發光器件用襯底的制作方法

專利名稱：發光器件用襯底的制作方法
技術領域：
本發明涉及發光器件用襯底，更具體地，本發明涉及能夠提高發光器件設計自由度的發光器件用襯底。
背景技術：
通常將氮化物半導體用于形成用于制造發光器件如LED的發光器件用襯底。與常規半導體如硅相比，氮化物半導體具有寬的帶隙，且通過改變用于III族元素的鎵、銦或鋁的濃度，能夠改變所述帶隙的寬度。因此，以剛才所述的方式對帶隙寬度進行調節，可在跨過幾乎整個可見光光譜的寬范圍內對利用這種氮化物半導體制造的發光器件所發射的光的波長進行設計。鑒于上述原因，將氮化物半導體廣泛用作發光器件用襯底。為了在將例如氮化鎵用作氮化物半導體的情況中制造發光器件，優選地，在由氮化鎵制成的大塊襯底的一個主表面上形成氮化鎵外延層。(應注意，本文中的“主表面，，是指在表面中具有最大表面積的主要側面。)然而，由于其成本格外高，難以獲得氮化鎵類化合物半導體的大塊襯底。也就是說，難以將材料直接用作發光器件用襯底。另一方面，試圖在成本比氮化鎵類化合物半導體的大塊襯底低的襯底如單晶硅的一個主表面上直接形成氮化鎵多層結構，這導致如下可能性因為包括硅與氮化鎵之間的熱膨脹系數之差和晶格失配的原因，單晶硅襯底中的熱應力會增大，從而使得硅襯底、多層結構等發生彎曲(bowing)。另外可能的是，會發生諸如氮化鎵多層結構從硅襯底剝離、形成在所述氮化鎵多層結構上的發光器件的電特性發生劣化、或者氮化鎵多層結構中的位錯密度增加的麻煩。在這個背景下，例如下面引用的專利文獻1公開了一種襯底制造方法，現在對其進行說明。首先，通過氮化鎵襯底的一個主表面將離子注入所述襯底中，從而在相對接近所述主表面的襯底內部形成取向與所述主表面平行的離子注入層。然后，將通過其實施離子注入的主表面與例如單晶硅襯底的主表面疊加，隨后進行熱處理。以這種方式，將沿氮化鎵襯底，通過其實施離子注入的主表面與疊加的單晶襯底的主表面接合，同時在離子注入層中形成脆性區域。通過向所述脆性區域施加能量，能夠將所述氮化鎵襯底分離，從而在單晶硅襯底上形成接合至所述襯底的氮化鎵膜。因為在脆性區域剝離的氮化鎵膜非常薄，所以可以將已經與單晶硅襯底分離的氮化鎵襯底使用多次以實施剛才所述的操作。引用列表專利文獻專利文獻1 日本特開2006-210660號公報

發明內容
技術問題然而，專利文獻1中所公開的在品質不同的物質的底部襯底上疊加氮化鎵襯底并將兩者接合在一起的方法，并不意味著在使用所述襯底制造發光器件時，可利用任意物質的底部襯底。即，如果制造例如上述氮化鎵類化合物半導體的發光器件用襯底，則與氮化鎵襯底疊加并接合在一起的底部襯底的物質必須根據為了使用所述發光器件用襯底的目的來選擇。例如，在專利文獻1中公開的情況中，由于在氮化鎵膜上形成外延層時因為熱處理和相關處理而導致硅與氮化鎵反應，所以在與氮化鎵膜接合的主表面的一部分中在作為發光器件用襯底的硅襯底中會產生凹狀缺陷(凹陷)，其中在所述專利文獻1中對將氮化鎵襯底疊加在硅襯底的一個主表面上并將兩者接合在一起。在已經產生缺陷的區域中，硅襯底和氮化鎵膜變得未接合。因此，會發生如下情況，由于產生缺陷，所以硅襯底與氮化鎵膜接合的表面積變小，因此所述兩者接合在一起的強度下降。此外，關于發光器件，經常要求，優選的構型為能夠將發射的光沿與多層襯底和底部襯底的主表面交叉的方向傳播并將其從底部襯底的主表面側傳遞到外部的一種構型。然而，在專利文獻1中所公開的情況中，利用其中底部襯底由硅形成的發光器件用襯底，硅單晶在大多數情況下不能傳播發光器件所發射的可見光。因此，在專利文獻1中所公開的發光器件用襯底的構型的情況下，從器件的底部襯底側取出光有困難，從而使得必須添加包括將底部襯底剝離的單獨操作。考慮到上述各個問題而產生了本發明，本發明的目的是可獲得缺陷最少的發光器件用襯底，所述發光器件用襯底使得發射的光能夠從器件的襯底側射出。解決問題的手段涉及本發明的發光器件用襯底是這樣的發光器件用襯底，其具有對波長為 400nm 600nm的光透明的透明襯底和通過接合而形成在所述透明襯底的一個主表面上的氮化物類化合物半導體薄膜。設所述透明襯底在與所述透明襯底的主表面垂直的方向上的熱膨脹系數為CI1，且設所述氮化物類化合物半導體薄膜的熱膨脹系數為CI2，則(CI1-CI2)/ α 2為-0. 5 1. 0，且在1200°C以下的溫度下，所述透明襯底不會與所述氮化物類化合物半導體薄膜反應。形成在具有氮化物類化合物半導體薄膜的發光器件用襯底上的發光器件能夠發射在上述波長范圍內的光。利用相對于所發射的光透明(即在高比率下傳播光)的透明襯底作為底部襯底，使得形成在發光器件用襯底上的光光器件所發射的光可通過底部襯底并從底部襯底背側(在底部襯底的與沿其將底部襯底與氮化物類化合物半導體薄膜接合在一起的主表面相反側上的主表面)上的發光表面射出。并且，在透明襯底在與主表面垂直的方向上的熱膨脹系數在上述范圍內的條件下，熱膨脹系數與例如沿纖鋅礦結構氮化鎵的a軸方向的熱膨脹系數Cia = 5. 59 X ΙΟ"6 (1/ K)之差變小。因此，當將透明襯底與氮化物類化合物半導體大塊襯底疊加在一起時，能夠降低諸如因熱膨脹系數之差引起的熱應力所造成的襯底彎曲的問題的可能性。由于通過接合將上述透明襯底與氮化物類化合物半導體大塊襯底疊加在一起，所以與例如通過外延生長在透明襯底上形成氮化物類化合物半導體的情況相比，可以降低發產生由于透明襯底與氮化物類化合物半導體之間的晶格失配而造成的困難的可能性。而且，所述透明襯底具有如下性能在通過上述接合對襯底進行疊加時實施加熱處理的溫度 (1200°C以下)下，其不會與氮化物類化合物半導體薄膜發生反應。因此，在諸如正在將透明襯底與氮化物類化合物半導體大塊襯底進行接合以及正在已經在透明襯底上制造的氮化物類化合物半導體薄膜上形成外延膜的情況中，氮化物類化合物半導體大塊襯底(或氮化物類化合物半導體薄膜)與透明襯底主表面的一部分發生反應并在所述透明襯底上形成凹部的可能性最小。因此，能夠有利地保持將透明襯底與氮化物類化合物半導體薄膜接合的粘著性，從而可獲得高品質襯底。在本發明的發光器件用襯底中，所述透明襯底的絕對折射率優選為所述氮化物類化合物半導體薄膜的絕對折射率的60% 140%。由此，使透明襯底的絕對折射率與氮化物類化合物半導體薄膜的絕對折射率之差更小，這能夠降低光發生損失的可能性，所述光是由氮化物類化合物半導體薄膜的主表面上形成的發光器件發射的，且所述損失是由所述透明襯底與所述氮化物類化合物半導體薄膜之間的接合界面中的反射造成的。因此，發光器件發射的光能夠在高比率下向透明襯底傳遞并通過所述透明襯底背側上的主表面而射出。為了使其顯示上述性能，所述透明襯底優選是選自尖晶石、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁、藍寶石和氮化鋁中的至少一種材料。盡管所述透明襯底可以是單晶或多晶，但是更優選成本較低的多晶。在本發明的發光器件用襯底中，所述透明襯底的主表面的表面粗糙度Rmax優選不大于2nm。特別地，在所述透明襯底的主表面的表面粗糙度Rmax在剛才給出的范圍內的條件下，能夠提高所述透明襯底與所述氮化物類化合物半導體薄膜之間的接合強度，其中在所述主表面處所述透明襯底與所述氮化物類化合物半導體薄膜接合在一起。另外，能夠抑制發光器件發射的光在氮化物類化合物半導體薄膜與透明襯底之間的界面中發生散射，從而使得所述光可在更高比率下向透明襯底側傳播。同樣地，當對透明襯底與氮化物類化合物半導體薄膜進行接合時，進行接合的兩個主表面的表面粗糙度Rmax水平越小，獲得的接合強度越高。關于本發明的發光器件用襯底，優選地，在透明襯底與氮化物類化合物半導體薄膜之間包含透明薄膜，所述透明薄膜的絕對折射率是所述氮化物類化合物半導體薄膜的絕對折射率的60% 140%，且所述透明薄膜對波長為400nm 600nm的光是透明的。插入剛才所述的透明薄膜能夠提高透明襯底與氮化物類化合物半導體薄膜之間的接合強度，并能夠進一步降低在透明襯底與透明薄膜之間的界面處、以及在透明薄膜與氮化物類化合物半導體薄膜之間的界面處的表面的表面粗糙度(提高平坦性)。上述透明薄膜優選是選自尖晶石、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁和氮化鋁中的至少一種材料。特別地，與透明襯底的材料相同的用于透明薄膜的材料使得能夠進一步提高作為發光器件用襯底的品質。發明效果本發明使得可提供高品質的發光器件用襯底，其中缺陷發生率最低，且所述襯底使得所發射的光能夠從器件的襯底側射出。


圖1是表示本發明實施方式1中發光器件用襯底的配置的簡化截面圖。圖2是氮化物類化合物半導體大塊襯底的簡化截面圖。圖3是表示在氮化物類化合物半導體大塊襯底的內部上實施離子注入的配置的簡化截面圖。圖4是表示已經將氮化物類化合物半導體大塊襯底的主表面與透明襯底的一個主表面疊加的配置的簡化截面圖。圖5是表示氮化物類化合物半導體大塊襯底已經產生破裂的配置的簡化截面圖。圖6是表示本發明實施方式2中發光器件用襯底的配置的簡化截面圖。圖7是表示本發明實施例中多層結構的配置的簡化截面圖。圖8是表示本發明實施例中發光器件的配置的簡化截面圖。
具體實施例方式下面，參考附圖，對本發明的各種實施方式進行說明。應理解，關于各種實施方式， 利用相同的參考符號標記實現相同功能的要素，且除非特別必要，否則不再重復其說明。實施方式1圖1中表示的發光器件用襯底100具有作為底部襯底的透明襯底10以及形成在所述透明襯底10的一個主表面上的氮化物類化合物半導體薄膜lc，所述透明襯底10對波長為400nm 600nm的光是透明的。為了制造發光器件，形成不與透明襯底10相對的氮化物類化合物半導體薄膜Ic 的一個主表面(在圖1中，上側的主表面)、氮化鎵(GaN)、鋁鎵氮化物(AWaN)等外延薄層的多層結構。在調節熱膨脹系數與晶格常數之差方面，能夠在氮化物類化合物半導體薄膜 Ic的主表面上容易地形成由這些物質構成的外延薄層多層結構。因此，在發光器件用襯底 100上，優選具有由例如氮化鎵(GaN)構成的氮化物類化合物半導體薄膜lc。氮化鎵是用作藍色發光二極管(藍色LED)的構成物質的半導體材料。使用氮化物半導體的發光器件通常能夠發射幾乎整個可見光波長范圍的光束；尤其是，氮化鎵主要能夠發射在400nm 600nm波長范圍內的從藍色到綠色的可見光。因此，為了使得已形成在發光器件用襯底100中氮化物類化合物半導體薄膜Ic的主表面上的發光器件發射400nm 600nm波長的光，例如優選將對這種波長范圍的光透明的材料用作透明襯底10。應理解，本文中“透明”是指襯底相對于400nm 600nm波長波譜的消光系數為0. 01以下。由此，使得器件用襯底，在發光器件發射的光進行到器件用襯底的透明襯底10側時，可使得所述光通過所述透明襯底10的內部并將所述光從所述透明襯底10背側上的主表面(在圖1中下側上的主表面)射出。常規的發光器件用襯底通常為這樣規格的襯底， 根據所述規格可從形成器件的側上發射光。然而，現在對如下發光器件用襯底的需求仍在增加，所述發光器件用襯底使得光能夠不從形成器件的側上射出，而是從支持襯底的背側射出。為此，通過利用透明襯底10作為支持襯底，本實施方式的發光器件用襯底100使得發光器件發射的從藍色到綠色的可見光能夠在高比率下從透明襯底10背側上的主表面射出。因此，能夠提高發光器件用襯底100和形成在所述襯底上的發光器件的設計自由度。如前所述，發光器件用襯底100中的透明襯底10是一種對在400nm 600nm波長范圍內的從藍色到綠色的可見光透明的材料，同時優選的是，設所述透明襯底10在與所述透明襯底10的主表面垂直的方向上(圖1中的上下方向)的熱膨脹系數為CI1，且設所述氮化物類化合物半導體薄膜Ic的熱膨脹系數為Ci2，則(αι-α2)/α2*-0.5 1.0。“與透明襯底10的主表面垂直的方向”是沿其對氮化物類化合物半導體薄膜Ic與透明襯底10進行接合(層壓)的方向。因此，在與透明襯底10的主表面垂直的方向上，通過使透明襯底10的熱膨脹系數接近形成在所述透明襯底10的主表面上的氮化物類化合物半導體薄膜 Ic的熱膨脹系數，在通過如后所述的加熱處理對透明襯底10的一個主表面和氮化物類化合物半導體薄膜Ic的一個主表面進行接合時，能夠避免發生因熱膨脹系數之差引起的大熱應力和晶格失配而在發光器件用襯底100中造成的彎曲、應力、破裂等麻煩。在通過加熱處理對透明襯底10的一個主表面與氮化物類化合物半導體薄膜Ic的一個主表面實施上述接合期間、或在所述氮化物類化合物半導體薄膜Ic與所述透明襯底 10的主表面接觸的界面處在氮化物類化合物半導體薄膜Ic上形成外延層時，優選使由于透明襯底10的主表面的一部分與氮化物類化合物半導體薄膜Ic的相對主表面發生化學反應并在其中產生熱應力而形成物理缺陷的現象的發生最小化。為此，所述透明襯底10優選由在氮化物類化合物半導體薄膜Ic上形成外延層時實施加熱處理的溫度(最高達1200°C 的溫度)下不與氮化物類化合物半導體薄膜Ic反應的物質構成。此處所述的“不與氮化物類化合物半導體薄膜Ic反應”是指，當對透明襯底10的主表面與氮化物類化合物半導體薄膜Ic的主表面進行疊加并加熱時，在所述兩者之間既不會形成變質層，也不會形成化合物，或者即使形成變質層或化合物，其厚度也不大于ι μ m或形成變質層或化合物的區域為不大于所疊加主表面表面積的10%的區域。如前所述，透明襯底10的絕對折射率優選為氮化物類化合物半導體薄膜Ic的絕對折射率的60% 140%。透明襯底10的絕對折射率與氮化物類化合物半導體薄膜Ic的絕對折射率之差相當大導致如下情況，其中，即將例如從氮化物類化合物半導體薄膜Ic向透明襯底10前進的源自發光器件的發射光，根據光的入射角而變得易于沿所述兩者的界面發生發射，在所述界面處對所述氮化物類半導體薄膜Ic與透明襯底10完成了接合。由于這種反射，阻礙了即將從氮化物類化合物半導體薄膜Ic向透明襯底10前進的源自發光器件的發射光向透明襯底10前進，從而使得發射光的強度下降。因此，存在如下可能性從透明襯底10的背側上的主表面傳輸至發光器件用襯底100外部的光的強度變弱。為了抑制上述現象，優選使氮化物類化合物半導體薄膜Ic與透明襯底10之間的絕對折射率之差小。這樣做使得可使因沿接合兩種襯底的界面的光反射而造成的損失最小化，并使得發光器件所發射的光能夠從透明襯底10的背側上的主表面無阻礙的輸出。作為具有上述操作效果的透明襯底10的材料，優選利用選自尖晶石、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁、藍寶石和氮化鋁中的至少一種物質。如上所述，這些物質的透明襯底10對藍色二極管所發射的400nm 600nm波長的光是透明的；其熱膨脹系數是接近纖鋅礦氮化鎵的熱膨脹系數的值；且其絕對折射率值落在氮化鎵的絕對折射率值的60% 140%的范圍內。此外，關于上述物質的透明襯底10，在將其與氮化鎵的主表面進行疊加的狀態中，例如在形成氮化物類化合物半導體薄膜Ic的情況中，盡管在最高達1200°C的溫度下實施加熱處理，但是所述襯底與氮化鎵發生反應并形成凹狀缺陷(凹陷)的可能性很微小，由此， 能夠顯示作為高品質發光器件用襯底100的性能。然后，對制造發光器件用襯底100的方法進行說明。首先，如圖2中所示，準備了由例如氮化鎵構成的氮化物類化合物半導體大塊襯底1，在所述氮化鎵的一側和另一側上的兩個主表面都已經進行了研磨。所述氮化物類化合物半導體大塊襯底1由例如纖鋅礦氮化鎵單晶構成，且所述主表面為例如其中具有兩英寸直徑的圓晶片具有“ori-fla”(取向平坦)的構型。優選地，以使得一個主表面(在圖2中在上側上的主表面)為(0001)氮面且與所述一個主表面相對的另一個主表面(在圖2中在下側上的主表面)為(0001)鎵面的方式布置所述大塊襯底。或者，在其上實施后述離子注入的氮化物類化合物半導體大塊襯底1的一個主表面的取向可以為對于(0001)面傾斜士8°以內。此處，構成氮化物類化合物半導體大塊襯底1的單晶優選具有1 Ω -cm以下的電阻率和lE17cnT3以上的載流子濃度，并具有不大于109cm_2、更優選不大于IO7CnT2的內部包含的位錯密度。然后，在準備的氮化物類化合物半導體大塊襯底1上實施離子注入。本文中，所述工藝是為了在氮化物類化合物半導體大塊襯底1的內部中制造脆性區域而提供能量所實施的操作。在圖3中，向下指的箭頭是指示實施離子注入的配置的箭頭。通過如圖3中所示在氮化物類化合物半導體大塊襯底1的一側上的主表面la，例如利用氫離子實施離子注入。盡管將氫離子加速的加速電壓設定為例如90keV并將進行離子注入的劑量設定為例如 7E17cnT2，但是應理解，在偏離剛才所述值的條件下可實施類似的離子注入工藝。本文中優選的是，實施離子注入的主表面Ia為(0001)氮面。現在，在這種離子注入中，通過氮化物類化合物半導體大塊襯底1的一個主表面將選自例如氫、氦、氮、氧、氖和氬中的至少一種物質注入到所述氮化物類化合物半導體大塊襯底1的內部。然而，用于離子注入中的物質不限于剛才所述的物質；可注入能夠進行離子化的任意給定原子。然而，更期望利用具有低原子數的更輕的原子元素如氫，因為其能夠使注入深度更深。盡管可以注入一種原子元素 (物質)，但是也可以注入多個兩種以上的原子元素(物質)。實施給定的離子注入，將注入的離子在與主表面Ia交叉的方向上在距氮化物類化合物半導體大塊襯底1的主表面Ia均勻深度的區域中展開，同時所述區域形成離子注入區域lb。然后，將氮化物類化合物半導體大塊襯底1的主表面Ia與透明襯底10的一個主表面進行疊加。在圖4中，準備具有均勻厚度并滿足上述條件的透明襯底10，并將氮化物類化合物半導體大塊襯底1疊加在透明襯底10的一個主表面上(在圖4中在上側上的主表面)，設置所述兩者以使其緊密接觸。即，在圖4中，將氮化物類化合物半導體大塊襯底1 從圖3中所示的狀態上下翻轉，同時對實施離子注入的主表面Ia進行設置而使其與透明襯底10的主表面疊加。盡管保持圖4中所示的狀態，但是例如在熱處理爐中實施加熱以進行加熱處理， 由此將氮化物類化合物半導體大塊襯底1的主表面Ia與透明襯底10的主表面進行接合。 至于在這種操作期間的加熱條件，例如在300°C下實施2小時，使得可進一步加強氮化物類化合物半導體大塊襯底1與透明襯底10之間的接合強度。這些條件還使得可將氮化物類化合物半導體大塊襯底1沿離子注入區域Ib剝離，所述離子注入區域Ib為通過離子注入形成的脆性區域。此處，為了防止氮化物類化合物半導體大塊襯底1和透明襯底10因加熱而造成彎曲等變形，優選在本處理中具有不大于1200°C的加熱溫度。應注意，可將任意的其他方法用作對主表面Ia和透明襯底10進行接合的方法。本文中，關于接合在一起的主表面Ia和透明襯底10的主表面，為了提高所述兩者的接合強度，優選預先實施降低所述主表面的表面粗糙度Rmax的表面處理。具體地，優選在主表面Ia和透明襯底10的主表面上實施表面處理，使得粗糙度水平(最大高度Rmax)為2nm 以下。關于本文中的表面處理，優選使用例如諸如濕法腐蝕、機械表面研磨、化學機械平坦化(CMP)或其他化學-機械研磨技術的方法。以這種方式，使得對氮化物類化合物半導體大塊襯底1與透明襯底10進行接合的主表面的表面粗糙度降至最小，可提高所述兩者的接合強度，同時，使諸如從氮化鎵側10發射的光沿氮化物類化合物半導體大塊襯底1與透明襯底之間的界面發生散射的現象最小化。因此，所述光能夠平穩地向透明襯底10側傳播并傳遞。作為如圖4中所示的對氮化物類化合物半導體大塊襯底1與透明襯底10進行接合的方法，可以利用如下技術如上所述，使接合面的表面粗糙度Rmax降至最小，并在已經使表面成為鏡面的狀態中，實施加熱處理并同時在所述兩種襯底之間施加負載。作為替代， 可以利用如下技術將上述氮化物類化合物半導體大塊襯底1和透明襯底10暴露在例如等離子體氣氛中并以剛才所述方法對其進行接合。或者，還可利用通過在真空氣氛中使用等離子體粒子、離子粒子和中性粒子對接合表面進行轟擊而將其接合的技術、或通過在其間插入玻璃等物質并向接合界面施加電場以將其接合的技術。如前所述，在進行接合之前進行離子注入期間，通過離子注入在離子注入區域Ib 的內部中形成充當引起破裂的基礎的脆性區域。其中，當沿氮化物類化合物半導體大塊襯底1與透明襯底10之間的接合利用加熱處理時，在離子注入區域Ib的內部的脆性區域中形成大量懸空鍵。因此，對含離子注入區域Ib和透明襯底10的氮化鎵大塊區域實施加熱處理，使得在離子注入區域Ib中因熱能而發生破裂，從而將離子注入區域Ib轉變成斷裂層。 因此，在以圖4中表示的配置狀態實施疊加的情況下進行加熱，導致注入區域Ib斷裂。結果，氮化物類化合物半導體大塊襯底1沿離子注入區域Ib分裂成兩個區域，從而留下僅夾在主表面Ia與離子注入區域Ib之間的區域與透明襯底10接合的狀態。這是氮化物類化合物半導體大塊襯底1沿其脆性區域的剝離。應理解，在實施將離子注入區域Ib與氮化物類混合半導體大塊襯底1分離的處理中，優選以剛才所述的方式向離子注入區域Ib提供熱能。然而，通過提供機械能或其他外力、或光能來代替熱能、或通過噴射高壓氣體或液體可實施所述分離處理。如上所述，利用氮化物類化合物半導體大塊襯底1，在加熱處理期間沿離子注入區域Ib發生破裂的事實，造成僅夾在主表面Ia與離子注入區域Ib之間的氮化物類化合物半導體薄膜Ic接合至透明襯底10的主表面的狀態。本文中，氮化物類化合物半導體薄膜Ic 的厚度(沿圖5中的垂直軸、與主表面交叉的厚度)基本上等于離子注入到氮化物類化合物半導體大塊襯底1中的離子注入區域Ib形成的深度。盡管離子注入區域Ib形成的深度取決于所注入離子的類型和在離子注入中離子的加速能，但是因為其距氮化物類化合物半導體大塊襯底1的主表面Ia的深度為30 μ m以下，所以形成在透明襯底10的主表面上的氮化物類化合物半導體薄膜Ic的厚度也在30 μ m以下的單位內。以這種方式，制造了圖1 中所表示的發光器件用襯底100。如果例如使用硅襯底代替透明襯底10，則在與氮化鎵薄膜接合的硅襯底的主表面上產生凹部(凹陷)形式的缺陷的可能性高。相反，在發光器件用襯底100中，產生凹部 (凹陷)形式的這種缺陷的可能性低。因此，在發光器件用襯底100中，能夠確保氮化物類化合物半導體薄膜IC與透明襯底10之間的充分的接合表面積和接合強度。因此，與全部氮化物類化合物半導體大塊襯底1相比，通過實施一次上述處理，與氮化物類化合物半導體大塊襯底1分離而成為氮化物類化合物半導體薄膜IC的區域是非常薄的區域。如果例如氮化物類化合物半導體大塊襯底1的厚度為1mm，則可以在單個氮化物類化合物半導體大塊襯底1的板上將形成氮化物類化合物半導體薄膜Ic的上述處理實施幾十次到幾百次。這種事實意味著，可制造發光器件用襯底，對于所述發光器件用襯底， 與其中在氮化物類化合物半導體大塊襯底1的主表面上直接形成氮化鎵的外延層等的發光器件用襯底相比，以低成本來利用本實施方式中的方法。此外，即使氮化鎵的晶格常數應與形成透明襯底10的材料的晶格常數不同，通過上述方法在透明襯底10的一個主面上作為膜形成的氮化物類化合物半導體薄膜Ic仍牢固地布置在透明襯底10的主表面上，而不會造成不利的問題如透明襯底10與氮化物類化合物半導體薄膜Ic之間的晶格失配、在氮化物類化合物半導體薄膜Ic內的位錯密度增大、或氮化物類化合物半導體薄膜Ic的剝離。這是因為不是通過在透明襯底10的主表面上外延生長來形成氮化物類化合物半導體薄膜lc，而是其是一種將按先前構造制造的氮化物類化合物半導體薄膜Ic接合至透明襯底10的主表面的結構。在利用其中將氮化物類化合物半導體薄膜Ic接合至透明襯底10的主表面的上述發光器件用襯底100的情況中，氮化物類化合物半導體薄膜Ic的離子注入區域Ib在發光器件用襯底100上形成多層結構的表面，且如上所述，形成在離子注入區域Ib表面上的發光器件所發射的光是具有約400nm eoonm波長的從藍色到綠色的可見光。但是，通過對接合至透明襯底10的主表面的III族化合物半導體的材料性能以及所述化合物半導體中包含的III族元素的原子分數進行控制，能夠對發光器件輸出的光的波長進行設計，從而跨過例如從紅光到紫外射線的寬范圍。應理解，可利用下述制造方法來替代上述制造方法，在上述制造方法中利用通過離子注入形成的脆性區域將已經疊加在透明襯底10上的氮化物類化合物半導體大塊襯底 1剝離。S卩，首先，作為對襯底和氮化物類化合物半導體大塊襯底進行接合的操作，與上述類似，將未進行離子注入的氮化物類化合物半導體大塊襯底1的一個主表面與透明襯底10的一個主表面進行疊加，并實施通過例如對它們進行加熱而將所述兩者接合的處理。此處，可利用任意的另一種方法作為接合方法。隨后，作為將氮化物類化合物半導體大塊襯底制成薄膜的操作，可在接合至透明襯底10的氮化物類化合物半導體大塊襯底1上實施處理以向所述大塊襯底提供具有期望厚度的氮化物類化合物半導體薄膜lc。具體地，例如通過在與接合至透明襯底10的主表面相反側上的主表面，使用CMP設備對氮化物類化合物半導體大塊襯底1進行研磨，或者實施例如使用線鋸對氮化物類化合物半導體大塊襯底1進行切片 (切斷)而使得接合至透明襯底10的部分具有期望厚度的處理。這意味著，如前所述，其上未實施離子注入的通過在透明襯底10主表面上進行接合而形成的氮化物類化合物半導體薄膜Ic不含有因離子注入而造成的損傷。因此，能夠獲得與通過離子注入采用上述剝離而制造的發光器件用襯底100相比，氮化物類化合物半導體薄膜Ic的品質仍然更高的發光器件用襯底100。實施方式2圖6中表示的發光器件用襯底200使用與圖1中表示的發光器件用襯底100的配置基本類似的配置。然而，所述發光器件用襯底200還具有位于透明襯底10與氮化物類化合物半導體薄膜Ic之間的透明薄膜20。僅在剛才所述的方面中，所述發光器件用襯底200 與發光器件用襯底100不同。
透明薄膜20的透明度，與透明襯底10的透明度類似，對400nm 600nm波長的光是透明的。同樣地，所述透明薄膜20也優選由絕對折射率為氮化鎵絕對折射率的60% 140%的物質構成；具體地，所述物質優選是選自尖晶石、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁和氮化鋁中的至少一種。然而，假如在透明襯底10的一個主表面上形成透明薄膜20，則優選的是， 透明薄膜20的元素構成與透明襯底10的元素構成相同。這樣做使得在透明襯底10的主表面上極其牢固地形成透明薄膜20。優選地，利用例如真空氣相淀積、濺射或MOCVD技術，在透明襯底10的一個主表面上(即，在形成氮化物類化合物半導體薄膜Ic的側上的主表面上(在圖6中在上側上的主表面))形成透明薄膜20。然而，因為期望形成有利膜品質的透明薄膜20從而不會使透明襯底10變粗糙，所以在剛才列出的方法中，特別優選利用濺射技術或MOCVD技術。還優選的是，透明薄膜20的厚度為0. 05μπι IOym,特別地，還更優選為0. Iym 2μπι。通過對在透明薄膜20的一側上的主表面(圖6中上側上的主表面)和氮化物類化合物半導體大塊襯底1的主表面Ia進行疊加并沿離子注入區域Ib對氮化物類化合物半導體大塊襯底1進行分割，能夠制造圖6中所表示的發光器件用襯底200。利用發光器件用襯底200，由于透明薄膜20夾在透明襯底10與氮化物類化合物半導體薄膜Ic之間，所以使透明薄膜20的前側(與氮化物類化合物半導體薄膜Ic接觸的面)平坦性更好，使得能夠進一步提高氮化物類化合物半導體薄膜Ic與透明薄膜20之間的接合強度。能夠提高發光器件所發射的光向透明薄膜20和透明襯底10傳播的比率，同時能夠進一步提高發光器件發射的光從透明襯底10背側上的主表面的輸出強度。僅在上述方面中，本發明的實施方式2與本發明的實施方式1不同。S卩，關于本發明實施方式2中上面未描述的構成組成和條件、程序和效果等都與本發明實施方式1的那些相對應。實施例1利用上述實施方式1中所公開的制造發光器件用襯底100的方法，實際形成了氮化物類化合物半導體薄膜并制造了發光器件。因此，下面對程序進行說明。首先，作為圖2中所表示的氮化物類化合物半導體大塊襯底1，準備了兩英寸直徑和500 μ m厚度的氮化鎵晶片，在利用氧摻雜時，將所述氮化鎵晶片研磨成在一側和另一側上、在兩個主表面上的鏡面。所述氮化鎵晶片具有六方晶體結構，且其主表面是(0001)面。 此外，其電阻率不大于1Ω · cm且其載流子濃度不小于lE17cm_3。在氮面即氮化鎵晶片一側上的主表面上，如圖3中所示注入氫離子。關于這種操作，使得對氫離子進行加速的電壓為90keV，且劑量為7E17cm_2。在以這種方式在氮化鎵晶片的內部中形成圖3中所示的離子注入區域Ib之后，對實施了離子注入的氮化鎵晶片的主表面Ia進行洗滌。此外，將氮化鎵晶片引入到干法腐蝕設備中，并通過在氬氣氣氛中對主表面Ia進行放電，使用等離子體來實施處理(等離子體腐蝕)以消除附著至主表面Ia的細粒子和碎片，并消除主表面Ia附近的殘余應力和晶體翹曲。本文中，在使得氣氛壓力為 6. 7 的條件下，在干法腐蝕設備內部中的氬氣條件為100W的射頻功率和50sCCm的氬氣流量。同時，作為圖1和圖4中所表示的透明襯底10，例如，利用多晶尖晶石透明襯底，且通過在氬氣氣氛內對其進行放電，在與上述氮化鎵晶片相同的條件下進行主表面的等離子體腐蝕。然后，在大氣中實施處理，由此如圖4中所示，對作為氮化物類半導體大塊襯底1 的氮化鎵晶片的主表面Ia和其上已經實施了等離子體處理的多晶尖晶石透明襯底10的主表面進行疊加。此處，在對兩種襯底進行疊加之后，為了提高兩者之間的粘附強度，在氮氣氣氛內，在300°C下的加熱爐中對其加熱兩小時。所述加熱導致氮化鎵晶片沿圖4中所示的離子注入區域Ib剝離，從而產生具有氮化物類化合物半導體薄膜Ic的圖5中所表示的發光器件用襯底100(圖1)。應注意，由于多晶尖晶石的熱膨脹系數αι*7.4Χ10_6(1/Κ) 且氮化鎵的熱膨脹系數α 2 (a軸取向的)為約5.6\10_6(1/1()，所以值(a ^a2Va2滿足其為-0. 5 1. 0的條件。通過使用MOCVD技術，在發光器件用襯底100的最頂面(其主表面(在圖5中為離子注入區域Ib))上形成發光器件。具體地，如圖7中所示，部分地先后形成η型氮化鎵層2、η型鋁鎵氮化物層3、多量子阱層4、ρ型鋁鎵氮化物層5和ρ型氮化鎵層6。此外，對作為發光層的多量子阱層4提供了一種將極薄的^la2Gaa8N膜和極薄的Ala2Gaa8N膜交替層壓的構造。通過腐蝕將按上述形成的多層結構的一部分(具體為η型氮化鎵層2、η型鋁鎵氮化物層3、多量子阱層4、ρ型鋁鎵氮化物層5和ρ型氮化鎵層6中的一部分)除去。以這種方式，將所述結構設置為將η型氮化鎵層2的主表面和ρ型氮化鎵層6的主表面的一部分露出的狀態。然后，如圖8中所示，在剛才所述的部分露出的η型氮化鎵層2和ρ型氮化鎵層6 的主表面上，使用用于實現歐姆接觸的金屬材料以分別形成η型電極7和ρ型電極8。通過上述程序，制造了圖8中所示的發光器件30。在發光器件30的η型電極7和 P型電極8之間傳遞電流，可在作為發光層的多量子阱層4中引起空穴和電子的重新組合， 從而產生發光現象。可確認，光從透明襯底10的背側(即圖8中透明襯底10下側上的主表面)射出(傳播)。實施例2利用形成氮化物類化合物半導體薄膜Ic的絕對折射率為氮化鎵絕對折射率 140%的石英代替多晶尖晶石作為透明襯底10的元素成分來嘗試形成與實施例1類似的發光器件用襯底100。然而，在對透明襯底10 (石英襯底)的主表面和其上進行了離子注入的氮化鎵晶片主表面進行疊加并進行加熱以沿離子注入區域產生剝離的操作中，在氮化鎵晶片中產生裂縫，從而不可能形成發光器件用襯底100。這源于石英與氮化鎵之間的熱膨脹系數之差大的事實。具體地，石英的熱膨脹系數αι*5·4Χ10_7(1/Κ)且氮化鎵的熱膨脹系數a2(a-軸取向的)為約5. 6 X 10_6 (1/K)， 意味著值(a ^a2Va2小于-05。因此推斷，所述裂紋源自由熱膨脹系數之差而造成的熱應力。實施例3將兩英寸直徑的氮化鎵襯底用作圖2中所表示的氮化物類化合物半導體大塊襯底1，并將MOCVD技術用于在其一個主表面上形成2 μ m厚的鋁鎵氮化物層，其與圖7中所示的η型鋁鎵氮化物層3類似。然后，如圖3中那樣，通過作為鋁鎵氮化物層主表面的最頂面將氫離子注入到鋁鎵氮化物層的內部。使用于所述處理的氫離子加速電壓為lOOkeV，同時使劑量為6E17cnT2。在實施氫離子注入之后，以與實施例1相同的方式，對實施了離子注入的主表面進行洗滌。此外，將氮化鎵襯底弓丨入到干法腐蝕設備中，并通過在氬氣氣氛中對鋁鎵氮化物層的主表面進行放電，使用等離子體來實施處理(等離子體腐蝕)以消除附著在主表面上的細粒子和碎片，并消除主表面附近的殘余應力和晶體翹曲。然后，以與實施例1中相同的方式，在大氣中對上述鋁鎵氮化物層的主表面和已經沿用作透明襯底10的藍寶石襯底實施了等離子體腐蝕的主表面進行疊加。然后，為了提高兩者之間的粘附強度，在氮氣氣氛內，在400°C下的加熱爐中對其加熱兩小時。所述加熱造成在氮化鎵襯底上的鋁鎵氮化物層沿離子注入區域Ib(參見圖4)的剝離，從而在鋁鎵氮化物層為氮化物類化合物半導體薄膜Ic且藍寶石襯底為透明襯底10的條件下，產生圖5中所表示的發光器件用襯底100(圖1)。應注意，由于藍寶石的熱膨脹系數、為7. 1X10_6(1/K)且鋁鎵氮化物的熱膨脹系數a2(a軸取向的)為約 5·6Χ10_6(1/Κ)，所以值(α「a 2)/Ci2滿足其為-0.5 1.0的條件。在已經制造的發光器件用襯底100上使用MOCVD實施與圖8中類似的層壓，由此建造與圖8中相似的發光器件30。然后，通過將電流通過發光器件30而使其運行，由此可確認，發射的光從透明襯底10的背側(即圖8中透明襯底10下側上的主表面)射出(傳播)。實施例4對在實施例1中制造的發光器件用襯底100(參見圖5)的主表面Ia的表面粗糙度Ra與在發光器件用襯底100上建造的發光器件30 (參見圖8)所發射的光透過(傳播) 透明襯底10的背側的比率(透光率)之間的關系進行了檢驗，其中將所述主表面Ia的表面與所述透明襯底10接合在一起。根據在實施例1中對主表面Ia進行等離子體腐蝕的條件，準備了總共四種氮化鎵晶片，其中分別使主表面Ia的粗糙度Ra為2. 4nm、2. InmU. 9nm和lnm。如實施例1中所述將這些晶片疊加在透明襯底10 (多晶尖晶石)的主表面上，從而制造發光器件用襯底100。其中，對將氮化鎵晶片的主表面Ia與透明襯底10的主表面粘著的區域的表面積 (接合表面積)進行研究以確定各個主表面Ia的表面粗糙度Ra。另外，關于各個發光器件用襯底100，對通過透明襯底10的氮化物類化合物半導體薄膜Ic側入射的光的量進行了研究，所述光是從與氮化物類化合物半導體薄膜Ic相對的主表面的相反側的主表面上射出的。將表示為“接合表面積(％)”和“透光率”的結果示于下表I中，其中所述“接合表面積(％ ) ”和“透光率”以主表面Ia的表面粗糙度扎為Inm的試樣為基準。表 I
權利要求
1.一種發光器件用襯底，其包含對波長為400nm 600nm的光透明的透明襯底；和通過接合而形成在所述透明襯底的一個主表面上的氮化物類化合物半導體薄膜；在該發光器件用襯底中，設所述透明襯底在與所述透明襯底的主表面垂直的方向上的熱膨脹系數為Q1，且設所述氮化物類化合物半導體薄膜的熱膨脹系數為α 2，則(α「α 2) / α 2為-0. 5 1. 0，以及在1200°C以下的溫度下，所述透明襯底不會與所述氮化物類化合物半導體薄膜反應。
2.如權利要求1所述的發光器件用襯底，其中所述透明襯底的絕對折射率是所述氮化物類化合物半導體薄膜的絕對折射率的60% 140%。
3.如權利要求1或2所述的發光器件用襯底，其中所述透明襯底為選自尖晶石、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁、藍寶石和氮化鋁中的至少一種材料。
4.如權利要求1 3中任一項所述的發光器件用襯底，其中所述透明襯底的主表面的表面粗糙度Rmax不大于2nm。
5.如權利要求1 4中任一項所述的發光器件用襯底，還在所述透明襯底與所述氮化物類化合物半導體薄膜之間包含透明薄膜，所述透明薄膜的絕對折射率是所述氮化物類化合物半導體薄膜的絕對折射率的60% 140%，且所述透明薄膜對波長為400nm 600nm 的光是透明的。
6.如權利要求5所述的發光器件用襯底，其中所述透明薄膜是選自尖晶石、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁和氮化鋁中的至少一種材料。
全文摘要
本發明提供一種缺陷最少的發光器件用襯底，其使得發射的光能夠從器件的襯底側面射出，且本發明提供一種發光器件用襯底(100)，其具有對波長為400nm～600nm的光透明的透明襯底(10)；和通過接合而形成在所述透明襯底(10)的一個主表面上的氮化物類化合物半導體薄膜(1c)。設所述透明襯底在與所述透明襯底的主表面垂直的方向上的熱膨脹系數為α1，且設所述氮化物類化合物半導體薄膜的熱膨脹系數為α2，則(α1-α2)/α2為-0.5～1.0，并在1200℃以下的溫度下，所述透明襯底不會與所述氮化物類化合物半導體薄膜(1c)反應。所述透明襯底(10)的絕對折射率優選是所述氮化物類化合物半導體薄膜的絕對折射率的60％～140％。
文檔編號H01L21/205GK102282684SQ20098015482
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年1月16日
發明者中村孝夫, 八鄉昭廣, 吉村雅司 申請人:住友電氣工業株式會社