光电子半导体器件及其制造方法

技术领域

本申请要求德国专利申请DE 10 2018 133 123.1的优先权，其公开内容通过参引结合于此。

背景技术

在发光二极管(“LED”，light emitting diode)中在台面的边缘处产生悬空键(“dangling bonds”)，其例如会造成载流子的非辐射复合。由于非辐射复合会减小光学效率。

因此也寻找可以减少非辐射复合的问题的设计。

发明内容

本发明基于的目的是，提供一种改进的光电子半导体器件以及一种用于制造光电子半导体器件的方法。

根据实施方式，所述目的通过独立权利要求的实体和方法来实现。有利的改进方案在从属权利要求中限定。

光电子半导体器件具有有源区，所述有源区包含用于构成量子阱结构的子层。在此，在量子阱结构之内的能量级差在光电子半导体器件的中央区域中比在光电子半导体器件的边缘区域中更小。

例如，由量子阱结构的子层在边缘区域中相对于中央区域较薄的层厚度引起不同的能量级差。

根据其他实施方式，光电子半导体器件具有有源区，所述有源区包含适合于构成量子阱结构的子层。在此，在有源区中在光电子半导体器件的中央区域中构成量子点结构，并且在光电子半导体器件的边缘区域中不构成量子点结构。

例如，用于构成有源区的子层在边缘区域中具有比在中央区域中更小的层厚度。

例如，用于产生有源区的子层在边缘区域中沿着与水平方向相交的方向构成。

根据实施方式，光电子半导体器件还具有第一导电类型的第一半导体层，和第二导电类型的第二半导体层。在此，有源区设置在第一和第二半导体层之间。

光电子半导体器件例如可以是发光二极管。光电子半导体器件然而也可以是转换器，其适合用于接收第一波长的电磁辐射，并且发射大于第一波长的第二波长的电磁辐射。

例如，光电子半导体器件的侧壁可以与水平方向相交。

根据其他实施方式，有源区的子层设置在梯形构成的衬底区域之上。

一种用于制造光电子半导体器件的方法包括：将生长衬底的第一主表面结构化，使得第一主表面具有水平区域和倾斜侧面。所述方法还包括在第一主表面之上外延生长半导体层结构，所述半导体层结构包含用于制造有源区的子层，所述有源区具有量子阱结构，使得层结构在倾斜侧面的区域中具有比在水平区域中更小的层厚度。

例如，半导体层结构的生长包括第一导电类型的第一半导体层的生长，用于制造有源层的子层的生长和第二导电类型的第二半导体层的生长。

用于产生有源区的层可以在倾斜侧面的区域中倾斜地构成。

根据实施方式，在倾斜侧面的区域中的量子阱结构与在水平区域中的量子阱结构相比具有能量级之间的更大的能量差。

根据其他实施方式，在水平区域中构成量子点，并且在倾斜侧面的区域中不构成量子点。

所述方法还能够包括在倾斜侧面的区域中将各个光电子半导体器件分割。

所述方法还可以包括将生长衬底移除或打薄。

光电子设备可以包含多个如上所述的光电子半导体器件。光电子设备例如可以是显示设备、投影仪或像素阵列。

附图说明

附图用于理解本发明的实施例。附图图解说明实施例并且与说明书一起用于阐述实施例。其他实施例和大量有意的优点直接从下面的细节描述中得出。在附图中示出的元件和结构不一定相对于彼此符合比例地示出。相同的附图标记参照相同的或彼此对应的元件和结构。

图1A示出光电子半导体器件的示意横截面视图用于阐述特征。

图1B示意地图解说明量子阱结构的能量级。

图1C示出根据实施方式的光电子半导体器件的示意横截面视图。

图1D示出根据其他实施方式的光电子半导体器件的示意横截面视图。

图2A至2D图解说明在制造根据实施方式的光电子半导体器件时的工件的横截面视图。

图3A至3D图解说明在制造根据其他实施方式的光电子半导体器件时的工件的横截面视图。

图4A和4B分别图解说明用于构成根据其他实施方式的光电子半导体器件的工件。

图5概括根据实施方式的方法。

图6示出根据实施方式的光电子设备的示意图。

具体实施方式

在下面的细节说明中参照附图，所述附图形成公开内容的一部分并且在所述附图中为了图解说明的目的示出特别的实施例。结合该上下文，方向术语如“上侧”、“底部”、“前侧”、“后侧”、“之上”、“上”、“前方”、“后方”、“前部”、“后部”等参照刚才描述的附图的定向。因为实施例的组件能够以不同取向定位，所以方向术语仅用于阐述而绝不理解为限制性的。

实施例的说明不是限制性的，因为也存在其他实施例并且可以进行结构的或逻辑的改变，而在此不偏离通过专利权利要求所限定的范围。尤其，在下面描述的实施例的元件可以与其他所描述的实施例的元件组合，只要在上下文中没有另作说明。

在下面的描述中所使用的术语“晶片”或“半导体衬底”可以包括任何基于半导体的结构，所述结构具有半导体表面。晶片和结构应理解为，其包含掺杂的和未掺杂的半导体，可能由基座承载的外延的半导体层，和其他半导体结构。例如，由第一半导体材料构成的层可以在由第二半导体材料或由绝缘材料构成的生长衬底上，例如在蓝宝石衬底上生长。生长衬底的材料的其他实例包括玻璃、二氧化硅、石英或陶瓷。

根据使用目的，半导体可以基于直接的或间接的半导体材料。例如，对于产生电磁辐射特别适合的半导体材料尤其包括：氮化物半导体化合物，通过所述氮化物半导体化合物例如可以产生紫外的、蓝色的或更长波长的光，如例如GaN、InGaN、AlN、AlGaN、AlGaInN、AlGaInBN；磷化物半导体化合物，通过所述磷化物半导体化合物例如可以产生绿色的或更长波长的光，如例如GaAsP、AlGaInP、GaP、AlGaP；以及其他半导体材料，如GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、SiC、ZnSe、ZnO、Ga

表述“衬底”通常包括绝缘的、导电的或半导体衬底。

表述“横向”和“水平”，如在本说明书中所使用的那样，应当描述基本上平行于半导体本体的衬底的第一表面伸展的取向或定向。这例如可以是晶片的或芯片(Die，管芯)的表面。

水平方向例如位于垂直于在层生长时的生长方向的平面中。例如，水平方向平行于衬底表面。

表述“竖直”，如在本说明书中所使用的那样，应当描述基本上垂直于半导体本体的或衬底的第一表面伸展的取向。竖直方向例如可以对应于在层生长时的生长方向。

在本说明书的上下文中，表述“电连接”表示在连接的元件之间的低欧姆的电连接。电连接的元件不一定必须直接彼此连接。在电连接的元件之间可以设置有其他元件。

表述“电连接”也包括在连接的元件之间的隧道触点。

只要在此使用表述“有”、“包含”、“包括”、“具有”等，这涉及开放式表述，所述表述表明所述元件或特征的存在，然而也不排除其他元件或特征的存在。不定冠词和定冠词包括复数以及单数，只要在本文中没有明确地另作说明。

图1A示出在x-z平面中的光电子半导体器件10的示意横截面视图。在此，z说明半导体层的生长方向。光电子半导体器件10例如可以是发光二极管。根据其他实施方式，其然而也可以是其他光电子半导体器件，例如是用于证实射入的电磁辐射的探测器等。光电子半导体器件具有第一导电类型的第一半导体层116、有源区120、量子阱结构，以及第二导电类型的第二半导体层118。

图1B为了更详细地阐述示出在量子阱结构之内的能量级，当用于构成有源区的子层111、112、113沿z方向上下相叠生长时，例如可以得出所述量子阱结构。

在此，子层111和113分别具有比在子层111和113之间设置的子层112的带隙更大的带隙。第二子层112的层厚度例如小于半导体材料中的电子的德布罗意波长。例如，导带12和价带13在子层111、112、113中具有在图1B中示出的走向。在第二子层112的厚度相应小的情况下，在导带12中以及在价带13中构成能量级。能量级的位置与第二子层112的宽度d相关。

图1B的左侧部分示出在边缘区域15中的能量级，图1B的右侧部分示出在中央部分14中的能量级。在量子阱结构之内的能量级差在光电子半导体器件10的中央区域14中比在光电子半导体器件的边缘区域15中更小。由于特征：在量子阱结构之内的能量级差在光电子半导体器件的中央区域中比在边缘区域中更小，导带12在中央区域14中具有能量最小值，而导带的电子的能量朝向器件的边缘15升高。以相应的方式，价带13在中央区域14中具有其最大值，而其朝向器件的边缘区域15降低。作为结果，载流子分别远离边缘区域15扩散到光电子半导体器件10的中央区域14中。作为另外的结果，电子和空穴的复合的大部分在中央区域14中发生，而在边缘区域15中的复合减少。因此，在光电子半导体器件10之内发生较少的非辐射复合。由此，可以提高光电子半导体器件的发射效率。

相应地，例如通过设定在边缘区域15中的量子阱结构的层的层厚度，会引起与中央区域14相比不同的能量级差。由于尤其其中存在量子化的能量级的子层112在边缘区域15中比在中央区域14中更薄地构成，可以实现导带和价带12、13的在图1A中示出的走向。

根据其他实施方式，也可以经由有针对性地引入的张力来增大在边缘区域15中的带隙。例如，在边缘区域15中可以与所使用的材料相关地在子层112中引入拉伸张力，由此可以增大带隙。

图1C示出根据实施方式的光电子半导体器件10的横截面视图。例如，光电子半导体器件10可以具有第一导电类型、例如p型的第一半导体层116，和第二导电类型、例如n型的第二半导体层118。有源区120设置在半导体层116和第二半导体层118之间。有源区120例如可以具有第二子层112，所述第二子层在分别具有较大的带隙的第一和第三子层111和113之间设置。例如，子层111、112、113可以包含InGaAlP、InGaAs或ZnSe。

在本发明的范围中描述的有源区例如可以具有单量子阱结构(SQW，singlequantum well)或多量子阱结构(MQW，multi quantum well)用于产生辐射。名称“量子阱结构”在此不显示关于量子化的维度的意义。由此，所述量子阱结构尤其包括量子阱、量子线和量子点以及这些层的任意组合。

根据本发明提出，至少第二子层112在光电子半导体器件的中央区域14中具有比在光电子半导体器件的边缘区域中更大的层厚度。

如随后参照图2A至2D和3A至3D所描述的，这可以通过如下方式进行，即光电子半导体器件10构成为具有倾斜侧壁。在此，第一半导体层116和第二半导体层118以及有源区120的子层111、112、113分别与基底材料的结构一致地构成。也就是说，相应的层在基底材料的水平区域上分别构成为水平层。此外，所述层在基底材料的倾斜侧面的区域中分别构成为倾斜伸展的层。半导体层的结晶层在光电子半导体器件10的边缘区域15中分别跟随光电子半导体器件的倾斜侧壁16。半导体层和子层的表面分别沿着与水平方向相交的方向伸展。

光电子半导体器件10例如可以至少部分地梯形地构成。例如，水平的尺寸d或宽度沿z方向增大或减小。

图1D示出根据其他实施方式的光电子半导体器件10的横截面视图。光电子半导体器件10在生长衬底100的一部分之上构成。生长衬底例如可以是GaAs衬底。生长衬底的其他实例包括InP、GaSb、InAs、蓝宝石、SiC、GaN、GaP、Si或Ge。生长衬底100具有倾斜侧边108。也就是说，生长衬底100局部梯形地构成。衬底的水平尺寸w可以沿着z方向增大或减小。第一半导体层116、第二半导体层118以及有源区120的位于第一半导体层116和第二半导体层118之间的子层分别一致地在结构化的衬底区域之上构成。也就是说，在具有水平表面的生长衬底100的区域中，层116、118以及有源区120的子层构成为水平层。在生长衬底100的倾斜侧面108的区域中，这些层同样构成为倾斜层。半导体层的或子层的表面可以分别沿着与水平方向相交的方向伸展。

光电子半导体器件10可以附加地包含衬底的一部分，该部分例如可以是生长衬底100。

在图1C和1D中示出的光电子半导体器件10可以根据实施方式是发光二极管并且通过施加适合的电压发射电磁辐射。光电子半导体器件10可以具有第一接触层126，所述第一接触层与第一半导体层116电连接。附加地，光电子半导体器件10可以具有第二接触层128，其与第二半导体层118电连接。通过在第一和第二接触层126、128之间施加电压例如可以引起电磁辐射的发射。

根据其他实施方式，在图1C和1D中示出的光电子半导体器件10中也可以省略电接触层。在此情况下，光电子半导体器件可以是转换器，所述转换器通过吸收电磁辐射可以发射电磁辐射。例如，在此情况下，第一半导体层116和第二半导体层118可以分别是未掺杂的。

如下面参照图2A至2D和3A至3D所阐述的，一致地沉积的层厚度在倾斜侧壁16或倾斜侧面108的区域中的层厚度减小。以这种方式可实现，构成用于产生量子阱结构的子层112在边缘区域15中以比在中央区域中更小的厚度构成。由此，与在中央区域中相比，在边缘区域中引起在导带和价带12、13之间的更大的能量差。

光电子半导体器件例如具有1至2500μm

下面，描述用于制造根据实施方式的光电子半导体器件的方法。

将生长衬底100的第一主表面104结构化，使得作为结果，第一主表面具有水平区域106和倾斜侧面108。例如，如在图2A中示出的，倾斜侧面108可以实现为相对于水平区域106突出的区域。例如，突出的区域具有基本宽度s和高度h。水平的表面区域分别平滑地构成，使得其适合于高品质的生长。

然后，如在图2B中所示出的，半导体层结构110外延地生长。半导体层结构110例如可以具有第一半导体层116、第二半导体层118以及用于制造有源区120的子层(分别在图2C中示出)。半导体层结构110在第一主表面104之上生长，使得各个结晶层分别跟随基底材料。因此，半导体层结构在倾斜侧面108的区域中具有比在水平区域106中更小的层厚度。

较小的层厚度例如可以通过如下方式实现，即由于存在倾斜侧面108增大第一主表面104的表面。更准确地说，在倾斜侧面108的区域中的表面积相对于倾斜侧面108的水平尺寸s增大。因此，在用于生长的种类的均匀的面积占用的情况下生长具有较小的层厚度的生长层。

外延生长例如可以通过分子束外延(“MBE，molecular beam epitaxy”)进行。在此，得到较少材料的倾斜侧面。例如，水平区域的方向可以对应于001方向。根据其他实施方式，半导体层结构也可以通过其他外延方法生长，例如通过MOVPE(“metal organic vaporphase epitaxy，金属有机气相外延”)生长。在此，水平区域可以具有与001方向不同的方向，例如是111方向。在表面上在高的扩散速率下的MOVPE法或生长中，111表面最适合于生长。所有其他随后在倾斜侧面上存在的方向显示出较小的生长速率进而较薄的层。

例如，用于产生半导体层结构110的子层包含InGaAlP或InGaAs。

在倾斜侧面的区域中的较小的层厚度的另一原因也可以是在该区域中与水平区域相比不同的应力关系。

图2B示出工件20的示意横截面视图，其中半导体层结构110在生长衬底100之上生长。如示意地表明的那样，半导体层结构110的层厚度在倾斜侧面的区域中比在水平区域中更小。

图2C示出工件20的横截面视图。从在图2A中示出的生长衬底100开始，将第一导电类型、例如p型的第一半导体层116，用于制造有源区120的层结构和第二导电类型、例如n型的第二半导体层118施加在生长衬底100的结构化的表面104之上。在平坦化步骤之后，可以将生长衬底100从生长的半导体层(至少部分地)移除。

图2D示出在移除生长衬底之后的多个光电子半导体器件10。此外，单个光电子半导体器件10可以沿着分离线122分割，所述分离线例如在图2C中示出。所述分割可以在移除生长衬底100之前或之后发生。

在图2C中示出的分离线122设置在倾斜侧面108的区域中，使得倾斜侧面分别设置在得到的光电子半导体器件10的边缘区域15中。

图3A至3D图解说明如下情况，在所述情况中，倾斜侧面108分别构成为在生长衬底中的凹槽。也就是说，倾斜侧面108不相对于生长衬底的第一主表面104突出，而是嵌入到生长衬底100中。图3A示出工件20的横截面视图，其中多个倾斜侧面108分别构成为生长衬底100中的凹槽。

图3B示出在施加半导体层结构110之后的工件20的横截面视图。以与在图2B中示出的工件20类似的方式，在此半导体层结构110的层厚度在水平的表面区域106的区域中也比在倾斜侧面108的区域中更厚。作为结果，如参照图2B所描述的，第二子层112在倾斜侧面108上以较小的层厚度构成。

图3C示出工件20的示意横截面视图。在图3A中示出的生长衬底100之上生长第一导电类型的第一半导体层116、用于构成有源区120的层结构以及第二导电类型的第二半导体层118。在此，用于构成尤其有源区120的层也在斜面108的区域中分别比在具有水平表面的区域中更薄地构成。附加地，可以执行平坦化步骤。例如，附加地将生长衬底100基于在图3C中示出的工件20向回磨削。

图3D示出得出的工件的实例。此外，各个光电子半导体器件可以沿着分离线122分割。在图3C中示出的分离线122在倾斜侧面108的区域中设置成，使得倾斜侧面分别设置在得出的光电子半导体器件10的边缘区域15中。

另一方法变型形式在下文中参照图4A和4B描述。在图2B和3B中描述的用于沉积半导体层结构110的过程中，半导体层结构110可以具有子层，所述子层以如下层厚度沉积，即使得在水平的表面区域106之上构成量子点122，而在倾斜侧面108的区域中分别构成层区域124。例如，半导体层结构110的相应的子层可以具有砷化铟。在砷化铟层的层厚度在1.5至2.5原子层的范围内时，可以构成各个量子点122。在比1.0原子层更低的层厚度的情况下，构成稳定的层。

在相应地设定所属的子层的层厚度的尺寸的情况下，在水平的表面区域106的区域中沉积具有较大层厚度的砷化铟层。相应地，在此构成量子点122。在倾斜侧面108的区域中分别构成具有较小的层厚度的层区域124。量子点的所述层厚度选择的构成作为S-K(层岛混合生长模式，Stranski-Krastanov)法已知。例如，半导体层结构110可以包含其他适合的子层。在水平的表面区域106之上构成量子点122时可以分别引起，有效的导带在得出的半导体器件的中央区域12中具有最小值并且在半导体器件的边缘区域15中具有最大值。

附加地，在倾斜侧面108处与在水平区域106中比存在不同的机械应力关系。由此例如也会影响量子点的形成。作为结果，在倾斜侧面108上产生具有较大带隙的层。

图4A示出光电子半导体器件的区域的示意的横截面视图，所述光电子半导体器件基于在图2A中示出的生长衬底100构成。

图4B示出提供光电子半导体器件的区域的示意横截面视图，所述光电子半导体器件基于在图3A中示出的生长衬底100构成。

根据实施方式，在此所描述的光电子器件10可以是如下器件，所述器件例如与相应的电端子连接并且经由所述端子可电泵浦。作为结果，可以发射电磁辐射。根据其他实施方式，光电子半导体器件10也可以是转换结构。在此情况下，光电子器件必要时具有第一半导体层，所述第一半导体层可以是未掺杂的或是第一导电类型的。光电子半导体器件还可能具有第二半导体层，所述第二半导体层可以是未掺杂的或是第二导电类型的，以及具有在此之间的有源区。与发光二极管不同，然而转换元件不电连接。例如，转换元件可以光学泵浦。通过射入具有第一波长的电磁辐射，可以发射比第一波长更大的第二波长的电磁辐射。

图5总结根据实施方式的方法。

根据实施方式，用于制造光电子半导体器件的方法包括：将生长衬底的第一主表面结构化(S100)，使得第一主表面具有水平区域和倾斜侧面。所述方法还包括：在第一主表面之上外延生长(S110)半导体层结构，所述半导体层结构包含用于制造有源区的层，所述有源区具有量子阱结构。作为结果，所述层结构在倾斜侧面的区域中具有比在水平区域中更小的层厚度。例如，半导体层结构的生长(S110)可以包括第一导电类型的第一半导体层的生长(S115)，用于制造有源层的子层的生长(S116)和第二导电类型的第二半导体层的生长(S117)。

图6示出根据实施方式的光电子设备30。光电子设备30包括多个光电子半导体器件10，如其在此已描述那样。例如，光电子设备可以是视频墙、投影仪、显示设备或像素阵列。各个光电子半导体器件10例如可以成排和成列地设置。然而其也能够以任意其他方式设置。光电子半导体器件也可以分别具有不同的尺寸。

如上文所述，通过光电子半导体器件的特定的设计方案或通过特定的方法可实现，减小在光电子半导体器件10的边缘区域15中的非辐射复合。作为结果，可以提高光学效率。

尽管在本文中图解说明和描述了特定的实施方式，但是本领域技术人员知道，示出的和描述的特定的实施方式可以由多个替选的和/或等效的设计方案取代，而不脱离本发明的保护范围。本申请应当覆盖在此所讨论的特定的实施方式的任何调整或变型。因此，本发明仅受权利要求和其等效方案限制。

附图标记列表

10 光电子半导体器件

12 导带

13 价带

14 中央区域

15 边缘区域

16 倾斜的台面边缘

20 工件

30 光电子设备

100 生长衬底

104 第一主表面

106 水平区域

108 倾斜侧面

110 半导体层结构

111 第一子层

112 第二子层

113 第三子层

116 第一半导体层

118 第二半导体层

120 有源区

122 量子点

124 层区域

126 第一接触层

128 第二接触层