TW201023406A - Optoelectronic semiconductor chip - Google Patents

Description

201023406 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種發出電磁輻射之半導體晶片，其具有 活性區以用來發出電磁輻射。此晶片具有一種由結構單元 構成的二維配置，其在半導體晶片之主發射方向中配置在 該活性區之後》 本專利申請案主張德國專利申請案10 2008 045 028.6 之優先權，其已揭示的整個內容在此一倂作爲參考。 〇 【先前技術】 發出輻射的半導體晶片已爲人所知，其中一種二維之 ' 光子晶體在主發射方向中配置在活性區之後。二維之光子 晶體具有一種由不同的折射率區域所形成的二維配置，其 在二維中具有週期性》光子晶體藉由折射和干擾來影響電 磁輻射之傳送。 就像具有電子能帶結構之晶體一樣，光子晶體具有光 子能帶結構。光子能帶結構可具有一種禁止能量之特殊區 © 域，其中電磁波不能在晶體內部中發出。此特殊區域此處 稱爲光子能帶間隙。 具有二維光子晶體之發出輻射的半導體晶片的一種例 子已描述在US5 955 749中。此文件中指出：藉由此種光子 晶體，可使半導體晶片中發出的輻射量提高。 【發明内容】 本發明的目的是提供一種上述形式的半導體晶片，其 中須設定一種對特定應用有利的發射特性。此半導體晶片 201023406 特別是應具有一種特定的發射特性，其中電磁輻射大部份 是在一較狹窄的發射錐體中發出。一種藍伯（Lamb erti an)表 面輻射器之所謂藍伯發射特性可視爲一種特定的發射特性 之參考，其具有一種幾乎與方向無關的輻射密度。此外， 亦期望一種發射現象，其中電磁輻射的大部份是在平坦的 角度中發出（次藍伯發射（sublambert’s emission))。 本發明提供一種發出電磁輻射之半導體晶片，其具有 用來發出電磁輻射之活性層》此半導體晶片包括一種由結 φ 構單元構成的二維配置，其在半導體晶片之主輻射方向中 配置在該活性層之後。各結構單元以一種特有的統計分佈 • 方式而配置著。 ' 在一實施形式中，各結構單元之特有的統計分佈滿足 了以下之框架條件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離 分佈相對於平均値而言具有至少+/-10%且最多+/-25%之標 準差。 各結構單元的體積較大，其在側面上鄰接於具有不同 〇 折射率之區域。換言之，在各結構單元和側面相鄰接的區 域之間形成一種折射率跳躍現象。 上述的“側面”在意義上是指“橫向（lateral)” 。所謂 “橫向”是指平行於活性層或半導體晶片之主延伸面之方 向。“垂直”是指與活性層或半導體晶片之主延伸面垂直 之方向。 各結構單元特別是可以爲材料層中之凹口或凸起中之 凹口，各凸起是由材料層中延伸而出。此材料層特別是可 以爲半導體層。各結構單元可具有固體材料且在橫向中鄰 201023406 接於一種以氣體（特別是空氣）來塡入的區域。反之，各結 構單元亦可以是以氣體（特別是空氣）來塡入的區域，其在 橫向中與一種具有固體材料之區域相鄰接。然而，各結構 單元或橫向相鄰接的區域亦可具有固體材料，其中各結構 單元之折射率可小於或大於橫向中相鄰之區域的折射率。 二維的配置是沿著一種面的配置。此面可以是平坦 者。然而，此面基本上亦可以是一種曲面。 各結構單元以特定的統計分佈方式而配置著，即，其 0 不是依據已確定的數學演算法來配置著。各結構單元的配 置未依據任何規則，其不是週期的配置且特別是亦不是一 * 種依據預定的規則來設定的非週期的配置。準（quasi)晶體 ' 配置亦不屬於此種特定的統計分佈。 各結構單元的配置亦不是一種由週期配置開始進行的 配置，各結構單元的位置是特定的但與規則的結構有微小 的偏差，此偏差値例如是週期配置之柵格常數之10%或 20%。在一種由週期配置開始進行的配置中，各結構單元配 9 置成與週期配置之位置有特定的微小偏差，這基本上是一 種週期配置。在一種精確的配置中，在遠場中以電磁輻射 來照射時可形成一種_則的繞射圖樣。在與規則的配置有 微小的偏差時，該繞射圖樣只微小地被塡補，其仍保持著 相同的繞射圖樣。 各結構單元之特定的統計分佈不是依據確定的數學演 算法來達成，然而，依據一實施形式該統計分佈滿足了以 下的框架條件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離分佈 相對於平均値而言具有一種至少+/-10%且最多+/-25%之標 201023406 準差。在各結構單元所形成的配置中，特別是一種成對 (pair)分佈函數在一特定的距離或多個特定的距離中具有 一種最大値，該成對分佈函數描述了相鄰之結構單元的橫 向距離。 所謂標準差是指：數個距離之間的差亦可在小於平均 値之10%中或大於25%»所謂標準差對此行的專家而言可 由統計學得知且已完整地定義在統計學中。 已顯示的事實是，在上述框架條件下各結構單元之一 0 種特定的統計分佈特別適合像光子晶體那樣來發生作用， 其特別是可達成一特定的發射特性。藉由完全不規則的統 4 計分佈式的配置，則在與週期晶體比較時可達成一種均句 ' 的發射特性。電磁輻射散射至各結構單元時特別會在遠場 中產生一種環，其未具備可辨認的次（sub)結構》 利用各結構單元的配置，可達成一種特定的發射特 性。在此種特定的發射特性中，電磁輻射中有較未配置著 結構單元時還多的成份會在一特定的發射錐體（例如，+/-30 0 度）中發出。 各結構單元適合用來對電磁輻射的傳送造成影響。於 此，各結構單元分別具有一第一橫向延伸區、一與第一橫 向延伸區垂直的第二橫向延伸區及/或一垂直延伸區，其大 於或等於電磁輻射之發射波長的最大値之0.2倍且小於或 等於該電磁輻射之發射波長的最大値之5倍。 沿著一任意的第一橫向來測量該第一橫向延伸區。基 本上亦可使用“範圍”或“空間範圍”來取代“延伸 區” ’其是該結構單元之一維尺寸，該結構單元沿著第一 201023406 橫向而在該一維尺寸上延伸。第二橫向延伸區是該結構單 元之一維延伸區，其垂直於第一延伸區，即，其針對第一 橫向來測量。 測量第一橫向延伸區用的第一橫向對全部的結構單元 都是一樣的，即，第一橫向延伸區互相平行而對準》或是， 對毎一結構單元亦可分別選取最大的橫向延伸區以作爲第 一橫向延伸區。 發出輻射的半導體晶片不只發出唯一波長的輻射，而 0 且發出一種具有最大値的發射光譜。 在一實施形式中，各結構單元之第一橫向延伸區、第 二橫向延伸區和垂直延伸區分別大於該電磁輻射之發射波 長的最大値之0.2倍。此外，另一實施形式中，第一橫向 延伸區、第二橫向延伸區和該垂直延伸區分別小於該電磁 輻射之發射波長的最大値之5倍。 另一實施形式的設計方式是，第一橫向延伸區、第二 橫向延伸區及/或該垂直延伸區分別與其餘的結構單元之 ❷ 相對應的値相差小於10%或最多相差10%。 在半導體晶片的一種佈置中，各結構單元在活性層之 主延伸面上的投影之面積分別與其餘的結構單元之相對應 的面積只有微小的偏差。此種面積的偏差小於20%或最多 爲20%，較佳是小於15%或最多爲15%，特別佳時小於10% 或最多爲10%。當然，各結構單元的面積亦可互相不同。 另一實施形式中，第一橫向延伸區、第二橫向延伸區 及/或垂直延伸區對各結構單元的大部份或對全部的結構 單元基本上都是同樣大。依據另一種佈置，各結構單元的 201023406 大部份或對全部的結構單元基本上都是同樣大且形成相同 的形式》 在該半導體晶片之一適當的實施形式中，各結構單元 形成在一種具有半導體材料的層中。該層較佳是在主發射 方向中封閉該半導體晶片之半導體層序列，其可由唯一的 材料層所構成或具有多個材料成份不同的層。在半導體晶 片之另一實施形式中，各結構單元形成在多個層中。各結 構單元可在該半導體晶片之半導體層序列之多個層上延伸 0 且特別是可在該半導體晶片之全部的半導體層上延伸。 在一種佈置中，該晶片之活性層是磊晶半導體層序列 之成份。此半導體層序列在與該半導體晶片之主發射側相 對的此側上設有一種反射層。此種反射層在與各結構單元 組合時可另外對該半導體晶片之特定的發射特性的達成具 有良好的影響。 在另一實施形式中，該半導體晶片未設有一種磊晶基 板。該半導體晶片具有磊晶之半導體層，其在製造時生長 9 在一磊晶基板上。此磊晶基板然後至少一部份被去除’使 所形成的半導體晶片未具有磊晶基板。 依據另一佈置，在設有反射層的情況下’一種載體元 件包含在該半導體晶片中。該反射層配置在該載體元件和 該半導體層序列之間。 上述半導體晶片之其它優點、實施方式和其它形式將 描述在以下的圖式和實施例中。 【實施方式】 所謂側視圖是指一種在一觀看角度下所看到的圖’此 201023406 観看角度是與半導體晶片成橫向而延伸或對此半導體晶片 之橫切面成橫向而延伸。所謂俯視圖是指一種在一觀看角 度下所看到的圖，此觀看角度是與半導體晶片成垂直而延 伸。 各圖式和實施例中相同或作用相同的各組件分別設有 相同的元件符號。所示的各元件和各元件之間的大小比例 未必依比例繪出。反之，爲了清楚之故各圖式的一些元件 已予放大地顯示出。 0 第1圖所示的半導體晶片具有磊晶之半導體層2,3, 4。每一個半導體層基本上都可具有多個未顯示於圖中之磊 晶的底層。 此半導體晶片具有凸起形式的結構單元5。各結構單 元同樣可具有磊晶之半導體材料或由其構成。各結構單元 形成在一個層50中。該層50亦可不具有磊晶之半導體材 料而是具有一種例如玻璃之類的無機材料或由其所形成。 該層50在主輻射方向6中配置在磊晶之半導體層2、 • 3、4之後。若該層50具有半導體材料，則該層50在主輻 射方向6中封閉該半導體晶片之半導體層序列。另一種材 料（其爲了清楚之故未顯示於圖中）亦可在該主輻射方向6 中配置於該層50和結構元件5之後。 半導體層序列例如具有一活性區2、一第一外罩層3 和一第二外罩層4。第一外罩層3和第二外罩層4分別以至 少一種摻雜物質來摻雜且具有互相不同的導電型。例如， 第一外罩層3摻雜成η-導電性且第二外罩層摻雜成p-導電 性。然而，亦可摻雜成相反導電性。 -10- 201023406 此半導體晶片例如可以氮化物-、磷化物-或砷化物-化 合物半導體爲主。 “以氮化物-化合物半導體材料爲主”在此處之意義 是指，該晶片之多個半導體層或其中至少一部份，特別是 至少該活性區，具有氮化物-化合物半導體材料，較佳是 AlnGamlnl-n-mN或由其所構成，其中OS nS 1, OS 1且 n + m $1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學所表示 之準確的組成。反之，此材料可具有一種或多種摻雜物質 0 以及其它成份。然而，爲了簡單之故，上述形式只含有晶 格（Al，Ga，In, N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可 由少量的其它物質來取代及/或補充。 “以磷化物-化合物半導體材料爲主"在此處之意義 是指，該半導體層序列或其至少一部份，特別是至少該活 性區，具有磷化物-化合物半導體材料，較佳是 AlnGamlnl-n-mP 或 AsnGamlnl-n-mP，其中 OSnSl，OSm S 1且n + m S 1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學 • 所表示之準確的組成。反之，此材料可具有一種或多種摻 雜物質以及其它成份。然而，爲了簡單之故，上述形式只 含有晶格（A1或As，Ga，In, P)之主要成份，這些主要成份之 一部份亦可由少量的其它物質來取代。 “以砷化物-化合物半導體材料爲主，，在此處之意義 是指，該半導體層序列或其至少一部份，特別是至少該活 性區，具有砷化物-化合物半導體材料，較佳是 AlnGal-nAs，其中〇$η$ΐ。因此，此材料未必含有上述形 式之以數學所表示之準確的組成。反之，此材料可具有一 -11- 201023406 種或多種摻雜物質以及其它成份。然而，爲了簡單之故， 上述形式只含有晶格（Al，Ga，As)之主要成份，這些主要成 份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。 第1圖所示的實施例中，各結構單元5形成在連續的 層或封閉的層50中。此層50例如具有一種連續的部份或 封閉的部份，其中各結構單元5突出於主輻射方向6中》 然而，形成有各結構單元之該層50亦可以是不連續之 層或非封閉的層，其基本上由互相隔開的結構單元5所構 〇 成，請參閱第2圖。在各結構單元是該層50中的凹口之情 況下，該層50可具有多個缺口。 第3圖所示的實施例中，各結構單元5是由層50中的 凹口來形成。 第1圖和第2圖所示的實施例中，各結構單元5之間 的區域中例如以空氣來塡入。第3圖所示的實施例中，各 結構單元例如由以空氣來塡入的凹口所構成。各結構單元 5之間的區域或各結構單元5本身亦可具有其它任意之氣 • 體形式、流體形式及/或固體形式的物質以取代空氣。重要 的是，各結構單元和橫向中相鄰的區域之間須形成一種明 顯的折射率跳躍現象。各結構單元和橫向中相鄰的區域互 相之間的折射率差例如可以爲1、2或大於2。 各結構單元5例如全部或至少一大部份都以相同的大 小和形式來形成。然而，各結構單元就其特徵上的一個或 多個參數値而言亦可具有微小的差異。 特徵上的參數値例如可以是第一橫向範圍、垂直於第 —橫向範圍而測得之第二橫向範圍以及垂直範圍。這些參 -12- φ 201023406 數之至少一種在各結構單元中例如可與其餘之結構單元之 相對應的參數値相差最多10%、8%或5%。 各結構單元之另一可能的特徵上的參數値是各結構單 元在活性區2之主延伸面上的投影的面積。各結構單元5 之面積例如可與其餘之結構單元之相對應的面積例如相差 17%、13%或7%。在各結構單元的一部份中，上述參數値 亦可與其餘的結構單元之相對應的參數値相差更大的數 値。 0 第1圖至第3圖之半導體晶片中，各結構單元5以特 定的統計分佈而配置著。各結構單元之分佈滿足了框架條 件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離分佈相對於平均 値而言具有一種至少+/-10%且最多+/-25%之標準差。此種 分佈例如顯示在第4圖中，其中顯示各結構單元5之配置 的俯視圖。 具有特定的統計分佈之各結構單元5之此種配置例如 可藉由自然的微影術來產生。此處，可使用小球或其它形 • 式的物體作爲蝕刻過程用的遮罩體。於是，形成有結構單 元5之該層50在未被遮罩體所覆蓋的位置上被選擇性地蝕 刻。 例如，可使用一種乾式蝕刻方法。可使用聚苯乙烯體 或二氧化矽體作爲遮罩體。例如，遮罩體可藉由流體而施 加在該層50上》該流體含有水、乙醇或由水和乙醇所構成 的混合物。此種施加例如藉由物體（其上即將施加該遮罩體） 浸入至流體中來達成。或是，可將流體在該物體上予以離 心分離。 -13- 201023406 因此，滿足了上述的框架條件，首先可以一較上述最 後一種所設定的密度還小的密度來施加多個遮罩體。然 後，各物體可適當地一起以機械方式而移動。於是，可保 持著一種特定之統計分佈。 利用相同的方法，基本上亦可產生凹口形式的結構單 元。例如，一負的光阻可施加在該層50上且使用該遮罩體 以作爲該光阻之曝光遮罩。然後，該光阻在配置有遮罩體 的區域中被選擇性地去除，且可藉由蝕刻（例如乾式蝕刻） 0 而產生凹口形式的多個結構單元5。 其它製造方法可另外包括奈米-壓印（nano-imprint)、電 子束-微影術、干擾-微影術及/或電漿遮罩-微影術的使用。 上述半導體晶片之第1圖至第3圖所示的實施例分別 具有一反射層7，其在主輻射方向6中配置在半導體層2、 3、4之前。此反射層7具有一電性絕緣層71和一金屬導電 層72。電性絕緣層71具有缺口 73，以使該層72之金屬導 電材料可穿過。金屬導電材料72用來將電流供應至該半導 • 體晶片之半導體層中。在反射層7和半導體層2、3、4之 間可配置至少一導電層，其不是由半導體材料所構成。例 如，該反射層7和半導體層2、3、4之間可配置一具有透 明導電氧化物（TC0)之層。 基本上半導體晶片亦可未具備一反射層7。然而，反 射層7在與各結構單元5相組合以產生該半導體晶片之特 定的發射特性時是有利的。 第1圖中藉由箭頭來顯示一臨界角91時之主輻射方向 6和輻射方向9。在與未具備結構單元5之半導體晶片相比 -14- 201023406 較下，能以一種如第1圖至第3圖所示的半導體晶片來使 電磁輻射之絕大部份在一種輻射角91內發出。例如，電磁 輻射的大部份都在一種+/-30度之輻射錐體內發出。 第1圖所示的半導體晶片具有一種載體8。該反射層7 配置在該載體8和半導體層2、3、4之間。例如，可使用 一種導電之半導體材料作爲載體。 所有上述半導體晶片之實施例例如都可未具備一種磊 晶基板。當然，該半導體晶片亦能以一種磊晶基板來實現》 0 然而，就一特定的發射特性之產生而言，當磊晶基板之至 少一部份或全部被去除以製造該半導體晶片時是有利的。 除了第1圖至第3圖所示的實施例以外，各結構單元 5亦可在多個層上延伸，即，各凹口可形成較圖中所示的 還深。例如，該層50可具有不同材料所形成的多個層。各 凹口亦可一部份向半導體層序列2、3、4內部延伸或完全 經由半導體層序列2、3、4而延伸。 第5a，5b圖至第8a，8b圖中分別以側視圖和俯視圖來 • 顯示一種可能的結構單元5之四個不同的實施例。 在第5 a，5b圖中所示的實施例中，該結構單元5是一 種物體，其具有一種在垂直方向中保持相同的橫向之橫切 面。該結構單元5在俯視圖中具有一種圓形的面（請參閱第 5b圖），但其它形式的面例如矩形、正方形等等亦是可能 的。第5a圖中顯示垂直延伸區53，第5b圖中顯示第一橫 向延伸區51、第二橫向延伸區52和面54。此面54對應於 該結構單元5在該半導體晶片之活性區之主延伸面上的投 影面。 -15- 201023406 第6a圖，所示的結構單元5在俯視圖中同樣具有一種 大致上是圓形的形式。一般而言，該結構單元5之第一橫 向延伸區51和第二橫向延伸區52大致上一樣大。與上述 之結構單元5之不同處在於，第6a圖，第6b圖中所示的 結構單元5具有一種在垂直方向中或主延伸方向中變窄的 形式，請參閱第6a圖。 第7a圖和第7b圖所示的結構單元5具有一種面向主 輻射方向的側面，其例如包含多個拱形區。第一橫向延伸 Q 區51和第二橫向延伸區52的大小不同。在俯視圖中該結 構單元5具有一種不規則且不對稱的形式。 第8a圖，第8b圖中顯示結構單元5的一種例子，其 以一種凹口而形成在一個層50中。垂直延伸區52是此凹 口之深度。 本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述》反 之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特 別是包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每 • 一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示 在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。 【圖式簡單說明】 第1圖是半導體晶片之第一實施例之側視的切面圖。 第2圖是半導體晶片之第二實施例之側視的切面圖。 第3圖是半導體晶片之第三實施例之側視的切面圖。 第4圖是適用於該半導體晶片之各結構元件之配置的 俯視圖。 第5a、6a、7a及8a圖是不同實施例之結構元件之側 -16 - 201023406 視的切面圖。 第5b、6a、7a及8b圖是不同實施例之第5a、6a、7a 及8a圖中所示之結構元件的俯視圖。 【主要元件符號說明】 2 活性層 3 第一外罩層 4 第二外罩層 5 結構單元 0 50 結構化的層 51 第一橫向延伸區 52 第二橫向延伸區 53 垂直延伸區 54 結構單元5在活性層2之主延伸面上的投影面 6 主輻射方向 7 反射層 71 第一絕緣層 β 72金屬導電層 73 缺口 8 載體元件 9 輻射方向 91 輻射角

Claims (1)

1. 201023406 七、申請專利範圍： 1. ~種光電半導體晶片，包括：一活性層（2)，用來發出電 磁輻射；以及一由多個結構單元（5)所形成的二維配置， 其在該半導體晶片之主延伸方向（6)中配置在該活性層 之後，各結構單元（5)分別具有一第一橫向延伸區，一與 第一橫向延伸區垂直的第二橫向延伸區及/或一垂直延 伸區，其大於或等於該電磁輻射之發射波長的最大値之 0.2倍且小於或等於該電磁輻射之發射波長的最大値之5 Q 倍’以及 該些結構單元以一特定的統計分佈而配置著且滿足以下 的框架條件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離分佈 相對於平均値而言具有一種至少+/-10%且最多+/-25 %之 標準差。 2. 如申請專利範圍第1項之光電半導體晶片，其中各結構 單元（5)之第一橫向延伸區、第二橫向延伸區和垂直延伸 區分別大於該電磁輻射之最大發射波長之0.2倍。 〇 3.如申請專利範圍第1或2項之光電半導體晶片，其中各 結構單元（5)之第一橫向延伸區、第二橫向延伸區和垂直 延伸區分別小於該電磁輻射之最大發射波長之5倍。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電半導體晶 片，其中各結構單元之第一橫向延伸區、第二橫向延伸 區及/或垂直延伸區相對於其餘各結構單元之相對應的 値之差分別小於10%或最多相差10%。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶 片，其中各結構單元在該活性層之主延伸面上的投影之 -18- 201023406 面積相對於其餘的結構單元之相對應的面積之差小於 20%或最多相差20%，較佳是小於15%或最多相差15%， 特別佳時是小於1 〇 %或最多相差1 〇 %。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之光電半導體晶 片’其中各結構單元（5)之大部份或全部的結構單元（5) 之第一橫向延伸區、第二橫向延伸區及/或垂直延伸區基 本上都一樣大。 7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之光電半導體晶 0 片’其中各結構單元（5)之大部份或全部的結構單元（5) 基本上都一樣大且以相同的形式而形成。 8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之光電半導體晶 片’其中各結構單元（5)形成在一種具有半導體材料的層 (50)中。 9. 如申請專利範圍第8項之光電半導體晶片，其中該層（50) 在該主輻射方向（6)中封閉該半導體晶片之半導體層序 列。 @ 10.如申請專利範圍第1至9項中任一項之光電半導體晶 片’其中該活性層（2)是磊晶之半導體層序列之成份，該 半導體層序列在與該半導體晶片之主輻射側相面對的一 側上設有一反射層（7)。 11. 如申請專利範圍第10項之光電半導體晶片，其中該半導 體晶片未具備一磊晶基板。 12. 如申請專利範圍第1〇或11項之光電半導體晶片，其中 包括一載體元件（8)且該反射層（7)配置在該載體元件（8) 和該半導體層序列之間。 -19-