CN102106008B - 光电子半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种光电子半导体芯片(1)，其具有半导体层序列(2)和结构化的电流扩展层(6)，其中该半导体层序列(2)具有用于产生电磁辐射的有源区(4)，该结构化的电流扩展层(6)包含透明导电氧化物并且被设置在半导体层序列(2)的主面上，其中电流扩展层(6)覆盖主面(12)的至少30％和最多60％。

Description

光电子半导体芯片
发射辐射的半导体芯片的光产出与各种因素有关。借助半导体芯片的大面积电接触一方面可实现相对高的内部量子效率。然而另一方面，通过大面积的接触会出现吸收损耗，该吸收损耗极大地限制了耦合输出效率并且由此极大地限制了半导体芯片的光产出。
在德国专利申请第102008021675.5中说明了，被设置用于电接触发光二极管芯片的接触部允许覆盖不大于2％-4％的电流扩展层。
要解决的任务在于给出一种具有改进的光产出的光电子半导体芯片。
该任务通过根据权利要求1所述的光电子半导体芯片来解决。
光电子半导体芯片的改进方案和扩展方案在从属权利要求中给出。
根据一个优选的实施形式，光电子半导体芯片包括半导体层序列以及结构化的电流扩展层，其中该半导体层序列具有用于产生电磁辐射的有源区，该结构化的电流扩展层包括透明导电氧化物并且被设置在半导体层序列的主面上，其中电流扩展层覆盖至少30％和最多60％的主面。
有源区为了产生辐射而具有pn结。该pn结在最简单的情况下借助紧邻的p型半导体层和n型半导体层来形成。优选地，在p型层与n型层之间构建例如经掺杂的或者未经掺杂的量子结构形式的产生实际辐射的结构。量子结构可被构建为单量子阱结构(SQW，Single Quantum Well)或者多量子阱结构(MQW，Multiple Quantum Well)或者也被构建为量子线或者量子点结构。
在半导体芯片的一个有利的扩展方案中，半导体层序列包含AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。基于氮化物化合物半导体的半导体芯片尤其是适于产生发射波长在可见光谱的短波范围中的辐射。
透明导电氧化物优选地是金属氧化物，诸如氧化锌、氧化锡、氧化镉、氧化钛、氧化铟锌、氧化铟或者氧化铟锡(ITO)。除了诸如ZnO、SnO2或者In2O3的二元金属氧化合物之外也可使用三元金属氧化合物，诸如Zn2SnO4、CdSnO3、ZnSnO3、MgIn2O4、GaInO3、Zn2In2O5或者In4Sn3O12或者不同透明导电氧化物的混合物。此外，无需化学计量学上的组分。此外，透明导电氧化物也可被p掺杂或者n掺杂。
通过电流扩展层可实现对半导体芯片足够好的供电和电流扩展。
此外，借助部分表面覆盖度可相对于整面的电流扩展层减小由电流扩展层引起的光学吸收损耗。
根据另一优选的实施形式，电流扩展层覆盖40％至50％的主面。在这样的表面覆盖度的情况下，一方面有利地减小吸收损耗，另一方面可在这样的表面覆盖度的情况下保证电流扩展层中的足够良好的电流扩展。
尤其是在所产生的辐射的发射波长在400nm至450nm之间时，较小的表面覆盖度有利的。因为在可见光谱的较短波长的范围中，由电流扩展层引起的光学吸收与由较小的表面覆盖度引起的电损耗相比是更重要的损耗机制。而在可见光谱的较长波长的范围中，由光学吸收引起的损耗更小，使得较小的表面覆盖度情况下的电损耗更强烈地起决定作用。因而在这种情况下更大的表面覆盖度更为合适。
电流扩展层的厚度有利地可为10nm至60nm之间。在通过减小厚度可降低光学吸收损耗期间，在这种情况下横向导电性同样降低。在厚度为10nm至60nm之间的情况下，增益和损耗处于彼此合适的关系。
此外，结构化的电流扩展层的中间空隙(即未被电流扩展层覆盖的区域)的大小(即长度和/或宽度)有利地与半导体层序列的与电流扩展层邻接的半导体材料的横向导电性相匹配。尤其是，可保证借助邻接的半导体层序列的超过1μm至6μm的距离的横向导通(Querleitung)，而无需电流扩展层。中间空隙因而有利地具有在1μm至6μm之间的大小。优选地，构建大小在3μm至4μm之间的范围中的中间空隙。在考虑这一点的情况下可以以不同方式将电流扩展层结构化。例如可考虑不规则的结构或者规则的结构如栅格。
根据一个有利的改进方案，电流扩展层的结构对应于矩形栅格。该栅格尤其是具有多个在第一方向上延伸的由透明导电氧化物构成的平行条和多个在第二方向上延伸的由透明导电氧化物构成的平行条，其中第一方向垂直于第二方向走向。在第一方向上延伸的平行条之间的间距可与在第二方向上延伸的平行条之间的间距不同。这些条的交叉点对应于栅格点。
电流扩展层的电接触优选地借助至少一个电接触接片来实现。该接触接片尤其是垂直于电流扩展层被设置其中的平面延伸，并且触碰为此设置的接触部位上的电流扩展层。该接触接片可以具有截锥、棱锥台或者圆柱体的形状。
尤其是，多个接触接片规则地分布在电流扩展层的面上。相应的接触部分优选地位于栅格点上。然而，在这种情况下不必在每个栅格点上都设置接触部位。
有利地，接触接片包括具有高导电性的金属。此外，优选地针对接触接片使用具有高反射率的材料。合适的材料例如是Ag。
根据一个优选的实施形式，在半导体层序列与镜之间设置电流扩展层。尤其是，电接触接片在镜的开口中走向。如果接触接片如已经提及的那样具有高反射率，则可通过由镜和接触接片一起构成的组合来实现高反射率。由有源区朝向电流扩展层方向发射的辐射由此可在没有大的光学损耗的情况下朝向耦合输出面反射。耦合输出面尤其是被设置在有源区的与电流扩展层对置的侧上。附加地，光学损耗通过结构化的电流扩展层和与此相联系的被减小的表面覆盖度来限制。
在一个有利的扩展方案中，镜具有介电层。尤其是，该介电层具有比半导体层序列的半导体材料更小的折射率。介电层例如由氧化硅、氮化硅或者玻璃、优选为旋涂玻璃(Spin-on-Glas)形成。介电层也可被实施为布拉格镜，其中具有不同折射率的介电分层交替地设置。
镜、尤其是介电镜优选地与电流扩展层邻接。结构化的电流扩展层的中间空隙至少通过镜的一部分、尤其是介电镜来填充。此外，至少镜的一部分或介电层覆盖电流扩展层。优选地在介电层中设置开口，接触接片在该开口中延伸。
此外，镜有利地具有连续的金属层。该金属层尤其是设置在镜的背离电流扩展层的侧上。优选地，介电层被金属层覆盖。金属层可至少双层地构建。例如，金属层可具有由铂和/或钛构成的用于增强粘附的层和带有高反射率的、例如由银构成的层。
根据一个优选实施形式，半导体芯片是薄膜发光二极管芯片。在这种情况下，半导体层序列没有生长衬底，也就是说用于生长半导体层序列的生长衬底从半导体层序列被去除或者至少强烈地薄化。
为了使半导体层序列稳定，该半导体层序列可替换地被设置在支承衬底上。尤其是，支承衬底位于半导体芯片的与耦合输出侧对置的背侧上。电流扩展层优选地被设置在半导体层序列与支承衬底之间。
根据一个有利的实施形式，支承衬底是导电的并且用作半导体芯片的第一电接触部。有利地，电流扩展层在这种情况下借助电接触接片(必要时通过镜的金属层)与支承衬底电连接。第二电接触部可被设置在耦合输出面上。
在一个优选的扩展方案中，半导体层序列在电流扩展层的该侧上是p型的。由于p侧通常具有差的导电性，所以具有高的导电性的电流扩展层是有利的。合适的掺杂系数在1020/cm3的范围中变动。
其他优点和有利的改进方案由下列结合图1至8的阐述来得到。
其中：
图1示出了光电子半导体芯片的示意性横截面视图，
图2示出了沿着图1中示出的半导体芯片的电流扩展层的横截面的示意性视图，
图3A至3D示出了不同表面覆盖度情况下的主面上的电流密度分布，
图4示出了描述在各种电流密度情况下的电损耗的曲线图表，
图5示出了描述针对各种波长的提取效率的曲线图表，
图6至8示出了根据不同波长的各种电流密度描述电光转换(Wall-Plug)效率的曲线图表。
在实施例和附图中相同的或者起同样作用的组成部分设置有相同的附图标记。
图1示出了光电子半导体芯片1，该光电子半导体芯片具有半导体层序列2，该半导体层序列带有用于产生电磁辐射的有源区4。有源区4位于第一半导体区域3与第二半导体区域5之间。在该实施例中，第一半导体区域3是p型的，而第二半导体区域5是n型的。优选地，两个半导体区域3、5包含GaN，而有源区4包含InGaN。两个半导体区域3、5和有源区4可分别具有多个半导体层。
优选地，半导体层序列2外延生长，其中生长衬底(未示出)从半导体层序列2脱落，使得半导体层序列2具有小于10μm的厚度。
为了稳定，可替换地半导体层序列2设置在支承衬底13上。优选地，支承衬底13是导电的。合适的衬底例如是Ge衬底或者Si衬底。可替选地，支承衬底13可由Cu通过电镀增强在前的金属层来制造。
在半导体层序列2的主面12上设置结构化的电流扩展层6。包含透明导电氧化物的电流扩展层6可均匀地被气相淀积或者被溅射到主面12上，并且接着以适当的方式被结构化。结构化例如可以以光刻方式来实现。电流扩展层6的厚度有利地位于10nm至60nm之间。通过减小厚度，一方面可降低光学吸收损耗，由此另一方面横向导电性下降。在厚度在10nm至60nm之间的情况下，在光学损耗与电损耗之间存在良好的折衷。
在主面12上设置镜9，使得朝向主面12的方向发射的辐射可朝向耦合输出面14的方向偏转。
在本实施例中，镜9具有介电层7，该介电层7尤其是由折射率相对小的材料形成，例如由折射系数小于1.4的旋涂玻璃形成。介电层7可具有在400nm至500nm的范围中的厚度。此外，镜9包括与介电层7邻接的金属层8。该金属层8可由Pt构成的粘附增强层和Ag构成的反射层形成。金属层8的厚度可以薄到使得其具有中断。约0.2nm的层厚度是足够的。
结构化的电流扩展层6嵌入到介电层7中。
此外，介电层7具有接触接片10在其中延伸的开口。接触接片10垂直于电流扩展层被设置其中的平面走向，并且触碰其上设置的接触部位。有利地，接触接片10有利地包含导电材料，使得电流扩展层6可借助接触接片10来供电。例如，接触接片10可包含Ag，其此外具有相对高的反射率，使得镜9在接触接片10上的反射率没有显著降低。在这一点，此外有利的是，主面12通过接触接片的表面覆盖度不大于4％。尽管如此，为了保证充分的供电，表面覆盖度应不小于2％。接触接片10的形状优选地为圆柱体。
接触接片10可建立电流扩展层6与尤其是导电的支承衬底13之间的电连接。
图2示出了其上施加有结构化的电流扩展层6的主面12。电流扩展层6具有矩形栅格的形状，该矩形栅格由在第一方向上延伸的平行条6a和在第二方向上延伸的平行条6b形成。在多个栅格点上、也就是在条6a和6b的多个交叉点上设置有接触部位11，在其上设置有接触接片10。
接触部位11由与条6a和6b相同的材料制造。这些接触部位11与接触接片10的横截面一样被圆形并且同心地设置。
在50％的表面覆盖度和1mm的芯片边长的情况下，接触部位11有利地具有约6μm的直径D2。在第一方向上的接触部位11之间的间距Ab和在第二方向上的接触部位11之间的间距Aa优选地一样大并且约为20μm。接触接片10的直径D1为4μm。
条6a比条6b更薄并且可以宽约2μm，而条6b宽约4μm。此外，条6a比条6b更密地设置，也就是说格栅常数在第一方向和第二方向上彼此不同。
通过条6a和6b形成边界的矩形中间空隙15具有约16μm的长度db和约3μm的宽度da。
图3A至3D示出了针对各种表面覆盖度的如在图1中示出的半导体芯片的主面上的电流密度分布。电流扩展层6的厚度对于所有变型方案而言为40nm。在所有变型方案中利用50A/cm2的标称电流密度来进行供电。
在图3A中所示的变型方案中，表面覆盖度为100％；在图3B中所示的变型方案中，表面覆盖度为50％；在图3C中所示的变型方案中，表面覆盖度为40％；而在图3D中所示的变型方案中，表面覆盖度为30％。(图2中所示的)间距Ab和Aa在图3B至3D的各种变型方案中保持恒定。但是，条宽度被减小。此外，中间空隙15被增大。例如，中间空隙15的(图2中所示的)宽度da在图3D中所示的变型方案中为约4μm，而其在图3B中所示的变型方案中为3μm。
通过不同的灰度示出不同的电流密度，其中在较暗的区域中的电流密度高于较亮的区域中的电流密度。
如在图3A中能看到的那样，在100％的表面覆盖度的情况下，在理想情况下没有出现电流密度的不均匀性。但是，在50％的表面覆盖度和40％的表面覆盖度的情况下，中间空隙15中的电流密度下降。这可导致直至20％的差距。尽管如此，在这种情况下还谈及相对均匀的电流密度分布。30％的表面覆盖度是临界的，其中可出现40％的差距并且由此会出现不均匀的电流密度分布。
由图4的曲线图表得知在电流扩展层中出现的电损耗1-L。在100％的表面覆盖度的情况下，在理想情况下不出现电损耗(参见K1)。但是，随着表面覆盖度减小(K2：50％、K4：40％、K3：30％)，电损耗1-L增加。电损耗通过较小的接触面和较差的电流扩展得到。附加地，损耗由于有源区中的电流流动的不均匀性而出现，该不均匀性由在第一p型的半导体区域中较差的电流扩展引起。损耗1-L随着电流密度J增加和表面覆盖度减小而上升。电损耗1-L基本上与波长无关。
图5针对各种发射波长λ示出了具有镜的半导体芯片的提取效率E，该镜针对未使用电流扩展层的情况(K1)和针对使用具有100％的表面覆盖度的电流扩展层的情况(K2)具有500nm厚的SiO2层和0.2nm厚的Pt/Ag层。电流扩展层具有30nm的厚度。
K3是由电流扩展层引起的吸收损耗。由此得知，电流扩展层的吸收与波长强烈相关。在短波范围中，由于电流扩展层出现约20％的损耗，而在长波范围中，损耗为约5％。
图6至8在400nm(图6)、460nm(图7)和540nm(图8)的发射波长的情况下示出了电光转换(Wall-plug)效率WP、也就是电到光的效率。在这种情况下，电损耗被添加到提取效率上的期望增益。
电光转换效率WP在每个波长的情况下针对各种电流密度J和100％(K1)、50％(K2)、40％(K3)以及30％(K4)的各种表面覆盖度予以说明。
如由图6得知的那样，针对发射波长为400nm的半导体芯片，通过结构化电流扩展层得到达到约10％的提高。
在长波范围中，提取效率的增益在结构化电流扩展层的情况下并不如在短波范围中那样大(大约6％)，因为电流扩展层的透明度更高并且因此电损耗更强烈地起决定作用。但是，直至200A/cm2的电流密度，40％至50％的表面覆盖度比100％的表面覆盖度更好。
因此概括地说，尤其是在可见光谱的短波范围直至长波范围的所有波长中通过电流扩展层的主面的40％至50％的表面覆盖度使光产出提高。
本发明不限于按照实施例的描述。更确切地说，本发明包括任意新特征以及这些特征的任意组合，这尤其是包含专利权利要求中的特征的任意组合，即使这些特征本身没有明确地在专利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10 2008 035 110.5的优先权，该德国专利申请的公开内容通过引用结合于此。

Claims (12)

1.一种光电子半导体芯片(1)，其具有：
-半导体层序列(2)，其具有用于产生电磁辐射的有源区(4)，
-结构化的电流扩展层(6)，其包含透明导电氧化物，被设置在半导体层序列(2)的主面(12)上，覆盖主面(12)的至少30％和最多60％并且具有中间空隙(15)，在所述中间空隙中主面(12)未被电流扩展层(6)覆盖，其中电流扩展层(6)的结构对应于矩形栅格，
-镜(9)，所述镜具有介电层(7)，其中电流扩展层(6)设置在半导体层序列(2)与镜(9)之间并且电流扩展层(6)的中间空隙(15)通过镜(9)的介电层(7)来填充，
-多个电接触接片(10)，所述电接触片分别在镜(9)的开口中走向，其中电流扩展层(6)在接触部位(11)上与所述电接触接片(10)相连接，并且其中
与所述接触接片(10)相连接的接触部位(11)分别位于栅格的栅格点上，其中并不在每个栅格点上都设置接触部位。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中电流扩展层(6)覆盖主面(12)的40％至50％。
3.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中所产生的辐射具有在400nm至450nm之间的发射波长。
4.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中半导体层序列(2)包含AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。
5.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中电流扩展层(6)包含氧化铟锡、氧化铟锌或者氧化锌。
6.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中电流扩展层(6)具有在10nm至60nm之间的厚度。
7.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述电接触接片(10)是金属接触接片。
8.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中介电层(7)与电流扩展层(6)邻接并且具有开口。
9.根据权利要求8所述的光电子半导体芯片(1)，其中镜(9)具有连续的金属层(8)，介电层(7)在背离电流扩展层(6)的侧上覆盖有所述金属层(8)。
10.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其具有支承衬底(13)，其中电流扩展层(6)被设置在半导体层序列(2)与支承衬底(13)之间。
11.根据权利要求10所述的光电子半导体芯片(1)，其中电流扩展层(6)借助所述电接触接片(10)与支承衬底(13)电连接。
12.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中半导体层序列(2)在电流扩展层(6)的所述侧上是p型的。
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