具有生长于硅基板上的低缺陷N型层的发光二极管制造技术

一种竖直的基于GaN的蓝光LED具有n型GaN层，n型GaN层直接生长于低电阻层(LRL)上，而低电阻层(LRL)生长于硅基板之上。在一个范例中，LRL为具有厚度小于300nm的周期的低方块电阻GaN/AlGaN超晶格。在超晶格上生长n型GaN层减少了n型层内的晶格缺陷密度。在形成LED的外延层之后，将导电载体晶圆接合至所述结构。然后去除硅基板。加入电极，并且切割结构以形成完成的LED装置。在一些范例中，一些或全部LRL保持在完成的LED装置内，使得LRL也起到电流扩展功能。在另一范例中，LRL被完整去除，使得完成的LED装置内没有任何LRL。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有生长于硅基板上的低缺陷N型层的发光二极管
本公开总体涉及在硅基板上制造的基于氮化镓(GaN)的蓝光LED及其相关方法与结构。
技术介绍
发光二极管(LED)是一种将电能转换成光的固态装置。当供应电压通过相对的掺杂的层时，光从夹在掺杂层之间的半导体材料的有源层发出。目前有许多不同的LED装置结构由不同材料制成，具有不同结构并且以不同方式执行。某些发出激光，某些产生非单色以及非相干光。某些适合特定应用。某些为高功率装置，而其它则不是。某些发出作为红外辐射的光，某些发出各种颜色的可见光，另外其它则发出紫外光。某些制造成本昂贵，而其它则便宜。针对一般商业照明应用，常使用蓝光LED结构。这种蓝光LED具有含铟镓氮的多量子讲(Multiple Quantum Well, MQff)有源层,其可发出例如波长范围440纳米到490纳米的非单色且非相干光。接下来通常会提供荧光粉涂层，其吸收部分发出的蓝光。荧光粉接着发出荧光以发出其它波长的光，如此整体LED装置所发出的光具有较广的波长范围。发出较广波长范围的整体LED装置通常称为“白光” LED。虽然氮化镓基板晶圆是可用的，不过它们价格昂贵。因此，商用蓝光LED的外延层通常生长于其它类型基板的晶圆上，例如蓝宝石基板。不过这些其它基板仍旧相当昂贵。个人计算机内使用的一般集成电路通常制造在硅基板上。由于用于计算机工业的硅基板大量生产，硅基板与蓝宝石基板比较起来相对便宜。而且，由于集成电路制造公司经常升级制造设备以便跟上集成电路制造技术的进步，因此二手的用以处理硅基板晶圆的半导体工艺设备通常可低价购得。因此从成本的观点来看，期望能够在相对便宜的硅基板晶圆上制造基于氮化镓(GaN)的LED，并且使用可取得的二手半导体工艺设备来处理这种硅晶圆，不过在娃基板上生长闻质量GaN外延层仍旧有许多问题。与在硅基板上生长高质量GaN外延层相关联的许多问题，来自于硅的晶格常数与GaN的晶格常数有相当大的差异。当GaN外延生长于硅基板上时，所生长的外延材料会表现出非期望的高密度晶格缺陷。如果GaN层生长到足够厚，则GaN层内的应力会导致GaN材料的后续生长部分产生某种破裂。并且，硅与GaN具有不同的热膨胀系数。例如如果包含设置在硅基板上的GaN的结构的温度升高，则该结构的硅材料部分的膨胀率会与GaN材料的膨胀率不同。这些不同的热膨胀率会在LED装置的各个层之间产生应力。此应力可能导致破裂以及其它问题。更进一步，因为GaN为化合物材料而硅(Si)为元素材料，所以在硅基板上难以生长GaN。从非极性转变成极性结构，结合大量的晶格失配，会产生缺陷。由于这些与其它原因，大部分可商购的白光LED装置的外延LED结构并不是生长于硅基板上。因此仍寻求在硅基板上制造蓝光LED的改进工艺以及结构。制造在娃基板上生长的蓝光LED通常也涉及晶圆接合(wafer bonding)。在现有技术工艺中，外延蓝光LED结构生长于非GaN基板上，以形成装置晶圆结构。在外延LED结构上形成一层银，用作反射镜。然后在银反射镜上设置包含多周期的钼和钛钨的阻障金属层。每一周期内的钼层为60nm薄层。每一周期内的钛/钨层大约IOnm厚，并且包含大约百分之九十的钨。提供五个或以上的这种周期。一旦以此方式形成装置晶圆结构，则载体晶圆结构被晶圆接合至装置晶圆结构。然后去除装置晶圆结构的原始非GaN基板，将产生的晶圆接合结构切割形成LED装置。在此现有技术工艺中，使用接合金属层将载体晶圆结构晶圆接合至装置晶圆结构。此接合金属层包含金/锡子层。当金/锡子层在晶圆接合期间熔化时，由于多周期阻障金属层的厚度以及短的高温循环被使用来熔化接合金属，所以来自此金/锡子层的锡不会穿过银层。此现有技术工艺被认为工作良好。
技术实现思路
在第一创新方面中，白光LED组件包括蓝光LED装置。通过在硅基板之上外延生长低电阻层(LRL)来制造该蓝光LED装置。在一个范例中，缓冲层直接生长于硅晶圆基板上，然后非掺杂的氮化镓样板层直接生长于缓冲层上，接下来在样板层上直接生长LRL。在一个范例中，LRL为包括多个周期的超晶格结构，其中每一周期是薄的(厚度小于300nm)，并且包含相对厚的氮化镓子层(例如IOOnm厚)以及相对薄的非掺杂的氮化镓铝子层(例如25nm厚)。LRL的底部子层为GaN子层。LRL的顶部子层也为GaN子层。LRL内有四个非掺杂的氮化镓铝子层。蓝光LED装置包含夹在两个相反掺杂的掺杂层之间的含铟发光有源层。这一在两个相反掺杂的掺杂层之间夹入有源层的结构称为“PAN结构”。PAN结构的η型层直接生长于LRL的上表面上，如此η型层直接设置在LRL的GaN子层上。η型层可包含氮化镓以及氮化镓铝的周期，但是η型层的氮化镓子层大体上比LRL的氮化镓子层厚。此外，η型层的氮化镓铝子层大体上比LRL的氮化镓铝子层薄。η型层的氮化镓铝子层掺杂硅，具有超过IxlO18原子/cm3的硅浓度，而LRL层的氮化镓铝子层则未掺杂，并且具有低于IxlO18原子/cm3的硅浓度。在后续处理中，硅装置晶圆结构的面侧被晶圆接合至包含导电载体的载体晶圆结构。导电载体可例如为掺杂为可导电的单晶硅晶圆。此晶圆接合之后，利用化学机械抛光和/或其它合适的方法，去除原始的硅晶圆基板。在第一特定范例中，去除原始硅晶圆基板、缓冲层以及样板层，但是留下LRL层的至少一部分。在去除步骤之后，留下的LRL层的暴露表面为氮化镓子层。加入电极，并且将晶圆接合结构切割成个别的蓝光LED装置。在每一个蓝光LED装置内，PAN结构的η型层直接接触LRL层的至少一部分。LRL层在LRL/n型层界面的方块电阻低于η型层在LRL/n型层界面的方块电阻。η型层的方块电阻超过每方块十五欧姆。在这种蓝光LED装置内，LRL具有两种功能。第一功能为在生长η型氮化镓层的工艺中，LRL的存在降低了 η型层内本应存在的晶格缺陷密度。LRL用于阻止来自下方样板层内的错位纹路往上延伸至η型层。第二功能为电流扩展功能。形成LRL使得所谓的高迁移率电子的二维气体存在于LRL的超晶格层内。由于此二维电子气体，LRL在LRL/n型层界面的方块电阻大体上低于η型层的方块电阻。相对低电阻系数的LRL有利于η型层一侧的横向电流扩展。因此，LED工作期间通过LRL/n型层界面平面的电流比LRL不存在的情况更均匀。在第二特定范例中，原始硅晶圆基板、缓冲层、样板层以及LRL层皆被去除。LRL完全去除。加入电极，并且将晶圆接合结构切割成个别LED装置。在每一个LED装置内，PAN结构的η型层并不与LRL层的任何一部分接触，因为LRL已被完全去除。在此第二特定范例中，LRL提供降低η型层内晶格缺陷密度的第一功能。在第二创新方面中，晶圆接合工艺包含通过熔化共熔金属层，以晶圆接合载体晶圆结构至装置晶圆结构，从而形成晶圆接合结构。在熔化之前，装置晶圆结构包含设置在基板上的外延LED结构，如其上生长外延LED结构的硅基板。装置晶圆结构进一步包括设置在外延LED结构之上的非反应性阻障金属层。在一个范例中，非反应性阻障金属层为厚度超过50nm的单一钛层。在一个范例中，共熔金属层包含第一金子层、金/锡子层以及第二金子层，其中金/锡子层设置在两个金子层之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造发光二极管(LED)装置的方法，包括：(a)在硅基板之上形成超晶格结构，其中所述超晶格结构包括多个周期，并且其中所述超晶格结构的毎一周期包括氮化镓铝子层以及氮化镓子层；(b)直接在所述超晶格结构之上形成n型层；(c)在所述n型层之上形成有源层，其中所述有源层包括一定量的铟；(d)在所述有源层之上形成p型层，使得所述硅基板、超晶格结构、所述n型层、所述有源层以及所述p型层形成第一结构；(e)将导电载体接合至所述第一结构，从而形成第二结构；以及(f)从所述第二结构去除所述硅基板，从而形成第三结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.08.02 US 13/196,8541.一种制造发光二极管(LED)装置的方法，包括: (a)在硅基板之上形成超晶格结构，其中所述超晶格结构包括多个周期，并且其中所述超晶格结构的每一周期包括氮化镓铝子层以及氮化镓子层； (b)直接在所述超晶格结构之上形成η型层； (c)在所述η型层之上形成有源层，其中所述有源层包括一定量的铟； (d)在所述有源层之上形成P型层，使得所述硅基板、超晶格结构、所述η型层、所述有源层以及所述P型层形成第一结构； (e)将导电载体接合至所述第一结构，从而形成第二结构；以及 (f)从所述第二结构去除所述硅基板，从而形成第三结构。2.如权利要求1所述的制造方法，进一步包括: (g)在所述第三结构上形成电极；以及 (h)切割所述第三结构，从而形成所述LED装置。3.如权利要求1所述的制造方法，其中所述η型层包括多个周期，其中所述η型层的每一周期包括氮化镓子层以及氮化镓铝，其中所述η型层的氮化镓子层比所述超晶格的所述氮化镓子层厚，并且其中所述η型层的所述氮化镓铝子层比所述超晶格的所述氮化镓铝子层薄。4.如权利要求1所述的 制造方法，其中所述超晶格的所述氮化镓铝子层具有低于IxlO18原子/cm3的硅浓度，并且其中所述η型层的所述氮化镓铝子层具有高于IxlO18原子/cm3的硅浓度。5.如权利要求1所述的制造方法，其中所述超晶格结构在界面处触及所述η型层，其中所述超晶格结构在所述界面处具有方块电阻，其中所述η型层在所述界面处具有方块电阻，并且其中所述超晶格结构在所述界面处的方块电阻小于所述η型层在所述界面处的方块电阻。6.如权利要求1所述的制造方法，其中所述η型层包括多个周期，其中所述η型层的每一周期包括相对厚的氮化镓子层以及相对薄的其它材料层，并且其中所述其它材料选自由以下构成的组:氮化铝以及掺杂硅的氮化镓铝。7.如权利要求2所述的制造方法，其中在(f)中，将所述超晶格结构与所述硅基板一起完全去除。8.如权利要求2所述的制造方法，其中在(f)中，将所述超晶格结构的一些而非全部与所述娃基板一起去除。9.如权利要求2所述的制造方法，其中在(f)中，将所述超晶格结构以及一部分所述η型层与所述硅基板一起去除。10.如权利要求1所述的制造方法，进一步包括: (g)在(a)之前，在所述硅基板上形成缓冲层，并且随后在所述缓冲层上形成样板层，其中在(a)中将所述超晶格结构直接形成于所述样板层上。11.如权利要求1所述的制造方法，进一步包括: 在(f)之后，将所述超晶格结构的表面粗糙化。12.如权利要求1所述的方法，其中，(e)的所述接合包括使用共熔接合金属层来将载体晶圆结构晶圆接合至所述第一结构，其中所述导电载体为所述载体晶圆结构的一部分。13.一种发出非单色光的发光二极管(LED)装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈振，
申请(专利权)人：东芝技术中心有限公司，
类型：
国别省市：