CN101965649B - 具有反射层的光电子半导体芯片 - Google Patents
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Abstract
提出了一种光电子半导体芯片，具有：第一接触部位(1)和第二接触部位(2)；反射层(3)，其直接导电地连接到第二接触部位上，其中反射层(3)包含易于迁移的金属；并且反射层设置为使得对于该金属可以形成在第二接触部位和第一接触部位之间的迁移路径(4)，其中在半导体芯片上设置有装置(6)，其在半导体芯片的工作中形成抵抗金属迁移的电场。
Description
出版物US 7,265,392描述了一种具有含银的反射层的光电子半导体芯片。
一个要解决的任务在于提出一种光电子半导体芯片，其具有特别高的使用寿命。另一要解决的任务在于提出一种光电子半导体芯片，其可以特别简单地制造。另一要解决的任务在于提出一种特别高效的光电子半导体芯片。
本发明提出了一种光电子半导体芯片。该光电子半导体芯片例如是光发射二极管芯片。光发射二极管芯片可以是激光二极管芯片或者优选可以是发光二极管芯片。此外，可能的是，光电子半导体芯片是检测器芯片，譬如光电二极管芯片。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该光电子半导体芯片具有第一接触部位和第二接触部位。该光电子半导体芯片可以通过这些接触部位施加以电流用于驱动该光电子半导体芯片。第一接触部位例如是半导体芯片的n接触部。第二接触部位于是为半导体芯片的p接触部。第一接触部位例如可以通过接合垫形成。第二接触部位可以通过焊接金属化来形成。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该光电子半导体芯片包括反射层。该反射层设计为反射在光电子半导体芯片中产生的或者在光电子半导体芯片中要检测的电磁辐射。
反射层在此优选直接导电地连接到第二接触部位上。“直接导电地”在此表示：例如没有半导体材料在第二接触部位与反射层之间，而是反射层和第二接触部位直接彼此接触或者通过良好导电的材料(如金属)彼此连接。
反射层可以是镜。反射层对于在半导体芯片中产生的或者要检测的电磁辐射优选具有至少80％、优选至少90％的反射率。
反射层包含易于迁移的金属。“易于迁移的金属”表示：金属在外部电场中易于运动或扩散，运动或扩散通过外部电场来驱动。换言之，由于电场而将力作用于反射层中的金属上，这会导致金属从反射层中脱离。
例如，金属的离子于是可以沿着场线运动并且可以通过迁移到达光电子半导体芯片的区域中，离子在那里引起损伤。此外可能的是，易于迁移的金属由于在电场中的迁移运动离开半导体芯片到达例如光电子半导体芯片的壳体中，在那里其同样会造成损伤。
所引起的损伤例如可以以光电子半导体芯片的短路形式存在。此外，通过在电场中的迁移(即电子迁移)离开反射层会损伤反射层，使得其电学和光学特性受到不利影响。易于在电场中迁移的问题在此尤其是也出现在潮湿环境中。总之，金属迁移出反射层降低了光电子半导体芯片的使用寿命。
易于迁移的金属例如是银。在此情况下，于是银离子易于沿着在光电子半导体芯片中的电场线迁移。此外，可能的是，易于迁移的金属是其他金属譬如铜或者镍。
根据至少一个实施形式，反射层设置在光电子半导体芯片中，使得易于迁移的金属可以形成在第二接触部位和第一接触部位之间的迁移路径。例如，反射层直接与光电子半导体芯片的半导体本体邻接。第一接触部位和第二接触部位于是与半导体本体导电连接。由于在第二接触部位和反射层之间的导电连接，于是可以形成在第一接触部位和第二接触部位之间的半导体本体中的迁移路径。
存在迁移路径于是意味着，在光电子半导体芯片中尤其是不存在迁移阻挡或者迁移势垒，这种迁移阻挡或者迁移势垒会阻碍来自反射层的易于迁移的金属在光电子半导体芯片中的迁移。该光电子半导体芯片于是不含对于易于迁移的金属迁移出反射层的迁移势垒。省去这种迁移势垒导致可特别简单且由此成本低廉地制造的光电子半导体芯片。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，在半导体芯片上设置有如下装置，其在半导体芯片工作中形成电场，该电场抵抗金属的迁移。也就是说，在半导体芯片工作中一方面存在第一接触部位和第二接触部位之间的电场，其有利于来自反射层的金属在光电子半导体芯片中的电子迁移。上述装置在半导体芯片中抵抗该电场，该装置形成抵抗金属迁移的电场。
换言之，金属从反射层的脱离和金属在光电子半导体芯片中的迁移被防止或者至少被阻拦，其方式是尤其是半导体芯片的其中增强地发生金属迁移的关键部位通过电场来屏蔽。也就是说，在该光电子半导体芯片中，反射层并未用例如电介质或者金属阻挡物作为迁移势垒来包覆，而是通过屏蔽在半导体芯片中存在的电场或者通过相反电场来进行迁移抑制。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该光电子半导体芯片包括第一接触部位和第二接触部位以及反射层，该反射层直接导电地连接到第二接触部位上，其中反射层包含易于迁移的金属并且反射层设置为使得可以针对该金属形成在第二接触部位和第二接触部位之间的迁移路径。在半导体芯片上在此设置有如下装置：其在半导体芯片的工作中形成电场，该电场抵抗金属的迁移。该装置例如可以在边缘侧设置在光电子半导体芯片上。此外，可能的是其也至少局部地设置在半导体芯片中。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该装置借助导电材料形成，导电材料在第一接触部位和第二接触部位之间延伸。该导电材料在此直接导电地与第二接触部位连接。也就是说，存在导电材料对第二接触部位的直接的电连接。该导电材料和第二接触部位例如相互接触或者通过良好的电连接(例如金属连接)彼此相连。该材料在此设置在半导体芯片上，使得其在第一接触部位和第二接触部位之间延伸。也就是说，该材料至少局部地朝着来自反射层的易于迁移的金属的迁移路径方向延伸。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，光电子半导体芯片包括半导体本体，在该半导体本体的上侧上设置有第一接触部位而在该半导体本体的下侧上设置有第二接触部位。此外，光电子半导体芯片还包括反射层，该反射层与半导体本体直接接触。例如，反射层被施加到半导体本体的下侧上并且在半导体本体的下侧上直接与该半导体本体邻接。在此可能的是，反射层被结构化地施加到半导体本体的底面上。反射层与第二接触部位直接电接触，也就是说其直接导电地与第二接触部位连接。
例如，第二接触部位直接与反射层邻接。反射层于是设置在第二接触部位和半导体本体之间。通过将反射层设置在第二接触部位和半导体本体之间以及在反射层和半导体本体之间的直接接触，形成了针对易于迁移的金属的从反射层迁移到半导体本体中或者至在导体本体的边缘面上的迁移路径。该迁移路径例如在第二接触部位和第一接触部位之间走向，该第一接触部位设置在半导体本体的上侧上。
此外，光电子半导体芯片还包括至少一个芯片侧腹，其可以通过半导体本体的侧面形成。该芯片侧腹在此在半导体本体的上侧和下侧之间延伸。芯片侧腹可以形成半导体芯片的边缘面。在芯片侧腹上设置有导电材料，其与第二接触部位直接导电连接。也就是说，在半导体芯片的工作中形成电场的装置借助导电材料形成，该导电材料在芯片侧腹上。由于芯片侧腹设置在半导体本体的上侧和下侧之间，并且第一接触部位设置在半导体本体的上侧而第二接触部位设置在半导体本体的下侧上，所以导电材料在芯片侧腹上、也即在第一接触部位和第二接触部位之间延伸。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，导电材料在此并不是直接施加到芯片侧腹上，而是在芯片侧腹和导电材料之间存在电绝缘材料，其防止通过导电材料对半导体本体的接触。在半导体芯片的工作中形成电场的装置在此情况下由电绝缘材料和设置在电绝缘材料上的导电材料形成，该导电材料直接导电地与第二接触部位连接。电绝缘材料在此负责使导电材料不会将尤其是光电子半导体本体的设计用于产生辐射或者检测辐射的有源区短路。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，在半导体芯片的工作中第一接触部位在第一电势上。这例如可以通过如下方式来实现：第一电接触部位形成半导体本体的n侧的接触部。第一接触部位于是连接到电源的负极上。
此外，第二接触部位、反射层以及导电材料位于共同的第二电势上。这通过如下方式实现：不仅反射层而且导电材料都直接导电地与第二接触部位连接。第二接触部位于是例如可以连接到电源的正极上。
以此方式，一方面是第一电接触部位而另一方面是第二接触部位、反射层和导电材料位于彼此不同的第一和第二电势上。由于导电材料设置在第一接触部位和第二接触部位之间并且导电材料与反射层和第二接触部位一起位于共同的电势上的事实，导电材料用作在半导体芯片工作中形成电场的装置，该电场、也就是说在第一接触部位和第二接触部位之间形成的电场抵抗来自反射层的金属的迁移。
导电材料于是在反射层和第一接触部之间并且屏蔽在反射层的区域中的电场，使得例如来自反射层的金属离子并不被朝着第一接触部位吸引。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，反射层在此包含银或者其由银构成。银的特征在于，其在可见光的光谱的大的范围上具有高反射率。此外，银的特征还在于非常良好的导电性，使得其可以应用为电接触部。然而银尤其是以银离子形式具有在电场中迁移的高的倾向，这使得以通常的方式难以或者不可能将银用作光电子半导体芯片中的反射层。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，反射层结构化为使得在半导体本体的下侧上在第一接触部位投影到该下侧上的区域中半导体本体不含反射层。在该区域中，例如在第二接触部位和半导体本体之间可以设置有电绝缘材料，其防止在该区域中对半导体本体的供电。这具有如下优点：在第一接触部位的区域中不会有电流流入半导体本体的设计用于产生辐射或者进行检测的有源区中，使得在第一接触部位之下不产生辐射。即该辐射在第一接触部位上被吸收并且因此不会有助于产生光或者光检测。也就是说，在第一接触部位所处的地方在有源区中不产生电磁辐射。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，围绕第一接触部位从半导体本体的上侧将沟结构化到半导体本体中。该沟例如可以借助刻蚀来结构化。所述沟优选完全地包围第一接触部位，第一接触部位例如设置在半导体本体的上侧的中央部位处。换言之，沟例如环状地环绕第一接触部位。沟在此优选将有源区分开。特别优选地，沟一直延伸至反射层。也就是说，沟可以构建得深到使得其将半导体本体从其上侧直到其下侧完全分开。如此深的沟给出了一种特别有效的可能性来防止对在第一半导体层之下的有源区供电。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该光电子半导体芯片以薄膜结构方式实施。也就是说，该光电子半导体芯片包括半导体本体，其优选外延地生长到生长衬底上。生长衬底在外延地生长半导体本体之后优选被薄化，即减小其厚度，或者完全从半导体本体去除。半导体本体可以借助其背离原始生长衬底的侧来固定在支承体上。优选的是，反射层位于支承体和半导体本体之间。
顺序例如可以如下：在支承体的安装侧之后是第二接触部位，其例如可以通过焊接金属化物来形成。在第二接触部位之后直接是反射层，即反射层直接与第二接触部位接触。在反射层之后在该反射层的背离第二接触部位的侧上于是优选是半导体本体。半导体本体和反射层优选彼此直接接触。由于用于屏蔽在第一和第二接触部位之间的电场的装置而可以省去迁移阻挡或者迁移势垒，其中该迁移阻挡或者迁移势垒防止金属或者金属离子从支承体、第二接触部位和/或反射层迁移到半导体本体中。
下面将参照实施例和附图来详细地阐述在此所描述的半导体芯片。
图1借助示意性截面图示出了在此所描述的带有反射层的光电子半导体芯片的第一实施例，
图2借助示意性截面图示出了在此所描述的带有反射层的光电子半导体芯片的第二实施例。
相同、相似或者作用相同的元件在附图中设置有相同的附图标记。这些附图和在附图中所示的元件彼此间的大小关系并不能视为是合乎比例的。更确切地说，各个元件为了更好的表示和/或更好的理解可以被夸大地示出。
结合图1所描述的光电子半导体芯片例如是发光二极管芯片，其在工作中产生可见波长范围中的电磁辐射。该光电子半导体芯片包括半导体本体10。该半导体本体10优选外延地制造。例如，生长衬底(在图1中未示出)被从半导体本体10的上侧10a去除。半导体本体10在其背离上侧10a的下侧10b上被施加到支承体14上。半导体本体10例如基于氮化物化合物半导体材料。支承体14包含锗或者由锗构成。
“基于氮化物化合物半导体材料”在本上下文中表示：半导体层序列或者其至少一部分、特别优选是至少有源区具有氮化物化合物半导体材料，优选为AlnGamIn1-n-mN，或者由其构成，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。在此，该材料不必一定具有根据上式的在数学上精确的组分。更确切地说，其例如可以具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成部分。然而，出于简单的原因，上式仅仅包含晶格的主要组成部分(Al，Ga，In，N)，即使这些组成部分可以部分地通过少量其他材料代替和/或补充。
半导体本体10包括有源区9，其在该光电子半导体芯片中适于产生电磁辐射。有源区9包括pn结、双异质结构、单量子阱和/或多量子阱，用于产生辐射。术语“量子阱结构”在此并未包含关于量子化的维度的说明。其因此尤其是包括量子槽、量子线和量子点及这些结构的任意组合。
光电子半导体芯片在其上侧10a上包括第一电接触部位1。第一电接触部位1例如是用于n侧接触光电子半导体芯片的接合垫。第一接触部位例如可以包含金和/或铝，或者由这些材料之一构成。此外可能的是，第一接触部位由如下金属的至少一种构成，或者包含如下金属的至少一种：钛、铂、铬、镍。第一接触部位例如可以由如下材料组合物构成：TiPtAu、CrPtAu、NiAu。在此可能的是，不同的金属以层的形式彼此相叠地设置。
在半导体本体的下侧10b上，镜层3直接与半导体本体10接触。反射层3包含易于迁移的金属。反射层3在此可以包含如下金属之一或者由如下金属之一构成：铝、铂、银。特别优选地，反射层3由银构成。反射层3直接与半导体本体10邻接。也就是说，在反射层3和半导体本体10之间例如不存在迁移势垒，也就是说在那里不存在例如由TiWN构成的层。
在反射层3的背离半导体本体10的侧上存在光电子半导体芯片的第二接触部位2。光电子半导体芯片的第二接触部位2例如通过焊接金属化物来形成。用于第二接触部位2的材料例如可以是焊接化合物，其由锡或铟形成。例如，第二接触部位2是AuSn焊接化合物。
第二接触部位2与反射层3直接接触。反射层3在第一接触部位1至半导体本体10的下侧10b上的投影13中被中断。也就是说，反射层3被结构化。反射层3在半导体本体的下侧10b上并不完全覆盖该半导体本体10。在第一接触部位1至半导体本体10的下侧10b上的投影13的区域中存在电绝缘层7。
为了形成电绝缘层优选使用电介质。例如绝缘层可以至少包含如下材料的至少一种：SiNx、SiO2、TiO、Al2O3。
由于在第一接触部位1之下的绝缘层7，在到有源区9上的投影13的区域中，在那里不产生电磁辐射。这提高了光电子半导体芯片的效率，因为在该区域中产生的电磁辐射不会从半导体本体上侧离开半导体本体，因为其被第一接触部位1吸收。
在光电子半导体芯片的工作中，第一接触部位1位于第一电势U1上并且例如连接到电源的负极上。第二接触部位2位于另一电势U2上并且例如连接到电源的正极上。第二接触部位2与反射层3直接电接触，该反射层由导电材料构成。反射层3由此同样处于电势U2上。由U1和U2之间的电势差产生电场，其例如将力作用于来自反射层3的带正电荷的金属离子(优选银离子)上，该力从半导体本体10的下侧10b指向上侧10a。在这样形成的电场中，金属离子具有沿着迁移路径4迁移的倾向。
迁移例如可以穿过半导体本体10例如沿着半导体本体10中的位错部进行。
然而迁移的主要部分(在没有反措施的情况下)会沿着如下迁移路径4进行：该迁移路径沿着芯片侧腹11延伸。也就是说，易于迁移的金属例如银在芯片侧腹11处或在其上迁移。金属在那里沿着上面所描述的电场的场线运动。这些场线可以(类似在平行板电容器的情况中)在芯片侧腹上也半圆形地构建。尤其是沿着芯片侧腹的迁移在此被特别有效地抑制。
在没有针对尤其是在潮湿环境中增强地出现的这种迁移的措施的情况下，反射层3的电学和光学特性在光电子半导体芯片的比较短的工作之后被破坏。
作为针对迁移的措施，现在设置有装置6，其实现屏蔽反射层3免受上面所描述的电场影响。由此，阻挡甚至防止了金属从反射层3的脱离。在此，装置6包括电绝缘层7，其施加到半导体本体10的芯片侧腹11上。导电材料5施加到绝缘层7的背离半导体本体10的侧上，该导电材料与第二接触部位2直接电连接。也就是说，导电材料5也位于第二电势U2上，如同第二接触部位2和反射层3那样。优选地，导电材料在半导体本体10的下侧10b和上侧10a之间完全沿着芯片侧腹11延伸。
也就是说，芯片侧腹11完全被导电材料5覆盖。
导电材料5例如是可透射辐射的导电的氧化物。
透明导电氧化物(transparent conductive oxides，缩写“TCO”)是透明的导电材料，通常是金属氧化物，譬如氧化锌、氧化锡、氧化镉、氧化钛、氧化铟或者氧化铟锡(ITO)。除了二元的金属氧化物譬如ZnO、SnO2或者In2O3之外，三元金属氧化物譬如Zn2SnO4、CdSnO3、ZnSnO3、MgIn2O4、GaInO3、Zn2In2O5或者In4Sn3O12或者不同的透明导电氧化物的混合物也属于TCO族。此外，TCO并不一定对应于化学计量上的组分并且也可以p掺杂或者n掺杂。
其他导电材料譬如金属也适于形成导电材料5。然而TCO具有如下优点：在芯片侧腹11上出射的光并不被吸收或者仅仅极少被吸收。
电绝缘层7也如同导电材料5那样可以对有源区9中产生的电磁辐射是透射的。以此方式，装置6于是可以是可透射辐射的。
导电材料5将第一接触部位1和反射层3之间的电场屏蔽，使得来自反射层3的金属在半导体本体10中的迁移与不具有装置6的光电子半导体芯片相比被减少。也就是说，阻碍或者甚至抑制了在由于第一电势U1和第二电势U2之间的电势差引起的电场中的迁移。也就是说，防止了在电场中离子迁移的机制，其方式是屏蔽围绕半导体本体的关键部位的电场。这得到成本特别低廉的半导体本体，因为可以不用反射层的昂贵的包覆来防止来自反射层的金属的迁移。此外，相对于传统的光电子半导体芯片增大了发光面积，因为需要遵守较小的安全间距和对准容差。
在传统的具有镜的光电子半导体芯片中，该镜包含易于迁移的金属。镜3被结构化为使得其距芯片侧腹11具有安全间距。该安全间距保证了将金属封装并且例如在产生芯片侧腹时(例如通过台面刻蚀)金属并不裸露。安全间距的大小取决于在加工期间所需的容差。也就是说，例如在用于制造芯片侧腹11的光刻中的对准公差和/或在结构化芯片侧腹11时的公差预先给定了安全间距的大小。典型地，因此在每个芯片侧腹上，必须维持大约10μm的安全间距。这减少了实际的接触面积并且由此减小了芯片的发光面积。因此，在这里所描述的半导体芯片中相对于传统的光电子半导体芯片增大了发光面积。
发光面积的增大导致更低的电流密度并且同时导致光电子半导体芯片的更高的效率。
装置6即电绝缘层7以及导电材料5屏蔽在反射层3和第一接触部位1之间的电场。
结合图2详细阐述的、在此所描述的光电子半导体芯片的第二实施例与结合图1描述的半导体芯片的不同在于：反射层3未被结构化。在此情况下，于是反射层3整面地施加到半导体本体10的下侧10b上。这开创了如下可能性：光电子半导体芯片在制造中必须单独地从其上侧10a结构化。于是可以省去将半导体本体10的下侧10b上的结构对准至上侧10a(例如接触部位的位置)上的结构。尤其是，例如可以省去第一接触部位1至半导体本体10的下侧10b上的投影13。
在结合图2所描述的实施例中，沟8从上侧10a引入半导体本体10中。沟8从上侧10a延伸至下侧10b并且中断有源区9。此外，沟在此情况下完全中断半导体本体。也就是说，围绕第一接触部位1在半导体本体10中产生例如环状的沟，该沟中断半导体本体10。半导体本体10在沟8的区域中、即在通过沟8形成的芯片侧腹上以及在半导体本体10的上侧10a上设置有电绝缘材料7。以此方式保证了在接触部位1下方的区域中不产生或者几乎不产生电磁辐射。
第一接触部位1在半导体本体10的上侧10a上的电流扩展例如可以借助透明导电氧化物(TCO)来进行。这种TCO材料也可以在图1的实施例中用于接触部位1在半导体本体10的上侧10a上的电流扩展。
本发明并未由于借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任何新的特征以及特征的任意组合，尤其是包含在权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中予以说明。
本专利申请要求德国专利申请102008024327.2的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
Claims (11)
1.一种光电子半导体芯片，具有：
-半导体本体(10)，在该半导体本体的上侧(10a)上设置有第一接触部位(1)而在该半导体本体的下侧(10b)上设置有第二接触部位(2)，
-反射层(3)，其与半导体本体(10)直接接触并且直接导电地连接到第二接触部位(2)上，其中反射层(3)包含易于迁移的金属，
-芯片侧腹(11)，其在半导体本体(10)的上侧(10a)和下侧(10b)之间延伸，其中在芯片侧腹(11)上设置有导电材料(5)，该导电材料与第二接触部位(2)直接导电连接，其特征在于，导电材料(5)是透射辐射的、导电的氧化物；其中所述反射层(3)直接邻接所述透射辐射的、导电的氧化物。
2.根据上述权利要求所述的光电子半导体芯片，其中围绕第一接触部位(1)从半导体本体(10)的上侧(10a)将沟(8)结构化到半导体本体(10)中。
3.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中沟(8)将半导体芯片的有源区(9)分开。
4.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中沟(8)延伸直至反射层(3)。
5.根据上述权利要求之一所述的光电子半导体芯片，其中在芯片侧腹(11)和导电材料(5)之间设置有电绝缘材料(7)，该电绝缘材料防止通过导电材料(5)接触半导体本体(10)。
6.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中
-在半导体芯片的工作中第一接触部位(1)处于第一电势(U1)上，以及
-第二接触部位(2)、反射层(3)和导电材料(5)处于共同的第二电势(U2)上，其中
-第一电势(U1)与第二电势(U2)不同。
7.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中反射层(3)包含银或者由银构成。
8.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中反射层(3)被结构化为使得半导体本体(10)的下侧(10b)在第一接触部位(1)至下侧(10b)上的投影(13)的区域中不含反射层(3)。
9.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中该半导体芯片以薄膜结构方式实施。
10.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中生长衬底从外延生长的半导体本体去除，并且半导体本体借助第二接触部位(2)固定在支承体(14)上。
11.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片，
其中
-在半导体芯片上设置有装置(6)，其在半导体芯片的工作中形成抵抗金属迁移的电场，其中
-装置(6)以在第一接触部位(1)与第二接触部位(2)之间延伸的导电材料(5)来形成。
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