CN103367573B - 光电子半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光电子半导体器件，属于半导体技术领域。它解决了现有半导体芯片结晶缺陷的存在影响了芯片成品率的问题。一种光电子半导体器件，包括衬底和半导体芯片，该半导体芯片通过如下方法得到：在发光领域存在的结晶缺陷密度D超过光电子半导体外延结晶片标定的最小结晶缺陷密度D时，算出有效发光面积A的最大值，在有效发光面积A的最大值范围内选取半导体芯片有效发光面积A2并以该半导体芯片有效发光面积A2对外延结晶片进行切割，并得到半导体芯片；之后用半导体芯片制造出光电子半导体器件。本发明采用能够将一些结晶缺陷密度大的外延片也能够进行分割从而得到较多数量的有效的光电子半导体芯片，提高效率，减少浪费。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及光电子半导体器件，特别是在衬底上既含有设有p型电极的p型半导体又含有设有n型电极的n型半导体的半导体器件。
背景技术
光电子半导体器件是指利用半导体的光-电子转换效应制成的各种功能器件。其产品有发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电探测器或光电接收器、太阳电池等。
光电子半导体器件的内部量子效率与结晶缺陷密度具有很强的反比关系，结晶缺陷的存在影响了发光效率。因此，对于光输出的光源来说，提高其设计性和控制性均是非常困难的。
光电子半导体器件在作为光源使用时，有必要进一步地其提高发光效率，增加光输出量。为达到这个目的，需要在结晶缺陷和不纯物含量都极少的高品质结晶的基础上进行，并且还要减少非发光性的再结合比例，提高内部量子的效率进而开发制成高发光效率的光电子半导体器件。
发明内容
本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种光电子半导体器件，本发明所要解决的技术问题：如何在结晶缺陷较多的半导体外延结晶片上分割后得到光电子半导体芯片并制成既含有设有p型电极的p型半导体又含有设有n型电极的n型半导体的半导体器件，该光电子半导体器件的发光面积和光输出量达到最优，从而使光电子半导体器件能够做到可控，高可靠性和更高的效率。
本发明通过下列技术方案来实现：一种光电子半导体器件，其特征在于，该半导体器件包括衬底和生长在衬底上的半导体芯片，该半导体芯片通过如下方法在光电子半导体外延结晶片上得到：
在发光领域存在的结晶缺陷密度D超过光电子半导体外延结晶片标定的最小结晶缺陷密度时，算出有效发光面积A的最大值，在有效发光面积A的最大值范围内选取半导体芯片有效发光面积A2并以该半导体芯片有效发光面积A2对外延结晶片进行切割，并得到半导体芯片；之后用半导体芯片制造出在衬底上具有包含设有n型电极的n型半导体以及包含设有p型电极的p型半导体的光电子半导体器件。
一个制作完成的光电子半导体外延结晶片上会存在结晶缺陷，结晶缺陷的存在影响了发光效率，因此厂家通过设备检测出外延结晶片上的结晶缺陷密度D后会标定出外延结晶片的最小结晶缺陷密度，并根据制造能力判定该最小结晶缺陷密度的外延结晶片是否是不良品，不良品分割出来有效的半导体芯片数量很少，一般不值得再分割而会作废品来处理。因此，国内厂家生产的光电子半导体芯片的产出比低，浪费情况严重。本光电子半导体器件通过上述的方法将一些结晶缺陷密度大的外延结晶片也能够进行分割从而得到较多数量有效的光电子半导体芯片，提高效率，减少浪费。并且能够使该光电子半导体器件的发光面积和光输出量达到最优，从而使光电子半导体器件能够做到可控，高可靠性和更高的效率。半导体芯片有效发光面积A2的具体选取面积由实际生产时确定。
在上述的光电子半导体器件中，所述衬底为单晶Al2O3、单晶SiC、单晶GaN、单晶Ga2O3、单晶ZnO、单晶GaAs、单晶InP或单晶Si；或者是上述衬底的单晶材料在多晶上结合单晶而形成一体化的衬底；或者是上述衬底的单晶材料在非结晶上结合单晶而形成一体化的衬底。
在上述的光电子半导体器件中，所述的衬底上形成Ⅲ族氮化物半导体或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体或者Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的半导体芯片，所述半导体芯片包括发光层，在衬底和发光层之间生长有能够降低衬底结晶缺陷对半导体器件影响的缓冲层。
在上述的光电子半导体器件中，所述Ⅲ族氮化物半导体是指含有GaN、InN或者AlN的一种或几种而形成的能够发出可见光或者紫外光的Ⅲ族氮化物混晶化合物半导体；所述的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体是指含有ZnO、ZnS、ZnSe、CdO、MgO、MgZnO、MgS、MgSe或者CdS的一种或者几种而形成的能够发出可见光或者紫外光的Ⅱ-Ⅵ族化合物混晶化合物半导体。
在上述的光电子半导体器件中，所述的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是指含有GaAs、InAs、InP或者AlAs的一种或几种而形成的能够发出可见光或者红外光的Ⅲ-Ⅴ族化合物混晶化合物半导体。
在上述的光电子半导体器件中，Ⅲ族氮化物混晶化合物半导体的发光领域存在的最小结晶缺陷密度从104/cm2以10的指数增加到108/cm2时，有效发光面积A的最大值也随之对应从107μm2以10的指数减少到103μm2。
在上述的光电子半导体器件中，Ⅱ-Ⅵ族化合物混晶化合物半导体的发光领域存在的最小结晶缺陷密度从104/cm2以10的指数增加到108/cm2时，有效发光面积A的最大值也随之对应从107μm2以10的指数减少到103μm2。
在上述的光电子半导体器件中，Ⅲ-Ⅴ族化合物混晶化合物半导体的发光领域存在的最小结晶缺陷密度从101/cm2以10的指数增加到105/cm2时，有效发光面积A的最大值也随之对应从107μm2以10的指数减少到103μm2。
在上述的光电子半导体器件中，有效发光面积A通过半导体芯片成品率公式η～exp(-DA)算出，所述的半导体芯片成品率η≧37％时得到有效发光面积A的范围值，这些范围值中最大值为有效发光面积A的最大值。37％以上的成品率能够使得大部分被当做废品的光电子半导体外延结晶片能够被利用起来。η＝37％时有效发光面积A的最大值最大。
在上述的半导体器件中，对光电子半导体外延结晶片按选取的半导体芯片有效发光面积A2进行切割并形成网格线沟，之后用绝缘钝化膜8覆盖在半导体芯片的侧面露出的外延层断面上，接着在外延层的p型接触层上做出p型电极，再在电子半导体外延结晶片背面的n型接触层上做出n型电极，再将光电子半导体外延结晶片切断或者折断后形成光电子半导体器件。
与现有技术相比，本发明采用能够将一些结晶缺陷密度大的外延片也能够进行分割从而得到较多数量的有效的光电子半导体芯片，提高效率，减少浪费。并且使得在衬底上有p型半导体的p型电极以及有n型半导体的n型电极的光电子半导体器件能够做到可控，有较好的高可靠性和更高的效率。
附图说明
图1是本发明外延结晶生长后，结晶内部量子效率与结晶缺陷密度关系的图表。
图2是AlGaAs外延结晶片的结晶缺陷密度到达103/cm2水准后，在直径40μm的发光领域中，有结晶缺陷和无结晶缺陷的发光领域形成的发光状态。
图3是把D作为结晶缺陷密度的参数，有效面积A与半导体芯片的成品率η的图表。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
为了实现本发明有关的光电子半导体器件的高效率、高可靠性以及高成品率，在发光部份存在的结晶缺陷密度超过最小值时，必须要明确要如何限定发光部份的最大限度值，使之形成有效发光领域。
具体如下：如图1所示，图1是本发明外延结晶生长后，结晶内部量子效率与结晶缺陷密度关系的图表。由图表上可以看出内部量子的效率与结晶的缺陷密度之间存在着强烈的反比关系。图表中，纵坐标代表内部量子效率，1.0代表100％发光，横坐标代表结晶缺陷密度，1E+3是计量单位，1E表示10，+3表示指数为3，既1E+3为103。
GaAs在结晶缺陷密度为1E+3/cm-2时内部量子效率大约是0.98，结晶缺陷密度为1E+5/cm-2时内部量子效率降至大约是0.4。在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中，从图1中可以看出在相同的结晶缺陷密度下AlGaAs外延结晶片比GaAs外延结晶片的质量提高了很多，并且现有技术中已经可以控制AlGaAs的结晶缺陷密度在103/cm2的水准。
在Ⅲ族氮化物半导体中，InGaN在结晶缺陷密度为1E+5/cm-2时内部量子效率仍然是1，即内部量子效率受到结晶缺陷密度的影响较小，直至结晶缺陷密度增加至为1E+8/cm-2时内部量子效率仍然有0.6，并且随着InGaN成分比例不同，结晶缺陷密度在1E+8/cm-2时内部量子效率仍然可以提高到0.8，甚至0.93。
Ⅲ族氮化物半导体InGaN外延结晶片或者Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的ZnO外延结晶片，与Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体比较，其结晶缺陷密度增加1000倍之后，内部量子的效率也不会减少，非常稳定。
图2是AlGaAs外延结晶片的结晶缺陷密度到达103/cm2水准后，在直径40μm的发光领域中，有结晶缺陷和无结晶缺陷的发光领域形成的发光状态。在结晶缺陷密度103/cm2水准的结晶片中，无结晶缺陷的直径40μm的发光领域的形成比例可以控制在99％的程度，实现了很高的半导体芯片的成品率。
图3是把D作为结晶缺陷密度的参数(单位/cm2)，建立有效发光面积A和成品率η的图表，横坐标代表有效面积，纵坐标代表成品率。即检测出半导体结晶外延片的结晶缺陷后，根据图3就可以取值有效面积A就可以得到该半导体结晶外延片的芯片成品率η。
AlGaAs结晶时，结晶缺陷密度的允许范围为105>D>10；见图1所示将InGaN与AlGaAs结晶相比较，结晶缺陷密度增加1000倍后，内部量子的效率也不会减少，非常稳定，所以InGaN结晶时InGaN的结晶缺陷密度D的允许范围为108>D>104。把A作为发光领域面积的参数，计量单位是μm2，η作为半导体芯片的成品率，η可以通过η～exp(-DA)算出。将条件设为DA＝1时，e取值2.7，得出η＝37％的结论。在η＝37％以上时检测参数D的数值就可以将发光领域面积的最大限定值进行明确。
通过上述的分析，该光电子半导体器件包括衬底和生长在衬底上的半导体芯片，该半导体芯片通过如下方法在光电子半导体外延结晶片上得到：
在发光领域存在的结晶缺陷密度D超过光电子半导体外延结晶片标定的最小结晶缺陷密度时，按半导体芯片成品率公式η～exp(-DA)算出有效发光面积A的最大值，在有效发光面积A的最大值范围内选取半导体芯片有效发光面积A2并以该半导体芯片有效发光面积A2对外延结晶片进行切割，并得到半导体芯片；之后用半导体芯片制造出在衬底上具有包含设有n型电极的n型半导体以及包含设有p型电极的p型半导体的光电子半导体器件。
切割时先对光电子半导体外延结晶片按选取的半导体芯片有效发光面积A2进行切割并形成网格线沟，之后用绝缘钝化膜8覆盖在半导体芯片的侧面露出的外延层断面上，接着在外延层的p型接触层上做出p型电极，再在电子半导体外延结晶片背面的n型接触层上做出n型电极，再将光电子半导体外延结晶片切断或者折断后形成光电子半导体器件。
其中，衬底为单晶Al2O3、单晶SiC、单晶GaN、单晶Ga2O3、单晶ZnO或单晶Si；或者是上述衬底的单晶材料在多晶上结合单晶而形成一体化的衬底；或者是上述衬底的单晶材料在非结晶上结合单晶而形成一体化的衬底。在衬底上形成Ⅲ族氮化物半导体或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体或者Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的半导体芯片，半导体芯片包括发光层，在衬底和发光层之间生长有能够降低衬底结晶缺陷对半导体器件影响的缓冲层。
Ⅲ族氮化物半导体是指含有GaN、InN或者AlN的一种或几种而形成的能够发出可见光或者紫外光的Ⅲ族氮化物混晶化合物半导体；在其发光领域存在的最小结晶缺陷密度从104/cm2以10的指数倍增加到108/cm2时，有效发光面积A的最大值也对应的由107μm2以10的指数倍减少到103μm2,发光领域是圆型的时候发光部份的直径由φ3.6mm减少到φ0.036mm以下。
例如，某一型号的Ⅲ族氮化物光电子半导体外延结晶片的正常结晶缺陷密度D为104，超过这个结晶缺陷密度D后该光电子半导体外延结晶片不再值得切割，而是当做废品处理。但是通过上述的方法，即一片Ⅲ族氮化物光电子半导体外延结晶片检测出该外延结晶片的结晶缺陷密度D为105，其结晶缺陷密度D超过了这种型号的正常结晶缺陷密度D为104，在图表上选取η＝37％以上时，根据检测出的结晶缺陷密度D为105，得到成品率η在37％-100％的有效面积A是106到103，即有效面积A＝103μm2时成品率100％，有效面积A＝106μm2时成品率37％，由此就可以确定发光领域的面积的最大值为106。
所述的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体是指含有ZnO、ZnS、ZnSe、CdO、MgO、MgZnO、MgS、MgSe或者CdS的一种或者几种而形成的能够发出可见光或者紫外光的Ⅱ-Ⅵ族化合物混晶化合物半导体，在其发光领域存在的最小结晶缺陷密度从104/cm2以10的指数倍增加到108/cm2时，有效发光面积A的最大值也对应的由107μm2以10的指数倍减少到103μm2，发光领域是圆型的时候，发光部份的直径由φ3.6mm减少到φ0.036mm以下，由此就可以确定发光领域的面积的最大值。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是指含有GaAs、InAs、InP或者AlAs的一种或几种而形成的能够发出可见光或者红外光的Ⅲ-Ⅴ族化合物混晶化合物半导体，在其发光领域存在的最小结晶缺陷密度从10/cm2以10的指数倍增加到105/cm2时，有效发光面积A的最大值也对应的由107μm210的指数倍减少到103μm2，发光领域是圆型的时候，发光部份的直径由φ3.6mm减少到φ0.036mm以下，由此就可以确定发光领域的面积的最大值。
Claims (8)
1.一种光电子半导体器件，其特征在于，该半导体器件包括衬底和半导体芯片，该半导体芯片通过如下方法在光电子半导体外延结晶片上得到：
在发光领域存在的结晶缺陷密度D超过光电子半导体外延结晶片标定的最小结晶缺陷密度时，算出有效发光面积A的最大值，在有效发光面积A的最大值范围内选取半导体芯片有效发光面积A2并以该半导体芯片有效发光面积A2对外延结晶片进行切割，并得到半导体芯片；之后用半导体芯片制造出在衬底上具有包含设有n型电极的n型半导体以及包含设有p型电极的p型半导体的光电子半导体器件，最小结晶缺陷密度是指半导体外延结晶片的正常结晶缺陷密度，超过这个结晶缺陷密度后该光电子半导体外延结晶片不再值得切割，有效发光面积A的最大值通过如下方法确定：把A作为发光领域面积，D作为结晶缺陷密度，η作为半导体芯片的成品率，η～exp(-DA)，取DA＝1，η＝37％，通过检测结晶缺陷密度D的数值，所得的发光领域面积A即为有效发光面积A的最大值。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体器件，其特征在于，所述衬底为单晶Al2O3、单晶SiC、单晶GaN、单晶Ga2O3、单晶GaAs、单晶InP、单晶ZnO或单晶Si；或者是上述衬底的单晶材料在多晶上结合单晶而形成一体化的衬底；或者是上述衬底的单晶材料在非结晶上结合单晶而形成一体化的衬底。
3.根据权利要求1或2所述的光电子半导体器件，其特征在于，所述的衬底上形成半导体芯片，所述半导体芯片包括发光层，在衬底和发光层之间生长有能够降低衬底结晶缺陷对半导体器件影响的缓冲层。
4.根据权利要求3所述的光电子半导体器件，其特征在于，所述的半导体芯片为Ⅲ族氮化物半导体，所述Ⅲ族氮化物半导体是指含有GaN、InN或者AlN的一种或几种而形成的能够发出可见光或者紫外光的Ⅲ族氮化物混晶化合物半导体；或所述的半导体芯片为Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，所述的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体是指含有ZnO、ZnS、ZnSe、CdO、MgO、MgZnO、MgS、MgSe或者CdS的一种或者几种而形成的能够发出可见光或者紫外光的Ⅱ-Ⅵ族化合物混晶化合物半导体。
5.根据权利要求3所述的光电子半导体器件，其特征在于，所述的半导体芯片为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，所述的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是指含有GaAs、InAs、InP或者AlAs的一种或几种而形成的能够发出可见光或者红外光的Ⅲ-Ⅴ族化合物混晶化合物半导体。
6.根据权利要求4所述的光电子半导体器件，其特征在于，Ⅲ族氮化物混晶化合物半导体的发光领域存在的最小结晶缺陷密度从104/cm2以10的指数增加到108/cm2时，有效发光面积A的最大值也随之对应从107μm2以10的指数减少到103μm2。
7.根据权利要求4所述的光电子半导体器件，其特征在于，Ⅱ-Ⅵ族化合物混晶化合物半导体的发光领域存在的最小结晶缺陷密度从104/cm2以10的指数增加到108/cm2时，有效发光面积A的最大值也随之对应从107μm2以10的指数减少到103μm2。
8.根据权利要求5所述的光电子半导体器件，其特征在于，Ⅲ-Ⅴ族化合物混晶化合物半导体的发光领域存在的最小结晶缺陷密度从101/cm2以10的指数增加到105/cm2时，有效发光面积A的最大值也随之对应从107μm2以10的指数减少到103μm2。
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| CN103367573A (zh) | 2013-10-23 |
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