專利名稱：表面紋理結(jié)構(gòu)與一種最小化和局部化晶格常數(shù)及熱漲系數(shù)失配的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體發(fā)光二極管的生長襯底和外延層的表面上制備表面紋理結(jié)構(gòu)，以及一種局部化和最小化由于晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配造成的位錯和畸變效應(yīng)的方法。
半導(dǎo)體芯片中的外延層的晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)應(yīng)該與生長襯底的晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)相匹配，并且越接近越好。晶格常數(shù)失配的效應(yīng)可以由相干應(yīng)變和其它機制調(diào)節(jié)，譬如彎曲外延層和在界面層產(chǎn)生位錯，但會造成晶片質(zhì)量不佳。
為降低晶格常數(shù)的失配，在生長襯底和外延層之間，生長單層或多層緩沖層。然而，緩沖層不能完全消除生長襯底與外延層之間的由于晶格常數(shù)的失配造成的應(yīng)力。殘留的應(yīng)力會產(chǎn)生外延層的位錯和畸變密度，進而降低外延層的質(zhì)量。藍寶石和碳化硅晶片被作為商業(yè)性生長半導(dǎo)體氮化鎵基發(fā)光二極管的生長襯底。為了減小由于藍寶石生長襯底與氮化鎵基外延層之間的晶格常數(shù)的失配帶來的位錯和畸變效應(yīng)，緩沖層技術(shù)被采用，部分地減小該效應(yīng)。但是，藍寶石生長襯底和碳化硅生長襯底與氮化鎵基外延層之間的熱脹系數(shù)的差別很大，當(dāng)外延生長結(jié)束，冷卻到室溫時，在大約1000℃的溫度差范圍內(nèi)，氮化鎵基外延層與藍寶石和碳化硅生長襯底之間的熱脹系數(shù)的差別在氮化鎵基外延層內(nèi)造成相當(dāng)大的應(yīng)力，該應(yīng)力會產(chǎn)生位錯和畸變，降低氮化鎵基外延層的質(zhì)量。另外，由于生長襯底的上表面輻射熱能和接觸生長襯底上表面的氣體吸收熱能，因此在外延生長過程中，生長襯底的邊緣向上翹起，這導(dǎo)致生長襯底表面的溫度不均勻，并引起外延層的電/光特性的不均勻性。因此，在工業(yè)生產(chǎn)上，需要一種局部化和最小化由于晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配造成的位錯和畸變效應(yīng)的方法。
有很多有關(guān)緩沖層的專利，討論多層緩沖層，討論厚的緩沖層，討論單層緩沖層。上述專利是關(guān)于氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管，最常用的生長襯底是晶格常數(shù)失配的藍寶石。晶格常數(shù)失配也存在于其它半導(dǎo)體器件中。
除了關(guān)于緩沖層的文獻外，缺少關(guān)于局部化和最小化晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配的效應(yīng)的方法的文獻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示，(1)在生長襯底的表面上制備紋理結(jié)構(gòu)，然后在紋理結(jié)構(gòu)上生長外延層；(2)在生長襯底的兩個表面上制備紋理結(jié)構(gòu)，然后在兩面的紋理結(jié)構(gòu)上生長不同的外延層；(3)在外延層的表面上制備紋理結(jié)構(gòu)，然后在外延層的紋理結(jié)構(gòu)表面上上生長另一外延層；(4)在生長襯底和外延層上多次制備表面紋理結(jié)構(gòu)；(5)一個新的局部化和最小化由于晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配造成的位錯和畸變效應(yīng)的方法。
本發(fā)明的目的和能達到的各項效果如下(1)本發(fā)明的主要目的是提供具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底，包括生長襯底的一面具備紋理結(jié)構(gòu)，以及生長襯底的二面都具備紋理結(jié)構(gòu)；(2)本發(fā)明的第二目的是提供一個新的局部化和最小化由于生長襯底和緩沖層之間的晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配造成的位錯和畸變效應(yīng)的方法，因此提高半導(dǎo)體器件的性能，提高良品率；(3)本發(fā)明的第三目的是提供一個新的方法，使得生長在同一生長襯底上的不同的外延層之間的晶格常數(shù)的失配造成的位錯和畸變效應(yīng)最小化，因此半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出不同波長的光的復(fù)合光。
本發(fā)明的特征及效益將在下面的詳細描述中更好的展示。


圖1a展示在先的較厚的生長襯底及其上的外延層的截面圖。
圖1b展示在先的具有圖形的外延層的頂視圖。
圖2a展示在先的較薄的彎曲的生長襯底及其上的外延層的截面圖。
圖2b展示在先的較薄的彎曲的生長襯底及其上的外延層的頂視圖。
圖3a展示本發(fā)明的一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底的具體實施實例的截面圖。
圖3b展示生長襯底的表面紋理結(jié)構(gòu)的頂視圖。
圖4a展示一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及其上的緩沖層或外延層的截面圖。
圖4b展示表面紋理結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5展示一個外延晶片的截面圖，外延晶片包括，但不限于緩沖層，外延層，和具備表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底。
圖6a展示一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及其上的緩沖層的截面圖。
圖6b展示一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及其上的平坦化的緩沖層的截面圖。
圖6c展示一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及其上的平坦化的緩沖層和外延層的截面圖。
圖7展示一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及生長于其一面上的兩層緩沖層和兩層外延層的截面圖。
圖8展示一個表面具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及生長于其一面上的兩層外延層的截面圖。
圖9展示一個兩個表面都具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及生長于其每一表面上的緩沖層和外延層的截面圖。
圖10展示一個兩個表面都具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底及生長于其每一表面上的外延層的截面圖。
具體實施實例和發(fā)明的詳細描述本發(fā)明進一步的目的和效果將會從以下的描述和圖顯現(xiàn)出來。雖然本發(fā)明的具體化實施實例將會在下面被描述，熟練的技術(shù)人員將會認(rèn)識到其他的具備紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底和外延層，和其他的生產(chǎn)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的原理。因此下列各項描述只是說明本發(fā)明的原理，而不是局限本發(fā)明于下列各項描述。
注意下列各項應(yīng)用到本發(fā)明的各個具體實施實例(1)本發(fā)明中的外延層包括，但不限于N型限制層，P型限制層，和發(fā)光層；(2)本發(fā)明中的生長襯底包括發(fā)光生長襯底和不發(fā)光生長襯底；(3)本發(fā)明的“緩沖層“包括單層緩沖層和多層緩沖層。
圖1a展示在先的較厚的生長襯底及其上的外延層的截面圖。緩沖層12生長在生長襯底11的上表面，外延層13生長在緩沖層12的上表面。晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配產(chǎn)生的力14存在于緩沖層12和生長襯底11之間的交界面并且平行于該交界面。在研磨減薄之前，生長襯底11足夠厚，使得在外延生長時，生長襯底11保持平坦。
圖1b展示在先的較厚的生長襯底及其上的外延層的頂視圖。芯片16被街道15分開。由晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配產(chǎn)生的力14從生長襯底的邊緣指向內(nèi)部。
圖2a展示在先的較薄的生長襯底及其上的外延層的截面圖。緩沖層22生長在生長襯底21的上表面，外延層23生長在緩沖層22的上表面。通常，在外延生長時，由于生長襯底的上表面和下表面之間的溫度差，較薄的生長襯底向上彎曲。在外延生長結(jié)束后，進行研磨減薄，因為生長襯底和緩沖層之間的晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配，生長襯底及其上的外延層向上彎曲的更為嚴(yán)重。
圖2b展示在先的較薄的生長襯底及其上的外延層的頂視圖。芯片16被街道15分開。由晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配產(chǎn)生的力24從生長襯底的邊緣指向內(nèi)部。
注意生長襯底及其上的外延層彎曲的方向取決于緩沖層和生長襯底的材料。
圖3a展示本發(fā)明的一個具體實施實例的截面圖。表面紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于，阱和阱壁。表面紋理結(jié)構(gòu)是由蝕刻生長襯底31的表面層而形成。阱33和阱34被阱壁32分隔。阱33的深度是在納米到微米范圍。阱33可以與芯片具有相同的寬度和長度。阱壁32的寬度是在納米到微米范圍。
圖3b展示圖3a的頂視圖。生長襯底31的上表面層具有阱33和阱壁32。
注意(1)阱的形狀不限于長方形，正方形，還可以是其它形狀，例如，圓形；(2)阱與芯片可以具有不同的寬度和長度，例如，阱的寬度和長度也可以大于或小于芯片的寬度和長度；(3)圖3b展示的是阱和阱壁的圖形，而不是芯片的圖形。
圖4a展示具有表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底31的截面圖。表面紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于，阱33，阱34，和阱壁32。
圖4a展示兩個不同的具體實施實例(A)緩沖層43生長在生長襯底31的表面紋理結(jié)構(gòu)上；(B)外延層43直接生長在生長襯底31的表面紋理結(jié)構(gòu)上。
在下面的描述中，將使用緩沖層/外延層43來描述圖4a中的兩個具體實施實例。凸40在緩沖層/外延層43的上表面層，并位于阱壁32的上方。在阱33中，由于晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配產(chǎn)生的力41存在于生長襯底31和緩沖層/外延層43的交界面，并平行于交界面，力41指向左方。在阱34中，力42指向右方。因此，作用于生長襯底31上的力41和力42互相抵消，生長襯底31保持平坦。
注意外延層可以直接生長在具有表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底31上，因為表面紋理結(jié)構(gòu)將會最小化晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配的效應(yīng)。
圖4b是阱33和鄰近它的阱34，阱35，阱36，和阱37的示意圖。這些阱被阱壁32分隔。在每一個阱中，由晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配產(chǎn)生的力都指向內(nèi)部，例如，力41，力49，力45，和力47在阱31中并指向阱的中部。作用于生長襯底的力41和力42互相抵消，同樣的，作用于生長襯底的力49和力44，力45和力46，力47和力48互相抵消。因此，生長襯底保持平坦。
圖5是帶有外延層的生長襯底31的截面圖。緩沖層43生長在生長襯底31的表面紋理結(jié)構(gòu)上。外延層51生長在緩沖層43上。凸52是在外延層51的表面層上。
當(dāng)阱的深度是在納米范圍，凸52的效應(yīng)可以忽略，所以，外延層51可以直接生長在緩沖層43上。
當(dāng)阱的深度是在微米范圍，在生長外延層之前，可以去掉緩沖層表面的凸52。
圖6a，6b，和6c展示一個工藝(1)在生長襯底的表面紋理結(jié)構(gòu)上生長緩沖層；(2)去掉緩沖層表面的凸；(3)在緩沖層的表面生長外延層。
圖6a展示帶有緩沖層43和表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底31的截面圖。阱33是由蝕刻生長襯底31的表面而形成。凸40是在緩沖層43的表面。
圖6b展示生長襯底31的截面圖。圖6a中的凸40已被蝕刻掉，所以，圖6a中的緩沖層43成為圖6b中的緩沖層61，緩沖層61的表面是平坦的。
圖6c展示帶有緩沖層61，外延層62，和表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底31的截面圖。
本發(fā)明的原理和工藝可以在同一個帶有緩沖層和外延層的生長襯底上反復(fù)應(yīng)用多次，特別是對于發(fā)出不同波長的復(fù)和光的芯片。
圖7到圖10是本發(fā)明的四個具體實施實例。
圖7展示帶有緩沖層，外延層，和表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底的截面圖。第一表面紋理結(jié)構(gòu)是在生長襯底31的表面上。第一表面紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于，阱33和阱壁32。第一緩沖層71生長在第一表面紋理結(jié)構(gòu)上。第一外延層72生長在第一緩沖層71的表面。第一外延層72包括，但不限于，第一發(fā)光層。第一發(fā)光層發(fā)出第一波長的光。第二表面紋理結(jié)構(gòu)是在第一外延層72的表面上。第二表面紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于阱76和阱壁75。第二緩沖層73生長在第二表面紋理結(jié)構(gòu)上。第二外延層74生長在第二緩沖層73的表面。第二外延層74包括，但不限于第二發(fā)光層。第二發(fā)光層發(fā)出第二波長的光。
注意(1)第一緩沖層71和第二緩沖層73的表面層上的凸并未在圖7中展示；(2)阱33和阱壁32的尺度可以與阱76和阱壁75的尺度不同。
圖8展示帶有外延層和表面紋理結(jié)構(gòu)的生長襯底的截面圖。生長襯底31的表面層的紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于，阱33和阱壁32。第一外延層81直接生長在生長襯底31的表面結(jié)構(gòu)紋理上。蝕刻第一外延層81的表面，并在其上形成第二表面紋理結(jié)構(gòu)，包括，但不限于，阱84和阱壁83。第二外延層82生長在第二表面紋理結(jié)構(gòu)上。
在這個具體實施實例中，沒有緩沖層生長在表面紋理結(jié)構(gòu)和第一外延層81之間。第一外延層81發(fā)出第一波長的光。第二外延層82發(fā)出第二波長的光。第一波長的光和第二波長的光復(fù)合成一復(fù)合光。
圖9展示生長襯底91的截面圖。生長襯底91的兩個表面均有表面紋理結(jié)構(gòu)。生長襯底91是透明的。兩個表面紋理結(jié)構(gòu)的尺度可以是相同的，但也可以不同的，取決于緩沖層和生長襯底的材料。
第一表面紋理結(jié)構(gòu)生長在生長襯底91的一個表面上，包括阱97和阱壁96。第一緩沖層94生長在第一表面紋理結(jié)構(gòu)上。第一外延層95生長在第一緩沖層94上。
第二表面紋理結(jié)構(gòu)生長在生長襯底91的另一個表面上，包括阱99和阱壁98。第二緩沖層92生長在第二表面紋理結(jié)構(gòu)上。第二外延層93生長在第二緩沖層92上。阱97和阱99的尺度可以是相同的，但也可以不同的。
注意第一緩沖層94和第二緩沖層92的表面層上的凸并未在圖9中展示，因為或者凸的高度可以忽略，或者在生長外延層之前，凸已被蝕刻掉；第一外延層95發(fā)出第一波長的光。第二外延層93發(fā)出第二波長的光。第一波長的光和第二波長的光復(fù)合成一復(fù)合光。
圖10展示生長襯底101的截面圖。生長襯底101的兩個表面均有表面紋理結(jié)構(gòu)。生長襯底101是透明的。兩個表面紋理結(jié)構(gòu)的尺度可以是相同的，但也可以不同的，取決于緩沖層和生長襯底的材料。
第一表面紋理結(jié)構(gòu)生長在生長襯底101的一個表面上，包括阱106和阱壁105。第一外延層107直接生長在第一表面紋理結(jié)構(gòu)上。
第二表面紋理結(jié)構(gòu)生長在生長襯底101的另一個表面上，包括阱102和阱壁103。第二外延層104直接生長在第二表面紋理結(jié)構(gòu)上。阱97和阱99的尺度可以是相同的，但也可以不同的。
第一和第二表面紋理結(jié)構(gòu)的尺度可以很小，以便更好的最小化晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配的不良效應(yīng)。
注意第一外延層107和第二外延層104的表面層上的凸并未在圖10中展示，因為或者凸的高度可以忽略，或者凸已被蝕刻掉；第一外延層95發(fā)出第一波長的光。第二外延層93發(fā)出第二波長的光。第一波長的光和第二波長的光復(fù)合成一復(fù)合光。
雖然上面包含許多具體的描述，但是這些描述并沒有限制本發(fā)明的范圍，而只是提供一些本發(fā)明的具體化的例證。因此本發(fā)明的涵蓋范圍應(yīng)該由權(quán)力要求和它們的合法等同物決定，而不是由上述具體化的詳細描述和實施實例決定。
權(quán)利要求
1.一個半導(dǎo)體器件，包括，但不限于，一個生長襯底，所述的生長襯底的一個表面具有表面紋理結(jié)構(gòu)；一個外延層，所述的外延層生長在所述的表面紋理結(jié)構(gòu)上，所述的外延層包括，但不限于，一層發(fā)光層，其中，所述的發(fā)光層發(fā)光。
2.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，進一步包括一層緩沖層，所述的緩沖層生長在所述的外延層和所述的表面紋理結(jié)構(gòu)之間。
3.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，所述的表面紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于，阱和阱壁。
4.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中，所述的阱壁的厚度的范圍是從納米到微米。
5.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中，所述的阱具有與所述的半導(dǎo)體器件相同的形狀。
6.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中，所述的阱的尺度的范圍是從納米到微米。
7.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，進一步包括第二表面紋理結(jié)構(gòu)，所述的第二表面紋理結(jié)構(gòu)形成于所述的外延層上。
8.權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中，所述的第二表面紋理結(jié)構(gòu)包括，但不限于，阱和阱壁。
9.權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，進一步包括第二外延層，所述的第二外延層生長在所述的第二表面紋理結(jié)構(gòu)上，所述的第二外延層包括，但不限于，第二發(fā)光層，其中，所述的第二發(fā)光層發(fā)第二波長的光。
10. 權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，進一步包括第二緩沖層，所述的第二緩沖層生長在所述的第二外延層和所述的第二表面紋理結(jié)構(gòu)之間。
全文摘要
晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配是半導(dǎo)體器件(包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED)中的重要問題之一。本發(fā)明揭示(1)在生長襯底的表面上制備表面紋理結(jié)構(gòu)，以便在表面紋理結(jié)構(gòu)上生長高質(zhì)量的外延層；(2)在所述的外延層的表面上制備表面紋理結(jié)構(gòu)，以便在表面紋理結(jié)構(gòu)上生長高質(zhì)量的第二外延層；(3)一個局部化和最小化由晶格常數(shù)和熱漲系數(shù)的失配帶來的不良效應(yīng)的方法。制備表面紋理結(jié)構(gòu)的過程可以被重復(fù)多次。不同的外延層發(fā)出不同波長的光。因此，具備多層外延層的半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出白色或預(yù)定的顏色的復(fù)合光。
文檔編號H01L33/00GK1670974SQ20051000893
公開日2005年9月21日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月25日
發(fā)明者彭暉 申請人:金芃