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CN1471735A - 在ⅲ-v族氮化物半导体基板上制作产生辐射的半导体芯片的方法以及产生辐射的半导体芯片 - Google Patents

在ⅲ-v族氮化物半导体基板上制作产生辐射的半导体芯片的方法以及产生辐射的半导体芯片 Download PDF

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CN1471735A CNA018181406A CN01818140A CN1471735A CN 1471735 A CN1471735 A CN 1471735A CN A018181406 A CNA018181406 A CN A018181406A CN 01818140 A CN01818140 A CN 01818140A CN 1471735 A CN1471735 A CN 1471735A
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Abstract

本发明涉及一种在III－V族氮化物半导体材料的基板制作具有一个薄膜元件(11)的产生辐射的半导体芯片的方法，首先在外延衬底(100)上淀积薄膜元件(11)，该薄膜元件与一个载体(5)连接，然后从该薄膜元件去掉外延衬底(100)。外延衬底(100)具有一个用多晶SiC或多晶GaN或用SiC、GaN或蓝宝石制成的衬底本体(1)，该衬底本体借助于一层粘附层(3)与一层生长层(2)连接，并在该生长层上用外延法淀积薄膜元件(11)的层序列。此外，描述了一个这样制作的产生辐射的半导体芯片。

Description

在III-V族氮化物半导体基板上制作产生辐射的 半导体芯片的方法以及产生辐射的半导体芯片
本发明涉及权利要求1前序部分所述的一种在III-V族氮化物半导体材料的基板上制作产生辐射的半导体芯片的方法以及涉及权利要求19前序部分所述的产生辐射的半导体芯片。
GaN基底的产生辐射的半导体器件例如可从文献US 5 874 747中得知。这种半导体器件包括一个多层的、由GaN或一种以它为基体的材料制成的半导体本体。根据上述文献，在一个SiC衬底上生长GaN基的各层。
由GaN衍生的或使用GaN的材料以及以此为基体的、例如三元或四元混合晶体都属于III-V族氮化物半导体材料，其中尤指这些材料：AlN、InN、AlGaN(Al1-xGaxN，0≤x≤1)，InGaN(In1-xGaxN，0≤x≤1)，InAlN(In1-xAlxN，0≤x≤1)和AlInGaN(Al1-x-yInxGayN，0≤x≤1，0≤y≤1)。
所谓“III-V族氮化物半导体材料”下面就是指上面列出的那类材料；此外，还包括在外延生长上列材料系统的各层时所用来构成缓冲层的材料。
此外，从US 5 679 152中已知一种在一个合适的衬底例如Si衬底上外延生长GaN基半导体本体的方法，在GaN各层外延淀积后，就地去掉衬底。
从US5 786 606中已知具有一个中间SiC衬底的GaN基半导体本体，该衬底是在原来的外延衬底上形成的。在制作时去掉原来的衬底本体。
使用具有一个SiC衬底的半导体本体意味着在制造半导体器件时需要相当可观的附加费用，因为SiC衬底本身就是极其昂贵的。在用III-V族氮化物半导体材料为基体的半导体本体时，如果把SiC衬底部分装入半导体器件中，则该半导体器件的成本直接与SiC衬底的成本联系在一起。这样就难于经济地制造该半导体器件。
此外，SiC衬底在III-V族氮化物半导体为基体的半导体芯片中会导致辐射效率的减少，因为SiC部分地吸收了由芯片发射的辐射并由此减少可输出的辐射的百分比。
在US 5 679 152描述的制造方法中，在用SiC衬底的情况下，只可能使用很薄的衬底，这种薄衬底在外延后必须立即去掉。这种衬底的容许厚度一般低于1微米。
为了避免由于硅和III-V族氮化物半导体为基体的材料之间的不同的热膨胀系数而在半导体内产生裂纹，这样薄的衬度是需要的。
本发明的目的是提出一种III-V族氮化物半导体材料基板上的产生辐射的半导体芯片，这种芯片技术简单、制造成本低，并具有高的外部量子输出效率。
此外，本发明的目的是提出一种制造方法。
这个目的是通过权利要求1所述的一种方法或通过权利要求19所述的一种半导体芯片来实现的。本发明的有利改进方案可从从属权利要求2至18和20至25中得知。
根据本发明，在III-V族氮化物半导体材料基板上的产生辐射的半导体芯片设计为薄膜元件。
所谓薄膜元件在这里理解为一个半导体层序列，该半导体层序列只由在III-V族氮化物半导体材料基板上的外延叠层组成。
该薄膜元件由III-V族氮化物半导体外延层组成，其中半导体本体在一面上由一层n型的外延层界定，而与此外延层对应的一面则由一层P型外延层界定。
该薄膜元件用P型面叠置在一个导电载体上，该载体具有该薄膜元件的安装面并最好可同时用来接通该薄膜元件。
在该薄膜元件的n型面形成一个相应的接触面。下面所谓的“接触面”就是指这个接触面而不再赘述。
这样制成的半导体芯片有一大优点，即不用厚的(＞100微米)外延衬底例如SiC衬底，因而降低了半导体器件的材料费用。
这种薄膜结构的另一个优点在于，半导体本体只含有一个吸收辐射的衬底的一些小的残余或者根本就不含有吸收辐射的衬底。
所以通过使用反射的载体可提高辐射效率。
本发明的一个有利的改进方案在于，在该薄膜元件时，在n型面上界定的外延层作为导电的缓冲层构成。
为了避免外延衬底和该缓冲层后面各外延层之间的晶格匹配缺陷，一般都在GaN基半导体本体的制作过程中形成缓冲层。
导电的缓冲层具有一大优点，即用这样形成的半导体本体可以制造一个垂直导电的半导体器件。
与绝缘的缓冲层比较，这是有优点的，因为垂直导电的半导体芯片可用较小的费用实现接通。另外，可实现有源层的较大的横向延伸。
在本发明的一个特别有利的方案中，该缓冲层做成一个多层序列，通过不同成分的多层序列可达到这样的优点：不论缓冲层的导电能力还是其后的GaN基各层的匹配都可达到最佳化。
在本发明的一个优选方案中，该缓冲层用AlGaN基材料制成，例如Al1-xGaxN(0≤x≤1)和Al1-x-yInxGayN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y＜1)。
为了获得一层良好导电的缓冲层，缓冲层朝上述接触面的一面用低的Al含量制成，是特别有利的。
此外，由于低含铝量的这些层的表面质量和晶体质量较差，所以缓冲层背离该接触面的一面用高含铝量制成是有利的。通过高含铝量提高了缓冲层的表面质量，并达到了其后的III-V族氮化物半导体基各层的良好匹配。
所以，接触面的一面具有低的含铝量和对应一面具有高的含铝量的缓冲层的一大优点，是构成了一层同时具有高表面质量的导电缓冲层。
根据本发明，为了在III-V族氮化物半导体材料的基板上制作一个产生辐射的半导体器件，III-V族氮化物半导体基的各层叠置在一个外延衬底上，其衬底本体具有一个与III-V族氮化物半导体材料匹配的或一个比III-V族氮化物半导体材料大的热膨胀系数，而且该半导体器件在外延一侧由一层最好含有Si(111)的薄的生长层界定。
在制作III-V族氮化物半导体本体时，外延衬底的热膨胀由衬底本体来确定，是有优点的，这样，该衬底的热性能就与叠置各层相似。
Si(111)表面具有六方形的结构，所以适合作为III-V族氮化物半导体材料的外延表面。
此外，Si(111)表面容易处理和外延准备。Si(111)的处理技术由于这种材料在半导体工业中的卓有成效的应用，是众所周知的和经过考验的。
所以，制作具有一个直径明显大于市售SiC衬底的直径的外延衬底，也是有优点的。
Si(111)表面的可达到的表面质量也远优于SiC衬底的表面质量。
作为衬底本体最好用多晶的SiC、GaN或与GaN基各层良好热匹配的多晶GaN。此外，衬底本体可含有蓝宝石(α-Al2O3)，蓝宝石的热膨胀系数比III-V族氮化物半导体材料的热膨胀系数大。
这种衬底本比先有技术所用的衬底便宜得多，因为这种衬底本体是淀积在生长层的表面上的，因而有利于减少对衬底本体的晶体性能的诸多要求。由于减少了这方面的要求，故可使用特别廉价的多晶材料。
衬底本体最好通过一层用硅氧化物或硅氮化物制成的吸附层与生长层连接。
在该衬底本体和生长层之间的粘附层可用简单的方式构成，而且上述材料可保证特别稳定的连接。
在本发明的一个特别优选的改进方案中，在III-V族氮化物半导体基底的叠层设置后，继续实施制造方法，即在下一个步骤中，在III-V族氮化物半导体基底的叠层上设置一个载体。
然后，从III-V族氮化物半导体基各层去掉外延衬底。
所以具有这样的优点：外延衬底或衬底本体可以再利用或继续使用。
Si(111)生长层作为外延表面使用对去掉外延衬底是有利的，因为半导体本体可轻易地例如通过腐蚀从衬底本体去掉。Si(111)生长层是一层消耗层。
在用单晶的SiC衬底本体的情况下，半导体本体的经济制造的可能性对这种制造方法是特别有利的，因为昂贵的SiC衬底本体又可再利用或继续使用。
在本发明制造方法的一个优选的改进方案中，在去掉外延衬底后，在半导体本体去掉了外延衬底的表面上设置一个接触面。
本发明制造方法的一个有利的方案在于，在去掉外延衬底之前，蚀刻许多III-V族氮化物半导体层。
这里所谓的蚀刻可理解为把外延层侧向分成许多单个的、在外延衬底上以一定距离并排布置的外延层叠所采取的手段。在通过腐蚀去掉外延层叠时，蚀刻有利于实现经受腐蚀作用的表面的放大。
在本发明的一个有利的改进方案中，在用上述制造方法时，首先在III-V族氮化物半导体材料基底的外延各层上设置一个中间载体以代替载体，然后去掉外延衬底，并在去掉了该外延衬底的外延叠层的一侧上设置一个载体，在下一个步骤中去掉该中间载体。
用这个改进措施有利于III-V族半导体材料基底叠层的层序列相对于该载体按上述制造方法进行倒装，这种倒装有利于后续工序尤其是封装时能够利用这个倒装的层序列。
本发明制造方法的一个特别有利的方案在于，一层导电的缓冲层作为第一层设置在外延衬底上。
这层缓冲层是特别有利的，这样就为其后的外延层产生了一个具有最佳匹配晶格结构的表面，这个表面同时被后面的层材料很好地漫润，从而可实现随后各层的均匀生长。
由于这个缓冲层的导电性，因而可制作具有上述有利性能的垂直导电的半导体器件。
这个缓冲层最好由AlGaN基底上的许多单层组成。
这样做是有优点的，因为高含铝量的缓冲层为III-V族氮化物半导体材料基底的其他各层形成了一个晶格匹配的和良好浸润的表面，但导电性较差，而低含铝量的缓冲层则是导电良好的，但具有较差的晶本质量和表面质量。
通过这许多层的组合可兼有高导电率和高晶体质量。
为此，这样做是有利的：衬底一面构成较高含铝量的一层，并朝外延叠层方向即在缓冲层背离外延衬底的一面上淀积较低含铝量的一层。
在本发明制造方法的一个特别有利的改进方案中，该缓冲层分两个步骤形成。
在第一个步骤中，在延伸衬底的生长层上设置若干导电区。特别适合作导电区材料的，是一种InGaN基材料，例如In1-xGaxN(0≤x＜1)和In1-x-yAlxGayN(0≤x≤1，0≤y≤1和x+y＜1)或GaN。
由于Si和Ga易于形成域结构，所以达到了导电区的相当均匀的排列。
在第二个步骤中，这些导电区用一层整平填充层覆盖，并填充这些导电区之间的间隙。
作为这种用途特别适用的材料是一种含铝量高的AlGaN化合物。这样制成的缓冲层很适合用于淀积基于III-V族氮化物半导体材料的其他各层并具有高的导电性。
本发明的其他特征、优点和适用范围可从结合附图的三个实施例的下面的说明中得知。
附图表示：
图1  一种本发明器件的一个实施例的示意断面图；
图2  一种本发明制造方法的一个实施例的示意图；
图3  一层导电缓冲层的本发明制造方法的示意图。
在不同的实施例中，相同或作用相同的部分分别用相同的参考号表示。
图1中所示的产生辐射的半导体芯片具有一个薄膜元件形式的半导体本体11，该半导体本体由一层导电的缓冲层9和一个层序列8组成，该层序列特别是含有III-V族化合物半导体材料基底的外延叠层。在缓冲层9上设置了一个接触面12，该接触面也可不象图1所示那样，而是也可只覆盖半导体本体11的上表面的一部分并例如可具有Al或由Al组成，并作为焊盘构成。
层序列8的结构决定半导体本体11或由此构成的芯片的功能。这个层序列8也含有用来产生辐射的有源层。
半导体本体11没有外延衬底。
在缓冲层9的一面上，半导体本体11做成n型，而在该面对应的一面则做成P型。
半导体本体11用P型面叠置在导电载体5的一个主面上。
载体5背离半导体本体11的一面具有第二个接触面10。
这样制成的半导体芯片具有垂直的、即垂直于各层平面导电的优点，这样就实现了侧向相当均匀的电流通过该器件和简单的键合。
另一个优点是，该芯片在横向内的定标是不成问题的。所谓定标可理解为过渡到芯片的其他横向尺寸。这种过渡是容易的，因为该芯片在横向内没有蚀刻图形，亦即没有布局。
而在一个主面上例如具有两个不同接触面的横向蚀刻的元件时，则在横向定标时必须考虑横向的结构的尺寸。
一个垂直导电芯片的前提是一层导电的缓冲层9。这层例如用III-V族氮化物半导体材料制成两层。缓冲层9的精确状况结合图3导电缓冲层的制作来说明。
由于III-V族氮化物半导体材料的直接的带内跃迁和带隙的尺寸，按本发明制成的半导体本体特别适用来实现主波长在黄、绿、蓝绿或紫色光谱范围内的发光二极管芯片和具有特高发光强度的发光二极管以及实现发射波长在绿至紫色光谱范围内的半导体激光器。
图2表示本发明一个实施例的6个中间步骤a至f的示意图。
起点是一个多层的外延衬底100(图2a)。衬底本体1用SiC优先用多晶SiC制成。
在衬底本体1上形成一层最好用硅氧化物制成的粘附层3，该粘附层连接该衬底本体与一薄的生长层2，该生长层例如用Si(111)制成。
生长层2的厚度选择得很小，其热膨胀主要由位于其下的衬底本体1来决定。典型地，生长层2的厚度大约在0.1微米和20微米之间，最好小于10微米，尤其是最好为0.1微米和2微米之间。
在下一个步骤中，在生长层2的表面上淀积多层用III-V族氮化物半导体材料制成的层4，见图2b。
最好首先在生长层2的表面上形成一层导电的AlGaN缓冲层9，因为GaN本身和InGaN化合物Si(111)或SiC表面很难浸润。
缓冲层9和在其上淀积的III-V族化合物半导体材料基底的邻接层是n型的。
在离外延衬底100的对应一面上则邻接一层或多层的P型外延层叠。
在n型和p型层之间形成具有0≤x≤1，0≤y≤1和x+y＜1的Al1-x-yGaxInyN基的若干层，就狭义而言，这若干层是用来产生辐射的。业内公知的全部产生辐射的半导体结构，特别是在形成一个单异质结构或双异质结构情况下的pn结以及单量子阱结构和多量子阱结构对此都是适合的。
在下一个步骤中，通过台面型蚀刻侧向制作Al1-x-yGaxInyN基的各层，如图2C所示，由此形成许多隔离的、在外延衬底100上并排排列的层叠。这些层叠就是产生辐射的芯片的尚未分割的薄膜元件11。
台面型蚀刻一直进行到外延衬底100的生长层2，以便在下一个步骤中容易实现薄膜元件11从外延衬底100去掉。
在蚀刻Al-x-yGaxInxInyN基的层叠4后，在背离外延衬底100的、薄膜元件11的P型侧上叠置一个载体5或中间载体13。作为载体材料例如可用GaAs或Cu。
在下一个步骤中(图2e)，从薄膜元件11上去掉外延衬底100。去掉通过湿法腐蚀来实现，并破坏生长层2。湿法腐蚀所需的费用例如比去掉SiC衬底本体少得多。
在使用一个中间载体13的情况下，在去掉延伸衬底100以后，在其部位上叠置一个载体5，然后去掉中间载体13。
在这两种方案中，在这个步骤结束时形成的结构是十分相似的，唯一的区别在于，在用中间载体13时，缓冲层9位于半导体本体面向载体5的一面(图2e，右)。在另一种情况中，在背离半导体本体11的一面上形成缓冲层。
然后半导体本体11和载体5分别设置接触面12或10。随后在半导体本体11之间切断载体5，于是产生许多图1所示的半导体芯片(图2f)。
薄膜元件11压焊到载体5或中间载体13结合外延衬底100随后的去掉而有利于外延衬底本体1的继续使用，从而在SiC作为衬底本体材料的情况中实现明显的费用下降。
此外，避免了在SiC衬底上产生的全部吸收损失，从而明显提高辐射效率。
在另一种制造方法中，在用多晶SiC或多晶GaN这类廉价的衬底本体时，如果它的再利用没有特别的优点，也可把整个衬底腐蚀掉。
图3结构4个中间步骤的示意图来说明导电的缓冲层9的制作。
象上述的制造方法那样，作为外延衬底100用一个在外延侧具有一生长层2的SiC或多晶SiC衬底本体，该生长层例如含有Si(111)(图3a)。
在第一个步骤中，在生长层2上淀积一层多量子点形式的核晶层6(图3b)。
为此要用的材料具有低含铝量(＜50％)的AlGaInN、InGaN或GaN。这些量子点是高导电的，但不形成闭合的层。所以在该生长层的表面上形成许多相互没有连接的导电区。覆盖率可在1％和99％之间变化，视材料成分而定。
在量子点层6上淀积一层含铝量高的AlGaN基的整平填充层7，例如AlxGa1-xN(x＞0.5)(图3C)，这样就形成一个平面结构9。
导电区6通过缓冲层9形成沟状的连接，并保证缓冲层9的良好的导电性。
在下一个步骤中，在缓冲层9上淀积一个层序列8，该层序列包括III-V族化合物半导体材料基底的外延层叠(图3D)，这个层序列主要决定半导体器件的功能。
薄膜元件和单个半导体芯片的其他制作步骤相当于例如结合图2A至2C所述的相应步骤。
当然，本发明不受结合上述实施例所进行的说明的限制。
特别是分别给出范围的半导体材料的成分可满足各方面的要求和该元件预定的使用范围。
此外，在半导体本体的有源层内，通过半导体材料的成分可以确定产生的辐射的主波长。

Claims (25)

1.在III-V族氮化物半导体材料的基板上制作具有一个薄膜元件(11)的产生辐射的半导体芯片的方法，其步骤是：
-在一个外延衬底(100)上淀积薄膜元件(11)的一个层序列；
-将该薄膜元件与一个载体(5)连接；
-从该薄膜元件去掉外延衬底(100)，
其特征为：
-外延衬底(100)具有一个用多晶SiC或多晶GaN制成的衬底本体(1)，该衬底本体借助于一层粘附层(3)与一层生长层(2)连接；
-在生长层(2)上用外延法淀积薄膜元件(11)的层序列。
2.在III-V族氮化物半导体材料的基板上制作具有一个薄膜元件(11)的产生辐射的半导体芯片的方法，其步骤是：
-在一个外延衬底(100)上淀积薄膜元件(11)的一个层序列；
-将该薄膜元件与一个载体(5)连接；
-从该薄膜元件去掉外延衬底(100)，
其特征为：
-外延衬底(100)具有一个用SiC、GaN或蓝宝石制成的衬底本体(1)，该衬底本体借助于一层粘附层(3)与一层生长层(2)连接；
-在生长层(2)上用外延法淀积薄膜元件(1)的层序列。
3.按权利要求1或2的方法，
其特征为，
生长层(2)具有Si(111)层(2)。
4.按权利要求1至3任一项的方法，
其特征为，
粘附层(3)用硅氧化物或硅氮化物制成。
5.按权利要求1至4任一项的方法，
其特征为，
在设置载体(5)之前，把薄膜元件(11)的层序列蚀刻成许多单独的、相互隔离的薄膜元件(11)。
6.按权利要求1至5任一项的方法，
其特征为，
在去掉外延衬底后接通薄膜元件(11)。
7.按权利要求1至6任一项的方法，
其特征为，
在设置该层序列后，继续按下列步骤实施该方法：
-在该层序列上设置一个中间载体；
-去掉外延衬底；
-在去掉了该外延衬底的该层序列的一侧上设置一个载体(5)；
-去掉中间载体。
8.按权利要求7的方法，
其特征为，
在设置该中间载体之前，蚀刻许多GaN基叠层(4)。
9.按权利要求7或8的方法，
其特征为，
在去掉该中间载体之前，接通薄膜元件(11)。
10.按权利要求1至9任一项的方法，
其特征为，
作为生长层(2)表面上的第一层做成导电的缓冲层(9)。
11.按权利要求10的方法，
其特征为，
缓冲层(9)由AlGaN基底上的若干单层组成。
12.按权利要求11的方法，
其特征为，
缓冲层(9)与生长层(2)邻接的单层的含铝量高于从生长层(2)看去的、置于该单层后面的一个单层的含铝量。
13.按权利要求11或12的方法，
其特征为，
缓冲层(9)背离生长层(2)的一侧上的单层的含铝量低于从生长层(2)看去的、置于该单层前面的一个单层的含铝量。
14.按权利要求10至13任一项的方法，
其特征为，
该缓冲层按下列步骤制作：
-在生长层(2)上制作许多相隔一定距离的导电区；
-涂覆整平用的填充层(7)。
15.按权利要求14的方法，
其特征为，
通过使用InGaN材料，GaN材料或InN材料形成这些导电区。
16.按权利要求14或15的方法，
其特征为，
填充层(7)具有含高铝量的AlGaN或AlGaInN而可形成平面的表层。
17.按权利要求1至16任一项的方法，
其特征为，
该生长层的厚度为约1微米和20微米之间，特别是小于10微米。
18.按权利要求1至17任一项的方法，
其特征为，
该外延衬底具有一个与薄膜元件(11)的材料匹配的热膨胀系数或具有一个大于该材料的热膨胀系数。
19.在III-V族氮化物半导体材料的基板上的产生辐射的半导体芯片具有一个用III-V族氮化物材料制成的多层薄膜元件(11)，该薄膜元件具有一个n型面和一个p型面，
其特征为，
薄膜元件(11)用p型面叠置在一个导电载体(5)上，并在n型面上具有一个接触面(12)；
半导体本体(11)与接触面(12)邻接的外延层具有AlGaN基的材料，其中，面向接触面(12)的一面比背离接触面(12)的一面具有较高的含铝量，且该缓冲层包含若干由不同于这个剩余的缓冲层的III-V族氮化物材料制成的导电区。
20.按权利要求19的半导体芯片，
其特征为，
这些导电区由一种InGaN基的材料、由InN或由GaN组成。
21.按权利要求20的半导体芯片，
其特征为，
这些导电区由In1-xGaxN(0≤x＜1)或由含有少量铝的、可构成这些导电区的In1-x-yAlxGayN(0≤x＜1，0≤y＜x和x+y＜1)组成。
22.按权利要求19至21任一项的半导体芯片，
其特征为，
缓冲层(9)由AlGaN基底上的若干单层组成。
23.按权利要求22的半导体芯片，
其特征为，
与薄膜元件(11)邻接的单层(9)的含铝量比从该单层看去的、位于该薄膜元件后面的一个单层的含铝量低。
24.按权利要求19至23的半导体芯片，
其特征为，
产生辐射的载体(5)是辐射能穿透的或部分能穿透的。
25.按权利要求19至24任一项的半导体芯片，
其特征为，
载体(5)具有一层反射层来反射所产生的辐射或至少部分地设置了一个表面来反射所产生的辐射。
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