TW516246B - Semiconductor-chip for optoelectronics and its production method - Google Patents

Description

516246 五、發明説明（1 ) 本發明涉及一種光電元件用之半導體晶片，特別是可發 出輻射之半導體晶片，其包含： -一種活性薄層，特別是以In1_x_yAlxGayP(其中0‘χSl， OSy^l且x + y^l)爲主，其中形成一種可發出光子之區 域， -一種用於此薄層之載體基板，其配置在薄層之與晶片之 輻射方向遠離之此側上且與薄層相連接。 此外，本發明亦涉及同時製造多個此種半導體晶片之方 法。 載體基板是半導體晶片之一部份且是一種機械支件，即 ，其是一種支撐薄層所用之元件，此薄層在面對此載體基 板之此側上不具有自我承載用之層。 以 Im-x.yAlxGayP(其中 OSxSl，OSySl 且 x + ygl)爲 主之薄層表示：此薄層具有很多層，其由此系統 InnyAlxGayP(其中 OSxSl，OSySl 且 χ + ygl)中已摻 雜或未摻雜之材料所製成。 此種形式之半導體晶片由US500871 8及US5367580中已 爲人所知。爲了製成此種習知型式之半導體晶片，通常藉 由磊晶方法在基板上施加一種活性之半導體層序列。在此 種層序列之上側上固定一種載體基板。另一基板（其上已沈 積該晶片層序列）之至少一部份須去除。有利之方式是在載 體基板及活性之半導體層序列之間形成一種金屬反射層， 使光不會被載體基板所吸收。 習知之半導體晶片之缺點是：此種配置在載體基板及活 516246 五、發明説明（2 ) 性之半導體層序列之間之金屬反射層在短波長時具有不能 令人滿意之反射性。特別是波長小於600nm時，作爲金屬 反射層用之金通常是無效的，因爲反射性已大大地下降。 波長小於600nm時，例如可使用A1及Ag，其反射性在波 長小於600nm時可保持定値。 此外，大面積（例如，金屬反射層）之連結會使困難度增 大。由於金屬接觸之連結及合金化而會使金屬反射層之品 質大大地受到影響。 由DE19807758 A1中已知一種平截頭棱錐體形式之半導 體晶片，其在上視窗層及下視窗層之間具有發光之活性 區。上視窗層及下視窗層一起形成平截頭棱錐體形成之基 體。視窗層之側壁傾斜地對準時可使活性層所發出之光在 側面上全反射且幾乎成直角地入射至平截頭棱錐體形式之 基體之作爲發光面之基面上。由活性區所發出之光之一部 份在半導體元件之出口錐體中入射至表面。 出口錐體是一種由光束所形成之錐體，其在射出面上之 入射角小於全反射所需之臨界（critical)角且未全反射之直 接而來之光由半導體材料中耦合而出。出口錐體之開口角 因此是全反射時之臨界角之二倍。這些光束（其在出口錐 體外部傳送，即，以大於全反射所需臨界角之一種角度入 射至射出面）因此被全反射。 爲了使光效益大大地提高，則先決定條件是上-及下視窗 層須有一種最小厚度。在習知之平截頭棱錐體形式之半導 體元件中，上-及下視窗層視窗層之厚度至少是50· 8// m -4- 516246 五、發明説明（3 ) (2 Millizoll)。此種層厚度仍在可製造之範圍中。但若習 知之半導體晶片之功率須提高，則須調整總體之尺寸。因 此使層厚度快速增加，其只能以磊晶方式高耗費地來製成 。此種習知之半導體晶片於是只能以較高之技術上之耗費 來調整。 由先前技藝開始，本發明之目的是提供一種以薄層技術 製成之半導體晶片，其具有較佳之光射出性；本發明亦提 供其製造方法。 本發明中此目的以申請專利範圍第1項之半導體晶片及 第2 7項之方法來達成。 較佳之實施形式及方法描述在申請專利範圍各附屬項 中。 在特別優良之半導體晶片之實施形式中，空腔之橫切面 由外向內（β卩，由載體基板之邊界至薄層之內部）變小且空 腔之深度較薄層之厚度之一半還大。 空腔及由其所製成之許多平台可有利地使薄層在其至載 體基板之連接側上具有壓接面，其相對於晶片之總橫切面 而言是很小的。這樣所具有之優點是：在此種較小之壓接 面之區域中可產生較大之局部壓力，這對載體基板及薄層 之可靠連接是需要的，但薄層上之壓力同時可保持足夠小 ，以便在與載體基板相連時儘可能使薄層不受損害。 另一方面，可使用之連接面由於空腔而變大，這同樣可 改良載體基板及薄層之間之連接。此外，空腔可用來容納 過剩之黏劑或焊料，這樣可有利地使劑量少於危險値。 516246 五、發明説明（4 ) 此外，側面可有利地由空腔來形成，由活性區所發出之 輻射之一部份在側面上轉向，使其在出口錐體中入射至活 性薄層之遠離此載體基板之射出面上。相較於先前技藝， 本發明之半導體晶片中在平台之側面上之反射之至少一部 份會入射至平坦之連續反射層上之反射位置。 因此，有利的方式是：側面儘可能深地伸入薄層中，由 活性層所發出之輻射之儘可能多之成份（其未直接入射至該 射出面且由該處射出）須被反射（可能很多次），即，須轉向 ，使其以一種角度（其位於出口錐體內部）入射至射出面。 硏究結果已顯示：若空腔之深度較薄層之厚度之一半還 大，則射出效率可大大地提高。 在本發明之實施形式中，空腔之深度須使活性薄層之活 性區被此種深度所切割。 已顯示之事實是：此種半導體晶片（其活性區由一種施加 在該固定側之活性薄層中之空腔所中斷）具有特別高之光效 益。在此種情況下，不只發射至固定側之這些光子而且發 射至活性薄層之射出面之這些光子之至少一部份會由於在 平台之側面上之反射而以一種角度（其位於出口錐體內部） 轉向至射出面。 在本發明之較佳實施形式中，藉由空腔使平台形成在活 性薄層之覆蓋層上。 這些平台用作準直器（collimator)，其使活性區所發出 之光子之軌跡幾乎成直角地對準半導體晶片之射出面。所 發出之光子之大部份是在出口錐體中入射至射出面而可離 -6- 516246 五、發明説明（5 ) 開此半導體晶片。 在其它較佳之實施形式中，須形成該覆蓋層，使活性區 所發出之光子之至少一條軌跡可由各別平台傳送至相鄰之 平台之一。 藉由平台之光學耦合，則這些光子（其在原來平台之側面 之一上未反射）可到達相鄰平台之一之中且在該處各別平台 之側面上反射，使其在出口錐體中入射至射出面上。 在本發明之有利形式中，這些平台可設有凹入之側面。 藉由上述方式，則這些輻射（其首先反射至射出面）利用 一種平台之側面上每一另一次反射而逐漸陡峭地傳送至射 出面，使這些輻射最後在出口錐體中入射至射出面上。 在較佳之實施形式中，各平台以反射層覆蓋。 藉由上述方式，則入射至平台側面上之全部光束轉向至 半導體晶片之射出側之方向中。 其它有利之形式描述在申請專利範圍各附層項中。 本發明以下將依據圖式來詳述。 圖式簡單說明： 第1圖本發明半導體晶片之橫切面。 第2圖本發明半導體晶片另一實施例之橫切面，其中 活性區配置在平截頭棱錐體形式之平台內部。

516246 五、發明説明（6 ) 第3圖 本發明半導體晶片之橫切面，其設有平台，平 台具有凹入之側面。 第4圖本發明之半導體晶片相對於傳統半導體晶片之 光效益提高之圖解。 第5圖平台之橫切面，其由平坦之下截頭錐體及陡峭 之上錐體截頭所組成。 第6a至6d圖平台之不同之橫切面，及射出效率與第5 圖之平台之下錐體截頭及上錐體截頭之間界面之半徑之關 係圖。 第7圖射出效率與配置在第5圖之平台尖端上之接觸 層之反射率之關係。 第8圖射出效率與第5圖之平台之側面之反射率之關 係。 第9圖射出效率與活性區中發射區之大小之關係。 第l〇a至10d圖平台之不同之橫切面，其中活性區之 高度可變化，及射出效率與邊界層之厚度之關係。 第11圖射出效率與平台（其具有第10b圖所示之橫切 面）之側面之側面角之關係。 第12圖射出效率與平台（其具有第10b圖之橫切面）之 側面角之關係。 第1 3圖射出效率與活性薄層之寬度（其與高度相同）之 關係。 第14圖在不同形式之平台時射出效率與覆蓋（其用來 連接此平台）之厚度之關係。 發明説明（7 ) 第1 5圖本發明半導體晶片之另一實施例之橫切面。 第1 6圖本發明半導體晶片之另一實施例之橫切面。 第17a與17e圖本發明製造許多半導體晶片所用第一 方法之圖解。 第18a至18e圖本發明製造許多半導體晶片所用第二 方法之圖解。 第19a至19e圖本發明製造許多半導體晶片所用第三 方法之圖解。 第20圖本發明半導體晶片之相片圖。 第21圖空腔產生之後薄層之表面之斜視圖之相片。 第22圖第2 1圖之相片之部份放大圖。 相同或同作用之組件在各圖中以相同之參考符號表示。 第1圖中所示之發光二極體用之半導體晶片具有一個載 體基板1，其上施加活性薄層2。爲了淸楚之故，第1圖中 活性薄層2之厚度較載體基板1之厚度更跨大地示出。活 性薄層2具有多個發射光子之活性區3，活性區3分別形成 在平台4中之中央高度上。平台4可以是平截頭棱錐體形 式或截頭錐體形式。半導體晶片是一種發光二極體。 平台4配置在覆蓋層5上，覆蓋層在平坦之前側6上具 有一種位於中央之接觸區7,其由金屬層所形成。由空腔8 所形成之背面之平台4以反射層覆蓋，反射層由介電質隔離 層9及其上之金屬層1〇所構成。隔離層9沿著平台4之基 516246 五、發明説明（8 ) 面11由穿孔1 2所中斷。穿孔1 2由金屬區段所形成。 隔離層9之折射率小於薄層2之相鄰之半導體層之折射 率。隔離層9亦作爲金屬層1 〇之擴散位障。亦可使用導電 層以取代隔離層9。具有決定性者是此種層之光學特性。 爲了製成第1圖之半導體晶片，首先在生長基板上以磊 晶方式生長活性薄層2，此種活性薄層2以InGaAlP爲主而 製成。於是在生長基板上形成該覆蓋層5且然後以大於 1018cnT3之濃度來摻雜，以確保此覆蓋層5有良好之導電 性，此種良好之導電性是下述事實之前提，即：在發光二 極體晶片之前側6上位於中央之接觸區7足以提供電流至 多個平台4之活性區3中。此外，此選取此覆蓋層5之成 份，使其對活性區中所產生之光子而言是透明的。這可藉 由覆蓋層5之材料成份之能帶間隙之調整來達成。 然後在覆蓋層5上施加另一層，此層中以適當之濕式-或乾 式化學蝕刻方法來形成平台4。這些蝕刻方法已爲人所知而 不再詳述。平台4只形成在這些設有半導體晶片之區域且 該處又只設在這些區域（其中可發出光束，即，不是在薄層 2之上側上之接觸層7，43及49下方）中。這些設有半導體 晶片之區域之典型之橫向外部尺寸是400x400 // m2。平台 4之外部尺寸是在活性薄層2之層厚度之範圍中，因此是在 100 μ m之範圍中。 在下一步驟中，沈積該隔離層9於平台4上且形成多個 穿孔1 2。然後施加金屬層1 0。 接著依據預定數目之半導體晶片使活性薄層被分割。這 -10- 516246 五、發明説明（9 ) 例如以濕式蝕刻方法來進行。 然後，例如藉由電性連結使已分割之活性薄層2固定在 載體基板1上且以濕式蝕刻使生長基板被去除。在活性薄 層2之已裸露之前側上形成該接觸區7且半導體晶片藉由 載體基板1之分割而各別化。 第1圖所示之半導體晶片之優點是：由活性區3所產生 之光子未入射至半導體晶片之各元件（其可吸收光子）上。藉 由金屬層10使光子與載體基板1保持較遠之距離。載體基 板之電性及/或熱傳導性及/或熱膨脹因此可良好地被最 佳化。 其它優點是：在第1圖之半導體晶片中由活性區3所發 出之光子之大部份都在平台4之側面1 3上全反射。在側面 1 3上全反射之光子以一種較大之角度入射至前側6。一部 份光子（其在側面1 3上未反射而在前側上全反射）特別是在 出口錐體內部中入射至前側6而由半導體晶片離開。在第1 圖之半導體晶片中，由先前技藝中已爲人所知之連續基面 上之反射至少一部份是由側面1 3上之全反射所取代。相對 於傳統之未具有空腔8之半導體晶片而言，第1圖之半導 體晶片具有一種幾乎提高二倍之光效益。 上述之此種效應以下將依據第2，3圖所示之另一實施例 來說明。 考慮一列光束，光束之槪念此處不限於一種指定之波長 ，而是作爲幾何光學系統之方法之參考，這與波長無關。 在第2圖所示之實施例中，平台4以平截頭棱錐體之形 -11- 516246 五、發明説明（1()) 式來構成且只在平台4之基面11上經由接觸層14而固定 至載體基板1。可經由接觸層1 4而供應電流至活性區3。 由於半導體之折射率（3.5)與澆注樹脂之折射率（_1.5)有 很大之差異，則在半導體與澆注樹脂之間之界面上光束只 由半導體發出，這些光束在出口錐體中以大約16°之開口 角入射至界面。在光束以各角度均勻分佈之方式入射時， 這對應於單位面積上所入射之光束之2%。 藉由平台4，則由活性區3所發出之光束轉向至前側6之 方向中。平台4使入射至側面1 3上之光束轉向至前側6之 方向中且在出口錐體內部中入射至該處，使光束可離開此 半導體晶片。光效益可藉由適當選取基面Π之大小，側面 1 3之傾斜角，平台4之高度及活性區3之位置而達到最佳 化。 第2圖中顯示光束15,其首先在側面13上全反射且由該 處轉向至前側6。在前側6上此光束1 5在出口錐體內部中 入射至界面而離開半導體晶片。在側面1 3上若未發生全反 射，則光束1 5在前側6上被全反射而轉向回到先前技藝中 已知之反射層之一，此處該光束重新反射。在第2圖所示 之實施例中，傳統之連續式反射層上之反射就此而言可由 側面1 3上之反射所取代。 這亦適用於光束16，其首先在基面11上反射，然後在側 面1 3上反射。光束1 6在第二次反射後轉向至前側6，該處 此光束1 6在出口錐體中入射。若在側面1 3上未反射，貝[J 光束1 6同樣在前側6上發生全反射而轉向回到背面之反射 -12- 516246 五、發明説明（11 ) 層。 上述方式之優點是：平台4經由覆蓋層5而在光學上進 行耦合。此種光學耦合之意義是：由活性薄層2所發出之 光束中至少一光束可經由中線1 7由平台4之一之區域到達 相鄰平台4之一之區域中。藉助於覆蓋層5所達成之光學 耦合，則光束18(其末入射至各別平台4之側面13之一）可 入射至相鄰平台4之一之側面之一且在該處轉向至前側6， 此處該光束入射至出口錐體內部中。藉由覆蓋層5所達成 之光學耦合，則可進一步提高光效益。 第3圖是半導體晶片另一實施例之橫切面，其中各平台4 是一種平截頭棱錐體之形式，其具有凹入之側面1 3。側面 1 3之此種形式使一種在前側6和側面1 3之間來回反射之光 束1 8在接近中線1 7時逐漸偏向前側，直至此光束在出口 錐體內部中入射至前側6爲止。同樣情況適用於光束1 9， 其首先經由覆蓋層5由平台4之一到達相鄰之平台4且在 該處以較大之角度到達前側6。 第4圖是一種測量曲線20，其是以薄層技術製成之傳統 發光二極體在脈波操作時之光效益（以相對單位表示）對操作 電流之關係圖。另一測量曲線2 1說明光效益對第3圖之實 施例中之發光二極體之操作電流之關係圖。由第4圖可 知：第3圖之發光二極體之光效益大約是傳統式無空腔8 之半導體晶片者之二倍。 爲了測得平台4之最有利之形式，須進行一系列之硏 究，硏究結果以下將依據第5至14圖來詳述。 -13- 516246 五、發明説明（12 ) 首先依據第5圖來說明硏究時改變之參數。第5圖是平 台4之橫切面。平台4由下錐體截頭22及上錐體截頭23 所組成。下錐體截頭22以基面24鄰接於覆蓋層5_。在上錐 體截頭2 3中形成活性區3。此外，第5圖中設置一種配置 在平台3之基面11上之接觸區25。 ， 平台4之側面13由下錐體截頭22之側面26及上錐體截 頭23之側面27所組成。須選取沿著共同界面28之幾何大 小，使側面26直接轉換成側面27。 以下將參考此平台4之不同之尺寸。下錐體截頭22之基 面24之半徑以rn表示，界面28之半徑以rt表示，基面11 之半徑以rp表示。此外，平台4可劃分成基面24與活性區 3之間之下邊界層29及劃分成活性區3與基面11之間之上 邊界層30。下邊界層29之高度是hu且上邊界層30之高度 是h。。平台4之總高度以Η表示，其在所有之硏究中均設 爲6//m。覆蓋層5之厚度hw在所有硏究中（其中此厚度hw 未改變）均選擇爲2/zm。 第6a至6d圖中顯示計算後之結果，其中基面11之半徑 rp等於5// m且基面24之半徑rn等於20// m。界面28之半 徑rt依據第6a至6c圖所示之橫切面是在6/z m和18// m 之間變化。 在這些硏究中活性區3是一種折射率3.2之區域。下邊 界層29,上邊界層30及覆蓋層5之折射率是3.3。只要未 改變，則所使用之接觸區25之反射率是0.3。未由接觸區25 -14- 516246 五、發明説明（13) 所覆蓋之基面1 1之反射率及側面2 6，2 7之反射率都設爲 0.8。反射率是指此種與能量有關之反射係數。 此外，由吸收係數l〇,〇〇〇/cm來考慮活性區3之自我吸 收性。所有硏究都以光子再循環（recycling)方式來進行。因 此假設內部量子效率是0.8。電荷載體重組（recombination) 而產生光子時之量子效率不必考慮。圖中所示之射出效率 7；等於由半導體晶片所發出之光子數相對於實際上所產生 之光子數之比。所示之射出效率7?之値因此須乘以0.8以 成爲外部效率。 另外假設：接觸區25上及側面26，27上之反射是與角 度無關的。在這些硏究中情況是：首先，介電質隔離層9 施加在平台4上且藉由可反射之金屬層10而擴大，在這些 硏究中已低估了金屬層1 0之作用，這是因爲此情況中所產 生之全反射未被考慮。 第6C圖涉及射出效率7?在曲線3 1中相對於半徑h之關 係。爲了比較，亦顯示一般之薄膜-半導體晶片之射出效 率，其中雜散只藉由光子再循環來促成。此種邊長300 // m 之薄膜半導體晶片所具有之磊晶結構是和下錐體截頭22及 上錐體截頭23中之平台4者相同。假設：半導體晶片之P 側設有一種鏡面，其反射率是0.72。此種値是反射層及接 觸層之反射率以佔有率來加權（weighted)之平均値，其中反 射層之反射率是0.8且反射層之佔有率是0.85，接觸層之 反射率是0.3，佔有率是0.15。 由第6圖可知：依第6a圖所示之橫切面在上錐體截頭23 -15- 516246 五、發明説明（14 ) 之仰角很大時，射出效率π較傳統之薄膜發光二極體之射 出效率（其射出效率在第6d圖中以直線32來表示）幾乎沒有 改善。這是可理解的，因爲第6a圖所示之平台4 (其具有平 坦式橫切面外型）幾乎不會以對發光面6成陡峭之角度來引 導這些由活性區3所發出之光束。但第6 C圖之橫切面所示 之平台4可準確地達成，此乃由在此種情況下此射出效率 7?幾乎是傳統薄層發光二極體者之二倍。 此外，亦硏究此射出效率7?對此接觸區25之反射率之關 係。因此，射出效率7?對應於接觸區25之反射率而被算出 ，其中平台4之橫切面是與第6b圖所示者相同。此外，假 設：接觸區25覆蓋整個基面11。由第7圖中可知：射出效 率7/與接觸區25之反射率關係不大。此處所述之半導體晶 片（其平台4位於固定側上）對該接觸25之已劣化之反射率 之敏感性較傳統薄膜發光二極體者小很多。此乃因此造成 射出現象之這些多次反射明顯地只在基面11及發光面6之 間之極小部份中進行，大部份是在平台4中以三維空間方 式進行。 接觸區25之反射率之相對獨立性是特別有利的，因爲事 實上一種介於接觸區25及上邊界層30之間之低歐姆電阻 通常會使反射率劣化。一種較佳之歐姆接觸區所需求之條 件是：原子由形成此接觸區25所用之層擴散至其下方之材 料中。 相對於接觸區25之反射率之相關性而言，射出效率77之 與基面11及側面26，27上之鏡面之反射率Rs之相關性是 很明顯的。這是計算所得之結果，其以半導體晶片用之模 型來進行，其平台之半徑是rp=5//m，rd=16//m及rn = -16- 516246 五、發明説明（15) 2 0 // m 〇 平台4之橫切面因此如第6b圖所示。 此種計算結果如第8圖之曲線33所示，其隨著反射率Rs 之增大而單調地上升。第8圖所示之點34是一種半導體晶 片之計算結果，其上未施加鏡面層而是使此半導體晶片埋 入樹脂（作爲周圍之介質）中。此情況當然會發生全反射，因 此相對於一種具有鏡面層之半導體晶片而言可達到較佳之 射出效率。這在第1圖所示之實施例中假設：在金屬層1 〇 之間配置電性隔離層，其上在同樣情況時可發生全反射。 第9圖是計算之結果，其在具有平台4之半導體晶片上 進行，此平台4之半徑是：rp=5//m，rt=16//m及rn=20 # m。平台4因此具有第6b圖所示之橫切面。活性區3因 此位於基面24及基面1 1之間之中央高度處。在此種計算 中，此種區域（其中在活性區3中產生光子）在發光區上變 窄，發光區之直徑作爲橫軸。由第9圖可知：射出效率 在較小之發光區中特別高。即，光子在活性區3之中央特 別容易射出。只要輕微之Weierstrass效應存在即可。 此外，亦硏究活性區3之位置之影響。第1 0a至1 0c圖 顯示不同之橫切面，其中須改變下邊界層29之厚度hu及 上邊界層30之厚度hu，使平台之總高度Η保持定値。計算 之結果顯示在第1 〇d圖中，其中顯示此射出效率77對該下 邊界層29之厚度hu之關係。已顯示之情況是：射出效率 7/只與活性區3之位置稍有關係而已。活性區3(其在平台 4之下半部）是有利的，因爲流經活性區3之電流密度較 Λ1- 516246 五、發明説明（16 ) 小，因此該活性區3之電流負載保持較小，這樣可防止老 化及線性問題。 此外，亦硏究側面27之仰角p。及側面26之仰角p u之 影響。因此由橫切面開始，其中該下錐體截頭22及上錐 體截頭23之仰角^ "及p 〇是相等的。活性區3之半徑因 此固定1 〇 m且仰角p二¢) 〇 = P u可改變。於是考慮二種 情況。其一是週期性邊界條件時之射出效率77，此時立足 點之距離是10# m。此結果顯示在第11圖中之曲線35中 。此外，硏究一種非週期之情況。因此對具有各別平台4 之半導體晶片之射出效率7?進行計算，其中進入該覆蓋層5 中之所有光子都由覆蓋層5所吸收。非週期之情況在第11 圖中由曲線36所表示。由第11圖中可知：覆蓋層5對射 出效率7?提供一種明顯之貢獻。 就側面角P而言存在一種最佳化之區域。這在第12圖中 很明顯。在此種計算中此半徑rp等於1 0 // m。須改變活性 區3之半徑ra及基面24之半徑rn，使側面26，27之仰角 P覆蓋1.5°和8 5°之間之値區。由第12圖可知：仰角p 有一最佳之角範圍。側面角P應在5°和60°之間，較佳是 在10°和40°之間。射出效率7?特別良好之値是當仰角φ 介於15°及30°之間時。 然後硏究：改變平台4之寬度對射出效率7/之作用。在 此種情況下此平台4之高度Η保持定値且半徑rp，ra，rn 均勻地延伸。第1 3圖之曲線37說明了此種情況：接觸區 25之反射率等於0.3。另一曲線38之情況是：接觸區 25之反射率Rk是0.8。曲線37，38都是射出效率7?對活性 -18- 516246 五、發明説明（17 ) 區3之直徑2ra之關係。在接觸區25有較好的反射率時 ，則射出效率7?只隨活性區3之直徑增而下降一些。但曲 線3 7(其說明該接觸區25之已劣化之反射率Rk之已達成之 情況）顯示：射出效率7?隨著活性區3之直徑增加而大大地 下降。平台4之側面大小越小時，則射出效率77越好。 就射出效率77而言，覆蓋層5之厚度是重要的。第14圖 是射出效率在不同情況時對該覆蓋層5之厚度hw之關 係。曲線39是上述之週期情況之圖解。曲線40則屬非週 期之情況，曲線41之情況是：邊長300 // m之正方形半導 體晶片藉由連接層而互相連接。由第14圖可知：覆蓋層5 隨著所生長之層厚度而增大是有利的。特別有利的是：層 厚度hw小於平台4之高度（其在本情況中是6// m)時。因 此，空腔8之深度應大於活性薄層2之厚度之一半。 當然亦可由第14圖得知：許多單一之半導體晶片（其分 別具有平台4)可得出一種最佳情況，這是因爲射出效率7? 在厚度hw = 0時最大。但單一晶片之缺點是：其功率不可 任意放大，此乃因半導體晶片之尺寸必須以功率來調整。 但由於實際上之原因，磊晶層之厚度是有限的。其結果是 :單一半導體晶片不可在任意高之功率時讀出。但第1至4 圖所示之半導體晶片幾乎可任意調整，此乃因只有平台4 之數目須依據覆蓋層5之面積增大而增多，以提高半導體 晶片之光功率。 其它硏究涉及此種問題：活性區3是否亦可配置在覆蓋 層5中。因此須計算傳統薄膜發光二極體之射出效率且設 -19- 516246 五、發明説明（18 ) 爲1。在覆蓋層5中具有活性區3之半導體晶片相對於傳統 薄膜發光二極體而言所具有之射出效率是1.25。就第1至 4圖所示之半導體晶片而言，最後所得到之射出效库是 1.67。這表示：可使射出效率提高，若活性區3配置在覆 蓋層5中時。 第15圖是本發明薄膜發光二極體晶片之較佳之形式。薄 膜2由以Te作高摻雜之n-InGaAlP-層2a(濃度大於1017cnT 3，較佳大於1018cnT3，且厚度是4// m)及Mg-摻雜之P-GaP-層2b(厚度是3.5//m)所構成。 如第1圖所示，在薄膜2之固定側11上施加一種隔離層 9(其例如由Si3N4所構成）及一種金屬反射件接觸層。Si3N4 層（其與由活性區所發出之光之波長有關且較佳是具有三個 波長之厚度）除了其電性隔離作用外亦可改良金屬反射件之 反射作用。 隔離層9亦可以是一種由交替之氮化矽層及氧化矽層所 構成之層堆疊。 P側之至活性區3之供電藉由已合金化之AuZn接觸區12 來達成。 反射件接觸層10較佳是一種AuZn/TiW(N)/Au層。但其 亦可完全由Au，A1或Ag或這些金屬之合金所構成。 爲了達成機械上足夠之穩定性，則薄層2可藉由連結而 施加至導電性載體基板1(本實施例是n-GaAs基板）。載體 基板1之上側及下側設有AuGe接觸層44，45。在面向薄 層2之此側上在AuGe接觸層45上例如存在一種TiPtAu/AuSn -20- 516246 五、發明説明（19) 層4 7。 在晶片之前側或射出側上設有一種中間接觸區7及金屬 框43或另一導電框，其經由二個未顯示之導電條而與中間 接觸區7相連。中間接觸區7及金屬框43例如由TiPtAn 層及一種介於此層及薄層2之間之TiAuGe層所構成。 n-InGaAlP層之高導電性可確保所需之電流供應。電流供 應至活性區之P-側是藉由載體基板1之下側上之接觸層44 來達成。 爲了更進一步改良光之射出性，須在薄層2之前側上配 置一種光學加膜層42，本實施例中是一種由Si3N4構成之 λ / 4 層。 如第2圖所示，在薄層2中由載體基板1和薄層2之間 之連接面形成許多平截頭棱錐體形成之空腔8，其可使發光 二極體之光射出性大大地提高。在本實施例中，空腔8須 夠寬而到達薄層2中，使空腔8可中斷ρη接面3。但空腔 8之深度亦可只使其切割此ρη接面。 除了使光射出性提高之外，空腔8之其它優點是：其在 薄層2以共晶方式連結至載體基板1時可使由於不同材料 之不同之熱膨脹係數所產生之應力大大地被去除。因此可 提高此製程之可靠性及效益。 第16圖是本發明之另一種半導體晶片。薄膜2施加在電 性絕緣基板1上，使電流可經由Au-Ge接觸層45上所配置 之P-接觸區46而供應至ρη接面3之P側。 P-InGaAlP層26之厚度是6//m，以lxl〇18cnT3來摻雜 -21- 516246 20 五、發明説明（） 之n-InGaAlP : Te-層2a之厚度是3//m。空腔8在5.5/zm 之深度中延伸，空腔8未使pn接面3中斷。 在薄層2之遠離載體基板1之前側上施加一種由導電之 銦-錫-氧化物所構成之光學加膜層48，其除了改善光射出 生之外亦可供應電流。η層2a此處可較使用一種電性絕緣 之加膜層時還薄。 導電之加膜層48亦可用在本發明之其它實施形式中。第 1 6圖中同樣可使用絕緣之加膜層42以取代銦-錫-氧化物 層。 第1 6圖之結構在使用導電性載體基板1時亦適用且不限 於使用電性絕緣載體基板1。 第1 6圖之結構之優點是：載體基板1特別可針對熱膨脹 及/或熱傳導而被最佳化，而不必注意其導電性。 需要時空腔中可塡入一種適當之材料以處理此薄層。本 發明第17a至17e圖所示之方法（同時製造多個半導體晶片） 是在此製程之不同時間點時此晶圓之垂直切面圖。爲了簡 化起見，第17a至17e圖及第18a至19e圖之細節此處不 再說明。 在第一步驟中在生長基板20上生長一種活性薄層2(第 1 7a圖）。如上所述，此種薄層2通常具有許多不同成份之 半導體層。 然後在薄層2中形成空腔8以便在這些區域（其中稍後應 在半導體晶片中產生光）中產生平台14。這例如以適當之遮 罩技術及異向性濕式化學蝕刻（第1 7b圖）來達成。 -22- 516246 五、發明説明（21 ) 在薄層2之設有空腔8之此側隨後與載體基板2 1相連之 前（載體基板之主面上存在各接觸層44 ’ 45，在此側上施加 一種反射層9，10(未顯示），且在平台4上形成穿—孔12(未 顯示）（第17C圖）。 在生長基板20至少去除一部份（較佳是完全去除）之後， 在每一平面（其中形成半導體晶片）中於薄層2之裸露之面上 施加一種連結墊，電流供應框43經由連接條而與連結墊相 連，電流供應框43在稍後之晶片之薄層2之外部邊緣上延 伸。稍後之晶片之光束射出面（其位於連結墊7及接觸框70 之間）設有光學加膜層42。請參閱第17d圖。 在已處理之晶圓被切割之前，薄層2沿著切割線22以蝕 刻方法去除。薄層2之這樣所形成之側面在需要時可設有 加膜層。 在此步驟之後此載體基板晶圓2 1以切鋸或割裂及折斷而 沿著切割線22而切割，以形成各別之半導體晶片23。 半導體晶片之完整製程因此在晶圓複合物中進行，即， 在稍後此晶片安裝在外殼中之前，晶圓切割成各別之晶片 是此製程之最後步驟。 第18a至18e圖所示之方法與第17a-17e圖之不同點是： 在載體基板晶圓21切割之前不須對此薄層2各別進行切 割，此薄層2之切割是與之切割一起沿著切割線22而同時 進行。 第19a至19e圖所示之方法與第17a-17e圖之不同點是：在 薄層2與載體基板晶圓21連接之前進行此薄層2之各別切割。 -23- 516246 9? 五、發明説明（） 可藉由劈開使生長基板被去除以取代硏磨及/或濕式化 學蝕刻方法。較佳是在薄層及生長基板之間施加一種吸收 層，其能帶間隙小於生長基板者。藉由適當波長之雷射經 由生長基板使吸收層被破壞。在生長基板由GaAs構成時， 吸收層則由InGaAs構成，且雷射是一種IR雷射。 在第20圖所示之本發明之晶片之上視圖中，藉由空腔8 所產生之平台4是可見的。特別可看到的是：在接觸區7， 連接條49，電流供應框43及切割線之區域中不存在著任何 空腔8。.空腔8是指所有這些區域（其中不會有（或只有一些） 光束可射出）。在這些區域中省略空腔可有利地使薄層2之 機械穩定性大大地地增強。這特別是在接觸區7中有良好 之作用，因爲該處在安裝半導體晶片於外殼中時通常須設 定或壓擒一種連結線。 第21圖是空腔8產生之後薄層2之表面之斜視圖。由此 可看出：在接觸區7之這些區域70中，連接條49之這些 區域80中及電流供應框43之這些區域90中都未存在任何 平台4。 第22圖是第21圖之放大圖。 符號之說明 1.. ...載體基板 2.. ...薄層 3.. ...活性區 4.. ...平台 5.. ...覆蓋層 -24- 516246 五、發明説明（23 ) 6……前側 8.. ...空腔 9.. ...隔離層 10.. ..金屬層 11.. ..基面 12.…AuZn-接觸區 1 3....側面 14.. ..接觸層 15.16.18.. ...光束 1 7....中線 21.. ..載體基板晶圓 22,23.…錐體截頭 24____基面 2 5——接觸區 2 6，2 7…·側面 28 ....界面 29,3 0——邊界層 3 2....直線 42,48.…加膜層 43.. ..金屬框 44.45.. ..AuGe-接觸層 49.. ..連接條 70.. ..接觸框 -25-

Claims (1)

1. 516246 _-__—⑺年q月"曰~^一 六、申請專利範圍 ------ 第90 1 1 9347號「光電元件用之半導體晶片及其製造方法」 專利案 (91年9月修正） 六申請專利範圍： 1 · 一種光電元件用之半導體晶片，特別是發光之半導體 晶片，其包括： -一個活性薄層（2 )，其中形成一種發射光子之區域（3 )

   j -此種薄層（2)用之載體基板（1)，其配置在此薄層（2) 之遠離此晶片之輻射方向之此側上且與此薄層（2) 相連，其特徵爲： -在活性薄層（2 )中由載體基板（1 )方向形成至少一個 空腔（8)，藉此空腔（8)而在載體基板（1)及薄層（2) 之間之界面上形成許多平台（4 )。 2 .如申請專利範圍第1項之半導體晶片，其中空腔（8 )之 橫切面在離開載體基板（1 )之方向中變小。

   3 .如申請專利範圍第1項之半導體晶片，其中活性薄層 具有一種以1111 + 41』&4(其中0$\^1，0$7^1且 x + y S 1 )爲主之層序列。 4 .如申請專利範圍第1項之半導體晶片，其中空腔（8 )之 深度使其可切割活性區（3 )。 5 .如申請專利範圍第1項之半導體晶片，其中只在這些 區域（其是薄層（2)之輻射產生區）中藉由許多空腔（8) 516246 六、申請專利 範圍 形成平台（4 )。 6 .如 申請 專利範圍第 1，2或4項之半導 體晶片’其中由 活 性區 (3 )所發出之光子之至少一個軌跡（1 8 )由各別 之平台 (4 )延伸至拆 豆鄰之平台（4)。 7 . 如 申請 專利範圍第 5項之半導體晶片， 其中平台（4)向 著 載體 基板而變細 〇 8 . 如 申請 專利範圍第 7項之半導體晶片， 其中平台（4)具 有 凹入 形側面（1 3 ) 0 9 · 如 pf~y 三 專利範圍第 5項之半導體晶片， 其中平台（4 )以 平 截頭 棱錐體形式 構成。 10 .如 申請 專利範圍第 2，5，7，8或9項之半導體晶片，其 中 活性 區（3)配置在平台（4)之與覆蓋 層（5 )相鄰之一 半 距離 處。 11 •如 申請 專利範圍第 1 0項之半導體晶片 ，其中覆蓋層（5) 對 活性 區（3)所發出之光子而言是透明 的。 12 •如 申請 專利範圍第 11項之半導體晶片 ，其中覆蓋層（5) 是 高摻 雜的。 13 •如 申請 專利範圍第 2,5,7,8或9項之: 半導體晶片’其 中 平台 (4 )以反射層（9，1 0 )覆蓋。 14 •如 申請 專利範圍第 1 3項之半導體晶片 ，其中反射層具 有 一種 設有隔離層 (9)之金屬層（1〇)。 15 •如 申請 專利範圍第 1，2,3,4,5,7,8 或 9 項之半導體晶片 其中活性薄層（2 )之厚度是介於5 // m -2- 和50// m之間。 516246 六、申請專利範圍 16 · 如 申請專利 範圍第 1 5項之半導體晶片 ，其中活性 薄 層 之 厚度介於 5 // m 和 2 5 # in 之間。 17 如 申請專利 範圍第 1，2,3,4,5,7,8 或 9項之半 導 體 晶 片 ，其中至 少一空 腔（8 )之深度大於薄 層（2 )之 厚 度 之 一 半。 18 如 申請專利 範圍第 1項之半導體晶片 ，其中載 體 基 板 (1 )是導電性的且在遠離此薄層（2 )之此側上具 有 電 性 接 觸面（44) 〇 19 如 申請專利 範圍第 1項之半導體晶片 ，其中載 體 基 板 (1 )是電性絕緣的或導電性的且在遠離 此薄層丨2 )之 此 側 上除了薄 層（2 )之外另有一種電性接 觸面（46)。 20 , .如 申請專利 範圍第 1，2，1 8或1 9項之半導體晶 片 其 中 此薄層（2 )之面對該固定側（1 1 )之表 面（6 )設 有 一 種 光 學加膜層 (42)以改良光之射出性。 21 •如 申請專利 範圍第 20項之半導體晶片 ，其中光 學 加 膜 層 (42)由氮 化矽構> 成。 22 •如 申請專利 範圍第 20項之半導體晶片 ，其中光 學 加 膜 層 (42)由導 電之銦 -錫-氧化物構成。 23 •如 申請專利 範圍第 1，2，1 8或1 9項之半導體晶 片 其 中 薄層（2 )在面對- •個或多個接觸區（7 ，43)之 區 域 中 不 具備空腔 (8” 24 •如 申請專利 範圍第 1，2,5,7,8或9項之半導體 晶 片 其 中平台在向著載^ 體基板（1 )之方向中 -3- 變小。 516246 六、申請專利範圍 25.如申請專利範圍第24項之半導體晶片’其中平台（4) 具有平截頭棱錐體或截頭錐體之形式且傾斜之側面相 對於薄層（2 )之橫向延伸之方向之仰角P是介於5 °和 60°之間，特別是介於1〇°和40°之間。 2 6 .如申請專利範圍第2 5項之半導體晶片，其中仰角P介 於1 5 °和3 0 °之間。 27.—種同時製造光電元件用之多個半導體晶片所用之方 法，此光電元件之活性薄層（2 )中形成一種可發射光子 之活性區（3 )，其特徵爲以下各步驟： -在生長基板晶圓（20)上磊晶生長一種含有可發射光 子之區域（3 )之層序列； -在此種層序列中形成至少一個空腔（8 )，以便在此層 序列中形成許多平台（4 ); -在此層序列之設有空腔（8 )之表面上施加至少一種 隔離層（9 ); -在平台（4)上形成至少一個穿孔（12); -在載體基板晶圓（2 1 )上施加一種由生長基板晶圓 (20)及該層序列所構成之晶圓複合物，使平台（4) 面向載體基板晶圓（2 1 )，且特別是藉由焊接或黏合 •使晶圓複合物與載體基板晶圓（2 1 )相連； -使生長基板晶圓（20 )之至少一部份被去除； -在該層序列之面向平台（4 )之此側上施加一種電性 連接區（7，43，49 ); 516246 六、申請專利範圍 -沿著切割線（2 2 )使由載體基板晶圓（2 1 )及已結構化 之層序列所構成之晶圓複合物切割成半導體晶片 (23” 2 8 .如申請專利範圍第2 7項之方法，其中在使該層序列與 載體基板晶圓（2 1 )相連接之前沿著切割線（22 )切割此 種層序列。 29 .如申請專利範圍第28項之方法，其中在該連接之前以 及生長基板晶圓20去除之後且在載體基板晶圓（21) 切割之前沿著切割線（22 )以各別之步驟對此種層序列 進行切割。 516246