TWI279931B - Optoelectronic thin film chip - Google Patents

Description

J279931 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種光電薄膜晶片及其製造方法。 【先前技術】 文件 I. Schnitzel· at al·，Appl. Phys. Lett. 63(16), 18. ^ October 1993，Pages 2174 to 2176中已描述薄膜發光二極體 - 晶片之基本原理。此文件所揭示的有關薄膜發光二極體晶 片之基本原理收納於此處以作爲參考。 0 文件W0 02/1 3 28 1描述一種具有薄膜層之半導體晶片。 薄膜層中形成一種發射光子之活性區。在背離該薄膜晶片 之發射方向之表面上配置一種載體。 【發明內容】 本發明的目的是提供一種光發射特性已改良之薄膜晶 片。此外，本發明的另一目的是提供此種薄膜晶片之製造 方法。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，此薄膜晶片具有 φ 一種薄膜層。 薄膜層例如由磊晶生長在一種生長基板上的層序列所設 . 定，此生長基板至少一部份由此層序列中去除。即，此生 長基板之厚度須減少。換言之，此基板須薄化。另一種可 能方式是整個生長基板由此薄膜層中去除。 薄膜層較佳是具有至少一活性區，其適合用來產生電磁 輻射。此活性區例如可由一種層或層序列來設定，此層序 列具有一種pn-接面，雙異質結構，單一量子井結構或多重 量子井結構。 1279931 活性區特別有利的是具有至少一輻射發射區。此輻射發 射區例如是由活性區的一部份區域所形成。在活性區的此 一部份區域中在光電薄膜晶片操作時會產生電磁輻射。 依據此薄膜晶片之至少一實施形式，該輻射發射區之後 配置一透鏡。所謂透鏡例如是一種光學元件，其適合用來 - 使經由光學元件之電磁輻射被中斷。但透鏡亦適合用來使 . 電磁輻射發生繞射。此外，透鏡亦適合用來使光線發生折 射和繞射。透鏡較佳是配置在輻射發射區之後，使輻射發 φ 射區中所產生的電磁輻射之至少一部份可經由透鏡且藉由 此透鏡而發生折射及/或繞射。 透鏡較佳是由薄膜層之至少一部份區域所形成。即，薄 膜層之至少一部份區域須被結構化，使該區域適合用來對 輻射發射區中所產生的電磁輻’射造成折射及/或繞射。例 如，透鏡可由薄膜晶片之表面之已結構化的一部份區域所 形成。薄膜晶片之面較佳是具有一透鏡，其最初是面向該 生長基板。薄膜晶片表面之已結構化的部份區域例如可具 Φ 有一確定的曲率。此透鏡例如可藉由表面之此部份來限 定。電磁輻射（其經由薄膜層之表面之彎曲的部份區域）然後 _ 依據幾何光學之定律而發生折射。 透鏡之橫向尺寸大於輻射發射區之橫向尺寸時特別有 利。所謂透鏡之橫向尺寸例如是指：透鏡在垂直於磊晶層 序列之生長方向之平面中之最大延伸度。同理，輻射發射 區之橫向尺寸是指：輻射發射區在垂直於磊晶層序列之生 長方向之平面中之最大延伸度。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，光電薄膜晶片在 -6- ，1279931 薄膜層之活性區中具有至少一輻射發射區。一透鏡配置在 此輻射發射區之後，此透鏡由薄膜層之至少一部份區域所 形成且此透鏡之橫向尺寸較輻射發射區之橫向尺寸還大。 在光電薄膜晶片之至少一實施形式中，此光電薄膜晶片 具有多個輻射發射區。即，薄膜層之活性區之多個部份區 - 域在光電薄膜晶片操作時會發出電磁輻射。各輻射發射區 . 例如可依據一種規則之圖樣而以相等的間距互相配置在活 性區中。在此種情況下，全部之輻射發射區較佳是具有相 φ 同的大小，即，全部之輻射發射區基本上例如具有相同的 橫向尺寸。 所謂”基本上具有相同的橫向尺寸”之意義是：依據製程 或無意中在薄膜層中存在著非均勻性時，輻射發射區之尺 寸和配置上的變動是可能的。 此外，每一輻射發射區之後較佳是恰巧配置一透鏡，即， 較佳是一透鏡明確地配屬於每一輻射發射區。由輻射發射 區所產生的電磁輻射之成份（其經由透鏡）因此最多部份是 Φ 在透鏡所對應的輻射發射區中產生。透鏡所對應的輻射發 射區中所謂”最多部份”例如是指：其它（例如，相鄰）輻射發 y 射區之電磁輻射亦可經由此透鏡。但經由此透鏡之電磁輻 射之最大成份來自配屬於該透鏡之輻射發射區。 薄膜晶片較佳是具有至少80個輻射發射區。同理，薄膜 晶片較佳是具有至少80個配置在輻射發射區之後之透鏡。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，此光電薄膜晶片 具有一載體，載體上施加該薄膜層。此載體較佳是施加在 薄膜層之遠離原來之生長基板之表面上。在與生長基板相 •1279931 比較下，此載體可較自由地選取。因此，此載體在某些特 性（例如，導電性或穩定性）上可較該生長基板更佳地適用於 此構件中，該生長基板會受到某些限制以製造高價値之磊 晶生長之層序列。因此，爲了獲得高價値之磊晶層，磊晶 生長之材料之晶格例如需與生長基板者相配合。 ^ 施加在薄膜層上的載體之特徵較佳是一種可依據薄膜層 ， 來調整的熱膨脹係數。例如，此載體可包含以下之半導體 材料：鍺，砷化鎵，氮化鎵，碳化矽和其它的材料，例如， 藍寶石’銷，金屬或碳。 此外，該載體的特徵較佳是具有一種特別好的導熱性， 使得在產生電磁輻射時薄膜層之活性區中所產生的熱之至 少一部份可經由載體而發送至環境中。 依據薄膜晶片之至少一種實施形式，在載體和薄膜層之 間配置一種鏡面層。此鏡面層例如可含有一種佈拉格（B r a g g) 鏡面或是一種含有金屬之鏡面層。含有金屬之鏡面（其例如 可含有金，金-鍺，銀，鋁或鉑）相對於佈拉格-鏡面之特徵 φ 是”反射率之方向相關性較小”。高的反射率（例如，以佈拉 格-鏡面來達成者）亦能以含有金屬之鏡面來達成。 . 配置在載體和薄膜層之間的反射金屬層適合用來使輻射 發射區所產生的電磁輻射發生反射時特別有利，這樣可使 薄膜晶片之輻射效益提高。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，此薄膜晶片具有 至少一電流注入區。電流注入區較佳是配置在載體和薄膜 層之間。藉由電流注入區可使電流注入至薄膜層中，此電 流在活性區中用來產生電磁輻射。例如，電流注入區可由 1279931 一種接觸面來形成，可經由此接觸面而由載體這方向來與 薄膜層達成電性上的接觸。 例如，若薄膜層在一種與載體和薄膜層之界面相平行的 平面中具有一特別小的導電性（即，薄膜層之橫向導電性特 別小），則該電流注入區之橫向尺寸基本上即已預先決定了 ^ 該薄膜層之活性區中輻射發射區之橫向尺寸。即，電流注 . 入區之橫向尺寸基本上等於該輻射發射區之橫向尺寸。所 謂”基本上”之意義是：例如，由於薄膜層之橫向導電性發 φ 生變動時會造成橫向尺寸之偏差。 透鏡之橫向尺寸較輻射進入區之橫向尺寸還大且因此亦 較輻射發射區之橫向尺寸還大時特別有利。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，薄膜晶片具有多 個電流注入區。較佳是一透鏡明確地配屬於每一電流注入 區。電流注入區，輻射發射區和透鏡例如沿著直線（其垂直 於載體和薄膜層之界面，即，平行於薄膜層之生長方向而 延伸）而配置著。 φ 此外，輻射發射區中之電磁輻射例如亦可藉由光學激發 而不是藉由電性上的激發而產生。 . 透鏡形成在薄膜晶片之遠離載體之表面上時特別有利。 即，透鏡較佳是藉由該表面之一部份被結構化而形成。例 如，此表面之一部份可形成一種向外隆起之球形或非球形 之體（volume)透鏡。但薄膜層-表面之已結構化的部份亦可 形成斯淫爾（F r e s n e 1)透鏡。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，透鏡之橫向尺寸 介於30和1 00微米之間。所謂透鏡之橫向尺寸例如是指此 1279931 透鏡之足點上該透鏡之直徑。透鏡之足點例如位於薄膜晶 片（其中形成該透鏡）之表面之平面中。 透鏡之橫向尺寸較佳是介於30和60微米之間，即，由 透鏡足點至透鏡頂點之距離例如介於1和50微米之間，較 佳是介於1和20微米之間。 ^ 在薄膜晶片之至少一實施形式中，電流注入區之橫向尺 - 寸介於1和80微米之間，較佳是介於1 〇和40微米之間。 在薄膜層只具有較小的橫向導電性時，電流注入區之橫向 # 尺寸基本上等於輻射發射區之橫向尺寸。 依據光電薄膜晶片之至少一實施形式，輻射發射區和透 鏡之足點之間的距離介於1和50微米之間。 例如，若應藉由透鏡使電磁輻射由薄膜晶片發出時之發 射效率最佳化，則輻射發射區和透鏡之足點之間的距離較 佳是介於1和25微米之間’，特別是介於1和1 0微米之間。 若想要使已發出的電磁輻射之特別多的成份集中在一種與 薄膜層（其上形成該透鏡）之表面相垂直之方向中，則輻射發 φ 射區和透鏡之足點之間的距離較佳是介於25和50微米之 間，特別是介於25和40微米之間。經由透鏡之輻射然後至 . 少一部份會集中在一圍繞該方向之輻射錐體中。 在光電薄膜晶片之至少一實施形式中，薄膜層在薄膜層 和載體之間的界面上至少一部份具有一凹口。此凹口較佳 是至少一部份圍繞上述之電流注入區。此凹口完全圍繞該 電流注入區時特別有利，即，由一電流注入區開始，在薄 膜層和載體的界面上塗佈該薄膜層，此薄膜層較佳是在每 一方向（其位於此界面之平面中）中都到達該凹口。例如，此 -10- 1279931 凹口可準確地圍繞一電流注入區。每一電流注入區較佳是 由至少一凹口所圍繞。此凹口例如以環形方式配置在電流 注入區周圍。 依據薄膜晶片之至少一實施形式，凹口之深度介於1和 20微米之間。即，此凹口在其最深處之深度介於1和20微 - 米之間。此凹口之深度介於1和8微米時特別有利。例如， ^ 此凹口由載體觀看時可到達薄膜層之活性區之起始端。例 如，此凹口因此未將該薄膜層之活性區切割。但該凹口亦 φ 能以某種寬度到達薄膜層中，使凹口可切割該活性區。 依據此光電薄膜晶片之至少一實施形式，該凹口在薄膜 層之遠離載體之表面之方向中逐漸變細。例如，此凹口具 有平坦之內壁。此凹口之內壁在由載體離開之方向中例如 配置在電流注入區之後。各內壁較佳是與載體形成一種介 於1 0和90度之間的角度。此角度介於1 0和80度之間時特 別有利。 此外，本發明亦提供一種光電薄膜晶片之製造方法。 φ 依據本方法之至少一實施形式，首先在一種生長基板上 以磊晶方式沈積一薄膜層。此薄膜層例如是一種磊晶生長 _ 之層序列。此薄膜層較佳是具有至少一層或層序列，其適 合用作活性區以產生電磁輻射。 較佳是在薄膜層之遠離該生長基板之表面上沈積一種介 電質層，隨後在此介電質層中形成至少一種凹口形式之電 流注入區。較佳是形成多個輻射進入區。 在下一個步驟中，在薄膜層之遠離載體之表面上（例如， 在介電質層上）施加一種金屬層，其適合用來反射該活性區 -11- ‘ 1279931 中所產生的電磁輻射。 然後，在薄膜層之遠離該生長基板之表面上施加一載 體。此載體例如可藉由焊接方法而固定在薄膜層上。 在下一步驟中，由薄膜層中使該生長基板之至少一部份 被去除。即，將該生長基板薄化或由薄膜層中去除。 依據本方法之至少一實施形式，在薄膜層之遠離載體之 - 表面上製備至少一透鏡。此透鏡較佳是配置在電流注入區 之後。在多個電流注入區中恰巧一透鏡配置在每一電流注 # 入區之後時特別有利。 依據本方法之至少一實施形式，此透鏡藉由至少一蝕刻 過程而製成。以此種方式，在薄膜層之遠離載體之表面上 例如可製備球形透鏡，非球形透鏡或斯涅爾-透鏡。 以下將依據各實施例和所屬的圖式來說明此處所描述的 光電薄膜晶片。 【實施方式】 各實施例和圖式中相同或作用相同之組件分別設有相同 % 的參考符號。各圖式中所示之元件未依據比例來繪示。反 之，爲了更易了解之故，圖式中各元件有些部份已放大且 ， 未依實際之大小關係來顯示。 . 第1圖是本發明之光電薄膜晶片之第一實施例之切面 圖。 本實施例中在載體1上配置一薄膜層2。 載體1例如由晶圓所設定。例如，載體可包含以下材料 中至少一種材料：鍺，砷化鎵，氮化鎵，碳化矽，藍寶石， 銷，金屬，碳。 -12- 1279931 但載體亦可由可撓性之導電箔所形成。例如，載體可由 碳箔所設定。箔的厚度較佳是小於或等於1 00微米。 載體例如藉由焊接層3而與薄膜層2相連接。在薄膜層 2之面對載體之界面上例如施加一種電性絕緣之介電質層 5 ° 一種反射金屬層4是在介電質層5之後施加而成，此反 射金屬層4例如含有一種具備反射性的金屬，例如，金， 銀，金-鍺，錨或鉑。 > 此反射金屬層4一方面具有特別良好的導電性且另一方 面適合用來使薄膜層2之輻射發射區8中所產生的電磁輻 射之至少一部份反射至薄膜層2之表面9之方向中。表面9 是遠離該載體1之表面，其原來是面向已去除的生長基板。 介電質層5具有缺口，其形成電流注入區6。各缺口例 如包含該反射金屬層4之材料。電流注入區6具有一種橫 向尺寸δ，其例如可以圓柱形方式來形成。橫向尺寸δ然後 可藉由此圓柱之直徑來設定。 _ 薄膜層2例如以磷化物-化合物半導體材料爲主或以氮 化物-化合物半導體材料爲主。 “以磷化物-化合物半導體材料爲主，，在此處之意義是：此 種名稱之組件或其一部份較佳是含有AUGamin mP，其中0 且n + mg丨。此種材料未必具有如上述公式 中依據數學式所示之準確的成份。反之，其可具有一種或 多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此 材料之實際特性。但爲了簡單之故上述公式只包含晶格（A1， Ga，In，P)之主要成份，當這些主要成份之一部份由少量之 -13- -1279931 其它物質來取代時亦可。 “以氮化物-化合物半導體材料爲主”在此處之意義是：活 性之磊晶層序列或其中至少一層含有氮化物-III/V-化合物 半導體材料，較佳是含有AUGanJnmN，其中OSnSl，OSm S 1且n + m ‘ 1。此種材料未必具有如上述公式中依據數學 - 式所示之準確的成份。反之，其可具有一種或多種摻雜物 . 質以及其它成份，這些成份基本上不會改變AlnGamlni.n.mN· 材料之實際特性。但爲了簡單之故上述公式只包含晶格（A1， φ Ga，In，N)之主要成份，當這些主要成份之一部份由少量之 其它物質來取代時亦可。 因此，可理解的是：薄膜層包含至少一單一層，其含有 •-種由各別的化合物半導體材料系統所構成的材料。 薄膜層2較佳是另外具有至少一活性區7，其適合用來 產生電磁輻射。活性區7例如具有ρη·接面，雙異質結構， 單一量子井結構或多重量子井結構。 本案中所謂量子井結構包括以下每一種結構：此結構中 電荷載體由於受到局限（confinement)而使其能量狀態量子 化。量子井結構特別是未指出量子化的維度，其因此可另 . 外包含量子槽，量子線’量子點和這些結構之每一種組合。 若電流經由電流注入區6而進入薄膜層2中’則由於薄 膜層2所用的材料之較小的橫向導電性而使電流垂直於載 體1以流至活性區7中。所流過的活性區7會形成輻射發 射區8。輻射發射區8之橫向尺寸由於薄膜層2之材料之小 的橫向導電性而由電流注入區6之橫向尺寸所設定。 一透鏡1 〇在活性區7和表面9之間之距離是h時配置在 -14- 1279931 每一輻射發射區8之後。透鏡1 0例如是一種體透鏡，其可 成球形-或非球形而向外隆起。透鏡之特徵是其厚度d，此 厚度是透鏡之足點1 Oa和透鏡之頂點1 〇b之間的距離。若其 是一種球形透鏡1 0，則透鏡1 0之曲率是由透鏡半徑r所決 定。又，此透鏡的特徵是其在透鏡1 0之足點1 Oa上的橫向 - 尺寸。透鏡1 〇之足點1 Oa例如位於薄膜層2之表面9之平 . 面中。即，此距離h描述該輻射發射區8和配置於此輻射 發射區8之後的透鏡之足點1 〇a之間的距離。輻射發射區8 φ 中所產生的電磁輻射例如經由配置於此輻射發射區8之後 的透鏡1 0而由薄膜層2中發出。特別有利的是此透鏡10 藉由至少一蝕刻過程而形成在薄膜層2之表面9中。 又，在表面9上施加一種結合-墊1 1，其例如由導電材料 所構成且用來與薄膜晶片形成電性上的接觸。較佳是施加 此結合-墊1 1，使輻射發射區8未由此結合-墊1 1所覆蓋。 第2圖不同於第1圖之處是：透鏡亦可藉由斯涅爾-透鏡 1 2來設定。較佳是此斯涅爾-透鏡1 2藉由至少一蝕刻過程 φ 而在薄膜層2之表面9中被結構化。 第3和4圖不同於第1，2圖之處是··在薄膜層2和載體 1之界面中加入多個凹口 1 3。因此，每一輻射進入區6較佳 是由至少一凹口 1 3所圍繞。例如，凹口 1 3以環形方式配置 在電流注入區6之周圍。各凹口 1 3例如可延伸至活性區7 中。各凹口 13較佳是具有平坦延伸之內壁，其與載體1和 薄膜層2之間的界面相平行之一平面形成一種角度α。 凹口 13之內壁較佳是以介電質層5和反射層4來覆蓋。 這些層可使輻射發射區8中所產生之電磁輻射之至少一部 -15- 1279931 份被反射。 藉由各凹口 13來界定平台（mesa)結構14，在平台結構之 足點上分別配置一種電流注入區6。 第5a圖之表格顯示計算之結果。此種計算例如針對磷化 物-化合物半導體材料系統製成之薄膜晶片之活性區7來進 - 行。活性區7之厚度是0.6微米且吸收率是0.9/微米且內部 . 效率是0.4。電流注入區之橫向尺寸例如是26微米。活性 區7和透鏡之足點1 〇a之間的距離h在計算中設定成4微 φ 米。本實施例中上述之計算是以深度3微米之凹口 13來進 行。凹口 13之內壁與薄膜層2和載體1之間之界面之平面 形成一種角度α。上述之計算係對一種球形之體透鏡1 〇來 進行，其中透鏡在足點上之直徑φ設定成36微米。然後， 此透鏡1 0之半徑r以及厚度d將改變。依據透鏡1 0之半徑 r來計算此發射效率η，即，須對離開薄膜層之電磁輻射之 成份和數位孔徑0.5中所發出之輻射ΝΑ之百分比成份進行 計算。 φ 如第5b圖所示，依據透鏡10之厚度d而在厚度d大約 是1 1微米時產生一種最大之發射效率η。所屬的透鏡半徑r 大約是20微米。即，在透鏡1 〇之足點1 〇a和活性區7之間 的距離h固定時，可藉由透鏡1〇之曲率r之改變來設定一 種最佳化的發射效率η，其在與薄膜層之表面是平坦式（r — 〇〇) 者相比較時大約可提高1. 8倍。 第6a圖顯示一種在其它各種參數未改變時以球形透鏡 1 0之半徑r大約是3 0微米時的計算結果，已改變的參數是 輻射發射區8和透鏡1 〇之足點i 之間的距離h。 -16- 1279931 如第6b圖所示，在較大之h値（大約由25微米開始）時 在數位孔徑0.5中會發生一種放大之發射作用。即，薄膜晶 片之發射特性是在此種h値時求得且發射之光束是在一種 與薄膜層2之表面9相垂直之方向中進行。因此，藉由h 之改變可設定此薄膜晶片之發射特性。 - 本發明不限於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 請專利範圍中各特徵的每一種組合，當該特徵或該組合本 φ 身未明顯地顯示在各申請專利範圍或實施例中時亦同。 本專利申請案主張德國專利申請案1 02004046792.7-33 之優先權，其已揭示的內容收納於此處作爲參考。 【圖式簡單說明】 第1圖本發明之薄膜晶片之第一實施例之切面圖。 第2圖本發明之薄膜晶片之第二實施例之切面圖。 第3圖本發明之薄膜晶片之第三實施例之切面圖。 第4圖本發明之薄膜晶片之第四實施例之切面圖。 φ 第5a圖薄膜晶片之一實施例中透鏡具有不同之厚度値 時此薄膜晶片之已算出的發射效率之値的圖表。 第5b圖薄膜晶片之一實施例中發射效率相對於透鏡厚 度之圖解。 第6a圖薄膜晶片之一實施例中此薄膜晶片之已算出的 發射效率之値相對於輻射發射區和透鏡之足點之間的距離 之圖表。 第6b圖薄膜晶片之一實施例中此薄膜晶片之已算出的 發射效率之値相對於輻射發射區和透鏡之足點之間的距離 -17- 1279931 之圖解。 【主要元件符號說明】 1 載體 2 薄膜層 3 焊接層 4 反射式金屬層 5 介電質層 6 電流注入區 7 活性區 8 輻射發射區 9 表面 10 透鏡 11 結合-墊 12 斯涅爾透鏡 13 凹口 14 平台-結構 -18-

Claims (1)

1279931 7 ·如申請專利範圍第1或2項之光電薄膜晶片，其中輻射發 射區（8)和透鏡（1〇，12)之足點（10a)之間的距離介於1和50 微米之間。 8.如申請專利範圍第1項之光電薄膜晶片，其中在薄膜層（2) 之面向載體（1)之界面中具有至少一凹口（13)，其中此凹口 (13)至少一部份圍繞該電流注入區（6)。 ^ 9·如申請專利範圍第8項之光電薄膜晶片，其中此凹口（13) _ 之深度介於1和20微米之間。 10.如申請專利範圍第8項之光電薄膜晶片，其中此凹口（13) 在薄膜層（2)之遠離該載體（1)之表面之方向中逐漸變細且 凹口（13)之內壁是與載體（1)形成一種介於10度和90度之 間的角度（α)。 1 1 · 一種如申請專利範圍第1至1 0項中任一項之光電薄膜晶片 之製造方法，其中-至少一輻射發射區（8)，其位於薄膜層（2) 之活性區（7)中，該薄膜層（2)爲由磊晶生長於生長基板上的 | 層序列，其中生長基板係由層序列中去除，-配置在輻射發 射區（8)之後之透鏡（10，12)，其由薄膜層（2)之至少一部份 區域所形成，其中透鏡（10，12)之橫向尺寸（Φ)大於輻射發 射區之橫向尺寸（δ)，透鏡（10，12)製作在薄膜層（2)之遠離 該載體（1)之表面（9)上。 1 2·如申請專利範圍第1 1項之光電薄膜晶片之製造方法，其中 該透鏡（10，12)藉由蝕刻過程而製成。