CN102099926B - 具有气体填充的镜的光电子半导体芯片 - Google Patents

Abstract

本申请说明了一种光电子半导体芯片，具有：半导体本体(1)，其包含有源区(10)；镜层(2)；以及接触部位(3)，其设置在半导体本体(1)和镜层(2)之间并且引起半导体本体(1)和镜层(2)之间的距离(D)，由此在镜层(2)和半导体本体(1)之间形成至少一个空腔(4)，其中所述至少一个空腔(4)包含气体(40)。

Description

具有气体填充的镜的光电子半导体芯片

本发明提出了一种光电子半导体芯片。

一个要解决的任务在于提出一种光电子半导体芯片，其具有改进的效率。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该光电子半导体芯片包括半导体本体，该半导体本体具有有源区。半导体本体优选是外延生长的半导体本体。该半导体本体可以与生长衬底相连。然而也可能的是，从半导体本体去除生长衬底或至少将其薄化。半导体本体的有源区优选适于产生或检测电磁辐射。

如果有源区适于产生电磁辐射，则该光电子半导体芯片优选是发光二极管芯片。也就是说，该光电子半导体芯片通过激光二极管芯片或发光二极管芯片形成。如果该有源区适于检测电磁辐射，则该光电子半导体芯片是检测器芯片，例如是光电二极管芯片。例如，光电二极管芯片可以设计用于检测红外辐射。

此外，光电子半导体芯片包括镜层。

例如，镜层是金属镜层。也就是说，镜层由金属构成或包含金属并且其特征在于如良好导电性和高反射率的金属特性。

此外，可能的是，镜层是布拉格反射器，其由交替设置的高折射率的和低折射率的层构成。

此外，镜层可以是布拉格反射器和金属镜的组合。金属镜在此例如朝着有源区并且设置在布拉格反射器上。

镜层在此对于有源区中产生的或待检测的电磁辐射而言优选具有至少90％的反射率。

根据至少一个实施形式，光电子半导体芯片包括接触部位。这些接触部位建立镜层与半导体本体之间的机械连接。也就是说，镜层和半导体本体通过接触部位彼此机械连接。在此，光电子半导体芯片包括接触部位的至少一个，该光电子半导体芯片优选包括这些接触部位中的多个。

接触部位设置在半导体本体与镜层之间。接触部位在此可以直接与半导体本体邻接和/或直接与镜层邻接。也就是说，接触部位例如可以与半导体本体直接接触和/或与镜层直接接触。

接触部位在此引起在半导体本体与镜层之间的间距。也就是说，接触部位例如按照桩或者柱的方式来构建，该接触部位除了实现机械固定之外也在半导体本体和镜层之间引起间距。这意味着，半导体本体和镜层优选彼此不接触。半导体本体和镜层于是彼此并不接触，而是通过接触部位彼此分离。

由于接触部位在半导体本体和镜层之间引起间距，所以在半导体本体和镜层之间形成至少一个空腔。也就是说，半导体本体和镜层彼此间隔地设置，在没有接触部位的地方在半导体本体和镜层之间存在空腔。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，空腔包含气体。该空腔在此可以例如以空气填充。然而，也可能的是，空腔以稀有气体譬如氦气填充。此外，空腔也可以以氮气或氢气填充。也就是说，通过接触部位形成的所述至少一个空腔包含气体并且优选以该气体填充。例如由此可能的是，半导体本体、镜层和接触部位与空腔中的气体邻接。至少在半导体本体的区域中，于是在半导体本体与镜层之间存在气体。在此，可能的是，在半导体本体和镜层之间仅存在接触部位和气体。于是在半导体本体和镜层之间并不存在其他材料。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，该光电子半导体芯片包括半导体本体，该半导体本体包含有源区。此外，半导体芯片包含镜层和接触部位，它们设置在半导体本体和镜层之间。接触部位在此在半导体本体与镜层之间引起间距，由此在镜层和半导体本体之间形成至少一个空腔。所述至少一个空腔在此包含气体。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，接触部位设计用于电接触半导体本体的有源区。也就是说，在光电子半导体芯片工作中通过接触部位将电流注入到半导体本体并且由此注入到有源区中，该电流能够实现在有源区中产生或者检测电磁辐射。接触部位在此情况下优选导电地构建。

在此所描述的光电子半导体芯片尤其是基于如下知识：以气体填充在镜层和半导体本体之间的空腔相对于以电介质的固体譬如氮化硅或氧化硅填充空腔具有优点。

一方面，通过以气体填充空腔，在半导体本体和空腔之间存在特别高的折射率跳跃。高的折射率跳跃导致对于射到半导体本体与空腔之间的边界面上的电磁辐射而言实现全反射的特别小的角度。在半导体本体和空腔之间的边界面因此由于高的折射率差而用作镜。这样形成的“气体镜”因此能够实现对于平的角(flache Winkel)的改进的反射。以陡的角(steile Winkel)入射的电磁辐射通过镜层来反射，该镜层是金属的和/或构建为布拉格反射器。

在有源区中产生的并且朝着空腔发射的电磁辐射可以借助在边界面上的全反射而被反射并且朝着辐射出射面或者半导体本体的有源区的方向偏转。同样的适用于要在有源区中检测的电磁辐射。不是被全反射而是穿透在半导体本体与空腔之间的边界面的电磁辐射在进一步的过程中射到接触部位和/或镜层上并且被这些元件朝着辐射出射面的方向和/或朝着光电子半导体芯片的有源区的方向反射。

通过以气体填充空腔，即由于接触部位而在半导体本体和镜层之间形成空腔，于是提高了光电子半导体芯片的效率。此外，以气体填充空腔证明为对于改进的热散发是特别有利的。在光电子半导体芯片工作时产生的热可以通过在空腔中引入的气体特别良好地从半导体本体向镜层散发，并且从那里例如向支承体散发。对于改进的热散发特别良好地适合的是以氦气或以氢气(H₂)填充空腔。然而，其他气体如氮气或氩气也是可能的。

气体填充的空腔于是替代电介质材料例如电介质镜层。该空腔相对于这种镜层的特征在于改进的光学和热学特性。总之，气体填充的空腔由此有助于光电子半导体芯片的改进的效率。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，接触部位的至少之一形成闭合的轨。也就是说，接触部位的至少之一具有例如框状的曲线。接触部位于是连续地走向并且包围在镜层和半导体本体之间的区域。

换言之，接触部位框状地包围在镜层和半导体本体之间的至少一个区域，其中“框状地”并不指接触部位的几何形状。例如，接触部位可以根据圆形的、矩形的或者椭圆的框的类型来构建。构建为闭合的轨的接触部位优选设置在光电子半导体芯片的边缘区域中。

也就是说，例如在半导体本体的边缘处在半导体本体的朝着镜层的侧上设置有框状地构建的接触部位，其作为闭合的轨沿着半导体本体的边缘走向。接触部位在此可以与镜层和/或半导体本体直接接触。这种形成闭合的轨的接触部位特别良好地适于在镜层和半导体本体之间形成特别大的空腔，该空腔被填充气体。通过该接触部位，于是将气体也气密性地包含在通过接触部位、镜层和半导体本体形成的空腔中。

在通过构建为闭合的轨的接触部位所封闭的空腔中优选设置有多个另外的接触部位，它们可以构建为桩或者柱。通过在边缘处连续走向的、构建为闭合的轨的接触部位，于是可以在连接半导体本体和镜层时将良好导热的气体密封地包含在光电子半导体芯片中。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，所述至少一个空腔以钝化材料密封。例如，钝化材料可以在光电子半导体芯片的边缘区域中围绕光电子半导体芯片来施加。替代或者附加于构建为闭合的轨的接触部位，可以使用钝化材料。钝化材料例如可以对于包含在镜层和半导体本体之间的空腔中的气体而言是不可透过的。钝化材料于是形成了对气体的密封。因此替代或者附加于构建为闭合的轨的接触部位，可以使用钝化材料。

根据至少一个实施形式，将气体以低于正常压力的压力包含在空腔的至少一个中。当在镜层和半导体本体之间形成的空腔通过构建为闭合的轨的接触部位和/或钝化材料封闭时，可能的是，以小于正常外部压力的压力将气体引入到镜层和半导体本体之间。以负压引入的气体在此改进了空腔中的气体的热学特性。也就是说，在此情况下进一步改进了通过空腔中的气体的散热。优选地，以0.9巴到1.1巴之间的压力将气体密封在空腔中。然而也可能的是，以过压将气体密封在空腔中。尤其是，在1毫巴到5巴之间的压力范围是可能的。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，在镜层和半导体本体之间的距离为至少10nm并且优选至多10μm。该距离在此由接触部位引起。也就是说，接触部位优选具有至少10nm且至多10μm的高度。例如，在镜层和半导体本体之间的距离在100nm到1μm之间。针对在镜层和半导体本体之间的距离所说明的范围在此已经证明关于散热方面是最佳的，由于在至少一个空心体中的气体而从半导体本体向镜层进行散热。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，接触部位和镜层包含至少一种共同的金属。也就是说，接触部位和镜层可以分别包含至少一种金属。接触部位和镜层在此共同具有接触部位和镜层所包含的金属的至少一种。例如，接触部位和镜层都具有银、铝或金。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，接触部位和镜层由相同的材料构成。例如，接触部位和镜层由铝、银或金构成。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，接触部位包含至少一种焊接材料。例如，接触部位在此包含以下焊接材料的至少一种：锡、铟、镓、铋。这些焊接材料的特征在于特别低的熔点。包含这些焊接材料中的至少一种的接触部位可以特别良好地借助焊接施加到半导体本体和镜层上。

例如，银-锡化合物或者银-铟化合物可以作为焊剂用于接触部位。接触部位可以在制造半导体芯片时施加到半导体本体上，其中接触部位也可以包含阻挡层或粘附增强层，它们朝着半导体本体。这些层例如可以改进接触部位至半导体本体的粘附或阻止金属例如银从接触部位扩散至半导体本体中。

带有接触部位的半导体本体于是接合到镜层上，镜层例如施加到支承体上。在此，例如形成Ag-Sn相或Ag-In相，其保证了在进一步处理中(例如在焊接到电路板上时)的半导体芯片的温度耐受性。也就是说，接合优选借助等温的固化来实现。形成的相具有高于接合温度的再熔融点。这在接合之后的芯片的进一步处理中以及在芯片的工作中带来了优点，因为降低了接合连接的不希望的松脱的概率。

此外，提出了一种用于制造光电子半导体芯片的方法。优选的是，所述方法适用于制造根据在此所介绍的实施形式的至少一个的光电子半导体芯片。也就是说，在此所描述的光电子半导体芯片可以借助所描述的方法来制造或者借助所描述的方法制造。与光电子半导体芯片结合所公开的所有特征因此也与该方法结合地公开。

根据该方法的至少一个实施形式，该方法包括以下步骤：

首先提供半导体本体，其具有至少一个有源区，该有源区例如可以设计用于产生辐射或检测辐射。此外，提供支承体，将镜层施加到该支承体上。在支承体和镜层之间例如也可以设置有层或层序列，其用作针对来自镜层的材料的扩散阻挡物。半导体本体在后续的方法步骤中以其下侧施加到镜层的背离支承体的上侧上。对此，首先将接触部位施加在镜层的上侧上和/或施加在半导体本体的下侧上。也就是说，接触部位可以施加到镜层上、半导体本体上或所述元件的两者上。在最后的方法步骤中，半导体本体和镜层通过接触部位彼此连接，其方式是进行热挤压。通过该热挤压实现接触部位与半导体本体和镜层的机械上牢固的连接。

热挤压优选在150℃到450℃之间的温度的情况下进行。压力设置在0.4MPa到15MPa之间。热挤压(根据温度和压力)进行2分钟到10小时之间的持续时间，其中温度和压力设置得越低，则热挤压持续时间越长。

根据该方法的至少一个实施形式，接触部位由与镜层相同的材料构成。例如，镜层在此由银层构成，该银层例如借助PVD(物理气相沉积)来沉积。由银构成的接触部位于是引入到镜层和半导体本体之间。例如，接触部位可以借助印刷方法譬如丝网印刷或喷墨印刷(Ink-Jet)、借助PVD或作为预成型的颗粒尤其是作为小球来施加。

以下参照实施例和附图进一步阐述在此所描述的光电子半导体芯片以及在此所描述的方法。

图1A在示意性截面图中示出了在此所描述的根据第一实施例的光电子半导体芯片，

图1B在对镜层的示意性俯视图中示出了根据第一实施例的光电子半导体芯片，

图2A在示意性截面图中示出了在此所描述的根据第二实施例的光电子半导体芯片，

图2B在对镜层的示意性俯视图中示出了根据第二实施例的光电子半导体芯片，

图3A在示意性截面图中示出了在此所描述的根据第三实施例的光电子半导体芯片，并且

图3B在对镜层2的示意性俯视图中示出了根据第三实施例的光电子半导体芯片。

相同、相似或作用相同的元件在附图中设置有相同的附图标记。这些附图和在这些附图中所示的元件彼此间的大小关系并不能视为是合乎比例的。更确切地说，各个元件为了更好的可表示性和/或更好的理解而会被夸大地示出。

图1A的示意性截面图示出了在此所描述的根据第一实施例的光电子半导体芯片。该半导体芯片包括半导体本体1。

半导体本体1例如外延地制造。原始设置在半导体本体1的上侧1a上的生长衬底被从半导体本体1去除。光电子半导体芯片因此是所谓的薄膜芯片。半导体本体1包括有源区10。该有源区例如设计用于产生辐射或检测辐射。半导体本体1在其下侧1b上朝着镜层2的上侧2a。镜层例如由银、金或铝构成。如果将铝用于镜层，则在将镜层2与半导体本体1连接之前该铝优选借助熔剂(Flussmittel)处理，该熔剂将氧化层从镜层2的上侧2a去除。

半导体本体1和镜层2借助接触部位3以机械方式和以电学方式彼此连接，其中接触部位例如构建为桩或者柱。

接触部位3可以由焊剂系统形成，其包含镜层2的材料以及至少一种低熔点的材料如锡、铟、镓或铋。如果镜层例如由银构成，则接触部位3优选包含银-锡焊剂或银-铟焊剂。如果接触层2由金构成，则接触部位3优选包含金-铟焊剂。如果镜层2由铝构成，则接触部位3优选通过铝-镓焊剂形成。接触部位3在此优选可以在其朝着半导体本体1的侧上具有阻挡层和粘附增强层。

阻挡层例如可以包含以下材料的至少一种或由如下材料之一构成：Ni、Pd、Pt、Ti、TiW、TiN、TiW:N。

粘附增强层例如可以包含以下材料的至少一种或由以下材料之一构成：Cr、Ni、Pd、Pt、Ti。

对焊接材料可替选地，接触部位3也可以由与镜层2相同的材料形成。在此情况下，半导体本体1和镜层2优选借助热挤压彼此连接。

接触部位3调节半导体本体1和镜层2之间的距离D。由于该距离D，在半导体本体1和镜层2之间形成至少一个空腔4。在本实施例中，形成恰好一个空腔4，在该空腔中设置有多个接触部位3(对此也参见图1B的对镜层2的示意性俯视图)。空腔在此以气体40(在此以空气)填充。证明为最佳距离的是至少100nm且至多1500nm、优选1000nm的距离。

此外，半导体芯片包括支承体7，在该支承体上施加有镜层2。在此，在支承体7和镜层2之间可以设置有阻挡层6，其阻止了金属从镜层2向支承体7扩散。

支承体7在此可以包含金属或者由金属构成。例如，该支承体可以通过钼膜形成。此外可能的是，该支承体包含陶瓷材料如氧化铝或由陶瓷材料构成。最后，该支承体可以包含半导体材料或由这种材料构成。例如，对此适合的是如下材料：硅、锗、GaAs。

阻挡层6例如可以包含以下材料的至少一种或由以下材料之一构成：Ni、Pd、Pt、Ti、TiW、TiN、TiW:N。接触部位3将电流从支承体7引导至半导体本体1以及将热流的一部分从半导体本体1向支承体7引导。接触点即接触部位3的密度和大小在此必须保持得尽可能小，以便将镜层2的有效性以及空腔4上的折射率跳跃保持得尽可能高。同时，接触点的密度和大小必须足够大，由此芯片能够承受电学和热学负荷并且在此保持机械稳定。在此，已证明至少1μm且至多50μm的接触部位3的大小(即直径)是有利的。接触部位3的密度优选对应于0.5％到50％的镜层2的面积覆盖。

接触点例如可以设置在规则的栅格(例如矩形栅格或者三角形栅格)的栅格点上。接触部位3可以借助PVD、印刷方法或作为预成型的颗粒引入到镜层2和半导体本体1之间或者施加到这些部件上。

为了保护带有接触部位3的气体镜免受不同刻蚀步骤影响，此外可能的是，在该处理的时间上同时包含牺牲层。也就是说，将牺牲层施加到芯片的侧面上，该牺牲层允许对芯片进一步处理而不能刻蚀接触部位3。牺牲层可以在制造方法结束之后被去除，并且例如可以包含以下材料的一种或者由如下材料之一构成：负光刻胶、正光刻胶、氮化硅、氧化硅。

结合图2A和2B进一步阐述了在此所描述的光电子半导体芯片的第二实施例。对结合图1A和1B所描述的实施例补充地，在该实施例中钝化材料5框状地围绕半导体本体1和镜层2之间的空心体设置。钝化材料5气密地封闭空腔4。以此方式可以将不同于空气的气体40引入空腔4中。例如，对此使用氦气或者氢气H₂，它们的特征在于特别高的导热性。气体在此也可以以低于正常压力的压力引入半导体本体1和镜层2之间，由此进一步提高了导热性。例如，钝化材料5可以包含以下材料之一或者由以下材料之一构成：氮化硅、氧化硅、硅树脂、双苯并环丁烯。

与图3A和3B结合，进一步阐述了在此所描述的光电子半导体芯片的第三实施例。在该实施例中，与图1A和1B的实施例不同地将接触部位3实施为闭合的轨。接触部位3框状地围绕另外的接触部位3。实施为闭合的轨的接触部位3设置在芯片的边缘区域中。除了其电学特性和光学特性之外，接触部位3也用于气密地封闭在半导体本体和镜层之间的空腔4。以此方式，可以将低于正常压力的压力下的气体40封闭在光电子半导体芯片中。

这种框状的接触层在具有大面积的镜层2的光电子半导体芯片的情况下证明是特别有利的，其中与较小的芯片情况下相比，在边缘处出现的在接触部位3中的吸收影响更小。如果将实施为闭合的轨的接触部位3使用在较小的芯片中，则合适的是接触部位3由银构建，银具有高反射性。以此方式，于是在实施为闭合的轨的接触部位3上几乎不出现吸收损耗。在此，将具有大于500μm的边长的芯片称作大芯片。小芯片相应地更小。

在此所描述的半导体芯片的接触可以以不同的方式来实现：可以使用结构化的上侧接触部(譬如接合垫)和整面的下侧接触部。此外，可以使用两个结构化的上侧接触部(例如两个接合垫)。此外，可以使用两个结构化的下侧接触部——半导体芯片于是例如可以如倒装芯片那样安装和电连接。

本发明并未通过借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，尤其是在权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中被说明。

本专利申请要求德国专利申请102008039360.6的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

Claims (15)

1.一种光电子半导体芯片，具有： 

半导体本体(1)，其包含有源区(10)， 

镜层(2)，以及 

接触部位(3)，其设置在半导体本体(1)和镜层(2)之间并且引起半导体本体(1)和镜层(2)之间的距离(D)，由此在镜层(2)和半导体本体(1)之间形成至少一个空腔(4)，其中 

所述至少一个空腔(4)包含气体(40)。 

2.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中至少一个接触部位(3)形成闭合的轨。 

3.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中至少通过接触部位(3)之一在光电子半导体芯片的工作中将电流注入到有源区(10)中。 

4.根据上述权利要求之一所述的光电子半导体芯片，其中所述至少一个空腔(4)以钝化材料(5)密封。 

5.根据权利要求1至3之一所述的光电子半导体芯片，其中将气体(40)以低于正常压力的压力密封在空腔(4)的至少一个中。 

6.根据权利要求1至3之一所述的光电子半导体芯片，其中接触部位(3)与半导体本体(1)直接接触。 

7.根据权利要求1至3之一所述的光电子半导体芯片，其中在镜层(2)和半导体本体(1)之间的距离(D)为至少10nm且最多10μm。 

8.根据权利要求1至3之一所述的光电子半导体芯片，其中接触部位(3)和镜层(2)包含至少一种共同的金属。 

9.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中接触部位(3)和镜层(2)由相同的材料构成。 

10.根据权利要求1至3之一所述的光电子半导体芯片，其中接触部位 (3)包含以下焊接材料的至少一种：Sn，In，Ga，Bi。 

11.一种用于制造光电子半导体芯片的方法，具有如下步骤： 

提供带有至少一个有源区(10)的半导体本体(1)， 

提供带有镜层(2)的支承体(7)， 

将接触部位(3)施加在镜层(2)的上侧(2a)上和/或施加在半导体本体(1)的下侧(1b)上， 

通过接触部位(3)借助热挤压将半导体本体(1)和镜层(2)连接，其中 

接触部位(3)引起在半导体本体(1)和镜层(2)之间的距离(D)，由此在镜层(2)和半导体本体(1)之间形成至少一个空腔(4)，所述空腔包含气体(40)。 

12.根据上一权利要求所述的方法，其中接触部位(3)由与镜层(2)相同的材料构成。 

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中接触部位(3)借助印刷方法来施加。 

14.根据权利要求11或12所述的方法，其中接触部位(3)借助气相淀积来施加。 

15.根据权利要求11或12所述的方法，其中接触部位(3)作为颗粒来施加。 

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