CN1846317B - 发射辐射的半导体元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有半导体本体的发射辐射的半导体元件，该半导体本体包含第一主表面(5)、第二主表面(9)和具有产生电磁辐射的有源区(7)的半导体层序列(4)，其中该半导体层序列(4)被布置在第一和第二主表面(5，9)之间，第一电流扩展层(3)被布置在第一主表面(5)上并且与半导体层序列(4)导电连接，以及第二电流扩展层(10)被布置在第二主表面(9)上并且与半导体层序列(4)导电连接。
Description
本发明涉及具有半导体本体的发射辐射的半导体元件，该半导体本体包含第一主表面、第二主表面和具有产生电磁辐射的有源区的半导体层序列，其中该半导体层序列被布置在第一和第二主表面之间。此外，本发明涉及一种用于制造这种发射辐射的半导体元件的方法。
本专利申请要求2003年8月29日的德国专利申请103 39 983.6和2003年10月7日的德国专利申请103 46 605.3的优先权，特此明确地通过回引将其公开内容引入到本专利申请中。
在发射辐射的半导体元件的情况下，电能转换为辐射能的内部转换效率大多明显高于总效率。对此由半导体元件在有源区内所产生的辐射的微小的输出耦合效率主要负有责任。这有不同的原因。到半导体层序列内的大面积电流引入常常是符合期望的，这例如可以借助大面积金属接触结构。然而，这种接触结构大多对于所产生的辐射来说是不可透过的，并且导致所产生的辐射的高吸收。
即使在小面积的、未完全覆盖半导体本体的接触结构的情况下，也存在大面积引入电流的路径。为此，发射辐射的半导体元件例如可以包含所谓的电流扩展层，该电流扩展层负责均匀地将电流引入到有源区内。一方面，这可以通过在半导体层序列内所布置的由被掺杂的半导体材料构成的层来实现。当然这种层必须相对厚，以便能够保证均匀地将电流引入到有源区内。但是半导体层越厚，制造层序列所需要的时间就越长。此外，在这些层内自由载流子和/或所产生的辐射的吸收随着层厚而增加，这导致小的总效率。
此外，在JP 2000-353820中公开了一种具有对于所产生的辐射来说可透过的电流扩展层的元件。该电流扩展层包含属于TCO(透明导电氧化物)材料类的ZnO。除了ZnO之外，在这类中也常常将ITO(氧化铟锡)用于电流扩展。
此外，输出耦合效率受限于在有源区中所产生的辐射在界面上的总反射，这是由半导体材料和环境材料的不同的折射率引起的。总反射可能受到界面的合适的结构干扰。由此导致较高的输出耦合效率。
在衬底或载体内对辐射的吸收也是低输出耦合效率的原因之一，其中在该衬底或载体上生长半导体层序列或固定有发射辐射的半导体元件。
本发明的任务是研制本文一开始所述的那种具有提高的总效率的发射辐射的半导体元件。此外，将给出一种用于制造具有提高的总效率的发射辐射的半导体元件的方法。
该任务通过根据本发明的发射辐射的半导体元件或者根据本发明的用于制造发射辐射的半导体元件的方法来解决。本发明的有利的扩展方案是从属技术方案的主题。
根据本发明的发射辐射的半导体元件具有半导体本体，该半导体本体包含第一主表面、第二主表面和具有产生电磁辐射的有源区的半导体层序列，其中在第一和第二主表面之间布置有半导体层序列，第一电流扩展层被布置在第一主表面上并且与半导体层序列导电连接，以及第二电流扩展层被布置在第二主表面上并且与半导体层序列导电连接。
这些电流扩展层中的至少一个优选地也包含具有导电能力的材料，该材料对于所产生的辐射来说是可透过的。特别优选地，两个电流扩展层包含这种材料、尤其是辐射可透过的具有导电能力的氧化物，优选地是诸如ZnO、InO和/或SnO的金属氧化物或诸如ITO的具有两种或多种金属成分的氧化物。由这些材料构成的电流扩展层是特别合适的，因为这些电流扩展层此外具有微小的层电阻，该微小的层电阻保证均匀地将电流输入到半导体层序列中。此外，它们具有高透射的大的波长范围。电阻有利地小于200Ω/口，其中尤其优选的是小于30Ω/口的值。在此，单位Ω/口(欧姆每平方)对应于层的平方面积的电阻。
在本发明中，电流扩展层的厚度是如此来选择的，使得导致均匀地将电流输入到半导体层序列内。这以从10nm直至1000nm、尤其优选地从200nm直至800nm的层厚来实现。
有利的是，为了减小电流扩展层的层电阻，辐射可透过的具有导电能力的电流扩展层中的至少一个包含Al、Ga、In、Ce、Sb和/或F作为掺杂材料。例如第一电流扩展层包含ZnO并且掺杂有Al，而第二电流扩展层包含SnO并且掺杂有Sb。
电流扩展层可以例如通过溅射、尤其是DC溅射来涂覆，其中如此选择过程参数，使得在电流扩展层和邻接的半导体层之间形成电接触，该电接触能够均匀地将电流输入到半导体层序列内并因此输入到有源区内。这些层之间的电接触还可以例如通过烧结或适当地预净化参与的层的相应表面来加以改善。由于两个电流扩展层的存在，在半导体层序列的两侧极其均匀地引入电流，并且形成高品质的有源区，该有源区的特征在于均匀分布的辐射产生和有利地微小的吸收。
在本发明的优选的改进方案中，在电流扩展层中的至少一个上布置有镜面层，该镜面层优选地是导电的并且此外对于在有源区内所产生的辐射来说具有高反射率。
通过镜面层来降低在可能被布置于其下的层(如例如衬底或载体)内的吸收损耗，并且该镜面层与电流扩展层一起构成用于与半导体元件接触的高效镜面电接触。镜面层优选地包含金属、有利地Au、Ag、Al、Pt和/或具有这些材料中的至少一个的合金。尤其优选的是，在电流扩展层的背离半导体层序列的一侧，镜面层被布置在第一主表面上。该镜面层例如可以通过汽化渗镀或溅射来涂覆。
在本发明的另一优选的改进方案中，半导体层序列的至少一个主表面具有微结构，该微结构在将电流扩展层涂覆到相应的主表面内或上之前已经被引入或者被涂覆。在此，这样形成微结构，使得与非结构化表面不同，结构化表面由于在有源区中所产生的、入射到该表面上的辐射的受干扰的总反射而具有较高的输出耦合效率。因此提高辐射输出耦合，并因此提高发射辐射的半导体元件的总效率。这样的微结构例如可以通过诸如蚀刻或研磨法的表面粗糙法来产生。此外，这样的微结构可以通过在应结构化的表面上涂覆金属掩模材料来产生，其中如此获得金属掩模材料的润湿特性，以致在表面上形成优选地至少部分相互连接的金属小岛。该岛结构可以借助于干蚀刻法转移到应结构化的表面内，之后可以通过适当的方法除去掩模材料。在半导体层序列的背离镜面层的一侧，主表面优选地具有微结构。
在本发明的有利的扩展方案中，半导体层序列具有至少一个n型和一个p型导电层。n和/或p型导电层的厚度典型地处于一个单层和1000nm之间。这些层中的至少一层或两层的厚度优选地小于400nm，并且尤其优选地处于150nm和350nm之间。在传统元件的情况下，围绕有源区布置的n和/或p型导电层通常也用于电流扩展，并因此具有相对大的厚度。
与此相反，在本发明中，在布置在半导体本体之外的电流扩展层中实现电流扩展。因此可以相对而言较薄地实现半导体层序列的各层。
具有这种有利地微小的层厚的半导体层序列在多方面对发射辐射的半导体元件的功能方式产生正面影响。因此例如明显降低自由载流子的吸收、所产生的辐射的吸收和用于制造这种元件所需要的外延时间，由此提高发射辐射的半导体元件的输出耦合效率，缩短半导体层序列的制造时间并且降低其制造成本。
具有n和p型导电层和产生辐射的有源区的半导体层序列优选地通过在衬底上、例如在GaAs衬底上外延生长来制造。优选地在外延阶段之后例如通过溅射来涂覆电流扩展层。
半导体层序列优选地包含III-V半导体，例如InxGayAl1-x-yP，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1；InxGayAl1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1；或者InxGayAl1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。
特别有利地，被布置在半导体层序列的p型导电侧的电流扩展层包含优选地掺杂有Al的ZnO，而被布置在n型导电侧的那个电流扩展层包含优选地掺杂有Sb的SnO。例如在III-V半导体中Sn在n型导电区中同时被用作掺杂材料。因此，Sn原子从包含SnO的电流扩散层到邻接的n型导电层中的扩散提高n型导电层内的多数载流子浓度。这在两层的界面上尤其适用。因此改善这样的层之间的导电接触，并因此改善到有源区中的电流引入。相应地适用于相对于p型导电层作为受主的Zn。
因此，第一电流扩展层可以与第二电流扩展层不同，以致各个电流扩展层的材料可以按照接触特性有利地与邻接半导体本体侧的材料相匹配。
本发明的有利的扩展方案中，在发射辐射的半导体元件运行时，第一和/或第二电流扩展层构成与半导体本体的具有欧姆特性的电接触(欧姆接触)。在此情况下，在发射辐射的半导体元件运行时出现的电流值或电压值的范围内，该接触优选地至少近似地具有线性的电流电压特性曲线。
被布置在半导体本体的p型导电侧的电流扩展层优选地构成与半导体本体的欧姆接触。为此，在半导体本体侧，包含AlGaAs的p型导电层特别优选地邻接包含ZnO的电流扩展层。为了构成欧姆接触，这种组合已被证明是特别有利的。
在本发明的有利的改进方案中，在衬底上外延生长半导体层序列，该衬底在外延过程之后通过适当的措施、例如机械应力或蚀刻过程被除去。半导体层序列经由第一主表面与例如由GaAs构成的载体连接。该连接优选地是导电的，并且可以借助于焊镀金属(Lotmetallisierung)来实现。在载体和第一主表面之间布置有电流扩展层，镜面层位于其背离半导体层序列的一侧。下面两种有利的扩展方案以此为基础。
上述改进方案的第一有利的扩展方案中，距离载体更远的第二主表面具有干扰入射到该表面上的辐射的总反射率的微结构。在该主表面上布置有另一电流扩展层，用于半导体元件的电接触的接触面被布置于该电流扩展层之后。该接触面优选地比半导体层序列和/或电流扩展层具有更小的横向扩展。此外，它也可以在朝向半导体层序列的一侧具有对在有源区中所产生的辐射进行反射的层，或其本身可以进行反射。借助于电流扩展层，通过接触面被注入的电流横向地均匀分布，并且大面积地被引入到有源区中。因此，在位于吸收接触面之下的有源区范围内避免不利地增强的辐射产生。因此，这样通过反射层减少所产生的辐射在接触面中的吸收，并因此提高元件的输出耦合效率。
在上述改进方案的第二有利的扩展方案中，距离载体更远的第二主表面具有微结构。在该微结构之后布置有对于所产生的辐射来说可透过的包层或者包层序列，该包层序列由多个层构成并且配备有第二电流扩展层。在此情况下，该电流扩展层具有至少一个空隙或窗，如此使得包层序列在该空隙或窗的范围内不被电流扩展层所覆盖。该空隙至少局部地被用于电接触的接触面填充，该接触面与包层序列和电流扩展层相接触。
接触面有利地是金属的，并且相对于通向包层序列的结在施加正向电压的情况下具有如此高的势垒(例如肖特基势垒)，以致几乎全部电流从接触面流入横向邻接的电流扩展层中并从那里经由包层流入有源区中。因此只有微小的电流分量到达处于接触面之下的有源区范围内，并且在该范围内只产生与剩余的有源区相比少量的辐射。因此降低在接触面内对所产生的辐射的吸收。此外，在半导体层序列的朝向载体的一侧也能构成上述类型的微结构或包层(序列)。
根据本发明的、具有半导体本体的发射辐射的半导体元件的制造方法具有下述步骤，其中该半导体本体包含第一主表面、第二主表面和具有产生电磁辐射的有源区的半导体层序列，其中半导体层序列被布置在第一和第二主表面之间：
-在衬底上生长半导体层序列；
-在第一主表面上涂覆辐射可透过的电流扩展层；
-分离衬底；
-在第二主表面上涂覆辐射可透过的电流扩展层。
在此情况下，步骤的列举不应被理解为对确定顺序的规定。
优选地外延生长半导体层序列。衬底可以借助适当的方法、如例如蚀刻过程或机械应力来去除。电流扩展层优选地包含TCO，尤其优选地包含ZnO和/或SnO。
为了降低层电阻，用Al、Ga、In、Ce、Sb和/或F掺杂至少一个电流扩展层是有利的。
所述方法的其它改进方案由随后描述的步骤得出，这些步骤可被加入到上述方法中的合适的位置上。在此，尤其也可以在半导体层序列的两侧执行一些步骤。
在本方法的优选的改进方案中，镜面层被涂覆到第一主表面上的电流扩展层上，该镜面层优选地包含Au、Ag、Al、Pt和/或具有这些材料中的至少一个的合金。
随后，半导体本体可以优选地经由镜面层被固定在载体上，其中该固定优选地借助于焊镀金属来实现。优选地，在半导体本体被固定在载体上之后分离衬底。因此载体可以与衬底不同。
此外，可以为至少一个主表面配备微结构，用于干扰在有源区中所产生的辐射在该主表面上的总反射。
此外，在该方法的另一优选的改进方案中，涂覆包层或包层序列，其被布置在电流扩展层和半导体层序列之间。可以将空隙引入到最接近包层的电流扩展层中，该空隙有利地至少部分地由用于电接触发射辐射的半导体元件的接触面来填充。该空隙优选地被如此形成，使得在该空隙的范围内完全除去电流扩展层。
如果未设有空隙，则可以把接触面涂覆到距离载体更远的电流扩展层上。
特别优选的是，利用所述的用于制造在权利要求1和从属权利要求中所述的半导体元件的方法。
本发明的其它特征、优点和实用性由下面结合以下附图对实施例的描述得出。
图1示出根据本发明的发射辐射的半导体元件的第一实施例的示意性剖视图。
图2示出根据本发明的发射辐射的半导体元件的第二实施例的示意性剖视图。
图3示出根据本发明的发射辐射的半导体元件的第三实施例的示意性剖视图。
图4在图4A-4D中借助四个中间步骤示出用于制造发射辐射的半导体元件的、本发明方法的实施例的示意图。
相同类型和作用相同的元件在图中具有相同的附图标记。
在图1中描绘了根据本发明的发射辐射的半导体元件的第一实施例的示意性剖视图。在GaAs载体1上布置有由Au构成的镜面层2，并且在该镜面层上布置有例如以化合物Al0.02Zn0.98O的形式包含ZnO和Al的第一电流扩展层3。在这些层之后布置具有包含InxGayAl1-x-yP(其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1)的半导体层序列4的半导体本体。半导体层序列4具有第一主表面5、第一导电型的一个或多个半导体层6、产生辐射的有源区7、第二导电型的一个或多个半导体层8、和第二主表面9。例如以化合物Sb0.2Sn0.98O的形式包含SnO和Sb的第二电流扩展层10被布置在第二主表面9上。层6和8是p或n导电型，并且具有例如200nm的相应的总层厚。
半导体层序列4通过在由GaAs构成的生长衬底上外延来制造，该生长衬底在涂覆了镜面层2之后已被分离。由镜面层2和电流扩展层3构成的组合用作高效的镜面接触，用于均匀地将电流引入到半导体层序列4中。由此，降低在载体1内对辐射的吸收，并且与第二主表面9上的第二电流扩展层10组合来保证经由两个主表面极其均匀地将电流输入到半导体层序列4中并且尤其输入到有源区7内。因此形成高品质的有源区7，在该有源区中横向地均匀地产生辐射。
半导体层6和8的微小的层厚允许半导体本体的较短的制造过程，并且降低在这些层内对自由载流子以及所产生的辐射的吸收。通过以下方式向下限制层厚，即该层厚应当阻止杂质原子从邻接的电流扩展层到有源区中的扩散，对于可能的微结构的引入或涂覆来说其厚度足够大和/或载流子在有源区内尽可能长时间地停留。
由两个电流扩展层3和10构成的组合导致总效率的提高，通过镜面层2和不同导电型的薄层6和8，总效率还将被进一步提高。
优选地，在半导体层6侧，p型导电型AlGaAs层邻接电流扩展层3。AlGaAs层有利地被集成在半导体本体或半导体层序列内。电流扩展层和半导体本体之间的主要的欧姆接触的构成这样被简化。
元件的电接触可以经由被布置在第二主表面9侧或第二电流扩展层10侧的接触面和被布置在载体1的位于半导体本体对面的一侧的相对接触面来实现。这在图1中未示出。
图2示出根据本发明的发射辐射的半导体元件的第二实施例的示意性剖视图，该半导体元件基本上与图1中示出的结构一致。与其不同之处在于：镜面层2通过焊镀金属11被固定在载体上并因此与该载体导电连接。此外，第二主表面9配备有例如借助于上述方法用金属掩模层制造的微结构12。这干扰总反射并因此提高输出耦合效率。
此外，在第二电流扩展层10上布置有用于电接触的接触面13，该接触面在其朝向半导体层序列4的一侧能够相对于在有源区7内产生的辐射进行反射，这并未明确地示出。接触面13具有比电流扩展层3、10和/或半导体层序列4更小的横向扩展。因为在有源区7的被吸收接触面13遮蔽的范围内避免增强的辐射产生，所以降低在接触面13内对所产生的辐射的吸收。接触面13的下侧的反射进一步有助于降低在接触面13内的吸收。总之，与图1中所示的实施例相比还进一步提高输出耦合效率。
在图3中示出了根据本发明的发射辐射的半导体元件的第三实施例的示意性剖视图。原理上的结构也与图2中所示的结构对应。与其不同之处在于，在电流扩展层10和第二主表面9之间布置有包层14。此外，通过接触面13实现电接触，该接触面13被布置在电流扩展层10的空隙15内并且与电流扩展层10和导电的包层14直接接触。这些层之间的电接触如此来制造，使得电流从接触面13出发主要经由电流扩展10并且随后经由包层14到达半导体层序列4和有源区7中。在此情况下，包层14和接触面13之间的接触具有足够高的势垒(例如肖特基势垒)，该势垒阻止电流直接从接触面13经由包层14到达半导体层序列4或者至少降低经由此路径的电流。
包层14优选地对于所产生的辐射来说是可透过的，并且包含例如AlxGa1-xAsyP1-x-y，其中0≤x≤1和0≤y≤1。这种接触导致，与图2中所示的实施例相比更小的电流分量被注入到有源区7的被接触面13遮蔽的范围内。因此在该范围内产生相对小的辐射功率，以致在接触面13中只吸收相应小的辐射量。因此与图2中所示的主题相比进一步提高了输出耦合效率。
在图4a-4d中，借助四个中间步骤示出用于制造具有高的总效率的、发射辐射的半导体元件的本发明方法的实施例的示意图。
在图4a中示出了在例如由GaAs构成的衬底16上外延生长的半导体层序列4。半导体层序列4构成半导体本体，该半导体本体包含第一主表面5、第一导电型的(例如p型导电)层6、产生电磁辐射的有源区7、第二导电型的(例如n型导电)层8、和第二主表面9。层6和8的厚度分别为200nm。半导体层序列4例如基于InxGayAl1-x-yP，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。
在图4b中，在第一主表面5上溅射由Al0.02Zn0.98O构成的电流扩展层3。该电流扩展层3通过汽化渗镀或溅射而配备由Au构成的镜面层2。随后如图4C中所示，镜面层2借助焊镀金属11被固定在优选地由GaAs构成的载体1上，并且衬底16被去除，其中镜面层2与载体1导电连接。此外，以合适的方式将微结构12涂覆或引入到现在不再与衬底16连接的第二主表面9内，该微结构干扰在该表面上的总反射。因此载体1尤其与衬底16有区别。
随后，将包含Sb0.02Sn0.98O的另一电流扩展层10溅射到具有微结构12的主表面9上，该另一电流扩展层在图4d中在最后的方法步骤中配备用于电接触发射辐射的半导体元件的接触面13。
本发明并不受限于借助实施例的描述。相反，本发明包含每一新特征以及特征的每一组合，这尤其包含权利要求中的特征的每一组合，即使该特征或该组合本身并未明确地在专利权利要求或实施例中给出。
Claims (6)
1.用于制造具有半导体本体的发射辐射的半导体元件的方法，该半导体本体包含第一主表面(5)、第二主表面(9)和具有产生电磁辐射的有源区(7)的半导体层序列(4)，其中所述半导体层序列(4)被布置在第一和第二主表面(5，9)之间，
其特征在于，
-在衬底(16)上生长所述半导体层序列(4)；
-将辐射可透过的第一电流扩展层(3)涂覆到第一主表面(5)上；
-将镜面层(2)涂覆到第一主表面(5)上的第一电流扩展层上，
-将所述半导体本体在具有所述镜面层(2)的一侧固定在载体(1)上；
-分离所述衬底(16)，以及；
-将辐射可透过的第二电流扩展层(10)涂覆到第二主表面(9)上，其中所述第一电流扩展层(3)与所述第二电流扩展层(10)就材料而言是不同的。
2.根据权利要求1所述的用于制造发射辐射的半导体元件的方法，
其特征在于，
实现所述半导体层序列(4)的外延生长。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造发射辐射的半导体元件的方法，
其特征在于，
通过溅射涂覆所述第一和第二电流扩展层(3，10)。
4.根据权利要求1所述的用于制造发射辐射的半导体元件的方法，
其特征在于，
所述镜面层(2)通过溅射或汽化渗镀来涂覆。
5.根据权利要求1或2所述的用于制造发射辐射的半导体元件的方法，
其特征在于，
在涂覆所述第一电流扩展层(3)和所述第二电流扩展层(10)之前，将微结构(12)涂覆到所述第一主表面(5)和所述第二主表面(9)中的至少一个主表面上。
6.根据权利要求1或2所述的用于制造发射辐射的半导体元件的方法，
其特征在于，
在至少一个电流扩展层(3，10)和最接近的主表面(5，9)之间涂覆包层序列(14)，并且该包层序列具有空隙(15)，其中电接触面(13)被引入到该空隙(15)中。
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