发光二极管器件、其制造方法及半导体器件的制作方法

专利名称：发光二极管器件、其制造方法及半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明一般关于半导体器件以及其相关方法。因此，本发明涉及电子与材料科学 领域。
背景技术：
在许多发达国家中，对大部分居民而言电子装置为其生活必需品。对电子装置的 使用及依赖日益增加，产生了对体积小、速度快电子装置的需求。随着电子电路速度加快且 尺寸减小，这些装置的散热却成为问题。电子装置一般包含具有整体连接电子组件的印刷电路板，这些组件使电子装置具 有全面的功能性。这些电子组件(诸如处理器、电晶体、电阻器、电容器、发光二极管(LED) 等)在工作时会产生大量的热；随着热量积累，会引起与该等电子组件相关的各种热问题， 大量的热不但会影响电子装置的可靠度，电子装置甚至更可能失效，例如，累积在电子组件 内部的热及在印刷电路板的表面上的热可导致元件烧坏或引起短路而使装置失效，因此， 热量的积累最终会影响电子装置的功能寿命。此问题对于具有高功率及高电流需求的电子 组件以及支撑该电子组件的印刷电路板尤其严重。现有已知技术采用诸如风扇、热沉、热电致冷晶片(Peltier)装置及液体冷却装 置等各种散热装置，作为减少电子装置中热量积累的方法，因为速度加快及功率消耗增多 会使热积累增加，故这些散热装置的尺寸一般必须增大，以便发挥功效，且还可能需要电力 来驱动操作。举例而言，必须增加风扇尺寸及加快其速度以加大气流，且增加热沉尺寸以增 大热容及表面积。然而，因应较小电子装置的需求，不仅不适合使用尺寸渐增的这些散热装 置，而且可能会需要更小尺寸的散热装置。因此，人们不断研究寻求适当散热电子装置的方法及相关装置，同时将散热装置 在电子装置上的尺寸及功率的限制减到最小散热。

发明内容
因此，本发明提供具有增强的散热功效的半导体器件以及制造此类半导体器件 的方法。在一方面，举例而言，本发明提供一发光二极管器件，其包含一传导性钻石层、一 耦合到该钻石层的碳化硅(SiC)层、多个半导体层，其中至少一半导体层耦合到该碳化硅 层、以及一耦合到该多个半导体层的至少其中之一的η型电极，其中该传导性钻石层以及 η型电极被配置为使得在传导性钻石层以及η型电极两者之间形成有一实质上线性的传 导路径。虽然可考虑许多个半导体层的结构，在一方面该多个半导体层可被顺序配置在传页
导性钻石层与η型电极之间。依据各种材料的沉积技术，该碳化硅层的晶格可以外延方式 (epitaxially)耦合或是匹配到该传导性钻石层的晶格上。可依据半导体器件所要进行的应用而使用各种半导体材料来建构该半导体器件。 举例而言，在一方面该半导体材料可包含硅化锗、砷化镓、氮化镓、锗、硫化锌、磷化镓、锑化 镓、磷砷化镓铟、磷化铝、砷化铝、砷化镓铝、氮化镓、氮化硼、氮化铝、砷化铟、磷化铟、锑化 铟、氮化铟以及其混合物的至少其中一种。在另一方面，该半导体材料可包含氮化镓、氮化硼、氮化铝、氮化铟以及其混合物 的至少其中一种。在一特定方面，该半导体材料可包含氮化镓。在另一更特定方面，该半导 体材料可包含氮化铝。根据本发明某些方面，该传导性钻石层可根据该半导体器件所欲达成的应用而作 广泛地变化。举例而言，在一方面该传导性钻石层可为一单晶或是实质上为一单晶，在另 一方面，该传导性钻石层可为一传导性无支撑力钻石层(Conductive Adynamic Diamond Layer)。此外，在某些应用中，该传导性钻石层呈透明状时是有益的。可使用各种技术来令一钻石层具有传导性。举例而言，可掺入各种杂质到该钻石 层的晶格之中。这些杂质可包含硅、硼、磷、氮、锂、铝、镓等等。在一特定方面，举例而言，该 钻石层可掺有硼。上述杂质亦可包含金属颗粒，这些金属颗粒以不干涉该半导体器件的方 式掺入晶格之中，例如以不阻碍发光二极管发光的方式掺入。本发明另外提供发光二极管器件的制造方法。在一方面此方法包含在一实质上 为单晶的硅晶片上以外延方式形成一实质上为单晶的碳化硅层；在该碳化硅层上以外延方 式形成一实质上为单晶的钻石层；掺杂该钻石层以形成一传导性钻石层；去除该硅晶片以 露出相对于该传导性钻石层的碳化硅层；在该碳化硅层上以外延方式形成多个半导体层并 使得其中至少一半导体层接触该碳化硅层；以及将一 η型电极耦合到其中至少一半导体层 上以使得该多个半导体层功能性地位于该传导性钻石层与该η型电极之间。可使用各种技术来将该钻石层以外延方式沉积到该碳化硅层。举例而言，在一方 面该形成外延钻石层的步骤可进一步包含令一硅晶片的生长表面进行渐变的制造方法 (Grading)，使该生长表面由硅逐渐变化为碳化硅以形成该碳化硅层；以及令一碳化硅层的 生长表面进行渐变制造方法，使该生长表面由碳化硅逐渐变化为钻石以形成该钻石层。在 另一方面，该形成单晶碳化硅的外延层的步骤可进一步包含在一单晶硅晶片上形成一同 构形无晶钻石层以形成介于该单晶硅晶片与同构形无晶钻石层之间的碳化硅层；以及去除 该同构形无晶钻石层以露出该碳化硅层。在去除该同构形无晶钻石层后，可在该露出的碳 化硅层上形成该传导性钻石层。本发明亦提供发光二极管器件，其包含一传导性钻石衬底、一耦合到该钻石衬底 上且实质上为单晶的碳化硅层、多个以外延方式耦合到该碳化硅层上的半导体层、以及一 耦合到其中至少一个半导体层上的η型电极，其使得该多个半导体层功能性地介于该传导 性钻石层与该η型电极之间。由此，本发明的各种特征已广泛地概述，以便可更加理解以下本发明的实施方式， 且可更认识到本发明对此项技术所作的贡献，根据以下本发明的实施方式以及随附申请专 利范围，本发明的其他特征将更为清晰，也可通过实施本发明来得以了解。


图1是本发明一实施例中的发光二极管器件的侧面剖视图。图2是本发明一实施例中的发光二极管器件的侧面剖视图。图3是本发明一实施例中的形成一发光二极管器件的步骤的侧面剖视图。
具体实施例方式以下配合图式及本发明的优选实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所 采取的技术手段。定义在描述及主张本发明时，将根据下文所阐明的定义使用以下术语。除非上下文另外明确说明，否则单数形式的冠词“一”以及“该”包括多的用法。举 例而言，当提及“一(个)热源”包括提及一或多个这样的热源，而提及“该钻石层”包括提 及一或多个这样的钻石层。“热转移”、“热运动”以及“热传输”等用词可相互交替使用，是用于指出将热量从 一高温区域转移到一低温区域的速率。热量转移速率可包含任何本发明所属领域中一般技 术人员已知的热量传输机制，例如而不受限于传导性、对流性以及辐射性等等。文中所使用的“散发(emitting) ”一词是指自一固态材料转移到空气的热或是光 转移制造方法。文中所使用的“发光表面”一词是指一器件或物体的一表面，光自该表面散发。光 可包含可见光或者在紫外线光谱内的光。发光表面的例子可包含而不限制于一发光二极管 上的氮化物层，或者一个将与发光二极管结合的半导体层结构上的氮化物层，光则自该氮 化物层发出。文中所使用的“线性传导路径” 一词是指一沿着两电极之间的直线的传导路径。文中所使用的“气相沉积” 一词是指通过使用气相沉积技术而形成的材料。气相 沉积制造方法可包含任何而不受限于化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)以 及物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)等制造方法。本发明所属技术领域的 一般技术人员可广泛地实施各个气相沉积方法的各种不同态样。气相沉积方法的例子包含 热灯丝化学气相沉积、RF化学气相沉积、激光化学气相沉积、激光脱落(Laser Ablation), 同构形钻石涂布制造方法(Conformal Diamond Coating Processes)、有机金属化学气相 沉积(Metal-Organic CVD, M0CVD)、溅镀、热蒸发物理气相沉积、电离金属物理气相沉积 (Ionized Metal PVD, IMPVD)、电子束物理气相沉积(Electron Beam PVD, EBPVD)、以及反 应性物理气相沉积等方法等等。文中所使用的“化学气相沉积”或是“CVD”等用词是指任通过化学方式将蒸气中 的钻石颗粒沉积于一表面上的方法。此领域中有多种已知的化学气相沉积技术。文中所使用的“物理气相沉积”或是“PVD”等用词是指任通过物理方式将蒸气中 的钻石颗粒沉积于一表面上的方法。此领域中有多种已知的物理气相沉积技术。文中所使用的“钻石”一词是指一种碳原子的结晶结构，该结构中碳原子与碳原子 通过四面体配位晶格方式键结，该四面体配位键结即是已知的SP3键结。具体而言，各碳原 子受到其他四个碳原子所环绕而键结，四个周围的碳原子分别位于正四面体的顶点。此外，
6在室温下，任两碳原子之间的键长为1. M埃，且任两键之间的夹角为109度观分16秒，实 验结果有极为小微差异但可忽略。钻石的结构与性质，包括其物理与电气性质，均为本发明 所属技术领域一般技术人员所知悉。文中所使用的“扭曲四面体配位”一词是指碳原子的四面体配位键结为不规则状， 或者偏离前述钻石的正常四面体结构。此种扭曲型态通常导致其中一些键长加长而其余的 键长缩短，并且使得键之间的角度改变。此外，扭曲四面体改变了碳的特性与性质，使其特 性与性质实际上介于以SP3配位键结的碳结构(例如钻石)与以SP2配位键结的碳结构(例 如石墨)之间。其中一个具有以扭曲四面体键结的碳原子的材料便是无晶钻石。文中所使用的“类钻碳”一词是指一以主碳原子为主要成分的含碳材料，该含碳材 料中的大量碳原子以扭曲四面体配位键结。尽管化学气相沉积制造方法或其他制造方法可 用于形成类钻碳，类钻碳亦可通过物理气相沉积制造方法而形成。尤其，类钻碳材料中可含 有各种作为杂质或掺杂物的元素，这些元素可包含而不受限于氢、硫、磷、硼、氮、硅以及钨寸寸。文中所使用的“无晶钻石” 一词是指一种类钻碳，该类钻碳主要元素为碳原子，且 大多数的碳原子以扭曲四面体配位键结。在一方面，无晶钻石中的碳原子数量可为占总量 的至少大约90%，且这些碳原子之中的至少20%以扭曲四面体配位键结。无晶钻石具有高 于钻石的原子密度(钻石密度为176原子/每立方厘米(atoms/cm3))。此外，无晶钻石以 及钻石材料在熔化时体积收缩。文中所使用的“无支撑力(Adynamic) ”一词是指一种层结构，该层结构无法独立维 持其结构以及/或是强度。举例而言，在缺乏一模具层或一支撑层的情况下，一无支撑力钻 石层将会在去除该模具面或是钻石面之后卷曲或是变形。尽管有许多原因导致一层结构具 有无支撑力的性质，在一方面，导致无支撑力性质的原因在于该层结构非常的薄。文中所使用的“生长侧”以及“生长表面，，等用词可相互交替使用，并且是指在一 化学气相沉积制造方法之中，在一薄膜或是一层结构上生长的表面。文中所使用的“衬底”一词是指一种支撑表面，该支撑表面可连接各种材料以由此 形成一半导体器件或一钻石底半导体器件。该衬底可具有任何能够达成特定结果的外形、 厚度或材料，且包含而不限制于金属、合金、陶瓷以及其混合物。此外，在某些方面，该衬底 可为一现有的半导体器件或是晶片，或者可为一种能够结合一适当器件的材料。文中所使用的“实质上”一词是指一作用、特征、性质、状态、结构、物品或结果的完 全或近乎完全的范围或是程度。举例而言，一物体“实质上”被包覆，其意指被完全地包覆， 或者被几乎完全地包覆。与绝对完全程度相差之间确可允许偏差程度，可在某些例子中取 决于说明书内容。然而，一般而言，接近完全时所得到的结果将如同在绝对且彻底完全时得 到的全部结果一般。当“实质上”被使用于描述完全或近乎完全地缺乏一作用、特征、性质、 状态、结构、物品或结果时，该使用方式亦是如前述方式而同等地应用的。举例而言，一“实 质上不包含”颗粒的组成物，可完全缺乏颗粒，或是近乎完全缺乏颗粒而到达如同其完全缺 乏颗粒的程度。换言之，只要一“实质上不包含”原料或元件的组成物不具有可被量测得的 效果，该组成物实际上仍可包含这些原料或是元件。文中所使用的“大约”是指给予一数值范围的端点弹性，所给予的数值可高于该端 点少许或是低于该端点少许。
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文中所使用的多物品、结构元件、组成元件以及/或材料，可以一般列表方式呈现 以利方便性。然而，该等列表应被解释为该列表的各成员是被独立的视为分离且独特的成 员。因此，基于此列表的成员出现在同一群组中而没有其他反面的指示，此列表中的各成员 均不应被解释为与同列表中的任何其他成员相同的。浓度、数量、颗粒尺寸、体积以及其他数值资料可以一范围形式表达或呈现。应 了解的是，此范围形式仅仅为了方便与简洁而使用，因此该范围形式应该被弹性地解释为 不仅包含了被清楚描述以作范围限制的数值，还包含在该范围中的所有独立数值以及子范 围，犹如清楚地引述各独立数值以及子范围一般。举例而言，“大约1到大约5”的数值范围 应被解释为不仅仅包含所清楚描述的数值范围，还应进一步解释为包含在该数值范围中的 独立数值以及子范围。因此，此数值范围内包含诸如2、3以及4等独立数值，包含诸如1-3、 2-4以及3-5以及1、2、3、4及5等子范围。此相同的法则适用于仅引述单一数值作为下限或是上限的范围。此外，此解释方 式适用于任何幅度的范围以及任何所述的特性。本发明本发明提供了整合有钻石层的半导体器件以此半导体器件的制造方法。半导体器 件，尤其是会发光的半导体器件时常对冷却技术构成挑战。应注意的是，尽管下列大部分叙 述专门针对于发光二极管等的发光器件，但本发明申请专利范围的范畴不应因此受限制， 且这些技术同样适用于其他类型的半导体器件。由半导体器件工作产生的大部分热易于累积在半导电层内部，因此影响器件的效 率。举例而言，发光二极管(LED)可由多个氮化物层配置而成。随着LED在电子及照明装 置中变得日益重要，LED持续发展而对于功率需求持续增加。功率需求递增的趋势已导致 这些装置面临散热的问题，这些装置典型均具有小尺寸的特性，因此更加剧了散热的问题， 这些装置由于小尺寸的特型会使具有大体积性质的传统铝制热鳍片的热沉无法发挥功效。 另外，这些传统热沉若位于LED的发光表面，会阻碍光的发射，若欲使热沉不干扰氮化物层 或发光表面的功能，其通常必须位于LED与诸如电路板的支撑结构间的接面处，如此一来， 热沉位置相对远离大部分热量积聚的地方，亦即发光表面及半导体层。目前已发现在LED封装内形成一钻石层可使LED即便在高功率下亦可做适当地散 热，且能同时维持LED小尺寸封装。此外，在一方面，通过一钻石层对一 LED的半导体层吸 取热量，可让该LED超过其最大运作瓦数(Operating Wattage)，以便能让该LED在一高于 LED原本的最大运作瓦数的运作瓦数下工作。此外，在发光的半导体器件与不发光的半导体器件中，由于通常构成半导体层的 材料相对不具有良好的导热性，故会将热量滞留在这些半导体层内。此外，再加上半导体层 与钻石层之间的晶格不匹配，会减缓热传导，因此更增加热量的积累。半导体器件现在已发 展为整合了多钻石层来增进半导体器件的散热性质以及其他性质。这些钻石层增加了横向 穿越半导体器件的热量流动速率，因此减少了滞留在半导体层内的热量。这些横向的热传 输可有效地增进许多半导体器件的热传导特性。此外，根据本发明某些方面，半导体器件可 增进晶格匹配，由此进一步增进半导体器件的热传导性。此外，应注意的是，钻石层所提供 的有益特性不仅仅在于散热上，其特性的范畴不应仅限制于散热上。若钻石层可整合于一半体器件内且靠近半导体层，则该半导体层可达成更有效的内部散热。其中一个整合的阻碍在于钻石材料的高介电特性，尤其那些大致具有单晶晶格 结构的钻石材料。若该钻石层是在该半导体器件的传导路径之中，则可达到适当的冷却条 件，然而，由于钻石的介电特性，导致难以达成前述结构。目前已发现传导性钻石在功能上 可作为一电极并且耦合到该半导体层上，且因此位于该半导体器件的传导路径之中。此外，通过使用一传导性钻石层作为一电极，发光二极管器件可被建构为具有穿 过介于两电极间的半导体层的线性传导路径。许多传统的发光二极管器件被建构为令来自 η型电极的传导路径与来自ρ型电极的传导路径呈直角。此种“L形”的传导路径导致电子 以及空穴彼此呈直角状态，因此减少了半导体器件的效率。根据本发明某些方面，该线性 传导路径使得电子与空穴被配置为沿着相同的线性路径，因此可增进发光二极管器件的效 率。因此，在本发明一方面，提供一发光二极管器件。如图1所示，此一发光二极管器 件可包含一传导性钻石层12、一耦合到该传导性钻石层12的碳化硅层或是氮化铝层14、多 个半导体层16，其中至少一半导体层16耦合到该碳化硅层或是氮化铝层14、以及一耦合到 其中至少一半导体层16的η型电极18。在此器件中，该传导性钻石层12在功能上作为一 P型电极。如图2所示，在本发明另一方面，可耦合一支撑衬底20到该半导体器件上以为了 处理与使用上的便利性。可在该传导性钻石层12与该支撑衬底20之间形成一反射层M 以将光线反射穿过该传导性钻石层12来增进该发光二极管器件的效率。可由各种本发明 所属技术领域一般技术人员已知的反射材料来形成此一反射层Μ。其中一个反射材料的例 子可为铬金属或是其他反射材料。图3显示了一半导体衬底的建构方法的部分步骤，在本发明特定方面，该半导体 衬底可被用于形成一发光二极管器件。该方法提供一单晶硅生长衬底34，可在该衬底上设 置其他材料。虽然该硅生长衬底34不一定必须是单晶结构，相对于非单晶的衬底，此单晶 晶格结构可有助于其他具有较少晶格匹配的材料沉积于该硅生长衬底；34上。在沉积制造 方法之前，完整清洁该硅生长衬底以便自该晶片上去除任何可能造成硅生长衬底与形成在 衬底上的其他层结构之间晶格不匹配的非晶硅或是非硅颗粒是有益的。可在本发明范畴内 考虑任何能够清理该硅生长衬底的方法，然而在本发明一方面，该硅生长衬底可浸泡在氢 氧化钾之中并且以蒸馏水进行超声波清洗。在清洁该硅生长衬底34之后，可在该硅生长衬底34上形成有一单晶碳化硅外延 层32以及外延钻石层36，使得该单晶碳化硅层32位于该硅生长衬底34与钻石层36之 间。该碳化硅层32可以分离方式形成在该钻石层36上，或者可为在该钻石层36沉积的 结果或是与其沉积物连接。举例而言，该碳化硅层32可为一由硅到钻石的渐变制造方法 (Gradation Process)的结果，如下所述。此外，可在该硅生长衬底34沉积一无晶钻石层以 通过有机体内生长方式(In Vivo)创造该碳化硅层32，亦如下所述。接着，可在该钻石层36上形成一硅层38。该硅层38增进了硅承载衬底42与该 钻石层36结合的强度。该硅承载衬底42具有一二氧化硅(SiO2)层40以结合到该硅层38 上。在该硅承载衬底42结合到该硅层38上的晶片结合制造方法之后，可去除该硅生长衬 底34以露出该碳化硅层32。如前所述，该碳化硅层32可被用作为一生长表面以便在其上 沉积半导体材料。在一方面，在LED层形成在该碳化硅层32之后，该可去除硅承载衬底42以及该硅层38以便露出该传导性钻石层。接着可将一支撑衬底以及/或是反射层设置在 该钻石层上，如文中所述。此外，针对前述内容，在本发明某些实施例之中，可以氮化铝取代该碳化硅层32 而将氮化铝设置在该硅层38与该钻石层36之间。在此实施例中，可用钻石(亦即碳)或是 硅来渐变为一氮化铝层。可运用的渐变技术的其中一个例子示原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)0使用此技术，改变材料浓度的多层结构可由起始材料渐变(层渐变)为 最终材料。举例而言，硅层为起始层，可令一部份的氮化铝与硅共同沉积，接着在一接续层 中，两部份的氮化铝可共同与硅沉积，如此类推，直到产生一具有大致均等分布有硅与氮化 铝的层结构。此一渐变制造方法产生一超级晶格。此技术可进一步被用于由钻石转变到氮 化铝的制造方法之中。其他半导体材料诸如氮化镓等等，可接着加入到该氮化铝之中。在 一方面，该氮化铝可为无晶且针对其他氮材料作为一缓冲层。钻石材料具有优异的热传导特性，使得钻石材料成为整合于诸如LED等半导体器 件之中的理想材料。在半导体材料中由半导体材料转移到钻石材料的热转移速率可因此加 速。应注意的是，本发明并非被局限于特定的热传输理论之中。就其本身而言，在本发明一 方面，可至少一部分通过将热量转移进入以及通过一钻石层来加速自半导体器件内部转移 热量的速度。由于钻石优异的热传导性质，热量可快速地横向传播通过钻石层以及到达一 半导体器件的边缘。在边缘的热量可更快速的排散到空气之中或者排散到周围的散热器或 者半导体器件的支撑架等结构之中。此外，具有大部分面积暴露于空气之中的钻石层将会 更快速地排散一整合有此钻石层的器件的热量。由于钻石的热传导性大于一与该钻石层热 耦合的半导体层或其他结构的热传导性，因此该钻石层成为一热沉。因此，该钻石层吸取了 该半导体层内所产生的热量，并且这些热量以横向方式传播并排散于该半导体器件之外。 此种加速热转移速率的方式可导致半导体器件具有更低的运作温度。此外，热转移速率的 加速不仅仅冷却一半导体器件，更会降低在空间上位于该半导体器件附近的许多电子元件 的热负载。在本发明某些方面，可将钻石层的一部分暴露于空气之中。此种暴露的状态可限 制在某些例子中限制在只暴露钻石层的边缘；或者可暴露该钻石层大比例的表面积，例如 暴露钻石层的其中一侧。在此方面中，至少一部分通过将热量自钻石层转移到空气中的 方式，可达成半导体器件的热量去除速率的加速效果。举例而言，钻石材料，例如类钻碳 (Diamond-like Carbon,DLC)等，即便在低于100°C的温度，亦具有优异的热发射率特性，因 此钻石材料能直接辐射热量到空气中。含半导体器件在内的多数其他材料的导热性优于热 辐射性。因此，半导体器件可传导热量到类钻碳层，将热量在类钻碳层中横向传播，且接着 沿着类钻碳层的边缘或是其他外露的表面将热量辐射到空气之中。由于类钻碳的高导热性 以及高热辐射性，由类钻碳转移到空气中的热量转移速率可大于由半导体器件转移到空气 中的热量转移速率。此外，由半导体器件到类钻碳层的热量转移速率可大于由半导体器件 到空气的热量转移速率。因此，类钻碳层可用做加速自该半导体层去除热量的速率，使得通 过类钻碳层的热量转移速率高于半导体本身的热量转移速率或者高于由半导体到空气中 的热量转移速率。如上所建议的，可使用各种钻石材料来对一半导体器件提供热量转移速率的加速 特性。这类钻石材料的例子可包含而不受限于钻石、类钻碳、无晶钻石以及其结合等等。应
10注意的是，任何可用于对一半导体器件散热的天然或人造钻石材料均在本发明范畴之内。应注意的是，下列叙述是关于钻石沉积技术相当普遍性的讨论，这些钻石沉积 技术可以或是未必会使用于特定钻石层或应用，且这些钻石沉积技术可广泛的介于本发 明的各种不同方面。一般而言，可用各种已知方法来形成钻石，这些方法包含各种气相 沉积技术。可使用任何已知的气相沉积技术来形成钻石层。尽管可使用与气相沉积法 特性与产物相近的任何方法来形成钻石，最常见的气相沉积技术包含化学气相沉积以 及物理气相沉积。在一方面，可使用化学气相沉积技术，例如热灯丝、微波等离子体、氢 氧焰(Oxyacetylene Flame)、RF化学气相沉积、激光化学气相沉积、激光脱落、同构形 钻石涂布制造方法(Conformal Diamond Coating Processes)、有机金属化学气相沉积 (Metal-Organic CVD，M0CVD)以及直流电弧技术等技术。典型的化学沉积技术使用气态反 应物来将钻石或是类钻碳材料沉积为一层结构或一膜结构。前述气体可包含少量(大约 少于5%)的含碳材料，例如以氢气稀释的甲烷。本发明所属技术领域一般技术人员了解 各种化学气相沉积制造方法的设备与条件，也了解特别适用于氮化硼层的制造方法。在另 一方面，可使用物理气相沉积技术，例如溅镀、阴极电弧以及热蒸发等等。此外，可使用特 定的沉积条件以调整类钻碳、无晶钻石或者是纯钻石等所沉积材料的确切型态。应注意的 是，高温会降低诸如发光二极管等许多半导体器件的品质。必须小心翼翼以便能确保钻石 以低温方式沉积，由此避免钻石于沉积时损坏的问题。举例而言，若半导体包含有氮化铟， 可使用最多到600°C的沉积温度。在氮化镓的例子中，最多到大约1000°C均能保持层结构 的热稳定性。此外，可以不过度干涉钻石层的热转移或半导体器件发光表面的方法，通过硬 焊(Braze)、胶合或是贴合等方式将预先形成的多层结构固定于半导体层或是半导体层的 支撑衬底上。可在一衬底的生长表面上形成一选用的成核(Nucleation)加强层以增进钻石层 的沉积品质以及减少沉积时间。特别是，可以通过沉积适用的晶核的方式来形成一钻石层， 例如，在一衬底的一钻石生长表面上沉积一钻石晶核，接着通过气相沉积技术令该晶核生 长成一薄膜或层结构。在本发明一方面，在该衬底上可涂布一薄状的成核加强层以增强钻 石层的生长。接着将钻石晶核置放在该成核加强层上，且通过化学气相沉积来进行钻石层 的生长制造方法。本发明所属技术领域一般技术人员可知晓各种可作为成核加强材料的适用材料。 在本发明一方面，该成核加强材料可为一选自金属、金属合金、金属化合物、碳化物、碳化物 形成元素(Carbide Former)以及其结合。碳化物形成材料的例子可为钨(W)、钽(IA)、钛 (Ti)、锆(Zr)、铬(Cr)、钼(Mo)、硅以及锰(Mn)。此外，碳化物的例子可包含碳化钨(WC)、碳 化硅、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)以及其结合。当使用时，该成核加强层为一足够薄的层结构以致于其不会不利地影响该钻石层 的热传导性。在本发明一方面，该成核加强层的厚度可小于大约0. 1微米(μπι)。在本发明 另一方面，该厚度可至少小于大约10纳米(nm)。在本发明又一方面，该成核加强层的厚度 可小于大约5纳米。在本发明另一方面，该成核加强层的厚度可少于大约3纳米。可使用各种方法来增加在通过气相沉积技术所形成的钻石层的成核表面的钻石 品质。举例而言，可在钻石沉积的较早阶段时，减少甲烷流量并且增加总气体压力来增进钻 石颗粒的品质。这样的措施能减少碳的分解率，并且能增加氢原子浓度。因此，将会使非常高比例的碳以sp3键结配置状态沉积，且能增进所形成的钻石晶核的品质。此外，可增加钻 石颗粒的成核率以便减少钻石颗粒之间的空隙。增加钻石颗粒成核率的方法可包含而不 限制于下列例子对该生长表面提供一适量的负偏压，通常大约是100伏特；以精细钻石胶 或是钻石粉末对该生长表面进行抛光，该精细钻石胶或粉末可部分留存于该生长表面；以 及通过物理气相沉积或是等离子体辅助式化学气相沉积(PECVD)的制造方法来植入如碳、 硅、铬、锰、钛、钒、锆、钨、钼、钽、以及类似的离子，来控制生长表面的成分。物理气相沉积 制造方法的实施温度一般低于化学气相沉积制造方法的温度，且在某些例子中可低于大约 2000C (大约150°C)。其他增进钻石成核的方法对于本发明所属技术领域一般技术人员是 显而易见的。在本发明一方面，该钻石层可为一同构形钻石层(conformal diamond layer)的 型态。可通过广泛的各种衬底，例如包括非平面衬底，来实施同构形钻石涂布制造方法。同 构形钻石涂布制造方法相比于传统的钻石薄膜制造方法能具有许多优点。同构形钻石涂 布置成可用于相当多种的衬底上，包括非平面的衬底。可通过不利用偏压的钻石生长条件 来预先处理于生长表面形成一碳膜。钻石生长条件可为传统适用钻石的化学气相沉积条件 并且不使用偏压。因此，所形成的碳薄膜大多小于100埃的厚度。预先处理步骤可在大约 200°C到大约900°C的生长温度，而优选的低温在大约500°C以下。无须任何特殊理论，碳薄 膜在如少于一小时的短时间内形成，且该碳薄膜为一种氢端(Hydrogen-terminated)无晶 碳。在形成该薄碳膜之后，该生长表面可接着在钻石生长条件下形成一同构型钻石 层。该钻石生长条件可为通常使用传统化学气相沉积式钻石生长方式的条件。然而，不同 于传统钻石膜生长，由上述预先处理步骤所产生的钻石膜是一种同构形钻石膜。此外，钻石 膜一般无须酝酿期即在大致整个衬底上开始生长。再者，可生长到在大约80nm以内厚度的 实质上为连续性而无晶界的钻石膜。实质上无晶界的钻石层相较有晶界的钻石层可更有效 地进行散热。可使用各种技术来令一钻石层具有传导性。本发明所属技术领域一般技术人员能 了解这些技术。举例而言，可掺入各种杂质到该钻石层的晶格之中。这些杂质可包含硅、硼、 磷、氮、锂、铝、镓等等。在一特定方面，举例而言，该钻石层可掺有硼。上述杂质亦可包含金 属颗粒，这些金属颗粒以不干涉该半导体器件的方式掺入晶格之中，例如以不阻碍发光二 极管发光的方式掺入。对于某些钻石层，特别是那些即将形成有半导体层的钻石层，创造一个生长衬底 而令该半导体材料可以最少的晶格差排结构(例如实质上为单晶体的结构)形成于该生长 衬底上是有益的。实质上为单晶体结构的生长表面与半导体材料之间有强大的键结效应， 因此利用实质上为单晶体结构的生长表面可促进将晶格差排的情形降到最低。在本发明一 方面，此种衬底包含一实质上为单晶体结构的钻石层，在该钻石层上耦合有一实质上为单 晶体结构的碳化硅层。该碳化层实质上为单晶体结构的特性有利于一例如氮化镓或是氮化 铝等半导体实质上沉积为一单晶体。此外，由该钻石层到该碳化硅层以及由该钻石层到该 半导体层的外延关系，增加了钻石层的热传导性，因此增进了半导体器件的散热性。可使用各种可能的方法来建造此种钻石/碳化硅合成衬底。任何这类方法均被 视为是属于本发明范畴之内。举例而言，在一方面可通过将一单晶硅晶片逐渐变化为一单
12晶钻石层的方式来创造一衬底。换言之，该硅晶片能由硅逐渐的转化为碳化硅并接着逐渐 转化为钻石。渐变制造方法的技术在申请人同在美国专利局内审查的美国第11/809,806 号发明专利申请案中作进一步讨论，该发明整合于本文中以作参考。其它在一材料上生长 另一材料，或是将两材料相互结合的方法，均记载于申请人同在审查的美国第11/809,718 号、第11/809，721号、第61/187，557号、第61/230，055号以及第61/259，948号发明专利 申请案，这些发明也整合于本文中以作为参考。除了上述对晶格差排最小化的优点，实质上 为单晶体的钻石层可为透明而透光，以利建构一发光半导体器件，例如发光二极管以及激 光二极管。在增厚钻石层或是设置一支撑衬底到该钻石层上之后，可通过任何本发明所属技 术领域一般技术人员已知的各种方法来去除该硅晶片。最后产出的结构则包括一实质上 为单晶体结构的钻石层，在该钻石层上以外延方式耦合一有实质上为单晶体结构的碳化硅 层。接着使用任何本发明所属技术领域一般技术人员已知的方法，以外延方式在该碳化硅 层上沉积有一半导体材料。在本发明一方面，此沉积制造方法可发生在一渐变制造方法之 中，该渐变制造方法类似于在该硅晶片上形成钻石层所使用的渐变技术。根据本发明某些方面，该钻石层可具有供一半导体器件进行散热的任何厚度。钻 石层的厚度可根据应用以及半导体器件结构的不同而改变。举例而言，较大的散热需求将 会需要较厚的钻石层。钻石层厚度亦会随着该钻石层内所使用的材料的不同而有所变化。 换言之，在一方面一钻石层的厚度可由大约10到大约50微米。在另一例子中，一钻石层的 厚度可等于或小于大约10微米，又一例子中，一钻石层厚度可由大约50微米到大约100微 米，在另一例子中，一钻石层的厚度可大于大约50微米。在又一例子中，一钻石层可为无支 撑力钻石层。根据本发明某些方面，该碳化硅层可依据碳化硅层的沉积方法以及半导体器件的 用途而具有不同的厚度。在某些方面，该碳化硅层可仅足够厚到能排列沉积于碳化硅层上 的层结构的晶格方向。在其他方面，较厚的碳化硅层较为有利。根据这些变化，在一方面该 碳化硅层的厚度可等于或小于大约1微米。在另一方面，该碳化硅层的厚度可等于或小于 大约500纳米。在又一方面，该碳化硅层的厚度可等于或小于大约1纳米。在又另一方面， 该碳化硅层的厚度可大于大约1微米。如前所述，根据本发明某些方面，该半导体器件包含多连接到一个或多个钻石层 的半导体层。这些半导体层可通过本发明所属技术领域一般技术人员所知晓的各种方法连 接到一钻石层。在本发明一方面，可在一钻石层上沉积一个或多个半导体层，或者如前所 述，可在一耦合到钻石层的碳化硅层上沉积一个或多个半导体层。可利用本发明所属技术领域一般技术人员已知的各种技术在一例如碳化硅 层的衬底上沉积一半导体层。这类技术的其中一个例子是有机金属化学气相沉积 (Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)制造方法。该半导体层可包含任何适用于形成电子器件、半导体器件或是其他类似器件的材 料。许多半导体是基于硅、镓、铟以及锗。然而，适用于半导体层的材料可包含而不限制于 硅、碳化硅、硅化锗、砷化镓、氮化镓、锗、硫化锌、磷化镓、锑化镓、磷砷铟镓、磷化铝、砷化 铝、砷化镓铝、氮化镓、氮化硼、氮化铝、砷化铟、磷化铟、锑化铟、氮化铟以及其混合物。在另 一特定方面，举例而言，该半导体层可包含硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、磷化镓、氮化铝、氮化铟、氮化镓铟、氮化镓铝或是其混合物。在某些额外的实施例之中，可形成诸如基于砷化镓、氮化镓、锗、氮化硼、氮化铝、 铟衬底料以及其混合等等非含硅的半导体器件。在另一实施例中，该半导体层可包含氮化 镓、氮化镓铟、氮化铟以及其混合物。在一特定方面，该半导体材料为氮化镓。在另一特定方 面，该半导体材料为氮化铝。其余可使用的半导体材料包含氧化铝、氧化铍、钨、钼、C-Y2O3, (Ya9LEtai)2O^ C-Al23O27N5, C-MgAl2O4, t_MgF2、石墨以及其混合物。应了解的是，该半导体层 可包含任何已知的半导体材料，且不应限制于文中所述的这些材料。此外，半导体材料可 为任何已知的结构配置，例如而不限制于立方体闪锌矿(zincblende or sphalerite)结 构、六方晶系纤锌矿结构(Wurtzitic)、菱形六面体结构(rhombohedral)、石墨结构、乱层 (Turbostratic)结构、高温分解(Pyrolytic)结构、六角形结构(Hexagonal)、无晶结构或 是其混合。如前所述，可利用本发明所属技术领域一般技术人员已知的方法来沉积该半导 体层14。可使用各种已知的气相沉积方法来沉积这些半导体层，并且允许这些沉积制造方 法在一渐变方法中进行。此外，可在所述的两沉积步骤之间实行一表面处理以便能提供一 平滑表面而供进行后续的沉积步骤。可通过任何已知的方法，例如化学蚀刻、抛光、皮轮抛 光(Buffing)以及研磨等方法来进行前述表面处理制造方法。在本发明一方面，至少一半导体层可为氮化镓。氮化镓半导体层有利于建造发光 二极管或是其他半导体器件。在某些例子中，将碳化硅或是其他衬底逐渐转化为该半导体 层是有益的。举例而言，可通过固定气相沉积的氮浓度并且改变镓以及铟的沉积浓度，使 镓铟的浓度比例由O 1逐渐变化为1 0，由此将一氮化铟半导体衬底逐渐转化为一氮 化镓半导体层。换言之，镓与铟的供给产生变化以使得当铟的浓度减少的同时，镓的浓度增 加。该逐渐转化的功能为大幅减少在氮化镓直接形成于氮化铟时所观察到的晶格错位现 象。在本发明另一方面，至少一半导体层可为一氮化铝层。该氮化铝层可通过本发明 所属技术领域一般技术人员已知的任何方法沉积到一衬底上。如上述氮化镓层一般，两半 导体层之间的逐渐转化制造方法可增进半导体器件的功能性。举例而言，在一方面可通过 将氮化铟层逐渐转化为氮化铝层的方式来将氮化铝形成到一氮化铟半导体衬底上。此种逐 渐转化制造方法可包含例如通过固定所沉积的氮浓度并且改变铟以及铝的沉积浓度，使一 铟铝的浓度比例由1 O逐渐变化为O 1，由此将一氮化铟半导体衬底逐渐转化为一氮 化铝半导体层。此逐渐转化的制造方法大幅减少在氮化铝直接形成于氮化铟时所观察到的 晶格错位现象。可在所述的任何两沉积步骤之间实行一表面处理以便能提供一平滑表面而 供进行后续的沉积步骤。可通过任何已知的方法，例如化学蚀刻、抛光、皮轮抛光以及研磨 等方法来进行前述表面处理制造方法。如前所述，一 η型电极整合到一发光二极管器件以作为电性接触半导体层之用。 本发明所属技术领域一般技术人员已了解许多η型电极的使用与形成方法，因此本文中将 不再讨论。范例下列范例显示制造一本发明半导体器件的各种技术。然而，应注意的是，下列范例 仅是示范或显示本发明的原理。在不违反本发明范畴与精神下，本发明所属技术领域一般 技术人员可构想出各种修改与不同的组合、方法以及系统。所附上的申请专利范围是欲涵盖这些修改与布局。因此，虽然上述内容已详细叙述本发明，下列范例以本发明多实施例来 提供进一步的详细说明。范例 1可根据下列所述形成一半导体衬底取得一单晶硅晶片，将该单晶硅晶片浸泡于氢氧化钾之中，并且利用蒸馏水进行 超声波清洁的方式来清洗单晶硅晶片，去除其上的非单晶硅以及外部碎屑。通过将该硅晶 片暴露在化学气相沉积状态而不提供任何偏压的方式，在该硅晶片的清洁表面上设置一同 构型无晶碳涂布层。在对该表面进行碳化之后，在800°C下，甲烷以及99%氢气的条件 下，进行大约30分钟的无晶钻石沉积制造方法。接着可在900°C的条件下，利用氢气或是氟 气进行大约60分钟的处理制造方法来去除该无晶碳涂布层。去除无晶碳涂布层之后则露 出一取向附生碳化硅层，该碳化硅层则是曾经介于硅晶片以及无晶碳涂布层之间。该碳化 硅层的厚度大约为10纳米。接着使用甲烷进行化学气相沉积约10小时，以在该碳化硅层上沉积一厚度为10 微米的透明钻石涂布层。在10小时之后，该原本供给的甲烷改为持续供给氢化硅(SiH4)约 10分钟以沉积一层厚度约1微米的硅层。在该1微米厚度硅层上晶片结合一硅载具衬底，该硅载具衬底具有一结合该硅层 的二氧化硅表面。在晶片结合制造方法之后，通过利用一份氢氟酸、三份亚硝酸以及一份水 的(HF+3HN02+H20)溶液进行蚀刻以去除该单晶硅晶片，并且露出碳化硅层。关于蚀刻硅材 料的细节记载于美国第4，981,818号专利案之中，该专利记载于本文中以供参考。范例2一半导体器件可依下列制造方法制造可依据范例1取得一半导体衬底。通过有机金属化学气相沉积制造方法并且利用 氢化镓(GaH3)以及氨气材料，在该暴露的碳化硅层上沉积一氮化镓半导体层。当然，应了解的是，上述内容仅供说明本发明原理的应用。在不违背本发明范畴及 精神的前提下，本发明所属技术领域一般技术人员可做出多种修改及不同的配置，且专利 要求保护的范围则意图涵盖这些修改与不同的配置。因此，当本发明中目前被视为是最实 用且优选的实施例的细节已被揭露如上时，对于本发明所属技术领域一般技术人员而言， 可依据本文中所提出的概念与原则来作出而不受限于多种包含了尺寸、材料、外形、形态、 功能、操作方法、组装及使用上的改变。
权利要求
1.一种发光二极管器件，其特征在于，该发光二极管器件包含有 一传导性钻石层；一碳化硅层或氮化铝层，其耦合到该钻石层上；多个半导体层，其中至少一半导体层耦合到该碳化硅层或氮化铝层；以及 一 η型电极，其耦合到其中至少一半导体器件上，其中该传导性钻石层以及η型电极被 配置为令该传导性钻石层与η型电极之间存有一实质上为线性的传导路径。
2.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该多个半导体层被配置为依序 介于该传导性钻石层与η型电极之间。
3.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其进一步包含一光反射层，该光反射层耦 合到该传导性钻石层上的一表面，该表面相对该碳化硅或氮化铝层。
4.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该碳化硅或氮化铝层为一单晶层。
5.根据权利要求4所述的发光二极管器件，其特征在于该碳化硅或氮化铝层具有一实 质上以外延方式与该传导性钻石层相匹配的晶格。
6.根据权利要求4所述的发光二极管器件，其特征在于该碳化硅或氮化铝层具有一实 质上以外延方式与其中至少一半导体层相匹配的晶格。
7.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该传导性钻石层掺入有硼。
8.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该多个半导体层包含选自于氮 化镓、氮化硼、氮化铝、氮化铟以及其混合物的至少其中一种的成分。
9.根据权利要求8所述的发光二极管器件，其特征在于至少一半导体层包含有氮化镓。
10.根据权利要求8所述的发光二极管器件，其特征在于至少一半导体层包含有氮化铝ο
11.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该碳化硅或氮化铝层的厚度 小于或等于大约1微米。
12.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该碳化硅或氮化铝层的厚度 小于或等于大约500纳米。
13.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于该碳化硅或氮化铝层的厚度 小于或等于大约1纳米。
14.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，该制造方法包含有 以外延方式在一实质上为单晶的硅晶片上形成有一碳化硅或氮化铝层； 以外延方式在碳化硅或氮化铝层上形成一实质上为单晶的钻石层；掺杂该钻石层以形成一传导性钻石层； 去除该硅晶片以露出该相对于钻石层的碳化硅或氮化铝层；以外延方式在该碳化硅或氮化铝层上形成有多个半导体层，其中至少一半导体层接触 该碳化硅或氮化铝层；以及将一η型电极耦合到其中至少一半导体层上以使得该多个半导体层功能性地位于该 传导性钻石层与该η型电极之间，且其中该传导性钻石层与η型电极被配置为令该传导性 钻石层与η型电极之间存有一实质上为线性的传导路径。
15.根据权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该形成实质上单晶的 钻石层的外延层的步骤进一步包含令一硅晶片的表面进行合成性渐变，使该表面由硅逐渐 变化为碳化硅或是氮化铝以形成该碳化硅或是氮化铝层；以及令一碳化硅层的表面进行合 成性渐变，使该表面由碳化硅逐渐变化为钻石以形成该钻石层。
16.根据权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该形成碳化硅的外延 层的步骤进一步包含在该硅生长表面上形成一同构形无晶钻石层以形成介于该硅生长表面与同构形无晶 钻石层之间的碳化硅层；以及去除该同构形无晶钻石层以露出该碳化硅层。
17.根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其进一步包含在该外露的碳化硅 层上形成一传导性钻石层。
18.根据权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其进一步包含在去除该硅晶片之前，先在该钻石层的相对该碳化硅或氮化铝层的一表面上形成一硅 层；以及结合一硅承载衬底到该硅层上，该硅承载衬底具有一二氧化硅层，使得该硅层结合到 该二氧化硅层上。
19.一种半导体器件，其特征在于，该半导体器件包含有一传导性钻石层；一碳化硅层或氮化铝层，其耦合到该钻石层上；多个半导体层，其中至少一半导体层耦合到该碳化硅层或氮化铝层；以及一 η型电极，其耦合到其中至少一半导体器件上。
20.根据权利要求19所述的半导体器件，其特征在于该传导性钻石层与η型电极被配 置为令该传导性钻石层与η型电极之间存有一实质上为线性的传导路径。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管器件、其制造方法及半导体器件，提供整合有钻石材料的发光二极管器件以及这类器件的制造方法。此制造方法可含以外延方式在一实质上为单晶的硅晶片上形成有一氮化硅层；以外延方式在碳化硅层上形成一实质上为单晶的钻石层；并掺杂该钻石层以形成一传导性钻石层；去除该硅晶片以露出该相对于钻石层的碳化硅层；以外延方式在该碳化硅层上形成有多个半导体层，其中至少一半导体层接触该碳化硅或氮化铝层；以及将一n型电极耦合到其中至少一半导体层上以使得该多个半导体层功能性地位于该传导性钻石层与该n型电极之间。
文档编号H01L33/00GK102130243SQ201010555109
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年1月12日
发明者宋健民 申请人:宋健民