TWI396305B - 半導體本體及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種半導體本體及其製造方法。
在以氮化物-化合物半導體為主的發光二極體中，通常使用多個半導體層，其在p-導電時以鎂來摻雜。在製程中該些半導體層可受到一種活化步驟，此時加入至一層中的氫須與鎂相隔開。特別是在以鎂來摻雜之埋入式半導體層中，鎂未充份的活化時會使該發光二極體之操作電壓提高。
本發明的目的是提供一種半導體本體，其具有已改良的光電特性。特別是p-導電之半導體層應具有一較佳的活化度。此外，本發明提供一種半導體本體之製造方法。
上述目的藉由申請專利範圍獨立項之物件來達成。有利的其它佈置和形式描述在申請專利範圍各附屬項中。
依據一實施形式，半導體本體具有一n-導電之半導體層和一p-導電之半導體層。該p-導電之半導體層包含一種p-摻雜物。該n-導電之半導體層包含一種n-摻雜物和另一摻雜物。
藉由該另一摻雜物，則該p-導電之半導體層之活化度可持續地提高。即，使用電洞作為電荷載體之該p-摻雜物之原子之份量可提高。
特別是n-導電之半導體層可具有一種對氫而言至少局部性較高的透過性。氫在n-導電之半導體層中的可溶性可藉由該另一摻雜物來提高。在使該p-導電之半導體層活化時，氫可穿過配置在該p-導電之半導體層上方之n-導電之半導體層。因此，藉由該另一摻雜物可使氫更容易經由該n-導電之半導體層而擴散。
在一種佈置中，在p-導電之半導體層和n-導電之半導體層之間形成一種用來產生輻射之活性區及/或一種穿隧接觸。換言之，在p-導電之半導體層和n-導電之半導體層之間存在一種具有功能的pn-接面。此pn-接面作為活性區時用來產生輻射或在作為穿隧接面時用來將n-摻雜層和p-摻雜層形成電性連接。該穿隧接面例如可具有一種高的p-摻雜之穿隧層和一種高的n-摻雜之穿隧層。
在半導體本體的一種實施形式中，p-導電之半導體層由至少另一個半導體層所覆蓋著。該另一個半導體層例如可以是一種具有活性區(用來產生輻射)或穿隧接觸的半導體層。在此二種情況下，該p-導電之半導體層被埋置著且不是位於半導體本體之外側上。即，該p-導電之半導體層未露出。
在半導體本體之一種佈置中，p-導電之半導體層配置在活性區和載體或生長基板之間。在該活性區之遠離該p-導電之半導體層之此側上可配置n-導電之半導體層，其具有n-摻雜物和另一摻雜物。在每種情況下，該p-導電之半導體層都被埋置著且不能由半導體本體自由地接近。
在半導體本體之一種佈置中，n-導電之半導體層所具有的厚度至少是5奈米，較佳是至少10奈米，特別佳時至少是20奈米。此種n-導電之半導體層不具有另一摻雜物而只具有n-摻雜物且不能使氫透過。只有藉由添加另一摻雜物才能使該層可透過氫。該n-導電之半導體層較20奈米厚時是有利的，這樣可使該n-導電之半導體層之橫向導電性獲得改善。
該半導體本體較佳是以氮化物-化合物半導體材料為主。
“以氮化物-化合物半導體材料為主”在此處之意義是指，活性之磊晶層序列或其中至少一層包含氮化物-III/V-化合物半導體材料，較佳是Aln
Gam
In1-n-m
N，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n+m≦1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確的組成。反之，此材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此材料Aln
Gam
In1-n-m
N之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(Al,Ga,In,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。
在一較佳的佈置中，該另一摻雜物可針對材料及/或濃度而形成在n-導電之半導體層中，使氫對該n-導電之半導體層之透過率可提高。在活化該p-導電之半導體層時，氫可較有利地穿過該n-導電之半導體層。該p-導電之半導體層之活化度因此可獲得改善。氫在該n-導電之半導體層中之可溶性於是可藉由該另一摻雜物來提高。
在另一較佳的佈置中，該另一摻雜物在n-導電之半導體層中用作受體。
在氮化物-化合物半導體材料中，來自元素周期表系統之第一族和第二族之元素適合用作受體。藉由將III-族-元素之柵格位置上的元素加入至晶體中，則可使半導體材料之p-導電性提高。
由於作為受體用的摻雜物，則可藉由該另一摻雜物來部份地補償n-摻雜度。已顯示的事實是，在n-導電之半導體層中雖然該n-摻雜度可部份地被補償，但由於p-導電之半導體層中p-摻雜物之活化度已提高，則用作另一摻雜物之受體整體上可使半導體本體之光電特性獲得改良。
在一較佳的佈置中，該另一摻雜物是鎂。施加至n-導電之半導體層中的鎂原子會使氫在該半導體層中之可溶性局部地提高。氫可經由n-導電之半導體層而擴散且因此到達半導體本體之遠離該生長基板之末端面以及較佳是由此處逸出。
在另一佈置中，該n-導電之半導體層之另一摻雜物等於該p-導電之半導體層之p-摻雜物。特別是該另一摻雜物和該p-摻雜物可以分別是鎂。
該另一摻雜物的濃度最多較佳是該n-摻雜物之濃度之50%，在此種情況下由於該n-摻雜度之較強的補償作用而可使該半導體本體之光電特性不會受到明顯的影響。
此外，該n-導電之半導體層中另一摻雜物之濃度較佳是至少1×1016
cm-3
。此濃度特別是可介於1×1017
cm-3
(含)和5×1018
cm-3
(含)之間，特別是可介於1×1017
cm-3
(含)和2×1018
cm-3
(含)之間。因此，氫對該n-導電之半導體層之透過率可提高，此時該n-
導電之半導體層之光學品質不會明顯地劣化。
半導體本體較佳是具有一種用來產生輻射之活性區。此活性區特別是可形成在n-導電之半導體層和p-導電之半導體層之間。
在另一較佳的形式中，半導體本體具有另一活性區，其中該活性區和該另一活性區分別用來產生輻射。藉由該另一活性區，則在該半導體本體之基面相同之情況下可產生的總輻射功率可提高。
該n-導電之半導體層特別是可形成在該活性區和該另一活性區之間。由該n-導電之半導體層所覆蓋的p-導電之半導體層在製造半導體本體時可較佳地被活化。
藉由半導體本體可形成半導體晶片。此半導體晶片例如可構成為發光二極體-晶片或雷射二極體-晶片。
在一較佳的形式中，該半導體本體用的生長基板完全去除或至少以區域方式而去除。此種半導體晶片亦稱為薄膜-半導體晶片。
薄膜-半導體晶片大致上是一種發光二極體晶片，其特徵是以下各特徵的至少一種：
-在半導體本體之面向一載體元件之第一主面上施加一種鏡面層或在半導體層序列中形成布拉格鏡面，其使半導體層序列中所產生的電磁輻射之至少一部份反射回到半導體層序列中；
-此半導體層序列具有一種20微米或更小的厚度，特別好的情況是10微米；及/或
-此半導體層序列包含至少一種半導體層，其至少一面有一混合結構。在理想狀況下，此混合結構可使半導體層序列中的光達成一種近似遍壢(ergodic)之分佈，即，該光具有一種儘可能遍壢之隨機雜散特性。
薄膜-發光二極體晶片之基本原理例如已描述在文件I. Schnitzer et al.,Appl. Phys. Lett. 63(16),18. October 1993,page 2174-2176中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。
依據一實施形式，在該具有n-導電之半導體層和p-導電之半導體層之半導體本體之製造方法中，須沈積一種半導體層，其包含p-摻雜物和氫。一種n-導電之半導體層較佳是沈積在p-導電之半導體層上，其中n-導電之半導體層含有n-摻雜物和另一摻雜物。為了形成該p-導電之半導體層，則須使該半導體層之p-摻雜物活化，其中氫由半導體層穿過n-導電之半導體層。
因此，能以簡易的方式來製造一種半導體層，其具有活化度較高的p-導電之半導體層。
該活化較佳是以熱來進行。藉由半導體本體的加熱，則能以簡易的方式將氫由半導體本體中驅出。
該n-導電之半導體層可沈積在該半導體層上，其中該n-導電之半導體層可完全覆蓋該半導體層。由於該n-導電之半導體層使氫具有較佳的透過率，則一種特別是完全埋置之p-導電之半導體層能以較高的效率被驅動。因此，可簡易地沈積該半導體本體，其中該p-導電之半導體層可在該活性區之前和該n-導電之半導體層之前沈積而成。在此種情況下，該p-導電之半導體層因此在生長基板上更靠近該n-導電之半導體層。
在半導體本體之一種佈置中，該半導體本體具有一種極性反轉的結構，其各層的順序如下：半導體本體包括一種生長基板，其上配置著該p-導電之半導體層。在該p-導電之半導體層之遠離該生長基板之此側上配置著該活性區。該p-導電之半導體層之遠離該活性區之此側上配置該n-導電之半導體層，其具有一種n-摻雜物和另一摻雜物。此種所謂極性反轉的結構例如已描述在WO 2007/012327中，其已揭示的內容藉由參考而收納於此處。
該p-導電之半導體層亦埋置於該極性反轉的結構中，即，其是由另一個半導體層所覆蓋。在使該p-導電之半導體層活化時，氫因此必須經由其它的半導體層而到達，特別是經由該n-導電之半導體層而到達，以便可離開該半導體本體。這可藉由將該n-導電之半導體層與另一摻雜物(例如，p-摻雜物)一起摻雜來達成，該p-摻雜物亦用在該p-導電之半導體層中。
特別是在以氮化物-化合物半導體材料為主之半導體本體中，依各層的順序，首先沈積n-導電之半導體層，然後沈積該活性區和該p-導電之半導體層，於是，壓電式電場可使電荷載體不易注入至該活性區中。具有此種半導體本體之半導體晶片因此具有一種內部量子效率，其隨著注入至該半導體晶片中之電流的密度而大大地下降。
反之，另一種層序列是首先沈積該p-導電之半導體層，然後沈積該活性區和該n-導電之半導體層，其使用該壓電式電場之極性，以便在該活性區中捕捉電荷載體。該壓電式電場因此會促成電荷載體可較佳地在該活性區中被捕捉。內部之量子效率因此幾乎與電流密度無關。
特別是在該已埋置的p-導電之半導體層以鎂來摻雜的情況下，由於位於上方之n-導電之半導體層使氫有較佳的透過率而使該p-導電之半導體層可較佳地被活化。
上述方法特別適合用來製造上述之半導體本體。與該半導體本體有關的特徵因此亦可用於方法中且反之亦然。
本發明之其它特徵、有利的佈置和適用性描述在圖式中的以下各實施例中。
相同或作用相同的元件在各圖式中以相同的參考符號來表示。
各圖式和實施例中相同-或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。反之，為了清楚之故各圖式的一些元件已予放大地顯示出。
半導體本體之第一實施例的切面圖顯示在第1圖中。半導體本體2具有一種n-導電之半導體層21和一種p-導電之半導體層22。在n-導電之半導體層和p-導電之半導體層之間形成一種活性區20，其用來產生輻射。
第1圖所示之層序列是一種極性反轉之結構，即，在生長方向中形成以下的順序：p-導電層22，活性區20，n-導電層21。生長方向因此較佳是與半導體本體之晶體圖之C-軸相平行。
層序列使用壓電式電場之極性，其形成在半導體本體10中，以促成該活性區20中可捕獲電荷載體。壓電式電場因此可促成電荷載體在活性區20中較佳地被捕獲。活性區20中多重式量子井之內部量子效率因此幾乎與電流密度無關。
半導體本體2之半導體層較佳是以磊晶形式藉由MOVPE或MBE而沈積在生長基板50上。
半導體本體2以氮化物-化合物半導體材料為主且例如可用來產生紫外線、藍色-或綠色輻射。
例如，藍寶石、碳化矽、氮化鎵、矽、透明之氧化物(例如，ZnO)或玻璃適合用作生長基板。
該p-導電之半導體層22包含鎂以作為p-摻雜物。該n-導電之半導體層21包含一種n-摻雜物，例如，矽。
此外，該n-導電之半導體層21包含另一摻雜物。特別是鎂適合用作該n-導電之半導體層之摻雜物。藉由該另一摻雜物，可使氫對該n-導電之半導體層21之透過率提高。該另一摻雜物因此對應於該p-導電之半導體層之p-摻雜物。
加入至半導體層220中的氫可簡易地穿過該n-導電之半導體層21且由半導體本體2取出。該p-導電之半導體層22之活化度因此能簡易地以可再生方式而獲得改善。
該n-導電之半導體層21中該另一摻雜物之濃度較佳是至少1×1016
cm-3
。此濃度特別是可介於1×1017
cm-3
(含)和5×1018
cm-3
(含)之間，最佳是介於1×1017
cm-3
和2×1018
cm-3
之間。因此，該n-導電之半導體層在同時具有良好的光學特性時對氫而言可達成一種良好的透過率。
針對該n-摻雜物之濃度而言，該另一摻雜物之濃度較佳是最多50%。因此，可防止由該另一摻雜物所造成之對該n-摻雜物之太強的補償作用。
該p-導電之半導體層22配置在生長基板50和n-導電之半導體層21之間。該n-導電之半導體層在遠離該生長基板50之此側上覆蓋p-導電之半導體層22。該p-導電之半導體層因此製作成一種已埋入的半導體層，其在該活性區20之前和該n-導電之半導體層之前沈積而成。
藉由p-導電之半導體層22、活性區20和n-導電之半導體層21所形成的順序，則可構成該半導體本體，使電荷載體可簡易地注入至該活性區中且所產生的壓電式電場可另外促成電荷載體在活性區中的重組。此外，該p-導電之半導體層可具有一種高的活化度，使具有此種半導體本體之半導體晶片可具有較佳的光電特性。
半導體晶片之一實施例之切面圖顯示在第2圖中。半導體晶片1具有半導體本體2。半導體本體特別是可如第1圖所示的方式而構成。
半導體本體2配置在一載體5上，載體5與半導體本體2之半導體層序列用的生長基板不同。半導體本體2藉由一種連接層6而與載體5形成機械穩定的連接。該連接層6例如可以是一種焊接層或可導電的黏合層。
此外，半導體晶片1具有第一接觸區71和第二接觸區72。各接觸區用來使半導體晶片1可與外部形成電性接觸且各接觸區配置成使半導體晶片操作時電荷載體可由不同側注入至活性區20中，且在該處重組而發出輻射。
在p-導電之半導體層22和第二接觸區72之間可形成一電流擴散層(圖中未明顯示出)。於是，可使電流在橫向中經由p-導電之半導體層而均勻地注入至該活性區20中。
該電流擴散層可適當地在橫向中超過該第二接觸區而延伸。
該電流擴散層較佳是完全覆蓋該p-導電之半導體層22。
該電流擴散層可形成另一n-導電之半導體層且所具有的橫向導電性較佳是大於p-導電之半導體層。較佳是形成該另一n-導電之半導體層，使該另一n-導電之半導體層和該p-導電之半導體層22之間形成一種穿隧接面，在半導體晶片操作時電荷載體經由此穿隧接面而由第二接觸區72到達該p-導電之半導體層。
另一方式是，該電流擴散層可配置在該半導體外部。此種電流擴散層可藉由蒸鍍法或濺鍍法而施加在已預製成的半導體本體上。
在此種情況下，該電流擴散層例如可包含一種TCO(透明的導電氧化物)材料，其大致上是ITO(銦錫氧化物)或ZnO，或該電流擴散層可由此種材料構成。
金屬性的電流擴散層須較薄，使其可透過或至少可半透過該活性區中所產生的輻射。
當然，該電流擴散層亦可以多層的形式來形成且例如具有TCO-層和金屬層。
在半導體本體2和載體5之間形成一種鏡面層8。鏡面層8上可使半導體晶片1操作時該活性區20中所產生的在載體5之方向中發出的輻射被反射。此輻射在載體中被吸收的危險性因此不會發生。
該鏡面層8例如可含有金屬(例如，銀、鋁、銠或鈀)或由此種材料中的一種所構成。
載體5較佳是具有導電性。例如，載體5可包含半導體材料，例如，鍺、砷化鎵或矽，或由此種材料之一所構成。載體5亦可包含一種陶瓷，例如，氮化鋁或氮化硼，或由此種材料之一所構成。
第2圖所示之實施例中，以半導體晶片1作為薄膜-發光二極體晶片之例子。亦可與所示的實施例不同，該半導體本體2之生長基板亦可保留在半導體晶片中。例如，該生長基板能以區域方式而被薄化或完全被薄化或以區域方式而被去除。
此外，各接觸區71，72亦可配置在半導體晶片之同一側上，使半導體晶片只可由一側而由外部來達成電性接觸。
各接觸區71，72可具有導電性且另外包含一種金屬，其大致上是鈦、鉑、鎳、金、鋁、銠或鈀，或包含金屬合金，其具有上述金屬之至少一種。
半導體本體之第二實施例之切面圖顯示在第3圖中。第二實施例基本上對應於第1圖所示的第一實施例。
與第1圖不同之處是，半導體本體2於第3圖中具有另一活性區25、另一n-導電之半導體層26和另一p-導電之半導體層27。在活性區20和該另一活性區25之間配置第一穿隧層23和第二穿隧層24。第一穿隧層和第二穿隧層形成一種穿隧接觸，藉此可使各活性區20，25在電性上相串聯。藉由該另一活性區，則可在半導體本體中產生的輻射總功率可提高。各穿隧層23，24之導電型較佳是互相不同且較佳是另外具有高的摻雜濃度，特別是至少1×1019
cm-3
。
與第1圖之第一實施例不同之處是，p-導電之半導體層22配置在該n-導電之半導體層21之遠離該生長基50之此側上。該n-導電之半導體層21在第3圖中覆蓋該遠離生長基板50之此側上的p-導電之半導體層27。該p-導電之半導
體層因此在該n-導電之半導體層21之後沈積在該生長基板上。
該另一p-導電之半導體層27基本上可像p-導電之半導體層22一樣地形成。在使該p-導電之半導體層22活化時該半導體層22因此裸露出，使氫可由此半導體層22無阻礙地逸出。
該另一p-導電之半導體層27在遠離該載體50之此側上由n-導電之半導體層21所覆蓋。由於n-導電之半導體層21中所形成的另一摻雜物，則該n-導電之半導體層具有一種對氫而言較高的透過率，使得在活化該另一p-導電之半導體層27時氫可透過該n-導電之半導體層21。
反之，在該另一n-導電之半導體層26和該生長基板50之間未形成p-導電之半導體層。對該另一n-導電之半導體層26而言，氫-透過率因此較不重要。在該另一n-導電之半導體層中因此可省略該另一摻雜物。
第4A圖和第4B圖中顯示一種半導體本體之製造方法之一實施例。本方法將依據第1圖所示之半導體本體之製造為例來說明。
在該生長基板50上沈積一種半導體層220，其含有p-摻雜物和氫。在該半導體層上沈積一活性區20和一種n-導電之半導體層21。此半導體層、活性區20和n-導電之半導體層21形成半導體本體2。在沈積該半導體本體之後，使該半導體層220活化。這例如可藉由熱來達成。在活化時，如第4B圖之箭頭所示，氫經由活性區和n-導電之半導體層21且由該半導體層擴散出來。氫因此可在遠離該生長基板之此側上由該半導體本體2中被驅出。
本專利申請案主張德國專利申請案2008年6月13日DE 10 2008 028 345.2之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1．．．半導體晶片
2．．．半導體本體
5．．．載體
6．．．連接層
8．．．鏡面層
20．．．活性區
21．．．n-導電之半導體層
22．．．p-導電之半導體層
23．．．第一穿隧層
24．．．第二穿隧層
25．．．另一活性區
26．．．另一n-導電之半導體層
27．．．另一p-導電之半導體層
50．．．生長基板
71．．．第一接觸區
72．．．第二接觸區
220．．．半導體層
第1圖顯示半導體本體之第一實施例之切面圖。
第2圖顯示一具有半導體本體之半導體晶片之第一實施例之切面圖。
第3圖顯示半導體本體之第二實施例之切面圖。
第4A圖和第4B圖顯示半導體本體之製造方法之實施例，其依據切面圖所示的步驟來進行。
2．．．半導體本體
20．．．活性區
21．．．n-導電之半導體層
22．．．p-導電之半導體層
50．．．生長基板
Claims (15)
- 一種半導體本體(2)，包括：-n-導電之半導體層(21)，以及-p-導電之半導體層(22)，其中-該p-導電之半導體層(22)包含p-摻雜物，-該n-導電之半導體層(21)包含n-摻雜物和另一摻雜物，且-在該p-導電之半導體層(22)和該n-導電之半導體層(21)之間形成用來產生輻射之活性區(20)及/或穿隧接觸(tunnel contact)(23，24)。
- 如申請專利範圍第1項之半導體本體，其中該p-導電之半導體層(22)由至少另一個半導體層所覆蓋。
- 如申請專利範圍第1項之半導體本體，其中該p-導電之半導體層(22)配置在該活性區(20)和載體(5)或生長基板(50)之間。
- 如申請專利範圍第1項之半導體本體，其具有極性反轉之結構，該結構所具有的層的順序如下：-該生長基板(50)，-在該生長基板(50)上的該p-導電之半導體層(22)，-在該p-導電之半導體層(22)上之活性區(20)，以及-在該活性區(20)上的n-導電之半導體層(21)。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其 中該另一摻雜物係以使該n-導電之半導體層(21)對於氫的透過性得到提高的材料和濃度形成在該n-導電之半導體層(21)中。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其中該另一摻雜物在該n-導電之半導體層(21)中用作受體。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其中該另一摻雜物與該p-導電之半導體層(22)之該p-摻雜物相同。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其中該另一摻雜物在該n-導電之半導體層(21)中的濃度介於1×1017 cm-3 (含)和5×1018 cm-3 (含)之間。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其中該另一摻雜物在該n-導電之半導體層(21)中的濃度最多是該n-摻雜物之濃度之50%。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其中該半導體本體(2)具有活性區(20)和另一活性區(25)，該活性區(20)和該另一活性區(25)每個都用來產生輻射，該n-導電之半導體層(21)形成在該活性區(20)和該另一活性區(25)之間。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體本體，其中該半導體本體(2)是以氮化物化合物半導體材料為主。
- 一種半導體晶片(1)，其具有如申請專利範圍第1至9項中任一項之半導體本體(2)，該半導體本體(2)以發光二極 體-晶片或雷射二極體-晶片來實現，特別是以薄膜半導體晶片來實現。
- 一種半導體本體(2)之製造方法，該半導體本體(2)包括n-導電之半導體層(21)以及p-導電之半導體層(22)，該製造方法包括以下步驟：a)沈積半導體層(220)，其包含p-摻雜物和氫；b)沈積n-導電之半導體層(21)，其包含n-摻雜物和另一摻雜物；c)使該半導體層(220)之p-摻雜物活化，以形成該p-導電之半導體層(22)，其中氫從該半導體層(220)穿過該n-導電之半導體層(21)而逸出，在該p-導電之半導體層(22)和該n-導電之半導體層(21)之間形成用來產生輻射之活性區(20)及/或穿隧接觸(23，24)。
- 如申請專利範圍第13項之製造方法，其中步驟c)中的活化是以熱學的方式(thermally)進行。
- 如申請專利範圍第13項之製造方法，其中製成如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的半導體本體(2)。
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