用于光電子學的半導體芯片及其制造方法

專利名稱：用于光電子學的半導體芯片及其制造方法
技術領域：
本發明涉及用于光電子學的半導體芯片，尤其涉及發射輻射的半導體芯片，它具有-一個有源薄膜層且尤其基于In1-x-yAlxGayP(其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)的薄膜層，在該薄膜層中形成一個發射光子的區域，-一個用于薄膜層的載體襯底，它設置在該薄膜層的背對芯片發射方向的那側上并與該薄膜層連接。
本發明還涉及同時制造許多這樣的半導體芯片的方法。
背景技術：
襯底本身是半導體芯片的一部分并且是薄膜層的機械支承層即薄膜層的主要支承元件，薄膜層本身在與襯底相對的那側上不再有自支承層。
基于In1-x-yAlxGayP(其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)的薄膜層意味著，薄膜層具有許多層，它們由攙雜或未攙雜的In1-x-yAlxGayP(其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)系材料制成。
US5008718和US5367580公開了上述類型的半導體芯片。為了制造上述類型的半導體芯片，通常通過外延方法在一個襯底上涂敷上一個有源半導體層序列。然后，在該有源半導體層序列的表面上，固定著一個載體襯底。其上淀積著該半導體層序列的基底的至少一部分被去除掉。最好在該載體襯底和該有源半導體層序列之間有一個金屬反射層，使載體襯底不吸收光。
這種已知的半導體芯片的一個缺點是，設置在載體襯底和有源半導體層序列之間的金屬反射層在波長短時一般沒有令人滿意的反射率。尤其是當波長短于600納米時，作為金屬反射層的金的效率越來越低，因為反射率明顯降低。當波長短于600納米時，例如可以采用元素Al和Ag，它們的反射率在波長短于600納米的情況下保持比較穩定。
另外，接合大面積反射層如金屬反射層帶來了困難。另外，由于金屬接觸層的接合和合金化，還存在損害金屬反射層的質量的相當大的危險。
此外，DE19807758Al公開了一種截金字塔形半導體芯片，它在一個上窗口層和一個下窗口層之間具有一個有源發光區。該上窗口層和該下窗口層一起構成該截金字塔形基體。窗口層側壁的傾斜取向使來自有源區的光在側面上全反射并且幾乎垂直地射向截金字塔形主體的起發光面作用的底面。這樣一來，從有源區發出的光的一部分在半導體元件的出射錐內射向表面。
在這里，出射錐是指并且以下應該是指這樣的錐體，即它由光線構成，所述光線入射到出射面的入射角小于全反射臨界角并且這些光線因而沒有被全反射，而是直接從半導體材料中被耦合輸出。因此，出射錐的開口角是全反射臨界角的兩倍。那些在出射錐外延伸的或者說以一個比全反射臨界角更大的角度擊中出射面的光線被全反射。
為了顯著增大光輸出，這種構想的前提就是上、下窗口具有最小厚度。在已知的截金字塔形半導體元件中，上、下窗口層的厚度至少為50.8微米(2millizoll)。這樣的層厚仍然在可作到的范圍內。但是，如果要提高已知半導體芯片的功率，則必須標定整個尺寸。在這樣的情況下，很快就得到了只能通過外延方式很費事地形成的層厚。所以，這種已知的半導體芯片通常只能技術上很費事地標定。

發明內容
基于這樣的現有技術，本發明的任務是提供一種可按照薄膜技術制造的并具有更好的光耦合輸出的半導體芯片及其制造方法。
根據本發明，通過具有權利要求1的特征的半導體芯片和具有權利要求27的特征的方法來完成上述任務。
優選的實施形式和半導體芯片制造方法是從屬權利要求的主題。
在半導體芯片的一個特別優選的實施形式中，孔洞橫截面從外向內地縮小，就是說，從與載體襯底的界面向薄膜層內部地縮小，孔洞的深度大于薄膜層一半厚度。
孔洞或由孔洞形成的許多臺面一方面有利地造成薄膜層在其連接到載體襯底上的連接側上具有壓緊面，該壓緊面與芯片的整個橫截面相比很小。這帶來了以下優點，即在縮小的壓緊面區域內，可以產生比較大的局部壓力，該壓力促進了襯底和薄膜層的可靠連接，但同時，對薄膜層的施壓可保持得足夠小，以便盡可能地消除薄膜層在與載體襯底連接時受損的危險。
另一方面，可供使用的連接面因有孔洞而增大，這也能夠導致載體襯底與薄膜層之間連接的改善。此外，孔洞用于容納多余的粘合劑或焊料，這有利地使得其定量變得不太重要。
此外，通過孔洞而有利地提供了這樣的側面，即在這些側面上，部分來自有源區的輻射被轉向，從而這部分輻射在出射錐內擊中有源薄膜層的背對載體襯底的出射面。與現有技術相比，在本發明的半導體芯片中，在臺面的側面上的反射至少部分代替了在一個連續的平面反射層上的反射。
在這里有利的是，側面盡可能深地突入薄膜層中以便使盡可能多的來自有源區的并且沒有直接擊中出射面并在那里耦合輸出的輻射如此(甚至多次)反射即轉向，即這部分輻射以一個在出射錐內的角度擊中出射面。
實驗表明，當孔洞深度大于薄膜層厚度的一半時，耦合輸出效率明顯提高。
在本發明的一個實施形式中，孔洞的深度能夠使有源薄膜層的有源區被孔洞分斷開。
事實證明，其有源區通過一個從固定側起開設于有源薄膜層中的孔洞被分斷開的半導體芯片具有特別高的光輸出。因為在這種情況下，不僅是射向固定側的光子，而且至少一部分射向有源薄膜層出射面的光子通過在臺面的側面上的反射而以一個位于出射錐內的角度轉向出射面。
在臺面分界面上的反射造成大部分來自有源區的光子在出射錐內擊中出射面并且可以離開半導體芯片。
在另一個優選實施形式中，薄膜層是如此構成的，即從有源區發出的光子的至少一條軌跡從當時的臺面通向其中一個相鄰的臺面。
通過使臺面光學耦合，沒有在原臺面的其中一個側面上反射的光子進入其中一個相鄰臺面中并在那里在當時的臺面的側面上被如此反射，即這部分光子在出射錐內擊中出射面。
另外，在本發明的一個有利的實施方式中，臺面配備有凹側面。
通過這些措施，輻射的走向是這樣的，即它們首先在出射面上反射并且隨后每次相對出射面更陡地在一個臺面的一側面上繼續反射，從而這些輻射最終在出射錐內擊中出射面。
在另一個優選實施形式中，這些臺面被一個反射層覆蓋住。
通過這個措施，全部擊中臺面側面的光輻射被轉向半導體芯片的出射側。


從以下結合附圖描述的實施例中，得到了本發明的半導體芯片的和本發明方法的其它有利實施形式，其中圖1是本發明半導體芯片的橫截面示意圖；圖2是本發明半導體芯片的另一個實施例的橫截面示意圖，其中有源區分別設置在截金字塔形臺面內；圖3是本發明半導體芯片的橫截面示意圖，該半導體芯片配備有具有凹側面的臺面；圖4是一曲線圖，它示出了本發明半導體芯片的光輸出與傳統半導體芯片相比升高的情況；圖5是一個臺面的橫截面示意圖，該臺面由一個下方的扁截錐和一個上方的陡截錐構成；圖6a-6d是臺面的不同橫截面形狀的示意圖和一曲線圖，該曲線圖示出了耦合輸出效率與圖5所示臺面的下截金字塔和上截金字塔之間的界面的半徑的關系；圖7是一曲線圖，它表示耦合輸出效率與設置在圖5所示臺面尖頭上的接觸層的反射率的關系；圖8是一曲線圖，它示出了耦合輸出效率與圖5所示臺面的側面的反射率的關系；圖9是一曲線圖，從中可以看出耦合輸出效率與在有源區內的一光斑尺寸的關系；圖10a-10d是一個臺面的不同橫截面形狀的示意圖和一曲線圖，在臺面中，有源區高度是變化的，該曲線圖示出了耦合輸出效率與一個下分界層的厚度的關系；圖11是一曲線圖，它示出了耦合輸出效率與一個具有圖10b所示橫截面形狀的臺面的側面的凸緣角的關系；圖12是另一曲線圖，它示出了耦合輸出效率與一個具有圖10b所示橫截面形狀的臺面的凸緣角的關系；圖13是一曲線圖，它示出了在厚度保持不變時的耦合輸出效率與有源薄膜層寬度的關系；圖14是一曲線圖，它示出了耦合輸出效率與用于各種臺面形狀的臺面的連接臺面覆層的厚度的關系；圖15是本發明半導體芯片的另一個實施例的橫截面示意圖；圖16是本發明半導體芯片的另一個實施例的橫截面示意圖；圖17a-17e是用于制造本發明的多個半導體芯片的第一方法的過程的示意圖；圖18a-18e是用于制造本發明的多個半導體芯片的第二方法的過程的示意圖；圖19a-19e是用于制造本發明的多個半導體芯片的第三方法的過程的示意圖；圖20是本發明半導體芯片的俯視圖；圖21是在形成孔洞后的薄膜層表面的斜視圖；圖22是圖21的局部放大圖。
具體實施形式在這些圖中，相同的或作用相同的實施例組成部分用相同的附圖標記表示。
圖1所示的用于發光二極管的半導體芯片具有一個載體襯底1，在該載體襯底上涂敷有有源薄膜層2。為清楚起見，在圖1中，與襯底1厚度相比夸大地示出了有源薄膜層2的厚度。有源薄膜層2具有一個發射光子的有源區3，該有源區總是在中間高度上形成在臺面4中。臺面4可以成截金字塔形或截錐形。因此，半導體芯片就是一個發光二極管。
臺面4設置在覆層5上，該覆層在一個平的前側面6上具有一個中心前側接觸部位7，該接觸部位最好由一個金屬化層構成。由孔洞8構成的背面臺面4被一反射層覆蓋著，該反射層由一個介電絕緣層9和一個涂覆在該介電絕緣層上的金屬化層10構成。絕緣層9沿臺面4底面11被觸點接通部12隔斷開，所述觸點接通部由金屬化部分構成。
絕緣層9最好具有一個比薄膜層2的相鄰半導體層更小的折射率。該絕緣層還被構造成用于金屬化層10的防擴散層。代替絕緣層9，也可以使用一個導電層。該層的光學性能是決定性的。
為了制造如圖1所示的半導體芯片，首先，在一個生長襯底上外延生長有源薄膜層2。有源薄膜層2例如可以基于InGaAlP地制成，其中，覆層5首先形成在生長襯底上，隨后，以高于1018cm-3以上的濃度攙雜，以確保覆層5的良好導電性，這是因為覆層5的良好導電性是以下的前提條件，即在發光二極管芯片的正面6上，一個中心接觸部位7足以給許多臺面4的有源區供應電流。另外，覆層5的成分是如此選擇的，即它對在有源區內產生的光子是透明的。通常，這可以通過利用覆層5的材料成分來調節禁帶間隙來實現。
隨后，在覆層5上涂覆上另一層，在該層中，通過適當的化學濕式或化學干式蝕刻法形成臺面4，這些蝕刻方法不是本申請的內容。臺面4最好只形成在為半導體芯片而設的區域內并且最好在那里又只在可以發生光耦合輸出的區域內，而不是在薄膜層2表面上的接觸層7、43、49的下面。這些為半導體芯片而設的區域具有400微米見方的典型橫向外尺寸。臺面4具有這樣的外尺寸，即該外尺寸在有源薄膜層2的層厚范圍內。因此，臺面4的外尺寸在10微米范圍內。
在另一個步驟中，在臺面4上淀積絕緣層9并且形成觸點接通部12。隨后，涂覆上金屬化層10。
隨后，有源薄膜層2根據規定的芯片數量被分開。這例如通過濕式蝕刻來實現。
接著，分開的有源薄膜層2例如通過共晶接合被固定在襯底1上并且通過濕式蝕刻去除生長襯底。接著，在有源薄膜層2的敞露前面上形成接觸部位7并且半導體芯片通過分離載體襯底1被分開。
圖1所示的半導體芯片具有以下優點，即由有源區3產生的光子沒有射到吸收光子的半導體芯片成分上，因為通過金屬化層10使光子遠離載體襯底1。因此，襯底在導電和/或傳熱能力和/或熱膨脹方面有利地得到很好的優化。
另一個優點是，在圖1的半導體芯片中，由有源區3發出的光子的絕大部分在臺面4的側面13上全發射。在側面13上全反射的光子以一個大的角度射向前面6。尤其是，未在側面13上反射而在前面上全發射的一部分光子在出射錐內射向前面6并因而可以離開半導體芯片。所以，在圖1的半導體芯片中，至少部分地通過在側面13上的全反射代替了從現有技術中公開的在連續底面上的反射。因此，圖1的半導體芯片與沒有孔洞8的傳統半導體芯片相比具有幾乎增加了兩倍的光輸出。
以下，結合圖2、3所示的其它實施例來詳細描述上述效果。
注意一列光輻射，其中術語“光輻射”不是指局限于一定的波長，而是指局限于與波長無關的幾何光學方法。
在圖2所示的實施例中，臺面4成截金字塔形狀并且它只在臺面4底面11上通過一個接觸層14被固定在載體襯底1上。通過接觸層4，給有源區3供應電流。
由于半導體與澆注樹脂之間的折射率差一般高達3.5∶1.5，所以在半導體與澆注樹脂之間的界面上，只能從半導體中耦合輸出光輻射，所述光輻射在一個出射錐內以約16°的開口角射入界面。在光輻射等角度均分射入時，這約等于單位面積射入的光輻射的2％。
通過臺面4，來自有源區3的光輻射轉向前面6。臺面4的作用是使射向側面13的光輻射轉向前面6并且在那里在出射錐內擊中，從而所述光輻射可以離開半導體芯片。此外，光輸出可以通過適當選擇底面11的尺寸、側面13傾斜角大小以及臺面4高度和有源區3位置而得到優化。
在圖2中示出一光輻射15，它首先在側面13上全反射并從那里轉向前面6。在前面6上，光輻射在出射錐內射向界面并因而可以離開半導體芯片。在沒有在側面13上全反射的情況下，光輻射15會在前面6上全反射并且回射向一個從現有技術中公開的反射層，在這里，光輻射又會被反射。在圖2所示的實施例中，在傳統的連續反射層上的反射被在側面13上的反射代替了。
這也適用于光輻射16，它首先在底面11上并接著在側面13上反射。光輻射16也在第二次反射后轉向前面6，在那里，該光輻射在出射內擊中。在沒有在側面13上反射的情況下，光輻射16也會在前面6上全反射并回射向一個背面反射層。
還有利的是，臺面4通過覆層5被光學耦合。在這里，光學耦合是指，至少一個來自薄膜層2的光輻射可超過中心線17地從其中一個臺面4的區域到達一個相鄰臺面4的區域。因為借助覆層5進行光學耦合可以使沒有射向當時的臺面4的一側面13的光輻射18擊中其中一個相鄰臺面4的其中一個側面13并在那里轉向前面6，在這里，光輻射在一個出射錐中擊中。所以，通過借助覆層5的光學耦合，進一步增加了光輸出。
最后，在圖3中示出了半導體芯片的一個變型實施例的橫截面，其中臺面4成具有凹側面13的截錐形。這種側面13設計結構導致了，一個在前面6和側面13之間來回反射的光輻射18在接近中心線17時逐漸轉向前面，直到它在出射錐內擊中前面6。這也適用于光輻射19，所述光輻射19首先通過覆層5從各自的臺面4到達相鄰的臺面4并在那里以一個大角度到達前面6。
最后，在圖4中示出了一個曲線圖，在該曲線圖中，一條測量曲線20表示按照有關單位的光輸出在一個按照薄膜技術制成的傳統發光二極管脈沖工作時與工作電流的相互關系。另一條測量曲線21表示按照有關單位的光輸出與根據圖3所示實施例的發光二極管的工作電流的相互關系。可從圖4中看到，在圖3所示實施例中的光輸出大約是沒有孔洞8的傳統半導體芯片的光輸出的兩倍。
為了確定臺面4的最佳形狀，進行了一系列實驗。以下，結合圖5-圖14來詳細說明實驗結果。
首先，結合圖5來說明在實驗中改變的參數。在圖5中，示出了其中一個臺面4的橫截面形狀。在所示情況下，臺面4由一個下截錐22和一個上截錐23構成。下截錐22以一個基面24與覆層5相鄰。在上截錐23中形成該有源區3。此外，在圖5中設有一個設置于臺面3的底面11上的接觸部位25。
臺面4的側面13由下截錐22的一個凸緣26和上截錐23的一個凸緣27構成。沿共同的界面28的下截錐22的幾何尺寸是如此選擇的，即凸緣26直接過渡到凸緣27中。
以下涉及臺面4的各尺寸。下截錐22基面24的半徑用rn表示，界面28的半徑用rt表示，底面11半徑用rp表示。另外，臺面4可以被分成一個在基面24和有源區3之間的下分界層29與一個在有源區3和底面11之間的上分界層30。在這里，下分界層29具有厚度hu，上分界層具有厚度h0。還用H表示臺面的總厚度。在所有實驗中，總厚度都被設定為6微米。至于覆層5的厚度hw，在所有的其厚度hw都不變的實驗中，它被設定為2微米。
在圖6a-6d中示出了計算結果，其中底面11的半徑被rp被設定為5微米，基面24的半徑rn被設定為20微米。在圖6a-6d所示的橫截面形狀中，界面28的半徑rt在6微米-18微米之間變化。
在這些實驗中，3.2折射率被用于有源區3。下分界層29的折射率、上分界層30的折射率以及覆層5的折射率都是3.3。在不改變的情況下，采用了等于0.3的接觸部位25反射率。未被接觸部位25蓋住的底面11以及凸緣26、27的反射率被設定為0.8。在這里，反射率分別是指與能量有關的反射系數。
另外，通過10.000/cm的吸收系數考慮了有源區3的自吸收。所有實驗是通過光子循環進行的。為此假定內部量子效率為0.8。不考慮當因載流子重組而產生光子時的量子效率。因此，在曲線圖中指明的耦合輸出效率η等于從半導體芯片中耦合輸出的光子與實際所產生光子量之比。因此，指明的耦合輸出效率η的值必須乘以系數0.8，以便得到外部效率。
還假定，在接觸部位25和凸緣26、27上的反射與角度無關。所以，在實驗中出現這樣的情況，即首先介電絕緣層9被涂覆到臺面4上并補充上成鏡像的金屬化層10，在實驗中低估了它的作用，這是因為，在實驗中沒有考慮到在此情況下出現的全反射。
圖6c表示一曲線圖，其中，相對半徑rt地以一條曲線31示出了耦合輸出效率η。為了比較，也示出了一個普通薄膜半導體芯片的耦合輸出效率，其中只在光子循環范圍內測量散射。邊緣長300微米的薄膜半導體芯片具有與在下截錐22和上截錐23內的臺面4一樣的外延組織。假定，半導體芯片在p型區具有一個鏡面，其反射率為0.72。該值是反射層和接觸層的用覆蓋率加權的反射率平均值，其中，對于反射層的反射率來說，該值為0.8反射層的覆蓋率為0.85，對于接觸層的反射率來說，該值為0.3，并且采用0.15覆蓋率。
可以從圖6中看到，在根據圖6a的橫截面形狀的上截錐23的迎角很大的情況下，耦合輸出效率η不見得高于傳統的薄膜發光二極管的耦合輸出效率η，在圖6d中通過直線32示出了其耦合輸出效率。這也是可以理解的，因為具有圖6a所示平坦的面橫截面形狀的臺面4不見得就使來自有源區3的光輻射以銳角射向發光面6。而確切地說，這只能通過具有圖6c所示橫截面形狀的臺面4來實現，在這和情況下，耦合輸出效率η也幾乎是傳統的薄膜發光二極管的耦合輸出效率η的兩倍。
此外，實驗了耦合輸出效率η與接觸部位25反射率之間的關系。為此，根據接觸部位25的反射率計算了耦合輸出效率η，在這里，臺面4的橫截面形狀等于圖6b所示的橫截面形狀。另外假定，接觸部位25覆蓋整個底面11。可以從圖7中看到，耦合輸出效率η與接觸部位25的反射率沒有太大關系。所以，與傳統的薄膜發光二極管相比，在此所述的、具有設在固定側的臺面4的半導體芯片看來對接觸部位25的較低反射率要不敏感得多，因為導致耦合輸出的多次反射顯然只有小部分在底面11和發光面6之間進行，而在臺面4中是立體進行的。
與接觸部位25反射率的相對無關性是特別有利的，這是因為，實際上，在接觸部位25與上分界層30之間的低歐姆電阻一般與低反射率有關。因為良好的歐姆接觸需要原子從構成接觸部位25的層中擴散到其下的材料中。
與同接觸部位25反射率的關系相反地，耦合輸出效率η與在底面11和凸緣26、27上的鏡面的反射率Rs的關系是非常搶眼的。這樣的計算結果表明了，該計算是通過半導體芯片的一個模型進行的，該半導體芯片的臺面4的半徑為，rn＝20微米，rt＝16微米，rp＝5微米。
所以，臺面4大致具有圖6b所示的橫截面形狀。
這種計算結果就是一條圖8所示的曲線33，它單調地隨反射率Rs增大而升高。在圖8的曲線圖中繪出的點34表示用于這樣的半導體芯片的計算結果，即在該半導體芯片上，不曾涂覆鏡面層，而是該半導體芯片埋入作為包圍物質的樹脂中。不過在這里出現了全反射，從而與具有鏡面層的半導體芯片相比，產生一個更大的耦合輸出效率。在圖1所示的實施例中，情況也是如此，在該實施例中，在金屬化層10之間設有電絕緣層，也可以在該電絕緣層上發生全反射。
圖9包含這樣的計算的結果，即該計算是在具有臺面的半導體芯片上進行的，其半徑為rn＝20微米，rt＝16微米，rp＝5微米。所以，該臺面4大致具有圖6b所示的橫截面形狀。在這里，有源區3位于基面24和底面11之間的中間高度上。在這種計算中，在其有源區3中出現光子的區域被限制為一個光斑，該光斑直徑dL繪制在橫坐標上。結合圖9的曲線圖，可以看到，耦合輸出效率在光斑較小時特別高。這意味著，光子在有源區3的中心被特別好地耦合輸出。就此而言，存在較弱的外氏效應。
另外，實驗了有源區3位置的影響。在圖10a-10c中示出了各種橫截面形狀，其中如此改變下分界層29的厚度hu與上分界層30的厚度h0，即臺面的總厚度H保持不變。圖10d示出了計算結果，在該圖中，與下分界層29的厚度hu有關地繪制出耦合輸出效率η。如圖所示，耦合輸出效率η與有源區3位置的關系不大。優選一個位于臺面4下半部中的有源區3，這是因為流經有源區3的電流密度低并因而有源區3的電流負荷保持低，這避免了老化問題和線性問題。
此外，實驗了凸緣27迎角φ0與凸緣26迎角φu的影響。在這里，基于這樣一個橫截面形狀，其中下截錐22和上截錐23分別具有相同的迎角φ0、φu值。在這里，有源區3的半徑φ0始終為10微米，迎角φ＝φ0＝φu改變。在此注意兩種情況。一方面，實驗用于周期性邊界條件的耦合輸出效率η，其中基點間距為10微米。在圖11的曲線圖中，在曲線35中確定了結果。此外，實驗了非周期性情況。為此計算一個具有一獨立臺面4的半導體芯片的耦合輸出效率η，在這里，所有射入覆層5的光子被覆層5吸收。在圖11中，通過曲線36描繪出了非周期性情況。如圖11所示，覆層5對耦合輸出效率η有明顯貢獻。
對于凸緣角φ來說，也存在一個最佳區域。該區域如圖12所示。在基礎計算中，設半徑rp等于10微米。如此改變有源區3的半徑ra和基面24的半徑rn，即凸緣27、26的迎角φ覆蓋1.5°-85°的范圍。如圖12所示，存在一個最佳的迎角φ角度范圍。凸緣角φ應該為5°-60°并最好是10°-40°。當迎角φ為10°-30°時，得到非常好的耦合輸出效率η值。
最后實驗了改變臺面4的寬度對耦合輸出效率η有什么樣的影響。因此在這里，臺面4厚度H保持不變，半徑rp、ra、rn均勻一致地延伸。在圖13的曲線37表示這樣的情況，即接觸部位25的反射率RK等于0.3。另一條曲線38涉及接觸部位25的反射率RK等于0.8的情況。曲線37、38都表示耦合輸出效率η與有源區3直徑2ra的關系。在接觸部位25具有高反射率時，耦合輸出效率η只隨著有源區3直徑的增大而略微降低。不過，表示接觸部位25的反射率RK低的實際情況的曲線37表明，耦合輸出效率η隨著有源區3直徑的增大而顯著降低。所以臺面4的橫向延伸越小，耦合輸出效率η越高。
覆層5的厚度對耦合輸出效率η也很重要。在圖14中，與覆層5厚度hw有關地示出了用于各種情況的耦合輸出效率η。曲線39說明上述周期性狀況。另一曲線40涉及非周期性狀況，第三曲線41涉及300見方的方形半導體芯片通過一個連接層相互連接的狀況。可以從圖14中看到，層厚增大的覆層5越發有利。尤其是，如果層厚hw小于在這里為6微米的臺面4厚度，則這是很有利的。結果，孔洞8的深度應大于有源薄膜層2厚度的一半。
不過，如圖14所示，分別有一個臺面4的許多獨立的半導體芯片表明最佳情況，因為耦合輸出效率在厚度hw＝0時是最高的。可是，獨立的芯片具有這樣的缺點，即其功率不能隨意擴大，因為也必須隨功率來標定半導體芯片的尺寸。但從實際出發，外延層厚度是有限的。這造成無法為任意高的功率來設計獨立的半導體芯片。不過，圖1-4所示的半導體芯片可以幾乎隨意地規劃，因為，只需要按照覆層5的增大面積來提高臺面4的數量，以便提高半導體芯片的光功率。
另一項實驗與有源區3是否也可設置在覆層5中的疑問有關。為此，計算用于傳統薄膜發光二極管的耦合輸出效率并且設其為1。一個其有源區3設在覆層5中的半導體芯片與傳統的薄膜發光二極管相比具有1.25的耦合輸出效率。最后，對于圖1-4所示的半導體芯片來說，得到了1.67的相對耦合輸出效率。這表明，當有源區3設置在覆層5內時，可以獲得耦合輸出效率η的提高。
圖15示意表示本發明的薄膜發光二極管芯片的優選實施形式。在這里，薄膜層2包括一個高攙雜有Te的且約4微米厚的n-InGaAlP層2a(濃度大于1017cm-3并最好大于1018cm-3)以及一個約3.5微米厚的攙雜有Mg的P-GaP層2b。
在薄膜層2的面對載體襯底1的固定側11上，如結合圖11所述的那樣，涂覆上一個如由Si3N4構成的絕緣層9和一個金屬反射接觸層10。與由有源區發出的光的波長有關的Si3N4層具有最好大約是所發光輻射波長的三倍的厚度，這樣的Si3N4層除了其電絕緣作用外還導致了更好的金屬反射層的鏡面效果并且在使用適當材料的情況下同時構成在薄膜層2與金屬反射層10之間的擴散阻擋層。
或者，絕緣層9可以是如由氮化硅層和氧化硅層交替構成的疊層。
p型區給有源區3的供電通過合金化AuZn觸點12來保證，該觸點設置在臺面4的面向載體襯底1的那面上并且穿過絕緣層9。
反射接觸層10最好是一個AuZn/TiW(N)/Au層。但是，它也可以完全由Au、Al或Ag或它們的合金構成。
為了獲得足夠高的力學穩定性，通過接合將薄膜層2涂覆到導電載體襯底1上，在這個實施例中，它附設在n-GaAs襯底上。而且，在載體襯底1的上表面和下表面上，例如有AuGe接觸層44、45。在面向薄膜層2的那側上，例如還有一個TiPtAu/AuSn層47位于AuGe接觸層45上。
在芯片的前面或耦合輸出側上，設有一個中心觸點7和一個金屬框43或另一個導電框，它通過兩個未示出的導電橋與中心觸點7連接。中心觸點7和金屬框43例如包括一個TiPtAu層和一個設置在該TiPtAu層與薄膜層2之間的TiAuGe層。
n-InGaAlP層的強導電性保證了所需的電流擴大。給有源區3的p型區供電借助在載體襯底1底面上的接觸層44并通過過該載體襯底來實現。
為進一步改善光耦合輸出，在薄膜層2的前面上設置一個光學抗反射涂覆層42，在這個實施例中，它是一個λ/4的Si3N4層。
如已結合圖2所述的那樣，在薄膜層2中，從載體襯底1和薄膜層2之間的接合平面起地形成許多個截金字塔形孔洞8，它們明顯加強了發光二極管的光耦合輸出。在這個實施例中，孔洞8足夠深地進入薄膜層2中，從而它們斷開了pn結3。不過，也可以如此深地形成孔洞8，即它們沒有斷開pn結。
除了加強光耦合輸出外，孔洞8還有這樣的優點，即它們明顯降低了當薄膜層2共晶接合在載體襯底上時因各材料的熱膨脹系數不同而出現的應力。因此，提高了過程安全性和加工生產率。
這同樣適用于根據在溫度因損耗功率而升高時的不同熱膨脹情況來補償在半導體芯片工作中出現的機械應力。
圖16示意表示根據本發明的另一個半導體芯片。在這個實施形式中，薄膜層2被涂覆在一個電絕緣載體襯底1上，從而給pn結3的p型區供電通過一個除薄膜層2外還設置在Au-Ge接觸層上的p觸點46來進行。
p-InGaAlP層2b具有6微米的厚度，而以1×1018cm-3的攙雜的n-InGaAlP:Te層2a具有3微米厚度。在這個實施例中，孔洞8的延伸深度為5.5微米。在這個實施例中，它們沒有斷開pn結3。
在這個實施例中，例如在薄膜層2的背對載體襯底1的前面上安置一個由導電In-Sn氧化物構成的光學抗反射涂覆層48，除了改善光耦合輸出外，這個層也有助于電流擴大。所以，在這里，n層2a有時可以被設計得比采用電絕緣抗反射涂覆層時更薄，因為電流擴大不必唯一地在薄膜層2里進行。
這樣的導電抗反射涂覆層48也可以被用在本發明半導體芯片的所有其它實施形式中。在圖16的實施例中，也可以在In-Sn氧化物層48的位置上使用一個絕緣的抗反射涂覆層42。
圖16所示的結構也適用于采用導電載體襯底1的應用場合并且不局限于使用電絕緣載體襯底1的應用場合。
圖16的實施形式的結構具有以下優點，即載體襯底1尤其是可在熱膨脹和/或導熱性能方面有利地得到優化，而不必關注導電性。
如果需要，在處理薄膜層時，用適當材料填充孔洞8。
在制造方法的各不同時刻的晶片垂直剖面示意圖表明了圖17a、17b所示的用于同時制造許多本發明的半導體芯片的工藝過程。為簡明起見，在這里并且在說明圖18a-圖19e的方法時也省掉了尤其是薄膜層2以及在載體襯底和薄膜層之間的上述層及其所有細節。
薄膜層2、絕緣層9、接觸層7、43-47、49和抗反射涂覆層42、48例如是通過從半導體技術中知道的傳統淀積方法制成的。
在第一工序中，使一個有源薄膜層2生長到一個生長襯底20上(圖17a)。如上所述，這樣的薄膜層2一般具有許多具有各種成分的半導體層。
隨后，在薄膜層2中形成孔洞8，以便在隨后要在其中進行半導體芯片發光的區域內產生臺面4。這例如是通過適當的掩模技術和各向異性的濕法化學蝕刻(圖17b)來實現的。
接著，在薄膜層2的具有孔洞8的那側上，涂覆上反射層9、10(在此未示出，但例如參見圖15、16)并在臺面4上形成觸點接通部12(在此未示出，但例如參見圖15、16)，隨后使這一側與一個載體襯底晶片21連接，在該載體襯底晶片的主面上最好有接觸層44、45(圖17c)。
在至少部分并最好完全去除生長襯底20后，在薄膜層2的空閑面的每個要形成半導體芯片的表面區內涂覆上焊墊7，一個供電框43通過連接片49(見圖20)與該焊墊連接，所述供電框在隨后的芯片的薄膜層2的外邊緣上延伸。例如，這樣的接觸層材料如上所述。后來芯片的位于焊墊7和觸通框70之間的光耦合輸出面具有一個光學抗反射涂覆層42。為此參見圖17d。
在分開這樣加工成的晶片前，沿分離線22并最好通過蝕刻分斷開薄膜層2，根據需要，在由此出現的薄膜層凸緣上進行損傷蝕刻。如果需要，薄膜層2的凸緣可以有一個抗反射涂覆層和/或鈍化層。
在該步驟之后，載體襯底晶片21例如借助鋸齒或刻痕和折斷沿分離線22被分斷開，從而形成獨立的半導體芯片23。
因此，半導體芯片的整體形成有利地按照復合晶片的形式進行，就是說，晶片被分斷開是工藝過程的、在將芯片如安裝在殼體中之前的最后步驟。
圖18a-18e所示的方法與圖17a-17e所示方法的區別主要在于，可以省略掉在分斷載體襯底晶片21前對薄膜層進行分割并且薄膜層2的分割和載體襯底晶片21的分割一起沿分離線22在一個步驟中完成。
圖19a-19e所示的方法與圖17a-17e所示方法的區別主要在于，分割開薄膜層2是在使薄膜層2與載體襯底晶片21連接前進行的。
代替磨削和/或濕法化學蝕刻方式，生長襯底的去除也可以借助爆破進行。為此，最好在薄膜層和生長襯底之間涂上一個吸收層，它具有比生長襯底更小的能帶間距。穿過生長襯底，吸收層借助具有適當波長的激光器被破壞。在由GaAs構成生長襯底的場合下，吸收層例如由InGaAs構成并且激光器例如是IR激光器。
在圖20所示的本發明芯片的俯視圖中，可以看到借助孔洞8產生的臺面4。尤其是能看到，在觸點7區域、連接片49區域、供電框43區域和分離軌線區中沒有孔洞8。這些區域是本來光輻射耦合輸出就沒有或很少的所有區域。在這些區域中省掉孔洞有利地造成薄膜層2的相當高的機械穩定性。這尤其是在觸點7區域內產生有利的影響，因為在那里，當把半導體芯片裝到一殼體內時，一般要蝕刻并印制出接合線。
圖21示出了在形成孔洞8后的一個薄膜層2表面的斜視圖。在此也能看到，在觸點7區域70、連接片49區域80和供電框43區域90中，沒有臺面4。
圖22表示圖21的局部放大圖。
權利要求
1.用于光電子學的半導體芯片，尤其是發射輻射的半導體芯片，它具有-一個有源薄膜層(2)，在該薄膜層中形成一個發射光子的區域(3)，-一個用于薄膜層(2)的載體襯底(1)，它設置在該薄膜層(2)的背對芯片發射方向的那側上并與該薄膜層連接，其特征在于，在該有源薄膜層(2)中，從載體襯底(1)起地形成有至少一個孔洞(8)，通過該孔洞在載體襯底(1)和薄膜層(2)之間的分界處形成許多個臺面(4)。
2.如權利要求1所述的半導體芯片，其特征在于，孔洞(8)的橫截面隨著離開載體襯底(1)而變小。
3.如權利要求1或2所述的半導體芯片，其特征在于，該有源薄膜層具有一個基于In1-x-yAlxGayP(其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)的層序列。
4.如權利要求1所述的半導體芯片，其特征在于，如此深地形成孔洞(8)，即有源區(3)被孔洞分斷開。
5.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，通過許多個孔洞(8)，只在構成薄膜層(2)的產生輻射的區域的區域內形成臺面(4)。
6.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，由有源區(3)發出的光子的至少一條軌跡(18)從當時的臺面(4)通向相鄰臺面(4)之一。
7.如權利要求5或6所述的半導體芯片，其特征在于，臺面(4)向著載體襯底逐漸縮小。
8.如權利要求7所述的半導體芯片，其特征在于，臺面(4)具有凹側面(13)。
9.如權利要求5-8之一所述的半導體芯片，其特征在于，臺面(4)成截金字塔形。
10.如權利要求5-9之一所述的半導體芯片，其特征在于，有源區(3)設置在臺面(4)的與覆層(5)相鄰的那一半中。
11.如權利要求5-10之一所述的半導體芯片，其特征在于，覆層(5)對由有源區(3)發出的光子是盡可能透明的。
12.如權利要求5-11之一所述的半導體芯片，其特征在于，覆層(5)是高度攙雜的。
13.如權利要求4-12之一所述的半導體芯片，其特征在于，臺面(4)被一個反射層(9，10)覆蓋住。
14.如權利要求13所述的半導體芯片，其特征在于，該反射層具有一個墊有一絕緣層(9)的金屬化層(10)。
15.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，有源薄膜層(2)具有5微米-50微米的厚度。
16.如權利要求15所述的半導體芯片，其特征在于，有源薄膜層(2)具有5微米-25微米的厚度。
17.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，所述的至少一個孔洞(8)的深度大于薄膜層(2)厚度的一半。
18.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，載體襯底(1)是導電的并且在背對薄膜層(2)的那側上具有一個電接觸面(44)。
19.如權利要求1-17之一所述的半導體芯片，其特征在于，載體襯底(1)是導電的或電絕緣的并且在面向薄膜層(2)的那側上除薄膜層(2)外還有一個電接觸面(46)。
20.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，薄膜層(2)的位于固定側(11)對面的表面(6)有一個用于改善光耦合輸出的光學抗反射涂覆層(42)。
21.如權利要求20所述的半導體芯片，其特征在于，該光學抗反射涂覆層(42)由氮化硅構成。
22.如權利要求20所述的半導體芯片，其特征在于，光學抗反射涂覆層(42)由導電的In-Sn氧化物構成。
23.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，薄膜層(2)在與一個或多個接觸部位(7，43)相對的區域中沒有孔洞(8)。
24.如前述權利要求之一所述的半導體芯片，其特征在于，臺面(4)向著載體襯底(1)逐漸縮小。
25.如權利要求24所述的半導體芯片，其特征在于，臺面(4)具有截金字塔形或截錐形形狀，并且斜的側面具有一個在5°-60°并尤其是10°-40°之間的、與薄膜層(2)橫延伸方向相對的迎角ψ。
26.如權利要求25所述的半導體芯片，其特征在于，迎角ψ為15°-30°。
27.用于同時制造許多用于光電子學的并有一個有源薄膜層(2)的半導體芯片的方法，在該薄膜層中形成一個發出光子的有源區(3)，該方法包括以下步驟-在一個生長襯底晶片(20)上，使一個包含發射光子的區域(3)的層序列外延生長；-如此在該層序列中形成至少一個孔洞(8)，即在該層序列中形成許多個臺面(4)；-將至少一個絕緣層(9)涂覆到該層序列的有孔洞(8)的面上；-分別在臺面(4)上形成至少一個觸點接通部(12)；-如此將由生長襯底晶片和層序列構成的復合晶片安裝到一個載體襯底晶片(21)上，使臺面(4)面對載體襯底晶片(21)，并且尤其是借助焊接或粘接使該復合晶片與襯底晶片(21)連接；-至少部分地去除生長襯底晶片(20)；-將一個電觸點接通部(7，43，49)安置到該層序列的與臺面(4)相對的那面上；-沿分離軌跡(22)將由載體襯底晶片(21)和結構化的層序列構成的復合晶片分割成半導體芯片(23)。
28.如權利要求27所述的方法，其中，在連接該層序列與載體襯底晶片(21)之前，沿分離軌跡(22)分斷開該層序列。
29.如權利要求28所述的方法，其中，在去除生長襯底晶片(20)后且載體襯底晶片(21)被分斷開前的連接之前，在一個單獨步驟中沿分離軌跡(22)分斷開該層序列。
全文摘要
半導體芯片，尤其是發射輻射的半導體芯片，它具有一個有源薄膜層(2)和一個用于薄膜層(2)的載體襯底(1)，在該薄膜層中形成一個發射光子的區域(3)，該襯底設置在薄膜層(2)的背對芯片輻射方向的那側上并與該薄膜層連接。在有源薄膜層(2)中，從載體襯底(1)起形成至少一個孔洞(8)，通過該孔洞，在載體襯底(1)與薄膜層(2)之間的分界處形成許多個臺面(4)。
文檔編號H01L33/00GK1592974SQ01817035
公開日2005年3月9日 申請日期2001年8月8日 優先權日2000年8月8日
發明者S·伊萊克, A·普勒斯爾, K·施特羅伊貝爾, W·維格萊特, R·維爾斯 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導體有限責任公司