DE19953588A1 - Waferverbundene Al¶x¶Ga¶y¶In¶z¶N-Strukturen - Google Patents

Waferverbundene Al¶x¶Ga¶y¶In¶z¶N-Strukturen

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Abstract

Lichtemittierende Bauelemente mit einem vertikalen optischen Weg, z. B. ein Oberflächen-emittierender Laser mit einem vertikalen Hohlraum oder ein lichtemittierendes oder -erfassendes Bauelement mit Resonanzhohlraum, mit hochqualitativen Spiegeln können unter Verwendung von Waferbonden oder metallischen Löttechniken erreicht werden. Die lichtemittierende Region liegt zwischen einem oder zwei Reflektorstapeln, die dielektrische verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs) enthalten. Die dielektrischen DBRs können abgeschieden sein oder an dem lichtemittierenden Bauelement angebracht sein. Ein Grundsubstrat aus GaP, GaAs, InP oder Si ist an einem der dielektrischen DBRs angebracht. Elektrische Kontakte werden dem lichtemittierenden Bauelement hinzugefügt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lichtemission, insbesondere auf das Liefern von hochqualitativ reflektie­ renden Oberflächen an beiden Seiten eines AlxGayInzN-Bauele­ ments.
Eine optoelektronische Struktur mit vertikalem Hohlraum besteht aus einer aktiven Region, die durch eine licht­ emittierende Schicht gebildet ist, die zwischen eingren­ zenden Schichten liegt, die dotiert, undotiert sein können oder einen P-N-Übergang enthalten. Die Struktur enthält ferner mindestens einen reflektierenden Spiegel, der einen Fabry-Perot-Hohlraum in der Richtung senkrecht zu den licht­ emittierenden Schichten bildet. Die Herstellung einer opto­ elektronischen Struktur mit vertikalem Hohlraum mit den GaN/AlxGayInzN/AlxGa1-xN-Materialsystemen (wobei x + y + z = 1 bei AlxGayInzN und wobei x ≦ 1 bei AlxGa1-xN) stellt Herausfor­ derungen dar, die diese von anderen III-V-Materialsystemen absetzt. Es ist schwierig, AlxGayInzN-Strukturen mit hoher optischer Qualität aufzuwachsen. Die Stromausbreitung ist bei AlxGayInzN-Bauelementen von großer Bedeutung. Die late­ rale Stromausbreitung ist in dem P-Typ-Material ungefähr 30mal geringer als in dem N-Typ-Material. Ferner erhöht die geringe thermische Leitfähigkeit von vielen der Substrate eine Komplexität beim Bauelemententwurf, da die Bauelemente für eine optimale Wärmeableitung mit dem Übergang nach unten befestigt werden sollten.
Eine optoelektronische Struktur mit vertikalem Hohlraum, z. B. ein Oberflächen-emittierender Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL; VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Laser) erfordert hochqualitative Spiegel, z. B. mit einem Reflexionsvermögen von 99,5%. Ein Verfahren, um hoch­ qualitative Spiegel zu erreichen, verwendet Halbleiterauf­ wachstechniken. Um das hohe Reflexionsvermögen zu erreichen, das für verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs; DBR = Distributed Bragg Reflectors) erforderlich ist, die für VCSELs (< 99%) geeignet sind, existieren ernsthafte Materialauflagen für das Aufwachsen von Halbleiter-AlxGayInzN-DBRs, die ein Brechen und eine elektrische Leitfähigkeit einschließen. Diese Spiegel erfordern viele Perioden/Schichten von wech­ selnden Indium-Aluminium-Gallium-Nitrid-Zusammensetzungen (AlxGayInzN/Alx,Gay,Inz,N). Dielektrische DBRs (D-DBR) sind, im Gegensatz zu Halbleiter-DBRs, relativ einfach mit Refle­ xionsvermögen über 99% in dem Spektralbereich, der von dem AlxGayInzN-System abgedeckt wird, herzustellen. Diese Spie­ gel werden typischerweise durch Bedampfungs- oder Sputter­ techniken abgeschieden, aber MBE (MBE = Molecular Beam Epitaxial = Molekular-Strahl-Epitaxie) und MOCVD (MOCVD = Metal-Organic Chemical Vapor Deposition = Metall-Organische Chemische Dampfabscheidung) können ebenso verwendet werden. Jedoch kann lediglich auf eine Seite der aktiven Region für eine D-DBR-Abscheidung zugegriffen werden, es sein denn, das Aufwachssubstrat wurde entfernt. Das Erzeugen einer opto­ elektronischen AlxGayInzN-Struktur mit vertikalem Hohlraum würde signifikant einfacher sein, falls es möglich wäre, D-DBRs auf beiden Seiten einer aktiven AlxGayInzN-Region zu verbinden (Bonden) und/oder abzuscheiden.
Waferbonden kann in zwei grundlegende Klassen geteilt wer­ den: Direktes Waferbonden und metallisches Waferbonden. Beim direktem Waferbonden werden die zwei Wafer über Massentran­ sport an der Verbindungs-Schnittstelle zusammen geschmolzen. Direktes Waferbonden kann zwischen jeder Kombination von Halbleiter-, Oxid- und dielektrischen Materialien durch­ geführt werden. Dieses erfolgt normalerweise bei hoher Tem­ peratur (< 400°C) und unter einachsigem Druck. Eine geeignete Technik für direktes Waferbonden wird von Kish im US-Patent 5,502,316 beschrieben. Beim metallischen Waferbonden wird eine Metallschicht zwischen den zwei zu verbindenden Sub­ straten abgeschieden, um zu bewirken, daß dieselben an­ einander haften. Ein Beispiel für das metallische Bonden, das von Yablonovitch u. a. in Applied Physics Letters, Ausg. 56, S. 2419-2421, 1990 beschrieben wird, ist das Flip-Chip- Bonden, eine Technik, die in der Mikro- und Optoelektro­ nik-Industrie verwendet wird, um ein Bauelement mit der Oberseite nach unten auf einem Substrat anzubringen. Seit das Flip-Chip-Bonden verwendet wird, um die Wärmeableitung eines Bauelements zu verbessern, hängt die Entfernung des Substrats von der Bauelementstruktur ab und herkömmlicher­ weise bestehen die einzigen Erfordernisse an die metallische Verbindungsschicht, daß dieselbe elektrisch leitfähig und mechanisch robust ist.
In "Low threshold, wafer fused long wavelength vertical ca­ vity lasers", Applied Physics Letters, Ausg. 64, Nr. 12, 1994, S. 1463-1465, lehren Dudley u. a. ein direktes Wa­ ferbonden von AlAs/GaAs-Halbleiter-DBRs auf eine Seite einer Struktur mit vertikalem Hohlraum, während in "Room-Tempera­ ture Continuous-Wave Operation of 1.54-µm Vertical-Cavity Lasers", IEEE Photonics Technology Letters, Ausg. 7, Nr. 11, 1995, Babic u. a. von Direkt-Waferverbundenen Halbleiter- DBRs auf beiden Seiten eines InGaAsP-VCSEL lehren, um die großen Brechungsindexveränderungen zwischen AlAs/GaAs zu verwenden. Wie beschrieben werden wird, ist das Waferbonden von D-DBRs an AlxGayInzN signifikant komplizierter als das Waferbonden von Halbleiter an Halbleiter und war früher im Stand der Technik nicht bekannt.
In "Dielectrically-Bonded Long Wavelength Vertical Cavity Laser on GaAs Substrates Using Strain-Compensated Multiple Quantum Wells", IEEE Photonics Technology Letters, Ausg. 5, Nr. 12, 1994, beschreiben Chua u. a. AlAs/GaAs-Halbleiter- DBRs, die an einen InGaAsP-Laser durch eine aufgeschleuderte Glasschicht angebracht sind. Aufgeschleudertes Glas ist kein geeignetes Material zum Bonden in einem VCSEL zwischen den aktiven Schichten und dem DBR, da es schwierig ist, die prä­ zise Dicke von aufgeschleudertem Glas zu steuern und daher die entscheidende Schichtsteuerung, die für einen VCSEL- Hohlraum erforderlich ist, verloren geht. Ferner können die Eigenschaften des Glases inhomogen sein, was eine Streuung und andere Verluste in dem Hohlraum verursacht.
Das Aufwachsen optischer Spiegel aus AlxGa1-xN/GaN-Paaren von Halbleiter-DBR-Spiegeln mit Reflexionsvermögen, die für VCSELs, z. B. < 99%, adäquat sind, ist schwierig. In Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, deuten theoretische Berech­ nungen des Relexionsvermögens an, daß, um das erforderliche hohe Reflexionsvermögen zu erreichen, ein hoher Indexkon­ trast erforderlich ist, der nur durch ein Erhöhen der Alumi­ niumzusammensetzung der Niedrigindex-AlxGa1-xN-Schicht und/oder durch durch ein Umfassen mehrerer Schichtperioden ge­ liefert werden kann (die Materialeigenschaften wurden von Ambacher u. a. entnommen, MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, 2(22), 1997). Jeder dieser Ansätze bringt ernsthafte Herausforderungen mit sich. Falls Strom durch die DBR-Schichten geleitet wird, ist es wichtig, daß die DBRs leitfähig sind. Daimit die AlxGa1-xN-Schicht ausrei­ chend leitfähig ist, muß dieselbe adäquat dotiert werden. Die elektrische Leitfähigkeit ist nicht ausreichend, wenn die Aluminiumzusammensetzung nicht unter ungefähr 50% für eine Si-Dotierung (N-Typ) und unter ungefähr 20% für eine Mg-Dotierung (P-Typ) reduziert wird. Jedoch erfordert, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Anzahl der Schichtperioden, die erforderlich sind, um ein ausreichendes Reflexionsvermögen zu erreichen, unter Verwendung von Schichten mit geringerer Aluminiumzusammensetzung eine große Gesamtdicke des AlxGa1-xN-Materials, was das Risiko des epitaxialen Schicht­ bruchs erhöht (aufgrund der relativ großen Gitter-Fehlanpas­ sung zwischen AlN und GaN) und die Zusammensetzungssteuerung verringert. Tatsächlich ist der Al0,30Ga0,70N/GaN-Stapel aus Fig. 1 schon ~ 2,5 µm dick und weit davon entfernt, für ei­ nen VCSEL ausreichend reflektierend zu sein. Somit erfordert ein Hochreflexions-DBR, der auf diesem Schichtpaar basiert, eine Gesamtdicke, die signifikant dicker als 2,5 µm ist, und ist wegen der Fehlanpassung zwischen Wachstumsbedingungen und Materialeigenschaften von AlN und GaN schwierig ver­ läßlich aufzuwachsen. Obwohl das Brechen nicht von so großer Bedeutung ist, wenn die Schichten undotiert sind, stellen die Zusammensetzungssteuerung und die AlN/GaN-Wachstumstem­ peraturen weiterhin große Herausforderungen für das Aufwach­ sen von Hochreflektions-DBRs dar. Daher wurden sogar bei Anwendungen, bei denen die DBRs keinen Strom leiten müssen, keine Halbleiterspiegelstapel mit Reflexionsvermögen < 99% in dem AlxGayInzN-Materialsystem gezeigt. Aus diesem Grund werden dielektrisch basierte DBR-Spiegel bevorzugt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein lichtemitierendes Bauelement mit hochqualitativen refelk­ tierenden Oberflächen an beiden Seiten des Bauelements und ein Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur zu schaffen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Bau­ element gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und 14 gelöst.
Mindestens ein Spiegelstapel, z. B. ein dielektrischer ver­ teilter Bragg-Reflektor (D-DBR) oder ein zusammengesetzter D-DBR/Halbleiter-DBR liegt zwischen einer AlxGayInzN-aktiven Region und einem Hostsubstrat (Grundsubstrat). Eine Wafer­ verbindungs-Schnittstelle ist irgendwo zwischen dem Grund­ substrat und der aktiven Region angeordnet. Eine wahlweise Zwischenverbindungsschicht befindet sich benachbart zu der Waferverbindungs-Schnittstelle, um die Spannung und die Fehlanpassung der thermischen Koeffizienten der Waferverbin­ dungs-Schnittstelle aufzunehmen. Ein wahlweiser Spiegelsta­ pel ist benachbart zu der aktiven AlxGayInzN-Region angeord­ net. Entweder das Grundsubstrat oder die Zwischenverbin­ dungsschicht ist für eine Nachgiebigkeit ausgewählt.
Ein Ausführungsbeispiel der zuvor erwähnten Erfindung be­ steht aus einem Bauelement mit einer Waferverbindungs- Schnittstelle, die benachhart zu der aktiven AlxGayInzN-Re­ gion angeordne die aktive AlxGayInzN-Region auf einem Opfersubstrat, z. B. aus Al2O3, hergestellt wird. Der Spiegelstapel, der an einem Grundsubstrat angebracht ist, ist mit der aktiven AlxGayInzN-Region direkt waferverbunden. Als nächstes wird das Opfersubstrat entfernt. Der wahlweise Spiegelstapel ist an die Oberseite der aktiven AlxGayInzN- Region angebracht. Techniken zum Anbringen umfassen das Bon­ den, Abscheiden und Aufwachsen. Elektrische Kontakte werden der N-Typ- und der P-Typ-Schicht hinzugefügt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem die Wa­ ferverbindungs-Schnittselle benachbart zu dem Grundsubstrat angeordnet ist, ist der Spiegelstapel an der Oberseite der aktiven AlxGayInzN-Region angebracht. Falls direktes Wafer­ bonden verwendet wird, wird ein Grundsubstrat, das ausge­ wählt ist, um die korrekten mechanischen Eigenschaften aufzuweisen, mit dem Spiegelstapel waferverbunden. Alterna­ tiv kann metallisches Bonden verwendet werden, um das Grund­ substrat mit dem Spiegelstapel zu verbinden. Das Opfersub­ strat wird entfernt. Ein wahlweiser Spiegelstapel ist an der Oberseite der aktiven AlxGayInzN-Region angebracht. Elektri­ sche Kontakte werden der N-Typ- und der P-Typ-Schicht hinzu­ gefügt. Das Auswählen des Grundsubstrats in dem Fall des di­ rekten Waferbondens, um die erwünschten Eigenschaften zu er­ halten, ist eine schwierige Aufgabe. Zusätzliche Ausfüh­ rungsbeispiele umfassen das Anordnen der Waferverbindungs- Schnittstelle innerhalb des DBR.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das theoretische Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge für AlN/GaN- und Al0,30Ga0,70N/GaN-DBRs.
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung.
Fig. 3A bis 3F bildhaft das Flußdiagramm, das der vorlie­ genden Erfindung entspricht.
Fig. 4A bis 4F bildhaft ein alternatives Flußdiagramm, das der vorliegenden Erfindung entspricht.
Fig. 5 ein Querschnittsbild der direkten Waferverbin­ dungs-Schnittstelle zwischen einem D-DBR, der auf einer GaN/Al2O3-Struktur abgeschieden ist, und einem GaP-Grundsubstrat, das mittels eines Raster­ elektronenmikroskops (SEM; SEM = scanning electron microscop) aufgenommen wurde.
Fig. 6 einen SEM-Querschnitt einer aktiven Region mit ei­ nem abgeschiedenen D-DBR, der mit einem Grundsub­ strat metallisch verbunden wurde. Das Substrat wurde entfernt und ein zweiter D-DBR auf der Seite der AlxGayInzN-aktiven Region, gegenüber dem er­ sten D-DBR, abgeschieden.
Fig. 7 das optische Emissionsspektrum von 400 bis 500 nm von dem Bauelement, das in Fig. 6 beschrieben ist.
Die modalen Spitzen beschreiben eine Struktur mit vertikalem Hohlraum.
Dielektrische verteilte Bragg-Reflektoren (D-DBR) bestehen aus gestapelten Paaren aus Niedrigverlustdielektrika, bei denen eines der Paarmaterialien einen niedrigen Brechungs­ index aufweist und eines einen hohen Brechungsindex auf­ weist. Einige mögliche dielektrische DBR-Spiegel basieren auf gepaarten Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) mit Titan­ oxid (TiO2), Zirkoniumoxid (ZrO2), Tantaloxid (Ta2O5) oder Hafniumoxid (HfO2) und können die hohen Reflexionsvermögen, die für einen blauen Oberflächen-emittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL), z. B. < 99,5%, oder für ein lichtemittierendes Bauelement mit Resonanzhohlraum (RCLED; RCLED = Resonant Cavity Light Emitting Device), z. B. ~ 60% oder höher, erforderlich sind, erreichen. Die SiO2/HfO2-ge­ stapelten Paare sind von speziellem Interesse, da diese ver­ wendet werden können, um Spiegelstapel mit Reflexionsvermö­ gen über 99% in dem Wellenlängenbereich von 350 bis 500 nm zu erzeugen. Bei D-DBRs, die aus wechselnden Schichten aus SiO2 und HfO2 hergestellt sind, wurde gezeigt, daß dieselben mechanisch stabil bis zu 1050°C sind, was denselben Flexibi­ lität für eine nachfolgende Verarbeitung verleiht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 ist ein erster Spiegelstapel 14, z. B. ein DBR mit hohem Reflexionsvermögen, an einem geeigneten Substrat ange­ bracht. Der Spiegelstapel 14 kann aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen: einem Dielektrikum, ei­ nem Halbleiter und einem Metall. Der erste Spiegelstapel 14 ist mit einer oberen P-Schicht 18a in einer aktiven AlxGayInzN-Region 18 waferverbunden, die auf einem Opfersub­ strat aufgewachsen ist. Die optoelektronische AlxGayInzN- Struktur mit vertikalem Hohlraum 18 wurde für eine hohe Ausbeute bei der erwünschten Wellenlänge entworfen. Die Waferverbindungs-Schnittstelle 16 von exzellenter optischer Qualität mit sehr geringem Beugungsvermögen sein. Die Wafer­ verbindungs-Schnittstelle 16 kann eine wahlweise Zwischen­ verbindungsschicht (nicht gezeigt) umfassen. Ein wahlweiser zweiter Spiegelstapel 20, z. B. ein D-DBR (in Fig. 2 ge­ zeigt), ist an die optoelektronische AlxGayInzN-Struktur mit vertikalem Hohlraum 18 an einer Seite gegenüber dem ersten Spiegelstapel 14 angebracht. Der wahlweise zweite Spiegel­ stapel 20 und die N- und P-Typ-Schichten 18b, 18a der ak­ tiven AlxGayInzN-Region 18 können strukturiert und geätzt werden, um Bereiche für ohmsche Kontakte zu liefern. Für ei­ nen VCSEL muß der Spiegel ein sehr hohes Reflexionsvermögen < 99% aufweisen. Für ein RCLED läßt das Erfordernis an das Reflexionsvermögen des Spiegels (der Spiegel) nach (< 60%).
Ein alternativer Ansatz besteht darin, den Spiegelstapel 14 an die aktive AlxGayInzN-Region anzubringen. Die Waferver­ bindungs-Schnittstelle 16 befindet sich dann zwischen dem Spiegelstapel 14 und dem Grundsubstrat 12. Diese Struktur kann ferner einen wahlweisen zweiten Spiegelstapel 20 auf­ weisen. Noch ein weiterer Ansatz, der in Verbindung mit einem der ersten zwei verwendet wird, besteht darin, eine direkte Waferverbindung in der Mitte von einem oder beiden der Spiegelstapel aufzuweisen. Einige mögliche Anordnungen einer Waferverbindungs-Schnittstelle 16 sind in Fig. 2 gezeigt.
Eine Stromeinschränkung kann entweder in dem Material der aktiven N-Typ- oder der aktiven P-Typ-Region durch ein Ein­ fügen einer AlxGayInzN-Schicht erreicht werden, die geätzt und/oder oxidiert sein kann, um den Strom und die optische Begrenzung zu verbessern und somit die Laserschwellen zu re­ duzieren oder den Bauelementwirkungsgrad zu verbessern. Der Einbau einer solchen Schicht ist wichtig, wenn ein D-DBR und/oder undotierter Halbleiter-DBR verwendet wird, da durch diese kein Strom geleitet wird. Der Hohlraum kann ein Ein­ zel- oder Mehrfachwellenlängen-Hohlraum sein, was von der erforderlichen Dicke der kontaktierenden Schichten abhängt, um eine geeignet niedrige Vorwärtsspannung zu erhalten. Viele Veränderungen bei den oben beschriebenen Strukturen sind möglich. Es kann ferner eine ähnliche Struktur erzeugt werden, bei der das P- und N-Typ-Material vertauscht sind.
Die Fig. 3A-3F zeigen bildhaft ein Flußdiagramm entspre­ chend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3A ist eine aktive AlxGayInzN-Region auf einem Opfersubstrat, z. B. Al2O3, hergestellt. In Fig. 3B ist ein erster Spiegelstapel an einem Grundsubstrat angebracht. Techniken zum Anbringen umfassen Bonden, Abscheiden und Auf­ wachsen. In Fig. 3C ist der erste Spiegelstapel über Wafer­ bonden an der aktiven AlxGayInzN-Region angebracht. Für ei­ nen VCSEL sollte direktes Waferbonden verwendet werden, da es entscheidend ist, niedrige optische Verluste zu haben. In Fig. 3D ist das Opfersubstrat entfernt. In Fig. 3E ist der wahlweise zweite Spiegelstapel an die Oberseite der aktiven AlxGayInzN-Region angebracht. In Fig. 3F sind elektrische Kontakte dem wahlweisen zweiten Spiegelstapel oder der ak­ tiven AlxGayInzN-Region hinzugefügt. Ein Strukturieren, um den Bauelementbereich zu definieren und die Kontaktschichten freizulegen, kann ferner in dem Prozeßfluß durchgeführt werden.
Die Fig. 4A bis 4F stellen bildhaft ein alternatives Prozeß­ flußdiagramm dar. In Fig. 4A ist eine aktive AlxGayInzN- Region auf einem Opfersubstrat aufgewachsen. In Fig. 4B ist der erste Spiegelstapel an einem Grundsubstrat angebracht. In Fig. 4C ist die aktive AlxGayInzN-Region über direktes Waferbonden oder metallisches Bonden an dem ersten Spiegel­ stapel angebracht. Da die Waferverbindung außerhalb des op­ tischen Hohlraums ist, sind Verluste aufgrund der Waferver­ bindung weniger entscheidend. In Fig. 4D ist das Opfersub­ strat entfernt. In Fig. 4E ist der wahlweise zweite Spiegel­ stapel an der aktiven AlxGayInzN-Region angebracht. In Fig. 4F sind elektrische Kontakte dem wahlweisen zweiten Spiegel­ stapel oder der aktiven AlxGayInzN-Region hinzugefügt. Ein Strukturieren, um den Bauelementbereich zu definieren und die Kontaktschichten freizulegen, kann in dem Prozeßfluß ebenso durchgeführt werden.
Die Wahl des Grundsubstrats für direktes Waferbonden ist entscheidend und wird durch einige Eigenschaften beeinflußt:
Massentransport, Nachgiebigkeit und Abbau von Belastung/Span­ nung. Das Grundsubstrat kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Galliumphosphid (GaP), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder Silizium (Si) umfaßt. Für Silizium liegt die bevorzugte Dicke des Substrats zwischen 1000 Å und 50 µm.
Massentransport spielt eine wichtige Rolle bei direktem Wa­ ferbonden. Bei standardmäßigem III-V-Zu-III-V-Direktwafer­ bonden oder III-V-Zu-Dielektrikum-Bonden zeigt mindestens eine Oberfläche einen signifikanten Massentransport bei Tem­ peraturen, die niedrig genug sind, um die Qualität der Schichten zu bewahren. Im Gegensatz hierzu zeigen AlxGayInzN- und die meisten dielektrischen Materialien kei­ nen signifikanten Massentransport bei Temperaturen, die mit der Beibehaltung der Integrität der viel Indium enthaltenden aktiven AlxGayInzN-Schichten vereinbar sind (< 1000°C). Das Ausbleiben von Massentransport in einem oder beidender Ver­ bindungs-Materialien erschwert die Waferhaftung. Ein Modell hierfür ist, daß, wenn beide Materialien einen signifikanten Massentransport bei der Verbindungstemperatur zeigen, sich die Verbindungen beider Materialien in der stärksten Verbin­ dung entlang der Schnittstelle neu anordnen können. Wenn le­ diglich ein Material einen signifikanten Massentransport zeigt, können sich lediglich die Verbindungen dieses einen Materials mit den Oberflächenverbindungen des anderen Materials ausrichten. Es ist in dieser Situation schwierig, eine Waferverbindung mit hoher mechanischer Stärke zu bilden.
Nachgiebigkeit ist das Vermögen des Materials, die Form in einer atomaren oder makroskopischen Größenordnung zu ändern, um Spannungen und Belastungen aufzunehmen. Für die Zwecke dieser Erfindung ist Nachgiebigkeit derart definiert, daß dieselbe von Materialien erfüllt wird, die einen Schmelz­ punkt aufweisen, der niedriger als die Verbindungstemperatur ist, oder wenn Materialien eine Rißhaltetemperatur aufwei­ sen, die unter der Verbindungstemperatur ist, oder wenn die Substrate dünner als ~ 50 µm sind.
Standardmäßiges III-V-Waferbonden für Substrate aus GaP, GaAs und InP wird im allgemeinen bei Temperaturen von 400 bis 1000°C durchgeführt, bei denen beide Substrate nach­ giebig sind. Die Nachgiebigkeit von mindestens einem der Verbindungs-Materialien ist essentiell für Waferbonden, da die Materialien eine inherente Oberflächenrauhheit und/oder ein Fehlen von Planheit entweder in einer mikroskopischen oder einer makroskopischen Größenordnung aufweisen. Bei einer Temperatur von 1000°C hat eine AlxGayInzN-Struktur, die in einer N2-Umgebung für 20 Minuten ausgeheilt wurde, eine Reduzierung der PL-Intensität von ungefähr 20% zur Fol­ ge. Somit ist es wünschenswert, die Verbindungstemperatur unter 1000°C zu halten. GaN-basierte Materialien, die auf Al2O3-Substraten aufgewachsen sind, sind bei Verbindungstem­ peraturen unter 1000°C nicht nachgiebig. Dielektrische Ma­ terialien, die verwendet werden, um Hochreflexions-D-DBRs für Halbleiter mit großen Bandlücken herzustellen, sind ty­ pischerweise unter 1000°C nicht nachgiebig. Daher ist es wichtig, daß das Verbindungs/Trägersubstrat und/oder die Zwischenverbindung bei diesen Temperaturen nachgiebig ist.
Der Schmelzpunkt ist eine Eigenschaft, die die Nachgiebig­ keit der Materialien bestimmt. Zum Beispiel kann für die folgenden Materialien, GaAs (Tm = 1510 K), GaP (Tm = 1750 K) und InP (Tm = 1330 K) gesehen werden, daß die relative Rei­ henfolge der Nachgiebigkeit InP, GaAs, GaP ist, wobei InP das Nachgiebigste ist. Normalerweise weisen Materialien eine Rißhaltetemperatur unter dem Schmelzpunkt auf. Die Nachgie­ bigkeit dieser Materialien bei hohen Temperaturen muß mit einer Desorption von einem der Elemente ausgeglichen werden. Obwohl InP sogar bei einer Temperatur von 1000°C nachgiebig ist, wird das Material bei dieser Temperatur wegen der De­ sorption von Phosphor stark zersetzt. Ein Bonden mit solchen Materialien sollte auf Temperaturen niedriger als ungefähr das Doppelte der Desorptionstemperatur bei dem Umgebungs­ druck während des Bondens begrenzt werden. Somit muß die Auswahl der Materialien sowohl mit der erforderlichen Nach­ giebigkeit als auch der Verbindungstemperatur kompatibel sein.
Sehr dünne Substrate können ebenso nachgiebig sein. Dünnes Silizium, z. B. < 50 µm, ist nachgiebig, da die Belastungen, sogar bei einem hohen Krümmungradius, klein sind, wenn das Substrat dünn ist. Diese Technik arbeitet gut bei Materiali­ en mit einer hohen Bruchhärte, z. B. Silizium (11270 N/mm2) oder AlxGayInzN. Materialien, die eine geringe Bruchhärte aufweisen, z. B. GaAs (2500 N/mm2), können jedoch beim Hand­ haben leicht brechen. Für Silizium mit einer Dicke < 50 µm bewirkt sogar ein kleiner Krümmungsradius hohe Belastungen in dem Material, was bewirkt, daß das Material bricht. Dasselbe gilt bei anderen Materialien, die mögliche Sub­ stratkandidaten sind.
Der Abbau von Belastung und Spannung wird durch die hohe Fehlanpassungsspannung in GaN, das auf Al2O3 aufgewachsen ist, sowie die Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten (CTE; CTE = coefficient of thermal expansion) zwischen AlxGayInzN und den meisten anderen geeigneten Trä­ gersubstratmaterialien verstärkt. Im Gegensatz zu anderen Halbleitermaterialien, die waferverbunden sind, ist die CTE-Fehlanpassung zwischen AlxGayInzN und anderen Halblei­ termaterialien größer; die Belastungen werden durch die unterschiedliche CTE-Fehlanpassung entlang den a- und c-Ebe­ nen des Wurzitmaterials zusammengesetzt. Die Belastungen in GaN (CTE = 5,59, a-Ebene/3,17 × 10-6, c-Ebene/°C), das mit einem anderen Substrat (GaAs-CTE = 5,8, GaP-CTE = 6,8, InP = 4,5 × 10-6/C) waferverbunden ist, erfordert einen lokalen Abbau der Belastung, da die CTE-Fehlanpassung des Grundsub­ strats gut zu denen der beiden GaN-Ebenen passen sollte. Diese Belastung kann von einem nachgiebigen Material aufge­ nommen werden, in einer Zwischenverbindungsschicht, die weich oder flüssig an der Verbindungs-Schnittstelle bei der Verbindungstemperatur ist oder durch ein Liefern von lokalem Abbau von Spannung, z. B. durch ein Strukturieren von minde­ stens einer der Verbindungs-Schnittstellen. Die Zwischenver­ bindungsschicht ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Dielek­ trika und Legierungen umfaßt, die Halogenide (z. B. CaF2), ZnO, Indium (In), Zinn (Sn), Chrom (Cr), Gold (Au), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und II-VI-Materialien enthalten.
Die Stromausbreitung ist ein weiterer wichtiger Punkt bei GaN-basierten Bauelementen. Die laterale Stromausbreitung ist in dem P-Typ-Material ungefähr 30 mal geringer als in dem N-Typ-Material. Da das Herstellen von Hochreflexions­ spiegeln auf beiden Seiten der aktiven Schicht für einen guten Hohlraum erforderlich ist, wird das Problem der la­ teralen Stromausbreitung in der P-Schicht wegen der isolie­ renden Eigenschaft der D-DBRs verstärkt. Eine Möglichkeit, die Stromausbreitung in der P-Schicht zu verbessern, besteht darin, einen zusammengesetzten DBR aus leitfähigen transpa­ renten Halbleiter- und dielektrischen Stapeln herzustellen. Der Halbleiterteil des Stapels verbessert die Stromausbrei­ tung durch ein Erhöhen der Dicke der P-Schichten, während der dielektrische Stapel das niedrige Halbleiter-Reflexions­ vermögen verbessert, um das gesamte Spiegel-Reflexionsvermö­ gen über 99% zu bringen. Dasselbe Verfahren kann bei dem N-Typ-Spiegel angewendet werden, obwohl es wegen der höheren Leitfähigkeit der N-Typ-Schichten weniger wichtig ist.
Das Hinzufügen von Stromeinschränkungsschichten würde die Stromausbreitung ferner durch ein Richten des Stroms nur in den Hohlraum verbessern und kann für einen VCSEL erforder­ lich sein. Dies kann auf die optoelektronische Struktur mit vertikalem Hohlraum, mit oder ohne einen zusammengesetzten Halbleiter/Dielektrikum-DBR, angewendet werden und kann in dem Halbleiterteil eines zusammengesetzten Spiegels einge­ baut werden. Obwohl die Stromeinschränkungsschichten sowohl in den P- als auch den N-Schichten der Einschränkungs­ schichten enthalten sein können, ist es wegen der niedrigen Leitfähigkeit am effektivsten in den P-Einschränkungsschich­ ten.
Das Trägersubstrat ist erforderlich, wenn ein D-DBR auf bei­ den Seiten der aktiven Region angebracht werden soll, da das Originalgrundsubstrat entfernt werden muß. Es existieren ei­ nige Verfahren zum Entfernen des Saphirsubstrats, das typi­ scherweise als ein Aufwachssubstrat verwendet wird. Die Ver­ fahren, die unten erklärt werden, sind lediglich eine Unter­ gruppe der Techniken, die verwendet werden können, um das Aufwachssubstrat zu entfernen, das auch ein anderes Material als Saphir sein kann.
Beim Laserschmelzen beleuchtet eine Technik, wie sie von Wong u. a. und Kelley u. a. beschrieben wurde, die einen Laser mit einer Wellenlänge aufweist, für die das Saphir­ substrat transparent ist, aber die dem Substrat benachbarte Halbleiterschicht nicht, die Rückseite (Saphirseite) der Struktur. Die Laserenergie kann die benachbarte Halbleiter­ schicht nicht durchdringen. Wenn die Laserenergie ausrei­ chend ist, erwärmt sich die Halbleiterschicht, die dem Sa­ phirsubstrat benachbart ist, bis zu dem Punkt, an dem sich dieselbe zersetzt. Für den Fall, bei dem GaN die Schicht ist, die dem Saphirsubstrat benachbart ist, zersetzt sich die Schicht an der Schnittstelle in Ga und N, wobei Ga an der Schnittstelle zurückgelassen wird. Das Ga-Metall-wird dann geschmolzen und das Saphirsubstrat von dem Rest der Schichtstruktur entfernt. Die Zersetzung der Schicht, die dem Saphirsubstrat benachbart ist, hängt von der Laserener­ gie, der Wellenlänge, der Materialzersetzungstemperatur und der Absorption des Materials ab. Das Saphirsubstrat kann durch diese Technik entfernt werden, um zu ermöglichen, daß ein D-DBR an der anderen Seite der aktiven Region angebracht wird. Jedoch ist es ist entscheidend, daß die WeSEL-Schnitt­ stellen minimal verlustarm (< 0,5%) sind und sehr glatt sind, um die Resonanzhohlraumcharakteristika zu maximieren. Diese Laserschmelztechnik weist viele Entwurfsvariablen auf, die verursachen können, daß der Laserschnittstelle die Eben­ heit fehlt, die für einen VCSEL erforderlich ist. Zusätzlich haben VCSELs sehr starke Dickenbeschränkungen. Es existieren einige Möglichkeiten, daß Laserschmelzen verwendet werden kann, um beide dieser Probleme zu lindern.
Die Schicht, die dem Opferaufwachssubstrat benachbart ist, ist definiert, eine Opferschicht zu sein, wenn die Dicke der Schicht derart ist, daß dieselbe durch den Laser vollständig zersetzt wird. Veröffentlichte Ergebnisse in der Literatur (Wong u. a.) zeigen an, daß eine Schichtdicke, die vollstän­ dig zersetzt wird, näherungsweise 500 Å beträgt, aber dieser Wert hängt von der Laserenergie, der Laserwellenlänge und der Materialzersetzungstemperatur und der Absorption der Schicht, die dem Substrat benachbart ist, ab. Die Schicht, die der Opferschicht benachbart ist (gegenüber dem Sub­ strat), die Sperrschicht, ist ausgewählt, um eine höhere Zersetzungstemperatur oder eine niedrigere Absorption bei der Laserwellenlänge als die Opferschicht zu haben. Die Sperrschicht wird, da dieselbe eine höhere Zersetzungs­ temperatur oder niedrige Absorption aufweist, nicht signi­ fikant von der Laserenergie beeinflußt. In dieser truktur wird die Opferschicht durch den Laser zersetzt, was eine unvermittelte Schnittstelle an der Sperrschicht hinterläßt, die eine höhere Zersetzungstemperatur oder niedrigere Ab­ sorption aufweist. Diese Sperrschicht kann dann anschließend geätzt, oxidiert und geätzt, oder unter Verwendung eines Lasers mit anderer Energie und Wellenlänge zersetzt werden.
Die bevorzugten Schichtkombinationen sind GaN/AlxGa1-xN, InGaN/AlxGa1-xN und InGaN/GaN. In dem Fall der GaN/AlxGa1-xN- Kombination zersetzt sich die GaN-Opferschicht mit dem Laser, aber die AlxGa1-xN-Sperrschicht bleibt unbeein­ flußt. Das AlxGa1-xN kann dann unter Verwendung von selek­ tivem naßchemischem Ätzen weggeätzt werden, um auf einer glatten AlxGayInzN-Schnittstelle zu enden. Alternativ kann, wenn die GaN-Schicht, die oben beschrieben ist, nicht voll­ ständig zersetzt ist, das verbleibende GaN weggeätzt werden. Da eine dicke Pufferschicht zu Beginn des GaN-Aufwachsens erforderlich ist und die VCSEL-Schicht-Schnittstellen von gesteuerter Dicke und sehr eben sein müssen, kann dieses Verfahren besonders wertvoll sein.
Die Dicke einer speziellen Schicht oder eines Hohlraums kann unter Verwendung einer oder mehrerer Opferschichten und Sperrschichten zugeschnitten werden. Durch Laserschmelzen und selektives naßchemisches Ätzen können in Folge Schicht­ paare zersetzt und geätzt werden, bis die Wunschdicke er­ reicht ist. Eine bevorzugte Schichtkombination ist GaN/AlxGa1-xN, wobei das GaN die Opferschicht ist und die AlxGa1-xN-Sperrschicht selektiv naßchemisch geätzt werden kann.
Es existieren andere alternative Verfahren zum Entfernen des Aufwachssubstrats. Ein Verfahren besteht in der Verwendung von AlN, das unter Verwendung von naßchemischem Ätzen selek­ tiv geätzt werden kann. AlN kann als eine Opferschicht ver­ wendet werden, wobei die AlxGayInzN-Schichten unter Verwen­ dung von AlN-selektivem Ätzen von dem Grundsubstrat entfernt werden können, um die Struktur zu unterschneiden. Alternativ können die AlN-Schichten unter Verwendung eines Naßoxida­ tionsprozesses bei erhöhten Temperaturen oxidiert werden. Die AlN-Oxide können dann unter Verwendung eines Ätzmittels, z. B. HF, weggeätzt werden. Bei einem weiteren Ansatz kann das Substrat abgeblättert werden, z. B. indem ein leichtes Ion in das Material implantiert wird. Dies erzeugt Defekte bei einer bestimmten Tiefe. Wenn das Substrat erhitzt wird, schneidet sich das Material selektiv durch Versetzungen und das Substrat wird von den aktiven Schichten getrennt. Ein Unterschneiden einer ZnO- oder anderen dielektrischen Puf­ fer-Schicht über chemische Ätzmittel kann ferner verwendet werden, um das Substrat von den AlxGayInzN-Schichten zu ent­ fernen. Diese Technik kann bei 2-D- oder 3-D-Aufwachstechni­ ken (z. B. SiO2 oder ein anderes Dielektrikum, das bei ELOG verwendet wird) angewendet werden, wobei die AlxGayInzN- Schicht kontinuierlich über das Substrat oder nur in struk­ turierten Bereichen ist.
Dielektrische DBRs wurden auf aktiven AlxGayInzN-Regionen abgeschieden, die auf Saphirsubstraten aufgewachsen sind. Die Struktur aus DBR und aktiver AlxGayInzN-Region wurde dann mit einem Grundsubstrat waferverbunden. In dem Fall 1 wurde die Struktur aus DBR und aktiver AlxGayInzN-Region mit einem GaP-Grundsubstrat waferverbunden (siehe Fig. 3). In dem Fall 2 wurde die Struktur aus DBR und aktiver AlxGayInzN-Region mit einem GaP-Grundsubstrat über eine Zwischen-CaF2-Schicht waferverbunden (Fig. 3, wobei die Zwischenschicht nicht gezeigt ist). In dem Fall 3 wurde der D-DBR auf einem Grundsubstrat (GaP) abgeschieden und mit einer aktiven AlxGayInzN-Region direkt waferverbunden (Fig. 4). Für die Fälle 1 und 3 ist der Verbindungsbereich viel kleiner als bei Fall 2, da keine Zwischenschicht verwendet wird. Fig. 5 zeigt Querschnittsbilder der Verbindungs- Schnittstelle für eine Struktur von Fall 1, die mittels eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) aufgenommen wurden. Die Schnittstelle ist eben und bei dieser Vergrößerung sind keine Fehlstellen sichtbar. In dem Fall 4 wurde die Struktur aus DBR und aktiver AlxGayInzN-Region mit einem Grundsub­ strat über eine metallische Zwischenschicht verbunden, die aus einer CrAuNiCu-Legierung besteht. Fig. 6 zeigt einen SEM-Querschnitt von Fall 4, wobei das Saphirsubstrat ent­ fernt wurde und ein zweiter D-DBR auf der Seite der aktiven AlxGayInzN-Region gegenüber dem ersten D-DBR abgeschieden wurde. Für alle Bauelemente bestehen die D-DBR-Stapel aus SiO2/HfO2 und das Saphirsubstrat wurde unter Verwendung der Laserschmelztechnik entfernt. Fig. 7 zeigt das optische Emissionsspektrum von 400 bis 500 nm von dem in Fig. 6 be­ schriebenen Bauelement. Die modalen Spitzen sind für eine Strukur mit vertikalem Hohlraum charakteristisch.

Claims (18)

1. Bauelement mit:
einem Substrat (12);
einer AlxGayInzN-Struktur (18), die eine N-Typ-Schicht (18b), eine P-Typ-Schicht (18a) und eine aktive Schicht aufweist, die in der Nähe des Substrats (12) angeordnet ist;
einem ersten Spiegelstapel (14), der zwischen dem Sub­ strat (12) und einer Unterseite der AlxGayInzN-Struk­ tur (18) liegt;
einer Waferverbindungs-Schnittstelle (16), die zwi­ schen dem ersten Spiegelstapel (14) und einer ausge­ wählten von dem Substrat (12) und der AlxGayInzN- Struktur (18) liegt, die eine Verbindungstemperatur aufweist; und
einem P- und einem N-Kontakt (22a, 22b), wobei der P-Kontakt (22a) elektrisch mit der P-Typ-Schicht (18a) verbunden ist, und der N-Kontakt (22b) elektrisch mit der N-Typ-Schicht (18b) verbunden ist.
2. Bauelement gemäß Anspruch 1, ferner mit:
mindestens einer Zwischenverbindungsschicht, die zu der Waferverbindungs-Schittstelle (16) benachbart ist; wobei
die Zwischenverbindungsschicht oder das Substrat (12), ausgewählt ist, um nachgiebig zu sein.
3. Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die AlxGayInzN-Struktur (18) eine optoelektronische Struk­ tur mit vertikalem Hohlraum ist.
4. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die AlxGayInzN-Struktur (18) ferner eine Stromein­ schränkungsschicht innerhalb der P-Typ-Schicht (18a) umfaßt.
5. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat (12) nachgiebig ist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Galliumphosphid (GaP), Gallium­ arsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Silizium (Si) umfaßt.
6. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Zwischenverbindungsschicht nachgiebig ist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Dielektrika und Le­ gierungen umfaßt, die Halogenide, ZnO, Indium, Zinn, Chrom (Cr), Gold, Nickel und Kupfer und II-VI-Materi­ alien enthalten.
7. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner einen zweiten Spiegelstapel (20) aufweist, der benachbart einer oberen Seite der AlxGayInzN-Struktur (18) angeordnet ist.
8. Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem mindestens einer des ersten und zweiten Spiegelstapels (14, 20) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die dielektrische ver­ teilte Bragg-Reflektoren und zusammengesetzte ver­ teilte Bragg-Reflektoren umfaßt.
9. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur, mit den folgenden Schritten:
Anbringen eines Grundsubstrats (12) an einem ersten Spiegelstapel (14);
Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur (18) auf einem Opferaufwachssubstrat;
Erzeugen einer Waferverbindungs-Schnittstelle (16);
Entfernen des Opferaufwachssubstrats; und
Abscheiden elektrischer Kontakte (22a, 22b) auf der AlxGayInzN-Struktur (18).
10. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß Anspruch 9, bei dem der Schritt des Entfernens des Opferaufwachssubstrats den Schritt des Laser­ schmelzens aufweist.
11. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß Anspruch 9 oder 10, das ferner den Schritt des Anbringens einer Zwischenverbindungsschicht an der Waferverbindungs-Schnittstelle (16) aufweist.
12. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß Anspruch 11, bei dem das Grundsubstrat (12) oder die Zwischenverbindungsschicht ausgewählt ist, um nachgiebig zu sein.
13. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, das ferner den Schritt des Anbringens eines zweiten Spiegelstapels (20) an der Oberseite der AlxGayInzN-Struktur (18) aufweist.
14. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur (18) mit den folgenden Schritten:
Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur auf einem Opfer­ aufwachssubstrat;
Anbringen eines ersten Spiegelstapels (14) an der Oberseite einer AlxGayInzN-Struktur (18);
Waferbonden eines Grundsubstrats (12) an den ersten Spiegelstapel (14), um eine Waferverbindungs-Schnitt­ stelle zu erzeugen;
Entfernen des Opferaufwachssubstrats; und
Abscheiden elektrischer Kontakte (22a, 22b) auf der AlxGayInzN-Struktur (18).
15. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß Anspruch 14, bei dem der Schritt des Entfernens des Opferaufwachssubstrats den Schritt des Laser­ schmelzens aufweist.
16. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß Anspruch 14 oder 15, das ferner den Schritt des Anbringens einer Zwischenverbindungsschicht an der Waferverbindungs-Schnittstelle aufweist.
17. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß Anspruch 16, bei dem das Grundsubstrat oder die Zwischenverbindungsschicht ausgewählt ist, um nach­ giebig zu sein.
18. Verfahren zum Herstellen einer AlxGayInzN-Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, das ferner den Schritt des Anbringens eines zweiten Spiegelstapels (20) an der Oberseite der AlxGayInzN-Struktur (18) aufweist.
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