CN102782886A - 发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
提出一种具有半导体层序列(2)的发光二极管芯片,所述半导体层序列具有适合于产生电磁辐射的有源层(3),其中发光二极管芯片(1)在前侧具有辐射出射面(4)。发光二极管芯片(1)在对置于辐射出射面(4)的后侧至少局部地具有包含银的镜层(5)。用于减少镜层(5)的腐蚀和/或改进镜层(5)的附着的功能层(6)设置在镜层(5)上,其中制成功能层(6)的材料分布在整个镜层(5)中。功能层(6)的材料在镜层(5)中具有浓度梯度,其中功能层(6)的材料的浓度在镜层(5)中从功能层(6)起朝着半导体层序列(2)下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片。
本专利申请要求德国专利申请102010009717.9的优先权,其公开内容通过引用结合于此。
背景技术
从参考文献WO2008/131735A1中已知一种发光二极管芯片,其中将第一和第二电连接层设置在发光二极管芯片的对置于辐射出射面的后侧,并且第一和第二电连接层借助于分离层彼此电绝缘,其中第二电连接层的部分区域从后侧穿过有源层的穿通部在朝着发光二极管芯片的前侧延伸。半导体芯片的这种接触具有下述优点:辐射出射面能够没有接触面并且因此不遮挡发射的辐射。
发光二极管芯片为所谓的薄膜发光二极管芯片,其中剥离半导体层序列原始的生长衬底并且代替于此将半导体层序列在对置于原始的生长衬底的一侧借助于焊接层与支承体连接。在这种薄膜发光二极管芯片中,有利的是半导体层序列的朝向支承体的一侧设有镜层,以便将在朝向支承体发射的辐射朝着辐射出射面偏转并且由此提高辐射效率。
对于可见的光谱范围,尤其银适合作为用于镜层的材料。当然,在由银制成的镜层中困难的是,不仅实现在半导体材料上的良好的附着、到半导体材料上的良好的电连接、高的反射,而且还实现可靠地防止银腐蚀或者银扩散到相邻的层中。
为了改进由银制成的镜层在半导体材料上的附着,能够在半导体表面和镜层之间添加增附层。当然,通过在半导体材料和镜层之间的这种增附层通常降低了反射性。因此,这种增附层通常应当极其薄地施加,由此使工艺控制变得困难。
发明内容
本发明的目的基于,提供一种具有后侧的镜层的发光二极管芯片,其中镜层的特征尤其在于:在半导体材料上的良好的附着、到半导体材料上的良好电连接、高的反射和防止银腐蚀、劣化或者迁移到相邻的层中。
所述目的通过根据独立权利要求1所述的发光二极管芯片来实现。本发明的有利的扩展方案和改进形式是从属权利要求的主题。
发光二极管芯片包含半导体层序列,所述半导体层序列具有适合于产生电磁辐射的有源层。发光二极管芯片在前侧具有辐射出射面,由有源层发射的电磁辐射从半导体层序列中射出。发光二极管芯片的前侧在此和在下文中理解成发光二极管芯片的设有辐射出射面的侧。
发光二极管芯片在对置于辐射出射面的后侧至少局部地具有包含银的镜层。在镜层上设置有功能层,所述功能层用于避免镜层的腐蚀和/或改进镜层的附着,其中制成功能层的材料也包含在镜层中。
优选地,镜层直接地邻接于半导体层序列。于是,在半导体层序列和镜层之间尤其不设有增附层,所述增附层能够导致降低在镜层和半导体层序列之间的边界面处的反射。更确切而言所证实的是,借助功能层可以实现在半导体材料上良好的附着、到半导体材料上的良好的电连接以及防止银腐蚀和扩散的对于镜层所期望的特性,所述功能层施加到镜层的对置于半导体层序列的一侧上,其中功能层的材料包含在镜层中,尤其是扩散到镜层中。
特别地,证实将功能层的材料引入到镜层中能够以有利的方式影响镜层的材料特性。优选通过扩散将功能层的材料引入到镜层中。替选地,还能够考虑其他的物理或者化学工艺。
在将功能层施加到镜层上之后,优选通过退火工艺引起将功能层的材料扩散到镜层中。通过退火工艺的温度和时间的选择能够目的明确地控制功能层的材料到镜层中的扩散。
退火优选在200℃和400℃之间的温度中进行。尤其优选的是在退火工艺中将温度调节为在250℃和350℃之间。对于退火所必需的时间尤其与使用的温度相关并且例如能够在1分钟和1小时之间。
功能层优选包括铂或者由其制成。替选地,功能层能够包括镍、铬、钯、铑或透明导电氧化物或者由它们制成。透明导电氧化物例如能够为ITO或ZnO。
有利的是,功能层的材料分布在镜层中,使得镜层的绝大部分、即以多于镜层的一半的部分包含所述材料。优选地,功能层的材料在整个镜层中分布。例如,功能层的材料能够如此深地扩散到镜层中,使得还能够在镜层的对置于功能层的边界面处证实有所述材料。证实了以这种方式尤其能够改进镜层在半导体层序列上的附着。然而,在此与将薄的增附层设置在半导体层序列和镜层之间时相比较少地损害镜层的反射。
此外证实,通过将功能层的材料引入到包含银的镜层中能够减少银的腐蚀。理论上还没有完全了解该作用的原因。能够考虑的是,功能层的材料优选沿着银的晶界扩散。这能够有助于镜层的材料的稳定,因为腐蚀效果通常发生在金属的晶界处。此外能够考虑,功能层的材料根据其在电化学的电动势序列中的位置来修正出现的电势,使得抑制腐蚀作用。此外还可能的是,分布在镜层中的功能层材料的另一特性、例如作催化剂或者氢存储器的作用对于镜层的稳定性具有正面的影响。
功能层的材料优选不均匀地分布在镜层中,而是具有浓度梯度,其中功能层材料的浓度在镜层中从功能层起朝着半导体层序列下降。特别地,功能层材料的浓度在镜层的用于半导体层序列的边界面处低于在镜层的用于功能层的边界面处。这具有仅不显著地损害在半导体层序列和镜层之间的边界面的反射率的优点。在镜层中的功能层材料的浓度梯度尤其能够由此实现,即功能层的材料例如通过退火工艺而扩散到镜层中。
对于功能层能够考虑0.1nm和1000nm之间的厚度。证实了功能层的厚度在10nm和100nm之间的情况下实现极其良好的结果,其中包括边界值。
在优选的扩展方案中,镜层是反射的接触层序列的组成部分,所述接触层序列不仅用于半导体层序列的电接触还用于朝着发光二极管芯片的辐射出射面来反射辐射。反射的接触层序列优选从半导体层序列起至少具有下述顺序的下述层:包含银的镜层、用于减少镜层的腐蚀和/或用于改进镜层的附着的功能层、扩散阻挡层和第一电连接层。在此有利的是,镜层直接地邻接于半导体层序列。
第一电连接层优选由具有良好的导电性的材料制成,以便将电流尽可能均匀地注入到半导体层序列中。因此,第一电连接层还起到电流扩展层的作用。第一电连接层与发光二极管芯片的电接触部导电地连接。优选地,第一电连接层是金层。替选地,第一电连接层例如还能够包含铜或者镍或者由它们制成。
在功能层和第一电连接层之间设置的扩散阻挡层尤其阻止第一电连接层的例如为金的材料扩散到例如包含银的镜层中并且反之亦然。
扩散阻挡层尤其能够是钛层。替选地,扩散阻挡层例如能够包含铬、镍、钯、氮化钛或者氮化钨钛。
在扩散阻挡层和第一电连接层之间优选设置附着层。附着层优选为铂层。替选地,附着层还能够是铬层或者钛层。
下述层序列证实为是尤其有利的,其中功能层是铂层,扩散阻挡层是钛层并且附着层是铂层。证实了,钛是包含银的镜层和优选包含金的第一电连接层之间的极其好的扩散阻挡物。另一方面,但是钛自身容易受腐蚀或者氧化,但是这能够通过在两个铂层之间嵌入钛层来有利地避免。
在另一有利的扩展方案中,发光二极管芯片在对置于辐射出射面的一侧借助于焊接层与支承体连接。在此,发光二极管芯片优选为所谓的薄膜发光二极管芯片,其中将用于外延地生长半导体层序列的生长衬底从半导体层序列中移除并且半导体层序列替代于此地在对置于原始的生长衬底的一侧借助于焊接层与支承体连接。
在优选的扩展方案中,发光二极管芯片具有第一和第二电连接层,其中第一和第二电连接层朝向半导体层序列的后侧并且借助于钝化层彼此电绝缘,其中第二电连接层的部分区域从半导体层序列的后侧穿过有源层的至少一个穿通部朝着前侧延伸。第二电连接层包含银并且在所述扩展方案中起到第二镜层的作用。
有利的是,在第二电连接层上设置第二功能层以避免第二电连接层的腐蚀和/或改进第二电连接层的附着,其中制成第二功能层的材料还包含在第二电连接层中。第二电连接层和第二功能层的有利的扩展方案对应于镜层和功能层的之前描述的有利的扩展方案。特别地,第二功能层能够是铂层。
在优选的扩展方案中,第二电连接层至少局部地为层序列的组成部分,所述层序列至少以下述顺序包括下述层:钝化层、第二电连接层、第二功能层、扩散阻挡层和焊接层。借助于焊接层将发光二极管芯片优选在对置于辐射出射面的一侧与支承体连接。焊接层例如能够为AuSn层。
在第二电连接层和焊接层之间的扩散阻挡层阻止焊接层和第二电连接层的材料的相互扩散。优选的是,扩散阻挡层是氮化钨钛层。
在钝化层和第二电连接层之间能够包含附着层,通过所述附着层改进第二电连接层在钝化层上的附着。优选地,附着层为钛层。
附图说明
下面,根据实施例结合附图1至3详细阐明本发明。
其示出:
图1示出根据本发明的实施例的横贯发光二极管芯片的横截面的示意图,
图2示出在图1中示出的发光二极管芯片的区域A的细节图,和
图3示出在图1中示出的发光二极管芯片的区域B的细节图。
相同的或者起相同作用的组成部分在附图中分别设有相同的附图标记。示出的组成部分以及组成部分间的大小比例不能够示为是按照比例的。
具体实施方式
图1中示出的发光二极管芯片1具有半导体层序列2,所述半导体层序列具有设置用于发射电磁辐射11的有源层3。
发光二极管芯片1的有源层3例如能够构成为pn结、双异质结构、单量子阱或者多量子阱。在此,术语量子阱结构包括其中载流子由于禁闭(Confinement)而使其能量状态经受量子化的任意结构。特别地,术语量子阱结构不包括关于量子化维度的说明。因此,所述量子阱结构尤其包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。
半导体层序列2尤其能够基于氮化物化合物半导体。“基于氮化物化合物半导体”在本文中表示:半导体层序列2或者其中至少一层包括III族氮化物化合物半导体材料、优选包括InxAlyGa1-x-yN,其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1。在此,所述材料不必须强制地具有根据上式的数学上精确的组成。相反地,其能够具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分,所述附加的组成部分基本上没有改变InxAlyGa1-x-yN材料的表征的物理特性。然而为了简单性,上面的公式仅包含晶格(In、Al、Ga、N)的重要组成部分,尽管重要的组成部分能够部分地通过少量其他材料替代。
发光二极管芯片1通过辐射出射面4发射电磁辐射11,所述辐射出射面设置在发光二极管芯片1的前侧。为了改进辐射耦合输出,辐射出射面4能够设有粗化部或者耦合输出结构(没有示出)。
发光二极管芯片1是所谓的薄膜发光二极管芯片。在薄膜发光二极管芯片中将半导体层序列2的原始的生长衬底从发光二极管芯片1中剥离并且代替于此将发光二极管芯片1在对置于原始的生长衬底的一侧借助于焊接层18与支承体19连接。原始的生长衬底尤其能够从半导体层序列2的现在起辐射出射面4作用的表面剥离。因此,在发光二极管芯片1中,通常首先生长到生长衬底上的n掺杂的半导体区域2a朝向辐射出射面4。半导体层序列2的p掺杂的半导体区域2b朝向支承体19。支承体19例如能够具有锗或者硅。
为了改进发光二极管芯片1的效率,发光二极管芯片1在对置于辐射出射面4的后侧局部地具有镜层5。镜层5设置在发光二极管的第一电连接层9和p掺杂的半导体区域2b之间。有利地,通过镜层5将由有源层3在朝着支承体19发射的辐射朝着辐射出射面4反射。
镜层5是反射的接触层序列的组成部分,所述接触层序列在镜层5和第一电连接层9之间包括其他的层,在图1中为了简化视图没有示出所述其他的层中的全部的层。
反射的接触层序列10的结构在图2中示出,在所述图中示出图1的剖面A的细节图。包含银的镜层5优选直接地邻接于半导体层序列2的p掺杂的区域2b。在背离半导体层序列2的一侧,功能层6设置在镜层5上。功能层6用于避免镜层腐蚀和/或改进镜层附着和/或改进镜层到半导体层序列2的电连接。这尤其通过构成功能层6的材料来实现,所述材料还至少局部地包含在镜层5中。特别地,功能层6的材料能够扩散到镜层5中。
为了将功能层6的材料扩散到镜层5中,功能层6在用于制造发光二极管芯片1的方法中优选在施加到镜层5上之后进行退火。退火优选以大于等于200℃并且小于等于400℃的温度进行,尤其以250℃和350℃之间的温度进行。退火时间例如能够在一分钟至一小时之间。
优选地,功能层6的材料扩散到镜层5中,使得所述材料包含在镜层5的绝大部分中。尤其优选的是,功能层6的材料包含在整个镜层5中。在该情况下,功能层6的材料还包含在镜层5的邻接于半导体层序列2的区域中。
证实出的是,通过在镜层5中也包含功能层6的材料能够改进镜层的长时间的稳定性。特别地,以这种方式避免镜层5的腐蚀并改进在半导体层序列2上的附着。
此外,这种镜层5建立到半导体层序列2的半导体材料的良好的电连接。
功能层6的包含在镜层5中的材料在镜层5之内还能够具有浓度梯度。特别地,通过扩散工艺,功能层6的材料浓度在镜层5的朝向半导体层序列2的一侧小于在朝向功能层6的一侧。因此,仅稍微损害包含银的镜层5在用于半导体层序列2的边界面处的反射。特别地,与在半导体层序列2和镜层5之间添加附着层时相比,镜层5的反射率较少地通过包含在其中的附加的功能层6的材料来受损害。
由铂制成的功能层6被证实为是尤其有利的。但是,替选地还能够考虑功能层6包含镍、铬、钯、铑或者例如ITO或者ZnO的透明导电氧化物。功能层6的厚度例如能够在0.1nm和1000nm之间,其中借助功能层6实现改进镜层5的稳定性,所述功能层具有10nm和100nm之间的厚度,其中包括边界值。
在反射的接触层序列10中,功能层6后跟随有扩散阻挡层7,所述扩散阻挡层优选为钛层。用于扩散阻挡层的替选的材料为铬、镍、钯、氮化钛或者氮化钨钛。扩散阻挡层7阻止尤其是银的镜层5的材料和例如金的第一电连接层9的材料相互扩散。
扩散阻挡层7后跟随有附着层8,通过所述附着层改进后续的第一电连接层9的附着。附着层8优选为铂层,但是其中替选地钛或者铬也适于用作附着层的材料。
第一电连接层9优选为金层。替选地,第一电连接层还能够由具有良好导电性的其他材料制成,例如铜或者镍。
在反射的接触层序列10的尤其优选的实施形式中,功能层6为铂层、扩散阻挡层7为钛层并且附着层8为铂层。证实了钛为镜层5和第一电连接层9之间极其好的扩散阻挡物,其中两个围绕的铂层尤其良好地保护钛层以防止腐蚀和/或氧化。
如在图1中示出,发光二极管芯片1具有第二电连接层15,发光二极管芯片1通过所述第二电连接层从对置于辐射出射面4的后侧接触。因此,第一电连接层9和第二电连接层15设置在发光二极管芯片1的朝向支承体19的后侧。这具有下述优点:辐射出射面4没有电连接层,使得由发光二极管芯片1发射的电磁辐射11没有被电连接层9、15之一遮蔽。
第一电连接层9优选接触半导体层序列2的p掺杂的区域2b。第二电连接层15优选接触半导体层序列2的n掺杂的区域2a。为此,第二电连接层15从发光二极管芯片1的后侧起穿过一个或多个穿通部21a、21b引导至半导体层序列2的n掺杂的区域2a中,其中所述穿通部穿过半导体层序列的p掺杂的区域2b和有源层3延伸。为了避免短路,第二电连接层15在穿通部21a、21b的区域中借助于钝化层13与半导体层序列2的p掺杂的区域2b和有源层3电绝缘。
此外,钝化层13将第二电连接层15也与第一电连接层9绝缘。钝化层13由例如SiO2或者SiN的电绝缘材料制成。
第二电连接层15包含银并且尤其在穿通部21a、21b的区域中起到用于由发光二极管芯片1发射的电磁辐射11的第二镜层的作用。
在焊接层18和第二电连接层15之间设置扩散阻挡层17。在钝化层13、第二电连接层15和扩散阻挡层17之间设置有其他的层,所述其他的层在图1中为了简化视图而没有示出。所述层在示出图1中的剖面B的细节的图3中示出。
在钝化层13和包含银的并且作用为第二镜层的第二电连接层15之间能够设置有附着层14。附着层14优选为钛层。附着层14可选地也能够被取消。
在对置于钝化层13的一侧上,将第二功能层16施加到第二电连接层15上,所述第二功能层优选为铂层。第二功能层16在其作用方式和有利的扩展方案中对应于之前结合镜层5所描述的功能层6。特别地,功能层16的材料也能够包含在第二电连接层15中。
在层序列12中,功能层16后跟随有扩散阻挡层17,所述扩散阻挡层优选包含氮化钨钛。扩散阻挡层17后跟随有焊接层18,借助所述焊接层将发光二极管芯片1焊接在支承体19上。焊接层18尤其能够包含AuSn。扩散阻挡层17阻止焊接层18的组成部分扩散到第二电连接层15中并且反之亦然。
图1中示出的发光二极管芯片的支承体19例如能够为锗支承体。在支承体的背离发光二极管芯片1的后侧能够施加接触金属化部20,经由所述接触金属化部能够向外电连接第二电连接层15。第一电连接层9例如能够经由接合垫22和接合线23向外电连接。
本发明不限于根据实施例进行的描述。相反地,本发明包括任意新的特征以及特征的任意的组合,这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合,即使这些特征或者这些组合本身没有明确地在权利要求或实施例中说明。
Claims (14)
1.发光二极管芯片(1),所述发光二极管芯片具有半导体层序列(2),所述半导体层序列具有适合于产生电磁辐射(11)的有源层(3),其中
-所述发光二极管芯片(1)在前侧具有辐射出射面(4),
-所述发光二极管芯片(1)在对置于所述辐射出射面(4)的后侧至少局部地具有包含银的镜层(5),
-在所述镜层(5)上设置有功能层(6),所述功能层用于减少所述镜层(5)的腐蚀和/或改进所述镜层(5)的附着,
-制成所述功能层(6)的材料也分布在整个所述镜层(5)中,其中所述功能层(6)的所述材料在所述镜层(5)中具有浓度梯度,并且
-所述功能层(6)的所述材料的浓度在所述镜层(5)中从所述功能层(6)起朝着所述半导体层序列(2)下降。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片,其中所述镜层(5)直接地邻接于所述半导体层序列(2)。
3.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中所述功能层(6)包含铂。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片,其中所述功能层(6)包含镍、铬、钯、铑或者透明导电氧化物。
5.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中所述功能层(6)具有在0.1nm和1000nm之间的厚度。
6.根据权利要求5所述的发光二极管芯片,其中所述功能层(6)具有在10nm和100nm之间的厚度。
7.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中所述镜层(5)为反射的接触层序列(10)的组成部分,所述接触层序列从所述半导体层序列(2)起至少具有下述顺序的下述层:
-所述镜层(5),所述镜层包含银,
-所述功能层(6),用于减少所述镜层(5)的腐蚀和/或用于改进所述镜层(5)的附着,
-扩散阻挡层(7),和
-第一电连接层(9)。
8.根据权利要求7所述的发光二极管芯片,其中所述第一电接触层(9)包含金。
9.根据权利要求7或8所述的发光二极管芯片,其中所述扩散阻挡层(7)包含钛、铬、镍、钯、氮化钛或者氮化钨钛。
10.根据权利要求7至9之一所述的发光二极管芯片,其中在所述扩散阻挡层(7)和所述第一电连接层(9)之间设置有附着层(8)。
11.根据权利要求10所述的发光二极管芯片,其中所述附着层(8)包含铂、钛或者铬。
12.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中
-所述发光二极管芯片(1)具有第一电连接层(9)和第二电连接层(15),
-所述第一电连接层(9)和所述第二电连接层(15)朝向所述半导体层序列(2)的后侧,并且所述第一电连接层(9)和所述第二电连接层(15)借助于钝化层(13)彼此电绝缘,
-所述第二电连接层(15)的部分区域从所述半导体层序列(2)的后侧穿过所述有源层(3)的至少一个穿通部(21a,21b)朝着前侧延伸,
-所述第二电连接层(15)包含银并且用作第二镜层,
-在所述第二电连接层(15)上设置第二功能层(16),所述第二功能层用于减少所述第二电连接层(15)的腐蚀和/或改进所述第二电连接层(15)的附着,其中制成所述第二功能层(16)的材料还包含在所述第二电连接层(15)中。
13.根据权利要求12所述的发光二极管芯片,其中所述第二电连接层(15)至少局部地是层序列(12)的组成部分,所述层序列至少包含下述顺序的下述层:
所述钝化层(13),
所述第二电连接层(15),
所述第二功能层(16),
扩散阻挡层(17),和
焊接层(18)。
14.根据权利要求13所述的发光二极管芯片,其中所述发光二极管芯片(1)在对置于所述辐射出射面(4)的一侧借助于所述焊接层(18)与支承体(19)连接。
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