发光二极管芯片和用于制造发光二极管芯片的方法与流程

提出一种发光二极管芯片和一种用于制造发光二极管芯片的方法。

本申请要求2017年6月12日的德国专利申请102017112875.1的优先权，其所有内容通过引用全面结合于此。

背景技术：

发光二极管芯片，尤其基于ingaalp的发光二极管芯片通常由于在产生辐射的有源区中在被刻蚀的侧面处载流子的不发射辐射的复合而具有低效率。

技术实现要素：

本申请的目的是，提出一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有相对于现有技术提高的效率。此外，本申请的任务是，提出一种用于制造这种发光二极管芯片的方法。

该目的通过具有权利要求1的特征的发光二极管芯片以及通过具有权利要求10的步骤的方法来实现。

发光二极管芯片和方法的有利的实施方式以及改进方案是相应从属权利要求的主题。

提出一种发光二极管芯片。发光二极管芯片包括外延的半导体层序列，所述半导体层序列具有有源区，所述有源区在发光二极管芯片运行中产生电磁辐射。

根据至少一个实施方式，发光二极管芯片包括钝化层，所述钝化层包括氧化镁和氮化镁或者由其构成。钝化层施加在半导体层序列的侧面上，并且至少将外延的半导体层序列的有源区侧向地覆盖。

根据至少一个实施方式，钝化层包括mgo和mg3n2或者由其构成。

此外可能的是，钝化层整面地在外延的半导体层序列的侧面之上延伸。替选地或附加地，钝化层也可以至少部分地设置在第一主面、尤其外延的半导体层序列或发光二极管芯片的光出射面上。

根据至少一个实施方式，钝化层与外延的半导体层序列的半导体化合物材料直接接触地设置。换言之，钝化层与外延的半导体层序列优选具有共同的边界面。

根据至少一个实施方式，外延的半导体层序列的侧面通过刻蚀产生。

发明人已确定，在侧面或侧边缘处，尤其在外延的半导体层序列的有源区的被刻蚀的侧面处，增多地发生载流子、即电子和空穴的不发射辐射的复合。尤其在外延的半导体层序列的侧面处，因晶体结构的干扰从而自由价或键合部位引起的不饱和的状态通过氧结合而饱和。换言之，半导体复合材料在半导体层序列的侧面的区域中氧化。由此，在带隙中形成中间状态，即在价带和导带之间，所述中间状态引起载流子不发射辐射的复合。由此，这些载流子不再可用于产生电磁辐射，这导致辐射降低从而发光二极管芯片的效率降低。本申请的构思是，在外延的半导体层序列的侧面处，尤其在有源区的区域中，用其他键来替代半导体化合物材料的氧键，以便避免或减少在带隙中的通过氧结合造成的中间状态。为此，将包括氮化镁或由氮化镁构成的层施加到半导体层序列的侧面上，并且所述层侧向地且完全地至少覆盖外延的半导体层序列的有源区。由于镁与在半导体化合物材料中包含的元素相比具有对氧更高的亲和力，所以发生氧和氮的交换并且在与外延的半导体层序列的边界面处替代半导体化合物材料与氧的键合而构成与氮的键合。同时，在包括氮化镁的层中形成氧化镁并且得到钝化层，所述钝化层包括氮化镁和氧化镁或者由其构成。换言之，在外延的半导体层序列和包括氮化镁或由其构成的层的边界面处发生外延的半导体层序列的半导体化合物材料的氮化。有利地，这样能够避免或极大地减小在有源区的区域中在半导体层序列的侧面处在带隙中的中间状态，由此提高在有源区中载流子的发射辐射的复合，从而提高发光二极管芯片的效率。尤其是，当发光二极管芯片具有小的横向扩展时，可记录极大的效率提高。优选地，发光二极管芯片具有不超过500μm、特别优选100μm的边长。

根据至少一个实施方式，在半导体层序列的设置有钝化层的侧面上从而在外延的半导体层序列和钝化层的边界面处存在半导体化合物材料的氮化物。换言之，存在半导体化合物材料与氮的键合。

根据一个优选的实施方式，外延的半导体层序列基于iii/v族半导体化合物材料。

iii/v族半导体化合物材料特别优选是磷化物半导体化合物材料。磷化物半导体化合物材料是包含磷的半导体化合物材料。

在一个优选的实施方式中，iii/v族半导体化合物材料是由体系inxalyga1-x-yp构成的磷化物半导体化合物材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1。尤其是，外延生长的半导体层序列具有所述材料之一或由所述材料之一构成。有利地，具有e°＝-2.7v的标准电极电势的镁与铝、镓、磷和铟相比具有对氧更高的亲和力。例如，铝具有e°＝-1.66v的标准电极电势。在将包括氮化镁或由其构成的层施加在半导体层序列的侧面上之后，发生inxalyga1-x-yp的氮化，以在外延的半导体层序列的侧面上形成铟氮键、铝氮键、镓氮键和/或磷氮键。同时，在包含氮化镁的层中形成氧化镁并且得到钝化层，所述钝化层包括氮化镁和氧化镁或者由其构成。这样，在带隙中的通过氧结合于镓、铟、磷和/或铝，尤其通过氧结合于铝得到的中间状态可以被避免或减少。由此，发光二极管芯片有利地具有非常高的效率。

根据至少一个实施方式，外延的半导体层序列在与钝化层的边界面处具有铟氮键、铝氮键、磷氮键和/或镓氮键。

钝化层优选具有在1nm和1000nm之间的层厚度，优选在5nm和100nm之间的层厚度，其中包括边界值。

效率提高在侧面与光出射面的比值相对高的发光二极管芯片的情况下是特别有效的。发光二极管芯片的侧面与光出射面的比值优选为至少0.01。

根据至少一个实施方式，在钝化层之上设置有保护层，所述保护层包括氮化硅或由其构成，尤其包括si3n4或由其构成。由此，保护发光二极管芯片免受氧气和/或湿气。

根据至少一个实施方式，保护层具有从1nm到1000nm、优选从5nm到100nm的层厚度，其中包括边界值。

提出一种用于制造发光二极管芯片的方法。发光二极管芯片的所有特征也适合于用于制造发光二极管芯片的方法，反之亦然。

用于制造发光二极管芯片的方法包括如下步骤，优选以所说明的顺序包括如下步骤：

a)提供外延生长的半导体层序列，所述半导体层序列具有有源区，所述有源区适合于产生电磁辐射，

b)将包括氮化镁或由其构成的层施加到外延的半导体层序列的侧面上。尤其是，该层施加为，使得该层至少侧向地覆盖外延的半导体层序列的有源区。

d)将在步骤b)中制造的由半导体层序列和包括氮化镁的层构成的复合件回火，以形成包括氧化镁和氮化镁的钝化层。用于回火的温度优选在100℃和800℃之间，其中包括边界值。

在步骤d)中的回火期间，发生外延的半导体层序列的半导体化合物材料的氮化，在所述外延的半导体层序列之上已施加包括氮化镁或由其构成的层。由于镁与在半导体化合物材料中包含的元素相比具有对氧更高的亲和力，所以尤其发生氧和氮的交换，并且在与外延的半导体层序列的边界面处替代半导体化合物材料与氧的键合而构成与氮的键合。同时，在包含氮化镁的层中形成氧化镁，并且得到钝化层，所述钝化层包括氮化镁和氧化镁或者由其构成。此外，氧和氮的交换通过氧化镁与氮化镁相比更高的稳定性来促进。

根据该方法的至少一个实施方式，半导体层序列的侧面的至少一部分通过刻蚀、尤其通过干刻蚀产生。这也可以称作台面刻蚀。半导体层序列的侧面首先可以部分地通过刻蚀产生，而侧面的另一部分可以通过其他分离工艺、如例如折断、锯割或激光切割来制造。特别优选地，半导体层序列的有源区通过刻蚀分离。

根据至少一个实施方式，外延的半导体层序列基于磷化物半导体化合物材料，并且在步骤d)中在半导体层序列与钝化层之间的边界面处形成铟氮键、磷氮键、铝氮键和/或镓氮键。尤其是，在步骤d)之后，在半导体层序列和钝化层之间的边界面处不存在或几乎不存在铟氧键、磷氧键、铝氧键和/或镓氧键。

根据至少一个实施方式，在步骤b)中通过溅射施加氮化镁。

根据至少一个实施方式，在步骤b)中将氮化镁直接接触地施加到外延的半导体曾序列的侧面上。

根据至少一个实施方式，在步骤b)与步骤d)之间进行步骤c)：c)将保护层施加到如下层上，所述层包括氮化硅或由其构成，优选si3n4。如果进行步骤c)，那么将在步骤d)中将在步骤c)中制造的复合件回火。

附图说明

本发明的其他有利的实施方式和改进方案从下面结合附图所描述的实施例中得出。

在这些实施例和附图中，相同的、同类的或起相同作用的组成部分分别设有相同的附图标记。示出的元件以及其彼此间的大小关系并不应视为是合乎比例的。更确切而言，为了更好的理解，可以夸大地示出个别元件，尤其层厚度。

图1a和图1b示出不带钝化层的发光二极管芯片。

图2a至2f示意性地示出用于制造发光二极管芯片的方法。

图3示出发光二极管芯片的示意性侧视图。

具体实施方式

根据图1a的发光二极管芯片具有外延生长的半导体层序列1。外延的半导体层序列1包括有源区2，该有源区设计用于，在发光二极管芯片运行中产生电磁辐射s。外延的半导体层序列1优选基于式为inxalyga1-x-yp的磷化物半导体化合物材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1。半导体层序列1c的侧面通过干刻蚀产生。在此侧面1c的特征在于，所述侧面相对于发光二极管芯片的中轴线倾斜地构成。外延的半导体层序列1设置在衬底6上，所述衬底例如由gaas构成。尤其是，外延的半导体层序列1设置在衬底6的第一主面6a上，而在衬底的第二主面6b上设置有第二电接触部5。在半导体层序列1a的尤其也为光出射面的第一主面之上设置有第一电接触部4。例如，第一电接触部4是p型接触部并且第二电接触部5是n型接触部。

图1b示出处于运行中的在图1a中示出的发光二极管芯片。尤其通过刻蚀侧面1c，半导体材料化合物的晶体系统或晶体结构受干扰并且形成自由价或键合部位，其尤其通过氧饱和。尤其是，形成铝氧键，因为铝具有对氧特别高的亲和力。在发光二极管芯片的有源区2中，负载流子、即电子和正载流子、即空穴在发射电磁辐射s的条件下复合。在有源区的侧面上，增多地发生载流子的不发射辐射的复合ns。这归因于在带隙内形成中间状态，所述中间状态通过半导体化合物材料的借助氧饱和的自由键合部位形成。这导致发光二极管芯片的效率损失。尤其，当发光二极管芯片具有小的横向扩展时，该损失是大的。

在图2a至2f所示的方法中，首先提供外延生长的半导体层序列1，该半导体层序列具有有源区2。有源区2在此情况下适合于，在发光二极管芯片的运行中产生电磁辐射。半导体层序列1基于式为inxalyga1-x-yp的磷化物半导体化合物材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1。有源区2优选基于inxalyga1-x-yp，其中0<x<1，0<y<l和x+y<1，n型传导区7基于inxalyp，其中0<x<1，0<y<l和x+y＝1，和p型传导区8基于inxalyp，其中0<x<1，0<y<1和x+y＝1。半导体层序列1c的侧面通过干刻蚀产生。侧面1c相对于发光二极管芯片的中轴线倾斜地构成。尤其是，通过刻蚀侧面1c，中断或干扰半导体材料化合物的晶体系统，并且形成自由键合部位，所述自由键合部位通过氧饱和。尤其是，形成铟氧键、铝氧键、镓氧键和/或磷氧键。在有源区2a的侧面上，这通过在带隙内形成中间状态引起载流子的不期望的不发射辐射的复合。这在图2b的能量图表中说明。在那里，示出有源区2的半导体化合物材料的价带ev和导带ec的能量e和在价带和导带之间的带隙内通过镓氧键和铝氧键形成的中间状态。通过载流子的不发射辐射的复合造成的效率损失尤其在湿刻蚀和干刻蚀半导体层序列的侧面时确定。

在图2c所示的方法步骤中，将包括氮化镁10、优选mg3n2或者由其构成的层通过溅射整面地施加到外延的半导体层序列1的侧面1c和半导体层序列的第一主面1a上，尤其施加到光出射面上。尤其是，层10侧向地覆盖有源区2。在接下来的步骤中，如在图2d中所示的那样，可选地将保护层9施加在层10之上。将保护层9整面地施加在外延的半导体层序列1c的侧面和第一主面1a之上并且所述保护层包括氮化硅或由其构成。

在接下来的方法步骤中，在100℃到800℃、例如300℃的温度下将由外延的半导体层序列1、层10和保护层9构成的复合件回火。镁与在半导体化合物材料中包含的元素铝、铟、镓和磷相比具有对氧更高的亲和力。在回火期间，将外延的半导体层序列1的半导体化合物材料氮化，以形成铟氮键、铝氮键、镓氮键和/或磷氮键，在所述外延的半导体层序列之上设置有层10。同时，在层10中产生氧化镁，并且在回火期间由层10形成钝化层3，所述钝化层包括氧化镁和氮化镁或者由其构成，优选mgo和mg3n2(图2e)。有利地，这样能够避免或极大地减小在有源区2a的侧面处在带隙中的在图2b中示出的中间状态，由此提高在有源区2中载流子的发射辐射的复合从而提高发光二极管芯片的效率。

在另一步骤中，钝化层3和保护层9可以至少部分地从第一主面1a去除，例如通过刻蚀去除，和将第一电接触部4施加在第一主面1a上并且与所述第一主面直接机械和电接触，如在图2f中所示。

图3示出发光二极管芯片的一个实施方式。发光二极管芯片具有外延生长的半导体层序列1。外延的半导体层序列1包括有源区2，该有源区设计用于，在发光二极管芯片的运行中产生电磁辐射s，尤其具有大约620纳米的波长。外延的半导体层序列1优选基于式为inxalyga1-x-yp的磷化物半导体化合物材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1。有源区2优选基于inxalyga1-x-yp，其中0<x<1，0<y<l和x+y<1，n型传导区7基于inxalyp，其中0<x<1，0<y<l和x+y＝1，和p型传导区8基于inxalyp，其中0<x<1，0<y<1和x+y＝1。半导体层序列1c的侧面通过干刻蚀产生。在此，侧面1c的特征在于，所述侧面相对于发光二极管芯片的中轴线倾斜地构成。外延的半导体层序列1设置在衬底6上，所述衬底例如由gaas构成。尤其是，外延的半导体层序列1设置在衬底的第一主面6a上，而在衬底的第二主面6b上设置有第二电接触部5。在半导体层序列1a的尤其也为光出射面的第一主面之上设置有第一电接触部4。第一电接触部4是p型接触部而第二电接触部5是n型接触部。在外延的半导体层序列的侧面1c上和在半导体层序列的第一主面1a的一部分上设置有钝化层3，所述钝化层包括氧化镁和氮化镁或者由其构成。尤其是，钝化层3在有源区2a的侧面之上延伸。钝化层3例如具有50nm的层厚度。在半导体层序列1和钝化层3的边界面处存在铟氮键、铝氮键、镓氮键和/或磷氮键。

本发明并不因根据实施例的描述而限于此。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使这些特征或组合本身并未明确地在权利要求或实施例中予以说明时也如此。

附图标记列表：

1外延的半导体层序列或外延生长的半导体层序列

1a半导体层序列的第一主面或光出射面

1b半导体层序列的第二主面

1c半导体层序列的侧面

2有源区

2a有源区的侧面

3钝化层

4第一电接触部

5第二电接触部

6衬底

6a衬底的第一主面

6b衬底的第二主面

7n型传导区

8p型传导区

9保护层

10包括氮化镁的层

s电磁辐射

e能量

ec价带的能量

ec导带的能量

ns不发射辐射的复合