CN102088163A - 具有InGaN层的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有InGaN层的半导体器件。本发明还涉及一种制造垂直光电结构的方法，包括以下步骤：a)提供第一衬底和形成在第一衬底上的InGaN晶种层的堆叠；b)在InGaN晶种层上生长InGaN层，以便获得衬底上InGaN结构；c)形成覆盖InGaN层的表面的第一反光镜层；d)分离第一衬底；以及e)形成覆盖InGaN的相对表面的第二反光镜层。

Description

具有InGaN层的半导体器件
技术领域
本发明涉及包括载体衬底(carrier substrate)上的InGaN层的半导体器件的制造，特别涉及包括作为有源层的InGaN层的垂直光电结构的制造。
背景技术
高质量III族氮化物薄层的形成给目前的高性能半导体器件造成了严重的问题，所述的高性能半导体器件例如是晶体管器件和光电器件，特别是作为垂直腔面发射激光器(VCSEL)的激光器器件。
通常，通过在诸如蓝宝石衬底的晶种衬底(seed substrate)上外延生长来形成高质量III族氮化物薄层，所述外延例如是分子束外延、金属有机气相外延或混合气相外延。晶种衬底上的外延生长通常涉及高质量III族氮化物薄层生长之前的厚的III族氮化物层(通常被称为过渡层)的生长，其中厚的III族氮化物层有利于提高III族氮化物材料的质量。
然后，通过现有技术中已知的一些晶片转移工艺，例如键合和激光剥离(laser lift-off)或SMART CutTM工艺，生长的层可以被转移到目标晶片上。通过在晶片转移之后去除厚的过渡层，可以实现用于制造高质量III族氮化物薄层的III族氮化物层的减薄。例如，可以通过研磨、抛光或等离子蚀刻来实现这种减薄过程。由于过渡层的厚度，III族氮化物材料的受控均匀减薄可能很复杂，这可能影响高质量III族氮化物薄层的厚度均匀性。
被转移的III族氮化物层的缺陷密度对于最终获得的半导体器件的性能特性至关重要。形成缺陷的主要原因在于层上的生长表现出不同的晶体结构，即III族氮化物层和外延生长III族氮化物层的晶种层(seed layer)的晶格常数不匹配，从而导致III族氮化物层中出现应变。
此外，转移的III族氮化物层的应变状态和极性对于最终获得的半导体器件的性能特性也至关重要。这些特性可以包括例如载流子复合效率。转移的III族氮化物层和后续有源层之间的应变可能影响半导体器件中的内部压电场。此外，转移的III族氮化物层的极性还可能影响半导体结构中的压电场，为了减轻应变对内部电场的影响，可以利用极性选择。
III族氮化物薄层代表目前的小规模光电器件(特别是作为垂直腔面发射激光器(VCSEL)的激光器器件)的主要元件。US6,320,206B1公开了一种制造具有晶片键合的铝镓铟氮结构和反光镜堆叠的VCSEL的方法。根据US6,320,206B1的教导，在蓝宝石衬底上生长p掺杂和n掺杂的InAlGaN层，然后该层被转移到目标衬底上。在所得到的结构中，InAlGaN层被夹在反光镜层之间以便获得VCSEL。
但是，尽管存在目前的设计工艺，仍需要提供在总体上具有增强的均匀性以及减小的缺陷密度的III族氮化物层，特别是基于III族氮化物层的改进的VCSEL。
发明内容
本发明着眼于上述需求，并相应地提供一种制造方法，包括下列步骤：
a)提供第一衬底和形成在第一衬底上的InGaN晶种层的堆叠，所述InGaN晶种层特别是松弛的InGaN晶种层；以及
b)在InGaN晶种层上生长InGaN层，以便获得衬底上InGaN结构。
通过在薄的InGaN晶种层上生长InGaN层，特别是松弛的InGaN晶种层，更特别的是极性松弛(relaxed polar)、半极性松弛(relaxed semi-polar)或无极性松弛(relaxed non-polar)的InGaN晶种层，可以获得衬底上InGaN结构，该衬底上InGaN结构可用于进一步制造半导体器件，而无需去除在后续处理步骤中在其上生长InGaN层的厚层。从而可以获得具有高均匀性的生长的InGaN层。
所述方法还包括以下步骤：
c)形成覆盖InGaN层的表面的第一反光镜层；
d)分离第一衬底；以及
e)形成覆盖InGaN的相对表面(与第一反光镜层所覆盖的表面相对的表面)的第二反光镜层。
根据示例的创造性方法还包括：
提供第二衬底，在所述第二衬底上形成有所述第一反光镜层，特别地，所述第一反光镜层由分布式布拉格反射器形成；
将衬底上InGaN结构键合到形成在所述第二衬底上的所述第一反光镜层上；
分离所述第一衬底并去除InGaN晶种层，以便暴露InGaN层的表面；以及
在InGaN层的暴露表面上形成所述第二反光镜层，特别地，所述第二反光镜层由分布式布拉格反射器形成。
可选地，包括反光镜层的结构可以通过以下步骤获得：
在InGaN层上形成第一反光镜层；
将第二衬底键合到所述第一反光镜层上，特别地，所述第一反光镜层由分布式布拉格反射器形成；
分离所述第一衬底并去除InGaN晶种层，以便暴露InGaN层的表面；以及
在InGaN层的暴露表面上形成所述第二反光镜层，特别地，所述第二反光镜层由分布式布拉格反射器形成。
在上述两种可选方式中，可以通过蚀刻或抛光来去除InGaN晶种层。在本发明的其他实施例中，可以通过热氧化/还原过程或者通过光电化学(PEC)蚀刻过程来去除InGaN晶种层。由于InGaN晶种层可以被设置为较薄的层，因此可以容易地执行该层的完全去除以便暴露下面的InGaN的表面。
根据另一种可选方式，所述创造性方法包括以下步骤：
在InGaN层上形成第一反光镜层，特别地，所述第一反光镜层由分布式布拉格反射器形成；
将第二衬底键合到所述第一反光镜层上；
分离所述第一衬底并暴露InGaN晶种层的表面；以及
在InGaN晶种层的暴露表面上形成第二反光镜层，特别地，所述第二反光镜层由分布式布拉格反射器形成。由于InGaN晶种层被设置为高质量的薄层，优选地可以省略去除该层的步骤，从而简化整个过程。
根据可选的过程，可以制造包括反光镜层的垂直光电结构。在这种垂直光电结构(例如可以是垂直腔面发射激光器，VCSEL)中，InGaN层作为有源层。该创造性的方法导致生长在InGaN晶种层上的有源InGaN层具有高均匀性和低位错密度，其中所述InGaN晶种层特别是松弛的InGaN晶种层而不是厚的中间衬底，例如中间GaN衬底或GaN过渡层。这样，不需要用于减薄形成在反光镜之间的腔区域的精加工，从而与现有技术相比，提高了腔区域的质量。此外，松弛的InGaN晶种层可以减小所述晶种层和生长在其上的有源InGaN层之间的应变。这种应变的减小可以改进VCSEL结构的内部电场和操作特性，例如增强载流子复合效率。利用松弛的半极性或无极性InGaN晶种也可以获得VCSEL操作特性的上述改进。此外，注意在上述实施例中，第一衬底可以是蓝宝石衬底，第二衬底可以是含硅衬底，例如硅衬底。
所提供的上述堆叠可以包括第一衬底和InGaN晶种层之间的介电层，即InGaN晶种层不直接设置在第一衬底的表面上，而是设置在先前形成在第一衬底的表面上的介电层的表面上。提供介电层有利于松弛的InGaN晶种层向第一衬底的转移。介电层的适当示例是SiOx或SixNy层。介电层可用于辅助晶片向第二衬底的转移。在本发明的某些实施例中，介电层可以包括促进激光剥离过程的电磁吸收层。在去除第一衬底之后，例如通过蚀刻或研磨从InGaN晶种层的表面去除介电层的剩余材料。
更具体而言，根据本发明，所述堆叠可通过以下步骤形成：
在第三衬底上生长InGaN晶种层；
通过键合层将生长的InGaN晶种层键合到第四衬底，所述键合层特别包括或包含硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass)层或者包含硼或磷的SiO2化合物层；
在去除第三衬底之前或之后，通过热处理松弛(relaxing)所述InGaN晶种层；以及
将松弛的InGaN晶种层转移到第一衬底上。
可选地，所述堆叠通过以下步骤形成：
在第三衬底上生长InGaN晶种层；
通过键合层将生长的InGaN晶种层键合到第四衬底，所述键合层特别包括或包含硼磷硅玻璃层或者包含硼或磷的SiO2化合物层；
在去除第三衬底之前或之后，通过热处理松弛所述InGaN晶种层；以及
通过介电层将松弛的InGaN晶种层转移到第一衬底上。
根据以上两种可选方式，其上生长有InGaN层的第三衬底可以是GaN衬底。有利地，GaN衬底的位错密度不大于5×108cm-2，或者不大于107cm-2。该低位错密度被生长的InGaN晶种层承袭，从而能够获得生长在InGaN晶种层上的高质量的(有源)InGaN层。InGaN层可以生长到100nm到2000nm的范围内的厚度，特别是500nm到1500nm的范围内的厚度。根据该创造性方法，InGaN晶种层在位错密度不大于107cm-2的GaN衬底上生长到较低厚度。InGaN晶种层的厚度在5nm到500nm的范围内。InGaN晶种层的成分可以是铟在1到30％的范围内，即In0.01Ga0.99N至In0.3Ga0.7N。由于用于生长(有源)InGaN层的InGaN晶种层很薄，因此与现有技术相比，根据本发明形成的VCSEL器件的腔厚被减小，从而改进(减小)了器件操作所需的阈值电流。
如上所述，创造性方法的以上所有示例均可用于制造垂直光电结构，特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL))，从而获得在腔/有源层的均匀性、阈值电流、波腹(anti-nodes)相对于有源层的多个量子阱的位置对齐等方面具有优异质量的器件。特别是，提供一种垂直腔面发射激光器，包括特别由分布式布拉格反射器形成的两个反光镜层，所述反光镜层夹在a)有源InGaN层或b)有源InGaN层和InGaN晶种层之间，并且可通过根据上述实施例之一的方法获得。
此外，提供一种垂直腔面发射激光器，包括以如下顺序包含以下的层的堆叠：
衬底；
第一反光镜层，特别由分布式布拉格反射器形成；
有源InGaN层；
InGaN晶种层；以及
第二反光镜层，特别由分布式布拉格反射器形成。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的其他特征和优点。在描述中，参考用于显示本发明的优选实施例的附图。可以理解这些实施例不代表本发明的全部范围。
图1显示了制造包括InGaN有源层的VCSEL的创造性方法的示例。
图2显示了制造包括InGaN有源层的VCSEL的创造性方法的另一示例。
具体实施方式
图1显示了在此公开的用于制造包括InGaN层的目标晶片的方法的一个示例。图1显示了InGaN层在InGaNoS(衬底上InGaN)加工衬底上的生长。根据该示例，InGaNoS结构包括蓝宝石衬底1、介电键合层2和松弛的InGaN晶种层3，其中晶种层3可以是极性松弛(polar relaxed)、半极性松弛(semi-polar relaxed)或无极性松弛(non-polar relaxed)的InGaN层。
可以通过以下过程获得蓝宝石衬底1上的松弛的InGaN晶种层3。设置GaN模板(自支撑衬底)，其可以表现出将被在其上生长的InGaN层承袭的极性、半极性或无极性。GaN模板有利地具有低位错密度(例如不高于107cm-2)，该低位错密度也将被在其上生长的InGaN晶种层3承袭。InGaN层在GaN模板上生长之后，可以对其进行离子注入以形成弱化区，从而有利于转移到另一衬底上。可以利用离子注入过程来限定InGaN晶种层的厚度和厚度均匀性。例如，可以选择注入剂量以便在InGaN层中理想的厚度处形成弱化区，从而限定晶种层的厚度。此外，可以选择注入剂量和分离参数以便在InGaN晶种层中产生理想的厚度均匀性。
例如，InGaN晶种层3可以被键合到玻璃状可回流键合层(glassy reflowable bonding layer)，例如硼磷硅玻璃(BPSG)或包含B(BSG)或P(PSG)的SiO2化合物。当温度超过大约800℃或850℃时(取决于玻璃的实际成分)，硼磷硅玻璃表现出回流特性，从而允许InGaN晶种层3中产生的应变松弛。可选的，在InGaN晶种层3上形成一个可回流键合层，并在衬底的表面上形成另一个可回流键合层，两个键合层彼此键合。在某些实施例中，InGaN晶种层3可以包括玻璃状可回流键合层上的覆盖层，可选地，如现有技术中已知的，InGaN晶种层3可以被装饰和蚀刻成具有几何图案的一个或多个InGaN晶种层，所述几何图案包括但不限于圆、矩形等。
除去GaN模板之前或之后，对结构进行热处理，以便松弛InGaN晶种层3。松弛之后，松弛的InGaN晶种层3被转移到蓝宝石衬底1，以便作为用于进一步处理的松弛的InGaN晶种层3。优选地，在蓝宝石衬底1的表面上直接形成介电层2，例如SiOx或SixNy层，以便有助于松弛的InGaN晶种层3至蓝宝石衬底1的转移。以任意一种方式，通过在就缺陷密度而言具有高质量的施主材料(上述GaN模板)上的生长，获得InGaN晶种层3，因此，松弛的InGaN晶种层3的厚度可以很小(例如在5nm到500nm的范围内)，而不影响材料质量。然后，可以在设置在蓝宝石衬底1上的松弛的InGaN晶种层3上外延生长InGaN层4。InGaN层的厚度在200nm到2000nm的范围内，特别在500nm到1500nm的范围内。
如图1所示，所得到的结构被键合到形成在载体衬底5上的反光镜层6。如现有技术中已知，可以通过高反射率(大约99％)的分布式布拉格反射器(DBR)来制造反光镜层5。键合过程之后，通过化学蚀刻、研磨、抛光去除蓝宝石衬底1。在本发明的某些实施例中，通过激光剥离工艺去除蓝宝石衬底1。在激光剥离的实施例中，介电键合层2可以包括促进电磁辐射的吸收的电磁吸收层，所述电磁辐射例如是通过蓝宝石衬底1的介电键合层2的激光辐射。包括电磁吸收层的介电键合层的这种辐射有利于去除蓝宝石衬底1。可以通过蚀刻、研磨和/或抛光从InGaN晶种层3上去除介电键合层2的剩余材料。
然后，去除InGaN晶种层3以便暴露InGaN层4，如图1所示。由于松弛的InGaN晶种层3较薄，可以通过蚀刻或抛光准确均匀地去除该晶种层。在本发明的其他实施例中，可以通过热氧化/还原过程或通过光电化学(PEC)蚀刻过程实现松弛的InGaN晶种层3的去除。在下一步骤中，在变为所得到的VCSEL结构的有源层的InGaN层4的暴露表面上形成第二反光镜层7，第二反光镜层7也可以通过高反射率(大约99％)的分布式布拉格反射器(DBR)来制造。然后继续现有技术中已知的其他处理步骤(包括接触)，以便完成VCSEL器件。
与现有技术相反，根据本发明，可以近乎完美地去除松弛的InGaN晶种层3而没有显著残留物。不需要对较厚有源层的后面进行蚀刻。因此，可以严格对齐光学模(optical mode)的波腹和由InGaN层4单独限定的有源InGaN区域的多个量子阱(没有残留物)。与现有技术相比，该对齐导致VCSEL的激光场与腔更好地耦合。
图2显示了与图1中所示的示例相对比的创造性方法的可选示例。根据该示例，参考图1所述形成InGaNoS结构。介电键合层2可以包括用于促进后续分离的电磁吸收层8。此外，在随后将作为有源层的InGaN层4上形成反光镜层(DBR)6。所得到的结构被键合到载体衬底5上。通过电磁吸收层8的辐射来调节蓝宝石衬底1的分离，以促进蓝宝石衬底1的激光剥离去除。但是，介电层2的剩余材料从InGaN晶种层3上去除，根据该示例，InGaN晶种层3被保留在InGaN层4上。不去除InGaN晶种层3，而是用InGaN晶种层3作为用于生长第二反光镜(DBR)层7的晶种层。由于松弛的InGaN晶种层3的低厚度和均匀性，因此InGaN晶种层3能够作为用于生长第二反光镜(DBR)层7的晶种层。InGaN晶种层3的使用可以增强反光镜层7在其上的粘附性。
在图1和图2中显示的上述例子中，反光镜层6和7可以例如包括低损耗电介质(low loss dielectrics)的堆叠对。反光镜可以包括全氧化物分布式布拉格反射器或可选的基于III族氮化物的布拉格反射器。大体上，对于全氧化物分布式布拉格反射器，可以选择二氧化硅和二氧化钛、二氧化锆、氧化钽、二氧化铪的成对的层。大体上，对于基于III族氮化物的布拉格反射器，可以选择AlxGa1-xN和GaN的成对的层。在其他示例中，反光镜层6和7可以包括金属材料。此外，可以在各个反光镜层和有源InGaN层4之间适当的设置中间键合层。
所有的上述实施例都不用于限定本发明，而是作为说明本发明的特征和优点的示例。可以理解也可以以不同方式组合上述特征的一部分或全部。

Claims (15)

1.一种制造垂直光电结构的方法，包括以下步骤：
a)提供第一衬底(1)和形成在所述第一衬底(1)上的InGaN晶种层(3)的堆叠；
b)在所述InGaN晶种层(3)上生长InGaN层(4)，以便获得衬底上InGaN结构；
c)形成覆盖InGaN层(4)的表面的第一反光镜层(6)；
d)分离第一衬底(1)；以及
e)形成覆盖InGaN(4)的相对表面的第二反光镜层(7)。
2.根据权利要求1所述的制造垂直光电结构的方法，还包括：
提供第二衬底(5)，其中在所述第二衬底(5)上形成有所述第一反光镜层(6)；
将衬底上InGaN结构键合到形成在所述第二衬底(5)上的所述第一反光镜层(6)上；以及
去除所述InGaN晶种层(3)以便暴露InGaN层(4)的相对表面。
3.根据权利要求1所述的制造垂直光电结构的方法，还包括：
在InGaN层(4)上形成所述第一反光镜层(6)；
将第二衬底(5)键合到所述第一反光镜层(6)上；
去除所述InGaN晶种层(3)以便暴露InGaN层(4)的相对表面。
4.根据权利要求1所述的制造垂直光电结构的方法，还包括：
在InGaN层(4)上形成所述第一反光镜层(6)；
将第二衬底(5)键合到所述第一反光镜层(6)上；
暴露所述InGaN晶种层(3)的表面；以及
在所述InGaN晶种层(3)的暴露表面上形成所述第二反光镜层(7)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制造垂直光电结构的方法，其中所提供的堆叠包括所述第一衬底(1)和所述InGaN晶种层(3)之间的介电层(2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的制造垂直光电结构的方法，其中所述堆叠通过以下步骤形成：
在第三衬底上生长所述InGaN晶种层(3)；
通过键合层将生长的InGaN晶种层(3)键合到第四衬底，所述键合层特别包括或包含硼磷硅玻璃层或者包含硼或磷的SiO2化合物层；
在去除所述第三衬底之前或之后，通过热处理松弛所述InGaN晶种层(3)；以及
将松弛的InGaN晶种层(3)转移到所述第一衬底(1)上。
7.根据权利要求5所述的制造垂直光电结构的方法，其中所述堆叠通过以下步骤形成：
在第三衬底上生长所述InGaN晶种层(3)；
通过键合层将生长的InGaN晶种层(3)键合到第四衬底，所述键合层特别包括或包含硼磷硅玻璃层或者包含硼或磷的SiO2化合物层；
在去除所述第三衬底之前或之后，通过热处理松弛所述InGaN晶种层(3)；以及
通过所述介电层(2)将松弛的InGaN晶种层(3)转移到所述第一衬底(1)上。
8.根据权利要求6或7所述的制造垂直光电结构的方法，其中所述第三衬底是GaN衬底，特别是位错密度不大于5×108cm-2的GaN衬底。
9.根据前述权利要求中任一项所述的制造垂直光电结构的方法，其中所述InGaN层(4)生长到100nm到2000nm的范围内的厚度，和/或其中所述InGaN晶种层(3)生长到5nm到500nm的范围内的厚度。
10.根据权利要求3所述的制造垂直光电结构的方法，其中通过蚀刻或抛光去除所述InGaN晶种层(3)。
11.一种制造垂直光电结构的方法，其中所述垂直光电结构特别是垂直腔面发射激光器，包括根据前述权利要求中任一项所述的制造垂直光电结构的方法的步骤。
12.根据前述权利要求中任一项所述的制造垂直光电结构的方法，其中所述第一反光镜层(6)和所述第二反光镜层(7)包括全氧化物分布式布拉格反射器或者III族氮化物分布式布拉格反射器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的制造垂直光电结构的方法，其中通过离子注入产生的弱化区来限定所述第一衬底(1)上的所述InGaN晶种层(3)的厚度。
14.一种垂直腔面发射激光器，包括：
夹在InGaN晶种层(3)和生长在InGaN晶种层(3)上的有源InGaN层(4)之间的两个反光镜层(6，7)，其中所述反光镜层特别由全氧化物分布式布拉格反射器形成，并且通过根据权利要求1或4所述的制造垂直光电结构的方法得到。
15.一种垂直腔面发射激光器，包括以如下顺序包含以下的层的堆叠：
衬底(5)；
第一反光镜层(6)，特别由分布式布拉格反射器形成；
InGaN晶种层(3)；
生长在所述InGaN晶种层(3)上的有源InGaN层(4)；以及
第二反光镜层(7)，特别由分布式布拉格反射器形成。
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