[发明专利]用于III－V族化合物器件的低温Au－In－Au键合方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种适用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。

背景技术

随着III—V族化合物半导体光电器件的发展，InP基和GaAs基的光电器件结构已可以用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法外延生长，然而外延生长的InP基或GaAs基的热特性不好，影响了器件特性。常温下，未掺杂的InP的导热率为0.067w·cm^-1·k^-1，电阻率为109Ω·cm，未掺杂的GaAs的导热率为为0.044w·cm^-1·k^-1，电阻率为109Ω·cm，而InP基和GaAs基的三元系或四元系化合物的导热导电性则比InP或GaAs更差，而未掺杂的Si的导热率为为1.48w·cm^-1·k^-1，电阻率为2.3*10⁵Ω·cm。可以看出Si的导电导热性比InP或GaAs基III—V族化合物材料好得多。如果能把InP或GaAs基材料组装到Si衬底上，可大大改善光电器件的导电导热性能。但由于InP或GaAs与Si半导体材料之间的晶格失配度很高，热膨胀系数也存在比较大的差别，用外延方法去实现组装会产生大量缺陷，导致器件性能不好。而用金属键合则可很好地达到要求，并且好的金属键合过程不会使器件结构原有的光电性能变差。另外，外延的InP基或GaAs基微结构材料，根据光电器件制作要求，需要把InP或GaAs衬底去除，以便使跟衬底相邻的外延层暴露在外面进行器件制作，这就要求倒扣衬底。此外，在某些光电器件的外延层上蒸镀合适的金属膜可大大改善外延结构的光电性能，如分布布拉格反射镜(DBR)上蒸镀具有高反射率的Au可提高DBR的整体反射率。为了达到优异的器件性能，人们往往需要将InP基或GaAs基微结构材料、器件金属键合到Si衬底上以改善器件性能，方便器件制作，这是国内外III—V族半导体光电研究领域的热点之一。

金属键合方法不同于外延方法，也不同于直接键合方法。外延方法一般生长晶格匹配的材料，直接键合技术则直接组合两种不同的材料，而金属键合则通过纯金属或合金等媒介层，依靠金属键、金属与晶片表面间的扩散、金属熔融等作用牢固地键合，不仅组合了材料的优异性能，也充分利用了金属膜能改善器件光电性能的好处。并且金属键合过程中产生的位错等缺陷只存在于金属键合的交界面附近，而不会扩展到整个材料中，这几乎不影响键合前材料的性能。

国际上对金属键合技术做了一些研究，目前也有一些文献或专利报道，但到目前为至，有关低温Au-In-Au金属键合则鲜有报道。而相关的专利几乎没有。文献Homg R H，Wuu D S，Wei S C，Tseng C Y，Huang M F，Chang KH，Liu P H，Lin K C，“AlGaInP light-emitting diodes with mirror substratesfabricated by wafer bonding”.Appl.Phys.Lett.，1999，75(20)：3054～3056中报道了用Au/AuBe进行金属键合成功地制作了AlGaInP发光二极管，热压退火条件为：0.3N/cm²，300℃，20分钟。而文献Lin H C，Chang K L，Hsieh K C，Cheng K Y，Wang W H，“Metallic wafer bonding for the fabrication oflong-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers”，J.Appl.Phys.，2002，92(7)：4132～4134中则报道了用金属AuGeNiCr作为键合媒介层成功地把长波长VCSEL器件结构键合到Si衬底上，实现了衬底倒扣，改善了器件散热性能，其热压退火条件为：0.6kg/cm²，320℃，60分钟。这些金属键合技术与我们的技术有较大的不同，主要表现在：(1)采用的温度高，高的温度很容易引起III—V族化合物的分解和使材料结构特性发生变化；(2)使用的金属膜不同；(3)表面清洁，去氧化层的方法与本发明也不相同。

发明内容