发射光的半导体器件的制作方法

本发明专利申请是申请日为2012年3月7日、申请号为201280014614.4、发明名称为“发射光的半导体器件”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种用于发射光的半导体器件。

背景技术：

文献ep0486052a1描述一种发射光的半导体器件。

技术实现要素：

待实现的目的在于，提出一种发射光的半导体器件，所述发射光的半导体器件具有产生光的改进的效率。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，发射光的半导体器件包括第一半导体本体。第一半导体本体例如外延地沉积到生长载体上。在此，第一半导体本体例如基于氮化物化合物半导体材料。

第一半导体本体包括至少一个有源区，在发射光的半导体器件工作时，在所述有源区中产生电磁辐射。所述电磁辐射例如能够是uv辐射和/或可见光。在至少一个有源区中产生的电磁辐射至少部分地穿过辐射出射面而离开第一半导体本体。

辐射出射面例如是第一半导体本体的主面的一部分。例如，辐射出射面由半导体本体的背离连接载体或电路板设置的外面构成，发射光的半导体器件安装在所述连接载体或电路板上。例如，第一半导体本体是发光二极管。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，发射光的半导体器件包括第二半导体本体，所述第二半导体本体适合于转换在第一半导体本体的至少一个有源区中产生的电磁辐射。在此，穿过辐射出射面而离开第一半导体本体的电磁辐射至少部分地转换为具有更大波长的辐射。也就是说，第二半导体本体适合于所谓的“向下转换(down-conversion)”。例如，将第二半导体本体由于其天然的带隙用作为转换器。然而，也可行的是，第二半导体本体包括由在第一半导体本体中所产生的电磁辐射光泵浦的至少一个pn结、至少一个量子阱结构或至少一个多量子阱结构。

第二半导体本体例如也能够借助于将第二半导体本体外延生长到生长载体上来制造。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第一半导体本体和第二半导体本体相互分开地制成。也就是说，第二半导体本体尤其不外延地生长到第一半导体本体的辐射出射面上。更确切地说，能够将第一半导体本体和第二半导体本体相互分开地，例如外延地制造，并且随后彼此连接。将第一半导体本体和第二半导体本体相互分开地制成的特征是能在已制成的发射光的半导体器件上证实的具体特征。也就是说，所述发射光的半导体器件与第二半导体本体外延地生长在第一半导体本体上的发射光的半导体器件明显不同。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第二半导体本体是电无源的。也就是说，被转换的电磁辐射在第二半导体本体中的产生不由于第二半导体本体的电泵浦而进行，而是将第二半导体本体通过由第一半导体本体在工作时产生的电磁辐射而光泵浦。因此，发射光的半导体器件例如不具有电端子，借助于所述电端子接触第二半导体本体。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第二半导体本体和第一半导体本体彼此直接接触。也就是说，第二半导体本体例如与第一半导体本体的辐射出射面直接接触并且在那里无连接剂地固定在第一半导体本体上。

“无连接剂”意味着，没有例如胶粘剂或所谓的“折射率匹配溶胶(index-matchinggel)”设置在第一半导体本体和第二半导体本体之间。在第一半导体本体和第二半导体本体之间的粘附尤其通过氢键和/或范德华相互作用(van-der-waals-wechselwirkung)在第一半导体本体和第二半导体本体之间的界面的区域中介导。换言之，第一半导体本体和第二半导体本体经由所谓的“直接键合”彼此固定。

第一半导体本体和第二半导体本体之间的连接是机械稳定的。必要时可行的是，所述连接不能以非破坏性的方式断开。也就是说，在断开连接时，两个半导体本体中的至少一个会被损害或破坏。这例如是当连接是强的化学键合或初级化学键合(chemischebindung)时的情况。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，发射光的半导体器件包括具有有源区的第一半导体本体，在发射光的半导体器件工作时在所述有源区中产生电磁辐射。在第一半导体本体中产生的电磁辐射至少部分地穿过辐射出射面。发射光的半导体器件还包括适合于将电磁辐射转换为经转换的具有更大波长的电磁辐射的第二半导体本体。在所述实施形式的发射光的半导体器件中，第一半导体本体和第二半导体本体相互分开制成，第二半导体本体是电无源的，并且第二半导体本体与辐射出射面直接接触并且在那里无连接剂地固定在第一半导体本体上。

在当前的发射光的半导体器件中，尤其可行的是，不存在介导在泵浦源、即第一半导体本体和转换器、即第二半导体本体之间的光学的、热学的和机械的连接的中间层。更确切地说，转换器直接施加到泵浦源上，使得由此产生转换器和泵浦源的辐射出射面之间的化学键合。由此，能够明显改进在转换器中的光耦合输入以及在转换器和泵浦源之间的热连接。以这种方式，发射光的半导体器件适合于高效率的转换进而适合于产生多色的或单色的光。高效率尤其通过将斯托克斯损耗(stokes-verlusten)、转换器过热和耦合输入损耗或耦合输出损耗最小化而得到。

在本文中，第二半导体本体用作为转换器。因为半导体本体具有高的吸收常数，所以半导体本体能够非常薄地构成。因此，在此描述的发射光的半导体器件的特征也在于特别小的结构高度并且因此非常适合于成像元件的、例如lcd面板的直接背光。

在第一半导体本体和第二半导体本体之间的连接能够是共价的或离子的。通过将第一半导体本体和第二半导体本体之间的热阻最小化，使从第二半导体本体通过第一半导体本体排出的损耗热最小化。在第一半导体本体和第二半导体本体之间的通过强的化学键合产生的直接耦联使从第二半导体本体到第一半导体本体的热传递最大化。因为第一半导体本体例如能够连接到热沉上，所以在转换时产生的损耗热能够最优地从第二半导体本体中排出。

在此，在第一半导体本体和第二半导体本体之间的直接连接甚至能够在室温下进行，以至于确保了在热学上不相互匹配的第一和第二半导体本体的情况下张力不会造成层损坏。

此外，将第二半导体本体用作转换器能够实现基本上具有与第一半导体本体相同的光学折射率的转换器的使用。因此，所述转换通过将电磁辐射直接地耦合输入到不具有位于中间的、带有损耗的连接剂层的转换器中高效地进行，所述连接剂层不具有转换作用。

此外，作为转换器的第二半导体本体优选具有比常规的、例如陶瓷转换器明显更小的半值宽度，另外这能够引起更小的斯托克斯损耗。因此，例如用于产生暖白光的更高的转换效率是可行的，因为对此所需的从蓝光到红光的转换尤其能够非常窄带地进行。因此，使被转换的光的通常损耗严重的长波的部分最小化。

此外，由于改进的散热，在此描述的发射光的半导体器件能够是适合高电流的，因为不用考虑通常设置有转换材料的导热差的基体材料。

在此，这里描述的发射光的半导体器件能够在工作时产生有色光，例如绿光、黄光或红光。此外，可行的是，发射光的半导体器件在工作时产生白光。

第一半导体本体和第二半导体本体例如在晶片级上就已经能够彼此连接，以至于同时制造多个发射光的半导体器件是可行的。

此外，例如能够通过将第二半导体本体的背离第一半导体的外面粗化使光或电磁辐射的从第二半导体本体的耦合输出最大化。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，辐射出射面和第二半导体本体的朝向辐射出射面的外面分别具有最高2nm、尤其小于等于1nm、优选小于等于0.5nm的平均粗糙度系数。在此，平均粗糙度系数rq是粗糙度轮廓的所有轮廓值的均方根。在此，名称rms也用于平均粗糙度系数。在本文中，第一半导体本体的和第二半导体本体的两个外面构成为特别平滑的，在所述两个外面上第一半导体本体和第二半导体本体彼此连接。优选的是，两个相对的表面中的至少一个的平均粗糙度系数明显小于0.5nm、例如为0.2nm或更小。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第一半导体本体基于氮化物化合物半导体材料。在本文中“基于氮化物化合物半导体材料”意味着，半导体层序列或其至少一部分，尤其优选至少有源区和/或生长衬底晶片，具有氮化物化合物半导体材料、优选alngamin1-n-mn或由所述氮化物化合物半导体材料构成，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。在此，所述材料不必强制性地具有根据上式的在数学上精确的组成成分。更确切地说，所述材料例如能够具有一种或多种掺杂物以及附加的组成部分。然而，为了简单性起见，上式仅包含晶格的主要组成部分(al、ga、in、n)，即使所述组成部分能够部分地由少量的其他物质代替和/或补充。在此，第一半导体本体例如外延地制造，其中将生长衬底从第一半导体本体移除。

在此，第一半导体本体的电接触例如能够从背离第二半导体本体的侧进行。此外，可行的是，至少一个用于连接第一半导体本体的接触部设置在第一半导体本体和第二半导体本体之间或者第二半导体本体具有至少一个留空部，在所述留空部中至少一个接触部设置在第一半导体本体的朝向第二半导体本体的外面上。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第二半导体本体基于ii-vi族化合物半导体材料。ii/vi族化合物半导体材料具有至少一个来自第二主族或第二副族的元素，例如be、mg、ca、sr、zn、cd或hg和来自第六主族的元素，例如o、s、se、te。ii/vi族化合物半导体材料尤其包括二元、三元或四元的包括至少一个来自第二主族的元素和至少一个来自第六主族的元素的化合物。此外，这种二元、三元或四元的化合物例如能够具有一种或多种掺杂物以及附加的组成部分。例如，属于ii/vi族化合物半导体材料的是：zno、znmgo、cds、zncds、mgbeo。

用于第二半导体本体的材料例如能够是(zncdmg)(sse)材料体系。所述材料体系的特征在于非常高的辐射效率。此外，由这种材料构成的第二半导体本体能够外延地以原子级平滑的表面沉积到生长衬底上。基于所述材料体系的转换器例如在文献appl.phys.lett.96，231116，2010中描述。所述文献明确地通过参引结合于此。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第二半导体本体基于iii-v族化合物半导体材料。例如，第二半导体本体基于(algain)(nasp)材料体系。

由所述材料体系构成的第二半导体本体的特征也在于具有高辐射效率，并且能够外延地以原子级平滑的表面大面积地沉积在生长载体上，所述生长载体例如由gaas或inp构成。

根据发射光的半导体器件的至少一个实施形式，第二半导体本体具有最高6μm、尤其最高3μm、优选最高1.5μm的厚度。尤其由于半导体转换层的高的吸收常数，小的厚度是可能的。以这种方式，所制成的发射光的半导体器件的结构高度能够是非常小的，因为第二半导体本体几乎不提高所述结构高度。

此外提出一种用于制造发射光的半导体器件的方法。优选地，能够借助于所述方法制造在此描述的发射光的半导体器件。也就是说，所有的对于发射光的半导体器件所描述的特征也对于所述方法公开并且反之亦然。

根据所述方法的至少一个实施形式，在一个方法步骤中，将第一半导体本体外延地沉积到生长载体的由硅构成的生长面上。在此，生长载体例如能够由硅构成。然而，也可能的是，生长载体包括由硅构成的层，其中，所述层的外面形成生长面。

根据另一方法步骤，将生长载体借助于刻蚀从第一半导体本体剥离。也就是说，生长载体的剥离尤其以湿化学的方式进行。在此，充分利用硅表面的非常好的抛光质量。在将生长载体、即尤其是硅表面以湿化学的方式从第一半导体本体剥离之后，将第一半导体本体的原本朝向生长载体的外面直接用于与第二半导体本体连接，因为第一半导体本体的所述外面能够视为非常平滑的硅表面的复制品。也就是说，将原子级平滑的硅表面借助于所述方法传递到第一半导体本体的外面上，因此所述外面提供用于第一和第二半导体本体的接合。

在另一方法步骤中，将第一半导体本体在其原本朝向生长面的、包括辐射出射面的外面与第二半导体本体连接。

因此，在所述方法中，在不具有其他的用于处理第一半导体本体的外面的方法步骤的情况下可行的是，辐射出射面具有最高2nm的、尤其最高1nm的、优选最高0.5nm的平均粗糙度系数。为此，传递到第一半导体本体的外面上的生长载体的生长面本身优选具有最高2nm的、尤其最高1nm的、优选最高0.5nm的平均粗糙度系数。

根据方法的至少一个实施形式，将第二半导体本体借助于分子束外延法(mbe)外延地沉积到生长载体上，并且以其背离生长载体的外面与第一半导体本体连接。在此，用于第二半导体本体的生长载体例如能够是具有由gaas、ge或inp构成的生长面的生长载体。例如，生长载体由这些材料构成。在分子束外延法中能够产生平滑的外面。此外可行的是，在将两个半导体本体接合之前，例如通过抛光或化学地抛光使外面变得平滑。

根据方法的至少一个实施形式，用于第二半导体本体的生长载体在其朝向第二半导体本体的外面上具有最高2nm的、尤其1nm的、优选最高0.5nm的厚度。在沉积第二半导体本体之后，将生长载体从第二半导体本体剥离并且将第二半导体本体以其朝向生长载体的外面与第一半导体本体连接。在此，例如能够利用由gaas、ge或inp构成的生长面的非常好的抛光质量。

用于将第一和第二半导体本体接合所需的较干净的表面能够在原位，即例如在外延反应物(epitaxiereaktor)中产生。

例如，从吸附物和污染层到确定用于接合的表面上的喷洒能够通过溅射或离子轰击、尤其用氩离子的离子轰击来进行。此外，通过热解吸和/或通过uv感应而引起的解吸的清洁是可行的。为了保护借助于清洁步骤而激活的表面免于再钝化，在第一半导体本体和第二半导体本体之间的接合优选在惰性的大气中或在真空、尤其在超高真空中进行。

附加地，还能够进行第二半导体本体的背离第一半导体本体的外面的台面刻蚀或结构化，这引起改进的耦合输出效率。

附图说明

在下文中，根据实施例借助于附图阐述在此描述的发射光的半导体器件以及在此描述的方法。

相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。附图和在附图中所示出的元件相互间的大小关系不视为合乎比例的。相反，为了更好的可视性和/或为了更好的可理解性，能够夸大地示出各个元件。

图1a至1g的示意性剖视图示出在此描述的方法的不同的方法步骤。图1g示出多个在此描述的发射光的半导体器件的示意性剖视图。

图2示出用于阐述本发明的示意性曲线图。

具体实施方式

结合图1a的示意性剖视图，详细地阐述在此描述的方法的第一方法步骤。在所述第一方法步骤中，将第一半导体本体1外延地沉积到生长载体10的生长面10a上。第一半导体本体1基于氮化物化合物半导体材料、尤其基于含铟的氮化物化合物半导体材料。

生长载体10包括由硅构成的生长面10a。也就是说，第一半导体本体1外延地沉积到硅表面上。生长面10a的特征在于其平滑的表面并且具有最高2nm的、尤其最高1nm的、优选最高0.5nm的平均粗糙度系数。

在待制造的发射光的半导体器件工作时，有源区11适合于产生在uv辐射和蓝光之间的光谱范围中的电磁辐射。

在一个后续的方法步骤中，见图1b，半导体本体以其背离生长载体10的一侧施加到载体12上，并且例如借助于连接剂13、例如焊剂固定在那里。载体12例如能够是金属的、陶瓷的或半导体的载体。例如，载体12由铜、如锗的陶瓷材料构成。此外，载体12还能够是如电路板的连接载体。

在下一方法步骤，图1c中，将生长载体10从半导体本体1剥离。所述剥离优选以湿化学的方式借助于刻蚀来进行。非常平滑的生长面10a的形貌以由所述方法引起的方式传递到第一半导体本体1的背离载体12的外面上。之后，所述外面形成半导体本体1的辐射出射面1a。

在下一方法步骤中，除了这样制备的半导体本体1以外还提供第二半导体本体2。将第二半导体本体2例如外延地施加到生长载体20的生长面20a上。生长载体20例如是具有由gaas、ge或inp构成的生长面20a的衬底。第二半导体本体2例如借助于mbe来生长。因此，第二半导体本体的背离生长载体20的外面非常平滑地构成，并且所述外面具有最高0.5nm的平均粗糙度系数。

可选地，在生长载体20和第二半导体本体2之间设置有中间层21，所述中间层例如用作刻蚀停止层或牺牲层，并且所述中间层同样外延地制成。

此外可行的是，在所述方法步骤中，在保护大气或在真空中实现对第一半导体本体1和第二半导体本体2的暴露的外面进行清洁进而使其钝化。

结合图1e描述接合步骤，其中将第一半导体本体1和第二半导体本体2机械牢固地彼此连接。在此，将第二半导体本体2与第一半导体本体1的辐射出射面1a直接连接，并且在两个半导体本体之间的连接是无连接剂的，例如通过离子力或范德华相互作用来介导。

在另一方法步骤，图1f中，将生长载体20和必要时中间层21从第二半导体本体2剥离。能够在所述剥离期间或紧接着所述剥离使第二半导体本体2的背离第一半导体本体1的外面粗化成被粗化的表面2a，见图1g。通过所述结构化，之后的发射光的半导体器件具有改进的光耦合输出效率。

在一个后续的方法步骤中，在各个发射光的半导体器件中沿虚线进行分离。能够从载体12的一侧或从第二半导体本体2的一侧进行接触(未示出)。

此外，这样制成的发射光的半导体器件的特征在于，在第一半导体本体1和第二半导体本体2之间的折射率阶跃能够选择为相对小的。这引起器件的效率提高。在假设第一半导体本体的折射率为2.4并且将发射光的半导体器件封装到具有1.5的折射率的硅树脂中的情况下，在图2中为第二半导体本体2的折射率n2的不同的值以图形的方式绘制相对效率。在此，柱状体的右部相应地示出发射暖白光的发射光的半导体器件的效率，柱状体的左部示出用于冷白光的半导体器件的效率。如图2中得出的，效率随着第二半导体本体2的折射率n2的增长而增长。例如，对于由zncdmgse构成的第二半导体本体，根据是否应产生冷白光或暖白光而得出n2＝2.4以及在8％和10％之间的效率增长。

本发明不由于根据实施例的描述而受限于这些实施例。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其包含在实施例中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身没有明确地在本文或实施例中说明。

本专利申请要求德国专利申请102011014845.0的优先权，其公开内容通过参引结合于此。

根据本公开的实施例，还公开了以下附记：

附记1.一种发射光的半导体器件，所述发射光的半导体器件具有：

-第一半导体本体(1)，所述第一半导体本体包括有源区(11)，在所述发射光的半导体器件工作时，在所述有源区中产生电磁辐射，所述电磁辐射至少部分地穿过辐射出射面(1a)而离开所述第一半导体本体(1)，以及

-第二半导体本体(2)，所述第二半导体本体适合于将所述电磁辐射转换为经转换的具有更大波长的电磁辐射，其中

-所述第一半导体本体(1)和所述第二半导体本体(2)相互分开制成，

-所述第二半导体本体(2)是电无源的，并且

-所述第二半导体本体(2)与所述辐射出射面(1a)直接接触，并且在那里无连接剂地固定在所述第一半导体本体(1)上。

附记2.根据上一项附记所述的发射光的半导体器件，

其中所述辐射出射面(1a)和所述第二半导体本体(2)的朝向所述辐射出射面(1a)的外面分别具有最高2nm的平均粗糙度系数。

附记3.根据上述附记中的任一项所述的发射光的半导体器件，

其中所述第一半导体本体(1)基于氮化物化合物半导体材料。

附记4.根据上述附记中的任一项所述的发射光的半导体器件，

其中所述第二半导体本体(2)基于ii-vi族的化合物半导体材料。

附记5.根据上一项附记所述的发射光的半导体器件，

其中所述第二半导体本体(2)基于(zncdmg)(sseteo)材料体系。

附记6.根据上述附记中的任一项所述的发射光的半导体器件，

其中所述第二半导体本体(2)基于iii-v族化合物半导体材料。

附记7.根据上一项附记所述的发射光的半导体器件，

其中所述第二半导体本体(2)基于(algain)(nasp)材料体系。

附记8.根据上述附记中的任一项所述的发射光的半导体器件，

其中所述第二半导体本体(2)具有最高6μm的厚度。

附记9.一种用于制造根据上述附记中的任一项所述的发射光的半导体器件的方法，其中

-将所述第一半导体本体(1)外延地沉积到生长载体(10)的由硅构成的生长面(10a)上，

-将所述生长载体(10)借助于刻蚀从所述第一半导体本体(1)剥离，以及

-将所述第一半导体本体(1)在其原本朝向所述生长面(10a)的、包括所述辐射出射面(1a)的外面上与所述第二半导体本体(2)连接。

附记10.根据上一项附记所述的方法，

其中所述生长面(10a)具有最高2nm的平均粗糙度系数。

附记11.根据上一项附记所述的方法，

其中将所述第二半导体本体(2)尤其借助于分子束外延法外延地沉积到生长载体(20)上，并且所述第二半导体本体(2)以其背离所述生长载体(20)的外面与所述第一半导体本体(1)连接。

附记12.根据附记9至11中的任一项所述的方法，

其中将所述第二半导体本体(2)外延地沉积到由gaas、ge或inp构成的生长载体(20)上。

附记13.根据附记9至12中的任一项所述的方法，

其中

-用于所述第二半导体本体(2)的所述生长载体(20)在其朝向所述第二半导体本体(2)的外面(20a)上具有最高2nm的平均粗糙度系数，

-在沉积所述第二半导体本体(2)之后，将所述生长载体(20)从所述第二半导体本体(2)剥离，以及

-将所述第二半导体本体(2)以其朝向所述生长载体(20)的外面与所述第一半导体本体(1)连接。