发光半导体元件的制造方法

专利名称：发光半导体元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光半导体元件制造方法。
背景技术：
例如从文献US 5 210 051中已知GaN(氮化镓)基的发光半导体元件。这类半导体元件有一个带一激活GaN层的半导体，该层涂覆在SiC(碳化硅)衬底上。在光射出的GaN层的前面和在SiC衬底的后面，该半导体是接通的。
此外，例如文献US 5 874 747提出不用GaN，而用同族的氮化物以及以此为基的三元或四元混合晶体，尤指用化合物AlN(氮化铝)、InN(氮化铟)、AlGaN(氮化铝镓)、InGaN(氮化铟镓)、InAlN(氮化铟铝)和AlInGaN(氮化铝铟镓)。
在下面，名称“III-V族-氮化物-半导体”涉及这些三元或四元混合晶体以及氮化镓本身。
用外延法制造GaN半导体晶体也是众所周知的。作为衬底一般都用蓝宝石晶体或碳化硅。根据文献US 5 928 412，为了避免晶格缺陷，优先采用SiC衬底，因为由于蓝宝石和GaN之间的相对大的晶格缺陷匹配，在蓝宝石上生长的GaN层具有一个高的晶格缺陷数。
发光GaN半导体元件的一个缺点在于，在半导体内产生辐射输出的表面上，在半导体过渡到邻域时，发生较大的折射率跃变。大的折射率跃变导致辐射的相当大一部分重新反射到半导体中，从而降低元件的辐射效率。
其中的一个原因在于，产生的辐射的全反射位于该输出面上。当光线入射到该输出表面的入射角大于全反射角(相对于表面法线)时，光线被完全反射到半导体中。随着半导体和邻域的折射率之间的不断增加的差别，全反射角减小，而全反射辐射的部分则增加。
此外，当光线的入射角小于全反射角时，光线也被部分地反射到半导体中，而且半导体和领域之间的折射率差越大，则反射的部分也越大。所以，例如在GaN元件时产生的较大的折射率跃变会导致输出面上的大的反射损失。反射的辐射在半导体中被部分吸收或在一个别的面上作为输出面被输出，所以总的来说，降低了辐射效率。
增加辐射效率的一种方法是，在半导体的衬底上敷设一个反射器。这是例如在文献DE 43 05 296中提出的方法。据此，反射到半导体中的辐射重新对准输出面的方向，所以辐射的反射部分没有损失，而是至少部分地在一次或多次内部反射后同样被输出。
根据先有技术，对发光GaN元件来说，采用一种吸收的衬底例如SiC在这方面是缺点的。反射到半导体中的辐射大部分被衬底吸收，所以不可能用一个反射器来提高辐射效率。
从专利文献US 5 786 606中已知一种GaN基的发光半导体元件制造方法，该法是在一种SIMOX(氧化物注入隔离)衬底上或一个SOI(绝缘体上的硅)衬底上首先外延生长一层SiC层，然后在该SiC层上淀积多层GaN层。
但由于产生的辐射的一部分在SiC层被吸收，所以该SiC层减少了元件的辐射效率。此处，具有足够晶体品质的一层SiC层的外延形成需要高昂的制造费用。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有增加发光效率的III-V族-氮化物-半导体元件的制造方法。
为此，本发明提供一种用于制作发光半导体元件的方法，这种元件的半导体本体由一个若干不同的III-V族-氮化物-半导体层的层叠构成并具有第一个主面和第二个主面，其中，产生的辐射的至少一部分通过该第一主面输出，且该第二主面具有一个反射器，其特征为，这些III-V族-氮化物-各层被设置在一个复合衬底上，该复合衬底具有一个衬底本体和一层夹层，其中，该衬底本体的热膨胀系数相似于或最好大于III-V族-氮化物-各层的热膨胀系数，且III-V族-氮化物-各层淀积在该夹层上。
根据本发明，规定发光半导体元件为薄层元件结构，该元件特别是没有吸收光的衬底。该元件的半导体由多层的不同III-V-氮化物-半导体层叠置而成。在运行中，GaN基或一种同族的氮化物的一层激活半导体层产生电磁辐射，该辐射通过上述叠层的第一主面输出。在该叠层的第二主面上敷设了一个反射器，所以在输出时，首先反射到半导体中的辐射的一部分借助于该反射器重新对准输出面的方向。
这样，除了产生的辐射的主输出部分外，还有另一部分在一次或多次在该反射器上的内部反射后被输出。所以，与先有技术的一种GaN半导体元件比较，总的来说，提高了输出率。
在一个优选实施形式中，GaN基半导体层由GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAln或AlInGaN组成。通过使用这些材料可使产生的辐射的主波长在可见光谱到紫外线光谱的大范围内进行调节。所以用本发明可特别有利地实现蓝色和绿色发光二极管、紫外线发光二极管以及相应的激光二极管。
在一个特别优选的实施形式中，该反射器可由一个金属的接触面构成。该接触面既作为反射器又作为半导体的电接通用。在这种实施形式中，在反射器侧有利地不需要别的装置来接通半导体。特别适用作接触面材料的是铝和银以及铝合金和银合金。
在另一种优选的实施形式中，该反射器可由一个介电的反射面构成。这样的反射面可通过在半导体上涂覆多层SiO2(二氧化硅)或TiO2(二氧化钛)来制成。用介电的反射面可按有利的方式在一个宽波长范围内实现元损失的反射。
在一个优选的实施形式中，该反射器具有一个敷在第二主面上的透明的第一层和一个敷在该第一层上的反射用第二层。这样，接触层就以简单的方式既可在其电性能方面又可在其反射性能方面达到最佳化。
在另一个优选的实施形式中，对半导体的整个外露表面或其一部分区域是打毛的。通过这种打毛使输出面上的全反射受到干扰，从而有利于进一步提高光输出率。
根据本发明的制造方法，首先在一个衬底上敷上一个中间层。在该夹层上淀积许多不同的III-V族-氮化物-半导体层。这许多层构成元件的半导体本体。在下一个步骤中，这样构成的III-V族-氮化物多层的叠层去掉衬底包括中间层。在另一个步骤中，在半导体本体的两个主要之一上敷上一个反射器。
在另一个实施形式中，采用一个硅衬底，在其上敷上一个碳化硅中间层。碳化硅特别适用于制造GaN基元件，因为它具有GaN的相似的晶格常数，所以在碳化硅上淀积的GaN基诸层具有很小的晶格缺陷数。
在另一个特别优选的实施形式中，中间层用一种晶片压焊法设置，然后减薄。在用硅衬底和碳化硅中间层时，硅晶片可通过形成一层SiO2层以有利的方式与碳化硅晶片连接。
另一种办法是，该夹层可用外延法生长，从而可建立特别均匀的夹层。
在另一个优选实施形式中，该反射器通过在GaN半导体本体上设置一个反射的金属接触来构成。特别是银和铝以及银合金和铝合金在其反射性及其焊接性能方面适合作这种金属接触的材料。
制造方法的另一种实施形式是，把反射器做成一个许多介电层形式的介电反射镜，从而可达到介电反射器的上述优点。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，对半导体本体进行打毛处理，从而把半导体本体的整个外露表面或部分区域打毛。一种对提高发光效率特别有效的打毛是通过腐蚀半导体本体或用喷砂方法来实现的。
在另一个特别优选的实施形式中，在夹层上淀积多层III-V族-氮化物层之前在中间层上敷上一层掩模层。该掩膜层构成各层并把III-V族-氮化物各层分成多个没有联系的区域。这样就特别有利于防止裂纹形成和夹层从衬底剥离。特别是在用碳化硅作夹层材料时，最好用一个氧化物掩膜作为掩模。
根据本发明的另一种制造方法，在一个复合衬底上外延地敷上许多III-V族-氮化物层，该复合衬底具有一个衬底本体和一层夹层，其中，该衬底本体的热膨胀系数相似于或大于III-V族-氮化物诸层的热膨胀系数。这里所谓的复合衬底可理解成这样一种衬底，它具有至少两个区域、衬底本体和夹层并作为外延法的起始衬底。特别是，该夹层不是用外延法设置在衬底本体上的，而是最好通过晶片压焊法敷到衬底本体上的。
在用这种复合衬底的情况下，热性能主要由衬底本体来决定，而外延表面和它的晶格常数则几乎与此无关而由夹层来决定。所以有利于夹层最佳地匹配待设置的各层的晶格常数。与此同时，通过使用一种具有足够高热膨胀系数的衬底本体可防止GaN各层涂覆后在冷却阶段产生扭曲并由此在各层中引起裂纹。所以，该夹层最好很薄，以使整个复合衬底的热膨胀系数基本上与衬底本体的热膨胀系数一致。衬底本体一般比夹层至少厚20倍。
根据本发明的一个优选的实施形式，衬底本体包括SiC、最好是多晶的SiC、蓝宝石、GaN或AlN。SiC的热膨胀系数与GaN基材料的热膨胀系数相似，而上述的其他材料则比GaN基材料的热膨胀系数大。这样就利于在外延生长层冷却时避免裂纹形成。
在本发明的一优选的实施形式中，夹层包括SiC、硅、蓝宝石、MgO、GaN或AlGaN。这些材料特别适用于形成一个基本上为单晶的表面，该表面具有一个与GaN匹配的晶格常数。作为外延表面最好用一个Si(III)-表面或一个单晶的SiC-表面，在该表面上生长GaN基的各层。
根据本发明的一个优选的实施形式，GaN基的各层被淀积在一个复合衬底上，在用这种复合衬底时，通过晶片压焊法把夹层敷到衬底本体上。最好在衬底本体和夹层之间形成一层例如用氧化硅制成的吸附层。
用晶片压焊法有利于组合许多材料系统，而不受到例如在衬底本体上外延生长一层夹层时出现的由于材料不相容性所引起的限制。
为了获得足够薄的夹层，也可首先在衬底本体上压焊一层较厚的夹层，然后例如通过研磨或脱层使之减薄到需要的厚度。
根据本发明的一个优选的实施形式，在复合衬底上淀积III-V-氮化物各层之前形成一层掩模层，这样，就只有在外延表面的末被掩膜掩盖的区域才生长III-V族-氮化物各层。从而有利于这些层在各层平面内断开并由此附加地防止扭曲和随之而来的裂纹形成。
根据本发明的另一优选的实施形式，在淀积到复合衬底上后，III-V族-氮化物各层构成单个的半导体层叠。然后在III-V族-氮化物层叠上设置一个载体并去掉该复合衬底。该复合衬底至少可部分重复利用。这对碳化硅衬底本体来说是一大优点，因为这种衬底本体的制造需要很高的费用。此外，可用这种方式方法制造薄膜元件。这里所谓薄膜元件可理解为一种不含外延衬底的元件。
在发光半导体元件的情况下，就这样达到了辐射效率的提高，因为避免了特别是象在碳化硅衬底时出现的在外延衬底内对产生的辐射的吸收。
根据本发明，半导体层叠从复合衬底到一个载体的上述转焊也可分为两个步骤进行。其中首先把GaN基的半导体层叠焊在一个中间载体上，然后焊在本来的载体上，这样，本来的载体就最终位于复合衬底的位置。这样建立的半导体层叠的优点是，具有一个与按先有技术用外延衬底的GaN基半导体本体一致的分层顺序，所以两种层叠可用相同的后续处理步骤，例如分割、接通和封装。
为了提高辐射效率，在用这种方法时，可在半导体层叠上形成一层反射层。在GaN基半导体元件时，由于GaN基材料的高的折射率大部分被反射到半导体本体的界面上，所以辐射效率被限制。而在没有吸收衬底的发光半导体本体时，则可通过一层反射层以有利的方式把在输出面上已反射的辐射部分重新反射到该输出面上，从而进一步提高了辐射效率。
该反射层最好作为金属层构成，该金属层例如包括铝、银或一种相应的铝合金或银合金。
这个金属层最好同时作为接触面使用。另一种办法是，该反射层也可由一个许多介电层形式的介电镜面构成。
根据本发明的一个有利的实施形式，半导体层叠的表面的至少一部分被打毛，从而干扰该表面上的全反射并由此达到辐射效率的提高。打毛最好通过腐蚀或喷砂方法来实现。
其他的特征，优点和实用性可从结合图1至7所示的四个实施例的下面的说明中得知。


图1 一种本发明半导体元件的第一实施例的示意断面图；图2 一种本发明半导体元件的第二实施例的示意断面图；图3 一种本发明制造方法的第一实施例的示意图；图4 一种本发明制造方法的第二实施例的示意图；图5 一种本发明制造方法的另一个实施例的示意断面图；图6 一种本发明制造方法的又一实施例的示意断面图；图7 一种本发明制造方法的再一实施例的示意断面图。
具体实施例方式
图1所示的发光半导体元件具有许多层叠式布置的、不同的半导体层1，这些半导体层用GaN或GaN基的三元或四元化合物制成。在运行中，在这些层的内部形成一个激活区2，在这个区域内产生辐射5。
层叠由第一个主面3和第二个主面4界定。产生的光辐射5基本上通过第一个主面3输出到相邻区域。
在第二个主面4上设置了一个反射器6，该反射器由一个直接汽相镀覆在半导体本体上的银层构成。该半导体本体在输出侧通过接触面12以及在反射器侧通过银反射层接通。反射器侧的接通例如是这样实现的，即该半导体本体装在反射器侧一个金属体上，该金属体既作为载体又作为电流引线使用。
反射器6的作用是，使在第一主面3上输出时反射到半导体本体内的光辐射5的一部分重新反射到第一主面3的方向内，所以总的来说，提高了通过第一主面3输出的辐射量。这一提高是这样实现的，即该元件做成薄膜元件而没有吸收光辐射的衬度，并把反射器6直接设置在GaN半导体本体上。
图2所示本发明半导体元件的实施例与图1所示元件的区别在于，半导体表面被打毛7。打毛7引起在第一主面3上的光辐射5的散射，所以干扰了第一主面3上的全反射。这种散射在很大程度上防止了产生的光辐射通过连续的均匀的反射在两个主要3和4或反射器6之间象一个光导体那样引导，而不离开半导体。所以通过打毛7进一步提高了发光效率。
图3表示本发明制造方法的第一实施例。图3a表示起点即一个Si衬底8。第一个步骤是用晶片压焊法把一层SiC夹层9敷在该Si衬底上，这样就在这两个衬底之间构成一层SiO2层10，见图3b。在下一个步骤中，把SiC衬底9减薄到只有很少的几微米，见图3C。在这个减薄了的SiC衬底9上用MOCVD(有机金属化学汽相淀积)方法外延淀积若干不同的GaN半导体层1，这些半导体层构成本发明元件的半导体本体，见图3d。在制成GaN层叠后，去掉Si衬底8以及SiC夹层9，见图3e。然后在GaN半导体本体的主面4上汽相淀积一层由一种银合金或铝合金组成的反射金属接触面6，见图3f。
为了减少第一主面3上的全反射，紧接着可对半导体本体进行喷砂处理或用一种适当的腐蚀混合液进行轻微腐蚀，使表面粗糙。
图4所示本发明制造方法的实施例在步骤上一直到包括SiC衬底9的减薄(图4a至图4c)都与上述第一实施例相似。不同的是，在淀积GaN各层1之前，在SiC层9上放置一个氧化物掩模11，见图4d。这个氧化物掩模11的作用是，在下一个步骤中，GaN各层1只生长在没有被该掩模掩盖的SiC夹层的部分区域。
由于这样构成的GaN各层1沿各层平面是中断的，所以减小了由SiC和GaN的不同热膨胀系数造成的以及在元件制成后尤其是在冷却时产生的扭曲。这样就以有利的方式实现了GaN各层1的很小的裂纹形成并防止了SiC夹层9与衬底的分离。反射器6的制作(图4g)按上述方式进行。
在图5所示的制造方法中，使用了一个复合衬底，该复合衬底具有一个由多晶SiC制成的衬底本体21，在其上接熟知的方式压焊一层单晶的SiC夹层22。为此，在衬底本体21和夹层22之间构成一层例如用氧化硅制成的吸附层23，见图5a。
在这个复合衬底上用外延法生长若干GaN基层24，见图5b。原则上，这个层次顺序的结构是不受限制的。
在这种情况下，最好构成一层用来产生辐射的激活层，该层被一层或多层表面层和/或波导层包围。在这种情况下，该激活层可由一个单量子或多量子阱结构形式的多层薄的单层构成。
此外，最好在夹层22上首先形成一层例如AlGaN基的缓冲层，通过该缓冲层可实现随后各层的改进的晶格匹配和较高的浸润性。为了提高这个缓冲层的导电率，可在该缓冲层内夹入例如InGaN基的导电沟槽。
紧接着通过横向蚀刻最好通过台面型晶体管蚀刻法把GaN基各层24分成单个的半导体层叠25，见图5C。
在下一个步骤中，在这些半导体层叠25上设置一个例如用GaAs(砷化镓)或一种对所产生的辐射透明的材料制成的载体26，见图5d。
然后，这些半导体层叠25去掉该复合衬底包括夹层22，见图5e。例如通过一种腐蚀方法破坏夹层22或吸附层23来实现去除。衬底本体21可有利地在另一个制造循环中重复被利用。
而后在这样构成的薄膜半导体本体25上设置接触面30，见图5f。最后对半导体层叠25进行分割，见图5g，并按一般的方式继续处理。
在图6所示的制造方法中，复合衬底在新被使用，该复合衬底主要由一个多晶SiC衬底本体21和一层Si(III)-夹层22构成。夹层22用晶片压焊法在形成一层碳化硅吸附层23的情况下压焊到衬底本体21上，见图6a。
在这个复合衬底上又是生长许多GaN基层，见图6b，然后在其上设置一层例如用铂制成的接触层28。
然后，GaN基各层24通过蚀刻分成单个的半导体层叠25，见图6d。
在这样构成的半导体层叠25上镀覆一层最好为氮化硅基的钝化层31，见图6e，以进行保护。
在接触层28的没有被该钝化层覆盖的区域上淀积一层压焊料32并在其上淀积一层反射器29，该反射器用银合金或铝合金制成，见图6f。
然后把具有反射器29的半导体层叠25共晶地转接到一个载体26上，见图6g。
在下一个步骤中，把衬底本体21去掉，见图6h，于是该衬底本体便可重复使用。
随后在这些单个的半导体层叠上侧设置接触面30，见图6i。这些半导体层叠随即可进行分割并在必要时进行封闭(未示出)。
图7所示本发明制造方法的实施例是前面实施例的一种派生方案。
如前所述，复合衬底再被用作外延衬底，见图7a。
在淀积GaN基层24之前，在夹层22的外延表面上敷上一层掩模层27，见图7b。所以GaN基层24只生长在外延表面没有被掩模层27掩盖的区域(外延窗口)上，见图7c。这样，GaN基各层24在各层平面的方向内被断开，从而附加避免了在冷却阶段各外延淀积层的扭曲。
随后的工序可按其他实施例继续进行。
很明显，本发明的说明不应理解为限制在上述各个实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施形式。
权利要求
1.用于制作发光半导体元件的方法，这种元件的半导体本体由一个若干不同的III-V族-氮化物-半导体层(1)的层叠构成并具有第一个主面(3)和第二个主面(4)，其中，产生的辐射的至少一部分通过该第一主面输出，且该第二主面具有一个反射器，其特征为，将这些III-V族-氮化物-各层被设置在一个复合衬底上，该复合衬底具有一个衬底本体和一层夹层，其中，该衬底本体的热膨胀系数相似于或最好大于III-V族-氮化物-各层的热膨胀系数，且III-V族-氮化物-各层淀积在该夹层上。
2.按权利要求1的方法，其特征为，该夹层的厚度小到该复合衬底的热膨胀系数主要由该衬底本体来决定。
3.按权利要求1的方法，其特征为，该衬底本体包括SiC、多晶SiC、蓝宝石、GaN或AlN。
4.按权利要求1的方法，其特征为，该夹层包括SiC、硅、蓝宝石、MgO、GaN或AlGaN。
5.按权利要求1的方法，其特征为，该夹层至少在部分区域内具有一个单晶的表面。
6.按权利要求1的方法，其特征为，这些III-V族-氮化物层被淀积在该夹层的一个Si(III)-表面上或一个至少在部分区域内为单晶的SiC表面上。
7.按权利要求1的方法，其特征为，该夹层通过晶片压焊方法压焊到该衬底本体上。
8.按权利要求1的方法，其特征为，在该衬底本体和夹层之间构成一层吸附层。
9.按权利要求8的方法，其特征为，该吸附层含有氧化硅。
10.按权利要求1的方法，其特征为，在该复合衬底上设置III-V族-氮化物-各层之前，构成一层具有外延窗口的掩模层，其中，在外延窗口以内，该复合衬底的外延表面保留不被掩盖。
11.按权利要求1的方法，其特征为，在III-V族-氮化物-各层设置在该复合衬底上以后被蚀刻成单个的半导体层叠。
12.按权利要求11的方法，其特征为，该方法按下列步骤继续进行-在半导体层叠上设置一个载体；-去掉复合衬底。
13.按权利要求11的方法，其特征为，该方法按下列步骤继续进行-在半导体层叠上设置一个中间载体；-去掉复合衬底；-在半导体层叠去掉了复合衬底的一侧上设置一个载体，-去掉中间载体。
14.按权利要求11至13中任一项的方法，其特征为，在半导体层叠上构成一层反射层。
15.按权利要求14的方法，其特征为，该反射层通过设置一层金属层来构成。
16.按权利要求15的方法，其特征为，该金属层含有银、铝或一种银合金或铝合金。
17.按权利要求14的方法，其特征为，该反射层同时用作接触面。
18.按权利要求14的方法，其特征为，该反射层由一个介电的镜面构成。
19.按权利要求14的方法，其特征为，该反射层通过在半导体层叠上设置一层透明的第一层和在该第一层上设置一层反射的第二层来构成。
20.按权利要求11的方法，其特征为，半导体层叠的表面至少部分区域被打毛。
21.按权利要求20的方法，其特征为，半导体层叠的表面通过腐蚀被打毛。
22.按权利要求20的方法，其特征为，半导体层叠的表面通过喷砂方法被打毛。
全文摘要
本发明涉及一种用于制作发光半导体元件的方法，这种元件的半导体本体由一个若干不同的III－V族－氮化物－半导体层(1)的层叠构成并具有第一个主面(3)和第二个主面(4)，其中，产生的辐射的至少一部分通过该第一主面输出，且该第二主面具有一个反射器，其特征为，这些III－V族－氮化物－各层被设置在一个复合衬底上，该复合衬底具有一个衬底本体和一层夹层，其中，该衬底本体的热膨胀系数相似于或最好大于III－V族－氮化物－各层的热膨胀系数，且III－V族－氮化物－各层淀积在该夹层上。
文档编号H01L27/15GK1933202SQ20061013653
公开日2007年3月21日 申请日期2001年3月16日 优先权日2000年4月26日
发明者S·巴德尔, B·哈恩, V·海勒, H·-J·卢高尔, M·蒙德布罗德-范格罗, D·埃塞尔特 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司