[发明专利]用于共晶接合工艺的非反应性阻障层金属

说明书

技术领域

本发明总体涉及在硅基板上制造的GaN基蓝光LED及其相关方法与结构。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种将电能转换成光的固态装置。当跨相对的掺杂层施加电压时，从夹置于相对的掺杂层之间的半导体材料的有源层发出光。目前有许多不同的LED装置结构，它们由不同材料制成，并且具有不同结构，并且以不同方式运行。一些发出激光，其它一些生成非单色以及非相干光。一些受到优化以执行特定应用。一些为高功率装置，而其它则不是。一些发出光作为为红外线辐射，而其它一些则发出不同颜色的可见光，并且另外一些则发出紫外光。一些制造成本昂贵，而其它一些则较不昂贵。针对一般商业照明应用，常使用蓝光LED结构。具有包含铟镓氮的多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)有源层的这种蓝光LED可以例如发出波长在从440纳米到490纳米的范围中的非单色非相干光。然后通常提供吸收一些发出的蓝光的荧光粉涂层。荧光粉依序放荧光以发出其它波长的光，使得整体LED装置所发出的光具有较宽的波长范围。发出较宽波长范围的整体LED装置通常称为“白光”LED。

虽然能够获得氮化镓基板晶圆，但是它们价格非常昂贵。因此，商用蓝光LED的外延层通常生长于其它类型的基板的晶圆上，例如蓝宝石晶圆。然而，这些其它基板仍旧不期望地昂贵。个人计算机中采用的类型的常用集成电路一般都制造在硅基板上。随着大量生产硅基板用于计算机工业，硅基板与蓝宝石基板比较起来相对便宜。此外，由于集成电路制造公司经常升级他们的制造设施以便跟上集成电路制造技术的进步，所以通常可以低价获得用于处理硅基板晶圆的二手半导体处理设备。因此从成本的观点来看，能够在相对便宜的硅基板晶圆上制造GaN基LED，并且使用可获得的用于处理这种硅晶圆的二手半导体处理设备，是期望的，但是在硅基板上生长高质量GaN外延层仍旧有许多问题。

与在硅基板上生长高质量GaN外延层关联的许多问题，源自于硅的晶格常数与GaN的晶格常数基本不同的事实。当GaN已经外延生长于硅基板上时，所生长的外延材料会呈现出不期望地高的晶格缺陷密度。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中发生某种裂痕。此外，硅和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装置的不同层之间引起应力。此应力可能导致破裂以及其它问题。此外，因为GaN为化合物材料而Si为元素（elemental）材料，所以难以在硅基板上生长GaN。从无极性至极性结构的转变，结合大量晶格失配，生成缺陷。针对这些与其它原因，大部分商业上可获得的白光LED装置的外延LED结构部分并不是生长于硅基板上。因此探寻用于在硅基板上制造蓝光LED的改善的工艺以及结构。

在硅基板上生长的蓝光LED的制造通常包含晶圆接合。在一个现有技术工艺中，外延蓝光LED结构生长于非GaN基板上，形成装置晶圆结构。在外延LED结构上形成银层，以用作反射镜。然后在银反射镜上设置包含多周期的铂和钛钨的阻障（barrier）金属层。每一周期内的铂层为60nm的薄层。每一周期内的钛/钨层厚度都大约为10nm，并且包含大约百分之九十的钨。提供五个或更多的这种周期。一旦已经以此方式形成了装置晶圆结构，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，并切割得到的晶圆接合结构以形成LED装置。在此现有技术工艺中，接合金属层用于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由于使用短高温循环来熔化接合金属，所以来自此金/锡子层的锡不会穿入银层。此现有技术工艺被认为运作良好。

发明内容

在第一新颖方面，白光LED组件包括蓝光LED装置。通过在硅基板上外延生长低电阻层(Low Resistance Layer，LRL)来制造蓝光LED装置。在一个范例中，缓冲层直接生长于硅晶圆基板上，然后无掺杂氮化镓的样板（template）层直接生长于缓冲层上，然后LRL直接生长于样板层上。

在一个范例中，LRL为包括多个周期的超晶格结构，其中每一周期都薄(厚度低于300nm)，并且包括相对厚的氮化镓子层(例如厚度100nm)以及相对薄的未掺杂氮化镓铝子层(例如厚度25nm)。LRL的底部子层为GaN的子层。LRL的顶部子层也为GaN的子层。LRL内总共有四个未掺杂氮化镓铝子层。