专利名称：表面纹理结构与一种最小化和局部化晶格常数及热涨系数失配的方法
技术领域：
本发明涉及在半导体发光二极管的生长衬底和外延层的表面上制备表面纹理结构，以及一种局部化和最小化由于晶格常数和热涨系数的失配造成的位错和畸变效应的方法。
半导体芯片中的外延层的晶格常数和热涨系数应该与生长衬底的晶格常数和热涨系数相匹配，并且越接近越好。晶格常数失配的效应可以由相干应变和其它机制调节，譬如弯曲外延层和在界面层产生位错，但会造成晶片质量不佳。
为降低晶格常数的失配，在生长衬底和外延层之间，生长单层或多层缓冲层。然而，缓冲层不能完全消除生长衬底与外延层之间的由于晶格常数的失配造成的应力。残留的应力会产生外延层的位错和畸变密度，进而降低外延层的质量。蓝宝石和碳化硅晶片被作为商业性生长半导体氮化镓基发光二极管的生长衬底。为了减小由于蓝宝石生长衬底与氮化镓基外延层之间的晶格常数的失配带来的位错和畸变效应，缓冲层技术被采用，部分地减小该效应。但是，蓝宝石生长衬底和碳化硅生长衬底与氮化镓基外延层之间的热胀系数的差别很大，当外延生长结束，冷却到室温时，在大约1000℃的温度差范围内，氮化镓基外延层与蓝宝石和碳化硅生长衬底之间的热胀系数的差别在氮化镓基外延层内造成相当大的应力，该应力会产生位错和畸变，降低氮化镓基外延层的质量。另外，由于生长衬底的上表面辐射热能和接触生长衬底上表面的气体吸收热能，因此在外延生长过程中，生长衬底的边缘向上翘起，这导致生长衬底表面的温度不均匀，并引起外延层的电/光特性的不均匀性。因此，在工业生产上，需要一种局部化和最小化由于晶格常数和热涨系数的失配造成的位错和畸变效应的方法。
有很多有关缓冲层的专利，讨论多层缓冲层，讨论厚的缓冲层，讨论单层缓冲层。上述专利是关于氮化镓基半导体发光二极管，最常用的生长衬底是晶格常数失配的蓝宝石。晶格常数失配也存在于其它半导体器件中。
除了关于缓冲层的文献外，缺少关于局部化和最小化晶格常数和热涨系数的失配的效应的方法的文献。
发明内容
本发明揭示，(1)在生长衬底的表面上制备纹理结构，然后在纹理结构上生长外延层；(2)在生长衬底的两个表面上制备纹理结构，然后在两面的纹理结构上生长不同的外延层；(3)在外延层的表面上制备纹理结构，然后在外延层的纹理结构表面上上生长另一外延层；(4)在生长衬底和外延层上多次制备表面纹理结构；(5)一个新的局部化和最小化由于晶格常数和热涨系数的失配造成的位错和畸变效应的方法。
本发明的目的和能达到的各项效果如下(1)本发明的主要目的是提供具备纹理结构的生长衬底，包括生长衬底的一面具备纹理结构，以及生长衬底的二面都具备纹理结构；(2)本发明的第二目的是提供一个新的局部化和最小化由于生长衬底和缓冲层之间的晶格常数和热涨系数的失配造成的位错和畸变效应的方法，因此提高半导体器件的性能，提高良品率；(3)本发明的第三目的是提供一个新的方法，使得生长在同一生长衬底上的不同的外延层之间的晶格常数的失配造成的位错和畸变效应最小化，因此半导体发光二极管发出不同波长的光的复合光。
本发明的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
图1a展示在先的较厚的生长衬底及其上的外延层的截面图。
图1b展示在先的具有图形的外延层的顶视图。
图2a展示在先的较薄的弯曲的生长衬底及其上的外延层的截面图。
图2b展示在先的较薄的弯曲的生长衬底及其上的外延层的顶视图。
图3a展示本发明的一个表面具备纹理结构的生长衬底的具体实施实例的截面图。
图3b展示生长衬底的表面纹理结构的顶视图。
图4a展示一个表面具备纹理结构的生长衬底及其上的缓冲层或外延层的截面图。
图4b展示表面纹理结构的示意图。
图5展示一个外延晶片的截面图，外延晶片包括，但不限于缓冲层，外延层，和具备表面纹理结构的生长衬底。
图6a展示一个表面具备纹理结构的生长衬底及其上的缓冲层的截面图。
图6b展示一个表面具备纹理结构的生长衬底及其上的平坦化的缓冲层的截面图。
图6c展示一个表面具备纹理结构的生长衬底及其上的平坦化的缓冲层和外延层的截面图。
图7展示一个表面具备纹理结构的生长衬底及生长于其一面上的两层缓冲层和两层外延层的截面图。
图8展示一个表面具备纹理结构的生长衬底及生长于其一面上的两层外延层的截面图。
图9展示一个两个表面都具备纹理结构的生长衬底及生长于其每一表面上的缓冲层和外延层的截面图。
图10展示一个两个表面都具备纹理结构的生长衬底及生长于其每一表面上的外延层的截面图。
具体实施实例和发明的详细描述本发明进一步的目的和效果将会从以下的描述和图显现出来。虽然本发明的具体化实施实例将会在下面被描述，熟练的技术人员将会认识到其他的具备纹理结构的生长衬底和外延层，和其他的生产工艺能够实现本发明的原理。因此下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项描述。
注意下列各项应用到本发明的各个具体实施实例(1)本发明中的外延层包括，但不限于N型限制层，P型限制层，和发光层；(2)本发明中的生长衬底包括发光生长衬底和不发光生长衬底；(3)本发明的“缓冲层“包括单层缓冲层和多层缓冲层。
图1a展示在先的较厚的生长衬底及其上的外延层的截面图。缓冲层12生长在生长衬底11的上表面，外延层13生长在缓冲层12的上表面。晶格常数和热涨系数的失配产生的力14存在于缓冲层12和生长衬底11之间的交界面并且平行于该交界面。在研磨减薄之前，生长衬底11足够厚，使得在外延生长时，生长衬底11保持平坦。
图1b展示在先的较厚的生长衬底及其上的外延层的顶视图。芯片16被街道15分开。由晶格常数和热涨系数的失配产生的力14从生长衬底的边缘指向内部。
图2a展示在先的较薄的生长衬底及其上的外延层的截面图。缓冲层22生长在生长衬底21的上表面，外延层23生长在缓冲层22的上表面。通常，在外延生长时，由于生长衬底的上表面和下表面之间的温度差，较薄的生长衬底向上弯曲。在外延生长结束后，进行研磨减薄，因为生长衬底和缓冲层之间的晶格常数和热涨系数的失配，生长衬底及其上的外延层向上弯曲的更为严重。
图2b展示在先的较薄的生长衬底及其上的外延层的顶视图。芯片16被街道15分开。由晶格常数和热涨系数的失配产生的力24从生长衬底的边缘指向内部。
注意生长衬底及其上的外延层弯曲的方向取决于缓冲层和生长衬底的材料。
图3a展示本发明的一个具体实施实例的截面图。表面纹理结构包括，但不限于，阱和阱壁。表面纹理结构是由蚀刻生长衬底31的表面层而形成。阱33和阱34被阱壁32分隔。阱33的深度是在纳米到微米范围。阱33可以与芯片具有相同的宽度和长度。阱壁32的宽度是在纳米到微米范围。
图3b展示图3a的顶视图。生长衬底31的上表面层具有阱33和阱壁32。
注意(1)阱的形状不限于长方形，正方形，还可以是其它形状，例如，圆形；(2)阱与芯片可以具有不同的宽度和长度，例如，阱的宽度和长度也可以大于或小于芯片的宽度和长度；(3)图3b展示的是阱和阱壁的图形，而不是芯片的图形。
图4a展示具有表面纹理结构的生长衬底31的截面图。表面纹理结构包括，但不限于，阱33，阱34，和阱壁32。
图4a展示两个不同的具体实施实例(A)缓冲层43生长在生长衬底31的表面纹理结构上；(B)外延层43直接生长在生长衬底31的表面纹理结构上。
在下面的描述中，将使用缓冲层/外延层43来描述图4a中的两个具体实施实例。凸40在缓冲层/外延层43的上表面层，并位于阱壁32的上方。在阱33中，由于晶格常数和热涨系数的失配产生的力41存在于生长衬底31和缓冲层/外延层43的交界面，并平行于交界面，力41指向左方。在阱34中，力42指向右方。因此，作用于生长衬底31上的力41和力42互相抵消，生长衬底31保持平坦。
注意外延层可以直接生长在具有表面纹理结构的生长衬底31上，因为表面纹理结构将会最小化晶格常数和热涨系数的失配的效应。
图4b是阱33和邻近它的阱34，阱35，阱36，和阱37的示意图。这些阱被阱壁32分隔。在每一个阱中，由晶格常数和热涨系数的失配产生的力都指向内部，例如，力41，力49，力45，和力47在阱31中并指向阱的中部。作用于生长衬底的力41和力42互相抵消，同样的，作用于生长衬底的力49和力44，力45和力46，力47和力48互相抵消。因此，生长衬底保持平坦。
图5是带有外延层的生长衬底31的截面图。缓冲层43生长在生长衬底31的表面纹理结构上。外延层51生长在缓冲层43上。凸52是在外延层51的表面层上。
当阱的深度是在纳米范围，凸52的效应可以忽略，所以，外延层51可以直接生长在缓冲层43上。
当阱的深度是在微米范围，在生长外延层之前，可以去掉缓冲层表面的凸52。
图6a，6b，和6c展示一个工艺(1)在生长衬底的表面纹理结构上生长缓冲层；(2)去掉缓冲层表面的凸；(3)在缓冲层的表面生长外延层。
图6a展示带有缓冲层43和表面纹理结构的生长衬底31的截面图。阱33是由蚀刻生长衬底31的表面而形成。凸40是在缓冲层43的表面。
图6b展示生长衬底31的截面图。图6a中的凸40已被蚀刻掉，所以，图6a中的缓冲层43成为图6b中的缓冲层61，缓冲层61的表面是平坦的。
图6c展示带有缓冲层61，外延层62，和表面纹理结构的生长衬底31的截面图。
本发明的原理和工艺可以在同一个带有缓冲层和外延层的生长衬底上反复应用多次，特别是对于发出不同波长的复和光的芯片。
图7到图10是本发明的四个具体实施实例。
图7展示带有缓冲层，外延层，和表面纹理结构的生长衬底的截面图。第一表面纹理结构是在生长衬底31的表面上。第一表面纹理结构包括，但不限于，阱33和阱壁32。第一缓冲层71生长在第一表面纹理结构上。第一外延层72生长在第一缓冲层71的表面。第一外延层72包括，但不限于，第一发光层。第一发光层发出第一波长的光。第二表面纹理结构是在第一外延层72的表面上。第二表面纹理结构包括，但不限于阱76和阱壁75。第二缓冲层73生长在第二表面纹理结构上。第二外延层74生长在第二缓冲层73的表面。第二外延层74包括，但不限于第二发光层。第二发光层发出第二波长的光。
注意(1)第一缓冲层71和第二缓冲层73的表面层上的凸并未在图7中展示；(2)阱33和阱壁32的尺度可以与阱76和阱壁75的尺度不同。
图8展示带有外延层和表面纹理结构的生长衬底的截面图。生长衬底31的表面层的纹理结构包括，但不限于，阱33和阱壁32。第一外延层81直接生长在生长衬底31的表面结构纹理上。蚀刻第一外延层81的表面，并在其上形成第二表面纹理结构，包括，但不限于，阱84和阱壁83。第二外延层82生长在第二表面纹理结构上。
在这个具体实施实例中，没有缓冲层生长在表面纹理结构和第一外延层81之间。第一外延层81发出第一波长的光。第二外延层82发出第二波长的光。第一波长的光和第二波长的光复合成一复合光。
图9展示生长衬底91的截面图。生长衬底91的两个表面均有表面纹理结构。生长衬底91是透明的。两个表面纹理结构的尺度可以是相同的，但也可以不同的，取决于缓冲层和生长衬底的材料。
第一表面纹理结构生长在生长衬底91的一个表面上，包括阱97和阱壁96。第一缓冲层94生长在第一表面纹理结构上。第一外延层95生长在第一缓冲层94上。
第二表面纹理结构生长在生长衬底91的另一个表面上，包括阱99和阱壁98。第二缓冲层92生长在第二表面纹理结构上。第二外延层93生长在第二缓冲层92上。阱97和阱99的尺度可以是相同的，但也可以不同的。
注意第一缓冲层94和第二缓冲层92的表面层上的凸并未在图9中展示，因为或者凸的高度可以忽略，或者在生长外延层之前，凸已被蚀刻掉；第一外延层95发出第一波长的光。第二外延层93发出第二波长的光。第一波长的光和第二波长的光复合成一复合光。
图10展示生长衬底101的截面图。生长衬底101的两个表面均有表面纹理结构。生长衬底101是透明的。两个表面纹理结构的尺度可以是相同的，但也可以不同的，取决于缓冲层和生长衬底的材料。
第一表面纹理结构生长在生长衬底101的一个表面上，包括阱106和阱壁105。第一外延层107直接生长在第一表面纹理结构上。
第二表面纹理结构生长在生长衬底101的另一个表面上，包括阱102和阱壁103。第二外延层104直接生长在第二表面纹理结构上。阱97和阱99的尺度可以是相同的，但也可以不同的。
第一和第二表面纹理结构的尺度可以很小，以便更好的最小化晶格常数和热涨系数的失配的不良效应。
注意第一外延层107和第二外延层104的表面层上的凸并未在图10中展示，因为或者凸的高度可以忽略，或者凸已被蚀刻掉；第一外延层95发出第一波长的光。第二外延层93发出第二波长的光。第一波长的光和第二波长的光复合成一复合光。
虽然上面包含许多具体的描述，但是这些描述并没有限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权力要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施实例决定。
权利要求
1.一个半导体器件，包括，但不限于，一个生长衬底，所述的生长衬底的一个表面具有表面纹理结构；一个外延层，所述的外延层生长在所述的表面纹理结构上，所述的外延层包括，但不限于，一层发光层，其中，所述的发光层发光。
2.权利要求1的半导体器件，进一步包括一层缓冲层，所述的缓冲层生长在所述的外延层和所述的表面纹理结构之间。
3.权利要求1的半导体器件，其中，所述的表面纹理结构包括，但不限于，阱和阱壁。
4.权利要求3的半导体器件，其中，所述的阱壁的厚度的范围是从纳米到微米。
5.权利要求3的半导体器件，其中，所述的阱具有与所述的半导体器件相同的形状。
6.权利要求3的半导体器件，其中，所述的阱的尺度的范围是从纳米到微米。
7.权利要求1的半导体器件，进一步包括第二表面纹理结构，所述的第二表面纹理结构形成于所述的外延层上。
8.权利要求7的半导体器件，其中，所述的第二表面纹理结构包括，但不限于，阱和阱壁。
9.权利要求7的半导体器件，进一步包括第二外延层，所述的第二外延层生长在所述的第二表面纹理结构上，所述的第二外延层包括，但不限于，第二发光层，其中，所述的第二发光层发第二波长的光。
10. 权利要求9的半导体器件，进一步包括第二缓冲层，所述的第二缓冲层生长在所述的第二外延层和所述的第二表面纹理结构之间。
全文摘要
晶格常数和热涨系数的失配是半导体器件(包括半导体发光二极管LED)中的重要问题之一。本发明揭示(1)在生长衬底的表面上制备表面纹理结构，以便在表面纹理结构上生长高质量的外延层；(2)在所述的外延层的表面上制备表面纹理结构，以便在表面纹理结构上生长高质量的第二外延层；(3)一个局部化和最小化由晶格常数和热涨系数的失配带来的不良效应的方法。制备表面纹理结构的过程可以被重复多次。不同的外延层发出不同波长的光。因此，具备多层外延层的半导体发光二极管发出白色或预定的颜色的复合光。
文档编号H01L33/00GK1670974SQ20051000893
公开日2005年9月21日 申请日期2005年2月25日 优先权日2005年2月25日
发明者彭晖 申请人:金芃