專利名稱：通過去除襯底來制備銦鋁鎵氮光發(fā)射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體光發(fā)射器件領(lǐng)域，特別是涉及一種制備高效、廉價的InAlGaN器件的方法。
已經(jīng)證明，因為其在外延生長工藝的高溫氨氣氛中具有穩(wěn)定性，藍寶石是生長高效InAlGaN光發(fā)射器件的優(yōu)選襯底。然而，藍寶石是導(dǎo)熱性很差的電絕緣體，使器件的設(shè)計不同尋常，而且效率很低。生長在藍寶石上的典型LED結(jié)構(gòu)具有兩個頂層電接觸和一個在p接觸上擴展電流的半透明金屬層。這與標(biāo)準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)不同，在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中電流是在導(dǎo)電襯底上生長的LED中流動，例如在GaAs或GaP中，一個電接觸位于半導(dǎo)體器件的頂面，另一個位于底面。在基于藍寶石的LED上的兩個頂層接觸減少了器件的可用發(fā)光面積。
此外，p型InAlGaN層的低導(dǎo)電率致使需要半透明金屬層，以便在p型半導(dǎo)電層上擴展電流。藍寶石的折射率(n～1.7)也低于在其上生長的InAlGaN層(n～2.2-2.6)。因此，折射率的失配(藍寶石的較低)在起吸收作用的半透明p面電流擴展金屬和藍寶石之間形成光波導(dǎo)。這使得半透明金屬層對商用InAlGaN器件產(chǎn)生的光線吸收10-70％。
晶片鍵合分為兩個基本類型直接晶片鍵合和金屬晶片鍵合。在直接晶片鍵合中，兩個晶片通過鍵合界面上的物質(zhì)交換鍵合在一起。直接晶片鍵合可以在半導(dǎo)體、氧化物和絕緣材料的任意組合之間進行。鍵合通常是在高溫(＞400℃)和單向壓力下進行的。Kish等人在美國專利5,502,316中描述了一種合適的直接晶片鍵合技術(shù)。在金屬晶片鍵合中，金屬層淀積在兩個鍵合襯底之間使之粘結(jié)。該金屬層可用作與有源器件、襯底或兩者的歐姆接觸。金屬鍵合的一個例子是倒裝鍵合，這是一種在微電子和光電子工業(yè)中用來將器件倒裝在襯底上的技術(shù)。因為倒裝鍵合改善了器件的散熱性能，襯底的去除取決于器件的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)上對金屬鍵合層的唯一要求是導(dǎo)電和機械牢固。
垂直腔光電結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)，它由置于攙雜、未攙雜或包含p-n結(jié)的限制層之間的光發(fā)射層構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)還至少包含一個在垂直于光發(fā)射層的方向上形成F-P腔的反射鏡。在GaN/InXAlYGaZN/AlXGa1-XN(其中x+y+z＝0.5)材料系中制備垂直腔光電結(jié)構(gòu)提出了與其它III-V族材料系不同的挑戰(zhàn)。困難的是生長出具有高光學(xué)品質(zhì)的InXAlYGaZN結(jié)構(gòu)。電流擴展是InXAlYGaZN器件的主要問題。電流在p型材料中的橫向擴展比n型材料小30倍。此外，襯底的低熱導(dǎo)率增加了器件設(shè)計的復(fù)雜性，這是因為為了獲得最佳的散熱，器件應(yīng)當(dāng)p面向下安裝。
一種垂直腔光電結(jié)構(gòu)，例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，需要高質(zhì)量的反射鏡，例如99.5％的反射率。獲得高質(zhì)量反射鏡的一種方法是利用半導(dǎo)體生長技術(shù)。為了達到適用于VCSEL的分布式布拉格反射器(DBRs)所需的高反射率(＞99％)，對于半導(dǎo)體InXAlYGaZN DBR的生長存在一些非常關(guān)鍵的材料問題，包括裂紋和攙雜劑的融合。這些反射鏡需要多個組份交替改變的銦鋁鎵氮化物(INXALYGAZN/InX，AlY，GaZ，N)的周期/層面。與半導(dǎo)體DBR相比，介質(zhì)DBR(D-DBR)在InXAlYGaZN材料系所覆蓋的光譜范圍內(nèi)相對容易實現(xiàn)超過99％的反射率。這些反射鏡通常是通過蒸發(fā)或濺射技術(shù)淀積的，但也可以使用MBE(分子束外延)和MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相淀積)。然而，除非去除主襯底，否則有源區(qū)只有一面能夠接觸D-DBR淀積層。如果可以將D-DBR鍵合和/或淀積在InXAlYGaZN有源區(qū)的兩面上，那么制備InXAlYGaZN垂直腔光電結(jié)構(gòu)將變得很容易。
在“Low threshold，wafer fused long wavelength verticalcavity lasers”中，Applied Physics Letters，64卷，1994年12期，1463-1465頁，Dudley等人講述了將AlAs/GaAs半導(dǎo)體DBR直接晶片鍵合到垂直腔結(jié)構(gòu)的一面，而在“Room-TemperatureContinuous-Wave Operation of 1.430μm Vertical-CavityLasers”中，IEEE Photnoics Technolory Letters，1995年11月7卷、11卷，Babic等人講述了將半導(dǎo)體DBR直接晶片鍵合到InAlGaNVCSEL的兩面，以利用在AlAs/GaAs之間的大折射率變化。如將要描述的，將D-DBR晶片鍵合到InXAlYGaZN比半導(dǎo)體之間的晶片鍵合更復(fù)雜，在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有出現(xiàn)過。
在“Diellectrically-Banded Long Wavelength Vertical CavityLaser on GaAs Substrates Using Strain-Compensated MultipleQuantum Wells”，IEEE Photnoics Technology Letters，vol.5，no.12 1994年11月，Chua等人發(fā)表了利用旋涂(spin-on)玻璃層將AlAs/GaAs半導(dǎo)體DBR連接到InGaAsP激光器的報道。旋涂玻璃并不適合于在VCSEL中的有源層和DBR之間進行鍵合，因為很難精確地控制旋涂玻璃的厚度，因此，將無法精確地進行VCSEL腔所需的層控制。此外，旋涂玻璃的性質(zhì)是非均勻的，這將導(dǎo)致腔散射和其它損耗。
利用AlxGa1-xN/GaN材料對生長具有適合于VCSEL的反射率，例如大于99％的半導(dǎo)體DBR反射鏡是困難的。反射率的理論計算表明，為了實現(xiàn)高反射率，需要高折射率對比，這只有通過提高低折射率AlxGa1-xN層中的Al組份和/或包含更多的層周期(材料特性來自于Ambacher等人，MRS Internet Journal of Nitride Semiconductorresearch，2(22)1997)來實現(xiàn)。這兩種方法均具有極強的挑戰(zhàn)性。如果電流流過DBR層，那么DBR具有導(dǎo)電性是很重要的。為了充分地導(dǎo)電，AlxGa1-xN層必需是充分摻雜的。除非Al組份對于Si(n型)摻雜降低到50％，對于Mg(p型)摻雜降低到17％，否則摻雜劑不會充分地融合。然而，利用Al組份較低的層來實現(xiàn)足夠高的反射率所需的層周期數(shù)需要總厚度較大的AlxGa1-xN材料，這加大了外延層破裂的危險性，降低了組份控制力。實際上，

圖1所示的Al.30Ga.70N/GaN疊層已經(jīng)有2.5μm厚，但遠遠不能滿足VCSEL所需的反射率。這樣，基于這種層對的高反射率DBR需要的總厚度遠大于2.5μm，并且對于給定的AlN和GaN生長溫度差，難以可靠地生長。盡管在層是未摻雜的條件下破裂不是一個主要問題，但是組份控制和AlN/GaN的生長溫度仍將是生長高反射率DBR的巨大挑戰(zhàn)。因此，即使在不需要DBR導(dǎo)電的應(yīng)用中，也還沒有出現(xiàn)利用InxAlyGazN材料系制備的反射率大于99％的反射鏡疊層。因此，介質(zhì)DBR反射鏡是優(yōu)選的。
半導(dǎo)體器件在晶片上同時成千上萬地制備。晶片在封裝之前必需切割成獨立的小片。如果利用藍寶石作為生長襯底，那么必需減薄和切割藍寶石襯底。藍寶石的硬度和六方晶體結(jié)構(gòu)使得切割操作既困難又昂貴。
在本發(fā)明中，描述了制備InAlGaN光發(fā)射器件的設(shè)備和技術(shù)，其方法是由藍寶石生長襯底去除光發(fā)射層。在數(shù)個實施方案中，描述了制備垂直InAlGaN光發(fā)射二極管結(jié)構(gòu)的技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)可以提高性能和/或降低成本。此外，還利用了金屬鍵合、襯底剝離、和新穎的RIE器件隔離技術(shù)，以高效地在根據(jù)其導(dǎo)熱率和易于制備來選擇的襯底上制備垂直GaN LED或垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。
圖1示出InAlGaN光發(fā)射器件的優(yōu)選實施方案，其鍵合層包括與InAlGaN異質(zhì)結(jié)的歐姆接觸層和與主襯底的粘結(jié)層。
圖2示出InAlGaN光發(fā)射器件的優(yōu)選實施方案，其鍵合層包括與InAlGaN異質(zhì)結(jié)的歐姆接觸層和與導(dǎo)電主襯底的歐姆接觸層。
圖3示出InAlGaN光發(fā)射器件的優(yōu)選實施方案，其相對的分布式布拉格反射器(DBR)反射鏡疊在光發(fā)射層的兩個面上，形成垂直腔器件。鍵合層包括與InAlGaN異質(zhì)結(jié)的歐姆接觸層和與導(dǎo)電主襯底的歐姆接觸層。
圖4A-D示出切割I(lǐng)nAlGaN光發(fā)射器件的優(yōu)選實施方案。在圖4A中，將生長在藍寶石襯底上的InAlGaN層覆以歐姆接觸層和鍵合層。在圖4B中，主襯底在去除藍寶石襯底之前與InAlGaN層鍵合。在圖4C中，通過對InAlGaN器件進行臺面刻蝕界定InAlGaN器件。在圖4D中，最后通過切割主襯底將器件分離。
本發(fā)明考慮制備垂直導(dǎo)電InAlGaN光發(fā)射器件，其中與InAlGaN器件層的歐姆接觸位于InAlGaN器件層的相對面上，即頂面和底面。
圖1示出了本發(fā)明的一個優(yōu)選結(jié)構(gòu)。開始，InAlGaN光發(fā)射器件20生長在犧牲生長襯底30上，例如藍寶石。生長的結(jié)構(gòu)具有外露的p型層20a。反射歐姆接觸18淀積在p型InAlGaN層20a的頂面。然后，利用置于InAlGaN光發(fā)射層20和主襯底12之間的鍵合層16將InAlGaN結(jié)構(gòu)鍵合到主襯底12。鍵合層16的材料應(yīng)當(dāng)能夠提供較強的機械鍵合，并且導(dǎo)電。通常，鍵合層包括多個層，淀積在InAlGaN器件層上的第一鍵合層16a和淀積在主襯底上的第二鍵合層16b。鍵合層16是利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方法淀積的，例如電子束蒸發(fā)、濺射和電子鍍。鍵合之后，利用本領(lǐng)域眾知的襯底去除技術(shù)中的一種除去犧牲藍寶石生長襯底30，例如對犧牲層進行激光熔化、機械拋光和化學(xué)刻蝕。然后，對InAlGaN層進行圖形化、刻蝕和連接，以制備電注入光發(fā)射器件。鍵合層用作低阻抗電流擴展層、與p-InAlGaN層的歐姆接觸層和與主襯底的粘結(jié)層。
圖2示出了另一個優(yōu)選實施方案。類似于圖1，InAlGaN光發(fā)射器件層生長在要去除的襯底30上，反射歐姆接觸18淀積在外露的p型層20a上。現(xiàn)在，InAlGaN結(jié)構(gòu)20+18通過鍵合層16與導(dǎo)電主襯底12鍵合。該襯底可以是半導(dǎo)體、絕緣體或金屬。在半導(dǎo)體襯底情況下，鍵合層必需靠近襯底24a或包括與襯底24a的歐姆接觸層，第二歐姆接觸施加在與鍵合界面24b相對的襯底面上。在與主襯底粘結(jié)之后，去除犧牲生長襯底，n型歐姆接觸22提供給n-InAlGaN層。結(jié)果，完成了垂直導(dǎo)電InAlGaN光發(fā)射器件。該器件由于半導(dǎo)體或金屬主襯底的低電阻率而具有優(yōu)異的電流擴展性，使得正向電壓很低和電光轉(zhuǎn)換效率很高。此外，因為器件頂面只有一個歐姆接觸，在制備器件的第二個歐姆接觸的過程中沒有去除器件的任何有源區(qū)，所以與商用器件的40％相比，高于75％的可用有源區(qū)保留下來，用于光發(fā)射。
圖3示出了另一個優(yōu)選實施方案。在這種情況下，DBR反射鏡疊層26a以及p面歐姆接觸18淀積在p-InAlGaN層20a上。反射鏡疊層包括一種或多種下述材料絕緣體、半導(dǎo)體和金屬。結(jié)構(gòu)通過向主襯底12提供粘結(jié)和向p面歐姆接觸金屬18提供電接觸的鍵合層16與主襯底12鍵合。鍵合層16的材料和厚度在粘結(jié)主襯底的過程中不應(yīng)損害DBR反射鏡疊層的反射率。在除去犧牲生長襯底30之后，第二DBR反射鏡疊層26b淀積在InAlGaN垂直腔光電結(jié)構(gòu)的與第一反射鏡疊層26a相對的面上。任選的第二反射鏡疊層26b經(jīng)圖形化、刻蝕，為n型歐姆接觸22提供面積。對于垂直腔面發(fā)射激光器，反射鏡必需具有非常高的反射率，大于99％。對于諧振腔LED，可以放寬對反射鏡的反射率的要求(大于60％)。第一和第二襯底歐姆接觸24a、24b形成了垂直導(dǎo)電器件。
圖4示出了制備InAlGaN光發(fā)射器件的優(yōu)選方法。圖4a示出生長在生長襯底30之上、且在p型InAlGaN層的頂面上淀積有反射歐姆銀接觸18的InAlGaN光發(fā)射層20a和20b。銀是優(yōu)選的p型歐姆接觸，因為它對InAlGaN光發(fā)射器件發(fā)射出的典型光波長具有很高的反射率，并且與p型InAlGaN的接觸阻抗很低。另外，對于利用非藍寶石生長襯底的n型層生長的InAlGaN層，鋁是一種較好的歐姆金屬，因為它不僅在InAlGaN器件發(fā)射的典型可見光波長范圍內(nèi)具有高反射率，而且還能與n型InAlGaN形成極好的歐姆接觸。上面的器件結(jié)構(gòu)示出了一個具有第一24a和第二24b歐姆接觸以便于垂直導(dǎo)電的低阻抗主襯底12。鍵合層16a可以淀積在第一襯底歐姆接觸的頂面。第二鍵合層16可以任選地淀積在p面歐姆接觸18的頂面，以便于后續(xù)步驟中的機械加強金屬晶片鍵合。在圖4b中，主襯底是通過鍵合層與InAlGaN層鍵合的晶片。在圖4c中，已經(jīng)去除了生長襯底30，并提供了與n-InAlGaN層的歐姆接觸22。然后，透過InAlGaN層刻蝕出臺面32，以界定各個器件的有源區(qū)。在圖4d中，主襯底已經(jīng)被切割成獨立的InAlGaN光發(fā)射器件。對于主襯底，硅是優(yōu)選的，因為它很容易減薄和切成非常小的芯片，而且與其它常用襯底相比，具有較低的電阻率和較高的熱導(dǎo)率。這種方法允許簡單地切割I(lǐng)nAlGaN器件，避免切割藍寶石帶來的問題。還有可能在粘結(jié)到主襯底之前刻蝕臺面，而不是在去除生長襯底之后。
權(quán)利要求
1.一種InAlGaN光發(fā)射器件，包括主襯底(12)；AlInGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)(20)，包括接近主襯底頂面的、第一和第二極性的器件層；與AlInGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的頂面的第一器件接觸(18)；晶片鍵合層(16)，置于主襯底和AlInGaN結(jié)構(gòu)之間；和第二器件接觸(22)，位于晶片鍵合層之內(nèi)，與AlInGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的底面電連接。
2.權(quán)利要求1的器件，其中第二器件接觸(22)包含至少50％的銀。
3.權(quán)利要求1的器件，其中第二器件接觸(22)包含至少50％的鋁。
4.權(quán)利要求1的器件，其中主襯底(12)由包括金屬和半導(dǎo)體的材料組中選擇。
5.權(quán)利要求4的器件，其中主襯底(12)由包括銀、鍺、玻璃、銅和砷化鎵的材料組中選擇。
6.權(quán)利要求4的器件，其中主襯底(12)是半導(dǎo)體，它還包括位于主襯底的頂面上的第一襯底歐姆接觸(24A)。
7.權(quán)利要求6的器件，還包括與主襯底的底面電連接的第二襯底歐姆接觸(24B)。
8.權(quán)利要求1的器件，還包括一對位于構(gòu)成邊發(fā)射激光器的InAlGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的兩個相對面上的拋光反射鏡。
9.權(quán)利要求1的器件，還包括第一介質(zhì)布拉格反射器反射鏡(26A)，位于InAlGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的頂面；和第二介質(zhì)布拉格反射器反射鏡(26B)，位于晶片鍵合層內(nèi)部，靠近InAlGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的底面。
10.制備垂直導(dǎo)電AlInGaN光發(fā)射器件的方法，包括步驟在生長襯底上生長具有第一和第二極性的器件層的AlInGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)；在InAlGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的外露面上淀積第一歐姆金屬層；在主襯底上淀積第二歐姆金屬層；和晶片鍵合第一和第二歐姆金屬層，以便在晶片鍵合界面內(nèi)形成第一電接觸。
11.權(quán)利要求10的方法，其中第一歐姆金屬層是由包括銀、鎳、鋁、金和鈷的材料組中選取的。
12.權(quán)利要求10的方法，還包括步驟去除生長襯底；和在InAlGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的新暴露出來的面上制備第二電接觸。
13.權(quán)利要求12的方法，還包括透過AlInGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)刻蝕出與所需器件尺寸相對應(yīng)的臺面的步驟。
14.權(quán)利要求13的方法，還包括分離主襯底的步驟。
15.權(quán)利要求10的方法，其中生長InAlGaN光發(fā)射結(jié)構(gòu)的步驟包括在生長襯底上生長厚度大于50微米的AlInGaN薄膜的步驟。
16.權(quán)利要求10的方法，其中主襯底由包括金屬和半導(dǎo)體的材料組中選擇。
全文摘要
描述了制備InAlGaN光發(fā)射器件的設(shè)備和技術(shù),其方法是由藍寶石生長襯底去除光發(fā)射層。在數(shù)個實施方案中,描述了制備垂直InAlGaN光發(fā)射二極管結(jié)構(gòu)的技術(shù),這種結(jié)構(gòu)可以提高性能和或降低成本。此外,還利用了金屬鍵合、襯底剝離、和新穎的RIE器件隔離技術(shù),以高效地在根據(jù)其導(dǎo)熱率和制備的難易程度來選擇的襯底上制備垂直GaN LED。
文檔編號H01S5/323GK1262528SQ9912643
公開日2000年8月9日 申請日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月5日
發(fā)明者C·C·科曼, 小F·A·基希, M·R·克拉梅斯, P·S·馬丁 申請人:惠普公司