专利名称：非极化的复合氮化镓基衬底及生产方法
技术领域：
本发明揭示非极化(non-polar)的复合氮化镓基衬底，属于半导体电子技术领域。
背景技术：
目前，在工业上，c-蓝宝石衬底作为生长氮化镓基器件(包括氮化镓基LED)的主要生长衬底之一。但是，存在以下不足之处(1)氮化镓基外延层内存在内建极化电场，该电场降低氮化镓基外延层内的电子和空穴的结合效率，因而降低氮化镓基器件的内量子效率。(2)蓝宝石是低热导材料，大功率器件的散热问题需要解决。
为了克服上述不足之处，工业界和研究机构采用下述方案。(1)为了消除内建极化电场，在下列生长衬底(包括，但不限于氮化镓衬底，氮化铝衬底，蓝宝石衬底，硅衬底，氧化锌衬底，碳化硅衬底，氧化锂铝(LiAlO2)衬底，氧化锂镓(LiGaO2)衬底，氮化硼衬底，等，其中，所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面，m-平面，r-平面，等)上，利用侧向外延法生长非极化的氮化镓基器件[美国专利申请，申请号20050040385]。(2)为了解决散热问题，复合氮化镓基衬底被提出[中国专利申请，申请号200410086564.8]。
但是，方案(1)中的侧向外延法的不足之处在于，在氮化镓基外延层中存在空洞(voids)，高温下易变形，器件易被击穿，等。方案(2)中的复合氮化镓基衬底是极化的。
因此，需要能同时解决上述问题的方案，即，非极化的复合氮化镓基衬底及生产方法。非极化的复合氮化镓基衬底的优点如下，非极化的复合氮化镓基生长衬底中不存在空洞(voids)，因此高温下不易变形，器件不易被击穿。非极化的复合氮化镓基生长衬底可以用于生长具备高导热率的非极化的氮化镓基器件(包括非极化的氮化镓基LED)。生长于非极化的复合氮化镓基生长衬底上的非极化的氮化镓基器件具有高内量子效率。
发明内容
本发明揭示具有低缺陷密度的非极化的复合氮化镓基衬底。非极化的复合氮化镓基衬底的一个具体实施实例的结构如下非极化的氮化镓基外延层键合于支持衬底上。非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例的结构如下非极化的氮化镓基外延层键合于反射/欧姆/应力缓冲层上，反射/欧姆/应力缓冲层键合于支持衬底上。
制造非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例的主要工艺步骤如下在上述生长衬底上，依次生长中间媒介层(或晶核层)和非极化的第一氮化镓基外延层。在非极化的第一氮化镓基外延层上层叠掩膜层，蚀刻掩膜层形成氮化镓窗口和掩膜层条。生长非极化的第二氮化镓基外延层，覆盖掩膜层条，继续生长非极化的第二氮化镓基外延层到一个预定的厚度。以上是侧向外延法的标准工艺步骤。然后，进行下述工艺步骤键合支持衬底于非极化的第二氮化镓基外延层上，剥离上述生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条和非极化的第二氮化镓基外延层中带有空洞的部分，非极化的第二氮化镓基外延层中没有空洞的部分暴露，进行热处理。形成非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例。
制造非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例的主要工艺步骤如下在上述生长衬底上，依次生长中间媒介层(或晶核层)和非极化的第一氮化镓基外延层。在非极化的第一氮化镓基外延层上层叠掩膜层，蚀刻掩膜层形成氮化镓窗口和掩膜层条。生长非极化的第二氮化镓基外延层，覆盖掩膜层条，继续生长非极化的第二氮化镓基外延层到一个预定的厚度。以上是侧向外延法的标准工艺步骤。然后，进行下述工艺步骤在非极化的第二氮化镓基外延层上层叠反射/欧姆/应力缓冲层，键合支持衬底于反射/欧姆/应力缓冲层上，剥离生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条和非极化的第二氮化镓基外延层中带有空洞的部分，非极化的第二氮化镓基外延层中没有空洞的部分暴露，进行热处理。形成非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例。
生长氮化镓基外延层并在其上层叠掩膜层和蚀刻掩膜层的工艺步骤可以重复多次[R.Liu，等，2005中国(厦门)国际半导体照明论坛，112页]。
本发明的目的和能达到的各项效果如下(1)本发明的目的是提供低缺陷密度的非极化的复合氮化镓基衬底。
(2)本发明的目的是提供生产非极化的复合氮化镓基衬底的方法。
(3)由于下面的原因，本发明提供的非极化的复合氮化镓基衬底具有高质量(a)原始生长衬底和非极化的氮化镓基外延层中存在空洞的部分被剥离，提供没有空洞的非极化的氮化镓基外延层。
(b)在进行热处理时，由于对非极化的氮化镓基外延层(不存在空洞的部分)的晶格的束缚力不再存在，非极化的氮化镓基外延层回复到正常晶体结构，晶格缺陷进一步降低。
(4)在非极化的复合氮化镓基衬底上生长非极化的氮化镓基LED时，反射/欧姆/应力缓冲层中的反射层提高光取出效率。
(5)反射/欧姆/应力缓冲层中的应力缓冲层减轻非极化的第二氮化镓基外延层与支持衬底之间的热失配的应力。
(6)采用三种方法进一步降低非极化的第二氮化镓基外延层与支持衬底之间的热失配的应力。
(7)本发明使用具有高导热率的硅晶片或其它材料作为支持衬底，热传导效率高。
本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
图1a展示本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例。
图1b展示生产本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例的工艺流程。
图1c和图1d展示本发明的图1b的工艺流程的示意图。
图2a展示本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例。
图2b展示生产本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例的工艺流程。
图2c和图2d展示本发明的图2b的工艺流程的示意图。
具体实施实例和发明的详细描述虽然本发明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发明的原理，而不是局限本发明于下列各项具体化实施实例的描述。
注意下列各项在本发明中，(1)支持衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于硅晶片，氮化铝陶瓷，金属薄膜，合金薄膜，等。键合的方法包括，但不限于金属键合，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，等。
(2)有几种方法可以降低非极化的第二氮化镓基外延层与支持衬底之间的热失配的应力，选用哪一种方法，取决于非极化的复合氮化镓基衬底的结构、支持衬底的材料、和键合的方法。
(3)非极化的第一和第二氮化镓基外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化镓，氮化铝，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，等。
(4)非极化的第一和第二氮化镓基外延层的晶格面相同。晶格面包括，a-平面和m-平面。
(5)生长非极化的第一和第二氮化镓基外延层的方法包括，但不限于，MOCVD，分子束外延(MBE)，氢化物气相外延(HPVE)，等。
(6)生长衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化镓，氮化铝，蓝宝石，硅，氧化锌，4H-和6H-碳化硅，氧化锂铝(LiAlO2)，氧化锂镓(LiGaO2)，氮化硼，等。所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面，m-平面，r-平面，等。
(7)掩膜层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于二氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiNx)，钨(W)，等。
(8)蚀刻掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条。氮化镓窗口和掩膜层条的形状，包括，但不限于，条型，等。氮化镓窗口的尺寸可以是，但不限于，1微米到30微米。掩膜层条的尺寸可以是，但不限于，1微米到100微米。
(9)反射/欧姆/应力缓冲层具有单层或多层结构。每层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于分布布拉格反射器(DBR)，金，铑，镍，铂，钯，铟，锡，银，镉，等金属或合金及其组合，组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)，钯/金(Pd/Au)，钯/镍(Pd/Ni)，金锡，等。层叠反射/欧姆/应力缓冲层的方法包括，但不限于，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，外延生长，等。
(10)为了进一步降低非极化的氮化镓基外延层的晶格缺陷密度，生长中间媒介层或晶核层于生长衬底和非极化的第一氮化镓基外延层之间。晶核层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化镓。晶核层厚度在1纳米到100纳米之间，生长在生长衬底上。
(11)剥离生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条和非极化的第二氮化镓基外延层中带有空洞的部分，直到非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的部分暴露。剥离的方法包括，但不限于，精密机械研磨/抛光，选择性湿法或干法蚀刻，激光剥离(应用于透明衬底，例如，蓝宝石，等)，及它们的组合(例如，精密机械研磨生长衬底到一定的厚度，例如5微米，然后采用湿法或干法蚀刻去掉剩余部分)。
(12)热处理。非极化的第二氮化镓基外延层中的缺陷的分布是不均匀的。剥离生长衬底、中间媒介层或氮化镓晶核层、掩膜层条和非极化的第二氮化镓基外延层的带有空洞的部分以后，造成缺陷的外力已不存在。因此，在热处理时，非极化的第二氮化镓层的没有空洞的部分回复到正常晶体结构，非极化的氮化镓基外延层的晶格缺陷密度进一步降低。
图1a展示本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例，其结构为非极化的氮化镓基外延层102键合在支持衬底101上。
图1b展示生产本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例的工艺流程。工艺流程步骤111到工艺流程步骤114与在先的侧向外延法的工艺流程步骤相同，详见中国专利申请[申请号02145890.1]和上述美国专利申请[申请号20050040385]。
工艺流程步骤111准备生长衬底。生长衬底包括，但不限于，氮化镓，氮化铝，蓝宝石，硅，氧化锌，4H-和6H-碳化硅，氧化锂铝(LiAlO2)，氧化锂镓(LiGaO2)，氮化硼，等。所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面，m-平面，r-平面，等。为了进一步提高非极化的第一氮化镓基外延层的质量，可以先把生长衬底的表面蚀刻成纹理结构[中国专利申请，申请号200510008931.7]。
工艺流程步骤111的一个具体实施实例采用商业化的r-平面蓝宝石衬底。准备步骤包括，但不限于，清洁和热处理，热处理温度高于900℃。
工艺流程步骤112在生长衬底的表面(或有纹理结构的表面)上，生长非极化的第一氮化镓基外延层。为了进一步提高非极化的第一氮化镓基外延层的质量，可以先在生长衬底上生长中间媒介层或晶核层，然后，在中间媒介层或晶核层上生长非极化的第一氮化镓基外延层。
工艺流程步骤112的第一个具体实施实例使用MOCVD，在r-平面蓝宝石生长衬底上(在400-900℃温度下)生长一层厚度在1纳米到90纳米之间的氮化镓基晶核层(nucleation layer)。晶核层的材料包括，但不限于，氮化镓。在晶核层上生长a-平面非极化的第一氮化镓基外延层。生长非极化的a-平面第一氮化镓基外延层的一个具体实施实例在大约1000℃温度以上和小于1个大气压下，适当的V/III比例，生长非极化的a-平面第一氮化镓基外延层，其厚度为1-5微米。
工艺流程步骤112的第二个具体实施实例使用MBE，在m-平面6H-碳化硅生长衬底上生长一层氮化铝缓冲层，然后生长m-平面第一氮化镓基外延层。
工艺流程步骤113层叠掩膜层，蚀刻掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条。掩膜层的材料包括，但不限于，二氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiNx)，钨(W)，等。氮化镓窗口和掩膜层条的形状包括，但不限于，条型，等。
工艺流程步骤113的一个具体实施实例利用PECVD技术，层叠二氧化硅掩膜层，利用光刻和HF腐蚀，形成氮化镓窗口和掩膜层条。氮化镓窗口的尺寸为，但不限于，1微米到30微米。掩膜层条的尺寸是，但不限于，1微米到100微米。更具体的具体实施实例蚀刻二氧化硅掩膜层形成2微米宽氮化镓窗口和8微米宽掩膜层条，掩膜层条的方向是沿非极化的第一氮化镓基外延层的(0001)方向。
层叠和蚀刻掩膜层以形成窗口和掩膜层条是成熟的技术。
工艺流程步骤114生长非极化的第二氮化镓基外延层。在氮化镓窗口，非极化的氮化镓基外延层垂直向上生长，长到与掩膜层条相平时，一方面继续向上生长，另一方面开始横向生长于掩膜层条上，直到在掩膜层条的上方相遇，形成空洞，继续向上生长，形成非极化的第二氮化镓基外延层的无空洞的顶部层。
工艺流程步骤115键合支持衬底在非极化的第二氮化镓基外延层的顶部层。支持衬底的材料包括，但不限于，硅晶片，氮化铝陶瓷，金属薄膜，合金薄膜，等。键合的方法包括，晶片键合，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，等。有三种方法降低非极化的第二氮化镓基外延层与支持衬底的热失配的应力方法1把支持衬底的一面蚀刻成纹理结构，然后，键合非极化的第二氮化镓基外延层的顶部层在支持衬底的有纹理结构的一面上。方法2把非极化的第二氮化镓基外延层的顶部层蚀刻成纹理结构，然后，键合支持衬底在非极化的第二氮化镓基外延层的有纹理结构的顶部层上。方法3把支持衬底的一面和非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的顶部层都蚀刻成纹理结构，然后，键合支持衬底的有纹理结构的一面在非极化的第二氮化镓基外延层的有纹理结构的顶部层上。选用哪一种方法，取决于支持衬底的材料和键合的方法。
工艺流程步骤116剥离生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、非极化的第二氮化镓基外延层的带有空洞的部分。非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的部分暴露。剥离的方法包括，但不限于，精密机械研磨/抛光，选择性湿法或干法蚀刻，激光剥离(应用于蓝宝石等透明衬底)，及它们的组合。
工艺流程步骤116的第一个具体实施实例精密机械研磨生长衬底到一定的厚度，例如5微米，然后采用湿法或干法蚀刻去掉其余的部分。
工艺流程步骤116的第二个具体实施实例激光剥离蓝宝石生长衬底，然后，采用湿法或干法蚀刻去掉其余的部分。
工艺流程步骤117。热处理。进行热处理时，因为已剥离生长衬底、掩膜层条、和非极化的第二氮化镓基外延层带有空洞的部分，造成缺陷的外力已不存在，非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的部分在热处理时回复到正常晶体结构，非极化的氮化镓基外延层的晶格缺陷密度进一步降低。
图1c和图1d展示本发明的图1b的工艺流程的示意图。中间媒介层或晶核层122生长在生长衬底121上，非极化的第一氮化镓基外延层123生长在中间媒介层或晶核层122上。氮化镓窗口124和掩膜层条125形成在非极化的第一氮化镓基外延层123上。非极化的第二氮化镓基外延层127生长在氮化镓窗口124和掩膜层条125上，并形成空洞126。支持衬底128层叠在非极化的第二氮化镓基外延层127的没有空洞的顶部层。剥离生长衬底121、中间媒介层或晶核层122、非极化的第一氮化镓基外延层123、掩膜层条125、和非极化的第二氮化镓基外延层127的带有空洞的部分后，形成了图1d展示的键合在一起的支持衬底128和非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的部分129，这就是图1a展示的本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第一个具体实施实例。
图2a展示本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例，其结构为反射/欧姆/应力缓冲层202层叠在非极化的氮化镓基外延层203和支持衬底201之间。其中，反射/欧姆/应力缓冲层202和非极化的氮化镓基外延层203可以是导电的或非导电的。当一非极化的复合氮化镓基衬底具有导电的反射/欧姆/应力缓冲层和导电的非极化的氮化镓基外延层，而支持衬底201是非导电的，所述的非极化的复合氮化镓基衬底可以用于制造新型垂直结构的氮化镓基LED[中国专利申请，申请号200510000296.8]。
图2b展示生产本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例的工艺流程。工艺流程步骤211、212、213、214、215、216、217分别与图1b的工艺流程步骤111、112、113、114、115、116、117相同。在工艺流程步骤214和215之间，加入工艺流程步骤235层叠反射/欧姆/应力缓冲层在非极化的第二氮化镓基外延层上。然后，键合支持衬底在反射/欧姆/应力缓冲层上。反射/欧姆/应力缓冲层具有单层或多层结构。每层结构的材料包括，但不限于，分布布拉格反射器(DBR)，金，铑，镍，铂，钯，铟，锡，银，镉，等金属或合金及其组合，组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)，钯/金(Pd/Au)，钯/镍(Pd/Ni)，金锡，等。层叠反射/欧姆/应力缓冲层的方法包括，但不限于，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，外延生长，等。
为了进一步降低非极化的第二氮化镓基外延层与支持衬底的热失配的应力，可以采用下述方法之一方法1把支持衬底的一面蚀刻成纹理结构，然后，键合反射/欧姆/应力缓冲层在支持衬底的有纹理结构的一面上。方法2把非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的顶部层蚀刻成纹理结构，然后，键合反射/欧姆/应力缓冲层在非极化的第二氮化镓基外延层的有纹理结构的顶部层上。方法3把支持衬底的一面和非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的顶部层都蚀刻成纹理结构，然后，键合反射/欧姆/应力缓冲层在支持衬底的有纹理结构的一面和非极化的第二氮化镓基外延层的有纹理结构的顶部层之间。
图2c和图2d展示本发明的图2b的工艺流程的示意图。中间媒介层或晶核层222生长在生长衬底221上，非极化的第一氮化镓基外延层223生长在中间媒介层或晶核层222上。氮化镓窗口224和掩膜层条225形成在非极化的第一氮化镓基外延层223上。非极化的第二氮化镓基外延层227生长在氮化镓窗口224和掩膜层条225上，并形成空洞226。反射/欧姆/应力缓冲层228层叠在非极化的第二氮化镓基外延层227的没有空洞的顶部层。支持衬底229层叠在反射/欧姆/应力缓冲层228上。剥离生长衬底221、中间媒介层或晶核层222、非极化的第一氮化镓基外延层223、掩膜层条225、非极化的第二氮化镓基外延层227的带有空洞的部分后，形成了图2d展示的键合在一起的支持衬底229、反射/欧姆/应力缓冲层228、和非极化的第二氮化镓基外延层的没有空洞的部分231，这就是图2a展示的本发明的非极化的复合氮化镓基衬底的第二个具体实施实例。
上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权利要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施实例决定。
权利要求
1.一种非极化的复合氮化镓基衬底，包括，但不限于(a)支持衬底；(b)非极化的氮化镓基外延层；所述的非极化氮化镓基外延层键合于所述的支持衬底上。
2.权利要求1的非极化的复合氮化镓基衬底，进一步包括，反射/欧姆/应力缓冲层；所述的反射/欧姆/应力缓冲层层叠于所述的非极化的氮化镓基外延层和所述的支持衬底之间。
3.权利要求1的非极化的复合氮化镓基衬底，其中，所述的支持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，碳化硅，氮化铝，氧化锌，金属，合金，等。
4.权利要求1的非极化的复合氮化镓基衬底，其中，所述的非极化的氮化镓基外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，等。
5.权利要求1的非极化的复合氮化镓基衬底，其中，所述的非极化的氮化镓基外延层的晶格平面包括，a-平面和m-平面。
6.权利要求2的非极化的复合氮化镓基衬底，其中，所述的反射/欧姆/应力缓冲层的结构包括单层或多层结构。
7.权利要求6的非极化的复合氮化镓基衬底，其中，所述的反射/欧姆/应力缓冲层的每一层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于分布布拉格反射器(DBR)；金，铑，镍，铂，钯，钛，铟，锡，银，镉，等金属及其组合；所述的组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)，钯/金(Pd/Au)，钯/镍(Pd/Ni)，金锡，等。
8.权利要求2的非极化的复合氮化镓基衬底，其中，所述的反射/欧姆/应力缓冲层和所述的非极化的氮化镓基外延层都是导电的。
9.一种生产非极化的复合氮化镓基衬底的方法，其工艺步骤包括(a)层叠中间媒介层或晶核层于生长衬底上；(b)生长非极化的第一氮化镓基外延层于所述的中间媒介层或晶核层上；(c)层叠掩膜层于所述的非极化的第一氮化镓基外延层上；(d)蚀刻所述的掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条；(e)生长非极化的第二氮化镓基外延层于所述的氮化镓窗口和掩膜层条上；(f)键合支持衬底于所述的非极化的第二氮化镓基外延层上；所述的键合的方法包括，但不限于真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，金属键合，等；(g)剥离所述的生长衬底、所述的中间媒介层或晶核层、所述的非极化的第一氮化镓基外延层、所述的掩膜层条、和所述的非极化的第二氮化镓基外延层中带有空洞的部分；所述的非极化的第二氮化镓基外延层中的没有空洞的部分暴露；(h)热处理。
10.权利要求9的生产非极化复合氮化镓基衬底的方法，进一步包括，层叠反射/欧姆/应力缓冲层于所述的非极化的第二氮化镓基外延层和所述的支持衬底之间；其中，层叠所述的反射/欧姆/应力缓冲层的方法包括，但不限于真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，外延生长，等。
全文摘要
本发明揭示非极化(non－polar)的复合氮化镓基衬底及生产方法。非极化的复合氮化镓基衬底的结构为反射/欧姆/应力缓冲层层叠在支持衬底与非极化的氮化镓基外延层之间。生产非极化的复合氮化镓基衬底的主要工艺步骤如下在生长衬底上，依次生长中间媒介层(或晶核层)和非极化的第一氮化镓基外延层；层叠掩膜层；蚀刻掩膜层形成氮化镓窗口和掩膜层条；生长非极化的第二氮化镓基外延层；层叠反射/欧姆/应力缓冲层；键合支持衬底；剥离生长衬底、中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、和非极化的第二氮化镓基外延层中带有空洞的部分，非极化的第二氮化镓基外延层中没有空洞的部分暴露，进行热处理。
文档编号H01L21/18GK1845349SQ20061006751
公开日2006年10月11日 申请日期2006年2月26日 优先权日2006年2月26日
发明者彭晖 申请人:金芃, 彭晖