发光二极管和基板制造技术

薄层基板具有多个微米级导电晶须组件，所述晶须组件平行排列并且从基板的一个表面延伸到另一表面，以提供穿过基板的导电路径。这种基板可用于微米级LED。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】发光二极管和基板优先权要求本申请是2012年5月17日提交的、标题为“LightEmittingDiodesAndSubstrates”的国际申请No.PCT/CA2012/050326在35U.S.C§371下的美国国家阶段申请，通过引用将其公开内容全部并入。相关申请的交叉引用本申请要求2011年5月17日提交的、标题为“MICRONSIZEDLEDSSUPPORTEDBYALUMINACERAMICS”的美国临时专利申请No.61/486,997的优先权，其内容以引用方式并入本文。
技术介绍
发光二极管或LED正以越来越多样的方式被使用，并且LED的尺寸变得越来越小，以在更小的空间内容纳更多的二极管。二极管是最简单的一种半导体器件，它包括与富空穴（P型）材料电接触地布置的富电子（N型）材料。当电流流过二极管时，负电子向一个方向移动，而正空穴向相反方向移动。当电子遇到并“落入”空穴中时，它失去能量，能量作为光子发射。与常规白炽灯泡相比，LED每瓦特输出更多流明的光，并且一些LED可具有50,000小时或更长的寿命。氮化物半导体是一种可取的半导体材料体系，其用于在绿-蓝-紫外光谱中操作的发光器件。目前，在蓝宝石基板上生长的氮化物半导体结构用于传统蓝色LED、绿色LED、紫外（UV）LED和蓝色激光二极管（LD）器件。这些器件可用在包括全色显示器、交通信号灯、图像扫描仪、固态照明和高密度光学存储盘的各种应用中。然而，氮化物半导体生成大块单晶很困难且成本高。因此，常常使用异质外延技术在诸如蓝宝石的不同材料的基板上生长氮化物半导体。为了提高生长层的结晶质量，可能需要低温下的缓冲层生长、图案化、外延横向过生长或附加生长步骤来将晶体缺陷降低至发光器件的操作所需要的水平。需要进一步提高结晶质量以使得能够开发与传统器件相比寿命更长、输出功率更高且成本更低的更小的发光器件。由于蓝宝石具有低热导率并且电绝缘，所以蓝宝石上的氮化物半导体结构的功能受到限制。在蓝宝石基板上生长的发光器件的两个电触点均位于顶面上以形成横向型器件。这减小了光发射的可用面积。由于在横向器件中两个触点均位于顶面上，所以显著的横向电流流过芯片，从而导致发光器件变热，这加速了器件的劣化。另外，蓝宝石的热膨胀系数也很难与氮化物及其合金匹配。结果，蓝宝石基板上的氮化物基膜的生长呈现与晶片（wafer）直径相称的挑战。由于这些挑战，制造商已发现无论相关成本降低的可能性如何，很难提供更大的基板尺寸。因此，仍可取的是为半导体器件提供另选基板并降低诸如LED的半导体二极管的成本，同时减小二极管的尺寸并且每单位空间生成更多的二极管。
技术实现思路
本专利技术公开了基板、制备所述基板的方法、用所述基板制备的半导体二极管以及各种使用方法。所述基板可包括基本上平行的微米级晶须的阵列，所述晶须能够提供从基板的一面到另一面的多个电流路径。这些路径中的每一个由此可为诸如半导体二极管的微电子系统提供单独的触点。在一个实施方式中，一种基板包括：基体（matrix）材料；多个间隔开且基本上平行的导电晶须组件，所述晶须组件嵌入在所述基体材料中并在所述基板的第一表面与所述基板的相对的第二表面之间纵向延伸。在一个实施方式中，一种生成半导体二极管阵列的方法包括以下步骤：为所述二极管形成基板。所述形成基板的步骤包括以下步骤：在基体材料中形成多个间隔开且基本上平行的导电晶须组件的基体，其中所述晶须组件在所述基体的第一表面与所述基体的相对的第二表面之间纵向延伸，并且具有在所述第一表面中暴露的第一端面以及在所述第二表面中暴露的第二端面；以及对至少所述基体的所述第一表面进行抛光，以提供所述晶须组件的抛光的第一端面以便于其上的晶体生长。所述方法还包括以下步骤：在所述第一表面上与所述晶须组件的暴露的第一端面外延地生长至少一个半导体层；在所述半导体层上沉积第一电接触层以用于提供与所述半导体层的第一电接触；以及在所述基体的所述第二表面上沉积第二电接触层，该第二电接触层与所述晶须组件的所述第二端面接触，以用于经由所述基本上平行的晶须组件提供与所述半导体层的第二电接触。在一个实施方式中，一种基板包括多个间隔开且基本上平行的导电晶须组件的基体，所述晶须组件在所述基板的第一表面与所述基板的相对的第二表面之间纵向延伸，并且所述基板通过包括以下步骤的方法生成：在基体材料中形成所述多个间隔开且基本上平行的晶须组件的所述基体；以及使所述基体材料固化以形成所述基板。在一个实施方式中，一种生成用于微电子系统的基板的方法包括形成耐火基体。所述耐火基体包括：耐火材料中的多个间隔开且基本上平行的导电晶须组件，其中，所述晶须组件在所述材料的第一表面与所述材料的相对的第二表面之间纵向延伸，并且具有在所述第一表面中暴露的第一端面以及在所述第二表面中暴露的第二端面。所述方法还包括以下步骤：对所述耐火材料进行烧结以将所述晶须组件固定在所述耐火材料中。所述耐火材料可包括可烧结陶瓷。在一些情况下，可烧结陶瓷在等于或大于大约1,000℃的温度下稳定。所述可烧结陶瓷还可在大约1,000℃下具有小于大约1mmHg的蒸气压。在一个实施方式中，一种半导体二极管阵列包括：至少一个第一晶须组件，其包括导电材料；至少一个第二晶须组件，其包括导电材料，并且被设置为与所述第一晶须组件间隔开且基本上平行于所述第一晶须组件，各个晶须组件具有第一端面、第二端面以及从所述第一端面延伸到所述第二端面的纵向尺寸。所述阵列还包括：电绝缘材料，其设置在所述第一晶须组件和所述第二晶须组件之间并保持所述第一晶须组件和所述第二晶须组件，并且封装所述晶须组件的至少一部分，所述电绝缘材料具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述晶须组件的所述第一端面在所述第一表面中暴露，所述晶须组件的所述第二端面在所述第二表面中暴露；以及电致发光材料，其设置在所述第一端面上。一种半导体二极管片材包括：多个碳化硅晶须组件，其彼此间隔开并且在基板中基本上平行地对齐，其中，所述基板包括基体材料，所述基板片材具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述晶须组件具有位于所述基板片材的所述第一表面中的第一端面以及位于所述基板片材的所述第二表面中的第二端面。所述片材还包括：至少一个III-氮化物半导体层，其与所述第一端面外延地设置在所述第一表面上；第一电接触层，其在所述III-氮化物层上以用于提供与所述III-氮化物层的第一电接触；以及第二电接触层，其在所述基板片材的所述第二表面上，与所述晶须的所述第二端面接触，以用于经由所述晶须组件提供与所述III-氮化物层的第二电接触。附图说明图1A-1C是实施方式中可使用的(111)取向的β-碳化硅晶须的扫描电子显微镜图像。图2A-2B示出根据实施方式的可用于晶须的对齐（alignment）的带有凹槽的表面的示例。图3示出根据实施方式的在表面凹槽上沉积并在其中对齐的晶须。图4是根据实施方式的形成基板的方法的示意图。图5是根据实施方式的形成基板的另选方法的示意图。图6是根据实施方式的基板锭（substrateingot）的代表性示图。图7示出根据实施方式的图6的基板锭的代表性截面图。图8是根据实施方式的形成在基板层上的LED阵列的代表性示图。图9示出根据实施方式的代表性L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.17 US 61/486,9971.一种用于半导体器件的基板，该基板包括：基体材料；以及多个间隔开且平行的导电晶须组件，所述晶须组件嵌入在所述基体材料中并在所述基板的第一表面与所述基板的相对的第二表面之间纵向延伸，其中，所述晶须组件具有1微米至3微米的横截面直径，其中，所述晶须组件在所述基板的所述第一表面处具有暴露的第一端面，以及其中，至少一个半导体层在所述第一表面上与所述晶须组件的暴露的第一端面外延地生长。2.根据权利要求1所述的基板，其中，所述晶须组件包括至少一个导电单晶晶须。3.根据权利要求1所述的基板，其中，所述晶须组件包括下列项中的至少一个：至少一个单晶碳化硅晶须；以及至少一个单晶硅晶须。4.根据权利要求1所述的基板，其中，所述第一端面具有用于其上的外延晶体生长的晶向横截面。5.根据权利要求1所述的基板，其中，各个所述晶须组件包括被设置为与其它晶须组件至少部分地接触的多个单晶碳化硅晶须，以从所述第一表面延伸到所述第二表面并提供从所述第一表面延伸到所述第二表面的电路径。6.根据权利要求1所述的基板，其中，所述基体材料包括下列项中的一个：耐火材料；以及聚合物。7.根据权利要求6所述的基板，其中，所述耐火材料包括氧化铝、氧化铝和碳化硅晶须、氧化铝和硅晶须、氧化锆和碳化硅晶须、以及氧化锆和硅晶须中的至少一项的烧结陶瓷；并且所述聚合物包括聚酰亚胺和聚砜中的至少一个。8.一种生成半导体二极管阵列的方法，该方法包括以下步骤：为所述二极管形成基板，形成基板的步骤包括：在基体材料中形成多个间隔开且平行的导电晶须组件的基体，并且所述晶须组件在所述基体的第一表面与所述基体的相对的第二表面之间纵向延伸，并具有在所述第一表面中暴露的第一端面以及在所述第二表面中暴露的第二端面；以及对至少所述基体的所述第一表面进行抛光，以提供所述晶须组件的抛光的第一端面，以用于在基体的所述第一表面上的晶体生长；在所述第一表面上与所述晶须组件的暴露的第一端面外延地生长至少一个半导体层；在所述半导体层上沉积第一电接触层，以提供与所述半导体层的第一电接触；以及在所述基体的所述第二表面上沉积第二电接触层，该第二电接触层与所述晶须组件的所述第二端面接触，以经由平行的晶须组件提供与所述半导体层的第二电接触。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述导电晶须组件包括硅和碳化硅中的至少一个；并且所述基体材料包括电绝缘材料，以将所述晶须组件彼此电绝缘。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述半导体层包括III-氮化物半导体。11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述半导体层包括GaN、AlGaN、AlN、GaInN、AlGaInN、InN、GaInAsN和GaInPN中的至少一个。12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述形成基板的步骤包括以下步骤：在模板表面中提供多个平行的凹槽；形成碳化硅晶须的液体悬浮液；将所述晶须的液体悬浮液置于所述表面中的凹槽上，并使得所述晶须落到所述凹槽中并在所述凹槽中自己对齐，以形成平行的碳化硅晶须组件，各个晶须组件包括至少一个碳化硅晶须；以及将陶瓷材料的陶瓷浆料倾倒在落下的晶须上，并使得所述浆料干燥以将所述晶须保持在陶瓷材料中。13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述模板表面中提供所述多个平行的凹槽的步骤包括：在所述表面中按照20凹槽/mm至200凹槽/mm形成平行的凹槽。14.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述模板表面中提供所述多个平行的凹槽的步骤包括：获得具有在所述表面中按照20凹槽/mm至200凹槽/mm蚀刻的平行凹槽的材料。15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述凹槽具有基部以及介于凹槽之间的对应居间峰顶，所述凹槽和峰顶限定纵向尺寸，所述凹槽的所述基部和所述峰顶这二者在与所述纵向尺寸正交的方向上限定90°的角度。16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述陶瓷浆料填充在所述凹槽中并形成与所述凹槽对应的峰顶，并且所述方法还包括以下步骤：在使得所述浆料干燥之后，将干燥的浆料从所述表面移除，以形成表面上具有嵌入在峰顶中的晶须的第一陶瓷膜；按照与所述第一陶瓷膜相同的方式形成第二陶瓷膜；将所述第一陶瓷膜和第二陶瓷膜彼此接触地设置，并且所述第一陶瓷膜的峰顶设置在所述第二陶瓷膜的峰顶之间；以及对所述第一陶瓷膜和第二陶瓷膜施加压力，以将所述第一陶瓷膜和所述第二陶瓷膜层压在一起以形成层压单元，并且所述晶须组件呈线性阵列。17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括以下步骤：将层压单元封装在另外的陶瓷材料中，以形成棒状组件，并且所述晶须纵向地设置在所述棒状组件中；对所述棒状组件施加压力，以形成统一的陶瓷结构；进行烧结，以形成具有晶须组件的线性阵列的棒状陶瓷基板；以及将所述棒状陶瓷基板切割成足够为半导体二极管提供基板的长度。18.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括以下步骤：形成另外的层压单元；将多个层压单元按照彼此纵向对齐的方式层叠在一起，以形成线性阵列的晶须组件行；将层叠的所述多个层压单元封装在另外的陶瓷材料中，以形成棒状组件，并且所述晶须纵向地设置在所述棒状组件中；对所述棒状组件施加压力，以形成具有线性阵列的晶须组件行的统一的陶瓷结构；进行烧结，以形成棒状陶瓷基板；以及将所述棒状陶瓷基板切割成用于所述二极管的基板片材；并且其中，在所述第一表面上生长至少一个半导体层的步骤包括以下步骤：在所述基板片材上生长至少一个III-氮化物半导体层。19.根据权利要求8所述的方法，其中，生长至少一个半导体层的步骤包括生长足以提供工作LED的以下层：III-氮化物层、量子阱层、发光层、包层及以上各层的组合。20.根据权利要求8所述的方法，其中，生长至少一个半导体层的步骤包括生长足以提供工作LED的以下层：n掺杂III-氮化物层、p掺杂III-氮化物层及以上各层的组合。21.根据权利要求8所述的方法，其中，沉积所述第一电接触层的步骤包括以下步骤中的至少一个：在所述半导体层上沉积至少一种金属的层；在所述半导体层上沉积至少一种导电聚合物的层；以及在所述半导体层上沉积有机改性陶瓷和聚苯胺中的至少一个的层；并且沉积所述第二电接触层的步骤包括以下步骤中的至少一个：在所述基体的所述第二表面上沉积至少一种金属的层；在所述基体的所述第二表面上沉积至少一种导电聚合物的层；以及在所述基体的所述第二表...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·基泰，沈华翔，
申请(专利权)人：麦克马斯特大学，
类型：
国别省市：