专利名称：形成于碳化硅基板上的氮化镓膜的剥离方法及使用该方法制造的装置的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种用于制造半导体器件的方法，尤其涉及一种用于制造薄膜半导体器件的方法。
现有技术的描述在III族氮化物材料系统中的半导体材料制造中的改良已将兴趣聚焦在诸如高效发蓝光、发绿光及发紫外(UV)光二极管(一个或多个LED)及激光器等GaN/AlGaN光电子器件，及诸如高功率微波晶体管等电子器件的研发上。GaN的一些优点是其3.4eV宽的直接能带隙、高电子速度(2×107cm/s)、高击穿电场(2×106V/cm)及异质结构的可用性。
典型的LED可包含一夹于一p型掺杂层与一n型掺杂层之间的活性区，使得当在掺杂层上施加一偏压时将电子及空穴注入至该活性区中。该电子及空穴在该活性区中重新结合以在一″发射球体″中以在组成LED结构的材料内的所有方向上发光的方式在全方向上产生光。典型的LED可有效地从该活性区产生光，但由于LED材料与周围环境之间的折射率的不同，因此光难以自该LED发射至周围环境。在具有典型厚度的层及区域的LED中，仅形成于一表面方向上约20°宽的锥体上的光子可离开该结构。剩余的光被截留在LED的结构内，且将最终被吸收至该半导体材料中。被吸收回LED材料中的光不再为产生光所用，这降低了LED的总发光效率。
已研发用于改良典型LED的发光效率的不同方法，其中一些方法包括使用非平面形的LED及使LED的发射面变得粗糙。这两种方法都通过提供具有不同角度的LED表面，使得当来自LED的活性区的光以光与表面之间呈不同角度的方式到达该表面来改良发光效率。这增加了当光到达该表面时将处于20°锥体内的可能性，使得光自该LED发射。若光不在20°角之内，则该光以不同角反射，从而增加了下一次当光到达该表面时将处于锥体内的可能性。
通过在谐振腔LED(RCLED)中利用一谐振腔结构也可增强发光效率。RCLED通常在E.Fred Shubert的Light Emitting Diodes(剑桥大学出版社，第198-211页(2003))中有描述。RCLED通常包括两个以相反方式掺杂的外延层及在该以相反方式掺杂的层上的镜面，使得该以相反方式掺杂的层夹于镜面之间。镜面之一具有低于另一镜面的反射率的反射率，使得光经由该较低反射率的镜面而离开该RCLED。在其它实施例中，可在该以相反方式掺杂的层之间包括一外延活性区。
RCLED通常包含比标准LED薄得多的外延层，且当该外延层的厚度约为由该外延层所产生的光的一个波长时出现谐振腔效应。在该谐振腔中产生的光形成驻波，使得所有发出的光被定向地发射。此定向发光在基本上垂直于由二极管结形成的平面的方向上、且以相较于标准LED更高的强度释放光子。与标准LED相比，RCLED的发射光谱具有更高的光谱纯度，且RCLED的发射远场方向图更为定向。
当制造某些特定材料系统的RCLED时，将两个镜面沉积于外延层的相对两侧上存在困难。该以相反方式掺杂的层(及活性区)通常是使用已知制造方法及装置，例如有机金属化学汽相沉积(MOCVD)反应器中的外延生长形成于基板上的。一旦这些层已沉积于基板上，这两个镜面中的第一个可沉积至最近生长(顶部)的外延面上，该外延面通常是p型掺杂层。将一镜面表面置放于另一掺杂的、最初生长的层的表面上并非如此容易，这是因为该表面与该基板的生长面相接触。RCLED的层通常是薄的，因此难以使外延层与基板分离使得可沉积第二镜面。由于镜面材料与外延层之间的晶格失配，所以将镜面沉积于基板上然后生长该外延层可能是不实际的。
将第二镜面沉积于外延层上的方法之一是首先移除该基板。一种用于从外延层移除基板的技术在W.Cheung等人的美国专利第6,071,795号中有描述。使氮化镓(GaN)薄膜外延生长于一蓝宝石基板上，接着使用具有可透过蓝宝石但被GaN吸收的波长(例如，248mn的波长)的扫描束用激光照射该基板。然而，该辐射强度足够低而不会引起被照射区域分离。在完成激光照射后执行分离过程，例如通过将该结构加热至镓的熔点之上来进行分离。本发明的另一实施例被描述为在所需要的膜与生长基板之间生长一牺牲材料。接着，光束可从透射光束的生长或受体基板侧照射。
该方法的难点在于它特定适用于生长于蓝宝石基板上的半导体器件。III族氮化物器件通常生长于碳化硅基板上，且若照射光束的波长足够高而不会由该碳化硅吸收，则该波长可能过高而无法由GaN吸收。对此的一种替代方法是找出透过碳化硅且将激励GaN的光的波长。但是，GaN与碳化硅之间的能带隙的差异过于狭窄以致无法允许可靠地透过碳化硅同时由GaN吸收。
发明概述根据本发明的用于制造高光提取光子器件的方法的一实施例包括在基板上生长剥离层及在剥离层上生长外延半导体器件结构，使得剥离层夹于所述器件结构与基板之间。该外延半导体结构包括适用于响应于一偏压而发光的发射极。将该器件结构、剥离层及基板用倒装芯片法安装于子基板(submount)上，使得外延半导体器件结构夹于子基板与剥离层之间。移除剥离层以使基板与器件结构分离。
根据本发明的用于制造高光提取光子器件的方法的另一实施例包括在基板上生长剥离层及在剥离层上生长外延半导体结构，其中剥离层夹于外延半导体结构与基板之间。将第一镜面层沉积于外延半导体结构上，使得外延半导体结构夹于第一镜面层与剥离层之间。通过移除剥离层使基板与外延结构分离。将第二镜面层沉积于外延半导体结构上，使得外延半导体结构夹于第一镜面层与第二镜面层之间。
根据本发明的谐振腔发光二极管(RCLED)的一实施例包括薄膜外延半导体结构，其中第一镜面层位于外延半导体结构的一表面之上。在外延半导体结构的另一表面上包括第二镜面层，使得外延半导体结构夹于第一镜面与第二镜面之间。第二镜面层具有低于第一镜面层的反射率。子基板连同外延半导体结构一起包括在内，且外延半导体结构的第一镜面及第二镜面安装在子基板上。第一镜面层与子基板相邻，且第二镜面层是主发射表面。
当结合附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征对本领域的技术人员将变得显而易见。
附图简述
图1是根据本发明的制造方法的一实施例的流程图；图2是根据本发明的制造方法的另一实施例的流程图；图3是根据本发明的半导体器件在图1及图2中的方法的一中间步骤处的一发明详述图1示出了根据本发明的用于制造III族氮化物半导体的方法10的一实施例，其中方法10特定适用于制造形成于碳化硅(SiC)基板上的薄膜III族氮化物半导体器件。在步骤12中，提供SiC基板，它是结合III族氮化物材料(例如GaN)一起使用的合适的材料。SiC具有与III族氮化物GaN更密切的晶格匹配，这通常得到高品质的III族氮化物膜。SiC也具有高导热性，使得在SiC上的III族氮化物器件的总输出功率不受基板的热耗散的限制(某些形成于蓝宝石上的器件通常就是如此受限)。SiC基板可从北卡罗莱纳州达勒姆市的Cree Research，Inc.获得，且用于制造他们的方法在科学文献中以及美国再颁专利第34,861号、美国专利第4,946,547号及美国专利第5,200,022号中有陈述。
在步骤14中，在Sic基板的至少一表面上生长剥离层，其中较佳的剥离层包括具有小于基板或外延层的能带隙材料的材料使得可通过光电化蚀刻选择性地蚀刻该剥离层。剥离层可包括许多不同的材料，包括(但不限于)氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)合金及砷化铝铟镓(AlInGaAs)合金或与下文所描述的光电化蚀刻起反应的其它材料。可通过使用已知半导体制造方法(例如分子束外延法(MBE)或金属有机化学汽相沉积(MOCVD))中的任一种来生长剥离层。
在步骤16中，在基板上生长III族氮化物外延层，使得InGaN剥离层夹于SiC基板与外延层之间。也可使用已知半导体制造方法(例如MBE或金属有机化学汽相沉积MOCVD)中的任一种来生长外延层，且在通过方法10形成的一个器件中，外延层可包含p型GaN及n型GaN的薄膜。
取决于所制造的器件的类型，可包括一可任选步骤18，该步骤包括将第一镜面层沉积于外延层的与基板相对的表面上。如将从以下讨论中了解的，若制造发光二极管(LED)，则此镜面有助于增加LED的有用光提取，且若制造RCLED，则此镜面是产生谐振腔效应所必需的。可使用不同的镜面，例如由诸如银、金、铑、铂、钯、金锡或其组合等材料制成的金属镜面，它可使用诸如溅射等常规方法沉积于表面上。或者，该镜面可以是分布式布喇格反射器(DBR)，它通常包括多对具有不同折射率的两种材料。由于折射率的不同，在每一界面上发生费涅耳(Fresnel)反射。每一界面上的反射可能无法总计，但由于界面的数目及不同层的厚度，反射波以相长方式干扰，使得DBR提供良好的反射性。取决于用于DBR的材料的类型，可使用与用于制造外延层相同的方法(通常为MBE或MOCVD)将其沉积于顶部表面上。
在步骤20中，将基板连同其外延层(及第一镜面层)一起用倒装芯片法安装至子基板上，使得外延层的顶部表面或镜面(视情况而定)与子基板相邻。可使用许多已知材料(一示例为银锡共晶体)将外延层的表面或镜面层粘合至基板。该子基板可以是单一构造之一，或可包括若干不同的结构构件，且可由诸如硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃或金属等不同材料制成。子基板也可包括驱动包含(多个)外延层的器件的电子组件。
在步骤22中，使半导体器件或剥离层经受光电化蚀刻(PEC)，光电化蚀刻(PEC)蚀刻剥离层而实质上不会蚀刻(多个)外延层。在根据本发明的一实施例中，PEC蚀刻包括将半导体器件浸没于一溶液中，且用光照射该溶液，该溶液的组合物及光的波长导致在不蚀刻外延层的情况下蚀刻剥离层。一较佳的溶液包含(1:3)KOH及水，仅仅该溶液实质上不会蚀刻剥离层或III族氮化物外延层。然而，若用光照射该溶液，则该溶液可蚀刻剥离层而不会蚀刻外延层。可使用不同波长的光，且一合适的波长为约400纳米(nm)。相信400nm的光导致剥离层中的材料形成电子空穴对，且铟原子上的空穴位置允许键结氢氧离子。这形成了具有H2气体副产物的In2O3，且铟的移除开始快速拆除剥离层结构。为进一步增强InGaN剥离层的蚀刻，可通过在基板上置放探针并在溶液中置放另一探针来对KOH及水溶液加偏压。在PEC蚀刻剥离层之后，子基板连同其外延层可与SiC基板分离。
取决于所制造的器件，可包括替代步骤24，其中可将第二镜面沉积于外延层的通过使SiC基板与外延层分离而得以显露的表面上。通常结合形成第一镜面层的步骤来包括此步骤，使得外延层夹于第一镜面层与第二镜面层之间。当制造谐振腔LED(RCLED)、固态激光器、或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)时可使用此配置。
方法10可用于制造许多不同的具有由许多不同材料制成且具有许多不同厚度的外延层的半导体器件器件。方法10特定适用于生长RCLED中使用的高品质薄膜III族氮化物层，其中在等薄膜的相对两侧上形成镜面。当形成III族氮化物RCLED时，在SiC基板与外延层之间的界面上提供镜面是不实际的，这是因为镜面要么不具有可识别的单晶体结构，要么是具有显著不同于外延层所形成的晶格的尺寸的单晶体。结果，由于晶体结构的失配，难以在镜面表面上制造高品质的III族氮化物薄层。
另一方面，SiC基板与III族氮化物具有良好的晶格匹配，这通常得到高品质的III族氮化物薄层。在于基板上生长之后的处理步骤期间，薄外延层可能需要支撑，且方法10允许将第一镜面沉积于外延层的一表面上，同时基板仍在原位并支撑该薄层。接着将该器件用倒装芯片法安装在子基板上，使得第一镜面位于子基板与层之间。该子基板在蚀刻掉基板并沉积第二镜面的同时提供额外的支撑。通过贯穿该处理提供这一支撑，在III族氮化物材料系统中可制成高品质的薄膜器件。
图2示出了根据本发明的用于制造III族氮化物半导体的方法30的另一实施例，其中方法30也特定适用于制造形成于碳化硅(SiC)基板上的薄膜III族氮化物半导体器件。方法30包括许多与方法10类似的步骤，且对于这些类似的步骤而言，将使用相同的参考标号。在步骤12中，提供SiC基板，且在步骤14中，在该基板的至少一表面上生长剥离层，其中剥离层包含AlGaN、AlInGaN、AlGaInAs或如下文所述的与激光照射发生反应的其它材料。
在步骤16中，在剥离层上形成外延层，使得剥离层夹于基板与外延层之间，其中外延层较佳地由GaN形成。在步骤20中，可形成可任选的第一镜面层，且在步骤22中，将半导体器件用倒装芯片法安装至子基板上。
在方法30中，并非使该器件经受PEC蚀刻以蚀刻剥离层，而是在步骤32中用激光器照射该半导体器件。激光器应产生不可由SiC基板或GaN外延层吸收但可由InGaN剥离层吸收的波长的光。SiC吸收波长大约为390nm及更小的光，GaN吸收波长大约为360nm或更小的光，且InGaN吸收波长大约为450nm或更小的光。根据本发明的激光照射应具有大约390nm与450nm之间的波长，且一合适的波长为400nm。SiC基板及GaN层对此波长的激光照射是透明的，且当该照射撞击到剥离层时，该光被吸收。这导致剥离层变热且消散，从而允许外延层与子基板分离。应了解，可使用大约390nm与450nm之间的许多其它波长的激光照射。
在替代步骤24中，可将第二镜面沉积于外延层的通过使SiC基板与外延层分离而得以显露的表面上。如上文在图1中所述，当制造RCLED、固态激光器或VCSEL时通常包括此步骤。
可使用图1及图2的方法10、方法30制造许多不同器件。图3示出了可使用方法10、30制造的根据本发明的LED 40的一实施例，其中所示的LED 40处于一中间制造步骤处。LED 40包括碳化硅基板42，它可用于锚定外延生长且具有第一基板表面44，在第一基板表面44上形成剥离层46。剥离层46可包含上文分别在图1与图2中所示的方法10与方法30中所描述的材料。接着，在剥离层46上制造外延器件层结构48，其中剥离层46夹于基板42与外延结构48之间。在此实施例中，外延器件48包括直接生长于剥离层46上的n型GaN层50及生长于n型层50的顶部的p型GaN层52。在其它实施例中，可在n型层50与p型层52之间包括一活性区。取决于所制造的器件，n型层50及p型层52可具有许多不同厚度。剥离层46也可具有许多不同厚度，且一合适的厚度在大约为1000-2000埃的范围内。当使用图1的PEC蚀刻时，若剥离层46的厚度小于1000埃，则当移除过程移向该器件的中心时，弯月效应可减慢剥离层的移除。
图4示出了在通过粘合层/材料56用倒装芯片法安装至子基板54之后的图3的LED 40，其中外延结构的顶部表面与子基板54相邻。在根据本发明的一实施例中，粘合层/材料56是包含银锡共晶体的环氧材料。如上文所描述的，子基板54可以是包括硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃或金属的许多结构构件之一，且也可包含驱动电子器件或静电放电保护元件。
一旦安装至子基板54，LED 40经受图1中的方法10的步骤22中所描述的类型的PEC蚀刻，或经受图2中的方法30的步骤32中所描述的类型的激光照射。这导致基板42与外延结构46分离。图5示出已移除其基板且已将接触件58沉积于顶端表面上之后的LED 40。在此实施例中，子基板54可以是导电性的，使得可经由子基板54及接触件58将偏压施加至外延结构48。
图6示出可使用方法10、30制造的根据本发明的LED 60的一实施例，其中所示的LED 60处于一中间制造步骤处。LED 60包括许多类似于图3-5中的LED 40的特征，且对于这些类似的特征，将使用相同的参考标号。LED 60包括SiC基板42、剥离层46、外延结构48，他们全部通过粘合层/材料56而用倒装芯片法安装于子基板54之上。然而，在LED 60中，在外延结构48与子基板54之间包括第一镜面层62。为达成此配置，在倒装芯片安装前，可在子基板54或外延结构48之上形成第一镜面层62。在所示的实施例中，镜面层是在倒装芯片安装之前形成于外延结构48之上的，使得粘合层/材料位于第一镜面62与子基板54之间。
接着，使LED 60经受图1中的方法10的步骤22中所描述的类型的PEC蚀刻，或经受图2中的方法30的步骤32中所描述的类型的激光照射。这导致基板42与外延结构48分离。图7示出了在基板已与外延结构48分离且已将接触件64沉积于外延结构48的暴露表面上之后的LED 60。可经由接触件64及第一镜面62的子基板54将偏压施加至外延结构48，以使外延结构48在所有方向上发光。朝向第一镜面层62定向的光被反射回外延结构48的顶部表面，在那里它可有助于从LED 60发光。
谐振腔发光二极管(RCLED)的不同实施例也可使用图1及图2中的方法10及30。如上文所描述的，RCLED通常包括比典型的LED薄得多的外延层。RCLED通常包括两个以相反方式掺杂的外延层及在这些以相反方式掺杂层上的镜面，使得这些以相反方式掺杂的层夹于镜面之间。这些镜面之一具有低于另一镜面的反射率的反射率，使得光穿过该较低反射率的镜面而离开RCLED。当外延层的厚度大约为由外延层所产生的光的一个波长时，出现谐振腔效应。方法10及30特定适用于形成具有适合RCLED的薄层的外延结构。
图8示出根据方法10及30制造的处于一中间制造步骤的RCLED 70的一实施例。RCLED 70包括SiC基板72、InGaN剥离层74及具有薄外延层的GaN外延结构76。第一镜面层78包括于外延结构上，其中整个RCLED 70通过诸如包含银锡共晶体的环氧材料等粘合层/材料82而用倒装芯片法安装于子基板80之上。如上所述，子基板可以是包括硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃或金属的许多结构构件之一，且也可包括驱动/保护电子器件。随后可使RCLED 70经受图1中的方法10的步骤22中所描述的类型的PEC蚀刻，或经受图2中的方法30的步骤32中所描述的类型的激光照射。这导致基板72与外延结构76分离。
许多不同材料及结构可用于第一镜面层78。在图8所示的实施例中，第一镜面层78包含可由银、金、铑、铂、钯或金锡或其组合制成的p型金属镜面84。
在根据本发明的另一实施例中，第一镜面78可包含具有由许多具有不同厚度及不同折射率的不同层对所制成的DBR。一实施例包含介电DBR第一镜面86，它较佳地由四分之一波长厚度的p型二氧化硅88与p型氧化钛90的交替介电层制成。根据本发明的DBR第一镜面86的另一实施例可包含二氧化硅与五氧化二钽的交替介电层。由GaN所制成的外延结构76与形成DBR第一镜面86的层88、90之间的折射率的对比度足以使DBR第一镜面86利用两个至四个交替层对有效地反射光，交替层对的一种合适的数目为三对。也应了解可使用具有更少对或更多对的DBR第一镜面86。这些层的厚度对应于当将偏压施加于外延器件结构76上时由外延器件结构76所产生的光的四分之一波长。
另一实施例包含含有外延材料的若干交替对的外延DBR第一镜面92。可使用许多不同的交替对，其中DBR第一镜面92较佳地包含p型GaN 94与p型氮化铝96的交替对。在外延DBR第一镜面92的其它实施例中，可使用氮化铝合金而非氮化铝。外延器件结构76与构成外延DBR第一镜面92的材料之间的折射率差为使得镜面92需要大约八至十二个大约为四分之一波长厚的层对，其中层对的合适数目为十。应了解在更少及更多层对的请况下，该DBR也将起作用。
图9示出了移除了基板后，并在移除基板后将第二镜面层100置于外延结构的暴露表面上的图8的RCDLED 70的一实施例。如同第一镜面层78一样，第二镜面层100可以是许多不同的镜面类型，例如n型金属镜面(如图所示)、n型介电DBR 104或n型外延DBR 106。n型金属镜面可包含银、金、铑、铂、钯或金锡或其组合。n型介电DBR 104可由许多不同的交替对制成，但较佳地由二氧化硅层108与二氧化钛110的大约三个交替对制成。n型外延DBR 106可包含大约十对n型GaN 112与n型氮化铝114。
但是，第二镜面层100应具有低于第一镜面78的反射率，使得光穿过第二镜面层100而离开RCLED。也可将一金属化层(未示出)沉积于第二镜面n型层100的暴露的表面上，且该金属化层可以是用于粘合的金、银、铑、钯、铂或金锡中的任一个。
图10及11示出了包含移除了基板的图8中的RCLED 70以及第二镜面层(它将DBR第二个第一镜面与一金属镜面组合以增强扩散到外延结构76中的电流)的RCLED 120，其中第二镜面122包含具有金属网126的DBR 124以从一接触件扩散电流。DBR 124沉积于外延结构76上，其中适当厚度的足够数目的层为高度反射性的。随后，在DBR 124上(通常通过蚀刻)开启沟道，这些沟道在外延结构的表面上延伸且互连。随后使用金属镜面材料填充这些沟道以形成金属网126。与金属126相比，DBR 124具有更高的反射率，但金属网126与DBR 124的组合构成了具有充分反射率及良好电流扩散性的层。图11是RCLED 120的俯视图，它示出DBR 124及金属网126的顶部表面。金属网126被示为正交且互连的沟道，但该金属网可具有许多不同的沟道配置。也应了解，第一镜面层78也可具有此DBR与金属网配置以增强电流扩散。
图12-15示出了可使用图1及图2中的方法10及30制造的根据本发明的LED的不同实施例。在所示的RCLED中的每一个中，第一镜面层可以是金属镜面沉积、p型DBR或p型外延DBR中的任一个。类似地，在这些RCLED中的每一个中，第二镜面层可以是n型金属镜面、n型DBR或n型外延DBR。在这些图中，第二镜面层的选择不受第一镜面层的选择的约束，反之亦然。例如，当在p型层与n型层颠倒的实施例中，第一镜面层为p型DBR时，第二镜面层可以是n型金属镜面。
图12示出了可使用方法10及30制造的根据本发明的RCLED 130的一实施例。如上所述，RCLED要求外延结构132是薄的，具有的厚度大约为结构132所发射的光的一个波长。方法10及30提供特别适用于RCLED的高品质III族氮化物薄层的制造方法。第一镜面层134及第二镜面层136可以是上述镜面层中的任一个，且RCLED 130也包含位于第二镜面层136上的接触金属层138。外延结构132的底层可通过子基板140而接触通电，使得RCLED 130响应于经由子基板140及接触金属层138所施加的偏压而发光。
方法10及30也可用于制造具有比RCLED中的外延层更厚的外延层的器件。图13示出了可由方法10及30制造的根据本发明的标准LED 150的一实施例。外延结构152具有明显大于RCLED外延结构的尺寸的尺寸。LED 150也具有一接触件154，用于将电流提供至结构152中以相反方式掺杂的层之一，其中以相反方式掺杂的层中的另一个通过子基板156而接触通电。
方法10也可用于制造具有增强光提取的其它特征的外延器件。图14示出了具有成形侧表面162且主发射表面164经粗糙化的LED 160的实施例。在完成基板移除方法10及30之后，通常使LED 160成形且粗糙化。成形及粗糙化LED 160通过增大撞击表面且随后离开以从该器件发光的光的比例而增加了LED 160的光提取。
本文所描述的所有器件也可被制造为具有额外的层及特征，其中之一是保护该器件免受静电放电(ESD)的结构。图15示出了类似于图14的LED 160，但包括设置于子基板174与第一镜面层176之间的齐纳二极管172的LED 170。在制造子基板174期间，齐纳二极管172是集成于子基板174之中，且将通过LED的电流仅约束在一个方向上。所示的LED也具有成角侧表面177及粗糙化发射表面178。当使用方法10及30制造LED 170时，子基板174设有齐纳二极管结构172，使得当该器件用倒装芯片法安装于子基板174之上时，齐纳二极管结构172与该器件整合为一体。所得结构提供了高的光提取效率及高的ESD速率。应了解，该齐纳二极管结构可包括于根据本发明的许多不同的器件中，包括上述RCLED的不同实施例以及垂直腔面发射激光器及激光二极管。
也可使用方法10及30来制造诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)等其它器件。图16示出了由方法10及30制造的根据本发明的VCSEL 180的一实施例。在此实施例中，第一镜面层表面182及第二镜面层表面184为DBR。第一DBR镜面182被示为通过环氧/金属化层188粘附至子基板186。此实施例的量子势阱结构是单个量子势阱，它具有可由氮化铝铟镓(AlInGaN)制得的下镀层190。量子势阱192设置于下镀层190之上，且量子势阱192在一实施例中可由氮化铟镓制得。上镀层194设置在量子势阱192之上，使得量子势阱192夹于上镀层194与下镀层190之间。上镀层194可由氮化铝镓制得。
第二DBR镜面层184沉积于上镀层194的顶部。此结构可被蚀刻掉以形成可为圆形或矩形的隔离的管柱。接着可通过隔离外延生长196进一步隔离这些隔离的管柱。在一实施例中，可离子植入隔离材料。植入可能会损害需要退火的单元之间的晶体结构。该器件由金属化层198削顶。金属化层使用用于支撑的隔离结构，但因为隔离结构不能导电，所以该金属化层必须至少部分地接触镜面184。
尽管已参考本发明的某些特定的较佳配置相当详细地描述了本发明，但其它形式是可能的。根据本发明的方法可用于制造许多不同的器件，且上述器件可具有许多不同的层配置。因此，所附权利要求书的精神及范畴不应限于本说明书中的较佳形式。
权利要求
1.一种用于制造高光提取光子器件的方法，包括在基板上生长剥离层；在所述剥离层上生长外延半导体器件结构，使得所述剥离层夹于所述器件结构与基板之间，所述外延半导体结构包括适用于响应于偏压而发光的发射极；将所述器件结构、剥离层及基板用倒装芯片法安装在一子基板上，使得所述外延半导体器件结构夹于所述子基板与所述剥离层之间；以及移除所述剥离层以使所述基板与所述器件结构分离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述剥离层包含具有比所述基板及所述外延层的能带隙小的能带隙的材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，移除所述剥离层包括使所述剥离层经受光电化蚀刻。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，移除所述剥离层包括使所述剥离层接触溶液且向其应用光源，所述溶液与光源的组合导致在不蚀刻周围材料的情况下蚀刻所述剥离层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述剥离层包含选自由InGaN、AlInGaN及AlInGaAs组成的组的材料，且其中，所述溶液包含KOH及水，且所述光源具有约为400纳米(nm)的波长。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，移除所述剥离层包括将激光光源应用于所述器件，所述激光光源可透过所述基板及外延结构，但由所述剥离层所吸收。
7.如权利要求1之方法，其特征在于，所述基板包含SiC，所述外延结构包含GaN，且所述剥离层包含选自由InGaN、AlInGaN及AlInGaAs组成的组的材料，其中移除所述剥离层包括使用具有在大约390nm与450nm的范围内的波长的激光照射所述器件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光具有大约400nm的波长。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延半导体结构包含III族氮化物半导体材料。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板包含单晶碳化硅(SiC)。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述用倒装芯片法安装所述发射极之前，以与所述基板结构相对的方式将第一镜面层沉积于所述外延半导体器件结构上，在所述倒装芯片安装之后，所述镜面夹于所述外延半导体结构与所述子基板之间。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一镜面层包含反射金属。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一镜面层包括包含多个介电材料交替层对的分布式布喇格反射器(DBR)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述层对中的每一对均包含二氧化硅(SiO2)层与二氧化钛(TiO2)层，或二氧化硅(SiO2)层与五氧化二钽(Ta2O5)层，所述层对的厚度大约等于所发射的光的所述波长的四分之一。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述层对重复两至四次。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一镜面层包括包含多个外延材料交替层对的外延DBR。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述交替层对中的每一对均包含氮化镓(GaN)层与氮化铝(AlN)层，或氮化镓(GaN)层与氮化铝的合金(AlzXyN)层，所述交替层对具有大约等于所发射的光的所述波长的四分之一的厚度。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述层对重复八至十二次。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在已蚀刻所述基板之后，将第二镜面层沉积于所述外延半导体结构上，所述第二镜面层被排列为使得所述外延半导体结构夹于所述子基板与所述第二镜面层之间。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二镜面层包含反射金属。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二镜面层包括包含多个介电材料交替层对的分布式布喇格反射器(DBR)。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述层对中的每一对均包含二氧化硅(SiO2)层与二氧化钛(TiO2)层，或二氧化硅(SiO2)层与五氧化二钽(Ta2O5)层，所述层对之厚度大约等于所发射的光的所述波长的四分之一。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述层对重复两至四次。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二镜面层包括包含多个外延材料交替层对的外延DBR。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述交替层对中的每一对均包含氮化镓(GaN)层与氮化铝(AlN)层，或氮化镓(GaN)层与氮化铝的合金(AlzXyN)层，所述交替层对具有大约等于所发射的光的所述波长的四分之一的厚度。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述层对重复八至十二次。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生长外延半导体结构包括在所述基板上生长第一外延半导体层；以及在所述第一外延半导体层上生长第二外延半导体层，使得所述第一半导体层夹于所述剥离层与所述第二半导体层之间。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，生长外延半导体结构包括生长适用于谐振腔发光二极管的薄掺杂层。
29.一种用于制造高光提取光子器件的方法，包括在基板上生长剥离层；在所述剥离层上生长外延半导体结构，使所述剥离层夹于所述外延半导体结构与所述基板之间；将第一镜面层沉积于所述外延半导体结构上，使得所述外延半导体结构夹于所述第一镜面层与所述剥离层之间；通过移除所述剥离层使所述基板与所述外延结构分离；以及将第二镜面层沉积于所述外延半导体结构上，使得所述外延半导体结构夹于所述第一镜面层与所述第二镜面层之间。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，移除所述剥离层包括将光电化蚀刻应用于所述剥离层。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，移除所述剥离层包括将溶液及光源应用于所述剥离层，所述溶液与光源的组合导致在不蚀刻周围材料的情况下蚀刻所述剥离层。
32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述剥离层包含选自由InGaN、AlInGaN及AlInGaAs组成的组的材料，且其中，所述溶液包含KOH及水，且所述光源具有约为400纳米(nm)的波长。
33.如权利要求29所述的方法，其特征在于，移除所述剥离层包含将激光光源应用于所述器件，所述激光光源透过所述基板及外延结构，但被所述剥离层吸收。
34.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述基板包含SiC，所述外延结构包含GaN，且所述剥离层包含选自由InGaN、AlInGaN及AlInGaAs组成的组的材料，且其中，移除所述剥离层包含使用具有在大约390nm与450nm的范围内的波长的激光照射所述器件。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述激光具有大约400nm的波长。
36.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一镜面层或所述第二镜面层中的任一个包含反射金属。
37.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一镜面层或所述第二镜面层包含具有介电材料交替层对的分布式布喇格反射器(DBR)镜面。
38.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一镜面层或所述第二镜面层中的任一个包含外延DBR镜面的外延材料交替层对。
39.如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括在沉积所述第一镜面之后，将所述第一镜面层、外延半导体结构、剥离层与基板组合用倒装芯片法安装在一子基板上，使得所述第一镜面层与所述子基板相邻。
40.一种谐振腔发光二极管(RCLED)，包括薄膜外延半导体结构；所述外延半导体结构的一表面上的第一镜面层；所述外延半导体结构的另一表面上的第二镜面层，使得所述外延半导体结构夹于所述第一镜面与所述第二镜面之间，所述第二镜面层具有低于所述第一镜面层的反射率；子基板，所述外延半导体结构连同其所述第一镜面及第二镜面一起安装在所述子基板上，所述第一镜面层与所述子基板相邻，且所述第二镜面层是主发射表面。
41.如权利要求40所述的RCLED，其特征在于，所述外延半导体器件发光且具有为所述光提供谐振腔的厚度。
42.如权利要求40所述的RCLED，其特征在于，所述外延半导体器件包含以相反方式掺杂的两层半导体材料。
43.如权利要求40所述的RCLED，其特征在于，所述外延半导体器件包含夹于两个以相反方式掺杂的层之间的半导体活性区。
44.如权利要求40所述的RCLED，其特征在于，所述第一镜面层或所述第二镜面层包含金属。
45.如权利要求40所述的RCLED，其特征在于，所述第一镜面层或所述第二镜面层包含分布式布喇格反射器(DBR)。
46.一种用于从III族氮化物外延半导体材料中移除碳化硅基板的方法，包括在SiC基板上生长AlGaN剥离层，其中所述剥离层包含选自由InGaN、AlInGaN及AlInGaAs组成的组的材料；在所述剥离层上生长GaN外延半导体器件结构，使得所述剥离层夹于所述器件结构与基板之间，所述外延半导体结构包含适用于响应于偏压而发光的发射极；将所述器件结构、剥离层及基板用倒装芯片法安装在一子基板上，使得所述外延半导体器件结构夹于所述子基板与所述剥离层之间；以及使用光电化蚀刻移除所述剥离层以使所述基板与所述器件结构分离。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述光电化蚀刻包含KOH与水的溶液以及具有大约400纳米(nm)波长的光源。
48.一种用于从III族氮化物外延半导体材料中移除碳化硅基板的方法，包括在SiC基板上生长剥离层，其中所述剥离层包含选自由InGaN、AlInGaN及AlInGaAs组成的组的材料；在所述剥离层上生长GaN外延半导体器件结构，使得所述剥离层夹于所述器件结构与基板之间，所述外延半导体结构包含适用于响应于偏压而发光的发射极；将所述器件结构、剥离层及基板用倒装芯片法安装在一子基板上，使得所述外延半导体器件结构夹于所述子基板与所述剥离层之间，以及通过使用激光照射所述剥离层来移除所述剥离层，以使所述基板与所述器件结构分离。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，所述激光具有在大约390nm与450nm的范围内的波长。
全文摘要
根据本发明的用于制造高光提取光子器件的方法的一实施例包括在基板上生长剥离层以及在该剥离层上生长外延半导体器件结构，使得该剥离层夹于该器件结构与基板之间。该外延半导体结构包含适用于响应于偏压而发光的发射极。将该器件结构、剥离层及基板用倒装芯片法安装在一子基板上，使得该外延半导体器件结构夹于该子基板与剥离层之间。移除该剥离层以使该基板与该器件结构分离。可使用不同的移除方法，例如通过光电化蚀刻或通过使用激光照射来移除剥离层。
文档编号H01L33/00GK1950957SQ200580014398
公开日2007年4月18日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年5月6日
发明者中村修二, S·迪巴尔司 申请人:美商克立股份有限公司