JP2006518102A - 薄膜半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ゲルマニウムを含んでいる支持板（４）に配置されている薄膜半導体基体（２）を備えた半導体素子に関する。更にこの種の半導体素子を製造するための方法が記載されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の半導体素子並びに請求項１３の上位概念に記載のその製造方法に関する。
この形式の半導体素子は薄膜半導体基体および上に半導体基体が固定されている支持板を含んでいる。
薄膜半導体基体は例えば薄膜の光放出ダイオードチップの形の光電素子において使用される。薄膜の光放出ダイオードチップは殊に次の特徴によって特徴付けられている：
−支持板エレメントの方を向いている、放射生成、すなわち発光エピタキシャル層列の主表面に反射層が被着または形成され、この反射層がエピタキシャル層列に生成された電磁放射の少なくとも一部を該層列に再反射する；
−薄膜の光放出ダイオードチップは大体においてランベルトの表面放射器である；
−エピタキシャル層列は２０μｍまたはそれ以下の領域、殊に１０μｍの領域にある厚みを有しており；かつ
−エピタキシャル層列は、理想的には光がエピタキシャル成長されたエピタキシャル層列において近似的にエルゴード的分布されるようにするミキシングストラクチャを有している少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層を含んでいる、すなわちエピタキシャル層列はできるだけエルゴード的に確率的な散乱特性を有している。
薄膜の光放出ダイオードチップの基本原理は例えば、I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. october 1993, 2174- 2176 に記載されており、その開示内容はこれを以てしてここに取り込まれる。本発明は特に、薄膜の光放出ダイオードチップに関するが、それに限定されるものではないことを言明しておく。本発明は薄膜の光放出ダイオードチップの他に、その他のすべての薄膜半導体基体に対しても適している。
薄膜半導体基体の製造のためにまず、半導体層が適当な基板上に製造され、次いで支持板と接続され、それから基板から解離される。上に半導体層が配置されている支持板の分割、例えばのこ引きによって、それぞれが相応の支持板に固定されている複数の半導体基体が生じる。
ここで、半導体層の製造のために使用される基板が半導体層から除去されかつ同時に素子中の支持板として用いられないことが重要である。
この製造方法は、基板および支持板に対して異なっている材料を使用することができるという利点を有する。これによりそれぞれの材料は、一方における半導体層の製造に対する種々異なっている要求および他方における作動条件に相互にほぼ無関係に整合することができる。こうして支持板は機械的、熱的および光学的な特性に相応して最適化することができ、一方基板は半導体層を製造するための要求に応じて選択される。
殊に半導体層のエピタキシャル成長製造はエピタキシー基板に対して数多くの特有な要求を立てる。例えばエピタキシー基板および被着すべき半導体層の格子定数は相互に整合されていなければならない。更に基板はエピタキシー条件、殊に１０００℃を上回る温度に持ちこたえかつ当該の半導体材料のできるだけ均質な層のエピタキシャル成長に適合しているべきである。
これに対して半導体基体のさらなる処理および作動のためには例えば、高い導電性および熱伝導性並びに光電素子における放射透過性のような支持板の別の特性が前面にくる。それ故にエピタクシー基板に適している材料は素子における支持板としては制限されてしか適していないことが多い。更に、比較的高価なエピタクシー基板の場合は殊に、基板を複数回使用できるようにすることは価値ある。
半導体層の、エピタキシー基板からの解離は例えば、半導体−基板の境界面へレーザビームを照射することによって実現することができる。その際レーザビームは境界面の近傍で吸収されかつそこで熱が高められてついには半導体材料が分解されるまでになる。この形式の方法は例えば、刊行物ＷＯ９８／１４９８６から公知である。ここに記載されている、サファイア基板からＧａＮおよびＧａＩｎＮ層を解離する方法では３５５ｎｍでＱスイッチングされるＮｄ：Ｙａｇレーザの周波数３倍ビームが使用される。レーザビームは透明なサファイア基板を通って半導体層に入射されかつサファイア基板とＧａＮ半導体層との間の移行部の約１００ｎｍ厚の境界層において吸収される。その際境界面には高い温度が実現されて、ＧａＮ境界層が分解され、その結果として半導体層と基板との間の結合が分離される。
支持板として従来の方法において砒化ガリウム基板（ＧａＡｓ基板）が使用されることが多い。しかしその場合には処理の際、例えばＧａＡｓ基板ののこ引きの際に有毒な砒素を含有するくずが発生し、そのために煩雑な廃棄物処理が必要である。更には、上に述べた製造方法に対して十分な機械的な安定性を保証するためには所定の最小厚を有していなければならないということが加わる。このために半導体層の被着およびエピタキシー基板からの解離後に支持板を薄肉化する、例えば研磨する必要があり、これにより製造の際のコストおよび支持板における破断の危険性が高められる。
本発明の課題は改善された支持板を有する冒頭に述べた形式の薄膜素子を提供することである。殊にこの素子はできるだけ簡単かつコスト面で有利に製造可能であるようにしたい。更に本発明の課題は、相応の製造方法を提供することである。
この課題は請求項１に記載の素子によってもしくは請求項１１に記載の製造方法によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属請求項の対象である。
本発明によれば、半導体素子を、ゲルマニウムを含んでいる支持板上に配置されている薄膜半導体基体によって形成するようになっている。有利には支持板としてゲルマニウム基板が使用される。以下にこの支持板は簡単に「ゲルマニウム支持板」と称する。
薄膜半導体基体とは本発明の枠内において基板のない半導体基体、すなわち該半導体基体がそもそも成長されたエピタキシー基板が分離されているエピタキシャル製造された半導体基板の謂いである。
固定のために、半導体基体は例えばゲルマニウム支持板に接着されていてよい。有利にははんだ接続部は薄膜半導体基体と支持板との間に実現されている。この種のはんだ接続は接着接続に比べて通例、より高い温度耐性およびより良好な熱伝導率を有している。更に、はんだ接続部を用いて付加的に手間をかけずに支持板と半導体基体との間で良好な導電接続が実現され、それは同時に半導体基体のコンタクト形成のために用いることができる。
ゲルマニウム支持板は砒素を含んでいる支持板より著しく容易に加工することができ、その際殊に有毒な砒素を含有しているくずが生じない。これにより製造時の総コストが低減される。更に、ゲルマニウム支持板はより高い機械的な安定によって特徴付けられており、このためにより薄い支持板を使用することができかつ殊に支持板の後からの薄肉化のための研磨を行わないでもすむ。更に、ゲルマニウム支持板は匹敵するＧａＡｓ支持板より著しくコスト面で有利である。
本発明の別の形態において薄膜半導体基体はゲルマニウム支持板にはんだ付けされる。有利にはこのために、金−ゲルマニウムはんだ接続部が実現される。これにより確固とした、温度耐性がよくしかも導電性も熱伝導性も良好である接続部が実現される。生じている金−ゲルマニウムはんだ接続部の溶融温度は完成した素子のマウント、例えばプリント配線板へのはんだ付けの際に通例生じる温度より大きいので、半導体基体がマウント時に支持板から解離するおそれはない。
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体をベースにしている半導体基体に特別適しており、ここで殊にこれらは、０≦ｘ≦１を有するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、それぞれ０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦０を有するＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ、ＩｎｘＡｓｙＧａ１−ｘ−ｙＰ、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ並びに０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１を有するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＮｙである。
上述の窒化化合物半導体ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮのエピタキシャル製造のためにしばしば、サファイアまたは炭化ケイ素基板が使用される。一方においてサファイア基板は電気的に絶縁されており、従って垂直方向に導電性の素子構造が可能でなく、かつ他方において炭化ケイ素基板は高価でかつもろく、従って煩雑な加工を必要とするので、薄膜半導体基体、すなわちエピタキシー基板なしの薄膜半導体基体として窒化物ベースとした半導体基体の引き続くプロセス処理は特別有利である。
薄膜半導体基体を有する半導体素子の製造のための本発明の方法ではまず、基板に薄膜半導体基体を成長させ、次いで例えばゲルマニウムウェハのようなゲルマニウム支持板を薄膜半導体基体の、基板とは反対の側に被着させかつそれから薄膜半導体基体を基板から解離する。
有利には、薄膜半導体基体は支持板にはんだ付けされる。このために例えば支持板および薄膜半導体基体にそれぞれ接続面に金層が被着される。次いで、この金層同士が接触され、その際圧力および温度は、金−ゲルマニウム共融混合物が形成されると凝固する金−ゲルマニウム溶融物が生じるように選択されている。択一的に金層は支持板にだけまたは薄膜半導体基体にだけ被着されているようにすることもできる。単数もしくは複数の金層に代わって金−ゲルマニウム合金の被着も可能である。支持板自体がゲルマニウムを含んでいるので、一方においてＧａＡｓ基板において発生する可能性がある合金問題が回避される。他方においてゲルマニウム支持板は金−ゲルマニウム溶融物に関して、共融混合物の形成を容易にするゲルマニウム溜めということである。
基板は本発明において研磨または腐食除去法を用いて除去されることができる。有利にはこれらの工程は組み合わされ、その基板はまず薄い残留層を残して研磨され、かつ引き続いて残留層が腐食除去される。腐食除去法は、ＧａＡｓエピタキシー基板に成長されているＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰまたはＩｎｘＡｓｙＧａ１−ｘ−ｙＰをベースとした半導体層に対して特別に適している。その際有利にはエッチストップを用いてエッチング深度が調整設定されるので、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰまたはＩｎｘＡｓｙＧａ１−ｘ−ｙＰをベースとした半導体層を除いたＧａＡｓエピタキシー基板が腐食除去される。
窒化化合物をベースとした半導体層では基板の解離は有利にはレーザ照射によって行われる。その際基板−半導体境界面は基板を通ってレーザビームによって照射される。照射は境界面の周辺において半導体層と基板との間で吸収され、そこで温度が高められて半導体材料が分解されるまでになり、その際基板は半導体層から解離される。有利にはこのために周波数３倍化されたＱスイッチングＮｄ：ＹＡＧレーザまたは例えば紫外線スペクトル領域において放出するエキシマレーザが使用される。必要な強度を実現するために、エキシマレーザのパルス化された作動が効果的である。一般にパルス持続時間は１０ｎｓより短いかまたは同じであると有利であることが認められている。
本発明のその他の特徴、特長および合目的性は図１ないし３との関連において以下に説明する実施例から明らかである。
その際：
図１は本発明の半導体素子の実施例を略示し、
図２ａないし２ｄは４つの中間工程に基づいた本発明の製造方法の第１実施例を略示し、
図３ａないし３ｅは５つの中間工程に基づいた本発明の製造方法の第２実施例を略示している。
同じまたは同じ作用をするエレメントは各図において同じ参照符号が付されている。
図１に図示の半導体素子はゲルマニウム基板の形の支持板４を有している。支持板の上にははんだ付け層５を用いて薄膜半導体基体２が固定されている。薄膜半導体基体は有利には多数の半導体層から成っている。これら層は、支持板４での半導体基体の被着後に除去されたエピタキシー基板（図示なし）に成長されたものである。
薄膜素子としての実現は放射生成半導体基体に殊に適している。というのは生成された放射の吸収、ひいてはエピタキシー基板における放射効率の低減が回避されるからである。例えばその他に単一または多重量子井戸構造を含んでいることができる放射生成ｐｎ接合の形の半導体層が配置されていてよい。
有利には本発明では薄膜半導体基体の発光層とゲルマニウム支持板との間にミラー層が配置されている。この層はゲルマニウム支持板の方向に放出される放射成分を反射しかつこうして放射効率を高める。更に有利にはミラー層は殊に、はんだ接続によって形成される層と薄膜半導体基体との間に配置することができる金属層としてのミラー層が実現されている。高反射ミラーは例えば、薄膜半導体基体にまず、誘電体層および引き続いて有利には金属製のミラー層を配置することによって形成することができ、その際有利には薄膜半導体基体の電気的なコンタクト形成のためにミラー層は一部が中断されている。
有利にも本発明では従来の素子および支持板材料としてＧａＡｓを用いる方法は殆ど変更せずに受け継ぐことができ、ＧａＡｓ基板に代わってゲルマニウム支持板が使用される。ゲルマニウムの熱膨張係数は砒化ガリウムの熱膨張係数に類似しているので、通例、従来のＧａＡｓ基板とゲルマニウム基板との交換は製造の際に付加的に手間をかけずにまた、素子特性を劣化させることなく可能である。しかもゲルマニウムは砒化ガリウムに比べて熱伝導性がより高いという特徴を有している。
既に説明したように、更にゲルマニウム基板は僅かな価格、良好な取り扱いやすさおよび比較的高い機械的安定性に基づいて有利である。すなわち例えば、６００μｍ以上の厚さのＧａＡｓ基板に代わって２００μｍの厚さを有するゲルマニウム基板を使用することができ、これにより基板の後からの薄肉化を省略することができる。
更にはんだ接続部５に関してもゲルマニウムは有利である。というのはこれにより、金−ゲルマニウム金属化部と関連して砒化ガリウムの場合の合金問題が回避されるからである。
図２に図示の方法の第１工程、図２ａにおいて、基板１に半導体基体２が被着される。殊に半導体基体２は例えばＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰをベースとした多数の個別層を有していることもできる。これらは基板１に順次成長される。
次の工程において、図２ｂ、半導体基体２は基板とは反対の側において金属化部３ａを備える。有利には金層が蒸着される。
更にゲルマニウム支持板４が設けられており、その上に相応の仕方で金属化部３ｂ、有利には同様に金層が被着される。これら金属化部３ａ，３ｂは一方において半導体基体２と基板１との間のはんだ接続部を実現するために用いられかつ他方において良導電性の、オーミックコンタクトを形成する。任意選択的に金層３ａ，３ｂの１つに金−アンチモン層３ｃを付けることができ、その際アンチモンは形成すべきコンタクトのｎドーピングとして用いられる。アンチモンの代わりに、ドーピングのために砒素またはリンを使用することもできる。択一的に、例えばアルミニウム、ガリウムまたはインジウムドーピングが行われたｐコンタクトを形成することもできる。
択一的に、本発明の枠内において、半導体基体２かゲルマニウム支持板４かのどちらかに被着される金属化部３ａまたは３ｂだけを使用することもできる。
次の工程において、図２ｃ、ゲルマニウム支持板４および半導体基体２を有する基板１は接合され、その際温度および圧力は、金属化部３ａ，３ｂ，３ｃが完全に解けかつ次いではんだ接続部として凝固するように選択される。その際有利にはまず金−ゲルマニウム溶融体が形成され、これが冷却の際に場合によってはんだ接続部としてアンチモンドーピングされた金−ゲルマニウム共融混合物を形成する。有利にはこの溶融体によって突出部および平面とは異なっている表面形状が被覆される（適応化される）ようにすることもでき、その場合には従来の方法とは異なって平行平面の溶融体フロントとは違うようにすることができる。例えばこうして半導体基体の表面にある粒子は溶融体によって被覆されかつはんだ接続部に埋め込まれる。
最後の工程、図２ｄにおいて、基板１が除去される。このために例えば基板１はまず、薄い残留層を残して研磨されかつ次いで残留層が腐食除去される。ゲルマニウム支持板４にはんだ付けされている薄膜半導体基体２が残っている。既に説明したように、この方法はＧａＡｓ基板上のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰをベースとした半導体基体に対して殊に有利である。
図３に示されている実施例において図２に示されている実施例とは異なって、基板はレーザ剥離法で除去される。
第１工程、図３ａにおいて、基板１に半導体基体２、有利には窒化化合物半導体をベースとした半導体基体２が成長される。半導体基体２は先の実施例の場合と同様に、複数の個別層から成っていて、発光半導体基体として実現されてよい。基板１として、エピタキシーおよび窒化化合物半導体の格子整合並びにレーザ剥離法を考慮して殊にサファイア基板が適している。
半導体機体の表面に、金属化部３、有利には金金属化部が被着され、図３ｂ、かつそれから半導体基体はゲルマニウム支持板４とはんだ付けされる、図３ｃ。はんだ接続部５はその前の実施例に相応して形成される。択一的にそこに記載されているように、一方において支持板に被着されておりかつ他方において半導体基体に被着されている２つの金層を設けてもよい。
次の工程、図３ｄにおいて半導体層２は基板１を通ってレーザビーム６が照射される。放射エネルギーはもっぱら、半導体層２と基板１との間の境界面の近傍で半導体層２において吸収されかつこの境界面において材料が分解されるように作用するので、続いて基板１を除去することができる。
有利には材料分解に基づいて発生する強い機械的な負荷ははんだ接続部によって受け取られるので、数ミクロメートルの厚さを有する半導体層は破壊されることなく基板から除去することができる。
放射源としてエキシマレーザ、ことにＸｅＦエキシマレーザまたは周波数３倍化されるＱスイッチングＮｄ：ＹＡＧレーザが有利である。
レーザビームは有利には、適当な光学素子を用いて基板を通って半導体層２に集束されるので、半導体表面でのエネルギー密度は１００ｍＪ／ｃｍ２および１０００ｍＪ／ｃｍ２の間、有利には２００ｍＪ／ｃｍ２および８００ｍＪ／ｃｍ２の間にある。これにより基板１は残滓物なく半導体基体から取り除くことができる、図３ｅ。有利にはこの形式の分離により基板の、エピタキシー基板としての新たな使用が可能になる。
説明してきた実施例に基づいた本発明の説明は勿論本発明の制限を表すものではない。むしろ実施例の個々の様相は本発明の枠内ではほぼ任意に相互に組み合わせることができる。更に本発明はそれぞれ新しい特徴並びにこれらの特徴の組み合わせを含んでいることができ、このために特徴のそれぞれの組み合わせは、たとえこの組み合わせが特許請求の範囲に明示的に記載されていなくとも、特許請求の範囲に含まれているものである。
本発明の実施例の略図 本発明の第１実施例の製造方法の第１の工程を示す略図 本発明の第１実施例の製造方法の第２の工程を示す略図 本発明の第１実施例の製造方法の第３の工程を示す略図 本発明の第１実施例の製造方法の第４の工程を示す略図 本発明の第２実施例の製造方法の第１の工程を示す略図 本発明の第２実施例の製造方法の第２の工程を示す略図 本発明の第２実施例の製造方法の第３の工程を示す略図 本発明の第２実施例の製造方法の第４の工程を示す略図 本発明の第２実施例の製造方法の第５の工程を示す略図

Claims (20)

  1. 支持板（４）に配置されている薄膜半導体基体（２）を備えた半導体素子において、
    支持板（４）はゲルマニウムを含有している
    ことを特徴とする半導体素子。
  2. 薄膜半導体基体（２）は支持板（４）にはんだ付けされている
    請求項１記載の半導体素子。
  3. 薄膜半導体基体（２）は金を含有するはんだを用いて支持板（４）にはんだ付けされている
    請求項１または２記載の半導体素子。
  4. 薄膜半導体基体（２）は複数の個別層から成っている
    請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体素子。
  5. 薄膜半導体基体（２）もしくは個別層の少なくとも１つはＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含んでいる
    請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体素子。
  6. 薄膜半導体基体（２）もしくは個別層の少なくとも１つはＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦０を含んでいる
    請求項５記載の半導体素子。
  7. 薄膜半導体基体（２）もしくは個別層の少なくとも１つはＩｎｘＡｓｙＧａ１−ｘ−ｙＰ、ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦０を含んでいる
    請求項５記載の半導体素子。
  8. 薄膜半導体基体（２）もしくは個別層の少なくとも１つはＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ，ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦０またはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＮｙ、ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１を含んでいる
    請求項５記載の半導体素子。
  9. 薄膜半導体基体（２）もしくは個別層の少なくとも１つは窒化化合物半導体、例えばＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦０を含んでいる
    請求項５記載の半導体素子。
  10. 薄膜半導体基体（２）は放射放出活性領域を有している
    請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体素子。
  11. 薄膜半導体基体（２）と支持板（４）との間にミラー層、有利には金属製のミラー層が配置されている
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の半導体素子。
  12. 薄膜半導体基体（２）とミラー層との間に少なくとも部分的に誘電体層が配置されている
    請求項１１記載の半導体素子。
  13. 支持板（４）に配置されている薄膜半導体基体（２）を備えている半導体素子を製造するための方法であって、
    ａ） 基板に薄膜半導体基体を成長させ、
    ｂ） 支持板（４）を薄膜半導体基体（２）の、基板（１）とは反対の側に被着させ、かつ
    ｃ） 薄膜半導体基体（２）を基板から解離する
    という工程を有する形式の方法において、
    支持板（４）はゲルマニウムを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
  14. 工程ｃ）において、基板を除去する、例えば研磨および／または腐食除去する
    請求項１３記載の方法。
  15. 工程ｃ）において、半導体基体をレーザ照射によって基板（１）から解離する
    請求項１３記載の方法。
  16. 工程ｂ）において、支持板をはんだ付けする
    請求項１３から１５までのいずれか１項記載の方法。
  17. 薄膜半導体基体（２）の、支持板を向いている方の側および／または支持板の、薄膜半導体基体（２）を向いている方の側に金層（３，３ａ，３ｂ）が配置されており、該金層は工程ｂ）における支持板のはんだ付けの際に少なくとも部分的に金およびゲルマニウムを含有している溶融体を形成する
    請求項１３から１６までのいずれか１項記載の方法。
  18. 工程ｂ）の前に、薄膜半導体基体（２）の、支持板を向いている方の側および／または支持板の、薄膜半導体基体（２）を向いている方の側に金およびゲルマニウムを含有している層が被着される／されている
    請求項１３から１７までのいずれか１項記載の方法。
  19. これにより請求項１から１２までのいずれか１項記載半導体素子を製造する
    請求項１３から１８までのいずれか１項記載の方法。
  20. 半導体素子は光放出ダイオード、例えば発光ダイオードまたはレーザダイオードである
    請求項１から１２までのいずれか１項記載半導体素子または請求項１３から１９までのいずれか１項記載の方法。
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