发射辐射的半导体芯片 本发明涉及一种发射辐射的半导体芯片及其制造方法。
本专利申请要求德国专利申请10 2007 046 497.7和德国专利申请10 2007 060 204.0的优先权，这些申请的公开内容通过引用被结合于此。
产生辐射的半导体芯片通常包含折射率与周围介质、例如空气相比相对高的半导体材料。这导致：在辐射耦合输出时在半导体芯片与周围介质之间的界面上可能容易发生全反射，这导致光输出被减小。
在此，要解决的任务在于，说明一种具有改善的光输出的发射辐射的半导体芯片。该任务通过按照权利要求1的发射辐射的半导体芯片被解决。
此外，要解决的任务还在于，说明这种发射辐射的半导体芯片的制造方法。该任务通过按照权利要求14或15的方法被解决。
发射辐射的半导体芯片的有利的改进方案在从属权利要求中被说明。
本发明尤其所基于的思想是，借助于结构元件的形状、大小和/或密度以期望的方式来调节在具有第一折射率的第一介质和具有第二折射率的第二介质之间出现的折射率过渡(Brechungsindexübergang)。通过相应的调节可以针对应用产生相对大的或相对小的、逐渐的或连续的折射率过渡。
按照本发明的一种优选的变型方案，发射辐射的半导体芯片包括用于产生波长为λ的辐射的有源区以及具有不规则地布置的结构元件的结构化区域，这些结构元件包含具有第一折射率n1的第一材料，并且被具有第二材料的介质包围，该第二材料具有第二折射率n2。波长λ在这里表示在传播该辐射的相应介质中的波长。
在有利的改进方案中，这些结构元件分别具有宽度b≤4μm，并且彼此具有间距a≤4μm。尤其是，这些结构元件可以分别具有宽度b≤λ，并且彼此具有间距a≤λ。
有利地，在该区域的结构化时，无需注意这些结构元件的规则的布置。例如，结构元件到每个直接相邻的结构元件可以具有不同的间距a，其中然而间距a最大为4μm。此外，各个结构元件还可以具有不同的宽度b，然而所述宽度优选地不大于4μm。宽度b在这里表示相应结构元件在一半高度h/2处横截面的最长尺寸。在横截面是圆形的情况下，横截面的最长尺寸对应于直径。横截面平行于结构元件的基面(Grundflaeche)来布置。高度h是结构元件从基面出发并且垂直于基面的最长尺寸。
在本发明的范围内，针对宽度b存在两个优选的值域，即b≤λ和λ＜b≤4μm。如果b≤λ，那么对于光波来说所述结构元件“变模糊(verschwimmen)”。如果λ＜b≤4μm，那么对于光波来说所述结构元件是散射中心。
按照有利的扩展方案，该介质完全填满在结构元件之间的间隙。然而也可能的是，该介质具有封入物、例如空气封入物，通过该封入物能够降低有效折射率neff。
在另外的变型方案中，结构元件从第一层的平坦的表面凸出。所述第一层例如可以属于外延生长的半导体层的堆叠，由该堆叠构成该半导体芯片，或者所述第一层可以是布置在该堆叠上的单独的层。这些结构元件可以具有与第一层相同的折射率。
在第一层上优选地施加第二层，该第二层包含第二材料并且填满结构元件之间的空腔。在这种情况下，第二层对应于已经提及的介质。
针对后面地考虑，引入中间层，该中间层具有结构元件和介质并且因此包含第一和第二材料。中间层因此包含混合材料，即由第一材料和第二材料构成的混合物。按照这里所使用的定义，中间层的厚度对应于最长的结构元件的高度。这些结构元件具有宽度，对于该宽度适用b≤λ，在较大波长的情况下也适用b≤λ/4。在这种大小的结构元件的情况下，射到中间层上的光波不再察觉到结构元件与该介质之间的界限、即第一与第二材料之间的界限，而是经历作为具有有效折射率neff的均质层的中间层。因为中间层包含由第一材料和第二材料构成的混合物，因此该混合材料的有效折射率neff在第一折射率n1和第二折射率n2之间。对于中间层，尤其适用n2＜neff＜n1。然而，也可能的是，n1＜neff＜n2。
有利地，有效折射率neff通过在中间层中第一材料相对于第二材料的浓度而言的浓度来调节。如果第一材料的浓度占优势，则产生与第二折射率n2相比更接近n1的有效折射率neff。如果第二材料的浓度占优势，则情况相反。
为了实现有效折射率neff，有利的是，各个结构元件的基面宽度g小于各个结构元件的高度h。基面宽度g在此被理解为结构元件的基面的最长尺寸。在圆形基面的情况下，基面宽度g对应于直径。对于比例g∶h，尤其适用：g∶h≤1∶10。
接下来描述按照本发明的半导体芯片的不同实施方式，其中这些不同实施方式举例说明结构化区域的不同功能。
在一个有利的实施方式中，发射辐射的半导体芯片是激光二极管芯片。有利地，可以借助布置在合适位置的结构化区域来实现比传统半导体激光器更高的弯曲水平(Kink-Level)，即能够实现更高的辐射功率，而不出现横向模式跳跃。
激光二极管芯片尤其是条形激光器。该条形激光器具有接片，其中结构化区域优选地被布置在该接片的边缘处。在这些边缘处，结构化区域可以有利地被用于模式衰减
按照一个实施例，该条形激光器具有接片，该接片直达有源区或者甚至延伸穿过有源区。这具有的优点是，可以实现相对小的电流扩展以及因此实现小的阈值电流。然而，在传统的、在边缘处不具有结构化区域的激光器中，在接片和通常为电介质的周围介质之间出现相对大的折射率跳跃。由此引导使辐射质量变差的横向模式。而在本实施例中，折射率跳跃可以借助结构化区域被减小。尤其是，结构元件被具有第二折射率n2的钝化层包覆。钝化层例如可以包含氧化硅。结构元件优选地由半导体芯片的半导体层构成。折射率跳跃的减小导致仅仅还引导横向模式。因此可以改善激光二极管芯片的远场并且保持小的阈值电流。此外，钝化层借助结构元件与半导体层啮合，使得其更好地附着在该半导体层上。
按照该条形激光器的另一实施例，结构元件由吸收层包覆。由此，又可以减小在半导体层与吸收层之间的折射率跳跃，其中所述结构元件优选地从所述半导体层中被蚀刻出来。光波的穿透深度由此可以被提高并且光波与该吸收层的相互作用可以被改善。这导致较高横向模式的更好的衰减。
吸收层优选地包含Si、Ti、Al、Ga、Nb、Zr、Ta、Hf、Zn、Mg、Rh、In的氧化物或氮化物。
在另一实施例中，吸收层可以被布置在钝化层上。
对于所有这些实施例来说共同的是，基于可以借助被包覆的结构元件而实现的被减小的折射率跳跃，光波能够更深地穿透到钝化层或吸收层中，由此实现较高模式的更好的衰减。
在一个有利的扩展方案中，发射辐射的半导体芯片包括具有多个条形激光器和多个结构化区域的激光器阵列。优选地，在两个条形激光器之间分别布置有一个结构化区域。借助结构元件，一方面可以在b≤λ或者在较大波长的情况下b≤λ/4适用时减小在结构元件从中凸出的层与周围介质之间的折射率过渡并且由此改善辐射的耦合输出。但是即使λ＜b≤4μm，也可以基于在结构元件处的散射更好地耦合输出散射光。这具有如下优点：可能对相邻的条形激光器产生串扰或者可能导致环模式(Ringmode)的散射光更好地被抑制。
在另一实施方式中，发射辐射的半导体芯片具有介电反射镜。尤其是，这些结构元件由该介电反射镜的第一层构成并且被介电反射镜的第二层包围。优选地，该第一层包含具有第一折射率n1的第一材料以及第二层包含具有第二折射率n2的第二材料。借助所包覆的结构元件，光波可以基于被减小的折射率跳跃更好地穿透到第二层中，并且与第二层相互作用。第二层优选地具有封入物，尤其是空气封入物，其中所述封入物具有比第二折射率n2更小的折射率。由此可以降低第二折射率n2并且因此降低有效折射率neff。这具有如下优点，即全反射的临界角变小，使得可以借助出现在介电反射镜处的全反射朝发射辐射的半导体芯片的耦合输出侧的方向反射更大的辐射分量。该第一和第二层可以分别包含Si、Ti、Al、Ga、Nb、Zr、Ta、Hf、Zn、Mg、Rh、In的氧化物、氮化物或氮氧化合物。
在按照本发明的发射辐射的半导体芯片的另一个实施方式中，结构化区域被布置在有源区中。尤其是，该结构化区域构成量子阱结构。在本申请的范围内，术语“量子阱结构”尤其包括载流子能够通过封入(“限制(confinement)”)经历其能量状态的量子化的那种结构。尤其是，术语“量子阱结构”不包含关于量子化的维数的说明。因此，它尤其包括量子阱、量子线和量子点以及这些结构的每种组合。借助结构化区域可以实现载流子的改善的封入。
在发射辐射的半导体芯片的另一扩展方案中，各个结构元件的基面宽度g大于各个结构元件的高度h。比例g∶h尤其可以是g∶h≥10∶1。在这里，结构元件的宽度b尤其是λ＜b≤4μm。
在该扩展方案中，结构化区域特别适于作为耦合输出层。
在发光二极管中，结构化区域优选地在主辐射方向上被布置在有源区之后。借助用作耦合输出层的结构化区域，可以改善辐射耦合输出并且因此改善输出功率。
此外，在尤其是具有接片的条形激光器的激光二极管芯片中，结构化区域可以用作用于耦合输出散射光的耦合输出层。为此，优选地将结构化区域布置在该接片旁边。在此情况下，散射光与激光垂直地传播并且投射到该结构化区域上，在那里该散射光可以耦合输出。由此可以改善激光面(Laserfacette)处的辐射特性并且抑制超发光。
在按照本发明的发射辐射的半导体芯片的所有所描述的变型方案中，结构元件可以为椎体或多面体，尤其是棱锥或圆柱体。
为了制造先前所描述的结构化区域可以考虑各种方法。对于所有方法来说共同的是使用掩模，该掩模负责结构元件的随机的布置。
根据按照本发明的一种用于制造发射辐射的半导体芯片的优选方法，掩模层被施加到待结构化的区域的部分区域上。所述掩模层不完全覆盖待结构化的区域。
例如可以借助蒸镀或溅射将掩模层相对薄地施加到待结构化的区域上，使得不形成封闭的层。在此，掩模层可以具有小于50nm的厚度，尤其是小于20nm的厚度。对于掩模层，适合的有：例如Ni、Ti或Pt的金属，例如Si、Ti或Zr的氧化物或氮化物的介电材料，或者例如光刻胶的聚合物。然而，也可以使用较厚的层作为掩模层，在施加到待结构化的区域上之后，该掩模层被退火。由此，可以构造空腔或者中断。
用于构造掩模层的另外的可能性在于，借助光刻技术来结构化封闭的掩模层并且由此产生中断。
此外，掩模层可以包含不均匀材料，从所述不均匀材料以湿法化学方式分解出材料成分，或者所述不均匀材料可以在随后的干法化学蚀刻中以不同的强度被去除，使得掩模层因此具有不规则地布置的中断。
一旦掩模层被建立，待结构化的区域、例如半导体芯片的半导体层或介电反射镜的介电层就可以通过以下方式被结构化，即在其中蚀刻出掩模层的中断。在此，结构元件被保留下来。尤其适合的是各向异性的蚀刻方法，例如干法化学蚀刻。优选地在蚀刻过程之后将该掩模层除去。所述结构化区域然后具有结构元件。
在按照本发明的用于制造发射辐射的半导体芯片的另一变型方案中，掩模材料被布置成远离待结构化的区域。在蚀刻过程期间，该掩模材料至少部分地被去除并且被沉积(ablagern)在待结构化的区域上，其中待结构化的区域同时被蚀刻，使得结构元件被构造。
半导体芯片例如可以被布置在载体上，在该载体上掩模材料被布置在半导体芯片旁边或者包围该半导体芯片。在这里，掩模材料用作目标。在例如为了给予该半导体芯片期望的形状而执行的蚀刻过程期间，将掩模材料至少部分地去除，尤其是蚀刻掉。被去除的掩模材料可以沉积在待结构化的区域上，由此产生具有中断的掩模层。掩模层能够具有被极其紧密地布置的并且精细的结构。因为优选地在掩模材料的沉积期间继续进行蚀刻过程，因此待结构化的区域可以同时被蚀刻，使得结构元件被构造。因此可以有利地在该方法中在一个步骤中进行掩模层的产生和蚀刻。
在一个步骤中产生和蚀刻掩模层的另一可能性在于，将掩模材料施加到半导体芯片的成形区域上。在条形激光器的情况下，所述成形区域例如可以是构造接片(Steg)的区域。掩模材料可以是封闭的或者中断的层。在尤其是借助蚀刻加工成形区域的情况下，掩模材料至少部分地被去除，尤其是被蚀刻掉。被去除的掩模材料可以至少部分地沉积到待结构化的区域上。优选地，在该方法中，在掩模材料沉积期间也继续进行蚀刻过程，使得待结构化的区域被蚀刻并且因此结构元件被构造。
借助于掩模层、蚀刻参数和蚀刻方法的适当选择，可以影响结构元件的形状和大小。
本发明的其他特征、优点和改进方案从下面结合图1至10说明的实施例得出。
图1示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第一实施例的示意性横截面视图，
图2示出传统的发射辐射的半导体芯片的示意性横截面视图，
图3示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第二实施例的示意性横截面视图，
图4示出传统的发射辐射的半导体芯片的示意性横截面视图，
图5示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第三实施例的示意性横截面视图，
图6示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第四实施例的示意性横截面视图，
图7示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第五实施例的示意性横截面视图，
图8示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第六实施例的示意性横截面视图，
图9示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片的第七实施例的示意性横截面视图，
图10A，10B和10C示出按照本发明的方法的一个实施例的各种步骤。
在图1中示出了发射辐射的半导体芯片1，该发射辐射的半导体芯片1是激光二极管芯片。该激光二极管芯片尤其是条形激光器并且具有接片(Steg)10。接片10延伸直到第一波导层5，第一波导层5与有源区2直接相邻，并且因此具有蚀刻深度，在该蚀刻深度的情况下尽管可以实现相对小的阈值电流，然而在该蚀刻深度的情况下没有结构化区域3就出现较高模式(Moden)。传统的没有结构化区域的半导体芯片在图2中被示出。与此不同，在图1中所示的半导体芯片1中，结构化区域3有利地被布置在接片10的两个相对的边缘处。
结构化区域3具有结构元件(未示出)，这些结构元件不规则地被布置，具有宽度b≤λ以及彼此具有间距a≤λ。在较大的波长的情况下，即在光谱的长波端处辐射的情况下，这些结构元件尤其可以具有宽度b≤λ/4以及彼此具有间距a≤λ/4。此外，优选的是比例g∶h≤1∶10，尤其是g∶h＝1∶10。
在该实施例的情况下，结构元件从第一波导层5中被蚀刻出来，并且由此包含与第一波导层5相同的材料。该材料尤其是半导体材料。
例如包含氧化硅的钝化层4包覆结构化区域3并且填满各个结构元件之间的间隙。通过从第一波导层5凸出的结构元件与钝化层4之间的啮合，钝化层4特别好地附着在第一波导层5上。此外，可以借助结构元件或者借助结构化区域3减小波导层5和钝化层4之间的折射率跳跃。因为包括结构元件和通过钝化层4填满的间隙并且因此被布置在波导层5和钝化层4之间的假想的中间层具有处于结构元件的材料的第一折射率n1与钝化层4的第二折射率n2之间的有效折射率neff。
与波导层5相邻的有源区2在最简单的情况下可具有p型导电和n型导电的半导体层，在所述半导体层之间布置有产生辐射的pn结。然而有源区2也可以具有双异质结构、单量子阱结构或多量子阱结构(MQW)。在该实施例中，在有源区2中产生的辐射通过半导体芯片1的边沿发射。主辐射方向平行于接片10延伸，该接片10被构造成条形。
有源区2被布置在第二波导层8上。第一波导层5和第二波导层8具有不同的导电类型。例如，第一波导层5可以是p型导电，而第二波导层8可以是n型导电。两个波导层5和8分别在背离有源区2的一侧通过罩层(Mantelschicht)来限定边界。第一罩层6具有与第一波导层5相同的导电性，其中第一罩层6被施加到第一波导层5上。第二罩层9具有与第二波导层8相同的导电类型，其中第二波导层8被施加到第二罩层9上。
优选地，除了钝化层4和布置在接片10上的接触层7之外的所有层彼此重叠地外延生长，并且形成由半导体层构成的层堆叠。半导体层的半导体材料可以是基于氮化物化合物半导体、磷化物化合物半导体或砷化物化合物半导体的材料。
在图3中示出了发射辐射的半导体芯片1，它具有如图1中所示的半导体芯片1的构造并且附加地具有吸收层11。吸收层11被直接施加到钝化层4上。有利地，可以借助两个单独的层与吸收率无关地来影响电绝缘，其中钝化层4与这两个单独的层电绝缘并且吸收层11使较高模式衰减。而在传统的半导体芯片1中，如图4中所示，针对电绝缘并且为了模式衰减设置有一个唯一的层，即进行吸收的钝化层4，该钝化层4包含由电绝缘材料和吸收材料构成的混合物。在图4的实施例中，必须遵循该解决方案，因为波导层5和钝化层4之间的相对大的折射率跳跃通常导致，光波不能穿透到钝化层4中太深。如果使用单独的吸收层，光波几乎不能到达其中，这会导致较高模式的弱衰减。
在图3的实施例中，借助于结构化区域3，可以减小折射率跳跃。由此，光波可以更深地穿透到这些层中并且直到到达吸收层11。
吸收层11优选地包含氧化物或氮化物，尤其是ITO或Si、Ti、Al、Ga、Nb、Zr、Ta、Hf、Zn、Mg、Rh、In的氧化物或氮化物。这些材料在如在本发明的范围中优选的、基于氮化物化合物半导体的半导体芯片的情况下是特别合适的。对于钝化层4例如可以使用氧化硅。
图5示出按照本发明的发射辐射的半导体芯片1的另一个实施例。这里所示的半导体芯片1是激光器阵列，该激光器阵列具有多个条形激光器12和多个结构化区域3，其中在两个相邻的条形激光器12之间分别布置有一个结构化区域3。借助结构化区域3可以更好地抑制一个条形激光器的散射光对另一个条形激光器的串扰。
所述条形激光器12不是单独的器件。更确切地说，半导体芯片1具有连续的有源区2。条形激光器12的正面的接触仅仅借助第一接触层7来单独地进行。
在图5中所示的实施例中，条形激光器12与图1中所示的发射辐射的半导体芯片1一样被构造。然而，条形激光器12也可以与图3中所示的发射辐射的半导体芯片1一样被构造。
如果选择没有吸收层的构造，则可以借助结构化区域3来减小层堆叠与周围环境之间的折射率过渡并且因此减小全反射的概率。由此散射光可以更好地从半导体芯片1耦合输出，由此可以抑制一个条形激光器对另外的条形激光器的串扰。在使用钝化层4上的吸收层的情况下，可以有利地吸收散射光。
结构元件可以具有宽度λ＜b≤4μm。在这种情况下，结构元件可以作为散射中心起作用。然而，结构元件也可以具有宽度b≤λ，在较大的波长情况下也可以具有b≤λ/4，因此由钝化层4包围的结构元件是具有有效的折射率neff的中间层。
图6至8示出发射辐射的半导体芯片1。发射辐射的半导体芯片1优选地是发光二极管，与在图1至5中所示的激光二极管不同，这些发光二极管不发射相干的辐射。
对于图6至8的半导体芯片1来说共同的是：这些半导体芯片1包括具有第一介电层(未示出)以及第二介电层(未示出)的介电反射镜17。结构化区域(未示出)位于该第一介电层以及第二介电层之间的过渡处。
图6示出半导体芯片1，该半导体芯片1是薄膜半导体芯片。所示的薄膜半导体芯片1包括具有外延生长的半导体层15、2、14的层堆叠，生长衬底从该层堆叠被除去。层14是具有第一导电类型的第一层，所述第一导电类型优选地是p型导电，而层15是具有第二导电类型的第二层，所述第二导电类型优选地是n型导电。
层堆叠被布置在载体16上，其中介电反射镜17位于载体16和所述层堆叠之间。介电反射镜17不是在层堆叠的整个表面上延伸，而是被第二接触层13包围，其中有源区2借助该第二接触层13与导电的载体16电连接。另外的电接触、即第一接触层7被布置在有源层2的背离介电反射镜17的一侧上。该侧是半导体芯片1的耦合输出侧。
如下面所阐述的，借助介电反射镜17，可以以有效的方式朝该耦合输出侧的方向反射由有源区2朝介电反射镜17的方向发出的辐射。
具有宽度b≤λ的结构元件优选地由介电反射镜17的第一层构成并且被介电反射镜17的第二层包围。借助被包覆的结构元件和由其得到的中间层，光波可以更好地穿透到第二层中并且与第二层相互作用。该第一层包含具有第一折射率n1的第一材料以及第二层包含具有第二折射率n2的第二材料。优选地，第二层优选地具有封入物，尤其是空气封入物，所述封入物具有比第二折射率n2小的折射率。由此可以降低第二折射率n2并且因此降低有效折射率neff。这具有如下优点，即全反射的临界角变小，使得可以借助出现在介电反射镜17上的全反射朝发射辐射的半导体芯片1的耦合输出侧的方向反射更大的辐射分量。该第一和第二层可以分别包含Si、Ti、Al、Ga、Nb、Zr、Ta、Hf、Zn、Mg、Rh、In的氧化物、氮化物或氮氧化合物。
在图7和8中所示的发射辐射的半导体芯片1以相应的工作原理为基础。两个半导体芯片1具有透明的衬底16。由此，能够穿过该衬底16进行辐射耦合输出。介电反射镜17被布置在衬底16上并且因此也被布置在半导体芯片1的面对耦合输出侧的一侧上。介电反射镜17覆盖层堆叠的外部区域。第一接触层7被布置在内部区域中。
在图7的半导体芯片1的情况下，第二接触层13被施加在衬底16上。而图8的半导体芯片1具有在第二层15上的第二接触层13。
第一层14和第二层15以及有源区2可以分别由多个部分层构成。这适用于所有所描述的实施例。
图9示出发射辐射的半导体芯片1，该发射辐射的半导体芯片1是激光二极管并且从构造上很大程度上与图1至4的条形激光器相对应。
在所示的实施方式中，具有宽度为b≤λ的结构元件的结构化区域(未示出)被布置在有源区2中。尤其是，该结构化区域构成量子阱结构。借助该结构化区域可以实现在有源区2中载流子的改善的封入。
现在结合图10A至10C描述按照本发明的方法的一个实施例。
在这里，将成形掩模18施加到还需要成形的具有层7、6、5、2、8和9的半导体芯片1的层堆叠上(参见图10A)。成形掩模18例如可以是用于制造接片10的蚀刻掩模(参见图10B)。
将掩模材料19施加到成形掩模18上，该掩模材料被设置用于制造结构化区域3(参见图10C)。掩模材料19在此被布置成远离待结构化的区域30。掩模材料19可以包含例如Ni、Ti或Pt的金属，例如Si、Ti或Zr的氧化物或氮化物的介电材料，或者例如光刻胶的聚合物。接着，可以将保护层20施加到掩模材料19上。
为了制造接片10，执行蚀刻过程(参见图10B)。在这里，第一接触层7和第一波导层6被结构化，使得接片10被构造。在该过程中，保护层20完全被蚀刻掉。接片10的蚀刻深度可以通过进一步的蚀刻来增大。这里，用于制造结构元件的掩模材料19至少部分地被去除，并且可以沉积在待结构化的区域30上(参见图10B)。
因为继续进行蚀刻过程，因此同时进行区域30的结构化，使得构造具有结构元件的结构化区域3(参见图10C)。这些结构元件也可以在蚀刻过程之后在其顶部处还具有掩模材料，该掩模材料不一定必须被除去。
结合图10A至10C所描述的方法导致结构元件的一种自组织制造方式，因为在蚀刻过程期间构造这些结构元件而无需有目的地生成掩模层。
本发明不受借助实施例的描述限制。更确切地说，本发明包括每种新特征以及特征的每种组合，这尤其包含权利要求中的特征的每种组合，即使该特征或该组合本身没有在权利要求或实施例中被明确说明。