[发明专利]氮化镓到硅的直接晶片粘结

说明书

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§120，要求2012年5月31日提交的美国申请系列号13/484,542的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景

本发明总体涉及晶片粘结，具体来说，涉及形成基片封装的方法，该基片封装包括粘结到硅支架的氮化镓层。该基片封装可用于制造发光二极管。

预期在不久的将来，发光二极管(LED)将取代白炽灯和荧光灯泡，因为前者效率低下，而后者寿命较短。用于这种LED的工业标准起始材料是单晶氮化镓。为了制造常规LED，在单晶GaN层上外延生长薄膜半导体例如GaInN。

可将自立式GaN基片用于GaN层，但用于GaN生长的现有技术对于使产品LED在成本上具有竞争力而言是相当昂贵的。因此，对于使用GaN的大多数LED，在下面的支架上外延生长GaN层。支架的性能特征包括热导率、电导率和热膨胀系数等。但是，支架的最重要的性能特征可能是它的晶格常数。

为了使得能进行外延生长，支架必须具有和GaN的晶格常数接近匹配的晶格常数。备选的支架材料包括蓝宝石、碳化硅和硅。虽然这些材料各自具有足够接近GaN以使得能外延生长的晶格常数，但晶格不匹配的程度导致在GaN膜中形成限制性能的缺陷。

在上述备选支架材料中，硅是最经济的。但是，硅也具有与GaN最大的晶格常数不匹配。因此，由在Si上生长的GaN膜制造的LED通常质量较低。另一方面，虽然碳化硅使得能形成最高质量的GaN，但SiC是最贵的选择。认为蓝宝石提供了外延GaN成本和质量之间的合理折衷。

提供外延GaN的一种替代方法是和基片分离地形成GaN，并使用层转移工艺来从源基片收获GaN材料的薄膜。这种层转移工艺不要求GaN膜和支架基片之间的晶格常数匹配。实际上，支撑基片无需是晶体。因此，可选择用于支架的材料来满足其它参数例如热导率、电导率和热膨胀系数，而不是集中于接近匹配的晶格常数的要求。

层转移工艺通常涉及沿着由进入源晶片的离子注入限定的割开平面来割开源晶片。通常，将氢用作离子注入物质。层转移工艺的优势之一在于氢注入诱导的脱层可重复很多次，从而可从初始自立式GaN晶片收获很多薄膜。可由这样转移的GaN膜来制造LED。

涉及GaN的常规的层转移工艺在GaN表面包括二氧化硅(SiO₂)层，从而所得复合基片在GaN和硅之间包括二氧化硅层。二氧化硅层在GaN的表面上形成，并形成亲水性表面，其可与另一亲水性表面粘结。不限于理论，据信在氮化物化合物(包括氮化镓)中形成亲水性表面是非常困难的。因此，可将硅氧化物沉积在GaN上，并用作中间层以提供适于将GaN连接到硅的表面。

但是，对于LED制造而言，在GaN和支架基片之间的绝缘SiO₂层是不利的。中间介电层阻止将支架晶片用作LED的电气连接件。因此，为了将常规的层转移工艺用于提供LED制造所用的GaN，需要使GaN和SiO₂去粘结，并必须沉积另一电气导电层。不幸的是，额外的剥离和沉积步骤增加了工艺和所得产品的成本。

鉴于上述，非常需要将GaN或其它氮化物表面直接粘结到硅支架基片的经济的方法。这种直接粘结方法将使得能低成本地制造具有单晶GaN层的复合基片，其适于形成用于普通照明的高效率和低成本LED。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，目的是提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

概述

一种直接粘结GaN和硅晶片的方法涉及在接触之前使待结合的表面变成亲氨的(ammophilic)。在结合之前，用氨等离子体处理待结合的表面。

用于形成混合半导体结构的方法包括提供待粘结的硅表面和待粘结的氮化物表面，将所述硅表面和氮化物表面暴露于含氨的等离子体，来分别形成氨处理的表面，结合所述氨处理的硅表面和氨处理的氮化物表面以形成中间粘结结构，和对所述中间粘结结构进行退火以形成具有在所述硅表面和氮化物表面之间的粘结界面的粘结的混合半导体结构。所述方法可用来提供用于形成发光二极管的基片。