專利名稱：具有InGaN層的半導體器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括載體襯底(carrier substrate)上的InGaN層的半導體器件的制 造，特別涉及包括作為有源層的hGaN層的垂直光電結構的制造。
背景技術：
高質量III族氮化物薄層的形成給目前的高性能半導體器件造成了嚴重的問題， 所述的高性能半導體器件例如是晶體管器件和光電器件，特別是作為垂直腔面發射激光器 (VCSEL)的激光器器件。通常，通過在諸如藍寶石襯底的晶種襯底(seed substrate)上外延生長來形成高 質量III族氮化物薄層，所述外延例如是分子束外延、金屬有機氣相外延或混合氣相外延。 晶種襯底上的外延生長通常涉及高質量III族氮化物薄層生長之前的厚的III族氮化物層 (通常被稱為過渡層)的生長，其中厚的III族氮化物層有利于提高III族氮化物材料的質量。然后，通過現有技術中已知的一些晶片轉移工藝，例如鍵合和激光剝離(laser lift-off)或SMART Cut 工藝，生長的層可以被轉移到目標晶片上。通過在晶片轉移之后 去除厚的過渡層，可以實現用于制造高質量III族氮化物薄層的III族氮化物層的減薄。例 如，可以通過研磨、拋光或等離子蝕刻來實現這種減薄過程。由于過渡層的厚度，III族氮化 物材料的受控均勻減薄可能很復雜，這可能影響高質量III族氮化物薄層的厚度均勻性。被轉移的III族氮化物層的缺陷密度對于最終獲得的半導體器件的性能特性至 關重要。形成缺陷的主要原因在于層上的生長表現出不同的晶體結構，即III族氮化物層 和外延生長III族氮化物層的晶種層(seed layer)的晶格常數不匹配，從而導致III族氮 化物層中出現應變。此外，轉移的III族氮化物層的應變狀態和極性對于最終獲得的半導體器件的性 能特性也至關重要。這些特性可以包括例如載流子復合效率。轉移的III族氮化物層和后 續有源層之間的應變可能影響半導體器件中的內部壓電場。此外，轉移的III族氮化物層 的極性還可能影響半導體結構中的壓電場，為了減輕應變對內部電場的影響，可以利用極 性選擇。III族氮化物薄層代表目前的小規模光電器件(特別是作為垂直腔面發射激光器 (VCSEL)的激光器器件)的主要元件。US6，320，206B1公開了一種制造具有晶片鍵合的鋁 鎵銦氮結構和反光鏡堆疊的VCSEL的方法。根據US6，320，206B1的教導，在藍寶石襯底上 生長P摻雜和η摻雜的InAKiaN層，然后該層被轉移到目標襯底上。在所得到的結構中， InAlGaN層被夾在反光鏡層之間以便獲得VCSEL。但是，盡管存在目前的設計工藝，仍需要提供在總體上具有增強的均勻性以及減 小的缺陷密度的III族氮化物層，特別是基于III族氮化物層的改進的VCSEL。
發明內容
本發明著眼于上述需求，并相應地提供一種制造方法，包括下列步驟a)提供第一襯底和形成在第一襯底上的InGaN晶種層的堆疊，所述InGaN晶種層 特別是松弛的InGaN晶種層；以及b)在InGaN晶種層上生長InGaN層，以便獲得襯底上InGaN結構。通過在薄的InGaN晶種層上生長InGaN層，特別是松弛的InGaN晶種層，更特別的 是極性松弛(relaxed polar)、半極性松弛(relaxed semi-polar)或無極性松弛(relaxed non-polar)的hGaN晶種層，可以獲得襯底上hGaN結構，該襯底上hGaN結構可用于進一 步制造半導體器件，而無需去除在后續處理步驟中在其上生長InGaN層的厚層。從而可以 獲得具有高均勻性的生長的InGaN層。所述方法還包括以下步驟c)形成覆蓋InGaN層的表面的第一反光鏡層；d)分離第一襯底；以及e)形成覆蓋InGaN的相對表面(與第一反光鏡層所覆蓋的表面相對的表面)的第
二反光鏡層。根據示例的創造性方法還包括提供第二襯底，在所述第二襯底上形成有所述第一反光鏡層，特別地，所述第一反 光鏡層由分布式布拉格反射器形成；將襯底上hGaN結構鍵合到形成在所述第二襯底上的所述第一反光鏡層上；分離所述第一襯底并去除InGaN晶種層，以便暴露InGaN層的表面；以及在InGaN層的暴露表面上形成所述第二反光鏡層，特別地，所述第二反光鏡層由 分布式布拉格反射器形成。可選地，包括反光鏡層的結構可以通過以下步驟獲得在InGaN層上形成第一反光鏡層；將第二襯底鍵合到所述第一反光鏡層上，特別地，所述第一反光鏡層由分布式布 拉格反射器形成；分離所述第一襯底并去除InGaN晶種層，以便暴露InGaN層的表面；以及在hGaN層的暴露表面上形成所述第二反光鏡層，特別地，所述第二反光鏡層由 分布式布拉格反射器形成。在上述兩種可選方式中，可以通過蝕刻或拋光來去除InGaN晶種層。在本發明的 其他實施例中，可以通過熱氧化/還原過程或者通過光電化學(PEC)蝕刻過程來去除化6鄉 晶種層。由于InGaN晶種層可以被設置為較薄的層，因此可以容易地執行該層的完全去除 以便暴露下面的InGaN的表面。根據另一種可選方式，所述創造性方法包括以下步驟在hGaN層上形成第一反光鏡層，特別地，所述第一反光鏡層由分布式布拉格反 射器形成；將第二襯底鍵合到所述第一反光鏡層上；分離所述第一襯底并暴露InGaN晶種層的表面；以及在InGaN晶種層的暴露表面上形成第二反光鏡層，特別地，所述第二反光鏡層由分布式布拉格反射器形成。由于InGaN晶種層被設置為高質量的薄層，優選地可以省略去 除該層的步驟，從而簡化整個過程。根據可選的過程，可以制造包括反光鏡層的垂直光電結構。在這種垂直光電結構 (例如可以是垂直腔面發射激光器，VCSEL)中，InGaN層作為有源層。該創造性的方法導致 生長在InGaN晶種層上的有源InGaN層具有高均勻性和低位錯密度，其中所述InGaN晶種 層特別是松弛的InGaN晶種層而不是厚的中間襯底，例如中間GaN襯底或GaN過渡層。這 樣，不需要用于減薄形成在反光鏡之間的腔區域的精加工，從而與現有技術相比，提高了腔 區域的質量。此外，松弛的InGaN晶種層可以減小所述晶種層和生長在其上的有源InGaN 層之間的應變。這種應變的減小可以改進VCSEL結構的內部電場和操作特性，例如增強載 流子復合效率。利用松弛的半極性或無極性InGaN晶種也可以獲得VCSEL操作特性的上述 改進。此外，注意在上述實施例中，第一襯底可以是藍寶石襯底，第二襯底可以是含硅襯底， 例如硅襯底。所提供的上述堆疊可以包括第一襯底和InGaN晶種層之間的介電層，即InGaN晶 種層不直接設置在第一襯底的表面上，而是設置在先前形成在第一襯底的表面上的介電層 的表面上。提供介電層有利于松弛的^GaN晶種層向第一襯底的轉移。介電層的適當示例 是510!￡或51!^層。介電層可用于輔助晶片向第二襯底的轉移。在本發明的某些實施例中， 介電層可以包括促進激光剝離過程的電磁吸收層。在去除第一襯底之后，例如通過蝕刻或 研磨從InGaN晶種層的表面去除介電層的剩余材料。更具體而言，根據本發明，所述堆疊可通過以下步驟形成在第三襯底上生長InGaN晶種層；通過鍵合層將生長的InGaN晶種層鍵合到第四襯底，所述鍵合層特別包括或包含 硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass)層或者包含硼或磷的SiO2化合物層；在去除第三襯底之前或之后，通過熱處理松弛(relaxing)所述InGaN晶種層；以 及將松弛的InGaN晶種層轉移到第一襯底上。可選地，所述堆疊通過以下步驟形成在第三襯底上生長InGaN晶種層；通過鍵合層將生長的InGaN晶種層鍵合到第四襯底，所述鍵合層特別包括或包含 硼磷硅玻璃層或者包含硼或磷的S^2化合物層；在去除第三襯底之前或之后，通過熱處理松弛所述InGaN晶種層；以及通過介電層將松弛的InGaN晶種層轉移到第一襯底上。根據以上兩種可選方式，其上生長有hGaN層的第三襯底可以是GaN襯底。有 利地，GaN襯底的位錯密度不大于5X108cm_2，或者不大于107cm_2。該低位錯密度被生長 的InGaN晶種層承襲，從而能夠獲得生長在InGaN晶種層上的高質量的(有源)InGaN層。 hGaN層可以生長到IOOnm到2000nm的范圍內的厚度，特別是500nm到1500nm的范圍內的 厚度。根據該創造性方法，InGaN晶種層在位錯密度不大于107cm_2的GaN襯底上生長到較 低厚度。InGaN晶種層的厚度在5nm到500nm的范圍內。InGaN晶種層的成分可以是銦在 1到30%的范圍內，即In0."ει。.99N至In。.3Gei。.7N。由于用于生長(有源)InGaN層的InGaN 晶種層很薄，因此與現有技術相比，根據本發明形成的VCSEL器件的腔厚被減小，從而改進(減小)了器件操作所需的閾值電流。如上所述，創造性方法的以上所有示例均可用于制造垂直光電結構，特別是垂直 腔面發射激光器(VCSEL))，從而獲得在腔/有源層的均勻性、閾值電流、波腹(anti-nodes) 相對于有源層的多個量子阱的位置對齊等方面具有優異質量的器件。特別是，提供一種垂 直腔面發射激光器，包括特別由分布式布拉格反射器形成的兩個反光鏡層，所述反光鏡層 夾在a)有源InGaN層或b)有源InGaN層和InGaN晶種層之間，并且可通過根據上述實施 例之一的方法獲得。此外，提供一種垂直腔面發射激光器，包括以如下順序包含以下的層的堆疊襯底；第一反光鏡層，特別由分布式布拉格反射器形成；有源InGaN 層；InGaN晶種層；以及第二反光鏡層，特別由分布式布拉格反射器形成。
下面將參考附圖描述本發明的其他特征和優點。在描述中，參考用于顯示本發明 的優選實施例的附圖。可以理解這些實施例不代表本發明的全部范圍。圖1顯示了制造包括InGaN有源層的VCSEL的創造性方法的示例。圖2顯示了制造包括InGaN有源層的VCSEL的創造性方法的另一示例。
具體實施例方式圖1顯示了在此公開的用于制造包括InGaN層的目標晶片的方法的一個示例。圖 1顯示了 InGaN層在hGaNoS(襯底上hGaN)加工襯底上的生長。根據該示例，InGaNoS結 構包括藍寶石襯底1、介電鍵合層2和松弛的InGaN晶種層3，其中晶種層3可以是極性松弛 (polar re laxed)、半極性松弛(semi-polar relaxed)或無極性松弛(non-polar relaxed) 的MGaN層。可以通過以下過程獲得藍寶石襯底1上的松弛的InGaN晶種層3。設置GaN模板 (自支撐襯底)，其可以表現出將被在其上生長的InGaN層承襲的極性、半極性或無極性。 GaN模板有利地具有低位錯密度(例如不高于107cm_2)，該低位錯密度也將被在其上生長的 InGaN晶種層3承襲。InGaN層在GaN模板上生長之后，可以對其進行離子注入以形成弱化 區，從而有利于轉移到另一襯底上。可以利用離子注入過程來限定InGaN晶種層的厚度和 厚度均勻性。例如，可以選擇注入劑量以便在InGaN層中理想的厚度處形成弱化區，從而限 定晶種層的厚度。此外，可以選擇注入劑量和分離參數以便在InGaN晶種層中產生理想的 厚度均勻性。例如，InGaN晶種層3可以被鍵合到玻璃狀可回流鍵合層(glassy reflowable bonding layer)，例如硼磷硅玻璃(BPSG)或包含B (BSG)或P (PSG)的SiO2K合物。當溫 度超過大約800°C或850°C時(取決于玻璃的實際成分)，硼磷硅玻璃表現出回流特性，從 而允許InGaN晶種層3中產生的應變松弛。可選的，在hGaN晶種層3上形成一個可回流 鍵合層，并在襯底的表面上形成另一個可回流鍵合層，兩個鍵合層彼此鍵合。在某些實施例
7中，InGaN晶種層3可以包括玻璃狀可回流鍵合層上的覆蓋層，可選地，如現有技術中已知 的，InGaN晶種層3可以被裝飾和蝕刻成具有幾何圖案的一個或多個InGaN晶種層，所述幾 何圖案包括但不限于圓、矩形等。除去GaN模板之前或之后，對結構進行熱處理，以便松弛InGaN晶種層3。松弛 之后，松弛的InGaN晶種層3被轉移到藍寶石襯底1，以便作為用于進一步處理的松弛的 hGaN晶種層3。優選地，在藍寶石襯底1的表面上直接形成介電層2，例如510!￡或51!￡乂層， 以便有助于松弛的InGaN晶種層3至藍寶石襯底1的轉移。以任意一種方式，通過在就缺 陷密度而言具有高質量的施主材料(上述GaN模板)上的生長，獲得hGaN晶種層3，因此， 松弛的InGaN晶種層3的厚度可以很小(例如在5nm到500nm的范圍內)，而不影響材料質 量。然后，可以在設置在藍寶石襯底1上的松弛的InGaN晶種層3上外延生長InGaN層4。 MGaN層的厚度在200nm到2000nm的范圍內，特別在500nm到1500nm的范圍內。如圖1所示，所得到的結構被鍵合到形成在載體襯底5上的反光鏡層6。如現有 技術中已知，可以通過高反射率(大約99%)的分布式布拉格反射器(DBR)來制造反光鏡 層5。鍵合過程之后，通過化學蝕刻、研磨、拋光去除藍寶石襯底1。在本發明的某些實施例 中，通過激光剝離工藝去除藍寶石襯底1。在激光剝離的實施例中，介電鍵合層2可以包括 促進電磁輻射的吸收的電磁吸收層，所述電磁輻射例如是通過藍寶石襯底1的介電鍵合層 2的激光輻射。包括電磁吸收層的介電鍵合層的這種輻射有利于去除藍寶石襯底1。可以 通過蝕刻、研磨和/或拋光從InGaN晶種層3上去除介電鍵合層2的剩余材料。然后，去除InGaN晶種層3以便暴露InGaN層4，如圖1所示。由于松弛的InGaN 晶種層3較薄，可以通過蝕刻或拋光準確均勻地去除該晶種層。在本發明的其他實施例中， 可以通過熱氧化/還原過程或通過光電化學(PEC)蝕刻過程實現松弛的InGaN晶種層3的去 除。在下一步驟中，在變為所得到的VCSEL結構的有源層的InGaN層4的暴露表面上形成第二 反光鏡層7，第二反光鏡層7也可以通過高反射率(大約99% )的分布式布拉格反射器(DBR) 來制造。然后繼續現有技術中已知的其他處理步驟(包括接觸)，以便完成VCSEL器件。與現有技術相反，根據本發明，可以近乎完美地去除松弛的InGaN晶種層3而沒有 顯著殘留物。不需要對較厚有源層的后面進行蝕刻。因此，可以嚴格對齊光學模(optical mode)的波腹和由hGaN層4單獨限定的有源hGaN區域的多個量子阱(沒有殘留物)。與 現有技術相比，該對齊導致VCSEL的激光場與腔更好地耦合。圖2顯示了與圖1中所示的示例相對比的創造性方法的可選示例。根據該示例， 參考圖1所述形成MGaNoS結構。介電鍵合層2可以包括用于促進后續分離的電磁吸收層 8。此外，在隨后將作為有源層的hGaN層4上形成反光鏡層(DBR)6。所得到的結構被鍵合 到載體襯底5上。通過電磁吸收層8的輻射來調節藍寶石襯底1的分離，以促進藍寶石襯 底1的激光剝離去除。但是，介電層2的剩余材料從InGaN晶種層3上去除，根據該示例， InGaN晶種層3被保留在InGaN層4上。不去除InGaN晶種層3，而是用InGaN晶種層3作 為用于生長第二反光鏡(DBR)層7的晶種層。由于松弛的InGaN晶種層3的低厚度和均勻 性，因此InGaN晶種層3能夠作為用于生長第二反光鏡(DBR)層7的晶種層。InGaN晶種層 3的使用可以增強反光鏡層7在其上的粘附性。在圖1和圖2中顯示的上述例子中，反光鏡層6和7可以例如包括低損耗電介質 (low loss dielectrics)的堆疊對。反光鏡可以包括全氧化物分布式布拉格反射器或可選的基于III族氮化物的布拉格反射器。大體上，對于全氧化物分布式布拉格反射器，可以選 擇二氧化硅和二氧化鈦、二氧化鋯、氧化鉭、二氧化鉿的成對的層。大體上，對于基于III族 氮化物的布拉格反射器，可以選擇Alx(;ai_xN和GaN的成對的層。在其他示例中，反光鏡層6 和7可以包括金屬材料。此外，可以在各個反光鏡層和有源InGaN層4之間適當的設置中 間鍵合層。 所有的上述實施例都不用于限定本發明，而是作為說明本發明的特征和優點的示 例。可以理解也可以以不同方式組合上述特征的一部分或全部。
權利要求
1.一種制造垂直光電結構的方法，包括以下步驟a)提供第一襯底(1)和形成在所述第一襯底(1)上的hfeiN晶種層(3)的堆疊；b)在所述InGaN晶種層(3)上生長InGaN層(4)，以便獲得襯底上InGaN結構；c)形成覆蓋LGaN層(4)的表面的第一反光鏡層(6)；d)分離第一襯底⑴；以及e)形成覆蓋^6&則4)的相對表面的第二反光鏡層(7)。
2.根據權利要求1所述的制造垂直光電結構的方法，還包括提供第二襯底(5)，其中在所述第二襯底( 上形成有所述第一反光鏡層(6)； 將襯底上InGaN結構鍵合到形成在所述第二襯底( 上的所述第一反光鏡層(6)上；以及去除所述化6鄉晶種層(3)以便暴露化6鄉層的相對表面。
3.根據權利要求1所述的制造垂直光電結構的方法，還包括 在InGaN層(4)上形成所述第一反光鏡層(6)；將第二襯底( 鍵合到所述第一反光鏡層(6)上；去除所述化6鄉晶種層(3)以便暴露化6鄉層的相對表面。
4.根據權利要求1所述的制造垂直光電結構的方法，還包括 在InGaN層(4)上形成所述第一反光鏡層(6)；將第二襯底( 鍵合到所述第一反光鏡層(6)上； 暴露所述InGaN晶種層(3)的表面；以及在所述InGaN晶種層(3)的暴露表面上形成所述第二反光鏡層(7)。
5.根據前述權利要求中任一項所述的制造垂直光電結構的方法，其中所提供的堆疊包 括所述第一襯底(1)和所述InGaN晶種層(3)之間的介電層O)。
6.根據前述權利要求中任一項所述的制造垂直光電結構的方法，其中所述堆疊通過以 下步驟形成在第三襯底上生長所述InGaN晶種層(3)；通過鍵合層將生長的InGaN晶種層( 鍵合到第四襯底，所述鍵合層特別包括或包含 硼磷硅玻璃層或者包含硼或磷的S^2化合物層；在去除所述第三襯底之前或之后，通過熱處理松弛所述hGaN晶種層(3)；以及 將松弛的InGaN晶種層(3)轉移到所述第一襯底(1)上。
7.根據權利要求5所述的制造垂直光電結構的方法，其中所述堆疊通過以下步驟形成在第三襯底上生長所述InGaN晶種層(3)；通過鍵合層將生長的MGaN晶種層C3)鍵合到第四襯底，所述鍵合層特別包括或包含 硼磷硅玻璃層或者包含硼或磷的SiO2化合物層；在去除所述第三襯底之前或之后，通過熱處理松弛所述hGaN晶種層(3)；以及 通過所述介電層⑵將松弛的InGaN晶種層(3)轉移到所述第一襯底⑴上。
8.根據權利要求6或7所述的制造垂直光電結構的方法，其中所述第三襯底是GaN襯 底，特別是位錯密度不大于5 X IO8CnT2的GaN襯底。
9.根據前述權利要求中任一項所述的制造垂直光電結構的方法，其中所述InGaN層⑷生長到IOOnm到2000nm的范圍內的厚度，和/或其中所述InGaN晶種層(3)生長到5nm 到500nm的范圍內的厚度。
10.根據權利要求3所述的制造垂直光電結構的方法，其中通過蝕刻或拋光去除所述 InGaN晶種層(3)。
11.一種制造垂直光電結構的方法，其中所述垂直光電結構特別是垂直腔面發射激光 器，包括根據前述權利要求中任一項所述的制造垂直光電結構的方法的步驟。
12.根據前述權利要求中任一項所述的制造垂直光電結構的方法，其中所述第一反光 鏡層(6)和所述第二反光鏡層(7)包括全氧化物分布式布拉格反射器或者III族氮化物分 布式布拉格反射器。
13.根據前述權利要求中任一項所述的制造垂直光電結構的方法，其中通過離子注入 產生的弱化區來限定所述第一襯底(1)上的所述InGaN晶種層(3)的厚度。
14.一種垂直腔面發射激光器，包括夾在InGaN晶種層(3)和生長在InGaN晶種層(3)上的有源InGaN層(4)之間的兩個 反光鏡層(6，7)，其中所述反光鏡層特別由全氧化物分布式布拉格反射器形成，并且通過根 據權利要求1或4所述的制造垂直光電結構的方法得到。
15.一種垂直腔面發射激光器，包括以如下順序包含以下的層的堆疊襯底(5)；第一反光鏡層(6)，特別由分布式布拉格反射器形成；InGaN晶種層(3)；生長在所述InGaN晶種層(3)上的有源InGaN層(4)；以及第二反光鏡層(7)，特別由分布式布拉格反射器形成。
全文摘要
本發明涉及具有InGaN層的半導體器件。本發明還涉及一種制造垂直光電結構的方法，包括以下步驟a)提供第一襯底和形成在第一襯底上的InGaN晶種層的堆疊；b)在InGaN晶種層上生長InGaN層，以便獲得襯底上InGaN結構；c)形成覆蓋InGaN層的表面的第一反光鏡層；d)分離第一襯底；以及e)形成覆蓋InGaN的相對表面的第二反光鏡層。
文檔編號H01S5/343GK102088163SQ201010508579
公開日2011年6月8日 申請日期2010年10月13日 優先權日2009年12月7日
發明者F·勒泰特 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上硅技術公司