GaN基的半導體元件的製造方法
2023-05-01 08:16:16
專利名稱：GaN基的半導體元件的製造方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1前序部分所述的GaN基的一種半導體元件的製造方法。
GaN基的半導體元件主要用來產生藍綠光譜範圍內的輻射並具有由一種GaN基材料製成的若干層。這類材料除了GaN本身外，還包括由GaN衍生的或與GaN同源的材料以及建立在其基礎上的三元或四元混合晶體。其中，尤其是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)屬於此類材料。下面所謂的「GaN基」材料除了涉及GaN本身外，還涉及上面列出的材料系統。
通常用外延法來製造GaN基的半導體元件。其中，外延襯底的選擇既對製造過程又對元件的功能起決定性的作用。
一般採用藍寶石襯底或SiC襯底，但這兩種襯底都有一些缺點，例如藍寶石相對於GaN基各層的晶格匹配缺陷是比較大的。
與藍寶石比較，SiC襯底與GaN基材料具有較好的晶格匹配。但具有足夠晶體質量的SiC襯底的製備是與很高的費用聯繫在一起的。此外，GaN基半導體元件的出產率是相當低的，因為受到SiC晶片直徑尺寸的限制，典型地，該尺寸明顯低於150毫米。
從專利文獻US 5 786 606已知一種GaN基的產生輻射的半導體元件的製造方法。該方法首先在一個SIMOX襯底(氧化物注入隔離)或SOI襯底(絕緣體上的矽)上用外延法生長一SiC層，然後在這個SiC襯底上澱積若干GaN基的疊層。
但由於SiC層吸收了產生的輻射的一部分，所以通過SiC層降低了元件的輻射效率。此外，具有足夠晶體質量的SiC層的外延生長要求高的製作費用。
本發明的目的在於提出GaN基半導體元件的一種技術簡單和費用低廉的製造方法。此外，本發明的目的在於開發一種具有高輻射效率的半導體元件的製造方法。
這個目的是通過權利要求1所述的一種製造方法來實現的。本發明的各種有利的方案可從各項從屬權利要求中得知。
本發明的製造方法是在一個複合襯底上用外延法生長若干GaN基的層，該複合襯底具有一個襯底本體和一個中間層，且該襯底本體的熱膨脹係數接近於或大於GaN基的層的熱膨脹係數。
在用不同成分的若干GaN基層時，它們的熱膨脹係數也有所差別。但這種差別一般是很小的，並相對於襯底本體的熱膨脹係數而言，可忽略不計。其中，作為GaN基各層的熱膨脹係數尤其是與該複合襯底鄰接的一層的熱膨脹係數起決定性的作用。此外，根據層序列的結構，也可用具有最大厚度的該GaN基層的熱膨脹係數或必要時用具有相應層厚的熱膨脹係數的平均值。
根據本發明，該襯底本體的熱膨脹係數大於或接近於GaN基各層的熱膨脹係數。在後一種情況中，該襯底本體的熱膨脹係數最好與GaN基各層的熱膨脹係數相差不大於50％，特別是最好不大於30％。
複合襯底可理解為這樣一種襯底，它包括至少兩個區域、襯底本體和中間層並作為外延法用的原襯底。特別是，該中間層不是外延生長的，而是最好用一種鍵合方法形成在該襯底本體上。
作為鍵合方法最好用一種氧化鍵合法或晶片鍵合法。在用氧化鍵合時，該襯底本體和中間層在形成一層氧化層例如一層氧化矽層的情況下作為附著層相互連接，而在晶片鍵合時，該襯底本體和中間層則直接連接。在很大程度上也可用別的鍵合方法，例如用低共熔鍵合法或形成一層非氧化附著層的鍵合法。
在上述那類複合襯底時，熱性能主要由該襯底本體來決定，而中間層的外延表面及其晶格常數則在很大程度上與此無關。所以有利於該中間層最佳匹配要生長的各層的晶格常數。與此同時，由於使用一個具有足夠高的熱膨脹係數的襯底本體，防止了GaN基各層在生長後在冷卻階段產生翹曲並由此而在各層中形成裂紋。所以該中間層最好做得很薄，使整個複合襯底的熱膨脹係數基本上相當於襯底本體的熱膨脹係數。通常地，該襯底本體比該中間層至少厚20倍。
根據本發明的一個有利方案，襯底本體最好含有SiC、Si或GaN、尤其是多晶體(多晶SiC、多晶Si或多晶GaN)、藍寶石或AlN。SiC的熱膨脹係數接近於GaN基的材料的熱膨脹係數，而上述其餘材料則具有一個比GaN基材料大的熱膨脹係數。這樣就利於避免外延生長的各層在冷卻階段形成裂紋。
在本發明的一種優選方案中，中間層含有SiC、Si、藍寶石、MgO、GaN或AlGaN。這些材料特別適用於形成一個具有與GaN匹配的晶格常數的基本上是單晶的表面。作為外延表面則優先選用Si(III)表面或單晶的SiC表面，在該表面上生長GaN基各層。
在本發明的一種有利的方案中，GaN基各層被澱積在一個複合襯底上，而中間層則通過一種鍵合方法例如晶片鍵合法或氧化鍵合法鍵合在該襯底本體上。在該襯底本體和中間層之間最好形成一層例如用氧化矽製成的附著層。
用鍵合法有利於組合多種材料系統，而不受到材料不相容性的限制，這種不相容性例如在襯底本體上外延生長一中間層時則需要進行考慮。
為了獲得足夠薄的中間層，可首先在該襯底本體上鍵合一層較厚的中間層，然後例如通過磨削或裂解減薄到需要的厚度。
在本發明的一種有利的方案中，在GaN基各層澱積到該複合襯底上之前形成一掩模層，這樣只在沒有被掩模覆蓋的外延表面的區域上生長GaN基各層。從而有利於GaN基各層在層平面內中斷，並由此達到附加地防止翹曲和伴隨的裂紋形成。
本發明的另一個優選方案在於，在GaN基各層澱積到該複合襯底上以後，構成單個的半導體層疊，然後在這個GaN基半導體層疊上設置一個載體並去掉該複合襯底。所以該複合襯底可至少部分地被重複使用。這對製作費用很高的SiC襯底本體來說，是一個獨特的優點。此外，可按這種方式方法製作薄膜元件。這裡所謂的薄膜元件是指一個不含外延襯底的元件。
這樣，在產生輻射的半導體元件的情況中，就可到達輻射效率的提高，因為避免了外延襯底例如尤其是在SiC襯底時產生的輻射被吸收。
適合作載體的材料例如有砷化鎵(GaAs)、鍺、矽、氧化鋅或金屬，特別是鉬、鋁、銅、鎢、鐵、鎳、鈷或它們的合金。
載體材料最好這樣選擇，使其熱膨脹係數與GaN基各層的熱膨脹係數匹配並在必要時與襯底本體的熱膨脹係數匹配。如果在設置該載體和去掉該複合襯底的GaN基各層之間使溫度變化，則與襯底本體的熱膨脹係數的匹配是特別適合的。熱膨脹係數相差過大，勢必導致載體與複合襯底的不同膨脹，並由於太大的機械應力而增加位於其間的GaN基各層的損壞危險。
為了使半導體製成後一方面在冷卻過程中和另一方面在運行中(例如由於損耗功率引起加熱)可能產生的機械應力保持很小，該載體和GaN基各層的熱膨脹係數的匹配是有利的。
匹配的熱膨脹係數具有這樣的特徵它們的差別很小，所以在出現溫度的範圍內，由於熱引起的機械應力基本上對GaN基各層不造成損壞。載體的熱膨脹係數與複合襯底的熱膨脹係數相差最好小於50％，特別是最好小於30％。
可能產生的溫度變化例如是由於複合襯底的GaN基各層的去掉方法、製作時尤其是在設置該載體過程中控制的溫度與設置的運行溫度和/或由於運行條件預期的損耗功率所引起的。
載體材料最好選擇成使該載體的熱膨脹係數介於襯底本體的熱膨脹係數和GaN基各層的熱膨脹係數之間。特別是，該載體的熱膨脹係數最好大於複合襯底和GaN基各層的熱膨脹係數的算術平均值。
根據本發明，半導體疊層從複合襯底到一個載體上的上述的所謂再次鍵合(Umbonden)也可分兩步進行GaN基半導體疊層首先被鍵合到一個中間載體上，然後鍵合到實際的載體上，這樣該實際載體就最終代替了該複合襯底。其優點是，這樣製成的半導體疊層具有一個按先有技術用外延襯底的GaN基半導體一致的層序列，所以，兩種疊層都可用相同的後處理步驟，例如分割、連線和封裝。
在GaN基板上產生輻射的半導體的製造方法的一個特別優選的方案中，在半導體疊層上形成了一層反射層來提高輻射效率。由於GaN基材料的高的折射率，GaN基半導體元件的輻射效率絕大部分通過反射到半導體本體的界面上而受到了限制。在產生輻射的半導體本體沒有吸收輻射的襯底時，通過一個反射層有利於反射到輸出面上的輻射部分重新反射到輸出面上，這樣就進一步提高了輻射效率。
反射層最好為金屬層，該金屬層例如含有鋁、銀或相應的鋁合金或銀合金。
這一金屬層同時用作接觸面是有利的。另一種解決辦法是，也可通過多層電介質層形式的電介質的鏡面化來構成反射層。
在本發明的一種有利方案中，半導體疊層的表面的至少一部分被打毛。這樣就幹擾了表面的全反射，並由此達到了輻射效率的提高。打毛最好通過腐蝕或噴砂方法來實現。
本發明的其他特徵、優點和適用性可從結合
圖1至3的三個實施例的下列說明中得知。
附圖表示圖1本發明製造方法的第一實施例的示意斷面圖。
圖2本發明製造方法的第二實施例的示意斷面圖。
圖3本發明製造方法的第三實施例的示意斷面圖。
圖中凡是相同或作用相同的部分都用相同的符號表示。
在圖1所示的製造方法中，採用一個複合襯底，該複合襯底具有一個用多晶SiC製成的襯底本體1，在該襯底本體上按公知的方式鍵合一層單晶的SiC中間層2。為此，在襯底本體1和中間層2之間形成了一層例如用氧化矽製成的附著層3(圖1a)。
在該複合襯底上，用外延法生長多層GaN基層4(圖1b)。這個層序列的結構原則上不受任何限制。
為此，最好形成一層用來產生輻射的有源層，該有源層被一層或多層外層和/或波導層包圍。這一有源層可由一個單量子阱結構或多量子阱結構形式的若干薄的單層構成。
此外，最好在中間層2上首先形成一層例如AlGaN基的緩衝層，通過該緩衝層可達到其後各層的更好的晶格匹配和更高的浸潤性。為了提高該緩衝層的導電率，可在該緩衝層中埋入一些例如INGaN基的導電溝。
然後，GaN基各層4通過側面結構化、最好通過臺面腐蝕分成單個的半導體疊層5(圖1c)。
在下一個步驟中(圖1d)，在這個半導體疊層5上設置一個載體6，該載體例如用GaAs或一種能使所產生的輻射穿透的材料製成。
然後，該複合襯底包括中間層2脫離半導體疊層5(圖1e)。這可例如通過一種腐蝕方法使中間層2或附著層3破壞來實現。在很大程度上，該複合襯底也可用雷射燒蝕法進行去掉，在這種情況下，最好用一種雷射輻射能穿透的襯底本體，例如藍寶石襯底本體。雷射輻射可通過該襯底本體輻射到中間層或附著層上。有利的是，襯底本體1可在下一個製作循環中重複使用。
如果在設置該載體和去掉該複合襯底之間使溫度變化，則對該載體和襯底本體的熱膨脹係數的匹配是特別有利的。例如含有砷化鎵、鉬、鎢或鐵鎳鈷合金的載體適合與藍寶石襯底本體進行結合。為了設置一個金屬的載體，例如可用低共熔方法。
含有單晶的或最好多晶的矽或SiC的材料作載體材料適合與SiC襯底本體結合。這時例如適合用氧化鍵合法來設置載體。
然後在這樣形成的薄膜半導體本體5上設置接觸面10(圖1f)。接著將半導體疊層5進行分割(圖1g)，並按一般的方式繼續處理。
在圖2所示的製造方法中，又是用一個複合襯底，該複合襯底主要由一個多晶SiC襯底本體1和一層Si(III)中間層2組成。中間層2用氧化鍵合法在形成一層氧化矽附著層3的情況下鍵合到襯底本體1上(圖2a)。另一種辦法是，襯底本體1和中間層2也可通過另一種鍵合法例如晶片鍵合進行連接。
在這個複合襯底上又是生長GaN基各層(圖2b)，然後在這些層上設置一層例如用鉑製成的的接觸層8(圖2c)。
然後通過腐蝕把GaN基各層4分成單個的半導體疊層5(圖2d)。
在這樣形成的半導體疊層5上設置一層用於保護的、最好是氮化矽基的鈍化層11(圖2e)。
然後在沒有被該鈍化層覆蓋的接觸層8的區域分別澱積焊劑12，並在其上澱積一個由銀合金或鋁合金製成的反射器9(圖2f)。
緊接著用低共熔鍵合法把帶有反射器9的半導體疊層5再鍵合到一個載體6上(圖2g)。
在下一個步驟(圖2h)中，去掉襯底本體1，從而可重複使用。
最後在單個半導體疊層上面設置接觸面10(圖2i)。隨後這些半導體疊層即可進行分割並在必要時進行封裝(圖中未示出)。
圖3所示本發明製造方法的實施例是前述實施例的一個方案。
如前所述，又是用一個複合襯底作為外延襯底(圖3a)。
在澱積GaN基各層4之前，在中間層2的外延表面上設置一層掩模層7(圖3b)，這樣就只在那些沒有被掩模層7覆蓋的外延表面的區域生長GaN基各層4(圖3c)。從而在層平面的方向內中斷GaN基各層4。所以附加地避免了外延澱積各層在冷卻階段產生翹曲。
其後可象其他實施例那樣繼續進行這個製造方法。
當然，藉助上述實施例所作的本發明的說明不應理解為對本發明的限制，而是包括採用本發明的原理所有實施方式。
權利要求
1.具有GaN基若干層(4)的一種半導體元件的製造方法，其特徵為，GaN基各層(4)生長在一個複合襯底上，該複合襯底具有一個襯底本體(1)和一中間層(2)，其中襯底本體(1)的熱膨脹係數接近於或最好大於GaN基各層(4)的熱膨脹係數，而GaN基各層(4)則澱積在中間層(2)上。
2.按權利要求1的方法，其特徵為，中間層(2)的厚度很小，以至該複合襯底的熱膨脹係數主要由襯底本體(1)來決定。
3.按權利要求1或2的方法，其特徵為，襯底本體(1)含有SiC、多晶SiC、Si、多晶Si、藍寶石、GaN、多晶GaN或AlN。
4.按權利要求1至3任一項的方法，其特徵為，中間層(2)含有SiC、Si、藍寶石、MgO、GaN或AlGaN。
5.按權利要求1至4任一項的方法，其特徵為，中間層(2)至少在部分區域具有一個單晶表面。
6.按權利要求1至5任一項的方法，其特徵為，襯底本體(1)含有多晶SiC，而中間層(2)則含有單晶SiC。
7.按權利要求1至5任一項的方法，其特徵為，襯底本體(1)含有多晶Si，而中間層(2)則含有單晶Si。
8.按權利要求1至5任一項的方法，其特徵為，襯底本體(1)含有多晶GaN，而中間層(2)則含有多晶GaN。
9.按權利要求1至8任一項的方法，其特徵為，GaN基各層(4)澱積在一個Si(III)表面上或澱積在中間層(2)的一個至少在部分區域內為單晶的SiC表面上。
10.按權利要求1至9任一項的方法，其特徵為，中間層(2)用一種鍵合法尤其是用一種氧化鍵合法或一種晶片鍵合法生長在襯底本體(1)上。
11.按權利要求1至10任一項的方法，其特徵為，在襯底本體(1)和中間層(2)之間形成了一層附著層(3)。
12.按權利要求11的方法，其特徵為，附著層(3)含有氧化矽。
13.按權利要求1至12任一項的方法，其特徵為，在該複合襯底上生長GaN基各層之前，形成一層帶外延窗口的掩膜層(7)，且在外延窗口內，該複合襯底的外延表面沒有被覆蓋。
14.按權利要求1至13任一項的方法，其特徵為，GaN基各層(4)在生長到該複合襯底上後，被結構化成單個的半導體疊層(5)。
15.按權利要求14的方法，其特徵為，該方法繼續按下列步驟進行-在半導體疊層(5)上設置一個載體(6)；-去掉該複合襯底。
16.按權利要求14的方法，其特徵為，該方法繼續按下列步驟進行-在半導體疊層(5)上設置一個中間載體；-去掉該複合襯底；-在去掉了該複合襯底的半導體疊層(5)的一面上設置一個載體(6)；-去掉該中間載體。
17.按權利要求15或16的方法，其特徵為，載體(6)至少含有一種化合物或至少含有一種元素砷化鎵、鍺、矽、氧化鋅、鉬、鋁、銅、鐵、鎳或鈷。
18.按權利要求17的方法，其特徵為，該襯底本體含有藍寶石，而載體(6)則含有砷化鎵、鉬、鎢或一種鐵鎳鈷合金。
19.按權利要求17的方法，其特徵為，襯底本體(1)含有SiC，而載體(6)則含有Si或SiC。
20.按權利要求15至19任一項的方法，其特徵為，載體(6)的熱膨脹係數與GaN基各層(4)的熱膨脹係數匹配。
21.按權利要求15至20任一項的方法，其特徵為，載體(6)的熱膨脹係數與襯底本體(1)的熱膨脹係數匹配。
22.按權利要求15至21任一項的方法，其特徵為，載體(6)的熱膨脹係數介於襯底本體(1)的熱膨脹係數和GaN基各層(4)的熱膨脹係數之間。
23.按權利要求1至22任一項的方法，其特徵為，在GaN基各層(4)上或在半導體疊層(5)上形成了一層反射層(9)。
24.按權利要求23的方法，其特徵為，反射層(9)通過設置一金屬層來形成。
25.按權利要求24的方法，其特徵為，該金屬層含有銀、鋁或一種銀合金或鋁合金。
26.按權利要求23至25任一項的方法，其特徵為，反射層(9)同時作為接觸面用。
27.按權利要求23的方法，其特徵為，反射層(9)通過一種電介質的鏡面化來構成。
28.按權利要求14至27任一項的方法，其特徵為，半導體疊層(5)的表面至少部分地被打毛。
29.按權利要求28的方法，其特徵為，半導體疊層(5)的表面通過腐蝕進行打毛。
30.按權利要求28或29的方法，其特徵為，半導體疊層(5)的表面通過噴砂進行打毛。
31.薄膜半導體元件，包括產生輻射的元件、二極體、電晶體、產生輻射的二極體、發光二極體、半導體雷射器和輻射檢測元件，其特徵為，該元件在用權利要求15或16或其前面任一項所述的方法的情況下進行製造。
32.用一個具有襯底本體(1)和中間層(2)的複合襯底來外延製造具有多層GaN基層(4)的半導體元件，其特徵為，襯底本體(1)和中間層(2)通過一種鍵合方法進行連接。
33.按權利要求32所述的複合襯底的應用，其特徵為，襯底本體(1)和中間層(2)通過一種氧化鍵合法或一種晶片鍵合法進行連接。
全文摘要
本發明涉及一種具有多層GaN基層的半導體元件的製造方法，這種半導體元件最好用來產生輻射。其中多層的GaN基層(4)生長在一個複合襯底上，該複合襯底具有一個襯底本體(1)和一層中間層(2)，而且襯底本體(1)的熱膨脹係數接近於或最好大於GaN基各層(4)的熱膨脹係數，GaN基各層(4)被澱積在中間層(2)上。該中間層和襯底本體最好通過晶片鍵合方法進行連接。
文檔編號H01L27/15GK1471733SQ01817506
公開日2004年1月28日 申請日期2001年10月8日 優先權日2000年10月17日
發明者S·巴德, D·埃澤爾特, B·哈恩, V·海勒, S 巴德, 蠖 申請人:奧斯蘭姆奧普託半導體有限責任公司