專利名稱：Led半導(dǎo)體本體的制作方法
LED半導(dǎo)體本體
本發(fā)明涉及一種LED半導(dǎo)體本體，其設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生輻射。
本專利申請要求德國專利申請10 2006 035 627.6的優(yōu)先權(quán)，其公開 內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
在LED半導(dǎo)體本體中，內(nèi)部量子效率、即半導(dǎo)體本體內(nèi)產(chǎn)生的光 子與注入半導(dǎo)體本體內(nèi)的電子-空穴對的比例常常明顯小于理想值。
本發(fā)明的任務(wù)是，提出一種帶有改進(jìn)的特性的LED半導(dǎo)體本體。
特別地，應(yīng)當(dāng)提高內(nèi)部量子效率以及減小在LED半導(dǎo)體本體的工作中發(fā)
射的輻射的頻語寬度。此外，在大工作電流情況下應(yīng)當(dāng)改善所發(fā)射的輻 射的功率在工作電流方面的線性。
該任務(wù)借助帶有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的LED半導(dǎo)體本體來解決。 在根據(jù)本發(fā)明的LED半導(dǎo)體本體的一個(gè)實(shí)施形式中，LED半導(dǎo)體 本體具有半導(dǎo)體層序列，該半導(dǎo)體層序列包括用于產(chǎn)生非相干的輻射而 設(shè)計(jì)的量子結(jié)構(gòu)，該量子結(jié)構(gòu)帶有至少一個(gè)量子層和至少一個(gè)勢壘層。 在此，量子層和勢壘層以彼此相反的符號(hào)(Vorzeichen )而應(yīng)變 (versparmt)。
因?yàn)閯輭緦泳哂袘?yīng)變，該應(yīng)變具有與量子層的應(yīng)變相反的符號(hào)，所 以量子層的應(yīng)變可以借助勢壘層的應(yīng)變來補(bǔ)償。這可以導(dǎo)致半導(dǎo)體層序 列的改進(jìn)的晶體質(zhì)量。在強(qiáng)烈應(yīng)變的量子層中更多地形成的位錯(cuò) (Versetzung)于是可以有利地被減小。
半導(dǎo)體的固有的晶格常數(shù)通常取決于半導(dǎo)體的材料組成。在足夠薄 的半導(dǎo)體層的情況下，半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)可能會(huì)與半導(dǎo)體材料的相應(yīng) 的固有晶格常數(shù)有偏差。
在本發(fā)明的范圍中，當(dāng)在參考層上的例如外延的沉積中形成帶有如 下晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層時(shí)，半導(dǎo)體層尤其被視為應(yīng)變該晶格常數(shù)在橫 向方向上、即在垂直于沉積方向的方向上與半導(dǎo)體層的固有的晶格常數(shù) 不同。在此，應(yīng)變的半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)在橫向方向上等于參考層的晶 格常數(shù)。
參考層特別是可以是生長襯底，在該生長襯底上進(jìn)行半導(dǎo)體層的沉 積，或者可以是半導(dǎo)體緩沖層，該半導(dǎo)體緩沖層的晶格常數(shù)與半導(dǎo)體緩沖層的固有晶格常數(shù)沒有或沒有明顯偏差。
如上面所描述的那樣在橫向方向上具有參考層的晶格常數(shù)并且其 中應(yīng)變沒有或者僅僅少部分地以位錯(cuò)的形式構(gòu)建的應(yīng)變半導(dǎo)體層也稱
為布￡晶(pseudomorph )。
其晶格常數(shù)小于其固有晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層稱為是壓應(yīng)變的或者
正應(yīng)變的。
與此類似，其晶格常數(shù)大于其固有晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層稱為是張應(yīng) 變的或者負(fù)應(yīng)變的。
壓應(yīng)變即正應(yīng)變和拉應(yīng)變即負(fù)應(yīng)變的半導(dǎo)體層由此具有帶有彼此 相反符號(hào)的應(yīng)變。
半導(dǎo)體層的累積的應(yīng)變可以通過位于其上或其下的半導(dǎo)體層借助 帶有相反符號(hào)的應(yīng)變來部分或完全地補(bǔ)償，這也稱為應(yīng)變補(bǔ)償。針對n 個(gè)相疊設(shè)置的應(yīng)變的半導(dǎo)體層的應(yīng)變的度量是所謂的平均應(yīng)變VQ，該平 均應(yīng)變通過下式給出
其中fi是第1半導(dǎo)體層的應(yīng)變，而d!是第1半導(dǎo)體層的厚度。乘積f嚴(yán)d!
是第l半導(dǎo)體層的應(yīng)變和層厚度的乘積。在此，應(yīng)變f,通過下式給出
刀=『卯 卯
其中&是第1半導(dǎo)體層的固有晶格常數(shù)，g。是參考層的晶格常數(shù)并由此 是應(yīng)變的半導(dǎo)體層的實(shí)際晶格常數(shù)。
在合適地選擇層厚和應(yīng)變的情況下，可以部分或者完全補(bǔ)償應(yīng)變的 半導(dǎo)體層的平均應(yīng)變，即簡化為值0。
借助這種應(yīng)變補(bǔ)償可能的是，以高的晶體質(zhì)量來沉積比較厚的半導(dǎo) 體層堆疊。在強(qiáng)烈地應(yīng)變的層中更多地出現(xiàn)的晶體缺陷如位錯(cuò)于是可以 被有利地減少。在一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，量子結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)另外的量子層和 至少一個(gè)另外的勢壘層，其中所述另外的量子層和另外的勢壘層以彼此 相反的符號(hào)應(yīng)變。
優(yōu)選的是，LED半導(dǎo)體本體具有四個(gè)量子層或者更多，特別優(yōu)選地 具有IO個(gè)量子層或者更多，例如具有15個(gè)量子層。
這樣大數(shù)量的量子層的優(yōu)點(diǎn)是，LED半導(dǎo)體本體的特征在于在工作 中在大電流的情況下、特別是在超過0.5A的電流的情況下的改善的線 性。這意味著在LED半導(dǎo)體本體中產(chǎn)生的輻射的輻射功率即使在大電流 的情況下在提高工作電流時(shí)也線性地隨著工作電流升高。量子層的數(shù)目 越大，則工作電流的值越大，此外LED半導(dǎo)體本體中產(chǎn)生的輻射的輻射 功率線性地隨著工作電流而增大。
在一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，設(shè)置有用于產(chǎn)生輻射的量子結(jié)構(gòu)，該輻 射的峰值波長在750nm至1050nm的波長范圍中，其中包含端點(diǎn)值。該 頻語范圍、特別是其在人眼的敏感性之外的部分例如對于帶有發(fā)射機(jī)和 接收機(jī)的傳感器系統(tǒng)是有利的，因?yàn)槿搜蹧]有被發(fā)射機(jī)的輻射干擾。
在一個(gè)有利的改進(jìn)方案中，量子結(jié)構(gòu)構(gòu)建為使得量子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的輻 射的發(fā)射頻譜的半值寬度為70nm或者更小，優(yōu)選為60nm或者更小， 特別優(yōu)選為50nm或者更小，例如在40nm至45nm之間，其中包含端點(diǎn) 值。在此，半值寬度(Halbwertsbreite)理解為所發(fā)射的輻射在關(guān)于最 大值一半的輻射功率時(shí)的全部頻鐠寬度(FWHM, full width at half maximum )。
借助窄帶發(fā)射的LED作為發(fā)射機(jī)，可以簡化地實(shí)現(xiàn)帶有發(fā)射機(jī)和 接收機(jī)的傳感器系統(tǒng)。此外，帶有在近紅外中的盡可能小的頻譜寬度的 發(fā)射譜是有利的，因?yàn)榭梢詼p小在可見的頻譜范圍中的頻譜的頻譜分 支。于是可以簡化地避免人眼的眩耀。
在一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，至少一個(gè)量子層是壓應(yīng)變的而勢壘層是 張應(yīng)變的。借助張應(yīng)變的勢壘層，可以完全地或者至少部分地補(bǔ)償量子 層的壓應(yīng)變。當(dāng)量子層的層厚和應(yīng)變的乘積在數(shù)值上等于勢壘層的層厚 和應(yīng)變的乘積時(shí)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的完全補(bǔ)償，其中這些乘積具有不同的符號(hào)。 由此，可以有利地實(shí)現(xiàn)LED半導(dǎo)體本體的高的晶體質(zhì)量?？梢詼p小形成 晶體缺陷如位錯(cuò)。
特別地，應(yīng)變補(bǔ)償能夠?qū)崿F(xiàn)制造半導(dǎo)體層序列，其中量子層的厚度之和位于針對量子層的臨界層厚之上。在此，半導(dǎo)體層的臨界層厚是針 對半導(dǎo)體層的假晶生長的材料特定的上限。在臨界層厚之上，位錯(cuò)形式 的、降低晶體質(zhì)量的應(yīng)變的消除是典型的。相對于其中量子層的應(yīng)變未 被補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體層序列，應(yīng)變補(bǔ)償能夠?qū)崿F(xiàn)提高量子層的數(shù)目。
在另一優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，至少一個(gè)勢壘層的應(yīng)變在數(shù)量上小于量 子層的應(yīng)變。優(yōu)選的是，勢壘層的應(yīng)變的數(shù)值是在量子層的應(yīng)變的數(shù)值
的0.2至0.67倍之間的值，特別優(yōu)選的是在0.33至0.5倍之間的值，其 中包含端點(diǎn)值。在此，用于補(bǔ)償量子層的應(yīng)變的勢壘層優(yōu)選相應(yīng)地比量 子層厚。
在一個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)方案中，勢壘層的厚度與量子層的厚度的比例大 于或等于l,優(yōu)選大于或等于1.5,特別優(yōu)選的是大于或等于2.5，例如 高達(dá)3。
在其中設(shè)置在兩個(gè)相鄰的量子層之間的勢壘層的厚度大于量子層 的單個(gè)厚度的量子結(jié)構(gòu)中，在量子層中形成的量子化的載流子狀態(tài)可以
簡化地與相鄰的量子層的狀態(tài)去耦。通過這種去耦，使得借助量子結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生頻譜上的窄帶輻射變得容易。
在一個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)方案中，勢壘層的厚度為5nm或更大，優(yōu)選為 10nm或更大，特別優(yōu)選為20nm或更大。隨著勢壘層的增大的厚度，借 助勢壘層彼此分離的兩個(gè)量子層可以特別好地彼此去耦。
在一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，量子層和勢壘層在量子結(jié)構(gòu)中以交替的 順序彼此相疊地(aufeinander)設(shè)置。在此，勢壘層優(yōu)選分別構(gòu)建為使 得量子層的層厚和應(yīng)變的乘積分別通過隨后的勢壘層的層厚和應(yīng)變的 乘積完全地或者基本上完全地補(bǔ)償。這可以導(dǎo)致減小量子結(jié)構(gòu)的平均應(yīng) 變。有利地，這樣可以相對于未被補(bǔ)償應(yīng)變的半導(dǎo)體層序列構(gòu)建帶有高 的晶體質(zhì)量的比較厚的量子結(jié)構(gòu)。
特別地，可以減少量子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的應(yīng)變的數(shù)量。通過這種方式， 可以減小如下載流子的數(shù)目這些載流子在量子結(jié)構(gòu)中在這些位錯(cuò)上不 發(fā)射地復(fù)合(rekombinieren )。這可以有利地導(dǎo)致在半導(dǎo)體本體的工作 中增大的內(nèi)部量子效率。
在一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，LED半導(dǎo)體本體包括III-V半導(dǎo)體材料， 例如InyGa!-yAs,其中(KySl，優(yōu)選的是y^)。優(yōu)選的是，至少一個(gè)量子 層包含InyGa^As,其中優(yōu)選的是0.05Sy^).3,特別優(yōu)選的是
70.1SyS0.2。在InyGa!-yAs中，內(nèi)部晶格常數(shù)隨著增大的銦含量而增大。 由此，InyGa^As半導(dǎo)體層的壓應(yīng)變關(guān)于GaAs同樣隨著增大的銦含量而 增大。壓應(yīng)變的InyGa!-yAs半導(dǎo)體層在此在沉積方向上具有比在橫向方 向上大的晶格常數(shù)。
帶有含InyGai.yAs的量子層的LED半導(dǎo)體本體的特征特別可以是在 750nm至1050nm的波長范圍(其中包含端點(diǎn)值)中的高量子效率。
勢壘層例如可以包含AlxGa,-xAskPz，其中(KxSl并且(Kz化優(yōu)選 的是z邦。這種半導(dǎo)體層的固有晶格常數(shù)隨著增大的磷含量而減小，其 中在張應(yīng)變的AlxGai_xASl_zPz半導(dǎo)體層中，在沉積方向上的晶格常數(shù)小 于橫向方向上的晶格常數(shù)。關(guān)于GaAs,張應(yīng)變隨著增大的磷含量而增 大，使得通過改變磷含量，可以借助AlxGai_xASl.zPz半導(dǎo)體層來補(bǔ)償壓 應(yīng)變的含有InyGa!-yAs的半導(dǎo)體層的應(yīng)變。此外，AlxGa^As^Pz半導(dǎo)體 層的帶隙可以通過鋁含量來調(diào)節(jié)。在借助InyGai-yAs量子層和兩個(gè) AlxGa,.xASl_ZPZ勢壘層形成的量子阱中，改變鋁含量能夠?qū)崿F(xiàn)簡化地調(diào)節(jié) 量子阱的能量深度。
作為針對例如半導(dǎo)體層的譬如借助MBE或者M(jìn)OVPE的外延沉積 的生長襯底，可以使用GaAs襯底。
當(dāng)然，在具有多個(gè)量子層和多個(gè)勢壘層的LED半導(dǎo)體本體中，多 個(gè)量子層和/或勢壘層或者所有量子層和/或勢壘層可以具有在所提出的 優(yōu)選的擴(kuò)展方案中說明的特征。
在 一 個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，量子結(jié)構(gòu)嵌入兩個(gè)覆蓋層 (Mantelschichten)之間，其中所述覆蓋層之一可以構(gòu)成參考層。特別 優(yōu)選的是， 一個(gè)覆蓋層倍被p摻雜并且另一覆蓋層被n摻雜地構(gòu)建。于 是，LED半導(dǎo)體本體可以以PIN二^f及管結(jié)構(gòu)的形式構(gòu)建，其中量子結(jié)構(gòu) 優(yōu)選固有地實(shí)施。
至少一個(gè)覆蓋層優(yōu)選具有一個(gè)帶隙，該帶隙大于勢壘層的帶隙。對 于位于量子結(jié)構(gòu)中的載流子，由此覆蓋層可以是電位勢壘。該電位勢壘 可以阻止載流子從量子結(jié)構(gòu)進(jìn)入到覆蓋層中。于是促進(jìn)了在量子結(jié)構(gòu)內(nèi) 部的載流子的發(fā)射輻射的復(fù)合。
在另一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，量子結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)變?yōu)?000ppm (百 萬分之一)或者更小，優(yōu)選為1000ppm或者更小，特別優(yōu)選為500ppm 或者更小。量子結(jié)構(gòu)的平均的應(yīng)變越小，則量子結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量可以越高。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施形式中，LED半導(dǎo)體本體實(shí)施為薄膜半導(dǎo)體
本體。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體本體不同，在薄膜半導(dǎo)體本體中，半導(dǎo)體本體的 半導(dǎo)體層序列例如外延地沉積于其上的生長襯底被完全地或者局部地 薄化或者完全或者局部地去除。這例如可以以機(jī)械方式和/或化學(xué)方式實(shí) 現(xiàn)。激光剝離方法或者激光燒蝕方法對此也是適合的。
薄膜半導(dǎo)體芯片可以包括薄膜半導(dǎo)體本體和承載體，其中半導(dǎo)體本 體設(shè)置在承載體上并且優(yōu)選是固定的。承載體特別是與半導(dǎo)體本體的生 長襯底不同。承載體可以用于半導(dǎo)體本體的機(jī)械穩(wěn)定。因?yàn)樯L襯底對 此不再必需，并且可以無損害半導(dǎo)體本體的明顯風(fēng)險(xiǎn)地被薄化或者去 除。
有利的是，與生長襯底不同，承載體不必滿足關(guān)于晶體純度的高要 求，而是可以關(guān)于其他標(biāo)準(zhǔn)、例如機(jī)械穩(wěn)定性、光學(xué)、熱學(xué)或者電學(xué)特 性方面來進(jìn)行選擇。
薄膜半導(dǎo)體芯片，譬如薄膜LED芯片的特征此外可以是以下典型 的特征至少之一
_在包括有源區(qū)的半導(dǎo)體層序列、特別是外延層序列的朝向承載元 件的第一主面上施加有反射層或者譬如構(gòu)建為集成在半導(dǎo)體層序列中 的布拉格反射器的反射層，該反射層將半導(dǎo)體層序列中產(chǎn)生的輻射的至 少一部分反射回該半導(dǎo)體層序列中；
-半導(dǎo)體層序列具有20pm或者更小范圍中的厚度，特別是在10rim 的范圍中的厚度；和/或
-半導(dǎo)體層序列包含至少一個(gè)半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層具有至少一個(gè) 面，該面具有混勻結(jié)構(gòu)，該混勻結(jié)構(gòu)在理想情況下導(dǎo)致光在半導(dǎo)體層序 列中的近似各態(tài)歷經(jīng)的分布，即該結(jié)構(gòu)具有盡可能各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)散射 特性。
例如在I. Schnitzer等人于1993年IO月18日所著的Appl. Phys. Lett. 63 ( 16 ), 2174 - 2176頁中描述了薄層發(fā)光二極管芯片的基本原理，其 公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于本申請中。
在一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，在半導(dǎo)體本體上設(shè)置有反射層。特別優(yōu) 選的是，反射層設(shè)置在承載體和半導(dǎo)體本體之間。在此，反射層構(gòu)建為 針對半導(dǎo)體本體工作中產(chǎn)生的輻射是反射性的。反射層此外優(yōu)選以金屬的方式實(shí)施。例如，金屬的反射層可以包含Au、 Ag、 Al、 Pt或者具有 這些材料至少之一的合金。Au例如特征在于在紅色和紅外頻譜范圍中 的特別高的反射率。
在量子結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的和在承載體方向上走向的輻射可以在反射層 上反射，并且在半導(dǎo)體芯片的背離反射層的、形成輻射出射面的表面上 耦合輸出。通過輻射出射面耦合輸出的輻射部分相應(yīng)地被有利地提高。 此外，反射層可以防止通過承載體材料吸收輻射。于是，在選擇承載體 材料時(shí)的自由度被盡可能地提高。
本發(fā)明的其他特征、有利的擴(kuò)展方案和合乎目的性從以下結(jié)合附圖 對實(shí)施例的描述來得到。
其中


圖1示出了帶有根據(jù)本發(fā)明的LED半導(dǎo)體本體的LED半導(dǎo)體芯片 的示意性截面圖，并且
圖2示出了在LED半導(dǎo)體本體的量子結(jié)構(gòu)周圍的部分中，針對根據(jù) 本發(fā)明的LED半導(dǎo)體本體的實(shí)施例的帶隙和材料組成的視圖。
在附圖中，相同的、類似的和作用相同的元件設(shè)置有相同的參考標(biāo)記。
在圖1中在示意性截面圖中示出了帶有根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體本體1 的LED半導(dǎo)體芯片11的結(jié)構(gòu)。LED半導(dǎo)體本體1通過包括量子結(jié)構(gòu)2 的半導(dǎo)體層序列形成。該量子結(jié)構(gòu)示例性地具有四個(gè)量子層3,其中在 每兩個(gè)相鄰的量子層之間分別設(shè)置有勢壘層4。在量子層的數(shù)目為n時(shí)， 勢壘層的數(shù)目通常為n-l。與圖1中所示的實(shí)施例不同，勢壘層的數(shù)目 也可以為n+l。
量子結(jié)構(gòu)2設(shè)置在第一覆蓋層50和第二覆蓋層51之間。輻射耦合 輸出面IO借助第一覆蓋層50的表面形成。
LED半導(dǎo)體芯片11實(shí)施為薄膜半導(dǎo)體芯片。在此，LED半導(dǎo)體本 體1設(shè)置在LED半導(dǎo)體芯片11的承載體70上。該承載體與半導(dǎo)體本體 1的生長襯底、特別是半導(dǎo)體層序列不同。在制造半導(dǎo)體本體時(shí)，半導(dǎo) 體層序列在生長襯底上的沉積優(yōu)選外延地進(jìn)行，例如借助MBE或者 MOVPE進(jìn)行。相應(yīng)地，承載體不必關(guān)于晶體純度方面滿足對生長襯底 的高要求，而是例如可以關(guān)于導(dǎo)熱特性方面和/或?qū)щ娦苑矫鎯?yōu)化地實(shí)此特別適合于優(yōu)選具有在半導(dǎo)體芯片中出現(xiàn)較高的損耗熱的大功率 LED半導(dǎo)體芯片。
if。？T,仁^r「tm^們乂氏々厄，7fv凍x/i4、川丁"i，卞虧14、層序歹'J才幾才成禾急疋。
去除生長襯底在此例如可以以機(jī)械方式和/或化學(xué)方式完全地或者局部 地去除或者薄化。對此也可以使用激光剝離方法或者激光燒蝕方法。優(yōu) 選的是，完全去除生長襯底。在圖1中因此沒有示出生長襯底。 優(yōu)選的是，承載體具有比較高的導(dǎo)熱性。例如，承載體可以包含鍺
或者由鍺構(gòu)成。也可以使用GaAs承載體。如果承載體包含半導(dǎo)體材料 或者承載體由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，則該承載體優(yōu)選為了提高導(dǎo)電能力而被 合適地?fù)诫s。
在半導(dǎo)體本體l和承載體70之間設(shè)置有反射層72,該反射層優(yōu)選 施加到半導(dǎo)體本體上。在量子結(jié)構(gòu)中在LED半導(dǎo)體本體的工作中產(chǎn)生的 并且朝著承載體70的方向發(fā)射的輻射可以由反射層反射。由此，避免 了從量子結(jié)構(gòu)出發(fā)來看的設(shè)置在反射層之后的結(jié)構(gòu)(譬如承載體)中的 吸收。反射層可以包含金屬或者金屬合金，或者可以以金屬方式實(shí)施。 例如，反射層可以包含金、銀、鋁、鉑或者具有這些材料至少之一的合 金，或者由這種材料或者這種合金構(gòu)成。金的特征例如在于在黃色、橙 色、紅色至紅外頻鐠范圍中的特別高的反射率。與可以集成到半導(dǎo)體本 體中的布拉格反射器相比，基于金屬的或者基于金屬合金的反射層的特 征可以是在比較寬的頻譜范圍中的高的反射率。與布拉格反射器相比， 反射率與輻射射到反射層上的角度的相關(guān)性可以在基于金屬或者基于 含有金屬的合金的反射層中有利地降低。實(shí)施為金屬層或者合金層的反 射層因此相對于布拉格反射器是優(yōu)選的。在量子結(jié)構(gòu)2中產(chǎn)生的并且射 到反射層上的輻射于是可以有效地被反射層反射。結(jié)果是，從輻射耦合 輸出面10出射的輻射功率可以被有利地提高。
在制造LED半導(dǎo)體芯片11時(shí)，將金屬沉積到預(yù)制的半導(dǎo)體本體1 上或者將反射層的合金構(gòu)建到預(yù)制的半導(dǎo)體本體1上，特別是在結(jié)束半 導(dǎo)體本體的沉積之后進(jìn)行。制造反射層72的合適的方法例如是賊射或 者氣相淀積。
此外，在反射層72和承載體70之間構(gòu)建有連接層71。該連接層用 于將半導(dǎo)體本體l固定在承載體上。連接層優(yōu)選導(dǎo)電地構(gòu)建并且例如可 以實(shí)施為焊劑層。
ii此外，在承載體70的背離LED半導(dǎo)體芯片的側(cè)上設(shè)置有接觸部75。 借助該接觸部以及設(shè)置在輻射出射面10上的接觸部76,可以導(dǎo)電地連
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妖LiiiJ卞虧,個(gè),i。 體LtJJ卞虧,個(gè),日"丄TF T , 丁疋口J k乂、1tr柳込 些接觸部來將載流子注入到為了產(chǎn)生輻射而設(shè)計(jì)的量子結(jié)構(gòu)2中。接觸
部75和/或接觸部76優(yōu)選金屬地實(shí)施或者實(shí)施為金屬合金。例如，接觸 部可以包含材料Au、 Ni、 Ti、 Pt、 Al、 Ag之一或者具有這些材料中至 少之一的合金，或者由該材料或合金構(gòu)成。當(dāng)然，接觸部75和/或接觸 部76必要時(shí)也可以多層地構(gòu)建。
替選地或者補(bǔ)充地，接觸部可以包含至少一種可透射輻射的導(dǎo)電的 金屬氧化物(TCO,透明導(dǎo)電氧化物)材料，例如ITO (銦錫氧化物)， 或者由其構(gòu)成。
制造接觸部75和76例如可以優(yōu)選在預(yù)制的半導(dǎo)體本體l上借助濺 射或者氣相淀積來進(jìn)行。
LED半導(dǎo)體本體例如可以實(shí)施為PIN二極管結(jié)構(gòu)。在此，例如第一 覆蓋層50可以被p導(dǎo)電地?fù)诫s，而第二覆蓋層51被n導(dǎo)電地?fù)诫s，或 者相反。量子結(jié)構(gòu)2的半導(dǎo)體層、優(yōu)選設(shè)置在量子結(jié)構(gòu)和第一覆蓋層50 之間的中間層以及優(yōu)選設(shè)置在量子結(jié)構(gòu)和第二覆蓋層之間的中間層61 優(yōu)選未摻雜地構(gòu)建。在LED半導(dǎo)體芯片的工作中，注入到量子結(jié)構(gòu)中的 載流子的復(fù)合導(dǎo)致非相干輻射的自發(fā)發(fā)射。在此，載流子的發(fā)射輻射的 復(fù)合優(yōu)選在量子層中進(jìn)行。
量子層3和勢壘層4以彼此相反符號(hào)的應(yīng)變。例如，量子層可以壓 應(yīng)變，即正應(yīng)變，而勢壘層張應(yīng)變，即正應(yīng)變。在帶有應(yīng)變的量子層3 的LED半導(dǎo)體本體l中，可以減小晶體缺陷例如位^"的擴(kuò)散。LED半 導(dǎo)體本體的退化以及與此關(guān)聯(lián)的、半導(dǎo)體本體發(fā)射的輻射功率隨著增大 的工作持續(xù)時(shí)間而降低可以被有利地減小。帶有應(yīng)變的量子層的LED 半導(dǎo)體本體于是可以以改善的光老化特性而出眾。
通過勢壘層4的、與量子層3的應(yīng)變相反符號(hào)的應(yīng)變，可以減小半 導(dǎo)體層序列的平均應(yīng)變。在此，勢壘層優(yōu)選實(shí)施為使得對于勢壘層和 對于量子層，層厚和應(yīng)變的乘積在數(shù)值上分別具有相同的或者基本上相 同的值。半導(dǎo)體本體l的高的晶體質(zhì)量，特別是量子結(jié)構(gòu)2的高的晶體 質(zhì)量于是可以簡化地實(shí)現(xiàn)。晶體缺陷例如位錯(cuò)形式的應(yīng)變的半導(dǎo)體層的 應(yīng)變的、降低晶體質(zhì)量的消除被有利地減小。在量子結(jié)構(gòu)2中的載流子的、在這些晶體缺陷上不是發(fā)射輻射地復(fù)合的部分可以在降低晶體缺陷 的密度的情況下減小，這導(dǎo)致提高了在量子結(jié)構(gòu)中的發(fā)射輻射的復(fù)合并 且由此提高了 LED半導(dǎo)體本體的內(nèi)部量子效率。
通過借助勢壘層4來補(bǔ)償量子層3的應(yīng)變，可以制造比較大量的、 帶有良好的晶體質(zhì)量的量子層3和勢壘層4。在此，應(yīng)變的量子層和勢 壘層優(yōu)選以交替的順序彼此相疊地設(shè)置。
量子結(jié)構(gòu)2可以包含超過4個(gè)量子層3,優(yōu)選10個(gè)量子層或者更多， 例如15個(gè)量子層或者更多。借助增大數(shù)量的量子層，可以進(jìn)一步提高 器件在工作電流方面、特別是在超過0.5A的大電流情況下的線性。
此外，提高量子層的數(shù)目可以導(dǎo)致減小頻譜寬度。
特別地，LED半導(dǎo)體本體優(yōu)選實(shí)施為使得量子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的輻射的 頻鐠的半值寬度為70nm或者更小，優(yōu)選為60nm或者更小，特別優(yōu)選 為50nm或者更小，例如在40nm至45nm之間。
勢壘層4的應(yīng)變的數(shù)值優(yōu)選具有鄰接的量子層3的應(yīng)變的數(shù)值的 0.2至0.67倍之間的值，特別優(yōu)選的是位于0.33至1/2倍之間的值，其 中包含端點(diǎn)值。在這種勢壘層中，勢壘層的厚度可以為了補(bǔ)償關(guān)聯(lián)的量 子層的應(yīng)變而相應(yīng)地選擇得比量子層厚。其間設(shè)置有勢壘層4的兩個(gè)相 鄰的量子層3于是可以比較遠(yuǎn)地彼此間隔。在量子層中構(gòu)建的能量狀態(tài) 于是可以有利地與相鄰的量子層的能量狀態(tài)去耦。于是，可以簡化地制 造帶有頻鐠上比較窄帶的發(fā)射的LED半導(dǎo)體本體。
證明為特別有利的是，勢壘層4的厚度與量子層3的厚度的比例為 大于或等于l,優(yōu)選大于或等于1.5,特別優(yōu)選大于或等于2.5,例如3。 勢壘層的厚度可以為5nm或者更大，優(yōu)選為10nm或者更大，特別優(yōu)選 為20nm或者更大。量子層的厚度在此典型地在3nm至10nm之間(其 中包含端點(diǎn)值)，例如5nm。
在圖2中，曲線200示出了在量子結(jié)構(gòu)2周圍的部分中針對根據(jù)本 發(fā)明的LED半導(dǎo)體本體的一個(gè)實(shí)施例的帶隙Eo的分布。在此，也示出 了中間層60和61的區(qū)域和與第 一中間層60鄰接的第 一覆蓋層50的一 部分以及與第二中間層61鄰接的第二覆蓋層51的一部分。帶隙Eg的 分布僅僅示例性地針對半導(dǎo)體本體示出，該半導(dǎo)體本體針對發(fā)射具有 940nm的峰值波長的輻射而構(gòu)建。
在圖2所示的實(shí)施例中，量子結(jié)構(gòu)2包括15個(gè)量子層3，其中在每
13兩個(gè)相鄰的量子層3之間分別設(shè)置有勢壘層4。量子層分別具有7nm的 厚度，并且勢壘層具有21nm的厚度。量子層借助InyGai_yAs形成，其 中針對940nm的發(fā)射波長，銦含量為15%。勢壘層通過AlxGa!-xAs!-zPz 形成，其中鋁含量為30%而磷含量為10%。在圖2中，鋁含量的分布 通過曲線201示出，銦含量的分布通過曲線202示出，而磷含量的分布 通過曲線203示出。
在銦含量為15%的情況下，相對于GaAs生長襯底，InGaAs的應(yīng)變 為譬如10754ppm。在此，相對于GaAs, InGaAs量子層3是壓應(yīng)變的。
相對于GaAs,帶有乂 = 35%的鋁含量和z-10。/。的磷含量的 AlGaAsP勢壘層4以3593ppm的應(yīng)變的數(shù)值被張應(yīng)變。勢壘層應(yīng)變的數(shù) 值由此為大約量子層3的應(yīng)變的數(shù)值的三分之一。相應(yīng)地，可以借助大 約為量子層3的3倍厚的勢壘層4通過該勢壘層的應(yīng)變來補(bǔ)償該量子層 的應(yīng)變，因?yàn)閷τ趧輭緦雍土孔訉?，層厚和?yīng)變的乘積具有數(shù)值上相等 的值，而帶有彼此相反的符號(hào)。
典型的是，量子結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)變?yōu)樘貏e是2000ppm或者更少，優(yōu)選 為1000ppm或者更小，特別優(yōu)選為500ppm或者更小。于是，可以實(shí)現(xiàn) 量子結(jié)構(gòu)的良好的晶體質(zhì)量。
當(dāng)然，所說明的材料組成應(yīng)當(dāng)僅僅一見為示例性的。通過改變材料組 成和/或?qū)雍?，可以由量子結(jié)構(gòu)2也實(shí)現(xiàn)具有較大或者較小的峰值波長的 輻射，特別是在750nm至1050nm的波長范圍中的輻射，其中包含端點(diǎn) 值。例如，可以通過提高銦含量來減小帶隙，這可以導(dǎo)致較大的峰值波 長。
量子層的加寬也可以導(dǎo)致減小電子與空穴復(fù)合時(shí)的過渡能量，并且 由此導(dǎo)致發(fā)射具有更大的峰值波長的輻射，因?yàn)樵诩訉捔孔訉訒r(shí)減小了 量子層中的載流子的基態(tài)能量。在此，銦含量可以在0 (不包括該端點(diǎn) 值)至100% (包括該端點(diǎn)值)之間，優(yōu)選在5%至30%之間(包含端 點(diǎn)值)，特別優(yōu)選在10%至20%之間(包含端點(diǎn)值)。因?yàn)殂熀康?增加，不僅減小了 InGaAs的帶隙，而且還相對于GaAs增大的應(yīng)變，所 以合乎目的的是，將勢壘層4的組成相應(yīng)地與量子層3的組成匹配。在 此，量子層的較高的應(yīng)變的補(bǔ)償例如可以通過提高勢壘層中的磷含量或 者通過勢壘層的加寬來實(shí)現(xiàn)。
與此類似，在減小量子層3中的銦含量時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)具有較大的峰值波長的輻射的發(fā)射。由于隨著減小的銦含量而減小的InGaAs量子層 的應(yīng)變，所以量子層的應(yīng)變可以通過更薄的勢壘層4或者通過帶有減小 的磷含量的勢壘層來補(bǔ)償。
為了補(bǔ)償借助InGaAs形成的壓應(yīng)變的量子層3的應(yīng)變，包含 AlGaAsP的張應(yīng)變的勢壘層4是特別合適的，因?yàn)閯輭緦拥膽?yīng)變可以通 過磷含量而調(diào)節(jié)為對于應(yīng)變補(bǔ)償合適的值。
此外，AlGaAsP的帶隙可以通過鋁含量來調(diào)節(jié)。在此，勢壘層可以 具有相對于量子層比較高的帶隙。由此，可以借助嵌入在兩個(gè)帶有相應(yīng) 地高的鋁含量的AlGaAsP勢壘層之間的InGaAs量子層來形成能量上比 較深的量子阱。量子阱越深，則在量子層的量子化的狀態(tài)中的載流子由 于熱激發(fā)而從量子層進(jìn)入到勢壘層中的概率越低。載流子在量子層中發(fā) 射輻射地復(fù)合的概率于是可以有利地提高，由此增大了量子結(jié)構(gòu)2的內(nèi) 部量子效率。
第 一 中間層6 0和第二中間層61優(yōu)選具有與勢壘層4相同的或者基 本上相同的帶隙。與量子結(jié)構(gòu)2中的勢壘層4不同，第一和第二中間層 優(yōu)選沒有應(yīng)變或者沒有明顯應(yīng)變。在圖2所示的實(shí)施例中，中間層60 和61實(shí)施為AlxGa^As半導(dǎo)體層，并且具有相對于勢壘層4中的30% 的鋁含量更高的鋁含量，例如40%的鋁含量。通過將中間層實(shí)施為 AlGaAs半導(dǎo)體層，相對于GaAs該中間層比較少地應(yīng)變。于是，有利地 避免了半導(dǎo)體本體l的半導(dǎo)體層序列的附加的應(yīng)變。
分別借助AlGaAs形成的第一覆蓋層50和第二覆蓋層51的鋁含量 優(yōu)選相對于中間層60和61的鋁含量被提高。于是，在從第一中間層60 至第一覆蓋層50以及從第二中間層61至第二覆蓋層51的過渡部上分 別出現(xiàn)電位跳躍。合乎目的的是，電位跳躍大到使得使載流子從中間層 進(jìn)入到第一覆蓋層50和第二覆蓋層51中的熱激發(fā)以足夠低的概率進(jìn) 行。當(dāng)帶隙在電位跳躍處的差顯著地(例如大約5倍至10倍地)大于 載流子在半導(dǎo)體本體的工作溫度下的平均熱能時(shí)，實(shí)現(xiàn)足夠低的概率。 在圖2所示的實(shí)施例中，電位跳躍大約為200meV,這大約對應(yīng)于在室 溫時(shí)載流子的平均熱能的八倍。于是可以提高在量子結(jié)構(gòu)2的量子層3 中在發(fā)射輻射的情況下復(fù)合的載流子的部分。這可以導(dǎo)致LED半導(dǎo)體芯 片的提高的內(nèi)部量子效率。
覆蓋層50和51與量子結(jié)構(gòu)相比優(yōu)選比較厚地實(shí)施。例如，厚度分別為量子結(jié)構(gòu)2的厚度的至少2倍。覆蓋層由此特別是在剝離半導(dǎo)體本 體1的生長襯底之后用于將量子結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定。量子層和勢壘層的應(yīng)變 不必一定是相對于生長襯底的。例如，應(yīng)變也可以是相對于與量子結(jié)構(gòu)
相比較厚的覆蓋層50或51。由此，在剝離襯底之后也仍然得到量子結(jié) 構(gòu)的量子層3和勢壘層4的應(yīng)變。于是，可以有利地避免在剝離生長襯 底之后消除位錯(cuò)形式的應(yīng)變以及由此出現(xiàn)的量子結(jié)構(gòu)2的晶體質(zhì)量的劣化。
當(dāng)然，針對半導(dǎo)體本體i和針對生長襯底也可以使用其他半導(dǎo)體材 料，特別是III-V半導(dǎo)體材料。例如，半導(dǎo)體本體以及特別是量子結(jié)構(gòu)2
可以包含InAs、 GaSb、 AlSb、 InP、 AlAs、 A1P或者GaP或者可以借助 該半導(dǎo)體形成的三元或四元半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明并未由于借助實(shí)施例的描述而受到限制。本發(fā)明而是包括任 意新的特征以及特征的任意組合，這特別是包括權(quán)利要求中的特征的任 意組合，即使該特征或者該組合本身沒有明確地在權(quán)利要求中或?qū)嵤├?中被說明。
權(quán)利要求
1.一種LED半導(dǎo)體本體(1)，具有半導(dǎo)體層序列，該半導(dǎo)體層序列包括為產(chǎn)生非相干的輻射而設(shè)計(jì)的量子結(jié)構(gòu)(2)，該量子結(jié)構(gòu)帶有至少一個(gè)量子層(3)和至少一個(gè)勢壘層(4)，其中所述量子層(3)和勢壘層(4)以彼此相反的符號(hào)而應(yīng)變。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED半導(dǎo)體本體，其中所述LED半導(dǎo)體 本體(1 )實(shí)施為薄膜半導(dǎo)體本體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED半導(dǎo)體本體，其中所述量子層 (3)是壓應(yīng)變的而所述勢壘層(4)是張應(yīng)變的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體，其 中所述勢壘層(4)的應(yīng)變在數(shù)值上小于所述量子層(3)的應(yīng)變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的LED半導(dǎo)體本體，其中所述勢壘層(4) 的應(yīng)變的數(shù)值是在所述量子層(3)的應(yīng)變的數(shù)值的0.2至0.67倍之間 的值，其中包含端點(diǎn)值，優(yōu)選的是在0.33至0.5倍之間的值，其中包含 端點(diǎn)值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體，其 中所述勢壘層(4)的厚度與所述量子層(3)的厚度的比例大于或等于 1,優(yōu)選大于或等于1.5，特別優(yōu)選的是大于或等于2.5。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體，其 中所述勢壘層(4)的厚度為5nm或更大，優(yōu)選為10nm或更大，特別 優(yōu)選為20nm或更大。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體，其 中所述量子層(3)包含InyGa!-yAs，其中(KyS0.5,優(yōu)選的是0.05Sy^).3 ， 特別優(yōu)選的是0.1^^0.2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體，其 中所述應(yīng)變的勢壘層(4)包含AlxGa^AsLzPz,其中O.01^x^1,優(yōu)選的 是0.1W0.6,特別優(yōu)選的是0.2W0.4和/或0.01W0.5,優(yōu)選的是 0.03《xS0.3,特另W尤選的是0.05Sx^).2。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體，其 中所述量子結(jié)構(gòu)(2)具有另外的量子層(3)和另外的勢壘層(4)， 并且所述另外的量子層(3)和另外的勢壘層(4)同樣以彼此相反的符號(hào)應(yīng)變。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的LED半導(dǎo)體本體，其中所述另外的量 子層(3)和/或另外的勢壘層(4)根據(jù)權(quán)利要求3至9中的特征的至少 之一來實(shí)施。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的LED半導(dǎo)體本體，其中應(yīng)變的量 子層(3)和應(yīng)變的勢壘層(4)在量子結(jié)構(gòu)(2)中以交替的順序相疊 設(shè)置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體， 其中所述量子結(jié)構(gòu)(2)的平均應(yīng)變?yōu)?000ppm或者更小，優(yōu)選為 1000ppm或者更小,特別優(yōu)選為500ppm或者更小。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體， 其中所述半導(dǎo)體本體(1 )設(shè)置在承載體(70)上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的LED半導(dǎo)體本體，其中所述承載體(70 ) 與所述半導(dǎo)體本體(1)的生長襯底不同。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的LED半導(dǎo)體本體，其中在所述承 載體(70)和所述半導(dǎo)體本體U)之間設(shè)置有反射層(72)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的LED半導(dǎo)體本體，其中所述反射層(72 ) 以金屬方式實(shí)施。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1至17中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體， 其中所述量子結(jié)構(gòu)(2)被設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生輻射，所述輻射的峰值波長在 750nm至1050nm的波長范圍中，其中包含端點(diǎn)值。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1至18中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體， 其中所述量子結(jié)構(gòu)實(shí)施為使得由所述量子結(jié)構(gòu)(2)產(chǎn)生的輻射的頻i普 的半值寬度為70nm或者更小，優(yōu)選為60nm或者更小，特別優(yōu)選為50nm 或者更小。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1至19中的至少一項(xiàng)所述的LED半導(dǎo)體本體， 其中所述量子結(jié)構(gòu)(2)具有4個(gè)或者更多量子層(3),優(yōu)選為10個(gè) 或者更多量子層。
全文摘要
提出了一種具有半導(dǎo)體層序列的LED半導(dǎo)體本體，該半導(dǎo)體層序列包括用于產(chǎn)生輻射而設(shè)計(jì)的量子結(jié)構(gòu)，該量子結(jié)構(gòu)帶有至少一個(gè)量子層和至少一個(gè)勢壘層，其中量子層和勢壘層以彼此相反的符號(hào)而應(yīng)變。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101496187SQ200780028579
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者A·貝雷斯, C·瓊, G·格羅寧格, P·海德博恩 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體有限責(zé)任公司