DE60017637T2

DE60017637T2 - Verfahren zum Trennen einer epitaktischen Schicht von einem Substrat und ihre Übertragung auf ein anderes Substrat

Info

Publication number: DE60017637T2
Application number: DE60017637T
Authority: DE
Inventors: Yong Palo Alto Chen; Shih-Yuan Palo Alto Wang
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: US6177359B1; JP4570733B2; DE60017637D1; EP1059662B1; EP1059662A1; JP2001053056A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im allgemeinen die Herstellung von Halbleitermaterialien und spezieller ein Verfahren zum Lösen und Übertragen einer epitaktisch gewachsenen Schicht von einem Substrat auf ein anderes Substrat.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Block, auf dem viele elektronische Elemente aufgebaut werden können, beispielsweise Dioden, Transistoren und Laser, ist ein Halbleitermaterial, das über einem Substrat wächst. Das Halbleitermaterial wird durch Wachsenlassen einer epitaktischen Schicht des Halbleitermaterials auf einem Substrat hergestellt. Das Substratmaterial kann haben und hat häufig eine andere Zusammensetzung und andere Gitterparameter als das Material, das zum Wachsenlassen der epitaktischen Schicht verwendet wird. Eine epitaktische Schicht aus Galliumnitrid (GaN) kann zum Beispiel auf einem Saphirsubstrat wachsen.
Verschiedene lichtemittierende Strukturen können aus dem Halbleitermaterial hergestellt werden. Um diese Strukturen fertigzustellen, ist es häufig wünschenswert, die epitaktische Schicht von dem ursprünglichen Substrat zu lösen und auf ein anderes Substrat zu übertragen. Wenn beispielsweise ein Kanten-Emissionslaser hergestellt wird, ist es notwendig, die epitaktische Schicht zu spalten, um eine reflektierende Oberfläche zu erhalten. Das Spalten ist ein Prozeß, bei dem eine Kante eines Wafers, einschließlich ein Substrat und eine epitaktische Schicht, eingekerbt oder geritzt wird und der Wafer gebrochen wird, um einen sauberen, glatten Schnitt des epitaktischen Materials entlang der Gitterfacette zu erhalten. Ein Paar paralleler Facetten wird als reflektierende Spiegel in einem Kanten-Emissions-Halbleiterlaser verwendet.
Das Spalten ist jedoch schwierig durchzuführen, während die GaN-Epitaxieschicht an dem Saphir (Al₂O₃)-Substrat angebracht ist. Wenn daher eine GaN-Epitaxieschicht auf Saphir aufwächst, ist es vorteilhaft, das GaN von dem Saphirsubstrat zu trennen. Der Grund hierfür ist, daß das Saphirsubstrat nicht leicht zu spalten ist und auch daß der Saphir und das GaN-Epitaxiematerial verschiedene Gitterkonstanten haben, was zu Gitterebenen führt, die nicht präzise ausgerichtet sind. Dadurch wird verhindert, daß man durch das Spalten eine saubere, parallele Facette der Epitaxieschicht erhält, wenn die Epitaxieschicht und das Saphirsubstrat aneinander befestigt sind. Es ist daher bei Kanten-Emissionslasern wünschenswert, die Epitaxieschicht von dem Saphirsubstrat zu trennen und auf ein anderes Substrat zu übertragen, z.B. Silizium (Si), das einfacher zu spalten ist.
Ein Oberflächen-Emissionlaser mit vertikalter Kavität (VCSEL) umfaßt im allgemeinen einen Bereich mit mehreren Quantenschacht-Schichten, die aus sehr dünnen abwechselnden Schichten aus GaN und AlGaN aufgebaut sind, um die herum verteilte Bragg-Reflektoren (DBR) gebildet sind.
In herkömmlichen VCSELs wird wenigstens ein DBR zwischen dem Substrat und den Quantenschacht-Schichten aus wechselnden Schichten aus GaN und AlGaN gebildet, so daß die Quantenschacht-Schichten auf Kristallmaterial mit ungefähr richtigen Gitterparametern aufwachsen können. Es ist jedoch schwierig, kristalline DBRs aus GaN/AlGaN mit ausreichender Reflektivität herzustellen. Dielektrischen DBRs, die aus wechselnden Schichten aus zwei dielektrischen Materialien bestehen, z.B. aus Siliziumdioxid (SiO₂) und Hafniumoxid (HfOx), sind einfacher mit der erforderlichen Reflektivität herzustellen, auf dieser An von dielektrischen Schichten können Quantenschacht-Schichten jedoch nicht wachsen.
Es wäre wünschenswert, eine Teil-VCSEL-Struktur wachsen lassen zu können, die eine erste Hüllschicht, eine Gruppe Quantenschacht-Schichten, eine zweite Hüllschicht und einen ersten dielektrischen DBR auf einem Substrat aufweist, und diese auf ein anderes Substrat zu übertragen. Dadurch kommen die zweite Hüllschicht und der erste DBR in Kontakt mit dem neuen Substrat, und die erste Hüllschicht wird freigelegt, über der dann eine zweite dielektrische DBR wachsen könnte.
In der Vergangenheit wurden epitaktische Schichten von Saphirsubstraten unter Verwendung eines Lasers getrennt, um die epitaktische Schicht an ihre Grenzfläche zu dem Substrat, auf der sie aufgewachsen ist, zu schmelzen. Im Falle einer epitaktischen Schicht aus GaN, die über einem Saphirsubstrat wächst, wird das Ausgangssignal eines UV-Lasers durch das Saphirsubstrat hindurch gerichtet und schmilzt eine dünne Schicht des GaN in der Nähe der Grenzfläche zwischen GaN und Saphir, wodurch die epitaktische Schicht aus GaN von dem Saphirsubstrat getrennt wird.
Ein Nachteil der Verwendung eines Lasers zum Trennen einer epitaktischen Schicht von dem Substrat ist, daß aufgrund der Begrenzung der Laserfleckgröße nur ein kleiner Teil der epitaktischen Schicht auf einmal abgetrennt werden kann.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines Lasers zum Trennen der epitaktischen Schicht vom Substrat ist, daß es schwierig ist, die Eindringtiefe des Laserlichtes zu steuern. Dies kann dazu führen, daß ein Teil der epitaktischen Schicht des GaN potentiell unbrauchbar wird, weil die Oberfläche aufgerauht wird und ein thermischer Schock innerhalb des Materials erzeugt wird. Die Eindringtiefe ist schwierig zu steuern, weil die an der Grenzfläche zwischen GaN und Saphir aufgenommene Wärme nicht präzise gesteuert werden kann.
Es besteht daher nach wie vor Bedarf in der Industrie an einem steuerbaren, praktikablen Verfahren zum Lösen einer epitaktischen Schicht von einem Substrat und Übertragen der epitaktischen Schicht auf ein anderes Substrat.
Im Stand der Technik offenbaren die Dokumente US-A-5,073,230 und US-A-5,328,549 Verfahren zum Trennen von epitaktischen Schichten von den Substraten, auf welchen sie gewachsen sind.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Lösen einer epitaktischen Schicht von einem Substrat und Übertragen dieser auf ein anderes Substrat vor. Obwohl die Erfindung nicht auf diese speziellen Anwendungen beschränkt ist, eignet sich das Verfahren zum Lösen einer epitaktischen Schicht von einem Substrat und Übertragen desselben auf ein anderes Substrat insbesondere zum Lösen einer epitaktischen Schicht aus GaN-Material von einem Saphirsubstrat und Übertragung derselben auf ein Substrat aus einem anderen Material, wie Silizium (Si). Das GaN-Material kann Mitglieder der Familie der Gruppe III–V enthalten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt darauf, Galliumnitrid (GaN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Indiumnitrid (InN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumindiumgalliumnitrid (AlInGaN), Galliumarsenidnitrid (GaAsN), Indiumgalliumarsenidnitrid (In GaAsN), Aluminiumgalliumarsenidnitrid (AlGaAsN), Galliumphosphidnitrid (GaPN), Indiumgalliumphosphidnitrid (InGaPN), Aluminiumgalliumphosphidnitrid (AlGaPN) etc.
Die Erfindung kann begrifflich gefaßt werden als ein Verfahren zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen der Epitaxieschicht auf ein anderes Substrat, mit folgenden Verfahrensschritten: Wachsenlassen einer ersten Epitaxieschicht über dem ersten Substrat; Bringen einer Maske über einen Teil einer Oberfläche der ersten Epitaxieschicht; Wachsenlassen einer zweiten Epitaxieschicht über der ersten Epitaxieschicht; Ausbilden eines Grabens in der zweiten Epitaxieschicht, um Seitenflächen der Maske freizulegen; Verbinden eines zweiten Substrats mit der zweiten Epitaxieschicht; und Einführen eines Ätzmittels durch den Graben zum Ätzen der Maske, um die zweite Epitaxieschicht von der ersten Epitaxieschicht zu lösen.
Wenn die Erfindung in Verbindung mit der Herstellung einer Epitaxieschicht über einem Saphirsubstrat eingesetzt wird, führt das oben genannte Verfahren zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen dieser auf ein anderes Substrat zu einer stabilen, gleichmäßigen Epitaxieschicht, die sich zur Herstellung von optischen Elementen hoher Qualität eignet.
Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile, von denen einige unten lediglich beispielhaft genannt sind.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß sie die Herstellung von Facetten hoher Qualität erlaubt, die sich für die Herstellung von optischen Elementen hoher Qualität eignen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie die Herstellung von VCSELs erlaubt, die hoch reflektierende dielektrische DBRs aufweisen, die auf einer abgelösten, freiliegenden Oberfläche einer Epitaxieschicht wachsen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie die Stromverteilung innerhalb eines optischen Elementes verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie in einem großen Maßstab für die kommerzielle Herstellung unkompliziert und einfach realisiert werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich dem Fachmann auf diesem Gebiet beim Studium der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung. Diese zusätzlichen Merkmale und Vorteile sollen innerhalb des Bereichs der Erfindung liegen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung, die in den Ansprüchen definiert ist, wird mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich werden. Die Komponenten innerhalb der Zeichnungen sind nicht notwendig maßstäblich in bezug zueinander. Es wurde vielmehr Wert auf eine klare Darstellung der Grundsätze der Erfindung gelegt.
1A–1E sind schematische Schnittdarstellungen, welche das Verfahren zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen derselben auf ein anderes gemäß der Erfindung illustrieren;
2 ist eine Draufsicht, die die Epitaxieanordnung der 1E zeigt;
3A–3E sind schematische Schnittdarstellungen, die eine alternative Ausführung des Verfahrens zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen derselben auf ein anderes illustrieren;
4 ist eine Draufsicht, welche die Epitaxieanordnung der 3E zeigt;
5 ist eine schematische Schnittdarstellung, welche einen Kanten-Emissionslaser illustriert, der mit dem in 3E gezeigten Material aufgebaut ist;
6A–6C sind schematische Schnittdarstellungen, welche die Verwendung des Verfahrens der 3A–3E illustrieren, um einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) aufzubauen; und
7 ist eine schematische Schnittdarstellung eines VCSEL, der gemäß dem Verfahren der 6A–6C aufgebaut ist.
DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Die Erfindung kann mit einer Vielzahl von Substraten und epitaktisch wachsenden Materialien realisiert werden. Während sie auf eine Vielzahl von Materialien anwendbar ist, eignet sich die bevorzugte Ausführung des Verfahrens zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen derselben auf ein anderes besonders für das effiziente Lösen einer epitaktisch gewachsenen Schicht aus einem Galliumnitridmaterial von einem Saphirsubstrat und Übertragen derselben auf ein Substrat aus einem anderen Material, wie Silizium (Si). Das GaN-Material kann Mitglieder der Familie der Gruppe III–V umfassen, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf Galliumnitrid (GaN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Indiumnitrid (InN), Aluminiumgalliumnitrid (AlInGaN), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumindiumgalliumnitrid (AlInGaN), Galliumarsenidnitrid (GaAsN), Indiumgalliumarsenidnitrid (InGaAsN), Aluminiumgalliumarsenidnitrid (AlGaAsN), Galliumphosphidnitrid (GaPN), Indiumgalliumphosphidnitrid (InGaPN), Aluminiumgalliumphosphidnitrid (AlGaPN) etc. Die Konzepte und Merkmale der Erfindung sind auch auf Epitaxieschichten aus anderen Materialien und auf andere Substratmaterialien anwendbar. Ferner umfaßt die Erfindung sowohl das Wachstum einer Epitaxieschicht über eine Epitaxieschicht aus demselben Material als auch das Wachstum einer Epitaxieschicht über eine Epitaxieschicht aus einem anderen Material.
Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigen 1A–1E eine erste Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen derselben auf ein anderes. 1A zeigt eine epitaktische Anordnung 10. Die epitaktische Anordnung 10 umfaßt ein Saphirsubstrat 11, über dem eine erste Epitaxieschicht aus GaN 12 gewachsen ist. Saphir ist eine Form von Al₂O₃, das ein beinahe ideales Isolationsmaterial ist, das Gitterparameter hat, die es erlauben, GaN-Schichten hoher Qualität wachsen zu lassen. Auf der Oberseite der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 wird eine Maske 14 aufgebracht. Die Maske sollte aus einem Material bestehen, das epitaktisches Wachstum verhindern kann und das in bezug auf sämtliche Materialien in der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, einer zweiten Epitaxieschicht, die über der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 wachsengelassen wird, und einem zweiten Substrat, das an der zweiten Epitaxieschicht angebracht werden wird, mit Priorität ätzt. Das zweite Substrat und die zweite Schicht werden unten erörtert. Das Material der Maske 14 kann ein dielektrisches Material sein, wie Siliziumdioxid (SiO₂), oder es kann ein leitendes Material sein, wie Wolfram. Die Maske 14 bedeckt einen Teil der Oberfläche der ersten GaN-Epitaxieschicht 12.
Die Teile der Oberfläche der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, die von der Maske 14 abgedeckt werden, definieren die Positions, auf denen die zweite Epitaxieschicht 17 aus GaN, welche auf der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 gewachsen ist, von der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 getrennt wird. Im Hinblick auf die Verwendung von so wenig Material der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 wie möglicht, ist es wünschenswert, die Fenster in der Maske 14 so schmal wie möglich zu machen. In der Praxis ist die minimale Breite der Fenster jedoch durch zwei Faktoren begrenzt. Zunächst sollte die Oberfläche der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 an Stellen freigelegt sein, so daß sie als eine Keimschicht für die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 wirken kann. Zweitens sollte ein Zugang für das Ätzmittel zum Entfernen der Maske vorgesehen werden. Die länglichen Fenster in der Maske 14 repräsentieren die zur Zeit bevorzugte Ausführung. Alternativ könnten runde oder mehreckige Fenster verwendet werden.
Es wird dann über der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, wie in 1B gezeigt, eine zweite Epitaxieschicht aus GaN wachsen gelassen. Wenn die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 wächst, wächst sie anfänglich auf der freigelegten Oberfläche der ersten GaN-Epitaxieschicht 12. Nachdem sie die Fenster in der Maske 14 gefüllt hat, bildet sie eine kontinuierliche Epitaxieschicht über der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 und der Maske 14.
Obwohl hier eine einzelne Schicht aus GaN-Material gezeigt ist, kann die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 tatsächlich zusätzliche Epitaxieschichten umfassen, wie dotierte Halbleiterschichten, Hüllschichten und eine aktive Schicht. Diese zusätzlichen Schichten werden normalerweise hergestellt, wenn eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung hergestellt wird, z.B. ein Halbleiterlaser. Man sollte verstehen, daß die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 viele solche zusätzlichen Schichten umfassen kann, wie es für die Vorrichtung, die hergestellt wird, erforderlich ist. Die Konzepte dieser Erfindung sind jedoch unabhängig von der Zusammensetzung der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 anwendbar.
Anschließend wird ein Graben 20 gebildet, der sich durch die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 erstreckt, um die seitlichen Flächen der Maske 14 freizulegen, wie in 1C gezeigt. Der Graben 20 kann sich in einen Teil der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 hinein erstrecken. Der Graben 20 bildet einen Kanal, durch den später ein Ätzmittel zum Entfernen der Maske 14 fließen kann, das unten mit weiteren Einzelheiten beschrieben ist. Der Vorgang zum Bilden des Grabens muß alle Teile der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17, die in direktem Kontakt mit der Oberfläche der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 sind, entfernen, so daß nur die Teile der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 zurückbleiben, die durch die Maske 14 mit der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 verbunden sind.
Der Graben 20 wird zum Beispiel, jedoch nicht begrenzt hierauf, durch die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 geätzt, um die Seitenflächen der Maske 14 freizulegen, wie in 1C gezeigt. Es sollte erwähnt werden, daß der Graben 20 sich auch vollständig durch die erste GaN-Epitaxieschicht 12 bis zu dem Saphirsubstrat 11 erstrecken kann, um den Fluß des Ätzmittels zu verbessern.
Ein zweites Substrat 18 wird über den freiliegenden Oberflächen der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 aufgebracht, wie in 1D gezeigt. In dieser bevorzugten Ausführung wird ein zweites Substrat 18 mit den freiliegenden Oberflächen der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 mittels Wafer-Bonden verbunden, wie dem Fachmann bekannt ist. In dieser Ausführung ist das zweite Substrat 18 ein leitendes Substrat aus Silizium (Si), und es wird aufgrund seiner guten Spalteigenschaften ausgewählt. Das zweite Substrat hat zwei Funktionen. Die erste und wichtigste ist, daß das zweite Substrat einen mechanischen Träger der Epitaxieschichten, die von dem ersten Substrat gelöst werden, bildet; das zweite Substrat schafft elektrische Eigenschaften, die ihm ermöglichen, einen guten elektrischen Kontakt mit der Oberfläche der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 zu bilden.
Erfindungsgemäß wird durch den Graben 20 ein chemisches Ätzmittel eingeführt. Das Ätzmittel wird das Material der Maske 14 mit einer wesentlich höheren Rate als jede Schicht der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17, der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 oder des zweiten Substrats 18 ätzen. In einer bevorzugten Ausführung, in der die zweite Epitaxieschicht 17 aus GaN und die Maske aus Siliziumdioxid (SiO₂) ist, ist das Ätzmittel Hydrofluor-Säure (HF). Die HF-Säure greift die Maske 14 an und ätzt sie wesentlich schneller fort als die erste GaN-Epitaxieschicht 12, die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 oder das zweite Substrat 18.
1E zeigt den Teil der Epitaxieanordnung 10, der das zweite Substrat 18 und die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 umfaßt. Die Anordnung ist vertikal gedreht dargestellt, so daß das zweite Substrat 18 nun in der Anordnung unten erscheint. Das Wegätzen der Maske 14 löst die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 sauber und effektiv von dem Saphirsubstrat 11 und der ersten GaN-Epitaxieschicht 12.
1E zeigt auch ein Polyimidmaterial 19, das die Gräber 20 zwischen den einzelnen Streifen füllt, in welche der Vorgang zum Ausbilden der Gräben, der in 1C gezeigt ist, die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 aufgeteilt hat. Das Polyimidmaterial 19 schützt die Kanten der verschiedenen Materialschichten, welche die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 bilden, während der weiteren Verarbeitung des Bauteils. Die Kanten werden beim Ätzen des Grabens 20 freigelegt. Das Material, dessen Ränder freiliegen, umfaßt dotierte Schichten, Hüllschichten und aktive Bereiche, welche mehrfache Quantenschächte enthalten. Das Polyimidmaterial 19 verhindert, daß metallisches Material, welches während nachfolgender Bearbeitungsschritte des Bauteils hinzugefügt wird, elektrische Kurzschlüsse zwischen den Schichten bildet. Da die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 von dem Saphirsubstrat gelöst wurde, indem die SiO₂-Maske 14 weggeätzt wurde, wurde keine der Schichten der fertigen Laserstruktur hohen Temperaturen ausgesetzt, welche diese Struktur zersetzen oder beschädigen könnten, wie bei den herkömmlichen Lösetechniken. Die GaN-Epitaxieschicht 17 umfaßt daher Halbleitermaterial mit guten optischen Eigenschaften und kann als Grundlage optoelektronischer Bauteile hoher Qualität verwendet werden. Die guten Spalt- und elektrischen Eigenschaften der sich ergebenden Epitaxieanordnung 10 können zum Beispiel zum Herstellen eines Kanten-Emissionslasers ausgenutzt werden.
2 ist eine Draufsicht der Epitaxieanordnung der 1E. Die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 ist üblicherweise aus Streifen 16 gebildet, die mit dem zweiten Substrat 18 verbunden sind. Von oben gesehen, wie in 2 gezeigt, kann man erkennen, daß zum Spalten der Streifen 16 des GaN eine Einkerbung oder Ritzung in das zweite Substrat 18 entlang der Linie 25 gemacht werden kann, um eine saubere Facette zu erhalten. Das zweite Substrat 18 und die zweite GaN-Epitaxieschicht 17 werden entlang dieser Linie gebrochen, was zu der Erzeugung einer sauberen Facette in dem freigelegten zweiten GaN-Epitaxiematerial 17 führt. Ferner verbessert das leitende zweite Substrat 18 die Stromverteilung auf alle Schichten innerhalb der GaN-Schicht 17, weil der Strom direkt von dem leitenden zweiten Substrat 18 in die Struktur des Elementes, die in der zweiten GaN-Epitaxieschicht 17 ausgebildet ist, fließen kann.
3A–3E zeigen eine alternative Ausführung des Verfahrens zum Lösen einer Epitaxieschicht von einem Substrat und Übertragen derselben auf ein anderes gemäß der Erfindung. In der in den 3A–3E gezeigten Ausführung ist die zweite Epitaxieschicht, die auf der ersten Epitaxieschicht aufwächst, aus demselben Material wie die erste Epitaxieschicht. Die zweite Epitaxieschicht wächst jedoch von einer Oberfläche eines Grabens, um die Dichte von Versetzungen (Dislocations) in der zweiten Epitaxieschicht zu vermindern.
Ferner kann die zweite Epitaxieschicht, die auf der ersten Epitaxieschicht wächst, aus einem anderen Material sein als die erste Epitaxieschicht. Elemente, die zu den in den 1A–1E gezeigten identisch sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. 3A zeigt eine Epitaxieanordnung 30. Die Epitaxieanordnung 30 umfaßt ein Saphirsubstrat 11, auf dem eine erste Epitaxieschicht aus GaN 12 aufgewachsen ist. Nachdem die erste GaN-Epitaxieschicht 12 gewachsen ist, wird darin in erster Graben 15 gebildet, vorzugsweise durch Ätzen. Der erste Graben 15 kann in der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 vorzugsweise durch ein anisotropres Ätzverfahren, wie reaktives Ionenätzen, gebildet werden.
Obwohl er mit Seitenwänden dargestellt ist, die senkrecht zu der Hauptoberfläche 26 des Substrates 11 ist, kann der Graben 15 auch geneigte Seitenwände haben. Eine Maske 14 wird über die Oberseite der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, den Boden 13 des Grabens 15 und optional über eine Seitenwand des Grabens 15 aufgebracht. Die Maske 14 bewirkt epitaktisches Wachstum vorzugsweise an den kristallinen Oberflächen der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, die von der Maske 14 nicht bedeckt sind.
Die Maske 14 bewirkt, daß eine zweite Epitaxieschicht 37 seitlich von den Seitenwänden 21a und 21b wächst. Dadurch wird die Wachstumsrichtung der zweiten Epitaxieschicht 37 um 90° oder beinahe 90° in Bezug auf die übliche Wachstumsrichtung gedreht, was zu einer Epitaxieschicht mit einer geringeren Versetzungsdichte führt. Die zweite Epitaxieschicht wächst vorzugsweise von jeder freiliegenden Oberfläche der ersten GaN-Epitaxieschicht 12.
Dann wird eine zweite GaN-Epitaxieschicht 37 auf der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, wie in 3B gezeigt, wachsen gelassen. Gemäß der Offenbarung in der ebenfalls anhängigen US Patentanmeldung Nr. 09/327,129 (Familienmitglied: EP 1059661 A ), angemeldet am 7. Juni 1999 (Anwaltsaktenzeichen 10990377), wächst die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 seitlich von einer oder beiden Seitenwänden 21a und 21b des ersten Grabens 15, abhängig von der Anordnung der Maske 14. In dieser Ausführung ist die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 aus demselben Material wie die erste GaN-Epitaxieschicht 12 und profitiert daher von dem lateralen Wachstum in dem Graben 15, wie in der oben genannten US Patentanmeldung offenbart.
Alternativ kann die zweite Epitaxieschicht 37 aus einem anderen Material sein als die erste Epitaxieschicht 12, wobei in diesem Fall das laterale Wachstum dazu dient, Spalten räumlich zu begrenzen, die sich aus Spannungen aufgrund von Gitterfehlanpassungen im Bereich des Grabens 15 ergeben. Weil Spalten in der Nähe des Grabens 15 räumlich begrenzt sind, ist der Teil der zweiten Epitaxieschicht 37, der schließlich aus dem Graben 15 herauswächst, frei von Spalten.
Wenn die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 gewachsen ist, füllt sie den Graben 15 und tritt schließlich aus diesem hinaus, um eine kontinuierliche Epitaxieschicht über der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 zu bilden. Alternativ kann das Wachstum der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 von nur einer Seitenwand des Grabens 15 aus erfolgen, wobei in diesem Fall die Maske 14 zusätzlich auf die gegenüberliegende Wand des Grabens 15 aufgebracht würde.
Obwohl hier eine einzelne Schicht aus dem GaN-Material gezeigt ist, kann die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 tatsächlich zusätzliche Epitaxieschichten umfassen, wie dotierte Halbleiterschichten, Hüllschichten und eine aktive Schicht. Diese zusätzlichen Schichten werden normalerweise gebildet, wenn ein lichtemittierendes Halbleiterelement hergestellt wird, beispielsweise ein Halbleiterlaser. Man wird verstehen, daß die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 viele solche zusätzlichen Schichten umfassen kann, je nach den Anforderungen des Elementes, das hergestellt wird. Die Grundsätze der Erfindung sind unabhängig von der Zusammensetzung der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 anwendbar.
Dann wird ein zweiter Graben 20 gebildet, der sich durch die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 erstreckt, um die Seiten der Maske 14 freizulegen, wie in 3C gezeigt. Der zweite Graben 12 kann sich in den Teil der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 hinein erstrecken, der in dem ersten Graben 15 gewachsen ist. Der zweite Graben 20 bildet einen Kanal, durch den später ein Ätzmittel, wie oben beschrieben, zum Entfernen der Maske 14 fließen kann. Der Vorgang zum Bilden des Grabens muß ausreichend viel von der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 entfernen, so daß nur die Teile der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 zurückbleiben, die über die Maske 14 mit der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 verbunden sind.
Der zweite Graben 20 wird zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt hierauf, durch die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 mindestens bis zu dem Niveau des Teils der Maske 14 geätzt, der näher bei der freigelegten Oberfläche der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 liegt, wie in 3C gezeigt. Man sollte erwähnen, daß der Graben 20 sich auch vollständig durch die erste GaN-Epitaxieschicht 12 bis zu dem Substrat 11 erstrecken kann, um den Fluß des Ätzmittels zu verbessern.
Ähnlich, wie oben mit Bezug auf 1D beschrieben, wird ein zweites Substrat 18 über die freigelegten Oberflächen des zweiten GaN-Epitaxiematerials aufgebracht, wie in 3D gezeigt. In dieser Ausführung wird ein zweites Substrat 18 mit den freigelegten Oberflächen der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 durch Wafer-Bonden verbunden, wie im Stand der Technik bekannt ist. In dieser Ausführung ist das zweite Substrat 18 ein leitendes Substrat aus Silizium. Das Material des zweiten Substrats 18 kann jedoch aufgrund seiner guten Spalteigenschaften gewählt werden und sollte auch die oben erwähnten Qualitäten aufweisen.
Erfindungsgemäß wird ein chemisches Ätzmittel durch den zweiten Graben 20 eingeführt. Das Ätzmittel ätzt das Material der Maske 14 mit einer wesentlich höheren Rate als jede andere Schicht der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37, der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 oder des zweiten Substrats 18. In dieser Ausführung, in der die zweite Epitaxieschicht 37 GaN und die Maske 14 Siliziumdioxid (SiO₂) ist, ist das Ätzmittel eine Hydrofluorsäure (HF). Die HF-Säure greift die Maske 14 an und ätzt sie wesentlich schneller weg, als sie jede der ersten GaN-Epitaxieschicht 12, der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 oder des zweiten Substrats 18 ätzt.
3E zeigt den Teil der Epitaxieanordnung 30, der das zweite Substrat 18 und die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 umfaßt. Die Anordnung ist vertikal gedreht gezeigt, so daß das zweite Substrat 18 nun an der Unterseite der Anordnung liegt. Das Wegätzen der Maske 14 löst die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 sauber und wirkungsvoll von dem Saphirsubstrat 12 und der ersten GaN-Epitaxieschicht 12.
3E zeigt auch ein Polyimidmaterial 19, das den Graben 20 zwischen den einzelnen Streifen füllt, in welche der in 3C gezeigte Prozeß zum Ausbilden der Graben die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 aufgeteilt hat, ähnlich wie oben mit Bezug auf 1E beschrieben.
Das Polyimidmaterial 19 schützt die Ränder der verschiedenen Materialschichten, welche die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 bilden, während der weiteren Verarbeitung des Bauteils. Die Kanten wurden freigelegt, als der Graben 20 geätzt wurde. Das Material, dessen Kanten freigelegt sind, kann dotierte Schichten, Hüllschichten und eine aktive Schicht mit mehreren Quantenschächten umfassen.
Das Polyimidmaterial 19 verhindert, daß metallisches Material, welches während der nachfolgenden Verarbeitung des Bauteils hinzugefügt wird, elektrische Kurschlüsse zwischen den Schichten bildet. Da die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 von dem Saphirsubstrat durch Wegätzen der SiO₂-Maske gelöst wurde, wurde keine der Schichten der fertigen Laserstruktur hohen Temperaturen ausgesetzt, welche die Struktur zersetzen oder beschädigen könnten, wie bei herkömmlichen Lösetechniken.
Die GaN-Schicht 37 umfaßt daher Halbleitermaterial mit guten optischen Eigenschaften und kann als Ausgangsmaterial für elektrooptische Bauteile hoher Qualität genutzt werden. Die resultierende Epitaxieanordnung 10 kann dazu verwendet werden, einen Kanten-Emissionslaser herzustellen, da sie gute Spalteigenschaften und gute elektrische Eigenschaften hat.
4 ist eine Draufsicht der Epitaxieanordnung 30 der 3E. Ähnlich zu dem, was mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, ist die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 üblicherweise aus Streifen 36 gebildet, die mit dem zweiten Substrat 18 verbunden sind. Von oben betrachtet, wie in 4 gezeigt, kann man erkennen, daß zum Spalten der Streifen des GaN 37, um eine saubere Facette zu erhalten, eine Kerbe oder ein Ritz in dem Siliziumsubstrat, GaN-Streifen 36 und Polyimidmaterial 19 entlang der Linie 25 gemacht werden kann. Das zweite Substrat 18 und die GaN-Epitaxieschicht 37 können entlang dieser Linie gebrochen werden, was zur Erzeugung einer sauberen Facette in dem freiliegenden zweiten GaN-Epitaxiematerial 37 führt.
Ferner verbessert das leitende zweite Substrat 18 die Stromverteilung auf alle Schichten innerhalb der GaN-Schicht 37, weil der Strom direkt von dem leitenden zweiten Substrat 18 in die Bauteilestruktur fließen kann, die in der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 ausgebildet wird.
5 ist eine schematische Schnittdarstellung zur Illustrierung eines Kanten-Emissionslasers 50, der mit dem GaN-Material 37 der 3E aufgebaut ist. Das leitende Substrat 18, das in dieser Ausführung ein p-Silizium ist, weist daran angebracht p-Elektroden 51 auf. Das zweite Substrat 18 sollte leicht zu spalten sein und ist vorzugsweise hochleitend, um einen niederohmigen Kontakt zu der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 zu bilden. Das leitende Substrat 18 kann ein anderes p-Material sein, wie z.B., jedoch nicht begrenzt auf p-Galliumphosphid (GaP) oder p-Indiumphosphid (InP). Die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 weist beispielhaft eine p-Schicht 52 auf, über die eine p-Hüllschicht 54 aufgebracht ist. Über die p-Hüllschicht 54 wird eine aktive Schicht 55 wachsen gelassen. Die aktive Schicht 55 umfaßt mehrere Quantenschächte (MQWs; multiple quantum well), wie im Stand der Technik bekannt.
Über die aktive Schicht 55 wird eine n-Hüllschicht 56 aufgebracht, die in ihrer Struktur und Funktion ähnlich der Hüllschicht 54 ist. Die Hüllschichten 54 und 56 sehen eine Trägerbegrenzung und eine optische Begrenzung des Lichtes innerhalb des Kanten-Emissionslaser-Bauteils 50 vor. Über die Hüllschicht 56 wird eine n-Schicht 57 wachsen gelassen. Über die n-Schicht 57 wird ein n-Kontaktmaterial 58 aufgebracht.
Erfindungsgemäß wurden alle Schichten, welche die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 umfaßt, gebildet, bevor die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 von der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 gelöst wird.
6A–6C zeigen die Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Aufbau eines Oberflächenemissionslasers mit vertikaler Kavität (VCSEL), der die Epitaxieanordnung 100 enthält. Wie oben erwähnt, umfaßt die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 mehrere Schichten, einschließlich einer aktiven Schicht mit mehreren Quantenschächten. 6A ist eine schematische Darstellung ähnlich der 3C, wobei jedoch ein zusätzlicher Graben 70 in der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 ausgebildet ist. Der zusätzliche Graben 70 kann geätzt werden, indem ähnliche Techniken verwendet werden, wie mit Bezug auf die 3A und 3C beschrieben.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es, dielektrische DBR 75 mit Eigenschaften, die einem GaN/AlGaN DBR überlegen sind, in einem zusätzlichen Graben 70 aufzubringen. Der DBR 75 kann aus mehreren Schichten aus dielektrischem Material aufgebaut sein, die wechselnde Zusammensetzungen haben, um eine Struktur herzustellen, die Schichten mit wechselnden Brechungsindizes haben. Der Unterschied zwischen den Brechungsindizes der Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex und die Anzahl der Schichten bestimmen die Reflektivität des Spiegels. Die Dicke jeder Schicht mit niedrigem und hohem Brechungsindex in einem solchen Spiegel ist λ/4n (oder ungeradzahlige Vielfache hiervon), wobei λ die Wellenlänge des Lichts im Vakuum ist, welches der VCSEL emittieren soll, und n ist der Brechungsindex des Materials. Man beachte, daß jedes ungeradzahlige, ganzzahlige Vielfache von λ/4n verwendet werden kann. Es können beispielsweise auch Materialdicken von 3 λ/4n oder 5 λ/4n verwendet werden.
6B zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Epitaxieanordnung 100 der 6A, die mit dem zweiten Substrat 18 verbunden ist. Das zweite Substrat 18 ist vorzugsweise Silizium. Ein elektrischer Kontakt zwischen dem zweiten Substrat 18 und der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 wird im Bereich 22 hergestellt, der einen niederohmigen Weg für den Strom bildet, der von dem zweiten Substrat 18 zu der Laserstruktur in der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 fließt.
Erfindungsgemäß wird ein chemisches Ätzmittel durch den Graben 20 eingeführt. Das Ätzmittel ätzt das Material der Maske 14 mit einer wesentlich höheren Rate als jede Schicht der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37, der ersten GaN-Epitaxieschicht 12 und des zweiten Substrats 18. In dieser Ausführung, in der die zweite Epitaxieschicht 37 aus GaN und die Maske aus Siliziumdioxid (SiO₂) ist, ist das Ätzmittel Hydrofluor-Säure (HF). Die HF-Säure greift die Maske 14 an und ätzt sie wesentlich schneller weg als sie die erste GaN-Epitaxieschicht 12, die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 oder das zweite Substrat 18 ätzt.
6C zeigt den Teil der Epitaxieanordnung 100, die das zweite Substrat 18 und die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 umfaßt. Die Anordnung ist vertikal gedreht dargestellt, so daß das zweite Substrat 18 nun in der Anordnung unten liegt. Das Wegätzen der Maske 14 löst die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 sauber und wirkungsvoll von dem Saphirsubstrat 11 und der ersten GaN-Epitaxieschicht 12. Polyimidmaterial 19 wird zwischen den einzelnen Streifen der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 aufgebracht, ähnlich wie oben beschrieben. Zusätzlich wird ein zweiter dielektrischer DBR 80 hoher Qualität mit optischen Eigenschaften, die im Vergleich zu einem GaN/AlGaN DBR überlegen sind, über der zweiten GaN-Epitaxieschicht 37 wachsengelassen, wobei der DBR 80 ähnliche Eigenschaften hat wie der DBR 75. Die vergleichbare Reflektivität der DBRs 75 und 80 ist jedoch abhängig von der gewünschten Licht ausgangsrichtung unterschiedlich. Für eine Lichtausgangsrichtung, die durch den Pfeil 90 angegeben ist, hat der DBR 80 z.B. eine geringfügig geringere Reflektivität als der DBR 75. Das Polyimidmaterial 19 kann vor dem Wachsenlassen des zweiten DBRs 80 weggeätzt werden.
7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung, die einen Oberflächenemissionslaser 150 mit vertikaler Kavität darstellt, der mit dem Verfahren hergestellt ist, das in bezug auf die 6A–6C beschrieben wurde. Über dem zweiten Substrat 18 liegt die zweite GaN-Epitaxieschicht 37, die mit Bezug auf die 6A–6C beschrieben wurde. Die zweite GaN-Epitaxieschicht 37 umfaßt beispielhaft den DBR 75 innerhalb des p-Materials 152. Das p-Material 152 ist mit dem zweiten Substrat 18 bei einem Kontaktbereich 22 elektrisch verbunden. Über dem p-Material 152 liegt eine Hüllschicht 154, über der ein aktiver Bereich 150 wachsengelassen wird. Der aktive Bereich 155 ist auf im Stand der Technik bekannte Weise aufgebaut und umfaßt mehrere Quantenschächte, ähnlich wie die aktive Schicht 55, die mit Bezug auf 5 beschrieben wurde. Über der aktiven Schicht 155 wird eine Hüllschicht 156 wachsengelassen, die zusammen mit der Hüllschicht 154 eine Trägerbegrenzung bildet, wie im Stand der Technik bekannt. Bei der Hüllschicht 156 wird n-Material 157 wachsengelassen. Der DBR 80 wird über dem n-Material 157 wachsengelassen. Über dem n-Material 157 wird auch ein n-Kontaktmaterial 158 aufgebracht.
Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß zahlreiche Modifikationen und Variationen an den bevorzugten Ausführungen der Erfindung, die oben beschrieben wurden, vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen der Erfindung wesentlich abzuweichen. Das Verfahren zum Lösen einer epitaktisch gewachsenen Schicht von einem Substrat und Übertragen derselben auf ein anderes Substrat kann zum Beispiel zum Herstellen von lichtemittierenden Dioden und anderen optischen Bauteilen hoher Qualität verwendet werden. All diese Modifikationen und Variationen sollen innerhalb des Bereichs der Erfindung liegen, die durch die Ansprüche definiert sind.

Claims

Verfahren zum Lösen einer Epitaxieschicht (17, 37) von einem Substrat (11) und Übertragen der Epitaxieschicht auf ein anderes Substrat (18) mit folgenden Verfahrensschritten: Wachsenlassen einer ersten Epitaxieschicht (12) über dem ersten Substrat (11); Aufbringen einer Maske (14) über einem Teil einer Oberfläche der ersten Epitaxieschicht (12); Wachsenlassen einer zweiten Epitaxieschicht (17, 37) über der ersten Epitaxieschicht (12); Ausbilden eines Grabens (20) in der zweiten Epitaxieschicht (17, 37), um Seitenflächen der Maske (14) freizulegen; Verbinden eines zweiten Substrats (18) mit einer zweiten Epitaxieschicht (17, 37); Einführen eines Ätzmittels durch den Graben (20) zum Ätzen der Maske (14), um die zweite Epitaxieschicht (17, 37) von der ersten Epitaxieschicht (12) zu lösen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (11) Saphir aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Epitaxieschicht (12) Galliumnitrid (GaN) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Epitaxieschicht (17, 37) Galliumnitrid (GaN) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Substrat (18) ausgewählt wird aus der Gruppe, welche besteht aus: Silizium (Si), Galliumphosphid (GaP) und Indiumphosphid (InP).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Epitaxieschicht (17, 37) eine zusätzliche Epitaxieschicht (52, 54, 55, 56, 57, 152, 154, 155, 156, 157) umfaßt, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht ein lichtemittierendes Halbleiterbauteil (50, 150) bildet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei unter Verwendung von Hydrofluoridsäure (HF) geätzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit den weiteren Verfahrensschritten: Bilden eines zusätzlichen Grabens (70) in einer Oberfläche der zweiten Epitaxieschicht (37) vor dem Schritt des Verbindens des zweiten Substrats (18); Aufbringen dielektrischer Schichten zum Bilden eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR) (75) innerhalb des zusätzlichen Grabens (70); nach dem Ätzschritt Aufbringen zusätzlicher dielektrischer Schichten, um einen zweiten DBR (80) über der zweiten Epitaxieschicht (37) zu bilden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt des Spaltens des zweiten Substrats (18) und der zweiten Epitaxieschicht (37).