金刚石上的氮化镓发光装置的制作方法

专利名称：金刚石上的氮化镓发光装置的制作方法
金刚石上的氮化镓发光装置背景技术家用和工业照明用的光通常由白炽灯或荧光灯提供。这种灯通常 消耗大量能量，效率低，并且还会产生不希望有的热量。作为这种灯的一种潜在替代，可以使用氮化镓发光二极管(LED)。氮化镓装置可 以通过在硅、蓝宝石、尖晶石或碳化硅上生长氮化镓薄膜来形成。在 适当掺杂下生长P型层和n型层，通过已知的方法形成接触以及通过 施加适当的电压来获取发光。可以将氮化镓层用铝或铟掺杂 (alloyed),以调节输出波长使适合于特定应用。光输出一般位于紫 光、紫外线、蓝光或绿光光镨区域内。来自氮化镓LED的光输出一般是单色的，并不适用于白光照明。 为获得白光输出，将LED涂上磷光物质(phosphor)，磷光物质吸收 该单色的LED输出并将该光转化为宽频带白光。市场上已有这些装置， 但这些装置只有非常低的光输出。现有氮化镓基灯(gallium nitride based lamps)的另一个问题 在于为了氮化镓基灯工作时的光水平对于普通照明是有用的，要求 其有更高的能量输出。同时，为了使该灯适销，要求该灯有更小的尺 寸。这些在目前是相互对立的要求。发明内容在金刚石村底上形成氮化镓装置，以制造金刚石半导体装置。在 一个实施方案中，以至少两种方法中的一种在金刚石上形成氮化镓二 极管(或其他装置)。第一个实例方法包括在金刚石上生长氮化镓以 及在该氮化镓层上构建所述装置。第二个实例方法包含将氮化镓(装 置或薄膜)光粘合到金刚石上以及将所述装置构建到所粘合的氮化镓 上。这些装置可以提供比白炽灯或荧光灯明显要高的效率，并且可以 提供比已有半导体技术要大的光密度或能量密度。利用类似的方法和 结构可得到其他氮化镓半导体装置。


图1-4图解了根据本发明的一些实施方案在金刚石衬底上制造 氮化镓半导体装置的方法。图5图解了一种根据本发明的一些实施方案形成于金刚石衬底上 的氮化镓半导体装置，该金刚石衬底具有掺硼晶格，使得金刚石晶格 为p型半导体。图6图解了根据本发明的一些实施方案将掺硼金刚石用作p型半 导体材料，以及将诸如氮化镓之类的其他掺杂剂用作形成n型半导体 材料，以此形成诸如二极管之类的基础半导体装置。图7图解了根据本发明的一些实施方案，异质结结构的形成，该 异质结结构由插入在半导体结构中的具有适当带隙的材料形成。
具体实施方式
在以下描述中，参考了构成本说明书一部分的附图，在这些附图 中，以图解的方式示出了可以实施的具体实施方案。对这些实施方案 作充分详细的描述，以使本技术领域中的普通技术人员能够实施本发 明，并且应该理解的是，可以使用其他实施方案，并且在不脱离本发 明的范围的情况下可以作结构上、逻辑上以及电学上的改变。如此， 不应当从限定的意义上去理解本发明，本发明的范围是由所附权利要 求来限定的。在金刚石衬底上形成氮化镓装置，该装置用于发光二极管和替代 白炽灯泡和荧光灯泡用于白光照明。在一个实施方案中，以至少两种 方法在金刚石上形成氮化镓二极管(或其他装置)。第一种方法包括在 金刚石上生长氮化镓以及在氮化镓层上构建所迷装置。第二种方法包 含将氮化镓(装置或薄膜)粘合到金刚石上并且将所述装置构建到所 粘合的氮化镓上。这些装置是非常理想的，因为它们比白炽灯或荧光 灯具有明显要高的效率。在一个实施方案中，金刚石衬底比任何目前衬底导热更好，从而 当增加输出功率水平时，装置尺寸可以缩小。或者当更进一步增加输 出时，可以使用相同尺寸的装置。用诸如金刚石之类的昂贵衬底替代 诸如硅的低廉衬底看起来似乎并不正确。然而，在"任何衬底"上生
长氮化镓层的成本是制造氮化镓装置的主要成本。由于所获每流明光 的成本降低，使用金刚石村底可能比使用较低廉的衬底更为经济。在另一个实施方案中，在金刚石衬底上构建氮化镓和合金激光器。就功率和成本而言，可以将所述方法如同应用于LED那样应用于激光 器。这类激光器应用可以包括DVD、高密度光存储、数据传输、医疗 诊断、外科以及其他应用。氮化物半导体已知为宽带隙半导体。通常这些半导体在比常规半 导体更高的频率和更高的功率水平下运行，以及可以产生(如LED或 激光器)比其他半导体材料频率更高和功率水平更高的光。在所有情 形下，所述装置的输出功率水平可能受到装置材料热导率的限制。其 中有宽带隙半导体紧密固定在金刚石衬底上的，以及该装置层是薄的 装置可以获得最高性能。这可通过在单晶金刚石上生长薄的宽带隙半 导体层以及之后在该层上进行装置加工来最好地实现。晶体完整性晶体完整性程度高、没有应变的半导体的一些氮化 物装置(以及其他半导体装置)性能发挥最好。就这方面而言，在金 刚石薄膜上生长晶体薄膜的方法将既不会给出高度完整的晶体也不会 给出程度低的应变(由所用金刚石和半导体之间巨大的热膨胀系数差 异引起的)。在一种制造用作氮化物衬底的金刚石衬底的方法中(加工方法)， 制造一种适当取向的无支撑的(freestanding)金刚石板材。将该板 材加工成具有高度理想磨光(在平滑度、光滑度和TTV方面)的半导 体硬质基底(grade substrate),或者将其加工成与半导体加工机械 相兼容(低的厚度变化、取向平面等)。在一个实施方案中，所制造的 表面平滑度优于十分之一波长(一般为绿光)以及表面光滑度优于lnm 或比lnm还小。通过适当的磨光可以获取这种光滑度。在以下步骤中，将氮化物贴合到金刚石表面。以如上所述的金刚 石衬底成品开始，利用溶剂、酸清理所述表面，并将其储存在没有微 粒的环境中。和现有装置情形一样，然后可以制造氮化物装置。然后 可以将所获的氮化物结构或装置薄化到可允许的最小厚度。然后通过 下列方式将该结构或装置贴合至金刚石衬底将结构或装置放在金刚 石上，并轻微移动以除去层间空气。
在一个实施方案中，利用接近室温的热循环来促进空气层的除去。 然后可以将金刚石-氮化物装置固定到散热片上并且将其作为一装置 进行操作。在另一个实施方案中，制造在金刚石上的碳化硅。可以通 过如上的通常方式来制造碳化硅装置，以及以与固定和操作氮化物装 置相同或相似的方式对其进行固定和操作。于是该碳化硅装置如上地 得到固定和操作。在再一个实施方案中，也可以将其他半导体装置固 定在金刚石上。也可以如上所述地形成其他诸如硅、硅-锗、砷化物、 磷化物、锑化物、硫化物、硒化物或碲化物之类的其他半导体装置以 及将这些半导体装置粘合到金刚石上。流程图a.制造金刚石衬底的基本过程金刚石籽晶<formula>formula see original document page 9</formula>分离之后的金刚石籽晶和生长层
所制得的用于半导体生长的金刚石晶种b.粘合半导体装置层的过程所制得的用于半导体生长的金刚石籽晶具有独立的半导体装置层的金刚石晶种i i和半导体装置层粘合在一起的金刚石层下面描述利用嵌入和剥离(lift off )技术在金刚石上制造氮化 物半导体层的过程。氮化物半导体已知为宽带隙半导体。通常这些半 导体在比传统半导体更高的频率和更高的功率水平下运行，以及可以 产生(如LED或激光器)比其他半导体材料频率更高和功率水平更高 的光。其中有宽带隙半导体紧密固定在金刚石衬底上的，以及装置层 是薄的装置可以获得较高性能。这可以通过在单晶金刚石上生长薄的 宽带隙半导体层以及之后在该层上进行装置加工来实现。在m-v半导体生产过程中，电荷可以从一个半导体层移动到另一 个半导体层，以产生不可能在两个半导体层中任何一个单独层中获得 的电子性能。通常其原理是将电荷从高度掺杂的宽带隙半导体移动到 未掺杂的较低带隙半导体处，从而在未掺杂的半导体中产生电荷。在 两个半导体接触的边界层中还产生一些特殊的性能和效应。激光器、 LED和大部分FET使用带隙复合层来操作。在金刚石上使用诸如cBN、A1N (和具有GaN或InN的合金)之类的宽带隙半导体可以在金刚石中 产生这种效应并可以之实现制造n型或p型金刚石层。在一种制造用作氮化物衬底的金刚石衬底的方法中(加工方法)， 制造一种适当取向的独立存在的金刚石板材。将该板材加工成具有高 度理想磨光(在平滑度、光滑度、TTV方面)的半导体硬质基底以及 要么以别的方式将其加工成与半导体加工机械相兼容(低的厚度变化、 取向平面等)。可以用多种方法在金刚石上制造cBN (全都使用如上所述制备的 金刚石村底)。cBN (立方氮化硼)是通常在高温和高压下制备的直接 带隙半导体。低压下极难制备该半导体，并且在意欲获取cBN的制造 中，经常得到的是所形成的hBN(六方氮化硼)。利用以下方法可以在 金刚石上制造cBN层。该层可以是摻杂的或未掺杂的。在一个实施方案中，使用来自等离子体的直接外延生长(direct epitaxy from plasma )。在另一个实施方案中，利用磷化物转化。这 种方法由以下步骤组成l.使用CVD、 MOCVD或MBE在金刚石上生长一 层BP。 2.通过在氨中加热复合层衬底到500至1000摄氏度来转化BP 层，其中氮取代晶格中的磷并且形成立方氮化硼(由于BP是立方的)。 所述薄膜可以是掺杂的或未掺杂的。在再一个实施方案中，利用原子层外延生长在金刚石上形成cBN 层。在原子层外延生长(epitaxy)中，使用上面所述的方法，此处 BP在氨中转化为cBN。然而，这种方法的不同在于在同一时间内完 成一个原子层的转化，以获得完整的转化。应该注意到尽管这看起 来似乎是个緩慢的过程，但为获取所需效应，大多数装置结构仅要求 有少数的原子层(10至100)。所述方法由以下步骤组成l.将金刚石 表面暴露在自限制硼源(self limiting boron source )(即BC13) 中，以便单层BCl3以取向的方式(in an oriented manner)(温度等等) 将其自身固定到金刚石表面；2.将所述表面暴露在诸如磷化氢(PH3) 的含磷源中，其中磷附到硼上，而氢提取氯，以此留出一层BP，该层 BP是单晶并且依金刚石衬底来取向；3.将所述表面暴露在氨气UH3) 中，其中BP层中的磷与氨中的氮交换，制造出cBN层和磷化氲气体。 以获取所需cBN厚度所需要的次数来重复这个过程。
在又一个实施方案中，可以在金刚石上形成其他氮化物(加工步 骤)。以如上所述的完成了的金刚石衬底开始，利用溶剂、酸、干式等 离子体蚀刻、热化学蚀刻或所有这些的组合清洁所述衬底。接着，利 用以下其中一个方法(或一些还未报道的方法)中的一种在反应器中生长氮化物薄膜，所述方法有氢化物-卤化物CVD、有机金属CVD、 MBE、等离子体辅助MBE、化学分子束外延生长(chemical beam epitaxy)、原子层外延生长。在一个实施方案中，在金刚石上制造碳化硅。利用外延生长，首 先通过硅和含碳的气相物的反应在适当取向的金刚石上生长碳化硅， 所述硅和含碳气相物的反应如文献所述。然后在升高的温度下将金刚 石表面暴露在含碳气相物中，以进行转化。通过使硅渗入金刚石以及 使碳从金刚石渗出到碳化物层中，使金刚石表面层转化为碳化硅。在另一些实施方案中，在金刚石上的碳化硅上制造氮化物。碳化 硅层可以如上所述地形成于金刚石上。如上所述地生长一层氮化物层。在再一些实施方案中，在金刚石上制造其他半导体。如上所述， 可以在金刚石上生长诸如硅、硅-锗、砷化物、磷化物、锑化物、硫 化物、硒化物或碲之类的其他半导体层。可以利用如上所述的方法将极薄的硅层固定在金刚石上，其中所 述硅为位于绝缘体上的硅的形式，其中所述硅一般为一 500nm或更薄 的薄膜，该薄膜固定到氧化硅薄层上，而所述氧化硅薄层又固定到硅 上。在通过光接触和温度循环将所述硅固定到金刚石上后，氧化硅薄 层和背面的硅层利用选择性化学蚀刻除去。于是在硅薄层上形成所述 装置。在又一个实施方案中，在硅内蚀刻出窗口，以便于能在金刚石上 构建装置，以利用该金刚石独特的性能以及提供全部集成的硅/金刚石 电路。利用这些方法可以将诸如GaN、 GaAs、 SiC、 Si/Ge和这些物质 的合金之类的其他半导体固定到金刚石上。可以将一 系列半导体晶片 粘合到金刚石上，以在同一芯片上实现一系列功能。薄硅层也可以粘 合到薄金刚石层上，而厚硅层可以粘合到金刚石层的背面。可以将薄 金刚石层沉积成纳米结晶的金刚石形式。在再一些实施方案中，为了 在金刚石装置的装置加工(包括光刻法)过程中提供支撑和处理，可
以将大量金刚石晶片粘合到一个大的硅晶片上。 1.流程图a.制造金刚石衬底的基本过程金刚石籽晶在嵌入期间的金刚石籽晶 "嵌入离子"具有嵌入层的金刚石籽晶具有嵌入层和生长层的金刚石籽晶激光切割后的具有嵌入层和生长层的金刚石籽晶分离之后的金刚石籽晶和生长层所制得的用于半导体生长的金刚石晶种 c.生长半导体层的过程(不同于cBN)所制得的用于半导体生长的金刚石籽晶其上生长有半导体层的金刚石晶种d. cBN生长金刚石衬底具有BCl3原子层的金刚石衬底具有BP层的金刚石衬底其中的Bp转化为cBN的金刚石村底图1-4图解了一种根据本发明的一些实施方案，在金刚石衬底上 制造氮化镓半导体装置的方法。在金刚石衬底层101层上形成氮化镓 (GaN)，该衬底层在多种实施方案中为单晶金刚石、多晶金刚石、纳 米结晶金刚石、人造金刚石或天然金刚石。氮化镓沉积在金刚石平面 的102层上。将金刚石晶种101磨出一平顶面，利用激光器或切削工具等切割 掉该晶种的边缘，并进行清理、蚀刻和磨光。在一些实施方案中，将 氢原子嵌入到所需深度。在多种实施例中以多种条件将所述氢原子嵌 入，但是在一个实施例中，将氢原子在相对于金刚石表面IO度的角度
下嵌入，其嵌入的剂量大约为每平方厘米一微安。使电子以大概200KeV的能量嵌入，直到每平方厘米中大概有十七分之十的原子嵌入 到金刚石101中。在一个替换实施方案中，使更多或更少剂量的氳以 更大或更小的能量嵌入，例如更少剂量的氢以更大的能量嵌入以便在 磨光的表面生成相对深的可塑金刚石层。改变氢嵌入的参数将因此改 变氢嵌入层的深度和密度。当所述氢嵌入层存在于金刚石层中时，它 在一些实施方案中用来形成具有晶格结构的可塑金刚石(complant diamond )层，该可塑金刚石层更易于将其自身与生长在金刚石上的诸 如氮化镓之类的材料的晶格结构方向对齐。如果在单晶金刚石的可塑层上形成氮化镓，则氮化镓的晶格结构 能够与可塑金刚石层的晶格结构基本对齐，从而得到单晶或大晶的氮 化镓。在将多晶或纳米金刚石用作衬底材料的其他实施方案中，氮化 镓将倾向于形成更小的晶体结构，局部地和金刚石衬底的晶格结构对 齐。在一些实施方案中，单晶金刚石由于其优良的热导率受到优选， 另外还由于在单晶金刚石上生长氮化镓可得到最均匀的氮化镓生长。金刚石衬底上的生长可以发生在金刚石的任何晶体取向上，例如 100晶面、110晶面或111晶面。在一个实施方案中，lll晶面由于其 所显示的对称性而受到优选。尽管111金刚石晶面有时更难于制造， 但三个维度方向上的对称性使其更容易和氮化镓晶体结构调节对齐， 借此得到优选的晶体结结构。在图2中，金刚石衬底201和第一层n型或n掺杂氮化镓用作p 型氮化镓层203生长的基部(base )。在其他实施方案中将P型层和n 型层互换或以相反的顺序生长P型层和n型层，如图5中的装置所示。 可以将多种掺杂材料用作P型和n型材料，包括硼、磷和其他此类材 料。例如可以通过向氮化镓掺入只有三个价电子的硼来制备p型氮化 镓，从而使金刚石成为强p型半导体材料。在氮化镓材料中含有硼的 位置处，由于缺乏电子从而导致形成可接受电子的"空穴"，制造出实 际上的可移动正电荷。负电荷的硼原子固定在晶格中，这意味着硼原 子不能移动，但硼原子对导电过程贡献作为电子接收器的"空穴"。掺 杂具有价电子或空穴的其他材料，基于掺杂剂的价电子数目可生成n 型或p型材料。
在图3中，图2的结构经掩模和蚀刻形成303处的正掺杂氮化镓 层小孤立区，而在304处形成一电接触，提供外部电路到所形成的半 导体装置的连接方式。类似地，在负掺杂氮化镓层302上的305处形 成电接触，也提供连接到所形成的半导体装置的另一部分的外部电接 触。金刚石衬底301目前用作散热片，并且可以用作诸如集成电路之 类的一个或多个其他半导体装置的衬底。图4显示了图3中形成的装置的分离，其中切割金刚石衬底401 侧面和n型氮化镓层402的侧面以形成单个装置，例如此处所示的二 极管，其为独立组装。在另一个实施方案中，将金刚石层401耦合到 诸如金属散热片或金刚石散热片的另 一个热导体上，其在一些实施方 案中成为所示半导体装置组装的一部分。如果所述金刚石是掺杂金刚石或是导电金刚石，该金刚石可以形 成半导体的一部分，如图5所示。在图5中，金刚石晶格掺入硼，使 得金刚石晶格为p型半导体。在一些实施例中，当通过化学气相沉积 形成金刚石时，硼生长进入金刚石中，硼或者通过其他过程被混合到 金刚石中，而其他实施例使用扩散或离子嵌入技术将硼嵌入到金刚石 中，无论该金刚石是人造的或天然形成的。在一些实施方案中，其中嵌有硼或其他掺杂剂的金刚石区域将由 于其金刚石晶体结构中所放置的摻杂剂而比未掺杂的金刚石或其他氮 化镓类材料具有稍大或稍小的晶格结构。具有不同掺杂浓度的金刚石 之间的晶格失配或掺杂的和未掺杂的金刚石之间的，或诸如氮化镓之 类的其他晶体结构之间的晶格失配，在一些实施方案中可以通过嵌入 经选择的离子来加以控制，以此给出所需要的晶格结构。例如掺有稍 许硼的金刚石区域相对于主要由碳-12制成的未掺硼金刚石具有稍微 膨胀的晶格结构。将碳-13加入到掺硼金刚石中可收缩所述晶格结构， 并且在一些实施方案中可用来消除金刚石层之间的晶格失配或用来控 制金刚石层之间的晶格失配或应变。因此，图5的掺硼金刚石结构在一些实施方案中将利用碳-13或 其他掺杂剂来改变其晶格结构，或利用单独的氢嵌入或除氢嵌入外再 利用掺杂剂，以通过氢嵌入所提供的一定程度的可塑性来提供所需的 晶格结构。
在502处所示的掺硼金刚石衬底501上形成一层p型氮化镓。在 p型氮化镓层的顶部503处形成一层n型氮化镓，并且切割出几乎和 图4的装置一样的装置。将金属接触504连接到n型氮化镓，而在505 处将第二金属接触505耦合到p型导电金刚石。由此形成的二极管类 似于图4的二极管，但依赖于金刚石进行导电，金刚石作为所形成的 半导体装置的一部分而非仅仅作为散热片。因为掺硼金刚石可以用作p型半导体材料而其他掺杂剂可以用来 形成n型半导体材料，金刚石和单层氮化镓可以形成基础半导体装置， 例如如图6所示的二极管。掺硼p型金刚石显示在601处，并且具有 一层如在602处所示的生长在一表面上的n型掺杂的氮化镓层。在603 处将导线固定到n型氮化镓，并且在604处将电导线固定到p型金刚 石以形成二极管，该二极管既将金刚石层作为散热片又将其作为形成 二极管半导体一部分的电导线来使用。在另一个实施方案中，异质结结构如图7所示地由插入在半导体 结构中的具有适当带隙的材料形成。金刚石衬底701用作半导体装置 的基部和散热片，经沉积n型掺杂氮化镓层702形成。在氮化镓层702 上通过诸如形成较重掺杂的n型氮化镓层之类的方式来形成异质结层 703。在异质结层上形成如704处所示的诸如p型氮化镓之类的p型层， 并且将该p型层耦合到电接触705。将第二电接触706耦合到掺杂较 低的第一 n型氮化镓层702以形成异质结二极管。由于所形成的异质 结结构之故，所示二极管能够在相对高的速率下运行，以及归功于金 刚石衬底701所提供的散热片效用，所示二极管能够在相对高的功率 下运行。在替换实施方案中，n型和p型掺杂剂互换，形成其阳极和阴极 电连接与图7所示相反的的二极管。在另一些实施方案中，诸如图6 的二极管、图7的异质结，以及图4和图5的二极管之类的基础装置 中的掺杂剂可以互换，并且这些装置可进一步成为诸如双极结晶体管 之类的更大的半导体结构的一部分。在再一些实施方案中，利用类似 于此处所述的那些方法和结构来形成场效应晶体管。在一些异质结结构中，诸如氮化镓、氮化铝、氮化铟、其合金及 其他此类材料的异质结结构沉积在诸如p型金刚石之类的掺杂金刚石 上将生成优良的p-n结，如对于p型金刚石，受主或空穴将从中扩散 到氮化镓或其他异质结材料中，既提供了优良的p-n结又提供了具有 散热优势的结，该散热优势源于作为半导体二极管一部分的或与半导 体结紧密接触的金刚石散热片。在又一些实施方案中，利用诸如砷化镓、铝砷化镓、磷化铟、氮 化铟、氮化硼或其他这类材料来替换此处所示装置中的一个或多个半 导体装置层，以形成诸如二极管，晶体管、异质结半导体装置、发光 二极管、电子发射器等氮化硼半导体装置或其他半导体装置。在一些实施方案中，通过化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、 分子束外延生长或仅通过光学耦合在金刚石上"生长"形成半导体装 置。此处光学耦合定义为在有待耦合的两种材料的面上制造一光学平 坦的表面，将它们彼此接触放置得到两种材料的结合。在另一些实施 方案中，对所述光学耦合材料进行加热或退火可排出所截留的空气或 气体，并且使耦合材料的晶格结构更为均匀。该光学接触增强了金刚石将热从所述耦合材料传导离开的能力， 使得如此耦合到金刚石上的半导体装置可以以比其他可能方式更大的 能量下进行操作。因此，比较理想的是，在一些实施方案中使金刚石 形成为具有特别高的热导率。例如，具有纯度高于平均值的碳-12和 浓度相应减少的碳-13同位素的金刚石已知为同位素加强的，并且具 有特别强的热传导性。这使得它们非常适合应用于，例如半导体装置 的加工上，促使获取比其他方式下更大的功率和更高的密度。金刚石 CVD前驱体气体用碳-12进行同位素增强可以得到其中含有浓度显著 少于一般值1. 1%的碳-13的金刚石，以此得到3300W/mK的高热导率。其他制造具有高热导率的人造金刚石的方法的实例包括在低氮 环境中生长金刚石、在富氢环境中生长人造金刚石、以及掺入硼，以 此来增加热导率。所用的金刚石在一些实施方案中将具有大于至少 2500W/mK、 2700W/mK或3200W/mK的热导率，并且在碳-12的同位素 增强下，金刚石本体中相应碳-13的浓度小于1%、 .1%或.01%。在 另一个实施方案中，金刚石内氮的浓度小于50ppm、 10ppm或5ppm, 从而得到热传导性比一般天然金刚石显著要强的金刚石结构。在一些实施方案中，通过这种方法制造的金刚石半导体装置将提
供比现有技术所能实现的明显要高的能量密度，以及给出明显要高的 单位面积或体积的光输出。制造光的金刚石半导体的物理尺寸的减少 也使制造所需输出所要求的装置数目减少，以此减少了连线以及减少 了将金刚石半导体实施用于制造光时的复杂性。应该预见的是此处所 提出的金刚石半导体技术的发光应用和其他应用将能制造出比目前所 能制造的更为小、更为亮、更为有效的照明设备，从而使得这种技术 对于广泛的工业和用户使用来说很重要。应该预见的是，此处所述的方法和设备将不仅仅应用于此处所示 和所述的具体的半导体结构，而且还应用于其他半导体、集成电路和 电子装置。虽然此处已经图解和描述了具体的实施方案，本领域中的 普通技术人员应该理解多种预计实现相同目的配置可以取代所示的具 体实施方案。本申请意欲覆盖本发明的任何改编或变体。本发明应仅 仅由权利要求以及与权利要求等同的整个范围所限定。
权利要求
1.一种方法，包括将H2嵌入到金刚石衬底中以提供一个顶部可塑层；以及在嵌有H2的金刚石衬底上生长一层GaN。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，使用高功率RF沉积生长 所述GaN。
3. 根据权利要求1的方法，其特征在于，使用微波沉积生长所述GaN。
4. 根据权利要求1的方法，其特征在于，H2的浓度在每立方厘米 大概8 x IO"至IO"个原子之间。
5. 根据权利要求1的方法，其特征在于，112以50KeV到1MeV的能 量嵌入。
6. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述金刚石是单晶金刚石。
7. 根据权利要求6的方法，其特征在于，所述金刚石可塑层具有 111晶体取向。
8. 根据权利要求1的方法，还包括在所生长的GaN层上生长一层 金刚石。
9. 根据权利要求8的方法，还包括将氢嵌入到所生长的金刚石层中。
10. 根据权利要求9的方法，还包括在所生长的嵌有氲的金刚石层 上生长第二层GaN。
11. 根据权利要求10的方法，其特征在于，所生长的第二层GaN 是n型掺杂或p型摻杂。
12. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所生长的GaN层是n 型掺杂或p型掺杂。
13. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述GaN层通过CVD 形成，用到HC1与Ga的反应，并且进一步与砷化氢、磷化氢或氨中的 至少一种发生反应以形成GaN层。
14. 根据权利要求l的方法，其特征在于，所述GaN层通过金属 有机CVD方法形成。
15. 根据权利要求14的方法，其特征在于，所述GaN层在包括射 频能量、光学能量或其他能量源的一种热源存在下，由与一种氢化物 混合的三甲基镓、二甲基镓或其他有机镓中的至少一种形成。
16. 根据权利要求l的方法，其特征在于，所述GaN层经过液相 外延生长形成，其中籽晶放置在随后冷却的GaN溶液中。
17. 根据权利要求l的方法，其特征在于，所述GaN层通过分子 束外延生长形成，其中金属在相对的真空下气化并且沉积形成GaN层。
18. 根据权利要求17的方法，其特征在于，所述真空里还包括磷 化氢、氨、磷或氮中的至少一种。
19. 根据权利要求17的方法，其中GaN层还通过增强与微波等离 子体的反应而形成。
20. 根据权利要求1的方法，其特征在于，利用所述方法形成半 导体。
21. 根据权利要求20的方法，其特征在于，所述半导体是发光二 极管。
22. 根据权利要求20的方法，其特征在于，所述半导体是电子发 射器。
23. 根据权利要求20的方法，其特征在于，所述金刚石是半导体 元件。
24. 根据权利要求20的方法，其特征在于，所述金刚石是用于半 导体装置的散热片衬底。
25. 根据权利要求l的方法，其特征在于，所述金刚石包括单晶、 多晶、纳米晶或其他类型的金刚石。
26. —种金刚石半导体装置，包括一个金刚石衬底，该衬底嵌有氲，以形成一个顶部可塑层；以及 一层生长在嵌有H2的金刚石衬底上的GaN。
27. 根据权利要求26的金刚石半导体装置，其特征在于，使用高 功率RF沉积生长所述GaN。
28. 根据权利要求26的金刚石半导体装置，其特征在于，使用微 波沉积生长所述GaN。
29. 根据权利要求26的金刚石半导体装置，其特征在于，H2的浓 度在每立方厘米大概8 x IO"至IO"个原子之间。
30. 根据权利要求26的金刚石半导体装置，其特征在于，H2以 50KeV到1MeV的能量嵌入。
31. 根据权利要求26的金刚石半导体装置，其特征在于，所述金 刚石是单晶金刚石。
32. 根据权利要求31的金刚石半导体装置，其特征在于，所述金 刚石可塑层具有111晶体取向。
33. 根据权利要求26的金刚石半导体装置，还包括在所生长的 GaN层上生长的第二层金刚石。
34. 根据权利要求27的金刚石半导体装置，还包括将氢嵌入到第 二层金刚石中。
35. 根据权利要求28的金刚石半导体装置，还包括在所生长的嵌 有氢的金刚石层上生长第二层GaN。
36. 根据权利要求35的金刚石半导体装置，其特征在于，所生长 的第二层GaN是n型掺杂或p型掺杂。
37. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，所生长 的GaN层是n型掺杂或p型掺杂。
38. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，所述 GaN层通过CVD形成，用到HCl与Ga的反应，并且进一步与砷化氬、 磷化氢或氨中的至少一种反应以形成GaN层。
39. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，所述 GaN层通过有机金属CVD过程而形成。
40. 根据权利要求39的金刚石半导体装置，其特征在于，所述 GaN层在包括射频能量、光学能量或其他能量源的一种热源存在下， 由与一种氢化物混合的三甲基镓、二曱基镓或其他有机镓中的至少一 种形成。
41. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，所述 GaN层经过液相外延生长形成，其中籽晶放置在随后冷却的GaN溶液 中。
42. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，所述 GaN层通过分子束外延生长形成，其中金属在相对的真空下气化并且 沉积形成GaN层。
43. 根据权利要求42的金刚石半导体装置，其特征在于，所述真 空里还包括磷化氢、氨、磷或氮中的至少一种。
44. 根据权利要求42的金刚石半导体装置，其特征在于，所述 GaN层还借助微波等离子体(microwave plasma)增强反应形成。
45. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，利用所 述方法形成半导体。
46. 根据权利要求45的金刚石半导体装置，其特征在于，所述半 导体是发光二极管。
47. 根据权利要求45的金刚石半导体装置，其特征在于，所述半 导体是电子发射器。
48. 根据权利要求45的金刚石半导体装置，其特征在于，所述金 刚石是半导体元件。
49. 根据权利要求45的金刚石半导体装置，其特征在于，所述金 刚石是用于半导体装置的散热片衬底。
50. 根据权利要求25的金刚石半导体装置，其特征在于，所述金 刚石包括单晶、多晶、纳米晶或其他类型的金刚石。
51. —种方法，包括将H2嵌入到金刚石村底中以提供一个顶部可塑层； 在嵌有H2的金刚石村底上生长一层p型或n型掺杂的GaN; 在p型或n型掺杂的GaN上生长一层金刚石； 将H2嵌入到所生长的金刚石层中；以及在所生长的嵌有氢的金刚石层上生长一层n型或p型掺杂的GaN。
52. —种金刚石半导体装置，包括一个金刚石村底，该衬底嵌有氢，以形成一个顶部可塑层； 一层生长在所述的嵌有H2的金刚石衬底上的p型或n型掺杂的GaN;一层生长在所述的p型或n型掺杂的GaN层上的第二层金刚石； 所述第二层金刚石嵌有氢；以及一层生长在第二层金刚石上的n型或p型掺杂的GaN。
全文摘要
在金刚石衬底上形成氮化镓装置，该装置例如用于发光二极管，以替代白炽灯泡和荧光灯泡。在一个实施方案中，以至少两种方法在金刚石上形成氮化镓二极管(或其他装置)。第一种方法包括在金刚石上生长氮化镓以及在该氮化镓层上构建所述装置。第二种方法包含将氮化镓(装置或薄膜)粘合到金刚石上，以及将所述装置构建到所粘合的氮化镓上。这些装置可以提供比白炽灯或荧光灯明显要高的效率，并且可以提供比其他技术显著要高的光密度或能量密度。利用类似的方法和结构可得到其他氮化镓半导体装置。
文档编号C30B29/04GK101155949SQ200680008040
公开日2008年4月2日 申请日期2006年1月26日 优先权日2005年1月26日
发明者R·C·里纳雷斯 申请人:阿波罗钻石公司