專利名稱：生長于硅襯底上的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭示生長于大直徑的硅襯底上的高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其在硅晶片上生長的技術(shù)和工藝，屬于半導(dǎo)體電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有取代白熾燈的巨大前途，但是，首先要解決技術(shù)上的問題，主要問題包括，光取出效率低，散熱效率低，和生產(chǎn)成本高。
為解決橫向結(jié)構(gòu)的大功率氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的散熱問題，倒裝焊技術(shù)被提出。但是，倒裝焊技術(shù)工藝復(fù)雜，成本高。因此，大量的研究投入垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管，垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的兩個電極分別層疊在支持襯底的兩面。垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管不但具備倒裝焊發(fā)光二極管的散熱效率高的優(yōu)點，不具備倒裝焊技術(shù)的缺點，而且具備電流分布均勻，電流密度大，電阻較低，正向電壓較低，可靠性較高，光取出效率高等優(yōu)點。但是，利用激光方法剝離藍寶石的工藝復(fù)雜，成本高。
為降低大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管的生產(chǎn)成本，一個成效顯著的方法是使用大直徑的生長襯底，而生產(chǎn)大直徑的氮化鎵，氮化鋁，藍寶石，氧化鋅，和碳化硅晶片技術(shù)上很困難，成本很高。氮化鎵晶片是生長氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的最佳生長襯底，氮化鎵基外延層和氮化鎵生長襯底之間的晶格常數(shù)和熱脹系數(shù)相同，不會產(chǎn)生位錯(dislocation)和畸變(distortion)，因此外延層的質(zhì)量最高，但是氮化鎵商品晶片的價格極其昂貴，且晶片直徑小。工業(yè)上，藍寶石和碳化硅晶片被作為生長氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的生長襯底。但是，藍寶石晶片的導(dǎo)熱性能低，價格偏高。碳化硅晶片不但價格高，并且具有本征材料缺陷。大直徑的藍寶石和碳化硅晶片都沒有商業(yè)化。
硅晶片的優(yōu)點如下導(dǎo)熱率高，價格低，商品晶片直徑大(因此生產(chǎn)成本進一步降低)，質(zhì)量高。因此，大量的研究工作集中于在硅晶片上生長氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管。在硅晶片上生長氮化鎵外延層的主要困難來源于氮化鎵外延層和硅晶片之間的熱漲系數(shù)和晶格常數(shù)的極大的不同，該不同造成氮化鎵外延層內(nèi)的巨大應(yīng)力，該應(yīng)力降低外延層的質(zhì)量。氮化鎵外延層和硅晶片之間的熱漲系數(shù)的不同所造成氮化鎵外延層內(nèi)的巨大應(yīng)力產(chǎn)生于外延生長后的冷卻過程，從外延生長的約1050攝氏度冷卻到室溫的約20攝氏度，約1000攝氏度的溫度差在氮化鎵外延層內(nèi)產(chǎn)生巨大應(yīng)力，該應(yīng)力產(chǎn)生位錯和畸變，降低外延層的質(zhì)量。另外，當(dāng)使用大直徑硅晶片時，均勻性成為非常重要的關(guān)鍵。第一，很小的溫度起伏會造成外延層生長速度和組成成份比例的顯著變化，因此引起外延層的電/光特性的不均勻性。第二，由于硅晶片的上表面輻射熱能和接觸硅晶片上表面的氣體吸收熱能，因此在外延生長過程中，硅晶片的邊緣向上翹起，這導(dǎo)致硅晶片表面的溫度呈徑向不均勻分布，并引起外延層的電/光特性呈徑向不均勻性。均勻性問題限制了可以使用的硅生長襯底的直徑。
因此，需要生長于大直徑的硅生長襯底上的高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管和低成本的批量生產(chǎn)的工藝方法，由此得到的生產(chǎn)工藝方法可以應(yīng)用于其它半導(dǎo)體芯片或器件，又能夠避免上面提到的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示幾種具有不同結(jié)構(gòu)的生長于硅襯底上的高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管，以及在大直徑硅晶片上低成本生長高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工藝方法。主要工藝步驟如下蝕刻硅晶片生長襯底的上表面以形成紋理結(jié)構(gòu)，層疊中間媒介層在具有紋理結(jié)構(gòu)的硅晶片生長襯底的上表面，然后，依次層疊第一類型限制層，氮化鎵基發(fā)光層，第二類型限制層，反射歐姆層，支持襯底(支持襯底的暴露的一面上層疊第二電極)，剝離硅晶片生長襯底和中間媒介層，第一類型限制層暴露，依次層疊電流擴散層和具有優(yōu)化圖形的第一電極在暴露的第一類型限制層上?？梢赃x用導(dǎo)電硅晶片或其它導(dǎo)電材料作為支持襯底。使用硅晶片作為生長襯底和支持襯底帶來巨大的好處(1)硅晶片的直徑大，目前最大為300毫米。一片200毫米的硅晶片的可利用面積至少等同于16片50毫米的藍寶石晶片；因此，外延生長，光刻，層疊電極等工藝的生產(chǎn)率極大的提高，生產(chǎn)成本降低；(2)硅晶片的價格比藍寶石和碳化硅生長襯底低，成本進一步降低；(3)硅晶片的導(dǎo)熱性能優(yōu)于藍寶石，可以用于大功率氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
本發(fā)明揭示的在硅晶片生長襯底上生長高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的大功率氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的技術(shù)和生產(chǎn)方法，可以應(yīng)用于其他半導(dǎo)體芯片或器件。
本發(fā)明的目的和能達到的各項效果如下(1)本發(fā)明的目的是提供在大直徑的硅晶片上低成本生長的高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
(2)本發(fā)明的硅晶片生長襯底的表面上的紋理結(jié)構(gòu)最小化和局部化氮化鎵基外延層和硅晶片之間的熱漲系數(shù)的不同所帶來的效應(yīng)，該效應(yīng)造成氮化鎵基外延層內(nèi)的應(yīng)力，該應(yīng)力降低外延層的質(zhì)量。
(3)本發(fā)明的中間媒介層降低氮化鎵基外延層和硅晶片生長襯底之間的晶格常數(shù)的不同所帶來的效應(yīng)，該效應(yīng)造成氮化鎵外延層內(nèi)的應(yīng)力，該應(yīng)力降低外延層的質(zhì)量
(4)本發(fā)明的反射/歐姆層提高光取出效率。
(5)本發(fā)明使用具有高導(dǎo)熱率的導(dǎo)電硅晶片或其它導(dǎo)電材料作為支持襯底，熱傳導(dǎo)效率高。
(6)本發(fā)明的硅晶片生長襯底很容易被剝離。
(7)本發(fā)明的具有優(yōu)化圖形的第一電極使得電流分布均勻，電流密度增大，發(fā)光亮度更高，防靜電能力更強。
(8)本發(fā)明的目的是提供低成本的批量生產(chǎn)高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的大功率氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法。
本發(fā)明和它的特征及效益將在下面的詳細描述中更好的展示。


圖1是本發(fā)明的在大直徑的硅晶片生長襯底上低成本生長高質(zhì)量的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工藝流程的一些具體實施實例。
圖2是本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的一個具體實施實例的截面圖。
圖3是室溫下，氮化鎵，氮化鋁，氮化硼，磷化硼，硼鋁氮，和硼鎵氮的晶格常數(shù)(埃)和帶隙能量(電子伏)。
圖4a是本發(fā)明的紋理結(jié)構(gòu)的頂視圖。
圖4b是本發(fā)明的的紋理結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖5a到5t是第一電極的優(yōu)化圖形的具體化實施實例。
具體實施實例和發(fā)明的詳細描述雖然本發(fā)明的具體化實施實例將會在下面被描述，但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)明于下列各項具體化實施實例的描述。
注意下列各項(1) 圖1展示生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的技術(shù)和工藝。但是相同的技術(shù)和工藝可以應(yīng)用于其它的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的生產(chǎn)。
(2) 本發(fā)明中的“氮化鎵基”包括由元素鎵，鋁，硼，銦，氮，磷所組成的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如，氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)，硼鋁氮(BAlN)，硼鎵氮(BGaN)，鋁鎵氮(AlGaN)，銦鎵氮(InGaN)，鋁鎵銦氮(AlInGaN)，鋁鎵氮磷(AlGaNP)，鋁鎵銦氮磷(AlInGaNP)，等。
(3) 本發(fā)明的生長襯底的材料包括，但不限于，硅晶片生長襯底，氧化鎂，氧化鋅。硅生長襯底的晶體平面的取向可以是，但不限于，(111)。
(4) 本發(fā)明的生長襯底的一面可以具有由蝕刻形成的紋理結(jié)構(gòu)。蝕刻方法包括濕法和干法。濕法化學(xué)蝕刻的一個具體實施實例使用NHO3和HF的醋酸溶液蝕刻硅晶片。干法蝕刻的一個具體實施實例等離子體蝕刻。
(5) 為了在外延生長時，本發(fā)明的硅生長襯底的邊緣不會向上翹起，可以使用，但不限于，下述方法(1)非剛性固定硅生長襯底于一個導(dǎo)熱良好的托盤上。托盤的材料包括，但不限于，鉬。非剛性固定的方法包括，但不限于，低熔點金屬鍵合，非剛性機械夾具，或兩者的組合。(2)利用紅外熱源對硅晶片生長襯底的上表面加熱。(3)硅晶片具有較高的熱導(dǎo)率，使用較厚的硅生長襯底。(4)上述方法的組合。
(6) 本發(fā)明的中間媒介層包括一層或多層結(jié)構(gòu)，每層的材料包括，但不限于(A)元素氮，磷，硼，硅，碳，鋁，鎵，銦，鈦的二元系，三元系，和四元系，例如氮化鋁，氮化鎵，氮化鈦(TiN)，磷化硼(BP)，碳化硅，硼鋁氮，硼鎵氮，鋁鎵氮，銦鎵氮，鋁銦鎵氮，硼鋁鎵氮(BAlGaN)，及它們的組合；(B)低熔點金屬，低熔點金屬層的材料包括，但不限于，銦和錫；(C)高熔點金屬，高熔點金屬層的材料包括，但不限于，金，鉿，鈧，鋯，釩，鈦，鉻，及它們的組合；(D)上述材料(A)，(B)和(C)的組合。
(7) 本發(fā)明的層疊低熔點金屬層和高熔點金屬層的方法包括，但不限于，真空蒸鍍，真空濺鍍(sputtering)等。
(8) 本發(fā)明的中間媒介層和氮化鎵基外延層具有成份分層結(jié)構(gòu)(compositionally graded layer)在該層的不同深度，每種成份之間的比例不同。例如，當(dāng)中間媒介層不包括低熔點金屬層和高熔點金屬層時，中間媒介層與硅生長襯底接觸的表面層的各種成份之間的比例使得中間媒介層與硅生長襯底之間的晶格常數(shù)的差別最小。中間媒介層與氮化鎵基外延層接觸的表層的各種成份之間的比例使得中間媒介層與氮化鎵基外延層之間的晶格常數(shù)的差別最小。
(9) 本發(fā)明中，中間媒介層中的氮化鎵層和氮化鎵基外延層的生長方法包括，但不限于，兩步生長法在鎵元素按化學(xué)計量少于氮元素的條件下，生長氮化鎵層和氮化鎵基外延層；然后，在鎵元素按化學(xué)計量多于氮元素的條件下，繼續(xù)生長氮化鎵層和氮化鎵基外延層。
(10) 中間媒介層中的低熔點金屬層的功能低熔點金屬層層疊在硅生長襯底上，高熔點金屬層層疊在低熔點金屬層上，當(dāng)生長中間媒介層中的其它層時，低熔點金屬層熔化，中間媒介層中的其它層漂浮在硅生長襯底上。熔化的低熔點金屬層有三個作用由于熔化的金屬的表面張力，中間媒介層中的其它媒介層被整體地“粘”在硅生長襯底上，熔化的低熔點金屬層將熱均勻地傳導(dǎo)到中間媒介層中的其它媒介層。另外，當(dāng)外延生長結(jié)束，溫度降到約160攝氏度(銦的溶點為157攝氏度)時，低熔點金屬層凝固，溫度繼續(xù)降到約20攝氏度室溫。在大約140攝氏度的溫度差的范圍內(nèi)，外延層和生長襯底之間的熱漲系數(shù)的差別造成應(yīng)力，但此應(yīng)力很小，該應(yīng)力對外延層的質(zhì)量的影響很小。最后，在剝離硅生長襯底的工藝中，直接加熱，使低熔點金屬層熔化，即可分離硅生長襯底和中間媒介層。
(11) 本發(fā)明的第一類型限制層可以是n-類型限制層或p-類型限制層。第二類型限制層可以是p-類型限制層或n-類型限制層。作為本發(fā)明的生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工藝流程的具體實施實例，采用n-類型限制層作為第一類型限制層，p-類型限制層作為第二類型限制層。
(12) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的反射/歐姆層的材料包括，但不限于，金，銠，鎳，鉑，鈀，等高反射率的金屬及其組合，組合包括，但不限于，鎳/金(Ni/Au)，鈀/金(Pd/Au)，鈀/鎳(Pd/Ni)。層疊反射/歐姆層的方法包括，但不限于，真空蒸鍍，真空濺鍍，化學(xué)鍍，電鍍，外延生長，等。
(13) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的反射/歐姆層也可以是分布布拉格反射器(DBR)。
(14) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的導(dǎo)電支持襯底的材料包括，但不限于，導(dǎo)電硅晶片，導(dǎo)電金屬薄膜，導(dǎo)電薄膜。
(15) 剝離生長襯底的工藝當(dāng)中間媒介層不包括低熔點金屬層時，剝離生長襯底和中間媒介層的方法包括，但不限于，精密機械研磨/拋光，選擇性濕法或干法蝕刻，及它們的組合(例如，精密機械研磨生長襯底到一定的厚度，例如10微米，然后采用濕法或干法蝕刻剩余部分)。當(dāng)中間媒介層包括低熔點金屬層時，可直接加熱，使低熔點金屬層熔化，即可分離生長襯底和中間媒介層，然后利用選擇性蝕刻腐蝕中間媒介層中的其它媒介層。
(16) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光層的材料包括，但不限于，元素氮，硼，鋁，鎵，砷，磷，銦的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化鎵(GaN)，銦鎵氮(InGaN)，鋁鎵氮(AlGaN)，鋁銦鎵氮(AlInGaN)，銦鎵氮磷(InGaNP)，和鋁銦鎵氮磷(AlInGaNP)其中銦鎵氮，銦鎵氮磷，和鋁銦鎵氮磷已經(jīng)被應(yīng)用于白光LED。
(17) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)可以是p-n結(jié)或雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
(18) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光層的結(jié)構(gòu)可以是單量子阱或多量子阱。
(19) 本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的第一電極的優(yōu)化圖形使得電流分布均勻，電流密度大。
圖1展示本發(fā)明的低成本的批量生產(chǎn)以硅晶片作為生長襯底的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工藝流程的一個具體實施實例。同樣的方法可以應(yīng)用于氧化鎂和氧化鋅生長襯底。
工藝流程101在硅晶片生長襯底的一面上蝕刻紋理結(jié)構(gòu)，紋理結(jié)構(gòu)使得硅晶片生長襯底，中間媒介層，和氮化鎵基外延層之間的熱漲系數(shù)和晶格常數(shù)的不同所造成的應(yīng)力局部化并互相抵消一部分，因而，減少位錯和畸變，提高外延層的質(zhì)量。圖4展示紋理結(jié)構(gòu)的圖形的一個具體實施實例。
為避免外延生長時硅晶片生長襯底的邊緣向上翹起，因而使大直徑硅晶片作為生長襯底成為可行，可采取下列方法(1)硅晶片具有較高的熱導(dǎo)率，可使用較厚的硅晶片作為生長襯底。(2)非剛性固定硅晶片生長襯底于一個導(dǎo)熱良好的托盤上，使得硅晶片的邊緣不會向上翹起，均勻受熱。(3)上述方法的組合。
工藝流程102中間媒介層層疊在硅晶片生長襯底有紋理結(jié)構(gòu)的一面上。
在硅晶片上外延生長氮化鎵基外延層的最大問題在于晶格常數(shù)和熱脹系數(shù)的不同，引入中間媒介層將晶格常數(shù)和熱脹系數(shù)的不同的效應(yīng)降低到最小。
工藝流程102的第一個具體實施實例氮化鋁。在硅生長襯底上生長氮化鋁硅生長襯底放在金屬有機物化學(xué)氣相淀積爐(MOCVD)中，在大氣壓下，使用三甲脂鋁(trimethylaluminum，TMA)，和氨氣。在1000-1250攝氏度，生長厚度為10-300納米的有平滑表面的氮化鋁在硅生長襯底的(111)晶面上。
第二個具體實施實例氮化鋁/鋁。為防止氮化硅的形成，首先在硅生長襯底上生長厚度為幾個單原子層(monolayer)到幾個納米的鋁，再使用工藝流程102的第一個具體實施實例的方法繼續(xù)生長氮化鋁。
第三個具體實施實例成份分層結(jié)構(gòu)氮化鋁/硼鋁氮(BxAl1-xN)。在硅生長襯底上生長硼鋁氮硅生長襯底放在金屬有機物化學(xué)氣相淀積爐中，在大氣壓下，溫度為1050-1150攝氏度，使用三甲脂鋁，三乙基硼(TEB)，和氨氣，在硅生長襯底上生長硼鋁氮。硼鋁氮具有成份分層結(jié)構(gòu)在該層的不同深度，硼和鋁的成份不同，即不同的“x”的值。在與硅生長襯底接觸的硼鋁氮層，選擇“x”的值，使得硼鋁氮層和硅生長襯底之間的晶格常數(shù)的差別最小。然后“x”的值逐步減低直到0，即從硼鋁氮(BxAl1-xN)過渡成氮化鋁?！皒”的值可以連續(xù)變化，也可以不連續(xù)變化。
第四個具體實施實例氮化鋁/硼鋁氮/鋁。為防止氮化硅的形成，首先在硅生長襯底上生長厚度為幾個單原子層(monolayer)到幾個納米的鋁，再使用工藝流程102的第三個具體實施實例的方法繼續(xù)生長氮化鋁/硼鋁氮。
第五個具體實施實例n-類型鋁鎵氮(n-type AlxGa1-xN)。應(yīng)用n-類型鋁鎵氮作為中間媒介層直接生長在硅晶片生長襯底上。使用分子束外延爐(MBE)，在950-1050℃，通入氮氣，氨氣，硅烷(SiH4)，氯化氫。鎵，鋁，硅烷，氯化氫和氨氣反應(yīng)，生成n-類型鋁鎵氮，選擇“x”的值，使得不會有裂痕。由此得到的n-類型鋁鎵氮/導(dǎo)電硅生長襯底可以直接施行工藝流程104。
第六個具體實施實例氮化鋁/鈦/銦。在硅生長襯底上層疊一層銦，再層疊一層鈦，氮化鋁生長在鈦層上。
注意，本具體實施實例中的鈦，可以由鉿，鈧，鋯，釩，鉻，金，及它們的組合替換。
第七個具體實施實例氮化鋁/氮化鈦/鈦/銦。在硅生長襯底上層疊一層銦，再層疊一層鈦，放入金屬有機物化學(xué)氣相淀積爐中，在1000-1100℃，通入氨氣和氫氣，在鈦層的表面形成氮化鈦層。在氮化鈦層上繼續(xù)生長氮化鋁。
第八個具體實施實例鉿，鈧，鋯，釩，鉻，金。在硅生長襯底上層疊一層高熔點金屬，高熔點金屬層的材料包括，但不限于，金，鉿，鈧，鋯，釩，鈦，鉻，及它們的組合，層疊的方法包括，但不限于，真空蒸發(fā)法，真空濺鍍，磁控濺鍍。氮化鋁生長在高熔點金屬層上。
第九個具體實施實例在工藝流程102的第一，二，三，四，六，七，八個具體實施實例中的氮化鋁層上，在400-650℃溫度下，生長厚度為100-2000埃的氮化鎵層作為中間媒介層的表面層。采用兩步法生長中間媒介層的氮化鎵層。生長氮化鎵層包括兩個步驟在鎵元素按化學(xué)計量少于氮元素的條件下，例如鎵元素與氮元素按化學(xué)計量的比小于1，生長氮化鎵層，由此得到的氮化鎵層的表面粗糙，但是可以減少位錯和畸變；在鎵元素按化學(xué)計量多于氮元素的條件下，繼續(xù)生長氮化鎵層，由此生長的氮化鎵層的表面平滑，晶體質(zhì)量高。
工藝流程103n-類型限制層外延生長在中間媒介層的氮化鎵層上。利用MOCVD方法，在氮化鎵層上外延生長n-類型限制層。
注意，在中間媒介層的氮化鎵層上，也可以外延生長p-類型限制層。
工藝流程104在n-類型限制層上層疊氮化鎵基發(fā)光層。發(fā)光層的材料包括，但不限于，元素氮，硼，鋁，鎵，砷，磷，銦的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化鎵，銦鎵氮，鋁鎵氮，鋁銦鎵氮，銦鎵氮磷(InGaNP)，和鋁銦鎵氮磷(AlInGaNP)。發(fā)光層的結(jié)構(gòu)包括，但不限于，單量子阱，多量子阱。
工藝流程105在氮化鎵基發(fā)光層上層疊第二類型限制層。
工藝流程106在第二類型限制層上層疊反射/歐姆層。層疊方法包括，但不限于，真空蒸發(fā)法，真空濺鍍，化學(xué)鍍，電鍍，外延生長，等。反射/歐姆層的材料包括，但不限于，金，銠，鎳，鉑(Pt)，鎳/金(Ni/Au)，鈀/金(Pd/Au)，鈀/鎳(Pd/Ni)，等高反射率的金屬及組合，分布布拉格反射器。
工藝流程107選擇具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的支持襯底，層疊在反射/歐姆層上。支持襯底的材料包括，但不限于，金屬薄膜，導(dǎo)電硅晶片等。對于金屬薄膜支持襯底，層疊的方法包括，但不限于，電鍍，化學(xué)鍍，真空蒸發(fā)法，真空濺鍍，和金屬薄膜/晶片鍵合等。對于導(dǎo)電硅晶片支持襯底，層疊的方法包括，但不限于，晶片鍵合。
工藝流程108當(dāng)中間媒介層不包括低熔點金屬層時，剝離硅生長襯底得方法包括(1)機械研磨剝離硅生長襯底，機械研磨/拋光的厚度控制可以精密到一微米，可以利用機械研磨完全去掉硅生長襯底，也可以利用機械研磨去掉大部分硅生長襯底，例如90％，然后利用選擇性蝕刻腐蝕中間媒介層的剩余部分，直到第一類型限制層暴露。中間媒介層和第一類型限制層的總厚度要足以補償剝離硅生長襯底和中間媒介層的工藝過程中的公差。(2)直接利用選擇性蝕刻腐蝕硅生長襯底和中間媒介層，直到第一類型限制層暴露。腐蝕硅晶片是成熟的工藝。當(dāng)中間媒介層包括低熔點金屬層時，加熱直到低熔點金屬層熔化，分離硅生長襯底，然后利用選擇性蝕刻腐蝕中間媒介層的剩余部分，直到第一類型限制層暴露。
工藝流程109在溫度為400-900℃和氮氣環(huán)境中，進行熱處理。熱處理的作用包括(1)消除工藝流程108對第一類型限制層的損傷；(2)由于在熱處理中，第一類型限制層的表面不再受到由于硅生長襯底和中間媒介層的晶格常數(shù)的不同所造成的應(yīng)力的影響，因此第一類型限制層和發(fā)光層中的部分位錯和畸變恢復(fù)成正常的晶體結(jié)構(gòu)。
工藝流程110層疊電流擴散層和具有優(yōu)化圖形的第一電極。電流擴散層的材料包括，但不限于，氧化銦錫(ITO)。
圖2展示本發(fā)明的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的一個具體實施實例。反射/歐姆層202和第二電極203分別層疊在導(dǎo)電支持襯底201的兩側(cè)，第二類型限制層204層疊在反射/歐姆層202上，發(fā)光層205層疊在第二類型限制層204和第一類型限制層206之間，電流擴散層207層疊在第一類型限制層206和具有優(yōu)化的圖形的第一電極208之間。發(fā)光層205亦可以是單量子阱(SQW)或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電支持襯底201的全部底面作為第二電極203。
因為如下原因，采用以上方法生長的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有優(yōu)良質(zhì)量(1)在生長氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管外延層的工藝過程中，硅生長襯底與MOCVD的加熱底盤有良好的接觸，溫度分布均勻，生長于其上的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管外延層的質(zhì)量均勻；(2)硅生長襯底表面的紋理結(jié)構(gòu)使得氮化鎵基外延層和硅生長襯底之間的應(yīng)力最小化和局部化；(3)傳統(tǒng)的在硅生長襯底上外延生長氮化鎵基LED有一個不足之處由于氮化鎵和硅生長襯底的熱脹率的不同，在拉應(yīng)力下，氮化鎵基外延層變形。但是，采用本發(fā)明的圖1的工藝，在生長氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管外延層之后，硅生長襯底和中間媒介層已經(jīng)被剝離，該不足之處已不存在；(4)由于剝離硅生長襯底和中間媒介層后的熱處理，第一類型限制層和發(fā)光層的晶體質(zhì)量高，位錯和畸變密度低。
圖3展示室溫下，氮化鋁，氮化硼，氮化鎵，硼鋁氮，硼鎵氮，磷化硼，藍寶石，和硅的晶格常數(shù)(埃)和帶隙能量(電子伏)。硼鋁氮(BxAl1-xN)和硼鎵氮(ByGa1-yN)的晶格常數(shù)取決于“x”和“y”的值。
圖4a和圖4b分別展示表面紋理結(jié)構(gòu)400的一個具體實施實例的頂視圖和截面圖。表面紋理結(jié)構(gòu)400具有不同的類型。表面紋理結(jié)構(gòu)400包括井402和凸分隔401。凸分隔401的高度為納米到微米。表面紋理結(jié)構(gòu)400將會局部化和最小化由于兩個接觸面之間的熱脹率的不同產(chǎn)生的應(yīng)力。
圖5展示第一電極的優(yōu)化圖形的具體化實施實例。
圖5a展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第一個具體化實施實例的頂視圖。條-環(huán)-圖形第一電極包括打線焊點502在環(huán)501的中心。條503連接打線焊點502和環(huán)501的每一個環(huán)。確定兩個環(huán)之間的距離以便電流的分布更均勻。一個具體化實施實例兩個環(huán)之間的距離為200微米，環(huán)的寬度為40微米，打線焊點的尺寸為100×100微米。
圖5b展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第二個具體化實施實例的頂視圖。與圖5a不同之處是條503具有多于一個的條。
圖5c展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第三個具體化實施實例的頂視圖。與圖5a不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502在對角。
圖5d展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第四個具體化實施實例的頂視圖。與圖5b不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502在對角。
圖5e展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第五個具體化實施實例的頂視圖。與圖5b不同之處是條503具有十字形狀。
圖5f展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第六個具體化實施實例的頂視圖。與圖5e不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502在對角。
圖5g展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第七個具體化實施實例的頂視圖。與圖5a不同之處是環(huán)501是園形。
圖5h展示條-環(huán)-圖形的第一電極的第八個具體化實施實例的頂視圖。與圖5e不同之處是環(huán)501是園形。
圖5i展示格-圖形的第一電極的第一個具體化實施實例的頂視圖。打線焊點502在格504的中心。
圖5j展示格-圖形的第一電極的第二個具體化實施實例的頂視圖。與圖5i不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502在格504的對角。
圖5k展示柵-圖形的第一電極的第一個具體化實施實例的頂視圖。打線焊點502在柵505的底線中部。
圖5m展示柵-圖形的第一電極的第二個具體化實施實例的頂視圖。與圖5k不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502在柵505的對角。
圖5n展示柵-圖形的第一電極的第三個具體化實施實例的頂視圖。與圖5k不同之處是柵505的上部和下部沒有封口。
圖5p展示柵-圖形的第一電極的第四個具體化實施實例的頂視圖。與圖5n不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502在柵505的兩端。
圖5q展示螺旋-圖形的第一電極的第一個具體化實施實例的頂視圖。打線焊點502與螺旋506的中心端點連接。
圖5r展示螺旋-圖形的第一電極的第二個具體化實施實例的頂視圖。與圖5q不同之處是條503把螺旋506的每一圈連接起來。
圖5s展示螺旋-圖形的第一電極的第三個具體化實施實例的頂視圖。與圖5q不同之處是打線焊點502具有多于一個的打線焊點。兩個打線焊點502a和502b分別與螺旋506的中心端點和外緣端點連接。
圖5t展示螺旋-圖形的第一電極的第四個具體化實施實例的頂視圖。與圖5s不同之處是條503把螺旋506的每一圈連接起來。
注意在圖5a至5t中，(1)分別確定環(huán)，格，柵，和螺旋各圈之間的距離以便電流的分布更均勻；環(huán)，格，柵，和螺旋的尺寸的確定應(yīng)當(dāng)使得環(huán)，格，柵，和螺旋即可承受大電流又不會遮擋額外的光。(2)每一個第一電極即可層疊在外延層上也可層疊在電流擴散層上。(3)每一個第一電極即可以有一個打線焊點，也可以有多個打線焊點。(4)第一電極使得電流更均勻地分布在整個半導(dǎo)體芯片，因此更有效的利用發(fā)光層的材料，電流密度更高，因此半導(dǎo)體芯片的亮度更高。
上面的具體的描述并不限制本發(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)利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
1.一種批量生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件的方法包括下述工藝步驟-提供一個生長襯底；其中，所述的生長襯底的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，但不限于，硅，氧化鎂，氧化鋅；-層疊中間媒介層在所述的生長襯底上；其中，所述的中間媒介層具有一層或者多層結(jié)構(gòu)；所述的中間媒介層的每層的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，但不限于(A)元素氮，磷，硼，硅，碳，鋁，鎵，銦，鈦的二元系，三元系，和四元系，例如氮化鋁，氮化鎵，氮化鈦(TiN)，磷化硼(BP)，碳化硅，硼鋁氮，硼鎵氮，鋁鎵氮，銦鎵氮，鋁銦鎵氮，硼鋁鎵氮(BAlGaN)，及它們的組合；(B)低熔點金屬，低熔點金屬層的材料包括，但不限于，銦和錫；(C)高熔點金屬，高熔點金屬層的材料包括，但不限于，金，鉿，鈧，鋯，釩，鈦，鉻，及它們的組合；(D)上述材料(A)，(B)和(C)的組合；-依次層疊第一類型限制層，發(fā)光層和第二類型限制層于所述的中間媒介層上；-層疊導(dǎo)電的支持襯底于所述的第二類型限制層上，因此形成鍵合晶片；所述的導(dǎo)電的支持襯底的暴露的一面作為第二電極；-從鍵合晶片上剝離所述的生長襯底和中間媒介層，使得第一類型限制層暴露；剝離所述的生長襯底和中間媒介層的方法包括，但不限于(1)濕法選擇性蝕刻；(2)干法蝕刻；(3)機械研磨/拋光；(4)上述剝離方法的組合；-層疊具有優(yōu)化圖形的第一電極于所述的暴露的第一類型限制層上。
2.權(quán)利要求1的批量生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件的方法，進一步包括工藝步驟(1)在層疊所述的導(dǎo)電的支持襯底的工藝步驟之前，層疊反射/歐姆層在所述的第二類型限制層上；然后層疊所述的導(dǎo)電的支持襯底于反射/歐姆層上。
3.權(quán)利要求1的批量生產(chǎn)垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件的方法，其中，層疊反射/歐姆層的方法包括，但不限于，晶片鍵合，真空蒸鍍，真空濺鍍，化學(xué)鍍，電鍍，外延生長，上述方法的組合。
4.垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件包括-導(dǎo)電的支持襯底，該襯底的一面是第二電極；其中，所述的支持襯底的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，但不限于導(dǎo)電金屬，導(dǎo)電硅，和導(dǎo)電碳化硅；-第二類型限制層，該層層疊在所述的支持襯底的另一面上；其中，所述的第二類型限制層是n-類型限制層和p-類型限制層之一；-發(fā)光層，該層層疊在所述的第二類型限制層上；-第一類型限制層，該層層疊在所述的發(fā)光層上；其中，所述的第一類型限制層與所述的第二類型限制層不同；-具有優(yōu)化圖形的第一電極層疊在所述的第一類型限制層上，其中，所述的優(yōu)化圖形的第一電極包括至少一個打線焊點。
5.權(quán)利要求4的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件，其中，所述的發(fā)光層的材料是從一組材料中選出，該組材料包括，但不限于，元素氮，鋁，鎵，磷，銦的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化鎵，銦鎵氮，鋁鎵氮，鋁銦鎵氮，銦鎵氮磷(InGaNP)，和鋁銦鎵氮磷(AlInGaNP)；其中銦鎵氮，銦鎵氮磷，和鋁銦鎵氮磷已經(jīng)被應(yīng)用于白光LED。
6.權(quán)利要求4的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件，其中，所述的發(fā)光層的結(jié)構(gòu)包括，但不限于，單量子阱，多量子阱。
7.權(quán)利要求4的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件，進一步包括反射/歐姆層，所述的反射/歐姆層層疊在所述的第二類型限制層和所述的支持襯底之間；其中，反射/歐姆層的材料包括，但不限于，金，銠，鎳，鉑，鈀，等高反射率的金屬及其組合，組合包括，但不限于，鎳/金(Ni/Au)，鈀/金(Pd/Au)，鈀/鎳(Pd/Ni)；也可以是分布布拉格反射器(DBR)。
8.權(quán)利要求4的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件，其中所述的第一電極的優(yōu)化圖形的從一組圖形中選出，該組圖形包括，但不限于條-環(huán)-圖形，格-圖形，柵-圖形，和螺旋-圖形；所述的第一電極的圖形具有一個或多個打線焊點。
9.權(quán)利要求4的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片或器件，進一步包括電流擴散層；其中所述的電流擴散層層疊在所述的第一電極和所述的第一類型限制層之間；其中所述的電流擴散層的材料包括，但不限于，氧化銦錫(ITO)。
全文摘要
本發(fā)明展示垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片(包括GaN基和GaInPN基LEDs)及其批量生產(chǎn)的方法。批量生產(chǎn)方法包括下述工藝步驟層疊中間媒介層于硅生長襯底上，層疊第一類型限制層于中間媒介層上，層疊發(fā)光層和第二類型限制層于第一類型限制層上，層疊反射/歐姆層于第二類型限制層上，層疊導(dǎo)電的支持襯底于反射/歐姆層上，剝離生長襯底和中間媒介層(利用機械研磨/拋光方法或者蝕刻方法或者兩種方法的組合)，第一類型限制層暴露，層疊電流擴散層于第一類型限制層上，層疊具有優(yōu)化圖形的第一電極于電流擴散層上。
文檔編號H01L33/00GK1688030SQ20051005931
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者彭暉, 彭一芳 申請人:金芃