[发明专利]SOI上的氮化镓半导体器件及其制造工艺

说明书

相关申请参照

本申请要求2007年10月18日提交的美国专利申请No.11/975,289的优先权，该申请通过引用结合于此。

背景

本发明涉及在绝缘体上半导体(SOI)结构上具有氮化镓层的半导体器件的制造。

氮化镓是广泛用于构造蓝色、紫色以及郁色发光二极管、蓝色激光二极管、紫外探测器以及高功率微波晶体管器件的材料。

常规的氮化镓器件技术基于在一般高于950℃的温度下直接在蓝宝石或碳化硅衬底上生长的单晶材料。生长工艺通常是金属有机化学汽相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术。这些工艺一般在尽可能接近理想配比的情况下进行。虽然利用上述常规工艺制造的GaN包含大量缺陷，但它仍被某些技术人员认为是单晶材料。然而，包括大量缺陷对在氮化镓材料上或结合氮化镓材料形成的半导体器件的性能可能具有显著影响——这不是低缺陷单晶材料的特征。

美国专利公开No.2006/0174815将由蓝宝石或碳化硅(其上直接设置GaN)制成的衬底描述为昂贵和尺寸小，从而此类器件的应用不实际或者价值有限。现有技术也已经认识到，在此类衬底上生长氮化镓需要减少因衬底与氮化镓之间的原子间距的不匹配而产生的缺陷的策略。缓冲层可用于减少不匹配引起的缺陷。缺陷形成的显著减少可利用外延横向过度生长(ELOG)来实现，但现有技术已经批评该技术较昂贵。

在高温下在衬底上生长氮化镓也被认为在耐高温生长设备和辅助设备上需要大花费。因此，例如，美国专利申请2006/0174815讨论了在高于950℃下制造氮化镓的上述工艺的缺点，其中宣称该工艺导致高能量损耗且需要使用特种材料。所公开的另一缺点是在这些高温下使用的衬底与GaN不匹配，从而必须应用昂贵的方法来解决原子间距的不匹配。

诸如ZnO之类的其他衬底材料仅在较低温度下可用。美国专利申请2006/0174815讨论了利用例如低于650℃的较低温度在诸如硅、玻璃或石英之类较便宜但对温度敏感的衬底上生长的优点。在ZnO缓冲层上生长氮化镓已经被认为是有利的，因为它在低于650℃的温度下与GaN更接近晶格匹配。

已经认识到，在低温下生长的GaN材料质量低，因为多晶材料普遍存在。用利用GaN缓冲层在石英上生长的多晶GaN制造的蓝光LED已经得到证实；然而，对多晶GaN的兴趣比单晶材料的兴趣低。

针对该背景，针对一般照明，大面积光源可利用在小直径衬底上生长然后安装在大面板上的大量LED来实现。澳大利亚银水(Silverwater)的蓝玻(BluGlass)有限公司所开发的一种现有技术方法提倡在“显著低于”1000℃的温度下制造GaN，其中他们描述了在蓝宝石上直接生长GaN的典型当前工艺。BluGlass工艺需要利用低温(即显著低于1000℃)在玻璃上直接生长GaN。然而，该方法产生非晶或非常细晶粒的多晶GaN，这导致效率低的LED。此外，用于该工艺的玻璃不能耐受高温，从而限制了GaN的沉积温度，这又导致低质量材料和糟糕的LED性能。

因此，本领域存在对用于形成GaN LED的新结构和/或工艺的需求，该结构和/或工艺能实现对于制造商用产品而言成本高效的高效率性能和/或大面积LED。

发明内容

根据本发明的一个或多个实施例，一种装置包括：透明衬底；接合至该透明衬底的单晶硅层；以及在该单晶硅层上生长的单晶氮化镓层。

根据本发明的一个或多个其他实施例，一种LED结构包括：透明衬底；接合至该透明衬底的单晶硅层；以及在该单晶硅层上生长的单晶氮化镓层，其中该氮化镓层包括形成LED的n型掺杂层和p型掺杂层。

该透明衬底和接合至该透明衬底的单晶硅层能耐受用于在该单晶硅层上生长单晶氮化镓层的约750℃或更高的处理温度。该处理温度还可以是约1000℃或更高。

该单晶硅层具有(111)取向。该单晶硅层可以是约1-130nm厚。该单晶硅层可由之间具有接缝的分离小片形成，在这些接缝中生长了单晶氮化镓。

透明衬底由从以下材料所组成的组中选择的材料形成：玻璃、玻璃-陶瓷、以及包括氧氮化铝的透明陶瓷、铝酸镁尖晶石、钇铝石榴石、多晶氧化铝以及蓝宝石。

当结合附图对本发明进行描述时，对本领域普通技术人员而言其它方面、特征、优点等将变得显而易见。

附图简述

为说明本发明的多个方面，在附图中示出了当前优选的形式，然而应当理解本发明不限于所示的这些精确设置和设备。

图1是示出根据本发明的一个或多个实施例的基于氮化镓的LED器件的结构的框图；