基于氮化物的覆层或者第二隧道结层的上部。在上述工序之前，可以相对于p型的基于氮化物的覆层或第二隧道结层的上部执行表面粗糙化和图案化处理。此外，可以在形成高透明的p型欧姆电极之后，使临时衬底附着至p型的基于氮化物的覆层或第二隧道结层的上部(步骤②)。
之后，通过透明蓝宝石衬底10＇的后表面照射具有强能量的激光束，从而使形成于蓝宝石衬底10上的包括基于III族氮化物的半导体的牺牲层20＇吸收激光束，同时产生具有大约1000℃的温度的热量。因而，基于氮化物的半导体材料受到热化学分解，由此去除了作为初始绝缘生长衬底的蓝宝石衬底(步骤③)。
此外，在通过LLO方案去除了绝缘蓝宝石衬底之后，彻底去除包括作为半绝缘或绝缘材料的基于AlN的材料的支持衬底层(步骤④)。之后，在n型的氮化物覆层或第一隧道结层上形成高透明的n型欧姆电极。
在形成高透明的n型欧姆电极之前，可以相对于n型的氮化物覆层或第一隧道结层的上表面执行光刻处理、图案化处理、蚀刻处理和表面粗糙化处理(步骤⑤)。
特别地，如果在n型的氮化物覆层上叠置了隧道结层，那么可以将与Al相关的高反射的金属直接用于高反射的n型欧姆电极。在形成了高反射的n型欧姆电极之后，通过典型的粘合转移和电镀工艺形成用于热沉的厚膜(步骤⑥)。
之后，形成高透明的p型欧姆电极和p型的电极焊盘(步骤⑦)。在形成高透明的p型欧姆电极之前，可以执行表面粗糙化处理和表面图案化处理，从而将有源层生成的光尽可能多地释放至外部。如果在步骤中已经形成了高透明的p型欧姆电极，那么在步骤中仅形成p型电极焊盘180＇。
图89到90是示出了根据本发明的第三十三实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。
与p侧向下的LED不同，位于所述LED的最上部分的p型的基于氮化物的覆层具有高薄层电阻，因而必须在所述p型的基于氮化物的覆层上形成具有高透射率并且能够促进横向电流扩散和垂直电流注入的高透明的欧姆电极层170＇。
图91到92是示出了根据本发明的第三十四实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。
具体地，根据本发明的第三十四实施例的LED与本发明的第三十三实施例的LED类似，但是在n型的基于氮化物的覆层80＇的下部引入了第一隧道结层110a＇。图91示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图92示出了向其应用了电镀工艺的结构。
图93到96是示出了根据本发明的第三十五实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。
具体地，根据本发明的第三十五实施例的LED与本发明的第三十三实施例的LED类似，但是在p型的基于氮化物的覆层100＇上引入了第二隧道结层110b＇。图93和94示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图95和96示出了向其应用了电镀工艺的结构。
图97到100是示出了根据本发明的第三十六实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图88所示的流程图制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。
具体地，根据本发明的第三十六实施例的LED与本发明的第三十三实施例的LED类似，但是分别在n型和p型的基于氮化物的覆层80＇和100＇的下部和上部引入了第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。图97和98示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图99和100示出了向其应用了电镀工艺的结构。
图101是示出了根据本发明的第三十七实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的制造过程的工艺流程图，其中，采用根据本发明的第二十三到第二十六实施例的LED叠层结构制造所述的高质量的n侧向下的发光二极管，其采取的方式能够使n型氮化物覆层位于p型氮化物覆层之下。
具体地，图101示出了采用根据本发明的第二十到第二十二实施例的包括基于AlN的材料的高质量的支持衬底层30＇的模板形成高质量的基于氮化物的LED的过程。首先，生长包括基于AlN的材料的高质量的支持衬底层30＇，之后生长高质量的基于氮化物的发光结构(步骤①)。
为了使在基于氮化物的发光结构的生长过程中产生的位错密度和裂纹降至最低，可以在淀积从起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇到p型的基于氮化物的覆层100＇的层之前执行表面处理、干法蚀刻或者采用非晶氧化硅SiO2或非晶氮化物SiNx的横向外延过生长(LEO)方案。然后，在生长高质量的基于氮化物的发光结构之后，利用诸如作为有机粘合材料的蜡的粘合材料将Si衬底、GaAs衬底、蓝宝石衬底或临时衬底粘合至p型的基于氮化物的覆层或者第二隧道结层的上部。在上述工序之前，可以相对于p型的基于氮化物的覆层或第二隧道结层的上部执行表面粗糙化和图案化处理。此外，可以在形成高透明的p型欧姆电极之后，使临时衬底附着至p型的基于氮化物的覆层或第二隧道结层的上部(步骤②)。
之后，通过透明蓝宝石衬底10＇的后表面照射具有强能量的激光束，从而使形成于蓝宝石衬底10上的包括基于III族氮化物的半导体的牺牲层20＇吸收激光束，同时产生具有大约1000℃的温度的热。因而，基于氮化物的半导体材料受到热化学分解，由此去除了作为初始绝缘生长衬底的蓝宝石衬底(步骤③)。
此外，在通过LLO方案去除了绝缘蓝宝石衬底之后，通过光刻和蚀刻工艺部分去除包括作为半绝缘或绝缘材料的基于AlN的材料的支持衬底层(步骤④)。之后，在n型的氮化物覆层或第一隧道结层上形成高反射的n型欧姆电极。在形成高反射的n型欧姆电极之前，可以相对于n型的氮化物覆层或第一隧道结层的上表面执行光刻处理、图案化处理、蚀刻处理和表面粗糙化处理(步骤⑤)。
特别地，如果在n型的氮化物覆层上叠置了隧道结层，那么可以将与A1相关的高反射的金属直接用于高反射的n型欧姆电极。在形成了高反射的n型欧姆电极之后，通过典型的粘合转移和电镀工艺形成用于热沉的厚膜(步骤⑥)。
之后，形成高透明的p型欧姆电极和p型的电极焊盘(步骤⑦)。在形成高透明的p型欧姆电极之前，可以执行表面粗糙化处理和表面图案化处理，从而将有源层生成的光尽可能多地释放至外部。如果在步骤②中已经形成了高透明的p型欧姆电极，那么仅形成p型电极焊盘180＇。
图102到105是示出了根据本发明的第三十八实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。图102和103示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图104和105示出了向其应用了电镀工艺的结构。
此外，图106到109是示出了根据本发明的第三十九实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十三实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。图106和107示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图108和109示出了向其应用了电镀工艺的结构。
与p侧向下的LED不同，位于所述LED的最上部分的p型的基于氮化物的覆层具有高薄层电阻，因而必须在所述p型的基于氮化物的覆层上形成具有高透射率并且能够促进横向电流扩散和垂直电流注入的高透明的欧姆电极层170＇。
具体地，与本发明的第三十三实施例不同，不完全去除包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇，其仍然按照预定间隔支持基于氮化物的发光结构，从而使所述高质量的基于氮化物的LED具有结构稳定性。此外，由于p型欧姆电极层120＇通过包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇与n型的基于氮化物的覆层80＇直接接触，因而p型的欧姆电极层120＇可以充当具有优越的电流注入和光反射特性的电极层。
图110到113是示出了根据本发明的第四十实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。图110和111示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图112和113示出了向其应用了电镀工艺的结构。
此外，图114到117是示出了根据本发明的第四十一实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十四实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；图114和115示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图116和117示出了向其应用了电镀工艺的结构。
具体地，根据本发明的第第四十一实施例的LED与本发明的第三十八和三十九实施例的LED类似，但是在n型的基于氮化物的覆层80＇的下部引入了第一隧道结层110a＇。
图118到121是示出了根据本发明的第四十二实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管；图118和119示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图120和121示出了向其应用了电镀工艺的结构。
此外，图122到125是示出了根据本发明的第第十三实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十五实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。
图122和123示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图124和125示出了向其应用了电镀工艺的结构。
具体地，根据本发明的第四十三实施例的LED与本发明的第三十八和三十九实施例的LED类似，但是在p型的基于氮化物的覆层100＇上引入了第二隧道结层110b＇。
图126到129是示出了根据本发明的第四十四实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过粘合转移方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。图126和127示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图128和129示出了向其应用了电镀工艺的结构。
此外，图130到133是示出了根据本发明的第四十五实施例的高质量的n侧向下的发光二极管的截面图，其中，采用根据本发明的第二十六实施例的LED叠层结构，根据图101所示的流程图通过电镀方案制造所述高质量的n侧向下的发光二极管。
图130和131示出了向其应用了粘合转移工艺的结构，图132和133示出了向其应用了电镀工艺的结构。
具体地，根据本发明的第三十五实施例的LED与本发明的第三十八和三十九实施例的LED类似，但是在n型和p型的基于氮化物的覆层80＇和100＇的下部和上部引入了第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。
将本发明的要点总结如下。
在半导体薄层上叠置/生长包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇。所述半导体薄层由基于氮化物的平坦化层20＇或者基于氮化物的平坦化层20＇和包括基于III族氮化物的半导体的牺牲层20＇构成，并且其形成于绝缘蓝宝石衬底10＇上。这样的包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇将衰减通过LLO方案去除蓝宝石衬底10＇时来自热和机械形变的应力，由此避免在支持衬底层30＇上生长的基于氮化物的薄膜层或发光结构产生热和机械形变或分解。按照单层或双层的形式制备包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇。优选主要采用具有六角晶系或立方晶系的单晶材料层。
同时，在包括基于III族氮化物的半导体的平坦化层20＇上叠置/生长包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇之前，如果通过图案化和蚀刻工艺按照岛的形状在平坦化层20＇上形成了非晶氧化硅SiO2或非晶氮化物SiNx，那么能够在支持衬底层30＇上生长具有低位错密度的基于氮化物的发光结构。
此外，优选地，利用诸如金属有机化学气相淀积(MOCVD)、混合气相外延淀积(HVPED)或原子层淀积的化学气相淀积(CVD)、采用具有高能量的气体离子的溅射淀积或者诸如采用激光能量源的脉冲激光淀积(PLD)的物理气相淀积(PVD)来淀积具有等于或小于10微米的厚度的包括基于AlN的材料的支持衬底层30＇。
如上所述，发散热量并保护本发明的基于氮化物的发光器件的发光结构的热沉优选包括具有优越的导电性和导热性的金属、合金或固溶体。更优选地，代替采用硅(Si)或硅衬底，所述热沉包括作为金属间化合物的硅化物、铝(Al)、与Al相关的合金或固溶体、铜(Cu)、与Cu相关的合金或固溶体、银(Ag)或者与银相关的合金或固溶体、钨(W)、与W相关的合金或固溶体、镍(Ni)或者与Ni相关的合金或固溶体。
本发明采取LLO方案从绝缘蓝宝石衬底100去除基于氮化物的发光结构。根据本发明，LLO方案并非是在常温和常压下执行的，而是在将蓝宝石衬底浸没到具有40℃或更高的温度的诸如HCl的酸溶液或基液(base solution)内的状态下执行的，以提高可能因在处理过程中在基于氮化物的发光结构内产生裂缝而降低的成品率。
所述粘合材料层130＇优选包括诸如铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、银(Ag)、钯(Pd)或金(Au)的具有较高粘合特性和低熔点的金属以及上述金属的合金或固溶体。
高反射的p型欧姆接触层120＇可以在不采用Al和与Al相关的合金或固溶体的情况下包括Ag和Rh的厚层，其是在基于p氮化物的覆层100＇或第二隧道结层110b＇上表现出了低接触电阻率和高光反射率的高反射材料。此外，p反射欧姆接触层120＇可以包括双反射层或三反射层，其包括与镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、锌(Zn)、镁(Mg)或金(Au)结合的高反射金属。此外，p反射欧姆接触层430b可以包括透明导电氧化物(TCO)、基于过渡金属的透明导电氮化物和高反射金属的组合。
起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的缓冲层70＇、n型的基于氮化物的覆层80＇、多量子阱的基于氮化物的有源层90＇和p型的基于氮化物的覆层100＇中的每者基本地包括从表示为AlxInyGazN(x、y和z为整数)的化合物中选出的一种，其中，所述AlxInyGazN是基于III族氮化物的化合物的通式。向n型的基于氮化物的覆层80＇和p型的基于氮化物的覆层100＇添加掺杂剂。
此外，可以按照单层、多量子阱(MQW)结构或多量子阱点或线的形式制备所述n型的基于氮化物的有源层90＇。
例如，如果采用了基于GaN的化合物，那么n型的基于氮化物的覆层80＇包括GaN和诸如Si、Ge、Se、Te等的添加至GaN的n型掺杂剂，基于氮化物的有源层90＇具有InGaN/GaN MQW结构或者AlGaN/GaN MQW结构。此外，p型的基于氮化物的覆层100＇包括GaN和诸如Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Be等的添加至GaN的p型掺杂剂。
所述第一和第二隧道结层110a＇和110b＇基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种。可以按照具有等于或小于50nm的厚度的单层的形式制备第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。优选按照双层、三层或多层的形式制备第一和第二隧道结层110a＇和110b＇。
第一和第二隧道结层110a＇和110b＇优选具有超晶格结构。例如，可以利用III-V族元素，按照薄叠层结构的形式重复叠置30对或不足30对元件，例如，InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN或AlGaAs/InGaAs。
更优选地，所述第一和第二隧道结层110a＇和110b＇可以包括具有添加至其内的II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的单晶层、多晶层或非晶层。
所述叠置在n型的和p型的基于氮化物的覆层80＇和100＇上的高透明的欧姆电极层150＇和170＇包括氧化物或基于过渡金属的氮化物。具体而言，透明导电氧化物(TCO)包括与选自下述集合的至少一种元素结合的氧(O)：铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镓(Ga)、镉(Cd)、镁(Mg)、铍(Be)、银(Ag)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、铂(Pt)、钯(Pd)、铝(Al)和镧(La)。
此外，基于过渡金属的氮化物(TCN)包括与钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、铼(Re)或钼(Mo)结合的氮(N)。
叠置在n型的和p型的基于氮化物的覆层80＇和100＇上的高透明的欧姆电极层150＇和170＇包括金属成分，当在氧气氛下经受热处理过程时，所述金属成分可以形成与所述n型的和p型的基于氮化物的覆层80＇和100＇结合的新的透明导电薄膜。
形成于所述粘合层130＇上的高反射的n型的和p型的欧姆电极层120＇可以优选包括诸如铝(Al)、银(Ag)、铑(Rh)、镍(Ni)、钯(Pd)和金(Au)的高反射金属或者上述金属的合金或固溶体。特别地，根据本发明，主要采用铝(Al)或与Al相关的合金或固溶体作为用于所述高反射的n型和p型欧姆电极层120＇的材料，因为铝(Al)在等于或小于400nm的波段上具有热稳定性和优越的反射率。
更优选地，所述高反射的n型和p型欧姆电极层120＇可以包括TCO、TCN和高反射的金属的组合。
为了通过提供光子晶体效应或者通过调整隧道结层110a＇和110b＇的上表面或下表面的粗糙度来改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性，可以通过利用激光束的干涉和光反应聚合物的干涉法方案或者通过蚀刻技术提供尺寸等于或小于10nm的点、孔、棱锥、纳米杆或者纳米柱。
还建议另一种通过表面粗糙度调整和光子晶体效应改善基于氮化物的发光器件的电学和光学特性的方法。在氧(O2)、氮(N2)、氩(Ar)或氢(H2)气氛内，在处于常温到800℃的范围内的温度下，执行这种方法10秒到1小时。
n型和p型电极焊盘160＇和180＇可以具有叠层结构，其包括依次叠置的诸如钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)和钨(W)的难熔金属。
在下文中，将说明根据本发明的实施例的通过生长高质量的外延层来制造半导体器件的方法。在下述说明中，如果没有特殊标注，那么与在前述实施例中描述的相同的元件可以具有相同的功能和结构。
图134到138是示出了根据本发明的第四十六实施例的在用于采用基于GaN的半导体的电子和光电器件的衬底上形成外延叠层结构以提供高质量的外延衬底的流程的截面图。
参考图134到138，在作为初始生长衬底1的蓝宝石衬底上生长第一外延层2(参考图134)。所述第一外延层2具有多层叠置结构。
所述第一外延层2包括具有单晶结构的材料，例如GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、AlInN、InAlGaN、SiC或SiCN，其表示为化学式InxAlyGazN(x、y和z是整数)或SixCyNz(x、y和z是整数)。此外，按照具有30nm或更大的厚度的单层的形式淀积第一外延层2。优选按照双层或多层的形式制备第一外延层2。
形成于所述生长衬底1上的第一外延层2可以具有对应于InxAlyGazN(x、y、z是整数)或SixCyNz(x、y、z是整数)的多层结构。
可以根据电子和光电器件的类型向第一外延层2添加作为n型掺杂剂的IV族元素(Si、Ge、Te、Se)和作为p型掺杂剂的III族元素(Mg、Zn、Be)。
优选通过诸如MOCVD、HVPE或ALD(原子级淀积)的化学气相淀积(CVD)或者通过诸如采用强能量源的PLD(脉冲激光淀积)或MBE(分子束外延)的物理气相淀积来淀积第一外延层2。
之后，如图134所示，在设置于生长衬底1上的第一外延层2上形成具有30nm或更大的厚度的厚膜层3(参考图135)。
可以采用具有导电性或电绝缘特性的材料形成厚膜层3。此时，通过诸如具有更高淀积速率的电镀或无电镀的电化学沉积、诸如LPCVD(低压CVD)或PECVD(等离子体增强CVD)的物理和化学气相淀积、溅射、PLD、丝网印刷或者利用金属箔的熔接形成厚膜层3。
具有30nm或更大的厚度的厚膜层3的材料必须具有优越的导电性和导热性，而在氢(H)和氨气(NH3)气氛下及1000℃或更高的高温条件下不会引起氧化和还原反应。
具体地，所述厚膜层包括从下述集合中选出的至少一种材料：Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、BN、BP、BAs、BSb、AlP、AlAs、Alsb、GaSb、InP、InAs、InSb、GaP、InP、InAs、InSb、In2S3、PbS、CdTe、CdSe、Cd1-xZnxTe、In2Se3、CuInSe2、Hg1-xCdxTe、Cu2S、ZnSe、ZnTe、ZnO、W、Mo、Ni、Nb、Ta、Pt、Cu、Al、Ag、Au、ZrB2、WB、MoB、MoC、WC、ZrC、Pd、Ru、Rh、Ir、Cr、Ti、Co、V、Re、Fe、Mn、RuO、IrO2、BeO、MgO、SiO2、SiN、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、ReN、CuI、金刚石、DLC(类金刚石碳)、SiC、WC、TiW、TiC、CuW或SiCN。
此外，采用用于厚膜层3的材料按照单层、双层或三层的形式制备单晶叠层结构、多晶叠层结构或非晶叠层结构。用于厚膜层3的材料具有30nm或更大的厚度，可以利用上述金属的合金或固溶体。
接下来，如图135所示，在生长衬底1上依次生长第一外延层1和厚膜层3之后，利用作为强能量源的KrF或YAG激光束通过LLO方案去除具有较差的导电性和导热性的生长衬底1(参考图136)。
如果通过作为生长衬底1的蓝宝石衬底的后表面照射具有强能量的激光束，那么激光束吸收到第一外延层和蓝宝石衬底1之间的边界表面内，从而使GaN和AlN热分解成Ga、Al和N。因而，去除了蓝宝石衬底。
之后，如图136所示，在通过LLO方案以电的方式去除蓝宝石衬底1之后，在叠置用于基于GaN的电子和光电器件的薄膜层之前，通过利用酸溶液或基液的湿法蚀刻和干法蚀刻对第一外延层2进行表面处理，从而使第一外延层2平坦化(参考图137)。
也就是说，在形成包括表示为化学式InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的材料的第二外延层4的叠层结构之前，为了提高厚膜层3和形成于厚膜层3上的第一外延层2的热稳定性，在温度为800℃或更高的氧、氮、氩、真空、空气、氢或氨气气氛下执行30秒钟到24小时的热处理。
具体而言，可以通过图134到137所示的工艺以高效率、低成本制造用于电子和光电器件的高质量外延衬底。
接下来，如图137所示，通过MOCVD、HVPE、PLD、ALD或MBE在基于GaN的外延衬底上生长作为第二外延层4的基于GaN的半导体多层。
此时，采用表示为化学式InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的材料按照多层的形式制备第二外延层4。
此外，可以根据电子和光电器件的类型向第二外延层4添加作为n型掺杂剂的IV族元素(Si、Ge、Te、Se)和作为p型掺杂剂的III族元素(Mg、Zn、Be)。
图139到144是示出了根据本发明的第四十七实施例的在用于采用基于GaN的半导体的电子和光电器件的衬底上形成外延叠层结构以提供高质量的外延衬底的流程的截面图。
参考图139到144，在作为初始生长衬底1的蓝宝石衬底上生长第一外延层2(参考图139)。所述第一外延层2具有多层叠置结构。所述第一外延层2包括具有单晶结构的材料，例如，表示为化学式InxAlyGazN(x、y和z是整数)或SixCyNz(x、y和z是整数)的GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、AlInN、InAlGaN、SiC或SiCN。此外，按照具有30nm或更大的厚度的单层的形式淀积第一外延层2。优选按照双层或多层的形式制备第一外延层2。
形成于所述生长衬底1上的第一外延层2可以具有对应于InxAlyGazN(x、y、z是整数)或SixCyNz(x、y、z是整数)的多结构。
可以根据电子和光电器件的类型向第一外延层2添加作为n型掺杂剂的IV族元素(Si、Ge、Te、Se)和作为p型掺杂剂的III族元素(Mg、Zn、Be)。
优选通过诸如MOCVD、HVPE或ALD(原子级淀积)的化学气相淀积(CVD)或者通过诸如采用强能量源的PLD(脉冲激光淀积)或MBE(分子束外延)的物理气相淀积淀积第一外延层2。
之后，如图139所示，在设置于生长衬底1上的第一外延层2上形成具有30nm或更大的厚度的厚膜层3(参考图140)。
可以采用具有导电性或电绝缘特性的材料形成厚膜层3。此时，通过诸如具有更高淀积速率的电镀或无电镀的电化学沉积、诸如LPCVD(低压CVD)或PECVD(等离子体增强CVD)的物理和化学气相淀积、溅射、PLD、丝网印刷或者利用金属箔的熔接形成厚膜层3。
具有30nm或更大的厚度的厚膜层3的材料必须具有优越的导电性和导热性，而在氢气(H2)和氨气(NH3)气氛下及1000℃或更高的高温条件下不会引起氧化和还原反应。
具体地，所述厚膜层包括从下述集合中选出的至少一种材料：Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、BN、BP、BAs、BSb、AlP、AlAs、Alsb、GaSb、InP、InAs、InSb、GaP、InP、InAs、InSb、In2S3、PbS、CdTe、CdSe、Cd1-xZnxTe、In2Se3、CuInSe2、Hg1-xCdxTe、Cu2S、ZnSe、ZnTe、ZnO、W、Mo、Ni、Nb、Ta、Pt、Cu、Al、Ag、Au、ZrB2、WB、MoB、MoC、WC、ZrC、Pd、Ru、Rh、Ir、Cr、Ti、Co、V、Re、Fe、Mn、RuO、IrO2、BeO、MgO、SiO2、SiN、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、ReN、CuI、金刚石、DLC(类金刚石碳)、SiC、WC、TiW、TiC、CuW或SiCN。
此外，采用用于厚膜层3的材料按照单层、双层或三层的形式制备单晶叠层结构、多晶叠层结构或非晶叠层结构。
用于厚膜层3的材料具有30nm或更大的厚度，可以利用上述金属的合金或固溶体。
接下来，如图140所示，在生长衬底1上依次生长第一外延层1和厚膜层3之后，利用作为强能量源的KrF或YAG激光束通过LLO方案去除具有较差的导电性和导热性的生长衬底1(参考图141)。
如果通过作为生长衬底1的蓝宝石衬底的后表面照射具有强能量的激光束，那么会将激光束吸收到第一外延层和蓝宝石衬底1之间的边界表面内，从而使GaN和AlN热分解成Ga、Al和N。从而去除了蓝宝石衬底。
之后，如图141所示，在通过LLO方案以电的方式去除蓝宝石衬底1之后，在叠置用于基于GaN的电子和光电器件的薄膜层之前，通过利用酸溶液或基液的湿法蚀刻和干法蚀刻对第一外延层2进行表面处理，从而使第一外延层2平坦化(参考图142)。
也就是说，在形成包括表示为化学式InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的材料的第二外延层4的叠层结构之前，为了提高厚膜层3和形成于厚膜层3上的第一外延层2的热稳定性，在温度为800℃或更高的氧、氮、氩、真空、空气、氢或氨气气氛下执行30秒钟到24小时的热处理。
之后，如图142所示，在通过表面处理平坦化的第一外延层2上生长第二外延层4之前，为了生长包括表示为化学式InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的材料的高质量薄膜结构，即，为了生长第二外延叠置结构，执行诸如ELOG(外延横向过生长)的图案化工艺。
接下来，如图143所示，通过MOCVD、HVPE、PLD、ALD或MBE在基于GaN的外延衬底上生长作为第二外延层4的基于GaN的半导体多层
(参考图144)。
此时，采用表示为化学式InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的材料按照多层的形式制备第二外延层4。
此外，可以根据电子和光电器件的类型向第二外延层4添加作为n型掺杂剂的IV族元素(Si、Ge、Te、Se)和作为p型掺杂剂的III族元素(Mg、Zn、Be)。
图145是示出了根据本发明的第四十八实施例的依次形成于厚膜层上的第一和第二外延叠层结构的截面图。
参考图145，主要采用在具有1000℃或更高的温度的氢气和氨气气氛内化学和热稳定的Mo、W、Si、GaN、SiC、AlN或TiN形成厚膜层3。之后，依次生长包括在1000℃或更高的温度下生长的未掺杂的GaN和采用IV族元素例如Si掺杂的n型GaN的第一外延层2、和用于高性能的电子和光电器件的包括基于GaN的半导体的第二外延层4。
图146是示出了根据本发明的第四十九实施例的依次形成于厚膜层上的第一和第二外延叠层结构的截面图。
参考图146，主要采用在1000℃或更高的温度及氢气和氨气气氛内化学和热稳定的Mo、W、Si、GaN、SiC、AlN或TiN形成厚膜层3。之后，依次生长包括在1000℃或更高的温度下生长的未掺杂的GaN和采用IV族元素例如Si掺杂的n型GaN的第一外延层2、和用于高性能的电子和光电器件的包括基于GaN的半导体的第二外延层4。
工业实用性
如上所述，当在蓝宝石生长衬底上生长包括基于氮化物的半导体的发光结构时，在起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和n型的基于氮化物的覆层之间引入第一隧道结层，或者在p型的基于氮化物的覆层上形成第二隧道结层。此外，通过LLO方案去除蓝宝石衬底，由此制造具有高亮度、大面积和高容量的基于氮化物的发光器件。
此外，能够改善形成于n型的和p型的基于氮化物的覆层上的n型和p型的高透明或高反射的基于氮化物的欧姆电极层的电学和光学特性，从而使基于氮化物的发光器件具有优越的电流-电压特性和高亮度特性。此外，向基于氮化物的覆层和欧姆电极层的上部和下部应用表面粗糙处理和光子晶体效应，从而提高外量子效率(EQE)，并且能够制造作为下一白光光源的具有高亮度、大面积和高容量的基于氮化物的发光器件。
此外，在蓝宝石衬底上生长包括基于氮化物的半导体的基于氮化物的发光结构之前，在蓝宝石衬底上依次叠置基于氮化物的牺牲层、基于氮化物的平坦化层和支持衬底层。在这种状态下，在蓝宝石衬底上连续生长包括基于氮化物的半导体的基于氮化物的发光结构。在生长基于氮化物的发光结构时，在起着缓冲层的作用的未掺杂的基于氮化物的层和n型的基于氮化物的覆层之间引入第一隧道结层，或者在p型的基于氮化物的覆层上形成第二隧道结层。此外，通过LLO方案去除蓝宝石衬底，由此制造具有高亮度、大面积和高容量的基于氮化物的发光器件。
相应地，在照射具有强能量的激光束时，可以避免基于氮化物的半导体热和机械地变形或分解。此外，能够改善形成于n型的和p型的基于氮化物的覆层上的n型和p型的高透明或高反射的基于氮化物的欧姆电极层的电学和光学特性，从而使基于氮化物的发光器件具有优越的电流-电压特性和高亮度特性。
此外，由于生长了高质量的基于氮化物的半导体外延层，因而所述半导体器件具有优越的电、光学和热特性。

Claims (52)

1.一种半导体器件，包括：
具有绝缘特性的生长衬底；
形成于所述生长衬底上的成核层；
形成于所述成核层上、同时用作缓冲层的未掺杂的基于氮化物的缓冲层；
形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层上的第一类型的基于氮化物的覆层；
形成于所述第一类型的基于氮化物的覆层上的多量子阱的基于氮化物的有源层；
形成于所述多量子阱的基于氮化物的有源层上的第二类型的基于氮化物的覆层，所述第二类型不同于所述第一类型；以及
形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和所述第一类型的基于氮化物的覆层之间、或形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上、或者形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和所述第一类型的基于氮化物的覆层之间以及形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上的隧道结层。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述生长衬底利用激光束去除，并且所述半导体器件还包括形成于去除了所述生长衬底的区域处的第一或第二类型的欧姆电流扩散层、形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上以用于保护的支持衬底、以及形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层和所述支持衬底之间的第一或第二类型的欧姆电极层。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，在所述第一和第二类型的基于氮化物的覆层、所述第一或第二欧姆接触层、所述隧道结层以及所述第一或第二欧姆电流扩散层的至少一个表面上形成尺寸等于或小于10nm的点、孔、棱锥、纳米杆和纳米柱中的至少一种形状以提供表面粗糙度和光子晶体效应。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述隧道结层基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种，其中，按照具有等于或小于50nm的厚度的单层或多层的形式制备所述隧道结层。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中，所述多层包括超晶格结构，该超晶格结构中重复叠置了30个或不足30个对的叠置体，所述对包括InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN和AlGaAs/InGaAs，其中，所述多层包括添加有II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的单晶层、多晶层或非晶层。
6.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述支持衬底包括作为金属间化合物的硅化物，其由铝(Al)、与Al相关的合金、Al固溶体、铜(Cu)、与Cu相关的合金、Cu固溶体、银(Ag)、与Ag相关的合金或者Ag固溶体中的至少之一形成。
7.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述第一类型或者第二类型的欧姆接触层包括由作为高反射金属的Ag、Rh、Al或者基于所述高反射金属的合金或固溶体构成的厚层、包括与镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、锌(Zn)、镁(Mg)或金(Au)结合的高反射金属的双反射层或三反射层、或者透明导电氧化物(TCO)和基于过渡金属的透明导电氮化物及高反射的金属的组合。
8.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述第一类型和第二类型的欧姆电流扩散层包括采用透明导电氧化物(TCO)或者基于过渡金属的透明导电氮化物(TCN)的透明导电薄膜层。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，TCO是包括与选自下述集合的至少一种结合的氧(O)的化合物：铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镓(Ga)、镉(Cd)、镁(Mg)、铍(Be)、银(Ag)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、铂(Pt)、钯(Pd)、铝(Al)和镧(La)，所述TCN是通过使氮(N)与钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、铼(Re)或钼(Mo)结合获得的透明导电化合物。
10.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述第一类型或第二类型的欧姆电流扩散层包括金属成分，当在氮气氛或氧气氛下经受热处理工艺时，所述金属成分与所述第一类型或第二类型的基于氮化物的覆层结合形成新的透明导电薄膜。
11.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，通过采用氧、氮、氩或氢等离子体的溅射淀积和采用强激光束作为能量源的脉冲激光淀积形成所述第一类型或第二类型的欧姆电流扩散层。
12.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，为了形成所述第一类型或第二类型的欧姆电极层，并向所述第一类型或第二类型的欧姆电极层表面应用表面粗糙和光子晶体效应，在常温到800℃的范围内的温度的氮(N2)、氩(Ar)、氦(He)、氧(O2)、空气和真空气氛中的至少一种条件下执行10秒到3个小时的热处理工艺。
13.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一和第二类型之一为n型，另一个为p型。
14.一种半导体器件，包括：
具有绝缘特性的生长衬底；
形成于所述生长衬底上的基于氮化物的半导体薄膜层；
形成于所述基于氮化物的半导体薄膜层上的支持衬底层；以及
形成于所述支持衬底层上的发光结构。
15.根据权利要求14所述的半导体器件，其中，所述基于氮化物的半导体薄膜层包括由基于III族氮化物的半导体构成的基于氮化物的牺牲层、或者基于氮化物的牺牲层和形成于所述基于氮化物的牺牲层上的基于氮化物的平坦化层。
16.根据权利要求14所述的半导体器件，其中，所述支持衬底层包括制备为单层或多层的AlN材料层。
17.根据权利要求14所述的半导体器件，其中，所述支持衬底层包括制备为单层或多层的金属、氮化物、氧化物、硼化物、碳化物、硅化物、氮氧化物和碳氮化物材料层。
18.根据权利要求17所述的半导体器件，其中，所述金属选自由Ta、Ti、Zr、Cr、Sc、Si、Ge、W、Mo、Nb和Al构成的集合，所述氮化物选自由Ti、V、Cr、Be、B、Hf、Mo、Nb、V、Zr、Nb、Ta、Hf、Al、B、Si、In、Ga、Sc、W和基于稀土金属的氮化物构成的集合，所述氧化物选自由Ti、Ta、Li、Al、Ga、In、Be、Nb、Zn、Zr、Y、W、V、Mg、Si、Cr、La和基于稀土金属的氧化物构成的集合，所述硼化物选自由Ti、Ta、Li、Al、Be、Mo、Hf、W、Ga、In、Zn、Zr、V、Y、Mg、Si、Cr、La和基于稀土金属的硼化物构成的集合，所述碳化物选自由Ti、Ta、Li、B、Hf、Mo、Nb、W、V、Al、Ga、In、Zn、Zr、Y、Mg、Si、Cr、La和基于稀土金属的碳化物构成的集合，所述硅化物选自由Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Th、Ti、W、V、Zr和基于稀土金属的硅化物构成的集合，所述氮氧化物包括Al-O-N，所述碳氮化物包括Si-C-N。
19.根据权利要求14所述的半导体器件，其中，按照包括AlaObNc(a、b和c为整数)和基于GaxOy的材料层(x、y、z为整数)的单层或者多层的形式制备所述支持衬底层。
20.根据权利要求14所述的半导体器件，其中，按照包括基于SiaAlbNcCd的材料(a、b、c和c为整数)的单层或者多层的形式制备所述支持衬底层。
21.根据权利要求16到20所述的半导体器件，其中，所述支持衬底层包括具有六角晶系或立方晶系的单晶材料层、多晶材料层或者非晶材料层。
22.根据权利要求21所述的半导体器件，其中，所述支持衬底层具有等于或小于10□的厚度，并且在1000℃或更高的温度及氢气或离子气氛下表现出抗还原特性以及热和化学稳定性。
23.根据权利要求14所述的半导体器件，其中，所述发光结构包括：
形成于所述支持衬底层上的成核层；
形成于所述成核层上、同时作为缓冲层的未掺杂的基于氮化物的缓冲层；
形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层上的第一类型的基于氮化物的覆层；
形成于所述第一类型的基于氮化物的覆层上的多量子阱的基于氮化物的有源层；以及
形成于所述多量子阱的基于氮化物的有源层上的第二类型的基于氮化物的覆层，所述第二类型不同于所述第一类型。
24.根据权利要求23所述的半导体器件，还包括隧道结层，所述隧道结层形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和所述第一类型的基于氮化物的覆层之间、或形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上、或者形成于所述未掺杂的基于氮化物的缓冲层和所述第一类型的基于氮化物的覆层之间且形成于所述第二类型的基于氮化物的覆层上。
25.根据权利要求24所述的半导体器件，其中，所述隧道结层基本地包括从表示为AlaInbGacNxPyAsz(a、b、c、x、y和z为整数)的包括III-V族元素的化合物中选出的一种，其中，按照具有等于或小于50nm的厚度的单层或多层的形式制备所述隧道结层。
26.根据权利要求25所述的半导体器件，其中，所述多层包括超晶格结构，所述超晶格结构中重复叠置了由30个或不足30个对构成的叠置结构，所述对包括InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/InGaN、AlInN/InGaN、AlN/GaN和AlGaAs/InGaAs，其中，所述多层包括添加有II族元素(Mg、Be、Zn)或IV族元素(Si、Ge)的单晶层、多晶层或非晶层。
27.根据权利要求24所述的半导体器件，还包括：
在所述发光结构的利用激光束去除了所述生长衬底的位置形成的第一或第二类型的欧姆电流扩散层；以及
形成于所述发光结构的下部的第一或第二类型的欧姆电极层。
28.根据权利要求27所述的半导体器件，还包括：形成于所述第一或第二类型的欧姆电流扩散层的下部的热沉薄层。
29.根据权利要求28所述的半导体器件，其中，通过电镀工艺或粘合转移工艺形成所述热沉薄层，并且所述半导体器件还包括在粘合转移处理工艺中插置于所述第一或第二欧姆电极层和所述热沉薄层之间的粘合层。
30.根据权利要求28所述的半导体器件，其中，所述散发热量的热沉薄层包括选自下述集合的至少一种：具有作为金属间化合物的硅化物的硅、铝(Al)、与Al相关的合金和固溶体、铜(Cu)、与Cu相关的合金和固溶体、银(Ag)以及与Ag相关的合金和固溶体。
31.根据权利要求27所述的半导体器件，其中，在所述第一和第二类型的基于氮化物的覆层、所述第一或第二欧姆接触层、所述隧道结层以及所述第一或第二欧姆电流扩散层的至少一个表面上形成尺寸等于或小于10nm的点、孔、棱锥、纳米杆或纳米柱，以提供表面粗糙和光子晶体效应。
32.根据权利要求27所述的半导体器件，其中，所述第一类型或者第二类型的欧姆接触层包括由作为高反射金属的Ag、Rh、Al或者基于所述高反射金属的合金或固溶体构成的厚层、包括与镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、锌(Zn)、镁(Mg)或金(Au)结合的高反射金属的双反射层或三反射层、或者透明导电氧化物(TCO)、基于过渡金属的透明导电氮化物和高反射金属的组合。
33.根据权利要求27所述的半导体器件，其中，所述第一类型和第二类型的欧姆电流扩散层包括采用透明导电氧化物(TCO)或者基于过渡金属的透明导电氮化物(TCN)的透明导电薄膜层。
34.根据权利要求32或33所述的半导体器件，其中，TCO是包括与选自下述集合的至少一种元素结合的氧(O)的化合物：铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镓(Ga)、镉(Cd)、镁(Mg)、铍(Be)、银(Ag)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、铂(Pt)、钯(Pd)、铝(Al)和镧(La)，所述TCN是通过使氮(N)与钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、铼(Re)或钼(Mo)结合获得的透明导电化合物。
35.根据权利要求34所述的半导体器件，其中，所述第一类型或第二类型的欧姆电流扩散层包括金属成分，当在氮气氛或氧气氛下经受热处理工艺时，所述金属成分与所述第一类型或第二类型的基于氮化物的覆层结合形成新的透明导电薄膜。
36.根据权利要求27所述的半导体器件，其中，通过采用氧、氮、氩或氢等离子体的溅射淀积和采用强激光束作为能量源的脉冲激光淀积形成所述第一类型或第二类型的欧姆电流扩散层。
37.根据权利要求27所述的半导体器件，其中，为了形成所述第一类型或第二类型的欧姆电极层，并向所述第一类型或第二类型的欧姆电极层应用表面粗糙和光子晶体效应，在常温到800℃的范围内的温度的氮(N2)、氩(Ar)、氦(He)、氧(O2)、空气和真空气氛中的至少一种条件下执行10秒到3个小时的热处理工艺。
38.根据权利要求23所述的半导体器件，其中，所述第一和第二类型之一为n型，另一个为p型。
39.一种半导体器件，包括：
厚膜层；
形成于所述厚膜层上的第一外延层，其中，所述第一外延层的顶表面进行了表面处理；以及
形成于所述第一外延层上并且具有包括用于电子和光电器件的基于氮化物的半导体的多层的第二外延层，
其中，按照包括至少一种表示为InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的化合物的单层或多层的形式制备所述第一和第二外延层中的每者。
40.根据权利要求39所述的半导体器件，其中，所述厚膜层包括从下述集合中选出的至少一种化合物、合金或固溶体：Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、BN、BP、BAs、BSb、AlP、AlAs、Alsb、GaSb、InP、InAs、InSb、GaP、InP、InAs、InSb、In2S3、PbS、CdTe、CdSe、Cd1xZnxTe、In2Se3、CuInSe2、Hg1-xCdxTe、Cu2S、ZnSe、ZnTe、ZnO、W、Mo、Ni、Nb、Ta、Pt、Cu、Al、Ag、Au、ZrB2、WB、MoB、MoC、WC、ZrC、Pd、Ru、Rh、Ir、Cr、Ti、Co、V、Re、Fe、Mn、RuO、IrO2、BeO、MgO、SiO2、SiN、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、ReN、CuI、金刚石、DLC(类金刚石碳)、SiC、WC、TiW、TiC、CuW和SiCN，其中，所述厚膜层包括制备为单层或多层的单晶层、多晶层或者非晶层。
41.一种半导体器件的制造方法，包括步骤：
在具有绝缘特性的生长衬底上形成第一外延层；
在所述第一外延层上淀积具有30nm或更大厚度的厚膜层；
利用激光束去除所述生长衬底；以及
对因去除了所述生长衬底而暴露的所述第一外延层的表面进行处理。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述第一外延层包括至少一种表示为InxAlyGazN(x、y、z为整数)或SixCyNz(x、y、z为整数)的化合物，并且被制备为具有至少30nm的厚度的单层或多层。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述化合物包括GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、AlInN、InAlGaN、SiC和SiCN中的至少之一。
44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述第一外延层包括作为n型掺杂剂的IV族元素(Si、Ge、Te、Se)或者作为p型掺杂剂的III族元素(Mg、Zn、Be)。
45.根据权利要求41所述的方法，其中，具体地，所述厚膜层包括从下述集合中选出的至少一种化合物、合金或固溶体：Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、BN、BP、BAs、BSb、AlP、AlAs、Alsb、GaSb、InP、InAs、InSb、GaP、InP、InAs、InSb、In2S3、PbS、CdTe、CdSe、Cd1-xZnxTe、In2Se3、CuInSe2、Hg1-xCdxTe、Cu2S、ZnSe、ZnTe、ZnO、W、Mo、Ni、Nb、Ta、Pt、Cu、Al、Ag、Au、ZrB2、WB、MoB、MoC、WC、ZrC、Pd、Ru、Rh、Ir、Cr、Ti、Co、V、Re、Fe、Mn、RuO、IrO2、BeO、MgO、SiO2、SiN、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、ReN、CuI、金刚石、DLC(类金刚石碳)、SiC、WC、TiW、TiC、CuW和SiCN，其中，所述厚膜层包括作为单层或多层制备的单晶层、多晶层或者非晶层。
46.根据权利要求41所述的方法，其中，采用激光束去除所述生长衬底包括蚀刻工艺、表面处理工艺和热处理工艺中的至少一种。
47.根据权利要求41所述的方法，其中，处理所述第一外延层的表面包括表面平坦化工艺、图案化工艺和热处理工艺中的至少一种。
48.根据权利要求41所述的方法，还包括在所述第一外延层的经过表面处理的表面上形成第二外延层。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述第二外延层包括多层，所述多层包括用于电子和光电器件的基于GaN的半导体。
50.根据权利要求48所述的方法，其中，所述第二外延层包括单晶多层，所述单晶多层包括至少一种表示为InxAlyGazN(x、y和z为整数)或SixCyNz(x、y和z为整数)的化合物。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述第二外延层包括作为n型掺杂剂的IV族元素(Si、Ge、Te、Se)或者作为p型掺杂剂的III族元素(Mg、Zn、Be)。
52.根据权利要求48所述的方法，其中，通过在200℃的温度下，在氧、氮、真空、空气、氢或氨气气氛下执行30秒到24小时的热处理工艺形成所述第二外延层。
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