專利名稱：產(chǎn)生輻射的半導(dǎo)體芯片和發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生輻射的半導(dǎo)體芯片，該芯片具有一個包括一個產(chǎn)生輻射區(qū)域的有源層以及具有側(cè)向界定該有源層的延伸方向內(nèi)的半導(dǎo)體的橫側(cè)和縱側(cè)。此外，本發(fā)明涉及一個用這種半導(dǎo)體芯片制成的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
這種半導(dǎo)體芯片可從Song Jae lee和Seok Won Song發(fā)表的題為“基于幾何變形的芯片的發(fā)光二極管的有效改進(EfficiencyImprovement in Light-Emitting Diodes Based on GeometricallyDeformed Chips)”的文章中得知，見SPIE會議錄III關(guān)于發(fā)光二極管研究、制造和應(yīng)用，圣約瑟，加利福利亞，1999年1月，237～248頁。該文描述的一種半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體本體具有一層下覆蓋層、一個有源區(qū)和一層上覆蓋層。在一種實施形式中，該半導(dǎo)體芯片做成具有一個菱形的基面。在這種菱形基面的情況下，從有源區(qū)射出的光束至少在側(cè)面上幾次全反射以后才以一個小于全射極限角的角度射到一個側(cè)面上。由于半導(dǎo)體芯片的吸收，發(fā)光效率是有限的。
公知的半導(dǎo)體芯片用于高光功率的場合會產(chǎn)生許多困難。因為高的光功率需要大電流通過半導(dǎo)體芯片。其中，光功率和需要的電流強度之間存在一種非線性的關(guān)系。亦即需要的電流強度隨光功率的增加而超比例地增加。所以橫截面面積的每單位面積產(chǎn)生的熱隨半導(dǎo)體芯片的光功率的增加而超比例地增加。為了限制熱負荷，必須通過增加橫截面面積來降低電流密度。因此，具體高光功率的半導(dǎo)體芯片一般都具有特別大的橫截面面積。
但在半導(dǎo)體芯片的厚度不變的情況下，這會導(dǎo)致這樣的后果從產(chǎn)生光線的有源區(qū)的光點看去，只在一個較小的立體角下露出半導(dǎo)體芯片的側(cè)面。所以，按百分率計，只有很少的光束直接射到半導(dǎo)體芯片的側(cè)面上。雖然原則上可通過按比例增加半導(dǎo)體芯片橫截面尺寸的厚度，從而獲得大的側(cè)面來消除此缺陷，但由于工藝上的原因，這是難于實現(xiàn)的。此外，例如在市場上只能買到具有預(yù)定厚度的襯底。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提出一種適用于高輻射功率的半導(dǎo)體芯片來改善半導(dǎo)體芯片內(nèi)產(chǎn)生的輻射的輸出。此外，本發(fā)明的目的是提出一種具好改善輻射效率的發(fā)光元件。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的是通過至少一個作為輸出面用的半導(dǎo)體芯片的縱側(cè)在有源區(qū)的延伸方向內(nèi)比一個橫側(cè)長來實現(xiàn)的。
為了獲得一個適用于高光功率的半導(dǎo)體芯片，首先需要選用很大的側(cè)向橫截面來散掉產(chǎn)生的損耗熱量。這里所謂的橫向橫截面是指一個沿著有源區(qū)延伸的橫截面的面積。特別是在一種具有很小導(dǎo)熱率的材料時，該橫向橫截面必須選擇得很大，才能導(dǎo)散在有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的損耗熱量。通過縱側(cè)相對于橫側(cè)的延長可影響橫截面面積與側(cè)面積之和的比例。特別是通過縱側(cè)相對于橫側(cè)的延長可降低橫截面面積與側(cè)面積之和的比例。這樣橫截面面積與光線輸出的側(cè)面積之和的比例就變得有利得多。所以與縱側(cè)和橫側(cè)同等延長的情況比較，從有源區(qū)看去，縱側(cè)暴露在一個較大的立體角下面。因而直接射到一個側(cè)面上的輻射的百分率較高，輻射在半導(dǎo)體芯片中通過的光程也因此變得較短。所以輻射中途被一個側(cè)面吸收的幾率較小。
由于這些原因，縱側(cè)比橫側(cè)長的半導(dǎo)體芯片在相同橫截面面積時比具有相同長度側(cè)面的半導(dǎo)體芯片具有較好的輻射效率。
在一個優(yōu)選的實施形式中，有源區(qū)位于一個有源層內(nèi)，該有源層布置在一個輻射能穿透的襯底上，該襯底朝該有源層對面的襯底的基面方向呈錐形縮小。
由于從有源層發(fā)出的輻射可通過輻射能穿透的襯底，而且一般都在一個小于全反射角的角度下入射到傾斜的縱側(cè)上，所以從有源層看去，側(cè)面被暴露在一個增大的立體角下面，從而導(dǎo)致特別高的發(fā)光效率。


下面結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明。其中圖1a和b本發(fā)明半導(dǎo)體芯片的一個橫截面和一個縱截面的示意圖；圖2a和b一只發(fā)光二極管的橫截面和一只發(fā)光二極管的俯視圖的示意圖，該發(fā)光二極管裝有圖1a和b的半導(dǎo)體芯片；圖3a和b 另一只發(fā)光二極管的橫截面和另一只發(fā)光二極管的俯視圖的示意圖，該發(fā)光二極管配有圖1a和b的半導(dǎo)體芯片；圖4一個設(shè)置了一層接觸層的半導(dǎo)體芯片的示意放大俯視圖；圖5另一個半導(dǎo)體芯片的橫截面示意圖；圖6一種變型的半導(dǎo)體芯片的一個橫截面示意圖；圖7另一個變型的半導(dǎo)體芯片的一個橫截面示意圖。
具體實施例方式
圖1a表示一個具有一層有源層2的半導(dǎo)體芯片1的橫截面。有源層2一般為一層含有一個輻射區(qū)的導(dǎo)電層或最好在一個多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層序列。有源層2設(shè)置在一個襯底3上，來自有源層2的輻射可以穿透該襯底。此外，還有例如作為接觸層用的一層下覆蓋層4和一層上覆蓋層5。半導(dǎo)體芯片1具有縱側(cè)6。
該襯底一般被一種介質(zhì)包圍，這種介質(zhì)的折射率比該襯底的折射率小。由于在襯底側(cè)面上例如圖1a中縱側(cè)6上的全反射，所以只有那些在一個小于從襯底過渡到相鄰介質(zhì)時的全反射極限角的角度下從襯底射到側(cè)面上的光線才可通過側(cè)面。這個角度在下面也簡稱為全反射角。
所以，在輸出到一個襯底側(cè)面上時，從一個光點發(fā)出的光束必須在一個光出射錐體中延伸，該錐體的中軸線是通過該光點延伸的襯底側(cè)面的平面垂線。該光出射錐體的張角是全反射角的二倍。當從光點發(fā)出的光束在這個光出射錐體之外延伸時，則這些光束便全反射在相應(yīng)的襯底側(cè)面上。
在圖1a所示的情況中，從有源層2的一個發(fā)出輻射的光點7起，由襯底3形成的縱側(cè)6的區(qū)域都暴露在一個立體角ω1下面。這個立體角ω1如此之大，以致全部從光點發(fā)出的并在位于襯底3中的光出射錐體8的部分以內(nèi)延伸的光束都射到縱側(cè)6上并輸出。
圖1b表示半導(dǎo)體芯片1的縱截面。從光點7起，由襯底3形成的橫側(cè)9的區(qū)域都暴露在一個立體角ωq下面。立體角ωq比立體角ω1小得多，從光點7起，縱側(cè)6暴露在立體角ω1下面。特別是ω1如此之小，以致在位于襯底中的光出射錐體部分內(nèi)延伸的、可輸出的光束的一部分射到下覆蓋層4上而不被輸出。
雖然原則上可把襯底3的厚度增加到使光出射錐體8以內(nèi)的全部光束都射到橫側(cè)9上。但由于實際原因，這種可能性受到了很大的限制，因為市售的襯底3都是預(yù)先給定了厚度的，所以不可能任意選擇襯底3的厚度。因此，如果縱側(cè)6選擇得盡量長一些，乃是有好處的。此外，橫側(cè)9應(yīng)至少選擇這樣短，使在光出射錐體8中位于離一個縱側(cè)6最遠的光點發(fā)出的光束可直接射到該縱側(cè)6上。通過縱側(cè)6相對于橫側(cè)9的增加可獲得側(cè)面積與有源面積的有利比例。這里所謂的有源面積是指有源層2的面積。在相同有源面積的情況下，在縱側(cè)6和橫側(cè)9的長度不同時的側(cè)面積與有源面積之比大于在縱側(cè)6和橫側(cè)9的長度相同時的側(cè)面積與有源面積之比。
在襯底中的光出射錐體8的部分以內(nèi)延伸的光束可無阻礙地射到縱側(cè)6上以及側(cè)面積與有源面積的有利比例這一事實導(dǎo)致了這樣的結(jié)果半導(dǎo)體芯片1具有通過大電流負荷的能力而又同時具有良好的輻射輸出的特點。
圖2a和b分別表示一個裝有半導(dǎo)體芯片1的發(fā)光二極管元件10的橫截面和俯視圖?？v向延伸的半導(dǎo)體芯片1平行并排布置、其縱側(cè)的長度與橫側(cè)的長度之比至少為10∶1，所以總體上講，發(fā)光二極管10具有一個大致呈方形的基面。在這些半導(dǎo)體芯片1之間設(shè)置有隔離壁11。半導(dǎo)體芯片1和隔離壁11用一個管座12蓋住。半導(dǎo)體芯片1、隔離壁11和管座12布置在一個共同的載體13上并由一個例如用一種塑料制成的透鏡體14覆蓋。
隔離壁11和管座12用來把半導(dǎo)體芯片1側(cè)向發(fā)射的輻射離開載體13偏轉(zhuǎn)到透鏡體14中。通過隔離壁11特別防止了從半導(dǎo)體芯片1之一發(fā)出的輻射被相鄰的半導(dǎo)體芯片之一吸收。
圖3a和3b表示另一個實施形式的一個發(fā)光二極管元件5，此時中間的半導(dǎo)體芯片被一個寬的隔離壁16代替，該隔離壁在其上側(cè)具有壓焊絲18的一個接觸面17。壓焊絲18從接觸面17引到半導(dǎo)體芯片1上的接觸面19。
為了把從半導(dǎo)體芯片1發(fā)射的輻射聚焦在一個背離載體13的發(fā)射方向內(nèi)，發(fā)光二極管15具有一個透鏡體22，該透鏡體配有兩個透鏡狀的凸起并覆蓋半導(dǎo)體芯片1。
圖4表示用于發(fā)光二極管元件10或15的半導(dǎo)體芯1之一的放大俯視圖。從該圖中可特別清楚地看出接觸面19的詳細結(jié)構(gòu)。接觸面19具有一個中心連接面23，例如壓焊絲連接用的一個壓焊面，從該處分出具有分支線25的接觸線路24。接觸線路24沿半導(dǎo)體芯片1的周邊構(gòu)成框架狀。接觸線路24的這種結(jié)構(gòu)保證了有源層2上的電流的均勻分布。此外，通過接觸線路沿著半導(dǎo)體芯片1的周邊的這種框架結(jié)構(gòu)，避免了電位波動。
圖5表示另一個變型的半導(dǎo)體芯片26的橫截面。這里的半導(dǎo)體芯片26具有一個包括有源層2的多層結(jié)構(gòu)27。多層結(jié)構(gòu)27設(shè)置在一個輻射能穿透的襯底3上并在背離襯底3的一側(cè)上被一個上電極28覆蓋。在這個電極28對面的該襯底設(shè)置了一個下電極29。
與多層結(jié)構(gòu)27鄰接的一側(cè)上，襯底3具有傾斜的側(cè)面6，該斜側(cè)面與多層結(jié)構(gòu)27的垂線形成一個傾斜角θ。沿下電極29的方向，這些傾斜的固定的側(cè)面過渡成垂直于多層結(jié)構(gòu)27或垂直于有源層2布置的側(cè)面。
在襯底的折射率大于多層結(jié)構(gòu)的折射率時，襯底3的傾斜側(cè)面6的傾角θ最好大于由多層結(jié)構(gòu)27和襯底3構(gòu)成的界面31的臨界角(該臨界角的值等于從襯底3過渡到多層結(jié)構(gòu)27的全反射角的值)。通過這種造型明顯地增加了光出射錐體8的立體角。所以，在圖5所示半導(dǎo)體芯片26時，縱側(cè)6比橫側(cè)9的增加也產(chǎn)生特別有利的作用。
多層結(jié)構(gòu)例如可以是一種GaN基的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。作為半導(dǎo)體材料GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN是特別適用的。這種多層結(jié)構(gòu)通常用外延法制成。
根據(jù)本發(fā)明，多層結(jié)構(gòu)27最好生長在一種輻射能穿透的襯底上，半導(dǎo)體芯片的襯底3也用這種襯底制成。SiC襯底特別適用作外延襯底，這種襯底具有良好的輻射穿透性和導(dǎo)電性。特別是，SiC的折射率大于GaN基的多層結(jié)構(gòu)的折射率。這樣，在有源層產(chǎn)生的輻射進入該襯底時就不會產(chǎn)生全反射。
與下電極29鄰接的襯底3的區(qū)域最好呈立體方形或方形。通過與這個區(qū)域內(nèi)相互正交或平行的界面的這種造型簡化了半導(dǎo)體芯片的安裝。特別是，在用為安裝常規(guī)的方形或立方形的芯片設(shè)計的自動裝配設(shè)備時，尤其如此。
圖6和7分別表示本發(fā)明的另一種實施例，它們由于襯底3的特殊造型而同樣具有高的輸出率。在圖6所示的實施例中，襯底3與界面31對面的縱側(cè)首先夾成一個銳角β?？v側(cè)6朝下電極29的方向不斷延伸?？v側(cè)6構(gòu)成凹面并連續(xù)過渡以一個最好為方形或立方形的短墩30。
在圖7所示實施例中，取消了短墩30的造型。襯底3的整個厚度呈錐形縮小。
應(yīng)當指出，原則上傾斜的縱側(cè)6也可由相互錯開布置的部分面構(gòu)成一個菲涅耳透鏡。在這種情況中，至少應(yīng)注意保持半導(dǎo)體芯片1的矩形橫截面的平面圖。
還應(yīng)當指出，半導(dǎo)體芯片1或26的平面圖不必為矩形，半導(dǎo)體芯片1或26的平面圖也可具有傾斜的平行四邊形、梯形或多角形的形狀。
對半導(dǎo)體芯片1和26相對于一個具有方形平面的常規(guī)芯片在發(fā)光效率方面的提高曾經(jīng)進行過詳細計算，其結(jié)果如下。
例1一個In GaN半導(dǎo)體芯片具有一個增大4倍的有源面積。估算結(jié)果可從表1得知。表中最后三列分別給出了相對于標準芯片總輸出的輸出輻射的百分數(shù)。
表1

例2具有傾斜側(cè)邊的圖5所示芯片26與其他芯片的比較值如表2所示。其中的輸出輻射的百分數(shù)是相對于表1給出的標準芯片的總輸出而言的。
表2

與相同面積的大型芯片比較，圖5所示的半導(dǎo)體芯片26提高了1.8倍，而圖1a和1b所示的半導(dǎo)體芯片1則大致增加了15％。所以，縱側(cè)6相對于橫側(cè)9的延長可明顯提高發(fā)光效率。
應(yīng)當指出，這里提出的考慮也適用這樣的半導(dǎo)體芯片，即其有源面積具有相同長度的橫邊和縱邊，且其襯底具有縱長的形狀。特別是，為了導(dǎo)散在有源區(qū)產(chǎn)生的損耗熱量，有源層本身應(yīng)具有足夠良好的導(dǎo)熱率；與此相反，當襯底具有不良的導(dǎo)熱率時，則需要大的橫截面面積。
權(quán)利要求
1.產(chǎn)生輻射的半導(dǎo)體芯片，具有一層包括一個發(fā)射電磁輻射的區(qū)域的有源層(2)和一個該輻射能穿透的襯底(3)，在該襯底上設(shè)置該有源層，該半導(dǎo)體芯片具有橫側(cè)(9)和縱側(cè)(6)，它們側(cè)向界定有源區(qū)延伸方向上的半導(dǎo)體芯片，并通過它們輸出該輻射的至少一部分，其特征為，至少一個作為輸出面用的縱側(cè)(6)在該有源區(qū)的延伸方向內(nèi)比一個橫側(cè)(9)長。
2.按權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片，其特征為，該半導(dǎo)體芯片具有一個包括有源層(2)的多層結(jié)構(gòu)(27)，該多層結(jié)構(gòu)布置在襯底(3)上。
3.按權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體芯片，其特征為，縱側(cè)(6)和橫側(cè)(9)界定有源層(2)在其側(cè)向內(nèi)的延伸。
4.按權(quán)利要求1至3任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，作為輸出面用的縱側(cè)(6)在有源層(2)的延伸方向上至少兩倍于橫側(cè)(9)的長度。
5.按權(quán)利要求1至3任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，作為輸出面用的縱側(cè)(6)在有源層(2)的延伸方向上至少具有一個橫側(cè)(9)的10倍的長度。
6.按權(quán)利要求1至5任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，襯底(3)作成平行六面體。
7.按權(quán)利要求1至6任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，半導(dǎo)體芯片(3)朝有源層(2)對面的基面方向呈錐形縮小。
8.按權(quán)利要求7的半導(dǎo)體芯片，其特征為，襯底(3)具有一個朝有源層(2)的延伸方向傾斜的側(cè)面，在朝基面的方向，后接一個垂直于有源層(2)的延伸方向的側(cè)面。
9.按權(quán)利要求1至8任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，在該半導(dǎo)體芯片的表面之一上設(shè)置從一個連接面(23)引出的電流擴展橋形接片(24)。
10.按權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片，其特征為，分支線(25)從電流擴展橋形接片(24)分接。
11.按權(quán)利要求2至10任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，該襯底的折射率大于該多層結(jié)構(gòu)的折射率。
12.按權(quán)利要求2至10任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，該多層結(jié)構(gòu)含有GaN、InGaN、AlGaN或InAlGaN。
13.按權(quán)利要求1或12的半導(dǎo)體芯片，其特征為，該有源層含有GaN、InGaN、AlGaN或InAlGaN。
14.按權(quán)利要求1至13任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，該襯底是一個SiC襯底(3)。
15.按權(quán)利要求2至14任一項的半導(dǎo)體芯片，其特征為，多層結(jié)構(gòu)(27)用外延法制成。
16.按權(quán)利要求15的半導(dǎo)體芯片，其特征為，襯底(3)用一種外延制造多層結(jié)構(gòu)(27)所用的外延襯底制成。
17.發(fā)光二極管，其特征為，該發(fā)光二極管包括一個按權(quán)利要求1至15任一項所述的半導(dǎo)體芯片。
18.按權(quán)利要求17的發(fā)光二極管，其特征為，反射器(11)沿該半導(dǎo)體芯片的縱側(cè)(6)延伸。
全文摘要
本發(fā)明提出了高功率發(fā)光二極管用的半導(dǎo)體芯片(1)，其縱側(cè)比其橫側(cè)長得多，從而明顯地提高了光輸出。
文檔編號H01L33/24GK1913184SQ200610105928
公開日2007年2月14日 申請日期2001年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月11日
發(fā)明者J·保爾, D·埃澤爾特, M·費雷爾, B·哈恩, V·海勒, U·雅各布, W·普拉斯, U·斯特勞斯, J·維爾克爾, U·策恩德爾 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體有限責任公司