具有解理表面的半導體器件的製作方法
2023-06-14 18:34:21
專利名稱：具有解理表面的半導體器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件，特別涉及一種具有解理表面的諸如半導體雷射器之類的光發射器件。
為了在諸如化合物半導體雷射器之類的半導體器件中產生受激發射，需要一對光學端面來包圍光發射區域兩端的光，以便在端面之間形成一個諧振腔。
通常由垂直於晶體襯底或垂直於外延生長在晶體襯底上的半導體層的解理表面來構成這些端面，用晶體的解理面來形成解理表面。在這種情況下，在半導體層的前表面或在襯底的反面標有劃線以確定開始解理的點。也可以用其它方法來形成端面，例如，RIE(反應離子刻蝕)或化學溼法刻蝕。通常，用這些刻蝕方法形成的端面在光學上不如解理端面。而且，刻蝕工藝非常複雜，且在批量生產時有負作用。
當用上述方法解理時，其上外延生長半導體層的襯底的厚度應比外延生長的半導體層的厚度大得多。為此，簡單容易地解理襯底特別重要。對由如AlGaAs或AlGaInP等III-V族或由ZnSSe或ZnCdSe等II-VI族形成的廣泛使用或正在研製中的半導體雷射器，使用容易解理的GaAs或其它材料作襯底。因此，可以通過解理形成諧振腔端面。
由於如半導體雷射器之類的半導體光發射器件需要短波長光發射，用能在蘭光到紫外光範圍發光的含III族元素{Ga，Al，In}和V族元素N(氮)的III-V族化合物半導體的半導體雷射器引起了人們的注意。在這種情況下，已有人嘗試用MgAl2O4或LGO(即LiGaO2)這些能利用材料的解理特性的晶體作襯底，進行{Ga，Al，In}-N化合物半導體層的外延生長。
例如，提出了一種在蘭寶石襯底上外延生長含{Ga，Al，In}中任一種和N的化合物半導體層，來形成想要的半導體雷射器。由於蘭寶石襯底的解理面和化合物半導體層的解理面不一致，所以很難象上述情況一樣通過解理來形成端面。
因此，本發明的目的是提供一種半導體器件，其中，用解理面與半導體層不一致的襯底、或很難解理、或解理面與半導體層的易解理面不同的襯底，來形成具有GaN或類似的III-V族化合物半導體層的半導體雷射器之類的器件，從而容易且精確地沿半導體層的解理面進行破裂或解理。
根據本發明，提供一種半導體器件，包括襯底，以及在襯底上由含N和至少選自{Ga，Al，In}中的一種元素的化合物半導體構成的至少一層，其中襯底具有一對{1-102}面的端面或具有一個偏{1-102}面±5度之內的面。
根據本發明，即使襯底的晶面和半導體層的晶面不一致，也可能在外延生長於襯底上的半導體層中形成一對具有很好解理特性的端面。這對端面可被限定在襯底上的半導體層中，從而用這些端面作半導體光發射器件的諧振腔。於是，可以生產具有很好光發射特性的半導體光發射器件，如半導體雷射器之類的器件。
根據本發明，例如偏離{11-20}面或{1-102}面約5度的基本等效於{11-20}面或{1-102}面的平面，也分別被認為是{11-20}面或{1-102}面。
圖1是表示根據本發明的半導體器件的實例的示意透視圖。
圖2是表示根據本發明生產半導體器件工藝的一個步驟的實例的剖面圖。
圖3是表示根據本發明生產半導體器件工藝的一個步驟的實例的剖面圖。
圖4是表示根據本發明生產半導體器件工藝的一個步驟的實例的剖面圖。
圖5A、5B和5C分別是表示根據本發明限定在襯底上的槽的形狀的實例的透視圖。
圖6是本發明的製造方法的實例的一個步驟的示意截面圖。
圖7是本發明的製造方法的實例的一個步驟的示意截面圖。
下面將說明本發明的實施例。圖1是表示根據本發明的半導體器件的實例的示意透視圖。
根據本發明，在襯底1上形成含{Ga，Al，In}中至少一個元素和N(即GaN族半導體)的化合物半導體層2。該例表示本發明在GaN族半導體雷射器的一個應用，其中半導體層2構成GaN族半導體光發射器件，如在蘭寶石之類的襯底1上形成至少第一包層6、如有源層7的光發射層、和第二包層8的半導體雷射器。
特別是在本發明中，蘭寶石襯底1由一種襯底構成，該襯底具有其上將形成半導體層的{11-20}面的主表面1a，即面a，和{1-102}面即垂直面a的面r。
為了容易地理解本發明的器件，下面將參照透視圖2到4說明製造根據本發明的半導體器件的方法的實例。如沿圖1中的虛線的剖面圖2所示，例如，在蘭寶石襯底1的主表面1a的{11-20}面(在附圖中示為面(1120)上的要求，需要外延生長30nm的GaN緩衝層4。然後，用與上述相同的外延生長步驟，在襯底1上形成約3μm厚的摻n型Si雜質的第一導電型如n型電極接觸層5、約0.5μm厚的摻n型Si雜質的n型AlGaN第一包層6、約0.05μm厚的低摻雜n型雜質濃度或不摻雜的GaN有源層7、約0.5μm厚的摻作為第二導電類型的p型Mg雜質的AlGaN第二包層8、約1.0μm厚的摻p型Mg雜質的GaN蓋層9。可以用MOCVD(金屬有機物化學汽相澱積)或MBE(分子束外延)來外延生長這些半導體層3到9。
如圖3所示，表示垂直於圖2所示截面的截面，用化學溼法刻蝕或RIE幹法刻蝕，從蓋層9的表面，沿與上述面r呈一角度或垂直的方向，為除去層6-9的一部分，並暴露電極接觸層5的一部分，形成條狀電極接觸槽10。在包括槽10的側面和底面的蓋層9的整個表面上，濺射或CVD(化學汽相澱積)形成SiO2之類的絕緣層11。然後，在蓋層9上的絕緣膜11上，在沿槽10的延伸的方向即在與面r呈一角度或垂直的方向，形成條狀電極接觸窗口11w1。在槽10中的電極接觸層5上的絕緣膜11中，形成另一電極接觸窗口11w2。例如，用光刻方法刻蝕圖形形成窗口11w1和11w2。
例如，通過電極接觸窗口11w1，在蓋層9上面歐姆接觸地澱積Au電極12。另一方面，通過另一電極接觸窗口11w2，在電極接觸層5上面歐姆接觸地相繼澱積由Ti、Al和Au金屬層構成的疊層電極13。然後整個進行退火。
如與圖2相同的平面，即垂直圖3的剖面的圖4所示，沿平行於{1-102}面或半導體層2的等效{1-102}面的方向切出兩個或多個條形槽18。例如可以用切割形成槽18。襯底表面1b的每個槽的開口寬度為20μm到200μm。形成沿襯底1的{1-102}面延伸的槽18的底部18S，用以集中槽底部的應力。
槽18的深度沒有到達半導體層2。假設襯底1的厚度為T，且襯底槽的深度為D，則其關係為0＜T-D≤150μm，或0＜T-D≤T/2。
如從圖5中所示襯底1的反面所取的透視圖所示，槽18的截面可以是各種形狀，如圖5A所示的V字形、圖5B所示的U字形、或圖5C所示的垂直側面形。在槽18的底部18S形成沿襯底1的{1-102}面線性延伸的尖部。應力將集中在底部18S的尖部。
此後，向形成有半導體層2的襯底1施加外力，而沿其表面施加張力。例如，可以以這種方式加外部機械應力、熱應力或超聲波來使襯底1彎曲。這樣導致應力集中在槽18的底部。隨後，如圖1所示，由於蘭寶石襯底1的{1-102}面為容易解理面，所以，襯底1沿槽18斷裂，半導體層2也沿槽18斷裂，由此製作半導體晶片。於是，明顯比襯底1薄的半導體層2斷裂。在這種情況下，襯底1的厚度為幾百μm，而半導體層約為幾μm，這樣襯底1和半導體層2一起斷裂。更具體地，在半導體層2中，限定了一對與基於襯底1的面r的端面一致的清晰斷裂的端面3。
與此同時，已有{1-102}面即面r為容易解理的面的報導(見S.M.Wiederhorn，Journal of the American Ceramic society，52(9)，(1969)485-91./E.Stofel和Hans Conrad，Trans.AIME，227(5)(1963)1053)。
而且，如上所述，當在襯底1中確定槽18時，應力集中在底部，這樣可更有效地進行前述面r的解理，另外，在由槽18所確定的規定位置處進行解理。
可以在比室溫高的溫度進行這種斷裂，較好為150℃或更高，儘量為接近外延生長溫度的300℃或更高，此時襯底1的彈性下降，但溫度低於半導體層2的外延生長溫度。
下面說明為什麼在儘量接近半導體層2的外延生長溫度下進行斷裂的原因。襯底1和半導體層2最好整體斷裂。此時，由於在半導體層2和襯底1之間的晶格失配，導致存在彈性應力，襯底1和半導體層很難一起斷裂。半導體層2在襯底1上的外延生長溫度通常被認為是使晶格失配而導致度的應力最小的溫度。因而，在接近外延生長的溫度下，半導體層2和襯底1之間的應力很小。因此，在這種溫度下，與其它情況相比，較容易使半導體層2和襯底1一起斷裂。
如上所述，低彈性特性的斷裂，能保證斷裂在襯底1和半導體層2上面連續延伸。
例如，已在報導，蘭寶石的強度在增加溫度至300到600℃時變得最低(A.H.Heuer和J.P.Roberts，「Temperature Dependence of thestrength of Corundum Single Crystals」，American Ceramic SocietyBulletin，47(4)(1968)354))。
這樣形成的端面3提供了光性能極佳的平面。然而，如具有半導體層2的示意截面圖的圖6所示，原子臺階可以導致微小不平度。因此，在端面上形成絕緣表面層21，通過填平小的凸凹3a來得到光滑的鏡面。表面層21至少在跨越作為諧振腔的端面部分處覆蓋，即表面層21至少要覆蓋在作為光發射層的有源層7的端面和限制光散布的層如第一和第二包層6和8上。
使用折射率與有源層7及在有源層兩端限制光的層如至少第一和第二包層6和8中的至少一個相等或儘量接近的材料如氮化鋁AlN，用真空澱積、濺射或CVD方法形成表面層21材料。
而且，如與圖6相似的示意截面圖和圖7所示，可以用多反射層22來覆蓋表面層21的外表面，以增加端面3的折射率。
按這種方法，生產本發明的半導體雷射器。
如上所述，根據本發明，沿形成在襯底1中的槽18形成端面3。由此根據最終形成的半導體雷射器的諧振腔的長度來選擇相鄰槽18的間隔。
在根據上述本發明的半導體器件中，通過半導體層2的解理來形成構成諧振腔的半導體層2的端面3。由此可形成光性能極佳的平面。而且，如上所述，在端面形成有具有與半導體層2相近折射率的絕緣膜的情況下，可以將解理表面的材料中原子臺階引起的微小不平面形成為光滑平面。由此可以使諧振腔的實際端面(兩端的反射面)形成為極佳的平面。
附圖示出了槽18沿襯底1的一個方向平行延伸的情況。但是，在半導體雷射器的實際製造工藝中，不僅要在垂直諧振腔的方向，即形成反射面3的方向斷裂，而且要在平行這個方向的方向斷裂，從而生產通過分割襯底1形成的電路晶片。因此，以相應於晶片寬度的間隔，即垂直槽18方向的預定間隔，在襯底1上形成與槽18相似的槽。在這種情況下，半導體層2可以在難解理的面斷裂。由於這種斷裂表面不構成諧振腔的端面，因此不需要光性能極佳的表面，而且這不會影響半導體雷射器的性能。
如上所述，根據本發明，如果襯底1由蘭寶石構成，則容易解理。儘管如此，沿預定方向的解理可以通過形成槽18來很好地完成，並可合適地選擇截面形狀來集中應力。沿襯底1上半導體層2中容易解理的平面形成槽18。按這種方式，至少可以按預定晶面形成諧振腔，即按半導體層2的容易解理的面，而不用襯底1的解理面。
因此，本發明並不限於上述蘭寶石襯底，本發明同樣適用不容易解理的襯底。換句話說，本發明並不限於構成上述實例的半導體光發射器件的AlGaN系半導體層2。
半導體層2由包含{Ga，Al，In}中至少一種元素和N的化合物半導體層構成。在端面3澱積表面層21來填平端面3，在這種情況下，各個半導體層的折射率n如下GaN為2.67，AlN為2.15，InN為2.85到3.05。由此，可通過真空汽相澱積、濺射或CVD具有1.5到3.05之間折射率的AlN、GaN、InN、AlGaN或InGaN膜，在端面3上形成表面層21。
上述說明是關於有源層置於包層之間被稱為雙異質結構型的半導體雷射器。但是本發明並不限於上述半導體雷射器，本發明同樣可以用在把光導層置於有源層和包層之間的被稱為SCH(分離限制異質結構)中。因此，可以適用於半導體雷射器或發光二極體的各種結構。
如上所述，根據上述實施例，襯底1是蘭寶石襯底，置於襯底1上的半導體層2是含{Ga，Al，In}中至少一種元素和N的化合物半導體，採用在一個能解理襯底1的平面斷裂兩種材料的方式，即使兩種材料的解理面彼此不一致，也能使襯底1和置於其上的半導體層一起斷裂。因此，可以將端面3形成為表面特性比例如用刻蝕工藝製備的平面好得多的平面。另外，除可以穩定地生產如半導體雷射器等具有預定特性的半導體器件外，可簡化生產工藝，而且工藝重複性好。
儘管本領域的普通技術人員可以作出其它變型和改變，但由於所有這些變型和改變皆合理而合適地落入本發明對已有技術作出的貢獻的範圍內，所以在本發明所限定的範圍內實施這些變型和改變皆是本發明者的發明。
權利要求
1.一種半導體器件，包括襯底；和在所述襯底上至少有由含N和選自{Ga，Al，In}中的至少一種元素的半導體化合物構成的一層；所述襯底具有一對偏離所述襯底{1-102}面5度以內的端面。
2.如權利要求1的半導體器件，其特徵為所述至少一層具有一對平行所述襯底的所述端面的端面。
3.如權利要求2的半導體器件，其特徵為所述至少一層的所述一對端面是半導體光發射器件的諧振腔。
4.如權利要求1的半導體器件，其特徵為所述襯底為蘭寶石。
5.如權利要求1的半導體器件，其特徵為所述襯底具有{11-20}晶面的主表面。
6.如權利要求2的半導體器件，還包含在所述至少一層的所述端面上的絕緣膜，具有和所述半導體化合物基本相同的折射率。
7.如權利要求6的半導體器件，其特徵為所述絕緣膜主要由選自Al、Ga、In的組中至少一種元素與N結合的材料構成。
8.一種半導體器件，包含具有{11-20}晶面的主表面的蘭寶石襯底；和在所述襯底的所述主表面上的至少一層GaN；所述襯底具有一對偏離襯底的{1-102}面5度以內的端面。
全文摘要
製備一種光發射器件，在具有{11-20}面(面a)作主表面的襯底1上，形成具有含至少第一包層6、光發射層7、和第二包層8的疊層結構的半導體2；在加熱條件下，在{1-102}面(面r)解理，使半導體層2和襯底1一起斷裂，以在上述襯底上形成一對端面，同時，在半導體層2上形成沿襯底1的上述一對端面延伸的端面3。
文檔編號H01S5/02GK1158017SQ96117948
公開日1997年8月27日 申請日期1996年12月25日 優先權日1995年12月25日
發明者森田悅男, 河合弘治 申請人:索尼株式會社