[发明专利]一种薄膜型半导体芯片结构及应用其的光电器件

说明书

本发明涉及一种薄膜型半导体芯片结构，将其命名为“光格结构”。该结构利用金属材料，将分别制成P型金属和N型金属的其中之一作为衬底，另一金属作为金属侧壁。金属侧壁与金属衬底绝缘连接，形成立体的光学反射腔体。在光学反射腔体顶部覆盖透明导电层，并在光学反射腔体中设置光电转换层，从而形成“光格”。当光电转换层将电能转换成光能时，光格成为发光单元；当光电转换层将光能转换成电能时，光格成为电能的生成单元。立体光格结构只能通过光学反射腔体透明导电层所在的平面发射或者收集光子。多个光格聚集在一起，则构成“光格阵列”。本发明还涉及应用了光格结构的光电器件。

技术领域

本发明涉及半导体领域的一种薄膜型半导体芯片结构及应用其的光电器件。

背景技术

以III-V族、II-IV族、III族氮化物、III族砷磷化物的半导体发光材料制备的发光二极管作为第四代光源(半导体固态照明)的主体。它具有节能、环保、寿命长、体积小、重量轻、抗震、安全性好(低电压驱动)，响应时间短、冷光源、色彩丰富、应用范围广等众多优点，广泛应用于LCD背光照明光源、汽车照明、室内外通用照明、显示屏、交通信号灯、景观照明、微型投影机、植物照明灯、医疗用照明设备(如：治疗黄疸用的蓝光灯)等众多领域。

常见的LED芯片的结构形式有四种：(1)传统正装(横向结构):P电极与N电极均设置在芯片的同一侧，缺点是散热能力差，透明电极电流分布不均匀，光提取率不高；(2)倒装结构(Flip Chip):将正装芯片倒置于导电导热性能良好的基板上，使得发热比较集中的发光外延层更接近于散热部件，使大部分热量通过基板导出，本质上没有解决散热和电流拥塞的问题；(3)垂直结构(垂直薄膜Vertical Thin Film):一般是在外延层形成后，将外延层分割成若干绝缘分离的半导体薄膜层，然后P电极和N电极分置于半导体薄膜层两侧形成串联结构，解决了P电极遮光的问题；但是，仍然存在N电极遮挡光子，电流分布不均的问题；(4)薄膜倒装(Thin Film Flip Chip)：将薄膜LED与倒装LED的技术结合起来，即薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED。在上述芯片结构的基础上，学术界和工业界还提出多种提高电光转换效率的方法：反射层(金属反射层、分布式布拉格反射层、全反射层)、图形化衬底、表面粗化、光子晶体技术、透明衬底、激光剥离、欧姆电极形状的优化、芯片形状几何化结构(抛物线、半球形、三角形等)等。尽管如此，电光转换效率低仍然是LED面临的主要技术瓶颈，而电光转换效率又是光电器件，包括LED、激光器、光放大器等元器件的核心技术参数。

更进一步地，电光转换效率主要由电子注入效率、内部量子效率和光导出效率三部分组成。电子注入效率主要由器件内部串阻和并阻有关。其中，串阻主要由金属半导体接触电阻，半导体横向扩散电阻、金属栅线电阻和半导体PN方向的外延层体的电阻组成；并阻主要与器件内部和边缘的漏电有关。内部量子效率主要和器件的内部量子结构，比如量子阱、量子线、量子点的几何特征和能带特征、以及量子阱内部的缺陷密度有关，同时和器件工作温度密切有相关,通常光电器件温度增加1℃，转换效率降低约1％。在正常工作状态下，二极管的PN结通常维持比较高的温度，从50℃到120℃。温度每升高10℃，光通量就会衰减1％，LED发光波长会漂移1～2nm。所以，不能将芯片热量及时排出，将无法获得稳定的光输出。光导出率受器件出光面半导体材料的光学折射率限制。以磷化镓铟(GaInP)为例，在红光波段折射率约为3.3，出光面的全反射角小于16度，光导出效率约2.5％。

在专利文献1中，公开了用于制造光电子半导体芯片的方法和光电子半导体芯片。具体地，该技术方案是在半导体层序列上，设置延伸穿过有源区的凹部，用金属增强层覆盖半导体层序列并至少部分填充凹部，使得凹部内的金属增强层在横向方向上，至少局部地环绕半导体本体。如此产生的技术效果是，将表面电极转移至背面，消除表面金属电极的挡光效应，利用金属表面反射光子，对出光效率虽有所改善，但仍嫌不足；而且，散热效果、电流拥塞和电光转换的量子效率仍然有很大的改善空间。