专利名称：半导体器件和用于制造半导体器件的方法
技术领域：
提出一种半导体器件以及一种用于制造半导体器件的方法。
背景技术：
化合物半导体材料，尤其是所谓的II1-V族化合物半导体，例如对于发射光的二极管(LED)的制造而言是有重要意义的。尤其基于GaN的LED能够实现直至紫外光谱范围内的光的产生。为了制造这种LED，在衬底上生长例如由含有GaN的化合物半导体材料制成的适当的层序列。为了进行外延生长，通常使用蓝宝石或者碳化硅作为衬底材料，所述蓝宝石或者碳化硅所具有的晶格结构匹配于化合物半导体材料的晶格结构。但是，所述衬底材料的缺点例如在于其高的价格。大量使用在半导体技术中的、更便宜的衬底材料是硅。然而在使尤其是氮化合物半导体材料在硅衬底上生长时，由于所参与的材料的不同的晶格参数而出现应变，所述应变导致所生长的层的晶体质量下降。
发明内容
至少一些实施形式的目的是，提出一种具有在衬底上的半导体层序列的半导体器件。至少一些实施形式的其他目的是，提出一种用于制造半导体器件的方法。所述目的通过具有独立权利要求的特征的方法和对象来实现。所述方法和对象的有利实施形式和改进形式在从属权 利要求中说明并且此外从下面的描述和附图中得出。根据一个实施形式的半导体器件尤其具有由氮化合物半导体材料制成的半导体层序列，所述氮化合物半导体材料施加在衬底上。根据一个实施形式，用于制造半导体器件的方法尤其包括将由氮化合物半导体材料制成的半导体层序列施加在衬底上。用于器件以及用于制造器件的方法的特征和实施形式的下面的描述同样涉及半导体器件和用于制造半导体器件的方法。“基于氮化合物半导体材料”或者“由氮化合物半导体材料制成”在此以及接下来表示，半导体层序列是外延地沉积在衬底上的层序列，所述层序列具有至少一个由II1-V族氮化合物半导体材料，优选AlnGaJr^nN制成的层，其中0彡]1彡1,0 ^ m ^ I并且n+m^ I0在此，所述材料不必强制地具有根据上式的数学上精确地组分。相反地，所述材料能够具有基本上不改变AlnGamIni_m_nN材料的独特的物理特性的一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分。然而为了简单性，上式仅包含晶体晶格(Al，Ga，In，N)的主要组成部分，即使所述组成部分能够部分地通过少量的其他材料来取代。根据另一实施形式，半导体层序列借助于外延生长方法在衬底上生长，尤其优选借助于MOVPE (金属有机化学气相外延)方法或者借助于MBE (分子束外延)方法来生长。根据又一实施形式,衬底具有朝向半导体层序列的娃表面。这尤其表不，半导体层序列在衬底的硅表面上生长。根据又一实施形式，衬底在硅表面上具有(111)平面，这意味着，衬底的硅表面是硅晶体层的(111)平面。该取向的硅表面相对于其他的取向的特征在于提高的上屈服点。此外，(111)平面由于其六重对称性而尤其适合于氮化合物半导体材料的沉积。衬底尤其能够构成为娃体积衬底(Silizium-Volumen-Substrat)或者构成为SOI衬底(“silicon on insulator substrate” 绝缘体上娃衬底)。根据又一实施形式，半导体层序列具有提供半导体器件的自身功能性的有源区域。例如，有源区域能够具有由P和η掺杂的层制成的层序列，在所述层之间设置有设计成用于产生和/或接收辐射的有源层。在所述实施形式中，半导体器件构成为光电子器件。替选地或附加地，半导体器件能够构成为优选有源的、电子半导体器件，例如构成为晶体管，如构成为具有高的电子迁移率的晶体管(“high electron mobilitytransistor”，HEMT,高电子迁移率晶体管)或者构成为具有异质结的双极晶体管(“hetero-junction bipolartransistor”,HBT,异质结双极晶体管)。在该情况下,半导体层序列的有源区域也具有确定半导体器件的功能性的适当的层。与其中器件的功能区域典型地至少部分地集成到硅衬底中的其他基于硅的已知的半导体器件相比，在此所描述的半导体器件中，有源区域进而确定功能性的区域位于衬底之外。根据又一实施形式，半导体层序列在衬底和有源区域之间具有由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层。特别地，在制造半导体器件时首先将由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的中间层，并且接下来将半导体层序列的有源区域施加到具有娃表面的衬底上。`根据又一实施形式，氧掺杂的AlN化合物半导体材料除了将Al和N作为基质晶体之外还具有Ga和/或In。特别地，AlN化合物半导体材料AlGaN能够相对于III族元素总是具有小于或者等于50%的、优选小于或者等于20%的Ga份额，并且尤其优选具有小于或者等于10%的Ga份额。根据又一实施形式，氧掺杂的AlN化合物半导体材料是无Ga和无In的并且除掺杂物之外仅仅具有Al和N作为基质晶体。然而“无Ga”和“无In”也理解为具有例如能够取决于工艺的杂质形式的Ga和/或In和/或其他元素的AlN化合物半导体材料。已经表明的是，通过将氧添加给有源区域和衬底之间的、基于AlN化合物半导体材料的中间层，能够实现有源区域的生长在其上的层的高晶体质量，该层以大致3 μ m或更高的相对高的厚度生长。特别地，能够由此以高的晶体质量和均质性进行有源区域的生长。特别地，在横向方向上，即垂直于沉积方向，能够达到所述质量和均质性。提高的晶体质量和均质性例如能够根据结晶学上的伦琴反射的降低的半值宽度来确定，例如通过(002)、
(102)、(201)反射的所测量的摇摆曲线(RockingKurve)来确定。与其中在硅衬底上生长氮化合物半导体材料的已知的半导体器件相比，发明人能够在当前情况下为所描述的实施形式和实施例确定晶体质量和均质性的这种改进。根据又一实施形式，中间层具有大于或等于0. 1%的氧含量。尤其优选的是，氧含量能够大于或者等于1%。此外，中间层的氧含量能够小于或者等于5%并且优选小于或者等于3%。在此和在下文中，以百分比测量的中间层的氧含量表示相对于中间层的基质晶体的原子的、即例如Al原子和N原子的数量的中间层中氧原子的原子百分比的份额。已经表明的是，中间层的晶格常数能够通过所添加的氧来有利地改变，使得半导体层序列的有源区域的在中间层上生长的层能够以改进的晶体质量和均质性来沉积。根据又一实施形式，为了制造中间层，在生长方法期间能够提供含氧的化合物，为了生长半导体层序列和尤其中间层，除其他初始材料之外，将所述化合物输送给生长室。例如能够将适当选择的份额的氧气输送给例如是氮气的、所提供的载体气体。尤其优选的是，为了制造中间层，提供含氧的金属有机化合物并且输送给生长室。在此，能够尤其有利地提供二乙氧基乙基铝(DEAlO)作为含氧的金属有机化合物。发明人已经证实，这种金属有机化合物与其他含氧的初始材料相比，能够实现尤其简单地且高质量地制造中间层进而制造施加在其上的其他的半导体层序列。根据又一实施形式，中间层具有大于或等于5nm的厚度。根据中间层在半导体层序列中的掺杂度和设置，中间层也能够具有大于或等于10nm、大于或等于15nm还或者大于或等于20nm的厚度。此外，中间层能够具有小于或等于300nm的厚度，根据设置和掺杂度也能够具有小于或等于200nm的 、小于或等于IOOnm的、小于或等于50nm的、小于或等于30nm的或甚至小于或等于20nm的厚度。特别地，中间层能够作为中间区域的一部分施加在具有硅表面的衬底上。作为半导体层序列的一部分施加在有源区域和衬底之间的中间区域例如能够具有成核层或者成晶层；此外具有例如构成为层序列的过渡层，在所述层序列中逐步地或者连续地逐层提高Ga含量；并且还具有例如具有带有AlN和/或AlGaN中间层的应变层，上述层交替地用GaN附晶生长。根据又一实施形式，中间层构成为成核层。在此，中间层尤其能够作为中间区域的第一层、尤其作为第一成核层直接地施加在衬底上，即施加在衬底的娃表面上。附加地，在半导体层序列中还能够包含例如也从氧掺杂的AlN化合物半导体材料中生长的其他成核层。成核层的厚度能够具有上述厚度中的一个，并且还优选大于或者等于50nm并且小于或者等于300nm，尤其例如为大约200nm。根据又一实施形式，中间层构成为在有源区域和衬底之间的、尤其在有源层与成核层之间的过渡层或者构成为过渡层的一部分。这尤其能够表示，过渡层具有带有AlN和/或AlGaN层的层序列，在所述AlN和/或AlGaN层中沿从衬底到有源区域的方向、即沿生长方向提高Ga份额。在此，中间层能够构成为层序列或者也构成为过渡层的层序列中的一个或多个层。根据又一实施形式，至少一个中间层设置在过渡层和有源层之间。这尤其能够表示，中间层直接地邻接于有源区域，即邻接于半导体层序列的确定半导体器件的本身的功能性的层。在该情况下，中间层能够具有上述厚度中的一个，并且此外尤其具有优选小于或等于50nm、例如20nm的厚度。
从下面结合附图1至4C描述的实施形式中得出其他的优点和有利的实施形式和改进形式。其示出图1示出根据一个实施例的半导体器件的示意图，图2和3示出根据另一实施例的半导体器件的示意图，以及图4A至4C示出根据又一实施例的用于制造半导体器件的方法的示意图。
具体实施例方式在实施例和附图中，相同的或者起相同作用的组成部分总是能够设有相同的附图标记。所示出的元件和其相互的大小关系原则上不能够视为是按照比例的，相反地，为了更好的可示出性和/或为了更好地理解，各个元件，例如层、组件、器件和区域能够以过厚的或者夸大的尺寸示出。在下面的实施例中，单纯示例地示出构成为发光二极管芯片的半导体器件。这尤其表示，所示出的半导体器件分别具有有源区域，所述有源区域适合于，在工作时放射光。对此替选地或者附加地，所示出的半导体器件的有源区域也能够具有接收辐射的层。此外替选地或者附加地，根据该实施例的半导体器件也能够构成为具有相应地构成的有源区域的电子半导体器件，即例如构成为晶体管，例如HEMT (高电子迁移率晶体管)或HBT (异质结双极晶体管)。图1中示出用于半导体器件100的一个实施例，所述半导体器件在衬底I上具有半导体层序列2。半导体层序列优选外延地、例如借助于MOVPE方法或者MBE方法沉积在衬底I上。衬底具有朝向半导体层序列2的娃表面,半导体层序列2施加在所述娃表面上。尤其体硅衬底适合作为衬 底I。但是替选于此，也能够应用SOI衬底。尤其优选地，衬底I具有带有(111)取向的表面，作为硅表面。如在概论部分中描述，硅的这种(111)平面由于六边形对称性而尤其适合于外延地生长氮化合物半导体材料。与如蓝宝石、碳化硅或氮化镓的氮化合物半导体材料的通常的生长衬底相比，具有硅表面的衬底能够是大面积的并且能够低成本地制造和提供。半导体层序列2基于氮化合物半导体材料，尤其基于AlnGaJn1InN,其中O彡η彡1，0彡m彡I并且n+m彡I。半导体层序列2具有有源区域21，所述有源区域生长在衬底I上的中间区域22上。半导体层序列的有源区域21具有适合于在半导体器件100工作时放射光的有源层24。为此，有源层24设置在第一半导体层23和第二半导体层24之间，所述半导体层是P或η掺杂的。在此，有源区域21的层结构单纯示例地被示出并且能够具有其他的功能层。在半导体器件工作时，载流子能够经由电接触部4和5从不同的侧注入到有源层24中，所述载流子能够在那里在放射光的情况下复合。有源区域21优选具有大于或者等于2 μ m的并且小于或等于8 μ m的厚度，尤其优选大于或等于3 μ m并且小于或等于5 μ m的厚度。在所示出的实施例中，有源区域尤其能够具有大约4 μ m的厚度或者更小的厚度，并且尤其优选大于或等于1. 5 μ m且小于或等于
2.5 μ m的厚度。但是根据这种类型的半导体器件100和半导体层序列2的有源区域21的实施方式，更大或更小的厚度也能够是适宜的。
在与要沉积的材料相比具有更小的热膨胀系数的衬底中，如这在下述对具有硅表面的衬底I和由氮化合物半导体材料制成的半导体层序列2的情况下是这种情况，优选地进行氮化合物半导体材料的优选外延的沉积，使得半导体层序列2在沉积温度下相对于衬底I压缩应变，这也称作压力应变。也就是说，化合物半导体材料采用与化合物半导体材料的固有晶格常数相比在横向平面中更小的晶格常数。这样，在生长之后冷却半导体层序列2时，降低半导体层序列2和衬底I之间的热膨胀系数差导致在半导体层序列2中的缺陷(例如撕裂)的危险。为了以压缩应变的方式生长半导体层序列2和尤其有源区域21，半导体层序列2在有源区域21和衬底I之间具有邻接于衬底I的中间区域22。在中间区域22的背离衬底I的一侧上构成有有源区域21。中间区域22的半导体层当前主要用于提高对于半导体器件100的工作起决定性作用的有源区域21的纯示例示出的半导体层23、24、25的质量。中间区域22具有依次沉积在衬底I上的成核层或者成晶层26、过渡层27和应变层28。邻接于衬底I的成核层26基于AlN化合物半导体材料并且在所示出的实施例中尤其由AlN构成。成核层26用于衬底I的引晶并且具有50nm和300nm之间的厚度，例如200nm的厚度。在用于半导体器件100的图1中所示出的实施例中，成核层26构成为由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层3。为此，成核层以大于或者等于O. 1%且小于或等于5%的、优选大于或等于1%的含氧量进行掺杂。已经表明的是，例如4μ m厚的、在所示出的实施例中由基于GaN的氮化合物半导体材料所制成的有源区域21能够以改进的晶体质量和均质性来生长。为了中间层3的生长，除了其他的初始材料之外，提供尤其是二乙氧基乙基铝(DEAlO)的含氧的金属有 机化合物作为含氧化合物。发明人已经证实，通过将DEAlO作为初始材料并且为了提供，氧中间层3能够构成为，使得能够以改进的晶体质量制造有源区域21。将基于AlGaN的过渡层27施加在构成为由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层3的成核层26上，所述过渡层在所示出的实施例中具有大约150nm的总厚度。在此，过渡层27构成为具有多个层的层序列，在所述多个层中逐步地或者连续地沿生长方向提闻嫁含量。在过渡层27上的应变层28用于在半导体层序列2的沉积温度下构成压缩应变。在半导体层序列2生长之后进行冷却时，所述压缩应变能够完全地或者至少部分地补偿由于衬底I和半导体层序列2之间的热膨胀系数的区别所引起的拉伸应变。为此，应变层28具有一个或多个GaN层，所述GaN层嵌入到一个或多个AlGaN层中，例如嵌入到两个至三个AlGaN层中。为此，AlGaN层例如以大约20nm的厚度生长并且用GaN层附晶生长，使得获得AlGaN层和GaN层的交替的顺序。应变层28的厚度优选位于大于或等于2 μ m且小于或等于3μηι的范围内，例如为2. 5μηι。中间层22尽可能与随后的有源区域21无关，并且因此也能够应用于其他的光电子器件或者电子器件。
图2中示出用于半导体器件200的其他的实施例。与根据图1中的实施例的半导体器件100相比，半导体器件200具有构成为层序列的过渡层27，所述层序列具有由氧掺杂的、例如是AlN或AlGaN的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层3。在此，中间层3如在所示出的实施例中示出的那样设置在过渡层27之内或者也替选于此例如作为过渡层27的第一层直接地设置在成核层26上。此外，过渡层27的所有层例如也能够基于氧掺杂的AlN化合物半导体材料并且例如具有氧掺杂的AlGaN。在图3中示出用于半导体器件300的另一实施例，其中与两个之前的实施例相比，将由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的中间层3设置在有源区域21和过渡层27之间，尤其直接地邻接于有源区域21设置。在此，中间层3在所示出的实施例中具有仅20nm的厚度。已经表明的是，通过这种中间层3能够显著地改进有源区域21的晶体质量，其中所述中间层作为中间区域22的最后的层施加。替选于分别具有一个中间层3的图1至3示出的实施例，所示出的半导体器件100,200,300也能够分别具有由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的多个中间层。特别地，也能够考虑具有所示出的实施例的组合的半导体器件。图4A至4C中示出用于制造半导体器件400的方法的实施例。为此，在根据图4A的第一方法步骤中，将基于氮化合物半导体材料的半导体层序列2施加在具有硅表面的衬底I上。在此，在所示出的实施例中借助于外延生长通过MOVPE方法或MBE方法进行施加。在所述示出的实施例中，如根据图1的实施例构成具有中间区域22和有源区域21的半导体层序列。替选于此，半导体层序列2也能够具有根据概述部分中的实施形式的和/或根据其他实施例的特征。为了制造薄膜半导体芯片，在施加半导体层序列2之后，根据后续的方法步骤继续加工所述半导体层序列。为此，如在图4B中示出，在有源区域21上借助于例如焊料或者导电的粘合层的连接层7固定载体衬底8。在此，载体衬底8不必具有生长衬底的闻的晶体特性并且例如也能够关于其他适合的性质来选择，例如关于高的导热性来选择。例如是硅、锗或者砷化镓的半导体材料，也或者例如是氮化铝或氮化硼的陶瓷材料适合于载体衬底8。在借助于连接层7施加载体衬底8之前，在有源区域21上施加镜层6。在此，镜层6用于在稍后完成的半导体器件工作时反射在有源层24中产生的辐射。镜层7尤其优选地具有对于在有源层24中产生的辐射而言高反射率的金属或者相应的金属合金。在可见的光谱范围内，尤其适合的是铝、银、铑、钯、镍和/或铬还或者是它们的合金和/或层序列。载体衬底8有利地用于使半导体层序列2机械稳定。为此，不再需要具有硅表面的衬底1，并且如在图4C中示出，所述衬底能够被移除还或者打薄。这例如能够以湿法化学的方式、干法化学的方式或者通过如磨削、抛光或者研磨的机械方法来进行。替选地或附加地，衬底I的移除或者打薄也能够通过优选相干辐射进行辐照来实现。其中生长衬底被移除或者打薄的半导体器件也称作薄膜半导体器件。例如，发光二极管芯片也能够构成为薄膜半导体器件并且其出色之处尤其在于下述特征中的至少一个-在产生福射的外延 层序列的朝向载体衬底的第一主面上构成或施加用于反射的层，所述用于反射的层将在外延层序列中产生的电磁辐射的至少一部分反射回所述外延层序列中；-外延层序列具有20μ m或更小的范围内的、尤其10 μ m或更小的范围内的厚度；和-外延层序列包含具有至少一个面的至少一个半导体层，所述半导体层具有混匀结构，所述混匀结构在理想的情况下引起光在外延的外延层序列中近似遍历的分布，即所述混匀结构具有尽可能遍历的随机的散射特性。薄层发光二极管芯片的原理例如在1. Schnitzer等，AppliedPhysicsLetter63(16)，1993年10月18日，第2174-2176页中描述，其公开内容在此通过参引并入本文。在移除或打薄衬底I之后，半导体层序列2的背离载体衬底8的表面例如还能够设有结构化部，例如粗化部(未示出)。因此能够提高在有源层24中产生的辐射的耦合输出效率。在此，粗化部或者结构化部能够延伸到中间区域22中，使得至少部分地移除所述中间区域。例如，成核层26和过渡层27能够部分地或者甚至完全地被移除，使得能够在应变层28中构成结构化部。此外，为了将载流子注入到有源层24中，还能够例如借助于蒸镀或者溅镀来施加接触部(未示出)。具有有源区域21的载体衬底8还能够被分割成单独的半导体器件400。此外还可能的是，在施加载体衬底8之前，将接触结构部引入到半导体层序列2中，尤其引入到有源区域21中，所述接触结构部在稍后完成的半导体器件400中在两侧实现有源层的接触，其中电接 触部仅必须设置在有源区域21的一侧上。
其中在衬底I的硅表面上生长半导体层序列2的在此描述的半导体器件的特征在于有源区域21的改进的晶体质量，所述有源区域尤其能够例如通过作为所谓的摇摆曲线(Rocking Kurve)测量的结晶学上的伦琴反射的降低的半值宽度来证实，所述伦琴反射例如是(002)、(102)、(201)反射。本发明不由于根据实施例进行的描述而受到限制。相反地，本发明包括任意新的特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使所述特征或所述组合本身没有明确地在权利要求或实施例中描述。
权利要求
1.具有在衬底(I)上的、由氮化合物半导体材料制成的半导体层序列(2)的半导体器件，其中所述衬底(I)具有朝向所述半导体层序列(2)的硅表面，并且所述半导体层序列(2)具有有源区域(21)并且在所述衬底(I)和所述有源区域(21)之间具有由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层(3 )。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述中间层(3)的氧含量大于或者等于O.1%并且小于或者等于5%。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中所述中间层(3)具有大于或者等于5nm且小于或者等于300nm的厚度。
4.根据上述权利要求之一所述的半导体器件，其中至少一个所述中间层(3)是成核层(26)，所述成核层直接地施加在所述衬底(I)上。
5.根据上述权利要求之一所述的半导体器件，其中至少一个所述中间层(3)是在所述有源区域(21)和成核层(26)之间的过渡层(27)或者过渡层(27)的一部分。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中在所述有源区域(21)和所述成核层(26)之间设置有多个中间层(3)作为过渡层(27)或者作为所述过渡层(27)的一部分。
7.根据上述权利要求之一所述的半导体器件，其中至少一个所述中间层(3)设置在过渡层(27)和所述有源区域(21)之间。
8.根据上述权利要求之一所述的半导体器件，其中至少一个所述中间层(3)直接地邻接于所述有源区域(21)。
9.根据上述权利要求7或8所述的半导体器件，其中所述中间层(3)具有20nm的厚度。
10.根据上述权利要求之一所述的半导体器件，其中所述硅表面是(111)平面。
11.根据上述权利要求之一所述的半导体器件，其中所述衬底(I)是硅体积衬底。
12.用于制造半导体器件的方法，其中在衬底(I)上施加由氮化合物半导体材料制成的半导体层序列(2)，其中所述衬底(I)具有朝向所述半导体层序列(2)的硅表面，并且其中施加所述半导体层序列(2)，所述半导体层序列具有有源区域(21)和在所述衬底(I)和所述有源区域(21)之间、由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层(3 )。
13.根据权利要求12所述的方法，其中为了制造所述中间层(3)提供含氧的金属有机化合物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述含氧的金属有机化合物是二乙氧基乙基招。
15.根据权利要求12至14之一所述的方法，其中在施加所述半导体层序列(2)之后，至少局部地移除或者打薄所述衬底(I)。
全文摘要
提出一种具有在衬底(1)上的、由氮化合物半导体材料制成的半导体层序列(2)的半导体器件，其中衬底(1)具有朝向半导体层序列(2)的硅表面，并且半导体层序列(2)具有有源区域(21)并且在衬底(1)和有源区域(21)之间具有由氧掺杂的AlN化合物半导体材料制成的至少一个中间层(3)。此外，提出一种用于制造半导体器件的方法。
文档编号H01L33/12GK103069583SQ201180041470
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月11日 优先权日2010年8月26日
发明者彼得·施陶斯, 菲利普·德雷克塞尔, 约阿希姆·赫特功 申请人:欧司朗光电半导体有限公司