CN103828072A - 发射辐射的半导体芯片 - Google Patents
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Abstract
提出一种发射辐射的半导体芯片（1），所述半导体芯片具有带有半导体层序列（2）的半导体本体，其中带有半导体层序列的半导体本体在竖直方向上在第一主面（21）和第二主面（22）之间延伸；半导体层序列具有设置用于产生辐射的有源区域（5）、第一导电类型的第一区域（3）和与第一导电类型不同的第二导电类型的第二区域（4）；第一区域在竖直方向上在第一主面和有源区域之间延伸；第二区域在竖直方向上在第二主面和有源区域之间延伸；有源区域的至少一个层基于砷化物的化合物半导体材料；并且第一区域或第二区域关于在竖直方向上的相应的伸展至少一半基于磷化物的化合物半导体材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种发射辐射的半导体芯片。
背景技术
对于制造具有红外光谱范围中的发射波长的发光二级管，砷化物的化合物半导体材料是尤其合适的。然而，考虑到器件的符合环保性而期望尽可能地弃用砷。此外，基于砷化物的化合物半导体材料的已知的红外发光二级管显示出相对低的温度稳定性。这就是说，所发射的辐射功率随半导体芯片的温度的上升而相对大幅地下降。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于在红外光谱范围中发射的器件，所述器件的特征在于改进的符合环保性。此外，应提高温度稳定性。
该目的通过根据权利要求1的发射辐射的半导体芯片来实现。设计方案和改进形式是从属权利要求的主题。
在一个实施形式中，发射辐射的半导体芯片具有带有半导体层序列的半导体本体。半导体本体在竖直方向上在第一主面和第二主面之间延伸。半导体层序列具有设置用于产生辐射的有源区域、第一导电类型的第一区域和与第一导电类型不同的第二导电类型的第二区域。第一区域在竖直方向上在第一主面和有源区域之间延伸。第二区域在竖直方向上在第二主面和有源区域之间延伸。有源区域的至少一个层基于砷化物的化合物半导体材料。第一区域或第二区域关于在竖直方向上的相应的伸展至少一半基于磷化物的化合物半导体材料。
换言之，第一区域的和/或第二区域的至少一半的厚度基于磷化物的化合物半导体材料。第一区域的和/或第二区域的基于磷化物的化合物半导体材料的部分能够在竖直方向上连续地或者以在竖直方向上彼此间隔的两个或更多的子区域的方式构成在第一区域中或第二区域中。
半导体芯片也能够具有多于一个有源区域。在该情况下，第一区域在第一主面和最接近第一主面的有源区域之间延伸。相应地，第二区域在第二主面和最接近第二主面的有源区域之间延伸。
基于砷化物的化合物半导体材料在本文中表示：层或区域包括III-V族化合物半导体材料，其中V族晶格位置主要地、也就是说至少至51%由砷占据。优选地，V族晶格位置的至少60%、尤其优选至少80%由砷占据。尤其，化合物半导体材料通过材料体系InxAlyGa1-x-yP1-zAsz形成，其中0≤x≤1、0≤y≤1、x+y≤1且0.51≤z≤1、尤其z=1。
相应地，基于磷化物的化合物半导体材料在本文中表示：层或区域包括III-V族化合物半导体材料，其中V族晶格位置主要地、也就是说至少至51%由磷占据。优选地，V族晶格位置的至少60%、尤其优选至少80%由磷占据。尤其，化合物半导体材料通过材料体系InxAlyGa1-x-yP1-zAsz形成，其中0≤x≤1、0≤y≤1、x+y≤1且0≤z≤0.49。
竖直方向在本文中理解为垂直于半导体层序列的半导体层的主延伸平面伸展的方向。
因此，在第一和/或第二区域中，相对于基于砷化物的半导体材料的常规的半导体芯片，至少部分地通过磷化物的化合物半导体材料取代砷化物的半导体材料。半导体芯片的砷含量能够降低，而所放射的辐射的峰值波长不改变。
优选地，第一区域和第二区域关于在竖直方向上的相应的伸展至少一半、尤其优选至少至70%基于磷化物的化合物半导体材料。
在一个优选的设计方案中，磷化物的化合物半导体材料通过材料体系InxAlyGa1-x-yP1-zAsz形成，其中0≤x≤0.6、0≤y≤1、x+y≤1且0≤z≤0.3。
此外优选的是，对于砷含量z适用的关系是0≤z≤0.1，尤其优选0≤z≤0.05。
在一个优选的设计方案中，对于磷化物的化合物半导体材料的铟含量x适用的是0.4≤x≤0.6、优选0.5≤x≤0.56。具有在所述范围中的铟含量的磷化物的化合物半导体材料、尤其无砷的磷化物的化合物半导体材料与砷化物的化合物半导体材料晶格匹配或者尽可能地晶格匹配，使得能够简化地以高的晶体质量沉积半导体芯片的半导体层序列。
在一个优选的改进形式中，整个第一区域的V族晶格位置的最多20%和/或整个第二区域的V族晶格位置的最多20%由砷占据。在有源区域之外的砷份额越低，半导体芯片的砷份额就越大幅地下降，而没有改变由有源区域产生的辐射的峰值波长。
第一区域和第二区域优选分别构成为是多层的。
在一个优选的设计方案中，第一区域具有邻接于第一主面的接触区域。相应地，第二区域优选具有邻接于第二主面的第二接触区域。
在接触区域和有源区域之间优选构成势垒区域。相应地，在第二接触区域和有源区域之间构成第二势垒区域。
势垒区域优选为接触区域的至少两倍厚、尤其优选至少五倍厚。因此在将砷化物的化合物半导体材料用于接触区域时，也能够将半导体芯片的砷含量整体上保持得低。
优选地，第一势垒区域和第二势垒区域分别具有比有源区域的设置在势垒区域之间的层更大的带隙。
势垒区域中的至少一个或其至少一个区域还能够构成为用于与该区域的导电类型相反的导电类型的载流子势垒。这就是说，n型传导区域中的势垒层能够构成为空穴势垒，p型传导区域中的势垒区域能够构成为电子势垒。
优选地，第一势垒区域的和/或第二势垒区域的V族晶格位置的最多10%、尤其优选最多5%、最优选最多1%由砷占据。尤其优选的是，第一势垒区域和/或第二势垒区域不具有砷。因此，不具有砷的半导体层能够在一侧上或两侧上邻接于有源区域。
在另一优选的设计方案中，有源区域具有量子阱结构。术语量子阱结构在本申请的范围内尤其包括其中载流子由于约束（“Confinement”）而能够经受其能量状态的量子化的任何结构。特别地，术语量子阱结构不包含任何关于量子化维度的说明。因此，其还包括量子阱、量子线和和量子点和这些结构的任意的组合。
优选地，量子阱结构具有至少一个量子层和至少一个势垒层。量子阱结构尤其能够具有三个和二十个之间的量子层，其中包括边界值，其中在两个相邻的量子层之间优选分别设置有势垒层。
在一个优选的改进形式中，量子阱结构的至少一个势垒层、尤其优选量子阱结构的全部势垒层基于磷化物的化合物半导体材料。在该实施方案中，能够将半导体芯片构造成，使得仅构成用于产生辐射的量子层基于砷化物的化合物半导体材料，而半导体芯片的其余的半导体层完全地或至少部分地基于磷化物的化合物半导体材料。半导体本体中的砷份额因此能够被尽可能地降低。
优选地，整个半导体本体的V族晶格位置的最多25%、尤其优选最多15%、最优选最多5%由砷占据。特别地，整个半导体本体的V族晶格位置的最多1%由砷占据。
在一个优选的设计方案中，将用于半导体本体的优选外延地沉积的半导体层序列的生长衬底完全地或至少局部地移除。这种半导体芯片也称作薄膜半导体芯片。尤其砷化镓适合作为用于砷化物的化合物半导体材料的生长衬底。通过移除生长衬底能够降低半导体芯片的砷份额。
在一个优选的改进形式中，将半导体本体设置在载体上，所述载体与生长衬底不同并且所述载体机械地稳定半导体层序列。载体例如能够包含半导体材料、例如锗或硅或者由这样的材料构成。替选地或补充地，载体也能够包含电绝缘的材料，例如陶瓷、如氮化铝或氮化硼或由这样的材料构成。也能够应用金属、例如钼或镍。此外优选的是，载体能够是半导体芯片的一部分。在制造半导体芯片时，载体能够在从晶片复合物中分割时产生。
在另一优选的改进形式中，在半导体本体和载体之间设置有金属的镜层。在有源区域中产生且沿朝载体的方向放射的辐射能够在镜层上反射并且随后从半导体本体的与载体相对置的主面射出。镜层例如能够包含金。金在红外光谱范围中的特征在于尤其高的反射性。替选地，也能够为镜层使用其他的材料，例如铝、银、铑、钯、镍或铬或者具有所述金属中的至少一种的金属合金。
已经证明：具有基于砷化物的化合物半导体材料的有源区域的半导体本体的半导体材料的相对大的份额能够以基于磷化物的化合物半导体的方式构成，而晶体质量没有变差。
优选地，半导体芯片的砷份额总共最高为0.5%、尤其优选最高为0.1%。
此外发现，通过基于磷化物的化合物半导体材料、尤其基于无砷的或基本上无砷的化合物半导体材料的势垒区域能够实现更高的温度稳定性。
附图说明
从结合附图对实施例进行的下述描述中得到另外的特征、设计方案和有利方案。
附图示出：
图1示出半导体芯片的层结构的一个实施例的示意剖面图；以及
图2和3分别示出与常规的砷化物的化合物半导体芯片相比的、在半导体芯片运行中放射的辐射的发射强度分别与不同的半导体芯片的温度相关的测量结果。
具体实施方式
相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。
附图中示出的元件彼此间的大小关系和附图不能够视为是合乎比例的。更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解能够夸大地示出个别元件。
在图1中示出发射辐射的半导体芯片1的一个实施例的示意剖面图。半导体芯片包括具有形成半导体本体的半导体层序列的半导体芯片2。半导体层序列2优选外延地沉积在生长衬底、例如砷化镓上。半导体芯片1还包括载体6，半导体芯片2设置在所述载体上。借助于连接层62将载体和半导体芯片机械稳定地彼此连接。对于载体6和半导体芯片2之间的导电的连接，焊料或导电的粘接层尤其适合用于连接层。
在半导体本体2和载体6之间设置有金属的镜层61。镜层设置用于反射在运行中在有源区域中产生且沿朝载体6的方向放射的辐射。在红外光谱范围中，尤其金适合用于镜层。但是与此不同的是，也能够应用在本申请的概论部分中所提出的材料之一。
半导体层序列2包括设置用于产生辐射的有源区域5。有源区域5设置在第一导电类型的第一区域3和与第一导电类型不同的第二导电类型的第二区域4之间。例如，第一区域3能够以p型传导的方式构成并且第二子区域能够以n型传导的方式构成或反之。
半导体本体2在垂直于半导体本体2的半导体层序列的半导体层的主延伸平面伸展的竖直方向上在第一主面21和第二主面22之间延伸。有源区域5具有多个量子层51，在这些量子层之间分别设置有势垒层52。在有源区域的两侧上，在最外的量子层上邻接有各一个间隔层53。间隔层53和势垒层52能够相似地或关于材料组成和/或厚度彼此不同地构成。为了简化地描述仅示出三个量子层。优选地，半导体本体具有3和20个之间的量子层，尤其优选5个和15个之间的量子层，其中包括边界值。但是不同于此，有源区域能够仅具有一个量子层。
有源区域5优选未掺杂地或者本征掺杂地构成。
第一区域3具有邻接于有源区域5的势垒层31。第一势垒层31优选具有比有源区域5的半导体层更大的带隙并且还优选形成载流子势垒。在第一区域3的p型传导的设计方案中，载流子势垒构成为电子势垒。在第一势垒层31的背离有源区域5的一侧上，第一区域3具有第一接触区域32。第一接触区域32优选借助于下述材料构成，对于所述材料而言能够以简单的方式实现与设置用于外部电接触的第一接触部71的欧姆接触。
类似于第一区域3，第二区域4具有第二势垒区域41和第二接触区域42。
在载体6的背离半导体本体2的一侧上设有第二接触部72。通过在第一接触部和第二接触部之间施加电压，将载流子从不同侧注入到有源区5中并且能够在那里在发射辐射的情况下复合。
接触部71、72设置在外延的半导体本体2之外并且优选包含金属、例如金、银、铂、钛、镍、铝或铑或具有上述材料中的至少一种的合金。
接触部71、72的设置方式和设计方案能够在大范围内自由选择，只要能够经由接触部将载流子从不同侧注入到有源区域中。例如，接触部71、72能够设置在半导体本体2的背离载体6的一侧上。载体在该情况下也能够是电绝缘的，例如借助于陶瓷、如氮化铝或氮化硼构成。此外，也能够将两个接触部设置在载体的背离半导体本体2的一侧上。例如，在载体中能够构成有贯通接触部，接触部通过所述贯通接触部导电地与半导体本体连接。
所描述的层结构为了更好的可视性而简化地绘出。各个区域能够本身分别单层地或也能够多层地构成。
有源区域5优选设置用于在红外的光谱范围中、尤其在700nm和1500nm之间的波长范围中产生辐射，其中包括边界值。
下面，根据三个实施例描述半导体本体2的材料组成，其中能够分别应用在上面描述且在图1中示出的结构。
有源区域5、即量子层51和势垒层52基于砷化物的化合物半导体材料。能够经由量子层的材料组成调节发射波长。例如，能够借助具有7%铝含量、81%镓含量和12%铟含量且砷作为唯一的V族材料的量子层实现810nm的发射波长。
在该实施例中，量子层的厚度大约为4.6nm。在具有总共12个量子层的结构中，有源区域5的总厚度大约为500nm。
有源区域的厚度尤其能够根据发射波长和量子层的数量来变化。特别地，厚度能够为3nm和1μm之间，其中包括边界值。例如，一个量子层中厚度能够为5nm。在多个量子层的情况下，有源区域的厚度优选为50nm和500nm之间，尤其优选200nm和500nm之间，其中包括边界值。
第一势垒区域31和第二势垒区域41分别构成为基于磷化物的化合物半导体材料的无砷的半导体层。
基于磷化物的化合物半导体材料的半导体层序列的半导体层优选包含45%和60%之间的、尤其优选50%和56%之间的铟含量，其中包括边界值。因此，能够简化地实现相对于砷化物的化合物半导材料的晶格匹配。
接触区域32、42在该实施例中能够构成为砷化物的化合物半导体材料区域，例如基于AlxInyGa1-x-yP1-zAsz，其中0≤x≤1、0≤y≤1、x+y≤1。特别地，接触区域32、42的砷化物的化合物半导体材料能够无铟地或者基本上无铟地构成。直接邻接于第一主面21或邻接于第二主面22的半导体材料优选是GaAs。因此，能够以简单的方式来实现与第一接触部71或与镜层61的具有欧姆特性的良好的电连接。
势垒层31、41优选明显厚于接触区域32、42，优选至少为相关联的接触区域的两倍厚、尤其优选至少为五倍厚。因此，在将砷化物的化合物半导体材料用于接触区域时，第一区域3和第二区域4也关于相应的竖直的伸展至少一半基于磷化物的化合物半导体材料。因此，半导体芯片也能够借助具有作为唯一的V族材料的砷的接触区域32、42而总共具有相对低的砷份额。
例如，在有源区域的厚度为500nm、两个接触区域32、42的总厚度总共为500nm的总厚度为6μm的半导体本体2中，在势垒区域31、42的无砷的设计方案中，砷含量例如与V族位置的数量相关地为六分之一进而为半导体本体2总共的晶格位置的十二分之一。借助典型明显厚于半导体本体2、例如具有50μm和200μm之间的厚度的无砷的载体6，半导体芯片中的砷份额总共能够降低成显著低于5%、优选降低成1%或更小。
与此不同的是，在基于砷化物的化合物半导体材料、没有移除生长衬底的常规的半导体芯片中，半导体本体的和载体的全部V族晶格位置由砷占据，使得半导体芯片的半导体材料总共大约50%由砷构成。
与所描述的设计方案不同的是，磷化物的化合物半导体材料不必一定以无砷的方式构成。为了尽可能大幅地降低砷含量，由砷对V族位置的占据率、即砷份额z优选为最高30%、优选最高10%、最优选最高5%。
势垒区域31、41和接触区域32、42的厚度和材料组成优选构成为，使得整个第一区域的V族晶格位置的最多20%和/或整个第二区域的V族晶格位置的最多20%由砷占据。
与所描述的设计方案不同的是，也能够仅将势垒区域31、32中的一个以基于磷化物的化合物半导体材料的方式构成。在外延沉积半导体本体的半导体层序列2期间的砷化物的化合物半导体材料和磷化物的化合物半导体材料之间的过渡部的数量能够由此被降低。然而为了尽可能地降低砷份额优选这两个势垒区域无砷地或至少基本上无砷地构成。
在半导体本体2的材料组分的第二实施例中，半导体层基本上如结合第一实施例描述的那样构成。
与此不同的是，接触区域32、42同样以基于磷化物的化合物半导体材料的方式构成。因此，在该情况下，整个第一区域和整个第二区域基于磷化物的化合物半导体材料。特别地，这两个区域能够以无砷的方式构成。因此，还能够尽可能地降低砷含量。
在材料组成的第三实施例中，第一区域3和第二区域4能够如结合第一或第二实施例所描述的那样构成。与这些实施例不同的是，有源区域5的势垒层52也以基于磷化物的化合物半导体材料的方式构成。因此，在该情况下，仅有源区域的量子层51以基于砷化物的化合物半导体材料的方式构成。
因此，在该情况下，量子层能够是半导体本体2的唯一的、基于砷化物的化合物半导体材料的层。在12个量子层各自具有5nm厚度且半导体本体2的总厚度为6μm的情况下，半导体本体2的V族晶格位置的砷占据率总共能够降低到大约1%进而半导体本体的砷含量总共降低到大约0.5%。
因此，半导体芯片的砷含量已经能够在载体厚度为25μm的情况下下降到小于0.1%。
在图2和3中分别与半导体芯片的温度相关地示出对于具有磷化物的势垒区域和810nm发射波长的半导体芯片的通过曲线81或82示出的在运行中产生的辐射的归一化为室温下的数值的强度。与此相比，曲线91或92示出对基于砷化物的化合物半导体材料的常规的半导体芯片的测量。在70mA（图2）和200mA（图3）的电流下进行测量，其中半导体芯片以未浇注的方式安装在TO18壳体中。电流输送分别以20ms的持续时间的脉冲来进行。
对于这两个电流值而言，具有基于磷化物的化合物半导体材料的势垒区域的曲线示出较平的走向，使得强度在较高的温度下与在对比样品中相比更缓慢地下降。
因此，测量证明半导体芯片的所描述的设计方案在改进符合环保性的同时引起温度稳定性的改进。
本申请要求德国专利申请10 2011 114 380.0的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
本发明不通过根据实施例进行的描述而限制于此。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使这些特征或这些组合本身并未明确地在权利要求或实施例中说明也如此。
Claims (15)
1.一种发射辐射的半导体芯片（1），所述半导体芯片包括具有半导体层序列（2）的半导体本体，其中
-具有所述半导体层序列的所述半导体本体在竖直方向上在第一主面（21）和第二主面（22）之间延伸；
-所述半导体层序列具有设置用于产生辐射的有源区域（5）、第一导电类型的第一区域（3）和与所述第一导电类型不同的第二导电类型的第二区域（4）；
-所述第一区域在竖直方向上在所述第一主面和所述有源区域之间延伸；
-所述第二区域在竖直方向上在所述第二主面和所述有源区域之间延伸；
-所述有源区域的至少一个层基于砷化物的化合物半导体材料；并且
-所述第一区域或所述第二区域关于在竖直方向上的相应的伸展至少一半基于磷化物的化合物半导体材料。
2.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述第一区域和所述第二区域关于在竖直方向上的相应的伸展至少一半基于磷化物的化合物半导体材料。
3.根据权利要求1或2所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述磷化物的化合物半导体材料通过材料体系InxAlyGa1-x-yP1-zAsz形成，其中0≤x≤0.6、0≤y≤1、x+y≤1且0≤z≤0.3。
4.根据权利要求3所述的发射辐射的半导体芯片，其中适用的是0.45≤x≤0.6、优选0.5≤x≤0.56。
5.根据权利要求3或4所述的发射辐射的半导体芯片，其中适用的是0≤z≤0.05。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中整个所述第一区域的V族晶格位置的最多20%和/或整个所述第二区域的V族晶格位置的最多20%由砷占据。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述第一区域具有邻接于所述第一主面的接触区域（31）并且在所述接触区域和所述有源区域之间具有势垒区域（32）并且所述势垒区域的V族晶格位置的最多10%由砷占据。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中第一所述势垒区域不具有砷。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述有源区域具有带有至少一个量子层（51）和至少一个势垒层（52）的量子阱结构。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述量子阱结构的至少一个势垒层基于磷化物的化合物半导体材料。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述半导体本体的V族晶格位置的最多15%由砷占据。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中整个所述第一区域和/或整个所述第二区域基于磷化物的化合物半导体材料。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中用于所述半导体本体的所述半导体层序列的生长衬底被完全地或至少局部地移除。
14.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体芯片，其中所述半导体本体设置在载体（6）上，所述载体使所述半导体层序列机械地稳定并且在所述半导体本体和所述载体之间设置有金属的镜层（61）。
15.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体芯片，其中
-所述第一区域和所述第二区域关于在竖直方向上的相应的伸展至少一半基于磷化物的化合物半导体材料；和
-所述磷化物的化合物半导体材料通过材料体系InxAlyGa1-x-yP1-zAsz形成，其中0.45≤x≤0.6、0≤y≤0.55、x+y≤1且0≤z≤0.05。
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