TWI514619B - 半導體層序列、光電半導體晶片及用於製造半導體層序列之方法 - Google Patents

半導體層序列、光電半導體晶片及用於製造半導體層序列之方法 Download PDF

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Description

半導體層序列、光電半導體晶片及用於製造半導體層序列之方法
本發明提供一種半導體層序列。此外，本發明提供一種製造此種半導體層序列之方法、及光電半導體晶片，其具有此種半導體層序列。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2011 115 312.1之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
本發明的目的是提供一種半導體層序列及具有此種半導體層序列之光電半導體晶片，其中該半導體層序列相對於溫度變化而言具有一種高的發射波長穩定性。
依據半導體層序列之至少一實施形式，其係用於光電半導體晶片中。此半導體層序列較佳是用於光二極體、發光二極體或雷射二極體中。
該半導體層序列較佳是以III-V-化合物半導體材料為主。此半導體材料例如是氮化物-化合物半導體材料(例如，Aln In1-n-m Gam N)或磷化物-化合物半導體材料(例如，Aln In1-n-m Gam P)或砷化物-化合物半導體材料(例如，Aln In1-n-m Gam As)，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n+m≦1。因此，此半導體層序列可具有摻雜物質以及其它成份。然而，為了簡化之故，只提供該半導體層序列之晶格的主要成份，即，Al,As,Ga,In,N或P，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代 及/或補充。
依據半導體層序列之至少一實施形式，其包括至少一量子井，特別佳時包括至少三個量子井。量子井係用於產生電磁輻射。此名稱量子井此處未就量子化的維度作出定義，其因此另外包括多種結構及這些結構的每一種組合，所述結構在一個、二個或三個空間方向中呈現量子化。
依據半導體層序列之至少一實施形式，至少三個量子井沿著該半導體層序列之生長方向而上下配置著。換言之，每一個量子井配置在一層中、或一個層是由量子井所形成，其中這些層定向成垂直於該生長方向且沿著生長方向而重疊地配置著。在相鄰的量子井之間或藉由量子井所形成的多個層之間較佳是存在著該半導體層序列之其它層，使量子井或由其所形成的層未直接重疊地配置著。以下，此概念量子井和藉由量子井所形成的層係用作同義詞。
依據半導體層序列之至少一實施形式，其包括多個位障層。在二個相鄰的量子井之間分別存在至少一個位障層。亦可在相鄰的二個量子井之間分別恰巧存在一個位障層且該些位障層分別直接與相鄰的量子井之一個或二個相鄰。
依據半導體層序列之至少一實施形式，量子井具有第一平均銦含量且位障層具有第二平均銦含量。平均銦含量可表示：在對應的位障層或對應的量子井中求取平均值而得的銦含量、或亦可在全部的量子井及/或全部的 位障層中求取平均值而得的銦含量、或在相同形式的全部量子井及/或位障層中求取平均值而得的銦含量。此處，量子井之第一平均銦含量大於位障層之第二平均銦含量。
依據半導體層序列之至少一實施形式，位障層具有第二平均晶格常數且量子井具有第一平均晶格常數。晶格常數之平均的定義較佳是與上述銦含量之平均的定義相同。此處，量子井之第一平均晶格常數大於位障層之第二平均晶格常數。換言之，量子井和位障層之間的應力已被設定。
在至少一實施形式中，設有一種用於光電半導體晶片之半導體層序列。此半導體層序列含有至少三個量子井，其用於產生電磁輻射且沿著此半導體層序列之生長方向而上下配置著。此外，此半導體層序列包含多個位障層，其中在二個相鄰之量子井之間分別配置至少一位障層。各個量子井具有第一平均銦含量且各個位障層具有較小的第二平均銦含量。此處，位障層之第二平均晶格常數小於量子井之第一平均晶格常數。
由例如發光二極體所發出之輻射的波長隨著該發光二極體之溫度變化而變化。例如在615奈米附近之光譜區中，此變化大約是0.1 nm/K。不同彩色之發光二極體若互相組合而使用，則在溫度變化時由發光二極體所產生的混合彩色可改變。這在多種應用中是不期望者。
上述問題之一種可能的解法在於「防止發光二極體之溫度變化」，例如，藉由發光二極體之較昂貴的冷卻或 加熱。此處，針對發光二極體之溫度及/或由發光二極體所發出之彩色或混合彩色而言，可使用感測器及/或調整電路。
藉由量子井和位障層之間的應力之適當調整，則可使溫度變化時波長的變化量下降。上述應力特別是藉由量子井和位障層之不同的銦含量而造成。不同的晶格常數係與不同的銦含量相關。
特別是在未受到應力的InGaAlP中，由位障層所造成的對電洞的位障相對而言較對電子的位障高很多。同樣，電荷載體(即，電子和電洞)不規則地分佈著。隨著溫度的升高，此種分佈會改善，即，較均勻，這當然會造成較大的發射波長，其與較低的重組能量有關。
於是，在溫度變化時會造成波長變化，其較半導體材料之晶格所設定的變化還大。未受到應力的半導體層序列之生長通常較受到應力的半導體層序列之生長更容易。然而，藉由受到應力之半導體層序列的通常較複雜的生長，可使該半導體層序列之發射波長之溫度相依性下降。
依據半導體層序列之至少一實施形式，其係以(Alx Ga1-x )1-y Iny P為主，此處0≦x≦1。
依據半導體層序列之至少一實施形式，0.51y0.7或0.53y0.6適用於量子井。
依據半導體層序列之至少一實施形式，下述關係適用於位障層：0.3y0.49或0.4y0.47。
依據半導體層序列之至少一實施形式，位障層之平 均銦含量與量子井之平均銦含量之差異至少為5%或至少為10%或至少為15%。換言之，適用以下各式子：△y0.05或△y0.10或△y0.15，其中△y=y量子井-y位障層。
依據半導體層序列之至少一實施形式，以下各式適用於整個半導體層序列及/或位障層及/或量子井：0.45x0.85或0.50x0.80。特別是0x0.4適用於量子井，且0.4x1可適用於位障層。
依據半導體層序列之至少一實施形式，上述位障層分別具有厚度D3且上述量子井分別具有厚度D2。全部的位障層亦可具有相同的厚度D3且全部的量子井亦可具有相同的厚度D2。同樣，位障層之各組(groups)及/或量子井之各組可分別具有相同的厚度D2和D3、或量子井及/或位障層能以成對方式具有互相不同的厚度。
依據半導體層序列之至少一實施形式，相對於所屬之相鄰量子井之厚度D2而言上述位障層之一之厚度D3適合於：0.25或0.75或0.9或1.0或1.1小於或等於D3/D2、或是10.0或7.5或2.0或1.5大於或等於D3/D2，特別是1.0D3/D22.0。換言之，位障層較佳是大約等於或厚於各別所屬之相鄰的量子井。
依據半導體層序列之至少一實施形式，其具有至少二個量子井，其用於產生波長互相不同的電磁輻射。半導體層序列例如具有至少二組量子井，其中每一組包含多個量子井，其用來產生一特定的波長。換言之，每一組都用來產生一特定波長之輻射。或是，量子井亦可沿著生長方向就其發射波長而具有一種連續-或幾乎是連 續的外形。
此概念波長此處特別是指量子井之發射光譜中的波長，此時發射出最大之輻射功率，此時對應於尖峰波長。
依據半導體層序列之至少一實施形式，第一組之量子井在第一波長λ1時發射且第二組之量子井在第二波長λ2時發射。此處，較佳為：λ1<λ2。又，較佳為：差值λ2-λ12 nm或3 nm。此外，差值λ2-λ1較佳為15 nm或10 nm或8 nm。
依據半導體層序列之至少一實施形式，第一組所具有的量子井的數目大於第二組者。此外，第一組量子井在半導體層序列按規定來操作時所發出之輻射功率大於第二組者。與此不同，第二組亦可發出較大之輻射功率或此二組亦可發出幾乎相同的輻射功率。
依據半導體層序列之至少一實施形式，量子井之各組沿著生長方向依序上下配置著。換言之，不同組之量子井未互相混合。一組之多個量子井之間因此不存在另一組之量子井。
依據半導體層序列之至少一實施形式，第一組較第二組更位於靠近半導體層序列之n-側處。此n-側是該半導體層序列依規定而使用時之與陰極相連接之此側。
依據半導體層序列之至少一實施形式，上述位障層及/或量子井在製程容許度(tolerance)之範圍中相同地形成在一組的內部中。因此，在一組的內部中不會產生互相不同的位障層及/或互相不同的量子井。
依據半導體層序列之至少一實施形式，其具有至少 二個位障層，其具有互相不同的厚度及/或互相不同的材料成份。在二個相鄰的量子井之間分別存在一個位障層。藉由量子井之間不相同地形成的位障層，則可調整量子井之發射波長。
依據半導體層序列之至少一實施形式，靠近n-側而存在的位障層所具有的位障高度大於p-側上的位障層的位障高度，在半導體層序列依規定而使用時該p-側是用來與陽極形成電性接觸。位障高度由n-側向p-側減小係以步級形式或連續方式達成。藉由此種上升的位障高度，則靠近n-側之量子井首先在較高的溫度(例如，在開始運作之後該半導體層序列被加熱之後或加熱期間)中以電洞來填充。
依據半導體層序列之至少一實施形式，沿著生長方向且在由n-側離開的方向中單調地使商EB /λ增加。EB 是各別的位障層之位障高度且λ是波長，各別地屬於相鄰的位障層之量子井係用於此波長λ的發射。換言之，此商EB /λ涉及成對(pair)的位障層和所屬的量子井。此種由一對位障層和相鄰的量子井所算出之積之值因此在由n-側離開的方向中較大或以區段方式保持成相同。
依據至少一實施形式，半導體層序列係用於在依規定使用時發出電磁輻射，其中此輻射之波長是至少550奈米或至少595奈米或至少600奈米及/或此波長最多1100奈米或最多700奈米或最多625奈米或最多620奈米。
依據半導體層序列之至少一實施形式，量子井受到 壓縮式應力。這樣首先會在導電帶中造成能帶結構的改變且在導電帶中造成較大的能帶偏移(offset)。電荷載體(即，電洞和電子)的輸送特性因此部份地受到補償。
此外，本發明提供一種光電半導體晶片。此半導體晶片具有如上所述之一個或多個實施例之半導體層序列。半導體層序列之特徵因此已對該半導體晶片揭示且反之亦然。
依據至少一實施形式，半導體晶片具有如上所述之一個或多個實施例之半導體層序列。此外，半導體晶片包含一基板，其上配置著半導體層序列。該基板可以是一種生長基板，其上以磊晶方式產生該半導體層序列，或是，該基板亦可為載體基板，其與生長基板不同。
依據半導體晶片之至少一實施形式，位障層之第二平均晶格常數小於基板之平均基板晶格常數。又，量子井之平均晶格常數大於基板晶格常數。換言之，基板晶格常數介於量子井之第一晶格常數和位障層之第二晶格常數之間。
又，本發明提供一種製造半導體層序列之方法。藉此方法可製成如上所述之一個或多個實施例之半導體層序列。半導體層序列及半導體晶片之特徵因此亦揭示於此處所述之方法中且反之亦然。
在至少一實施形式中，本方法至少具有以下步驟：-製備一種生長基板，-以磊晶方式交替地生長至少三個量子井層及多個位障層，其中各量子井係用於產生電磁輻射且在二個相 鄰之量子井之間生長至少一個位障層。
於此，各量子井具有第一平均銦含量且各位障層具有較小的第二平均銦含量。各位障層示出第二平均晶格常數，其小於該生長基板之基板晶格常數，其中各量子井具有第一平均晶格常數，其大於基板晶格常數。
半導體層序列可直接生長在生長基板上。或是，亦可在該生長基板上施加一中介層(其大致上是緩衝層)且該緩衝層之晶格常數介於量子井和位障層之晶格常數之間。
依據本方法之至少一實施形式，該生長基板是一種GaAs-基板或GaP-基板。
以下，將參考圖式且依據各實施例來詳述此處所述之半導體層序列。
各圖式中相同的各組件分別設有相同的參考符號。然而，所示的各元件及其之間的比例未必依比例繪出。反之，為了易於理解之故，各圖式的一些元件已予放大地顯示出。
圖1中顯示光電半導體晶片10之一實施例的切面圖，其具有半導體層序列1。此半導體層序列1施加在一基板5上。例如，此半導體層序列1以磊晶方式生長在基板5上，其中該基板5是一種生長基板。該半導體層序列1之生長方向G朝向由基板5離開的方向。或是，基板5是一種載體基板，其在生長該半導體層序列1之後施加在該半導體層序列1上。半導體層序列1之n-側 n係面向該基板5，該半導體層序列1之p-側遠離該基板5。或是，該n-側n和該p-側p亦可互換。
半導體層序列1具有多個量子井2及多個位障層3。在二個相鄰之量子井2之間分別存在至少一個位障層3。位障層3和量子井2沿著生長方向G交替地重疊著。全部之量子井2和全部之位障層3在製造容許度的範圍內可相同地形成。位障層3具有厚度D3。量子井2具有厚度D2。位障層3之厚度D3較佳是大於或亦可大致上等於量子井之厚度D2。就像其它全部之實施例一樣，量子井2之厚度D2較佳是在5奈米(含)和7奈米之間或在3奈米(含)和9奈米之間。
半導體層序列1可選擇地(optionally)具有一個中介層4，其位於n-側上。該中介層4例如是一種緩衝層及/或電流擴散層。此外，半導體層序列1可選擇地具有一覆蓋層6。例如，此覆蓋層6是電流擴散層及/或外罩層。此覆蓋層6及該中介層4可分別由多個單一層所組成。
位障層3之銦含量小於量子井2之銦含量。於是，特別是沿著垂直於該生長方向G之橫向，位障層3和量子井2具有互相不同的晶格常數。因此，位障層3和量子井2互相受到應力。
藉由上述應力，則在與未受應力的量子井結構比較下該半導體層序列1在操作時所產生的電磁輻射之溫度相依性會減弱。藉由量子井之應力，則電洞之移動性將提高。於是，在較低的溫度時最靠近p-側之量子井中所填入的電洞較少。由於隨著溫度的增高電洞將較均勻地 分佈著，則所發出之波長之變化量因此小於未受到應力之量子井結構中者。
就像其它全部的實施例一樣，半導體層序列1較佳是具有至少三個或至少五個或至少七個量子井2。此外，半導體層序列1總共具有最多50個或最多100個或最多200個量子井2。
較佳是調整位障層3之材料成份，使位障能量EB 相對於相鄰之量子井2之發射能量而言沿著生長方向G保持成定值或較高。
圖2顯示具有半導體層序列1之光電半導體晶片1之另一實施例。此半導體層序列1具有多個量子井2a,2b。構造相同的量子井2a配置成第一組且構造相同的量子井2b組成第二組。第一組所具有的量子井2a較佳是較第二組所包含的量子井2b還多。第二組沿著該生長方向G而跟隨著第一組。此二組之位障層3a,3b分別在各組內可就厚度和材料成份相同地構成。
在半導體晶片10操作時量子井2a所發出的輻射之波長小於第二組之量子井2b所發出的波長。此二組之發射波長之間的波長差異值例如介於3奈米(含)和6奈米之間。
第一組之位障層3a亦可構成為與第二組之位障層3b不同。或是，全部的位障層3a,3b係相同地形成。此外，該二組之量子井2a,2b在其構造上亦可以不是互相不同，而是此二組之發射波長之偏移藉由「各組之位障層3a,3b互相不同地構成」來達成。
半導體層序列1特別是以AlGaInP為主。基板5可以是GaAs-基板。該些位障層3就其厚度及其成份鎵、鋁及銦而言可互相不同。半導體層序列1的內部中，量子井2之銦-含量的變化量較佳是最多5%，特別是最多2.5%。換言之，全部之量子井2之銦-含量係在量子井2之平均銦-含量的範圍中，其容許度為±2.5%或±1.25%。
隨著半導體晶片10之溫度的升高，則n-側n上的電洞成份增大。於是，在n-側n上更多成份的電荷載體進行重組。這樣會使半導體層序列1之發射波長變短。於是，除了量子井層2a,2b和位障層3a,3b之間的應力以外，在溫度變化時整體上可使波長的偏移較小。
藉由受到應力之特別是以InGaAlP為主之量子井2a,2b及受到相反應力之InGaAlP-位障層3a,3b，使電子之移動性變小，電洞則顯示出較大的移動性。反之，在未受到應力之量子井結構中，電洞幾乎完全保留在p-側。因此，具有未受到應力之量子井及/或位障層的半導體結構必須具有能帶間隙較小的位障層或數目較少的量子井，以使電洞達成均勻的分佈。
圖3中顯示半導體層序列1之發射波長λ相對於該生長方向G之外觀圖。依據圖3A，該發射波長λ相對於該生長方向G具有一種步級形式的外觀圖。此種波長外觀圖例如可依據圖2之半導體層序列1來達成。與圖2和圖3A所示者不同，波長外觀圖中亦可形成多於二個的步級且該半導體層序列1可具有多於二組之量子井2a,2b。
圖3B中顯示該發射波長λ沿著生長方向G而線性地變化。「線性」此處不排除「該外觀只近似於線性且以多個小的步級而延伸」，其中相鄰的步級之間針對波長λ之跳躍值較佳是小於0.5奈米。此種近似於線性的外觀在圖3B中以虛線表示。
圖4是發射波長以奈米表示的變化值△λ相對於以℃表示的溫度T的圖解。該發射波長顯示一種形心(Centroid)-波長或重心波長。與傳統的半導體組件相比較下(請參閱圖4中之虛線)，在例如圖1所示的半導體層序列1中波長相依性之外觀圖較平坦。圖4中本實施例之波長的外觀圖以實線來顯示且以參考符號1來表示。
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之各特徵之每一種組合，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‧‧‧半導體層序列
2‧‧‧量子井
3‧‧‧位障層
4‧‧‧中介層
5‧‧‧生長基板
6‧‧‧覆蓋層
10‧‧‧光電半導體晶片
D,D2,D3‧‧‧厚度
G‧‧‧生長方向
N‧‧‧半導體層序列之n-側
P‧‧‧半導體層序列之p-側
T‧‧‧溫度
λ‧‧‧波長
圖1和圖2是此處所述之半導體層序列和半導體晶片之各實施例之切面圖。
圖3和圖4是此處所述之半導體層序列之各實施例中波長隨著生長方向或溫度而變化之圖解。
10‧‧‧光電半導體晶片
1‧‧‧半導體層序列
2‧‧‧量子井
3‧‧‧位障層
4‧‧‧中介層
5‧‧‧生長基板
6‧‧‧覆蓋層
D2,D3‧‧‧厚度
G‧‧‧生長方向
N‧‧‧半導體層序列之n-側
P‧‧‧半導體層序列之p-側

Claims (13)

  1. 一種用於光電半導體晶片(10)之半導體層序列(1)，具有：- 至少三個量子井(2)，其用於產生電磁輻射且沿著該半導體層序列(1)之生長方向(G)而上下配置著，- 第一組之多個量子井(2a)，其配置成在第一波長λ1中發出輻射，- 第二組之多個量子井(2b)，其配置成在第二波長λ2中發出輻射，以及- 多個位障層(3)，其中在二個相鄰之量子井(2)之間分別配置著至少一個位障層(3)，其中- λ1<λ2以及2nmλ2-λ115nm，- 所述量子井(2)具有第一平均銦含量且所述位障層具有較小之第二平均銦含量，以及- 所述位障層(3)之第二平均晶格常數小於所述量子井(2)之第一平均晶格常數。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體層序列(1)，其以(Alx Ga1-x )1-y Iny P為主，此處0≦x≦1，其中對該量子井(2)而言適用：0.51y0.7，且對該位障層(3)而言適用：0.3y0.49。
  3. 如申請專利範圍第2項之半導體層序列(1)，其中對該量子井而言適用：0.53y0.6，且對該位障層(3)而言適用：0.4y0.47。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之半導體層序列(1)，其中相對於所屬之所述量子井(2)之厚度D2而言所述位障 層(3)之一之厚度D3適合於：0.75D3/D27.5。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體層序列(1)，其中(2a,2b)的數目大於第二組者，且各組沿著該生長方向(G)而上下延伸著，第一組較第二組更靠近該半導體層序列(1)之n-側(n)。
  6. 如申請專利範圍第5項之半導體層序列(1)，其中所述位障層(3)在所述量子井(2a,2b)之至少一組內相同地形成。
  7. 如申請專利範圍第1項之半導體層序列(1)，其中分別位於二個相鄰之量子井(2)之間的至少二個所述位障層(3)具有互相不同的厚度及/或互相不同的材料成份。
  8. 如申請專利範圍第7項之半導體層序列(1)，其中靠近該半導體層序列(1)之該n-側(n)的位障層(3n)所具有的位障高度大於該半導體層序列(1)之p-側(p)上之所述位障層(3)的位障高度。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之半導體層序列(1)，其中沿著該生長方向(G)且在由該n-側(n)離開的方向中由所述位障層(3)之位障高度EB 和波長λ所形成的商EB /λ單調地增加，各別的位障層(3)所屬之所述量子井(2)係用於該波長λ之發射。
  10. 如申請專利範圍第3項之半導體層序列(1)，其係用於在595奈米(含)和625奈米之間的波長中產生輻射。
  11. 一種光電半導體晶片(10)，具有：- 如申請專利範圍第1或2項之半導體層序列(1)，以及 - 基板(5)，其上配置著該半導體層序列(1)，其中位障層(3)之第二平均晶格常數小於該基板(5)之平均基板晶格常數，且量子井(2)之第一平均晶格常數大於所述基板晶格常數。
  12. 一種用於製造光電半導體晶片(10)之半導體層序列(1)之方法，具有以下步驟：- 製備一種生長基板(5)，- 以磊晶方式交替地生長至少三個量子井(2)及多個位障層(3)，其中所述量子井(2)係用於產生電磁輻射且在二個相鄰之所述量子井(2)之間生長至少一個所述位障層(3)，其中- 所述量子井(2)具有第一平均銦含量且所述位障層具有較小之第二平均銦含量，- 生長所述位障層(3)，其具有第二平均晶格常數，其小於所述生長基板(5)之基板晶格常數，- 生長所述量子井(2)，其具有第一平均晶格常數，其大於所述基板晶格常數，- 第一組之多個量子井(2a)，其配置成在第一波長λ1中發出輻射，- 第二組之多個量子井(2b)，其配置成在第二波長λ2中發出輻射，以及- λ1<λ2以及2nmλ2-λ115nm。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該生長基板(5)是GaAs-基板。
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