發射輻射的薄膜半導體晶片和用於製造發射輻射的薄膜半導體晶片的方法

2023-11-01 02:19:47 3

專利名稱：發射輻射的薄膜半導體晶片和用於製造發射輻射的薄膜半導體晶片的方法
發射輻射的薄膜半導體晶片和用於製造發射輻射的薄膜半
導體晶片的方法在此提出了一種發射輻射的薄膜半導體晶片和一種用於製造發射輻射的薄膜半 導體晶片的方法。本專利申請要求申請號為10 2008 021 620. 8的德國專利申請的優先權，其公開 內容通過引用結合於此。在公開文獻WO 2005/055379中描述了一種發光半導體器件，其包含帶有ρ摻雜的 半導體層和η摻雜的半導體層的區域的半導體層序列，在P摻雜的半導體層和η摻雜的半 導體層之間構建有第一 ρη結。該ρη結在絕緣區段的橫向方向上劃分成發光區段和保護二 極管區段。在保護二極體區段的區域中在P摻雜的區域上施加有η摻雜的層，該η摻雜的 層與P摻雜的區域一起構建為用作保護二極體的第二 Pn結。在該半導體器件的情況下，於 是在保護二極體區段中需要兩個ρη結。此外，第一 ρη結在保護二極體區段中必須具有比 在發光區段中的第一 Pn結更大的面積。一個要解決的任務在於提出一種結構上簡單構建的薄膜半導體晶片，其具有不同 的功能區域。此外，要提出一種方法，由此可以以簡單的方式製造具有不同的功能區域的發 射輻射的薄膜半導體晶片 。這些任務通過根據權利要求1所述的薄膜半導體晶片或者通過根據權利要求10 所述的用於製造薄膜半導體晶片的方法來解決。薄膜半導體晶片或者用於製造薄膜半導體晶片的方法的有利的擴展方案和改進 方案是從屬權利要求的主題。根據一個優選的實施形式，發射輻射的薄膜半導體晶片包括帶有第一有源區的 第一區域；通過間隙與第一區域在橫向上分離的、帶有第二有源區的第二區域，第二有源區 平行於第一有源區地在不同的平面中延伸；以及補償層，其在第二區域中處於第一有源區 的高度，其中補償層不包含半導體材料。橫向在此表示與有源區在其中延伸的平面平行走向的方向。藉助補償層可以以合適方式調節在第二區域的上側和第一區域的上側之間的高 度差。尤其是，可以補償高度差。對此不需要半導體層的成本高昂的生長。更確切地說，補 償層可以通過使用與半導體材料不同的材料例如被氣相澱積或者濺射。優選地，第二有源 區和補償層直接彼此鄰接。兩個橫向分離的區域可以有利地在其技術功能上彼此不同，使得可以有利地提高 在器件中的集成密度(在更少的面積上有更多的功能)，因為與傳統的為了不同的功能而 具有多個晶片的器件相比，在此可以使用唯一的晶片用於多種功能。根據一個優選的實施形式，補償層的厚度對應於第一有源區的厚度。通過補償層， 在薄膜半導體晶片的第一側上的兩個區域位於相同的水平上。這具有如下優點兩個區域 可以以簡單的方式設置在共同的平坦的支承體上。在發射輻射的薄膜半導體晶片的一個有利的變形方案中，第一區域是產生輻射的 區域，其中第一有源區設置用於產生第一波長的輻射。優選地，第一波長在可見光譜範圍內。有源區具有pn結，其在最簡單的情況下由ρ導電的和η導電的半導體層形成，它 們直接彼此鄰接。優選地，在P導電的和η導電的半導體層之間構建有實際產生輻射的 層，例如以摻雜的或未摻雜的量子層的形式構建。量子層可以構建為單量子阱結構(SQW， Single Quantum Well)或多量子阱結構(MQW，Multiple Quantum Well)或者作為量子線 或者量子點結構。
此外，第二區域也可以是產生輻射的區域，其中第二有源區可以設置用於產生第 二波長的輻射。優選地，第二波長也在可見光譜內。有利地，當兩個區域同時被驅動時，可以通過帶有兩個產生不同顏色輻射的區域 的薄膜半導體晶片來按照不同顏色地照亮一個面。在此出現的色彩對比例如可以用於顯示 符號。可替選地，這些區域可以相繼地被驅動，使得在驅動第一區域時發射第一發光顏 色，而在驅動第二區域時發射第二發光顏色。這種半導體晶片例如可以使用在車輛的內部 空間中的閃光顯示裝置中，使得在操作閃光時發射第一發光顏色而在操作告警閃光設備時 發射第二發光顏色。根據另一實施形式，第二區域可以是用於保護第一區域免受過電壓或不允許的電 壓影響的保護區域。尤其是，第二有源區可以具有Pn結，在該pn結中ρ導電的和η導電的 半導體層的順序相對於在第一有源區中的順序交換。另一變形方案設計的是，將第二區域構建為接收輻射的區域，用於檢測輻射。由 此，可能監控第一區域的輻射功率並且必要時相應地進行調節。設置在第一有源區的高度上的補償層優選地包含導電材料，使得第二有源區可借 助補償層電接觸。尤其是，補償層可以包含金屬或TCO(transparent conductive oxide透明導電 氧化物)。TCO是一種透明的導電材料，尤其是金屬氧化物譬如氧化錫、氧化鋅、氧化鎘、氧 化鈦、氧化銦或者氧化銦錫(ITO)。除了二元金屬氧化物譬如ZnO、SnO2或者In2O3之外，三 元金屬氧化物譬如 Zn2Sn04、CdSnO3> ZnSnO3> Mgln204、Galn03、Zn2In2O5 或 In4Sn3O12 或者不同 的透明導電氧化物的混合物也屬於TCO族。此外，TCO並不一定對應於化學計量學上的組分並且也可以ρ摻雜或者η摻雜。設置在第一有源區的高度上的補償層可以通過接觸層與第一有源區連接，使得兩 個區域可以在薄膜半導體晶片的一側上共同地被電接觸。第二區域可以在第二有源區的朝著補償層的側上具有刻蝕停止層。刻蝕停止層在 對第二有源區結構化時防止第一有源區受損害。有利地，刻蝕停止層導電地構建，使得其在 結構化之後不必被去除，而是可以保留在完成的半導體晶片中。兩個區域之間的間隙可以設置有介電材料，使得第一有源區與第二有源區電絕 緣。因此，可以防止兩個有源區之間的故障電流。合適的介電材料例如是氮化矽、氮氧化矽 和氧化矽。在用於製造發射輻射的薄膜半導體晶片的方法的一個優選的變形方案中，首先在 生長襯底上生長第二有源區。隨後，第一有源區生長在第二有源區上。隨後去除在第二區 域中的第一有源區並且剝離生長襯底。最後，去除在第一區域中的第二有源區，使得兩個區域通過間隙橫向彼此分離於是不需要單獨執行的生長工藝來製造兩個有源區。兩個有源區可以在一個共同 的生長工藝中相疊地生長並且接著被結構化使得形成分別帶有有源區的兩個分離的功能 區域。優選地，通過刻蝕選擇性地去除在第一區域中的兩個有源區。相應地，可以通過刻 蝕選擇性地去除在第二區域中的第一有源區。在此，有利的是在第一有源區和第二有源區 之間設置有刻蝕停止層，刻蝕掉在第二區域中的第一有源區和在第一區域中的第二有源區 直至刻蝕停止層。由此，可以防止刻蝕過程繼續直到不應該被刻蝕的層中。在該方法的一個優選的變形方案中，在去除第二區域中的第一有源區之後在第二 有源區上設置有補償層。如在上面已闡述的那樣，藉助補償層可以以合適方式調節第二區 域的上側和第一區域的上側之間的高度差。尤其是可以補償高度差。有利地，在剝離生長襯底之前在薄膜半導體晶片的與生長襯底對置的側上設置有 支承體。由此在有缺陷的生長襯底情況下可以使第一區域和第二區域穩定。在下面參照

圖1至6更為詳細地闡述了薄膜半導體晶片的不同的有利的變形方案 和用於製造薄膜半導體晶片的方法。其中圖IA至IF示出了用於製造薄膜半導體晶片的方法的第一變形方案的不同的方法 步驟的示意圖，圖2A至21示出了用於製造薄膜半導體晶片的方法的第二變形方案的不同的方法 步驟的示意圖，圖3至6示出了薄膜半導體晶片的不同的實施例的示意性俯視圖。相同的或者作用相同的元件在附圖中設置有相同的附圖標記。圖IA示出了用於製造發射輻射的薄膜半導體晶片的方法的一個優選的變形方案 的第一方法步驟。在生長襯底3上外延地生長有第二有源區2。第二有源區2具有pn結，其在最簡 單的情況下通過彼此鄰接的P導電的和η導電的半導體層形成。第一有源區1外延地生長 到第二有源區2上，第一有源區如第二有源區2那樣具有pn結，該pn結在最簡單的情況下 通過彼此鄰接的P導電的和η導電的半導體層形成。優選地，第一有源區1和第二有源區2由基於磷化物化合物半導體的材料製造， 這在本上下文中表示有源區1和2優選包括AlnGamIni_n_mP，其中0彡η彡1，0彡m彡1 且n+m<l。在此，該材料不必一定具有根據上式的在數學上精確的組分。更確切地說，其 可以具有一種或者多種摻雜材料以及附加的組成部分，它們基本上並不改變材料的物理特 性。然而，出於簡單的原因，上式僅僅包含晶格的主要組成部分(Al，Ga，In，P)，即使這些組 成部分可以部分地通過少量其他材料代替。特別優選地，第一有源區1和第二有源區2包 含 InGaAlP。在使用基於磷化物化合物半導體的材料用於兩個有源區1和2時，可以為生長襯 底3有利地使用基於砷化物化合物半導體的材料如GaAs。在另一方法步驟中，第一有源區1被結構化。尤其是，去除在第二區域II中的第 一有源區1，使得僅僅第一區域I具有第一有源區1 (圖1B)。例如，可以刻蝕掉在第二區域II中的第一有源區1。在此，有利地在第一有源區1和第二有源區2之間設置有刻蝕停止 層4，該刻蝕停止層防止在刻蝕第一有源區1時一同刻蝕第二有源區2。在使用基於磷化物 化合物半導體的材料用於兩個有源區1和2時，基於砷化物化合物半導體的材料如AlGaAs 適於刻蝕停止層4。通過去除第二區域II中的第一有源區1形成的暴露的面可以被補償層5覆蓋(圖 1C)。補償層5在第二區域II中設置在第一有源區1的高度上。優選地，補償層5的厚度 對應於第一有源區1的厚度，使得第一區域I和第二區域II在與生長襯底3對置的側上處 於相同的水平。優選地，補償層5是導電的，使得第二有源區2可以藉助補償層5電接觸。補償層 5可以包含金屬如Au或Al或者金屬合金如AuZn或AuSn。例如，補償層5可以氣相澱積或 者濺射到第二有源區2上。為了也可以將第二有源區2結構化，由生長襯底3、第二有源區2、結構化的第一有 源區1和補償層5構成的複合結構在與生長襯底3對置的側設置在支承體7上，並且去除 生長襯底3(圖1D)。複合結構可以藉助接觸層6接合到支承體7上。接觸層6例如可以包含金屬合金 如Au Zn，其不僅適於接合，而且也具有在反射率和導電性方面有利的特性。圖IE示出了接下來的方法步驟，其中第二有源區2被結構化。尤其是，去除在第 一區域I中的第二有源區2，使得僅僅第二區域II還具有第二有源區。第二有源區2優選 在第一區域I中被刻蝕掉。刻蝕停止層4在此可以防止一同刻蝕第一有源區1。有利的是，將導電材料用於刻蝕停止層4，使得刻蝕停止層4可以保留在完成的薄 膜半導體晶片10中(圖1F)。最後，接觸金屬化物9施加到第一有源區1而接觸金屬化物 8施加到第二有源區2，由此第一區域I和第二區域II可以在與支承體7對置的側上彼此 獨立地電接觸。兩個區域I和II通過間隙11橫向地彼此分離，使得可以防止在兩個區域I和II 之間的故障電流。優選地，在如圖IA至IF中所描述的方法中可以通過使用薄膜技術(即剝離生長 襯底3並且將複合結構轉移到支承體7)來結構化兩個有源區1和2，使得最後存在帶有單 獨的有源區1和2的兩個單獨區域I和II。通過在圖IA至IF中所示的方法，可以製造如圖IF中所示的發射輻射的薄膜半導 體晶片10，其具有帶有第一有源區1的第一區域I ；通過間隙11與第一區域I橫向分離 的、帶有第二有源區2的第二區域II，該第二有源區平行於第一有源區1在不同的平面中延 伸；以及補償層5，其在第二區域II中位於第一有源區1的高度上，其中補償層5不含半導 體材料。兩個區域I和II尤其可以構建為使得有源區1和2發射在可見光譜內的不同波 長的輻射。薄膜半導體晶片10於是發射不同顏色的光，由此面可以被不同色彩照亮(也參 見圖3至5)。優選地，與支承體7對置的側是輻射耦合輸出側。此外，可能的是，第一區域I構建為發射輻射的區域而第二區域II構建為用於保 護第一區域I免受過電壓或者不允許的電壓影響的保護區域(也參見圖6)。在另一變形方案中，第一區域I是發射輻射的區域而第二區域II是用於檢測輻射的接收輻射的區域。在圖2A至21中示出了根據本申請的方法的另一變形方案。首先，第二有源區2生長到生長襯底3上，又將第一有源區1生長到第二有源區上 (圖 2A)。接著，在與生長襯底3對置的側上結構化第一有源區1。這可以如結合圖IB已經 描述的那樣來進行。在去除第二區域II中的第一有源區1之後(圖2B)，可以整面地將補償層5施加 在與生長襯底3對置的側上，使得在該側上不僅第一有源區1而且第二有源區2都被補償 層5覆蓋(圖2C)。優選地，補償層5包含TCO或者由TCO構成。例如，補償層5可以被濺射。補償層5可以在接下來的步驟中被結構化(圖2D)，使得在使用TCO的情況下在第 一有源區1和第二有源區2之間不存在電連接。補償層5可以在第一區域I中有利地用作 電流擴展層。同樣，在第二區域II中處於第一有源區1的高度上的補償層5可以用作 電流 擴展層。作為用於將第一區域I與第二區域II電絕緣的另外的措施，在第一區域I和第二 區域II之間的間隙11可以設置有介電材料12如氮化矽、氧化矽或氮氧化矽。此外，介電 材料12可以施加為使得補償層5在第一區域I中和在第二區域II中在側邊緣處被介電材 料(12)覆蓋(圖2E)。為了使圖2E中所示的複合結構轉移到支承體7上變得容易，在與生長襯底對置的 側上施加有變平坦的接觸層6。其可以同時用作焊接層用於將複合結構固定在支承體7上。 一旦複合結構固定在支承體7上，則生長襯底3可以被剝離(圖2F)。在被剝離的生長襯底3的側上，第二有源區2現在並不被覆蓋並且因此可以從原 始生長襯底3的側開始毫無問題進行結構化(圖2G)。第二有源區2和第一有源區1於是 在兩個彼此對置的側上被結構化。如在圖2H中所示，兩個有源區1和2也可以在與支承體7對置的側上在側邊緣處 嵌入到介電材料12中，使得有源區在側面上以及部分地在與支承體7對置的主面13上被 介電材料12覆蓋。最後，電流擴展層14可以施加到兩個有源區1和2的未被覆蓋的主面13上，電流 擴展層負責使電流均勻地分布在兩個有源區1和2上。優選地，兩個電流擴展層14包含TCO 或由TCO構成。藉助接觸金屬化部8和9，兩個電流擴展層14並且由此兩個有源區1和2 可以分別在與支承體對置的側被電接觸(圖21)。整個電接觸部在支承體側上通過接觸層 6構建。通過根據圖2A至21的方法製造的發射輻射的薄膜半導體晶片10因此包括帶有 第一有源區1的第一區域I ；通過間隙11與第一區域I橫向上分離的第二區域II，其帶有 第二有源區2，該第二有源區平行於第一有源區1地在不同的平面中延伸；以及補償層5，該 補償層在第二區域II中處於第一有源區1的高度，其中補償層5不包含半導體材料。區域I和II是不同的功能區域並且可以具有結合圖IF所闡述的特性。此外，結 合圖IA至IF所提及的材料也可以使用在根據圖2A至21的方法中。應指出的是發射輻射的薄膜半導體晶片在此也可以具有多於兩個的區域或者具有多於兩個有源區。於是相應地，相繼生長和結構化多個有源區，使得每個區域具有一個有 源區，該有源區與另外的有源區分離。有利地，每兩個相繼的有源區從兩個不同的側被結構 化。圖3在俯視圖中示出了薄膜半導體晶片10的一個有利的實施形式，該薄膜半導體 晶片優選根據前面所描述的方法之一來製造。薄膜半導體晶片10具有第一區域I和第二區 域II，它們通過間隙11在橫向上彼此分離。第一區域I尤其是設計用於發射在可見光譜內 的第一波長的輻射，而第二區域II可以設計為發射在可見光譜範圍內的第二波長的輻射。 這樣， 通過兩個區域I和II在薄膜半導體晶片10的工作中產生兩個不同的發光面。發光 面可以通過設置在半導體晶片10之後的光學裝置以合適的方式成像。這種薄膜半導體芯 片10例如可以用作車輛內部空間中的閃光顯示裝置。圖4和5示出了薄膜半導體晶片10的另外的有利實施形式，該薄膜半導體晶片可 以根據前面所述的方法之一來製造。在該實施形式中，第一區域I作為圓形的面(圖4)或 者箭頭(圖5)形狀的符號構建。通過在第一區域I和第二區域II之間的色彩對比，在相 應的成像時該符號對於觀察者可見地顯現並且例如可以用作建築物中的導向輔助。在圖6中所示的發射輻射的薄膜半導體晶片10中，第一區域I是產生輻射的區域 而第二區域II是保護區域。兩個區域I和II不具有單獨的接觸金屬化物，而是可以藉助 在與支承體對置的側上的、將兩個區域I和II電連接的接觸結構15來共同地電接觸。由 於優選接觸層(未示出)將支承體側上的兩個區域I和II電連接，所以兩個區域I和II 並聯連接。本發明並未由於參照實施例的描述而局限於此。更確切地說，本發明包括任何新 的特徵以及特徵的任意組合，尤其是包含在權利要求中的特徵的任意組合，即使該特徵或 者組合本身並未明確地在權利要求或者實施例中予以說明。
權利要求
一種發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，具有 帶有第一有源區(1)的第一區域(I)， 通過間隙(11)與第一區域(I)橫向上分離的第二區域(II)，該第二區域帶有第二有源區(2)，該第二有源區平行於第一有源區(1)地在不同的平面中延伸，以及 補償層(5)，該補償層在第二區域(II)中處於第一有源區(1)的高度，其中補償層(5)不包含半導體材料。
2.根據權利要求1所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中第一區域(I)是產生輻射的區域，並且第一有源區(1)設計用於產生第一波長的輻射。
3.根據權利要求2所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中第二區域(II)是產生輻射的區域，並且第二有源區(2)設計用於產生第二波長的輻射。
4.根據權利要求2所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中第二區域(II)是保護區域，用於保護第一區域(I)免受過電壓或者不允許的電壓影響。
5.根據權利要求2所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中 第二區域(II)是接收輻射的區域，用於檢測輻射。
6.根據上述權利要求之一所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中補償層(5)包 含金屬或者TC0。
7.根據上述權利要求之一所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中補償層(5)的 厚度對應於第一有源區(1)的厚度。
8.根據上述權利要求之一所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中第二區域 (II)在第二有源區(2)的朝著補償層(5)的側上具有刻蝕停止層(4)。
9.根據上述權利要求之一所述的發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，其中間隙(11)設 置有介電材料(12)，使得第一有源區(1)與第二有源區(2)電絕緣。
10.一種用於製造發射輻射的薄膜半導體晶片(10)的方法，具有如下步驟 -在生長襯底(3)上生長第二有源區(2)，-在第二有源區(2)上生長第一有源區(1)， -去除在第二區域(II)中的第一有源區(1)， -剝離生長襯底(3)，-去除在第一區域⑴中的第二有源區(2)，使得兩個區域(I，II)通過間隙(11)在橫 向上彼此分離。
11.根據權利要求10所述的方法，其中通過刻蝕去除第一有源區和第二有源區(1，2)。
12.根據權利要求11所述的方法，其中在第一有源區和第二有源區(1，2)之間設置刻 蝕停止層(4)，將第二區域(II)中的第一有源區(1)和第一區域(I)中的第二有源區(2) 刻蝕直至刻蝕停止層。
13.根據權利要求10至12之一所述的方法，其中在去除第二區域(II)中的第一有源 區(1)之後將補償層(5)設置在第二有源區(2)上。
14.根據權利要求10至13之一所述的方法，其中在剝離生長襯底(3)之前在薄膜半導 體晶片(10)的與生長襯底(3)對置的側上設置支承體(7)。
全文摘要
在此描述了一種發射輻射的薄膜半導體晶片(10)，具有帶有第一有源區(1)的第一區域(I)；通過間隙(11)與第一區域(II)橫向上分離的第二區域，該第二區域帶有第二有源區(2)，該第二有源區平行於第一有源區地在不同的平面中延伸；以及補償層(5)，該補償層在第二區域中處於第一有源區(1)的高度，其中補償層(5)不包含半導體材料。
文檔編號H01L33/08GK101971373SQ200980109061
公開日2011年2月9日 申請日期2009年4月9日 優先權日2008年4月30日
發明者拉爾夫·維爾特 申請人:歐司朗光電半導體有限公司