专利名称：垂直结构的非极化的氮化镓基器件及侧向外延生产方法
技术领域：
本发明揭示垂直(vertical)结构的非极化(non-polar)的氮化镓基器件(包括氮化镓基LED)及采用侧向外延法(Lateral Epitaxy Overgrowth，LEO)的生产工艺，属于半导体电子技术领域。
背景技术：
在工业上，c-蓝宝石衬底作为生长横向(lateral)结构的极化的氮化镓基器件(包括氮化镓基LED)的主要生长衬底之一。但是，存在以下不足之处(1)氮化镓基外延层内存在内建极化电场，该电场降低氮化镓基外延层内的电子和空穴的结合效率，因而降低氮化镓基器件的内量子效率。(2)蓝宝石是低热导材料，大功率器件的散热问题需要解决。(3)横向结构的氮化镓基LED具有电流拥塞(crowding)、电流分布不均匀，等缺点。
为了克服上述不足之处，下述方案被采用(1)为了消除内建极化电场，在下列生长衬底(包括，但不限于氮化镓衬底、氮化铝衬底、蓝宝石衬底、硅衬底、氧化锌衬底、碳化硅衬底、氧化锂铝(LiAlO2)衬底、氧化锂镓(LiGaO2)衬底、氮化硼衬底，等，其中，所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面、m-平面、r-平面，(100)gamma-平面，等)上，利用侧向外延法方法生长横向结构的非极化的氮化镓基器件[美国专利申请，申请号20050040385]。(2)为了解决散热问题和横向结构的氮化镓基LED的电流拥塞问题，垂直结构的氮化镓基器件[中国专利申请，申请号200510053960.5]被提出。
但是，方案(1)中的侧向外延法的不足之处在于，在氮化镓基外延层中存在空洞(voids)，高温下易变形，器件易被击穿，等。而且，非极化的横向结构的氮化镓基器件仍然存在电流拥塞和电流分布不均匀，散热效率低，等缺点。方案(2)中的垂直结构的氮化镓基器件是极化的。
因此，需要能同时解决上述问题的方案，即，需要垂直结构的非极化的氮化镓基器件及生产方法。垂直结构的非极化的氮化镓基器件的优点如下(1)垂直结构的非极化的氮化镓基器件中不存在空洞，因此高温下不易变形，器件不易被击穿；(2)无内建极化电场，内量子效率高；(3)缺陷密度低；(4)散热效率高；(4)电流密度大、电流分布均匀和工作电压低，等优点。
发明内容
本发明揭示具有低缺陷密度的垂直结构的非极化的氮化镓基器件及采用改进的侧向外延法的生产方法。垂直结构的非极化的氮化镓基器件的一个具体实施实例的结构如下非极化的氮化镓基外延层[包括活化层(active layer)]键合于导电的支持衬底上。垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例的结构如下非极化的氮化镓基外延层[包括活化层(active layer)]键合于导电的反射/欧姆/应力缓冲层上，反射/欧姆/应力缓冲层键合于导电的支持衬底上。
制造垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例(图5)的工艺的第一个具体实施实例如下(图1)在下列生长衬底(包括，但不限于氮化镓衬底、氮化铝衬底、蓝宝石衬底、硅衬底、氧化锌衬底、碳化硅衬底、氧化锂铝(LiAlO2)衬底、氧化锂镓(LiGaO2)衬底、氮化硼衬底，等，其中，所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面、m-平面、r-平面，(100)gamma-平面，等)上，依次生长中间媒介层或晶核层和非极化的第一氮化镓基外延层。在非极化的第一氮化镓基外延层上层叠掩膜层，蚀刻掩膜层形成氮化镓窗口和掩膜层条。生长非极化的第一类型氮化镓基限制层，覆盖掩膜层条，继续生长非极化的第一类型氮化镓基限制层到一个预定的厚度。以上是侧向外延法的标准工艺步骤。然后，进行下述工艺步骤键合导电的支持衬底于非极化的第一类型氮化镓基限制层上，剥离上述生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条和非极化的第一类型氮化镓基限制层中带有空洞的部分，非极化的第一类型氮化镓基限制层中没有空洞的顶部层暴露，进行热处理。然后，在非极化的第一类型氮化镓基限制层上生长包括活化层(activelayer)在内的非极化的氮化镓基外延层，形成垂直结构的非极化的复合氮化镓基器件的第一个具体实施实例。
制造垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例(图6)的工艺的第一个具体实施实例如下(图2)在下列生长衬底(包括，但不限于氮化镓衬底、氮化铝衬底、蓝宝石衬底、硅衬底、氧化锌衬底、碳化硅衬底、氧化锂铝(LiAlO2)衬底、氧化锂镓(LiGaO2)衬底、氮化硼衬底，等，其中，所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面、m-平面、r-平面，(100)gamma-平面，等)上，依次生长中间媒介层或晶核层和非极化的第一氮化镓基外延层。在非极化的第一氮化镓基外延层上层叠掩膜层，蚀刻掩膜层形成氮化镓窗口和掩膜层条。生长非极化的第一类型氮化镓基限制层，覆盖掩膜层条，继续生长非极化的第一类型氮化镓基限制层到一个预定的厚度。然后，进行下述工艺步骤在非极化的第一类型氮化镓基限制层上层叠导电的反射/欧姆/应力缓冲层，键合导电的支持衬底于导电的反射/欧姆/应力缓冲层上，剥离生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层中带有空洞的部分，非极化的第一类型氮化镓基限制层中没有空洞的顶部层暴露，进行热处理。最后，在非极化的第一类型氮化镓基限制层上生长包括活化层(active layer)在内的非极化的氮化镓基外延层，形成垂直结构的非极化的复合氮化镓基器件的第二个具体实施实例。
生长氮化镓基外延层并在其上层叠掩膜层和蚀刻掩膜层的工艺步骤可以重复多次[R.Liu，等，2005中国(厦门)国际半导体照明论坛，112页；徐军，等，123页；中国专利申请，申请号200510125516.x]。
本发明的目的和能达到的各项效果如下(1)本发明的目的是提供垂直结构的非极化的氮化镓基器件。
(2)本发明的目的是提供生产垂直结构的非极化的氮化镓基器件的改进的侧向外延方法。
(3)由于下面的原因，本发明提供的垂直结构的非极化的氮化镓基器件具有高质量(a)非极化的氮化镓基器件中不存在内建电场。
(b)侧向外延方法提供低缺陷密度的非极化的氮化镓基器件。
(c)在图1和图2的生产工艺中，原始生长衬底和非极化的第一类型氮化镓基限制层中存在空洞的部分被剥离，提供没有空洞的非极化的第一类型氮化镓基限制层。然后，在进行热处理时，由于对非极化的第一类型氮化镓基限制层的不存在空洞的部分的晶格的束缚力不再存在，非极化的第一类型氮化镓基限制层回复到正常晶体结构，晶格缺陷进一步降低。
(4)生长垂直结构的非极化的氮化镓基LED时，反射/欧姆/应力缓冲层中的反射层提高光取出效率。
(5)反射/欧姆/应力缓冲层中的应力缓冲层减轻非极化的第一类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底之间的热失配的应力。
(6)在图1和图2的生产工艺中，可以采用三种方法进一步降低非极化的第一类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底之间的热失配的应力。
(7)本发明使用具有高导热率的导电的硅晶片或其它导电的材料作为支持衬底，热传导效率高。
本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
图1展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例的工艺流程的第一个具体实施实例。
图2展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例的工艺流程的第一个具体实施实例。
图3展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例的工艺流程的第二个具体实施实例。
图4展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例的工艺流程的第二个具体实施实例。
图5展示本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例。
图6展示本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例。
具体实施实例和发明的详细描述虽然本发明的具体化实施实例将会在下面被描述，但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具体化实施实例的描述。
注意下列各项在本发明中，(1)导电的支持衬底的材料包括，但不限于，导电的硅晶片、导电的碳化硅晶片、金属薄膜、合金薄膜，等。键合的方法包括，金属键合、真空蒸镀、真空溅镀、化学镀、电镀，等。
(2)在图1和图2的生产工艺中，有几种方法可以降低非极化的第一类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底之间的热失配的应力，选用哪一种方法，取决于导电的支持衬底的材料和键合的方法。
(3)非极化的第一氮化镓基外延层、非极化的两种类型(n-类型和p-类型)的氮化镓基限制层和非极化的氮化镓基活化层(active layer)的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于元素氮、镓、铟、铝的二元系、三元系、四元系和五元系；例如，氮化镓、铟镓氮、铝镓氮、铝铟镓氮，镓氮磷(GaNP)、铟镓氮磷(InGaNP)、铝铟镓氮磷(AlInGaNP)，等。
(4)非极化的第一氮化镓基外延层、非极化的两种类型的氮化镓基限制层和非极化的氮化镓基活化层的晶格面包括，但不限于a-平面，m-平面。
(5)非极化的氮化镓基活化层的结构是从一组结构中选出，该组结构包括，但不限于体(bulk)、单量子阱、多量子阱、量子点、量子线，等。
(6)生长非极化的第一氮化镓基外延层、非极化的两种类型的氮化镓基限制层和非极化的氮化镓基活化层的方法包括，但不限于，MOCVD，分子束外延(MBE)，氢化物气相外延(HPVE)，等。
(7)生长衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化镓衬底、氮化铝衬底、蓝宝石衬底、硅衬底、氧化锌衬底、碳化硅衬底、氧化锂铝(LiAlO2)衬底、氧化锂镓(LiGaO2)衬底、氮化硼衬底，等，其中，所述的生长衬底的晶格面包括，但不限于，a-平面、m-平面、r-平面、(100)gamma-平面，等。
(8)生长衬底也可以是从一组复合衬底中选出，该组复合衬底包括，但不限于氮化镓复合衬底、氮化铝复合衬底、氮化铟复合衬底、氧化锌复合衬底、4H-和6H-碳化硅复合衬底、氧化锂铝(LiAlO2)复合衬底、氧化锂镓(LiGaO2)复合衬底、氮化硼复合衬底。复合衬底的晶格面包括，a-平面、m-平面、r-平面、(100)gamma-平面，等。
(9)掩膜层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于金属材料和绝缘材料。例如，二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、钨(W)，等。
(10)蚀刻掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条。氮化镓窗口和掩膜层条的形状，包括，但不限于，条型，等。氮化镓窗口的尺寸可以是，但不限于，1微米到30微米。掩膜层条的尺寸可以是，但不限于，1微米到100微米。
(11)导电的反射/欧姆/应力缓冲层具有单层或多层结构。每层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于金、铑、镍、铂、钯、铟、锡、银、钛、镉，等金属或合金及其组合，组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)、钯/金(Pd/Au)、钯/镍(Pd/Ni)、金锡、钛/金，等。层叠导电的反射/欧姆/应力缓冲层的方法包括，但不限于，真空蒸镀、真空溅镀、化学镀、电镀、外延生长，等。
(12)为了进一步降低非极化的第一氮化镓基外延层、非极化的两种类型的氮化镓基限制层和非极化的氮化镓基活化层的晶格缺陷密度，生长中间媒介层或晶核层于生长衬底和非极化的第一氮化镓基外延层之间。晶核层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化镓。晶核层厚度在1纳米到100纳米之间，生长在生长衬底上。中间媒介层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氮化铝。
(13)剥离生长衬底、中间媒介层或氮化镓晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条和非极化的第一类型氮化镓基限制层中带有空洞的部分，直到非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分暴露。剥离的方法包括，但不限于，精密机械研磨/抛光、选择性湿法或干法蚀刻、激光剥离(应用于蓝宝石等透明衬底)，及它们的组合(例如，精密机械研磨生长衬底到一定的厚度，例如5微米，然后采用湿法或干法蚀刻去掉剩余部分)。
(14)图1和图2展示的工艺流程中的热处理工艺。非极化的第一类型氮化镓基限制层中的缺陷的分布是不均匀的。剥离生长衬底、中间媒介层或氮化镓晶核层、掩膜层条和非极化的第一类型氮化镓基限制层的带有空洞的部分以后，造成缺陷的外力已不存在。因此，在热处理时，非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分回复到正常晶体结构，非极化的第一类型氮化镓基限制层的晶格缺陷密度进一步降低。
(15)图1和图2展示的工艺流程是在键合导电的支持衬底和剥离生长衬底、中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层的带有空洞的部分之后，在暴露的非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分上生长非极化的氮化镓基活化层。
(16)图3和图4展示的工艺流程是在非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分上生长非极化的氮化镓基活化层后，再键合导电的支持衬底和剥离生长衬底、中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层的带有空洞的部分，使非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分暴露。
图1展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例的工艺流程的一个具体实施实例。
工艺流程步骤101到工艺流程步骤104是在先的侧向外延法，详见中国专利申请[申请号02145890.1]和上述美国专利申请[申请号20050040385]。
工艺流程步骤101准备生长衬底。生长衬底包括，但不限于，氮化镓、氮化铝、蓝宝石、硅、氧化锌、4H-和6H-碳化硅、氧化锂铝(LiAlO2)、氧化锂镓(LiGaO2)、氮化硼，或氮化镓复合衬底、氮化铝复合衬底、氮化铟复合衬底、氧化锌复合衬底、4H-和6H-碳化硅复合衬底、氧化锂铝(LiAlO2)复合衬底、氧化锂镓(LiGaO2)复合衬底、氮化硼复合衬底，等。生长衬底和复合生长衬底的晶格面包括，a-平面、m-平面、r-平面、(100)gamma-平面，等。为了进一步提高非极化的第一氮化镓基外延层的质量，可以先把生长衬底的表面蚀刻成纹理结构[中国专利申请，申请号200510008931.7]。
工艺流程步骤101的一个具体实施实例采用商业化的r-平面蓝宝石衬底。准备步骤包括，但不限于，清洁和热处理，热处理温度高于900℃。
工艺流程步骤102在生长衬底的表面(或有纹理结构的表面)上，生长非极化的第一氮化镓基外延层。为了进一步提高非极化的第一氮化镓基外延层的质量，可以先在生长衬底上生长中间媒介层或晶核层，然后，在中间媒介层或晶核层上生长非极化的第一氮化镓基外延层。生长晶核层可以在低温或生长温度下进行。晶核层的材料包括，但不限于，氮化镓。中间媒介层的材料包括，但不限于，氮化铝。
工艺流程步骤102的第一个具体实施实例使用MOCVD，在r-平面蓝宝石生长衬底上(在400-900℃温度下)生长一层厚度在1纳米到90纳米之间的氮化镓基晶核层(nucleation layer)。在晶核层上生长a-平面非极化的第一氮化镓基外延层。生长非极化的a-平面第一氮化镓基外延层的一个具体实施实例在大约1000℃温度以上和小于1个大气压下，采用适当的V/III比例，开始使HCl流经Ga源(Ga源的温度高于700度C)，生成GaCl，利用载气(carrier gas)(包含至少部份H2)把GaCl带到生长衬底区域。在生长衬底上，GaCl与氨气(NH3)反应，生成非极化的第一氮化镓基外延层，其厚度为0.5-5微米。
工艺流程步骤102的第二个具体实施实例使用MBE，在m-平面6H-碳化硅生长衬底上生长一层氮化铝缓冲层，然后生长m-平面非极化的第一氮化镓基外延层。
非极化的第一氮化镓基外延层可以是导电的或非导电的。
工艺流程步骤103层叠掩膜层，蚀刻掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条。掩膜层的材料包括，但不限于，金属材料和绝缘材料。例如，二氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiNx)，钨(W)，等。氮化镓窗口和掩膜层条的形状包括，但不限于，条型，等。
工艺流程步骤103的一个具体实施实例利用PECVD技术，层叠二氧化硅掩膜层，利用光刻和HF腐蚀，形成氮化镓窗口和掩膜层条。氮化镓窗口的尺寸为，但不限于，1微米到30微米。掩膜层条的尺寸是，但不限于，1微米到100微米。更具体的具体实施实例蚀刻二氧化硅掩膜层形成2微米宽氮化镓窗口和8微米宽掩膜层条，掩膜层条的方向是沿非极化的第一氮化镓基外延层的(0001)方向。
层叠和蚀刻掩膜层以形成窗口和掩膜层条是成熟的技术。
工艺流程步骤104一个具体实施实例生长非极化的第一类型氮化镓基限制层。在氮化镓窗口，非极化的第一类型氮化镓基限制层垂直向上生长，长到与掩膜层条相平时，除继续向上生长，开始横向生长于掩膜层条上，直到在掩膜层条的上方相遇，形成空洞，继续向上生长到一预定的厚度，形成非极化的第一类型氮化镓基限制层的无空洞的顶部层(部分)。
非极化的第一类型氮化镓基限制层可以是n-类型也可以是p-类型。第一类型氮化镓基限制层的一个具体实施实例n-类型非极化的a-平面或m-平面氮化镓基限制层。
注意在工艺流程步骤104中，也可以先生长一层非极化的氮化镓基外延层，然后再生长非极化的第一类型氮化镓基限制层。但是，因为在下面的工艺流程中，需要剥离生长衬底等，直到非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的顶部层(部分)暴露，所以是否先生长一层非极化的氮化镓基外延层并没有影响。
工艺流程步骤105键合导电的支持衬底在非极化的第一类型氮化镓基限制层的顶部层上。导电的支持衬底的材料包括，但不限于，导电的硅晶片，导电的碳化硅晶片，金属薄膜，合金薄膜，等。键合的方法包括，晶片键合，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，等。
有三种方法降低非极化的第一类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底的热失配的应力方法1把导电的支持衬底的一面蚀刻成纹理结构，然后，键合非极化的第一类型氮化镓基限制层的顶部层在导电的支持衬底的有纹理结构的一面上。方法2把非极化的第一类型氮化镓基限制层的顶部层蚀刻成纹理结构，然后，键合导电的支持衬底在非极化的第一类型氮化镓基限制层的有纹理结构的顶部层上。方法3把导电的支持衬底的一面和非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的顶部层都蚀刻成纹理结构，然后，键合导电的支持衬底的有纹理结构的一面在非极化的第一类型氮化镓基限制层的有纹理结构的顶部层上。选用哪一种方法，取决于导电的支持衬底的材料和键合的方法。
工艺流程步骤106剥离生长衬底、中间媒介层或晶核层、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、非极化的第一类型氮化镓基限制层的带有空洞的部分，直到非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的顶部层(部分)暴露。剥离的方法包括，但不限于，精密机械研磨/抛光，选择性湿法或干法蚀刻，激光剥离(应用于蓝宝石等透明衬底)，及它们的组合。
工艺流程步骤106的第一个具体实施实例精密机械研磨生长衬底到一定的厚度，例如5微米，然后采用湿法或干法蚀刻去掉其余的部分。
工艺流程步骤106的第二个具体实施实例激光剥离r-蓝宝石生长衬底，然后，采用湿法或干法蚀刻去掉其余的部分。
工艺流程步骤107。热处理。进行热处理时，因为已剥离生长衬底、中间媒介层或晶核层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层带有空洞的部分，造成缺陷的外力已不存在，非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分在热处理时回复到正常晶体结构，非极化的第一类型氮化镓基限制层的晶格缺陷密度进一步降低。
工艺流程步骤108和109。生长非极化的氮化镓基外延层(包括活化层(activelayer))和非极化的第二类型氮化镓基限制层。
工艺流程步骤108/109的第一个具体实施实例在非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分上直接生长非极化的活化层，再在非极化的活化层上生长非极化的第二类型氮化镓基限制层。活化层的结构是从一组结构中选出，该组结构包括，但不限于体(bulk)、单量子阱、多量子阱、量子点、量子线，等。
例1在r-蓝宝石上生长a-氮化镓基外延层。然后，在800到900度的温度和一个大气压下，在a-氮化镓基外延层上生长2到20个周期的多量子阱6到10纳米厚的InGaN壁垒(barrier)和1到5纳米厚的InGaN阱(well)。[美国专利申请，申请号20050040385]。
例2在r-蓝宝石上依次生长a-氮化镓基外延层和a-GaN/AlGaN多量子阱。
工艺流程步骤108/109的第二个具体实施实例首先，在非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分上再生长一层非极化的同第一类型氮化镓基限制层，然后生长非极化的活化层，再在非极化的活化层上生长非极化的第二类型氮化镓基限制层。
如果选择非极化的第一类型氮化镓基限制层是n-类型，则非极化的第二类型氮化镓基限制层是p-类型，相反的选择也可以。
工艺流程步骤110。分别层叠电流扩散层和图形化的第二电极在非极化的第二类型氮化镓基限制层上。电流扩散层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于氧化铟锡(ITO)。图形化的第二电极使得电流分布更均匀。
非极化的活化层和非极化的两种不同类型的氮化镓基限制层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于元素氮、镓、铟、铝、磷的二元系、三元系、四元系和五元系；例如，氮化镓、铟镓氮、铝镓氮、铝铟镓氮，镓氮磷(GaNP)、铟镓氮磷(InGaNP)、铝铟镓氮磷(AlInGaNP)，等。
图2展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例的工艺流程的一个具体实施实例。
图2工艺流程步骤201、202、203、204、205、206、207、208、209、210分别与图1的工艺流程步骤101、102、103、104、105、106、107、108、109、110相同。不同的是图2的工艺流程增加了一个工艺流程步骤211。
工艺流程步骤211。在工艺流程步骤204和205之间，加入工艺流程步骤211层叠导电的反射/欧姆/应力缓冲层在非极化的第一类型氮化镓基限制层的无空洞的顶部层上。然后，键合导电的支持衬底在导电的反射/欧姆/应力缓冲层上。导电的反射/欧姆/应力缓冲层具有单层或多层结构。每层结构的材料包括，但不限于，金，铑，镍，铂，钯，铟，锡，银，镉，钛，等金属或合金及其组合，组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)，钯/金(Pd/Au)，钯/镍(Pd/Ni)，金锡，金钛，等。层叠导电的反射/欧姆层的方法包括，但不限于，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，外延生长，等。
对于非极化的氮化镓基LED，反射/欧姆层/应力缓冲层增加了光取出效率，并且降低非极化的第一类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底之间的热涨系数失配产生的应力。
为了进一步降低非极化的第一类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底之间的热失配的应力，可以采用下述方法之一方法1把导电的支持衬底的一面蚀刻成纹理结构，然后，键合导电的反射/欧姆/应力缓冲层在导电的支持衬底的有纹理结构的一面上。方法2把非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的顶部层蚀刻成纹理结构，然后，层叠导电的反射/欧姆/应力缓冲层在非极化的第一类型氮化镓基限制层的有纹理结构的顶部层上。方法3把导电的支持衬底的一面和非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的顶部层都蚀刻成纹理结构，然后，键合导电的反射/欧姆/应力缓冲层在导电的支持衬底的有纹理结构的一面和非极化的第一类型氮化镓基限制层的有纹理结构的顶部层之间。
图3展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例的工艺流程的第二个具体实施实例。
图3工艺流程步骤301、302、303、304、306、308、309分别与图1的工艺流程步骤101、102、103、104、106、108、109相同。不同的是，图3的工艺流程是在生长非极化的第一类型氮化镓基限制层(工艺流程步骤304)后，继续生长非极化的氮化镓基活化层(active layer)(工艺流程步骤308)和生长非极化的第二类型氮化镓基限制层(工艺流程步骤309)，然后，键合导电的支持衬底在非极化的第二类型氮化镓基限制层上(工艺流程步骤311)，最后，剥离生长衬底、中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层的带有空洞的部分，使得非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分暴露(工艺流程步骤306)，并层叠电流扩散层和图形化的第二电极在非极化的第一类型氮化镓基限制层的暴露的表面上(工艺流程步骤312)。而图1的工艺流程步骤是在生长非极化的第一类型氮化镓基限制层(工艺流程步骤104)后，既键合导电的支持衬底在非极化的第一类型氮化镓基限制层上(工艺流程步骤105)，然后，剥离生长衬底、中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层的带有空洞的部分，使得非极化的第一类型氮化镓基限制层没有空洞的部分暴露(工艺流程步骤106)，最后，依次生长非极化的氮化镓基活化层(active layer)(工艺流程步骤108)和非极化的第二类型氮化镓基限制层(工艺流程步骤109)在第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分的表面上，并层叠电流扩散层和图形化的第二电极在非极化的第二类型氮化镓基限制层的表面上(工艺流程步骤110)。
图4展示生产本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例的工艺流程的第二个具体实施实例。
图4工艺流程步骤401、402、403、404、408、409、411、406、412分别与图3的工艺流程步骤301、302、303、304、308、309、311、306、312相同。不同的是图3的工艺流程增加了一个工艺流程步骤413。
工艺流程步骤413。在工艺流程步骤409和411之间，加入工艺流程步骤413层叠导电的反射/欧姆/应力缓冲层在非极化的第二类型氮化镓基限制层上。然后，键合导电的支持衬底在导电的反射/欧姆/应力缓冲层上。导电的反射/欧姆/应力缓冲层具有单层或多层结构。每层结构的材料包括，但不限于，金，铑，镍，铂，钯，铟，锡，银，镉，钛，等金属或合金及其组合，组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)，钯/金(Pd/Au)，钯/镍(Pd/Ni)，金锡，金钛，等。层叠导电的反射/欧姆层的方法包括，但不限于，真空蒸镀，真空溅镀，化学镀，电镀，外延生长，等。
对于非极化的氮化镓基LED，反射/欧姆层/应力缓冲层增加了光取出效率，并且降低非极化的第二类型氮化镓基限制层与导电的支持衬底之间的热涨系数失配产生的应力。
图5展示本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例。
具有高热导率的导电的支持衬底502的一面上层叠有第一电极501，另一面上键合有非极化的非极化的氮化镓基外延层508。非极化的氮化镓基外延层508包括非极化的一种类型的氮化镓基限制层503，非极化的氮化镓基活化层504，非极化的另一种类型的氮化镓基限制层505。非极化的氮化镓基活化层504生长在非极化的一种类型的氮化镓基限制层503上，非极化的另一种类型的氮化镓基限制层505生长在非极化的氮化镓基活化层504上。电流扩散层506层叠在非极化的氮化镓基外延层508上。电流扩散层506的材料包括，但不限于，氧化铟锡(ITO)，等。图形化的第二电极507层叠在电流扩散层506上。
非极化的第一类型氮化镓基限制层503，非极化的氮化镓基活化层504，和非极化的第二类型氮化镓基限制层505构成非极化的氮化镓基外延层508。
图6展示本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例。
非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例的结构部件601、602、603、604、605、606、607分别与非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例的结构部件501、502、503、504、505、506、507相同，唯一的不同如下第二个具体实施实例具有导电的反射/欧姆/应力缓冲层608，该层层叠在非极化的一种类型的氮化镓基限制层603和导电的支持衬底602之间。非极化的一种类型的氮化镓基限制层603，非极化的氮化镓基活化层604，和非极化的另一种类型的氮化镓基限制层605构成非极化的氮化镓基外延层608。
注意图5展示的本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第一个具体实施实例即可以采用图1的工艺流程制造，也可以采用图3的工艺流程制造。非极化的一种类型的氮化镓基限制层503对应于图1的工艺流程104中的非极化的第一类型氮化镓基限制层。另外，非极化的一种类型的氮化镓基限制层503也可以对应于图3的工艺流程309中的非极化的第二类型氮化镓基限制层。而非极化的另一种类型的氮化镓基限制层505对应于图1的工艺流程109中的非极化的第二类型氮化镓基限制层。另外，非极化的另一种类型的氮化镓基限制层505也可以对应于图3的工艺流程306中的非极化的第一类型氮化镓基限制层的没有空洞的部分。
但是，由于一种类型的氮化镓基限制层503和另一种类型的氮化镓基限制层505可以分别选择n-类型和p-类型或p-类型和n-类型，换言之，若一种类型的氮化镓基限制层503选择n-类型，则另一种类型的氮化镓基限制层505只能选择p-类型。反之，若一种类型的氮化镓基限制层503选择p-类型，则另一种类型的氮化镓基限制层505只能选择n-类型。因此，分别采用图1和图3的工艺流程制造的非极化的氮化镓基器件的结构都可以采用图5展示的垂直结构的非极化的氮化镓基器件表示。
同样，图6展示的本发明的垂直结构的非极化的氮化镓基器件的第二个具体实施实例即可以采用图2的工艺流程制造，也可以采用图4的工艺流程制造。但是，由于一种类型的氮化镓基限制层603和另一种类型的氮化镓基限制层605可以分别选择n-类型和p-类型或p-类型和n-类型，因此，分别采用图2和图4的工艺流程制造的非极化的氮化镓基器件的结构都可以采用图6展示的垂直结构的非极化的氮化镓基器件表示。
垂直结构的非极化的氮化镓基器件具有垂直结构和高热导率，因此，电流分布均匀，可用于大功率氮化镓基器件(包括大功率氮化镓基LED)。由于是非极化的氮化镓基器件，因此，无内建电场，内量子效率提高。另外，由于是采用了改进的侧向外延法，缺陷密度降低。最后，反射/欧姆/应力缓冲层提高了光取出效率并且降低了热涨系数失配产生的应力。
上面的具体的描述并不限制本发明的范围，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利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
1.一种垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，包括，但不限于(a)导电的支持衬底；(b)非极化的氮化镓基外延层；所述的非极化氮化镓基外延层键合于所述的导电的支持衬底的一面上。
2.权利要求1的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的非极化的氮化镓基外延层包括，但不限于n-类型限制层，p-类型限制层，活化层(active layer)；其中，所述的活化层层叠于所述的n-类型限制层和p-类型限制层之间。
3.权利要求2的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的活化层的结构是从一组结构中选出，该组结构包括，但不限于体(bulk)、单量子阱、多量子阱、量子点、量子线，等。
4.权利要求1的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的非极化的氮化镓基外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于元素氮、镓、铟、铝、磷的二元系、三元系、四元系和五元系；例如，氮化镓、铟镓氮、铝镓氮、铝铟镓氮，镓氮磷(GaNP)、铟镓氮磷(InGaNP)、铝铟镓氮磷(AlInGaNP)，等。
5.权利要求1的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的非极化的氮化镓基外延层的晶格平面包括，但不限于a-平面和m-平面。
6.权利要求1的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的导电的支持衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于导电硅、导电碳化硅、金属薄膜、合金薄膜，等。
7.权利要求1的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的导电的支持衬底的与所述的非极化的氮化镓基外延层相键合的表面具有纹理结构；所述的纹理结构降低由于所述的导电的支持衬底和所述的非极化的氮化镓基外延层之间的热涨系数的失配造成的应力。
8.权利要求1的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，进一步包括，导电的反射/欧姆/应力缓冲层；所述的导电的反射/欧姆/应力缓冲层层叠于所述的非极化的氮化镓基外延层和所述的导电的支持衬底之间。
9.权利要求8的垂直结构的非极化的氮化镓基器件，其特征在于，其中，所述的导电的反射/欧姆/应力缓冲层的结构包括单层或多层结构；其中，所述的导电的反射/欧姆/应力缓冲层的每一层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于金、铑、镍、铂、钯、钛、铟、锡、银、镉、钛，等金属、合金、及其组合；所述的组合包括，但不限于，镍/金(Ni/Au)、钯/金(Pd/Au)、钯/镍(Pd/Ni)、金锡、钛/金，等。
10.一种生产垂直结构的非极化的氮化镓基器件的侧向外延方法，其特征在于，其工艺步骤包括，但不限于(a)层叠中间媒介层或晶核层于生长衬底上；(b)层叠非极化的第一氮化镓基外延层于所述的中间媒介层或晶核层上；(c)层叠掩膜层于所述的非极化的第一氮化镓基外延层上；(d)蚀刻所述的掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条；(e)生长非极化的一种类型的氮化镓基限制层于所述的氮化镓窗口和掩膜层条上；所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层可以是n-类型氮化镓基限制层或p-类型氮化镓基限制层；(f)键合导电的支持衬底于所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层上；所述的键合的方法包括，但不限于真空蒸镀、真空溅镀、化学镀、电镀、金属键合，等；(g)剥离所述的生长衬底、所述的中间媒介层或晶核层、所述的非极化的第一氮化镓基外延层、所述的掩膜层条、和所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层中带有空洞的部分；所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层中的没有空洞的部分暴露；(h)热处理；(i)在所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层中的没有空洞的部分上生长非极化的氮化镓基外延层；所述的非极化的氮化镓基外延层包括，但不限于活化层(active layer)，另一种类型的氮化镓基限制层；其中，所述的活化层层叠于所述的两种类型的氮化镓基限制层之间；(j)在所述的非极化的氮化镓基外延层上层叠电流扩散层和图形化的第二电极。
11.一种生产垂直结构的非极化的氮化镓基器件的侧向外延方法，其特征在于，其工艺步骤包括，但不限于(a)层叠中间媒介层或晶核层于生长衬底上；(b)层叠非极化的第一氮化镓基外延层于所述的中间媒介层或晶核层上；(c)层叠掩膜层于所述的非极化的第一氮化镓基外延层上；(d)蚀刻所述的掩膜层以形成氮化镓窗口和掩膜层条；(e)生长非极化的一种类型的氮化镓基限制层于所述的氮化镓窗口和掩膜层条上；所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层可以是n-类型氮化镓基限制层或p-类型氮化镓基限制层；(f)在所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层上生长非极化的氮化镓基外延层；所述的非极化的氮化镓基外延层包括，但不限于活化层(activelayer)，另一种类型的氮化镓基限制层；其中，所述的活化层层叠于所述的两种类型的氮化镓基限制层之间；(g)键合导电的支持衬底于所述的非极化的另一种类型的氮化镓基限制层上；所述的键合的方法包括，但不限于真空蒸镀、真空溅镀、化学镀、电镀、金属键合，等；(h)剥离所述的生长衬底、所述的中间媒介层或晶核层、所述的非极化的第一氮化镓基外延层、所述的掩膜层条、和所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层中带有空洞的部分；所述的非极化的一种类型的氮化镓基限制层中的没有空洞的部分暴露；(i)在所述的暴露的非极化的一种类型的氮化镓基限制层上层叠电流扩散层；在所述的电流扩散层上层叠图形化的第二电极。
全文摘要
本发明揭示垂直结构的非极化的氮化镓基器件(包括氮化镓基LED)及生产方法。一个实施实例如下反射/欧姆/应力缓冲层层叠在导电的支持衬底和非极化的氮化镓基外延层之间。生产方法的主要工艺步骤如下在生长衬底上，依次生长中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓基外延层、掩膜层，蚀刻掩膜层形成氮化镓窗口和掩膜层条，生长非极化的第一类型氮化镓基限制层，层叠导电的反射/欧姆/应力缓冲层，键合导电的支持衬底，剥离生长衬底、中间媒介层(或晶核层)、非极化的第一氮化镓外延层、掩膜层条、和非极化的第一类型氮化镓基限制层中带有空洞的部分，热处理，在暴露的非极化的第一类型氮化镓基限制层中没有空洞的部分上生长非极化的氮化镓基器件。
文档编号H01L21/02GK1851946SQ20061007808
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月9日 优先权日2006年5月9日
发明者彭晖, 彭一芳 申请人:金芃, 彭晖