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TWI601312B - 光電半導體晶片 - Google Patents

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TWI601312B
TWI601312B TW101115742A TW101115742A TWI601312B TW I601312 B TWI601312 B TW I601312B TW 101115742 A TW101115742 A TW 101115742A TW 101115742 A TW101115742 A TW 101115742A TW I601312 B TWI601312 B TW I601312B
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馬克 馬特
卡爾 恩葛爾
塞巴斯蒂安 特格爾
羅伯特 渥爾特
瓊內司 施托克爾
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歐司朗光電半導體公司
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Description

光電半導體晶片
本發明係有關於包括半導體本體、p-接觸層及n-接觸層之光電半導體晶片。
用於如GaN類半導體本體之n-接觸層在傳統上包括鈦層及鋪設於鈦層之銀層。此種n-接觸層允許達成良好的電子及光學特性。然而，為了良好光學特性，該等n-接觸層需要有厚度少於0.5 nm的極薄鈦層。這樣的鈦層係非常難以製造且受到許多處理變化。
此外，雖然鈦對於n-GaN表現出良好的電性接觸，但鈦具有相當差的反射率，致使該半導體本體發出的光不利被該n-接觸層之鈦層吸收。相較之下，銀係可見光譜範圍輻射之良好的反射者，但不利地表現出對n-摻雜GaN不適宜的高接觸阻抗。此外，鈦以及鈦與銀之組合表現出相異的物理特性，其可能不利於半導體晶片。舉例而言，鈦係高反應性且易於氧化，其可能因為接觸阻抗之增加而導致不良的導電阻障(conductive electronic barrier)。
本發明之目的係提供避免上述缺點的光電半導體晶片，藉以有利地製造具有同時表現出改善的電子及光學特性之n-接觸層的半導體晶片。
此目的係由具有申請專利範圍第1項所述特徵之光電半導體晶片所達成。該半導體晶片之有利的進一步的發展 構成附屬項之標的。
於一個具體實施例中，該光電半導體晶片包括半導體材料之半導體本體、p-接觸層及n-接觸層。該半導體本體包括主動層，係有意用於產生輻射。該半導體本體復包括p-側及n-側，在這兩者之間配置有該主動層。該p-接觸層係有意用於該半導體本體之p-側之電性接觸，該n-接觸層係有意用於該半導體本體之n-側之電性接觸。該n-接觸層包括透明導電氧化物(TCO)層及鏡面層，該TCO層配置在該半導體本體之n-側及該鏡面層之間。
透明導電氧化物係透明之導電材料，如標準金屬氧化物，諸如舉例而言氧化鋅、氧化錫、氧化鎘、氧化鈦、氧化銦、銦錫氧化物(ITO)、鋁鋅氧化物(AZO)、鋁銦鋅氧化物(ATO)、銦鋅氧化物(IZO)、鎵鋅氧化物(GZO)或鎵錫氧化物(GTO)。除了二元金屬氧化合物，諸如舉例而言ZnO、SnO2或In2O3以外，該TCO群組亦包含三元金屬氧化合物，諸如舉例而言Zn2SnO4、CdSnO3、ZnSnO3、MgIn2O4、GaInO3、Zn2In2O5或In4Sn3O12或不同透明導電氧化物之混合物。此外，TCO無需對應於計量化學組成且亦可能為有p-或n-摻雜者。
N-側應被理解為尤指該半導體本體層之n-摻雜側。相同的，p-側應被理解為是指該半導體本體層之p-摻雜側。
在本半導體晶片中，係以透明導電氧化物層替換傳統上使用之鈦層。在本例中，相較於迄今使用之鈦層，該TCO層可能表現出明顯較大的厚度。與傳統上使用之鈦層相比，該等TCO層明顯易於控制，良好黏著且與該半導體材 料之半導體本體有良好電性接觸。此外，該等TCO層明顯反應性低且因此較不易於氧化。
藉由包括TCO層之n-接觸層，尤指與配置在該TCO層遠離該半導體本體側上的該接觸層之高反射鏡面層(諸如銀層)結合的情況之下，其可能在該n-接觸層及該半導體本體之間製造高反射歐姆接觸。此等n-接觸層係易於製造，在製造期間易於控制，表現出較低的接觸阻抗，反應性較低，並且因為穩定的接觸阻抗而能有高產率。由於該TCO層在該可見光譜範圍輻射的透明度，由該半導體晶片發出的輻射係有利地不被該n-接觸層吸收，因而可增進輻射效率。
關於材料而言，該鏡面層係方便地組構成使該鏡面層對於在該半導體晶片之操作期間由該主動層發射的輻射、或對於將被該主動層檢測到之輻射表現出高反射率，具體而言反射率至少為60%，較佳為至少80%。具體而言，金屬鏡面層係為特別合適者。
於一個較佳具體實施例，該鏡面層含有銀。特別為該鏡面層可由銀或由含銀合金組成。銀在可見及紫外光譜範圍表現出高反射率。可用其他的材料替代，舉例而言，鋁、銠、鈀、鎳或鉻。譬如金係適合用於紅外光譜範圍。
該半導體晶片較佳為光電半導體晶片，該半導體晶片允許將電能轉換成例如定值或脈衝之發光，譬如用於資料傳遞，反之亦然。該光電半導體晶片係例如為輻射-發射半導體晶片。該半導體晶片係較佳為LED，特佳為薄膜LED。 對本發明之目的而言，若在其製造期間，LED視同於薄膜LED，有磊晶半導體本體生長於其上的生長基板較佳為已完全分離。
該半導體本體之主動層較佳為含有用於輻射產生之pn-接面、雙異質結構(double heterostructure)、單量子井結構(SQW)或多量子井結構(MQW)。本說明書中之術語“量子井結構”並未具有任何相關於量子維度之意義。其尤其涵蓋量子井、量子線及量子點及任何這些結構之組合。
該半導體本體，具體而言為該主動層，較佳含有第III/V族半導體材料。第III/V族半導體材料係尤適合用於產生紫外光、可見光至紅外光光譜範圍輻射。該半導體本體包括彼此磊晶沉積之複數個半導體層，其中配置有主動層。該半導體本體層舉例而言係生長在生長基板上。在此例中，該主動層分隔該半導體本體之p-摻雜側與該半導體本體之n-摻雜側。
於進一步的發展中，該p-接觸層及該n-接觸層係配置在該半導體本體之相同側上。舉例而言，該p-接觸層及該n-接觸層係配置在該半導體本體之p-側上。在此例中，該半導體晶片相對於該等接觸層之側較佳為作為該半導體晶片所產生輻射之輻射出口側。由該主動層產生之輻射有大量比例在該半導體晶片外之輻射出口側上耦合。
因而，該半導體晶片較佳為表現出單側接觸(one-sided contacting)，致使該輻射出口側係無接觸結構及接觸層。以此方法，在該半導體晶片之輻射出口側上 有利地防止吸收程序，致使可有利地減少遮避效應(shading effect)及效率損失。
於一個進一步的發展中，該p-接觸層直接鄰接該半導體本體之p-側，該n-接觸層配置在該p-接觸層遠離該半導體本體之側上。電性絕緣層係配置在該p-接觸層及該n-接觸層之間。因而，該n-接觸層及該p-接觸層彼此電性絕緣，以防止在該等接觸層之間的短路。
在本例中有下列安置：n-接觸層，電性絕緣層，p-接觸層及半導體本體。在此例中，該等層係垂直地配置在他層之上。
舉例而言，該電性絕緣層係於空間及電性上完全分隔該p-接觸層及該n-接觸層之鈍化層。因而該p-接觸層及該n-接觸層在任何一點皆無直接觸。
於進一步的發展中，該n-接觸層藉由洞穿過該p-接觸層及半導體本體之p-側至n-側。該p-接觸層及該p-側因此包括有供該n-接觸層延伸之洞。該洞在此例中穿過該主動層，致使該n-接觸層延伸至該半導體本體之n-側。因而該洞亦穿過該p-側及該主動層至該n-側，該洞額外地突出至該n-側及較佳為在此結束。
在側邊區域處，該洞包括該電性絕緣層，用以電性絕緣該n-接觸層與該p-接觸層及該半導體本體之p-側。
因此，該p-接觸層係直接配置在該半導體本體之p-側上並且提供該p-側直接的電性接觸。該n-接觸層係配置成與該半導體本體間隔開來。該間距係藉由該p-接觸層及 該電性絕緣層產生。該半導體本體之n-側可透過該洞藉由該n-接觸層電性接觸。
該半導體晶片亦可包括複數個洞，每個該n-接觸層皆穿過洞。在此例中，該等洞彼此間隔。該等洞係配置成使該半導體本體之n-側提供有最大的均勻電流，以保證在該主動層中產生均勻的輻射。
於進一步的發展中，該n-接觸層含有銀層，該n-接觸層之TCO層係配置在該半導體本體之n-側及該n-接觸層之銀層之間。因此，該n-接觸層由兩層組成，銀層及TCO層。在此，在可見光譜範圍輻射為良好反射者之銀層形成該鏡面層。相對於該半導體本體之半導體材料，該銀層之高接觸阻抗可藉由該TCO層手段改善，而達到該n-接觸層之高反射歐姆接觸。
舉例而言，該鏡面層係配置在電性絕緣層遠離該半導體本體之側上及配置在該洞中。在此例中，該TCO層分隔該鏡面層(尤指該銀層)與該半導體本體，亦即，該TCO層係配置在鏡面層(尤指銀層)以及半導體本體之間。具體而言，該TCO層直接鄰接該半導體材料及該鏡面層(尤指該銀層)。
於進一步的發展中，該鏡面層(尤指銀層)穿過該洞而該TCO層配置在該鏡面層上方。因此，該鏡面層(尤指銀層)以及半導體材料之間無直接接觸，因為該TCO層係配置在兩者中間。在此例中，該TCO層封閉該洞。
於一個進一步的發展中，該TCO層含有ZnO(氧化鋅) 或SnO(氧化錫)。該TCO層可額外地與其他金屬或與其他金屬混合物結合，譬如鋁、鎵及/或銦。舉例而言，可能使用鋁鋅氧化物、鋁錫氧化物、鎵錫氧化物、鎵鋅氧化物、銦錫氧化物或銦鋅氧化物。這些材料以在可見光譜範圍中的低吸收度及因此該可見光譜範圍輻射的高透明度而聞名。此外，這些材料對於該半導體材料表現出低接觸阻抗，致使產生良好的歐姆接觸。
於進一步的發展中，該TCO層表現出大於0.5 nm之厚度，較佳地，該TCO層表現出在15 nm及25 nm的範圍之間且包含端點的厚度。在此種厚度範圍中的接觸層在製造期間有利地只受到些微的加工變化。此外，此種厚度之層實際上因為可控制之製造而容易重現。
於進一步的發展中，該半導體本體包括傾斜側面。該半導體本體係配置在載體上，譬如，與該載體距離逐漸減少之半導體本體之側向範圍。舉例而言，在該載體之側向範圍及該傾斜側面之間的角度為45°。
該傾斜側面有利地使減少該主動層發射之輻射的該側面處之全反射效應成為可能，致使該半導體晶片之外耦合效應有利地增加。
於進一步的發展中，該半導體本體係以GaN為基礎。N-摻雜GaN表現出與TCO良好的電性接觸，其可能在由TCO及銀之組合組成之n-接觸層及該GaN半導體本體之間製造高反射歐姆接觸。
第3圖係顯示依據先前技術之半導體晶片之一部份的剖面。該部份具體而言顯示該半導體晶片之n-接觸。該半導體晶片包括由半導體層形成的n-側1b。使用n-接觸層2b、2c以用於接觸該半導體晶片之n-側。該n-接觸層係由銀層2b及鈦層2c所組成，該鈦層2c配置在該半導體晶片之n-側1b及銀層2b之間，因此該銀層2b不直接與該半導體晶片之n-側接觸。該鈦層2c與該半導體晶片之n-側1b有良好的電性接觸。然而，該等鈦層2c表現出對可見光譜範圍輻射不良的反射率，致使該輻射至少部份地被該鈦層吸收，其不利地導致輻射效率的損失。此外，該鈦層2c係不利地反應性高及易於氧化。
該銀層2b係該可見光譜範圍輻射的良好的反射者，但表現出與該半導體晶片之n-側1b不適宜的高接觸阻抗。
傳統上該鈦層2c因為其吸收特性而製得非常薄。舉例而言，此種鈦層2c表現出至多0.5nm之厚度。
此等傳統上使用的n-接觸層包括鈦層2c及銀層2b，因此表現出數種缺點，諸如舉例而言吸收效果，不利的氧化感受性及不適宜的接觸阻抗。
為了製造避免這些缺點的n-接觸層，以TCO層替換傳統上使用之鈦層。後方配置有銀層的TCO層係同時表現出低吸收度及在可見光譜範圍輻射的良好的反射率。此外，相較於傳統的鈦層，此等TCO層可能明顯受到較好的控制、良好黏著、製造良好的電性接觸以及顯著的低反應性。
第1圖顯示穿過包括半導體本體1之半導體晶片10之 示意剖面。該半導體本體1包括n-側1b、p-側1c及主動層1a，該主動層1a係配置在n-側1b及p-側1c之間。該半導體本體係較佳為以GaN為基礎。該半導體本體1，舉例而言為輻射-發射半導體晶片，較佳為LED，特佳為薄膜LED。
該半導體本體1包括傾斜側面11。傾斜側面具體而言可理解為架構在對該半導體本體之層的側向範圍在0及90°的角度之間的側面。該角度較佳為在45°及90°之間，因為全反射效應降低，故該傾斜側面11可有利地改善藉由該主動層發射的輻射的外耦合效應。
該半導體本體1包括用為p-接觸之p-接觸層21a，及用為n-接觸之n-接觸層2。該p-接觸層21a係有意用於該半導體本體1之p-側1c之電性接觸。該n-接觸層2係有意用於該半導體本體1之n-側1b之電性接觸。
在本例示具體實施例中，該p-接觸層21a及該n-接觸層2係配置在該半導體本體1之相同側上。尤其，該等接觸層21a、2係配置在該半導體本體1之p-側1c上。該p-接觸層21a在此例中直接鄰接該半導體本體1之p-側1c。電流分佈層21b可配置在該p-接觸層21a遠離該半導體本體1之側上，該電流分佈層允許在該半導體本體1之p-側1c上均勻的電流載流量及電流分佈。
電性絕緣層3係配置在該p-接觸層21a及該電流分佈層21b遠離該半導體本體1之側上。該電性絕緣層舉例而言係鈍化層。該n-接觸層2係配置在該電性絕緣層3遠離 該p-接觸層21a之側上。在此，該電性絕緣層3完全分隔該p-接觸層21a與該n-接觸層2。因此，該電性絕緣層3配置在p-接觸層21a及n-接觸層2之間。
該n-接觸層2藉由讓洞22穿過該p-接觸層21a及該半導體本體1之p-側1c至該半導體晶片之n-側1b。在此，該洞22延伸穿過該p-接觸層21a、該p-側1c及該主動層1a並且結束在該半導體本體1之n-側1b。藉由該洞22完全鑽透該n-接觸層21a、該p-側1c及該主動層1a。
該半導體晶片10亦可能包括複數個洞22，依據所欲之電流輸入而配置在該半導體本體1之n-側上。
該n-接觸層2含有銀層形式的鏡面層及TCO層，該銀層配置在該電性絕緣層3遠離該p-接觸層21a之側及在該一個或多個洞22中。該n-接觸層2之TCO層係配置在該銀層及該半導體本體1之n-側1b之半導體材料之間。具體而言，該TCO層係配置在該洞22上。
為求清楚，該TCO層未顯示於第1圖中。然而，該n-接觸層2至該半導體本體1之n-側之n-接觸係顯示及細部解釋於第2圖中。
為了電性絕緣之目的，該一個或多個洞22夾襯有該電性絕緣層3，致使該n-接觸層2及該p-接觸層21a及該p-側1c不直接與彼此接觸，亦不於任意點與彼此有電性接觸。
因而該半導體晶片1之電性接觸在該半導體本體1之p-側單一側進行。在相對於該半導體本體1之p-側1c之 側，形成輻射出口側，藉由該主動層發射之輻射透過該側以在該半導體晶片10外大量耦合。在該n-接觸層2遠離該半導體本體1之側係配置有阻障層4，防止在該半導體晶片10各別層之間的離子擴散。
在該阻障層4遠離該n-接觸層2之側上係配置有銲接層5，藉由該銲接層5將該半導體晶片10鋪設及固定至載體6。在其遠離該半導體本體1之側上，該載體6包括電性連接層7，可透過該層與該n-接觸層2產生電性連接。
標示於該第1圖之例示具體實施例中的部份A係以放大之尺度顯示於第2圖中。具體而言，第2圖顯示在該半導體本體1之n-側1b及n-接觸層2之間的電性連接。該部份係座落在該洞22之區域中。
在該半導體本體1之n-側1b及該n-接觸層2之間之N-接觸係透過該TCO層2a產生。因而，該n-接觸層2由該銀層2b及該TCO層2a組成，其中，該銀層2b不直接與該半導體材料接觸。該TCO層2a係配置在該銀層2b及該n-側1b之半導體材料之間。
舉例而言，該TCO層2a包括ZnO或ITO。或者此外，可用譬如氧化錫、鋁鋅氧化物、鋁錫氧化物、鎵錫氧化物、鎵鋅氧化物或銦鋅氧化物。在此例中，該TCO層2a之厚度大於0.5 nm。該TCO層2a之厚度D較佳為在15 nm及25 nm的範圍(包含端點)，舉例而言20 nm。
因而，傳統上使用之具有厚度最多為0.5 nm的薄鈦層，以明顯較厚的透明導電氧化物層替換，與配置在後的 銀層一起允許得到改善之反射率及改善之歐姆接觸。此等厚TCO層相較於傳統上使用之薄鈦層可明顯受到較好的控制。此外，該TCO層相較於傳統的鈦層，有利地具有良好黏著，製造良好的電性接觸及顯著的低反應性。
藉由上述且由銀層及TCO層組成之n-接觸層，可能有利地確保在該半導體晶片之n-側上之高反射歐姆接觸。
不同於揭示之例示具體實施例，不同材料組成之鏡面層亦可能用於替代該銀層3b。具體而言，金屬鏡面層可能較佳為含有與該鏡面層有關在前所述的其中一種材料或由此種材料組成。
此外，上揭之n-接觸層亦適合於接觸不同幾何構形的半導體晶片之n-側。舉例而言，該半導體晶片可能採用該p-接觸層及該n-接觸層係配置在該主動層之相對側上之半導體晶片的形式。此種半導體晶片可能具體而言採用薄膜半導體晶片或有生長基板之半導體晶片之形式。
本發明並未侷限於本說明書所述的示範實施例。相反地，本發明涵蓋任何新穎的特徵以及特徵的任何組合，尤其包含本說明書隨附申請專利範圍的技術特徵的任何組合，即便此特徵或此組合本身並未於該申請專利範圍或者示範實施例中明確指出。
1‧‧‧半導體本體
1a‧‧‧主動層
1b‧‧‧n-側
1c‧‧‧p-側
2‧‧‧n-接觸層
2a‧‧‧TCO層
2b‧‧‧銀層
2c‧‧‧鈦層
3‧‧‧電性絕緣層
4‧‧‧阻障層
5‧‧‧銲接層
6‧‧‧載體
7‧‧‧電性連接層
10‧‧‧半導體晶片
11‧‧‧傾斜側面
22‧‧‧洞
21a‧‧‧p-接觸層
21b‧‧‧電流分佈層
A‧‧‧部份
D‧‧‧厚度
上述實施例結合圖式第1至3圖揭露本發明的進一步優點與較佳實施例以及進一步發展，其中：第1圖顯示半導體晶片之例示具體實施例之示意剖面 圖；第2圖係依據該第1圖例示具體實施例之部份半導體晶片之示意表示圖；以及第3圖係依據先前技術之部份該n-接觸層之示意表示圖。
於圖中各情況相同或動作相同的組成部分係提供相同的元件符號。例示之組成部分以及組成部分之間彼此的大小關係應不被視為真實的比例。於示範實施例及圖式中，於各種情況下，相同或相同作用的零件可配置有相同的元件符號。所描繪的元件及其尺寸比例原則上並非依據實際比例，而個別元件(例如：層、組件、結構性元件及區域)可能以誇張的厚度或大小描繪，從而更利於說明這些元件及/或使這些元件更易於了解。
1‧‧‧半導體本體
1a‧‧‧主動層
1b‧‧‧n-側
1c‧‧‧p-側
2‧‧‧n-接觸層
3‧‧‧電性絕緣層
4‧‧‧阻障層
5‧‧‧銲接層
6‧‧‧載體
7‧‧‧電性連接層
10‧‧‧半導體晶片
11‧‧‧傾斜側面
22‧‧‧洞
21a‧‧‧p-接觸層
21b‧‧‧電流分佈層
A‧‧‧部份

Claims (13)

  1. 一種光電半導體晶片(10)，包括半導體材料之半導體本體(1)、p-接觸層(21a)及n-接觸層(2)，其中：該半導體本體(1)包括主動層(1a)，係有意用於產生輻射；該半導體本體(1)包括p-側(1c)及n-側(1b)，該兩者間係配置有該主動層(1a)；該p-接觸層(21a)係有意用於該半導體本體(1)之該p-側(1c)之電性接觸；該n-接觸層(2)係有意用於該半導體本體(1)之該n-側(1b)之電性接觸；以及該n-接觸層(2)含有TCO層(2a)及鏡面層(2b)，其中，該TCO層(2a)係配置於該半導體本體(1)之該n-側(1b)及該鏡面層(2b)之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電半導體晶片，其中，該鏡面層(2b)含有銀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光電半導體晶片，其中，該p-接觸層(21a)及該n-接觸層(2)係配置在該半導體本體(1)之相同側上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光電半導體晶片，其中，該p-接觸層(21a)直接鄰接該半導體本體(1)之該p-側(1c)；該n-接觸層(2)係配置在該p-接觸層(21a)遠離該半導體本體(1)之側上；以及 電性絕緣層(3)係配置在該p-接觸層(21a)及該n-接觸層(2)之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之光電半導體晶片，其中，該n-接觸層(2)係藉由洞(22)穿過該p-接觸層(21a)及該半導體本體(1)之該p-側(1c)至該n-側(1b)。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光電半導體晶片，其中，該鏡面層(2b)穿過該洞(22)；以及該TCO層(2a)係配置在該洞(22)上方。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之光電半導體晶片，其中，該TCO層(2a)含有ZnO或ITO。
  8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之光電半導體晶片，其中，該TCO層(2a)表現出大於0.5nm之厚度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光電半導體晶片，其中，該TCO層(2a)表現出在15nm及25nm的範圍之間且包含端點的厚度。
  10. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之光電半導體晶片，其中，該半導體本體(1)包括傾斜側面(11)。
  11. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之光電半導體晶片，其中，該半導體本體(1)係以GaN為基礎。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光電半導體晶片，其中該n-接觸層(2)係藉由洞(22)穿過該p-接觸層(21a)且直到該半導體本體之該n-側(1b)結束；以及在該洞(22)中，該TCO層(2)係配置在該半導體本體(1)之該n-側(1b)及該鏡面層(2b)之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之光電半導體晶片，其中該鏡面層(2b)含有銀；該n-接觸層(2)係藉由洞(22)穿過該p-接觸層(21a)且直到該半導體本體之該n-側(1b)結束；以及在該洞(22)中，該TCO層(2)係配置在該半導體本體(1)之該n-側(1b)及該鏡面層(2b)之間。
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