[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括量子点的半导体器件，尤其涉及包括量子点的光 电子半导体器件及其制造方法。本发明可以应用于例如发光二极管(LEDs) 或半导体激光二极管。

背景技术

例如发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)的半导体光电子器件 具有广泛应用，包括用作指示灯构件、用作固态光源和用于光存储系统中。 根据所述器件产生的光的波长确定器件应用的适应性。

根据所述器件的发光区域确定从光电子器件发射的光的波长，所述发 光区域在此后被称为所述器件的有源区(active region)。典型地，使用 例如分子束外延法(MBE)或有机金属气相外延法(MOVPE)的外延沉积技 术是制造半导体发光器件。在这些外延沉积技术中，所述器件的层顺序沉 积在基板上且此基板随后被分成每个都包括光电子器件的多个独立的芯 片。这些外延沉积技术的特性是，通常很少控制或不控制每个沉积层的、 作为在可与芯片的预定尺寸相比较的长度范围上(on a length scale) 的基板表面的平面内的位置的函数的特性。因此，每一个芯片具有大体上 与其整个表面积相同特性的有源区。因此，每个器件(芯片)发射具有单 一波长的光，或有时发射具有较小连续范围的波长的光，所述较小连续范 围的波长是围绕具有最大值输出强度的波长分布的。对于需要混合不止一 种波长的光的半导体光电子器件的很多应用来说，所述器件的此种类型不 是最优选的。例如，为了发出白光，需要混合至少两种波长的光。因此， 需要制造光电子器件芯片，该芯片以多于一种发射波长发射光，并且此后 被称为多色发光器件。

制造多色发光器件的一个方法是在单个封装内组合具有彼此不同的 发射波长的两个或更多分立的芯片。然而，这种多芯片制造方法存在显著 的缺点。在封装中组合多于一个的芯片使得可获得的最小的封装尺寸可能 大于单芯片封装的尺寸。而且，因为不同波长的光从单独的位置发射，需 要复杂、昂贵和大体积的封装以保证存在组成波长的有效混合。因此，多 芯片封装对于希望成本低、结构紧凑的光源而言存在缺点。

这些缺点可以通过使用单片多色发光器克服，其中从单个芯片执行多 波长发射。该类型的器件可以在具有不同发射波长的有源区在基板上彼此 靠近定位的情况下制造，从而当基板分成分立芯片时，每一个芯片含有具 有不同发射波长的有源区。

现有技术中的方法使用外延沉积技术生产单片多色发光器。一个方法 是沿着沉积方向垂直堆叠两个或更多发光器件结构，每一个发光器件结构 具有不同的发射波长。例如，美国专利申请No.2002/0041148中披露了一 种由发光器件形成的装置，其中发光器件由沉积在由III-V半导体材料制 造的发光器件之上的II-VI半导体材料制造。在美国专利申请 No.2005/0067627和No.2006/0027820中也披露了基于相似的垂直堆叠范 例的器件。美国专利申请No.2003/0047742中披露了使用晶片粘结技术以 将独立沉积在不同基板上的两个发光器件垂直连接。这些垂直堆叠方法的 缺点包括：具有不同发射波长的垂直堆叠的器件复杂、成本高，器件加工 非常复杂从而在操作期间需要独立控制引入到具有不同发射波长的器件 内的电流，且有必要单独地生长具有独立发射波长的每一个有源区。

制造单片多色发射器的第二方法是在基板的平面内在横向上定位具 有不同发射波长的有源区。美国专利申请No.2005/0161683描述了在基板 上生长第一发光器件，随后通过蚀刻将此器件从晶片的多个区域移除，以 及在这些蚀刻的区域中再次生长具有不同发射波长的第二器件。因此最终 形成的器件包括并排定位在初始基板上的两个独立的发光器件。根据美国 专利No.6681064获得相似的结果，其通过在基板的限定区域内应用多个外 延沉积步骤以在单个基板上生长多个发光器件。这些方法的明显缺点在 于：尽管只有一个基板被使用，但是对于每一个单独的发射波长，需要整 个器件结构的外延生长。

一种熟知类型的用于发光器件的有源区包括量子点。量子点是电势箱 (potential box)，其中限制了电子或者空穴，或者电子与空穴(后文将 电子和空穴统称为载流子)，并且由于箱的小尺寸在所有的三个空间维度 上受到显著的量子尺寸效应。3D量子限制的结果是载流子的能量级被量子 化为分立的级别并且载流子状态的密度呈一个或更多delta函数的形式。