TW201626598A - 發出輻射之半導體晶片、製造多個發出輻射之半導體晶片的方法以及具有發出輻射之半導體晶片的光電組件 - Google Patents

發出輻射之半導體晶片、製造多個發出輻射之半導體晶片的方法以及具有發出輻射之半導體晶片的光電組件 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種發出輻射之半導體晶片(1)，具有磊晶之半導體層序列(3)，其在操作時發出電磁輻射。磊晶之半導體層序列(3)施加在可透射的載體(4)上，其中，載體(4)具有一面向半導體層序列(3)之第一主面(8)、一遠離半導體層序列(3)之第二主面(9)、以及一配置在第一主面(8)和第二主面(9)之間的側緣(10)，且該側緣(10)具有發射結構，其適當地由多個劃分軌跡形成。 此外，本發明提供一種製造半導體晶片的方法以及一種具有此種半導體晶片的組件。

Description

發出輻射之半導體晶片、製造多個發出輻射之半導體晶片的方法以及具有發出輻射之半導體晶片的光電組件
本發明涉及一種發出輻射之半導體晶片、一種製造多個發出輻射之半導體晶片的方法以及一種具有此種發出輻射之半導體晶片的光電組件。
發出輻射之半導體晶片及其製造方法例如已描述在文件WO 01/61764 A1、US 2011/0198665 A1、US 5,233,204 A,DE 10 2013 111 503和US 2004/0026700 A1中。
本發明的目的是提供一種光發射率較佳的發出輻射之半導體晶片及其簡易的製造方法。此外，本發明提供一種具有此種半導體晶片的光電組件。
發出輻射之半導體晶片包括磊晶之半導體層序列，其在操作時發出電磁輻射。此電磁輻射產生於磊晶之半導體層序列內部的活性區中且然後由磊晶之半導體層序列的輻射發出面發出。此電磁輻射特別有利的是可見光、紫外線-輻射或紅外線-輻射。
磊晶之半導體層序列生長在一載體上。特別有利的是，此載體形成為可透過電磁輻射，其在操作時 由磊晶之半導體層序列發出。「可透射」此處特別是指一種載體，其相對於對應的波長具有一種至少0.85之透射係數，較佳是至少0.9且特別佳時至少0.95。此處，透過的輻射相對於入射的輻射之比(ratio)稱為透射係數。
例如，載體可以是一種生長基板，其上生長著該磊晶之半導體層序列。
載體例如可具有以下材料之一種或由以下材料之一種組成：藍寶石、砷化鎵、矽、氮化鎵、碳化矽。
於此，藍寶石和碳化矽特別可透過可見的電磁輻射直至紫外線光譜區為止，砷化鎵和矽則可透過紅外線的電磁輻射。氮化鎵可使波長在可見光譜區至紫外線光譜區的電磁輻射透過。氮化鎵此處可以InGaN來摻雜，這樣可使該材料在紫外線光譜區中具有吸收性。
特別有利的是，該載體具有藍寶石或由藍寶石構成。磊晶之半導體層序列此處較佳是以形式為InxAlyGa1-x-yN，其中0x1，0y1且x+y1，之氮化物-半導體材料系統為主。特別是，藍寶石適合用作半導體層序列的生長基板，其中該半導體層序列是以氮化物-半導體材料系統為主。以氮化物-半導體材料系統為主的半導體層序列通常適合用於產生藍光至紫外光。
或是，半導體層序列亦可以形式為InxAlyGa1-x-yAs，其中0x1，0y1且x+y1，之砷化物-半導體材料系統為主。此種磊晶之半導體層特別適合用於產生紅外光至紅光。
此外，半導體層序列亦可以形式為InxAlyGa1-x-yP，其中0x1，0y1且x+y1，之磷化物-半導體材料系統為主。此種磊晶之半導體層特別適合用於產生紅光至綠光。
目前的半導體晶片是一種所謂體積發射器時特別有利。體積發射器的特徵特別是：於半導體層序列之活性區中產生的電磁輻射之一部份亦經由載體之側緣而由半導體晶片發出。與此不同，例如薄膜晶片是一種表面發射器，活性區中產生的輻射基本上只由其輻射發出面發出。薄膜晶片具有磊晶之半導體層序列，其施加在一與生長基板不同的載體上。在該載體和該半導體層序列之間另外配置一鏡面，其使由半導體層序列發出而向載體傳送的輻射轉向至該輻射發出面的方向中。因此，薄膜半導體晶片中輻射不會由載體的側緣發出而是最多只由只有數微米厚的半導體層序列之側緣發出。
載體具有一面向半導體層序列之第一主面以及一遠離該半導體層序列之第二主面。此二個主面較佳是互相平行而延伸。第一主面和第二主面之間另外配置該載體之一側緣。
該側緣具有一種發射結構，其適當地由多個劃分軌跡形成。該發射結構適合用於使由半導體晶片發出的光發射率特別可較一種具有平滑無結構式側緣的半導體晶片還高。
所述發射結構可使經由半導體晶片之側緣發出的電磁輻射之發射率提高且亦可使由半導體晶片之輻 射發出面發出的發射率提高。於此，半導體晶片之輻射發出面特別優先地配置成平行於該載體之第一主面及/或第二主面。
所述發射結構例如可使來自半導體晶片之輻射發出面的發射率提高，以使載體內部的輻射轉向且因此使載體內部之電磁輻射的全反射減輕。
依據半導體晶片之一實施形式，該些劃分軌跡適當地在半導體晶片之劃分過程中形成，該些劃分軌跡形成側緣之鋸齒形式的發射結構。
所述發射結構具有多個結構元件或由多個結構元件形成。較佳是，所述發射結構由多個相同形式的結構元件形成，其直接鄰接著。例如，組成所述發射結構之各別的結構元件形成為相同形式且配置成規則的及/或週期的圖樣。特別是，所述發射結構特別有利的是不涉及側緣的粗糙性，其由不規則的一系列不同的尖端和凹區組成。此種粗糙性例如可藉由濕式化學蝕刻而產生。
例如，鋸齒形的發射結構之每一結構元件都具有第一面和第二面，其中第一面平行於第一主面及/或第二主面而延伸且第二面與第一面形成一種尖銳形的敞開角度。由二個面形成的該敞開角度例如指向載體之第一主面的方向。換言之，鋸齒形的發射結構之敞開角度例如指向半導體晶片之輻射發出面。例如，該敞開角度介於40度(含)和70度之間，較佳是介於45度(含)和60度之間。
或是，鋸齒形的發射結構之每一結構元件都具有一種敞開角度，其指向載體之第二主面的方向。換言之，由鋸齒形的結構元件之二個面形成的該敞開角度亦可指向一種由半導體晶片之輻射發出面離開的方向。
特別有利的是，鋸齒結構具有尖銳的角隅和邊緣。當然，鋸齒結構亦可依據製程如何進行而具有圓形化的邊緣。一種具有尖銳邊緣的鋸齒結構的優點是：其結構更確定地使入射的光轉向且因此適合進行光的方向設定。
若鋸齒結構具有圓形化的邊緣，則鋸齒形的發射結構之每一結構元件都可形成為貝殼形。在此種情況下，每一結構元件都形成該載體之側緣中的盆槽。例如，每一結構元件都可形成為載體之側緣內部的貝殼形式的凹口。貝殼形式的凹口之特徵特別是不對稱的形式，其中最深的部位至發射結構之二個直接相鄰的尖端之距離不相同。
結構元件之橫向寬度特別有利的是介於0.3微米(含)和6微米(含)之間。此處，橫向寬度的下限通常是由電磁輻射的波長來界定，而理論上可行的上限只與製程的進行有關。因此，結構元件亦可設定成夠大，使只有一個或二個結構元件在側緣的整個長度上延伸。側緣的整個長度例如可介於50微米(含)和150微米之間。鋸齒結構之橫向寬度例如是由鋸齒結構之二個直接相鄰的尖端之距離來決定。
所述發射結構之一結構元件的深度較佳是介於該結構元件之橫向寬度的0.1倍和2倍之間。特別有利的是，所述發射結構之一結構元件的深度介於該結構元件之橫向寬度的0.5倍和1.5倍之間。例如，結構元件的深度小於其橫向寬度的1倍。結構元件的深度例如是指：鋸齒結構之二個直接相鄰的尖端之間該凹區之最深的部位。
依據半導體晶片之一實施形式，載體之側緣經由其整個長度在垂直方向中相對於載體之第一主面及/或第二主面之一法線而傾斜。因此，載體例如由其第一主面朝向其第二主面而經由側緣的整個長度連續地變細或變寬。特別有利的是，該側緣與該載體之二個主面之一的法線形成一種介於15度(含)和45度之間的角度。
依據半導體晶片之一實施形式，磊晶之半導體層序列同樣具有一側緣，其配置在磊晶之半導體層序列之第一主面和第二主面之間。例如，已製成的半導體晶片之半導體層序列之第一主面和第二主面形成為小於載體之第一主面。以此方式，磊晶之半導體層序列在該載體分離時不會受損。
依據半導體晶片之一實施形式，半導體層序列之側緣具有一種與半導體層序列之法線成傾斜的傾斜角度。例如，半導體層序列之側緣具有一種相對於載體的底切(undercut)。於此，半導體層序列之側緣由半導體晶片之輻射發出面朝向載體而變細。一種底切有利於光在半導體晶片之輻射發出面的方向中發射。
或是，由於傾斜形成的側緣，則半導體層序列亦可在相反方向(即，由載體朝向半導體晶片之輻射發出面的方向)中變細。
為了製成多個發出輻射之半導體晶片，首先須製備磊晶之半導體層序列，其在操作時發出電磁輻射。於此，磊晶之半導體層序列施加在可透射的載體上。例如，磊晶之半導體層序列以磊晶方式生長在可透射的載體上。
在下一步驟中，由磊晶之半導體層序列和該載體構成的複合物劃分成多個發出輻射之半導體晶片。在劃分過程中，載體的側緣適當地設有劃分軌跡，其形成為發射結構。這樣所具有的優點是：在劃分過程中同時可達成結構化以使半導體晶片的發射率提高。這樣可使發出輻射之半導體晶片的製造簡化。
例如，可使用乾式化學蝕刻方法，例如，深反應式離子蝕刻(DRIE,deep reactive ion etching)，以將半導體層序列和該載體構成的複合物劃分成半導體晶片。於此，在側緣上產生所述發射結構特別是優先藉由適當地改變乾式化學蝕刻方法之至少一參數來達成。例如，在乾式化學蝕刻方法的期間可將氣流或蝕刻期間改變，以產生側緣之結構。乾式化學蝕刻方法是一種電漿分離方法時特別有利。
依據上述方法之一實施形式，另一方式是使用乾式化學蝕刻方法且使側緣之由該乾式化學蝕刻方法製成的區域鈍化，以將該複合物劃分成半導體晶片。換 言之，首先進行乾式化學蝕刻方法，其中載體之側緣的一部份在垂直方向中切開。此處，與載體之第一主面的法線成反向的方向稱為垂直方向。然後，側緣及通常為裸露之面的剩餘部份亦都設有鈍化層。然後，再進行乾式化學蝕刻方法且因此又在垂直方向中切開該載體。然後，又施加一鈍化層。此處，此鈍化層之施加及該乾式化學蝕刻方法較佳是重複一段長時間，直至載體完全切開為止。
鈍化層例如具有氟化合物或氯化合物或由氟化合物或氯化合物形成。鈍化層的厚度較佳是介於150奈米(含)和1微米之間。
在劃分過程中，由半導體層序列和載體構成的複合物特別是優先施加在彈性箔上。彈性箔用於對已製成的半導體晶片作簡易的操控。
特別是，目前的半導體晶片適合安裝在一種組件殼體中。該組件殼體特別是優先具有側壁，其使經由載體的側緣而發出的輻射轉向至該組件殼體之輻射發出面。此外，亦可藉由所述發射結構使光在組件殼體內部中轉向至高反射性的面且因此達成該組件所期望的發射特性。
依據該組件之一實施形式，該組件包括多個半導體晶片。該些半導體晶片優先配置在組件殼體中。
目前只與半導體晶片相關聯而描述的特徵或構成只要有意義同樣亦可與上述方法相結合地形成，且反之亦可。同樣，只與半導體晶片或上述方法相關聯而描述的特徵或構成亦可與光電組件相結合地形成。
本發明之其它有利的實施形式和後續形成方式顯示在以下結合各圖式而描述的實施例中。
1‧‧‧半導體晶片
2‧‧‧彈性箔
3‧‧‧磊晶之半導體層序列
4‧‧‧載體
5‧‧‧半導體層序列之第一主面
6‧‧‧半導體層序列之第二主面
7‧‧‧半導體層序列之側緣
8‧‧‧載體之第一主面
9‧‧‧載體之第二主面
10‧‧‧載體之側緣
11‧‧‧結構元件
12‧‧‧第一面
13‧‧‧第二面
α‧‧‧敞開角度
14‧‧‧最深的部位
S,S’‧‧‧尖端
N‧‧‧法線
β‧‧‧傾斜角度
15‧‧‧光漆層
16‧‧‧鈍化層
17‧‧‧組件殼體
18‧‧‧電性終端區
19‧‧‧接合線
20‧‧‧澆注物質
第1圖至第15圖係依據不同實施例之發出輻射之半導體晶片的切面圖。
第16圖至第20圖係依據一實施例之製造多個光電半導體晶片的方法之切面圖。
第21圖顯示依據一實施例之光電組件的切面圖。
各圖式中相同、相同形式或作用相同的各元件設有相同的參考符號。各圖式和各圖式中所示的各元件之間的大小比例未必依比例繪出。反之，為了清楚及/或易於理解，各別元件，特別是層厚度，已予放大地顯示出。
依據第1圖之實施例，多個半導體晶片1相鄰地配置在彈性箔2上。半導體晶片1具有磊晶之半導體層序列3，其具有活性區(未顯示)，該活性區適合用於在操作時產生電磁輻射。
半導體層序列3施加在一載體4上。載體4形成為可使半導體層序列3之活性區中產生的輻射透過。
半導體層序列3具有：一第一主面5，其遠離該載體4；以及一第二主面6，其面向該載體4。第一主面5係與第二主面6相面對且與其平行而延伸。第一 主面5目前大於第二主面6。換言之，半導體層序列3由第一主面5朝向第二主面6(即，朝向載體4)而變細。在第一主面5和第二主面6之間配置半導體層序列3之側緣7。半導體層序列3之側緣7形成為與半導體層序列3之主面5、6之一法線成傾斜。
載體4同樣具有：第一主面8，其面向半導體層序列3；以及第二主面9，其遠離半導體層序列3。在第一主面8和第二主面9之間形成該載體4之側緣10。於此，載體4之第一主面8之面積大於半導體層序列3之第一主面5和第二主面6。由於半導體層序列3之側緣7傾斜於半導體層序列3之法線，使半導體層序列3具有一種相對於載體4之底切。
載體之側緣10另外在其整個長度上設有鋸齒形的發射結構。此處，此鋸齒形的發射結構由多個劃分軌跡形成，就像其例如繼續在以下依據第16圖至第20圖所述方法中產生者一樣。
依據第1圖，半導體晶片1之發射結構形成為鋸齒且具有各別的結構元件11。第5圖顯示第1圖之側緣10的細節。鋸齒形的發射結構之每一結構元件11因此都具有第一面12和第二面13。第一面12平行於載體4之第一主面8及/或第二主面9而延伸且與第二主面13形成尖銳形的敞開角度α。此處，該敞開角度α指向載體4之第一主面8的方向。本實施例中，鋸齒結構形成為具有尖銳的邊緣。
此外，本實施例中該發射結構係由相同方式形成的結構元件11形成，其配置成規則的圖樣。
不同於第1圖之半導體晶片1，第2圖之實施例的半導體晶片1具有半導體層序列3，其側緣7須傾斜成使半導體層序列3由半導體層序列3之第一主面5朝向載體4而連續地變細。
第3圖之實施例之半導體晶片1就像第1圖之實施例的半導體晶片1一樣具有側緣7，其設有鋸齒形的發射結構。當然，由第一面12和第二面13形成的敞開角度α指向由載體4之第一主面8離開的方向，這不同於第1圖之半導體晶片1之敞開角度α。
第4圖之實施例的半導體晶片1亦具有鋸齒形的發射結構之結構元件11，其敞開角度α指向由載體4之第一主面8離開的方向。此外，形成半導體晶片1，就像第2圖中所述者一樣。
不同於上述的實施形式，第6圖至第10圖之實施例的半導體晶片1具有載體4之側緣10，其鋸齒形的發射結構具有圓形化的邊緣。此處，所述發射結構的每一結構元件11都形成為載體4之側緣10中的貝殼形式的凹口，就像第10圖之區段中的細部圖中所示者一樣。貝殼形式的凹口於此形成為不對稱，即，其最深的部位14至二個直接相鄰的尖端S、S’之距離不同。此外，第6圖之半導體晶片形成為像第1圖之半導體晶片一樣，第7圖之半導體晶片形成為像第2圖之半導體晶片一樣，第8圖之半導體晶片形成為像第3圖之半導體晶 片一樣，且第9圖之半導體晶片形成為像第4圖之半導體晶片一樣。
第11圖、第12圖和第15圖之實施例的發出輻射之半導體晶片1不同於第1圖和第2圖的發出輻射之半導體晶片1之處只有載體4之側緣10的傾斜度。於此，第15圖顯示第11圖之半導體晶片1之側緣10的一區段。本實施例中，載體4之側緣10各別地在其整個長度上相對於載體4之主面8、9之一的法線N成傾斜，使載體4之橫切面由其第一主面8朝向其第二主面9而變細。半導體晶片1之側緣10較佳是與載體4之主面8、9之一的法線N形成一種角度β，其介於15度(含)和45度(含)之間(請參閱第15圖)。
第11圖、第12圖和第15圖之半導體晶片1的側緣亦具有多個劃分軌跡，其形成發射結構。然而，這為了清楚之故而未顯示在圖中。
不同於第11圖和第12圖之實施例，第13圖和第14圖之實施例的光電半導體晶片1具有側緣10，其須傾斜於載體4之主面8、9之一法線N，使載體4由其第一主面8朝向其第二主面9而連續地變寬。
在第16圖至第20圖之實施例所示的方法中，於第一步驟中製備磊晶之半導體層序列3，其適合發出電磁輻射。磊晶之半導體層序列3施加在一載體4上且與該載體4形成複合物。載體4形成為可透過半導體層序列3之輻射。
特別優先的是，半導體層序列3以氮化鎵材料為主，載體4則具有藍寶石或由藍寶石構成。
由載體4和半導體層序列3構成的複合物目前施加在可撓性的箔2上。
在下一步驟中，如第17圖所示，在半導體層序列3上施加一結構化的光漆層15，其釋放出半導體層序列3之一些區域。半導體層序列3之釋放出的該些區域用於在後續的多個半導體晶片1之間形成隔離溝渠。
如第18圖所示，首先藉由乾式化學蝕刻方法，特別有利的是藉由電漿分離過程，將該載體4蝕刻至垂直方向中某種深度為止，即，在與半導體層序列3之主面5、6之一的法線N之方向相反的方向中進行蝕刻。
然後，如第19圖所示，在整個層複合物上沈積一鈍化層16。鈍化層16例如可具有氟化合物或氯化合物或由氟化合物或氯化合物構成。
在下一步驟中，重新進行乾式化學蝕刻過程，其又在垂直方向中切開該載體4(第20圖)。於此，載體4之側緣10受到鈍化層16保護。如第20圖所示，此種方式的切離過程中產生多個劃分軌跡，這在目前是藉由適當地形成發射結構來進行。
目前的方法中，例如第18圖、第19圖和第20圖所描述的步驟，即，施加鈍化層16以及藉由乾式化學蝕刻過程一件一件地分離該載體4，交替地重複進行，直至載體4特別有利地在其整個垂直長度上切開為止。
第21圖之實施例的光電組件具有發出輻射之半導體晶片1，其例如就像第1圖至第15圖所述者。半導體晶片1安裝在組件殼體17之底部上，這例如是藉由黏合層或焊接層(未顯示)來達成。組件殼體17另外具有一電性終端區18，其藉由接合線19而與半導體晶片1可導電地相連接。此外，組件殼體1以透明的澆注物質20來填充，該澆注物質20完全包圍著半導體晶片。
本專利申請案主張德國專利申請案DE 10 2014 114 613.1之優先權，其已揭示的整個內容收納於此以作為參考。
本發明當然不限於依據各實施例所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各請求項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請求項中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧半導體晶片
2‧‧‧彈性箔
3‧‧‧磊晶之半導體層序列
4‧‧‧載體
5‧‧‧半導體層序列之第一主面
6‧‧‧半導體層序列之第二主面
7‧‧‧半導體層序列之側緣
8‧‧‧載體之第一主面
9‧‧‧載體之第二主面
10‧‧‧載體之側緣

Claims (14)

  1. 一種發出輻射之半導體晶片(1)，具有：- 磊晶之半導體層序列(3)，其在操作時發出電磁輻射，- 可透射的載體(4)，其上施加該磊晶之半導體層序列(3)，其中- 該載體(4)具有一面向該半導體層序列(3)之第一主面(8)、一遠離該半導體層序列(3)之第二主面(9)、以及一配置在該第一主面(8)和該第二主面(9)之間的側緣(10)，以及- 該側緣(10)具有發射結構，其適當地由多個劃分軌跡形成。
  2. 如請求項1之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該側緣(10)經由其整個長度在垂直方向中相對於該載體(4)之該第一主面(8)及/或該第二主面(9)之一法線(N)而傾斜。
  3. 如請求項1或2之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該發射結構具有多個相同形式的結構元件(11)，其配置成規則的及/或週期的圖樣。
  4. 如請求項1至3中任一項之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該等劃分軌跡形成該側緣(10)之鋸齒形的發射結構。
  5. 如請求項4之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該鋸齒形的發射結構之每一結構元件(11)都具有第一面(12)和第二面(13)，其中該第一面(12)平行於該載體(4)之該第一主面(8)及/或該第二主面(9)而延伸，且該第二面 (13)與該第一面(12)形成一種尖銳形的敞開角度(α)，其中該敞開角度(α)指向該載體(4)之該第一主面(8)的方向。
  6. 如請求項4之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該鋸齒形的發射結構之每一結構元件(11)都具有第一面(12)和第二面(13)，其中該第一面(12)平行於該載體(4)之該第一主面(8)及/或該第二主面(9)而延伸，且該第二面(13)與該第一面(12)形成一種尖銳形的敞開角度(α)，其中該敞開角度(α)指向該載體(4)之該第二主面(8)的方向。
  7. 如請求項4至6中任一項之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該鋸齒結構具有圓形化的邊緣。
  8. 如請求項1至7中任一項之發出輻射之半導體晶片(1)，其中該載體(4)具有以下材料之一種：藍寶石、砷化鎵、矽、氮化鎵、碳化矽。
  9. 一種製造多個發出輻射之半導體晶片(1)的方法，具有以下步驟：- 製備磊晶之半導體層序列(3)，其在操作時發出電磁輻射，該磊晶之半導體層序列(3)施加在可透射的載體(4)上，- 由該磊晶之半導體層序列(3)和該載體(4)構成的複合物劃分成多個發出輻射之半導體晶片(1)，其中該載體(4)的側緣(10)適當地設有劃分軌跡，其形成為發射結構。
  10. 如請求項9之方法，其中使用乾式化學蝕刻方法將該複合物劃分成半導體晶片(1)。
  11. 如請求項9或10之方法，其中另一方式是使用乾式化學蝕刻方法且對該載體(4)之該側緣(10)之由該乾式化學蝕刻方法產生的區域進行鈍化步驟，以將該複合物劃分成半導體晶片(1)。
  12. 如請求項9至11中任一項之方法，其中該劃分軌跡形成該側緣(10)之鋸齒形的發射結構。
  13. 如請求項12之方法，其中該鋸齒結構具有圓形化的邊緣。
  14. 一種光電組件，其中在組件殼體(17)中配置一個或多個如請求項1至8中任一項之發出輻射之半導體晶片(1)。
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