[发明专利]垂直结构半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及制造具有顶部和底部接触结构的GaN基垂直结构半导体器件以及一种用于制造垂直结构器件的方法。

背景技术

图1示出在绝缘蓝宝石衬底114上制造的传统氮化镓(GaN)基(GaN-based)半导体器件100。该器件可应用于诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、异质结双极晶体管(HBT)、和高电子迁移率晶体管(HEMT)。在传统工艺中，该器件形成在蓝宝石衬底上，并且两个电接触部形成于器件的顶部上。P型接触部(p-contact)102形成在顶部上，并且采用台面蚀刻来去除材料以形成n型金属接触部(n-metal contact)118。产物被称为横向结构器件并且易于表现出若干问题，这些问题包括对静电放电(ESD)的弱抗性以及散热。这些问题都限制了器件产量和有效寿命。此外，蓝宝石材料非常坚硬，其难以进行晶片的磨削及抛光、以及器件分离(separation)。器件产量取决于后期制造工艺，其包括研磨(lapping)、抛光、以及芯片分离。

图2示出用于构造垂直结构GaN基化合物半导体200的第二种传统技术。激光剥离(LLO，laser lift-off)工艺用于通过采用具有通常在UV范围内的可透射蓝宝石的波长的准分子激光器，来从GaN外延层中去除蓝宝石衬底。随后，通过用导电或半导电的第二衬底218代替绝缘蓝宝石衬底来制造器件，以构造垂直结构器件。在通过激光剥离去除蓝宝石衬底之后这些工艺通常采用用于永久键合至第二衬底的晶片键合(wafer-bonding)技术。

然而，仍然缺少用于大规模生产VLED(垂直LED)的大规模激光剥离工艺。一个原因是因为由于在激光剥离之后外延层表面在整个晶片表面上不平坦导致支撑晶片218与外延层214之间的键合粘附层216以及永久第二衬底218的不均匀，使得难以进行大面积激光剥离。关于该晶片键合技术的另一问题是由于在共晶金属键合处理过程中的高温和高压造成金属接触部的退化(degradation)。此外，用于永久晶片键合的衬底(例如，Si或GaAs)与铜(Cu)基金属衬底相比，在散热方面不是最理想的衬底。这些问题降低了最终的产量并且没有提供对大规模生产商用器件的令人满意的解决方案。

图3示出旨在克服晶片键合问题并制造VLED的结构300。代替使用晶片键合方法，器件300的制造包括将金属支撑部318附着至器件。然而，因为在激光剥离处理过程中粘合层的分层(de-lamination)，产量被公认为很低。如果该键合对于高能量激光冲击波不稳定，在激光剥离之后GaN外延层可能变形或断裂，则难以执行后期激光剥离工艺，例如，晶片清洗、器件制造、松解(de-bonding)、以及器件分离。因此，最终的器件加工产量很低。

基于图3所示技术的垂直器件的其他问题在于很差的器件性能。由于在蓝宝石衬底上使用喷砂处理以提高均匀激光束能量分布，所以在激光剥离之后的GaN表面通常很粗糙，导致与平坦且光滑的表面相比，其输出较少的光。此外，在n-GaN层上形成的金属反射层不及非金属发射材料(例如，ITO)高。

由于传统技术的这些限制，需要一种在GaN基半导体器件的大规模生产中可提高器件性能和产量的新技术。

发明内容

本发明提供了一种制造具有极大提高的光输出的新的垂直结构化合物半导体器件的可靠技术及用于GaN基化合物半导体器件的大规模生产的高产量激光剥离(LLO)工艺。本发明的主题是通过电镀法在LLO之前采用直接金属支撑衬底沉积，以形成n型侧顶部垂直结构(n-side top vertical structure)。此外，紧邻p型接触层处采用ITO DBR层，以通过更高反射率ITO层提高光输出。穿孔金属晶片载体也用于晶片键合以容易处理和松解。相比于先前的基于LLO的垂直器件制造，新的制造工艺是简单且更可靠的工艺。与通过相同GaN/InGaN外延膜制造的横向器件的光输出相比，具有n型侧上部结构(n-side up structure)的新的垂直器件的光输出增加了2或3倍。

本发明的示例性实施例提供了一种制造半导体器件的方法。本发明包括以下步骤：在衬底上形成半导体层；在半导体层上形成金属层；从半导体层去除衬底；在去除了衬底的半导体层上形成一个或多个接触部；以及将半导体层分成多个独立的半导体器件。