專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，尤其涉及能夠有效地低成本提供性能高于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。
背景技術(shù)：
在日本專利公開No.07-050331中，晶片包含外延生長在基板上并含有有源層(發(fā)光層)的多層半導(dǎo)體膜，且隨后將光脈沖從晶片表面注入有源層。受光脈沖激發(fā)從有源層出射的光發(fā)射的衰減時間被測量以確定主要影響發(fā)光效率的少數(shù)載流子的壽命，從而評估由該晶片形成的發(fā)光器件的發(fā)光效率。
例如，在包含由多個氮化物基化合物半導(dǎo)體層形成的多層半導(dǎo)體膜的發(fā)光器件的情況下，由于多層半導(dǎo)體膜內(nèi)的大的內(nèi)部應(yīng)變而可能在有源層內(nèi)產(chǎn)生壓電場。這種情況下，有源層內(nèi)的能帶遭受彎曲，這影響并改變少數(shù)載流子的壽命。因此，通過使用日本專利公開No.07-050331中公開的方法不能精確地評估發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前述問題，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供能夠有效地低成本制造性能高于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法包含的步驟為形成包含外延生長在基底基板上并包含有源層的多層半導(dǎo)體膜的晶片、通過光激發(fā)晶片中的有源層并隨后至少在兩個溫度點測量有源層光發(fā)射的強度而對有源層進行合格/不合格(pass/fail)判斷、以及使用包含在合格/不合格判斷中被判斷為質(zhì)量良好的有源層的多層半導(dǎo)體膜形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。
可在形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)之前或期間進行對有源層的合格/不合格判斷步驟。優(yōu)選地使用能夠選擇性地激發(fā)有源層的波長的光用于光激發(fā)。此外，優(yōu)選地在至少兩個溫度點中，最低溫度點的范圍為小于150K，最高溫度點的范圍為大于230K且小于550K。由光激發(fā)在有源層內(nèi)產(chǎn)生的載流子密度優(yōu)選地為處于用額定電流密度注入的條件下半導(dǎo)體發(fā)光器件中的載流子密度的1/100以上且100倍以下?；谠诟哂?30K且低于550K的溫度點的發(fā)光強度與在低于150K的溫度點的發(fā)射強度的比值是否大于規(guī)定參考值，可以進行對有源層的合格/不合格判斷。
形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的步驟可包含將晶片鍵合到支持基板的步驟，且可以在該鍵合步驟之后進行對有源層的合格/不合格判斷的步驟。形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的步驟可包含基底基板剝離的步驟，且可以在剝離步驟之后進行對有源層的合格/不合格判斷的步驟。
由上述方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光器件在多層半導(dǎo)體膜中可包含氮化物基化合物半導(dǎo)體InxAlyGa1-x-yN層，其中0≤x，0≤y，x+y＜1。
通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行如下詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它目的、特點、方面和優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1為說明了根據(jù)本發(fā)明第一至第三實施方案的發(fā)光器件制造方法的步驟的流程圖。
圖2為示出了包含形成在藍(lán)寶石基板(基底基板)上并包含有源層的多層半導(dǎo)體膜的晶片的示意性剖面圖。
圖3為示出了形成于圖2中示出的多層半導(dǎo)體膜上的多層金屬或合金層的示意性剖面圖。
圖4為示出了形成于Si基板(支持基板)兩個主表面上的多層金屬層的示意性剖面圖。
圖5為示出了發(fā)光層在低溫下光致發(fā)光測量結(jié)果的發(fā)射光譜的曲線圖。
圖6為示出了發(fā)光層在室溫下光致發(fā)光測量結(jié)果的發(fā)射光譜的曲線圖。
圖7為示出了在第一實施方案中測量的發(fā)光層內(nèi)量子效率與發(fā)光器件光輸出之間關(guān)系的曲線圖。
圖8為示出了使用傳統(tǒng)測量方法確定的第一實施方案中測量的載流子壽命與發(fā)光器件光輸出之間關(guān)系的曲線圖。
圖9為示出了光致發(fā)光測量設(shè)備示例的示意性方框圖。
具體實施例方式
如前所述，當(dāng)至少在兩個溫度點測量由有源層中的光激發(fā)引起的發(fā)射強度時，可以精確地評估有源層的發(fā)光效率以用于有源層的合格/不合格判斷。
這里測量的發(fā)光效率為所謂的有源層的內(nèi)量子效率。內(nèi)量子效率是指被轉(zhuǎn)換成光的電流與注入到有源層中總電流的比值。當(dāng)多層半導(dǎo)體膜的外延生長條件改變時，則晶體質(zhì)量變化，有源層的內(nèi)量子效率也改變。
已知低溫下內(nèi)量子效率為100％。這意味著室溫下與低溫下的有源層發(fā)射強度的比值表明室溫下的內(nèi)量子效率。在本發(fā)明的方法中，內(nèi)量子效率可以得到精確地測量，因為該內(nèi)量子效率不受多層半導(dǎo)體膜中壓電場引起的能帶彎曲的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠有效地低成本制造性能高于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)光器件的方法。
(第一實施方案)圖1的流程圖示出了本發(fā)明第一實施方案的氮化物基半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法中的步驟。
在第一實施方案中，首先在步驟P1，藍(lán)寶石基板(基底基板)經(jīng)歷使用酸的預(yù)處理，盡管基板的這個預(yù)處理可以省略。
在步驟P2，如圖2的示意性剖面圖所示，使用MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相沉積)在藍(lán)寶石基板1上形成包含多層半導(dǎo)體層2-7的多層半導(dǎo)體膜(發(fā)光器件生長步驟)。此時，藍(lán)寶石基板1最初被引入MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室?；?在氫氣氣氛中被加熱到1100℃，并在同一溫度下保持幾分鐘以清洗基板1。
之后，基板溫度降低到1050℃，NH3被引入反應(yīng)室。接著，TMG(三甲基鎵)和TMA(三甲基鋁)被引入反應(yīng)室，生長厚度約0.2μm的AlGaN層2。接著，使SiH4流入反應(yīng)室?guī)追昼姡L約5μm厚的n型GaN層3。
之后，基板溫度降低到900℃，隨后交替生長十層InGaN層和十層GaN層，以組成應(yīng)變弛豫層4。此時這些InGaN層的帶隙設(shè)置成大于發(fā)光層(有源層)5的帶隙。
接著，基板溫度降低到780℃，交替生長三層InGaN層和三層GaN層，以組成多量子阱(MQW)發(fā)光層5。在該MQW中，三層InGaN層(阱層)制成總厚度約6nm。這里發(fā)光層5的發(fā)射波長設(shè)置為450nm。
接著，基板溫度增大到980℃，生長厚度約20nm的p型AlGaN層6，隨后生長厚度約100nm的p型GaN層7。之后，反應(yīng)室中只留下N2和NH3氣流作為氣體氣氛，同時將基板冷卻到室溫。此時，NH3濃度設(shè)為約0.2％。這樣就完成了發(fā)光器件生長步驟P2。
在步驟P3，在步驟P2中從MOCVD設(shè)備取出的晶片被引入到低溫箱以進行光致發(fā)光測量，從而確定發(fā)光層5的內(nèi)量子效率。光致發(fā)光測量設(shè)備可以使用例如如圖9中示意性方框圖所示的設(shè)備。
在第一實施方案中，發(fā)射波長為405nm的激光器被用于圖9中所示的激發(fā)光源21。對于這個激光器21，例如可以使用固體激光的二次諧波組分或半導(dǎo)體激光。還可以光譜分離白光源，隨后只使用405nm波長附近的光。當(dāng)使用405nm波長的激發(fā)光時，發(fā)光層可以被選擇性地激發(fā)，而不激發(fā)發(fā)光層之外的半導(dǎo)體層。這使得可以精確評估發(fā)光層的內(nèi)量子效率而不受其它半導(dǎo)體層的影響。注意，當(dāng)白光源被用作激發(fā)光源21時，可在該白光源和鏡22之間插入分光器。
在發(fā)光層內(nèi)由光激發(fā)產(chǎn)生的載流子密度優(yōu)選地設(shè)置成處于用額定電流密度注入的條件下發(fā)光器件中的載流子密度的1/100以上和100倍以下，更優(yōu)選地與之近似相等。在第一實施方案中，405nm波長激光在晶片表面上的功率設(shè)置為10mW，激光在晶片表面上的會聚光斑尺寸設(shè)置為約25μm。即，從光源21發(fā)射并被鏡22反射的激發(fā)光線23穿過單向透視玻璃(half mirror)24并被透鏡25會聚到外延晶片26上。假設(shè)InGaN對405nm波長的光的光吸收系數(shù)約為1×105/cm，如果發(fā)光層中總厚度為6nm的這些量子阱層吸收的所有光子都產(chǎn)生載流子，則在發(fā)光層中導(dǎo)致與20mA額定電流流過發(fā)光二極管的情形相似的載流子密度。
由CCD(電荷耦合裝置)分光器28探測包含在外延晶片26內(nèi)的發(fā)光層受光激發(fā)所致的并經(jīng)過透鏡25和單向透視玻璃24的光發(fā)射27，且測量該光發(fā)射27的發(fā)射強度。
在圖9中，CCD分光器28、低溫箱29和電動平臺30受個人計算機31控制。在冷卻之前，低溫箱29被充分抽真空，隨后低溫箱29被冷卻到約20K。
圖5中的示意曲線圖示出了在20K測量的發(fā)光層的發(fā)射光譜。在圖5的曲線圖中，水平軸代表發(fā)射波長，垂直軸代表發(fā)射強度。
接著，低溫箱29的設(shè)定溫度改變?yōu)?00K。當(dāng)?shù)蜏叵?9的溫度在300K穩(wěn)定時，將除了溫度之外的其它條件設(shè)置成與20K測量的條件相同，隨后發(fā)光層的發(fā)射強度被測量。
圖6中的示意性曲線圖示出了在300K測量的發(fā)光層的發(fā)射光譜。在圖6的曲線圖中，同樣，水平軸代表發(fā)射波長，垂直軸代表發(fā)射強度。
當(dāng)溫度改變?yōu)?00K時，可能出現(xiàn)根據(jù)低溫箱29的運行，由于電動平臺30的熱膨脹，晶片26的位置被移動的情形，這種情形下就無法保證在與20K下測量點相同的位置上進行測量。在這種情況下，可在晶片中提供參考點，并使用距離參考點的X和Y坐標(biāo)指定位置，從而實現(xiàn)在嚴(yán)格相同位置的測量。另外，可能存在晶片沿偏離透鏡25焦點的方向移動的情況。這種情況下，可以調(diào)整聚焦使得在溫度穩(wěn)定之后發(fā)射強度變?yōu)樽畲笾?。這可以確保在嚴(yán)格相同的位置測量發(fā)射強度。這樣就可以在20K和300K在相同條件下測量發(fā)光層內(nèi)由于光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)射強度，并可以從這些強度的比值確定內(nèi)量子效率。
注意，內(nèi)量子效率可以確定為圖6中光譜分布的積分面積S2與圖5中光譜分布的積分面積S1的比值。即，內(nèi)量子效率＝S2/S1。作為更簡單的方法，將內(nèi)量子效率確定為圖6中光譜分布的峰值強度P2與圖5中光譜分布的峰值強度P1的比值。即，內(nèi)量子效率＝P2/P1。按這種方式確定的內(nèi)量子效率高于50％的任何晶片被判斷為具有良好質(zhì)量，這些晶片接著前進到后續(xù)步驟從而制成發(fā)光器件。更為具體地，被判斷為良好質(zhì)量的晶片經(jīng)歷步驟P4。
注意，可以使用光電二極管替代CCD分光器28用于測量發(fā)射強度。這種情況下，盡管光譜分布和峰值波長無法被測量，但可以容易地測量每個全譜上的總發(fā)射強度(即，每個這些光譜分布的面積S1和S2)。
在步驟P4，如圖3的示意性剖視圖所示，通過在圖2中示出的p型GaN層7上蒸鍍而形成Pd電極8，接著通過蒸鍍形成高度反射性的AgNd電極9。這些電極通過熱處理被燒結(jié)，隨后通過蒸鍍形成共晶AuSn的金屬鍵合層10。
接著，在晶片鍵合步驟P5，如圖4的示意性剖視圖所示，制備Si基板(支持基板)11，通過在一個主表面上蒸鍍形成用于共晶鍵合的Au層12，并通過在另一個主表面上蒸鍍而層疊Ti層13和Al層14。接著，藍(lán)寶石基板1上的AuSn層10和Si基板11上的Au層12被面對面地接觸，隨后其被引入到晶片鍵合設(shè)備并被加熱到AuSn的共晶溫度以執(zhí)行晶片鍵合。接著，在基板剝離步驟P7，從藍(lán)寶石基板側(cè)施加激光以剝離藍(lán)寶石基板1并暴露n型半導(dǎo)體層3。半導(dǎo)體層3的暴露表面經(jīng)過干蝕刻，從而有意地在表面上形成不平整的紋理。接著，在電極形成步驟P9，電極形成于n型半導(dǎo)體層3上。在芯片分割步驟P10，在芯片分割中使用激光劃片以獲得各個發(fā)光器件。
接著，在芯片篩選步驟P11，使用芯片篩選機器進行芯片篩選。在芯片篩選中，通過探針將電流注入各個芯片，從而測量芯片的亮度。根據(jù)測量的亮度和電學(xué)性能篩選芯片，并將缺陷產(chǎn)品排除。接著，被判斷為良好質(zhì)量的芯片被安裝到引線框架(步驟P12)并經(jīng)歷樹脂模制(步驟P13)。
研究了按照上述流程制造的發(fā)光器件中光輸出和內(nèi)量子效率之間的關(guān)系，并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這兩者之間存在非常好的相關(guān)性。在圖7的曲線圖中，水平軸代表內(nèi)量子效率(％)，垂直軸代表光輸出(mW)。
當(dāng)在多層半導(dǎo)體膜的晶體生長結(jié)束時評估內(nèi)量子效率，且只將被判斷為具有良好質(zhì)量的晶片前進到前述的后續(xù)步驟，和不進行評估步驟的情形相比，每個晶片的制造時間減小了約20％。這意味著本發(fā)明的制造方法有助于生產(chǎn)率的提高以及發(fā)光器件的成本削減。
當(dāng)研究光輸出和使用日本專利公開No.07-050331的方法測量的結(jié)果之間的關(guān)系時，沒有發(fā)現(xiàn)這兩者之間有任何關(guān)聯(lián)，如圖8的曲線圖所示。這意味著現(xiàn)有技術(shù)的方法不能用作合適的檢驗方法。這里，在圖8的曲線圖中，水平軸代表載流子壽命τ(ns)垂直軸代表光輸出(mW)。
(第二實施方案)根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的制造方法中的步驟也在圖1的流程圖中示出。第二實施方案的制造方法通常與第一實施方案相似，不同之處為下述方面。
第二實施方案與第一實施方案的不同之處僅在于，在晶片鍵合步驟P5之后附加地執(zhí)行光致發(fā)光測量步驟P6，用于有源層的合格/不合格判斷。這樣做的目的是檢查是否在晶片鍵合步驟P5中未對有源層造成損傷。合格/不合格判斷的方法和第一實施方案相同。將內(nèi)量子效率高于50％的所有產(chǎn)品前進到后續(xù)步驟。在第二實施方案中，每個芯片的制造時間和不進行合格/不合格判斷步驟的情形相比減小了約15％。按照這個方式，在第二實施方案中也可以提高生產(chǎn)率并削減成本。
盡管第二實施方案中在步驟P3和P6兩次檢查內(nèi)量子效率，但是步驟P3可以省略。這種情況下，盡管對包含缺陷晶片的所有晶片實施直到P5的各個步驟，但是步驟P3中的檢驗時間是不需要的，因此總體上可以減小芯片制造時間。
(第三實施方案)根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的制造方法的步驟也在圖1的流程圖中示出。第三實施方案的制造方法通常與第一實施方案相似，不同之處為下述方面。
第三實施方案與第一實施方案的不同之處僅在于，在基板剝離步驟P7之后附加地執(zhí)行光致發(fā)光測量步驟P8，用于有源層的合格/不合格判斷。這樣做的目的是檢查是否在基板剝離步驟P7中未對有源層造成損傷。合格/不合格判斷的方法和第一實施方案相同。將被判斷為具有良好質(zhì)量的內(nèi)量子效率高于50％的所有產(chǎn)品前進到后續(xù)步驟。在第三實施方案中，每個芯片的制造時間和不進行合格/不合格判斷步驟的情形相比減小了約10％。因此，在第三實施方案中也可以提高生產(chǎn)率并削減成本。
盡管第三實施方案中在步驟P3和P8兩次檢查內(nèi)量子效率，但是步驟P3可以省略。這種情況下，盡管對包含缺陷晶片的所有晶片實施直到P7的各個步驟，但是步驟P3中的檢驗時間是不需要的，因此總體上可以減小芯片制造時間。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠有效地低成本制造性能高于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)光器件的方法。
盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述和說明了本發(fā)明，但應(yīng)該清楚地理解，這些描述和說明是說明性和示例性的而非限制本發(fā)明，本發(fā)明的精神和范圍僅由權(quán)利要求書界定。
本申請是基于分別于2005年8月25日和2006年6月2日向日本專利局提交的日本專利申請No.2005-243671及2006-154824，其全部內(nèi)容作為參考被引入。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法，包含的步驟為形成包含多層半導(dǎo)體膜的晶片，所述多層半導(dǎo)體膜外延生長在基底基板上并包含有源層；通過光激發(fā)所述晶片中的所述有源層并至少在兩個溫度點測量所述有源層的發(fā)射強度，而對所述有源層進行合格/不合格判斷；以及使用包含在所述合格/不合格判斷中被判斷為質(zhì)量良好的所述有源層的所述多層半導(dǎo)體膜形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中對在形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的所述步驟之前或期間進行對所述有源層的所述合格/不合格判斷步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中使用能夠選擇性地激發(fā)所述有源層的波長的光，用于所述光激發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中在所述至少兩個溫度點中，最低溫度點的范圍為小于150K，最高溫度點的范圍為大于230K且小于550K。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中由所述光激發(fā)在所述有源層內(nèi)產(chǎn)生的載流子密度優(yōu)選地為處于用額定電流密度注入的條件下所述半導(dǎo)體發(fā)光器件中的載流子密度的1/100以上和100倍以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中基于在高于230K且低于550K的溫度點的所述發(fā)射強度與在低于150K溫度點的發(fā)射強度的比值是否大于規(guī)定參考值，可以進行對有源層的所述合格/不合格判斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的所述步驟包含將所述晶片鍵合到支持基板的步驟，且可以在該鍵合步驟之后進行對有源層的所述合格/不合格判斷步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的所述步驟包含剝離所述基底基板的步驟，且可以在所述剝離步驟之后進行對有源層的所述合格/不合格判斷步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法，其中所述多層半導(dǎo)體膜中包含氮化物基化合物半導(dǎo)體InxAlyGa1-x-yN層，其中0≤x，0≤y，x+y＜1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法，包含形成包含外延生長在基底基板上并包含有源層的多層半導(dǎo)體膜的晶片的步驟(P1、P2)、通過光激發(fā)晶片中的有源層并至少在兩個溫度點測量有源層的發(fā)射強度而對有源層進行合格/不合格判斷的步驟(P3、P6、P8)、以及使用包含在合格/不合格判斷中被判斷為質(zhì)量良好的有源層的多層半導(dǎo)體膜形成發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的步驟(P4、P5、P7、P9－P13)。
文檔編號H01L33/00GK1921161SQ20061012187
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者筆田麻佑子 申請人:夏普株式會社