專利名稱：金剛石上的氮化鎵發(fā)光裝置的制作方法
金剛石上的氮化鎵發(fā)光裝置背景技術(shù)家用和工業(yè)照明用的光通常由白熾燈或熒光燈提供。這種燈通常 消耗大量能量，效率低，并且還會(huì)產(chǎn)生不希望有的熱量。作為這種燈的一種潛在替代，可以使用氮化鎵發(fā)光二極管(LED)。氮化鎵裝置可 以通過在硅、藍(lán)寶石、尖晶石或碳化硅上生長(zhǎng)氮化鎵薄膜來形成。在 適當(dāng)摻雜下生長(zhǎng)P型層和n型層，通過已知的方法形成接觸以及通過 施加適當(dāng)?shù)碾妷簛慝@取發(fā)光?？梢詫⒌墝佑娩X或銦摻雜 (alloyed),以調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)使適合于特定應(yīng)用。光輸出一般位于紫 光、紫外線、藍(lán)光或綠光光鐠區(qū)域內(nèi)。來自氮化鎵LED的光輸出一般是單色的，并不適用于白光照明。 為獲得白光輸出，將LED涂上磷光物質(zhì)(phosphor)，磷光物質(zhì)吸收 該單色的LED輸出并將該光轉(zhuǎn)化為寬頻帶白光。市場(chǎng)上已有這些裝置， 但這些裝置只有非常低的光輸出?，F(xiàn)有氮化鎵基燈(gallium nitride based lamps)的另一個(gè)問題 在于為了氮化鎵基燈工作時(shí)的光水平對(duì)于普通照明是有用的，要求 其有更高的能量輸出。同時(shí)，為了使該燈適銷，要求該燈有更小的尺 寸。這些在目前是相互對(duì)立的要求。發(fā)明內(nèi)容在金剛石村底上形成氮化鎵裝置，以制造金剛石半導(dǎo)體裝置。在 一個(gè)實(shí)施方案中，以至少兩種方法中的一種在金剛石上形成氮化鎵二 極管(或其他裝置)。第一個(gè)實(shí)例方法包括在金剛石上生長(zhǎng)氮化鎵以 及在該氮化鎵層上構(gòu)建所述裝置。第二個(gè)實(shí)例方法包含將氮化鎵(裝 置或薄膜)光粘合到金剛石上以及將所述裝置構(gòu)建到所粘合的氮化鎵 上。這些裝置可以提供比白熾燈或熒光燈明顯要高的效率，并且可以 提供比已有半導(dǎo)體技術(shù)要大的光密度或能量密度。利用類似的方法和 結(jié)構(gòu)可得到其他氮化鎵半導(dǎo)體裝置。


圖1-4圖解了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案在金剛石襯底上制造 氮化鎵半導(dǎo)體裝置的方法。圖5圖解了一種根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案形成于金剛石襯底上 的氮化鎵半導(dǎo)體裝置，該金剛石襯底具有摻硼晶格，使得金剛石晶格 為p型半導(dǎo)體。圖6圖解了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案將摻硼金剛石用作p型半 導(dǎo)體材料，以及將諸如氮化鎵之類的其他摻雜劑用作形成n型半導(dǎo)體 材料，以此形成諸如二極管之類的基礎(chǔ)半導(dǎo)體裝置。圖7圖解了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成，該 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)由插入在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的具有適當(dāng)帶隙的材料形成。
具體實(shí)施方式
在以下描述中，參考了構(gòu)成本說明書一部分的附圖，在這些附圖 中，以圖解的方式示出了可以實(shí)施的具體實(shí)施方案。對(duì)這些實(shí)施方案 作充分詳細(xì)的描述，以使本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā) 明，并且應(yīng)該理解的是，可以使用其他實(shí)施方案，并且在不脫離本發(fā) 明的范圍的情況下可以作結(jié)構(gòu)上、邏輯上以及電學(xué)上的改變。如此， 不應(yīng)當(dāng)從限定的意義上去理解本發(fā)明，本發(fā)明的范圍是由所附權(quán)利要 求來限定的。在金剛石襯底上形成氮化鎵裝置，該裝置用于發(fā)光二極管和替代 白熾燈泡和熒光燈泡用于白光照明。在一個(gè)實(shí)施方案中，以至少兩種 方法在金剛石上形成氮化鎵二極管(或其他裝置)。第一種方法包括在 金剛石上生長(zhǎng)氮化鎵以及在氮化鎵層上構(gòu)建所迷裝置。第二種方法包 含將氮化鎵(裝置或薄膜)粘合到金剛石上并且將所述裝置構(gòu)建到所 粘合的氮化鎵上。這些裝置是非常理想的，因?yàn)樗鼈儽劝谉霟艋驘晒?燈具有明顯要高的效率。在一個(gè)實(shí)施方案中，金剛石襯底比任何目前襯底導(dǎo)熱更好，從而 當(dāng)增加輸出功率水平時(shí)，裝置尺寸可以縮小?；蛘弋?dāng)更進(jìn)一步增加輸 出時(shí)，可以使用相同尺寸的裝置。用諸如金剛石之類的昂貴襯底替代 諸如硅的低廉襯底看起來似乎并不正確。然而，在"任何襯底"上生
長(zhǎng)氮化鎵層的成本是制造氮化鎵裝置的主要成本。由于所獲每流明光 的成本降低，使用金剛石村底可能比使用較低廉的襯底更為經(jīng)濟(jì)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在金剛石襯底上構(gòu)建氮化鎵和合金激光器。就功率和成本而言，可以將所述方法如同應(yīng)用于LED那樣應(yīng)用于激光 器。這類激光器應(yīng)用可以包括DVD、高密度光存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、醫(yī)療 診斷、外科以及其他應(yīng)用。氮化物半導(dǎo)體已知為寬帶隙半導(dǎo)體。通常這些半導(dǎo)體在比常規(guī)半 導(dǎo)體更高的頻率和更高的功率水平下運(yùn)行，以及可以產(chǎn)生(如LED或 激光器)比其他半導(dǎo)體材料頻率更高和功率水平更高的光。在所有情 形下，所述裝置的輸出功率水平可能受到裝置材料熱導(dǎo)率的限制。其 中有寬帶隙半導(dǎo)體緊密固定在金剛石襯底上的，以及該裝置層是薄的 裝置可以獲得最高性能。這可通過在單晶金剛石上生長(zhǎng)薄的寬帶隙半 導(dǎo)體層以及之后在該層上進(jìn)行裝置加工來最好地實(shí)現(xiàn)。晶體完整性晶體完整性程度高、沒有應(yīng)變的半導(dǎo)體的一些氮化 物裝置(以及其他半導(dǎo)體裝置)性能發(fā)揮最好。就這方面而言，在金 剛石薄膜上生長(zhǎng)晶體薄膜的方法將既不會(huì)給出高度完整的晶體也不會(huì) 給出程度低的應(yīng)變(由所用金剛石和半導(dǎo)體之間巨大的熱膨脹系數(shù)差 異引起的)。在一種制造用作氮化物襯底的金剛石襯底的方法中(加工方法)， 制造一種適當(dāng)取向的無支撐的(freestanding)金剛石板材。將該板 材加工成具有高度理想磨光(在平滑度、光滑度和TTV方面)的半導(dǎo) 體硬質(zhì)基底(grade substrate),或者將其加工成與半導(dǎo)體加工機(jī)械 相兼容(低的厚度變化、取向平面等)。在一個(gè)實(shí)施方案中，所制造的 表面平滑度優(yōu)于十分之一波長(zhǎng)(一般為綠光)以及表面光滑度優(yōu)于lnm 或比lnm還小。通過適當(dāng)?shù)哪ス饪梢垣@取這種光滑度。在以下步驟中，將氮化物貼合到金剛石表面。以如上所述的金剛 石襯底成品開始，利用溶劑、酸清理所述表面，并將其儲(chǔ)存在沒有微 粒的環(huán)境中。和現(xiàn)有裝置情形一樣，然后可以制造氮化物裝置。然后 可以將所獲的氮化物結(jié)構(gòu)或裝置薄化到可允許的最小厚度。然后通過 下列方式將該結(jié)構(gòu)或裝置貼合至金剛石襯底將結(jié)構(gòu)或裝置放在金剛 石上，并輕微移動(dòng)以除去層間空氣。
在一個(gè)實(shí)施方案中，利用接近室溫的熱循環(huán)來促進(jìn)空氣層的除去。 然后可以將金剛石-氮化物裝置固定到散熱片上并且將其作為一裝置 進(jìn)行操作。在另一個(gè)實(shí)施方案中，制造在金剛石上的碳化硅?？梢酝?過如上的通常方式來制造碳化硅裝置，以及以與固定和操作氮化物裝 置相同或相似的方式對(duì)其進(jìn)行固定和操作。于是該碳化硅裝置如上地 得到固定和操作。在再一個(gè)實(shí)施方案中，也可以將其他半導(dǎo)體裝置固 定在金剛石上。也可以如上所述地形成其他諸如硅、硅-鍺、砷化物、 磷化物、銻化物、硫化物、硒化物或碲化物之類的其他半導(dǎo)體裝置以 及將這些半導(dǎo)體裝置粘合到金剛石上。流程圖a.制造金剛石襯底的基本過程金剛石籽晶<formula>formula see original document page 9</formula>分離之后的金剛石籽晶和生長(zhǎng)層
所制得的用于半導(dǎo)體生長(zhǎng)的金剛石晶種b.粘合半導(dǎo)體裝置層的過程所制得的用于半導(dǎo)體生長(zhǎng)的金剛石籽晶具有獨(dú)立的半導(dǎo)體裝置層的金剛石晶種i i和半導(dǎo)體裝置層粘合在一起的金剛石層下面描述利用嵌入和剝離(lift off )技術(shù)在金剛石上制造氮化 物半導(dǎo)體層的過程。氮化物半導(dǎo)體已知為寬帶隙半導(dǎo)體。通常這些半 導(dǎo)體在比傳統(tǒng)半導(dǎo)體更高的頻率和更高的功率水平下運(yùn)行，以及可以 產(chǎn)生(如LED或激光器)比其他半導(dǎo)體材料頻率更高和功率水平更高 的光。其中有寬帶隙半導(dǎo)體緊密固定在金剛石襯底上的，以及裝置層 是薄的裝置可以獲得較高性能。這可以通過在單晶金剛石上生長(zhǎng)薄的 寬帶隙半導(dǎo)體層以及之后在該層上進(jìn)行裝置加工來實(shí)現(xiàn)。在m-v半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，電荷可以從一個(gè)半導(dǎo)體層移動(dòng)到另一 個(gè)半導(dǎo)體層，以產(chǎn)生不可能在兩個(gè)半導(dǎo)體層中任何一個(gè)單獨(dú)層中獲得 的電子性能。通常其原理是將電荷從高度摻雜的寬帶隙半導(dǎo)體移動(dòng)到 未摻雜的較低帶隙半導(dǎo)體處，從而在未摻雜的半導(dǎo)體中產(chǎn)生電荷。在 兩個(gè)半導(dǎo)體接觸的邊界層中還產(chǎn)生一些特殊的性能和效應(yīng)。激光器、 LED和大部分FET使用帶隙復(fù)合層來操作。在金剛石上使用諸如cBN、A1N (和具有GaN或InN的合金)之類的寬帶隙半導(dǎo)體可以在金剛石中 產(chǎn)生這種效應(yīng)并可以之實(shí)現(xiàn)制造n型或p型金剛石層。在一種制造用作氮化物襯底的金剛石襯底的方法中(加工方法)， 制造一種適當(dāng)取向的獨(dú)立存在的金剛石板材。將該板材加工成具有高 度理想磨光(在平滑度、光滑度、TTV方面)的半導(dǎo)體硬質(zhì)基底以及 要么以別的方式將其加工成與半導(dǎo)體加工機(jī)械相兼容(低的厚度變化、 取向平面等)?？梢杂枚喾N方法在金剛石上制造cBN (全都使用如上所述制備的 金剛石村底)。cBN (立方氮化硼)是通常在高溫和高壓下制備的直接 帶隙半導(dǎo)體。低壓下極難制備該半導(dǎo)體，并且在意欲獲取cBN的制造 中，經(jīng)常得到的是所形成的hBN(六方氮化硼)。利用以下方法可以在 金剛石上制造cBN層。該層可以是摻雜的或未摻雜的。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用來自等離子體的直接外延生長(zhǎng)(direct epitaxy from plasma )。在另一個(gè)實(shí)施方案中，利用磷化物轉(zhuǎn)化。這 種方法由以下步驟組成l.使用CVD、 MOCVD或MBE在金剛石上生長(zhǎng)一 層BP。 2.通過在氨中加熱復(fù)合層襯底到500至1000攝氏度來轉(zhuǎn)化BP 層，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)。 所述薄膜可以是摻雜的或未摻雜的。在再一個(gè)實(shí)施方案中，利用原子層外延生長(zhǎng)在金剛石上形成cBN 層。在原子層外延生長(zhǎng)(epitaxy)中，使用上面所述的方法，此處 BP在氨中轉(zhuǎn)化為cBN。然而，這種方法的不同在于在同一時(shí)間內(nèi)完 成一個(gè)原子層的轉(zhuǎn)化，以獲得完整的轉(zhuǎn)化。應(yīng)該注意到盡管這看起 來似乎是個(gè)緩慢的過程，但為獲取所需效應(yīng)，大多數(shù)裝置結(jié)構(gòu)僅要求 有少數(shù)的原子層(10至100)。所述方法由以下步驟組成l.將金剛石 表面暴露在自限制硼源(self limiting boron source )(即BC13) 中，以便單層BCl3以取向的方式(in an oriented manner)(溫度等等) 將其自身固定到金剛石表面；2.將所述表面暴露在諸如磷化氫(PH3) 的含磷源中，其中磷附到硼上，而氫提取氯，以此留出一層BP，該層 BP是單晶并且依金剛石襯底來取向；3.將所述表面暴露在氨氣UH3) 中，其中BP層中的磷與氨中的氮交換，制造出cBN層和磷化氳氣體。 以獲取所需cBN厚度所需要的次數(shù)來重復(fù)這個(gè)過程。
在又一個(gè)實(shí)施方案中，可以在金剛石上形成其他氮化物(加工步 驟)。以如上所述的完成了的金剛石襯底開始，利用溶劑、酸、干式等 離子體蝕刻、熱化學(xué)蝕刻或所有這些的組合清潔所述襯底。接著，利 用以下其中一個(gè)方法(或一些還未報(bào)道的方法)中的一種在反應(yīng)器中生長(zhǎng)氮化物薄膜，所述方法有氫化物-鹵化物CVD、有機(jī)金屬CVD、 MBE、等離子體輔助MBE、化學(xué)分子束外延生長(zhǎng)(chemical beam epitaxy)、原子層外延生長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，在金剛石上制造碳化硅。利用外延生長(zhǎng)，首 先通過硅和含碳的氣相物的反應(yīng)在適當(dāng)取向的金剛石上生長(zhǎng)碳化硅， 所述硅和含碳?xì)庀辔锏姆磻?yīng)如文獻(xiàn)所述。然后在升高的溫度下將金剛 石表面暴露在含碳?xì)庀辔镏?，以進(jìn)行轉(zhuǎn)化。通過使硅滲入金剛石以及 使碳從金剛石滲出到碳化物層中，使金剛石表面層轉(zhuǎn)化為碳化硅。在另一些實(shí)施方案中，在金剛石上的碳化硅上制造氮化物。碳化 硅層可以如上所述地形成于金剛石上。如上所述地生長(zhǎng)一層氮化物層。在再一些實(shí)施方案中，在金剛石上制造其他半導(dǎo)體。如上所述， 可以在金剛石上生長(zhǎng)諸如硅、硅-鍺、砷化物、磷化物、銻化物、硫 化物、硒化物或碲之類的其他半導(dǎo)體層?？梢岳萌缟纤龅姆椒▽O薄的硅層固定在金剛石上，其中所 述硅為位于絕緣體上的硅的形式，其中所述硅一般為一 500nm或更薄 的薄膜，該薄膜固定到氧化硅薄層上，而所述氧化硅薄層又固定到硅 上。在通過光接觸和溫度循環(huán)將所述硅固定到金剛石上后，氧化硅薄 層和背面的硅層利用選擇性化學(xué)蝕刻除去。于是在硅薄層上形成所述 裝置。在又一個(gè)實(shí)施方案中，在硅內(nèi)蝕刻出窗口，以便于能在金剛石上 構(gòu)建裝置，以利用該金剛石獨(dú)特的性能以及提供全部集成的硅/金剛石 電路。利用這些方法可以將諸如GaN、 GaAs、 SiC、 Si/Ge和這些物質(zhì) 的合金之類的其他半導(dǎo)體固定到金剛石上。可以將一 系列半導(dǎo)體晶片 粘合到金剛石上，以在同一芯片上實(shí)現(xiàn)一系列功能。薄硅層也可以粘 合到薄金剛石層上，而厚硅層可以粘合到金剛石層的背面?？梢詫⒈?金剛石層沉積成納米結(jié)晶的金剛石形式。在再一些實(shí)施方案中，為了 在金剛石裝置的裝置加工(包括光刻法)過程中提供支撐和處理，可
以將大量金剛石晶片粘合到一個(gè)大的硅晶片上。 1.流程圖a.制造金剛石襯底的基本過程金剛石籽晶在嵌入期間的金剛石籽晶 "嵌入離子"具有嵌入層的金剛石籽晶具有嵌入層和生長(zhǎng)層的金剛石籽晶激光切割后的具有嵌入層和生長(zhǎng)層的金剛石籽晶分離之后的金剛石籽晶和生長(zhǎng)層所制得的用于半導(dǎo)體生長(zhǎng)的金剛石晶種 c.生長(zhǎng)半導(dǎo)體層的過程(不同于cBN)所制得的用于半導(dǎo)體生長(zhǎng)的金剛石籽晶其上生長(zhǎng)有半導(dǎo)體層的金剛石晶種d. cBN生長(zhǎng)金剛石襯底具有BCl3原子層的金剛石襯底具有BP層的金剛石襯底其中的Bp轉(zhuǎn)化為cBN的金剛石村底圖1-4圖解了一種根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，在金剛石襯底上 制造氮化鎵半導(dǎo)體裝置的方法。在金剛石襯底層101層上形成氮化鎵 (GaN)，該襯底層在多種實(shí)施方案中為單晶金剛石、多晶金剛石、納 米結(jié)晶金剛石、人造金剛石或天然金剛石。氮化鎵沉積在金剛石平面 的102層上。將金剛石晶種101磨出一平頂面，利用激光器或切削工具等切割 掉該晶種的邊緣，并進(jìn)行清理、蝕刻和磨光。在一些實(shí)施方案中，將 氫原子嵌入到所需深度。在多種實(shí)施例中以多種條件將所述氫原子嵌 入，但是在一個(gè)實(shí)施例中，將氫原子在相對(duì)于金剛石表面IO度的角度
下嵌入，其嵌入的劑量大約為每平方厘米一微安。使電子以大概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 到金剛石101中。在一個(gè)替換實(shí)施方案中，使更多或更少劑量的氳以 更大或更小的能量嵌入，例如更少劑量的氫以更大的能量嵌入以便在 磨光的表面生成相對(duì)深的可塑金剛石層。改變氫嵌入的參數(shù)將因此改 變氫嵌入層的深度和密度。當(dāng)所述氫嵌入層存在于金剛石層中時(shí)，它 在一些實(shí)施方案中用來形成具有晶格結(jié)構(gòu)的可塑金剛石(complant diamond )層，該可塑金剛石層更易于將其自身與生長(zhǎng)在金剛石上的諸 如氮化鎵之類的材料的晶格結(jié)構(gòu)方向?qū)R。如果在單晶金剛石的可塑層上形成氮化鎵，則氮化鎵的晶格結(jié)構(gòu) 能夠與可塑金剛石層的晶格結(jié)構(gòu)基本對(duì)齊，從而得到單晶或大晶的氮 化鎵。在將多晶或納米金剛石用作襯底材料的其他實(shí)施方案中，氮化 鎵將傾向于形成更小的晶體結(jié)構(gòu)，局部地和金剛石襯底的晶格結(jié)構(gòu)對(duì) 齊。在一些實(shí)施方案中，單晶金剛石由于其優(yōu)良的熱導(dǎo)率受到優(yōu)選， 另外還由于在單晶金剛石上生長(zhǎng)氮化鎵可得到最均勻的氮化鎵生長(zhǎng)。金剛石襯底上的生長(zhǎng)可以發(fā)生在金剛石的任何晶體取向上，例如 100晶面、110晶面或111晶面。在一個(gè)實(shí)施方案中，lll晶面由于其 所顯示的對(duì)稱性而受到優(yōu)選。盡管111金剛石晶面有時(shí)更難于制造， 但三個(gè)維度方向上的對(duì)稱性使其更容易和氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)對(duì)齊， 借此得到優(yōu)選的晶體結(jié)結(jié)構(gòu)。在圖2中，金剛石襯底201和第一層n型或n摻雜氮化鎵用作p 型氮化鎵層203生長(zhǎng)的基部(base )。在其他實(shí)施方案中將P型層和n 型層互換或以相反的順序生長(zhǎng)P型層和n型層，如圖5中的裝置所示。 可以將多種摻雜材料用作P型和n型材料，包括硼、磷和其他此類材 料。例如可以通過向氮化鎵摻入只有三個(gè)價(jià)電子的硼來制備p型氮化 鎵，從而使金剛石成為強(qiáng)p型半導(dǎo)體材料。在氮化鎵材料中含有硼的 位置處，由于缺乏電子從而導(dǎo)致形成可接受電子的"空穴"，制造出實(shí) 際上的可移動(dòng)正電荷。負(fù)電荷的硼原子固定在晶格中，這意味著硼原 子不能移動(dòng)，但硼原子對(duì)導(dǎo)電過程貢獻(xiàn)作為電子接收器的"空穴"。摻 雜具有價(jià)電子或空穴的其他材料，基于摻雜劑的價(jià)電子數(shù)目可生成n 型或p型材料。
在圖3中，圖2的結(jié)構(gòu)經(jīng)掩模和蝕刻形成303處的正摻雜氮化鎵 層小孤立區(qū)，而在304處形成一電接觸，提供外部電路到所形成的半 導(dǎo)體裝置的連接方式。類似地，在負(fù)摻雜氮化鎵層302上的305處形 成電接觸，也提供連接到所形成的半導(dǎo)體裝置的另一部分的外部電接 觸。金剛石襯底301目前用作散熱片，并且可以用作諸如集成電路之 類的一個(gè)或多個(gè)其他半導(dǎo)體裝置的襯底。圖4顯示了圖3中形成的裝置的分離，其中切割金剛石襯底401 側(cè)面和n型氮化鎵層402的側(cè)面以形成單個(gè)裝置，例如此處所示的二 極管，其為獨(dú)立組裝。在另一個(gè)實(shí)施方案中，將金剛石層401耦合到 諸如金屬散熱片或金剛石散熱片的另 一個(gè)熱導(dǎo)體上，其在一些實(shí)施方 案中成為所示半導(dǎo)體裝置組裝的一部分。如果所述金剛石是摻雜金剛石或是導(dǎo)電金剛石，該金剛石可以形 成半導(dǎo)體的一部分，如圖5所示。在圖5中，金剛石晶格摻入硼，使 得金剛石晶格為p型半導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，當(dāng)通過化學(xué)氣相沉積 形成金剛石時(shí)，硼生長(zhǎng)進(jìn)入金剛石中，硼或者通過其他過程被混合到 金剛石中，而其他實(shí)施例使用擴(kuò)散或離子嵌入技術(shù)將硼嵌入到金剛石 中，無論該金剛石是人造的或天然形成的。在一些實(shí)施方案中，其中嵌有硼或其他摻雜劑的金剛石區(qū)域?qū)⒂?于其金剛石晶體結(jié)構(gòu)中所放置的摻雜劑而比未摻雜的金剛石或其他氮 化鎵類材料具有稍大或稍小的晶格結(jié)構(gòu)。具有不同摻雜濃度的金剛石 之間的晶格失配或摻雜的和未摻雜的金剛石之間的，或諸如氮化鎵之 類的其他晶體結(jié)構(gòu)之間的晶格失配，在一些實(shí)施方案中可以通過嵌入 經(jīng)選擇的離子來加以控制，以此給出所需要的晶格結(jié)構(gòu)。例如摻有稍 許硼的金剛石區(qū)域相對(duì)于主要由碳-12制成的未摻硼金剛石具有稍微 膨脹的晶格結(jié)構(gòu)。將碳-13加入到摻硼金剛石中可收縮所述晶格結(jié)構(gòu)， 并且在一些實(shí)施方案中可用來消除金剛石層之間的晶格失配或用來控 制金剛石層之間的晶格失配或應(yīng)變。因此，圖5的摻硼金剛石結(jié)構(gòu)在一些實(shí)施方案中將利用碳-13或 其他摻雜劑來改變其晶格結(jié)構(gòu)，或利用單獨(dú)的氫嵌入或除氫嵌入外再 利用摻雜劑，以通過氫嵌入所提供的一定程度的可塑性來提供所需的 晶格結(jié)構(gòu)。
在502處所示的摻硼金剛石襯底501上形成一層p型氮化鎵。在 p型氮化鎵層的頂部503處形成一層n型氮化鎵，并且切割出幾乎和 圖4的裝置一樣的裝置。將金屬接觸504連接到n型氮化鎵，而在505 處將第二金屬接觸505耦合到p型導(dǎo)電金剛石。由此形成的二極管類 似于圖4的二極管，但依賴于金剛石進(jìn)行導(dǎo)電，金剛石作為所形成的 半導(dǎo)體裝置的一部分而非僅僅作為散熱片。因?yàn)閾脚鸾饎偸梢杂米鱬型半導(dǎo)體材料而其他摻雜劑可以用來 形成n型半導(dǎo)體材料，金剛石和單層氮化鎵可以形成基礎(chǔ)半導(dǎo)體裝置， 例如如圖6所示的二極管。摻硼p型金剛石顯示在601處，并且具有 一層如在602處所示的生長(zhǎng)在一表面上的n型摻雜的氮化鎵層。在603 處將導(dǎo)線固定到n型氮化鎵，并且在604處將電導(dǎo)線固定到p型金剛 石以形成二極管，該二極管既將金剛石層作為散熱片又將其作為形成 二極管半導(dǎo)體一部分的電導(dǎo)線來使用。在另一個(gè)實(shí)施方案中，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)如圖7所示地由插入在半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)中的具有適當(dāng)帶隙的材料形成。金剛石襯底701用作半導(dǎo)體裝置 的基部和散熱片，經(jīng)沉積n型摻雜氮化鎵層702形成。在氮化鎵層702 上通過諸如形成較重?fù)诫s的n型氮化鎵層之類的方式來形成異質(zhì)結(jié)層 703。在異質(zhì)結(jié)層上形成如704處所示的諸如p型氮化鎵之類的p型層， 并且將該p型層耦合到電接觸705。將第二電接觸706耦合到摻雜較 低的第一 n型氮化鎵層702以形成異質(zhì)結(jié)二極管。由于所形成的異質(zhì) 結(jié)結(jié)構(gòu)之故，所示二極管能夠在相對(duì)高的速率下運(yùn)行，以及歸功于金 剛石襯底701所提供的散熱片效用，所示二極管能夠在相對(duì)高的功率 下運(yùn)行。在替換實(shí)施方案中，n型和p型摻雜劑互換，形成其陽極和陰極 電連接與圖7所示相反的的二極管。在另一些實(shí)施方案中，諸如圖6 的二極管、圖7的異質(zhì)結(jié)，以及圖4和圖5的二極管之類的基礎(chǔ)裝置 中的摻雜劑可以互換，并且這些裝置可進(jìn)一步成為諸如雙極結(jié)晶體管 之類的更大的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一部分。在再一些實(shí)施方案中，利用類似 于此處所述的那些方法和結(jié)構(gòu)來形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，諸如氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、其合金及 其他此類材料的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)沉積在諸如p型金剛石之類的摻雜金剛石 上將生成優(yōu)良的p-n結(jié)，如對(duì)于p型金剛石，受主或空穴將從中擴(kuò)散 到氮化鎵或其他異質(zhì)結(jié)材料中，既提供了優(yōu)良的p-n結(jié)又提供了具有 散熱優(yōu)勢(shì)的結(jié)，該散熱優(yōu)勢(shì)源于作為半導(dǎo)體二極管一部分的或與半導(dǎo) 體結(jié)緊密接觸的金剛石散熱片。在又一些實(shí)施方案中，利用諸如砷化鎵、鋁砷化鎵、磷化銦、氮 化銦、氮化硼或其他這類材料來替換此處所示裝置中的一個(gè)或多個(gè)半 導(dǎo)體裝置層，以形成諸如二極管，晶體管、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體裝置、發(fā)光 二極管、電子發(fā)射器等氮化硼半導(dǎo)體裝置或其他半導(dǎo)體裝置。在一些實(shí)施方案中，通過化學(xué)氣相沉積、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積、 分子束外延生長(zhǎng)或僅通過光學(xué)耦合在金剛石上"生長(zhǎng)"形成半導(dǎo)體裝 置。此處光學(xué)耦合定義為在有待耦合的兩種材料的面上制造一光學(xué)平 坦的表面，將它們彼此接觸放置得到兩種材料的結(jié)合。在另一些實(shí)施 方案中，對(duì)所述光學(xué)耦合材料進(jìn)行加熱或退火可排出所截留的空氣或 氣體，并且使耦合材料的晶格結(jié)構(gòu)更為均勻。該光學(xué)接觸增強(qiáng)了金剛石將熱從所述耦合材料傳導(dǎo)離開的能力， 使得如此耦合到金剛石上的半導(dǎo)體裝置可以以比其他可能方式更大的 能量下進(jìn)行操作。因此，比較理想的是，在一些實(shí)施方案中使金剛石 形成為具有特別高的熱導(dǎo)率。例如，具有純度高于平均值的碳-12和 濃度相應(yīng)減少的碳-13同位素的金剛石已知為同位素加強(qiáng)的，并且具 有特別強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性。這使得它們非常適合應(yīng)用于，例如半導(dǎo)體裝置 的加工上，促使獲取比其他方式下更大的功率和更高的密度。金剛石 CVD前驅(qū)體氣體用碳-12進(jìn)行同位素增強(qiáng)可以得到其中含有濃度顯著 少于一般值1. 1%的碳-13的金剛石，以此得到3300W/mK的高熱導(dǎo)率。其他制造具有高熱導(dǎo)率的人造金剛石的方法的實(shí)例包括在低氮 環(huán)境中生長(zhǎng)金剛石、在富氫環(huán)境中生長(zhǎng)人造金剛石、以及摻入硼，以 此來增加熱導(dǎo)率。所用的金剛石在一些實(shí)施方案中將具有大于至少 2500W/mK、 2700W/mK或3200W/mK的熱導(dǎo)率，并且在碳-12的同位素 增強(qiáng)下，金剛石本體中相應(yīng)碳-13的濃度小于1%、 .1%或.01%。在 另一個(gè)實(shí)施方案中，金剛石內(nèi)氮的濃度小于50ppm、 10ppm或5ppm, 從而得到熱傳導(dǎo)性比一般天然金剛石顯著要強(qiáng)的金剛石結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，通過這種方法制造的金剛石半導(dǎo)體裝置將提
供比現(xiàn)有技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的明顯要高的能量密度，以及給出明顯要高的 單位面積或體積的光輸出。制造光的金剛石半導(dǎo)體的物理尺寸的減少 也使制造所需輸出所要求的裝置數(shù)目減少，以此減少了連線以及減少 了將金剛石半導(dǎo)體實(shí)施用于制造光時(shí)的復(fù)雜性。應(yīng)該預(yù)見的是此處所 提出的金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)光應(yīng)用和其他應(yīng)用將能制造出比目前所 能制造的更為小、更為亮、更為有效的照明設(shè)備，從而使得這種技術(shù) 對(duì)于廣泛的工業(yè)和用戶使用來說很重要。應(yīng)該預(yù)見的是，此處所述的方法和設(shè)備將不僅僅應(yīng)用于此處所示 和所述的具體的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，而且還應(yīng)用于其他半導(dǎo)體、集成電路和 電子裝置。雖然此處已經(jīng)圖解和描述了具體的實(shí)施方案，本領(lǐng)域中的 普通技術(shù)人員應(yīng)該理解多種預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)相同目的配置可以取代所示的具 體實(shí)施方案。本申請(qǐng)意欲覆蓋本發(fā)明的任何改編或變體。本發(fā)明應(yīng)僅 僅由權(quán)利要求以及與權(quán)利要求等同的整個(gè)范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括將H2嵌入到金剛石襯底中以提供一個(gè)頂部可塑層；以及在嵌有H2的金剛石襯底上生長(zhǎng)一層GaN。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，使用高功率RF沉積生長(zhǎng) 所述GaN。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，使用微波沉積生長(zhǎng)所述GaN。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，H2的濃度在每立方厘米 大概8 x IO"至IO"個(gè)原子之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，112以50KeV到1MeV的能 量嵌入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述金剛石是單晶金剛石。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，所述金剛石可塑層具有 111晶體取向。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在所生長(zhǎng)的GaN層上生長(zhǎng)一層 金剛石。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括將氫嵌入到所生長(zhǎng)的金剛石層中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，還包括在所生長(zhǎng)的嵌有氳的金剛石層 上生長(zhǎng)第二層GaN。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所生長(zhǎng)的第二層GaN 是n型摻雜或p型摻雜。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所生長(zhǎng)的GaN層是n 型摻雜或p型摻雜。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述GaN層通過CVD 形成，用到HC1與Ga的反應(yīng)，并且進(jìn)一步與砷化氫、磷化氫或氨中的 至少一種發(fā)生反應(yīng)以形成GaN層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述GaN層通過金屬 有機(jī)CVD方法形成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所述GaN層在包括射 頻能量、光學(xué)能量或其他能量源的一種熱源存在下，由與一種氫化物 混合的三甲基鎵、二甲基鎵或其他有機(jī)鎵中的至少一種形成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述GaN層經(jīng)過液相 外延生長(zhǎng)形成，其中籽晶放置在隨后冷卻的GaN溶液中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述GaN層通過分子 束外延生長(zhǎng)形成，其中金屬在相對(duì)的真空下氣化并且沉積形成GaN層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，所述真空里還包括磷 化氫、氨、磷或氮中的至少一種。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中GaN層還通過增強(qiáng)與微波等離 子體的反應(yīng)而形成。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，利用所述方法形成半 導(dǎo)體。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體是發(fā)光二 極管。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體是電子發(fā) 射器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述金剛石是半導(dǎo)體 元件。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述金剛石是用于半 導(dǎo)體裝置的散熱片襯底。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述金剛石包括單晶、 多晶、納米晶或其他類型的金剛石。
26. —種金剛石半導(dǎo)體裝置，包括一個(gè)金剛石襯底，該襯底嵌有氳，以形成一個(gè)頂部可塑層；以及 一層生長(zhǎng)在嵌有H2的金剛石襯底上的GaN。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，使用高 功率RF沉積生長(zhǎng)所述GaN。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，使用微 波沉積生長(zhǎng)所述GaN。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，H2的濃 度在每立方厘米大概8 x IO"至IO"個(gè)原子之間。
30. 根據(jù)權(quán)利要求26的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，H2以 50KeV到1MeV的能量嵌入。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述金 剛石是單晶金剛石。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述金 剛石可塑層具有111晶體取向。
33. 根據(jù)權(quán)利要求26的金剛石半導(dǎo)體裝置，還包括在所生長(zhǎng)的 GaN層上生長(zhǎng)的第二層金剛石。
34. 根據(jù)權(quán)利要求27的金剛石半導(dǎo)體裝置，還包括將氫嵌入到第 二層金剛石中。
35. 根據(jù)權(quán)利要求28的金剛石半導(dǎo)體裝置，還包括在所生長(zhǎng)的嵌 有氫的金剛石層上生長(zhǎng)第二層GaN。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所生長(zhǎng) 的第二層GaN是n型摻雜或p型摻雜。
37. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所生長(zhǎng) 的GaN層是n型摻雜或p型摻雜。
38. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述 GaN層通過CVD形成，用到HCl與Ga的反應(yīng)，并且進(jìn)一步與砷化氬、 磷化氫或氨中的至少一種反應(yīng)以形成GaN層。
39. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述 GaN層通過有機(jī)金屬CVD過程而形成。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述 GaN層在包括射頻能量、光學(xué)能量或其他能量源的一種熱源存在下， 由與一種氫化物混合的三甲基鎵、二曱基鎵或其他有機(jī)鎵中的至少一 種形成。
41. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述 GaN層經(jīng)過液相外延生長(zhǎng)形成，其中籽晶放置在隨后冷卻的GaN溶液 中。
42. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述 GaN層通過分子束外延生長(zhǎng)形成，其中金屬在相對(duì)的真空下氣化并且 沉積形成GaN層。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述真 空里還包括磷化氫、氨、磷或氮中的至少一種。
44. 根據(jù)權(quán)利要求42的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述 GaN層還借助微波等離子體(microwave plasma)增強(qiáng)反應(yīng)形成。
45. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，利用所 述方法形成半導(dǎo)體。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半 導(dǎo)體是發(fā)光二極管。
47. 根據(jù)權(quán)利要求45的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半 導(dǎo)體是電子發(fā)射器。
48. 根據(jù)權(quán)利要求45的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述金 剛石是半導(dǎo)體元件。
49. 根據(jù)權(quán)利要求45的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述金 剛石是用于半導(dǎo)體裝置的散熱片襯底。
50. 根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述金 剛石包括單晶、多晶、納米晶或其他類型的金剛石。
51. —種方法，包括將H2嵌入到金剛石村底中以提供一個(gè)頂部可塑層； 在嵌有H2的金剛石村底上生長(zhǎng)一層p型或n型摻雜的GaN; 在p型或n型摻雜的GaN上生長(zhǎng)一層金剛石； 將H2嵌入到所生長(zhǎng)的金剛石層中；以及在所生長(zhǎng)的嵌有氫的金剛石層上生長(zhǎng)一層n型或p型摻雜的GaN。
52. —種金剛石半導(dǎo)體裝置，包括一個(gè)金剛石村底，該襯底嵌有氫，以形成一個(gè)頂部可塑層； 一層生長(zhǎng)在所述的嵌有H2的金剛石襯底上的p型或n型摻雜的GaN;一層生長(zhǎng)在所述的p型或n型摻雜的GaN層上的第二層金剛石； 所述第二層金剛石嵌有氫；以及一層生長(zhǎng)在第二層金剛石上的n型或p型摻雜的GaN。
全文摘要
在金剛石襯底上形成氮化鎵裝置，該裝置例如用于發(fā)光二極管，以替代白熾燈泡和熒光燈泡。在一個(gè)實(shí)施方案中，以至少兩種方法在金剛石上形成氮化鎵二極管(或其他裝置)。第一種方法包括在金剛石上生長(zhǎng)氮化鎵以及在該氮化鎵層上構(gòu)建所述裝置。第二種方法包含將氮化鎵(裝置或薄膜)粘合到金剛石上，以及將所述裝置構(gòu)建到所粘合的氮化鎵上。這些裝置可以提供比白熾燈或熒光燈明顯要高的效率，并且可以提供比其他技術(shù)顯著要高的光密度或能量密度。利用類似的方法和結(jié)構(gòu)可得到其他氮化鎵半導(dǎo)體裝置。
文檔編號(hào)C30B29/04GK101155949SQ200680008040
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者R·C·里納雷斯 申請(qǐng)人:阿波羅鉆石公司