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CN1672270A - GaN基发射辐射的薄膜半导体器件 - Google Patents

GaN基发射辐射的薄膜半导体器件 Download PDF

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CN1672270A
CN1672270A CNA038184192A CN03818419A CN1672270A CN 1672270 A CN1672270 A CN 1672270A CN A038184192 A CNA038184192 A CN A038184192A CN 03818419 A CN03818419 A CN 03818419A CN 1672270 A CN1672270 A CN 1672270A
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B·哈恩
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Abstract

本发明提出了一种具有一个GaN基多层结构(12)的发射辐射的薄膜半导体器件，该多层结构包括一层有源的、发射辐射的层(14)，并具有一个第一主面(16)和一个背离该第一主面的第二主面(18)，用以输出在该有源的、产生辐射的层中产生的辐射。此外，多层结构(12)的第一主面(16)与一层反射层或界面联接，且与该多层结构的第二主面(18)邻接的多层结构的区域(22)制成具有凸部(26)的一维或二维结构化。

Description

GaN基发射辐射的薄膜半导体器件
本发明涉及按权利要求1前序部分或按权利要求18前序部分所述的GaN基发射辐射的薄膜半导体器件。
常规的发射辐射的半导体器件出于制造技术的原因往往呈直角的几何形状。这类半导体器件通常由一个在衬底上外延淀积的具有一层有源的产生辐射的层的多层结构组成。为了实现垂直方向的电流导通，衬底最好是导电的；此外，如果衬底是透明的，则在多数情况中有利于多层结构的有源层内的发射辐射。但高透明性常常与衬底材料的高导电性相矛盾。例如GaN基发光二极管所用的蓝宝石对蓝光是透明的，但不导电。而碳化硅作为GaN发光二极管的衬底虽然导电和透明，但透明性随不断增加的导电性而下降，所以半导体器件的性能在这种情况中并不理想。
所以减少吸收损耗并由此提高外部效率的一种可能性是去除衬底与适当的反射层相结合(薄膜概念)。但半导体薄膜基本上是一种平面平行的板，与标准二极管比较，其输出效率由于几何形状并未提高。特别是当一种本来吸收就小的衬底(例如SiC上的GaN)用于半导体器件时，薄膜半导体器件的外部效率的提高太少，所以增加去除衬底的技术费用是不合算的。
为了说明辐射输出的问题，图8示意地示出了一个具有辐射输出锥面的半导体器件。从该半导体器件只能从一个具有张角θ＝sin-1(nert/nint)的锥面输出辐射，其中nint表示半导体材料的折射率，nint表示环境的折射率。在GaN半导体(nint＝2.5)时，对空气(next＝1)的输出角θ为23°和对浇注塑料(next＝1.5)的输出角θ为37°。在半导体器件内产生的不在一个锥面内射到界面上的辐射最终被再吸收并转化成热。虽然GaN系的输出锥面比GaAs系(nint＝3.5)的大，但仍然导致不希望的大的辐射损耗。
这种情况在改变层厚时也无明显变化。当然，薄膜几何形状对上面输出的辐射是有利的，因为由于在半导体内的短的距离吸收很小；但对侧面输出的辐射来说，则由于在半导体内的多次反射，效率甚至可能更小。
所以通过改变几何形状来提高半导体器件的外部效率业已提出了各种不同的论点。这里特别要提到全部多层结构的一种所谓的精细结构化，这种结构化由于多层结构的侧面较大的总面积而导致加强的侧向辐射输出。此外，这样产生的单个多层结构的侧面还可做成倾斜的。DE-A-198 07 758、EP-A-0 905 797或JP-A-08-288543提出了这类半导体器件的例子。
DE-A-199 11 717的图3和5示出了提高辐射输出的另一种可能性。在该处，具有有源的、发射辐射的层的多层结构配置有锥形或截锥形状的单个辐射输出元件，它们例如借助于生长的各层的相应蚀刻来形成。
但先有技术的全部上述文献都没有涉及GaN基薄膜半导体器件。GaN基半导体器件主要用于蓝绿色光谱范围的辐射产生并具有由一种GaN基材料组成的若干层。在本发明范围内，所谓GaN基材料是指除了GaN本身外，还包括从GaN衍生的或用GaN的材料以及由它组成的三元或四元混合晶体。特别是指这些材料：GaN、AlM、InN、Al1-xGaxN、In1-xGaxN、In1-xAlxN和Al1-x-yInxGayN，其中0＜x＜1，0＜y＜1和x+y≤1。
本发明的目的在于提出一种GaN基发射辐射的薄膜半导体器件，该半导体器件具有改善辐射输出的外部效率。
根据本发明的第一方面，这个目的是通过一种具有权利要求1所述特征的半导体器件来实现的。这种半导体器件的有利结构和改进方案可从从属权利要求2至17中得知。
本发明的发射辐射的薄膜半导体器件具有一个GaN基的多层结构，该多层结构包括一层有源的产生辐射的层，并具有一个第一主面和一个背离该第一主面的第二主面用以输出在该有源的、产生辐射的层中产生的辐射。此外，该多层结构的第一主面与一层反射层或一个界面联接。与该多层结构的第二主面邻接的多层结构的区域制成一维或二维结构化。
辐射输出的外部效率的提高是根据半导体薄膜本身的结构化的薄膜半导体器件的直角几何形状计算得出的。效率的提高将在下面详细说明中用模拟来验证。
与多层结构的第二主面邻接的多层结构的区域最好具有角锥台、截锥头、锥体或锥段形状的凸部(二维结构化)或具有梯形、三角形或扇形横截面形状(一维结构化)。
在一个优选的实施例中，这些凸部的张角介于大约30°和大约70°之间，最好介于大约40°和大约50°之间。此外，这些凸部的高度最好至少是有源的、产生辐射的层和这些凸部之间的多层结构的一个平面区的高度的两倍。这些凸部的栅距最多选用其高度的大约5倍，最好最多大约3倍。
与多层结构的第一主面联接的层或界面最好具有70％的反射率，至少85％更好。
多层结构或者用其第一主面直接地或通过一层反射层设置在衬底上，其中该反射层或衬底同时作为半导体器件的接触面使用。
为了消除半导体薄膜的有限的横向电导率，可在多层结构的第二主面上设置一层导电的、透明的层。
为了防止外部影响，可在多层结构的第二主面上设置一层透明的保护层或抗反射层。
根据本发明的第二方面，这个目的是通过一种具有权利要求18所述特征的半导体器件来实现的。这种半导体器件的有利结构和改进方案可从从属权利要求19至32中得知。
本发明的发射辐射的薄膜半导体器件同样具有一个GaN基的多层结构，该多层结构包括一层有源的产生辐射的层，并具有一个第一主面和一个背离该第一主面的第二主面用以输出在该有源的、产生辐射的层中产生的辐射。该多层结构的第一主面又是与一层反射层或一个界面联接。与上述半导体器件不同的是，在多层结构的第一主面和反射层或界面之间这里设置了一层透明层，该透明层制成一维或二维结构化。
在该多层结构和反射层或界面之间的这层透明层的结构化象该多层结构本身的结构化那样具有相同的作用，并按相同的方式提高辐射输出的外部效率。
这层透明层最好是导电的，以便消除薄的多层结构的有限的横向电导率。
在多层结构的第一主面和反射层或界面之间的透明层最好具有角锥台或截锥的形状(二维结构化)或梯形横截面形状(一维结构化)的凸部。
在一个优选的实施例中，这些凸部具有一个介于大约30°和大约70°之间最好介于大约40°和大约50°之间的张角。其中这些凸部的高度最好至少是有源的、产生辐射的层和这些凸部之间的多层结构的平面区的高度的两倍，且这些凸部的栅距最多为其高度的五倍，最好最多三倍。
与多层结构的第一主面联接的层或界面最好具有70％的反射率，至少85％更好。
该反射层可直接设置在一个衬底上，或该反射界面由一个衬底构成，其中该反射层或衬底同时作为半导体器件的接触面使用。
下面结合不同优选实施例的详细说明在参照附图的情况下来阐述本发明上述的以及其他的特征和优点。附图表示：
图1本发明的一个半导体器件的第一实施例的示意剖面图；
图2a)至c)图1半导体器件的凸部的最佳张角的说明示意图；
图3a)至e)图1半导体器件的凸部的不同最佳参数说明用的不同模拟结果；
图4图1第一实施例的一种变型结构的示意图；
图5本发明的一个半导体器件的第二实施例的示意剖面图；
图6图1第一实施例的另一种变型结构的示意图；
图7图1第一实施例的又一种变型结构的示意图；
图8常规半导体器件的辐射输出的简化示意图。
在图1中示出了本发明的一个薄膜半导体器件的第一优选实施例。这个半导体器件10的主要组成部分是一个GaN基的多层结构12，该多层结构包括一层有源的、产生辐射的层14，多层结构12按一般方式外延生长并含有多层GaN基层。
多层结构12具有一个第一主面16和一个背离该第一主面的第二主面18，其中在有源的、产生辐射的层14中产生的辐射最终从半导体器件10输出。在所示实施例中，有源层14离多层结构12的第一主面16比离第二主面18更近；但本发明不受此限，确切地说，有源层14也可在多层结构12的中心或在第二主面18附近构成。但图1选择的位置对多层结构的本发明的下述结构化是有利的，因为为这种结构化提供了多层结构12的较厚的部分。
多层结构12通过一层最好用导电材料制成的反射层28设置在一个例如用蓝宝石、Si或SiC制成的衬底30上。反射层28例如可设计成用银、铝或银合金或铝合金制成的金属接触面或设计成由多层介质层组成的介质镜面。在另一个实施例中，多层结构12也可直接设置在衬底30上，在这种情况中，衬底30的材料这样选择，使多层结构12和衬底30之间的界面具有反射性。
从图1可清楚看出，有源层14上方的多层结构12的区域实质上可分成一个与有源层14邻接的平面区域20和一个与第二主面18邻接的结构化区域22。多层结构12的结构化例如可借助于一般的光刻方法和/或蚀刻方法直接在外延生长的半导体层上产生，通过这些半导体层构成槽状的凹部或凹槽24，其间则保留相应的凸部26。
多层结构12的结构化可以制成一维的，即凹部24只在第二主面18的平面的一个坐标方向内构成；或制成二维的，即凹部24在第二主面18的平面的两个最好相互垂直延伸的坐标方向内构成。在凹部24之间产生的凸部26一般呈凸起状。其中一维的结构化例如用一个梯形的(见图1)、三角形的、扇形的或半球形的横截面形状构成，而二维结构化则相应地构成角锥台、截锥、锥、锥段或半球形的形状。
在图1中示出的角锥台形状的凸部26具有一个张角α，其定义相应地也可引用到凸部26的上述其他形状。由于这些凸部26，在有源层14中产生的辐射被多次反射到多层结构12的界面上直至最终在取决于材料和环境的折射率的辐射输出锥面内到达第二主面18上或凹槽24的底部并由此实现输出。
如图2a)至c)所示，辐射输出的效率是取决于凸部26的张角α的。如图2a所示，很陡侧面可增加器件的表面积，因而有利于辐射输出，但在这种情况中，不能减少由于全反射而无法输出的模式的次数。同样不能象图2c)那样选择太平缓的凸部26的侧面，因为在这种情况中，平面平行的板只有很小的误差，并在输出前必须进行大量多次反射，由于不可避免的衰减，这是不利的。
图2b)所示的凸部26的张角α的平均角度范围是有利的。在张角α的这种选择的情况下，从凸部26的一个平面全反射的辐射可在射到凸部26的下一个平面时在辐射锥面内输出，从而可在多层结构内保持很少的多次反射的次数。
这种估计也可通过模拟来验证，其结果如图3a)所示。图中在横坐标上注出角锥台状的凸部26的张角α，在纵坐标上注出辐射输出的外部效率。从图可以清楚看出，在张角α介于大约30°和70°之间，更精确一些介于大约40°和50°之间的范围内达到最佳的效率。在张角α高于30°和低于30°时，辐射输出的效率明显下降。所以张角α最好大约在45°的范围内。
影响辐射输出的外部效率的另一个参数是凸部26的高度h1。为了获得高的效率，凸部26的高度h1应选择成至少等于邻接有源层14的平面区域20的高度h2。凸部26的高度最好设计成平面区域20的高度的两倍；凸部26的进一步增高不会带来辐射输出的进一步提高。
这可通过图3b)所示的模拟来验证。模拟结果表示在平面区20的高度h2约为2微米时辐射输出的效率与凸部26的高度h1的关系。在凸部26的高度h1低于2微米即小于平面区域20的高度h2时只产生不足的辐射输出，而在凸部26的高度h1大于大约4微米时，则不再看出效率的明显提高。
此外，凸部26出应优先选用相当小的横向尺寸。如图3c)的模拟结果所示，凸部的栅距d最多是凸部26的高度h1的大约4至5倍，最好只是凸部的高度h1的大约1至3倍才有利于好的效率。
因为薄膜半导体器件的概念也建立在多次反射的基础上，所以器件背面的反射能力，亦即反射层28或反射界面的反射能力同样对半导体器件的外部效率有影响。从图3d)可看出，在常规平面薄膜时，辐射输出的效率只很少取决于背面接触面的反射能力(图3d)中的下曲线)。但在如图1所示的结构化了的多层结构12时，则效率与反射层28或界面的反射能力密切相关(图3d)的上曲线)并应尽可能选择高于70％，最好高于85％。
图4表示图1半导体器件的变型结构。这两种结构型式之间的区别在于，在多层结构12的结构化了的第二主面18上设置了一层保护或抗反射层32。这层保护层32一方面可保护半导体不受外部影响，另一方面在适当选择折射率和厚度的情况下，这层保护层32起消除反射层的作用。
作为半导体器件第一实施例的另一个方案可在多层结构12的结构化了的第二主面18上设置一层对半导体的接触电阻尽可能小的透明的导电层。通过这层透明的导电层可消除这样的缺点，即多层结构的结构化在提高效率的同时又引起其横向导电性的减小。所以达到了到半导体器件的全部区域的最佳电流通导，而不因多层结构上的金属触点损害其辐射输出。
透明的导电层例如用ZnO、SnO、InO、CdO、GaO或其组合。这些材料呈现一种n型或p型电导率并可用溅射法、化学汽相淀积法或汽相镀覆进行淀积。
在图5中示出了本发明的发射辐射的半导体器件的第二实施例。
薄膜半导体器件10具有一个含一层有源的发射辐射的层14的GaN基的多层结构12。但与上述第一实施例比较，这里用以最终把在有源层14内产生的辐射输出去的多层结构12的主面18没有结构化，而是在第一主面16和反射层或界面之间在衬底30上设置了一层透明层34，为了提高辐射输出，该透明层结构化。这种结构特别优先用于这种场合，即当良好接触半导体12的金属不具有特别高的反射性并因之用反射性较好的金属例如银时，以其较高的迁移而可掺杂半导体。
为了消除薄膜半导体的较小的横向导电率，透明层34最好用导电材料制成。
结构化基本上与上述第一实施例相当。但作为凸部26′这里首选角锥台或截锥的形状或梯形横截面形状。上面结合图3所述的结构化的参数可引用到这个第二实施例的凸部26′。在这里，多层结构12的有源层14和透明层34之间的平面层35可作为参考尺寸用。
图6示出了图1半导体器件的又一种结构型式。在这个半导体器件10时，不是多层结构12本身结构化，而是一层设置在多层结构12的第二主面18上的抗反射层32设置有相应的凸部36。
典型的抗反射层32例如用SiO2或SiNx制成并具有低于2的折射率，所以辐射在半导体12和抗反射层32之间的界面上部分地全反射。如图3e)曲线所示，制作结构化的抗反射层32的效率随半导体折射率不断增加到2.5时出现明显下降。尽管如此，具有低折射率的结构化的保护层仍是有利的，因为全反射的波也渗入具有较小折射率的材料中大约半波长的深度，但呈指数衰减。所以结构化的保护层的高度不应大于几百纳米，且横向尺寸在微米级的范围内。
当保护层32的结构36的横向尺寸减少到要输出的辐射的波长范围时，到达这种微结构36上的波被散射，从而使辐射呈扇形在一个较大的角度范围内散开。
最后，图7表示图1半导体器件的另一变型结构。在此例中没有结构化的多层结构12上设置一层例如用ZnO、SnO、InO、CdO、GaO或其组合制成的透明导电层38。这层透明的导电层38类似于图1第一实施例进行结构化，在图7中示出了带梯形横截面形状的凸部的一维结构化。
透明的导电层38和半导体12之间的接触电阻应尽可能小。如果不是这种情况，则在层38和多层结构12之间可能需要一层(未示出的)金属层，该金属层最好很薄，因而是半透明或断续的。

Claims (32)

1.发射辐射的薄膜半导体器件，具有一个GaN基的多层结构(12)，该多层结构包括一层有源的、产生辐射的层(14)，并具有一个第一主面(16)和一个背离该第一主面的第二主面(18)用以输出在该有源的、产生辐射的层中产生的辐射，其特征为，
多层结构(12)的第一主面(16)与一层反射层或界面联接，且与该多层结构的第二主面(18)邻接的多层结构的区域(22)制成一维或二维结构化。
2.按权利要求1的半导体器件，
其特征为，
与多层结构(12)的第二主面(18)邻接的多层结构的区域(22)具有凸部(26)。
3.按权利要求2的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)具有角锥台或截锥的形状或梯形横截面形状。
4.按权利要求2的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)具有锥体形状或三角形的横截面形状。
5.按权利要求2的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)具有锥段形状或扇形横截面形状。
6.按权利要求2至5任一项的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)具有一个大约30°和大约70°之间的张角α。
7.按权利要求6的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)具有一个大约40°和大约50°之间的张角α。
8.按权利要求2至7任一项的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)的高度(h1)至少等于有源的、产生辐射的层(14)和凸部之间的多层结构(12)的平面区域(20)的高度(h2)。
9.按权利要求8的半导体器件，
其特征为，
凸部(26)的高度(h1)大约是有源的、发生辐射的层(14)和凸部之间的多层结构的平面区域(20)的高度(h2)的两倍。
10.按权利要求2至9任一项的半导体器件，
其特征为，
这些凸部(26)的栅距(d)最多大约为其高度(h1)的五倍。
11.按权利要求10的半导体器件，
其特征为，
这些凸部的栅距(d)最多大约为其高度(h1)的三倍。
12.按权利要求1至11任一项的半导体器件，
其特征为，
与多层结构(12)的第一主面(16)联接的层(28)或界面具有至少70％的反射率。
13.与多层结构(12)的第一主面(16)联接的层(28)或界面具有至少85％的反射率。
14.按权利要求1至13任一项的半导体器件，
其特征为，
多层结构(12)或者用其第一主面(16)直接地或通过一层反射层(28)设置在一个衬底(30)上。
15.按权利要求14的半导体器件，
其特征为，
该反射层或衬底同时作为半导体器件的接触面使用。
16.按权利要求1至15任一项的半导体器件，
其特征为，
在多层结构(12)的第二主面(18)上设置了一层透明的导电层。
17.按权利要求1至16任一项的半导体器件，
其特征为，
在多层结构(12)的第二主面(18)上设置了一层透明的保护层(32)。
18.发射辐射的薄膜半导体器件，具有一个GaN基的多层结构(12)，该多层结构包括一层有源的、产生辐射的层(14)并具有一个第一主面(16)和一个背离该第一主面的第二主面(18)用以输出在该有源的、产生辐射的层中产生的辐射，
其特征为，
多层结构(12)的第一主面(16)与一层反射层(28)或界面联接，并在该多层结构(12)的第一主面(16)和反射层或界面之间设置了一层透明层(34)，该透明层制成一维或二维结构化。
19.按权利要求18的半导体器件，
其特征为，
透明层(34)是导电的。
20.按权利要求18或19的半导体器件，
其特征为，
介于多层结构(12)的第一主面(16)和反射层(28)或界面之间的透明层(34)具有凸部(26′)。
21.按权利要求20的半导体器件，
其特征为，
这些凸部(26′)具有角锥台或截锥的形状或梯形的横截面形状。
22.按权利要求20或21的半导体器件，
其特征为，
凸部(26′)具有一个大约30°和大约70°之间的张角(α)。
23.按权利要求20或21的半导体器件，
其特征为，
凸部(26′)具有一个大约40°和大约50°之间的张角(α)。
24.按权利要求20至23任一项的半导体器件，
其特征为，
凸部(26′)的高度(h1)至少等于有源的、产生辐射的层(14)和凸部之间的多层结构(12)的一个平面区域(35)的高度(h2)。
25.按权利要求24的半导体器件，
其特征为，
凸部(26′)的高度(h1)大约是有源的、发射辐射的层和凸部之间的多层结构的平面区域(35)的高度(h2)的两倍。
26.按权利要求20至25任一项的半导体器件，
其特征为，
这些凸部(26′)的栅距(d)最多大约为其高度(h1)的五倍。
27.按权利要求26的半导体器件，
其特征为，
这些凸部(26′)的栅距(d)最多大约为其高度(h1)的三倍。
28.按权利要求18至27任一项的半导体器件，
其特征为，
与多层结构(12)的第一主面(16)联接的层或界面具有至少70％的反射率。
29.按权利要求28的半导体器件，
其特征为，
与多层结构(12)的第一主面(16)联接的层或界面具有至少85％的反射率。
30.按权利要求18至29任一项的半导体器件，
其特征为，
反射层(28)设置在一个衬底(30)上，或反射界面由一个衬底(30)构成。
31.按权利要求30的半导体器件，
其特征为，
该反射层或衬底同时作为半导体器件的接触面使用。
32.按权利要求18至31任一项的半导体器件，
其特征为，
在多层结构(12)的第二主面(18)上设置了一层透明的保护层。
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