本发明专利技术展示垂直结构的半导体芯片（包括ＧａＮ基和ＧａＩｎＰＮ基ＬＥＤｓ）及其批量生产的方法。批量生产方法包括下述工艺步骤：层叠中间媒介层于硅生长衬底上，层叠第一类型限制层于中间媒介层上，层叠发光层和第二类型限制层于第一类型限制层上，层叠反射／欧姆层于第二类型限制层上，层叠导电的支持衬底于反射／欧姆层上，剥离生长衬底和中间媒介层（利用机械研磨／抛光方法或者蚀刻方法或者两种方法的组合），第一类型限制层暴露，层叠电流扩散层于第一类型限制层上，层叠具有优化图形的第一电极于电流扩散层上。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术揭示生长于大直径的硅衬底上的高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管及其在硅晶片上生长的技术和工艺，属于半导体电子
技术介绍
大功率半导体发光二极管具有取代白炽灯的巨大前途，但是，首先要解决技术上的问题，主要问题包括，光取出效率低，散热效率低，和生产成本高。为解决横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的散热问题，倒装焊技术被提出。但是，倒装焊技术工艺复杂，成本高。因此，大量的研究投入垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的两个电极分别层叠在支持衬底的两面。垂直结构的发光二极管不但具备倒装焊发光二极管的散热效率高的优点，不具备倒装焊技术的缺点，而且具备电流分布均匀，电流密度大，电阻较低，正向电压较低，可靠性较高，光取出效率高等优点。但是，利用激光方法剥离蓝宝石的工艺复杂，成本高。为降低大功率半导体发光二极管的生产成本，一个成效显著的方法是使用大直径的生长衬底，而生产大直径的氮化镓，氮化铝，蓝宝石，氧化锌，和碳化硅晶片技术上很困难，成本很高。氮化镓晶片是生长氮化镓基半导体发光二极管的最佳生长衬底，氮化镓基外延层和氮化镓生长衬底之间的晶格常数和热胀系数相同，不会产生位错(dislocation)和畸变(distortion)，因此外延层的质量最高，但是氮化镓商品晶片的价格极其昂贵，且晶片直径小。工业上，蓝宝石和碳化硅晶片被作为生长氮化镓基半导体发光二极管的生长衬底。但是，蓝宝石晶片的导热性能低，价格偏高。碳化硅晶片不但价格高，并且具有本征材料缺陷。大直径的蓝宝石和碳化硅晶片都没有商业化。硅晶片的优点如下导热率高，价格低，商品晶片直径大(因此生产成本进一步降低)，质量高。因此，大量的研究工作集中于在硅晶片上生长氮化镓基半导体发光二极管。在硅晶片上生长氮化镓外延层的主要困难来源于氮化镓外延层和硅晶片之间的热涨系数和晶格常数的极大的不同，该不同造成氮化镓外延层内的巨大应力，该应力降低外延层的质量。氮化镓外延层和硅晶片之间的热涨系数的不同所造成氮化镓外延层内的巨大应力产生于外延生长后的冷却过程，从外延生长的约1050摄氏度冷却到室温的约20摄氏度，约1000摄氏度的温度差在氮化镓外延层内产生巨大应力，该应力产生位错和畸变，降低外延层的质量。另外，当使用大直径硅晶片时，均匀性成为非常重要的关键。第一，很小的温度起伏会造成外延层生长速度和组成成份比例的显著变化，因此引起外延层的电/光特性的不均匀性。第二，由于硅晶片的上表面辐射热能和接触硅晶片上表面的气体吸收热能，因此在外延生长过程中，硅晶片的边缘向上翘起，这导致硅晶片表面的温度呈径向不均匀分布，并引起外延层的电/光特性呈径向不均匀性。均匀性问题限制了可以使用的硅生长衬底的直径。因此，需要生长于大直径的硅生长衬底上的高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管和低成本的批量生产的工艺方法，由此得到的生产工艺方法可以应用于其它半导体芯片或器件，又能够避免上面提到的缺点。
技术实现思路
本专利技术揭示几种具有不同结构的生长于硅衬底上的高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，以及在大直径硅晶片上低成本生长高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的工艺方法。主要工艺步骤如下蚀刻硅晶片生长衬底的上表面以形成纹理结构，层叠中间媒介层在具有纹理结构的硅晶片生长衬底的上表面，然后，依次层叠第一类型限制层，氮化镓基发光层，第二类型限制层，反射欧姆层，支持衬底(支持衬底的暴露的一面上层叠第二电极)，剥离硅晶片生长衬底和中间媒介层，第一类型限制层暴露，依次层叠电流扩散层和具有优化图形的第一电极在暴露的第一类型限制层上。可以选用导电硅晶片或其它导电材料作为支持衬底。使用硅晶片作为生长衬底和支持衬底带来巨大的好处(1)硅晶片的直径大，目前最大为300毫米。一片200毫米的硅晶片的可利用面积至少等同于16片50毫米的蓝宝石晶片；因此，外延生长，光刻，层叠电极等工艺的生产率极大的提高，生产成本降低；(2)硅晶片的价格比蓝宝石和碳化硅生长衬底低，成本进一步降低；(3)硅晶片的导热性能优于蓝宝石，可以用于大功率氮化镓基半导体发光二极管。本专利技术揭示的在硅晶片生长衬底上生长高质量的垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术和生产方法，可以应用于其他半导体芯片或器件。本专利技术的目的和能达到的各项效果如下(1)本专利技术的目的是提供在大直径的硅晶片上低成本生长的高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管。(2)本专利技术的硅晶片生长衬底的表面上的纹理结构最小化和局部化氮化镓基外延层和硅晶片之间的热涨系数的不同所带来的效应，该效应造成氮化镓基外延层内的应力，该应力降低外延层的质量。(3)本专利技术的中间媒介层降低氮化镓基外延层和硅晶片生长衬底之间的晶格常数的不同所带来的效应，该效应造成氮化镓外延层内的应力，该应力降低外延层的质量 (4)本专利技术的反射/欧姆层提高光取出效率。(5)本专利技术使用具有高导热率的导电硅晶片或其它导电材料作为支持衬底，热传导效率高。(6)本专利技术的硅晶片生长衬底很容易被剥离。(7)本专利技术的具有优化图形的第一电极使得电流分布均匀，电流密度增大，发光亮度更高，防静电能力更强。(8)本专利技术的目的是提供低成本的批量生产高质量的垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的方法。本专利技术和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。附图说明图1是本专利技术的在大直径的硅晶片生长衬底上低成本生长高质量的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的工艺流程的一些具体实施实例。图2是本专利技术的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的一个具体实施实例的截面图。图3是室温下，氮化镓，氮化铝，氮化硼，磷化硼，硼铝氮，和硼镓氮的晶格常数(埃)和带隙能量(电子伏)。图4a是本专利技术的纹理结构的顶视图。图4b是本专利技术的的纹理结构的截面图。图5a到5t是第一电极的优化图形的具体化实施实例。具体实施实例和专利技术的详细描述虽然本专利技术的具体化实施实例将会在下面被描述，但下列各项描述只是说明本专利技术的原理，而不是局限本专利技术于下列各项具体化实施实例的描述。注意下列各项(1) 图1展示生产垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的技术和工艺。但是相同的技术和工艺可以应用于其它的半导体发光二极管的生产。(2) 本专利技术中的“氮化镓基”包括由元素镓，铝，硼，铟，氮，磷所组成的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如，氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)，硼铝氮(BAlN)，硼镓氮(BGaN)，铝镓氮(AlGaN)，铟镓氮(InGaN)，铝镓铟氮(AlInGaN)，铝镓氮磷(AlGaNP)，铝镓铟氮磷(AlInGaNP)，等。(3) 本专利技术的生长衬底的材料包括，但不限于，硅晶片生长衬底，氧化镁，氧化锌。硅生长衬底的晶体平面的取向可以是，但不限于，(111)。(4) 本专利技术的生长衬底的一面可以具有由蚀刻形成的纹理结构。蚀刻方法包括湿法和干法。湿法化学蚀刻的一个具体实施实例使用NHO3和HF的醋酸溶液蚀刻硅晶片。干法蚀刻的一个具体实施实例等离子体蚀刻。(5) 为了在外延生长时，本专利技术的硅生长衬底的边缘不会向上翘起，可以使用，但不限于，下述方法(1)非刚性固定硅生长衬底于一个导热良好的托盘上。托盘的材料包括，但不限于，钼本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种批量生产垂直结构的半导体芯片或器件的方法包括下述工艺步骤：－提供一个生长衬底；其中，所述的生长衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，硅，氧化镁，氧化锌；－层叠中间媒介层在所述的生长衬底上；其中，所述的中间 媒介层具有一层或者多层结构；所述的中间媒介层的每层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：（Ａ）元素氮，磷，硼，硅，碳，铝，镓，铟，钛的二元系，三元系，和四元系，例如：氯化铝，氮化镓，氮化钛（ＴｉＮ），磷化硼（ＢＰ），碳化硅，硼铝氮，硼镓氮，铝镓氮，铟镓氮，铝铟镓氮，硼铝镓氮（ＢＡｌＧａＮ），及它们的组合；（Ｂ）低熔点金属，低熔点金属层的材料包括，但不限于，铟和锡；（Ｃ）高熔点金属，高熔点金属层的材料包括，但不限于，金，铪，钪，鋯，钒，钛，铬，及它们的组合；（Ｄ）上述材料（Ａ），（Ｂ）和（Ｃ）的组合；－依次层叠第一类型限制层，发光层和第二类型限制层于所述的中间媒介层上；－层叠导电的支持衬底于所述的第二类型限制层上，因此形成键合晶片；所述的导电的支持衬底的暴露的一面作为第二电极； －从键合晶片上剥离所述的生长衬底和中间媒介层，使得第一类型限制层暴露；剥离所述的生长衬底和中间媒介层的方法包括，但不限于：（１）湿法选择性蚀刻；（２）干法蚀刻；（３）机械研磨／抛光；（４）上述剥离方法的组合；－层叠具有优化图形的第一 电极于所述的暴露的第一类型限制层上。...
【技术特征摘要】
1.一种批量生产垂直结构的半导体芯片或器件的方法包括下述工艺步骤-提供一个生长衬底；其中，所述的生长衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，硅，氧化镁，氧化锌；-层叠中间媒介层在所述的生长衬底上；其中，所述的中间媒介层具有一层或者多层结构；所述的中间媒介层的每层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于(A)元素氮，磷，硼，硅，碳，铝，镓，铟，钛的二元系，三元系，和四元系，例如氮化铝，氮化镓，氮化钛(TiN)，磷化硼(BP)，碳化硅，硼铝氮，硼镓氮，铝镓氮，铟镓氮，铝铟镓氮，硼铝镓氮(BAlGaN)，及它们的组合；(B)低熔点金属，低熔点金属层的材料包括，但不限于，铟和锡；(C)高熔点金属，高熔点金属层的材料包括，但不限于，金，铪，钪，鋯，钒，钛，铬，及它们的组合；(D)上述材料(A)，(B)和(C)的组合；-依次层叠第一类型限制层，发光层和第二类型限制层于所述的中间媒介层上；-层叠导电的支持衬底于所述的第二类型限制层上，因此形成键合晶片；所述的导电的支持衬底的暴露的一面作为第二电极；-从键合晶片上剥离所述的生长衬底和中间媒介层，使得第一类型限制层暴露；剥离所述的生长衬底和中间媒介层的方法包括，但不限于(1)湿法选择性蚀刻；(2)干法蚀刻；(3)机械研磨/抛光；(4)上述剥离方法的组合；-层叠具有优化图形的第一电极于所述的暴露的第一类型限制层上。2.权利要求1的批量生产垂直结构的半导体芯片或器件的方法，进一步包括工艺步骤(1)在层叠所述的导电的支持衬底的工艺步骤之前，层叠反射/欧姆层在所述的第二类型限制层上；然后层叠所述的导电的支持衬底于反射/欧姆层上。3.权利要求1的批量生产垂直结构的半导体芯片或器件的方法，其中，层叠反射/欧姆层的方法包括，但不限于，晶片键合，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，外延生长，上述方法的组合。4.垂直结构的半导体芯片或器件包括-导电的支持衬底，该衬底的一面是第二电极...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭晖，彭一芳，
申请(专利权)人：金芃，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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