CN1218997A - 制备多个半导体的方法 - Google Patents

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Abstract

制备多个半导体(1)的方法,其方法步骤如下:－将掩模层(4)覆着在基片(19)的主面(9)上,－在掩模层(4)上形成多个窗口(10),在窗口内基片(19)的主面(9)露在外面,－半导体层序列(18)沉积在窗口(10)内露在外面的主面(9)上并且－对采用此方式制备的基片(24)进行分割。

Description

制备多个半导体的方法
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于制备多个半导体，尤其是发光半导体的方法。
本发明尤其涉及-一种用于制备多个发光二极管芯片的方法，其中在基片的主面上沉积有多层半导体层，这些半导体层中至少有一层具有连接半导体材料，该材料以GaN一为基础，例如GaN、GaAN、InGaN或InAlGaN和-一种用于制备多个边棱发光半导体激光器芯片的方法，该半导体芯片在至少两个相对的侧面上具有相互平面平行的激光反射面。
上述这些方法都是已知的。在制备发光二极管芯片时例如在半导体基片上外延生长电致发光半导体层序列。对该所谓的外延基片接着在其为实现发光二极管芯片电触接进行触接金属化后，用锯分割成发光二极管芯片。在三极管芯片、集成电路芯片等中采用的也是类似的方法。
在EP0599224Al中对一种方法做了说明，其中在一基片上外延沉积多层InxGa1-xN层，该多层InxGa1-xN层形成发光二极管(LED)层序列，该层序列在整个基片上延伸。在发光二极管层序列沉积、采用蚀刻方法结构化并敷着多层触接金属后，基片被分成多个单个的发光二极管芯片，其中对在触接金属间的基片例如可采用锯进行分割。
在沉积Ga(In,Al)N-发光二极管结构时，与基片材料无关氮化物对应于相应的基片存在偏差大的晶格常数的特殊问题。另一个棘手的问题是供使用的基片材料(例如蓝宝石或SiC)和Ga(In,Al)N系统的热膨胀系数的差异很大。由此导致的不同的热膨胀造成，在将基片由生长温度冷却到室温时在基片上会出现温度感应扭曲。这将导致半导体结构的缺陷，首先是“裂纹”、孔等，这些缺陷将会对者如ESD-稳定度、寿命等造成持续不利的影响。所谓的Ga(In,Al)N系Ga1-x-yInxAlyN，其中0≤x＜1、0≤y＜1和x+y＜1。
另外一个在Ga(In,Al)N发光二极管结构中出现的问题在于，这种材料系统在化学上过于稳定。该特性将在器件结构化时带来很大的问题。在基片上的Ga(In,Al)N-层序列的结构化只能用诸如干法蚀刻方法或紫外线支持的湿化学蚀刻方法等技术上昂贵的方法才能实现。
另外由于例如蓝宝石和GaN具有很强的硬度，因而只有付出很大的技术代价才能对其锯割。
在采用已知的方法制备边棱发光激光器二极管时，为实现激光反射面将顺基片的结晶方向切割具有激光器二极管结构的外延半导体基片。
在不同的基片晶体上制备由不同种类的半导体材料构成的半导体越来越不容许利用基片的结晶方向进行简单的切割制各激光反射面。故需要采用诸如湿法或干法蚀刻方法等昂贵的技术，以便精确的平面平行地并且粗糙度很小地实现激光反射面。诸如Ga(In,Al)N等各种半导体材料系统甚至还具有耐通常的湿化学蚀刻特性。在此情况时则要完全依赖于技术代价高并因而昂贵的干蚀刻方法。
本发明的任务在于，提出一种本说明书引言部分中所述方式的方法，该方法可以实现甚至在采用机械和化学非常稳定的半导体材料和/或其晶格常数差异很大的基片一和外延层材料时以简单的方式对具有精确定义的侧表面和/或其晶体干扰得到降低的多个半导体的制备。
尤其提出一种用于制备Ga(In,Al)N-发光二极管芯片的方法，采用此方法可减少半导体结构中的晶体干扰并且其中可采用简单的方法对Ga(In,Al)N-层序列结构化。
另外尤其提出一种用于制备边棱发射的激光器半导体的激光反射面的简单的方法，所述激光器半导体尤其由材料系统Ga(In,Al)N的各种半导体层构成。
该任务通过采用具有权利要求1特征的方法得以解决。本发明方法的有益的进一步设计，尤其是用于制备Ga(In,Al)N-发光二极管芯片和用于制备边棱发射的Ga(In,Al)N-半导体激光器芯片的特别优选的方法是从属权利要求2至13的主题。
采用本方法时优选首先在基片上涂覆一易于蚀刻的掩模，对该掩模接着利用照像技术设置多个掩模孔(窗口)，在掩模孔内使基片的主面露出来。接着在窗口内基片的主面上沉积发光二极管结构或半导体激光器结构的半导体层序列。在此，窗口对半导体层序列的侧边形状进行限定。在采用此方式制成的基片上设置触接金属后，将其分割成单个的发光二极管芯片或半导体激光器芯片。
宜由SiO2或SixN1-x构成的介电层作为掩模并且例如利用均质的湿化学蚀刻方法(例如采用通常的窗口蚀刻溶液)或利用干化学蚀刻方法制备窗口，所述方法优选对应于基片材料有选择性。
本方法特别优选在其基片由SiC、蓝宝石或GaN构成的并且其半导体层序列至少具有一个由材料系统Ga(In,Al)N构成的半导体层的半导体中应用。
这些半导体尤其是发光二极管结构或导体激光器结构[例如边棱发射的激光器二极管和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)二极管]，上述结构至少具有一个由以GaN为基础的Ⅲ-Ⅴ-连接半导体的材料系统，例如Ga1-x-yInxAlyN，构成的半导体层，其中0≤x＜1,0≤y＜1和x+y＜1，这是因为在开始时提及的问题以极大的程度体现出来。
例如发射蓝光或绿光的激光器二极管，其中备有一个边棱发射的激光器一半导体结构作为半导体层序列，该激光器半导体结构在两个相对的侧面上具有相互平面平行的激光反射面。采用本发明方法对由两个相互精确的平面平行的掩模孔的侧面限定激光反射面。
在制备边棱发射的半导体激光器芯片时优选重新去除掉掩模层，优选采用选择蚀刻方法(对半导体层序列有选择性)。
在把采用此方式制备的基片分割成单个芯片时，在发光二极管结构间仅将掩模层(如果该层没有被预先去除掉)，基片和必要时覆着在背侧(等于与发光二极管结构相背的基片主面)的触接金属进行切割。在采用此方法时通过对基片的锯和/或折断处理有益的是不会造成对半导体层序列的损伤。
而且在制备发光二极管芯片时有益的是，在将基片分割成发光二极管芯片前去除掉位于发光二极管结构间的掩模层，从而使各相互分开的发光二极管结构保留在基片上。接着仅需将基片和必要时在其背侧的触接金属在发光二极管结构间切割开。
例如利用湿化学蚀刻方法在发光二极管结构沉积后对掩模层进行有选择的去除，采用此方法时根本不会或仅在很小的范围内去除掉发光二极管结构。
本方法的优点一方面在于，在芯片的半导体层序列外延前对以后的发光二极管芯片或半导体激光芯片的形状和尺寸进行确定，从而与已知的方法相比节省了多道工序。
另一方面本发明有益地实现了在预先确定的窗口内被夹紧的结构的沉积。沉积的晶体在此可以向三个空间方向上延展并从而在容积内化解潜在的张力，而不必形成相应的位移。
另外在晶体中的缺陷很少，这是因为在生长时已经化解了结晶层中的张力。
在上面所述的已知的平面外延的情况下(没有掩模)在晶体中化解潜在的张力时将会产生缺陷。这些缺陷将会对以后的器件造成持续的不利影响，例如使寿命缩短并大大降低ESD-稳定度。因此采用本发明方法缺陷的减少将直接体现在这些器件特性的改善上。
本方法的主要特征在于在掩模孔(窗口)内发光二极管结构或半导体激光器结构的选择沉积。选定的掩模层以及沉积条件应使在掩模上并不进行Ga(In,Al)N-材料的外延，即单晶沉积。
本方法既适于作为生长-基底材料的蓝宝石又适用于作为生长-基底材料的SiC、Si、GaAs、GaN、AlN等。用此方法可以避免在为制备各种发光二极管-或半导体激光器芯片而折断或蚀刻利用平面外延方法制备的片，尤其是Ga(In,Al)N-外延基片时出现的许多困难。
在本方法的一优选的实施方式中，在将掩模层覆着前，在生长基片上生长一例如由Ga(In,Al)N构成的缓冲层。在该缓冲层上然后在下一个工序中沉积掩模层和发光二极管结构或半导体激光器结构的半导体层序列。此点可以有益地改善半导体层序列的生长条件。
本发明方法在制备边棱发射的半导体激光器芯片的一个主要的优点在于，在半导体层序列的外延沉积前已对激光反射面进行了限定。掩模层其中优选至少具有一厚度，该厚度与设置的激光器-半导体的导光段相符并垂直定位于设置的激光器-半导体的光源段内。利用湿化学或干化学蚀刻方法对激光反射面，并且只要可能在该层内对半导体层序列的限界进行蚀刻，其中要注意实现尽可能锐的蚀刻边棱和光滑的蚀刻侧面。在此过程中已按照其几何比例确定出半导体激光器芯片的半导体层序列的以后的侧面形状。
在形成的蚀刻窗口内基底材料露在外面，该基底材料作为基底面用于接着进行的外延。通过选择外延，其中半导体层序列的半导体材料仅沉积在窗口内的基片表面，接着制备出激光器结构，尤其是激光器半导体的导光的以及活性段。
在结束外延后采用相应的化学药品通过蚀刻将易于蚀刻的层湿化学或干化学地去除掉。由此产生的结构这时已具有带有精确限定的激光反射面的激光器半导体的几何轮廓。
下面对照三个实施例结合图1至10对本方法做进一步的说明。
图1至6示出制备发光二极管的方法过程(第一实施例)。图7中示出一发光二极管芯片，该芯片是按照本发明的方法制成的(第二实施例)。图8至10示出制备边棱发射的激光器-半导体的方法过程(第三实施例)。
在图中用相同的附图标记分别标示相同的或等同的组件。
按照图1至6的实施例：
首先在一优选由SiC构成的生长基片3的主面5上例如利用金属有机物气相外延覆着一导电的半导体层6(例如一缓冲层)，该层例如由GaN和或AlGaN构成。在该由生长基底3和半导体层6构成的基片19上接着覆着一例如由SiO2或SixN1-x构成的掩模4，在该掩模上又重新沉积一感光胶层17。在图1中示出采用此方式制备的基片20。
在对感光胶层17进行通常的感光技术结构化后在掩模层4上例如以已知的方式利用优选对半导体层6材料有选择性的均质湿化学(例如光刻溶液)或干化学蚀刻方法12(图2)设置多个掩模孔10(窗口)，从而在掩模孔10内使与生长基片3相背的半导体层6的主面露出来(图3)。
在接着的方法步骤中例如利用金属有机物气相外延口(图3)在窗口10内露在外面的半导体层6的主面9上选择外延沉积一个由多个Ga(In,Al)N-层构成的Ga(In,Al)N-半导体层序列。所谓的“选择外延”系发光二极管结构的半导体材料仅外延，即单晶沉积在半导体层6的主面9上，而不是掩模层4上。如果不是这样，在掩模层4上进行的也是多晶生长。
Ga(In,Al)N-半导体层序列18具有例如一设置在n-掺杂21和P掺杂GayAl1-yN(0≤y≤1)-防护层双间的光发射活性层23，该层由n-掺杂的InxGa1-xN(0＜x＜1)构成。
发光二极管芯片100的Ga(In,Al)N半导体层序列的各层的成分、层厚、掺杂等根据半导体技术是已知的，故在此不再赘述。同样这也适用于SiO2和SixN1-x的均质和非均质的蚀刻的蚀刻方法。
如图4所示，在Ga(In,Al)N-半导体层序列18的选择外延后利用对Ga(In,Al)N-半导体层序列18有选择性的湿化学或干化学蚀刻14由基片24(确切地说，由半导体层6的主面9)上去除掉掩模层4，并使露在外面的发光二极管结构2保留在基片19上(图5)。
如图5所示，为对发光二极管结构2进行触接，在其前侧还必须覆着前侧-触接金属15。该工序宜在去除掉掩模层4之前例如采用照像和金属化方法进行。为此又可以采用半导体技术通用的金属化方法。
同样对与发光二极管结构2相背的基片3侧在对发光二极管结构2处理前或处理后设置一背侧-触接金属层18。
此后将带有背侧触接金属层16的基片19在发光二极管结构2间分割开，从而形成各个发光二极管芯片100(图6)。
在采用本发明的方法时不必非得在覆着掩模层4前将半导体层8覆着在生长-基底3上。确切地说，掩模4可以直接沉积在生长-基底3的主面5上，这时基底本身构成基片19。在掩模4上制备窗口10后同样在生长-基片3的主面5上进行发光二极管结构2，必要时也包括缓冲层的选择外延。
采用类似的方式可以制备出VCSEL(垂直腔表面发射激光器芯片。
按照图7的实施例：
在将基片24切割成单个的发光二极管芯片100前并不将掩模层4去除掉，从而使发光二极管芯片100如图7所示在基片被切割后除发光二极管结构2外还备有掩模层4。因而可以有益地节省蚀刻工序。
按照图8至10的实施例：
首先在已覆着有一半导体层6(图中用虚线示出)的基片19的主面9上整个面上都覆着一掩模层4。生长-基底3例如由SiC或蓝宝石构成并且掩模层4由SiO2或SixN1-x构成。半导体层6必要时例如是-AlxGa1-xN-外延层(0≤x≤1)并且例如作为缓冲层。
接着例如通过在掩模层4上进行的湿法蚀刻或干法蚀刻形成多个窗口10(例如圆形的、矩形的或正方形的空隙或沟槽)，在这些窗口内露出基片19的主面9。用于蚀刻SiO2或SixN1-x的蚀刻方法根据半导体技术是已知的并因而在此不再赘述。
在下一个工序中利用选择外延在露在外面的基片19的主面9上覆着以Ga(In,Al)N为基础的边棱发射的激光器结构的半导体层序列。窗口10分别具有两个相对的平面平行的侧面7，所述侧面限定边棱发射的激光器结构2的两个相互平面平行的激光反射面8。
选择外延意味着，半导体层序列的半导体材料仅外延，即单晶沉积在基底表面上，而不是在掩模层上。
利用第一对基片19有选择的蚀刻工序形成窗口10并且利用第二对半导体层序列2有选择的蚀刻工序去除掉掩模层。
最后例如利用湿化学或干化学方法对基片19的蚀刻去除掉掩模层4，从而使作为激光器半导体的半导体层序列2仍露在基片3上。然后将采用此方式制出的基片切割成边棱发射的激光器芯片200。
对照这些实施例对本发明方法的说明当然不能被看作本发明就限定在这些实施例的范围内。专家可以在任何出现本说明书引言部分中所述问题的地方使用本方法。

Claims (14)

1、制备多个半导体芯片(1)，尤其是发光半导体芯片(100,200)的方法，其中在基片(19)的主面(9)上沉积半导体层序列(18)，其特征在于：
-掩模层(4)覆着在基片(19)上，
-掩模层(4)备有多个窗口(10)，在窗口内基片(19)的主面(9)露在外面，
-半导体层序列(18)沉积在窗口(10)内露在外面的基片(19)的主面(9)上，从而在窗口内形成功能相同的半导体结构(2)和
-通过在半导体结构(2)间的切割将采用此方式制备出的基片(24)被分成半导体芯片(1)。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：制备多个Ga(In,Al)N-发光二极管芯片(100)，其中Ga(In,Al)N-半导体层序列(18)沉积在在窗口(10)内露在外面的基片(19)的主面(9)上，从而在窗口(10)内产生Ga(In,Al)N-发光二极管结构(2)，并通过在Ga(In,Al)N-发光二极管结构(2)间的切割将采用此方式制备的基片(24)分割成Ga(In,Al)N-发光二极管芯片(100)。
3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：制备多个VCSEL(垂直腔表面发射激光器)-芯片，其中VCSEL-半导体层序列沉积在在窗口内露出的基片的主面上，从而在窗口内产生VCSEL-结构，并且通过在VCSEL-结构间的切割将采用此方式制备出的基片分割成VCSEL-芯片。
4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：制备多个边棱发射的半导体激光器芯片(200)，该种芯片在两个相对的侧面具有相互平面平行的激光反射面(8)，由两个相对的平面平行的窗口(10)的侧面(7)限定所述激光反射面(8)。
5、按照权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于：基片(19)至少具有一外延覆着的半导体层(6)，半导体层序列(18)沉积在窗口(10)内的该层上。
6、按照权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于：采用SiO2-或SixN1-x-层作为掩模层(4)。
7、按照权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于：基片(19)具有一生长-基底(3)，该基底主要由蓝宝石、SiC、GaN、AlN、Si或GaAs构成。
8、按照权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于：半导体结构(2)至少具有一个由材料系统Ga(In,Al)N的半导体层(23)。
9、按照权利要求5或权利要求6至8中引用了权利要求5的任何一项所述的方法，其特征在于：半导体层(6)主要由GaxAlx-1N(0≤x≤1)构成。
10、按照权利要求1至9中任何一项所述的方法，其特征在于，通过在基片(19)上选择的蚀刻步骤(12)制成窗口(10)。
11、按照权利要求1至10，其特征在于：采用非均质的干蚀刻方法形成窗口(10)。
12、按照权利要求1至11中任何一项所述的方法，其特征在于：对基片(24)切割前去除掉掩模层(4)。
13、按照权利要求12的方法，其特征在于：在半导体结构(2)沉积后利用对半导体结构(2)有选择性的蚀刻工序(14)去除掉掩模层(4)。
14、按照权利要求12或13的方法，其特征在于：在半导体结构(2)沉积后采用均质的湿化学蚀刻方法去除掉掩模层(4)。
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