CN101542751A - 半导体芯片以及制造半导体芯片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有承载体(3)和半导体基体(2)的半导体芯片(1)，所述半导体芯片具有半导体层序列，所述半导体层序列具有被设置用于发射辐射的有源区(21)，其中，所述承载体具有向着所述半导体基体(2)的第一承载面(31)和背离所述半导体基体(2)的第二承载面(32)；通过连接层(4)将所述半导体基体(2)以材料配合的方式固定在所述承载体(3)；并且在所述第二承载面(32)和所述有源区(21)之间形成有多个反射或者散射的元件(40、7)。此外，本发明还给出了一种制造半导体芯片的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体芯片以及一种制造半导体芯片的方法。
背景技术
本发明要求德国专利申请10 2006 046 677.2以及10 2007 004 302.5的优先权，在这里通过参引将其所公开的内容全部并入。
LED半导体芯片产品具有高的出射效率(Auskoppeleffizienz)，也就是说，从半导体芯片中出射的光子的数量与在该半导体芯片内生成的光子的数量之比很大，这种半导体芯片产品的制造过程通常是花费巨大的。因此大多数情况下，LED中出射效率的上升都伴随着制造成本的增加。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种半导体芯片、尤其是一种LED用的半导体芯片，其在出射效率很高的同时可以廉价地制成。另外还给出一种方法，借助该方法可以廉价地制造半导体芯片。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的半导体芯片以及具有权利要求31的特征的方法来解决。本发明的有利的构型以及改进方式是从属权利要求的主题。
根据本发明的半导体芯片(其优选被实施为LED半导体芯片)具有承载体和半导体基体
半导体基体包括半导体层序列，其设置有用于生成辐射的有源区。承载体具有向着半导体基体的第一承载面和背离半导体基体的第二承载面。另外，半导体基体借助连接层以材料配合的方式(stoffschluessig)固定在承载体上，并且在第二承载面和有源区之间构造有多个反射或散射的元件。
例如与借助共晶接合进行固定相比，借助连接层构造的、用于将半导体基体固定在承载体上的材料配合式连接能够有利地简单且廉价地被实现。
在半导体基体和承载体之间借助连接层建立材料配合式连接。在此，材料配合式连接尤其被理解为这样一种连接方式，其中，连接对象被接合并且基于原子或分子力被相互粘结。材料配合式连接的典型示例，例如借助粘接、焊接、熔接或者电镀所建立的连接。在本发明的范围内，连接层应该被理解为：借助专门的连接剂(Verbindungsmittel)形成的层，所述连接剂参与建立所述材料配合式连接。
与此相反在本发明的内容中，不能将外延沉积得到的层(如缓冲层，其设置在生长衬底和半导体基体之间)看作为连接层。
在一个优选实施方式中，多个反射或者散射的元件构造在第二承载面和半导体基体之间。多个反射或者散射的元件因此可以形成在半导体基体之外。
在另一种优选实施方式中，在半导体基体和连接层之间构造一个在有源区内生成的辐射可透射的接触层。接触层特别优选包括透明导电氧化物(TCO：transparent conductive oxide)。透明导电氧化物是透明导电材料，通常是金属氧化物，例如氧化锌、氧化锡、氧化镉、氧化钛、氧化铟或者氧化铟锡(ITO：Indiumzinnoxid)。除了二元金属氧化物(例如：ZnO、SnO2或者In2O3)，三元金属氧化物(例如：Zn2SnO4、CdSnO3、ZnSnO3、MgIn2O4、GaInO3、Zn2In2O5或者In4Sn3O12)或者各种透明导电氧化物的混合物也属于TCO类。另外，这些TCO不必非要符合化学计量的组份，并且也可以是p掺杂或者n掺杂的。
这种接触层具有优点，即，在具有高的横向传导能力的同时能够以对于半导体基体内生成的辐射可透射的方式构造该接触层。
可以在尤其是预先制成的半导体基体上沉积、例如溅射或者蒸镀含有TCO的接触层。
在另一种优选实施方式中，以对于在半导体基体的有源区内生成的辐射可透射的方式构造连接层。按照这种方式可以有利地减少在该辐射穿过连接层透射时出现的吸收损耗。
另外，连接层和/或接触层在其折射率方面优选匹配于半导体基体的折射率。在此从某种程度上说，半导体基体的折射率可以被理解为半导体层序列的平均折射率。在连接层或者接触层的折射率与半导体基体的折射率之间的差别越小，那么在承载体的方向上发射出的辐射部分就越大，这些辐射部分可离开该半导体基体并且到达多个反射或者散射的元件。
在另一种优选实施方式中，连接层借助连接剂来形成。连接剂优选是造型材料(Formmasse)。例如，连接层可以是粘合层，该粘合层借助粘合剂形成。从而简化了材料配合式连接的简单且廉价的制造。
在一个优选改进方式中，连接层例如粘合层是以电绝缘的方式构造的。这样半导体基体可以与承载体电绝缘地固定在该承载体上。
该半导体芯片优选具有两个接触部，它们与该半导体基体导电地连接。可以经过这些接触部，通过施加外部电压将电流引入半导体基体内，以便驱动半导体芯片。在此，按照合乎目的的方式如此设置接触部，即，使得电流流经有源区。这两个接触部可以设置在连接层的背离承载体的一侧上。在这种情况下，能够以电绝缘的方式构造设置在接触层和第二承载面之间的元件、尤其是承载体和连接层。在一个代替的变形方式中，其中一个接触部可以设置在第二承载面上。在这种变形方式的情况下，优选以能够导电的方式实施连接层和承载体。
在另一种优选实施方式中如此构造连接层，即，在连接层内干扰在有源区内生成的辐射的波传输(Wellenführung)。
例如可以这样引起在连接层中的波传输，即在连接层中经过的辐射在侧向上(即在沿着半导体层序列的半导体层的主延伸方向的方向上)相互平行地延伸并且在构成连接层边界的两个面之间被来回反射。在此，在相继地进行反射的情况下，辐射到达这些面的角度具有大于全反射角的恒定值。因此，在连接层内传播的辐射不能从这些表面出射，并最终在连接层内被吸收。通过对波传输的干扰可造成从连接层出射的并且尤其是连续地穿过辐射出射面出射的辐射部分增加。由此，半导体芯片的出射效率将有利地上升。
在一个优选改进方式中，多个反射或者散射的元件借助在连接层中形成的颗粒构成。这些颗粒可以被嵌入连接层用的胎体材料(Matrixmaterial)中。这些颗粒优选具有与胎体材料的折射率不同的折射率。在此，可以以对于在有源区内生成的辐射可透射或者反射的方式构造这些颗粒。这些颗粒例如可以被实施为金属颗粒，如银颗粒。
在连接层中辐射的传播方向可能会由于在这些颗粒处的散射或者反射而发生变化。于是，辐射例如在构成连接层边界的面上被全反射之后在这些颗粒处被散射，即该辐射以小于全反射临界角的角度依次抵达这些面之一。因此，通过这些颗粒可以干扰在连接层内的波传输。这样半导体芯片的出射效率可以有利地上升。
在一个优选实施方式中，在半导体基体和承载体之间设有反射层(Spiegelschicht)。也就是说，反射层不是半导体基体的一部分。反射层被设置用于反射在有源区内生成的并且朝向承载体方向发射的辐射。另外，通过反射层可以避免辐射在承载体中或者在设置在反射层和承载体之间的层中被吸收。因此，可以有利地与针对在有源区内生成的辐射的吸收特性无关地选择承载体。
反射层优选借助沉积例如蒸镀或者溅射而施加在半导体基体或者承载体上。另外，反射层优选包括金属，并且以金属性的方式实现反射层是特别有利的。
按照合乎目的的方式，半导体芯片在有源区的背离承载体的一侧上具有辐射出射面。通过该反射层可以简单地实现，在有源区内生成的辐射主要通过这些辐射出射面出射。
在一个优选实施方式中，多个反射或者散射的元件借助至少局部具有表面结构的界面形成。在此，反射或者散射的元件是界面的局部区域，该局部区域由界面的表面结构形成。
有利地，界面的至少两个具有表面结构的局部区域至少在局部以彼此倾斜或者垂直的方式延伸。借助具有表面结构的界面，尤其是在构成该界面边界的层中，可以干扰波传输。这样半导体芯片的出射效率可以有利地上升。
连接层可以成型(angeformt)到具有表面结构的界面上。于是可以有利地干扰在有源区内生成的辐射在连接层内的波传输。
在一个优选实施方式中，界面的表面结构借助形成有结构的表面来构成。在此，形成有结构的表面被理解为具有结构元件的基体的表面(例如半导体层序列的半导体层的表面、承载体和接触层的表面)，所述结构元件是通过局部去除基体从而在表面上制成的。这些结构元件优选以机械和/或化学方法制成，例如借助机械地打毛、湿法化学刻蚀或者干法化学蚀刻，如借助化学辅助的离子束刻蚀(CAIBE：chemical assisted ion beam etching)或者反应式离子刻蚀。
在第一变形实施方式中，具有表面结构的界面是形成有结构的表面。
在第二变形实施方式中，具有表面结构的界面是一个层的向着有源区的面，其中，界面的表面结构遵循(folgen)至少局部形成有结构的表面的结构。在第二变形实施方式中，形成有结构的表面可以设置在有源区和层(优选为反射层)之间，其中，所述层尤其优选与所述形成有结构的表面邻接。在此，该层成型到形成有结构的表面上，从而界面的表面结构“复制”所述形成有结构的表面的结构。
代替地，在所述第二变形实施方式中，形成有结构的表面可以设置在具有表面结构的界面和承载体之间。在此，在具有表面结构的界面与形成有结构的表面之间的距离优选如此之小，尤其是这样其表面构成了具有表面结构的界面的那些层的层厚足够小，使得该界面的表面结构遵循所述形成有结构的表面的结构。这些层的层厚至少如此之小，即避免了形成有结构的表面的结构的完全或者基本完全的平坦。
在该第二变形实施方式中，其表面构成具有表面结构的界面的层特别优选为反射层。也就是说，以反射的方式(spiegelnd)形成具有表面结构的界面。
在一个实施方式中，将形成有结构的表面设置在有源区和连接层之间。有利的是，形成有结构的表面是接触层的向着承载体的面。这样就可以干扰在接触层内的波传输。由此有利地提高了出射效率。
在另一个实施方式中，将形成有结构的表面设置在连接层和第二承载面之间。有利的是，形成有结构的表面是承载体的第一承载面。
当然，也可以在连接层的两个表面上分别设置一个形成有结构的表面。例如，承载体的第一承载面和接触层的向着该承载体的面可以分别构造为形成有结构的表面。
可以不规则地设置形成有结构的表面的结构元件。不规则地设置的结构元件(如凹部)能够以比较简单的方式制成，例如通过机械打毛。
代替地，可以以规则的、尤其是周期性的方式设置该结构元件。按照这种方式，可以借助确定的结构例如光子光栅(photonisches Gitter)来成型所述形成有结构的表面。例如可以借助两维光栅形成该光子光栅，所述两维光栅是指在两个倾斜的优选垂直的相向延伸的方向上交替地周期性地设有一组凹部和凸部的光栅。
规则地以及不规则地设置的结构元件例如可以被构造为棱锥体式、棱锥台式、微型棱镜式或者凹槽式。另外，这些结构元件可以具有至少在局部弯曲的表面。
在一个优选改进方式中，这些结构元件具有横向延展，所述横向延展处于有源区中生成的辐射在与具有表面结构的界面相邻接的、有源区一方的介质内的峰值波长的从0.1倍到200倍的闭区间内，尤其优选处于0.5倍至100倍的闭区间内。在峰值波长位于可见光频谱范围内的情况下，横向延展的包括20μm在内的最大值被证明是特别有利的。在光子光栅的情况下，周期长度(即在经过其之后，这一系列的结构元件再次重现的长度)优选处于在与具有表面结构的界面相邻接的、有源区一方的介质内的峰值波长的范围内，也就是说大约处于峰值波长的0.5倍至5倍。
在一个优选改进方式中，去除半导体层序列的生长衬底，或者使其变薄。这可以相应地完全或者至少局部地来进行。
通过去除生长衬底或者使其变薄，可以在经由半导体基体的原来向着生长衬底的一侧出射出半导体芯片时，有利地避免或者至少减少在有源区内生成的辐射的吸收。在生长衬底变薄的情况下，剩余的残留厚度优选足够薄，以使得在半导体基体内生成的辐射在经由生长衬底透射时仅仅不显著地被吸收。
在有源区内生成的辐射可透射的衬底中，去除生长衬底或者使其变薄是有利的。剩余的生长衬底越薄，那么半导体芯片的厚度降低得越显著。可以因此有利地提高从半导体芯片的辐射出射面出射的辐射功率，进而提高半导体芯片的表面亮度。因此完全地去除生长衬底是有利的，但是使得生长衬底变薄就已经足够了。
另外，其中生长衬底被去除了的区域可以用于电接触半导体基体，尤其是可以在半导体芯片工作时用于将电流输入到半导体基体内。
承载体与半导体基体的半导体层序列用的生长衬底是不同的，也就是说，半导体基体的半导体层序列的沉积不是在承载体上完成的。因此，尤其是在晶体质量方面，承载体不必满足向生长衬底所提出的高要求。与此不同，可以在其他特性方面，如机械稳定性或者热传导能力方面选择承载体。例如，承载体可以包括半导体材料如GaAs、Ge、GaAsP或Si或者可以由这些半导体材料制成。代替地或者附加地，承载体可以包括金属、塑料或者陶瓷，或者可以由这些材料中的一种制成。
在一个优选实施方式中，半导体芯片的辐射出射面是以形成有结构的方式构造的。因此可以有利地避免在半导体芯片中的波传输、尤其是可以有利地避免在通过其表面形成辐射出射面的层中的波传输。
在另一种优选实施方式中，在半导体基体的背离承载体的面上将另一个接触层设置在半导体基体上，所述接触层可以被在半导体芯片工作时在有源区内生成的辐射透射，并且所述接触层优选含TCO材料或者由类似材料制成。所述另一个接触层对于将电流从有源区的背离承载体的那一面以面接触的方式输入
半导体基体内来说是有利的。辐射出射面可以通过所述另一个接触层的背离半导体基体的表面构成。
例如可以借助外延生长法如借助LPE、MBE或者MOVPE在生长衬底上沉积半导体层序列用的半导体材料。
有利的是，半导体基体、尤其是有源区包括III-V族半导体材料。借助III-V族半导体材料可以在生成辐射时有利地实现高的内部量子效率(Quanteneffizienzen)。
在另一种优选实施方式中，半导体芯片被构造为薄膜半导体芯片。薄膜半导体芯片、尤其是薄膜发光二极管芯片具有下列特征中的至少一个：
-在半导体基体的半导体层序列的有源区内生成的辐射将被设置在半导体基体和承载体之间的反射层至少部分地反射返回到该半导体层序列内；
-半导体层序列的厚度处于20μm或更低的范围内，尤其是处于10μm的范围内；和/或
-半导体层序列包括至少一个半导体层，所述半导体层具有至少一个具有匀混结构(Durchmischungsstruktur)的面，所述匀混结构在理想情况下使得光线在外延性的外延生长层序列中被近似遍历地分布，也就是说，它具有尽可能遍历的随机散射特性。
薄膜发光二极管的基本原理例如在I.Schnitzer等人于1993年10月18日出版的“Appl.Phys.Lett.63(16)”中的第2174-2176页中有所说明，在此将其公开内容作为参引全部引入本申请。
根据本发明的制造包括半导体层序列的半导体芯片的方法，所述半导体层序列具有被设置用于生成辐射的有源区，所述方法具有下列步骤：
a)制备具有所述半导体层序列的半导体基体，其中，在所述半导体基体上提供用于固定所述半导体基体而设置的固定面；
b)制备承载体，其中，在所述承载体上提供用于固定所述半导体基体而设置的安装面；
c)在所述固定面和所述安装面之间构造连接层，以便在所述承载体上固定所述半导体基体；以及
d)制造所述半导体芯片，其中，在所述第二承载面和所述有源区之间构造有多个反射或者散射的元件。
借助所述连接层可以成本低廉地将半导体基体固定在承载体上。
在另一种优选实施方式中，连接层是借助连接剂形成的，在所述连接剂中构造有颗粒。可以通过借助颗粒进行辐射转向从而有利地干扰连接层内的波传输。
在另一种优选实施方式中，在步骤c)之前构造固定面作为具有表面结构的界面。
在另一种优选实施方式中，在步骤c)之前构造安装面作为具有表面结构的界面。
当然，可以既把固定面也把安装面分别构造为具有表面结构的界面。
优选借助形成有结构的表面来形成界面的表面结构。
该表面能够以机械和/或化学方法来形成结构，例如：借助机械地打毛、化学湿法刻蚀或者化学干法蚀刻，如借助化学辅助的离子束刻蚀(CAIBE：chemicalassisted ion beam etching)或者反应式离子刻蚀(RIE：reactive ion etching)。
为了制造形成有结构的表面的结构例如可以采用光蚀刻(Lithographie)、尤其是光刻(Photolithographie)或者纳米压印光蚀刻(Nano-Imprint-Lithographie)。在光刻中，通常在需要形成结构的表面上设置牺牲层。牺牲层充当需要形成结构的表面的掩模，并且可以在光蚀刻结束之后将其去除、尤其是完全去除。例如，可以在需要形成结构的表面上施加牺牲层，随后形成结构。这样，可以将牺牲层的横向结构尤其借助上述刻蚀方法之一转移到该表面上。
在光刻中，牺牲层通常是光敏的光刻胶层，借助穿过相应地形成有结构的掩模(如金属掩模)的照射在局部改变其化学特性，从而可以在该牺牲层中构造结构。通过这种方法可以在表面上形成结构，其结构尺寸在横向上为几个微米。这样既可以制造规则结构，也可以制造不规则结构。
在纳米压印光蚀刻中，牺牲层的结构形成是借助适当地形成有结构的模具实现的。将该模具如相应地形成结构的阳模压入牺牲层中。牺牲层例如可以包括热塑性聚合物(T-NIL：Thermoplastic Nano Imprint Lithography热塑纳米压印光蚀刻)或者光敏材料(P-NIL：Photo Nano Imprint Lithography纳米压印光蚀刻)。借助纳米压印光蚀刻能够特别简单地在表面上形成结构。尤其可以制造特别小的横向结构尺寸、即从小于1μm直到小于10nm的范围的结构。因此，纳米压印光蚀刻特别适于制造处于红外线、可见光或者紫外线频谱范围内的辐射波长的数量级的结构尺寸，例如制造光子光栅的结构。
在一个优选实施方式中，借助反射层构造具有表面结构的界面，其中，将反射层沉积在预先形成有结构的表面上，并且该界面的表面结构遵循所述预先形成有结构的表面的结构。在此，优选借助溅射或者蒸镀将反射层沉积在形成有结构的表面上。这样，借助在预先形成有结构的表面上沉积反射性的层，从而得到反射性的面。可以有利地取消反射性面例如金属面的复杂的结构化。
在一个优选改进方式中，去除半导体层序列的生长衬底，或者使其变薄。这可以完全地或者局部地完成。为此，例如可以采用如打磨、腐蚀或者激光分离法的这些手段。在步骤a)中可以在生长衬底上制备具有半导体层序列的半导体基体。在这种情况下，优选在步骤c)完成之后去除生长衬底或者使其变薄。
与此不同，也可以在步骤c)之前去除生长衬底或者使其变薄。在这种情况下，优选首先在辅助承载体上固定具有半导体层序列的半导体基体。该辅助承载体可以用于在机械方面稳定半导体基体，并且可以在步骤c)完成之后将其去除。也可以按照这种方法生产半导体芯片，其中，原本向着生长衬底的半导体基体面向着的是承载体。
所述方法特别适于制造根据本发明的半导体芯片。
附图说明
根据下述对实施例的说明并结合附图可以得到本发明的其他特征、有利实施方式以及适用性。
附图中：
图1示出根据本发明的半导体芯片的第一实施例的示意性剖面图；
图2示出根据本发明的半导体芯片的第二实施例的示意性剖面图；
图3示出根据本发明的半导体芯片的第三实施例的示意性剖面图；
图4示出根据本发明的半导体芯片的第四实施例的示意性剖面图；
图5示出根据本发明的半导体芯片的第五实施例的示意性剖面图；
图6示出根据本发明的半导体芯片的第六实施例的示意性剖面图；
图7示出根据本发明的半导体芯片的第七实施例的示意性剖面图；并且
图8A至图8C结合在示意性剖面图中所示的中间步骤示出根据本发明的制造方法的一个实施例。
具体实施方式
这些附图均为示意性视图，因而不必遵照比例尺。而且为了清楚可以夸张地放大那些比较小的元件、尤其是层厚。
在图中以相同的附图标记示出相同的、同类的以及功能相同的元件。
在图1示意示出的根据本发明的半导体芯片的第一实施例中，该半导体芯片1包括具有半导体层序列的半导体基体2，其具有被设置用于生成辐射的有源区21。半导体芯片2优选被实施为LED芯片并且用于生成非相干辐射。借助连接层4将半导体基体2以材料配合的方式固定在承载体3。承载体3具有向着半导体基体的第一承载面31和背离该半导体基体的第二承载面32。
连接层4优选是通过造型材料形成的。连接层例如可以是粘合层。例如可以在接合半导体基体2和承载体3之前将造型材料施加在承载体上。可以借助材料配合式连接将半导体基体简单地固定在承载体上。
在半导体基体2和承载体3之间构造有接触层61，接触层61具有背离半导体基体的接触面63，接触面63对于在有源区内生成的辐射来说是可透射的。接触层优选包括TCO材料，例如二元金属氧化物如氧化锌、氧化锡、氧化镉、氧化钛、氧化铟或者氧化铟锡(ITO)。也可以采用三元或者四元的金属氧化物。
接触层61与接触部65导电连接。另一个接触层62设置在有源区21的背离承载体的那一侧上。所述另一接触层与另一接触部66导电相连并且同样可以包括TCO材料。接触层61和62均可以例如通过溅射或者蒸镀而沉积在半导体基体2上。
在半导体基体工作时可以借助接触层61和62以面接触的方式将工作电流送入半导体基体中，并且尤其可以在有源区中被实现，其中能够以对于有源区21内生成的辐射可透射的方式形成这些接触层。设置在半导体基体2之外的这些接触层尤其因为其高的横向传导能力而是有利的。但它们不是必须的。例如可以代替地在半导体基体中设置特别的高掺杂的半导体层用于电接触。
在半导体芯片工作时，接触部65和66被设置用于将载流子送入半导体基体中。这些载流子能够抵达有源区，并且在那里通过发射电磁辐射而重新结合。接触层61的高横向传导能力在一些方面是有利的，即，可以将经由接触部65送入的载流子在横向上比较均匀地输送给半导体基体2。
这两个接触部可以设置在连接层4的背离承载体3的一侧上。在第二承载面32侧不进行接触。因此，在接触层61和第二承载面32之间设置的元件、尤其是连接层4和承载体3不必具有导电能力。
接触部65和66合乎目的地包括金属或者金属合金。例如，这些接触部可以包括Au、Ag、Ni、Pt、Cu、Ti、Al或者具有至少其中一种材料的合金，或者可以由这些材料中的一种制成。接触部65和66例如可以借助溅射和蒸镀制成。
承载体31的向着半导体基体2的第一承载面被构造为形成有结构的表面8。形成有结构的表面8具有规则地设置的棱锥体式构造的结构元件80。也就是说，这些结构元件具有彼此倾斜设置的侧表面，它们尤其是横向于半导体基体2的半导体层序列的半导体层的主延伸方向伸展。代替地，这些结构元件例如可以被构造为凹槽式，如具有三角形的横截面的凹槽式。
与该示例不同，形成有结构的表面8也可以具有不规则地设置的结构元件。另外，形成有结构的表面8也可以仅仅局部地设有结构。
结构元件80优选具有横向延展，所述横向延展处于在有源区内21生成的辐射在与具有表面结构的界面7相邻接的、有源区一方的介质内的峰值波长的从0.1倍到200倍的闭区间内，优选处于0.5倍至100倍的闭区间内。在峰值波长位于可见光频谱范围内的情况下，小于等于20μm的横向延展最大值被证明是特别有利的。
这些结构元件可以按照机械和/或化学方法制成，例如借助机械地打毛、化学湿法刻蚀或者化学干法蚀刻，如借助化学辅助的离子束刻蚀(CAIBE：chemicalassisted ion beam etching)或者反应式离子刻蚀(RIE：reactive ion etching)。
在承载体3的向着半导体基体2的第一承载面31上设有反射层5。该反射层5用于反射辐射，所述辐射在有源区21内被生成并且是朝向承载体的方向发射。另外，反射层5优选包括金属，并且尤其优选以金属方式实施。例如，该反射层可以包括Al、Ag、Au、Ni、Cu或者Pt。铜(Au)的特征在于在黄、红和红外线的频谱范围内的高反射率。铝(Al)在紫外线和可见光的频谱范围内具有高的反射率。反射层优选例如借助溅射或者蒸镀在承载体3的预先设有结构的第一承载面31上被沉积。
反射层5的向着有源区21的表面50形成了具有表面结构的界面7。在此，界面的表面结构遵循第一承载面31的结构，该第一承载面31构成了形成有结构的表面8。反射层5的层厚合乎目的地是足够薄的，以使得形成有结构的表面8的结构(也就是说承载面31)未被平坦化或者未被显著平坦化。界面7的表面结构优选尽可能精确地依照形成有结构的承载面31的结构来构成。
借助界面7的表面结构形成的界面局部区域，对于在有源区21内生成的辐射来说，相应地表现为反射性元件。
按照合乎目的的方式，连接层4被构造为对于在有源区内生成的辐射是可透射的。于是，在有源区内生成并且朝向承载体3的方向发射的辐射可以在经过在反射层5上反射之后经由辐射出射面10出射出半导体芯片1。
另外，连接层4和/或接触层61在其折射率方面可优选匹配于半导体基体的折射率。由于连接层或者接触层的折射率匹配于半导体基体的比较高的折射率，因此朝向承载体方向发射的辐射部分增加，所述辐射部分抵达具有表面结构的界面。
连接层4成型到具有表面结构7的界面上。这样，连接层的向着具有表面结构7的界面的面同样也具有了表面结构。
通过箭头9表示界面7的表面结构对存在于连接层4内的辐射所产生的效果。该辐射首先以大于全反射临界角的角度抵达接触层61的向着承载体3的表面63，并且在该表面处被反射。随后，该辐射抵达具有表面结构的界面7。该辐射被界面7如此反射回到连接层4，即，该辐射接下来以小于全反射临界角的角度抵达接触层的表面63。结果是，通过箭头9表示的辐射离开连接层。从而可以干扰辐射在连接层4的波传输。因此，从半导体芯片1的辐射出射面10出来的辐射功率被有利地增大，其中，辐射出射面10被构造在有源区的背离承载体3的一侧。
另外，可以以电绝缘的方式构造连接层4。因此，半导体芯片2可以与承载体3电绝缘地固定在其上。
有利的是，半导体基体2、尤其是有源区21包括III-V族半导体材料。III-V族半导体材料特别适于生成处于从紫外线(InxGayAl1-x-yN)经可见光(InxGayAl1-x-yN，尤其是针对从蓝光到绿光；或者InxGayAl1-x-yP，尤其是针对从黄光到红光)直到红外线(InxGayAl1-x-yAs)的频谱范围内的辐射。在此，以下条件均成立：0≤x≤1，0≤y≤1，并且x+y≤1，优选：x≠0，y≠0，x≠1并且y≠1。另外，所述III-V族半导体材料的特征尤其在于可实现的量子效率高。
半导体芯片1被构造为薄膜半导体芯片。半导体基体2的半导体层序列用的生长衬底已被完全去除，因此图1中未示出。通过去除生长衬底可以避免辐射在侧向离开生长衬底。这样从辐射出射面10出射的辐射功率可以有利地上升。同样可以避免的是，辐射在生长衬底中被吸收。
承载体3与生长衬底是不同的，并且不必满足尤其是对生长衬底提出的在晶体纯度方面的高要求。与此不同，可以按照其他判断标准来选择承载体3，如热传导能力、机械稳定性或者可设置结构性。承载体3优选包括半导体材料例如Si、GaAs、Ge或者SiC或者由这样的材料制成。半导体材料尤其是Si是特别适当的，这是因为这些材料通常具有极好的可设置结构性(例如借助蚀刻)。而且Si是比较廉价的半导体材料。
代替地或者附加地，承载体可以包括金属(如Cu)、塑料或者陶瓷，或者可以由这些材料中的一种制成。
图2示出了根据本发明的半导体芯片1的第二实施例。第二实施例基本相当于第一实施例。与第一实施不同之处在于，形成有结构的表面8(在第一实施例中是承载体3的第一承载面31)具有呈凸起部的结构元件80，该凸起部以棱锥台状的方式设置。这些凸起部例如可以借助化学湿法刻蚀原本位于凸起部之间的承载体材料来制成。
图3示出了根据本发明的半导体芯片1的第三实施例。第三实施例基本相当于第一实施例。与第一实施不同之处在于，形成有结构的表面8被成型用于光子光栅。在该表面上构造沟槽式的凹部，这些沟槽式的凹部是以规则的方式形成的。所述光栅优选被构造为二维光栅，也就是说，其沿着两个特别优选相互垂直地延伸的方向上具有周期性的结构。周期长度优选处于峰值波长的范围内，所述峰值波长是在有源区内21生成的辐射在与具有表面结构的界面7相邻接的介质(即，连接层5)内的峰值波长。在这种情况下，具有表面结构的界面7表现为反射性的衍射光栅，在此与第一实施例一样，界面7由反射层50的向着有源区的表面构成。
对于与图1至3关联地说明的实施例代替地，具有表面结构的界面7可以是形成有结构的表面，如第一承载面31。在这种情况下，可以取消反射层7。如果以反射性足够强的方式构造承载体3，那么这尤其是适当的。例如，承载体可以被构造为一侧固定的(freitragender)金属承载体。
给承载体3或者施加于其上的层形成结构具有下列优点，即可以在将半导体基体2固定在承载体3上之前，对所形成的结构例如在其光学特性方面进行测试。另外有利的是，不必将半导体基体2形成结构。这样就可以避免在形成结构时损坏半导体基体的危险，半导体基体与承载体3相比制造成本更高。
图4示出了根据本发明的半导体芯片1的第四实施例。第四实施例基本相当于第一实施例。与第一实施例不同之处在于，具有表面结构的界面7是接触层61的向着承载体3的表面63。因此，在半导体基体2和连接层4之间形成具有表面结构的界面。在此，该结构可以如与图1至3关联地说明的那样来构造。
连接层4又与具有表面结构的界面7相邻接，并且成型于其上。可以通过该界面有利地干扰存在于连接层内的辐射的波传输。另外，还可以干扰存在于接触层61内的辐射的波传输。这样就可以有利地提高在有源区21内生成的辐射从半导体芯片1出射的出射效率。
在第四实施例中可以取消：对设置在连接层4和第二承载面32之间的面(如第一承载面31)形成结构，用以干扰在连接层4内的波传输。但是，也可以附加地设置形成这样的结构。
图5示出了根据本发明的半导体芯片1的第五实施例。第五实施例基本相当于第四实施例。区别在于，反射层5设置在有源区21和连接层4之间。在此，具有表面结构的界面7是反射层5的向着有源区21的表面50，在此反射层与接触层61的向着承载体的表面63相邻接并且成型到其上。在该实施例中，接触层61的向着承载体的表面63是形成有结构的表面8。
界面7的表面结构(即，反射层5的向着有源区21的表面50)遵循形成有结构的表面8的结构。反射层5反射在有源区21内生成的并且朝向承载体的方向反射的辐射。按照合乎目的的方式，反射层对于该辐射是不可透射的或者仅可略微透射，这样该辐射不能进入连接层4内。
因此可以与其光学特性无关地选择连接层4。例如，连接层可以被构造为吸收在有源区内生成的辐射。尤其是，连接层可以被构造为吸收辐射的粘合层或者被构造为焊料层(Lotschicht)。
图6示出根据本发明的半导体芯片1的第六实施例。第六实施例基本相当于第一实施例。区别在于，仅在局部去除了半导体基体2的半导体层序列用的生长衬底25。在此，生长衬底可以被薄化。另外，取消了另外的接触层62。
生长衬底25具有缺口26。在缺口的区域中，半导体基体2被露出来。在该缺口这设有另外的接触部66。所述另外的接触部与半导体基体2直接相邻接。生长衬底25的背离有源区的面构成了半导体芯片1的辐射出射面10。
与该实施例不同可以取消缺口26。尤其适当的是，生长衬底例如由于适当的掺杂而具有足够高的传导能力。在这种情况下，可以在生长衬底25的背离有源区的面上形成另外的接触部66。在该变形方式中，也可以完全或者在局部将生长衬底25薄化。生长衬底越薄，那么从在横向上与生长衬底相邻接的侧面出射的辐射功率就越低。这样从半导体芯片1的辐射出射面10出射的辐射功率可以有利地上升。
半导体芯片的辐射出射面10以形成有结构的方式被构造。通过形成结构可以干扰在构成辐射出射面的元件中(例如在生长衬底中)的波传输。在该示例中，对辐射出射面形成的结构可以是不规则的。与此不同，也可以以相同方式对辐射出射面来形成结构，正如与图1至3相关地针对形成有结构的表面的结构形成所述的那样。
当然在其他的结合图1至5和图7所述的实施例中也可以对辐射出射面形成结构。
图7示出根据本发明的半导体芯片1的第七实施例。第七实施例基本相当于第一实施例。与第一实施例不同之处在于，借助在连接层4中形成的颗粒40形成反射或者散射的元件。连接层4例如可以借助其中嵌入有所述颗粒的造型材料形成。颗粒40例如可以是金属颗粒，如Ag颗粒。另外，颗粒至少部分地具有不同尺寸。在有源区中生成的并且存在于连接层内的辐射可以在这些颗粒处散射或者反射。如箭头9所示的那样，在这些颗粒处的散射或者反射可以造成辐射在连接层4内传播方向的改变。由此可以干扰在连接层内的波传输。
颗粒40也可以构造得对于在有源区21内生成的辐射是可透射的。即使在这种情况下，例如即使在经这些颗粒透射时基于在这些颗粒处的散射或者折射的情况下，这些颗粒也可以造成辐射在连接层4内传播方向的改变。
在该实施例中，具有表面结构的界面7(如其与图1至3关联地说明的那样)对干扰波传输来说不是必要的，但是当然也可以附加地应用它。特别是，在制造半导体芯片1时，可以取消对半导体基体2形成结构。
根据本发明的方法的用于制造半导体芯片的实施例是在图8A至8C中借助中间步骤示意示出的。在该实施例中示意性示出半导体芯片的制造，该半导体芯片如结合图1所说明的那样。当然，该方法也适合用于制造与其不同地构造的半导体芯片1，尤其是如其结合图1至7图所述的那些半导体芯片。
图8A中示出了承载体3，其具有第一承载面31和第二承载面32。第一承载面被构造为形成有结构的表面8。反射层5被设置在第一承载面31上。反射层5的背离承载体的表面50为安装面39，安装面39负责在承载体3上安装半导体基体2。安装面被构造为具有表面结构的界面7。界面7的表面结构遵循所述形成有结构的表面的结构，即，承载体3的第一承载面31。
形成有结构的表面的结构优选以机械和/或化学的方式、例如借助机械打毛或者反溅射(Rücksputtern)或者借助刻蚀形成。例如适当的是化学湿法刻蚀或者化学干法刻蚀，如化学辅助的离子束刻蚀(chemical assisted ion beam etching，CAIBE)、反应式离子刻蚀(reactive ion etching、RIE)或者离子束刻蚀。
另外，制造结构时可以采用光蚀刻法，尤其是光刻或者纳米压印光蚀刻，在此优选首先在需要形成结构的表面上施加牺牲层并使其形成结构。随后，借助所述刻蚀方法中的一种将牺牲层的横向结构的基本图案(Grundmuster)转移到需要形成结构的表面上。
优选借助纳米压印光蚀刻制造结合图3被描述的、光子光栅的表面结构。该模具例如可以包括石英玻璃或者由其制成。
牺牲层可以包括热塑性塑料(Thermoplasten)，所述热塑性塑料在该模具被压入牺牲层内之后通过加热被硬化。代替地，牺牲层可以包括光敏材料，其中，在模具压入之后的硬化例如是通过高能量的辐射(如紫外线辐射)的照射来实现的。
通过纳米压印光蚀刻尤其可以制造特别小的横向结构尺寸，也就是制造从小于1μm直到小于10nm范围中的结构。因此，纳米压印光蚀刻特别适于制造优选处于红外线、可见光或者紫外线频谱范围内的辐射的峰值波长的数量级的结构尺寸，例如特别适于制造光子光栅的结构，其中所述辐射是在有源区内21生成的辐射。为了将这种上层小结构转移到需要形成结构的表面中，采用化学干法刻蚀方法如CAIBE或RIE是特别适当的。
为了安装半导体基体2而提供预先形成有结构的安装面39。在固定半导体基体之前，可以有利地在其光学特性方面测试该安装面的结构。另外，可以有利地取消对半导体基体形成结构。可以有利地避免在形成结构期间损坏半导体基体2的危险。
另外，在生长衬底25上沉积的半导体基体2制备有半导体层序列。半导体层序列优选以外延生长法例如借助MBE、MOVPE或者LPE沉积。生长衬底例如可以包括GaAs、SiC、GaAsP或者蓝宝石，或者由这些材料中的一种制成。
在预制的半导体基体2上施加优选沉积(例如借助溅射或者蒸镀)接触层61。接触层61的背离半导体基体的并且在固定之后向着承载体的表面63构成固定面29，其被设置用于在承载体3上固定半导体基体2。
随后，在固定面29和安装面39之间构造连接层4。这正如图8B所示。连接层优选是通过造型材料如粘合剂形成的。可以在安装面39或者固定面29上提供造型材料。
图8C示出已经制成的半导体芯片。在完备步骤(Fertigstellung)中首先去除生长衬底25。这例如可以借助打磨、蚀刻或者借助激光分离法实现。
随后露出接触层61。为此优选通过蚀刻局部地去除半导体基体2。为了有源区21的在背离承载体的一侧接触半导体芯片，可以可选地在半导体基体上优选通过沉积(例如借助溅射或者蒸镀)施加另外一个接触层62。在接触层61和另外的接触层62上提供接触部65或者另外的接触部66，其中，接触部61在接触层上是沉积在接触层的被露出的区域中的。半导体基体2可经由接触部65和66电连接。
在一个代替的变形实施方式中，也可以在辅助承载体上设置半导体基体。辅助承载体可以用于半导体层序列的机械稳定。在这种情况下，对此无需生长衬底25。这样，可以在将半导体基体2固定在承载体3上之前就至少局部地去除生长衬底25，或者使其变薄。
另外，在该代替变形实施方式中，半导体基体2表面可以是向着承载体3的，其原本是向着生长衬底25的。在这种情况下，生长衬底也可以优选至少在局部被变薄或者被去除。
本发明不限于借助实施例进行的这些描述。与此相反，本发明包括每一个新的特征或者特征的组合，这尤其包括在权利要求中的特征的各种组合，即便这些特征或者这些组合本身没有在权利要求中公开或者在实施例中详细给出。
Claims (39)
1.具有承载体(3)和半导体基体(2)的半导体芯片(1)，所述半导体芯片具有半导体层序列，所述半导体层序列具有被设置用于生成辐射的有源区(21)，其中，
所述承载体(3)具有向着所述半导体基体(2)的第一承载面(31)和背离所述半导体基体(2)的第二承载面(32)；
所述半导体基体(2)借助连接层(4)以材料配合的方式被固定在所述承载体(3)上；并且
在所述第二承载面(32)和所述有源区(21)之间构造有多个反射或者散射的元件(40、7)。
2.根据权利要求1所述的半导体芯片，其中，所述多个反射或者散射的元件(40、7)被构造在所述第二承载面(32)和所述半导体基体(2)之间。
3.根据权利要求1或2所述的半导体芯片，其中，在所述半导体基体(2)和所述连接层(4)之间构造有接触层(61)，所述接触层对于在所述有源区内生成的辐射是可透射的。
4.根据权利要求3所述的半导体芯片，其中，所述接触层(61)包括TCO材料。
5.根据权利要求3或4所述的半导体芯片，其中，所述接触层(61)的折射率匹配于所述半导体基体(2)的折射率。
6.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，
其中，所述连接层(4)以如下方式被构造，即，在所述连接层内(4)干扰在所述半导体芯片(1)工作时在所述有源区(21)内生成的辐射的波传输。
7.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述多个反射或者散射的元件借助被构造在所述连接层(4)中的颗粒(40)构成。
8.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，在所述半导体基体(2)和所述承载体(3)之间设置有反射层(5)。
9.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述多个反射或者散射的元件借助至少在局部具有表面结构的界面(7)构成。
10.根据权利要求9所述的半导体芯片，其中，在具有所述表面结构的界面(7)上成型有所述连接层。
11.根据权利要求9或10所述的半导体芯片，其中，所述界面(7)的所述表面结构是借助形成有结构的表面(8)形成的。
12.根据权利要求11所述的半导体芯片，其中，具有所述表面结构的界面(7)是所述形成有结构的表面(8)。
13.根据权利要求11并参引权利要求8所述的半导体芯片，其中，具有所述表面结构的所述界面(7)是所述反射层(5)的向着所述有源区的面(50)，并且所述界面(7)的所述表面结构遵循所述形成有结构的表面(8)的结构。
14.根据权利要求11至13之一所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面具有不规则地设置的结构元件(80)。
15.根据权利要求11至13之一所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面具有周期地设置的结构元件(80)。
16.根据权利要求15所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面(8)被构造用于光子光栅。
17.根据权利要求14至16之一所述的半导体芯片，其中，所述结构元件(80)被构造为棱锥体式、棱锥台式、微型棱镜式或者凹槽式。
18.根据权利要求14至16之一所述的半导体芯片，其中，所述结构元件(80)的横向延展优选处于在所述有源区内生成的辐射在与具有所述表面结构的所述界面(7)相邻接的、所述有源区一侧的介质内的峰值波长的从0.5倍至100倍的闭区间内。
19.根据权利要求11至18之一所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面(8)被设置在所述有源区(21)和所述连接层(4)之间。
20.根据权利要求18并参引权利要求3所述的半导体芯片，或者根据引用权利要求3的权利要求所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面(8)是所述接触层(63)的向着所述承载体(3)的表面。
21.根据权利要求11至18之一所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面(8)被设置在所述连接层(4)和所述第二承载面(32)之间。
22.根据权利要求21所述的半导体芯片，其中，所述形成有结构的表面(8)是所述承载体(3)的所述第一承载面(31)。
23.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述连接层(4)是粘合层。
24.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述连接层(4)被构造为对于在所述有源区(21)内生成的辐射是可透射的。
25.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述连接层(4)被构造为电绝缘的。
26.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述半导体芯片(1)的辐射出射面(10)以形成有结构的方式被构造，其中所述辐射出射面设置在所述有源区(21)的背离所述承载体(3)的一侧上。
27.根据权利要求3所述的或者根据引用权利要求3的权利要求所述的半导体芯片，其中，在所述半导体基体(2)的背离所述承载体(3)的面上，将另一个接触层(62)设置在所述半导体基体(2)上，所述另一个接触层对于在所述有源区内生成的辐射是可透射的。
28.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，所述半导体芯片被构造为薄膜半导体芯片。
29.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，至少在局部去除所述半导体基体(2)的所述半导体层序列用的生长衬底(25)，或者使其变薄。
30.根据前述权利要求之一所述的半导体芯片，其中，所述连接层(4)的折射率匹配于所述半导体基体(2)的折射率。
31.一种用于制造具有承载体(3)和半导体基体(2)的半导体芯片(1)的方法，所述半导体芯片具有半导体层序列，所述半导体层序列具有被设置用于生成辐射的有源区(21)，所述方法包括以下步骤：
a)制备具有所述半导体层序列的所述半导体基体(2)，其中，在所述半导体基体(2)上提供被设置用于固定所述半导体基体的固定面(29)；
b)制备所述承载体(3)，其中，在所述承载体(3)上提供用于固定所述半导体基体(2)而设置的安装面(39)；
c)在所述固定面(29)和所述安装面(39)之间构造连接层(4)，以便在所述承载体(3)上固定所述半导体基体(2)；
d)完成制造所述半导体芯片(1)，
其中，在所述第二承载面(32)和所述有源区(21)之间构造多个反射或者散射的元件(40、7)。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，在所述步骤c)之前构造所述固定面(29)作为具有表面结构的界面(7)。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，在所述步骤c)之前构造所述安装面(39)作为具有表面结构的界面(7)。
34.根据权利要求32或33所述的方法，其中，借助形成有结构的表面(8)构造所述界面(7)的表面结构。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，借助化学湿法或者化学干法刻蚀对所述表面(8)形成结构。
36.根据权利要求31至35之一所述的方法，其中，具有所述表面结构的所述界面(7)借助反射层(5)来构成，其中，所述反射层(5)被沉积在所述形成有结构的表面上，并且所述界面(7)的所述表面结构遵循所述形成有结构的表面(8)的结构。
37.根据权利要求31至36之一所述的方法，其中，所述连接层(4)借助其中构造有颗粒(40)的连接剂来构成。
38.根据权利要求31至37之一所述的方法，其中，在步骤c)之后，至少在局部去除在步骤a)中在其上提供有所述半导体层序列的生长衬底(25)或者使其变薄。
39.根据权利要求31至38之一所述的方法，其中，制造根据权利要求1至30所述的半导体芯片(1)。
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