用于制造发射辐射的半导体芯片的方法、发射辐射的半导体芯片以及发射辐射的器件

摘要

提出一种用于制造发射辐射的半导体芯片的方法，其中将第一波长转换层（8）施加到半导体本体（1）的辐射出射面（2）的上方，其中施加方法选自：沉降、电泳。此外，在半导体本体（1）的辐射出射面（2）的上方施加第二波长转换层（4），其中第二波长转换层（4）在单独的方法步骤中制造且随后施加或者施加方法选自：沉降、电泳、印刷。此外，提出一种发射辐射的半导体芯片以及一种发射辐射的器件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造发射辐射的半导体芯片的方法、一种半导体 芯片以及一种发射辐射的器件。

背景技术

在参考文献DE102 61 428A1中描述了一种半导体本体，将多个波 长转换层施加到所述半导体本体上，所述波长转换层将半导体本体的辐 射转换成不同的波长范围。在此，波长转换层依次地设置成使得半导体 本体的辐射被分别转换成的波长从半导体本体开始沿其放射方向减少。

发明内容

本发明的目的是，提出一种用于制造供具有提高效率的发射辐射的 组件的发射辐射的半导体芯片的方法。本发明的另一目的是，提出一种 发射辐射的半导体芯片以及一种具有提高效率的发射辐射的器件。

所述目的通过具有权利要求1的步骤的方法以及通过具有权利要求 12的特征的发射辐射的半导体芯片和具有权利要求15的特征的发射辐 射的器件来实现。

有利的实施形式和改进形式分别在从属权利要求中提出。

用于制造用于供具有提高效率的组件的发射辐射的半导体芯片的 方法尤其包括以下步骤：

-提供半导体本体，所述半导体本体设置用于从辐射出射面发射第一波 长范围的电磁辐射，

-将具有第一波长转换材料的第一波长转换层施加到半导体本体的辐 射出射面的上方，所述第一波长转换材料将第一波长范围的辐射转换成 第二波长范围的辐射，其中施加方法选自：沉降、电泳，

-将具有第二波长转换材料的第二波长转换层施加到半导体本体的辐 射出射面的上方，所述第二波长转换材料将第一波长范围的辐射转换成 第三波长范围的辐射，其中第二波长转换层在单独的方法步骤中制造且 随后施加或者施加方法选自：沉降、电泳、印刷。

电泳当前表示下述方法：其中颗粒、例如波长转换材料的颗粒借助 于电场加速，使得所述颗粒的层沉积在所提供的表面上、例如半导体本 体的辐射出射面上。通常，将待覆层的表面提供在包含颗粒的电泳池中， 所述颗粒设置用于形成波长转换层。

电泳沉积的波长转换层可以沉积在导电的、半导体的或绝缘的表面 上。

借助于电泳沉积的波长转换层的特征是，通常，暴露于电泳池的全 部表面完全用波长转换层来覆层。借助于电泳沉积的波长转换层的另一 特征通常在于，所述波长转换层具有大于或等于30%体积百分比的、尤 其优选大于50%体积百分比的颗粒密度。

通常，电泳沉积的波长转换层的结构还与施加有波长转换层的表面 的导电性相关。通常，电泳沉积的波长转换层的颗粒直接相互接触。

术语“颗粒密度”在此涉及体积。通过确定波长转换层的横截面积 之内的颗粒数量来确定波长转换层之内的颗粒密度。

半导体本体例如也能够在晶圆级借助于电泳用波长转换层覆层。在 此，包括各个半导体本体的整个晶圆暴露于电泳池。那么，在用波长转 换层覆层之后，然后将晶圆分割成各个半导体芯片，例如通过锯割。此 外，也可能的是，设置在承载体上或器件壳体的凹部中的半导体本体或 者各个半导体本体借助于电泳设有波长转换层。

通常，借助于电泳制造的波长转换层在电泳法之后通过粘合剂来固 定。粘合剂例如能够是硅树脂或环氧树脂或混合材料。在此，称作混合 材料的是下述材料，所述材料具有至少两种主要组分，其中所述主要组 分中的一种是硅树脂或环氧树脂。此外，混合材料例如能够刚好具有两 种主要组分，其中第一种主要组分是环氧树脂并且第二种主要组分是硅 树脂。

此外，能够将旋涂玻璃、例如将聚硅氧烷用作粘合剂以用于固定电 泳沉积的波长转换层。

如果直接在电泳沉积波长转换层之后将另一波长转换层施加到电 泳沉积的波长转换层上，那么通常能够舍弃固定电泳沉积的波长转换 层。

除主要组分之外，混合材料能够具有作为辅助材料的其他组成部 分，例如致蓝剂。然而，这些组成部分通常在混合材料中具有少的重量 比例。混合材料的主要部分具有主要组分。

借助于电泳法施加的波长转换层优选地具有最大60μm的厚度。

通常，借助于沉降法沉积的波长转换层的结构还与在施加有波长转 换层的表面上方的体积相关。通常，借助于沉降来沉积的波长转换层的 颗粒彼此直接接触。

在沉降法中，将波长转换材料的颗粒引入到浇注材料中。半导体本 体的辐射出射面例如提供在器件壳体的凹部中，所述凹部由浇注材料、 稀释的浇注材料或其他液体填充。随后，波长转换材料的颗粒以波长转 换层的形式由于重力而至少沉淀在半导体本体的辐射出射面上。在此， 颗粒的沉淀也能够通过离心分离来加速。应用稀释的浇注材料通常也加 速沉降过程。在颗粒下沉之后完全固化浇注材料。

此外，也可能的是，将半导体本体施加在承载体上，那么所述半导 体本体由辅助腔包围，将具有波长转换材料的浇注材料引入到所述辅助 腔中。在波长转换材料下降之后完全固化浇注材料并且再次移开辅助 腔。也能够考虑的是，具有多个半导体本体的整个晶圆借助于辅助腔用 沉降法设有波长转换层。

借助于沉降法施加的波长转换层的特征在于，能够由于重力而沉淀 有颗粒的全部表面用波长转换层覆层。

借助于沉降来沉积的波长转换层的另一特征通常在于，所述波长转 换层具有20%体积百分比和35%体积百分比之间的颗粒密度，其中包 括边界值。

借助于沉降法产生的波长转换层优选地具有最大为60μm的厚度。

适合于制造波长转换层的印刷法例如是丝网印刷或刮板印刷。通常 印刷包括已经在上文中描述的浇注材料的坯料，将波长转换材料的颗粒 引入到所述浇注材料中。

借助于印刷法制造的波长转换层关于同一色度坐标通常具有下述 颗粒密度，所述颗粒密度显著小于借助于电泳法或沉降法来产生的波长 转换层。

尤其优选地，借助于印刷法制造的波长转换层具有25%体积百分比 和45%体积百分比之间的颗粒密度，其中包括边界值。

借助于丝网印刷产生的波长转换层优选地具有20μm和60μm之间 的厚度，其中包括边界值。

借助于刮板印刷产生的波长转换层优选地具有20μm和150μm之间 的厚度，其中包括边界值。

借助于印刷法产生的波长转换层通常具有下述表面：其中所述层的 表面跟随波长转换材料的颗粒。通常，在印刷的波长转换层中，仅波长 转换材料的少数颗粒彼此直接接触。

如果在单独的方法步骤中制造第二波长转换层，那么在此优选地执 行下述方法中的一种：注射成型、烧结。换言之，第二波长转换层优选 地是注射成型的层或是陶瓷。

构成为陶瓷的波长转换层优选地具有50μm和2mm之间的厚度， 其中包括边界值。

构成为陶瓷的波长转换层具有95%体积百分比和100%体积百分比 之间的颗粒密度，其中包括边界值。

在注射成型的波长转换层中，通常将波长转换材料的颗粒引入到如 同已在上文中描述的浇注材料中。

那么，具有所波长转换材料的引入的颗粒的浇注材料以层的形式注 射成型。

注射成型的波长转换层关于同一色度坐标通常同样也具有下述颗 粒密度，所述颗粒密度显著小于借助于电泳法或沉降法产生的波长转换 层。

尤其优选地，注射成型的波长转换层具有10μm和55μm之间的颗 粒密度，其中包括边界值。

具有大约50μm厚度的注射成型的波长转换层优选地示出22%体积 百分比和55%体积百分比之间的颗粒密度，其中包括边界值。

具有大约110μm厚度的注射成型的波长转换层优选地示出10%体 积百分比和30%体积百分比之间的颗粒密度，其中包括边界值。

注射成型的波长转换层优选地具有50μm和150μm之间的厚度，其 中包括边界值。

注射成型的波长转换层由于预设的形状而通常具有相对受限的形 状。

根据方法的一个实施形式，借助不同的方法来制造这两个波长转换 层。

除已经描述的方法之外，第一和/或第二波长转换层也能够借助于下 述方法中的一种来制造：喷溅波长转换材料、喷射波长转换材料。

借助于喷溅产生的波长转换层优选地具有20μm和60μm之间的厚 度，其中包括边界值。借助于喷溅制造的波长转换层的颗粒密度优选地 位于20%体积百分比和35%体积百分比之间，其中还包括边界值。

借助于喷射产生的波长转换层优选地具有50μm和300μm之间的厚 度，其中包括边界值。借助于喷射制造的波长转换层的颗粒密度优选地 位于2%体积百分比和55%体积百分比之间，其中还包括边界值。

此外，第一和/或第二波长转换层也能够是通过嵌有波长转换材料的 颗粒的玻璃形成的层。这种波长转换层优选地具有50μm和300μm之间 的厚度，其中包括边界值。通过嵌有波长转换材料的颗粒的玻璃形成的 波长转换层的颗粒密度优选为2%体积百分比和55%体积百分比之间， 其中包括边界值。

此外，第一和/或第二波长转换层也能够是通过将浇注材料浇注而产 生的层，其中将波长转换材料的颗粒引入到浇注材料中。这种波长转换 层优选地具有200μm和400μm之间的厚度，其中包括边界值。这种层 的颗粒密度优选为0.5%体积百分比和2%体积百分比之间，其中包括边 界值。

单独制造的、随后例如施加在半导体本体的辐射出射面上或第一波 长转换层上的波长转换层能够借助于接合层来固定。接合层例如能够包 括硅树脂或由硅树脂制成。

优选地，第一波长转换层和第二波长转换层构成共同的边界面。

根据发射辐射的半导体芯片的一个实施形式，两个波长转换层中的 一个，也就是说第一波长转换层或第二波长转换层以直接接触的方式施 加到半导体本体的辐射出射面上。

尤其优选地，第一波长转换层具有唯一的第一波长转换材料。第二 波长转换层尤其优选地也具有唯一的第二波长转换材料。通过将波长转 换材料在不同层中空间分隔，能够有利地提高具有半导体芯片的发射辐 射的器件的效率，因为由此例如能够减少通过另一波长转换材料再吸收 已经通过所述一种波长转换材料转换的辐射。

尤其优选地，第一波长转换材料和/或第二波长转换材料选自：由稀 土金属掺杂的石榴石、由稀土金属掺杂的碱土金属硫化物、由稀土金属 掺杂的硫代镓酸盐，由稀土金属掺杂的铝酸盐、由稀土金属掺杂的正硅 酸盐、由稀土金属掺杂的氯代硅酸盐、由稀土金属掺杂的碱土金属氮化 硅、由稀土金属掺杂的氧氮化物和由稀土金属掺杂的氮氧化铝、由稀土 金属掺杂的氮化硅。

此外，能够将氧化物、氮化物、硫化物、硒化物和氮氧化硅用作第 一和/或第二波长转换材料。

优选地，第一和/或第二波长转换材料的颗粒具有2μm和20μm之 间的直径，其中包括边界值。

在此处需要指出，本方法没有局限于施加刚好两个波长转换层。相 反地，能够根据本方法借助在此描述的方法将其他的波长转换层施加到 半导体本体上。

根据发射辐射的半导体芯片的另一个优选的实施形式，具有下述波 长转换材料的波长转换层与另一波长转换层相比更靠近半导体本体设 置，所述波长转换材料与另一波长转换材料相比将第一波长范围的辐射 转换成更长波的波长范围。以所述方法和方式能够有利地避免：已经转 换的辐射由随后的波长转换层吸收从而降低辐射产额。

此外，尤其在转换成长波的辐射时由于大的斯托克斯位移形成相对 大的热量，所述热量通过靠近半导体本体设置而能够有效地从波长转换 材料中导出，因为半导体本体用作热沉。

根据半导体芯片的一个实施形式，第二波长转换材料的颗粒具有 10%体积百分比和55%体积百分比之间的颗粒密度，其中包括边界值。 颗粒密度为10%体积百分比和55%体积百分比之间的波长转换材料的 颗粒的波长转换层尤其能够通过注射成型或印刷来制造。

根据半导体芯片的一个实施形式，半导体本体的侧面完全由第一波 长转换层覆盖。这种波长转换层尤其能够借助电泳来制造。

根据半导体芯片的另一个实施形式，更靠近半导体本体设置的波长 转换层的侧面完全由另一波长转换层覆盖。这种波长转换层同样尤其能 够借助于电泳来制造。

对一个波长转换层的侧面和/或半导体本体的侧面的覆盖有利地有 助于：减少通过侧向地从半导体本体和/或波长转换层射出的第一波长 范围的初级辐射造成的具有半导体芯片的发射辐射的组件的效率衰减。

此外，如果半导体芯片构建在壳体中，那么以所述方法和方式能够 减小放射特性中的例如环状或带状的色彩不均匀度，以及必要时减小壳 体老化。

根据方法的一个实施形式，将半导体本体施加在承载体上或器件壳 体的凹部中并且承载体的表面或至少凹部的底面完全由第一波长转换 层所覆盖。这通常是下述情况，波长转换层借助于沉降或电泳来制造。

优选地，第一和/或第二波长转换材料仅部分地转换半导体本体的辐 射。尤其优选地，将半导体本体的未转换的辐射与波长转换材料的转换 的辐射混合，使得半导体芯片发射具有在CIE标准色板的白色区域中的 色度坐标的混合色的辐射。

尤其优选地，半导体本体发射蓝色光谱范围的辐射。也就是说，第 一波长范围尤其包括蓝色辐射。

发射蓝色辐射的半导体本体通常基于氮化物化合物半导体材料。氮 化物化合物半导体材料是包含氮并且源自体系In_xAl_yGa_1-x-yN的化合物 半导体材料，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。

根据半导体芯片的一个实施形式，半导体本体发射蓝色辐射，所述 蓝色辐射通过波长转换材料中的一种转换成红色光谱范围的辐射。尤其 优选地，在此为第二波长转换材料。在此，具有第二波长转换材料的第 二波长转换层尤其优选地直接地施加到半导体本体的辐射出射面上。在 所述实施形式中，另一种波长转换材料优选地将半导体本体的蓝色辐射 的另一部分转换成绿色光谱范围的辐射。

根据半导体芯片的另一个优选的实施形式，半导体本体发射蓝色辐 射，所述蓝色辐射由第一波长转换层的第一波长转换材料优选地转换成 黄色光谱范围的辐射。优选地，在此，将半导体本体的蓝光与转换的光 混合，使得半导体芯片发射具有在CIE标准色板的暖白色区域中的色度 坐标的电磁辐射。

在所述实施形式中也可能的是，第二波长转换材料将蓝色辐射的另 一部分同样也转换成黄色光谱范围的辐射。替选地，也可能的是，第二 波长转换材料将蓝色辐射的另一部分转换成红色或绿色光谱范围的辐 射。

此外，也能够应用第三波长转换材料。

根据半导体芯片的另一个实施形式，半导体本体发射蓝色辐射，所 述蓝色辐射由第一波长转换材料转换成绿色光谱范围的辐射。优选地， 将半导体本体的未转换的蓝光与转换的光混合，使得半导体芯片发射白 光。这种发射辐射的半导体芯片尤其适合于显示器的背光照明。

此外也可能的是，半导体本体发射紫外辐射，所述紫外辐射由第一 和/或第二波长转换材料几乎完全地转换成可见光。

根据半导体芯片的一个实施形式，将下述波长转换材料更靠近半导 体本体设置，所述波长转换材料与另一波长转换材料相比更强地散射半 导体本体的辐射。尤其优选地，将具有下述波长转换材料的波长转换层 以直接接触的方式施加到半导体本体的辐射出射面上，所述波长转换材 料与另一种波长转换材料相比更强地散射半导体本体的辐射。这能够为 具有半导体芯片的组件带来效率优点，因为半导体本体的反射率通常优 于器件壳体的或承载体的反射率。

下述半导体芯片通常有利地发射具有与立体角相关的相对均匀的 色度坐标的辐射，所述半导体芯片根据本方法制成，从而具有以电泳的 方式或借助于沉降产生的波长转换层并且包括具有另一波长转换材料 的另一波长转换层。

关于制造方法描述的特征同样也能够用在半导体芯片中，并且反之 亦然。

附图说明

本发明的其他有利的实施形式和改进形式从在下文中结合附图描 述的实施例中得出。

图1A至1C示出根据第一实施例的不同方法阶段期间的发射辐射的 半导体芯片的示意剖面图。

图2A和2B分别示出根据另外的第二实施例的发射辐射的半导体芯 片的示意剖面图。

图3A至3D示出根据一个实施例的不同方法阶段期间的发射辐射的 器件的示意剖面图。

图4示出根据另一实施例的发射辐射的半导体芯片的示意剖面图。

图5A至5B示出根据另一实施例的不同方法阶段中的发射辐射的半 导体芯片的示意剖面图。

图6至9示出根据其他实施例的发射辐射的半导体芯片的示意剖面 图。

具体实施方式

相同的、相同类型的或起相同作用的元件在图中设有相同的附图标 记。图和在图中示出的元件彼此间的大小关系不能够视作是按照比例 的。相反地，为了更好的可视性和/或为了更好的理解，能够夸大地示 出各个元件，尤其是层厚度。

在根据图1A至1C的实施例的方法中，在第一方法步骤中提供半导 体本体1，所述半导体本体设置用于从辐射出射面2射出第一波长范围 的电磁辐射（图1A）。半导体本体1具有产生辐射的有源区3，所述有 源区设置用于产生电磁辐射。

有源区3优选地包括用于产生辐射的pn结、双异质结构、单量子 阱或尤其优选多量子阱结构（MQW）。术语量子阱结构在此不包含关于 量子化的维数的说明。因此，所述量子阱结构还包括量子槽、量子线和 量子点以及所述结构的任意组合。

目前，有源区3产生蓝色光谱范围的电磁辐射。

在下一个方法步骤中，将单独制造的第二波长转换层4施加到半导 体本体1的辐射出射面2上（图1B）。第二波长转换层4借助接合层5 固定在半导体本体1上，所述接合层目前具有硅树脂或者由硅树脂制成。

第二波长转换层4具有第二波长转换材料6，所述第二波长转换材 料将第一波长范围的辐射转换成第三波长范围的辐射，所述第三波长范 围不同于第一波长范围。第二波长转换材料6嵌入到浇注材料7中，其 中所述浇注材料例如能够为硅树脂、环氧树脂或混合材料。第二波长转 换层4目前借助于注射成型法来制造。

在下一个方法步骤中，借助于电泳法以直接接触的方式将第一波长 转换层8施加到第二波长转换层4上（图1C）。第一波长转换层8具有 第一波长转换材料9，所述第一波长转换材料将第一波长范围的辐射转 换成第二波长范围的辐射，所述第二波长范围不同于第一和第三波长范 围。

因为第一波长转换层8借助于电泳法来施加，那么所述第一波长转 换层有利地除第二波长转换层4的主面10之外也完全地覆盖第二波长 转换层的侧面11以及半导体本体1的侧面12。以该方法和方式，能够 提高具有半导体本体1的组件的效率，因为侧向地从半导体本体1或第 二波长转换层4射出的辐射没有丢失。

目前第二波长转换层4具有第二波长转换材料6，所述第二波长转 换材料适合于将由半导体本体1在其有源区3中产生的蓝色光谱范围的 辐射的一部分转换成红色光谱范围的辐射。

此外，第一波长转换层8的第一波长转换材料9适合于将半导体本 体1的蓝色辐射的其他部分转换成黄色光谱范围的辐射。第一波长转换 层8和第二波长转换层4各转换的辐射部分目前与剩余的未转换的蓝色 辐射混合成暖白色的混合辐射。

替代如同在图1C的实施例中的注射成型的小板作为第二波长转换 层4，例如也能够应用陶瓷小板，如同示意地在图2A中示出。陶瓷例 如具有下述优点：陶瓷能够良好地将在波长转换时出现的热量向外导 出。

在根据图2B的实施例的半导体芯片中，不同于根据图1C的实施例 的半导体芯片的是，第一波长转换层8借助于沉降施加在第二波长转换 层4上。因此，不同于根据图1C的半导体芯片，半导体本体1的侧面 12和第二波长转换层4的侧面11不具有第一波长转换层8。此外，将 半导体芯片嵌入到浇注材料7中，从所述浇注材料中沉降第一波长转换 材料9的颗粒。

根据一个实施例的沉降法的执行在下文中根据图3A至3D来描述。

在第一步骤中，将第二波长转换层4压印到半导体本体1上（图3A）。 在此，例如丝网印刷合适作为印刷法。印刷引入有第二波长转换材料6 的颗粒的浇注材料7。

在下一个步骤中，将具有第二波长转换层4的半导体本体1安装到 器件壳体15的凹部14的底面13上（图3B）。

在下一个步骤中，将引入有第一波长转换材料9的颗粒的浇注材料 4填充到凹部14中（图3C）。在少许时间之后，第一波长转换材料9 的颗粒通过沉降而沉淀在第二波长转换层4的主面10上以及凹部14的 底面13上。半导体本体1的侧面12在此保持不具有第一波长转换层8 （图3D）。

此外，也可能的是，将半导体本体单独地、在没有安装到器件壳体 中的情况下借助于沉降而设有波长转换层。对此，优选地，能够应用具 有暂时的辅助凹部的承载体。

不同于根据图3D的实施例的半导体芯片，在根据图4的半导体芯 片中，将第一波长转换层8借助于电泳法施加到印刷的第二波长转换层 4上。在此，不同于图3D的实施例，也用第一波长转换层8覆盖半导 体本体1的侧面12。为了执行电泳法，能够将半导体本体1施加在承载 体16上。承载体16的空出的表面也完全地被第一波长转换层8所覆盖。

在根据图5A和5B的方法中，在提供在承载体16上的半导体本 体1上，借助于电泳法将第一波长转换层8施加到半导体本体1的辐射 出射面2上及其侧面12上（图5A）。承载体16的空出的表面在此也完 全地被第一波长转换层8所覆盖。

在下一个方法步骤中（图5B），将另一个单独制造的第二波长转 换层4施加到第一波长转换层8上（图5B）。第二波长转换层4例如借 助于注射成型法来产生。替选地，第二波长转换层也能够是陶瓷小板。 将第二波长转换层4借助于接合层5固定在第一波长转换层8上。

根据图5B的半导体芯片的第一波长转换层8优选地具有第一波 长转换材料9，所述第一波长转换材料将半导体本体1的蓝色辐射转换 成红色辐射。因为电泳沉积的第一波长转换层8设置成与半导体本体1 直接接触并且具有相对高的颗粒密度，所以以该方法和方式，由于斯托 克斯位移在第一波长转换层8中出现的热量能够容易地输出到半导体本 体上。第二波长转换材料6优选地将半导体本体1的蓝色辐射转换成黄 色辐射。

不同于根据图5B的半导体芯片，在根据图6的实施例的半导体 芯片中，第二波长转换层4借助于印刷来制造。

不同于根据图5B的半导体芯片，在根据图7的实施例中，第一 波长转换层8借助于沉降施加到第二波长转换层4上。

图8示出具有半导体本体1的半导体芯片的示意剖面图，在所述 半导体本体的辐射出射面2上借助于沉降施加第一波长转换层8，此外 以直接接触的方式将借助于印刷来制造的第二波长转换层4设置到所述 第一波长转换层上。

不同于图8的半导体芯片，在图9的半导体芯片中，第二波长转 换层4借助于注射成型在单独的方法步骤中产生并且施加到借助于沉降 法产生的第一波长转换层8上。

本申请要求德国申请DE10 2010 053 362.9的优先权，其公开内 容在此通过参引并入本文。

本发明不局限于根据实施例进行的描述。相反地，本发明包括每 个新特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的 任意的组合，即使所述特征或所述组合自身没有明确地在权利要求中或 实施例中说明时也如此。