發射輻射的半導體芯片的制作方法
【專利摘要】提出一種發射輻射的半導體芯片（1），所述半導體芯片具有帶有半導體層序列（2）的半導體本體，其中帶有半導體層序列的半導體本體在豎直方向上在第一主面（21）和第二主面（22）之間延伸；半導體層序列具有設置用于產生輻射的有源區域（5）、第一導電類型的第一區域（3）和與第一導電類型不同的第二導電類型的第二區域（4）；第一區域在豎直方向上在第一主面和有源區域之間延伸；第二區域在豎直方向上在第二主面和有源區域之間延伸；有源區域的至少一個層基于砷化物的化合物半導體材料；并且第一區域或第二區域關于在豎直方向上的相應的伸展至少一半基于磷化物的化合物半導體材料。
【專利說明】發射輻射的半導體芯片
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發射輻射的半導體芯片。
【背景技術】
[0002]對于制造具有紅外光譜范圍中的發射波長的發光二級管，砷化物的化合物半導體材料是尤其合適的。然而，考慮到器件的符合環保性而期望盡可能地棄用砷。此外，基于砷化物的化合物半導體材料的已知的紅外發光二級管顯示出相對低的溫度穩定性。這就是說，所發射的輻射功率隨半導體芯片的溫度的上升而相對大幅地下降。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是，提出一種用于在紅外光譜范圍中發射的器件，所述器件的特征在于改進的符合環保性。此外，應提高溫度穩定性。
[0004]該目的通過根據權利要求1的發射輻射的半導體芯片來實現。設計方案和改進形式是從屬權利要求的主題。
[0005]在一個實施形式中，發射輻射的半導體芯片具有帶有半導體層序列的半導體本體。半導體本體在豎直方向上在第一主面和第二主面之間延伸。半導體層序列具有設置用于產生輻射的有源區域、第一導電類型的第一區域和與第一導電類型不同的第二導電類型的第二區域。第一區域在豎直方向上在第一主面和有源區域之間延伸。第二區域在豎直方向上在第二主面和有源區域之間延伸。有源區域的至少一個層基于砷化物的化合物半導體材料。第一區域或第二區域關于在豎`直方向上的相應的伸展至少一半基于磷化物的化合物半導體材料。
[0006]換言之，第一區域的和/或第二區域的至少一半的厚度基于磷化物的化合物半導體材料。第一區域的和/或第二區域的基于磷化物的化合物半導體材料的部分能夠在豎直方向上連續地或者以在豎直方向上彼此間隔的兩個或更多的子區域的方式構成在第一區域中或第二區域中。
[0007]半導體芯片也能夠具有多于一個有源區域。在該情況下，第一區域在第一主面和最接近第一主面的有源區域之間延伸。相應地，第二區域在第二主面和最接近第二主面的有源區域之間延伸。
[0008]基于砷化物的化合物半導體材料在本文中表示:層或區域包括II1-V族化合物半導體材料，其中V族晶格位置主要地、也就是說至少至51%由砷占據。優選地，V族晶格位置的至少60%、尤其優選至少80%由砷占據。尤其，化合物半導體材料通過材料體系InxAlyGa1_x_yP1_zAsz 形成,其中1>0 ^ y ^ 1、x+y ^ I 且 0.51<ζ?^ 1、尤其 ζ=1。
[0009]相應地，基于磷化物的化合物半導體材料在本文中表示:層或區域包括II1-V族化合物半導體材料，其中V族晶格位置主要地、也就是說至少至51%由磷占據。優選地，V族晶格位置的至少60%、尤其優選至少80%由磷占據。尤其，化合物半導體材料通過材料體系InxAlyGa1_x_yP1_zAsz 形成,其中1>0 ^ y ^ 1、x+y ^ I 且 0<ζ<0.49。[0010]豎直方向在本文中理解為垂直于半導體層序列的半導體層的主延伸平面伸展的方向。
[0011]因此，在第一和/或第二區域中，相對于基于砷化物的半導體材料的常規的半導體芯片，至少部分地通過磷化物的化合物半導體材料取代砷化物的半導體材料。半導體芯片的砷含量能夠降低，而所放射的輻射的峰值波長不改變。
[0012]優選地，第一區域和第二區域關于在豎直方向上的相應的伸展至少一半、尤其優選至少至70%基于磷化物的化合物半導體材料。
[0013]在一個優選的設計方案中，磷化物的化合物半導體材料通過材料體系InxAlyGah_yPhAsz 形成，其中 O ≤ x ≤ 0.6、0 ≤ y ≤ 1、x+y ≤ I 且 O ≤ z ≤ 0.3。
[0014]此外優選的是,對于砷含量z適用的關系是O < z < 0.1,尤其優選O < z < 0.05。
[0015]在一個優選的設計方案中，對于磷化物的化合物半導體材料的銦含量X適用的是
0.0.6、優選0.5 < X < 0.56。具有在所述范圍中的銦含量的磷化物的化合物半導體材料、尤其無砷的磷化物的化合物半導體材料與砷化物的化合物半導體材料晶格匹配或者盡可能地晶格匹配，使得能夠簡化地以高的晶體質量沉積半導體芯片的半導體層序列。
[0016]在一個優選的改進形式中，整個第一區域的V族晶格位置的最多20%和/或整個第二區域的V族晶格位置的最多20%由砷占據。在有源區域之外的砷份額越低，半導體芯片的砷份額就越大幅地下降，而沒有改變由有源區域產生的輻射的峰值波長。
[0017]第一區域和 第二區域優選分別構成為是多層的。
[0018]在一個優選的設計方案中，第一區域具有鄰接于第一主面的接觸區域。相應地，第二區域優選具有鄰接于第二主面的第二接觸區域。
[0019]在接觸區域和有源區域之間優選構成勢壘區域。相應地，在第二接觸區域和有源區域之間構成第二勢壘區域。
[0020]勢壘區域優選為接觸區域的至少兩倍厚、尤其優選至少五倍厚。因此在將砷化物的化合物半導體材料用于接觸區域時，也能夠將半導體芯片的砷含量整體上保持得低。
[0021]優選地，第一勢壘區域和第二勢壘區域分別具有比有源區域的設置在勢壘區域之間的層更大的帶隙。
[0022]勢壘區域中的至少一個或其至少一個區域還能夠構成為用于與該區域的導電類型相反的導電類型的載流子勢壘。這就是說，η型傳導區域中的勢壘層能夠構成為空穴勢壘，P型傳導區域中的勢壘區域能夠構成為電子勢壘。
[0023]優選地，第一勢壘區域的和/或第二勢壘區域的V族晶格位置的最多10%、尤其優選最多5%、最優選最多1%由砷占據。尤其優選的是，第一勢壘區域和/或第二勢壘區域不具有砷。因此，不具有砷的半導體層能夠在一側上或兩側上鄰接于有源區域。
[0024]在另一優選的設計方案中，有源區域具有量子阱結構。術語量子阱結構在本申請的范圍內尤其包括其中載流子由于約束(“Confinement”)而能夠經受其能量狀態的量子化的任何結構。特別地，術語量子阱結構不包含任何關于量子化維度的說明。因此，其還包括量子阱、量子線和和量子點和這些結構的任意的組合。
[0025]優選地，量子阱結構具有至少一個量子層和至少一個勢壘層。量子阱結構尤其能夠具有三個和二十個之間的量子層，其中包括邊界值，其中在兩個相鄰的量子層之間優選分別設置有勢壘層。[0026]在一個優選的改進形式中，量子阱結構的至少一個勢壘層、尤其優選量子阱結構的全部勢壘層基于磷化物的化合物半導體材料。在該實施方案中，能夠將半導體芯片構造成，使得僅構成用于產生輻射的量子層基于砷化物的化合物半導體材料，而半導體芯片的其余的半導體層完全地或至少部分地基于磷化物的化合物半導體材料。半導體本體中的砷份額因此能夠被盡可能地降低。
[0027]優選地，整個半導體本體的V族晶格位置的最多25%、尤其優選最多15%、最優選最多5%由砷占據。特別地，整個半導體本體的V族晶格位置的最多1%由砷占據。
[0028]在一個優選的設計方案中，將用于半導體本體的優選外延地沉積的半導體層序列的生長襯底完全地或至少局部地移除。這種半導體芯片也稱作薄膜半導體芯片。尤其砷化鎵適合作為用于砷化物的化合物半導體材料的生長襯底。通過移除生長襯底能夠降低半導體芯片的砷份額。
[0029]在一個優選的改進形式中，將半導體本體設置在載體上，所述載體與生長襯底不同并且所述載體機械地穩定半導體層序列。載體例如能夠包含半導體材料、例如鍺或硅或者由這樣的材料構成。替選地或補充地，載體也能夠包含電絕緣的材料，例如陶瓷、如氮化鋁或氮化硼或由這樣的材料構成。也能夠應用金屬、例如鑰或鎳。此外優選的是，載體能夠是半導體芯片的一部分。在制造半導體芯片時，載體能夠在從晶片復合物中分割時產生。
[0030]在另一優選的改進形式中，在半導體本體和載體之間設置有金屬的鏡層。在有源區域中產生且沿朝載體的方向放射的輻射能夠在鏡層上反射并且隨后從半導體本體的與載體相對置的主面射出。鏡層例如能夠包含金。金在紅外光譜范圍中的特征在于尤其高的反射性。替選地，也能夠為鏡層使用其他的材料，例如鋁、銀、銠、鈀、鎳或鉻或者具有所述金屬中的至少一種的金屬合金。
[0031]已經證明:具有基于砷化物的化合物半導體材料的有源區域的半導體本體的半導體材料的相對大的份額能夠以基于磷化物的化合物半導體的方式構成，而晶體質量沒有變差。
[0032]優選地，半導體芯片的砷份額總共最高為0.5%、尤其優選最高為0.1%。
[0033]此外發現，通過基于磷化物的化合物半導體材料、尤其基于無砷的或基本上無砷的化合物半導體材料的勢壘區域能夠實現更高的溫度穩定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]從結合附圖對實施例進行的下述描述中得到另外的特征、設計方案和有利方案。
[0035]附圖示出:
[0036]圖1示出半導體芯片的層結構的一個實施例的示意剖面圖；以及
[0037]圖2和3分別示出與常規的砷化物的化合物半導體芯片相比的、在半導體芯片運行中放射的輻射的發射強度分別與不同的半導體芯片的溫度相關的測量結果。
【具體實施方式】
[0038]相同的、同類的或起相同作用的元件在附圖中設有相同的附圖標記。
[0039]附圖中示出的元件彼此間的大小關系和附圖不能夠視為是合乎比例的。更確切地說，為了更好的可視性和/或為了更好的理解能夠夸大地示出個別元件。[0040]在圖1中示出發射輻射的半導體芯片I的一個實施例的示意剖面圖。半導體芯片包括具有形成半導體本體的半導體層序列的半導體芯片2。半導體層序列2優選外延地沉積在生長襯底、例如砷化鎵上。半導體芯片I還包括載體6，半導體芯片2設置在所述載體上。借助于連接層62將載體和半導體芯片機械穩定地彼此連接。對于載體6和半導體芯片2之間的導電的連接，焊料或導電的粘接層尤其適合用于連接層。
[0041]在半導體本體2和載體6之間設置有金屬的鏡層61。鏡層設置用于反射在運行中在有源區域中產生且沿朝載體6的方向放射的輻射。在紅外光譜范圍中，尤其金適合用于鏡層。但是與此不同的是，也能夠應用在本申請的概論部分中所提出的材料之一。
[0042]半導體層序列2包括設置用于產生輻射的有源區域5。有源區域5設置在第一導電類型的第一區域3和與第一導電類型不同的第二導電類型的第二區域4之間。例如，第一區域3能夠以P型傳導的方式構成并且第二子區域能夠以η型傳導的方式構成或反之。
[0043]半導體本體2在垂直于半導體本體2的半導體層序列的半導體層的主延伸平面伸展的豎直方向上在第一主面21和第二主面22之間延伸。有源區域5具有多個量子層51，在這些量子層之間分別設置有勢壘層52。在有源區域的兩側上，在最外的量子層上鄰接有各一個間隔層53。間隔層53和勢壘層52能夠相似地或關于材料組成和/或厚度彼此不同地構成。為了簡化地描述僅示出三個量子層。優選地，半導體本體具有3和20個之間的量子層，尤其優選5個和15個之間的量子層，其中包括邊界值。但是不同于此，有源區域能夠僅具有一個量子層。
[0044]有源區域5優選未摻雜地或者本征摻雜地構成。
[0045]第一區域3具有鄰接于有源區域5的勢壘層31。第一勢壘層31優選具有比有源區域5的半導體層更大的帶隙并且還優選形成載流子勢壘。在第一區域3的P型傳導的設計方案中，載流子勢壘構成為電子勢壘。在第一勢壘層31的背離有源區域5的一側上，第一區域3具有第一接觸區域32。第一接觸區域32優選借助于下述材料構成，對于所述材料而言能夠以簡單的方式實現與設置用于外部電接觸的第一接觸部71的歐姆接觸。
[0046]類似于第一區域3，第二區域4具有第二勢壘區域41和第二接觸區域42。
[0047]在載體6的背離半導體本體2的一側上設有第二接觸部72。通過在第一接觸部和第二接觸部之間施加電壓，將載流子從不同側注入到有源區5中并且能夠在那里在發射輻射的情況下復合。
[0048]接觸部71、72設置在外延的半導體本體2之外并且優選包含金屬、例如金、銀、鉬、鈦、鎳、鋁或銠或具有上述材料中的至少一種的合金。
[0049]接觸部71、72的設置方式和設計方案能夠在大范圍內自由選擇，只要能夠經由接觸部將載流子從不同側注入到有源區域中。例如，接觸部71、72能夠設置在半導體本體2的背離載體6的一側上。載體在該情況下也能夠是電絕緣的，例如借助于陶瓷、如氮化鋁或氮化硼構成。此外，也能夠將兩個接觸部設置在載體的背離半導體本體2的一側上。例如，在載體中能夠構成有貫通接觸部，接觸部通過所述貫通接觸部導電地與半導體本體連接。
[0050]所描述的層結構為了更好的可視性而簡化地繪出。各個區域能夠本身分別單層地或也能夠多層地構成。
[0051]有源區域5優選設置用于在紅外的光譜范圍中、尤其在700nm和1500nm之間的波長范圍中產生輻射，其中包括邊界值。[0052]下面，根據三個實施例描述半導體本體2的材料組成，其中能夠分別應用在上面描述且在圖1中示出的結構。
[0053]有源區域5、即量子層51和勢壘層52基于砷化物的化合物半導體材料。能夠經由量子層的材料組成調節發射波長。例如，能夠借助具有7%鋁含量、81%鎵含量和12%銦含量且砷作為唯一的V族材料的量子層實現SlOnm的發射波長。
[0054]在該實施例中，量子層的厚度大約為4.6nm。在具有總共12個量子層的結構中，有源區域5的總厚度大約為500nm。
[0055]有源區域的厚度尤其能夠根據發射波長和量子層的數量來變化。特別地，厚度能夠為3nm和Iym之間，其中包括邊界值。例如，一個量子層中厚度能夠為5nm。在多個量子層的情況下，有源區域的厚度優選為50nm和500nm之間，尤其優選200nm和500nm之間，其中包括邊界值。
[0056]第一勢壘區域31和第二勢壘區域41分別構成為基于磷化物的化合物半導體材料的無砷的半導體層。
[0057]基于磷化物的化合物半導體材料的半導體層序列的半導體層優選包含45%和60%之間的、尤其優選50%和56%之間的銦含量，其中包括邊界值。因此，能夠簡化地實現相對于砷化物的化合物半導材料的晶格匹配。 [0058]接觸區域32、42在該實施例中能夠構成為砷化物的化合物半導體材料區域，例如基于AlxInyGanyPhAsz，其中O≤x≤1、0≤y≤l、x+y≤1。特別地，接觸區域32、42的砷化物的化合物半導體材料能夠無銦地或者基本上無銦地構成。直接鄰接于第一主面21或鄰接于第二主面22的半導體材料優選是GaAs。因此，能夠以簡單的方式來實現與第一接觸部71或與鏡層61的具有歐姆特性的良好的電連接。
[0059]勢壘層31、41優選明顯厚于接觸區域32、42，優選至少為相關聯的接觸區域的兩倍厚、尤其優選至少為五倍厚。因此，在將砷化物的化合物半導體材料用于接觸區域時，第一區域3和第二區域4也關于相應的豎直的伸展至少一半基于磷化物的化合物半導體材料。因此，半導體芯片也能夠借助具有作為唯一的V族材料的砷的接觸區域32、42而總共具有相對低的砷份額。
[0060]例如，在有源區域的厚度為500nm、兩個接觸區域32、42的總厚度總共為500nm的總厚度為6μπι的半導體本體2中，在勢壘區域31、42的無砷的設計方案中，砷含量例如與V族位置的數量相關地為六分之一進而為半導體本體2總共的晶格位置的十二分之一。借助典型明顯厚于半導體本體2、例如具有50 μ m和200 μ m之間的厚度的無砷的載體6,半導體芯片中的砷份額總共能夠降低成顯著低于5%、優選降低成1%或更小。
[0061]與此不同的是，在基于砷化物的化合物半導體材料、沒有移除生長襯底的常規的半導體芯片中，半導體本體的和載體的全部V族晶格位置由砷占據，使得半導體芯片的半導體材料總共大約50%由砷構成。
[0062]與所描述的設計方案不同的是，磷化物的化合物半導體材料不必一定以無砷的方式構成。為了盡可能大幅地降低砷含量，由砷對V族位置的占據率、即砷份額z優選為最高30%、優選最高10%、最優選最高5%。
[0063]勢壘區域31、41和接觸區域32、42的厚度和材料組成優選構成為，使得整個第一區域的V族晶格位置的最多20%和/或整個第二區域的V族晶格位置的最多20%由砷占據。[0064]與所描述的設計方案不同的是，也能夠僅將勢壘區域31、32中的一個以基于磷化物的化合物半導體材料的方式構成。在外延沉積半導體本體的半導體層序列2期間的砷化物的化合物半導體材料和磷化物的化合物半導體材料之間的過渡部的數量能夠由此被降低。然而為了盡可能地降低砷份額優選這兩個勢壘區域無砷地或至少基本上無砷地構成。
[0065]在半導體本體2的材料組分的第二實施例中，半導體層基本上如結合第一實施例描述的那樣構成。
[0066]與此不同的是，接觸區域32、42同樣以基于磷化物的化合物半導體材料的方式構成。因此，在該情況下，整個第一區域和整個第二區域基于磷化物的化合物半導體材料。特別地，這兩個區域能夠以無砷的方式構成。因此，還能夠盡可能地降低砷含量。
[0067]在材料組成的第三實施例中，第一區域3和第二區域4能夠如結合第一或第二實施例所描述的那樣構成。與這些實施例不同的是，有源區域5的勢壘層52也以基于磷化物的化合物半導體材料的方式構成。因此，在該情況下，僅有源區域的量子層51以基于砷化物的化合物半導體材料的方式構成。
[0068]因此，在該情況下，量子層能夠是半導體本體2的唯一的、基于砷化物的化合物半導體材料的層。在12個量子層各自具有5nm厚度且半導體本體2的總厚度為6 μ m的情況下，半導體本體2的V族晶格位置的砷占據率總共能夠降低到大約1%進而半導體本體的砷含量總共降低到大約0.5%。
[0069]因此，半導體芯片的砷含量已經能夠在載體厚度為25μπι的情況下下降到小于
0.1%。
[0070]在圖2和3中分別與半導體芯片的溫度相關地示出對于具有磷化物的勢壘區域和SlOnm發射波長的半導體芯片的通過曲線81或82示出的在運行中產生的輻射的歸一化為室溫下的數值的強度。與此相比，曲線91或92示出對基于砷化物的化合物半導體材料的常規的半導體芯片的測量。在70mA (圖2)和200mA (圖3)的電流下進行測量，其中半導體芯片以未澆注的方式安裝在T018殼體中。電流輸送分別以20ms的持續時間的脈沖來進行。
[0071]對于這兩個電流值而言，具有基于磷化物的化合物半導體材料的勢壘區域的曲線示出較平的走向，使得強度在較高的溫度下與在對比樣品中相比更緩慢地下降。
[0072]因此，測量證明半導體芯片的所描述的設計方案在改進符合環保性的同時引起溫度穩定性的改進。
[0073]本申請要求德國專利申請10 2011 114 380.0的優先權，其公開內容通過參引并入本文。
[0074]本發明不通過根據實施例進行的描述而限制于此。更確切地說，本發明包括每個新的特征以及特征的任意的組合，這尤其是包含在權利要求中的特征的任意的組合，即使這些特征或這些組合本身并未明確地在權利要求或實施例中說明也如此。
【權利要求】
1.一種發射輻射的半導體芯片(1)，所述半導體芯片包括具有半導體層序列(2)的半導體本體，其中 -具有所述半導體層序列的所述半導體本體在豎直方向上在第一主面(21)和第二主面(22)之間延伸； -所述半導體層序列具有設置用于產生輻射的有源區域(5)、第一導電類型的第一區域(3)和與所述第一導電類型不同的第二導電類型的第二區域(4)； -所述第一區域在豎直方向上在所述第一主面和所述有源區域之間延伸； -所述第二區域在豎直方向上在所述第二主面和所述有源區域之間延伸； -所述有源區域的至少一個層基于砷化物的化合物半導體材料；并且 -所述第一區域或所述第二區域關于在豎直方向上的相應的伸展至少一半基于磷化物的化合物半導體材料。
2.根據權利要求1所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述第一區域和所述第二區域關于在豎直方向上的相應的伸展至少一半基于磷化物的化合物半導體材料。
3.根據權利要求1或2所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述磷化物的化合物半導體材料通過材料體系InxAlyGa1IyP1IAsz形成,其中O≤x≤0.6、0≤y≤1、x+y≤I且O≤ z ≤ 0.3o
4.根據權利要求3所述的發射輻射的半導體芯片，其中適用的是0.45 < X < 0.6、優選0.5≤X≤0.56。
5.根據權利要求3或4所述的發射輻射的半導體芯片，其中適用的是O< z < 0.05。
6.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中整個所述第一區域的V族晶格位置的最多20%和/或整個所述第二區域的V族晶格位置的最多20%由砷占據。
7.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述第一區域具有鄰接于所述第一主面的接觸區域(31)并且在所述接觸區域和所述有源區域之間具有勢壘區域(32)并且所述勢壘區域的V族晶格位置的最多10%由砷占據。
8.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中第一所述勢壘區域不具有砷。
9.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述有源區域具有帶有至少一個量子層(51)和至少一個勢壘層(52 )的量子阱結構。
10.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述量子阱結構的至少一個勢壘層基于磷化物的化合物半導體材料。
11.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述半導體本體的V族晶格位置的最多15%由神占據。
12.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中整個所述第一區域和/或整個所述第二區域基于磷化物的化合物半導體材料。
13.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中用于所述半導體本體的所述半導體層序列的生長襯底被完全地或至少局部地移除。
14.根據上述權利要求中的任一項所述的發射輻射的半導體芯片，其中所述半導體本體設置在載體(6)上，所述載體使所述半導體層序列機械地穩定并且在所述半導體本體和所述載體之間設置有金屬的鏡層(61)。
15.根據權利要求1所述的發射輻射的半導體芯片，其中 -所述第一區域和所述第二區域關于在豎直方向上的相應的伸展至少一半基于磷化物的化合物半導體材料；和 -所述磷化物的化合物半導體材料通過材料體系InxAlyGamPhAsz形成，其中.0.45 ≤ X ≤ 0.6、0 ≤ y ≤ 0.55、x+y ≤ I 且 O ≤ z ≤ 0.05。
【文檔編號】H01L33/30GK103828072SQ201280046500
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月30日 優先權日:2011年9月23日
【發明者】馬丁·魯道夫·貝林格, 克里斯托夫·克倫普, 伊瓦爾·通林, 彼得·海德博恩 申請人:歐司朗光電半導體有限公司