CN117642946A - 用于制造半导体器件的方法及该半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造半导体器件(10)的方法，所述半导体器件用于发射光并且具有基体(9)，该基体具有用于产生光的有源层(16)以及由阻挡结构(26)限界的隧道结(27)，其中，该阻挡结构用于使导入到该有源层中的电流缩窄，该方法包括：该阻挡结构在该隧道结的区域中的产生通过注入步骤进行。一种半导体器件，其具有被注入的阻挡，所述半导体器件特别是设计为具有垂直共振器的表面发射器(VCSEL)。

Description

用于制造半导体器件的方法及该半导体器件
技术领域
本发明涉及一种用于制造半导体器件的方法以及一种半导体器件，该半导体器件可以尤其是根据本发明的方法的产品。
发明内容
提出了一种用于制造半导体器件的方法，所述半导体器件用于发射光并且具有基体，该基体具有用于产生光的有源层以及由阻挡结构限界的隧道结，其中，该阻挡结构用于使导入到该有源层中的电流缩窄(Einschnürung)，其中，该阻挡结构在该隧道结的区域中的产生通过注入步骤进行。
半导体器件可以包括磷化铟层或者可以基于包含磷化铟的晶圆。此外，半导体器件还可以包含砷化镓。
通过根据本发明的方法可以将隧道结定位在有源层附近。在此，隧道二极管可以布置在半导体器件内驻留光波的有源层之后的第一节点的区域中。
特别是通过由注入引起的晶格缺陷可以产生杂质。阻挡结构由这些杂质构成。
注入通过注入射束进行，所述注入射束从辐射方向出发辐射到基体和/或半导体器件上。
隧道结特别是可以由至少两个高掺杂的直接相邻的层构成。这两个层被相反地掺杂，其中，在高掺杂的层的彼此的接触区域中形成可隧穿的屏障。
通过注入产生的阻挡结构的区域具有高电阻，从而对半导体器件作用的电流不能流过被注入的区域。被注入的区域对于具有所发射的波长的光是透明的。
半导体器件可以尤其是表面发射器(VCSEL-Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，垂直腔面发射激光器)。光可以尤其是以发散的方式从发射区域射出的相干激光。光可以通过光学元件进行偏振、准直或聚焦，所述光学元件优选具有衍射的、折射的和/或光子的超材料。半导体器件可以尤其是由至少一个VCSEL与至少一个集成光电二极管构成的组合。还可以彼此叠置地布置多个有源层，该多个有源层通过另外的隧道二极管分开。注入以较高的能量进行并且沿注入方向进一步延伸到主体中。由此所有的隧道二极管都受到电影响。
通过在从属权利要求中所体积的措施能实现本发明的有利的实施方案和进一步方案。
有利地，可以将质子注入工艺用作注入步骤，其中，注入能量选择为使得该阻挡结构在构成该隧道结的层的内部形成，并且优选关于该注入方向而言至少在该隧道结的一侧上不延伸到邻接的层中。邻接的层与隧道结的高掺杂的层直接相邻。通常邻接的层具有较少的掺杂并且不是隧道结的一部分。
质子注入工艺可以基于使用氢、氦、硼或其他化学元素。由此产生对光子低相互影响或无相互影响的阻挡结构。
替换地，注入能量可以选择为使得该阻挡结构的至少一部分延伸到与该隧道结邻接的层中。邻接的层因此也可以具有阻挡结构的一部分。
一个特别的进一步方案包括：将阻断剂施加在该基体的要借助注入射束辐射的表面上，使得该注入射束在未被该阻断剂覆盖的区域处射入该基体，至少直至该隧道结。阻断剂阻止注入射束进入。所述阻断剂在注入之前被施加在表面上、特别是在由例如氮化硅和/或氧化硅构成的介电保护层上。在注入阻挡结构之后，可以例如通过蚀刻步骤去除阻断剂。保护层保护位于其下方的基体并且在去除阻断剂的蚀刻步骤期间被牺牲掉。
孔状的阻挡结构具有不被注入射束涉及的贯通区域，该孔状的阻挡结构是优选的，其中，在注入工艺之前，特别是相应于孔状的阻挡结构优选在台面区段上施加光刻胶。阻断剂例如可以形成为阻挡结构的相反映像(negatives Abbild)。阻挡结构可以例如具有环形形状，所述环形形状由在阻挡结构中心构成的贯通区域形成。
优选，在注入之后可以将第一反射层和/或第二反射层安置在基体的不同侧面上，其中，优选预先从该基体去除载体基底，并且特别是接着将保护层至少施加在所述反射层中的一个反射层上。将保护层特别是施加在替代已去除的基底安置在基体上的反射层上。本方法步骤包括晶圆倒装。
在本发明的一个有利的进一步方案中，在半导体器件上可以形成阵列结构。为此，可以在隧道结层中产生多个阻挡结构，从而半导体器件具有多个隧道结。隧道结层是平面层序列，该层序列由至少两个高掺杂和相反地掺杂的层构成，所述层优选在基体上的一个区段上面状地延伸，并且与辐射方向大致正交。阻挡结构能够相对于彼此横向地布置在隧道结层的平面中。每个阻挡结构可以配属给一个发射光的区域，该区域分别具有单独的台面区段。半导体器件可以具有多个台面区段。
为了将台面区段或配属给台面区段的隧道结和/或阻挡结构彼此分开，可以考虑注入-分离步骤，该注入-分离步骤产生横向于隧道结布置的电绝缘屏障。由此使得配属给各个隧道结的台面区段至少在有源层的区域中彼此电隔离。在此，可以使用质子注入工艺或替换的注入工艺。绝缘屏障可以是对于所产生的光不透明的。
一个特别的进一步方案包括：通过注入-分离步骤来切断所有导电的层。因此，例如同样也可以切断与电接触部连接的层，从而产生完全电隔离的台面区段，通过所述电接触部将外部激活电流馈入到半导体器件中。在此，绝缘屏障可以延伸到关于注入方向而言处于背侧的基底中。
此外，可以提出另外的注入薄层步骤，其中，将绝缘层面状地施加在该基体的表面上，其中，被注入的绝缘层优选布置在介电表面保护层下方。绝缘层可以延伸到基体表面的大部分面积区域上。绝缘层在注入方向上的深度优选为大约100nm。绝缘层用于使基体与光电二极管基本上绝缘。
可以实现半导体器件的功能扩展，其方式是，将附加的功能区段安置在被注入的绝缘层上，其中，功能区段特别是包含反射层和/或光电二极管。替换地或补充地，也可以使用肖特基二极管、选择晶体管或调制器。原则上，功能区段可以具有一个或多个P-N结，所述P-N结优选具有本征层或另外的用于光调制的层，其包括量子阱。在本发明中，光电二极管被纯示例性地列举用于阐述所述方法和装置的基本原理。功能区段的安置可以借助于粘合工艺进行。发射光的半导体器件、例如VCSEL特别是被使用在传感器应用中，所述VCSEL可以例如配备有集成光电二极管。
为了电接触部特别是将被蚀刻的沟槽引入到半导体器件中，其中，将该半导体器件的包含所述沟槽的整个表面起伏部钝化，其中，然后通过附加蚀刻步骤使所述沟槽的最深部位解除钝化。
可以设置，通过蚀刻步骤去除反射层的在配属给两个不同隧道结的两个直接相邻的沟槽之间的至少一个子区段。通过去除反射层的区段而产生的自由空间能够以共同的电接触部填充，以形成半导体器件的台面区段的串联连接和/或并联连接。
本发明提出，提供一种用于发射光的具有基体的半导体器件，该基体具有台面区段，所述台面区段具有用于光的发射区域，该台面区段配属有：第一反射层；第二反射层；以及布置在所述两个反射层之间的有源区段，该有源区段用于产生光，其中，该半导体器件具有用于将电能馈入到有源区段中的电接触部。台面区段配属有由被注入的阻挡结构限界的隧道结。
基体和台面区段能够至少部分地包含晶体半导体材料，光可以通过该半导体材料传播，以便从发射区域向外射出。
可以借助于被注入的电绝缘屏障来使多个隧道结和/或分别配属的台面区段彼此分离。
可理解的是，前述的特征以及下面还阐述的特征不仅能够以相应给出的组合被使用，而且能够以另外的组合被使用。
本发明的每个实施方式可以实施为所谓的Top-Emitter(顶面发射器)和/或Bottom-Emitter(底面发射器)。
本发明的范围仅由权利要求限定。
附图说明
下面借助实施例参考所属的附图来详细地阐述本发明。以下阐述的方向说明可以根据附图的阅读方向来理解。
附图中：
图1至图7示出用于制造具有被注入的阻挡结构的半导体器件的方法步骤，
图8至图11示出用于制造半导体器件的方法步骤，该半导体器件具有由台面区段构成的阵列，这些台面区段分别具有被注入的阻挡结构，
图8至图11示出用于制造半导体器件的方法步骤，该半导体器件具有由处于串联连接中的台面区段构成的阵列，这些台面区段分别具有被注入的阻挡结构以及
图15至图18示出用于制造具有光电二极管的半导体器件的方法步骤。
具体实施方案
在附图中示出半导体器件10和用于制造该半导体器件10的方法步骤，该半导体器件设置为用于发射光并且具有基体9。基体9具有台面区段19，该台面区段具有用于光21的发射区域20。
根据图7，台面区段19配属有第一反射层22、第二反射层23以及布置在这两个反射层22，23之间的用于产生光21的有源层16，其中，半导体器件10具有用于将电流25馈入到有源层16中的电接触部24。台面区段配属有由被注入的阻挡结构26限界的隧道结27，其中，阻挡结构用于使导入到有源层中的电流25缩窄。
半导体器件10尤其可以是表面发射器(VCSEL-Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)。光21尤其可以是以发散的方式从发射区域20射出的相干激光。光21可以通过光学元件进行偏振、准直或聚焦，所述光学元件优选具有衍射的、折射的和/或光子的超材料。半导体器件10尤其可以是由至少一个VCSEL与至少一个集成光电二极管28构成的组合。
在图1中示出用于发射光的半导体器件10的基体9，该半导体器件具有多个层。半导体器件10基于磷化铟、镓和砷化物，并且具有作为最上层的n掺杂的InP(磷化铟)层11，该InP层被由例如氮化硅和/或氧化硅构成的介电保护层12覆盖。隧道结层13由上面的高掺杂的n++层14和高掺杂的p++层15构成。在隧道结层13下方布置有源层16。这两个相反地掺杂的层14，15在彼此的接触区域中形成能由电流25隧穿的屏障。在有源层16下方布置有n掺杂的层17，该层被背侧的基底18覆盖。
在图2中将阻断剂29施加到保护层12上。阻断剂29可以是光刻胶。阻断剂29在基体9的要被注入射束30照射的表面上阻断注入射束30，使得注入射束30在未被阻断剂29覆盖的区域处射入基体9中，至少直至隧道结层13。
在图3中，阻挡结构26在隧道结27的区域中的产生通过注入步骤进行。在此，特别是通过由注入引起的晶格缺陷产生杂质。阻挡结构26由杂质构成。所述注入通过注入射束30进行，该注入射束从由注入射束的传播方向预给定的注入方向310出发被辐射到基体9和/或半导体器件10上。通过注入产生的阻挡结构26的区域具有高电阻，从而对半导体器件10作用的电流不能流过被注入的区域。被注入的区域对于具有所发射的波长的光21是透明的。
作为注入工艺可以使用作为注入步骤的质子注入工艺。质子注入工艺可以基于使用氢、氦、硼或其他化学元素。由此产生对光子低相互影响或无相互影响的阻挡结构。
注入能量可以选择为使得阻挡结构26在隧道结27内部或者说在构成隧道结层13的层14，15内部形成。在此，阻挡结构26在关于隧道结27而言与阻断剂29相反的一侧上不延伸到邻接的有源层16中。有源层16与隧道结27的高掺杂的层14，15直接相邻。
替换地或补充地，注入能量可以选择为使得阻挡结构26的至少一部分延伸到与隧道结27邻接的有源层16中。邻接的层由此也可以具有阻挡结构26的一部分。
通过阻断剂29产生孔状的阻挡结构26，该孔状的阻挡结构具有不被注入射束30涉及的贯通区域31。为此根据图2，在注入工艺之前相应于孔状的阻挡结构26将例如呈光刻胶形式的阻断剂施加在保护层12上作为期望的阻挡结构26的相反的映像。阻挡结构26例如可以具有环形形状，该环形形状具有在阻挡结构26中心构成的贯通区域31。贯通区域31可以具有垂直于注入方向310的圆形的或其他形状的横截面。
根据图4，在注入阻挡结构26之后，例如通过蚀刻步骤去除阻断剂29。保护层12保护位于其下面的基体9并且在去除阻断剂29的蚀刻步骤期间被牺牲掉。然后存在平滑的表面。
基底18同样被去除，并且基体9通过晶圆倒装被转动。
根据图5，在注入之后将第一反射层和/或第二反射层22，23安置在基体9的相反的侧面上。反射层22，23是结合到基体上的布拉格反射层，其中，所述布拉格反射层的主延伸平面的定向垂直于注入方向。第一反射层22替代已去除的基底18地布置，并且第二反射层23被安置到基体9的表面上，注入射束30射入到该表面中。
根据图6，将另外的保护层32施加在第一反射层22上。
在图7中示出制成的半导体器件10，该半导体器件具有隧道结27和台面区段19。半导体器件10具有电接触部24，所述电接触部在被蚀刻的沟槽33处被引入到半导体器件10中。在此，一个沟槽23是如此深的，使得其穿过第一反射层22延伸至n掺杂的层17。配属给该沟槽33的电接触部24与该层17接触。另一个沟槽33穿过第一反射层22、n掺杂的层17、阻挡结构26延伸至n掺杂的InP层11，该InP层与配属给这个沟槽33的电接触部24接触。电流25可以在接触部24之间流过阻挡结构26的贯通部31并且可以激励有源层16发射光21。
对于后面的实施方式可以相同地或者以不明显改变的方式应用图1至图7的方法步骤。
图8示出在隧道结层13中具有多个被注入的阻挡结构26的基体9，从而形成隧道结27的阵列结构34。阻挡结构26相对彼此横向地布置在隧道结层13的平面中。在具体的情况下实现四个隧道结27。
每个阻挡结构26可以配属给一个发射区域20，发射区域分别配属给一个单独的台面区段19。半导体器件10可以具有多个台面区段19，其中，台面区段19的数量和隧道结27的数量特别是相同的。
阻挡结构26可以延伸至有源层16中和/或至少在一侧不超出隧道结层13。
在图9中示出图8的进一步方案，其中，通过注入-分离步骤将另外的深入延伸的电绝缘屏障40注入到对应的阻挡结构26的被注入的区域39中。由此使台面区段19或配属给台面区段19的隧道结27和/或阻挡结构26彼此分开。绝缘屏障40分别横向于隧道结27布置。通过电绝缘屏障40，各个隧道结27和相应地配属的台面区段19至少在有源层16的区域中彼此电隔离。
在制造绝缘屏障40时，将阻断剂29施加到基体9的表面上。阻断剂29可以被施加到已预先施加的无机保护层12上。这个方法步骤相应于图3的方法步骤。在此，可以使用质子注入工艺或替代性的注入工艺。绝缘屏障40对于所产生的光可以是不透明的。在图9中，绝缘屏障40延伸到n掺杂的层17中，该n掺杂的层用于与电接触部连接并且用于馈入电流。该绝缘屏障在图9中未超出n掺杂的层17。此外，p掺杂的层11被完全穿过。
在图10中，将第一反射层和第二反射层22，23施加到基体9的对置的侧上。这基本上相应于图5的方法步骤。
在图11中，电接触部24通过蚀刻步骤以及然后的金属化被引入。这基本上相应于出自图7的方法步骤。
在图11的情况下，台面区段19共享共同的电接触部24，所述电接触部与n掺杂的层17接触，电流25经由该n掺杂的层被传导至有源层16的对应区段。n掺杂的层17未被绝缘屏障40切断。与n掺杂的层17接触的电接触部24优选穿过绝缘屏障40。电流25流过对应的隧道结27或贯通部31。在此，激励有源层16以发射光21，光在接触部24之间通过第二反射层23和/或第一反射层21被发射。
另外的电接触部24仅穿过第二反射层23并且与p掺杂的层11接触，其中，相邻的台面区段19分别共享一个接触部。电接触部24的沟槽和金属化部可以至少部分地与电绝缘屏障40重合或者说被引入到绝缘屏障40中。
图12示出一个另外的实施方案，在该实施方案中通过注入-分离步骤来切断所有导电的层11，14，15，16，17。例如同样可以切断与接触部24连接的层，通过所述电接触部将外部激活电流25馈入到半导体器件10中。由此产生完全电隔离的台面区段19。在此可以产生附加的绝缘屏障41，所述附加的绝缘屏障被注入到第一绝缘屏障40和/或阻挡结构26中。绝缘屏障41延伸至关于注入方向310而言在背侧的基底18中。该绝缘屏障优选布置在两个相邻的隧道结27之间。借助于例如在图3和图9中使用的阻断剂29来实施该注入-分离步骤。由此实现有源区域的优选完全的电隔离。
在图13中，将第一反射层和第二反射层22，23施加到基体9的对置的侧上。这基本上相应于图5和图13的方法步骤。原则上还可以在底侧保留残余基底。特别是，基底不导电或者仅勉强导电，因此对半导体器件10作用的电流不能流过基底18。
在图14中示出具有由各个台面区段19构成的串联连接的半导体器件10。基本结构相应于图11的实施方案。然而，两个相邻的台面区段19之间的各个接触部24在这些相邻的台面区段19中的一个台面区段处被引导至n掺杂的层17，在这些相邻的台面区段19中的另一个台面区段处被引导至p掺杂的层11。共同的电流25流过台面区段19的串联电路。
在图15中示出基体9，该基体在结构方面相应于图1。根据图3，将阻挡结构26注入到基体9中。特别是由此能够产生三个隧道结27。
在图16中，相应于图9注入绝缘屏障40。
在图17中提出注入薄层步骤，其中，将绝缘层43面状地施加在基体9的表面上，其中，被注入的绝缘层43优选布置在介电表面保护层12下方。绝缘层43在基体9的表面上方延伸。绝缘层43在注入方向310上的深度优选为大约100nm。绝缘层用于使基体9与有要安置的光电二极管28或者其他电子器件基本上绝缘。绝缘层43对光21是透明的。
在图18中，将功能区段44施加到基体9上、绝缘层43上，其中，功能层包含第二反射层23和光电二极管28。将包含第一反射层22的区段施加到基体9的对置侧上。如同在所有其余的实施方式中那样，所述安置可以通过粘合工艺进行。
在图19中示出包含光电二极管28的半导体器件10。原则上，该结构与前述的实施方式相同。蚀刻沟槽33设置有钝化部45，其中，沟槽33分别在最深部位47处通过附加蚀刻步骤解除钝化。
此外可以设置，去除第二反射层23的在两个直接相邻的沟槽之间的至少一个子区段。在此，沟槽33配属给两个不同的隧道结27。通过蚀刻步骤来去除子区段46。通过去除反射层23的区段而产生的自由空间能够以共同的电接触部24填充，以形成半导体器件的台面区段19的串联连接和/或并联连接。
图10的半导体器件10示例性地具有三个台面区段19，其中，两个外部的台面区段19设计为顶面发射器，而中间的台面区段19被设计为底面发射器。在此，隧道结27和/或有源区段关于层的主延伸方向而言可以具有不同的宽度。同样，贯通区域31也可以选择得不同。前述元件的宽度决定了激光二级管的激活阈值，从而对于不同的宽度能实现不同的激活能量。
P-I-N二极管可以例如具有光电二极管或其他功能，该P-I-N二极管这样安置，使得在VCSEL与P-I-N二极管之间产生相互作用。所述P-I-N二极管例如可以用作串联电阻或者用于吸收光子。P-I-N二极管可以对光具有调制效果。
VCSEL包括沟槽和绝缘层，VCSEL的电接触部在此能够使P-I-N二极管的区域绝缘。
中间的VCSEL的金属化部24被安置在反射层上，因此，光耦出向上被屏蔽，从而使光优选通过背侧射出。

Claims (15)

1.一种用于制造半导体器件(10)的方法，所述半导体器件用于发射光(21)并且具有基体(9)，所述基体具有用于产生光(21)的有源层(16)以及由阻挡结构(26)限界的隧道结(27)，其中，所述阻挡结构(26)用于使导入到所述有源层(16)中的电流(25)缩窄，其中，所述阻挡结构(26)在所述隧道结(27)的区域中的产生通过注入步骤进行，其特征在于，通过由所述注入引起的晶格缺陷产生杂质，使得被注入的区域对于具有所发射的波长的光(21)是透明的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将质子注入工艺作为注入步骤，其中，注入能量选择为使得所述阻挡结构(26)在构成所述隧道结(27)的层的内部形成并且优选关于注入方向而言至少在所述隧道结(27)的一侧上不延伸到邻接的层中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述注入能量选择为使得所述阻挡结构(26)的至少一部分延伸到与所述隧道结(27)邻接的层中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将阻断剂(29)施加在所述基体(9)的要借助注入射束(30)辐射的表面上，使得所述注入射束(30)在未被所述阻断剂(29)覆盖的区域处射入所述基体(9)，至少直至所述隧道结(27)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，形成孔状的阻挡结构(26)，所述孔状的阻挡结构具有不被所述注入射束(30)涉及的贯通区域(31)，其中，在注入工艺之前，特别是相应于所述孔状的阻挡结构(26)，优选在台面区段(19)上施加光刻胶。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将第一反射层和/或第二反射层(22，23)施加在所述基体(9)的不同的侧面上，其中，优选预先从所述基体(9)去除载体基底(18)，并且特别是接着将保护层(32)至少施加在所述反射层(22，23)中的一个反射层上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在隧道结层(13)中产生多个阻挡结构(26)，使得半导体器件(10)具有多个隧道结(27)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，具有另外的注入-分离步骤用于产生横向于所述隧道结(27)布置的电绝缘屏障(40)，使得配属给对应的隧道结(27)的台面区段(19)至少在所述有源层(16)的区域中彼此电隔离。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过注入-分离步骤来切断所有导电的层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，具有另外的注入-薄层步骤，在所述另外的注入-薄层步骤中，将绝缘层(43)面状地施加在所述基体(9)的表面上，其中，被注入的绝缘层优选布置在介电表面保护层下方。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将功能区段(44)施加在被注入的所述绝缘层(43)上，其中，所述功能区段(44)特别是包含反射层和/或光电二极管(28)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为所述半导体器件(10)的电接触部引入特别是被蚀刻的沟槽(33)，其中，将所述半导体器件(10)的包含所述沟槽(33)的整个表面起伏部钝化，并且通过附加蚀刻步骤将所述沟槽(33)的最深部位(47)解除钝化。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过蚀刻步骤去除反射层(22，23)的在配属给两个不同的隧道结(27)的两个直接相邻的沟槽之间的至少一个子区段(46)。
14.一种半导体器件(10)，所述半导体器件用于发射光(21)并且具有基体(9)，所述基体具有至少一个台面区段(19)，所述至少一个台面区段具有用于所述光(21)的发射区域(20)，所述台面区段配属有：第一反射层(22)；第二反射层(23)；布置在这两个反射层之间的有源区段(16)，所述有源区段用于产生所述光(21)；以及由被注入的阻挡结构(26)限界的隧道结(27)，其特征在于，被注入的区域对于具有所发射的波长的光(21)是透明的，其中，所述半导体器件(10)包含或基于磷化铟、镓和砷化物。
15.根据权利要求14所述的半导体器件(10)，其特征在于，设置多个隧道结(27)和分别配属的台面区段(19)，所述隧道结和所述台面区段通过被注入的电绝缘屏障(40，41)彼此分离。
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