專利名稱：產生輻射的半導體芯片和發光二極管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種產生輻射的半導體芯片，該芯片具有一個包括一個產生輻射區域的有源層以及具有側向界定該有源層的延伸方向內的半導體的橫側和縱側。此外，本發明涉及一個用這種半導體芯片制成的發光二極管。
背景技術：
這種半導體芯片可從Song Jae lee和Seok Won Song發表的題為“基于幾何變形的芯片的發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關于發光二極管研究、制造和應用，圣約瑟，加利福利亞，1999年1月，237～248頁。該文描述的一種半導體芯片的半導體本體具有一層下覆蓋層、一個有源區和一層上覆蓋層。在一種實施形式中，該半導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，從有源區射出的光束至少在側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面上。由于半導體芯片的吸收，發光效率是有限的。
公知的半導體芯片用于高光功率的場合會產生許多困難。因為高的光功率需要大電流通過半導體芯片。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生的熱隨半導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體芯片一般都具有特別大的橫截面面積。
但在半導體芯片的厚度不變的情況下，這會導致這樣的后果從產生光線的有源區的光點看去，只在一個較小的立體角下露出半導體芯片的側面。所以，按百分率計，只有很少的光束直接射到半導體芯片的側面上。雖然原則上可通過按比例增加半導體芯片橫截面尺寸的厚度，從而獲得大的側面來消除此缺陷，但由于工藝上的原因，這是難于實現的。此外，例如在市場上只能買到具有預定厚度的襯底。
發明內容
本發明的目的是，提出一種適用于高輻射功率的半導體芯片來改善半導體芯片內產生的輻射的輸出。此外，本發明的目的是提出一種具好改善輻射效率的發光元件。
根據本發明，這個目的是通過至少一個作為輸出面用的半導體芯片的縱側在有源區的延伸方向內比一個橫側長來實現的。
為了獲得一個適用于高光功率的半導體芯片，首先需要選用很大的側向橫截面來散掉產生的損耗熱量。這里所謂的橫向橫截面是指一個沿著有源區延伸的橫截面的面積。特別是在一種具有很小導熱率的材料時，該橫向橫截面必須選擇得很大，才能導散在有源區內產生的損耗熱量。通過縱側相對于橫側的延長可影響橫截面面積與側面積之和的比例。特別是通過縱側相對于橫側的延長可降低橫截面面積與側面積之和的比例。這樣橫截面面積與光線輸出的側面積之和的比例就變得有利得多。所以與縱側和橫側同等延長的情況比較，從有源區看去，縱側暴露在一個較大的立體角下面。因而直接射到一個側面上的輻射的百分率較高，輻射在半導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面吸收的幾率較小。
由于這些原因，縱側比橫側長的半導體芯片在相同橫截面面積時比具有相同長度側面的半導體芯片具有較好的輻射效率。
在一個優選的實施形式中，有源區位于一個有源層內，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上，所以從有源層看去，側面被暴露在一個增大的立體角下面，從而導致特別高的發光效率。
下面結合附圖來詳細說明本發明。其中圖1a和b本發明半導體芯片的一個橫截面和一個縱截面的示意圖；圖2a和b一只發光二極管的橫截面和一只發光二極管的俯視圖的示意圖，該發光二極管裝有圖1a和b的半導體芯片；圖3a和b 另一只發光二極管的橫截面和另一只發光二極管的俯視圖的示意圖，該發光二極管配有圖1a和b的半導體芯片；圖4一個設置了一層接觸層的半導體芯片的示意放大俯視圖；圖5另一個半導體芯片的橫截面示意圖；圖6一種變型的半導體芯片的一個橫截面示意圖；圖7另一個變型的半導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的半導體芯片1的橫截面。有源層2一般為一層含有一個輻射區的導電層或最好在一個多層結構內的層序列。有源層2設置在一個襯底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。半導體芯片1具有縱側6。
該襯底一般被一種介質包圍，這種介質的折射率比該襯底的折射率小。由于在襯底側面上例如圖1a中縱側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時的全反射極限角的角度下從襯底射到側面上的光線才可通過側面。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面上時，從一個光點發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的襯底側面上。
在圖1a所示的情況中，從有源層2的一個發出輻射的光點7起，由襯底3形成的縱側6的區域都暴露在一個立體角ω1下面。這個立體角ω1如此之大，以致全部從光點發出的并在位于襯底3中的光出射錐體8的部分以內延伸的光束都射到縱側6上并輸出。
圖1b表示半導體芯片1的縱截面。從光點7起，由襯底3形成的橫側9的區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以內的全部光束都射到橫側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6選擇得盡量長一些，乃是有好處的。此外，橫側9應至少選擇這樣短，使在光出射錐體8中位于離一個縱側6最遠的光點發出的光束可直接射到該縱側6上。通過縱側6相對于橫側9的增加可獲得側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6和橫側9的長度不同時的側面積與有源面積之比大于在縱側6和橫側9的長度相同時的側面積與有源面積之比。
在襯底中的光出射錐體8的部分以內延伸的光束可無阻礙地射到縱側6上以及側面積與有源面積的有利比例這一事實導致了這樣的結果半導體芯片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體芯片1的發光二極管元件10的橫截面和俯視圖。縱向延伸的半導體芯片1平行并排布置、其縱側的長度與橫側的長度之比至少為10∶1，所以總體上講，發光二極管10具有一個大致呈方形的基面。在這些半導體芯片1之間設置有隔離壁11。半導體芯片1和隔離壁11用一個管座12蓋住。半導體芯片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用來把半導體芯片1側向發射的輻射離開載體13偏轉到透鏡體14中。通過隔離壁11特別防止了從半導體芯片1之一發出的輻射被相鄰的半導體芯片之一吸收。
圖3a和3b表示另一個實施形式的一個發光二極管元件5，此時中間的半導體芯片被一個寬的隔離壁16代替，該隔離壁在其上側具有壓焊絲18的一個接觸面17。壓焊絲18從接觸面17引到半導體芯片1上的接觸面19。
為了把從半導體芯片1發射的輻射聚焦在一個背離載體13的發射方向內，發光二極管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體芯片1。
圖4表示用于發光二極管元件10或15的半導體芯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的詳細結構。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沿半導體芯片1的周邊構成框架狀。接觸線路24的這種結構保證了有源層2上的電流的均勻分布。此外，通過接觸線路沿著半導體芯片1的周邊的這種框架結構，避免了電位波動。
圖5表示另一個變型的半導體芯片26的橫截面。這里的半導體芯片26具有一個包括有源層2的多層結構27。多層結構27設置在一個輻射能穿透的襯底3上并在背離襯底3的一側上被一個上電極28覆蓋。在這個電極28對面的該襯底設置了一個下電極29。
與多層結構27鄰接的一側上，襯底3具有傾斜的側面6，該斜側面與多層結構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面過渡成垂直于多層結構27或垂直于有源層2布置的側面。
在襯底的折射率大于多層結構的折射率時，襯底3的傾斜側面6的傾角θ最好大于由多層結構27和襯底3構成的界面31的臨界角(該臨界角的值等于從襯底3過渡到多層結構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所示半導體芯片26時，縱側6比橫側9的增加也產生特別有利的作用。
多層結構例如可以是一種GaN基的半導體結構。作為半導體材料GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN是特別適用的。這種多層結構通常用外延法制成。
根據本發明，多層結構27最好生長在一種輻射能穿透的襯底上，半導體芯片的襯底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電性。特別是，SiC的折射率大于GaN基的多層結構的折射率。這樣，在有源層產生的輻射進入該襯底時就不會產生全反射。
與下電極29鄰接的襯底3的區域最好呈立體方形或方形。通過與這個區域內相互正交或平行的界面的這種造型簡化了半導體芯片的安裝。特別是，在用為安裝常規的方形或立方形的芯片設計的自動裝配設備時，尤其如此。
圖6和7分別表示本發明的另一種實施例，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對面的縱側首先夾成一個銳角β。縱側6朝下電極29的方向不斷延伸。縱側6構成凹面并連續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。
應當指出，原則上傾斜的縱側6也可由相互錯開布置的部分面構成一個菲涅耳透鏡。在這種情況中，至少應注意保持半導體芯片1的矩形橫截面的平面圖。
還應當指出，半導體芯片1或26的平面圖不必為矩形，半導體芯片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。
對半導體芯片1和26相對于一個具有方形平面的常規芯片在發光效率方面的提高曾經進行過詳細計算，其結果如下。
例1一個In GaN半導體芯片具有一個增大4倍的有源面積。估算結果可從表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。
表1
例2具有傾斜側邊的圖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所示的半導體芯片26提高了1.8倍，而圖1a和1b所示的半導體芯片1則大致增加了15％。所以，縱側6相對于橫側9的延長可明顯提高發光效率。
應當指出，這里提出的考慮也適用這樣的半導體芯片，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，為了導散在有源區產生的損耗熱量，有源層本身應具有足夠良好的導熱率；與此相反，當襯底具有不良的導熱率時，則需要大的橫截面面積。
權利要求
1.產生輻射的半導體芯片，具有一層包括一個發射電磁輻射的區域的有源層(2)和一個該輻射能穿透的襯底(3)，在該襯底上設置該有源層，該半導體芯片具有橫側(9)和縱側(6)，它們側向界定有源區延伸方向上的半導體芯片，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(6)在該有源區的延伸方向內比一個橫側(9)長。
2.按權利要求1的半導體芯片，其特征為，該半導體芯片具有一個包括有源層(2)的多層結構(27)，該多層結構布置在襯底(3)上。
3.按權利要求1或2的半導體芯片，其特征為，縱側(6)和橫側(9)界定有源層(2)在其側向內的延伸。
4.按權利要求1至3任一項的半導體芯片，其特征為，作為輸出面用的縱側(6)在有源層(2)的延伸方向上至少兩倍于橫側(9)的長度。
5.按權利要求1至3任一項的半導體芯片，其特征為，作為輸出面用的縱側(6)在有源層(2)的延伸方向上至少具有一個橫側(9)的10倍的長度。
6.按權利要求1至5任一項的半導體芯片，其特征為，襯底(3)作成平行六面體。
7.按權利要求1至6任一項的半導體芯片，其特征為，半導體芯片(3)朝有源層(2)對面的基面方向呈錐形縮小。
8.按權利要求7的半導體芯片，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)的延伸方向的側面。
9.按權利要求1至8任一項的半導體芯片，其特征為，在該半導體芯片的表面之一上設置從一個連接面(23)引出的電流擴展橋形接片(24)。
10.按權利要求9的半導體芯片，其特征為，分支線(25)從電流擴展橋形接片(24)分接。
11.按權利要求2至10任一項的半導體芯片，其特征為，該襯底的折射率大于該多層結構的折射率。
12.按權利要求2至10任一項的半導體芯片，其特征為，該多層結構含有GaN、InGaN、AlGaN或InAlGaN。
13.按權利要求1或12的半導體芯片，其特征為，該有源層含有GaN、InGaN、AlGaN或InAlGaN。
14.按權利要求1至13任一項的半導體芯片，其特征為，該襯底是一個SiC襯底(3)。
15.按權利要求2至14任一項的半導體芯片，其特征為，多層結構(27)用外延法制成。
16.按權利要求15的半導體芯片，其特征為，襯底(3)用一種外延制造多層結構(27)所用的外延襯底制成。
17.發光二極管，其特征為，該發光二極管包括一個按權利要求1至15任一項所述的半導體芯片。
18.按權利要求17的發光二極管，其特征為，反射器(11)沿該半導體芯片的縱側(6)延伸。
全文摘要
本發明提出了高功率發光二極管用的半導體芯片(1)，其縱側比其橫側長得多，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 優先權日2000年8月11日
發明者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體有限責任公司