[发明专利]具多个导电介入层的N型氮化镓层

说明书

技术领域

本公开总体涉及在硅基板上制造的基于氮化镓(GaN)的蓝光LED及其相关方法与结构。

背景技术

发光二极管(LED)是一种将电能转换成光的固态装置。当供应电压通过相对的掺杂的层时，光从夹在掺杂层之间的半导体材料的有源层发出。目前有许多不同的LED装置结构由不同材料制成，具有不同结构并且以不同方式执行。某些发出激光，某些产生非单色以及非相干光。某些适合特定应用。某些为高功率装置，而其它则不是。某些发出作为红外辐射的光，某些发出各种颜色的可见光，另外其它则发出紫外光。某些制造成本昂贵，而其它则便宜。针对一般商业照明应用，常使用蓝光LED结构。这种蓝光LED具有含铟镓氮的多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)有源层，其可发出例如波长范围440纳米到490纳米的非单色且非相干光。接下来通常会提供荧光粉涂层，其吸收部分发出的蓝光。荧光粉接着发出荧光以发出其它波长的光，如此整体LED装置所发出的光具有较广的波长范围。发出较广波长范围的整体LED装置通常称为“白光”LED。

虽然氮化镓基板晶圆是可用的，不过它们价格昂贵。因此，商用蓝光LED的外延层通常生长于其它类型基板的晶圆上，例如蓝宝石基板。不过这些其它基板仍旧相当昂贵。个人计算机内使用的一般集成电路通常制造在硅基板上。由于用于计算机工业的硅基板大量生产，硅基板与蓝宝石基板比较起来相对便宜。而且，由于集成电路制造公司经常升级制造设备以便跟上集成电路制造技术的进步，因此二手的用以处理硅基板晶圆的半导体工艺设备通常可低价购得。因此从成本的观点来看，期望能够在相对便宜的硅基板晶圆上制造基于氮化镓(GaN)的LED，并且使用可取得的二手半导体工艺设备来处理这种硅晶圆，不过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外延层相关联的许多问题，来自于硅的晶格常数与GaN的晶格常数有相当大的差异。当GaN外延生长于硅基板上时，所生长的外延材料会表现出非期望的高密度晶格缺陷。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产生某种破裂。并且，硅与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，则该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让LED装置的各个层之间的应力上升。此应力可能导致破裂以及其它问题。更进一步，因为GaN为化合物材料而硅(Si)为元素材料，所以在硅基板上难以生长GaN。从非极性转变成极性结构，结合大量的晶格失配，产生缺陷。针对这些与其它因素，大部分可商购的白光LED装置的外延LED结构并不是生长于硅基板上。因此仍寻求在硅基板上制造蓝光LED的改进工艺以及结构。

制造在硅基板上生长的蓝光LED通常也涉及晶圆接合(wafer bonding)。在现有技术工艺中，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结构上形成一层银，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金属层。每一周期内的铂层为60nm薄层。每一周期内的钛/钨层大约10nm厚，并且包含大约百分之九十的钨。提供五个或以上的这种周期。一旦以此方式形成装置晶圆结构，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，将产生的晶圆接合结构切割形成LED装置。在此现有技术工艺中，使用接合金属层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短的高温循环被使用来熔化接合金属，所以来自此金/锡子层的锡不会穿过银层。此现有技术工艺被认为工作良好。

发明内容

在第一创新方面中，白光LED组件包括蓝光LED装置。通过在硅基板之上外延生长低电阻层(LRL)来制造该蓝光LED装置。在一个范例中，缓冲层直接生长于硅晶圆基板上，然后非掺杂的氮化镓样板层直接生长于缓冲层上，接下来在样板层上直接生长LRL。

在一个范例中，LRL为包括多个周期的超晶格结构，其中每一周期是薄的(厚度小于300nm)，并且包含相对厚的氮化镓子层(例如100nm厚)以及相对薄的非掺杂的氮化镓铝子层(例如25nm厚)。LRL的底部子层为GaN子层。LRL的顶部子层也为GaN子层。LRL内有四个非掺杂的氮化镓铝子层。