CN117276451A - 发射辐射半导体元件和制造发射辐射半导体元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种发射辐射的半导体元件(1)，其包括：半导体本体(2)，其具有设置用于产生辐射的有源区域(20)；载体(3)，在其上布置有半导体本体；和光学元件(4)，其中，光学元件利用直接键合连接固定在半导体本体上。本发明还提出一种用于制造发射辐射的半导体元件的方法。

Description

发射辐射半导体元件和制造发射辐射半导体元件的方法
本发明是基于申请日为2018年09月20日、申请号为201880062397.3、发明名称为“发射辐射的半导体元件和制造发射辐射的半导体元件的方法”的中国专利申请(PCT国际申请PCT/EP2018/075488进入中国国家阶段)的母案的分案申请。
技术领域
本发明涉及发射辐射的半导体元件和用于制造发射辐射的半导体元件的方法。
背景技术
为了形成辐射，通常将光学元件放置在发射辐射的半导体芯片上。然而，尤其在需要高的定位精度时，这些光学元件的单独装配是昂贵、费时和复杂的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种半导体元件，其能被简单和可靠地制造并且具有良好的发射特性。此外，还会提出一种方法，利用该方法能够高效并且因此高精度地制造半导体元件。
该目的通过根据独立权利要求所述的发射辐射的半导体元件和方法实现。另外的设计方案和有效方案是从属权利要求的内容。
在此提出一种发射辐射的半导体元件。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，发射辐射的半导体元件具有半导体本体，该半导体本体具有设置用于产生辐射的有源区域。例如，有源区域是特别外延沉积的半导体层序列的一部分。例如，有源区域位于第一半导体区域与第二半导体区域之间，其中，第一半导体区域和第二半导体区域至少在局部在功率类型方面彼此不同，从而使有源区域位于pn(正负)结中。有源区域例如被设置用于在紫外的、可见光的或红外的频谱区域中产生电磁辐射。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，发射辐射的半导体元件具有载体，在该载体上布置有半导体本体。特别地，载体用于半导体本体的机械固定。例如，载体是用于半导体本体的外延沉积的生长基板或与生长基板不同的载体。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，发射辐射的半导体元件具有光学元件。特别地，光学元件被设置用于，根据预设的发射特性、特别是空间发射特性将由有源区域发射的辐射成形、例如聚焦、准直或扩散。特别地，光学元件被设计用于使由在有源区域中产生的辐射透射。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，光学元件利用直接键合连接固定在半导体本体上。
在直接键合连接中，特别是预先制成的、待相互连接的连接对象通过原子力和/或分子力、尤其借助于氢键和/或范德华力组合在一起。直接键合连接通常在两个平坦的边界面之间仅在压力和/或温度的作用下实现。对于直接键合连接来说，连接层、例如粘接层或焊接层是不必要的。在这样的连接层中能够避免吸收损失。
优选地，用于在边界面之间形成直接键合连接的边界面具有最高5nm、尤其最高3nm或最高1nm的二次方粗糙度(也被称为rms粗糙度)。
半导体本体和光学元件不必一定要直接相互邻接。例如，能够在半导体本体与光学元件之间设置一个或两个键合辅助层。适用于作为键合辅助层的例如是氧化层、比如含有二氧化硅的层。有利地，键合辅助层被设计用于使要在有源区域中产生的辐射透射，例如具有至少90％或至少95％的透射率。类似地，该设计适用于必要时存在的另外的键合辅助层。
在发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式中，发射辐射的半导体元件包括：半导体本体，其具有设置用于产生辐射的有源区域；载体，在其上布置有半导体本体；和光学元件，其中，光学元件利用直接键合连接固定在半导体本体上。
在制造发射辐射的半导体元件时，还能同时为多个半导体元件一同制造在光学元件与半导体本体之间的直接键合连接。同时，直接键合连接的特性在于尤其在高温范围中的良好的可靠性。尤其与各个半导体本体上的各个光学元件的单独安装相比，相应地能够以特别高的精度实现固定。例如，光学元件以1微米或更小的精度固定在对应的半导体本体上。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，载体和光学元件齐平地闭合在限定半导体元件边界的侧面处。在制造发射辐射的半导体元件时，能够在整个分隔步骤中将载体与光学元件隔开。因此，载体和光学元件对于分隔方法能够具有特性轨迹，例如机械材料剥离的轨迹(比如锯痕)、化学材料剥离的轨迹或者借助于比如激光分隔方法的相干辐射的材料剥离的轨迹。
还优选的是，载体、光学元件和半导体本体齐平地闭合在限定半导体元件边界的侧面处。优选地，半导体本体布置在载体与光学元件之间。也就是说，优选地，半导体本体的侧面与载体的侧面和光学元件的侧面齐平地封闭。此外，在制造发射辐射的半导体元件时，载体、光学元件和半导体本体能够在整个分隔步骤中被隔开。因此，载体、光学元件和半导体本体对于分隔方法能够具有特性轨迹，例如机械材料剥离的轨迹(比如锯痕)、化学材料剥离的轨迹或者借助于比如激光分隔方法的相干辐射的材料剥离的轨迹。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，在有源区域与光学元件之间设有镜区域。镜区域例如构造为布拉格反射镜。例如，镜区域是谐振器的一部分，在其中布置有源区域。例如，发射辐射的半导体元件是垂直腔表面发射激光器(vertical cavitysurface emitting laser，VCSEL)或谐振腔发光二极管(resonant cavity lightemitting diode，RCLED)。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，镜区域布置在有源区域与直接键合连接之间。因此，在制造发射辐射的半导体元件时，镜区域位于直接键合连接的与有源区域相同的区域上。例如，镜区域是半导体本体的一部分或者布置在半导体本体的朝向光学元件的一侧上。
布置在半导体本体之外的镜区域例如由多个介电层形成。与集成在半导体本体中的布拉格反射镜不同，介电的布拉格反射镜的各个层能够具有折射系数方面的相对较大的差异，从而能简单制造高效的布拉格反射镜。
集成在半导体本体中的布拉格反射镜尤其能被设计为导电的，例如p(正)型或n(负)型导电的。有源区域的电接触能够由镜区域实现。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，镜区域布置在直接键合连接与光学元件之间。在制造发射辐射的半导体元件时，还在制造直接键合连接之前，镜区域能够构造在光学元件上。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，有源区域被划分为多个部段。特别地，部段能够相互独立地被外部电驱控。例如，多个部段以一维或二维阵列的形式在侧向依次布置。特别地，光学元件能够连续地延伸经过多个部段。例如，光学元件为每个部段具有光学部段，其中，光学部段能够在其辐射造型方面分别设计为同样的或者相互不同的。
对于外部的电接触来说，发射辐射的半导体元件有利地具有至少两个触点。通过在触点之间施加外部电压的方式，电荷载体能够从不同侧到达到有源区域中并且在发射辐射的条件下在那里重组。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，在半导体本体的朝向光学元件的一侧上设有用于半导体元件的外部电接触的触点。特别地，直接键合连接在朝向半导体本体的一侧上与键合辅助层邻接。键合辅助层完全覆盖触点并且例如在局部具有大于触点的竖直的扩展部。例如，在制造发射辐射的半导体元件时，键合辅助层用于平整朝向光学元件的面。
例如，布置在朝向光学元件的一侧上的触点能被设计为环形，以使在有源区域中产生的辐射能够通过环的开口射出。
根据发射辐射的半导体元件的至少一个实施方式，发射辐射的半导体元件在载体的背离光学元件的一侧上具有两个用于外部电接触的触点，例如在载体的背离半导体本体的一侧上具有触点。特别地，在半导体本体的朝向光学元件的一侧上完全没有电接触。光学元件在该情况下也能完全覆盖半导体本体。
此外，提出一种用于制造发射辐射的半导体元件的方法。
根据该方法的至少一个实施方式，提供半导体层序列，其具有第一边界面和在载体上的设置用于产生辐射的有源区域。边界面能够由半导体层序列或布置在半导体层序列上的层、比如键合辅助层形成。半导体层序列能够已经被划分为多个半导体本体。半导体本体的有源区域能够分别被划分为多个部段。
根据该方法的至少一个实施方式，该方法包括如下步骤，在该步骤中提供具有第二边界面的光学载体件。第二边界面能够由光学载体件或布置在光学载体件上的层、比如另外的键合辅助层形成。
根据该方法的至少一个实施方式，该方法包括如下步骤，在该步骤中，在第一边界面与第二边界面之间制造直接键合连接。由此，一方面形成具有载体与半导体层序列的联合体，并且另一方面形成具有光学载体件的联合体。
根据该方法的至少一个实施方式，该方法包括如下步骤，在该步骤中分隔形成多个发射辐射的半导体元件，其中，发射辐射的半导体元件各自具有载体的、半导体层序列的和光学载体件的一部分。特别地，为每个发射辐射的半导体元件从半导体层序列中分别生成半导体本体并且从光学载体件中分别生成光学元件。
在制造直接键合连接时，例如在应用布置在载体和/或光学载体件上、特别是其边缘区域中的校准标记的情况下，能够以高精度相互定位载体和光学载体件。
在该方法的至少一个实施方式中，在具有第一边界面的载体上提供具有设置用于产生辐射的有源区域的半导体层序列。提供具有第二边界面的光学载体件。在第一边界面与第二边界面之间制造直接键合连接。分隔形成多个发射辐射的半导体本体，其中，发射辐射的半导体本体各自具有载体的、半导体层序列的和光学载体件的一部分。
根据该方法的至少一个实施方式，在分隔时，尤其在整个隔开步骤中，将光学载体件与载体隔开。在这样的半导体元件中，半导体本体和对应的光学元件能够至少在局部齐平地闭合在半导体元件的侧面处。
根据该方法的至少一个实施方式，在制造直接键合连接之前，平整、尤其化学机械研磨第一边界面和/或第二边界面。通过也被称为CMP(化学机械研磨)法的这种方法尤其能够以高的效率和精度制造平滑的表面。
根据该方法的至少一个实施方式，在半导体层序列上设置触点，其中，触点在制造直接键合连接时由光学载体件覆盖并且在制造了直接键合连接之后显露出来。光学载体件能够沿着竖直方向、也就是垂直于有源区域的主延伸平面的方向在局部被完全移除。
根据该方法的至少一个实施方式，在半导体层序列上设置触点和覆盖触点的键合辅助层，其中，在制造直接键合连接之前化学机械研磨键合辅助层。因此简化了平坦的第一边界面的制造。键合辅助层能够在研磨之后还完全覆盖触点。因此，键合辅助层连续地形成用于直接键合连接的边界面。可选地，也能考虑在平整之后至少在局部或完全显露出触点。
根据该方法的至少一个实施方式，在制造了直接键合连接之后形成光学载体件的背离载体的辐射出射面。在制造直接键合连接的时间点，光学载体件尤其能够构造为平坦的光学载体件，其自身还不具有形成辐射的特性。因此，仅在光学载体件已经固定在半导体层序列上之后才设置光学元件。在该情况下，能够放弃在制造直接键合连接之前相对于载体高精度地布置光学载体件。
根据该方法的至少一个实施方式，光学载体件在制造直接键合连接之前具有多个光学元件。因此，除了在分隔时隔开光学载体件之外，在制造了直接键合连接之后不再需要用于设计光学元件的另外的步骤。
该方法特别适用于制造在此描述的发射辐射的半导体元件。因此，结合发射辐射的半导体元件说明的特征也能够用于该方法，并且反之亦然。
附图说明
从下述结合附图描述的实施例中给出另外的设计方案和有效方案。
附图示出：
图1、图2、图3和图4分别以示意性剖面图示出用于发射辐射的半导体元件的实施例；并且
图5A、图5B、图5C和图5D以及图6A和图6B分别以示意性剖面图所示的中间步骤示出用于制造发射辐射的半导体元件的方法的实施例。
相同的、相同种类的或相同作用的元件在附图中具有相同的附图标记。
附图分别是示意图并且因此并不一定具有可靠的比例。更确切地说，相对较小的元件以及特别是层厚度为了清楚而被过分放大地示出。
具体实施方式
图1示出用于发射辐射的半导体元件的实施例。发射辐射的半导体元件1具有半导体本体2，该半导体本体具有设置用于产生辐射的有源区域20。半导体本体2布置在载体3上。例如，载体是用于半导体本体的半导体层的外延沉积的生长基板。与之不同，该载体也能够是不同于生长基板的载体。在该情况下，该载体能够借助于连接层固定在半导体本体2上。
半导体元件1还具有光学元件4。光学元件4借助于直接键合连接6固定在半导体本体2上。直接键合连接示例性地构造在键合辅助层61与另外的键合辅助层62之间。例如，键合辅助层61和另外的键合辅助层62分别具有氧化物、比如二氧化硅。然而，与之不同，半导体元件1也能够仅具有一个键合辅助层或不具有键合辅助层。
光学元件4被设计成，对于在有源区域20中要产生的辐射是透射的。例如，光学元件4具有玻璃、磷化镓、氮化镓或硅。特别地，硅适用于具有至少1100nm的波长的红外频谱中的辐射。
光学元件4示例性地构造为折射光学件，其例如将要产生的辐射准直或聚焦。在半导体元件的平面图中，光学元件例如具有凸出弯曲的辐射出射面40。然而，光学元件例如也能根据预设的发射特性被设计用于使辐射扩散或通常使辐射成型。
此外，光学元件4还构造为衍射光学元件。在衍射光学元件的情况下，工作方式不基于折射，而是基于入射到光学元件上的辐射衍射。
光学元件4和载体3在局部形成在侧向上限定半导体元件1边界的侧面11的一部分。光学元件的侧面45和载体的侧面30在半导体元件1的侧面11处彼此齐平地闭合。
对于外部的电接触来说，半导体元件1具有两个触点，其中，触点中的一个布置在半导体本体2的朝向光学元件4的一侧上。光学元件4具有穿孔41，在该穿孔中，用于电接触的触点5例如借助于键合线露出。穿孔41还延伸通过必要时存在的键合辅助层61、另外的键合辅助层62。
半导体元件1例如构造为表面发射激光器或者谐振腔发光二极管。有源区域20位于镜区域7与另外的镜区域75之间。
在所示的实施例中，镜区域7以及另外的镜区域75是半导体本体的一部分。有源区域20的电接触延伸经过镜区域7和另外的镜区域75。
半导体本体2包括第一半导体区域21和第二半导体区域22，其中，第一半导体区域和第二半导体区域在电荷类型方面彼此不同，并且有源区域布置在第一半导体区域21与第二半导体区域22之间。因此，有源区域20位于pn结中。镜区域7是第二半导体区域22的一部分。另外的镜区域75是第一半导体区域21的一部分。
例如，有源区域被设置用于在紫外频谱、可见光频谱或红外频谱区域中产生辐射。
优选地，半导体本体2、特别是有源区域20包含III-V族化合物半导体材料。
III-V族化合物半导体材料特别适合在紫外(Alx Iny Gal-x-y N)经过可见光(AlxIny Gal-x-y N，特别用于蓝色到绿色的辐射，或者Alx Iny Gal-x-y P，特别用于黄色到红色的辐射)直到红外(Alx Iny Gal-x-y As)的频谱区域中产生辐射。在此分别适用的是0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1，特别其中x≠1，y≠1，x≠0和/或y≠0。利用尤其来自于所谓的材料系统的III-V族化合物半导体材料，还能在产生辐射时实现内部的高的量子效率。
图2所示的实施例基本上对应于结合图1描述的实施例。与其不同，半导体元件1具有有源区域的多个部段20A、20B。这些部段能够在侧向上、即沿着有源区域的主延伸平面以行或阵列的形式依次布置。
光学元件4连续地延伸经过部段20A、20B。这些部段分别对应于光学部段42，其中，光学部段42在其辐射成型特性方面分别设计为同样的。然而，与其不同，光学部段42能够在其辐射成型方面彼此不同。部段20A、20B能够分别经由对应的触点5相互独立地进行外部电接触。布置在载体3的背离半导体本体2的一侧上的触点5能够形成用于两个或更多、特别是所有的部段的共同的后部触点。
有源区域的这种部段化方式也能用于以下描述的实施例。
图3示出的实施例基本上对应于结合图1描述的实施例。与其不同，镜区域7布置在直接键合连接6与光学元件4之间。因此，在制造半导体元件时，镜区域7能被设计为与光学元件4上的半导体本体2隔开。例如，镜区域7通过布拉格反射镜以多个介电层的形式构造，其中，相邻的层在其折射率方面互相分别不同。
此外，镜区域7的离半导体本体2最近的层形成用于制造直接键合连接6的边界面。与其不同，如结合图1描述的那样，还能设置另外的键合辅助层。
图4示出的实施例基本上对应于结合图1描述的实施例。
与其不同，半导体元件1在半导体本体2的背离光学元件4的一侧、特别是载体3的背离光学元件的一侧上具有两个用于外部电接触的触点5。在朝向光学元件4的一侧上，半导体本体2完全没有用于外部电接触的元件。光学元件4能够完全覆盖半导体本体2，而不妨碍半导体元件1的外部电接触。布置在有源区域20的背离载体3的一侧上的第二半导体区域22经由凹槽25在半导体本体中电接触。特别地，凹槽25延伸穿过有源区域20。为了避免有源区域20的电短接，以绝缘层26覆盖该凹槽。
图5A至图5D示出了用于制造半导体元件的方法的实施例，其中，仅示例性地如结合图1所描述的那样制造半导体元件。
如图5A所示，提供在载体3上具有设置用于产生辐射的有源区域20半导体层序列29。半导体层序列2能够在侧向上已经构造为多个半导体本体。这为了简化视图而未示出。
在半导体层序列29的背离载体3的一侧上设有触点5。键合辅助层61完全覆盖触点5并且填充触点5之间的间隙51。在间隙51中，键合辅助层接合半导体层序列29。键合辅助层61形成第一边界面81。随后如图5B所示，第一边界面81必要时例如借助于化学机械研磨被平整。
提供光学载体件49，其中，光学载体件在所示的实施例中具有多个光学元件4(图5B)。光学元件4被设计为在光学载体件49中是连续的。光学载体件49完全覆盖半导体层序列29。光学载体件49的第二边界面82示例性地借助于另外的键合辅助层62形成。
例如，借助于校准标记，光学载体件49与载体3之间的高精度的相关校准能够利用半导体层序列29实现，校准标记能够利用半导体层序列29位于光学载体件49的和/或载体3的边缘。校准标记位于要制造的半导体元件之外并且因此在附图中未详细示出。由此，能在侧向上实现光学载体件与半导体层序列之间的相关校准的1μm或更小的精度。
接下来，如图5C所示，在第一边界面81和第二边界面82之间制造直接键合连接6。
露出触点5。为此在光学载体件49中例如通过蚀刻构造多个穿孔41。
最后，沿着分隔线9分隔形成多个半导体元件1(图5D)。在分隔时，利用半导体层序列29隔开光学载体件49和载体3，使得制成的半导体元件分别具有载体3的一部分、一个由半导体层序列29组成的半导体本体2和一个光学元件4。因此，在分隔之后不再需要在各个半导体元件上分别安装光学元件。
分隔能够以机械方式(例如通过锯)、以化学方式(例如通过蚀刻)或借助于相干辐射(例如通过激光分隔方法)实现。
图6A和图6B示出了该方法的另外的实施例。该实施例基本上对应于结合图5A至图5D描述的实施例。
与其不同，光学载体件49在侧向上以完全不结构化的方式借助于直接键合连接6利用半导体层序列29固定在载体3上(图6A)。随后才加工背离半导体层序列29的辐射出射面40上的光学载体件49，以便因此形成光学元件4(图6B)。这例如能够通过蚀刻法实现。在该情况下，能够放弃利用半导体层序列29相对于载体3高精度地调整光学载体件49。
能够如结合图5A至图5D描述的那样实现另外的步骤、例如分隔。
该专利申请要求德国专利申请102017122325.8的优先权，其公开内容通过参考在此被引入。
本发明不受根据实施例的描述限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的每种组合，尤其包含权利要求中的特征的每种组合，即使该特征或该组合本身没有在权利要求或实施例中被明确说明。
参考标号列表
1半导体元件
11侧面
2半导体本体
20 有源区域
20A 部段
20B 部段
21 第一半导体区域
22 第二半导体区域
25 凹槽
29 半导体层序列
3载体
30侧面
4光学元件
40 辐射出射面
41 穿孔
42 光学部段
45 侧面
49 光学载体件
5触点
51间隙
6直接键合连接
61 键合辅助层
62 另外的键合辅助层
7镜区域
75 另外的镜区域
81 第一边界面
82 第二边界面
9分隔线。

Claims (10)

1.一种发射辐射的半导体元件(1)，包括：
半导体本体(2)，所述半导体本体具有设置用于产生辐射的有源区域(20)；
载体(3)，在所述载体上布置有所述半导体本体；和
光学元件(4)，
其中，所述光学元件利用直接键合连接固定在所述半导体本体上，
其中，在所述有源区域与所述光学元件之间布置有镜区域，并且
其中，所述镜区域布置在所述直接键合连接与所述光学元件之间。
2.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体元件，其中，所述载体和所述光学元件齐平地闭合在限定所述半导体元件边界的侧面(11)处。
3.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体元件，其中，所述有源区域被划分为多个部段(20A、20B)，并且所述光学元件连续地延伸经过所述多个部段。
4.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体元件，其中，
在所述半导体本体的朝向所述光学元件的一侧上设有用于所述半导体元件的外部电接触的触点(5)；
所述直接键合连接在朝向所述半导体本体的一侧上与键合辅助层(61)邻接；并且
所述键合辅助层完全覆盖所述触点并且在局部具有大于所述触点的竖直的扩展部。
5.一种发射辐射的半导体元件(1)，包括：
半导体本体(2)，所述半导体本体具有设置用于产生辐射的有源区域(20)；
载体(3)，在所述载体上布置有所述半导体本体；和
光学元件(4)，
其中，所述光学元件利用直接键合连接固定在所述半导体本体上，
其中，所述有源区域被划分为多个部段，并且所述光学元件连续地延伸经过所述多个部段，
其中，所述光学元件针对每个部段具有光学部段，并且
其中，所述光学部段在所述光学部段的辐射造型方面分别设计成相同的。
6.根据权利要求5所述的发射辐射的半导体元件，其中，在所述有源区域与所述光学元件之间布置有镜区域(7)。
7.根据权利要求6所述的发射辐射的半导体元件，其中，所述镜区域布置在所述有源区域与所述直接键合连接之间。
8.根据权利要求6所述的发射辐射的半导体元件，其中，所述镜区域布置在所述直接键合连接与所述光学元件之间。
9.一种发射辐射的半导体元件(1)，包括：
半导体本体(2)，所述半导体本体具有设置用于产生辐射的有源区域(20)；
载体(3)，在所述载体上布置有所述半导体本体；和
光学元件(4)，
其中，所述光学元件利用直接键合连接固定在所述半导体本体上，
其中，在所述半导体本体的朝向所述光学元件的一侧上设有用于所述半导体元件的外部电接触的触点(5)，
其中，所述直接键合连接在朝向所述半导体本体的一侧上与键合辅助层(61)邻接，并且
其中，所述键合辅助层完全覆盖所述触点并且在局部具有大于所述触点的竖直的扩展部。
10.根据权利要求9所述的发射辐射的半导体元件，其中，所述触点设计成环形，并且所述触点至少在局部从所述键合辅助层露出。
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