[发明专利]含有碳基衬底的铟镓铝氮发光器件以及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光器件的制造。更具体地，本发明涉及用 于制备碳基衬底上的铟镓铝氮基半导体发光器件。

背景技术

固体发光器件可能引起领照明技术的革命。高亮度发光二极管 (HB-LED)出现了越来越多的应用，从用于显示器的光源到替换传 统照明的灯泡。同时，连续波固体激光器在很多关键的技术领域得 到广泛的应用，从光数据存储到光通信网络，以及医学应用等。

特别地，目前在氮化物基In_xGa_yAl_1-x-yN(0＜＝x＜＝1、0＜＝y＜＝1) (下文为铟镓铝氮基)LED和激光器(例如氮化镓基LED和激光器) 的发展中的成功不仅将发光光谱延伸到绿色、蓝色和紫外线区域， 而且还可以实现高发光效率。铟镓铝氮基半导体发光器件已经很广 泛地用于包括全色大屏幕显示、交通信号灯、背光源以及固体照明。 铟镓铝氮基材料的成功的外延生长通常需要衬底和外延层的晶格常 数和热膨胀系数匹配。因此，例如蓝宝石(Al₂O₃)的非传统的衬底 材料，经常用于生长铟镓铝氮材料以便实现这种匹配。而且这些发 光器件通常为正负电极处在同一侧的同侧结构器件。

这种以篮宝石为衬底的同侧电极结构器件的发光材料利用率 低、散热差、P型透明导电层对光有一定的吸收作用，因而对器件的 光电性能存在一定的影响；蓝宝石衬底价格昂贵、难加工，因而这 种器件的成本较高。

硅(Si)衬底价格便宜并且易于加工。当前在研究过程中的成功 已经允许半导体发光结构被制备在传统的Si衬底上。但是，如果在 Si衬底上形成的铟镓铝氮基材料用于制备具有同侧电极配置的发光 器件，则出现以下问题：(1)Si衬底会吸收从器件的有源区域发出 的光；(2)同侧电极配置会减小晶片利用率；以及(3)P型欧姆接 触层也会吸收一部分有源层所发出的光。另一方面，如果用垂直电 极配置制备器件，使得两个电极分别在Si衬底表面上和铟镓铝氮半 导体薄膜的表面形成，虽然晶片利用率可以提高。然而该下电极之 上的氮化铝(AlN)缓冲层的出现会提高器件的工作电压，因此光吸 收问题仍然没有解决。

近年来，研究者已经实验了晶片键合技术以构造具有垂直电极 配置的LED。在晶片键合期间，具有低电阻率的第二支持衬底键合 在Si生长衬底上制备的铟镓铝氮基LED多层结构的顶部。Si生长衬 底随后通过湿法蚀刻去除，其有效地将铟镓铝氮基LED多层从原始 生长衬底转移到新衬底。该工艺允许制备铟镓铝氮基LED，该铟镓 铝氮基LED通过N型层发光同时具有垂直电极配置。这种垂直配置 LED可以提高发光效率、提高晶片利用率以及减少LED的串联电阻。

铟镓铝氮基多层结构转移到新衬底后，新衬底的散热特性可能 对最终器件的质量产生重要影响。这些新衬底通常是Si衬底或者金 属衬底。虽然Si衬底容易进行诸如划片和切割处理，但是它们比诸 如铜和银的单质金属和一些高热传导率的合金具有较低的热传导 率。在另一方面，尽管诸如铜和银的金属衬底具有高的热传导率， 但是它们遇到了其他诸如切割困难以及相对于转移的铟镓铝氮基层 具有失配的热膨胀系数的问题。

因此，所需要的是具有高热传导率和易于处理的新衬底，用于 支持从原始生长衬底转移的铟镓铝氮基多层结构。

发明内容

本发明的一个实施方式提供一种铟镓铝氮基半导体发光器件， 包括铟镓铝氮基半导体多层结构和支持铟镓铝氮基半导体多层结构 的碳基衬底，其中该碳基衬底包括至少一个碳基层。该碳基衬底具 有高热传导率和低电阻率。

在该实施方式的一个变形中，碳基层可以由以下材料制成：天然 石墨；压制石墨；热解石墨；金属浸渍石墨；碳纤维基压制或者编 织材料；碳纳米管基叠层材料；含有上述任意两种的复合物材料或 者机械混合物；或者含有上述两种或者更多种的复合物材料或者机 械混合物。

在该实施方式的一个变形中，碳基衬底可以包括在该衬底的每一 侧上的一个或者多个金属层或者仅在面向铟镓铝氮基半导体多层结 构的衬底的前侧上的一个或者多个金属层。其中，所述碳基衬底的 背对铟镓铝氮基半导体多层结构的面包括：碳基层；或者金属层， 其可以是单质金属层或者包含两种或者两种以上金属单质的合金 层。