CN1886874A - 带有保护二极管的发光半导体器件 - Google Patents

带有保护二极管的发光半导体器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发光的半导体器件，所述发光半导体器件包含带有一个p掺杂的半导体层(4)区域和一个n掺杂的半导体层(3)区域的半导体层序列(2)，并且在所述区域构成一个第一pn结(5a、5b)。所述pn结(5a、5b)沿横向由一个绝缘段(6)划分成一个发光段(7)和一个保护二极管段(8)。在保护二极管段(8)的区域中在p掺杂半导体层(4)的区域敷设一个n掺杂的层(9)，所述n掺杂的层所述p掺杂的区域(4)一起构成一个起保护二极管作用的第二pn结(10)，其中在保护二极管段(8)中的第一pn结(5b)比发光段(7)中的第一pn结(5a)有较大的面积。保护二极管段(8)保护发光的半导体器件防止受到静电放电(ESD)引起的电压脉冲。

Description

带有保护二极管的发光半导体器件
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的发光半导体器件。
本专利申请要求德国专利申请102004005269.7和10356283.4的优先权，这两个申请的公开内容以引用的方式并入本文。
光电器件的不断微型化和特别是阈值电流和光束质量方面的特殊要求导致这样的器件的发光活性面积往往比较小地构成。另一方面公知的是，一个比较小的活性面积引起器件对静电放电(ESD-静电放电)较高的灵敏度。这种ESD电压脉冲可能在其功能上对光电器件造成影响或者甚至毁坏光电器件。
由US6,185 240 B1公知一种垂直共振器激光二极管(VCSEL-垂直腔表面发射激光器)，所述垂直共振器激光二极管为了提高抗ESD性包含一个单片集成在半导体衬底上的保护二极管。通过一种多级的蚀刻工艺和一个适当的接触金属化层引导，该保护二极管对VCSEL逆并联，并且以此方式对沿VCSEL的pn结截止方向发生的ESD电压脉冲保护VCSEL。
另一个有改善了的抗ESD性的发光半导体器件由DE19945134A1所公知。在该器件中通过pn结的一个部分设置一种肖特基接触实现一种单片集成的保护二极管。该设置肖特基部分段对发光段并联连接并且具有相同的导通方向。由于一个陡直的电流电压特性曲线，在导通方向上高电压时的电流优先地流过保护二极管段。以此方式针对导通方向的ESD电压脉冲保护这种器件。
本发明的任务是指出一种发光半导体器件，其特征是对发光的pn结截止方向上的ESD电压脉冲改善的保护，并且可以用相对很低的成本制造。
所述任务可以通过一种有权利要求1的特征的发光半导体器件解决。本发明的有利的安排和扩展是从属权力要求的主题。
根据本发明，一个发光的半导体器件包含一个单片地制造的半导体层序列，其中一个n掺杂的半导体层区域和一个p掺杂的半导体层区域彼此相继排列，并且在所述区域之间构成一个第一pn结，其中所述第一pn结由一个绝缘段划分成一个发光段和一个保护二极管段。所述绝缘段在p掺杂的半导体层的区域中使发光段和保护二极管段相互电绝缘。在保护二极管段的区域中，在p掺杂的半导体层上敷设一个n掺杂的层，所述n掺杂的层与发光段的p掺杂的半导体层的区域导电连接，并且与保护二极管段的p掺杂的区域一起构成一个第二pn结。该保护二极管段比发光段拥有较大的面积。
据此在保护二极管段中一个第一pn结和一个第二pn结以相反的极性串联。这两个串联连接的pn结再与发光段的pn结并联连接。在一个沿第一pn结导通的方向加上的电压，例如发光器件的工作电压，保护二极管中的第二pn结沿截止方向极化。因此电流实质上只流过发光段。
相反地，如果一个沿第一pn结的截止方向在该半导体器件上加以电压，那么保护二极管段中的第二pn结沿导通方向极化。在此情况下，第一pn结不论是在发光段中还是在保护二极管段中都沿截止方向极化。在有一个超过第一pn结的导通电压的沿截止方向的ESD电压脉冲时，电流优先流过保护二极管段，因为该保护二极管段有比发光段大的面积。
由此可以有利地避免发光段中的因其很小的面积而特别敏感的第一pn结的损伤或者毁坏。
在本发明的范畴内，保护二极管段或者发光段中的第一pn结的面积理解为在第一pn结的p掺杂区域与n掺杂的区域之间的界面的平面中为器件的电接触之间的电流流动所提供的面积。在确定该面积时不考虑由之阻止电流流动的面积部分，例如因要实行空间电流限界而在所述半导体层序列中设置的绝缘区域。
优选地保护二极管段中的第一pn结的面积是其在发光段中面积的至少100倍。在此情况下，出现ESD电压脉冲时电流实质上流过保护二极管。
本发明的发光半导体器件的一个优点在于，可以比较简单地制造分层结构。例如不要求从半导体层序列例如延伸到衬底表面的蚀刻工艺，因为所述的发光段和保护二极管段只需要在p掺杂的半导体层的区域中相互绝缘。
在本发明中发光的半导体器件的发射波长并不局限于可见光的光谱范围。发光尤其还可以在红外线或者紫外线的光谱范围进行。
所述半导体层序列例如敷设在一个半导体衬底上。然而还可能拆开原本用于生长半导体层序列的生长衬底。为了连接发光的器件，例如在半导体衬底的背离半导体层序列一侧上敷设一个第一接触金属化层而在发光段表面的相对半导体衬底子区域上敷设一个第二接触金属化层。例如绝缘段从半导体层序列的上侧延伸到n掺杂层的区域中。从而发光段和保护二极管段的n掺杂的区域至少部分地不被绝缘段间断。
发光段尤其通过一个垂直共振器激光二极管(VCSEL)构成。VCSEL的激光共振器例如由一个第一布喇格反射器层序列和一个第二布喇格反射器层序列构成，它们各有许多层对，其中第一pn结安排在这两个布喇格反射器之间，并且这两个布喇格反射器之一对于在pn结中产生的激光光束是部分透明的。
最好在这两个布喇格反射器层序列之一中设置至少一个电流孔隙，用之在空间上限制流过发光段的活性区域的电流。用该措施尤其可以适配光束截面并且可以降低阈值电流密度。
绝缘段例如构成为沟槽，从而发光段和保护二极管段在所述沟槽的一侧具有一种台面形结构。所述沟槽例如通过一个蚀刻工艺或者通过一个机械的微构筑法制造。有利地在所述沟槽的内侧设有一个绝缘层。在此情况下，第二接触金属化层可以在产生所述沟槽以后敷设，并且在此用第二接触金属化层的材料填充所述沟槽，而所述沟槽不失其绝缘作用。
下面借助于一个实施例详细地说明本发明。在附图中：
图1示出根据本发明的一个发光半导体器件的示意性剖面图，而
图2示出图1中所示的半导体器件的等效电路图。
图1中所示的发光半导体器件是一种垂直共振器激光二极管(VCSEL)。所述VCSEL2包含一个衬底1，在所述衬底上敷设一个半导体层序列2。所述半导体层序列2包含一个n掺杂层区域3和一个p掺杂的半导体层区域4，在二者之间构成一个第一pn结5a、5b。pn结5a、5b被一个绝缘段6划分成一个发光层7和一个保护二极管层8。在保护二极管段8中的第一pn结5b的面积大于(最好100倍)发光段7中的第一pn结5a的面积。
在发光段7中的pn结5a产生VCSEL的活性区。n掺杂的半导体层3的区域和p掺杂的半导体层4的区域包含布喇格反射器，所述布喇格反射器各包含多个反射的层对(图中未示)。布喇格反射器构成VCSEL的激光共振器。在p掺杂的半导体层4中朝向VCSEL表面的布喇格反射器为了退耦激光光束18部分透明地构成。
VCSEL的电接触通过在衬底1的背离半导体层序列2的一侧上的第一接触金属化层11和在半导体层序列2的表面上的第二接触金属化层12实现。发光段7的表面只是部分地由第二接触金属化层12覆盖，从而保留一个出光孔17。发光段7的表面在该区域中设有一个绝缘层16，该绝缘层16尤其是对氧化或者其它的环境影响保护半导体层的表面。
流过发光段7的电流有利地通过一个电流孔隙14局限在一个中央区域15上。该电流孔隙14尤其可以构成在p掺杂的半导体层4的区域中。例如在该区域4中有一个含铝的半导体层，尤其是AlA，在子区域14中氧化。该氧化的区域14起绝缘作用，从而把电流局限在一个中央区域15上。电流孔14也可以位于保护二极管段8中。尽管在该段中并不希望限制给电流提供的面积，然而在沟槽19的两侧造成电流孔隙可以简化制造方法。在此情况下，在保护二极管段8中的电流孔隙的面积应当实质上大于在发光段7中的面积。
绝缘段6例如构成为一个沟槽19，该沟槽19从半导体层2延伸到n掺杂的半导体层3的区域中。发光段7的p掺杂的区域4和保护二极管段8通过该沟槽19彼此分离并且电绝缘。相反，n掺杂的半导体层3的区域至少不完全由沟槽间断，从而在该区域中发光段7和保护二极管段8相互电连接。构成绝缘段6的沟槽6例如可以通过一种蚀刻工艺或者一个机械处理产生。在其内侧所述沟槽19有利地设置一个绝缘层16。由此保证，在敷设第二接触金属化层12时在发光段7与保护二极管段8之间不会出现短路。在敷设绝缘层16以前可以通过一个氧化工艺从沟槽9的内侧产生所述电流孔隙14。
取代于把绝缘段6构成为沟槽19，作为可以选择的方案还可能通过在半导体层2中注入或者扩散一个外部材料，或者通过氧化半导体层序列2的一部分产生绝缘段6。
在保护二极管段8的区域中在p掺杂的半导体层4的区域的表面上敷设一个n掺杂的半导体层9。在此之间构成一个第二pn结10。在n掺杂的半导体层9上敷设一个为电接触VCSEL设置的焊接区13，所述焊接区与第二接触金属化层12导电连接。在保护二极管段8的区域中串联连接第一pn结5b和第二pn结10。通过第一接触金属化层11和第二接触金属化层13或焊接区13使发光段7与保护二极管段8并联连接。
这通过在图2中所示的等效电路图示出。该等效电路图的左侧对应于发光段7而右侧对应于保护二极管段8。发光段7只包含第一pn结5a。后者也包含在保护二极管段8中，但是第二pn结10以相反的极化与之串联连接。
在VCSEL工作时，工作电压沿第一pn结5a、5b导通的方向加在接点20、21上。在此情况下，保护二极管段8中的第二pn结10沿截止方向极化，从而电流实质上只通过发光段7流动。在有一个沿第一pn结5a、5b的截止方向的ESD电压脉冲时，与之相反地第二pn结沿导通方向极化，从而保护二极管段8的电阻实质上由第一pn结5b的电阻决定。因为保护二极管段8中的第一pn结5b的面积大于发光段7中的第一pn结5a的面积，由该电压脉冲引起的截止电流实质上经保护二极管段8中的第一pn结5b流动。发光段7中为产生光束设置的第一pn结5a因此受到保护防止电压脉冲引起的损害。保护二极管段8中的第一pn结(5a、5b)的面积对发光段7中的面积的比例越大，保护作用就越好。
在本发明的另一个实施方式中，保护二极管段8中的区域中第一pn结5b可以是短路的。例如短路可以通过一个导电层(在图1中未示出)实现，所述导电层敷设在半导体层序列2的朝向保护二极管段8的侧缘上，并且把n掺杂的半导体层3的区域与p掺杂的半导体层的区域相互连接。在一个沿截止方向的ESD电压脉冲的情况下，在该实施方式中电流不流过第一pn结5b，而是流过导电层和第二pn结10。结果是，在该实施方式中并不要求保护二极管段8中的第一pn结5b的面积大于发光段7中的第一pn结5a的面积。
在本发明的范畴内还可能把所说明的半导体层导电类型n和p相互对换。在此情况下所有在说明中所述的导电类型p和n都看作是可以彼此对换的。
借助于实施例进行的本发明的说明当然不能够理解为对本发明的限制。相反，本发明包含公开的特征既可以是单个的也可以是其各种相互结合的，即使这样的结合没有在权利要求中详细地说明。

Claims (16)

1.发光半导体器件其具有单片制造的半导体层序列(2)，其中，一个n掺杂的半导体层(3)区域和一个p掺杂的半导体层(4)区域彼此相继排列，并且在所述两个区域(3、4)之间构成一个第一pn结(5a、5b)，其中所述第一pn结(5a、5b)被一个绝缘段(6)划分成一个发光段(7)和一个保护二极管段(8)，
其特征在于，
-所述绝缘段(6)在p掺杂的半导体层(4)区域中使发光段(7)和保护二极管段(8)相互电绝缘，
-在所述保护二级管段(8)中的p掺杂半导体层(4)的区域在背离第一pn结(5b)一侧设置有一个n掺杂的半导体层(9)，所述n掺杂的半导体层与保护二极管段(8)中的p掺杂的半导体层(4)的区域一起构成一个第二pn结(10)，并且与发光段(7)中的p掺杂的半导体层(4)的区域导电连接，并且，
-第一pn结(5a、5b)在保护二极管段(8)中的面积比在发光段(7)中的面积更大。
2.如权利要求1所述的发光半导体器件，其特征在于，
第一pn结(5a、5b)在保护二极管段(8)中的面积是其在发光段(7)中面积的至少100倍。
3.如权利要求1或2所述的发光半导体器件，其特征在于，
该半导体层序列(2)被敷设在一个半导体衬底(1)上。
4.如权利要求3所述的发光半导体器件，其特征在于，
在半导体衬底(1)的背离半导体层序列(2)的一侧敷设有一个第一接触金属化层(11)而在一个与半导体衬底(1)的半导体层序列(2)相对的表面的子区域上敷设有一个第二接触金属化层(12)。
5.如以上权利要求之一所述的发光半导体器件，其特征在于，
n掺杂的半导体层(3)的区域至少部分地不被绝缘段(6)间断。
6.如权利要求3或者如引用权利要求3的权利要求4或5所述的发光半导体器件，其特征在于，绝缘段(6)从一个对着半导体衬底(1)的半导体层序列(2)的表面延伸到n掺杂的层(3)的区域中。
7.如以上权利要求之一所述的发光半导体器件，
其特征在于，
所述发光段(7)由一个垂直共振器激光二极管(VCSEL)构成。
8.如权利要求7所述的发光半导体器件，其特征在于，第一pn结(5a、5b)被布置在一个第一布喇格反射器层序列与一个第二布喇格反射器层序列之间，这两个布喇格反射器层序列各有许多层对，并且所述两个布喇格反射器层序列构成一个激光共振器，其中这两个布喇格反射器层序列之一对于在pn结(5a)中产生的激光光束(18)而言是部分地透明的。
9.如权利要求8所述的发光半导体器件，其特征在于，
在这两个布喇格反射器层序列之一中设置至少一个电流孔隙(14)，用之在空间上限制在垂直共振激光二极管工作过程中流过发光段(7)中的第一pn结(5a)的工作电流。
10.如权利要求4或者如引用权利要求4的权利要求5至9之一所述的发光半导体器件，其特征在于，
第二接触金属化层(12)如此地部分覆盖的发光段的表面，使得不受覆盖的区域保留为出光孔(17)。
11.如以上权利要求之一所述的发光半导体器件，其特征在于，
所述绝缘段(6)被构成为沟槽(19)。
12.如权利要求11所述的发光半导体器件，其特征在于，
发光段(7)和保护二极管段(8)在所述沟槽(19)的一侧具有一种台面形结构。
13.如权利要求11或者12所述的发光半导体器件，其特征在于，
所述沟槽(13)由设有一个绝缘层(16)的一个面进行限定。
14.如权利要求13所述的发光半导体器件，其特征在于，
所述沟槽(19)用第二接触金属化层(12)的材料填充。
15.如权利要求1至10之一所述的发光半导体器件，其特征在于，
所述绝缘段(6)通过一种注入工艺、扩散工艺或者氧化工艺构成。
16.如以上权利要求之一所述的发光半导体器件，其特征在于，
彼此对换半导体层的n掺杂和p掺杂。
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