發光二極體晶片的製作方法

2023-07-07 15:46:21

專利名稱：發光二極體晶片的製作方法
發光二極體晶片發光二極體晶片的光產出受不同的因素影響。藉助發光二極體晶片的合適的電接 觸，可以實現良好的內部量子效率。而同時接觸是所產生的輻射的可能的吸收源。這導致 限制耦合輸出效率並且由此限制了發光二極體晶片的光產出。一個要解決的任務在於提高發光二極體晶片的光產出。提出了一種帶有半導體層序列的發光二極體晶片，該半導體層序列具有用於產生 電磁輻射的有源區。為了產生輻射，電接觸半導體層序列。在半導體層序列上施加有電流 擴展層，其藉助接觸部來電接觸。例如，接觸部覆蓋電流擴展層的-8%，特別優選地接 觸部覆蓋電流擴展層的2% -4%。在通過電流擴展層接觸半導體層序列時，可以實現特別均勻的電流分布。輻射在 接觸部上的吸收通過小的接觸面積來最小化。-8%並且尤其是2% -4%的覆蓋率是在 足夠的電流輸送與合理的吸收之間的良好的折衷。在此情況下，半導體層序列的表面覆蓋率涉及至電流擴展層的界面上的接觸部的 橫截面積之和。載流子通過接觸部注入到電流擴展層中並且橫向上均勻地分布在電流擴展層中。 載流子從電流擴展層進入半導體層中。P摻雜的半導體層通常具有僅僅小的橫嚮導電性並 且因此只能實現載流子的不充分的橫向分布。因此，在此特別有利的是，在載流子被注入到 半導體層中之前，載流子藉助電流擴展層橫向均勻地分布。優選地，接觸部均勻地分布在電流擴展層的面上。由此形成了載流子在電流擴展層中的特別均勻的橫向分布。在一個有利的實施形式中，接觸部實施為分離的接觸點。當接觸部僅僅點狀地覆 蓋電流擴展層時，接觸部稱作接觸點。優選地，接觸點均勻地分布在電流擴展層的面上。在一個優選的實施形式中，相鄰的接觸點以小於30 μ m、尤其是小於或等於12 μ m
的間隔設置。例如，接觸部設置在規則的格柵的節點上。優選地，格柵的格柵常數小於30 μ m。 特別有利的是，格柵常數小於或者等於12 μ m。在此，格柵常數對應於相鄰的接觸點的距離。優選地，各個接觸點的橫截面隨著減 小的格柵常數而同樣減小。由此保證了，即使在較小的格柵常數的情況下，這些接觸部總體 上僅覆蓋電流擴展層的面積的-8%並且優選僅僅2% -4%。接觸點的面積直接由接觸 距離和平均表面覆蓋率得到。在一個有利的構型中，在電流擴展層和接觸部之間的界面上構建有自由區域，在 該自由區域中電流擴展層並不被接觸部覆蓋。自由區域的表面覆蓋率例如與接觸部的表面 覆蓋率大小相似。如果接觸部設置在規則的格柵的節點上，則格柵的在自由區域中的節點 沒有接觸部。例如，在此情況下自由區域與電流擴展層的如下區域大小相同在該區域中格 柵的節點沒有接觸部。在一個實施形式中，自由區域具有框架形狀並且包圍接觸部。例如， 框架區段的寬度在至少1 μ m到最大10 μ m的範圍中。
自由區域優選構建在所產生的輻射的特別大的部分所射入的區域中，因為由此可 以特別有效地減少輻射的吸收。在半導體層序列的有源區的中央區域中產生輻射的最大部 分。所以，特別多的輻射射到電流擴展層的垂直地位於該中央區域之下的區域上。因此，在 那裡構建自由區域是特別有利的。自由區域的面積優選選擇為使得保證儘可能均勻的電流 分布。在一個實施形式中，接觸部構建為使得其導熱性隨著距半導體層序列增加的距離 而增加。由此可以實現的是，接觸部將有源區中產生的熱良好地導出，而其不會導致對輻 射的高吸收。在半導體層序列附近，接觸部具有對於所產生的輻射的低的吸收能力。這通 常伴隨有低的導熱性。例如，在至電流擴展層的邊界處的接觸部被鏡面化。隨著距半導體 層序列增加的距離，由於輻射的反射和吸收，更小部分的輻射射到接觸部或者發光二極體 晶片的其他組成部分上。因此，在此在該擴展方案中，接觸部較少地需要顧及輻射的吸收並 且可以使接觸部在其導熱性方面進行優化。導熱性隨著距半導體層序列增加的距離而提高例如可以通過增加接觸部的橫截 面積來實現。例如，接觸部具有錐形形狀。優選地，介電層與電流擴展層的背離半導體層序列的側鄰接。由於介電層僅僅具 有低的導電性，所以接觸部穿過該介電層並且與電流擴展層電接觸。介電層用於將入射的輻射儘可能無損耗地向回反射到半導體層序列中。所反射的 輻射於是可以例如通過上部的耦合輸出區域離開發光二極體晶片。介電層因此提高了發光 二極體晶片的耦合輸出效率。這對於薄膜發光二極體晶片或在倒裝晶片結構中是特別有利 的。介電層例如實施為布拉格反射器，其中交替地設置有具有高的和低的折射率的介 電部分層。在一個有利的實施形式中，介電層具有特別低的折射率。由此，將輻射的儘可能大 的部分反射。例如，介電層包含低介電常數(low-k)材料或者超低介電常數(ultra low-k) 材料。介電層也可以是空氣層。這意味著接觸部可以至少局部地被空氣層包圍。在發光二極體晶片的一個實施形式中，金屬層位於介電層的背離半導體層序列的 側上。優選地，接觸部與金屬層鄰接。通過金屬層可以將輻射的未被介電層反射的部分向回反射到半導體層序列中。在一個實施形式中，發光二極體晶片具有導電的支承體。在此情況下，半導體層序 列可以藉助下部的接觸部來電連接，該下部的接觸部位於支承體的外側上。在此，載流子可 以通過下部的接觸部、支承體、金屬層、接觸部和電流擴展層注入到半導體層序列中。在發光二極體晶片的一個有利的實施形式中，電流擴展層構建為使得其吸收所產 生的輻射的儘可能小的部分。然而，在此必須保證均勻的電流分布。本發明人已確定具有厚度在IOnm到60nm的範圍中的電流擴展層是使吸收最小 化與使橫嚮導電性最大化之間的良好折衷。在此，電流擴展層的最佳厚度也取決於所使用的材料。例如，電流擴展層包含透明 導電氧化物(TCO)，如氧化銦(ITO)、氧化銦鋅(IZO)或者氧化鋅(ZnO)。優選地，ITO層具有至少15nm的厚度，IZO層具有至少30nm的厚度而ZnO層具有至少40nm的厚度。在發光二極體晶片的一個特別有利的實施形式中，接觸部的布置、接觸部的形狀、 電流擴展層的厚度和電流擴展層的厚度彼此相協調並且優化。例如可以在接觸部的較小的 間隔的情況下減小電流擴展層的厚度。在下面藉助示意性的並且不合乎比例的附圖
來闡述所提出的半導體晶片及其有 利的擴展方案。其中圖IA在橫截面中示出了帶有電接觸部的發光二極體晶片，接觸部與電流擴展層 鄰接，圖IB示出了帶有電接觸部的發光二極體晶片的另一實施形式，這些接觸部與電 流擴展層鄰接，圖2A在俯視圖中示出了規則的格柵，在該格柵的節點上設置有接觸點，圖2B在橫截面中示出了錐形的接觸部，其穿過介電鏡層引導，圖3A在曲線圖中示出了由於所產生的輻射在接觸部上的吸收引起的、與接觸部 的表面覆蓋率有關的損耗功率，圖3B在曲線圖中示出了由於接觸部的吸收和電阻引起的、與接觸部的表面覆蓋 率有關的損耗功率，圖4A在曲線圖中示出了對於不同的電流擴展層的接觸距離的優化，圖4B在曲線圖中示出了穿過介電層引導的與接觸距離有關的接觸部的熱阻，圖5在俯視圖中示出了用於將接觸部布置在規則的格柵的節點上的不同實施可 能性和所形成的耦合輸出效率，圖6A在曲線圖中示出了與TCO層的厚度有關的不同的TCO材料的橫嚮導電性，圖6B在曲線圖中示出了與TCO層的厚度有關的在不同的TCO材料和對於輻射的 不同波長的耦合輸出效率。圖IA示出了發光二極體晶片1，其具有半導體層序列2，該半導體層序列帶有用於 產生電磁輻射的有源區21。有源區21位於兩個半導體層22、23之間。在該實施例中，半導 體層23被ρ摻雜，半導體層22被η摻雜。半導體層22、23例如基於氮化鎵，有源區21基 於氮化銦鎵。半導體層21、22、23可以外延地生長並且優選具有小於20 μ m的、尤其是小於 ΙΟμπι的總厚度。尤其是，發光二極體晶片1可以是薄膜發光二極體晶片。為了電接觸發光二極體晶片，設置有上部接觸部61和下部接觸部62。例如，上部 接觸部61實施為接合墊並且與接合線連接(未示出)。下部接觸部62例如與電路板的印 制導線結構連接(未示出)。下部接觸部62設置在發光二極體晶片1的支承體6的外側上。支承體6是導電 的並且例如包括半導體材料，如矽、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵或者鍺。在一個可替選的實施形式中，支承體6也可以由不導電的材料構成。於是，接觸部 5優選穿過支承體6。藉助接觸部5建立在支承體6和半導體層序列2之間的電連接。接觸部5與電流 擴展層3鄰接，該電流擴展層與ρ摻雜的半導體層23鄰接。在另一實施形式中，接觸部5 也可以伸入到電流擴展層3中。
接觸部5均勻地分布到半導體層序列2的面上。兩個相鄰的接觸部5的距離a優 選小於24 μ m,特別優選小於12 μ m。電流擴展層3優選具有在IOnm到60nm的範圍中的厚度b。該電流擴展層包含透 明導電氧化物(TCO)，例如氧化銦(ITO)、氧化銦鋅(IZO)或者氧化鋅(ZnO)。電流擴展層3 例如濺射到半導體層23上。在電流擴展層3和支承體6之間存在介電層4，接觸部5穿過該介電層。介電層4 用於將入射的輻射向回反射到半導體層序列2中，使得輻射可以通過上部的耦合輸出區域 8離開發光二極體晶片1。介電層4例如包含二氧化矽。在另外的實施形式中，介電層4可 以包含具有特別低的折射率的材料。尤其是，介電層4也可以是空氣層。為了構建接觸部5，可以以光刻技術工藝將凹處引入到介電層4中並且以導電的 材料例如金屬填充。圖IB示出了用於發光二極體晶片1的另一實施形式。在此，構建有自由區域53， 在該自由區域中半導體層序列2並未被接觸部5覆蓋。自由區域53關於半導體層序列2 的面居中地設置。由於在有源區21的中央區域中也產生了輻射的最大部分，所以輻射大部 分射到那裡。通過自由區域52的中央設置，因此可以特別有效地降低輻射在接觸部5上的 吸收。此外，介電層4在中央區域中穿過電流擴展層3並且直接與ρ摻雜的半導體層23 鄰接。這導致恰好在該中央區域中降低了輻射在電流擴展層3中的吸收。介電層4朝著支承體6的方向通過金屬層63封閉。金屬層63適於將未被介電層 4反射的輻射向回反射到半導體層序列2中。金屬層63例如通過濺射、氣相澱積或者藉助 電鍍沉積施加到介電層4上。接觸部5與金屬層63電接觸。金屬層63通過另外的金屬層 64包覆。此外，在該實施例中將上側的耦合輸出區域8粗化。由此改進了耦合輸出效率。介 電層4也從側面設置在半導體層序列2上。這用於發光二極體晶片1的電絕緣。圖2A在俯視圖中示出了規則的格柵52，在該格柵的節點上設置有分離的接觸點 51形式的接觸部5。兩個相鄰的接觸點51的距離a對應于格柵52的格柵常數。圖2B在橫截面中示出了接觸部5，該接觸部穿過介電鏡層4並且具有錐形的形狀。 隨著距電流擴展層3增加的距離並且由此距半導體層序列2增加的距離，接觸部5的橫截 面積D增加。這導致接觸部5的導熱性隨著距電流擴展層3增加的距離而增加。在電流擴 展層3附近，接觸部5具有較小的橫截面積D並且由此具有對入射的輻射的較低的吸收能 力。圖3A和3B示出了接觸部關於其表面覆蓋率的優化。在圖3A中針對不同材料構成的接觸部54、55、56繪製了相對於接觸部的表面覆蓋 率B的、由於輻射在接觸部上的吸收引起的損耗功率PA。損耗功率Pa針對最優的銀接觸部 54、真實的銀接觸部55和具有1. Onm厚的由鈦構成的附著層的鋁接觸部56而計算。在真 實的銀接觸部55的情況下，與最優的銀接觸部54相比考慮的是，表面的粗糙度導致附加的 吸收損耗。從圖3A中得出，損耗功率Pa針對所有接觸材料54、55、56隨著增長的表面覆蓋率 B而增加。總之，輻射在最優的銀接觸部54上的吸收最小。對於真實的銀接觸部55而言得到略微較大的吸收，而對於具有鈦附著層的鋁接觸部56得到最大的吸收。在計算時假設的是，接觸部設置在具有12. 5μπι的格柵常數的規則格柵的節點 上。在有源區21中產生的輻射具有460nm的波長。在圖3B中繪製了發光二極體晶片的損耗功率PA+W，其由於輻射在接觸部上的吸收 和由於在電流擴展層和接觸部之間的電阻而形成。損耗功率PA+W作為接觸部的表面覆蓋率 B的函數來計算。在此，又考慮根據圖3A的由接觸材料構成的接觸部54、55、56。在此，也對於在表 面覆蓋率B的整個區域中的最佳的銀接觸部54得到最小的損耗功率PA+W，針對真實的銀接 觸部55得到略微較大的損耗功率PA+W，並且針對帶有鈦附著層的鋁接觸部56得到最大的損 耗功率PA+W。對於所有接觸材料54、55、56在表面覆蓋率在2%-4%的範圍中的情況下達到 損耗功率PA+W的最小值。由此，得到接觸部的表面覆蓋率的最佳的值。這些計算所基於的是2A/mm2的電流輸送以及由TCO層與接觸部構成的裝置的 5X 10,Ωm2的接觸電阻率ρκ。該裝置的接觸電阻由接觸電阻率和該裝置的基本面積之商 得到。通過預處理TCO層可以進一步降低接觸電阻。圖4Α示出了在接觸部的固定的表面覆蓋率的情況下相鄰接觸點的間距a的優化。 對此，計算與接觸距離a有關的、由P摻雜的氮化鎵層、TCO層和接觸部構成的裝置的接觸電 阻率P κ。考慮具有表面電阻Ps = 50、100、200、400、800、1200、1600和2000 0/89的不同 的TCO層31、32、33、34、35、36、37、38。表面電阻P s對應於薄的方形層的電阻，其中在兩個 電極之間出現電流流動，其中所述兩個電極設置在層的對置的邊緣上。為了清楚起見，Ps 是薄的方形層的表面電阻，通常得到單位Ω/sq。該計算針對接觸點而進行，接觸點設置在 具有格柵常數a的方形格柵的節點上。朝著小的接觸距離a，該裝置的接觸電阻率0￡逼近大約4Χ10_8Ωπι2的值。該值 對應於在半導體層和TCO層之間以及在TCO層和接觸部之間的接觸電阻率ρκ。對於較大 的接觸距離，接觸電阻率Pk由於TCO層中的電流擴展而升高。在此，接觸電阻率PkF應過大，因為否則影響發光二極體晶片的效率。發明人已 確定的是，Pk通過電流擴展應升高最大50%。這對應於大約6X 10_8 Ωm2的最大接觸電阻 率Pk，其通過圖4Α中的水平線39可看到。對於帶有表面電阻Ps = 800Q/Sq的TCO層 (曲線35)，由曲線35和最大接觸電阻率P κ39的切點得到大約12. 5 μ m的最大接觸距離
3- ο在圖4B中繪製了與接觸距離a有關的、具有穿通的接觸部的介電層構成的裝置的 熱阻RT。在根據圖IA的裝置中，在有源區21中產生的熱通過P摻雜的半導體層23、接觸部 5和支承體6導出。介電層4由於其低的導熱性而對熱的導出僅僅具有少量貢獻。例如，對 於由二氧化矽構成的介電層4，導熱性在lW/mK的範圍中。接觸部5優選具有高的導熱性。 對於銀接觸部得到大約400W/mK的導熱性。半導體層具有大約130W/mK的導熱性。在圖4B中計算了厚度為400nm(曲線41)、IOOOnm(曲線42)和2000nm(曲線43) 的二氧化矽構成的介電層的熱阻RT。接觸部的表面覆蓋率在此分別為半導體層的2.5%。 半導體層具有4ym的厚度。對於接觸距離a < 6 μ m分別得到在熱阻Rt中的穩定狀態，其基本上反映了接觸部的表面覆蓋率和導熱性。朝著更大的接觸距離，熱阻Rt由於半導體層中的熱擴展而增加。 在圖4A中導出的在12. 5μ m的範圍中的接觸距離a的情況下，針對真實的銀接觸部42和 帶有鈦附著層的鋁接觸部43，由於熱擴展引起的熱阻&的增加小於穩定狀態值的50%。由 此，證明12. 5 μ m的接觸距離a在導熱性方面也是有利的。圖5在俯視圖中示出了設置在規則的格柵52的節點上的接觸部的不同實施形式 91、92、93、94、95、96。在此，布置91和92具有相同的格柵常數，然而具有接觸部的不同的 表面覆蓋率。這同樣適用於布置93和94，以及布置95和96。所有接觸結構91-96都具有 自由區域53，在相鄰的節點上並不被接觸點51佔據。此外，示出了平面的接觸結構97，其 同樣具有自由區域53。對於所示的布置91-97，測量所發射的光功率P。在此，針對每個布置測量一系列 器件並且求平均值。測量結果以比例單位分別繪製在所示的布置91-97上方。在布置下 方，分別說明了介質、平均值和所測量的器件的數目。在圖5中表明的是，點狀的接觸結構 91-96的平均光功率P比平面接觸部97的光功率高大約30%。在所測量的布置中，接觸結構並不與電流擴展層相連，而是直接與半導體層相連。在圖6A中繪製出了與相應的層厚度b相關的、由ZnO 31、ITO 32和IZO 33構成 的電流擴展層的表面電阻ps。如從該圖中表明的那樣，對於所有TCO層31、32、33可以實 現在區域34中的在Ps = 800 Ω/sq的值周圍的表面電阻ρ s。藉助該表面電阻P s的值， 圖4A中得到了大約12. 5μπι的有利的接觸距離a。在圖6A中針對ZnO層31得到在40nm範圍中的最小厚度，針對ITO層32得到在 30nm範圍中的最小厚度，而針對IZO層33得到在15nm範圍中的最小厚度。圖6B示出了與TCO層的厚度b有關的、發光二極體晶片的耦合輸出效率E。在此， 考慮具有不同的TCO層和具有所產生的輻射的不同波長的發光二極體晶片。耦合輸出效 率 E 對於 ZnO 層(310、311、312)、ΙΤ0 層(320,321,322)和 IZO 層(330,331,332)和對於具 有波長為 440nm 的輻射(310,320,330)、460nm 的輻射(311、321、331)、530nm 的輻射(312、 322,332)而繪製。總之，耦合輸出效率E在ZnO層的情況下最大。在增加的層厚度b的情 況下，耦合輸出效率E降低。在輻射波長增加的情況下，耦合輸出效率E提高。附加地在此 記錄了由圖6A中確定的最小厚度313、323、324。本發明並未由於參照實施例的描述而局限於此。更確切地說，本發明包括任何新 的特徵以及特徵的任意組合，尤其是包含在權利要求中的特徵的任意組合，即使該特徵或 者組合本身並未明確地在權利要求或者實施例中予以說明。本專利申請要求德國專利申請102008021675. 5和102008035900. 9的的優先權，
其公開內容通過引用結合於此。
權利要求
一種發光二極體晶片，具有半導體層序列(2)，其具有用於產生電磁輻射的有源區(21)，電流擴展層(3)，其與半導體層序列(2)鄰接，接觸部(5)，其電接觸電流擴展層(3)，其中接觸部(5)覆蓋電流擴展層(2)的面積的至少1％到最多8％之間。
2.根據權利要求1所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)的導熱性隨著距半導體層 序列(2)增加的距離而增加。
3.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)的橫截面積(D)隨 著距半導體層序列(2)增加的距離而增大。
4.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)的導熱性隨著距半 導體層序列(2)增加的距離而增加，其中接觸部(5)的橫截面積(D)隨著距半導體層序列 (2)增加的距離而增大。
5.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)具有錐形形狀。
6.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)均勻地分布在電流 擴展層(3)的面上。
7.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中相鄰的接觸部(5)的距離小於 30 μ m0
8.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)由分離的接觸點(51)構成。
9.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)設置在規則的格柵(52)的節點上。
10.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中電流擴展層(3)具有在至少 IOnm到最大60nm的範圍中的厚度(b)。
11.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中電流擴展層(3)包含氧化銦 鋅並且具有至少15nm的厚度(b)。
12.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中電流擴展層(3)包含氧化銦 錫並且具有至少30nm的厚度(b)。
13.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中電流擴展層(3)包含氧化鋅 並且具有至少40nm的厚度(b)。
14.根據上述權利要求之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)穿過介電層(4)， 尤其是穿過空氣層。
15.根據權利要求1至14之一所述的發光二極體晶片，其中接觸部(5)與金屬層(63) 電連接，該金屬層朝著支承體(6)的方向封閉介電層(4)。
全文摘要
描述了一種具有半導體層序列(2)的發光二極體晶片(1)，該半導體層序列被接觸部(5)通過電流擴展層(3)電接觸。接觸部(5)覆蓋電流擴展層(2)的面積大約1％-8％。接觸部(5)例如由分離的接觸點(51)構成，它們設置在具有12μm的格柵常數的規則的格柵(52)的節點上。電流擴展層(3)例如包含氧化銦錫、氧化銦鋅或者氧化鋅，並且具有在15nm到60nm的範圍中的厚度。
文檔編號H01L33/40GK101971370SQ200980109040
公開日2011年2月9日 申請日期2009年4月28日 優先權日2008年4月30日
發明者卡爾·恩格爾, 盧茨·赫佩爾, 安德烈亞斯·魏瑪, 約翰內斯·鮑爾, 馬蒂亞斯·扎巴蒂爾 申請人:歐司朗光電半導體有限公司