專利名稱：帶有多量子阱結構的光電子半導體芯片的制作方法
本專利申請要求德國專利申請102007046027.0的優(yōu)先權，其公開內容通過引用結合于此。
本申請涉及一種帶有多量子阱結構的光電子半導體芯片。
帶有多量子阱結構的光電子半導體芯片例如在出版物WO 01/39282A2和US 5,831,277中公開。
本申請的任務是提出一種帶有多量子阱結構的光電子半導體芯片，其是特別高效的。
該任務通過根據(jù)權利要求1所述的光電子半導體芯片來解決。該半導體芯片的有利的擴展方案和改進方案在從屬權利要求中進行說明。權利要求的公開內容在此明確地通過引用結合到本說明書中。
本申請?zhí)岢隽艘环N光電子半導體芯片，其具有有源區(qū)，該有源區(qū)包含為了產生電磁輻射而設置的多量子阱結構。該有源區(qū)尤其是外延的半導體層序列的部分區(qū)域。半導體芯片例如是發(fā)光二極管芯片或者激光二極管芯片。
有源區(qū)包含多個相繼的量子阱層。合乎目的地，每個量子阱層設置在與其關聯(lián)的兩個勢壘層之間。換言之，在有源區(qū)中相繼地分別是勢壘層和量子阱層。在每個量子阱層之前尤其是與其關聯(lián)的勢壘層，并且在該量子阱層之后是與其關聯(lián)的另外的勢壘層。表述“之前”和“之后”在本上下文中應理解為分別在半導體芯片的n側至p側的方向上，其中有源區(qū)設置在n側和p側之間。
術語“多量子阱結構”和“量子阱層”在本上下文中并未闡明量子化的維度方面的含義。由量子阱層和兩個與其關聯(lián)的勢壘層限定的量子阱可以是量子膜、至少一個量子線或者至少一個量子點，或者這些結構中的至少兩個的組合。
多量子阱結構具有至少一個第一量子阱層，其n導電地摻雜并且設置在鄰接第一量子阱層的、n導電地摻雜的兩個勢壘層之間。換言之，尤其是不僅第一量子阱層而且與其關聯(lián)的兩個勢壘層都n導電地摻雜。
n導電地摻雜的層在本上下文中理解為以至少一種n摻雜材料如硅來摻雜的層。可能的是，兩個不同的層(譬如量子阱層和勢壘層)以不同的n摻雜材料來n導電地摻雜。優(yōu)選地，所有n導電地摻雜的量子阱層和勢壘層以相同的n摻雜材料摻雜。
多量子阱結構還具有至少一個、優(yōu)選恰好一個第二量子阱層，該第二量子阱層未被摻雜并且設置在與第二量子阱層鄰接的兩個勢壘層之間，這些勢壘層中的一個n導電地摻雜而另一個未被摻雜。例如，第二量子阱層在第一量子阱層之后。尤其是，在第二量子阱層之前的勢壘層被n導電地摻雜而在第二量子阱層之后的勢壘層未被摻雜。
未被摻雜的層在此理解為如下的層其基本上沒有n摻雜材料或者p摻雜材料。然而，未被摻雜的層例如由于n摻雜材料和/或p摻雜材料的擴散也可以具有n摻雜材料和/或p摻雜材料的低的濃度，尤其是具有低到趨近于零的濃度。當n摻雜材料在未摻雜的層中的濃度比n摻雜材料在第一量子阱層中的濃度低至少40％、優(yōu)選低至少70％時，n摻雜材料尤其是以低濃度存在于未摻雜的層中。
最后，多量子阱結構具有至少一個第三量子阱層，其未摻雜并且設置在與第三量子阱結構鄰接的同樣未摻雜的兩個勢壘層之間。合乎目的地，第三量子阱層在第二量子阱層之后地設置在有源區(qū)中。
發(fā)明人已確定的是，借助第一、第二和第三量子阱層的這樣的順序實現(xiàn)了半導體芯片的特別高的效率。尤其是在大的工作電流的情況下，相對于傳統(tǒng)的半導體芯片提高了效率。光電子半導體芯片例如設計用于以大于或者等于80mA的工作電流來驅動。
在一種擴展方案中，多量子阱結構具有至少一個第四量子阱層，其未摻雜并且設置在與第四量子阱層鄰接的、n導電地摻雜的兩個勢壘層之間。例如，第四量子阱結構在所述至少一個第一量子阱層之后并且在第二量子阱層之前。
具有第四量子阱層的半導體芯片有利地具有特別低的正向電壓。換言之，借助特別低的工作電壓實現(xiàn)了預先給定的工作電流。具有至少一個第四量子阱層的半導體芯片例如設計用于以低的工作電流、如以大約20mA的工作電流驅動。
在一個擴展方案中，多量子阱結構具有至少與第三量子阱層同樣多的第一量子阱層。在一個改進方案中，多量子阱結構包含比第三量子阱層多的第一量子阱層。發(fā)明人已在大量的比較試驗中確定當?shù)谝涣孔于鍖拥臄?shù)目選擇得大于或者等于第三量子阱層的數(shù)目時，半導體芯片是特別高效的。
在另一擴展方案中，有源區(qū)具有最多十個量子阱層。優(yōu)選地，該有源區(qū)具有五個或者更多個量子阱層。半導體芯片特別優(yōu)選具有在七個到九個之間的量子阱層，其中包括邊界值。發(fā)明人的試驗已得出，這種半導體芯片在預先給定的工作電流的情況下產生特別高的光通量。尤其是，光通量的隨著增大的工作電流的飽和特性表現(xiàn)得特別小。
在一個擴展方案中，在從半導體芯片的n側至p側的方向上在有源區(qū)之前是交替的層的對的超晶格。該超晶格例如在小于或者等于50nm、尤其是小于或者等于30nm的層厚度上延伸。例如，其具有大約25nm的層厚度。
超晶格的交替的層例如具有小于或者等于5nm的層厚度，尤其是具有大約0.5nm到2nm的層厚度，其中包括邊界值。交替的層的每個對的至少一個層n導電地摻雜。在一個擴展方案中，整個超晶格n導電地摻雜。
借助50nm或者更小的超晶格的小的層厚度實現(xiàn)了半導體芯片的特別低的正向電壓。借助n導電地摻雜的第一量子阱層，在超晶格的小的層厚度的情況下也實現(xiàn)了將載流子良好地注入到所述至少一個第三量子阱層中。
第一量子阱層、兩個與第一量子阱層鄰接的勢壘層和/或與第二量子阱層鄰接的n導電地摻雜的勢壘層尤其是以大于或者等于1×1018原子/cm3的濃度來用n摻雜材料摻雜。在一個擴展方案中，第一量子阱層和兩個與第一量子阱層鄰接的勢壘層具有相同濃度的相同n摻雜材料?？商孢x地或者附加地，在一個改進方案中，與第二量子阱層鄰接的、n導電地摻雜的勢壘層具有與第一量子阱層和/或同第一量子阱層鄰接的勢壘層相同濃度的n摻雜材料。當在兩個層之間的n摻雜材料的濃度相差20％或者更少，優(yōu)選相差10％或者更少，例如相差5％或者更少時，這兩個層在此具有“相同濃度的”n摻雜材料。
勢壘層例如具有在5nm到12nm之間的層厚度，優(yōu)選在6nm到11nm之間的層厚度，特別優(yōu)選在9nm到10.5nm之間的層厚度，其中分別包括邊界值。在一個改進方案中，量子阱層具有1納米到5納米之間的層厚度，優(yōu)選在2nm到3nm之間的層厚度，其中分別包含邊界值。例如，勢壘層的層厚度為大約10nm而量子阱層的層厚度為大約2.5nm。發(fā)明人的比較試驗已經得出在勢壘層的這種層厚度的情況下和/或在量子阱層的這種層厚度的情況下，隨著增大的工作電流，半導體芯片具有光通量的特別低的飽和度。
在另一擴展方案中，半導體芯片沒有生長襯底。尤其是，半導體芯片是薄膜半導體芯片。
薄膜半導體芯片的特征尤其在于以下典型特征的至少之一 -在產生輻射的外延的半導體層序列的朝著支承元件的第一主面上施加或者構建有反射層，該反射層將外延的半導體層序列中產生的電磁輻射的至少一部分向回反射到半導體層序列中； -薄膜半導體芯片包含支承元件，該支承元件并不是其上外延地生長了半導體層序列的生長襯底，而是獨立的支承元件，其事后固定在外延的半導體層序列上， -外延的半導體層序列的生長襯底被從外延的層序列去除，或者薄化為使得其單獨與外延的層序列一起是非自由支承的，或者 -外延的半導體層序列具有在20μm或者更小的范圍中、尤其是在10um的范圍中的厚度。
支承元件優(yōu)選構建為對于半導體芯片發(fā)射的輻射是可透射的。
此外，外延的半導體層序列優(yōu)選包含帶有至少一個如下面的至少一個半導體層該面具有混勻結構，其在理想情況下引起光在外延的半導體層序列中的近似各態(tài)歷經的分布，即其具有盡可能各態(tài)歷經的隨機散射特性。
薄膜半導體芯片的基本原理例如在1993年10月18日I.Schnitzer等人所著的Appl.Phys.Lett.63(16)，2174-2176頁中進行了描述，其公開內容通過引用結合于此。對于薄膜半導體芯片的例子在出版物EP 0905797A2和WO 02/13281 A1中進行了描述，其公開內容通過引用結合于此。
薄膜半導體芯片良好近似地是朗伯表面發(fā)射器并且因此尤其適于前燈中的應用。
在一個擴展方案中，半導體芯片的有源區(qū)、尤其是半導體芯片的外延的半導體層序列基于III-V化合物半導體材料，例如基于氮化物-化合物半導體材料如InAlGaN。在另一實施形式中，半導體層序列基于II/VI-化合物半導體材料。
III/V化合物半導體材料具有來自第三主族的至少一種元素，譬如Al，Ga、In和來自第五主族的元素譬如B、N、P、As。特別地，術語“III/V化合物半導體材料”包括二元、三元或者四元化合物的族，其包含來自第三主族的至少一種元素和來自第五主族的至少一種元素，例如氮化物-化合物半導體和磷化物-化合物半導體。這種二元、三元或者四元化合物此外例如可以具有一種或多種摻雜材料以及附加的組成部分。
相應地，II/VI化合物半導體材料具有來自第二主族的至少一種元素譬如Be、Mg、Ca、Sr和來自第六主族的元素譬如O、S、Se。特別地，II/VI-化合物半導體材料包括二元、三元或者四元化合物，其包括來自第二主族的至少一種元素和來自第六主族的至少一種元素。這種二元、三元或者四元化合物此外例如可以具有一種或多種摻雜材料以及附加的組成部分。例如，屬于II/VI-化合物半導體材料的有ZnO、ZnMgO、CdS、ZnCdS、MgBeO。
“基于氮化物-化合物半導體材料”在本上下文中表示半導體層序列或者其至少一部分、特別優(yōu)選地至少有源區(qū)和/或生長襯底具有氮化物-化合物半導體材料(優(yōu)選是InnAlmGa1-n-mN)或者由其構成，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。在此，該材料并不一定具有根據(jù)上式的數(shù)學上精確的組分。更確切地說，其例如可以具有一種或者多種摻雜材料以及附加的組成部分。然而出于清楚的原因，上式僅包含晶格的主要組成部分(Al，Ga，In，N)，即使它們可以部分被少量的其他材料替代和/或補充。
在一個擴展方案中，半導體芯片設計用于發(fā)射具有在綠色光譜范圍中的強度最大值的電磁輻射。
半導體芯片的其他優(yōu)點、有利的擴展方案和改進方案從以下結合

圖1至3描述的實施例得到。
其中 圖1示出了通過根據(jù)第一實施例的光電子半導體芯片的示意性橫截面， 圖2示出了通過根據(jù)第一實施例的光電子半導體芯片的有源區(qū)的示意性橫截面和n摻雜材料在有源區(qū)中的示意性濃度分布曲線，以及 圖3示出了通過根據(jù)第二實施例的光電子半導體芯片的有源區(qū)的示意性橫截面和n摻雜材料在有源區(qū)中的濃度分布曲線。
在附圖和實施例中，相同或者作用相同的組成部分設置有相同的附圖標記。附圖和在附圖中所示的元件彼此間的大小關系基本上不應視為合乎比例的。更確切地說，為了更好的理解和/或更好的表示，各個元件可以被夸大地示出。例如，層可以被夸大地地示出，和/或濃度差可以被夸大和/或過小地示出。
圖1示出了通過根據(jù)第一實施例的光電子半導體芯片的示意性橫截面。該光電子半導體芯片具有在生長襯底1上的外延的半導體層序列2。在半導體芯片的一個變形方案中，去除或者至少強烈地薄化生長襯底1。
半導體層序列2例如基于InAlGaN化合物半導體材料。該半導體層序列例如在生長襯底1上制造，該生長襯底具有藍寶石或者由其構成。
半導體層序列2包含至少一個n接觸層21和p接觸層27，在其間設置有有源區(qū)20，該有源區(qū)包含多量子阱結構用于產生輻射。
在此，半導體層序列2在從n接觸層21至有源區(qū)20的過程中具有電流擴展層22以及兩個另外的n摻雜的層23、24。在從有源區(qū)20至p接觸層27的過程中，半導體層序列2在此具有兩個另外的p摻雜的層25、26。另外的n摻雜的和/或p摻雜的層或者這些層中的至少一個或者數(shù)個例如是載流子限制層(“confinement layers”)。
在此，n接觸層21具有3μm的層厚度。例如，n接觸層21具有GaN。其優(yōu)選以硅作為n摻雜材料來n導電地摻雜，例如以3×1018原子/cm3的濃度摻雜。
電流擴展層22例如具有1μm的層厚度。其合乎目的地被高n摻雜，例如用硅以1×1019原子/cm3的濃度摻雜。這樣，電流擴展層具有高的橫向導電能力。
兩個另外的n摻雜的層在此分別具有0.5μm的層厚度。它們例如二者都具有用硅作為n摻雜材料來n導電地摻雜的氮化鎵。硅濃度例如在朝著有源區(qū)20的另外的n摻雜的層24中為8×1017原子/cm3。在與有源區(qū)120背離的另外的n摻雜的層中存在濃度例如為1×1018原子/cm3的硅。
p接觸層27包含例如GaN。另外的p摻雜的層25、26包含例如AlGaN。在此，朝著有源區(qū)20的另外的p摻雜的層25是AlGaN(10％Al)層，而與有源區(qū)20背離的另外的p摻雜的層26是AlGaN(6％Al)層。p接觸層和另外的p摻雜的層25、26例如以鎂作為p摻雜材料來摻雜。
在p接觸層27中，p摻雜材料的濃度在此比在另外的p導電層25、26中更低。例如，該濃度在p接觸層27中大約為5×1019原子/cm3。在另外的p摻雜的層25、26中，p摻雜材料例如以大于或者等于6×1019原子/cm3的濃度、例如以大約1×1020原子/cm3的濃度存在。
在圖2中放大地示出了半導體層序列2的有源區(qū)20。在圖2的右邊區(qū)域中以示意性橫截面示出了有源區(qū)20。圖2的左邊區(qū)域示意性地示出了在右邊區(qū)域中繪制的層的n摻雜材料的濃度4。箭頭3表示從半導體層序列2的n側至p側的方向(在n側和p側之間設置有有源區(qū)20)，即尤其是從n接觸層21至p接觸層27的方向。
根據(jù)第一實施例，半導體芯片的有源區(qū)20具有帶有七個量子阱層210、220、230的量子阱結構。在從n側至p側的方向3中相繼的是三個第一量子阱層210、第二量子阱層220和三個第三量子阱層230。
每兩個相鄰的量子阱層210、220、230通過勢壘層250、260彼此分離。勢壘層250之一在第一量子阱層210的第一個之前。勢壘層260的另一個在第三量子阱層230的最后一個之后。以此方式，量子阱層210、220、230的每一個都設置在恰好兩個勢壘層250、260之間。
超晶格結構270在量子阱層210、220、230和勢壘層250、260之前。超晶格結構270由交替的InGaN層和GaN層的對構成，它們例如分別具有小于或者等于1nm的層厚度。它們例如以1.5×1018原子/cm3的濃度用硅作為n摻雜材料摻雜。
三個在超晶格結構270之后的第一量子阱層10和與其關聯(lián)的、第一量子阱層210設置在其間的勢壘層250同樣用硅作為n摻雜材料摻雜，例如以在1×1018原子/cm3到8×1018原子/cm3之間、尤其是在2×1018原子/cm3到4×1018原子/cm3之間(其中分別包括邊界值)的濃度摻雜。
在第一量子阱層210之后是第二量子阱層220，在該第二量子阱層之前是勢壘層250，該勢壘層也與第一量子阱層210關聯(lián)。在第二量子阱層220之前的勢壘層250被n摻雜。在第二量子阱層220之后的勢壘層260未被摻雜，如第二量子阱層220本身那樣。
在第二量子阱層220之后，三個第三量子阱層230設置在每兩個未摻雜的勢壘層260之間。
半導體芯片設計用于以例如80mA的工作電流驅動。由半導體芯片發(fā)射的電磁輻射的大部分(尤其是實際上全部電磁輻射)在至少一個、優(yōu)選多個、尤其是全部的第三量子阱層230中或者在第三量子阱層230和第二量子阱層220中產生。第一量子阱層210對于輻射產生沒有貢獻或者幾乎沒有貢獻。
在圖3中以示意性橫截面示出了根據(jù)第二實施例的半導體芯片的有源區(qū)20。在左邊的區(qū)域中又示意性地繪制了在右邊區(qū)域中示出的層的n摻雜材料的濃度分布曲線。
根據(jù)第二實施例的半導體芯片與第一實施例的不同在于，有源區(qū)20僅僅包含唯一的第三量子阱層230。此外，有源區(qū)包含兩個第四量子阱層240，它們在第一量子阱層210之后并且在第二量子阱層220之前。總之，于是在第二實施例中，有源區(qū)20包含七個量子阱層210、220、230、240。
第四量子阱層240未摻雜。四個量子阱層240的每個都設置在兩個鄰接的以n摻雜材料摻雜的勢壘層250之間。在此，n摻雜材料在所有以n摻雜材料摻雜的勢壘層250中和在第一量子阱層210中具有相同的濃度。
根據(jù)第二實施例的半導體芯片尤其是設計用于以大約20mA的工作電流驅動。
在此所描述的本發(fā)明并不受到參照實施例的說明限制。更確切地說，本發(fā)明包括任何新的特征以及特征的任意組合，尤其是包含實施例和權利要求中的特征的任意組合，即使該特征或者該組合本身并未在權利要求和實施例中進行明確說明。
權利要求
1.一種光電子半導體芯片，具有有源區(qū)(20)，該有源區(qū)包含設計用于產生電磁輻射的多量子阱結構，該多量子阱結構包含多個相繼的量子阱層(210，220，230)，其中所述多量子阱結構具有
-至少一個第一量子阱層(210)，其n導電地摻雜并且設置在與所述第一量子阱層(210)鄰接的、n導電地摻雜的兩個勢壘層(250)之間，
-第二量子阱層(220)，其未摻雜并且設置在兩個與所述第二量子阱層鄰接的勢壘層(250，260)之間，其中一個勢壘層n導電地摻雜而另一個未摻雜，以及
-至少一個第三量子阱層(230)，其未摻雜并且設置在與所述第三量子阱層鄰接的、未摻雜的兩個勢壘層(260)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的光電子半導體芯片，其中所述至少一個第一量子阱層、第二量子阱層和所述至少一個第三量子阱層(210，220，230)在從半導體芯片的n側至p側的方向上以上述順序相繼。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光電子半導體芯片，其中多量子阱結構具有至少一個第四量子阱層(240)，所述第四量子阱層未摻雜并且設置在與所述第四量子阱層鄰接的、n導電地摻雜的兩個勢壘層(250)之間。
4.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，該半導體芯片包含的第一量子阱層(210)與第三量子阱層(230)同樣多，或者比第三量子阱層(230)更多。
5.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，其中有源區(qū)(20)最多具有十個量子阱層(210，220，230，240)。
6.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，該半導體芯片在從半導體芯片的n側至p側的方向上在有源區(qū)(20)之前具有交替的層的對的超晶格(270)，該超晶格具有小于或者等于50nm的厚度。
7.根據(jù)權利要求6所述的光電子半導體芯片，其中每對交替的層的至少一個層被n導電地摻雜。
8.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，其中所述至少一個第一量子阱層(210)和/或與第一量子阱層(210)鄰接的兩個勢壘層(250)包含濃度(4)大于或者等于1×1018原子/cm3的n摻雜材料。
9.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，其中勢壘層(250，260)的層厚度分別具有在9.5nm到10.5nm之間的值，其中包含邊界值。
10.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，其中量子阱層(210，220，230，240)的層厚度分別具有2nm到3nm之間的值，其中包含邊界值。
11.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，該半導體芯片沒有生長襯底。
12.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，其中有源區(qū)(20)基于InGaN化合物半導體材料。
13.根據(jù)上述權利要求之一所述的光電子半導體芯片，該半導體芯片設計用于發(fā)射具有在綠色光譜范圍中的強度最大值的電磁輻射。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種光電子半導體芯片，其具有有源區(qū)(20)，該有源區(qū)包含設計用于產生電磁輻射的多量子阱結構，該多量子阱結構具有多個相繼的量子阱層(210，220，230)。多量子阱結構具有至少一個第一量子阱層(210)，其被n導電地摻雜并且設置在與所述第一量子阱層(210)鄰接的n導電地摻雜的兩個勢壘層(250)之間。多量子阱結構具有第二量子阱層(220)，其未摻雜并且設置在與所述第二量子阱層鄰接的兩個勢壘層(250，260)之間，其中一個勢壘層n導電地摻雜而另一個未摻雜。此外，多量子阱結構具有至少一個第三量子阱層(230)，其未摻雜并且設置在與所述第三量子阱層鄰接的未摻雜的兩個勢壘層(260)之間。
文檔編號H01S5/343GK101809767SQ200880108978
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2007年9月26日
發(fā)明者彼得·施陶斯, 馬蒂亞斯·彼得, 亞歷山大·沃爾特 申請人:歐司朗光電半導體有限公司