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7. 发明专利

TWI323948B 光電半導體晶片 OPTO-ELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP 有权
简体标题：光电半导体芯片 OPTO-ELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP
公开(公告)号：TWI323948B
公开(公告)日：2010-04-21
申请号：TW095127729
申请日：2006-07-28
申请人：歐斯朗奧托半導體股份有限公司
发明人：亞德里恩艾倫梅斯庫 , 馬提亞彼得 , 馬提亞薩巴席 , 魯茲何佩 , 韋克哈勒 , 威史楚斯
IPC分类号： H01L
CPC分类号： H01S5/34333 , B82Y20/00 , H01L33/04 , H01L33/06 , H01L33/32 , H01L2924/0002 , H01S5/0421 , H01S5/2009 , H01S5/3072 , H01S5/3095 , H01S5/3202 , H01S5/3407 , H01L2924/00
摘要：本發明涉及一種光電半導體晶片，其在半導體晶片(20)之生長方向(c)中具有以下順序的區域：－一活性區(2)用之p－摻雜的位障層(1)－活性區(2)，其用來產生電磁輻射，其中該活性區以一種六角形化合物半導體為主來製成，以及－該活性區(2)用之n－摻雜的位障層(3)。此外，本發明另涉及一種具有此半導體晶片之組件及此半導體晶片之製造方法。 This invention relates to an optoelectronic semiconductor chip with the following sequence of regions in a growth direction (c) of the semiconductor chip (20):－a p－doped barrier－layer (1) for an active region (2),－the active region (2), which is suitable to generate electromagnetic radiation, where the active region is based on a hexagonal compound semiconductor, and－an n－doped barrier－layer (3) for the active region (2).
In addition, this invention relates to a component with such a semiconductor chip and a method to produce such a semiconductor chip. 【創作特點】本發明的目的是提供一種效率較佳的光電半導體晶片。
依據光電半導體晶片之至少一實施形式，此光電半導體晶片具有一種p－摻雜的位障層以用於此光電半導體晶片之活性區中，此p－摻雜的位障層在生長方向中觀看時配置在該活性區之前。即，由半導體晶片之生長基板觀看時，首先是該活性需所需的p－摻雜的位障層，隨後才是該活性區。p－摻雜的位障層(即，限制層)因此在空間中配置成較靠近該生長基板而離該活性區較遠。此p－摻雜的位障層較佳是該活性區所需的一種p－位障層。此p－摻雜的位障層可包括p－摻雜的材料之多個單層。
依據此光電半導體晶片之至少一種實施形式，此半導體晶片之一活性區在生長方向中配置在該p－摻雜的位障層之後。該活性區較佳是適合用來產生輻射。即，一種電流施加至半導體晶片中，以便在活性區中藉由電荷載體的重組而產生電磁輻射，其至少一部份離開該半導體晶片。該活性區因此較佳是由一系列的層所設定。
依據光電半導體晶片之至少一種實施形式，該活性區是以一種六角形的化合物半導體為主。
這表示該活性區或該活性區的至少一層包含一種六角形的化合物半導體。即，至少一活性區具有一種六角形的晶格結構。然後，整個光電半導體晶片例如是以一種六角形的化合物半導體為主。即，半導體晶片之半導體材料具有一種六角形的晶格結構。
六角形的化合物半導體例如是一種由化學元素之周期表中的II.族和VI.族之元素的二元，三元及/或四元化合物所形成的半導體結構。例如，六角形的化合物半導體可以是以下各化合物中的一種：ZnO,ZnMgO,CdS,ZnCdS,MgBeO。此外，六角形化合物半導體亦可以是一種由化學元素之周期表中具有氮化物的III.族之元素的二元，三元及/或四元化合物所形成的半導體結構。例如，此六角形化合物半導體可以是以下的半導體結構中之一：BN,AlGaN,GaN,AlGaInN或其它的III－V－化合物。
因此，活性區中的化合物半導體材料不必具有如上所示的各數學式中之一的正確的組成。反之，此種材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它的各種成份，這些成份基本上不會改變該材料的物理特性。然而，為了簡單之故，以上的數學式可只含有晶格的主要成份，當這些成份的一部份可由少量的其它材料來取代時。
依據光電半導體晶片之至少一實施形式，該活性區之一種n－摻雜的位障層在生長方向中配置在該活性區之後。即，n－摻雜的位障層在生長方向中跟隨在活性區之後。因此，此n－摻雜的位障層在空間中離該生長基板之距離較離該活性區的距離還遠。此n－摻雜的位障層較佳是包含多個由n－摻雜的材料所構成的單層。此n－摻雜的位障層是該活性區用的一種位障層。
依據光電半導體晶片之至少一實施形式，此半導體晶片在生長方向中具有以下的一系列的區域：一種活性區用的p－摻雜的位障層，以六角形化合物半導體為主之適合產生電磁輻射的活性區，以及該活性區用的一種n－摻雜的位障層。即，在生長方向中觀看時，該活性區跟隨在一種用於該活性區之p－位障層之後，該活性區之後又有一種適用於該活性區之n－位障層。各p－和n－位障層因此可限制該活性區中的電荷載體。該生長方向較佳是與半導體晶片之結晶學上的c－軸平行。
依據光電半導體晶片之至少一實施形式，該活性區是以III－V－半導體材料系統Iny Ga1－x－y Alx N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x＋y≦1為主。
這在上述情況中表示：該活性區或該活性區的至少一層包含一種氮化物－III－V－化合物半導體材料，較佳是Iny Ga1－x－y Alx N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x＋y≦1。因此，此材料不必具有如上所示數學式的正確的組成。反之，此種材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它的各種成份，這些成份基本上不會改變Iny Ga1－x－y Alx N－材料的物理特性。然而，為了簡單之故，以上的數學式可只含有晶格的主要成份，例如，Al,Ga,In,N，當這些成份的一部份可由少量的其它材料來取代時。
活性區較佳是在該半導體晶片操作時用來在以下各光譜區之至少一種光譜區中產生電磁輻射：紫外線，藍光，藍－綠，黃光，紅光。例如，藉由銦濃度可調整各種發射波長。活性區較佳是以III－V－半導體材料系統Iny Ga1－y N，其中0
简体摘要：本发明涉及一种光电半导体芯片，其在半导体芯片(20)之生长方向(c)中具有以下顺序的区域：－一活性区(2)用之p－掺杂的位障层(1)－活性区(2)，其用来产生电磁辐射，其中该活性区以一种六角形化合物半导体为主来制成，以及－该活性区(2)用之n－掺杂的位障层(3)。此外，本发明另涉及一种具有此半导体芯片之组件及此半导体芯片之制造方法。 This invention relates to an optoelectronic semiconductor chip with the following sequence of regions in a growth direction (c) of the semiconductor chip (20):－a p－doped barrier－layer (1) for an active region (2),－the active region (2), which is suitable to generate electromagnetic radiation, where the active region is based on a hexagonal compound semiconductor, and－an n－doped barrier－layer (3) for the active region (2). In addition, this invention relates to a component with such a semiconductor chip and a method to produce such a semiconductor chip. 【创作特点】本发明的目的是提供一种效率较佳的光电半导体芯片。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，此光电半导体芯片具有一种p－掺杂的位障层以用于此光电半导体芯片之活性区中，此p－掺杂的位障层在生长方向中观看时配置在该活性区之前。即，由半导体芯片之生长基板观看时，首先是该活性需所需的p－掺杂的位障层，随后才是该活性区。p－掺杂的位障层(即，限制层)因此在空间中配置成较靠近该生长基板而离该活性区较远。此p－掺杂的位障层较佳是该活性区所需的一种p－位障层。此p－掺杂的位障层可包括p－掺杂的材料之多个单层。依据此光电半导体芯片之至少一种实施形式，此半导体芯片之一活性区在生长方向中配置在该p－掺杂的位障层之后。该活性区较佳是适合用来产生辐射。即，一种电流施加至半导体芯片中，以便在活性区中借由电荷载体的重组而产生电磁辐射，其至少一部份离开该半导体芯片。该活性区因此较佳是由一系列的层所设置。依据光电半导体芯片之至少一种实施形式，该活性区是以一种六角形的化合物半导体为主。这表示该活性区或该活性区的至少一层包含一种六角形的化合物半导体。即，至少一活性区具有一种六角形的晶格结构。然后，整个光电半导体芯片例如是以一种六角形的化合物半导体为主。即，半导体芯片之半导体材料具有一种六角形的晶格结构。六角形的化合物半导体例如是一种由化学元素之周期表中的II.族和VI.族之元素的二元，三元及/或四元化合物所形成的半导体结构。例如，六角形的化合物半导体可以是以下各化合物中的一种：ZnO,ZnMgO,CdS,ZnCdS,MgBeO。此外，六角形化合物半导体亦可以是一种由化学元素之周期表中具有氮化物的III.族之元素的二元，三元及/或四元化合物所形成的半导体结构。例如，此六角形化合物半导体可以是以下的半导体结构中之一：BN,AlGaN,GaN,AlGaInN或其它的III－V－化合物。因此，活性区中的化合物半导体材料不必具有如上所示的各数学式中之一的正确的组成。反之，此种材料可具有一种或多种掺杂物质以及其它的各种成份，这些成份基本上不会改变该材料的物理特性。然而，为了简单之故，以上的数学式可只含有晶格的主要成份，当这些成份的一部份可由少量的其它材料来取代时。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，该活性区之一种n－掺杂的位障层在生长方向中配置在该活性区之后。即，n－掺杂的位障层在生长方向中跟随在活性区之后。因此，此n－掺杂的位障层在空间中离该生长基板之距离较离该活性区的距离还远。此n－掺杂的位障层较佳是包含多个由n－掺杂的材料所构成的单层。此n－掺杂的位障层是该活性区用的一种位障层。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，此半导体芯片在生长方向中具有以下的一系列的区域：一种活性区用的p－掺杂的位障层，以六角形化合物半导体为主之适合产生电磁辐射的活性区，以及该活性区用的一种n－掺杂的位障层。即，在生长方向中观看时，该活性区跟随在一种用于该活性区之p－位障层之后，该活性区之后又有一种适用于该活性区之n－位障层。各p－和n－位障层因此可限制该活性区中的电荷载体。该生长方向较佳是与半导体芯片之结晶学上的c－轴平行。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，该活性区是以III－V－半导体材料系统Iny Ga1－x－y Alx N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x＋y≦1为主。这在上述情况中表示：该活性区或该活性区的至少一层包含一种氮化物－III－V－化合物半导体材料，较佳是Iny Ga1－x－y Alx N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x＋y≦1。因此，此材料不必具有如上所示数学式的正确的组成。反之，此种材料可具有一种或多种掺杂物质以及其它的各种成份，这些成份基本上不会改变Iny Ga1－x－y Alx N－材料的物理特性。然而，为了简单之故，以上的数学式可只含有晶格的主要成份，例如，Al,Ga,In,N，当这些成份的一部份可由少量的其它材料来取代时。活性区较佳是在该半导体芯片操作时用来在以下各光谱区之至少一种光谱区中产生电磁辐射：紫外线，蓝光，蓝－绿，黄光，红光。例如，借由铟浓度可调整各种发射波长。活性区较佳是以III－V－半导体材料系统Iny Ga1－y N，其中0<y≦1为主而制成。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，半导体芯片在生长方向中具有以下依序排列的各区域：一种活性区用的p－掺杂的位障层，以III－V－半导体材料系统Iny Ga1－x－y Alx N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x＋y≦1为主之适合产生电磁辐射的活性区，以及该活性区用的一种n－掺杂的位障层。即，在生长方向中观看时，该活性区跟随在一种用于该活性区之p－位障层之后，该活性区之后又有一种适用于该活性区之n－位障层。各p－和n－位障层因此可限制该活性区中的电荷载体。该半导体芯片因此较佳是以Ga－面之生长模式来生长。该生长方向较佳是与半导体芯片之结晶学上的c－轴平行。此光电半导体芯片另外使用以下的概念。在一种六角形化合物半导体中，例如，在一种以III－V－半导体材料系统Iny Ga1－x－y Alx N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x＋y≦1为主之半导体芯片中，压电场由于极化的纤锌矿－晶体结构以及活性区中的应力而进入该活性区中，此活性区例如可包含InGaN－量子井。压电场沿着生长方向而对准。电场的极性是与半导体芯片的生长模式有关。例如，在使用金属有机气相磊晶(MOVPE)时，该生长模式较佳是在Ga－面中生长。例如，就一种GaN晶体而言这表示：在Ga－N双层(由此而形成晶体)中镓原子位于该晶体之远离该生长基板之此一表面的方向中。结晶学上的c－轴和电场显示在Ga－面之生长模式中所生长的晶体中，其中生长方向平行于结晶学上的c－轴而延伸且由基板离开而至晶体表面。压电场由于活性区中的应力所造成的极化而具有一种相反的方向。借由极化而感应的晶格电荷在该活性区之面对该晶体表面的此侧上是负的(negative)且在该活性区之与基板和已生长的晶体之界面相面对的此侧上是正的(positive)。c－轴方向中该压电场之极性在Ga－面之生长模式中不易受到影响。在该活性区的一系列的层中，其中生长方向(即，平行于结晶学上的c－轴)中依据排列着n－位障层，活性区和p－位障层，则压电场会造成一种不利的位障结构，其使电荷载体不易注入至活性区中。因此，此光电半导体芯片具有一种内部量子效率，其随着半导体芯片中所输入的电流之密度而明显地下降。生长方向中所建议的一系列的p－掺杂的位障层，活性区和n－掺杂的位障层使用此压电场的极性，以促成该活性区中可获取电荷载体。在此种顺序的层构造中该压电场因此会在活性区中使电荷载体更容易被捕获。内部量子效率因此几乎与电流密度无关。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，在p－掺杂的位障层和活性区之间配置一扩散位障。此扩散位障适合用来防止p－掺杂物质由位障层侵入至活性区中。即，只有很少量的p－掺杂物质可由p－掺杂的位障层经由该扩散位障而到达活性区中。此扩散位障在生长方向中观看时配置在p-掺杂的位障层之后且配置在活性区之前。此扩散位障可直接配置在p-掺杂的位障层和活性区之间。即，此扩散位障分别与光电半导体芯片之二个区域形成一种界面。此扩散位障较佳是包含多个层，各层在组成上(例如，掺杂性或掺杂度)可不同。此扩散位障较佳是用来防止p-掺杂物质(例如，镁)之扩散。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，在生长方向中观看时，一种穿隧(tunnel)接触区配置在p-位障层之前。此穿隧接触区因此配置成比p-掺杂的位障层更靠近该光电半导体芯片之生长基板。此穿隧接触区较佳是直接与p-掺杂的位障层相邻接。即，此穿隧接触区是与该位障层形成一种界面。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，该穿隧接触区具有一种高的n-掺杂区，其位于远离p-掺杂的位障层的此侧上。此外，此穿隧接触区具有一种高的p-掺杂区，其面对p-掺杂之位障层。又，此穿隧接触区较佳是在此穿隧接触区之上述二个区域之间具有一种扩散位障。此扩散位障较佳是用来使至少该p-掺杂物质不会扩散至该穿隧接触区之n-掺杂区中。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，在生长方向中观看时该半导体芯片之n-导电区配置在该穿隧接触区之前。即，n-导电区在空间中较靠近该生长基板而离该穿隧接触区较远。n-导电区较佳是直接与该穿隧接触区相邻接。n-导电区与该穿隧接触区形成一种界面时特别有利。该穿隧接触区使n－导电区与p－掺杂的位障层相连接。此穿隧接触区用来使电荷载体施加至p－掺杂的位障层中。光电半导体芯片另外使用以下的概念，即：借助于穿隧接触区，则可在n－导电区与p－掺杂的位障层之间使用一种n－导电之生长基板来生长该光电半导体芯片。这样所具有的优点是：可广泛地在导电性良好的n－导电区中进行电流的输送。此电流然后经由该穿隧接触区而输入至一种较n－导电区还薄的p－位障层中。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，此光电半导体芯片生长在一种p－导电之基板上。此芯片之半导体层因此较佳是在Ga－面的生长模式中生长在该基板上。本实施形式中不需n－导电区和该穿隧接触区。例如，可使用以下的基板作为p－导电之基板：p－掺杂的氮化镓，p－碳化硅，p－硅(111)。然而，在层串行生长之后亦可使p－导电之基板薄化。即，在另外包含该活性区的该半导体结构生长之后，p－导电之基板之厚度可减少或p－导电之基板可完全去除。此光电半导体芯片因此具有一种已薄化的基板或不具备一种基板。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，该活性区具有至少一量子井结构。此量子井结构可以是一种多量子井结构或特别有利的是一种单一量子井结构。因此，电荷载体可在量子井结构中量子化，但这不是必要的。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，该活性区恰巧包含一种用来产生辐射的单一量子井结构。即，该活性区恰巧具有一种单一量子井结构，其中在半导体芯片操作时可产生辐射。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，用来产生辐射的单一量子井结构之前设有至少一不是用来产生辐射的量子井结构。即，此光学非活性的量子井结构(前井，pre－well)在空间中配置成较靠近该生长基板而离该光学活性之量子井结构较远。在生长方向中观看时，多个光学非活性的量子井结构较佳是配置在光学活性的量子井结构之前。例如，在生长方向中观看时，三至五个光学非活性的量子井结构配置在光学活性的量子井结构之前。光学非活性的量子井结构较佳是一种铟含量较光学活性的量子井结构中还少的量子井结构。在半导体芯片操作时，光学非活性的量子井结构不产生－或几乎不产生电磁辐射，其可形成光学活性的量子井结构用的一种超晶格。上述的光电半导体芯片另外使用以下的认知，即：上述之光学非活性的量子井结构(前井)可使光学活性的量子井结构之品质获得改良，此乃因光学非活性的量子井结构可以无应力的方式生长而成。此外，已显示的事实是：上述的前井结构可作为p－掺杂物质由p－掺杂之位障层扩散时的扩散位障。因此，前井较佳是配置在p－掺杂之位障层和光学活性的量子井之间。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，在p－掺杂之位障层和活性区之间配置一种扩散位障，其例如含有由III-V-半导体材料系统AlxGa1-xN所构成的材料。铝浓度较佳是至少有20%。除了上述之前井之外，此种扩散位障亦可作为p-掺杂物质由p-掺杂之位障层扩散时的位障。p-掺杂物质例如可以是镁。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，此半导体芯片生长在一种具有误差定向的生长基板上。上述之光电半导体芯片另外以下述的认知为主，即：在一种误差定向后的生长基板上所生长的层较在一种准确定向的基板上所生长的层平滑很多。该生长基板所具有的误差定向(错误切割-角度)较佳是在0.1度和1.0度之间。此误差定向特别有利的是在0.2度和0.5度之间。该生长基板例如可以是以下的各种生长基板之一：GaN,n-GaN,p-GaN,n-SiC,p-SiC,蓝宝石，n-Si(111),p-Si(111)。依据光电半导体芯片之至少一实施形式，使生长着半导体芯片之该生长基板薄化。在极端情况下，该生长基板由基板上所生长的层串行上完全去除。此层串行然后由基板上除去。此基板例如可借由研磨、蚀刻、激光烧蚀或这些方法的组合而由该生长基板中去除或被薄化。此外，本发明提供一种光电组件。依据至少一种实施形式，此光电组件具有上述至少一实施形式中所述的至少一光电半导体芯片。此光电组件较佳是一种电致发光二极管，即，发光二极管或激光二极管。依据光电组件之至少一实施形式，此光电组件除了至少一光电半导体芯片之外另含有多个终端，经由各终端可对光电组件作电性上的接触。即，在施加一种电压至该组件之终端上时，可使一种电流施加至该光电半导体芯片中。此光电半导体芯片然后产生电磁辐射。此外，本发明提供上述各实施例中之光电半导体芯片之制造方法。本方法中以下各区域依时间上的顺序沉积在晶圆上：光电半导体芯片之活性区用之p-掺杂的位障层，活性区以及n-掺杂的位障层。半导体芯片操作时该活性区适合用来产生电磁辐射，其中该活性区以一种六角形化合物半导体为主而制成。晶圆可以是一种生长基板，晶圆上可沉积该半导体芯片之其它区域，例如，p-掺杂的区域或n-掺杂的区域。依据上述制造方法之至少一实施形式，以下各区域依时间上的顺序沉积在晶圆上：光电半导体芯片之活性区用之p-掺杂的位障层，活性区以及活性区用之n-掺杂的位障层。半导体芯片操作时该活性区适合用来产生电磁辐射，其中该活性区以一种III-V-半导体材料系统InyGa1-x-yAlxN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1为主而制成。晶圆可以是一种生长基板，晶圆上可沉积该半导体芯片之其它区域，例如，p-导电区或n-导电区。此外，亦可在上述各区域之前，之中或之后在晶圆上沉积该光电半导体芯片之其它区域。光电半导体芯片之这些区域较佳是借由以下的磊晶方法而沉积在晶圆上：金属有机气相磊晶法(MOVPE)，分子束磊晶法(MBE)，氢化物气相磊晶法(HVPE)。该区域之沉积较佳是在Ga-面之生长模式中进行。生长基板上沉积着该光电半导体芯片之区域，此生长基板可以是一种p-导电-或n-导电之基板。此外，此生长基板具有如上所述的误差定向。依据上述制造方法的至少一实施形式，首先沉积一种p-掺杂的位障层。然后，即，在活性区沉积之前，使该生长过程中断且将该具有已生长完成的p-掺杂的位障层之半导体晶圆由生长反应器中移除。然后，例如使该生长反应器之反应器壁之占用区中性化。即，将仍存在于生长反应器中的p-掺杂物质去除。于此，此具有已生长完成的p-掺杂的位障层之半导体晶圆又可导入至该反应器中且使该生长可如上所述继续进行。以上述方式，则可特别有效地使具有p-掺杂物质之活性区之污染程度下降。然而，亦可在一种与沉积着p-掺杂的位障层之生长反应器不同的生长反应器中进行后续的生长。另有一种可能方式以用来制造光电半导体芯片，其中该压电场在活性区中对电荷载体的注入而言不具备位障功能，此方式以分子束磊晶法或以金属有机气相磊晶法在N-过剩之情况下来制成上述结构。因此，在磊晶时可对N-表面终止区进行调整。即，该结构以N-面生长模式生长而成。因此，压电场的极化可反向且该结构可以n-位障层，活性区，p-位障层之顺序生长而成，此时不会产生上述各种不利的位障。此处所述的半导体芯片及其成份之其它优点、较佳的实施形式及其它构成将参考以下各图式中的实施例来说明。

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