用于半导体加工的玻璃陶瓷基材制造技术

实施方式涉及可用于LED发光器件的具有III-V半导体层(例如，GaN层)的玻璃陶瓷基材。玻璃陶瓷材料是钙长石-金红石(CaAl2Si2O8+TiO2)种类或者堇青石-顽辉石(Mg2Al4Si5O18+MgSiO3)种类。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请交叉参考本申请根据35U.S.C.§119，要求2012年6月29日提交的美国临时申请系列第61/666,385号的优先权。专利技术背景
实施方式涉及玻璃陶瓷基材，更具体地涉及可用于氮化镓(GaN)薄膜生长的玻璃陶瓷基材。技术背景发光二极管(LED)已经被商业化使用超过20年，并且具有包括能效、安全性、小尺寸和长使用寿命的合乎希望的属性。氮化镓是用于LED制造的主要材料。目前，蓝宝石(Al2O3)和硅是用于LED基材的常用材料。它们都具有良好的化学和热耐久性。但是，蓝宝石的可用量有限，并且其尺寸为小于100毫米(mm)直径，而硅在尺寸高至300mm直径是可用的。此外，这两种材料的热膨胀系数(CTE)都与GaN明显不同。该错配导致基材在生长过程中的弯曲和/或GaN晶体质量的高缺陷水平。会希望一种替代基材，其与GaN具有良好的CTE匹配，同时还具有良好的热稳定性(至1100℃)、化学耐用性以及表面抛光特性。专利技术概述实施方式描述了适用于层转移和外延生长的玻璃陶瓷基材。以玻璃状状态制备基材，形成至所需形状，然后陶瓷化成结晶。在结晶之后，将基材抛光至所需的表面粗糙度和/或施加平坦化层。然后基材可用作例如，晶体GaN晶种层的转移的受体。在提升的温度下，例如通过化学气相沉积，晶种层为较厚层的外延生长提供模板。在进一步加工至器件之后，可任选地通过研磨和抛光来去除基材，以释放器件。康宁公司最近开发了两种玻璃陶瓷组合物种类，其展现与GaN接近的CTE匹配。此外，这些材料具有如下所需的性质：1100℃时的热稳定以及抛光之后的低表面粗糙度。可以在LED制造过程之后通过研磨和抛光去除它们。因此，这些材料可呈现出GaN制造能力的阶跃变化。实施方式可具有一种或多种如下优势：目前，蓝宝石(Al2O3)和硅是用于LED基材的主要材料。它们都具有良好的化学和热耐久性。但是，蓝宝石的可用量有限，并且其尺寸为小于100mm直径，而硅在尺寸高至300mm直径是可用的。此外，这两种材料的热膨胀系数(CTE)都与GaN明显不同。该错配导致基材在生长过程中的弯曲和/或GaN晶体质量的高缺陷水平。本专利技术所述的玻璃陶瓷组合物被调节至匹配GaN的CTE。因此，对于膜缺陷和翘曲，它们相对于硅和蓝宝石具有优势。因为它们在高温下陶瓷化，它们比其他材料(例如，玻璃，其不能耐受1100℃的使用温度)是更为热稳定的。它们的小晶粒尺寸使得表面能够被抛光至层转移和外延生长所要求的水平。由于材料是以玻璃状状态制备的，该技术可规模化至更大的晶片尺寸和体积。在以下的详细描述中给出了本专利技术的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本专利技术的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本专利技术的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。附图简要说明图1显示用于GaN生长的现有技术基材的平均热膨胀。图2显示来自钙长石-金红石种类的一种示例性玻璃陶瓷相比于GaN的平均热膨胀。图3显示来自钙长石-金红石种类的第二种示例性玻璃陶瓷相比于GaN的平均热膨胀。图4显示来自堇青石-顽辉石种类的玻璃陶瓷相比于GaN的平均热膨胀。图5显示实施例2在其最终结晶化状态的X射线衍射(XRD)数据图。图6A和6B分别是上下二次电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)图，显示小于或等于1微米的晶体晶粒尺寸。专利技术详述下面详细参考玻璃陶瓷及其在LED制品中的使用的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。一个实施方式是一种制品，该制品包括：玻璃陶瓷基材；以及设置在所述基材的表面上的包含III-V半导体的层，其中所述基材包含钙长石-金红石(CaAl2Si2O8+TiO2)或者堇青石-顽辉石(SiO2-Al2O3-MgO-TiO2)材料。III-V半导体可包括Al、Ga、In或其组合，以及N、P、As或其组合。III-V半导体可以是GaN、GaP、AlGaAs、InGaAs、InGaN、AlGaP或其组合。在一个实施方式中，III-V半导体是GaN。另一个实施方式是一种制品，该制品包括：玻璃陶瓷基材；以及设置在所述基材的表面上的包含GaN的层，其中所述基材包含钙长石-金红石(CaAl2Si2O8+TiO2)或者堇青石-顽辉石(SiO2-Al2O3-MgO-TiO2)材料。所述基材大于或等于80％，例如大于或等于90％的体积会是晶相。晶相可以在整个体积中分散。所述基材小于或等于20％，例如小于或等于10％的体积会是玻璃状相。玻璃状相可以在整个体积中分散。所述基材可以是，例如大于或等于80％的晶相以及小于或等于20％的玻璃状相。在一个实施方式中，GaN层和基材的CTE相互在±5x 10-7内。基材和层的CTE都是60x 10-7+5。表面可具有小于或等于100nm，例如小于或等于50nm的平均粗糙度。基材可具有小于或等于5微米的平均晶粒尺寸，例如小于或等于4微米，小于或等于3微米，小于或等于2微米，小于或等于1微米，小于或等于0.5微米。在一个实施方式中，基板是不含碱的。基材可以是不含Au、Pd、Ag或者Pt，例如不含Au、Pd、Ag和Pt。基材可以不含As。在一个实施方式中，Ni、Na、Cu、Fe、Cr、Ca、Ti、K、Mg或者Zn分别有小于500ppm从基材扩散出来，例如，在提升的温度下或者浸入湿化学溶液的后续器件加工过程中。在另一个实施方式中，以重量百分数表示，所述基材包含：a.15-20CaO；b.30-35Al2O3；c.35-40SiO2；以及d.12-16TiO2。如权利要求1所述的制品，其中，以重量百分数表示，所述基材包含：e.40-55SiO2；f.10-15Al2O3；g.20-30MgO；h.1-5CaO；以及i.5-15TiO2。在另一个实施方式中，以重量百分数表示，所述基材包含：j.45-50SiO2；k.10-15Al2O3；l.2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制品，该制品包括：玻璃陶瓷基材；以及设置在所述基材的表面上的包含III‑V半导体的层，其中所述基材包含钙长石‑金红石(CaAl2Si2O8+TiO2)或者堇青石‑顽辉石(SiO2‑Al2O3‑MgO‑TiO2)材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.29 US 61/666,3851.一种制品，该制品包括：玻璃陶瓷基材；以及设置在所述基材的表面上
的包含III-V半导体的层，其中所述基材包含钙长石-金红石(CaAl2Si2O8+
TiO2)或者堇青石-顽辉石(SiO2-Al2O3-MgO-TiO2)材料。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述III-V半导体包括Al、Ga、
In或其组合，以及N、P、As或其组合。
3.如权利要求2所述的制品，其特征在于，所述III-V半导体是GaN、GaP、
AlGaAs、InGaAs、InGaN、AlGaP或其组合。
4.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述基材大于或等于80％的体
积是晶相。
5.如权利要求4所述的制品，其特征在于，晶相分散在整个体积中。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述基材小于或等于20％的体
积是玻璃状相。
7.如权利要求6所述的制品，其特征在于，玻璃状相分散在整个体积中。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于，层和基材的CTE相互在±5x10-7内。
9.如权利要求1所述的制品，其特征在于，层和基材的CTE都是60x10-7+5。
10.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述表面的平均粗糙度小
于...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·H·比尔，J·G·库亚德，S·马加诺维克，G·A·默克尔，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US