具有吸收層的發光半導體器件的制作方法

具有吸收層的發光半導體器件的制作方法
【專利摘要】提出一種發射輻射的半導體器件(1)，所述半導體器件具有半導體本體，所述半導體本體具有半導體層序列(2)，其中半導體層序列具有吸收區域(3)和設置用于產生峰值波長在近紅外光譜范圍中的輻射的有源區域(20)，其中吸收區域至少部分地吸收短波長的輻射份額，所述短波長的輻射份額具有小于峰值波長的極限波長。
【專利說明】
具有吸收層的發光半導體器件
技術領域
[0001 ]本發明設計一種發射輻射的半導體器件。
【背景技術】
[0002]對于不同的應用而言，如下發射輻射的半導體器件，例如發光二極管是所期望的，所述半導體器件在紅外光譜范圍中發射輻射。已表明:在近紅外、例如在850nm的發射波長下發射輻射的器件中能夠具有短波長的輻射份額，所述短波長的輻射份額還是能夠由人眼感覺到的。為了避免這種輻射份額，將被放射的輻射的峰值波長朝更大的波長移動。然而，常規的硅檢測器的靈敏度對于850nm之上的波長而言下降，使得難以檢測該波長之上的輻射。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是:提出一種半導體器件，所述半導體器件的所發射的輻射可簡單地檢測并且同時人眼不能夠感覺到。
[0004]該目的尤其通過根據權利要求1的半導體器件來實現。其他的設計方案和有利方案是從屬權利要求的主題。
[0005]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，半導體器件具有半導體本體，所述半導體本體具有半導體層序列。半導體層序列包括設置用于產生輻射的、尤其用于產生峰值波長在近紅外光譜范圍中的輻射的有源區域。在有疑問的情況下將近紅外光譜范圍理解為波長在0.78μπι和1.5μπι之間的范圍，其中包括邊界值。優選地，峰值波長位于830nm和920nm之間、尤其優選位于830nm和860nm之間，其中包括邊界值。
[0006]在垂直于半導體本體的半導體層序列的主延伸平面伸展的豎直方向上，半導體本體例如在輻射出射面和與輻射出射面相對置的后側之間延伸。發射輻射的半導體器件例如具有載體，在所述載體上設置有半導體本體。
[0007]半導體本體例如具有第一半導體區域，所述第一半導體區域在輻射出射面和有源區域之間延伸。此外，半導體本體例如具有第二半導體區域，所述第二半導體區域在有源區域和后側之間延伸。第一半導體區域和第二半導體區域適當地至少在鄰接于有源區域的區域中關于傳導類型彼此不同，使得有源區域位于pn結中。
[0008]例如，第一半導體區域至少局部是η型的而第二半導體區域至少局部是P型的或者相反。第一半導體區域和第二半導體區域尤其沒有有源區域。
[0009]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，半導體本體具有吸收區域。也就是說，吸收區域是半導體本體的一部分。特別地，在吸收區域和有源區域之間僅存在半導體本體的半導體材料。吸收區域尤其設置用于至少部分地吸收具有如下極限波長的短波長的輻射份額，所述極限波長小于由有源區域發射的輻射的峰值波長。
[0010]也就是說，具有小于或等于極限波長的波長的輻射至少部分地被吸收。吸收區域適當地構成為，使得具有峰值波長的輻射的吸收系數為具有極限波長的輻射的吸收系數的至多50%、優選至多20%、最優選10%。
[0011 ] 極限波長和峰值波長之間的間距例如為至少20nm并且至多lOOnm。
[0012]在發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式中，半導體器件具有半導體本體，所述半導體本體具有半導體層序列，其中半導體層序列具有設置用于產生峰值波長在近紅外光譜范圍中的輻射的有源區域和吸收區域，其中吸收區域至少部分地吸收具有如下極限波長的短波長的輻射份額，所述極限波長小于峰值波長。
[0013]也就是說，發射輻射的半導體器件具有集成到半導體本體中的吸收區域，所述吸收區域至少部分地吸收短波長的、尤其對于人眼而言可見的輻射份額。也就是說，可見光譜范圍中的所不期望的輻射份額借助于吸收區域至少被抑制到這種程度，使得該輻射份額不再能夠由人眼感覺到。借助于這種吸收區域即使在離人眼的感覺極限相對近的峰值波長中、例如在850nm的峰值波長中也能夠避免人眼能夠感覺到短波長的輻射份額。也就是說，發射輻射的半導體器件能夠相對簡單地提供可檢測的輻射，例如可借助于常規的硅檢測器提供可檢測的輻射，而不出現在可見光譜范圍中的干擾性的輻射份額。能夠棄用用于抑制這種可見的光譜份額的施加在半導體本體之外的濾波元件或濾波層。特別地，吸收區域在例如外延沉積半導體本體的半導體層時就已經構成。
[0014]根據半導體器件的至少一個實施方式，用于具有極限波長的輻射的吸收區域具有至少5000/cm、優選至少10000/cm的吸收系數。在吸收系數為10000/cm的情況下，厚度為10nm的層例如使得射到其上的輻射在簡單地垂直橫越時引起所述輻射的10%消光。由于半導體材料的相對高的折射率，在有源區域中產生的輻射通常在輻射從半導體本體中射出之前多次穿過半導體本體進而也穿過吸收區域。也就是說，通過集成到半導體本體中的吸收區域，即使在例如10nm的極其小的厚度中也能夠實現對可見光譜范圍中的所不期望的輻射份額的有效吸收，而在此不顯著地損害具有峰值波長的輻射。
[0015]根據半導體器件的至少一個實施方式，極限波長小于或等于820nm。極限波長越大，人眼能夠感覺到由有源區域發射的輻射的短波長的輻射份額的危險就越小。
[0016]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域具有至少一個層，所述層的摻雜濃度至多為設置在吸收區域和有源區域之間的半導體材料的摻雜濃度的一半高。摻雜濃度越低，吸收邊沿、即輻射在其中被吸收的波長范圍和輻射在其中被透射的波長范圍之間的過渡就越陡。
[0017]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域名義上是未摻雜的。這種吸收區域的特征能夠在于尤其陡的吸收邊沿。
[0018]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，半導體器件具有用于外部電接觸半導體器件的第一接觸部和第二接觸部。例如，第一接觸部設置用于電接觸第一半導體區域而第二接觸部設置用于電接觸第二半導體區域，使得載流子能夠通過第一半導體區域或第二半導體區域從不同的側注入到有源區域中并且在那里重組以發射輻射。
[0019]根據半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域設置在第一接觸部和第二接觸部之間的伸展穿過有源區域的電流路徑之外。換而言之，載流子注入繞開吸收區域進行。吸收區域本身因此也能夠具有相對小的電導率并且例如名義上是未摻雜的。
[0020]吸收區域例如具有至少一個留空部，在所述留空部中，設置在吸收區域和有源區域之間的半導體層鄰接于第一接觸部或第二接觸部。也就是說，吸收區域僅局部地覆蓋設置在有源區域和吸收區域之間的半導體層。留空部例如能夠框架狀地環繞吸收區域。替選地或補充地，吸收區域能夠具有留空部，所述留空部在橫向方向上沿著留空部的整個環周由吸收區域的材料包圍。
[0021]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域設置在第一接觸部和第二接觸部之間的伸展穿過有源區域的電流路徑中。也就是說，在運行時至少一種載流子類型穿過吸收區域注入到有源區域中。在這種情況下，吸收區域適當地構成為是能導電的。特別地，吸收區域具有與鄰接于吸收區域的半導體材料相同的傳導類型。
[0022]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，半導體本體、尤其有源區域基于砷化物半導體材料。
[0023]“基于砷化物半導體”在本文中表示:有源的外延層序列或者其至少一個層包括砷-1I1-V族化合物半導體材料，優選包括AlnGamImtmAs，其中O < η < I，0 < m < I并且n+m <
I。在此，該材料不必強制性地具有根據上式的數學上精確的組成。更確切地說，所述材料能夠具有一種或多種摻雜材料以及附加的組成成分，所述摻雜材料以及附加的組成成分基本上不改變AlnGamInmAs材料的特征性的物理特性。然而為了簡單起見，上式僅包含晶格的主要組成成分(Al，Ga，In，As)，即使這些組成成分能夠部分地通過少量其他物質取代時也是如此。
[0024]借助該材料體系，能夠以簡單且可靠的方式以高的量子效率產生峰值波長在近紅外光譜范圍中的輻射。
[0025]根據半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域基于砷化物半導體材料。吸收區域例如包含AlxGa1-xAs，其中0.01 < x < 0.1。鋁含量越大，帶隙就越大從而被吸收的輻射的與帶隙相對應的極限波長就越小。
[0026]特別地，吸收區域包含在0.03和0.07之間的Al含量，其中包括邊界值。在鋁含量為
0.07的情況下，帶隙例如為1.51eV，這對應于820nm的極限波長。
[0027]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域具有量子結構，所述量子結構具有至少一個量子層。
[0028]術語量子結構在本申請的范圍中尤其包括如下結構，其中載流子能夠通過限域(“confinement”)經受其能量狀態的量子化。特別地，術語量子結構不包含任何關于量子化維度的說明。由此，所述量子結構還包括量子阱、量子線和量子點以及這些結構的任意組入口 ο
[0029]在吸收區域中通過輻射吸收產生的載流子對能夠由量子結構捕獲并且在量子層中發射輻射，所述輻射的峰值波長小于被吸收的輻射的波長。由此，降低在有源區域中通過吸收輻射產生的電子空穴對的重組弓I起發射在可見光譜范圍中的輻射的危險。
[0030]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，吸收區域設置在半導體本體的輻射出射面和有源區域之間。也就是說，在有源區域中產生的輻射必須在其能夠射到半導體本體的輻射出射面上之前至少橫越吸收區域一次。
[0031]根據發射輻射的半導體器件的至少一個實施方式，半導體器件構成為薄膜半導體芯片，其中半導體本體借助于材料配合的連接固定在載體上并且移除用于半導體本體的半導體層序列的生長襯底。尤其金屬的鏡層例如設置在載體和半導體本體之間。鏡層適當地對于在有源區中產生的輻射具有高的反射率，例如對于具有峰值波長的輻射具有至少60 %的反射率。例如金在紅外光譜范圍中表現出高的反射率。在薄膜半導體芯片中，尤其為了提高穿過輻射出射面的輻射份額而降低側向射出的輻射份額。
【附圖說明】
[0032]其他特征、設計方案和有利方案從接下來對附圖中的實施例的描述中得出。
[0033]附圖示出:
[0034]圖1至3分別示出發射輻射的半導體器件的實施例的示意剖面圖。
[0035]相同的、相類的或起相同作用的元件在附圖中設有相同的附圖標記。
[0036]附圖和在附圖中示出的元件彼此間的大小關系不能夠視為是合乎比例的。更確切地說，為了更好的可視性和/或為了更好的理解能夠夸大地示出各個元件并且尤其是層厚度。
【具體實施方式】
[0037]在圖1中示出發射輻射的半導體器件的第一實施例。半導體器件I包括具有半導體層序列2的半導體本體。半導體本體2在垂直于半導體本體的半導體層的主延伸平面伸展的豎直方向上在輻射出射面201和與輻射出射面相對置的后側202之間延伸。半導體本體僅在輻射出射面和后側之間具有半導體層序列的半導體材料、尤其外延沉積的半導體材料。
[0038]半導體本體2還包括設置用于產生近紅外中的輻射的有源區域20。有源區域20優選設置用于產生具有如下峰值波長的輻射，所述峰值波長在830nm和920nm之間，尤其優選在830nm和870nm之間，例如為850nm。有源區域20例如包含多重量子講結構(multi quantumwell，MQW)，所述多重量子阱結構基于砷化物半導體材料。
[0039]第一半導體區域21在有源區域20和輻射出射面201之間延伸。第二半導體區域22在有源區域20和后側202之間延伸。第一半導體區域和第二半導體區域關于傳導類型至少在鄰接于有源區域20的一側上彼此不同，使得有源區域20位于pn結中。具有半導體層序列2的半導體本體還包括吸收區域3。在所示出的實施例中，吸收區域3在第一半導體區域21中構成。也就是說，吸收區域設置在前側和有源區域20之間。
[0040]吸收區域3設置用于至少部分地吸收由有源區域產生的輻射的短波長的輻射份額，所述輻射也就是與極限波長相比具有更小波長的輻射。也就是說，吸收區域3確定半導體器件I的發射光譜的短波長的邊沿。
[0041]極限波長優選位于SOOnm和820nm之間，其中包括邊界值。優選地，極限波長比在有源區域20中產生的輻射的峰值波長小至少20nm、尤其優選小至少30nm。極限波長和峰值波長之間的差越大，吸收區域3也吸收所期望的輻射份額的危險就越小。
[0042]半導體器件還包括用于外部電接觸第一半導體區域21的第一接觸部51和用于外部電接觸第二半導體區域22的第二接觸部。
[0043]吸收區域3在所示出的實施例中設置在第一半導體區域21的連接層210和第一半導體區域的半導體層211之間。
[0044]連接層210被強摻雜，例如具有至少IX 1018cm—3的摻雜濃度。由此簡化至第一接觸部51的歐姆接觸的建立。
[0045]吸收區域3優選具有比連接層210和半導體層211更小的摻雜濃度。優選地，吸收區域的摻雜濃度至多為連接層的摻雜濃度的一半大。尤其優選地，吸收區域的摻雜濃度為連接層的摻雜濃度的至多20%、最優選至多10%。摻雜濃度越小，在極限波長的范圍中的吸收邊沿就會越陸。
[0046]在所示出的實施例中，吸收區域3位于第一接觸部51和第二接觸部52之間的電流路徑中，所述第一接觸部和第二接觸部分別設置用于電接觸半導體器件I。位于電流路徑中的吸收區域適當地通過與鄰接的半導體材料、例如第一半導體區域21的半導體材料相同的電荷類型來摻雜。因此，吸收區域3的摻雜濃度尤其高，使得吸收區域的電阻不妨礙進入到有源區域20中的載流子注入。
[0047]半導體器件I構成為半導體芯片、尤其構成為薄膜半導體芯片。具有半導體層序列2的半導體本體設置在與生長襯底不同的載體4上并且借助于連接層42機械地并且尤其也導電地連接。
[0048]在載體4和具有半導體層序列2的半導體本體之間設置有鏡層41，所述鏡層設置用于:使由有源區域朝向載體4放射的輻射朝向輻射出射面201偏轉。在薄膜半導體芯片中，背離載體的輻射出射面形成主輻射出射面，在運行時產生的輻射的至少50%穿過所述輻射出射面射出。吸收區域3位于輻射出射面201和有源區域20之間，使得輻射在其能夠從輻射出射面201中射出之前必須至少穿過吸收區域3—次。
[0049 ]由于砷化物半導體材料的相對大的折射率，輻射出射面201處的相對于周圍環境、例如空氣或鄰接的封裝材料的折射率突變大至使得顯著的輻射份額在輻射出射面201處全反射進而在輻射從半導體器件I中射出之前多次橫越吸收區域3。由此，在相對薄的吸收區域3中就已經整體上實現短波長的輻射份額的強烈衰減。AlGaAs例如對于波長對應于帶隙的輻射具有大約10000/cm的吸收系數。因此，在厚度為10nm的吸收區域中就已經在輻射垂直穿射時吸收射到吸收區域上的輻射的至少10%。顯然，吸收區域的厚度也能夠不同于lOOnm。吸收區域的厚度例如在50nm和500nm之間，其中包括邊界值。
[0050]吸收區域3包含III族化合物半導體材料，尤其砷化物半導體材料，所述III族化合物半導體材料關于帶隙構成為，使得極限波長對應于帶隙。Al0.Q7Ga0.93As例如具有對應于820nm的波長的帶隙。也就是說，波長小于820nm的輻射被有效地吸收，而具有波長更大的輻射被透射。
[0051]優選地，至少吸收區域的層中的鋁含量在0.03和0.07之間，其中包括邊界值。
[0052]也就是說，借助集成到半導體本體中的吸收區域在外延沉積半導體本體的半導體層序列時就已經能夠實現:具有在近紅外中的相對短的波長、例如具有850nm的波長的半導體器件也不發射在可見的光譜范圍中的輻射或至少僅發射在可見光譜范圍中的顯著降低的輻射份額。
[0053]能棄用用于抑制這種短波長的輻射份額的附加的過濾元件，所述過濾元件設置在半導體器件下游。此外，峰值波長不必須朝更大的波長、例如超過900nm的波長移動，使得具有峰值波長的輻射能夠有效地通過常規的硅檢測器來接收。
[0054]顯然，集成到半導體芯片中的、尤其半導體本體中的吸收區域3也適合于不構成為薄膜半導體芯片的半導體芯片。在這種情況下，載體4能夠是生長襯底。在這種情況下不需要載體和具有半導體層序列2的半導體本體之間的連接層。鏡層41能夠被省去或者借助于集成到半導體本體2中的布拉格鏡形成。
[0055]第一接觸部51和第二接觸部52的設置也可在寬的界限中選擇，只要能夠通過在這些接觸部之間施加電壓將載流子從不同的側注入到有源區域20中并且在那里重組以發射輻射。
[0056]在圖2中示出的半導體器件的第二實施例基本上對應于結合圖1所描述的第一實施例。與其不同的是，吸收區域3設置在電流路徑之外，所述電流路徑在第一接觸部51和第二接觸部52之間伸展穿過有源區域20。也就是說，在這種情況下，吸收區域3與其電特性無關地構成并且尤其也能夠在名義上以未摻雜的方式或者至少以僅弱摻雜的方式構成，例如以至多I X 116Cnf3的摻雜濃度構成。因此能夠簡化地實現在極限波長的范圍中尤其陡的吸收邊沿。
[0057]在所示出的實施例中，吸收區域3形成輻射出射面201。在吸收區域3和有源區域20之間設置有第一半導體區域21。第一半導體區域21借助于吸收區域3中的留空部35對于第一接觸部51而言是可接近的。在所示出的實施例中，留空部是框架狀地或環形地圍繞吸收區域3伸展的留空部。但是與其不同的是，留空部也能夠在橫向方向上沿著整個環周由吸收區域3的材料包圍并且例如在半導體器件I的俯視圖中居中地設置。
[0058]盡管如此，但是根據該第二實施例的設計方案相對于第一實施例需要附加的制造步驟以便局部地露出第一半導體區域21，例如借助于濕化學或干化學刻蝕。然而因為吸收區域3位于電流路徑之外，所以該吸收區域也能夠通過未摻雜的或至少僅低摻雜的半導體材料構成和/以相對大的厚度構成，而不損害半導體器件的電特性。通過這種弱摻雜的吸收區域3能夠構成尤其陡的吸收邊沿，使得一方面不吸收具有峰值波長的輻射并且能夠以高的效率吸收可能能夠由人眼感覺到的輻射。
[0059]圖3中示出的第三實施例基本上對應于結合圖2所描述的第二實施例。與其不同的是，吸收區域3具有量子結構30。量子結構示例地具有兩個量子層31，所述量子層設置在阻擋層32之間。然而，量子層的數量可在寬的界限中變化并且例如能夠在I和30之間變化，其中包括邊界值。通過吸收由有源區域20在運行時產生的輻射，在吸收區域3中生成的電子空穴對能夠在量子層31中被捕獲并且在那里重組以發射輻射。如此再發射的輻射與在吸收區域3中、尤其在吸收區域3的阻擋層32中被吸收的輻射相比具有更大的波長，使得該輻射份額對于人眼是無法感覺到的進而不起干擾作用，即使其從半導體器件I中射出也如此。
[0060]這種量子層30顯然也能夠在結合圖1所描述的第一實施例中應用在吸收區域3中。[0061 ] 本申請要求德國專利申請10 2013 112 740.1的優先權，其公開內容通過參引并入本文。
[0062]本發明不受限于根據所述實施例進行的描述。更確切地說，本發明包括每個新的特征以及特征的每個組合，這尤其包含權利要求中的特征的每個組合，即使該特征或該組合本身沒有在權利要求或實施例中明確地說明時也是如此。
【主權項】
1.一種發射輻射的半導體器件(I)，所述半導體器件具有半導體本體，所述半導體本體具有半導體層序列(2)，其中所述半導體層序列具有吸收區域(3)和設置用于產生峰值波長在近紅外光譜范圍中的輻射的有源區域(20)，其中所述吸收區域至少部分地吸收短波長的輻射份額，所述短波長的輻射份額具有小于所述峰值波長的極限波長。2.根據權利要求1所述的發射輻射的半導體器件， 其中用于具有所述極限波長的輻射的吸收區域具有至少5000/cm的吸收系數。3.根據權利要求1或2所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述極限波長小于或等于820nm。4.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域具有至少一個層，所述層的摻雜濃度至多為設置在所述吸收區域和所述有源區域之間的半導體材料的摻雜濃度的一半高。5.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域在名義上是未摻雜的。6.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述半導體器件具有用于外部電接觸所述半導體器件的第一接觸部(51)和第二接觸部(52)，并且所述吸收區域設置在所述第一接觸部和所述第二接觸部之間的伸展穿過所述有源區域的電流路徑之外。7.根據權利要求6所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域具有至少一個留空部(35)，在所述留空部中，設置在所述吸收區域和所述有源區域之間的半導體層鄰接于所述第一接觸部或所述第二接觸部。8.根據權利要求1至5中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述半導體器件具有用于電接觸所述半導體器件的第一接觸部(51)和第二接觸部(52)，并且所述吸收區域設置在所述第一接觸部和所述第二接觸部之間的伸展穿過所述有源區域的電流路徑中。9.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述有源區域包含AlxInyGa1-x—yAs，其中l，0<y< I和x+y< I。10.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域包含AlxGa1-xAs，其中0.0I < X < 0.1。11.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域包含AlxGapxAs，其中0.03 ^xS0.07。12.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域具有量子結構(30)，所述量子結構具有至少一個量子層(31)。13.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述吸收區域設置在所述半導體本體的輻射出射面(201)和所述有源區域之間。14.根據上述權利要求中任一項所述的發射輻射的半導體器件， 其中所述半導體器件是薄膜半導體芯片，其中所述半導體本體借助于材料配合的連接固定在載體上，并且用于所述半導體本體的所述半導體層序列的生長襯底被移除。
【文檔編號】H01L33/44GK105849917SQ201480063386
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年11月13日
【發明人】伊瓦爾·通林, 彼得魯斯·松德格倫
【申請人】歐司朗光電半導體有限公司