專(zhuān)利名稱(chēng)：薄膜發(fā)光二極管芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜發(fā)光二極管芯片，其具有一個(gè)被布置于載體元件上的外延層序列和一個(gè)被布置于該外延層序列的朝向所述載體元件的主面上的反射層，其中所述外延層序列具有一個(gè)產(chǎn)生電磁輻射的有源區(qū)，所述反射層將在所述外延層序列中所產(chǎn)生的電磁輻射的至少一部分反射回到該外延層序列內(nèi)。
本發(fā)明還涉及制造這種薄膜發(fā)光二極管芯片的方法。
薄膜發(fā)光二極管芯片的特征尤其在于以下特征在產(chǎn)生輻射的外延層序列的朝向載體元件的第一主面上涂敷或構(gòu)造一個(gè)反射層，該反射層將在所述外延層序列中所產(chǎn)生的電磁輻射的至少一部分反射回到該外延層序列中；所述外延層序列具有20μm或更小范圍的厚度，尤其是10μm的范圍；以及所述外延層序列包括至少一個(gè)半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層至少有一個(gè)面具有混合結(jié)構(gòu)，該混合結(jié)構(gòu)在理想情況下在所述外延的外延層序列中導(dǎo)致光線的近似遍歷的分布，也即其具有盡可能遍歷隨機(jī)的散射特性。
薄膜發(fā)光二極管芯片的基本原理例如在I.Schnitzer等人的Appl.Phys.Lett.63(16)，1993年10月18日，2174-2176中講述過(guò)，其公開(kāi)內(nèi)容在此被引作參考。
另外，對(duì)于來(lái)自于發(fā)出電磁輻射的半導(dǎo)體芯片的輻射耦合輸出，還由于在半導(dǎo)體芯片的邊界面上因那里的折射率突變而反射到其外圍中而存在損耗(菲涅耳損耗)。
在從GaN基發(fā)光二極管芯片(nGaN＝2.67)到空氣(n＝1)的邊界面上，如同在例如沒(méi)有直接裝設(shè)塑料包封的薄膜發(fā)光二極管芯片中一樣，在半導(dǎo)體芯片/空氣的邊界面上的反射通過(guò)計(jì)算約為20％。
改善輻射的耦合輸出的已知可能性是結(jié)構(gòu)化半導(dǎo)體芯片表面。例如從US 5779924A公開(kāi)了用于在芯片表面提高透射的表面結(jié)構(gòu)化。那里所講述的發(fā)光二極管包括一個(gè)半導(dǎo)體芯片，該芯片的最外半導(dǎo)體層具有一種三維的結(jié)構(gòu)化。由此易于從半導(dǎo)體芯片本身耦合輸出光線，使得在芯片內(nèi)產(chǎn)生的光線能有更多的從半導(dǎo)體芯片到達(dá)周?chē)沫h(huán)氧樹(shù)脂中。
該方法的缺點(diǎn)是，必須為產(chǎn)生半導(dǎo)體芯片的表面結(jié)構(gòu)化而采用費(fèi)事的腐蝕方法。這尤其適用于GaN基半導(dǎo)體芯片。
另外，在US 5779924A中所講述的表面結(jié)構(gòu)根本就難以與薄膜發(fā)光二極管芯片的混合結(jié)構(gòu)相結(jié)合，后者的目的是在外延的外延層序列中實(shí)現(xiàn)電磁輻射的至少是近似遍歷的分布。
本發(fā)明基于的任務(wù)在于，提供一種具有改善的輻射耦合輸出的薄膜發(fā)光二極管芯片。
另一個(gè)任務(wù)是提供一種用于這種發(fā)出輻射的薄膜發(fā)光二極管芯片的制造方法。
該任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1所述特征的薄膜發(fā)光二極管芯片或通過(guò)具有權(quán)利要求7所述特征的方法來(lái)解決。
所述薄膜發(fā)光二極管芯片和方法的優(yōu)選實(shí)施方案和改進(jìn)在從屬權(quán)利要求2-6或8-13中給出。
根據(jù)本發(fā)明，在文章開(kāi)頭所述的那種薄膜發(fā)光二極管芯片中，在所述外延層序列的背離所述載體元件的輻射耦合輸出面上布置一個(gè)結(jié)構(gòu)化層，該層包含有玻璃材料并具有在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面的方向上縮小的并排突起，該突起具有比從所述外延層序列發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)要小的橫向光柵尺寸。在此，光柵的存在意味著不一定是規(guī)則的光柵。如果至少在一些部分內(nèi)存在突起的不規(guī)則的光柵，則光柵尺寸優(yōu)選地不但平均地而且以其最大的值小于從所述外延層序列發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)。
因此，對(duì)于所述的輻射，結(jié)構(gòu)化層的結(jié)構(gòu)在光學(xué)上是分辨不出的；從結(jié)構(gòu)化層的非結(jié)構(gòu)化的并因此為單片的區(qū)域的折射率，到該結(jié)構(gòu)化層的離輻射耦合輸出面最遠(yuǎn)的部分的折射率，并因此到接近于外圍介質(zhì)的折射率，將出現(xiàn)一個(gè)實(shí)際上平滑的折射率過(guò)渡。因此，結(jié)構(gòu)化層的結(jié)構(gòu)促成了外圍介質(zhì)和結(jié)構(gòu)化層的邊界面上的折射率平緩的過(guò)渡。在外延層序列的結(jié)構(gòu)化層和與該結(jié)構(gòu)化層相鄰的半導(dǎo)體材料的相似大小的折射率的情況下，與沒(méi)有本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化層的外延層序列相比，在所述外延層序列中所產(chǎn)生的輻射必須穿越的折射率梯度是小的。與沒(méi)有結(jié)構(gòu)化層的相同系統(tǒng)相比，在過(guò)渡“外延層序列/結(jié)構(gòu)化層/外圍”處反射回到外延層序列中的電磁輻射部分被明顯地降低。
本發(fā)明尤其適用于基于InGaAlN的薄膜發(fā)光二極管芯片，如GaN薄膜發(fā)光二極管芯片。在基于InGaAlN的發(fā)出輻射和/或探測(cè)輻射的芯片群組中，這里尤其包括如此的芯片，其中被外延地制造的、通常具有一個(gè)由不同單層構(gòu)成的層序列的半導(dǎo)體層序列包括至少一個(gè)單層，該至少一個(gè)單層具有選自III-V-化合半導(dǎo)體材料-系InxAlyGa1-x-yN的材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1，以及x+y≤1。該半導(dǎo)體層序列例如可以具有常規(guī)的pn結(jié)、雙異結(jié)構(gòu)、單倍量子頭結(jié)構(gòu)(SQW結(jié)構(gòu))或多倍量子頭結(jié)構(gòu)(MQW結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，并且因此在這里不再詳述。原則上，本發(fā)明也適用于基于其它半導(dǎo)體材料體系(例如InxAlyGa1-x-yP的材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1，以及x+y≤1)和其它III-V-或II-VI-化合半導(dǎo)體系的發(fā)出輻射的半導(dǎo)體芯片。
有利的是，所述突起的寬度和緊鄰的突起之間的相互間隔小于從所述外延層序列發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)。
優(yōu)選地，所述突起的高度小于從所述外延層序列發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)。
尤其優(yōu)選的是，該突起高度大約相當(dāng)于所述的光柵尺寸。
在薄膜發(fā)光二極管芯片的一種優(yōu)選方案中，所述層的折射率位于所述外延層序列的與所述輻射耦合輸出面相鄰的一側(cè)的材料的折射率和為所述薄膜發(fā)光二極管芯片的外圍而設(shè)的介質(zhì)的折射率之間。
優(yōu)選地，所述結(jié)構(gòu)具有充分周期性布置的突起。
在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，所述突起從外面看是被彎成凸形的。這促使了在結(jié)構(gòu)化層/外圍的邊界面處的非?！捌交摹闭凵渎蔬^(guò)渡。
在一種非常有利的實(shí)施方案中，所述玻璃材料是旋涂玻璃(Spin-On-Glas)。該材料是一種被硬化的例如包括氧化硅的溶膠。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以例如從Quenzer等人的“Anodic Bonding onGlass Layers Prepared by Spin-On Glass Process；PreparationProcess and Experimental Results”，換能器學(xué)報(bào)`01/Eurosensors XV，2001年6月，中獲知旋涂玻璃的特性和處理可能性，其公開(kāi)內(nèi)容在此被引作參考。
在文章開(kāi)頭所述的那種本發(fā)明方法中，提供被布置于所述載體元件上的外延層序列，在所述外延層序列的背離所述載體元件的輻射耦合輸出面上涂敷一個(gè)包含有玻璃材料的層，并且在該層的至少一部分上引入一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面的方向上縮小的并排突起，該突起具有比從所述外延層序列發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)要小的橫向光柵尺寸。
優(yōu)選地，通過(guò)以下方式制造所述的層在所述輻射耦合輸出面上涂敷尚為液態(tài)的旋涂玻璃，并進(jìn)行熱處理，使得硬化該旋涂玻璃。該方案可以優(yōu)選地在晶片聯(lián)合中執(zhí)行。
在所述方法的一種優(yōu)選方案中，所述的旋涂玻璃通過(guò)離心用膠和/或壓力被涂敷。尤其是，離心用膠可以有利地用低技術(shù)費(fèi)用在晶片聯(lián)合中執(zhí)行。
在所述的方法的一種非常有利的實(shí)施方案中，所述的結(jié)構(gòu)通過(guò)灰色調(diào)光刻術(shù)(灰度級(jí)光刻術(shù))被引入到所述的層中。
灰色調(diào)光刻術(shù)通常包括該層的一個(gè)借助于灰色調(diào)掩模的照射步驟。灰色調(diào)掩?？梢宰鳛樗^的“模擬掩?！睂?shí)現(xiàn)不同的照射強(qiáng)度，使得在單個(gè)的照射步驟中能產(chǎn)生三維的模擬結(jié)構(gòu)，如彎曲面。該基本原理例如在Sven Warnck的“RELLEF-Massenfertigung von Low-Cost-Produkten mit Mikrorelief-Oberflaechen mittels CD-Spritzguss”，信息技術(shù)股份有限公司VDI/VDE技術(shù)中心的信息部，第36-2002號(hào)中被講述過(guò)，其公開(kāi)內(nèi)容在此被引作參考。
所述層的結(jié)構(gòu)化又可以優(yōu)選地在晶片聯(lián)合中被執(zhí)行，使得旋涂玻璃的涂敷及其結(jié)構(gòu)化都可以用較低的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)，這實(shí)現(xiàn)了成本低廉的制造。
所述薄膜發(fā)光二極管芯片及其制造方法的其它優(yōu)點(diǎn)、優(yōu)選實(shí)施方案和改進(jìn)由下面結(jié)合

圖1a)-1d)所講述的實(shí)施例得出。
圖1a)-1d)借助于薄膜發(fā)光二極管芯片的示意截面圖以四個(gè)不同的方法階段示出了一個(gè)實(shí)施例的方法過(guò)程。
在實(shí)施例中，相同或作用相同的部件分別被相同地稱(chēng)呼，并設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。所示的層厚不應(yīng)被視為符合比例的。具體地說(shuō)，為便于理解，它們具有夸張的厚度，而并沒(méi)有以實(shí)際的相互厚度比例被示出。
在實(shí)施例中，提供了一種薄膜發(fā)光二極管芯片5，其具有一個(gè)被布置于載體元件2上的外延層序列6和一個(gè)被布置于該外延層序列6的朝向所述載體元件2的主面上的反射層3，其中所述外延層序列6具有一個(gè)產(chǎn)生電磁輻射的有源區(qū)8，所述反射層3將在所述外延層序列6中所產(chǎn)生的電磁輻射的至少一部分反射回到該外延層序列內(nèi)(參見(jiàn)圖1a)。需要指出的是，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，當(dāng)前只參考一個(gè)單獨(dú)的薄膜發(fā)光二極管芯片5。在芯片大批量制造中，通常處于尚未孤立的狀態(tài)中的多個(gè)薄膜發(fā)光二極管芯片(也即具有大量的原則上同類(lèi)型的薄膜發(fā)光二極管芯片的晶片聯(lián)合)被提供和被進(jìn)一步處理，并且只有在以后的階段才被分離成相互隔開(kāi)的薄膜發(fā)光二極管芯片。
在外延層序列6的背向載體元件2的輻射耦合輸出面7上，接下來(lái)例如通過(guò)離心鍍敷而涂敷一個(gè)旋涂玻璃(見(jiàn)圖1b)。
外延層序列6的輻射耦合輸出面7上的粗糙度通過(guò)旋涂玻璃被進(jìn)一步平面化，也即通過(guò)填充凹處進(jìn)行平滑，其中這些粗糙度是不理想地因?yàn)橹圃於粠?lái)的，或者是有目的地為了均勻化從外延層序列耦合輸出的輻射而被帶來(lái)的。
接下來(lái)通過(guò)灰色調(diào)光刻術(shù)(灰度級(jí)光刻術(shù))來(lái)結(jié)構(gòu)化由旋涂玻璃構(gòu)成的層1。
除了旋涂玻璃外，也可以利用灰色調(diào)光刻術(shù)來(lái)結(jié)構(gòu)化其它的玻璃材料或其它的對(duì)于在外延層序列6內(nèi)所產(chǎn)生的輻射是透明的材料。但旋涂玻璃非常好地適用于該方法。
以一種比在外延層序列6內(nèi)所產(chǎn)生的電磁輻射的波長(zhǎng)要小的橫向光柵尺寸制成一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有在離開(kāi)外延層序列6的輻射耦合輸出面7的方向上縮小的并排突起5。在離開(kāi)耦合輸出面的方向上的突起高度小于從外延層序列6發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)，優(yōu)選地為約等于所述的光柵尺寸。
由于小的光柵尺寸，突起5對(duì)于在外延層序列6內(nèi)所產(chǎn)生的電磁輻射在光學(xué)上是分辨不出的；可以說(shuō)，對(duì)于所述的輻射，不存在突起5形式的單個(gè)障礙。更確切地說(shuō)，從具有旋涂玻璃材料本身的折射率的結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1的非結(jié)構(gòu)化區(qū)域，到在其背離于外延層序列6的那一側(cè)上與該結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1相鄰的介質(zhì)(這里是空氣)的折射率，由外延層序列6耦合輸入到結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1中的電磁輻射“看到”一個(gè)平滑的折射率過(guò)渡。按照目前的理解，結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1的材料在離開(kāi)外延層序列6的方向上因?yàn)橥鈬慕橘|(zhì)而變得越來(lái)越薄，并且在離該外延層序列最遠(yuǎn)的區(qū)域具有至少近似于外圍介質(zhì)的折射率。相對(duì)于系統(tǒng)“外延層序列6/外圍介質(zhì)”，在系統(tǒng)“外延層序列6/結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1/外圍介質(zhì)”處被反射回到外延層序列6中的電磁輻射的成分被明顯地減少。
與輻射耦合輸出面7相鄰的電接觸面9在所述結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1的制造過(guò)程期間或之后被露出，或者不用所述結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1的材料覆蓋。
本發(fā)明顯然不局限于以上具體講述的實(shí)施例，而是延伸到具有本發(fā)明原理特征的所有方法和裝置。尤其是，本發(fā)明可以用于不同幾何形狀的、不同結(jié)構(gòu)的、和不同半導(dǎo)體材料體系的薄膜發(fā)光二極管芯片。
顯然，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層1也可以應(yīng)用于用塑料澆注的發(fā)光二極管芯片。尤其是，在“半導(dǎo)體/塑料澆注”的邊界面上可以把本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化玻璃層、尤其是結(jié)構(gòu)化旋涂玻璃層涂敷到半導(dǎo)體材料上。
另外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化層可以被涂敷用來(lái)降低在一系列光學(xué)系統(tǒng)(如顯微光學(xué)裝置)上在固體材料/空氣的邊界面處的菲涅耳損耗。
權(quán)利要求
1.一種薄膜發(fā)光二極管芯片(5)，其具有一個(gè)被布置于載體元件(2)上的外延層序列(6)和一個(gè)被布置于該外延層序列(6)的朝向所述載體元件(2)的主面上的反射層(3)，其中所述外延層序列(6)具有一個(gè)產(chǎn)生電磁輻射的有源區(qū)(8)，所述反射層(3)將在所述外延層序列(6)中所產(chǎn)生的電磁輻射的至少一部分反射回到該外延層序列內(nèi)，其特征在于，在所述外延層序列(6)的背離所述載體元件(2)的輻射耦合輸出面(7)上布置一個(gè)結(jié)構(gòu)化層(1)，該層包含有玻璃材料并具有一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面(7)的方向上縮小的并排突起(5)，該突起(5)具有比從所述外延層序列(6)發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)要小的橫向光柵尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述層(1)的折射率位于所述外延層序列(6)的與所述輻射耦合輸出面(7)相鄰的一側(cè)的材料的折射率和為所述薄膜發(fā)光二極管芯片(5)的外圍而設(shè)的介質(zhì)的折射率之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的薄膜發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)具有充分周期性布置的突起(5)。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的薄膜發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述突起(5)從外面看是被彎成凸形的。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的薄膜發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述玻璃材料是旋涂玻璃。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的薄膜發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述突起(5)在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面(7)的方向上的高度小于從所述外延層序列(6)發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)。
7.一種薄膜發(fā)光二極管芯片(5)的制造方法，該薄膜發(fā)光二極管芯片具有一個(gè)被布置于載體元件(2)上的外延層序列(6)和一個(gè)被布置于該外延層序列(6)的朝向所述載體元件(2)的主面上的反射層(3)，其中所述外延層序列(6)具有一個(gè)產(chǎn)生電磁輻射的有源區(qū)(8)，所述反射層(3)將在所述外延層序列(6)中所產(chǎn)生的電磁輻射的至少一部分反射回到該外延層序列內(nèi)，其特征在于，提供被布置于所述載體元件(2)上的外延層序列(6)，在所述外延層序列(6)的背離所述載體元件(2)的輻射耦合輸出面(7)上涂敷一個(gè)包含有玻璃材料的層(1)，并且在該層的至少一部分上引入一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面的方向上縮小的并排突起(5)，該突起具有比從所述外延層序列(6)發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)要小的橫向光柵尺寸。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過(guò)以下方式制造所述的層(1)在所述輻射耦合輸出面(7)上涂敷尚為液態(tài)的旋涂玻璃，并進(jìn)行熱處理，使得硬化和壓縮該旋涂玻璃。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述的旋涂玻璃通過(guò)離心用膠和/或壓力被涂敷。
10.如權(quán)利要求7-9之一所述的方法，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)通過(guò)灰色調(diào)光刻術(shù)(6)被引入到所述的層(1)中。
11.如權(quán)利要求7-10之一所述的方法，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)被如此地引入，使得其具有周期性布置的突起(5)。
12.如權(quán)利要求7-11之一所述的方法，其特征在于，所述層(1)的折射率位于所述外延層序列(6)的面對(duì)所述輻射耦合輸出面(7)的一側(cè)的材料的折射率和為所述薄膜發(fā)光二極管芯片(5)的外圍而設(shè)的介質(zhì)的折射率之間。
13.如權(quán)利要求7-12之一所述的方法，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)被如此引入，使得所述突起(5)在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面(7)的方向上的高度小于從所述外延層序列(6)發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)。
全文摘要
要求保護(hù)一種薄膜發(fā)光二極管芯片(5)，其具有一個(gè)被布置于載體元件(2)上的外延層序列(6)和一個(gè)被布置于該外延層序列(6)的朝向所述載體元件(2)的主面上的反射層(3)，其中所述外延層序列具有一個(gè)產(chǎn)生電磁輻射的有源區(qū)(8)，所述反射層將在所述外延層序列(6)中所產(chǎn)生的電磁輻射的至少一部分反射回到該外延層序列內(nèi)，其中，在所述外延層序列(6)的背離所述載體元件(2)的輻射耦合輸出面(7)上布置一個(gè)結(jié)構(gòu)化層(1)，該層包含有玻璃材料并具有一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有在離開(kāi)所述輻射耦合輸出面(7)的方向上縮小的并排突起(5)，該突起具有比從所述外延層序列(6)發(fā)出的電磁輻射的波長(zhǎng)要小的橫向光柵尺寸。該結(jié)構(gòu)化層(1)被優(yōu)選地作為旋涂玻璃被涂敷，并通過(guò)灰色調(diào)光刻術(shù)被結(jié)構(gòu)化。
文檔編號(hào)H01L33/40GK1846316SQ200480024845
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者J·鮑爾, B·哈恩, V·海勒 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體有限責(zé)任公司