TWI427826B - 光電半導體晶片 - Google Patents

Description

光電半導體晶片

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併作為參考。

發出輻射的半導體晶片已為人所知，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。此特殊區域此處稱為光子能帶間隙。

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US 5955749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。

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 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(Lambertian)表面輻射器之所謂藍伯發射特性可視為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邊界條件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離分佈相對於平均值而言具有至少+/-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為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為半導體層。各結構單元可具有固體材料且在橫向中鄰 接於一種以氣體(特別是空氣)來填入的區域。反之，各結構單元亦可以是以氣體(特別是空氣)來填入的區域，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。

各結構單元以任意的統計分佈方式而配置著，即，其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任意的統計分佈。

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，此偏差值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規則的繞射圖樣。在與規則的配置有微小的偏差時，該繞射圖樣只微小地被填補，其仍保持著相同的繞射圖樣。

各結構單元之任意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邊界條件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離分佈相對於平均值而言具有一種至少+/-10%且最多+/-25%之標 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值，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值之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，在上述邊界條件下各結構單元之一種任意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計分佈式的配置，則在與週期晶體比較時可達成一種均勻的發射特性。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值之0.2倍且小於或等於該電磁輻射之發射波長的最大值之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 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，對每一結構單元亦可分別選取最大的橫向延伸區以作為第一橫向延伸區。

發出輻射的半導體晶片不只發出唯一波長的輻射，而且發出一種具有最大值的發射光譜。

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值之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值之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相對應的值相差小於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%或最多為20%，較佳是小於15%或最多為15%，特別佳時小於10%或最多為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 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。

所謂側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，為了清楚之故各圖式的一些元件已予放大地顯示出。

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(其為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n-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。

此半導體晶片例如可以氮化物-、磷化物-或砷化物-化合物半導體為主。

“以氮化物-化合物半導體材料為主”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AlnGamIn1-n-mN或由其所構成，其中0≦n≦1,0≦m≦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以及其它成份。然而，為了簡單之故，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-化合物半導體材料為主”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AlnGamIn1-n-mP或AsnGamIn1-n-mP，其中0≦n≦1,0≦m≦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以及其它成份。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(Al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-化合物半導體材料為主”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0≦n≦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，為了簡單之故，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填入。第3圖所示的實施例中，各結構單元例如由以空氣來填入的凹口所構成。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為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值而言亦可具有微小的差異。

特徵上的參數值例如可以是第一橫向範圍、垂直於第 一橫向範圍而測得之第二橫向範圍以及垂直範圍。這些參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值相差最多10%、8%或5%。

各結構單元之另一可能的特徵上的參數值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，上述參數值亦可與其餘的結構單元之相對應的參數值相差更大的數值。

第1圖至第3圖之半導體晶片中，各結構單元5以任意的統計分佈而配置著。各結構單元之分佈滿足了邊界條件，即：最接近的相鄰之結構單元之距離分佈相對於平均值而言具有一種至少+/-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。

具有任意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為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為遮罩體。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。

因此，滿足了上述的邊界條件，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為該光阻之曝光遮罩。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)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(TCO)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為載體。

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。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5a,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。

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輻射方向中變窄的形式，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。

2‧‧‧活性層

3‧‧‧第一外罩層

4‧‧‧第二外罩層

5‧‧‧結構單元

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

72‧‧‧金屬導電層

73‧‧‧缺口

8‧‧‧載體元件

9‧‧‧輻射方向

91‧‧‧輻射角

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視的切面圖。

第5b、6b、7b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。

2‧‧‧活性層

3‧‧‧第一外罩層

4‧‧‧第二外罩層

5‧‧‧結構單元

6‧‧‧主輻射方向

7‧‧‧反射層

8‧‧‧載體元件

9‧‧‧輻射方向

50‧‧‧結構化的層

71‧‧‧第一絕緣層

72‧‧‧金屬導電層

73‧‧‧缺口

91‧‧‧輻射角

Claims (14)

1. 一種光電半導體晶片，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輻射方向(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值之0.2倍且小於或等於該電磁輻射之發射波長的最大值之5倍，以及該些結構單元係以一任意的統計分佈來配置且滿足以下的邊界條件：最接近的相鄰者之距離分佈具有與平均值至少+/-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，其中部分該等結構單元係最接近的相鄰者具有偏離平均值少於10%或多於25%的距離。
3. 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。
4. 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小於該電磁輻射之最大發射波長之5倍。
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值之差分別小於10%或最多相差10%。
6. 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10%或最多相差10%。
7. 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(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。
8. 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(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。
9. 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(5)形成在一種具有半導體材料的層(50)中。
10. 如申請專利範圍第9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。
11. 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)。
12. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電半導體晶 片，其中該半導體晶片未具備一磊晶基板。
13. 如申請專利範圍第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。
14. 如申請專利範圍第12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。