CN1104766C - 具有解理表面的半导体器件 - Google Patents

Abstract

制备一种光发射器件，在具有{11-20}面(面a)作主表面的衬底1上，形成具有含至少第一包层6、光发射层7、和第二包层8的叠层结构的半导体层2；在加热条件下，在{1-102}面(面r)解理，使半导体层2和衬底1一起断裂，以在上述衬底上形成一对端面，同时，在半导体层2上形成沿衬底1的上述一对端面延伸的端面3。

Description

具有解理表面的半导体器件

本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种具有解理表面的诸如半导体激光器之类的光发射器件。

为了在诸如化合物半导体激光器之类的半导体器件中产生受激发射，需要一对光学端面来包围光发射区域两端的光，以便在端面之间形成一个谐振腔。

通常由垂直于晶体衬底或垂直于外延生长在晶体衬底上的半导体层的解理表面来构成这些端面，用晶体的解理面来形成解理表面。在这种情况下，在半导体层的前表面或在衬底的反面标有划线以确定开始解理的点。也可以用其它方法来形成端面，例如，RIE(反应离子刻蚀)或化学湿法刻蚀。通常，用这些刻蚀方法形成的端面在光学上不如解理端面。而且，刻蚀工艺非常复杂，且在批量生产时有负作用。

当用上述方法解理时，其上外延生长半导体层的衬底的厚度应比外延生长的半导体层的厚度大得多。为此，简单容易地解理衬底特别重要。对由如AlGaAs或AlGaInP等III-V族或由ZnSSe或ZnCdSe等II-VI族形成的广泛使用或正在研制中的半导体激光器，使用容易解理的GaAs或其它材料作衬底。因此，可以通过解理形成谐振腔端面。

由于如半导体激光器之类的半导体光发射器件需要短波长光发射，用能在兰光到紫外光范围发光的含III族元素{Ga，Al，In}和V族元素N(氮)的III-V族化合物半导体的半导体激光器引起了人们的注意。在这种情况下，已有人尝试用MgAl₂O₄或LGO(即LiGaO₂)这些能利用材料的解理特性的晶体作衬底，进行{Ga，Al，In}-N化合物半导体层的外延生长。

例如，提出了一种在兰宝石衬底上外延生长含{Ga，Al，In}中任一种和N的化合物半导体层，来形成想要的半导体激光器。由于兰宝石衬底的解理面和化合物半导体层的解理面不一致，所以很难象上述情况一样通过解理来形成端面。

因此，本发明的目的是提供一种半导体器件，其中，用解理面与半导体层不一致的衬底、或很难解理、或解理面与半导体层的易解理面不同的衬底，来形成具有GaN或类似的III-V族化合物半导体层的半导体激光器之类的器件，从而容易且精确地沿半导体层的解理面进行破裂或解理。

根据本发明，提供一种半导体器件，包括：衬底，以及在衬底上由含N和至少选自{Ga，Al，In}中的一种元素的化合物半导体构成的至少一层，其中衬底具有一对{1-102}面的端面或具有一个偏{1-102}面±5度之内的面。

根据本发明，即使衬底的晶面和半导体层的晶面不一致，也可能在外延生长于衬底上的半导体层中形成一对具有很好解理特性的端面。这对端面可被限定在衬底上的半导体层中，从而用这些端面作半导体光发射器件的谐振腔。于是，可以生产具有很好光发射特性的半导体光发射器件，如半导体激光器之类的器件。

根据本发明，例如偏离{11-20}面或{1-102}面约5度的基本等效于{11-20}面或{1-102}面的平面，也分别被认为是{11-20}面或{1-102}面。

图1是表示根据本发明的半导体器件的实例的示意透视图。

图2是表示根据本发明生产半导体器件工艺的一个步骤的实例的剖面图。

图3是表示根据本发明生产半导体器件工艺的一个步骤的实例的剖面图。

图4是表示根据本发明生产半导体器件工艺的一个步骤的实例的剖面图。

图5A、5B和5C分别是表示根据本发明限定在衬底上的槽的形状的实例的透视图。

图6是本发明的制造方法的实例的一个步骤的示意截面图。

图7是本发明的制造方法的实例的一个步骤的示意截面图。

下面将说明本发明的实施例。图1是表示根据本发明的半导体器件的实例的示意透视图。

根据本发明，在衬底1上形成含{Ga，Al，In}中至少一个元素和N(即GaN族半导体)的化合物半导体层2。该例表示本发明在GaN族半导体激光器的一个应用，其中半导体层2构成GaN族半导体光发射器件，如在兰宝石之类的衬底1上形成至少第一包层6、如有源层7的光发射层、和第二包层8的半导体激光器。

特别是在本发明中，兰宝石衬底1由一种衬底构成，该衬底具有其上将形成半导体层的{11-20}面的主表面1a，即<面a>，和{1-102}面即垂直<面a>的<面r>。

为了容易地理解本发明的器件，下面将参照透视图2到4说明制造根据本发明的半导体器件的方法的实例。如沿图1中的虚线  的剖面图2所示，例如，在兰宝石衬底1的主表面1a的{11-20}面(在附图中示为面(1120)上的要求，需要外延生长30nm的GaN缓冲层4。然后，用与上述相同的外延生长步骤，在衬底1上形成约3μm厚的掺n型Si杂质的第一导电型如n型电极接触层5、约0.5μm厚的掺n型Si杂质的n型AlGaN第一包层6、约0.05μm厚的低掺杂n型杂质浓度或不掺杂的GaN有源层7、约0.5μm厚的掺作为第二导电类型的p型Mg杂质的AlGaN第二包层8、约1.0μm厚的掺p型Mg杂质的GaN盖层9。可以用MOCVD(金属有机物化学汽相淀积)或MBE(分子束外延)来外延生长这些半导体层3到9。

如图3所示，表示垂直于图2所示截面的截面，用化学湿法刻蚀或RIE干法刻蚀，从盖层9的表面，沿与上述<面r>呈一角度或垂直的方向，为除去层6-9的一部分，并暴露电极接触层5的一部分，形成条状电极接触槽10。在包括槽10的侧面和底面的盖层9的整个表面上，溅射或CVD(化学汽相淀积)形成SiO₂之类的绝缘层11。然后，在盖层9上的绝缘膜11上，在沿槽10的延伸的方向即在与<面r>呈一角度或垂直的方向，形成条状电极接触窗口11w1。在槽10中的电极接触层5上的绝缘膜11中，形成另一电极接触窗口11w2。例如，用光刻方法刻蚀图形形成窗口11w1和11w2。

例如，通过电极接触窗口11w1，在盖层9上面欧姆接触地淀积Au电极12。另一方面，通过另一电极接触窗口11w2，在电极接触层5上面欧姆接触地相继淀积由Ti、Al和Au金属层构成的叠层电极13。然后整个进行退火。

如与图2相同的平面，即垂直图3的剖面的图4所示，沿平行于{1-102}面或半导体层2的等效{1-102}面的方向切出两个或多个条形槽18。例如可以用切割形成槽18。衬底表面1b的每个槽的开口宽度为20μm到200μm。形成沿衬底1的{1-102}面延伸的槽18的底部18S，用以集中槽底部的应力。

槽18的深度没有到达半导体层2。假设衬底1的厚度为T，且衬底槽的深度为D，则其关系为0＜T-D≤150μm，或0＜T-D≤T/2。

如从图5中所示衬底1的反面所取的透视图所示，槽18的截面可以是各种形状，如图5A所示的V字形、图5B所示的U字形、或图5C所示的垂直侧面形。在槽18的底部18S形成沿衬底1的{1-102}面线性延伸的尖部。应力将集中在底部18S的尖部。

此后，向形成有半导体层2的衬底1施加外力，而沿其表面施加张力。例如，可以以这种方式加外部机械应力、热应力或超声波来使衬底1弯曲。这样导致应力集中在槽18的底部。随后，如图1所示，由于兰宝石衬底1的{1-102}面为容易解理面，所以，衬底1沿槽18断裂，半导体层2也沿槽18断裂，由此制作半导体芯片。于是，明显比衬底1薄的半导体层2断裂。在这种情况下，衬底1的厚度为几百μm，而半导体层约为几μm，这样衬底1和半导体层2一起断裂。更具体地，在半导体层2中，限定了一对与基于衬底1的<面r>的端面一致的清晰断裂的端面3。

与此同时，已有{1-102}面即<面r>为容易解理的面的报道(见S.M.Wiederhorn，Journal of the American Ceramic society，52(9)，(1969)485-91./E.Stofel和Hans Conrad，Trahs.AIME，227(5)(1963)1053)。

而且，如上所述，当在衬底1中确定槽18时，应力集中在底部，这样可更有效地进行前述<面r>的解理，另外，在由槽18所确定的规定位置处进行解理。

可以在比室温高的温度进行这种断裂，较好为150℃或更高，尽量为接近外延生长温度的300℃或更高，此时衬底1的弹性下降，但温度低于半导体层2的外延生长温度。

下面说明为什么在尽量接近半导体层2的外延生长温度下进行断裂的原因。衬底1和半导体层2最好整体断裂。此时，由于在半导体层2和衬底1之间的晶格失配，导致存在弹性应力，衬底1和半导体层很难一起断裂。半导体层2在衬底1上的外延生长温度通常被认为是使晶格失配而导致度的应力最小的温度。因而，在接近外延生长的温度下，半导体层2和衬底1之间的应力很小。因此，在这种温度下，与其它情况相比，较容易使半导体层2和衬底1一起断裂。

如上所述，低弹性特性的断裂，能保证断裂在衬底1和半导体层2上面连续延伸。

例如，已在报道，兰宝石的强度在增加温度至300到600℃时变得最低(A.H.Heuer和J.P.Roberts，“Temperature Dependence of thestrength of Corundum Single Crystals”，American Ceramic SocietyBulletin，47(4)(1968)354))。

这样形成的端面3提供了光性能极佳的平面。然而，如具有半导体层2的示意截面图的图6所示，原子台阶可以导致微小不平度。因此，在端面上形成绝缘表面层21，通过填平小的凸凹3a来得到光滑的镜面。表面层21至少在跨越作为谐振腔的端面部分处覆盖，即表面层21至少要覆盖在作为光发射层的有源层7的端面和限制光散布的层如第一和第二包层6和8上。

使用折射率与有源层7及在有源层两端限制光的层如至少第一和第二包层6和8中的至少一个相等或尽量接近的材料如氮化铝AlN，用真空淀积、溅射或CVD方法形成表面层21材料。

而且，如与图6相似的示意截面图和图7所示，可以用多反射层22来覆盖表面层21的外表面，以增加端面3的折射率。

按这种方法，生产本发明的半导体激光器。

如上所述，根据本发明，沿形成在衬底1中的槽18形成端面3。由此根据最终形成的半导体激光器的谐振腔的长度来选择相邻槽18的间隔。

在根据上述本发明的半导体器件中，通过半导体层2的解理来形成构成谐振腔的半导体层2的端面3。由此可形成光性能极佳的平面。而且，如上所述，在端面形成有具有与半导体层2相近折射率的绝缘膜的情况下，可以将解理表面的材料中原子台阶引起的微小不平面形成为光滑平面。由此可以使谐振腔的实际端面(两端的反射面)形成为极佳的平面。

附图示出了槽18沿衬底1的一个方向平行延伸的情况。但是，在半导体激光器的实际制造工艺中，不仅要在垂直谐振腔的方向，即形成反射面3的方向断裂，而且要在平行这个方向的方向断裂，从而生产通过分割衬底1形成的电路芯片。因此，以相应于芯片宽度的间隔，即垂直槽18方向的预定间隔，在衬底1上形成与槽18相似的槽。在这种情况下，半导体层2可以在难解理的面断裂。由于这种断裂表面不构成谐振腔的端面，因此不需要光性能极佳的表面，而且这不会影响半导体激光器的性能。

如上所述，根据本发明，如果衬底1由兰宝石构成，则容易解理。尽管如此，沿预定方向的解理可以通过形成槽18来很好地完成，并可合适地选择截面形状来集中应力。沿衬底1上半导体层2中容易解理的平面形成槽18。按这种方式，至少可以按预定晶面形成谐振腔，即按半导体层2的容易解理的面，而不用衬底1的解理面。

因此，本发明并不限于上述兰宝石衬底，本发明同样适用不容易解理的衬底。换句话说，本发明并不限于构成上述实例的半导体光发射器件的AlGaN系半导体层2。

半导体层2由包含{Ga，Al，In}中至少一种元素和N的化合物半导体层构成。在端面3淀积表面层21来填平端面3，在这种情况下，各个半导体层的折射率n如下：GaN为2.67，AlN为2.15，InN为2.85到3.05。由此，可通过真空汽相淀积、溅射或CVD具有1.5到3.05之间折射率的AlN、GaN、InN、AlGaN或InGaN膜，在端面3上形成表面层21。

上述说明是关于有源层置于包层之间被称为双异质结构型的半导体激光器。但是本发明并不限于上述半导体激光器，本发明同样可以用在把光导层置于有源层和包层之间的被称为SCH(分离限制异质结构)中。因此，可以适用于半导体激光器或发光二极管的各种结构。

如上所述，根据上述实施例，衬底1是兰宝石衬底，置于衬底1上的半导体层2是含{Ga，Al，In}中至少一种元素和N的化合物半导体，采用在一个能解理衬底1的平面断裂两种材料的方式，即使两种材料的解理面彼此不一致，也能使衬底1和置于其上的半导体层一起断裂。因此，可以将端面3形成为表面特性比例如用刻蚀工艺制备的平面好得多的平面。另外，除可以稳定地生产如半导体激光器等具有预定特性的半导体器件外，可简化生产工艺，而且工艺重复性好。

尽管本领域的普通技术人员可以作出其它变型和改变，但由于所有这些变型和改变皆合理而合适地落入本发明对已有技术作出的贡献的范围内，所以在本发明所限定的范围内实施这些变型和改变皆是本发明者的发明。

Claims (2)

1.一种半导体器件，包括：

衬底；

在所述衬底上至少有由含N和选自Ga，Al，In中的至少一种元素的半导体化合物构成的一层；和

在所述至少一层的所述端面上的绝缘膜，

所述衬底具有一对偏离所述衬底1-102面5度以内的端面，

所述绝缘膜具有和所述半导体化合物基本相同的折射率。

2.如权利要求1的半导体器件，其特征为：所述绝缘膜包括选自Al、Ga、In的组中至少一种元素与N结合的材料。

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