用于制造用于光电子半导体芯片的有源区的方法和光电子半导体芯片

摘要

在至少一个实施方式中，方法设计成用于制造用于光电子半导体芯片的有源区并且包括下述步骤：生长基于Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的第四阻挡层(24)，其中0≤x4≤0.40并且平均地0yGa1-yN，其中0.08≤y≤0.35；将基于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的第一阻挡层(21)生长到量子阱层(20)上，其中0≤x1≤0.40并且平均地02气体的条件下生长。

说明书

技术领域

提出一种用于制造用于光电子半导体芯片的有源区的方法。此外，提 出一种相应的半导体芯片。

发明内容

要实现的目的在于，提出一种具有提高的高电流线性的光电子半导 体芯片。

所述目的此外通过具有独立权利要求的特征的方法和光电子半导 体芯片来实现。优选的改进形式是从属权利要求的主题。

根据至少一个实施方式，方法包括提供用于有源区的生长基底的步 骤。生长基底例如是超晶格，所述超晶格交替地具有由GaN和InGaN 构成的层。GaN层和/或InGaN层能够分别是掺杂的，例如是n掺杂的。 超晶格例如在其他的、尤其n传导的层上例如电流扩展层、缓冲层、成 核层和/或掩膜层上生长。优选地，生长基底为超晶格的最上方的GaN 层。

根据至少一个实施方式，方法包括生长第四阻挡层的步骤。所述阻 挡层尤其直接生长到生长基底上或生长到第三阻挡层上。第四阻挡层基 于Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N，其中0≤x4≤0.40并且在第四阻挡层之上取平均，0 <y4≤0.4。在x4≤0.10或x4＝0的情况下，优选适用的是0<y4≤0.15。 如所有其他阻挡层那样，第四阻挡层优选是未掺杂的。因此，异质原子尤 其具有最大5×10^-16cm^-3的浓度。替选地，也可行的是，也可选地如其他 阻挡层那样，第四阻挡层是掺杂的。

根据至少一个实施方式，第四阻挡层关于铟含量有梯度地生长。在 此，铟含量沿着生长方向平均增大，这就是说，参数y4沿着生长方向 变大。

根据至少一个实施方式，方法包括在第四阻挡层上生长量子阱层的 步骤。尤其地，量子阱层直接生长到第四阻挡层上。量子阱层基于 In_yGa_1-yN。在此优选地适用：0.08≤y≤0.35或0.08≤y≤0.3。术语量子阱 层不包含关于维度的限制。优选地，量子阱层构成为二维的量子阱。在制 成的光电子半导体芯片运行时，量子阱层设计成，产生尤其在紫外和/或蓝 色和/或绿色的光谱范围中的辐射。

根据至少一个实施方式，方法包含生长第一阻挡层的步骤。优选地， 将第一阻挡层直接生长到量子阱层上。第一阻挡层基于 Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N，其中0≤x1≤0.4并且在第一阻挡层之上平均地为0<y1 ≤0.15。在x1≤0.01或者x1＝0的情况下，优选适用的是0<y1≤0.15。铟 含量尤其优选地沿着生长方向平均减小。

根据至少一个实施方式，优选直接将第二阻挡层生长到第一阻挡层 上。第二阻挡层基于GaN。

根据方法的至少一个实施方式，生长第三阻挡层。第三阻挡层尤其 直接生长到第二阻挡层上。第三阻挡层基于GaN。

根据方法的至少一个实施方式，第三阻挡层在添加H₂气体的条件 下生长。换言之，在生长第三阻挡层时，在生长反应器中添加氢气。优 选地，氢气仅在生长第三阻挡层时添加。生长第一、第二和第四阻挡层 以及量子阱层因此在没有添加氢气的条件下进行。

术语生长尤其涉及外延生长，优选为金属有机物气相外延或者简称 为MOVPE。

在至少一个实施方式中，方法设计成用于制造用于光电子半导体芯 片的有源区。方法至少包括或仅包括下述步骤，优选以给出的顺序：

-生长基于Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N的第四阻挡层，其中0≤x4≤0.40并且平均 地0<y4≤0.4，其中In含量优选沿着生长方向增大；

-在第四阻挡层上生长量子阱层，其中量子阱层基于In_yGa_1-yN其中0.08≤ y≤0.35；

-将基于Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的第一阻挡层生长到量子阱层上，其中0≤x1≤ 0.40并且平均地0<y1≤0.4，其中In含量沿着生长方向优选减小；

-将基于GaN的第二阻挡层生长到第一阻挡层上，并且

-将基于GaN的第三阻挡层生长到第二阻挡层上，其中第三阻挡层在添加 H₂气体的条件下生长。

在基于AlInGaN材料体系的发光二极管中，尤其在>10A/cm²的工 作电流密度下表现出在电流功率特性曲线中的显著的非线性。所述现象 也做为功率下降已知。功率下降的原因为，III族氮化物是压电材料。 出现的电场引起所谓的量子束缚斯塔克效应。通过所述效应，尤其在发 光二极管中的多量子阱结构的情况下能够不利地损坏载流子传输。

通过尤其由刚好四个子层构成的量子阱层之间的阻挡件的相对复 杂的层结构，改进这样制造的光电子半导体芯片的高电流线性。特别地， 通过添加氢气，能够实现非常无铟的进而纯的、高质量的GaN层作为 第三阻挡层。这引起随后生长的层的改进的质量。

根据方法的至少一个实施方式，第四阻挡层以及量子阱层以给出的 生长顺序多次重复并且尤其直接彼此叠加地生长。例如，有源区包括至 少三个或至少四个量子阱层连同所属的阻挡层。替选地或附加地，量子 阱层的数量最多为十或最多为八。

根据方法的至少一个实施方式，H₂流量在生长第三阻挡层期间为用 于N的反应气体的流量的至少15％或至少20％或至少25％。替选地或 附加地，H₂流量为用于N的反应气体流量的至多55％或至多50％或至 多40％。在此，流量尤其以标准升每分钟来确定，简称为slpm或slm。 流量也称作为气体量流。流量是用于在每时间单位并且在正常条件下在 生长时添加的分子量的度量。用于N的反应气体优选为NH₃。同样能够 使用N₂H₄。

根据至少一个实施方式，第一和第四阻挡层具有各一个至少为 0.5nm或至少为0.6nm或至少为0.7nm的平均厚度。替选地或附加地， 第一和第四阻挡层的平均厚度至多为1.8nm或至多为1.4nm或至多为 1.2nm。尤其地，所述平均厚度大约为0.8nm至0.9nm，大约相应于4+/-1 原子层。

根据至少一个实施方式，第二和第三阻挡层的平均厚度分别为至少 0.5nm或至少为0.7nm或至少为0.8nm。替选地或附加地，所述平均厚 度至多为2.0nm或至多为1.8nm或至多为1.4nm。尤其地，所述平均厚 度为大约1.0nm或大约为1.1nm，大约相应于5+/-1原子层。

根据至少一个实施方式，第三阻挡层以比第二阻挡层大的平均厚度 生长。第二和第三阻挡层的平均厚度的差例如至少为0.1nm或至少为 0.15nm并且替选地或附加地至多为0.5nm或至多为0.3nm。尤其地， 平均厚度差为一原子层。

根据方法的至少一个实施方式，量子阱层的平均厚度至少为2.5nm 或至少为2.7nm或至少为2.9nm。替选地或附加地，量子阱层的平均厚 度至多为4.5nm或至多为4.0nm或至多为3.7nm。

根据至少一个实施方式，由量子阱层和四个阻挡层的厚度组成的总 厚度至少为5.5nm或至少为6.0nm。替选地或附加地，总厚度至多为 8.5nm或至多为7.5nm。

根据至少一个实施方式，参数x1和/或x4分别小于或等于0.02或 小于或等于0.01。尤其地，参数x1和x4分别在制造公差的范围中等于 0，使得铝浓度因此优选为至多2×10¹⁶cm^-3。

根据至少一个实施方式，参数y1和y4分别至少为0.01或至少为 0.02或至少为0.04。替选地或附加地，参数y1和y4至多为0.20或至多 为0.15或至多为0.11。

根据至少一个实施方式，参数y至少为0.10或至少为0.12。替选地 或附加地，参数y至多为0.25或至多为0.20或至多为0.18。

根据方法的至少一个实施方式，沿着生长方向，在第一和第四阻挡 层之上，参数y1和y4分别变化至少0.02或变化至少0.03或变化至少 0.04。替选地或附加地，所述变化至多为0.07或至多为0.06。

根据至少一个实施方式，铟含量沿着生长方向在第一和第四阻挡层 中分别单调地或严格单调地变化。第一和第四阻挡层中的铟含量的减小 和增大也能够替选地借助关于铟含量的实际变化的补偿线来确定。

根据至少一个实施方式，在量子阱层生长时和/或在阻挡层生长时的 生长速度至多为0.03nm/s或至多为0.02nm/s。因此，生长相对缓慢。

根据方法的至少一个实施方式，用于N的反应气体的流量和用于元 素周期表的13族中的元素、尤其用于铟和镓的反应气体的流量的比值 至少为30000或者至少为70000或者至少为100000。反应气体例如为用 于镓的三甲基镓或三乙基镓，用于铟的三甲基铟或三乙基铟。对于铝而 言，例如能够使用三甲基铝或三乙基铝。在过去元素周期表的13族也 称作为III族。

根据至少一个实施方式，在至少生长第一和第四阻挡层时的生长温 度相对于生长量子阱层时的生长温度升高。例如，所述温度升高为大于 0℃或至少1℃或至少10℃或至少15℃。替选地或附加地，所述温度升 高至多为100℃或至少为60℃或至多为40℃。

根据至少一个实施方式，用于有源区的层的生长温度分别至少为 730℃或至少为750℃。替选地或附加地，生长温度至多为850℃或至多 为810℃。

根据至少一个实施方式，参数x1和x4分别大于0。换言之，因此， 第一和第四阻挡层基于AlInGaN。一方面添加用于Al反应气体和/或另 一方面添加用于Ga和/或In的反应气体优选时间错开地进行。用于氮 气的反应气体优选地连续地添加。换言之，用于铝的反应气体不同时与 用于镓和铟的反应气体一起添加。尤其地，在生长时掺入各刚好一种用 于13族的元素的反应气体。在添加用于Ga、In和Al的各反应气体之 间，时间片优选位于1s和2s之间，其中包括边界值，尤其为至多10s 或至多20s。所述时间片优选相应于生长单个的原子层平均所需要的时 间。

根据至少一个实施方式，在生长第一和第四阻挡层时添加O₂或氧 化合物。尤其地，添加下述氧化合物，所述氧化合物提供原子的和/或 能反应的氧。这种氧化合物同时能够用作为用于铝的反应气体。例如， 为二乙基乙醇铝或为N₂和O₂的混合物。氧浓度优选为≤10％、尤其在 ≤0.1％的掺杂范围中。

根据方法的至少一个实施方式，量子阱层设计成，具有至少为 435nm和/或至多为475nm或至多为545nm的发射波长。

此外，提出一种光电子半导体芯片。半导体芯片借助如结合一个或 多个上述实施方式提出的方法制造。方法的特征因此也对半导体芯片公 开并且反之亦然。

在半导体芯片的至少一个实施方式中，第三阻挡层具有比第二阻挡 层高的GaN晶格质量。替选地或附加地，杂质铟在第三阻挡层中小于 在第二阻挡层中。

第三阻挡层由于添加H₂具有提高的质量。对于第二阻挡层尤其优 选地不添加H₂，因为这可能损坏量子阱层、尤其是直接在其之前生长 的量子阱层的材料质量。添加H₂的作用是从生长反应器中移除In进而 抑制In不期望地扩散到第三阻挡层中。

通过将In附加地提供到第一和第四阻挡层中，这些层中的材料质量 能够变差，然而进行对量子阱层的In含量的补偿。通过第三阻挡层在 添加H₂的条件下进而以高的质量生长，也作用于随后生长的含铟的层 的质量，这尤其引起高质量的InGaN阻挡层。

附图说明

下面，在此描述的方法和在此描述的光电子半导体芯片参考附图根 据实施例来详细阐述。相同的附图标记在此说明各个图中的相同的元 件。然而，在此，并非按照比例关系示出，更确切地说，为了更好的理 解能够夸张大地示出个别元件。

附图示出：

图1示出在此描述的光电子半导体芯片的一个实施例的示意剖视 图，

图2示出用于在此描述的半导体芯片的有源区的示意图，和

图3示出在此描述的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中示出具有有源区2的光电子半导体芯片1的一个实施例的 示意图。半导体芯片1具有由交替的GaN层和InGaN层构成的超晶格 3，没有单独示出。超晶格的最上方的层由GaN形成。

沿生长方向z跟随超晶格3的是由InGaN构成的第四阻挡层24。 跟随所述第四阻层24的是量子阱层20以用于在半导体芯片1运行时产 生电磁辐射。跟随量子阱层20的是第一阻挡层21，所述第一阻挡层基 于InGaN。第二阻挡层22和第三阻挡层23设置在所述第一阻挡层的下 游，所述第二阻挡层和第三阻挡层分别基于GaN。层的所述次序在有源 区2之内重复多次。有源区2的沿着生长方向z观察的最上方的层尤其 形成第三阻挡层23中的一个。

有源区2在图2中根据与沿着生长方向z的位置相关的带隙E的变 化来说明。在两个相邻的量子阱层20之间存在四个阻挡层21、22、23、 24。在层21、24中，存在关于铟份额的梯度。沿远离量子阱层20的方 向，铟份额分别减小，例如从大约10％减小到大约5％。与示出的情况 不同地，阻挡层21、24也能够基于AlInGaN。

在量子阱层20之前和之后的InGaN阻挡层21、24关于整个阻挡件 的几何中心优选对称地生长，所述阻挡件由层21、22、23、24组成。 然而，第一和第四阻挡层21、24也能够关于阻挡件中心不对称地生长。 优选地，第一和第四阻挡层21、24的厚度至多为1nm或至多为3nm。

由第二和第三阻挡层22、23组成的GaN阻挡区域优选具有≤3m 或≤2.2nm的厚度。例如，所述GaN阻挡区域具有大约为1.5nm或大 约为2.1nm的平均厚度。

在图3中根据温度变化并且根据气体量流Q或H₂气体流量分别与 时间t相关地绘制用于制造光电子半导体芯片1的方法。温度在此作为 温度变化ΔT以℃为单位示出并且与量子阱层20的生长温度有关。

在图3中可见，量子阱层20与第二和第三阻挡层22、23相比在大 约低15℃的温度下生长。在第一和第四阻挡层21、24生长期间，分别 进行温度变化，尤其是斜坡形式的温度变化。

如在所有其他实施例中那样，可行的是，不同于根据图2的视图， 第一和第四阻挡层21、24中的铟份额从量子阱层20的铟含量开始朝向 阻挡层22、23连续地或分级地归零。铟份额的梯度例如能够经由第一 和第四阻挡层21、24的生长温度设定或也经由铟反应物流量设定。

不同于图3，同样可行的是，阻挡层21、22、23、24和量子阱层 20在制造公差的范围中在相同的温度下生长。

在图3中还说明，在生长基于GaN的第三阻挡层23的期间添加 H₂。由此，铟剩余物能够远离生长面并且第三阻挡层23能够尤其高质 量地产生。

尤其优选地，在生长第二和第三阻挡层22、23期间，停止流入用 于铟的反应气体。尤其地，不输送用于铟的反应物，而输送氢气。H₂流量分别在公差至多为三百分点的情况下例如为用于N的优选为NH₃的反应气体的流量的1/6、1/5、1/4、1/3或一半。在一个替选的实施方 案中，不同于在图3中示出的，可行的是，氢气在第二和第三阻挡层22、 23的全部生长期间被输送。

在沉积GaN层22、23期间，用于N的和用于元素周期表的13族 的元素的反应气体的流量比例优选至少为100000。

如果为第一和第四阻挡层21、24替代InGaN而使用AlInGaN，那 么优选地，用于元素周期表的13族中的各个元素的反应气体不会被同 时引导到外延反应器中。用于N的反应气体的源优选持久地保持打开。

用于13族的元素的反应气体能够以脉冲的方式提供。作为用于反 应气体的脉冲的顺序，例如能够考虑的是：Alx*(In-Ga)，其中x优选 为在1和5之间的数值，其中包括边界值。因此，例如在铝反应气体的 脉冲之后跟随三个铟反应气体的脉冲和三个镓反应气体的脉冲。在铝脉 冲和铟脉冲之间，生长间隔在0s和10s之间，优选在1s和2s之间，其 中包括边界值。各个脉冲优选具有≤10s、优选在1s和2s之间的持续时 间，其中包括边界值。

因此，对于第一和第四阻挡层21、24而言，生长率优选大约为 0.02nm/s并且N与13族的反应气体流量比例尤其至少为40000。Al浓 度例如位于0.01％和40％之间，其中包括边界值，In浓度优选为至少 1％和/或至多为40％。

AlInGaN层21、24的沉积能够在添加氧的条件下进行，以便影响 铟原子键合到铝原子上，使得持久地正面影响AlInGaN材料质量。因 此，氧浓度例如为≤0.1％或≤10％。

例如，有源区如下构造并且如下制造：

为了要产生的450nm的波长在770℃的温度下沉积五个量子阱层 20。生长率为0.014nm/s。用于N和13族的元素的反应气体比例为30000。 量子阱层20分别具有大约3.3nm的厚度。

InGaN阻挡层21、24平均具有7.5％的铟浓度。第一和第四阻挡层 21、24的生长温度位于用于第二和第三阻挡层22、23的生长温度和量 子阱层20的生长温度之间。沿生长方向z在量子阱层20之前和之后的 阻挡层21、24对称地生长。阻挡层21、24分别具有大约为0.75nm的 平均厚度。

由阻挡层22、23组成的GaN阻挡区域的厚度大约为1.5nm。所述 GaN阻挡区域在停止输送用于铟的反应物的情况下生长。在所述GaN 阻挡层的生长的1/3之后，将氢气输送到反应器中。氢气流量在NH₃气 体流量上定向并且为其大约1/4。在生长GaN阻挡区域期间，用于N和 13族元素的反应气体流量比例为110000。GaN阻挡区域在与量子阱层 20相同的生长温度下沉积或者但是也在大约高20℃的温度下沉积。

阻挡层21、22、23、24连同量子阱层20具有大约7.0nm的超晶格 厚度。

根据另一个示例，半导体芯片如下构成并且如下生长：

量子阱层如在上面的示例中那样生长。同样地，GaN阻挡区域22、 23如在上面的示例中说明的那样生长。

第一和第四阻挡层21、24基于AlInGaN并且Al含量大约等于In 含量并且能够为大约30％。阻挡层21、24在与量子阱层20的生长温度 相比高大约15℃的温度下生长。AlInGaN阻挡层21、24关于由层22、 23组成的GaN区域对称地生长。阻挡层21、24具有分别大约为0.75nm 的厚度。可选地，在阻挡层21、24生长期间，掺入氧。

在此描述的发明不局限于根据实施例进行的描述。更确切地说，本 发明包括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其是包含在权利要求 中的特征的任意组合，当所述特征或所述组合本身没有详尽地在权利要 求或实施例中说明时也如此。

所述申请要求德国专利申请10 2012 104 671.9的优先权，其公开内 容在此通过参引并入本文。