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TWI443859B - 包含多重量子井結構的光電半導體晶片 - Google Patents

包含多重量子井結構的光電半導體晶片 Download PDF

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TWI443859B
TWI443859B TW097136253A TW97136253A TWI443859B TW I443859 B TWI443859 B TW I443859B TW 097136253 A TW097136253 A TW 097136253A TW 97136253 A TW97136253 A TW 97136253A TW I443859 B TWI443859 B TW I443859B
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馬修斯彼得
彼得史陶斯
亞歷山大華特
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歐斯朗奧托半導體股份有限公司
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Description

包含多重量子井結構的光電半導體晶片
本發明涉及一種包含多重量子井結構的光電半導體晶片。
本專利申請案主張德國專利申請案DE 10 2007 046 027.0之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
包含多重量子井結構之光電半導體晶片例如在文件WO 01/39282 A2和US 5,831,277中已為人所知。
本發明的目的是提供一種包含多重量子井結構之光電半導體晶片，特別是其效率良好。
上述目的藉由一種具有申請專利範圍第1項之光電半導體晶片來達成。光電半導體晶片之有利的佈置及其它形式描述在申請專利範圍各附屬項中。申請專利範圍所揭示的內容藉由參考而收納於說明書中。
本發明提供一種光電半導體晶片，其具有活性區，此活性區包含一種用來產生電磁輻射之多重量子井結構。此活性區特別是磊晶半導體層序列之一部份區域。此光電半導體晶片例如是一種發光二極體晶片或雷射二極體晶片。
活性區含有多個依序排列的量子井層。每一量子井層可適當地配置在其所屬的二個位障層之間。換言之，在活性區中依序排列著一個位障層和一個量子井層。每一量子井層之前特別是有一所屬的位障層且該量子井層之後有另 一位障層。此處的”之前”和”之後”分別是針對光電半導體晶片之由n－側至p－側的方向而言，活性區則配置在n－側和p－側之間。
此概念”多重量子井結構”和”量子井結構”此處未指出量子化的維度。由一量子井層及其所屬的二個位障層所定義的量子井可以是一種量子膜、至少一量子線或至少一量子點或至少二種以上結構之組合。
多重量子井結構具有至少一第一量子井層，其被摻雜而具有n－導電性且配置在二個與第一量子井層相鄰之n－導電的摻雜之位障層之間。換言之，特別是第一量子井層及其所屬的二個位障層被摻雜而具有n－導電性。
所謂”被摻雜而具有n－導電性”此處是指一以至少一種n－摻雜物質(例如，矽)來摻雜的層。亦可以是：二種不同的層，例如，量子井層和位障層，以不同的n－摻雜物質來摻雜而成為具有n－導電性。較佳是全部的n－導電之摻雜的量子井層和位障層以相同的n－摻雜物質來摻雜。
多重量子井結構另具有至少一個(較佳是正好一個)第二量子井層，其未摻雜且配置在二個與第二量子井層相鄰的位障層之間，此二個位障層中一個位障層被摻雜而具有n－導電性，且另一個位障層未摻雜。例如，第二量子井層配置在第一量子井層之後。特別是位於第二量子井層之前的位障層被摻雜而具有n－導電性，且位於第二量子井層之後的位障層未摻雜。
所謂”未摻雜”此處是指一種基本上未具備n－摻雜物質 或p－摻雜物質之層。然而，一種未摻雜層例如可由於n－及/或p－摻雜物質之擴散而可具有小的n－及/或p－摻雜物質濃度，特別是很微小的濃度。當一種n－摻雜物質之濃度在一未摻雜層中較在第一量子井層中的濃度還要小至少40%，較佳是還要小至少70%時，則該n－摻雜物質特別是以小的濃度而存在於未摻雜層中。
最後，多重量子井結構具有至少一第三量子井層，其未摻雜且配置在二個與第三量子井層相鄰的同樣是未摻雜的位障層之間。第三量子井層可適當地在活性區中配置在第二量子井層之後。
本發明人已確認的事實是，藉由上述順序的第一、第二和第三量子井層，則可使半導體晶片達成一種特別高的效率。特別是在高的操作電流時該效率較傳統的半導體晶片還高。光電半導體晶片例如以一種80mA以上的操作電流來操作。
在一種佈置中，多重量子井結構具有至少一第四量子井層，其未摻雜且配置在二個與第四量子井層相鄰的n－導電的位障層之間。例如，第四量子井層位於至少一第一量子井層之後且位於第二量子井層之前。
具有第四量子井層之半導體晶片可有利地具有一特別小的前向偏壓。換言之，能以一種特別小的操作電壓來達成一預設的操作電流。具有第四量子井層之半導體晶片例如以較小的操作電流(大約是20mA)來操作。
在一種佈置中，多重量子井結構包含至少像第三量子 井層一樣多的第一量子井層。在另一種形式中，多重量子井結構所包含的第一量子井層多於第三量子井層。本發明人在廣泛的比較研究中已確定：當第一量子井層之數目大於或等於第三量子井層的數目時，半導體晶片特別有效率。
在另一佈置中，活性區最多具有十個量子井層，其較佳是具有五個以上的量子井層。半導體晶片特別佳時具有七個(含)至九個(含)之間的量子井層。本發明人的研究已指出，此種半導體晶片在一預設的操作電流時產生一特別高的光電流。特別是光電流之飽和特性隨著操作電流的提高而變成特別小。
在一種佈置中，一種交替的層對(pair)所形成的超晶格在半導體晶片之由n－側至p－側的方向中位於該活性區之前。此超晶格所延伸的層厚度例如小於或等於50nm，特別是小於或等於30nm。例如，此超晶格的層厚度是大約25nm。
超晶格之交替的層所具有的層厚度例如5nm以下，特別是大約0.5nm(含)至2nm(含)。每一個交替的層對之至少一層是n－摻雜者。在一種佈置中，整個超晶格是n－摻雜者。
由於超晶格之層厚度是50nm以下，則半導體晶片可達成一特別小的前向偏壓。藉由n－導電之第一量子井層，則在超晶格之層厚度較小時亦可使電荷載體良好地載入到至少一第三量子井層中。
第一量子井層、二個與第一量子井層相鄰的位障層及/或一與第二量子井層相鄰的n－導電之摻雜的位障層特別是以一種1×1018 原子/cm3 以上之濃度的n－摻雜物質來摻雜。 在一種佈置中，第一量子井層和該二個與第一量子井層相鄰的位障層具有相同濃度的n－摻雜物質。另一方式是，該與第二量子井層相鄰的n－導電之摻雜的位障層具有與第一量子井層－及/或與第一量子井層相鄰的位障層相同的濃度。因此，當二個層之間的n－摻雜物質之濃度之差是20%以下，較佳是10%以下(例如，5%)時，則此二個層具有”相同濃度”之n－摻雜物質。
位障層例如具有一種5nm(含)至12nm(含)之層厚度，較佳是6nm(含)至11nm(含)，特別佳時是9nm(含)至10.5nm(含)。在另一形式中，量子井層具有1nm(含)至5nm(含)之層厚度，較佳是2nm(含)至3nm(含)。例如，位障層之層厚度大約是10nm且量子層之層厚度大約是2.5nm。本發明人在比較研究之後已得知：位障層及/或量子井層在上述之層厚度時半導體晶片具有一種隨著操作電流上升而特別小的光電流飽和值。
在另一種佈置中，半導體晶片未設有生長基板。半導體晶片特別是一種薄膜－半導體晶片。
薄膜－半導體晶片之特徵是以下特徵中的至少一種：
－在輻射產生用的磊晶半導體層序列之面向一載體元件之第一主面上施加或形成一種反射層，其使磊晶半導體層序列中所產生的電磁輻射之至少一部份反射回到磊晶層序列中。
－此薄膜－半導體晶片含有一載體元件，其不是一生長基板(其上磊晶生長著半導體層序列)而是一個別的載體元 件，其事後固定在一磊晶之半導體層序列上。
－此磊晶之半導體層序列之生長基板由該磊晶之半導體層序列中去除或被薄化，使此生長基板與磊晶之半導體層序列仍具有承載作用，或－此磊晶半導體層序列具有一種20μ m以下的厚度，特別好的情況是10μ m。
此外，磊晶半導體層序列較佳是包含至少一種半導體層，其至少一面有一混合結構。在理想狀況下，此混合結構可使磊晶半導體層序列中的光達成一種近似遍壢(ergodic)之分佈，即，該光具有一種儘可能遍壢之隨機雜散特性。
薄膜－半導體晶片之基本原理例如已描述在文件I.Schnitzer et al.,Appl.Phys.Lett.63(16),18.October 1993,page 2174－2176中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。例如，薄膜－半導體晶片已描述在文件EP 0905797 A2和WO 02/13281 A1中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。
薄膜－發光二極體晶片很類似於一種藍伯(Lambertian)表面輻射器，且因此特別適合用在探照燈中。
半導體晶片之活性區，特別是磊晶半導體層序列，在一種佈置中是以III－V－化合物半導體材料為主，其大致上是一種氮化物－化合物半導體材料，例如，InAlGaN。在另一實施形式中，半導體層序列是以II/VI－化合物半導體材料為主。
III－V－化合物半導體材料具有至少一種來自第三族的元素(例如，鋁，鎵，銦)以及一種來自第五族的元素(例如，硼，氮，磷，砷)。此概念”III－V－化合物半導體材料”特別是包括二元，三元或四元化合物之基(group)，其含有來自第三族之至少一元素和來自第五族之至少一元素，例如，氮化物－和磷化物－化合物半導體。此種二元，三元或四元化合物可另外具有一種或多種摻雜物質以及其它的成份。
相對應地，II/VI－化合物半導體材料具有至少一來自第二族的元素，例如，Be,Mg,Ca,Sr，以及一來自第六族的元素，例如，O,S,Se。II/VI－化合物半導體材料特別是含有一種二元，三元或四元化合物，其含有至少一來自第二族的元素和至少一來自第六族的元素。此種二元，三元或四元化合物可另外具有一種或多種摻雜物質以及其它的成份。例如，ZnO,ZnMgO,CdS,ZnCdS,MgBeO屬於II/VI－化合物－半導體材料。
“以氮化物－化合物半導體材料為主”此處是指，此種名稱之半導體層序列或其至少一部份，特別是至少該活性區及/或該生長基板，包含氮化物－化合物半導體材料或由此種材料所構成，此種材料較佳是Inn Alm Ga1－n－m N，其中0≦n≦1,0≦m≦1且n＋m≦1。因此，此種材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確的組成。反之，此種材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此材料之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(Al,Ga,In,N)之主要成份，這些主要成份 之一部份亦可由少量的其它物質來取代及/或補足。
在一種佈置中，半導體晶片用來發出一種在綠色光譜區中具有一強度最大值之電磁輻射。
半導體晶片之其它優點、有利的佈置和其它形式以下將依據第1至3圖的實施例來詳述。
各圖式和實施例中相同－或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。反之，為了清楚之故各圖式的一些細節已予放大地顯示出。
第1圖顯示光電半導體晶片之第一實施例之橫切面。此光電半導體晶片在生長基板1上具有一磊晶半導體層序列2。在半導體晶片之另一種形式中，該生長基板可去除或至少已大幅地薄化。
半導體層序列2例如以一種InAlGaN－化合物半導體材料為主，其例如製作在一具有藍寶石－或由藍寶石構成的生長基板1上。
半導體層序列2包含至少一n－接觸層21和一p－接觸層27，此二個接觸層之間配置一活性區20，其包含一種產生輻射用的多重量子井結構。
半導體層序列2在由n－接觸層21至活性區20所形成的形式中具有一電流擴散層22以及另二個n－摻雜層23，24。在由活性區20至p－接觸層27所形成的形式中，半導體層序列2具有另二個p－摻雜層25，26。這些n－摻雜層及 /或p－摻雜層或至少這些層中的一層或一些層例如是電荷載體局限(confinement)層。
該n－接觸層21之層厚度是3μm。例如，該n－接觸層21具有GaN，其較佳是以矽作為n－摻雜物質來摻雜成具有n－導電性，摻雜物質的濃度大約是3×1018 原子/cm3 。
電流擴散層22之層厚度例如是1μm，其以適當方式被大量地n－摻雜，例如，利用矽而以濃度1×1019 原子/cm3 來摻雜。因此，電流擴散層22具有高的橫向導電性。
上述另二個n－摻雜層分別具有0.5μm的層厚度，其例如具有二種以矽作為n－摻雜物質而摻雜成n－導電的氮化鎵。矽濃度例如在與該活性區20相面對的另一n－摻雜層中是24.8×1017 原子/cm3 。在遠離該活性區120之另一n－摻雜層中，矽的摻雜濃度例如是1×1018 原子/cm3 。
該p－摻雜層27例如包含GaN。其它的p－摻雜層25，26例如含有AlGaN。面向該活性區20之另一p－摻雜層25是一種AlGaN(10%鋁)層，且遠離該活性區20之另一p－摻雜層26是一種AlGaN(6%鋁)層。該p－摻雜層和其它的p－摻雜層25，26例如以鎂作為p－摻雜物質來摻雜。
在p－摻雜層27中，p－摻雜物質的濃度小於其它的p－摻雜層25，26中的濃度。例如，該p－摻雜層27中的濃度大約是5×1019 原子/cm3 。其它的p－摻雜層25，26中該p－摻雜物質的濃度例如大於或等於6×1019 原子/cm3 ，例如，該濃度大約是1×1020 原子/cm3 。
第2圖中顯示半導體層序列2之活性區20的放大圖。 第2圖之右方區域中顯示該活性區20之橫切面。第2圖之左方區域中顯示右方區域中所形成的各層之n－摻雜物質之濃度4。箭頭3顯示半導體層序列2之由n－側至p－側之方向，特別是指由n－接觸層21至p－接觸層27之方向，該n－側至p－側之間配置著活性區20。
第一實施例之半導體晶片之活性區20之量子井結構具有七個量子井層210，220，230。在由n－側至p－側之方向3中，三個第一量子井層210，一個第二量子井層220和三個第三量子井層230依序排列著。
每二個相鄰的量子井層210，220，230都由位障層250，260而互相隔開。位障層250位於第一量子井層210之前。另一位障層260在最後一個第三量子井層230之後。以此種方式，則恰巧在二個位障層250，260之間分別配置著個別的量子井層210，220，230。
一種超晶格結構270位於量子井層210，220，230和位障層250，260之前。超晶格結構270由多對(pair)交替配置的InGaN－層和GaN－層所構成，各層所具有的層厚度分別為1nm以下。各層例如在摻雜濃度為1.5×1018 原子/cm3 時以矽作為n－摻雜物質來摻雜。
位於該超晶格結構270之後的三個第一量子井層210及所屬的位障層250同樣以矽作為n－摻雜物質來摻雜，其濃度例如介於1×1018 原子/cm3 和8×1018 原子/cm3 之間，特別是介於2×1018 原子/cm3 和4×1018 原子/cm3 之間。各位障層250之間配置第一量子井層210。
第一量子井層210之後是第二量子井層220，有一位障層250位於第二量子井層220之前，此位障層250亦屬於第一量子井層210。位於第二量子井層220之前的位障層250是n－摻雜層。位於第二量子井層220之後的位障層260就像第二量子井層220一樣未摻雜。
在第二量子井層220之後，在二個未摻雜的位障層260之間配置三個第三量子井層230。
半導體晶片是以一種例如80mA的操作電流來操作。半導體晶片所發出的電磁輻射的大部份(特別是全部)都產生於至少一個第三量子井層230(較佳是多個，特別是全部)或第三量子井層230和第二量子井層220中。第一量子井層210未產生輻射或幾乎不產生輻射。
第3圖中顯示第二實施例之半導體晶片之活性區20之橫切面。左方的區域中顯示出右方區域中所示的多個層之n－摻雜物質之濃度的外形。
第二實施例之半導體晶片不同於第一實施例之處在於，活性區20只包含唯一的第三量子井層230。此外，第二實施例包含二個第四量子井層240，其在第一量子井層210之後且在第二量子井層220之前。整體而言，活性區20包含總共七個量子井層210，220，230，240。
第四量子井層240未摻雜。每一個第四量子井層240配置在二個相鄰的以n－摻雜物質來摻雜的位障層250之間。此n－摻雜物質在全部之以n－摻雜物質來摻雜的位障層250中以及第一量子井層210中都具有相同的濃度。
第二實施例之半導體晶片特別是以一種大約20mA的操作電流來操作。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍－或不同實施例之個別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧生長基板
2‧‧‧半導體層序列
3‧‧‧方向
4‧‧‧濃度
20‧‧‧活性區
21‧‧‧n－接觸層
22‧‧‧電流擴散層
23,24‧‧‧n－摻雜層
25,26‧‧‧p－摻雜層
27‧‧‧p－接觸層
210‧‧‧第一量子井層
220‧‧‧第二量子井層
230‧‧‧第三量子井層
240‧‧‧第四量子井層
250‧‧‧位障層
260‧‧‧位障層
270‧‧‧超晶格
第1圖 光電半導體晶片之第一實施例之橫切面。
第2圖 光電半導體晶片之第一實施例之活性區的橫切面及活性區中n－摻雜物質之濃度外形圖。
第3圖 光電半導體晶片之第一實施例之活性區的橫切面及活性區中n－摻雜物質之濃度外形圖。
3‧‧‧方向
4‧‧‧濃度
20‧‧‧活性區
24‧‧‧n－摻雜層
25‧‧‧p－摻雜層
210‧‧‧第一量子井層
220‧‧‧第二量子井層
230‧‧‧第三量子井層
240‧‧‧第四量子井層
250‧‧‧位障層
260‧‧‧位障層
270‧‧‧超晶格

Claims (14)

  1. 一種光電半導體晶片，具有活性區(20)，該活性區(20)包含用來產生電磁輻射的多重量子井結構，該多重量子井結構具有多個依序排列的量子井層(210，220，230)，該多重量子井結構具有：-至少一個第一量子井層(210)，其被摻雜而具有n-導電性且配置在二個與第一量子井層(210)相鄰的、n-導電地摻雜的位障層(250)之間，-第二量子井層(220)，其未摻雜且配置在二個與第二量子井層相鄰的位障層(250，260)之間，其中一個位障層被摻雜而具有n-導電性，另一個位障層未摻雜，以及-至少一個第三量子井層(230)，其未摻雜且配置在二個與第三量子井層相鄰的、未摻雜的位障層(260)之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片，其中至少一個第一量子井層、第二量子井層和至少一個第三量子井層(210，220，230)在由半導體晶片之n-側至p-側之方向上以此順序排列。
  3. 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片，其中多重量子井結構具有至少一個第四量子井層(240)，第四量子井層未摻雜且配置在二個與第四量子井層相鄰的、n-導電地摻雜的位障層(250)之間。
  4. 如申請專利範圍第2項之光電半導體晶片，其中多重量 子井結構具有至少一個第四量子井層(240)，第四量子井層未摻雜且配置在二個與第四量子井層相鄰的、n-導電地摻雜的位障層(250)之間。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其具有的第一量子井層(210)之數目和第三量子井層(230)一樣多，或第一量子井層(210)之數目多於第三量子井層(230)。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其中活性區(20)最多具有10個量子井層(210，220，230，240)。
  7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其中在由半導體晶片之n-側至p-側之方向上在該活性區(20)之前具有由多對(pairs)交替的層所構成的超晶格(270)，該超晶格的厚度為小於或等於50nm。
  8. 如申請專利範圍第7項之光電半導體晶片，其中每對(pair)交替的層之至少一個層被摻雜而具有n-導電性。
  9. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其中至少一個第一量子井層(210)及/或該二個與第一量子井層(210)相鄰的位障層(250)包含濃度(4)大於或等於1×1018 原子/cm3 之n-摻雜物質。
  10. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其中位障層(250，260)之層厚度分別介於9.5nm(含)和10.5nm(含)之間。
  11. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片 ，其中量子井層(210，220，230，240)之層厚度分別介於2nm(含)和3nm(含)之間。
  12. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其未具備生長基板。
  13. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其中活性區(20)基於InGaN-化合物半導體材料。
  14. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶片，其中該半導體晶片用來發出具有在綠色光譜範圍中強度最大值之電磁輻射。
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