TWI415297B - 光電半導體晶片 - Google Patents
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Description
本發明所涉及的發出輻射之半導體晶片之光效益是與不同的因素有關。藉由半導體晶片之一種大面積的接觸，則一方面可達成較高的內部量子效率。另一方面，藉由大面積的接觸會產生各種吸收損耗，其會使發出效率受到限制且因此使半導體晶片之光效益顯著地受到限制。
德國專利申請案號102008021675.5中描述：作為發光二極體晶片之電性接觸用的接觸區所覆蓋的面積不可大於電流擴散層之2%至4%。
本發明的目的在於解決上述問題而提供一種光效益較佳的光電半導體晶片。
上述目的藉由一種具有申請專利範圍第1項特徵的光電半導體晶片來達成。
光電半導體晶片之佈置及其它形式描述在申請專利範圍各附屬項中。
依據一較佳的實施形式，該光電半導體晶片包括一個半導體層序列，其具有：一活性區，以產生電磁輻射；以及一結構化的電流擴散層，其含有透明的導電氧化物且配置在該半導體層序列之主面上。該電流擴散層覆蓋該主面之至少30%且最多覆蓋60%。
該活性區具有一種pn-接面以產生輻射。在最簡單的情況下，此pn-接面藉由一p-導電-和一n-導電之半導體層來形成，此二層直接相鄰。在該p-導電層和該n-導電層之間較佳是形成可產生輻射的結構，其大致上是一種摻雜-或未摻雜之量子結構的形式。此量子結構可形成為單一量子井結構(SQW-結構)或一種多量子井結構(MQW-結構)或亦可形成為量子線或量子點結構。
在半導體晶片之一有利的佈置中，半導體層序列包含Aln
Gam
In1-n-m
N，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n+m≦1。一種以氮化物-化合物半導體為主之半導體晶片特別適用於此處，以產生一種輻射波長在可見光譜之短波長範圍中的輻射。
透明的導電氧化物(TCO)是透明的導電材料，其通常是金屬氧化物，例如，氧化鋅、氧化錫、氧化鎘、氧化鈦、氧化銦或氧化銦錫(ITO)。二元的金屬氧化物包括ZnO,SnO2
,In2
O3
，三元的金屬氧化物包括Zn2
SnO4
,CdSnO3
,ZnSnO3
,MgIn2
O4
,GaInO3
,Zn2
In2
O5
或In4
Sn3
O12
或不同的透明導電氧化物之混合物。此外，透明的導電氧化物在化學計量上未必對應於此種組成而是亦可被p-或n-摻雜。
藉由該電流擴散層，則可使半導體晶片達成足夠良好的電流擴散而使電流流通。
此外，藉由一部份面積被佔用，則由該電流擴散層所造成的光學吸收損耗可較整面都是電流擴散層者還少。
依據另一較佳之實施形式，該電流擴散層覆蓋該主面之40%至50%。在此種面積佔用率中，一方面可有利地使吸收損耗下降，另一方面可確保電流足夠良好地擴散至該電流擴散層中。
當所產生的輻射具有一種介於400奈米至450奈米之間的波長時，一種小的面積佔用率特別有利。於是，在可見光譜之較短波長的範圍中，由電流擴散層所造成的光學吸收損耗大於由於較小的面積佔用率所造成的電損耗。反之，在可見光之波長較長的範圍中，由光學吸收所造成的損耗較小，使得在面積佔用率較小時的電損耗佔有大的比重。因此，在此種情況下，大的面積佔用率較佳。
電流擴散層的厚度可有利地介於10奈米和60奈米之間。在厚度較小而使光學吸收損耗下降時，橫向導電性亦下降。在厚度介於10奈米和60奈米之間時，增益和損耗相互之間可處於適當的比例中。
此外，已結構化之電流擴散層之中間區(即，未由該電流擴散層所覆蓋的區域)之長度及/或寬度可有利地依據半導體層序列之與該電流擴散層相鄰之半導體材料之橫向導電性來調整。特別是可藉由相鄰的半導體層序列來確保1微米至6微米之區段之橫向導電性而不需該電流擴散層。該中間區因此可有利具有一種介於1微米至6微米之間的大小。該中間區較佳是以一種介於3微米和4微米之間的大小來形成。在考慮此種關係下，該電流擴散層可以不同的形式而被結構化。例如，不規則的結構或規則的結構(例如，柵格)都是可行的。
依據一有利的佈置，電流擴散層的結構對應於一種直角形的柵格。此柵格特別是具有：多個由透明的導電氧化物所構成的平行的條，其在第一方向中延伸；以及其它多個由透明的導電氧化物所構成的平行的條，其在第二方向中延伸，其中第一方向垂直於第二方向。在第一方向中延伸的平行的各條之間的距離可與在第二方向中延伸的平行的各條之間的距離不同。各條的交叉點對應於柵格點。
該電流擴散層之電性接觸較佳是藉由至少一電性接觸條來達成。此接觸條特別是垂直於一平面而延伸，此平面中配置著該電流擴散層，且此接觸條在一接觸位置上是與該電流擴散層相接觸。此接觸條可具有截錐體、平截頭棱錐體或圓柱體的形式。
特別是多個接觸條可規則地分佈在該電流擴散層之面上。各別的接觸位置較佳是位於一柵格點上。然而，此處不是在每一柵格點上都設有一接觸位置。
該接觸條可有利地包括一種高導電性的金屬。此外，較佳是使用一種高反射率的材料於該接觸條中。適當的材料例如可以是銀。
依據一較佳的實施形式，該電流擴散層配置在該半導體層序列和一鏡面之間。
該電性接觸條特別是在該鏡面之開口中延伸。如上所述，若該接觸條具有高的反射率，則藉由該鏡面和該接觸條的組合可達成一種高的反射率。在該電流擴散層的方向中由該活性區所發出的輻射因此可在未發生大的光學損耗下反射至一發射面的方向中。此發射面特別是配置在該活性區之與該電流擴散層相面對的此側上。此外，光學損耗會受到已結構化的電流擴散層及與該電流擴散層有關的已減小的面積佔用率所限制。
在一有利的佈置中，該鏡面具有一種介電質層。此介電質層之折射率特別是小於該半導體層序列之半導體材料之折射率。例如，此介電質層是由氧化矽、氮化矽或玻璃(較佳是一種旋塗-玻璃)所形成。此介電質層亦可以佈拉格-鏡面來構成，其中具有不同折射率之多個介電質部份層交替地配置著。
該鏡面，特別是該介電質層，較佳是與該電流擴散層相鄰接。已結構化的電流擴散層之中間區至少可以該鏡面(特別是介電質層)之一部份來填充。此外，該鏡面之至少一部份或該介電質層覆蓋該電流擴散層。
該介電質層中較佳是設有開口，此開口中延伸著該接觸條。
此外，該鏡面可有利地具有一連續的金屬層，其特別是配置在該鏡面之遠離該電流擴散層之此側上。該介電質層較佳是由該金屬層所覆蓋。該金屬層可以至少二層來形成。例如，該金屬層可具有一種由鉑及/或鈦所構成的黏合促進用的層以及一種具有高反射率的層，其例如由銀所構成。
依據一較佳的實施形式，該半導體晶片是一種薄膜-發光二極體晶片。於此，該半導體層序列未具有一種生長基板，即，用來生長該半導體層序列之生長基板須由該半導體層序列中去除或至少大大地薄化。
為了穩定該半導體層序列，則可將該半導體層序列配置在一載體基板上。特別是該載體基板位於該半導體晶片之與發射側相面對之背面上。該電流擴散層較佳是配置在該半導體層序列和該載體基板之間。
依據一有利的實施形式，該載體基板具有導電性且作為該半導體晶片用之第一電性接觸區。有利的是，該電流擴散層可藉由電性接觸條以經由鏡面之金屬層而與載體基板形成電性連接。第二電性接觸區可配置在發射面上。
在一較佳的佈置中，該半導體層序列在電流擴散層之此側上具有p-導電性。由於p-側通常具有較差的導電性，則電流擴散層具有較高的導電性時是有利的。適當的摻雜物質濃度移動至1020
/cm3
之範圍中。
本發明的其它優點和有利的佈置將參考第1圖至第8圖來說明。
各實施例和圖式中相同或作用相同的組件設有相同的參考符號。
第1圖顯示光電半導體晶片1，其具有一包括活性區4之半導體層序列2。活性區4用來產生電磁輻射。活性區4位於第一半導體區3和第二半導體區5之間。本實施例中，第一半導體區3具有p-導電性，且第二半導體區5具有n-導電性。此二個半導體區3，5較佳是包含GaN且活性區4包括InGaN。此二個半導體區3，5和該活性區4可分別具有多個半導體層。
半導體層序列2較佳是以磊晶方式生長而成，其中該生長基板(未顯示)由半導體層序列2剝離，使半導體層序列2所具有的厚度小於10微米。
為了穩定，該半導體層序列2可配置在載體基板13上。該載體基板13較佳是具有導電性。
適當的基板例如是鍺-基板或矽-基板。另一方式是，由銅構成的載體基板13可藉由先前的金屬層之電鍍強化來製成。
在該半導體層序列2之主面12上配置一已結構化之電流擴散層6。此電流擴散層6包含一種透明的導電氧化物且可均勻地蒸鍍或濺鍍在該主面12上，且隨後以適當的方式而被結構化。此種結構化例如可以微影術來進行。該電流擴散層6的厚度可有利地介於10奈米和60奈米之間。藉由厚度的變小，則一方面可使光學上的吸收損耗變小，且另一方面可使橫向導電率下降。在厚度介於10奈米和60奈米之間時，可在光學損耗和電損耗之間存在一種良好的折衷。
在該主面12上配置一鏡面9，使該主面12之方向中所發出的輻射可轉向至該發射面14之方向中。
本實施例中，該鏡面9具有一介電質層7，其特別是由折射率較小的材料所形成，例如，由折射率小於1.4之旋塗玻璃所形成。該介電質層7可具有400奈米至500奈米之範圍中的厚度。此外，該鏡面9包括一種金屬層8，其與該介電質層7相鄰。該金屬層8可由一種由鉑所構成的黏合促進層和一種由銀所構成的反射層來形成。可使此金屬層8的厚度較薄，使其具有中斷區。一種大約0.2奈米之層厚度是足夠的。
介電質層7中埋置著該已結構化的電流擴散層6。
此外，該介電質層7具有多個開口，各開口中延伸有接觸條10。各接觸條10垂直於一平面而延伸，該平面中配置著電流擴散層6且各接觸條10在接觸位置處與該電流擴散層6相接觸。各接觸條10可有利地包括一種導電材料，使該電流擴散層6可藉由各接觸條10來供應電流。例如，各接觸條10可包含銀，其另外具有較高的反射率，使該鏡面9在各接觸條10上的反射率不會下降很多。於是，當各接觸條10對該主面12之面積佔用率不大於4%時是有利的。為了確保一種足夠的電流供應，該面積佔用率不應小於2%。各接觸條10之形式較佳為一種圓柱形。
各接觸條10可在該電流擴散層6和導電性的載體基板13之間形成一種電性連接。
第2圖顯示該主面12，其上施加已結構化的該電流擴散層6。該電流擴散層6具有直角形柵格之形式，其由在第一方向中延伸的平行條6a和在第二方向中延伸的平行條6b所形成。在平行條6a和6b之多個柵格點(即，交叉點)上設有接觸位置11，其上配置著各接觸條10。
各接觸位置11是由與平行條6a和6b相同的材料所製成。各接觸位置11就像各接觸條10之橫切面一樣是圓形的且對各接觸條10成同心的方式而配置著。
在50%的面積佔用率和1毫米的晶片邊長的情況下，各接觸位置11可有利地具有大約6微米之直徑D2。第一方向中各接觸位置11之間的距離Ab以及第二方向中各接觸位置11之間的距離Aa較佳是同樣大且大約是20微米。各接觸條10之直徑D1是4微米。
各平行條6a較平行條6b還薄且可以是大約2微米寬，平行條6b大約是4微米寬。此外，平行條6a配置成較平行條6b還緊密，即，第一方向和第二方向中的柵格常數互相不同。
矩形的中間區15以平行條6a和6b為邊界且邊長db大約是16微米，寬度da大約是3微米。
第3A至3D圖顯示第3圖所示之半導體晶片在不同的面積佔用率時該主面上的電流密度分佈。電流擴散層6之厚度在各種不同形式下都是40奈米。在全部的不同形式下都以一般的50A/cm2
之電流密度來供應電流。
第3A圖所示的形式中，面積佔用率是100%，第3B圖所示的形式中，面積佔用率是50%，第3C圖所示的形式中，面積佔用率是40%，第3D圖所示的形式中，面積佔用率是30%。距離Ab和Aa(第2圖中所示)在第3B至3D圖之不同形式中保持固定。然而，平行條的寬度變小。此外，該中間區15變大。例如，第3D圖所示的形式中該中間區15之寬度da(第2圖中所示)大約是4微米，第3B圖所示的形式中該寬度da是3微米。
不同的電流密度藉由不同的灰色等級來表示，其中較暗區域中的電流密度大於較亮區域中的電流密度。
如第3A圖所示，在理想情況下在100%面積佔用率時電流密度不會發生不均勻的現象。然而，在50%和40%之面積佔用率時，該中間區15中的電流密度將下降。這將導致一種20%之落差。然而，這仍可視為一較均勻的電流密度分佈。30%之面積佔用率是較不理想的，此時會有40%之落差且因此會發生不均勻的電流密度分佈。
第4圖中顯示出發生在電流擴散層中的電損耗1-L。
在100%之面積佔用率時，在理想情況下不會發生電損耗(請比較K1)。然而，隨著面積佔用率之減少(K2:50%，K4：40%，K3:30%)，電損耗1-L逐漸增加。電損耗是由於小的接觸面和惡化的電流擴散所造成。此外，由於電流在活性區中之不均勻性亦會發生損耗，其是由於第一p-導電之半導體區域中惡化的電流擴散所造成。該損耗1-L隨著電流密度J之增加和面積佔用率的減少而增加。電損耗1-L基本上與波長無關。
第5圖顯示半導體晶片在不同的發射波長λ時之抽取(extraction)效率E，該半導體晶片之鏡面具有500奈米厚的SiO2-
層和0.2奈米厚之Pt/Ag-層，其中未使用電流擴散層時顯示成(K1)曲線，且所使用的電流擴散層具有100%之面積佔用率時顯示成(K2)曲線。該電流擴散層之厚度為30奈米。
K3表示一種吸收損耗，其是由電流擴散層所造成。於是，該電流擴散層之吸收性是與波長很有關係。在較短波長的區域中，該電流擴散層會發生大約20%之損耗，但在較長波長的區域中只會發生大約5%之損耗。
第6圖至第8圖顯示出發射波長是400奈米(第6圖)、460奈米(第7圖)和540奈米(第8圖)時的壁-插頭-效率WP(Wall-plug)，即，電性相對於光學之效率。此處，電損耗將添加至抽取效率之所期望的增益。
在每一波長時對不同的電流密度J和不同的面積佔用率100%(K1)，50%(K2)，40%(K3)和30%(K4)來設定該壁-插頭-效率WP。
由第6圖可知，對發射波長為400奈米之半導體晶片藉由該電流擴散層之結構化而得到大約10%之改良。
在較長的波長區域時，該抽取效率之增益在該電流擴散層被結構化時不會像在短波長區域時那樣大(大約6%)，此乃因該電流擴散層之透過率較高且因此使電損耗佔有較大的比重。然而，至電流密度為200A/cm2
時，40%至50%之面積佔用率優於100%之面積佔用率。
總之，在由可見光譜之短波長至長波長範圍之全部的波長中藉由該電流擴散層，則特別是該主面之40%至50%之面積佔用率可達成較高的光效益。
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。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2008 035 110.5之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
1．．．光電半導體晶片
2．．．半導體層序列
3．．．第一半導體區
4．．．活性區
5．．．第二半導體區
6．．．結構化之電流擴散層
6a．．．第一方向中的條
6b．．．第二方向中的條
7．．．介電質層
8．．．金屬層
9．．．鏡面
10．．．接觸條
11．．．接觸位置
12．．．主面
13．．．載體基板
14．．．發射面
15．．．中間區
第1圖是光電半導體晶片之橫切面圖。
第2圖是沿著第1圖所示之半導體晶片之電流擴散方向之橫切面圖。
第3A至3D圖是在不同的面積佔用率時主面上的電流密度分佈。
第4圖顯示不同的電流密度時的電損耗。
第5圖顯示不同波長時之抽取效率。
第6至8圖顯示不同波長時壁-插頭效率與不同的電流密度的關係。
1．．．光電半導體晶片
2．．．半導體層序列
3．．．第一半導體區
4．．．活性區
5．．．第二半導體區
6．．．結構化之電流擴散層
7．．．介電質層
8．．．金屬層
9．．．鏡面
10．．．接觸條
12．．．主面
13．．．載體基板
14．．．發射面
Claims (15)
- 一種光電半導體晶片(1)，包括：-半導體層序列(2)，其具有一活性區(4)以產生電磁輻射，-結構化之電流擴散層(6)，其包含透明的導電氧化物且配置在該半導體層序列(2)之主面(12)上，其中該電流擴散層(6)覆蓋該主面(12)之至少30%且最多覆蓋60%，且其中該電流擴散層(6)包含中間區(15)，在該中間區(15)的主面(12)未被該電流擴散層覆蓋。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該電流擴散層(6)覆蓋該主面(12)之40%至50%。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中所產生的輻射具有一種介於400奈米和450奈米之間的發射波長。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該半導體層序列(2)具有Aln Gam In1-n-m N，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n+m≦1。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該電流擴散層(6)包含氧化銦錫、氧化銦鋅或氧化鋅。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該電流擴散層(6)之厚度介於10奈米和60奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該電流擴散層(6)具有直角形柵格之形式。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該電流 擴散層(6)在至少一接觸位置(11)處，特別是在至少一柵格點，是與一電性接觸條(11)，特別是金屬接觸條，相連接。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中該電流擴散層(6)配置在該半導體層序列(2)和一鏡面(9)之間。
- 如申請專利範圍第8項之光電半導體晶片(1)，其中該電流擴散層(6)配置在該半導體層序列(2)和一鏡面(9)之間，且該電性接觸條(10)在該鏡面(9)之開口中延伸。
- 如申請專利範圍第10項之光電半導體晶片(1)，其中該鏡面(9)具有介電質層(7)，其與該電流擴散層(6)相鄰且該鏡面(9)中設有該開口。
- 如申請專利範圍第11項之光電半導體晶片(1)，其中該鏡面(9)具有連續的金屬層(8)，其在一遠離該電流擴散層(6)之側面上覆蓋該介電質層(7)。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其具有載體基板(13)，其中該電流擴散層(6)配置在該半導體層序列(2)和該載體基板(13)之間。
- 如申請專利範圍第8項之光電半導體晶片(1)，其具有載體基板(13)，其中該電流擴散層(6)配置在該半導體層序列(2)和該載體基板(13)之間且藉由該電性接觸條(10)而與該載體基板(13)形成電性連接。
- 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片(1)，其中在該電流擴散層(6)之此側面上的該半導體層序列(2)具有p-導電性。
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