CN102017143B - 辐射发射半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐射发射半导体芯片(1)，具有载体(5)、包括半导体序列的半导体主体(2)、第一接触件(35)和第二接触件(36)。半导体层序列包含用于产生辐射的有源区(20)，所述有源区设置于第一半导体层(21)和第二半导体层(22)之间。载体(5)具有面对半导体主体(2)的主表面(51)。第一半导体层(21)位于有源区(20)的面对着载体(5)主表面(51)一侧并且可以通过第一接触件(35)而被接触。第二半导体层(22)可以通过第二接触件(36)而被接触。在第一接触件(35)和第二接触件(36)之间穿过载体(5)的电流路径中设置有保护二极管(4)。

Description

辐射发射半导体芯片
本申请涉及一种辐射发射半导体芯片。
在诸如发光二极管的辐射发射半导体芯片中，静电放电可能导致损伤。可以将一个额外的二极管与该半导体芯片并联连接以防止此类损伤，其中所述额外的二极管的导通方向与辐射发射半导体芯片的导通方向为反向并联。当在半导体芯片上安装额外的二极管时，会产生高结构复杂度、高制造成本和增大的尺寸。
本发明的一个目的是提供一种对于静电放电具有更低的敏感度的辐射发射半导体芯片。
上述目的将通过权利要求1所述的一种辐射发射半导体芯片来实现的。所述辐射发射半导体芯片的其它的形态和结构则是从属权利要求的主题。
根据一个实施方式，辐射发射半导体芯片具有载体、包括半导体层序列的半导体主体、第一接触件和第二接触件。半导体层序列包括用于发射辐射的有源区、第一半导体层和第二半导体层。有源区设置于第一半导体层与第二半导体层之间。载体具有面对着半导体主体的主表面。第一半导体层设置于有源区的面对着载体主表面的一侧上，并且通过第一接触件而被电接触。第二半导体层可以通过第二接触件而被电接触。于所形成，在第一接触件和第二接触件之间并穿过载体的电流路径中设置有保护二极管。
在本实施方案中，保护二极管被集成在半导体芯片中。特别地，在这样的保护二极管上可以流过不需要的电压，比如在相邻的半导体芯片上的反向电压。特别地，保护二极管可以实现保护半导体芯片免受静电放电的损伤的ESD(静电放电)二极管的功能。因此，可以降低半导体芯片被损伤的风险。另外，可以省去在芯片外部并与芯片电连接的额外的保护二极管。
优选地，除了具有保护二极管的电流路径之外，半导体芯片在第一接触件和第二接触件之间具有注入路径，所述注入路径穿过半导体主体，具体地穿过有源区。
在一个优选实施方式中，形成有保护二极管的电流路径经过半导体主体的外部。换句话说，流过接触件之间的保护二极管的载流子不经过半导体主体。
半导体主体的第一半导体层和第二半导体层优选地为彼此不同的导电类型。比如，所述第一半导体层可以为p型半导体而所述第二半导体层可以为n型半导体，反之亦然。
以这种简单的方式实现了形成有有源区的二极管结构。
关于导通方向，半导体主体的二极管结构和保护二极管优选地形成为彼此反向并联。在第一接触件与第二接触件之间的二极管结构上施加的导通方向上的工作电压导致载流子从有源区的不同侧面注入有源区中。在有源区中，载流子复合而发出辐射。
在这种情况下，没有电流或者至少实质上没有电流流过工作在半导体芯片的工作电压的反向上的保护二极管。另一方面，在二极管结构的反向施加的电压，比如由静电放电所引起的电压，可以流过所述保护二极管。因此半导体主体能够通过集成于半导体芯片中的保护二极管而被保护，而基本上不会对半导体芯片的光电特性造成负面影响。
在另一个优选实施方式中，利用所述载体来形成保护二极管。具体地，保护二极管可以被形成于半导体主体外部。因此，半导体主体可以只供用来产生辐射。保护二极管可以以能够用半导体芯片的相同的表面区域来维持有源区的用于产生辐射的表面的方式集成于半导体芯片中。
在又一个优选实施方式中，半导体主体与载体通过材料接合而接合起来。具体地，载体与用于半导体主体的半导体层序列的生长衬底不同。
利用材料接合，预先制造的接合双方优选地通过原子和/或分子力保持在一起。接合可以使用接合层——诸如粘合层(Klebeschicht)或者焊料层(Lotschicht)——来实现。接合的分离通常伴随着对接合层和/或至少接合双方之一的破坏。
在垂直方向上，也就是在垂直于半导体主体的半导体层的主表面的方向上，载体优选地在所述主表面和另一个主表面之间延伸。载体的所述主表面优选地被平坦地实现。这样可以以简单的方式获得半导体主体在载体上的牢固的附着。另外，所述另一个主表面优选地被平坦地实现。这样，半导体芯片能够被简单地安装于所述另一个主表面上，比如安装在壳体中或者安装在连接载体上。
载体还优选地包含半导体材料或者由半导体材料构成。具体地，尤其优选硅。其它的半导体材料，比如锗或者砷化镓，也能够作为用于载体的材料。
在另一个优选实施方式中，载体被形成为至少部分地掺杂。利用这种方式，可以对利用载体形成保护二极管进行简化。
在又一个优选实施方式中，第一接触件设置于载体的主表面上。第一接触件可以在水平方向上、即在沿着半导体主体的半导体层的主延伸方向的方向上与有源区间隔开。第一半导体层和相应的第一接触件还可以位于所述载体的同一侧。
在另一个优选实施方式中，第一连接层设置于半导体主体和载体之间。第一半导体层优选地与第一连接层电连接。具体地，在第一连接层和第一半导体层之间形成欧姆接触，也就是说，所述接触的电流-电压特性曲线是线性的或者至少近似线性的。
在又一个优选实施方式中，半导体主体具有至少一个凹陷，所述凹陷延伸穿过有源区并且为第二半导体层提供电接触。确切地说，所述凹陷从载体的一侧延伸穿过有源区。
在另一个优选实施方式中，第二半导体层与第二连接层电连接，其中所述第二连接层延伸穿过所述凹陷。
利用所述凹陷，可以从有源区的面对着载体的一侧与第二半导体层电接触。
半导体芯片的辐射发射表面可以没有用于半导体主体的外部电接触件，其中所述辐射发射表面形成于有源区的面对着载体的一侧。据此，可以避免辐射发射表面受到无法透过辐射的接触件的遮挡。因此，能够从有源区的面对着载体的一侧来对第一半导体层和第二半导体层电接触。
在又一个优选实施方式中，第二连接层被部分地形成于第一连接层和载体之间。在第一连接层和第二连接层之间优选地设置有隔离层。
在另一个优选实施方式中，所述接合层位于第二连接层和载体之间。
所述结合层优选地只部分地覆盖载体。具体地，载体的主表面的形成有保护二极管的区域可以被设计为至少部分地没有连接层。
在又一个优选实施方式中，第一接触件和第二接触件位于载体的相对置的侧面上。在此情况下，形成有保护二极管的电流路径可以在垂直方向上延伸穿过载体。
具体地，第二接触件可以位于载体的远离半导体主体的侧面，并且可以用于将辐射发射半导体芯片安装在诸如封装体中或者连接载体上。
在另一个优选实施方式中，保护二极管被实现为肖特基二极管。具体地，肖特基二极管可以利用金属-半导体结来形成，其中所述结的电流-电压特性曲线与欧姆特性不同。
另外，优选地，保护二极管位于第一接触和载体之间。具体地，保护二极管可以利用金属-半导体结来形成，其中利用载体的主表面形成金属-半导体结。载体的主表面可以因此部分地用作金属-半导体结的界面。
在又一个优选实施方式中，第一连接层具有注入层，所述注入层与半导体主体、特别是第一半导体层相邻。注入层优选地以产生对半导体主体的欧姆接触的方式来实现。注入层还可以被形成为多层。
另外，优选地，注入层或者注入层的与半导体主体相邻的至少一个子层对有源区中所产生辐射具有高反射率。产生于有源区中并向载体方向上发射的辐射可以因此被反射回辐射发射表面。于是可以避免辐射在载体中吸收的风险。例如，银、铝或铑特别适合作为对可见光谱和紫外光谱中的辐射具有高反射率的材料，而金特别适合作为对红色光谱和红外光谱中的辐射具有高反射率的材料。
另外，优选地，第一连接层具有与载体相邻的结层
在另一个优选实施方式中，保护二极管是利用第一连接层、具体地利用结层形成的。具体地，第一连接层可以与载体形成肖特基接触。
第一连接层可以以形成对半导体主体、具体是对第一半导体层的欧姆接触以及形成对载体的肖特基接触的方式来实现。换句话说，第一连接层可以一方面产生对半导体主体的欧姆接触，而另一方面形成集成于半导体芯片中的保护二极管。
另外，优选地，第一连接层被实现为连续的层。
在又一个优选实施方式中，在半导体芯片的俯视图中，保护二极管与第一接触件相重叠。因此，在俯视图中，保护二极管也被形成于被设置为用于诸如通过键合线与半导体芯片的外部电接触的区域中。这样，保护二极管可以被形成于半导体芯片中而无需额外的空间。具体地，半导体主体外部的保护二极管可以被集成在半导体芯片之中，而不会减少半导体芯片中有源区的用于产生辐射的表面面积。
另外，优选地，在半导体芯片的俯视图中，保护二极管被形成于这样的区域中，在该区域中，半导体主体被去除，尤其是在完全垂直的方向上。
在半导体芯片的制造中，可以以如下的方式形成保护二极管，即，通过去除半导体主体和视需要去除连接层来部分地暴露载体来形成保护二极管。在暴露的区域中可以沉积用于第一连接层的材料、尤其是用于载体的主表面上的所述结层的材料。以如此简单的方式实现了保护二极管。
半导体主体的半导体层序列优选地是外延沉积的，诸如如通过MOVPE或者MBE来沉积。
另外优选地，半导体主体——具体是有源区——包含III-V族半导体材料。利用III-V族半导体材料，可以在产生辐射期间获得高的内部量子效率。
上述的结构通常适用于辐射发射半导体芯片，其中半导体芯片可以实现非相干、部分相干、或相干辐射的产生。
在一个优选实施方式中，半导体芯片被实现为发光二极管半导体芯片，所述半导体芯片还优选地被实现为产生非相干或者部分相干的辐射。
在另一个优选实施方式中，用于半导体主体的半导体层序列的生长衬底被去除。去除了生长衬底的半导体芯片也被称作薄膜半导体芯片。
在本说明书的范围内，薄膜半导体芯片，诸如薄膜发光二极管半导体芯片的特征可以在于下列特征中的至少一个：
-在包括具有有源区的半导体层序列的半导体主体的面向载体的第一主表面处，在半导体层序列上设置有镜面层或者在半导体层序列中集成有作为布喇格镜的镜面层，以将产生于所述半导体层序列中的辐射至少部分地反射回去，其中所述半导体层序列具体地为外延层序列；
-所述半导体层序列的厚度在20μm或更小的范围内，优选地在10μm的范围内；以及/或者
-所述半导体层序列包含至少一个半导体层，其中，所述至少一个半导体层在至少一个区域中具有混合结构，并且在理想情况下在所述半导体层序列中引起光的近似遍历分布，即，所述至少一个半导体层具有尽量可能的遍历随机散射特性。
薄膜发光二极管芯片的基本原理记载在诸如“I.Schnitzer et al.，Appl.Phys.Lett.63(16)，18.Oktober 1993，2174-2176”中，其公开内容通过引用合并在本说明书中。
更多的特点、实施方式和优点将从结合附图的下列实施例的描述中得出。
附图简介
图1A和1B为辐射发射半导体芯片的实施例的示意性俯视图(图1B)及其截面图(图1A)；以及
图2为图1A和1B所示的实施例的半导体芯片中的电流路径的示意图；
相同的、类似的和等价的要素在附图中用相同的附图标记表示。
附图的每个都是示意性的描述，因此并不一定是按比例的。用于说明的比较小的要素特别是层厚度可能被夸大地描绘。
图1B所示为辐射发射半导体芯片1的一个实施例的示意性俯视图，而图1A为相应的沿线AA’截取的截面图。半导体芯片1具有包括半导体层序列的半导体主体2。所述半导体层序列构成半导体主体2并且优选地是外延地制备的，例如是通过MOVPE或MBE制备的。
辐射发射半导体芯片1还包括载体5，所述载体5具有主表面51和与所述主表面相对置的另一个主表面52。
半导体主体2设置于载体5的主表面51上并且通过接合层8与载体5以材料结合的方式相接合。接合层可以为例如焊料层或者导电的粘合层。
载体5包含半导体材料或者由半导体材料组成。具体地，载体5可以包含硅或由硅组成。其它半导体材料，诸如锗或砷化镓，也可以用作载体材料。
半导体主体2的半导体层序列包含用于产生辐射的有源区20，所述有源区20设置于第一半导体层21和第二半导体层22之间。所述第一半导体层21位于有源区的面对着载体5的一侧上。
半导体芯片1还包含第一接触件35和第二接触件36。在半导体芯片工作时，通过在第一接触件和第二接触件之间建立外部电压，载流子可以从有源区的不同侧面注入有源区并在有源区中复合并发出辐射。
在电流路径中形成了保护二极管4，所述电流路径在第一接触35和第二接触36之间延伸穿过载体5。结合图2对保护二极管的操作进行更详细的描述。
半导体主体2具有凹陷25，所述凹陷25延伸穿过第一半导体层21和有源区20并进入第二半导体层22。所述凹陷提供从有源区的面对着载体5的面对第二半导体层22的电接触。以在水平方向上使载流子从第二半导体层22均匀地注入有源区的方式来适当地选择凹陷的密度和排列。因此，例如，凹陷的矩阵式排列是适合的。
在远离载体5的有源区20的一侧，半导体主体2具有辐射出射表面10，在半导体芯片工作时产生于有源区20中的辐射可以通过所述辐射出射表面10取出。
在辐射出射表面10上不设置用于半导体芯片1的外部电接触件。因此可以避免辐射出射表面被对于产生于有源区20中的辐射来说无法穿透的接触件的遮挡的风险。这样，可以提高半导体芯片的总的发射功率。
第一接触件35通过第一连接层31与第一半导体层21电连接。第一连接层31设置于半导体主体2和载体5之间。连接层31优选地形成对于第一半导体层21的欧姆接触，使得载流子可以被有效地注入半导体主体2。
在所示实施例中，第一连接层31形成为多层。第一连接层在面对着半导体主体的一侧具有注入层310。注入层310优选地以形成对第一半导体层21的欧姆接触的方式来形成。
注入层310也可以被形成为多层。所述注入层的面对着第一半导体层21的一侧优选地具有对在有源区20中产生的辐射的高反射率。例如，银适合于紫外光谱和蓝色光谱，而金适合于红色光谱和红外光谱。
此外，第一连接层31——具体是注入层310——可以实现扩散阻挡层的功能并且包含例如钛和/或铂。
第一连接层31在与载体5相邻的一侧具有结层311。结层311与载体5的主表面51形成肖特基接触。使结层的材料与载体5相匹配，使得可以以简单的方式实现肖特基接触。例如，对于硅载体，铝适合于用于结层。
此外，第二连接层32被形成于载体5和半导体主体2之间。第二连接层32延伸穿过凹陷25并可达第二半导体层22。接合层8设置于第二连接层32的面对着半导体主体2的一侧上。通过所述接合层8，在第二半导体层22和载体5之间产生电连接。
凹陷25的侧面被隔离层7覆盖。利用所述隔离层，可以避免有源区20与第二连接层32的电短路。隔离层7还在第一连接层31和第二连接层32之间经过并将这些连接层相互隔离。
隔离层7例如可以包含诸如氧化硅或氧化钛的氧化物、诸如氮化硅的氮化物、或诸如氧氮化硅的氧氮化物，或者由上述材料组成。
第一连接层31、具体地是注入层310和结层311、第二连接层32、第一接触件35和第二接触件36的每个都优选地包含金属，或者由金属或合金组成。所述这些位于半导体主体2外部的层可以通过诸如气相沉积或者溅射来涂覆。
第一接触件35和第二接触件36设置于载体5的不同侧面。第一接触件35例如可以通过键合线来与外部电接触。与所示实施例不同，第一接触件35也可以利用第一连接层31来形成。在此情况下，无需除第一连接层31之外的、额外的接触件。
在第一接触35和第二接触36之间的电流路径中的保护二极管4被实现为形成于载体5的主表面51处的肖特基二极管。在保护二极管4的区域中，在载体5和第一连接层31之间、具体地在载体5和结层311之间，存在金属-半导体结。
这样，保护二极管4被形成于在垂直方向上完全去除了半导体主体2的区域中。
载体5优选地具有与第二半导体层22相同的导电类型。这样就简化了第二半导体层22到载体5的电接触。
第一半导体层21和第二半导体层22各自的导电类型优选地彼此不同。这样，以简单的方式实现了形成有有源区20的二极管结构。在图1A、1B和图2所示的实施例只是示例性的，其中第一半导体层21为p型掺杂的，而第二半导体层22以及载体5为n型掺杂的。
关于导通方向，保护二极管4被形成为与半导体主体2的二极管结构的导通方向反向并联。在图2中示意性地显示了半导体芯片1中的电流路径。通过在第一接触件35上相对于第二接触件36施加正电压，半导体主体2的用于产生辐射的二极管结构将在导通方向上工作，使得载流子注入有源区20中并在有源区20中复合而产生辐射。
保护二极管4以相反的极性连接于反向方向上。在半导体主体的二极管结构的反向方向上发生静电放电的情况下，载流子能够通过保护二极管4流过第一接触件35和第二接触件36之间的电流路径。据此可以降低半导体芯片受到损害的风险。可以省去位于半导体芯片外部且反向并联于半导体芯片的第一接触件35和第二接触件36的保护二极管。
在第一半导体层21为n型半导体掺杂而第二半导体层22以及载体5为p型半导体掺杂的替代的情况下，半导体芯片可以以在第一接触件35上相对于第二接触件36施加负电压的方式来工作。
利用连接层31，一方面可以对于半导体主体2产生欧姆接触，另一方面可以对于载体5产生肖特基接触。利用向半导体主体2提供电接触的第一连接层31，也可以额外地形成保护二极管。
在此，在半导体芯片的俯视图中，保护二极管4可以被形成于第一接触件35之下。这样，保护二极管可以被集成到半导体芯片1中而无需额外的面积。另外，保护二极管4设置于半导体主体2的外部。外延生长的半导体主体也可以只用于辐射的产生。因此，保护二极管可以被集成于半导体芯片中，而不会减少有源区的用于辐射发射的表面。
另外，保护二极管4的形成可以在成组地制造半导体芯片1的过程中实现。即，通过将成组的半导体芯片分离，所得到的在载体上设置有半导体主体的每个半导体芯片中都已经形成了保护二极管。这样可以特别经济地制造集成有保护二极管的半导体芯片。
此外，上述的集成有保护二极管的半导体芯片与具有额外的外部保护二极管的半导体芯片相比需要更少的安装面积。这样，简化了具有此类半导体芯片的紧凑型器件、诸如辐射源的制造。另外，可以避免分离的保护二极管造成对在有源区中产生的辐射的吸收的风险。
在所示实施例中，半导体芯片1被实现为薄膜半导体芯片，其中去除了半导体主体2的半导体层序列所用的生长衬底。载体5在此处起到半导体主体2的机械稳定性的作用。
与此不同，生长衬底也可以被部分地去除。
半导体主体——具体是有源区20——优选地包含III-V族半导体材料。
III-V族半导体材料用于产生从紫外光谱区(InxGayAl1-x-yN)经可见光谱区(InxGayAl1-x-yN，具体地用于蓝光到绿光辐射；或InxGayAl1-x-yP，具体地用于黄光到红光辐射)直到红外光谱区(InxGayAl1-x-yAs)的辐射。在此，对于每种情况，有0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1，尤其是x≠1，y≠1，x≠0和/或y≠0。利用III-V族半导体材料，尤其是利用上述的材料系统，可以在辐射产生过程中获得高的内部量子效率。
本专利申请要求德国专利申请10 2008 022 942.3的优先权，其全部内容通过引用合并入本文中。
本发明不受实施例描述的限制。确切的说，本发明包含任何新的特征以及这些特征的任何组合，特别包括权利要求中所记载的特征的任何组合，即使这些特征或它们的组合本身没有明确地记载在权利要求或者实施例中。

Claims (10)

1.一种辐射发射半导体芯片(1)，具有载体(5)、包括半导体层序列的半导体主体(2)、第一接触件(35)和第二接触件(36)，其中，
-所述半导体层序列具有设置于第一半导体层(21)和第二半导体层(22)之间并用于发射辐射的有源区(20)；
-所述载体(5)具有面对着所述半导体主体(2)的主表面(51)；
-去除了用于所述半导体主体(2)的所述半导体层序列的生长衬底，所述载体(5)机械地稳定所述半导体主体(2)；
-所述第一半导体层(21)设置于所述有源区(20)的面对着所述载体(5)的主表面(51)的一侧上，并且通过所述第一接触件(35)而被电接触；
-在所述半导体主体(2)和所述载体(5)之间设置有第一连接层(31)，所述第一半导体层(21)与所述第一连接层(31)电连接；
-所述第二半导体层(22)通过所述第二接触件(36)而被电接触；
-所述半导体主体(2)具有至少一个凹陷(25)，所述凹陷(25)延伸穿过所述有源区(20)；
-所述第二半导体层与第二连接层(32)电连接，其中所述第二连接层延伸穿过所述凹陷，所述第二连接层被部分地形成于所述第一连接层和所述载体之间；并且
-在所述第一接触件(35)和所述第二接触件(36)之间穿过所述载体(5)的电流路径中设置有保护二极管(4)。
2.如权利要求1所述的半导体芯片，其中，所述保护二极管(4)是形成于所述第一接触件(35)和所述载体(5)之间的肖特基二极管。
3.如权利要求1所述的半导体芯片，其中，所述保护二极管(4)是利用金属-半导体结形成的，所述主表面(51)形成了所述金属-半导体结。
4.如权利要求1到3的任一项所述的半导体芯片，其中，所述半导体主体(2)与所述载体(5)是通过材料接合而接合起来的。
5.如权利要求1到3的任一项所述的半导体芯片，其中，所述第一接触件(35)设置于所述载体(5)的所述主表面(51)上。
6.如权利要求1到3的任一项所述的半导体芯片，其中，所述第一接触件(35)和所述第二接触件(36)设置于所述载体(5)的相对置的侧面。
7.如权利要求1到3的任一项所述的半导体芯片，其中，所述第一连接层(31)具有注入层(310)和结层(311)，所述注入层与所述半导体主体(2)相邻而所述结层(311)与所述载体(5)相邻。
8.如权利要求7所述的半导体芯片，其中，所述保护二极管(4)是利用结层(311)形成的。
9.如权利要求1到3的任一项所述的半导体芯片，其中，在所述半导体芯片(1)的俯视图中，所述保护二极管(4)与所述第一接触件(35)相重叠。
10.如权利要求1到3的任一项所述的半导体芯片，其中，所述载体(5)包含半导体材料。
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