CN100442557C - 用于施加到ⅲ/ⅴ化合物半导体材料上的具有多个层的反射层系统 - Google Patents

Abstract

本发明说明了一种用于制造反射层系统的方法以及一种用于施加到III/V化合物半导体材料(4)上的反射层系统，其中包含磷硅玻璃的第一层(1)直接施加到半导体衬底(4)上。包含氮化硅的第二层(2)位于第一层上。接着，施加金属层(3)。

Description

用于施加到Ⅲ/Ⅴ化合物半导体材料上的具有多个层的反射层系统

技术领域

本发明涉及一种用于光电子半导体芯片的、用于施加到III/V化合物半导体材料上的具有多个层的反射层系统。

背景技术

用于偏转光线的反射层通常不仅位于光电半导体芯片的外表面上而且位于光电子半导体芯片的内部，其中通常希望反射层在所有空间方向上都具有高反射率。为此，积分反射率R_int可用作标准。在这样的情况下，其涉及由层系统反射的强度R(θ)在所反射的角度范围上的标准化的积分：

为了获得在所有空间角度上的都具有高反射率的反射层，除纯金属层之外也可以使用由具有低折射率的介电层与反射的金属层构成的组合物。

例如二氧化硅根据其折射率可用作介电层材料。但是，对于III/V化合物半导体材料上的反射层系统的结构，二氧化硅具有的缺点是，其热膨胀系数明显与III/V化合物半导体的热膨胀系数不同，这会导致附着问题。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于施加到III/V化合物半导体材料上的具有最优化的积分反射率和最优化的稳定性的反射层系统，以及一种用于制造这种反射层系统的方法。

该任务通过一种反射层系统来解决，其具有在III/V化合物半导体材料上的、包含磷硅玻璃的介电层以及位于所述介电层上的金属层，其特征在于所述介电层与所述金属层之间的封闭层，所述封闭层将所述介电层封闭以防止来自周围环境的湿气进入。

在从属权利要求中说明反射层系统的一些有利的改进方案。

在根据本发明的反射层系统中，包含磷硅玻璃(PSG)的介电层位于待设置以反射层系统的III/V化合物半导体表面上。从III/V化合物半导体表面来看，另一金属层优选直接接着介电层。优选地，介电层直接位于该III/V化合物半导体表面上。

另一些层例如包含金的层也可位于层系统上，并且可用于通过施加压力和温度将反射层系统的表面与其它表面相连。

与纯二氧化硅层相比，包含磷硅玻璃的介电层具有的优点是，其热膨胀系数可通过磷酸盐含量的变化来改变。因此，介电层的热膨胀系数可尤其是与III/V化合物半导体的热膨胀系数相匹配。由此，避免了例如在III/V化合物半导体表面上为纯二氧化硅层时由于不同的热膨胀系数会出现的附着问题。

同时，如从标题为“Physical Properties of Phosphorus-Silica Glassin Fiber Preforms”(Journal of Communications Technology andElectronics，1998，43，4，480-484页)的出版物中可获知，包含磷硅玻璃的层的折射率并不显著地不同于纯二氧化硅层的折射率，在此通过引用将该出版物的公开内容纳入本文。

这样构造的反射层系统具有最优化的积分反射率同时有足够的机械稳定性。

由一些分子层(Molekuellagen)构成的例如用于增附的其它层可位于包含磷硅玻璃的介电层与III/V化合物半导体衬底之间。

反射层系统也可以施加到其光学特性与III/V化合物半导体材料的光学特性相似的其它材料、如硒化锌上。

在介电层与金属层之间优选有一封闭层，该封闭层使介电层相对于芯片周围环境封闭并且因此最大程度地防止了湿气侵害。因为磷硅玻璃由于其磷酸盐成分是强烈地吸湿的，由此与水结合会形成磷酸，因此当金属层在工艺技术上不能足够顺利地直接施加到介电层上时，这将是特别有意义的。

优选的是，封闭层包含氮化硅(并非必须是化学计量的)或者SiO_xN_y，其中x，y∈[0；1]且x+y＝1。这样的材料提供了这样的优点，即它对于待反射的电磁辐射是最大程度地透射的并且对随后的金属层是良好的附着基础(Haftungsgrund)。

在反射层系统的一种特别优选的实施形式中，这样地选择介电层的磷酸盐含量，使得其热膨胀系数与III/V化合物半导体材料相匹配，这有利地显著改进了附着特性。

此外，在反射层系统的一种另外特别优选的实施形式中，金属层包含选自由金、锌、银和铝构成的组中的至少一种材料。

可能的是，用于增附的另一层位于金属层下方。这种增附层优选包含Cr或者Ti。

包括TiW:N的第四阻挡层优选位于反射层系统的金属层上。在该上下文中，TiW:N表示一种膜材料，通过在氮气氛中同时将材料Ti和W施加到表面上来构造该膜材料。替换地或者附加地，阻挡层也可以包含Ni、Nb、Pt、Ni:V、TaN或者TiN。

阻挡层具有这样的任务，即防止位于其下方的反射层系统的至少个别的层受到来自周围环境或者由于其它工艺的有害影响。因此，可施加这种层，例如用作防止反射层系统与金属熔液接触的保护，该接触例如在以后的焊接过程中会出现。替换地，阻挡层也可以是对来自周围环境的湿气的屏障。例如有意义的是，下面的层中之一包含银，以便防止银迁移。

优选的是，为了电接触，将导电的接触部位构造为穿过反射层系统，这些接触部位通过所有隔离的层产生III/V半导体材料的导电的连接。通过这种方式，薄膜LED芯片的有源层序列例如可以从背侧电接触。

此外，在本发明的一种有利的实施形式中，反射层系统的单个的或者所有的层可以仅构造在III/V半导体表面的部分区域上。以这样的方式，反射层系统仅仅在需要芯片的功能的地方被完整地构造。如果III/V半导体表面已结构化，则接着结构化之后也可施加这些层。

特别优选的是，将反射层系统施加到基于GaN、GaP或者GaAs的III/V化合物半导体材料上。

在该上下文中，“基于GaN的III/V化合物半导体材料”表示，这样表示的材料优选包括Al_nGa_mIn_1-n-mN，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。在此，该材料并非一定必须具有根据上述分子式数学上精确的成分，更准确地说，它可具有基本上不改变材料的典型物理特性的一种或者多种掺杂物质以及附加的成分。然而，虽然晶格的主要成分可部分由少量的其它物质代替，为了简单起见，上述分子式还是仅仅包含晶格的主要组成部分(Al、Ga、In、N)。

在该上下文中，“基于GaP的III/V化合物半导体材料”表示，这样表示的材料优选包括Al_nGa_mIn_1-n-mP，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。在此，该材料并非一定必须具有根据上述分子式数学上精确的成分，更准确地说，它可具有基本上不改变材料的典型物理特性的一种或者多种掺杂物质以及附加的成分。然而，虽然晶格的主要成分可部分由少量的其它物质代替，为了简单起见，上述分子式还是仅仅包含晶格的主要组成部分(Al、Ga、In、P)。

在该上下文中，“基于GaAs的III/V化合物半导体材料”表示，这样表示的材料优选包括Al_nGa_mIn_1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。在此，该材料并非一定必须具有根据上述分子式数学上精确的成分，更准确地说，它可具有基本上不改变材料的典型物理特性的一种或者多种掺杂物质以及附加的成分。然而，虽然晶格的主要成分可部分由少量的其它物质代替，为了简单起见，上述分子式还是仅仅包含晶格的主要组成部分(Al、Ga、In、As)。

特别优选的是，根据本发明的反射层系统适于应用在薄膜发光二极管芯片(薄膜LED芯片)中，因为反射层结构在此位于芯片的内部并且堆叠的机械上稳定的接合对于半导体的功能和可靠性是重要的。

薄膜LED芯片的特色在于以下特征：

-在可产生电磁辐射的、有源外延层序列的朝着支撑元件的第一主面上施加或者构造反射层，该反射层将在外延层序列中产生的电磁辐射的至少一部分向回反射进外延层序列中；以及

-外延层序列具有在20μm或者更小范围内的厚度、尤其是在10μm范围内的厚度。

优选地，外延层序列包含至少一个带至少一个平面的半导体层，该平面具有混合结构，在理想情况下该混合结构导致光在外延的外延层序列中近似各态历经的分布，即其具有尽可能各态历经的随机散射特性。

例如，在1993年10月18日I.Schnitzer等人所著的Appl.Phys.Lett.63(16)，2174-2176页中描述了薄膜发光二极管芯片的基本原理，在此通过引用将其公开的内容纳入本文。

薄膜发光二极管芯片很好地近似为朗伯(Lambert)表面辐射器。

反射层系统的所有或者数个层可借助化学气相沉积方法(CVD方法)来沉积。在此，该方法例如可以是等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD方法)或者是低压化学气相沉积方法(LPCVD方法)。

对磷硅玻璃膜的沉积的影响因素在1973年Baliga等人著(1973年B.J.Baliga和S.K.Ghandhi所著J.Appl.Phys.44，3，990页)的出版物中描述，其公开内容通过引用纳入本文。

附图说明

从以下所描述的实施例中得到反射层系统以及制造反射层系统的方法的另一些优点、有利的实施形式和改进方案，参照附图1a至1c、2a至2b、3和4阐述这些实施例。

其中：

图1a至1b示出了III/V化合物半导体表面上的反射层系统的示意性截面图，

图1c示出了被结构化的III/V化合物半导体表面上的反射层系统的示意性截面图，

图2a至2b示出了在具有不同的电接触部位的被结构化的III/V化合物半导体表面上的反射层系统的示意性截面图，

图3示出了图表，在该图表中根据介电层的厚度绘制了在折射率n＝3.4的衬底上由不同的介电和金属层构成的层序列的积分反射率，以及

图4示出了图表，在该图表中根据电磁辐射的波长绘制了层系统的积分反射率，该层系统包含在折射率n＝3.4的衬底上的由氮化硅构成的介电层和由金构成的金属层。

在这些实施例和附图中，相同或者作用相同的构件分别设有相同的参考标记。附图所示的元素、特别是所示层的厚度不能看作是符合比例的。更准确地说，为了更好的理解可部分夸大地表示这些元件。

具体实施方式

根据图1a的反射层系统在III/V化合物半导体材料4上具有由PSG材料构成的介电层1，该材料的磷酸盐含量优选在大约20％的范围内，以便使介电层1的热膨胀系数与III/V化合物半导体材料4的热膨胀系数匹配。在1974年B.J.Baliga和S.K.Ghandhi所著的IEEE Trans.Electron.Dev.ED21，7，410-764页的出版物中描述了改变磷酸盐含量时磷硅玻璃的热膨胀系数的变化，其公开内容通过引用纳入本文。从III/V化合物半导体材料4来看，金属层3设置在介电层1后，该金属层3包含诸如金、锌、银和/或铝。在这样的情况下，对于介电层1典型的层厚度为700nm而对金属层3典型的层厚度为600nm。例如含有Cr或者Ti的增附层7可以位于金属层3下方。

在根据图1b的反射层系统中，例如由氮化硅或者氮氧化硅构成的封闭层2位于PSG层1与金属层3之间，封闭层针对来自周围环境的湿气和其它不利影响对PSG层1进行封闭。这样的封闭层典型地可以具有50nm的厚度。

例如含有TiW:N、Ni、Nb、Pt、Ni:V、TaN、TiN的另一层还可以作为阻挡层6施加到反射层系统上。这样的阻挡层6具有这样的任务，即保护反射层系统或者反射层系统的个别层受到来自周围环境或者随后的工艺的影响。

特别是，TiW:N可作为具有200nm的典型厚度的阻挡层6施加到该层系统上。

根据图1c，反射层系统位于以截顶棱锥结构化的III/V化合物半导体材料上。这些截顶棱锥用含磷硅玻璃的介电层1包覆，该介电层又用另一封闭层2封闭。连续的金属层3位于封闭层上。

这样的设置导致对介电层1的更好的封闭，因为这样的设置没有会与芯片周围环境中的湿气接触的裸露的区域、诸如侧边缘。金属层3也有助于对第一层1的封闭。通过这样的层系统有针对地仅在截顶棱锥41上实现了最优化的反射效果。

为了通过反射层系统来电接触III/V半导体材料4，可将一些电接触部位5构造到截顶棱锥41上。例如在图2a中示意性地表示了一些接触部位5，通过将一些孔刻蚀进介电层1和封闭层2中并且接着施加金属层3来制造这些接触部位。在此，金属材料垂直方向上至少部分地以及水平方向上整面地填满这些孔，由此，金属层3连续地与III/V化合物半导体衬底4导电地相连。

替换所描述的光刻的结构化方法，也可使用激光方法来制造接触部位5。在此，例如在介电层1中以及(如果存在)在封闭层2中借助激光产生用于接触部位5的窗口。在这些窗口中露出衬底4。这些窗口例如具有1μm至20μm的直径，使得在接下来的工艺步骤中产生具有这样尺寸的直径的接触部位5。接着，沉积金属层3。在此，金属材料垂直方向上至少部分地以及水平方向上整面地填满窗口，由此将金属层3连续地与III/V化合物半导体衬底4导电地相连。

在图2b中示意性地表示了电接触部位5的另一种可能的构型(Auspraegung)。不同于按照根据图2a的实施例的接触部位5，这些接触部位5的垂直伸展至少与介电层1和封闭层2的高度相应。

例如可以如以下所描述的那样来产生这些电接触部位5：

在第一步骤中，用于接触部位5的窗口借助被结构化的掩膜、例如由光敏的光刻胶层构成的掩膜而被刻蚀到介电层1和封闭层2中。之后，在其上沉积金属层3，使得金属材料垂直方向上至少部分地以及水平方向上整面地填满这些窗口。在接下来的步骤中，例如借助合适的溶剂去除光刻胶层，其中金属层3的位于光蚀层上的部分被消除，使得仅还剩下电接触部位5。为了使反射层系统完整，现在可施加金属层3，该金属层产生单个接触部位5之间的电横向连接。

替换借助光刻方法对接触部位5进行结构化，在这样的情况下也可以借助上面所描述的激光方法来对接触部位5进行结构化。

当代替氮化硅由二氧化硅构成介电层1时，由在具有折射率n＝3.4的衬底4(如一种半导体材料)上的介电层1和金属层3构成的反射层系统具有提高的积分反射率(参照图3)。在这样的情况下，衬底4例如可以由具有折射率为3.4的半导体材料构成。

图4示出了根据层系统的被反射的电磁辐射的波长的积分反射率的值，该层系统由在折射率为3.4的、例如由半导体材料构成的衬底4上的厚度400nm的金层和氮化硅层构成。在此可以看出，层系统的积分反射率随着被反射的电磁辐射的波长而增加。

磷硅玻璃(介电层1)可借助CVD方法沉积在III/V化合物半导体材料上，例如用PECVD方法。在PECVD方法中所使用的混合气体例如包含纯氧或一氧化二氮作为氧供给物，包含磷化氢或者亚磷酸三甲酯(Trimethylphosphite)作为磷供给物，以及包含硅烷、乙硅烷、二氯硅烷、二乙基硅烷(Diethylsilan)或者正硅酸乙酯(Tetraethoxysilan)作为硅供给物。可往相应混合物掺入氩或者氮作为稀释气体。特别经常被使用的混合气体包含硅烷，氧气和磷化氢，或正硅酸乙酯、氧气和磷化氢。在接下来的工艺步骤中，这样被沉积的PSG层(介电层1)可在原位置用氮化硅(封闭层2)封闭。在另一步骤中，现在施加金属层(金属层3)。替换地，也可以使用LPCVD方法。

如在这些实施例中所描述的反射层系统可被施加到基于GaN、GaAs或者GaN的III/V化合物半导体材料4上，III/V化合物半导体材料例如包含发射光子的有源的层序列。特别是，在这样的情况下可以涉及薄膜LED芯片的发射光子的有源的层序列。

发射光子的有源的层序列例如可以具有传统的pn结、双异质结构、单量子阱(SQW结构)或者多量子阱结构(MQW结构)。这些结构对技术人员是已知的而因此在此未更详细地阐述。单量子阱的表述在本申请的范围内包括任意的这种结构，在该结构中，载流子通过限制(“confinement”)而经历其能量状态的量子化。特别是，量子阱结构的表述不包含关于量子化维度的说明。因此，其可能尤其是包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。

出于完整性必须指出，本发明当然并不限于这些实施例，而是所有通常以所阐述的基本原则的一部分为基础的实施形式都落入本发明的范围内。同时，必须指出，不同的实施形式的不同元素可以彼此组合。

本专利申请文件要求德国专利申请102004031684.8-11和102004040277.9-33的优先权，它们的公开内容通过引用纳入本文。

本发明并不受到参照实施例的说明的限制。更准确地说，本发明包括任何新的特征以及这些特征的任意组合，特别是包含权利要求中的特征的任意组合，即使这些特征和这些组合本身未在权利要求或实施形式中明确说明。

Claims (14)

1、一种用于施加到III/V化合物半导体材料(4)上的反射层系统，

其具有在所述III/V化合物半导体材料(4)上的、包含磷硅玻璃的介电层(1)以及位于所述介电层(1)上的金属层(3)，

其特征在于所述介电层(1)与所述金属层(3)之间的封闭层(2)，所述封闭层将所述介电层(1)封闭以防止来自周围环境的湿气进入。

2、根据权利要求1所述的反射层系统，其特征在于，所述封闭层(2)包含氮化硅。

3、根据权利要求1所述的反射层系统，其特征在于，封闭层(2)包含SiO_xN_y，其中x，y ∈[0；1]且x+y ＝1。

4、根据上述权利要求中任一项所述的反射层系统，其特征在于，选择所述介电层(1)的磷酸盐含量，使得所述介电层的热膨胀系数与所述III/V化合物半导体材料(4)的热膨胀系数相匹配。

5、根据权利要求1至3中任一项所述的反射层系统，其特征在于，所述金属层(3)包含选自金、锌、银和铝中的至少一种材料。

6、根据权利要求1至3中任一项所述的反射层系统，其特征在于，增附层(7)位于所述金属层(3)与所述介电层(1)之间。

7、根据权利要求6所述的反射层系统，其特征在于，在所述金属层(3)与所述介电层(1)之间的增附层(7)包含Cr或者Ti。

8、根据权利要求1至3中任一项所述的反射层系统，其特征在于，另一阻挡层(6)位于所述金属层(3)上，所述阻挡层包括选自TiW:N、Ni、Nb、Pt、Ni:V、TaN和TiN中的至少一种材料。

9、根据权利要求1至3中任一项所述的反射层系统，其特征在于，将导电的接触部位(5)构造为穿过所述反射层系统，所述导电的接触部位产生从III/V半导体材料至最上面的层的导电连接。

10、根据权利要求9所述的反射层系统，其特征在于，借助刻蚀产生所述接触部位(5)。

11、根据权利要求9所述的反射层系统，其特征在于，借助激光产生所述接触部位(5)。

12、根据权利要求1至3中任一项所述的反射层系统，其特征在于，所述反射层系统中的一个或者更多个层和/或所述III/V化合物半导体材料(4)的表面被结构化。

13、根据权利要求1至3中任一项所述的反射层系统，其特征在于，所述III/V化合物半导体材料包含至少一种基于GaAs、GaN或者GaP的材料。

14、一种薄膜发光二极管芯片，其特征在于，所述薄膜发光二极管芯片包含权利要求1至3中任一项所述的反射层系统。

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