具有吸收层的发光半导体器件的制作方法
【专利摘要】提出一种发射辐射的半导体器件(1)，所述半导体器件具有半导体本体，所述半导体本体具有半导体层序列(2)，其中半导体层序列具有吸收区域(3)和设置用于产生峰值波长在近红外光谱范围中的辐射的有源区域(20)，其中吸收区域至少部分地吸收短波长的辐射份额，所述短波长的辐射份额具有小于峰值波长的极限波长。
【专利说明】
具有吸收层的发光半导体器件
技术领域
[0001 ]本发明设计一种发射辐射的半导体器件。
【背景技术】
[0002]对于不同的应用而言，如下发射辐射的半导体器件，例如发光二极管是所期望的，所述半导体器件在红外光谱范围中发射辐射。已表明:在近红外、例如在850nm的发射波长下发射辐射的器件中能够具有短波长的辐射份额，所述短波长的辐射份额还是能够由人眼感觉到的。为了避免这种辐射份额，将被放射的辐射的峰值波长朝更大的波长移动。然而，常规的硅检测器的灵敏度对于850nm之上的波长而言下降，使得难以检测该波长之上的辐射。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是:提出一种半导体器件，所述半导体器件的所发射的辐射可简单地检测并且同时人眼不能够感觉到。
[0004]该目的尤其通过根据权利要求1的半导体器件来实现。其他的设计方案和有利方案是从属权利要求的主题。
[0005]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，半导体器件具有半导体本体，所述半导体本体具有半导体层序列。半导体层序列包括设置用于产生辐射的、尤其用于产生峰值波长在近红外光谱范围中的辐射的有源区域。在有疑问的情况下将近红外光谱范围理解为波长在0.78μπι和1.5μπι之间的范围，其中包括边界值。优选地，峰值波长位于830nm和920nm之间、尤其优选位于830nm和860nm之间，其中包括边界值。
[0006]在垂直于半导体本体的半导体层序列的主延伸平面伸展的竖直方向上，半导体本体例如在辐射出射面和与辐射出射面相对置的后侧之间延伸。发射辐射的半导体器件例如具有载体，在所述载体上设置有半导体本体。
[0007]半导体本体例如具有第一半导体区域，所述第一半导体区域在辐射出射面和有源区域之间延伸。此外，半导体本体例如具有第二半导体区域，所述第二半导体区域在有源区域和后侧之间延伸。第一半导体区域和第二半导体区域适当地至少在邻接于有源区域的区域中关于传导类型彼此不同，使得有源区域位于pn结中。
[0008]例如，第一半导体区域至少局部是η型的而第二半导体区域至少局部是P型的或者相反。第一半导体区域和第二半导体区域尤其没有有源区域。
[0009]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，半导体本体具有吸收区域。也就是说，吸收区域是半导体本体的一部分。特别地，在吸收区域和有源区域之间仅存在半导体本体的半导体材料。吸收区域尤其设置用于至少部分地吸收具有如下极限波长的短波长的辐射份额，所述极限波长小于由有源区域发射的辐射的峰值波长。
[0010]也就是说，具有小于或等于极限波长的波长的辐射至少部分地被吸收。吸收区域适当地构成为，使得具有峰值波长的辐射的吸收系数为具有极限波长的辐射的吸收系数的至多50%、优选至多20%、最优选10%。
[0011 ] 极限波长和峰值波长之间的间距例如为至少20nm并且至多lOOnm。
[0012]在发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式中，半导体器件具有半导体本体，所述半导体本体具有半导体层序列，其中半导体层序列具有设置用于产生峰值波长在近红外光谱范围中的辐射的有源区域和吸收区域，其中吸收区域至少部分地吸收具有如下极限波长的短波长的辐射份额，所述极限波长小于峰值波长。
[0013]也就是说，发射辐射的半导体器件具有集成到半导体本体中的吸收区域，所述吸收区域至少部分地吸收短波长的、尤其对于人眼而言可见的辐射份额。也就是说，可见光谱范围中的所不期望的辐射份额借助于吸收区域至少被抑制到这种程度，使得该辐射份额不再能够由人眼感觉到。借助于这种吸收区域即使在离人眼的感觉极限相对近的峰值波长中、例如在850nm的峰值波长中也能够避免人眼能够感觉到短波长的辐射份额。也就是说，发射辐射的半导体器件能够相对简单地提供可检测的辐射，例如可借助于常规的硅检测器提供可检测的辐射，而不出现在可见光谱范围中的干扰性的辐射份额。能够弃用用于抑制这种可见的光谱份额的施加在半导体本体之外的滤波元件或滤波层。特别地，吸收区域在例如外延沉积半导体本体的半导体层时就已经构成。
[0014]根据半导体器件的至少一个实施方式，用于具有极限波长的辐射的吸收区域具有至少5000/cm、优选至少10000/cm的吸收系数。在吸收系数为10000/cm的情况下，厚度为10nm的层例如使得射到其上的辐射在简单地垂直横越时引起所述辐射的10%消光。由于半导体材料的相对高的折射率，在有源区域中产生的辐射通常在辐射从半导体本体中射出之前多次穿过半导体本体进而也穿过吸收区域。也就是说，通过集成到半导体本体中的吸收区域，即使在例如10nm的极其小的厚度中也能够实现对可见光谱范围中的所不期望的辐射份额的有效吸收，而在此不显著地损害具有峰值波长的辐射。
[0015]根据半导体器件的至少一个实施方式，极限波长小于或等于820nm。极限波长越大，人眼能够感觉到由有源区域发射的辐射的短波长的辐射份额的危险就越小。
[0016]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域具有至少一个层，所述层的掺杂浓度至多为设置在吸收区域和有源区域之间的半导体材料的掺杂浓度的一半高。掺杂浓度越低，吸收边沿、即辐射在其中被吸收的波长范围和辐射在其中被透射的波长范围之间的过渡就越陡。
[0017]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域名义上是未掺杂的。这种吸收区域的特征能够在于尤其陡的吸收边沿。
[0018]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，半导体器件具有用于外部电接触半导体器件的第一接触部和第二接触部。例如，第一接触部设置用于电接触第一半导体区域而第二接触部设置用于电接触第二半导体区域，使得载流子能够通过第一半导体区域或第二半导体区域从不同的侧注入到有源区域中并且在那里重组以发射辐射。
[0019]根据半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域设置在第一接触部和第二接触部之间的伸展穿过有源区域的电流路径之外。换而言之，载流子注入绕开吸收区域进行。吸收区域本身因此也能够具有相对小的电导率并且例如名义上是未掺杂的。
[0020]吸收区域例如具有至少一个留空部，在所述留空部中，设置在吸收区域和有源区域之间的半导体层邻接于第一接触部或第二接触部。也就是说，吸收区域仅局部地覆盖设置在有源区域和吸收区域之间的半导体层。留空部例如能够框架状地环绕吸收区域。替选地或补充地，吸收区域能够具有留空部，所述留空部在横向方向上沿着留空部的整个环周由吸收区域的材料包围。
[0021]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域设置在第一接触部和第二接触部之间的伸展穿过有源区域的电流路径中。也就是说，在运行时至少一种载流子类型穿过吸收区域注入到有源区域中。在这种情况下，吸收区域适当地构成为是能导电的。特别地，吸收区域具有与邻接于吸收区域的半导体材料相同的传导类型。
[0022]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，半导体本体、尤其有源区域基于砷化物半导体材料。
[0023]“基于砷化物半导体”在本文中表示:有源的外延层序列或者其至少一个层包括砷-1I1-V族化合物半导体材料，优选包括AlnGamImtmAs，其中O < η < I，0 < m < I并且n+m <
I。在此，该材料不必强制性地具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成成分，所述掺杂材料以及附加的组成成分基本上不改变AlnGamInmAs材料的特征性的物理特性。然而为了简单起见，上式仅包含晶格的主要组成成分(Al，Ga，In，As)，即使这些组成成分能够部分地通过少量其他物质取代时也是如此。
[0024]借助该材料体系，能够以简单且可靠的方式以高的量子效率产生峰值波长在近红外光谱范围中的辐射。
[0025]根据半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域基于砷化物半导体材料。吸收区域例如包含AlxGa1-xAs，其中0.01 < x < 0.1。铝含量越大，带隙就越大从而被吸收的辐射的与带隙相对应的极限波长就越小。
[0026]特别地，吸收区域包含在0.03和0.07之间的Al含量，其中包括边界值。在铝含量为
0.07的情况下，带隙例如为1.51eV，这对应于820nm的极限波长。
[0027]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域具有量子结构，所述量子结构具有至少一个量子层。
[0028]术语量子结构在本申请的范围中尤其包括如下结构，其中载流子能够通过限域(“confinement”)经受其能量状态的量子化。特别地，术语量子结构不包含任何关于量子化维度的说明。由此，所述量子结构还包括量子阱、量子线和量子点以及这些结构的任意组入口 ο
[0029]在吸收区域中通过辐射吸收产生的载流子对能够由量子结构捕获并且在量子层中发射辐射，所述辐射的峰值波长小于被吸收的辐射的波长。由此，降低在有源区域中通过吸收辐射产生的电子空穴对的重组弓I起发射在可见光谱范围中的辐射的危险。
[0030]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，吸收区域设置在半导体本体的辐射出射面和有源区域之间。也就是说，在有源区域中产生的辐射必须在其能够射到半导体本体的辐射出射面上之前至少横越吸收区域一次。
[0031]根据发射辐射的半导体器件的至少一个实施方式，半导体器件构成为薄膜半导体芯片，其中半导体本体借助于材料配合的连接固定在载体上并且移除用于半导体本体的半导体层序列的生长衬底。尤其金属的镜层例如设置在载体和半导体本体之间。镜层适当地对于在有源区中产生的辐射具有高的反射率，例如对于具有峰值波长的辐射具有至少60 %的反射率。例如金在红外光谱范围中表现出高的反射率。在薄膜半导体芯片中，尤其为了提高穿过辐射出射面的辐射份额而降低侧向射出的辐射份额。
【附图说明】
[0032]其他特征、设计方案和有利方案从接下来对附图中的实施例的描述中得出。
[0033]附图示出:
[0034]图1至3分别示出发射辐射的半导体器件的实施例的示意剖面图。
[0035]相同的、相类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。
[0036]附图和在附图中示出的元件彼此间的大小关系不能够视为是合乎比例的。更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解能够夸大地示出各个元件并且尤其是层厚度。
【具体实施方式】
[0037]在图1中示出发射辐射的半导体器件的第一实施例。半导体器件I包括具有半导体层序列2的半导体本体。半导体本体2在垂直于半导体本体的半导体层的主延伸平面伸展的竖直方向上在辐射出射面201和与辐射出射面相对置的后侧202之间延伸。半导体本体仅在辐射出射面和后侧之间具有半导体层序列的半导体材料、尤其外延沉积的半导体材料。
[0038]半导体本体2还包括设置用于产生近红外中的辐射的有源区域20。有源区域20优选设置用于产生具有如下峰值波长的辐射，所述峰值波长在830nm和920nm之间，尤其优选在830nm和870nm之间，例如为850nm。有源区域20例如包含多重量子讲结构(multi quantumwell，MQW)，所述多重量子阱结构基于砷化物半导体材料。
[0039]第一半导体区域21在有源区域20和辐射出射面201之间延伸。第二半导体区域22在有源区域20和后侧202之间延伸。第一半导体区域和第二半导体区域关于传导类型至少在邻接于有源区域20的一侧上彼此不同，使得有源区域20位于pn结中。具有半导体层序列2的半导体本体还包括吸收区域3。在所示出的实施例中，吸收区域3在第一半导体区域21中构成。也就是说，吸收区域设置在前侧和有源区域20之间。
[0040]吸收区域3设置用于至少部分地吸收由有源区域产生的辐射的短波长的辐射份额，所述辐射也就是与极限波长相比具有更小波长的辐射。也就是说，吸收区域3确定半导体器件I的发射光谱的短波长的边沿。
[0041]极限波长优选位于SOOnm和820nm之间，其中包括边界值。优选地，极限波长比在有源区域20中产生的辐射的峰值波长小至少20nm、尤其优选小至少30nm。极限波长和峰值波长之间的差越大，吸收区域3也吸收所期望的辐射份额的危险就越小。
[0042]半导体器件还包括用于外部电接触第一半导体区域21的第一接触部51和用于外部电接触第二半导体区域22的第二接触部。
[0043]吸收区域3在所示出的实施例中设置在第一半导体区域21的连接层210和第一半导体区域的半导体层211之间。
[0044]连接层210被强掺杂，例如具有至少IX 1018cm—3的掺杂浓度。由此简化至第一接触部51的欧姆接触的建立。
[0045]吸收区域3优选具有比连接层210和半导体层211更小的掺杂浓度。优选地，吸收区域的掺杂浓度至多为连接层的掺杂浓度的一半大。尤其优选地，吸收区域的掺杂浓度为连接层的掺杂浓度的至多20%、最优选至多10%。掺杂浓度越小，在极限波长的范围中的吸收边沿就会越陆。
[0046]在所示出的实施例中，吸收区域3位于第一接触部51和第二接触部52之间的电流路径中，所述第一接触部和第二接触部分别设置用于电接触半导体器件I。位于电流路径中的吸收区域适当地通过与邻接的半导体材料、例如第一半导体区域21的半导体材料相同的电荷类型来掺杂。因此，吸收区域3的掺杂浓度尤其高，使得吸收区域的电阻不妨碍进入到有源区域20中的载流子注入。
[0047]半导体器件I构成为半导体芯片、尤其构成为薄膜半导体芯片。具有半导体层序列2的半导体本体设置在与生长衬底不同的载体4上并且借助于连接层42机械地并且尤其也导电地连接。
[0048]在载体4和具有半导体层序列2的半导体本体之间设置有镜层41，所述镜层设置用于:使由有源区域朝向载体4放射的辐射朝向辐射出射面201偏转。在薄膜半导体芯片中，背离载体的辐射出射面形成主辐射出射面，在运行时产生的辐射的至少50%穿过所述辐射出射面射出。吸收区域3位于辐射出射面201和有源区域20之间，使得辐射在其能够从辐射出射面201中射出之前必须至少穿过吸收区域3—次。
[0049 ]由于砷化物半导体材料的相对大的折射率，辐射出射面201处的相对于周围环境、例如空气或邻接的封装材料的折射率突变大至使得显著的辐射份额在辐射出射面201处全反射进而在辐射从半导体器件I中射出之前多次横越吸收区域3。由此，在相对薄的吸收区域3中就已经整体上实现短波长的辐射份额的强烈衰减。AlGaAs例如对于波长对应于带隙的辐射具有大约10000/cm的吸收系数。因此，在厚度为10nm的吸收区域中就已经在辐射垂直穿射时吸收射到吸收区域上的辐射的至少10%。显然，吸收区域的厚度也能够不同于lOOnm。吸收区域的厚度例如在50nm和500nm之间，其中包括边界值。
[0050]吸收区域3包含III族化合物半导体材料，尤其砷化物半导体材料，所述III族化合物半导体材料关于带隙构成为，使得极限波长对应于带隙。Al0.Q7Ga0.93As例如具有对应于820nm的波长的带隙。也就是说，波长小于820nm的辐射被有效地吸收，而具有波长更大的辐射被透射。
[0051]优选地，至少吸收区域的层中的铝含量在0.03和0.07之间，其中包括边界值。
[0052]也就是说，借助集成到半导体本体中的吸收区域在外延沉积半导体本体的半导体层序列时就已经能够实现:具有在近红外中的相对短的波长、例如具有850nm的波长的半导体器件也不发射在可见的光谱范围中的辐射或至少仅发射在可见光谱范围中的显著降低的辐射份额。
[0053]能弃用用于抑制这种短波长的辐射份额的附加的过滤元件，所述过滤元件设置在半导体器件下游。此外，峰值波长不必须朝更大的波长、例如超过900nm的波长移动，使得具有峰值波长的辐射能够有效地通过常规的硅检测器来接收。
[0054]显然，集成到半导体芯片中的、尤其半导体本体中的吸收区域3也适合于不构成为薄膜半导体芯片的半导体芯片。在这种情况下，载体4能够是生长衬底。在这种情况下不需要载体和具有半导体层序列2的半导体本体之间的连接层。镜层41能够被省去或者借助于集成到半导体本体2中的布拉格镜形成。
[0055]第一接触部51和第二接触部52的设置也可在宽的界限中选择，只要能够通过在这些接触部之间施加电压将载流子从不同的侧注入到有源区域20中并且在那里重组以发射辐射。
[0056]在图2中示出的半导体器件的第二实施例基本上对应于结合图1所描述的第一实施例。与其不同的是，吸收区域3设置在电流路径之外，所述电流路径在第一接触部51和第二接触部52之间伸展穿过有源区域20。也就是说，在这种情况下，吸收区域3与其电特性无关地构成并且尤其也能够在名义上以未掺杂的方式或者至少以仅弱掺杂的方式构成，例如以至多I X 116Cnf3的掺杂浓度构成。因此能够简化地实现在极限波长的范围中尤其陡的吸收边沿。
[0057]在所示出的实施例中，吸收区域3形成辐射出射面201。在吸收区域3和有源区域20之间设置有第一半导体区域21。第一半导体区域21借助于吸收区域3中的留空部35对于第一接触部51而言是可接近的。在所示出的实施例中，留空部是框架状地或环形地围绕吸收区域3伸展的留空部。但是与其不同的是，留空部也能够在横向方向上沿着整个环周由吸收区域3的材料包围并且例如在半导体器件I的俯视图中居中地设置。
[0058]尽管如此，但是根据该第二实施例的设计方案相对于第一实施例需要附加的制造步骤以便局部地露出第一半导体区域21，例如借助于湿化学或干化学刻蚀。然而因为吸收区域3位于电流路径之外，所以该吸收区域也能够通过未掺杂的或至少仅低掺杂的半导体材料构成和/以相对大的厚度构成，而不损害半导体器件的电特性。通过这种弱掺杂的吸收区域3能够构成尤其陡的吸收边沿，使得一方面不吸收具有峰值波长的辐射并且能够以高的效率吸收可能能够由人眼感觉到的辐射。
[0059]图3中示出的第三实施例基本上对应于结合图2所描述的第二实施例。与其不同的是，吸收区域3具有量子结构30。量子结构示例地具有两个量子层31，所述量子层设置在阻挡层32之间。然而，量子层的数量可在宽的界限中变化并且例如能够在I和30之间变化，其中包括边界值。通过吸收由有源区域20在运行时产生的辐射，在吸收区域3中生成的电子空穴对能够在量子层31中被捕获并且在那里重组以发射辐射。如此再发射的辐射与在吸收区域3中、尤其在吸收区域3的阻挡层32中被吸收的辐射相比具有更大的波长，使得该辐射份额对于人眼是无法感觉到的进而不起干扰作用，即使其从半导体器件I中射出也如此。
[0060]这种量子层30显然也能够在结合图1所描述的第一实施例中应用在吸收区域3中。[0061 ] 本申请要求德国专利申请10 2013 112 740.1的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
[0062]本发明不受限于根据所述实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的每个组合，这尤其包含权利要求中的特征的每个组合，即使该特征或该组合本身没有在权利要求或实施例中明确地说明时也是如此。
【主权项】
1.一种发射辐射的半导体器件(I)，所述半导体器件具有半导体本体，所述半导体本体具有半导体层序列(2)，其中所述半导体层序列具有吸收区域(3)和设置用于产生峰值波长在近红外光谱范围中的辐射的有源区域(20)，其中所述吸收区域至少部分地吸收短波长的辐射份额，所述短波长的辐射份额具有小于所述峰值波长的极限波长。2.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体器件， 其中用于具有所述极限波长的辐射的吸收区域具有至少5000/cm的吸收系数。3.根据权利要求1或2所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述极限波长小于或等于820nm。4.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域具有至少一个层，所述层的掺杂浓度至多为设置在所述吸收区域和所述有源区域之间的半导体材料的掺杂浓度的一半高。5.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域在名义上是未掺杂的。6.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述半导体器件具有用于外部电接触所述半导体器件的第一接触部(51)和第二接触部(52)，并且所述吸收区域设置在所述第一接触部和所述第二接触部之间的伸展穿过所述有源区域的电流路径之外。7.根据权利要求6所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域具有至少一个留空部(35)，在所述留空部中，设置在所述吸收区域和所述有源区域之间的半导体层邻接于所述第一接触部或所述第二接触部。8.根据权利要求1至5中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述半导体器件具有用于电接触所述半导体器件的第一接触部(51)和第二接触部(52)，并且所述吸收区域设置在所述第一接触部和所述第二接触部之间的伸展穿过所述有源区域的电流路径中。9.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述有源区域包含AlxInyGa1-x—yAs，其中l，0<y< I和x+y< I。10.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域包含AlxGa1-xAs，其中0.0I < X < 0.1。11.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域包含AlxGapxAs，其中0.03 ^xS0.07。12.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域具有量子结构(30)，所述量子结构具有至少一个量子层(31)。13.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述吸收区域设置在所述半导体本体的辐射出射面(201)和所述有源区域之间。14.根据上述权利要求中任一项所述的发射辐射的半导体器件， 其中所述半导体器件是薄膜半导体芯片，其中所述半导体本体借助于材料配合的连接固定在载体上，并且用于所述半导体本体的所述半导体层序列的生长衬底被移除。
【文档编号】H01L33/44GK105849917SQ201480063386
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年11月13日
【发明人】伊瓦尔·通林, 彼得鲁斯·松德格伦
【申请人】欧司朗光电半导体有限公司