随着光电子器件例如蓝光/绿光二极管、(近)红外线发光二极管、激光二极管和光学传感器的快速技术进步，在光学产业领域中单晶氮化物基半导体变成很重要的材料。通常，在1200℃或者更高的高温条件下在其中提供氨气(“NH3”)和氢气(“H2”)运载气体的氢气气氛下从厚的绝缘蓝宝石衬底或者导电碳化硅(“SiC”)衬底的顶面生长使用单晶氮化物基半导体的光电子器件。然而，由于与硅衬底相比较绝缘蓝宝石衬底或者导电碳化硅衬底昂贵，因此绝缘蓝宝石衬底和导电碳化硅衬底无助于降低成本。由于在运行过程中氮化物基光电子器件生成大量的热，因此衬底必须散发由氮化物基光电子器件生成的热量。然而，如果氮化物基光电子器件形成在具有70微米或者更大的厚度的绝缘蓝宝石衬底的顶面上，因为绝缘蓝宝石衬底具有较差的导热性，所以绝缘蓝宝石衬底不易散发热量。因此，绝缘蓝宝石衬底不能用作下一代白光源。
不同于厚的绝缘蓝宝石衬底和碳化硅衬底，透明导电氧化锌(“ZnO”)衬底相对于氮化物基半导体在晶格常数上具有小的差异而表现优良的导电和导热性和更高的透光率。另外，可以以低廉的成本制造透明ZnO衬底，因此，最近关注到透明ZnO衬底作为用于氮化物基发光器件的下一代衬底。然而，透明导电氧化锌(“ZnO”)衬底的表面在600℃或者更高的高温和10-3托或者更多的高真空下变得不稳定，因而容易使透明导电氧化锌(ZnO)衬底的材料分解。另外，在使用氨气(“NH3”)和氢气(“H2”)的还原环境中促进了透明导电ZnO衬底的还原。由于该原因，在具有800℃或者更高的温度的还原环境下很少生长出单晶氮化物基半导体。
已经提出了其它的导电衬底，包括硅(Si)、锗化硅(“SiGe”)、或者砷化镓(“GaAs”)。然而，由于提供在导电衬底中的位错滑移(dislocation slip)系统的移动导致导电衬底在500℃或者更高温度下出现问题，从而引起材料的应变和分解。另外，由于导电衬底相对于氮化物基半导体在晶格常数和热膨胀系数方面存在大的差异，因此从上述导电衬底不能容易地生长高质量氮化物基层。
在该产业领域中最近已经关注以激光剥离(“LLO”)方法作为下一代高亮度白光源的氮化物基发光器件的制造方法。根据LLO方法，从具有较差的导电性和导热性的蓝宝石衬底的顶表面生长高质量氮化物基半导体层或者发光结构，然后将强能量激光束照射在蓝宝石衬底的背面上，从而将氮化物半导体层和发光结构从蓝宝石衬底分离。可以通过使用LLO方法制造表现高亮度并具有满足下一代白光源需求的大尺寸的高可靠氮化物基发光器件。然而，由于为了将氮化物基半导体层和发光结构从蓝宝石衬底分离，需要将强能量激光束施加到蓝宝石衬底，因此在蓝宝石衬底和氮化物基半导体层/发光结构之间的界面产生具有900℃或者更高的温度的热，从而使氮化物基半导体层损坏或变形、成品率低，而且在制造期间产生困难。

本发明提供一种单晶氮化物基半导体衬底和通过使用其制造垂直型氮化物基发光器件的方法。更具体地，本发明提供通过使用籽晶材料层SML和多功能衬底MS在高温氢气气氛下生长单晶氮化物基半导体衬底的方法，其顺序地形成在第一衬底FS的顶表面上以便防止包括蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(ZnO)或者砷化镓(GaAs)的第一衬底的顶面出现机械和热应力以及分解。本发明还提供一种高质量氮化物基发光器件及其制造方法，其中氮化物基发光器件使用单晶氮化物基半导体衬底和发光结构，以便氮化物基发光器件具有大尺寸并在低工作电压下工作时表现优良的发光效率和热耗散。
在本发明的一个方面，在第一衬底FS上沉积籽晶材料层SML，其中从第一衬底的顶面除去包括天然氧化物层的有机残余物，并从籽晶材料层生长多功能衬底MS。在多功能衬底MS上形成包括在大约600℃或者更低的温度下在氢气(H2)和氨气(NH3)气氛下生长的氮化物基缓冲层的单晶氮化物基半导体层。籽晶材料层SML主要促进多功能衬底MS的生长，其主要用于单晶氮化物基半导体衬底的生长以及使用单晶氮化物基半导体层和发光结构的高可靠氮化物基发光器件的制造。另外，籽晶材料层SML提高了氮化物基发光器件的成品率。为了防止籽晶材料层SML在高温氢气气氛下产生应变和分解，多功能衬底MS包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)，另外，多功能衬底MS具有单晶结构或者多晶结构以生长具有高质量的单晶氮化物基半导体层。能够使用单晶氮化物基半导体衬底和使用其的发光器件作为具有大容量、大面积、高亮度和高性能的下一代白光源。
根据本发明的示范性实施例，形成在包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)的多功能衬底MS上的单晶氮化物基半导体层用于提供高质量氮化物基光电子器件和高质量氮化物基倒装(flip chip)型发光器件。特别地，氮化物基发光器件包括氮化物基发光结构，其中氮化物基发光结构由非晶层形式的氮化物基缓冲层、由氮化铝镓铟(AlxInyGazN，其中x、y和z是整数)组成的多晶层或者单晶层、由氮化铝镓铟(AlxInyGazN，其中x、y和z是整数)组成的n型氮化物基覆层、由氮化铝镓铟(AlxInyGazN，x、y和z是整数)组成的p型氮化物基覆层、和形成在两个氮化物基覆层之间并由氮化铝镓铟(AlxInyGazN，其中x、y和z是整数)组成的氮化物基有源层组成。
作为本发明的基本元件的多功能衬底MS包括选自由氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、和碳氮化硅(“Si-C-N”)组成的组的至少一种。另外，多功能衬底MS在大约1100℃或更高的高温条件提供氨气(NH3)和氢气(H2)运载气体的还原气氛之下具有热稳定性和抗还原特性。另外，多功能衬底MS允许生长具有低密度位错的单晶氮化物基层，位错对光电子器件的电学和电子特性施以不好的影响。
更优选地，以单晶层或者具有六方晶体结构的多晶层的形式制造包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅（“Si-C-N”)的多功能衬底MS。然而，本发明不局限于上述晶体结构。
在示范性实施例中，为了调整结晶度和电子浓度并尽可能地减少形成在多功能衬底MS的顶表面上的单晶氮化物基半导体层中的位错密度，将硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌1(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、铬(Cr)、和镧(La)的至少一种加到包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)的多功能衬底MS。在示范性实施例中，被加到多功能衬底MS的金属、金属氧化物、或者金属氮氧化物具有纳米相态以便可以容易地调整单晶氮化物基半导体层的位错密度。
在示范性实施例中，被加到多功能衬底MS中的元素的量限制在介于重量百分数0.1至重量百分数49之间的范围内。
在示范性实施例中，多功能衬底MS具有20微米或者更小的厚度。
在示范性实施例中，通过使用化学反应的高温/低温化学气相淀积(“CVD”)和/或物理气相淀积(“PVD”)形成包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)的多功能衬底MS，其中CVD包括金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)和等离子体增强气相淀积(“PECVD”)，PVD包括热或者电子束蒸镀、脉冲激光沉积、使用气体离子例如氧气(O2)、氮气(N2)、或者氩气(Ar)的溅射沉积，和使用至少两个溅射枪的共溅射沉积。
更优选，在室温和大约1500℃之间的温度范围内从形成在第一衬底FS的顶面上的籽晶材料层SML的顶面生长多功能衬底MS。
为了依次生长具有良好结晶度的多功能衬底MS，在第一衬底FS上形成多功能衬底MS之前，在第一衬底FS上首先形成籽晶材料层SML。
籽晶材料层SML堆叠在第一衬底FS的顶面上并允许多功能衬底MS具有良好的结晶度和六方(hexagonal)晶体结构。
在示范性实施例中，籽晶材料层SML包括如下所述的金属、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、氮氧化物、碳氮化物、或者硅化物。另外，以单层或者多层的形式制造籽晶材料层SML，并且该籽晶材料层SML具有10微米或者更小的厚度。
用作籽晶材料层110的金属的实例包括：Ti、Si、W、Co、Ni、Mo、Sc、Mg、Ge、Cu、Be、Zr、Fe、Al、Cr、Nb、Re、Rh、Ru、Hf、Ir、Os、V、Pd、Y、Ta、Tc、La和稀土金属。
用作籽晶材料层110的氧化物的实例包括：BeO、CeO2、Cr2O3、HfO2、La2O3、MgO、Nb2O3、SiO2、Ta2O5、ThO2、TiO2、Y2O3、ZrO2和ZrSiO2。
用作籽晶材料层110的氮化物的实例包括：AlN、GaN、InN、BN、Be3N2、Cr2N、HfN、MoN、NbN、Si3N4、TaN、Ta2N、Th2N2、TiN、WN2、W2N、VN和ZrN。
用作籽晶材料层110的碳化物的实例包括：B4C、Cr3C2、HfC、LaC2、Mo2C、Nb2C、SiC、Ta2C、ThC2、TiC、W2C、WC、V2C和ZrC。
用作籽晶材料层110的硼化物的实例包括：AlB2、BeB2、CrB2、HfB2、LaB2、MoB2、MoB、NbB4、SiB6、TaB2、ThB4、TiB2、WB、VB2和ZrB2。
用作籽晶材料层110的氮氧化物的实例包括：AlON和SiON。
用作籽晶材料层110的碳氮化物的实例包括：SiCN。
用作籽晶材料层110的硅化物的实例包括：CrSi2、Cr2Si、HfSi2、MoSi2、NbSi2、TaSi2、Ta5Si3、ThSi2、Ti5Si3、WSi2、W5Si3、V3Si和ZrSi2。
在示范性实施例中，通过使用化学反应的高温/低温化学气相淀积(“CVD”)和/或物理气相淀积(“PVD”)形成籽晶材料层SML，其中CVD包括金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)和等离子体增强气相淀积(“PECVD”)，PVD包括热或者电子束蒸镀、脉冲激光沉积、使用气体例如氧气(O2)、氮气(N2)、或者氩气(Ar)气体离子的溅射沉积、和使用至少两个溅射枪的共溅射沉积。
更优选，在室温和大约1500℃之间的温度范围内在第一衬底的顶面上沉积籽晶材料层SML。
在本发明的另一个示范性实施例中，生长单晶氮化物基半导体衬底的方法包括：
在包括蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底FS的顶面上沉积籽晶材料层SML和从籽晶材料层SML的顶面生长多功能衬底MS；
热处理该多层结构；
在金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)设备中安置多层结构和在多功能衬底MS的顶面上形成多层，其中该多层由氮化物基缓冲层和堆叠在氮化物基缓冲层上的厚单晶氮化物基层组成；
通过对包含形成在多功能衬底MS上的单晶氮化物基层的多层结构执行湿法蚀刻或者干法蚀刻除去籽晶材料层SML、ZnO基层、和第一衬底FS；和
为了增强由薄的多功能衬底MS和经上述工艺获得的单晶氮化物基层组成的双层的结晶度，执行热处理工艺。
在示范性实施例中，在第一衬底FS上形成籽晶材料层SML和多功能衬底MS之前在第一衬底FS的顶面上形成ZnO基层。
在本发明的另一个示范性实施例中，通过使用单晶氮化物基半导体衬底制造氮化物基发光器件的方法包括：
在包含蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底FS的顶面上沉积籽晶材料层SML和从籽晶材料层SML的顶面生长多功能衬底MS；
热处理该多层结构；
在金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)设备中安置多层结构和在多功能衬底MS的顶面上形成多层，其中所述多层由依次堆叠在多功能衬底MS的顶表面上的氮化物基缓冲层、n氮化物基覆层、氮化物基有源层、和p氮化物基覆层组成；
通过对包含形成在多功能衬底MS上的单晶氮化物基层的多层结构执行湿法蚀刻或者干法蚀刻除去籽晶材料层SML、ZnO基层、和第一衬底FS；
为了增强由薄的多功能衬底MS和经上述工艺获得的单晶氮化物基层组成的双层的结晶度执行热处理工艺；和
在具有薄的多功能衬底MS的单晶氮化物基发光结构上有选择地沉积反射电极材料或者透明电极材料并然后执行欧姆热处理工艺。
在示范性实施例中，在第一衬底FS上形成籽晶材料层SML和多功能衬底MS之前在第一衬底FS的顶面上形成ZnO基层。
附图说明
当结合附图考虑时参考以下详细的说明将使本发明的上述和其他的方面、特征和优点变得更明显，其中：
图1A和1B是显示为了同质外延生长(homoepitaxial growth)的目的而提供在第一衬底的顶面上的单层或者双层的形式的籽晶材料层、形成在该籽晶材料层上的多功能衬底、和形成在多功能衬底上的单晶氮化物基层(或者用于发光器件的发光结构)的剖面图；
图2A和2B是显示为了同质外延生长的目的形成在第一衬底上的ZnO基层、提供在ZnO基(ZnO-based)层的顶面上的单层或者双层形式的籽晶材料层、形成在籽晶材料层上的多功能衬底、和形成在多功能衬底上的单晶氮化物基层(或者用于发光器件的发光结构)的剖面图；
图3是显示其中已经除去ZnO基层和籽晶材料层的堆叠结构的截面图；
图4A和4B是显示根据本发明的示范性实施例通过使用ZnO基层、籽晶材料层和多功能衬底制造的垂直顶发射型氮化物基发光器件的流程图和截面图；
图5A和5B是显示根据本发明的另一个示范性实施例通过使用ZnO基层、籽晶材料层和多功能衬底制造的垂直倒装型氮化物基发光器件的流程图和截面图；和
图6A和6B是显示根据本发明的又一个示范性实施例通过使用ZnO基层、籽晶材料层和多功能衬底制造的垂直顶发射型氮化物基发光器件的流程图和截面图；

现在详细地参照本发明的示范性实施例，在附图中说明其中的实例。然而，本发明不局限于在下文说明的示范性实施例，在这里引入示范性实施例以容易地和全面地了解本发明的范围和精神。因此，本发明不局限于在这里阐述的实施例。在附图中相同的参考数字表示相同的元件。
这里所使用的术语仅仅是为了描述特别的示范性实施例而不是想要限制本发明。如这里所使用的，除非本文清楚地指出外，否则单数形式“一”、“一种”和“这”也包括复数形式。还应当理解的是说明书中使用的术语“包含”和/或“包含”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其组合的存在或者增加。
除非另有限定，这里使用的全部术语(包括专业的和科学名词)与该本发明领域的普通技术人员通常所理解的一样具有同样的意义。还应当理解的是术语例如通常使用的词典中限定的术语解释为具有与相关技术的文献中相同的意义，除非清楚地限定外，不解释为理想化或者过分形式意义。
在下文，参照附图描述通过在包括蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底(“FS”)的顶面上形成ZnO基层、籽晶材料层(“SML”)和多功能衬底(“MS”)而制造单晶氮化物基半导体衬底的方法和通过使用该单晶氮化物基半导体衬底制造高质量氮化物基光电子器件的方法。
图1A和1B是显示为了同质外延生长的目的而提供在第一衬底(“FS”)的顶面上的单层或者双层的形式的籽晶材料层(SML)、形成在籽晶材料层SML上多功能衬底(“MS”)、形成在多功能衬底上的单晶氮化物基层(或者用于发光器件的发光结构)的截面图。
参照图1A，在包括蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底100的顶面上顺序地形成籽晶材料层110和多功能衬底120。然后，在其中在1000℃或者更高的高温条件下提供氨气(“NH3”)和氢气(“H2”)运载气体的氢气气氛之下在金属有机气相沉积(“MOCVD”)室中从多功能衬底120的顶面开始生长单晶氮化物基层或者发光结构130。
多功能衬底120是本发明的根本元件(primary element)，包含选自由在其中在1000℃或者更高的高温条件下提供氨气(“NH3”)和氢气(“H2”)运载气体的还原气氛之下具有热稳定性和抗还原性的氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、和碳氮化硅(“Si-C-N”)组成的组的至少一种。
在示范性实施例中，以单晶层或者具有六方晶体结构的多晶层的形式制造包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)的多功能衬底120。但是本发明不局限于上述晶体结构。
在示范性实施例中，为了调整结晶度和电子浓度以及尽可能地减少形成在多功能衬底120的顶面上的单晶氮化物基半导体层中的位错密度，将包含硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、铬(Cr)、和镧(La)中至少之一的氧化物或者氮化物加到包含氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)的多功能衬底120中。优选地，加入到多功能衬底120中的金属氧化物或者氮氧化物具有纳米相态(nano-phase)以便可以容易地调整单晶氮化物基半导体层中的位错密度。
在示范性实施例中，被加到多功能衬底120中的元素的量限制在介于重量百分数0.1至重量百分数49之间的范围内。
在示范性实施例中，多功能衬底120具有约20微米或者更小的厚度。
在示范性实施例中，通过使用化学反应的高温/低温化学气相淀积(“CVD”)和/或物理化学气相淀积(“PVD”)形成包括氧化铝(“Al-O”)、氮化铝(“Al-N”)、氮氧化铝(“Al-N-O”)、氮化镓(“Ga-N”)、氮化硼(“B-N”)、碳化硅(“Si-C”)、或者碳氮化硅(“Si-C-N”)的多功能衬底120，其中CVD包括金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)和等离子体增强化学气相淀积(“PECVD”)，PVD包括热或者电子束蒸镀、脉冲激光沉积、使用气体离子的溅射沉积(所述气体例如是氧气(O2)、氮气(N2)、或者氩气(Ar))，和使用至少两个溅射枪的共溅射沉积。
更优选，在室温和1500℃之间的温度范围内从形成在第一衬底100的顶面上的籽晶材料层110的顶面开始生长多功能衬底120。
为了依次生长具有良好结晶度的多功能衬底120，在第一衬底100上形成多功能衬底120之前在第一衬底100上首先形成籽晶材料层110。
籽晶材料层110堆叠在第一衬底100的顶面上并允许多功能衬底120具有良好的结晶度和六方晶体结构。
在示范性实施例中，籽晶材料层110包括如下所述的金属、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、氮氧化物、碳氮化物、或者硅化物。另外，以单层或者多层的形式制造籽晶材料层110，并且该籽晶材料层110具有10微米或者更小的厚度。
用作籽晶材料层110的金属的实例包括：Ti、Si、W、Co、Ni、Mo、Sc、Mg、Ge、Cu、Be、Zr、Fe、Al、Cr、Nb、Re、Rh、Ru、Hf、Ir、Os、V、Pd、Y、Ta、Tc、La和稀土金属。
用作籽晶材料层110的氧化物的实例包括：BeO、CeO2、Cr2O3、HfO2、La2O3、MgO、Nb2O3、SiO2、Ta2O5、ThO2、TiO2、Y2O3、ZrO2和ZrSiO2。
用作籽晶材料层110的氮化物的实例包括：AlN、GaN、InN、BN、Be3N2、Cr2N、HfN、MoN、NbN、Si3N4、TaN、Ta2N、Th2N2、TiN、WN2、W2N、VN和ZrN。
用作籽晶材料层110的碳化物的实例包括：B4C、Cr3C2、HfC、LaC2、Mo2C、Nb2C、SiC、Ta2C、ThC2、TiC、W2C、WC、V2C和ZrC。
用作籽晶材料层110的硼化物的实例包括：AlB2、BeB2、CrB2、HfB2、LaB2、MoB2、MoB、NbB4、SiB6、TaB2、ThB4、TiB2、WB、VB2和ZrB2。
用作籽晶材料层110的氮氧化物的实例包括：AlON和SiON。
用作籽晶材料层110的碳氮化物的实例包括：SiCN。
用作籽晶材料层110的硅化物的实例包括：CrSi2、Cr2Si、HfSi2、MoSi2、NbSi2、TaSi2、Ta5Si3、ThSi2、Ti5Si3、WSi2、W5Si3、V3Si和ZrSi2。
在示范性实施例中，通过使用化学反应的高温/低温化学气相淀积(“CVD”)和/或物理气相淀积(“PVD”)形成籽晶材料层110，其中CVD包括金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)和等离子体增强气相淀积(“PECVD”)，PVD包括热或者电子束蒸镀、脉冲激光沉积、使用气体例如氧气(O2)、氮气(N2)、或者氩气(Ar)气体离子的溅射沉积、和使用至少两个溅射枪的共溅射沉积。
更优选，在室温和大约1500℃之间的温度范围内在第一衬底100的顶面上沉积籽晶材料层110。
根据本发明的另一个示范性实施例，在包含蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底100上形成第一和第二籽晶材料层110a和110b代替图1A中显示的单一籽晶材料层110。在这种情况下，从第二籽晶材料层110b的顶面生长多功能衬底120，在多功能衬底120上堆叠单晶氮化物基层或者发光结构130。
如果以如图1B所示双层结构的形式制造籽晶材料层，可以提高多功能衬底120的质量，从而提高单晶氮化物基层或者发光结构130的质量。
在示范性实施例中，第一籽晶材料层110a包含不同于第二籽晶材料层110b的材料。
图2A和2B是显示为了同质外延生长目的而形成在第一衬底200上的ZnO基层240、提供在ZnO基层240的顶表面上的单层(图2A)或双层(图2B)的形式的籽晶材料层210、形成在籽晶材料层210上的多功能衬底220、和形成在多功能衬底220上的单晶氮化物基层230(或者用于发光器件的发光结构)。
参照图2A和2B，在将籽晶材料层210沉积在第一衬底200的顶面上之前在第一衬底200的顶面上形成通过酸和碱性溶液容易溶解的ZnO基层240，使得在通过使用以单层或者双层形式的籽晶材料层210和多功能衬底220生长单晶氮化物基层或发光结构230之后，在不引起单晶氮化物基层或发光结构230任何蚀刻损害的情况下经湿法蚀刻或者干法蚀刻容易地除去厚的第一衬底200。
将硅(Si)、锗(Ge)、铟(In)、锂(Li)、镓(Ga)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、钼(Mo)、钒(V)、铜(Cu)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、铬(Cr)、和镧(La)的至少一种加到ZnO基层240中。
在示范性实施例中，加入到ZnO基层240中的元素的量限定在约0.1重量百分数到约49的重量百分数的范围内。
在示范性实施例中，通过使用化学反应的高温/低温化学气相淀积(“CVD”)和/或物理气相淀积(“PVD”)形成ZnO基层240，其中CVD包括金属有机化学气相淀积(“MOCVD”)和等离子体增强气相淀积(“PECVD”)，PVD包括热或者电子束蒸镀、脉冲激光沉积、使用气体离子例如氧气(O2)、氮气(N2)、或者氩气(Ar)的溅射沉积，和使用至少两个溅射枪的共溅射沉积。
更优选，在室温和大约1500℃之间的温度范围内从第一衬底200的顶面上生长ZnO基层240。
图3是显示其中已经除去ZnO基层和籽晶材料层SML的堆叠结构的截面图。
参照图3，通过执行使用酸溶液或者碱性溶液的湿法蚀刻或者执行使用气体离子，例如氢离子的干法蚀刻，从图1和2显示的堆叠结构完全地除去厚的第一衬底100或者200、ZnO基层240、和籽晶材料层110或者210。在为了同质外延生长的多功能衬底320的顶面上堆叠了用于发光器件的单晶氮化物基层或发光结构330。
在示范性实施例中，为了提高堆叠在为了同质外延生长的多功能衬底320的顶面上的单晶氮化物基层或发光结构330的结晶度或者导电特性，在氧气(O2)、氮气(N2)、氢气(H2)、氩气(Ar)、真空或者空气气氛下在室温和1500℃之间的温度范围内执行热处理工艺。
图4A是垂直顶发射型氮化物基发光器件的制造过程的流程图。图4B是显示根据本发明的示范性实施例的包含ZnO基层、籽晶材料层SML、和多功能衬底MS的垂直顶发射型氮化物基发光器件的截面图。
参照图4A和4B，与图3A和3B相似，在方框405、415、425、435和445处在多功能衬底410的顶面上顺序地形成氮化物基缓冲层420和包含n氮化物基覆层430、氮化物基有源层440和p氮化物基覆层450的氮化物基发光结构。将第二支撑衬底附着于p氮化物基半导体层的顶部以便防止在方框455处用于氮化物基发光器件的制造过程期间发光结构被分解(dissolved)。接着，在方框465和475处，执行光刻技术和蚀刻工艺以便在多功能衬底410中形成具有各种尺寸和间隔的图案。在这种状态下，在方框485处在多功能衬底410中形成反射n欧姆接触层480且在方框495处在多功能衬底410的底部表面上沉积金属反射器490。其后，在方框505处除去附着于p氮化物基半导体的上部的第二支撑衬底并在p氮化物基覆层450上形成透明p欧姆接触层460，从而获得垂直顶发射型氮化物基发光器件。
根据本发明通过使用单晶氮化物基半导体衬底制造高质量发光器件的程序不限于图4A显示的程序。换句话说，可以结合适合于制造用作下一代白光源的高稳定的发光器件的技术改进图4A显示的程序。
根据本发明的另一个示范性实施例，在包含蓝宝石、硅(Si)、锗化硅(“SiGe”)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底FS的顶面上沉积包含氧化铬(“Cr2O3”)的籽晶材料层SML，从籽晶材料层SML的顶面生长包含单晶氧化铝(Al2O3)的多功能衬底MS 410。在该状态下，在多功能衬底MS上顺序地堆叠氮化物基缓冲层420和包含n氮化物基覆层430、氮化物基有源层440和p氮化物基覆层450的单晶氮化物基发光结构，从而获得根据本发明的垂直顶发射型氮化物基发光器件。
通常，氮化物基缓冲层420、n氮化物基覆层430、氮化物基有源层440和p氮化物基覆层450的每一个基本上包含选自表示为AlxInyGazN(其中x，y和z是整数)的III族氮化物基化合物。另外，将掺杂剂加到n氮化物基覆层430和p氮化物基覆层450中。
可以以单层或者多量子阱(“MQW”)，即，如AlxInyGazN/AlxInyGazN层(其中x、y和z是整数)的双层的形式制造氮化物基有源层440。
如果使用GaN基化合物制造氮化物基发光器件，通过使用GaN形成氮化物基缓冲层420，通过将n掺杂剂，例如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)或者碲(Te)加入GaN形成n氮化物基覆层430，以InGaN/GaN MQW或者AlGaN/GaNMQW的形式制造氮化物基有源层440。通过将p掺杂剂，例如镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)、锶(St)或者钡(Ba)加入到GaN中形成p氮化物基覆层层450。
反射n欧姆接触层480插入在n氮化物基覆层430和金属反射器490之间。反射n欧姆接触层480可以具有通常为现有技术公知的各种结构，例如具有大的厚度的铝/钛(Al/Ti)层。在示范性实施例中，金属反射器490包含厚的反射金属，例如铝(Al)、银(Ag)或者铑(Rh)。
透明p欧姆接触层460包含用于形成p欧姆接触的电极材料。该电极材料包含氧化镍-金(“Ni-Au”)、氧化银(Ag)、基于氧化铟锡(“ITO”)、氧化锌(“ZnO”)、氧化锡(“SnO2”)、或者氧化铟(“ln2O3”)的氧化物的透明导电氧化物和包含氮化钛(“TiN”)的导电过渡金属氮化物。另外，p电极焊盘470具有堆叠层结构，例如镍/金(“Ni/Au”)层或者银/金(“Ag/Au”)层。
可以通过常规沉积方法，例如电子束蒸镀、物理气相淀积(“PVD”)、化学气相淀积(“CVD”)、等离子体激光沉积(“PLD”)、双型(dual-type)热蒸镀、或者溅射形成上述层。
图5A是显示垂直倒装型氮化物基发光器件的制造过程的流程图。图5B是显示根据本发明的示范性实施例包含ZnO基层、籽晶材料层SML、和多功能衬底的垂直倒装型氮化物基发光器件的截面图。
参照图5A和5B，与图3A和3B相似，在方框515、525、535、545和555处在多功能衬底510的顶面上顺序地形成氮化物基缓冲层520和包含n氮化物基覆层530、氮化物基有源层540和p氮化物基覆层550的氮化物基发光结构。然后，将第二支撑衬底附着于p氮化物基半导体层的顶部以便防止在方框565处用于氮化物基发光器件的制造过程期间发光结构被分解。接着，在方框575和585处，执行光刻技术和蚀刻工艺以便在多功能衬底510中形成具有各种尺寸和间隔的图案。在该状态下，在方框595处在多功能衬底510中形成透明n欧姆接触层580且在方框605处在多功能衬底510的底部表面上沉积透明导电层590。其后，在方框615处除去粘附于p氮化物基半导体的顶部的第二支撑衬底和在方框625且在p氮化物基覆层550上形成反射p欧姆接触层560，从而获得垂直倒装型氮化物基发光器件。
根据本发明通过使用单晶氮化物基半导体衬底制造高质量发光器件的程序不限于图5A显示的程序。换句话说，可以结合适合于制造用作下一代白光源的高稳定的发光器件的技术改进图5A显示的程序。
根据本发明的示范性实施例，在包含蓝宝石、硅(Si)、锗化硅(“SiGe”)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底FS的顶面上沉积包含氧化锌(“ZnO”)或者钼(Mo)的籽晶材料层SML，从籽晶材料层SML的顶面生长包含单晶氧化铝(“Al2O3”)的多功能衬底MS。在该状态下，在多功能衬底MS上顺序地堆叠氮化物基缓冲层520和包含n氮化物基覆层530、氮化物基有源层540和p氮化物基覆层550的单晶氮化物基发光结构，从而获得根据本发明的垂直倒装型氮化物基发光器件。
通常，氮化物基缓冲层520、n氮化物基覆层530、氮化物基有源层540和p氮化物基覆层550的每一个基本上包含选自表示为AlxInyGazN(其中x，y和z是整数)的III族氮化物基化合物。另外，将掺杂剂加到n氮化物基覆层530和p氮化物基覆层550。
可以以单层或者多量子阱(“MQW”)，即，如AlxInyGazN/AlxInyGazN层(其中x、y和z是整数)的双层的形式制造氮化物基有源层540。
如果使用GaN基化合物制造氮化物基发光器件，通过使用GaN形成氮化物基缓冲层520，通过将n掺杂剂，例如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)或者碲(Te)加入GaN形成n氮化物基覆层530，以InGaN/GaN MQW或者AlGaN/GaNMQW的形式制造氮化物基有源层540。通过将p掺杂剂，例如镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)、锶(St)或者钡(Ba)加入到GaN中形成p氮化物基覆层550。
透明n欧姆接触层580插入在n氮化物基覆层530和透明导电层590之间。透明n欧姆接触层580包含用于形成p欧姆接触的电极材料。该电极材料包含基于氧化铟锡(“ITO”)、氧化锌(“ZnO”)、氧化锡(“SnO2”)、或者氧化铟(“ln2O3”)的氧化物的透明导电氧化物和包含氮化钛(“TiN”)的导电过渡金属氮化物。另外，通过使用包含氮化钛(“TiN”)的导电过渡金属氮化物或者基于氧化铟锡(“ITO”)、氧化锌(“ZnO”)、氧化锡(“SnO2”)、或者氧化铟(“In2O3”)的氧化物的透明导电氧化物形成透明导电层590。
反射p欧姆接触层560包含用于形成反射p欧姆接触的电极材料，例如现有技术公知的铝(Al)、银(Ag)或者铑(Rh)。另外，p电极焊盘570具有堆叠层结构，例如镍/金(“Ni/Au”)层或者银/金(“Ag/Au”)层。
可以通过常规沉积方法，例如电子束蒸镀、物理气相淀积(“PVD”)、化学气相淀积(“CVD”)、等离子体激光沉积(“PLD”)、双型热蒸镀、或者溅射形成上述层。
图6A是显示垂直顶发射型氮化物基发光器件的制造过程的流程图。图6B是显示根据本发明的另一个示范性实施例的包含ZnO基层、籽晶材料层SML和多功能衬底MS的垂直顶发射型氮化物基发光器件的截面图。
参照图6A和6B，与图3A和3B相似，在方框635、645、655、665和675处在多功能衬底MS的顶面上顺序地形成氮化物基缓冲层和包含n氮化物基覆层650、氮化物基有源层640和p氮化物基覆层630的氮化物基发光结构。然后，在方框685处将第二支撑衬底附着于p氮化物基半导体层的顶部以便防止用于氮化物基发光器件的制造过程期间发光结构被分解。然后，在方框695和705处通过湿法蚀刻工艺或者干法蚀刻工艺完全地除去多功能衬底MS，并在方框715处通过键合材料将反射键合p欧姆接触层620(例如，第三支撑衬底)键合至第一支撑衬底610。其后，在方框725处除去附着于p氮化物基半导体的顶部的第二支撑衬底，在方框735处在n氮化物基覆层650上形成透明n欧姆接触层660，从而获得垂直顶发射型氮化物基发光器件。
根据本发明通过使用单晶氮化物基半导体衬底制造高质量发光器件的程序不限于图6A显示的程序。换句话说，可以结合适合于制造用作下一代白光源的高稳定的发光器件的技术改进图6A显示的程序。
根据本发明的示范性实施例，在包含蓝宝石、硅(Si)、锗化硅(“SiGe”)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底FS的顶面上沉积包含氧化锌(“ZnO”)或者钛(Ti)的籽晶材料层SML，从籽晶材料层SML的顶面生长包含单晶氧化铝(“Al2O3”)的多功能衬底MS。在该状态下，在多功能衬底MS 620上顺序地堆叠氮化物基缓冲层420和包含n氮化物基覆层650、氮化物基有源层640和p氮化物基覆层630的单晶氮化物基发光结构，从而获得根据本发明的垂直顶发射型氮化物基发光器件。
通常，氮化物基缓冲层、n氮化物基覆层650、氮化物基有源层640和p氮化物基覆层630的每一个基本上包含选自表示为AlxInyGazN(其中x，y和z是整数)的III族氮化物基化合物的化合物。另外，将掺杂剂加到n氮化物基覆层650和p氮化物基覆层630。
可以以单层或者多量子阱(“MQW”)，即，如AlxInyGazN/AlxInyGazN层(其中x、y和z是整数)的双层的形式制造氮化物基有源层640。
如果使用GaN基化合物制造氮化物基发光器件，通过使用GaN形成氮化物基缓冲层，通过将n掺杂剂，例如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)或者碲(Te)加入GaN形成n氮化物基覆层650，以InGaN/GaN MQW或者AlGaN/GaNMQW的形式制造氮化物基有源层640，通过将p掺杂剂，例如镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)、锶(St)或者钡(Ba)加入GaN形成p氮化物基覆层630。
在n氮化物基覆层650和反射n电极焊盘670之间插入透明n欧姆接触层660。透明n欧姆接触层660包含使用于形成p欧姆接触的电极材料。电极材料包含基于氧化铟锡(“ITO”)、氧化锌(“ZnO”)、氧化锡(“SnO2”)、或者氧化铟(“In2O3”)的氧化物的透明导电氧化物和包含氮化钛(“TiN”)的导电过渡金属氮化物。另外，反射n电极焊盘670具有堆叠层结构，例如镍/金(“Ni/Au”)层或者银/金(“Ag/Au”)层。可以通过使用固溶体或像银(Ag)或者铑(Rh)的反射金属用具有大的厚度的不同的结构形成反射键合p欧姆接触层620。
可以通过常规沉积方法，例如电子束蒸镀、物理气相淀积(“PVD”)、化学气相淀积(“CVD”)、等离子体激光沉积(“PLD”)、双型热蒸镀、或者溅射形成上述层。
如上所述，本发明提供一种单晶氮化物基半导体衬底和通过使用其制造垂直型氮化物基发光器件的方法。根据本发明，通过使用顺序地形成在第一衬底FS的顶面上的籽晶材料层SML和多功能衬底MS在高温和氢气气氛之下形成用于同质外延生长的单晶氮化物基半导体衬底或者发光结构，以便防止在包含蓝宝石、硅(Si)、氧化锌(“ZnO”)或者砷化镓(“GaAs”)的第一衬底FS的顶面出现机械和热应力和分解。因而，本发明提供了在低操作电压下操作的同时表现良好发光效率和热耗散的高质量氮化物基发光器件。
尽管已经描述了本发明的示范性实施例，但应当理解本发明不限于这些示范性实施例，而在如权利要求的本发明的精神范围内本领域的普通技术人员可以进行各种变化和修改。
本申请要求2005年8月12日申请的韩国专利申请No.2005-74100的优先权和全部权益，其整个内容以引用的形式引入。