[發(fā)明專利]具有生長于硅基板上的低缺陷N型層的發(fā)光二極管

無效

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• 申請日: 2012-06-09
• 公開（公告）號: CN103636007A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設計）人: 陳振
• 申請（專利權）人: 東芝技術中心有限公司
• 主分類號: H01L33/04
• 分類號: H01L33/04;H01L33/12;H01L33/22
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 陳松濤;韓宏

技術領域

本公開總體涉及在硅基板上制造的基于氮化鎵(GaN)的藍光LED及其相關方法與結構。

背景技術

發(fā)光二極管(LED)是一種將電能轉換成光的固態(tài)裝置。當供應電壓通過相對的摻雜的層時，光從夾在摻雜層之間的半導體材料的有源層發(fā)出。目前有許多不同的LED裝置結構由不同材料制成，具有不同結構并且以不同方式執(zhí)行。某些發(fā)出激光，某些產(chǎn)生非單色以及非相干光。某些適合特定應用。某些為高功率裝置，而其它則不是。某些發(fā)出作為紅外輻射的光，某些發(fā)出各種顏色的可見光，另外其它則發(fā)出紫外光。某些制造成本昂貴，而其它則便宜。針對一般商業(yè)照明應用，常使用藍光LED結構。這種藍光LED具有含銦鎵氮的多量子阱(Multiple?Quantum?Well，MQW)有源層，其可發(fā)出例如波長范圍440納米到490納米的非單色且非相干光。接下來通常會提供熒光粉涂層，其吸收部分發(fā)出的藍光。熒光粉接著發(fā)出熒光以發(fā)出其它波長的光，如此整體LED裝置所發(fā)出的光具有較廣的波長范圍。發(fā)出較廣波長范圍的整體LED裝置通常稱為“白光”LED。

雖然氮化鎵基板晶圓是可用的，不過它們價格昂貴。因此，商用藍光LED的外延層通常生長于其它類型基板的晶圓上，例如藍寶石基板。不過這些其它基板仍舊相當昂貴。個人計算機內(nèi)使用的一般集成電路通常制造在硅基板上。由于用于計算機工業(yè)的硅基板大量生產(chǎn)，硅基板與藍寶石基板比較起來相對便宜。而且，由于集成電路制造公司經(jīng)常升級制造設備以便跟上集成電路制造技術的進步，因此二手的用以處理硅基板晶圓的半導體工藝設備通常可低價購得。因此從成本的觀點來看，期望能夠在相對便宜的硅基板晶圓上制造基于氮化鎵(GaN)的LED，并且使用可取得的二手半導體工藝設備來處理這種硅晶圓，不過在硅基板上生長高質(zhì)量GaN外延層仍舊有許多問題。

與在硅基板上生長高質(zhì)量GaN外延層相關聯(lián)的許多問題，來自于硅的晶格常數(shù)與GaN的晶格常數(shù)有相當大的差異。當GaN外延生長于硅基板上時，所生長的外延材料會表現(xiàn)出非期望的高密度晶格缺陷。如果GaN層生長到足夠厚，則GaN層內(nèi)的應力會導致GaN材料的后續(xù)生長部分產(chǎn)生某種破裂。并且，硅與GaN具有不同的熱膨脹系數(shù)。例如如果包含設置在硅基板上的GaN的結構的溫度升高，則該結構的硅材料部分的膨脹率會與GaN材料的膨脹率不同。這些不同的熱膨脹率會在LED裝置的各個層之間產(chǎn)生應力。此應力可能導致破裂以及其它問題。更進一步，因為GaN為化合物材料而硅(Si)為元素材料，所以在硅基板上難以生長GaN。從非極性轉變成極性結構，結合大量的晶格失配，會產(chǎn)生缺陷。由于這些與其它原因，大部分可商購的白光LED裝置的外延LED結構并不是生長于硅基板上。因此仍尋求在硅基板上制造藍光LED的改進工藝以及結構。

制造在硅基板上生長的藍光LED通常也涉及晶圓接合(wafer?bonding)。在現(xiàn)有技術工藝中，外延藍光LED結構生長于非GaN基板上，以形成裝置晶圓結構。在外延LED結構上形成一層銀，用作反射鏡。然后在銀反射鏡上設置包含多周期的鉑和鈦鎢的阻障金屬層。每一周期內(nèi)的鉑層為60nm薄層。每一周期內(nèi)的鈦/鎢層大約10nm厚，并且包含大約百分之九十的鎢。提供五個或以上的這種周期。一旦以此方式形成裝置晶圓結構，則載體晶圓結構被晶圓接合至裝置晶圓結構。然后去除裝置晶圓結構的原始非GaN基板，將產(chǎn)生的晶圓接合結構切割形成LED裝置。在此現(xiàn)有技術工藝中，使用接合金屬層將載體晶圓結構晶圓接合至裝置晶圓結構。此接合金屬層包含金/錫子層。當金/錫子層在晶圓接合期間熔化時，由于多周期阻障金屬層的厚度以及短的高溫循環(huán)被使用來熔化接合金屬，所以來自此金/錫子層的錫不會穿過銀層。此現(xiàn)有技術工藝被認為工作良好。

發(fā)明內(nèi)容

在第一創(chuàng)新方面中，白光LED組件包括藍光LED裝置。通過在硅基板之上外延生長低電阻層(LRL)來制造該藍光LED裝置。在一個范例中，緩沖層直接生長于硅晶圓基板上，然后非摻雜的氮化鎵樣板層直接生長于緩沖層上，接下來在樣板層上直接生長LRL。

在一個范例中，LRL為包括多個周期的超晶格結構，其中每一周期是薄的(厚度小于300nm)，并且包含相對厚的氮化鎵子層(例如100nm厚)以及相對薄的非摻雜的氮化鎵鋁子層(例如25nm厚)。LRL的底部子層為GaN子層。LRL的頂部子層也為GaN子層。LRL內(nèi)有四個非摻雜的氮化鎵鋁子層。