CN101689591A - 光电子半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光电子半导体芯片(1)，其具有：辐射穿通面(3)；接触金属化物(2a)，其被施加到辐射穿通面(3)上，以及第一反射性层序列(2b)，其被施加到接触金属化物(2a)的背离辐射穿通面(3)的表面上。此外，本发明还提出了一种带有这种芯片的光电子器件。

Description

光电子半导体芯片
本发明提出了一种光电子半导体芯片。
出版物WO 02/13281A1以及EP 0905797A2描述了光电子半导体芯片及其制造方法。
要解决的任务是，提出一种光电子半导体芯片，其可以特别有效地工作。
根据至少一个实施形式，光电子半导体芯片包括带有辐射穿通面的半导体本体。该辐射穿通面例如通过半导体本体的表面的一部分来形成。在半导体芯片中产生的电磁辐射可以通过辐射穿通面离开半导体本体。此外也可能的是，电磁辐射通过辐射穿通面从外部耦合输入到半导体本体中。
根据至少一个实施形式，光电子半导体芯片还包括接触金属化物。接触金属化物例如设置在光电子半导体芯片的辐射穿通面上。也就是说，接触金属化物于是被施加到光电子半导体芯片的辐射穿通面上，并且局部地或者至少局部地覆盖该辐射穿通面。借助接触金属化物可以例如n侧地或者p侧地电接触光电子半导体芯片。用于驱动芯片的电流于是借助接触金属化物注入到光电子半导体芯片中。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，第一反射性层序列施加到接触金属化物的背离辐射穿通面的表面上。也就是说，接触金属化物至少局部地被第一反射性层序列覆盖。
反射性层序列包括至少一个层。反射性层序列也可以包括多个层。该反射性层序列的特征在于，其(至少对于确定波长范围的电磁辐射)具有比接触金属化物更高的反射率。也就是说，与在电磁辐射入射到接触金属化物时的情况相比，至少一个确定的波长范围的电磁辐射被第一反射性层序列更好地反射。例如，与接触金属化物相比，第一反射性层序列对于光电子半导体芯片中产生的电磁辐射具有提高的反射率。
根据至少一个实施形式，光电子半导体芯片包括辐射穿通面、施加到辐射穿通面上的接触金属化物以及第一反射性层序列，其被施加到接触金属化物的背离辐射穿通面的表面上，其中反射性层序列设计用于将朝着接触金属化物向回反射的电磁辐射进行反射。
这里所描述的光电子半导体芯片在此尤其基于以下考虑：已表明的是，例如在将发光二极管芯片使用在其中将光向回反射到发光二极管芯片(也就是说例如向回反射到辐射穿通面上)的光学系统中时，重要的损耗机制在于光电子半导体芯片的接触金属化物具有低的反射率并且吸收向回反射的辐射。也就是说，在半导体芯片中产生的电磁辐射例如在设置在半导体芯片之后的光学元件上朝着半导体芯片的方向向回反射。该辐射的一部分在此可以射到接触金属化物上并且被其吸收。该被吸收的辐射例如失去了半导体芯片中的光子再利用。
借助设置在接触金属化物上的第一反射性层序列可能提高接触部位的反射率，该接触部位由接触金属化物与施加到接触金属化物上的第一反射性层序列组成。以这样的方式，反射回到发光二极管芯片上的电磁辐射并未消失，而是可以在第一反射性层序列上反射之后例如向回反射到光学系统中。反射性层序列对此优选具有对于半导体芯片中产生的电磁辐射至少90％的反射率。
接触金属化物例如是接合垫，其设计用于半导体芯片的线接触。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，第一反射性层序列包括至少一种金属。该金属可以是例如铝或银或这些金属的合金。此外可能的是，反射性层序列包括多个层，其分别由铝和/或银形成或包含铝和/或银。第一反射性层序列施加到其上的接触金属化物本身例如可以由金构成或者包含金。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，第一反射性层序列包括至少一个层，其包含介电材料。该层例如可以施加到第二反射性层序列的背离辐射穿通面的表面上并且形成反射性金属层的钝化。
但是也可能的是，第一反射性层序列包含相同或不同介电材料的多个层。例如，第一反射性层序列于是可以由带有较低的折射率的第一介电层的序列构成，其中在具有低折射率的两个层之间分别设置有至少一个具有较高的折射率的第二介电层。具有不同的折射率的交替的介电层于是例如可以形成布拉格反射器或者布拉格式的反射器。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，至少一个电流分布轨施加到光电子半导体芯片的辐射穿通面上。电流分布轨在此导电地与接触金属化物相连。电流分布轨设计为将借助接触金属化物注入的电磁电流分布到辐射穿通面上。通过这种方式可以实现的是，将电流尽可能均匀地馈送到光电子半导体芯片的有源区中。通过这种方式可以实现的是，可以在光电子半导体芯片的有源区中尽可能均匀地产生电磁辐射。在此，光电子半导体芯片可以包括多个电流分布轨，它们与接触金属化物导电地连接并且将电流分布到辐射穿通面上。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，电流分布轨包括电流分布金属化物，其被施加到光电子半导体芯片的辐射穿通面上。电流分布金属化物在此可以由与接触金属化物相同的材料形成并且例如在与接触金属化物相同的制造步骤中施加到半导体芯片的辐射穿通面上。电流分布金属化物包含例如如下材料中至少之一或者在此由例如如下材料中至少之一构成：金、透明导电氧化物(TCO)如ITO(氧化铟锡)。电流分布轨还包括第二反射性层序列，其施加到电流分布金属化物的背离辐射穿通面的表面上，其中第二反射性层序列设计用于将朝着电流分布金属化物向回反射的电磁辐射进行反射。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，第二反射性层序列包括至少一个层，其包含金属。该金属例如是铝、银或者由这两种金属构成的合金。例如，第二反射性层序列可以包括多个层，它们由铝和/或银构成或者包含铝和/或银。
根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，第二反射性层序列包括至少一个包含介电材料的层。该层例如可以施加到第二反射性层序列的背离辐射穿通面的表面上并且形成对反射性金属层的钝化。此外可能的是，第二反射性层序列包括多个介电层，其中例如彼此相邻的层可以具有不同的折射率，使得第二反射性层序列形成布拉格式的反射器或者布拉格反射器。
根据至少一个实施形式，第二反射性层序列在其组成方面与第一反射性层序列不同。这例如可以通过如下方式来实现：第二反射性层序列包括介电层，其中第一反射性层序列仅仅包括金属层。以此方式特别简单地可能的是，在制造第一和第二反射性层序列之后可以借助接触线在接触部位上电接触芯片，因为该接触部位并未被介电层覆盖。
然而可替选地，也可能的是，第一和第二反射性层序列相同地构建，并且两个层序列包括至少一个介电层。例如，于是可以借助刻蚀或者掩膜技术产生在接触线与接触金属化物之间的导电连接。
此外，本发明还提出了一种光电子半导体器件。根据光电子半导体器件的至少一个实施形式，该器件包括根据上面描述的实施例中的至少之一的光电子半导体芯片。此外，光电子半导体器件包括在发射方向上设置在光电子半导体芯片之后的光学滤波元件，其适于透射具有第一辐射特性的第一辐射成分并且反射与第一辐射特性不同的第二辐射特性的第二辐射成分。
光学滤波元件在此设置在光电子半导体芯片之后，使得在光电子半导体芯片工作中发射的电磁辐射的至少一部分(优选大部分)到达光学滤波元件并且在那里被透射或者反射。
不被光学滤波元件透射的、反射的辐射成分射到光电子半导体芯片的辐射穿通面上。在那里该辐射又耦合输入到光电子芯片中，或者在辐射穿通面上朝着光学滤波元件向回反射，或者在施加到接触金属化物或者施加到电流分布金属化物上的第一或者第二反射性层序列上朝着光学滤波元件向回反射。穿过辐射穿通面耦合输入到光电子半导体芯片中的电磁辐射可以被芯片反射或者被吸收或者再反射。电磁辐射在此情况下被光子再利用。
总之，在其中接触部位或者电流分布轨的反射率借助第一和第二反射性层序列来提高的光电子半导体芯片在具有设置在后的光学滤波元件的光电子器件中证明是特别有利的，因为施加到接触部位或者电流分布轨上的第一和第二反射性层序列使得在那里吸收入射的辐射更不可能或者完全防止在那里吸收入射的辐射。
通过这种方式，相对于具有不带反射性层序列的半导体芯片的光电子器件，提高了光电子器件的效率。
优选地，第一辐射特性对于第二辐射特性是互补的。此外，辐射特性可以理解为辐射的方向、偏振或者波长。在这里所描述的光电子半导体器件的意义中，电磁辐射的第一方向在第一立体角范围内，而电磁辐射的第二方向在与第一立体角范围互补的立体角范围中。此外，第一偏振可以对应于平行的偏振而第二偏振对应于垂直的偏振。最后，与第一波长互补的第二波长可以是与第一波长不同的波长，其中在此情况下互补并非一定要在色彩学的狭义上进行理解。
根据光电子半导体器件的至少一个实施形式，光学滤波元件包括二色性滤波器，其透射第一波长或者第一波长范围的电磁辐射而反射第二波长或者第二波长范围的电磁辐射。
根据光电子半导体器件的至少一个实施形式，光学滤波元件包括偏振滤波器，该偏振滤波器透射第一偏振的电磁辐射而反射第二偏振的电磁辐射。
根据光电子半导体器件的至少一个实施形式，光学滤波元件包括角度滤波器，其透射第一方向的电磁辐射而反射第二方向的电磁辐射。
根据光电子半导体器件的至少一个实施形式，光学滤波元件包括发光转换材料，其由半导体芯片所发射的电磁辐射的至少一部分产生具有如下波长的转换过的电磁辐射：该波长不同于半导体芯片产生的辐射的波长。
下面借助实施例和所附的附图更为详细地阐述在此所描述的光电子半导体芯片以及在此所描述的光电子半导体器件。
图1A示出了根据第一实施例和第二实施例的光电子半导体芯片的示意性俯视图。
图1B示出了根据第一实施例的光电子半导体芯片的示意性截面图。
图1C示出了根据第二实施例的光电子半导体芯片的示意性截面图。
图2A示出了根据第三实施例和第四实施例的光电子半导体芯片的示意性俯视图。
图2B示出了根据第三实施例的光电子半导体芯片的示意性截面图。
图2C示出了根据第四实施例的光电子半导体芯片的示意性截面图。
图3示出了根据第一实施例的光电子半导体器件的示意性截面图。
图4示出了根据第二实施例的光电子半导体器件的示意性截面图。
图5示出了根据第三实施例的光电子半导体器件的示意性截面图。
图6示出了根据第四实施例的光电子半导体器件的示意性截面图。
在这些实施例和附图中，相同或者作用相同的组成部分分别设置有相同的参考标记。所示的元件并不能视为合乎比例的，更确切地说，为了更好的理解可以夸大地示出各个元件。
图1A示出了根据第一实施例和第二实施例的光电子半导体芯片1的示意性俯视图。图1B示出了根据第一实施例的沿着线AA’的截面图。图1C示出了根据第二实施例的沿着线AA’的截面图。
根据第一实施例，光电子半导体芯片包括支承体8。该支承体8例如可以是生长衬底，在该生长衬底上外延地沉积有光电子半导体芯片的半导体层。然而也可能的是，该支承体8是如下支承体：其施加到半导体芯片的背离原始生长衬底的表面上。生长衬底随后被薄化或者完全被去除。在此情况下，半导体芯片1尤其可以是所谓的薄膜半导体芯片。薄膜结构类型的发光二极管芯片例如在出版物WO 02/13281A1以及EP 0905797A2中进行了描述，它们的关于薄膜结构类型的公开内容明确地通过引用结合于此。
结合图1B和1C所描述的光电子半导体芯片1的实施例是薄膜芯片。在此，在支承体8之后是反射性层或者层序列7，其设计用于对入射到半导体芯片1中的或者在半导体芯片1中产生的辐射进行反射。在反射层7的背离支承体的侧上设置有散射层6，其是可选的并且能够实现将朝着反射层7的方向射出的电磁辐射或者由反射层7反射的电磁辐射进行散射。此外，光电子半导体芯片包括有源区4，其设计用于产生辐射。有源区4对此可以包括多个半导体层，例如，有源区包括pn结、异质结构、单量子阱结构和/或多量子阱结构。术语量子阱结构尤其是也包括其中载流子由于限制(“confinement”)而可以经历其能量状态的量化的任意结构。尤其是，术语量子阱结构并不包含关于量化的维度的说明。因此，其尤其包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。
有源区4被罩层5包围，这些罩层被n掺杂或者p掺杂。此外，光电子半导体芯片具有第二散射层6，其被施加到罩层5的背离有源区4的表面上并且同样是可选的。该散射层6也用于对入射到光电子半导体芯片中的或者从光电子半导体芯片通过辐射穿通面3出射的辐射进行散射。接触部位2施加到辐射穿通面3上。在结合图1B所描述的实施例中，接触部位2包括接触金属化物2a，其直接施加到辐射穿通面3上并且例如由金构成。在接触金属化物2a上施加有第一反射性层序列2b，其在此包含唯一的层，该层例如由铝、银或者铝-银合金构成。与接触金属化物2a相比，第一反射性层序列2b具有对于光电子半导体芯片1中产生的电磁辐射提高的反射率。此外可能的是，第一反射性层序列2b具有对半导体芯片1之外产生的电磁辐射(例如对于转换过的辐射的波长)提高的反射率。
在结合图1C所描述的第二实施例中，第二反射性层序列2b包括多个层22。例如，这些层可以是金属层的序列，它们可以交替地由铝和银形成。此外可能的是，例如最外部的背离辐射穿通面3的层是介电层，其用于将在其下的金属层钝化。此外也可能的是，第二反射性层序列由介电层的序列构成，它们例如形成布拉格反射器或者布拉格式的反射器。
图2A示出了根据第三和第四实施例的光电子半导体芯片的示意性俯视图。图2B和2C示出了针对光电子半导体芯片的第三或第四实施例的沿剖面线AA’的示意性截面图。在结合图2A、2B、2C所描述的光电子半导体芯片的实施例中，电流分布轨9施加到辐射穿通面上。电流分布轨9与接触部位2导电地连接并且用于使在接触部位2上注入的电流均匀地分布到整个辐射穿通面2上。以此方式保证了可以对有源区4均匀地供电。
在结合图2B所描述的实施例中，接触部位2通过接触金属化物2a以及反射性层序列2b形成，如其也结合图1B所描述的那样。电流分布轨9分别包括：电流分布金属化物9a，其例如由金构成；和第二反射性涂层9b，其施加到电流分布金属化物的背离辐射穿通面3的表面上。第二反射性层序列9b可以如第一反射性层序列2b那样来构建，参见图2B。
此外可能的是，如结合图2C所示，第二反射性层序列9b不同于第一反射性层序列2b地构建。例如，第一反射性层序列2b可以金属方式地构建，而第二反射性层序列9b可以包含介电材料并且例如形成布拉格反射器或者布拉格式的反射器。第二反射性层序列9b于是具有各个层99，它们由介电材料构成，其中各个层99的折射率不同于相邻的各个层。
图3示出了在此所描述的光电子半导体器件10的第一实施例。光电子半导体器件10包括光电子半导体芯片1，如其例如结合图1A、1B、1C、2A、2B、2C所描述的那样。此外，光电子半导体器件包括光学滤波元件11。该光学滤波元件11例如是偏振滤波器、二色性滤波器、发光转换材料(其例如可以在层中)、或角度滤波器。
如果滤波元件11例如是偏振滤波器，则在光电子半导体芯片1的有源区4中产生的第一偏振方向的电磁辐射被透射。其余的电磁辐射于是被该光学滤波元件朝着光电子半导体芯片向回反射。在那里，辐射或者被反射器层7、辐射穿通面3或第一反射性层序列2b或第二反射性层序列9b反射。
在任何反射过程中，可以改变偏振方向。此外，电磁辐射可以在有源区4中被吸收并且接着以改变的偏振方向被再发射。这样反射的和再发射的电磁辐射于是具有由光学滤波元件11透射的偏振成分。辐射的剩余部分经历具有上面所描述的反射过程或者吸收过程的另外的过程。
如果光学滤波元件11是二色性滤波器，则具有确定波长的或者来自确定波长范围的电磁辐射被透射。其余的电磁辐射如上面所描述的那样被光学滤波元件反射并且最后在有源区4中被再吸收和再发射。
如果光学滤波元件11是角度滤波器，则仅仅透射具有在确定的立体角范围中的方向的电磁辐射。尤其是，由此可以以简单的方式通过将发射角度限制到窄的范围而提高光电子半导体器件的光密度。未被透射的电磁辐射又向回反射到芯片上并且从那里被重新朝着光学滤波元件反射。在此，可以进行多次反射，直至电磁辐射具有如下方向：在该方向中电磁辐射可以通过角度滤波器。
如果光学滤波元件是发光转换材料，则由发光转换材料向回散射的或者朝着辐射穿通面3的方向发射的转换过的电磁辐射被辐射穿通面3、第一反射性层序列2b和/或第二反射性层序列9b向回反射到发光转换材料中。在那里，电磁辐射可以被透射或者再次被发光转换材料转换波长。
在结合图3所描述的光电子半导体器件的实施形式中，在光电子半导体芯片1和光学滤波元件11之间设置有间隙12。该间隙12例如可以填充以空气。
在结合图4所描述的光电子半导体器件的实施例中，光学滤波元件11直接设置在光电子半导体芯片1上，使得在光电子半导体芯片和光学滤波元件之间不存在间隙12。
在图5的实施例中，光学滤波元件11包括光学系统本体11a，其例如包括反射性光学系统，如反射器和/或光学聚光器、如CPC(复合抛物面聚光器Compound Parabolic Concentrator)、CHC(复合双曲面聚光器Compound Hyperbolic Concentrator)或者CEC(复合椭圆聚光器Compound Elliptic Concentrator)。于是滤波层11b施加到光学系统本体11a的辐射穿通面11c上。滤波层11b可以如结合图3所描述的光电子滤波元件11一样地构建。
结合图6示出了在此所描述的光电子半导体器件的另一实施例。
在该实施例中，光学滤波元件通过设置在浇注材料13中的发光转换颗粒14来形成。具有发光转换颗粒14的浇注材料13形成发光转换材料。此外，滤波元件包括反射器壁15，其例如通过用于光电子半导体芯片的壳体17的倾斜的内壁形成。在半导体芯片1中产生的电磁辐射可以被反射器壁15或者发光转换颗粒14向回反射到半导体芯片上。该辐射在辐射穿通面3、第一反射性层序列2b、第二反射性层序列9b或者反射器层7上被反射。
在所有这里所描述的光电子半导体器件的实施例中，第一和第二反射性层序列改进了器件的效率，因为射到接触部位2或者电流分布轨9上的电磁辐射在那里并未被吸收，而是被反射以便进一步利用。
这里所描述的发明并未通过借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，特别是包含权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中说明。
本专利申请要求德国专利申请DE 102007029391.9的优先权，它们的公开内容通过引用结合于此。

Claims (15)

1.一种光电子半导体芯片(1)，具有：
-辐射穿通面(3)，
-接触金属化物(2a)，其被施加到辐射穿通面(3)上，以及
-第一反射性层序列(2b)，其被施加到接触金属化物(2a)的背离辐射穿通面(3)的表面上，其中反射性层序列(2b)设计用于对朝着接触金属化物(2a)向回反射的电磁辐射进行反射。
2.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中第一反射性层序列(2b)包括至少一个如下层：所述层包含金属。
3.根据上述权利要求中至少之一所述的光电子半导体芯片，其中第一反射性层序列(2b)包括至少一个如下层(22)：所述层包含金属铝、银的至少之一。
4.根据上述权利要求中至少之一所述的光电子半导体芯片，其中第一反射性层序列(2b)包括至少一个如下层(22)：所述层包含介电材料。
5.根据上述权利要求中至少之一所述的光电子半导体芯片，其中第一反射性层序列(2b)形成布拉格反射器。
6.根据上述权利要求中至少之一所述的光电子半导体芯片，其中至少一个电流分布轨(9)被施加到辐射穿通面上，其中所述电流分布轨(9)导电地与接触金属化物(2a)相连。
7.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中电流分布轨(8)具有电流分布金属化物(9a)以及第二反射性层序列(9b)，所述第二反射性层序列被施加到电流分布金属化物(9a)的背离辐射穿通面(3)的表面上，其中第二反射性层序列(9b)设计用于对朝着电流分布金属化物(9a)向回反射的电磁辐射进行反射。
8.根据上一权利要求所述的光电子半导体芯片，其中第二反射性层序列(9b)包括至少一个如下层：所述层包含金属，尤其是铝和/或银。
9.根据上述权利要求中至少之一所述的光电子半导体芯片，其中第二反射性层序列(9b)包括至少一个如下层(99)：所述层包含介电材料。
10.根据上述权利要求中至少之一所述的光电子半导体芯片，其中第二反射性层序列(9b)形成布拉格反射器。
11.一种光电子半导体器件，具有：
-根据上述权利要求至少之一所述的光电子半导体芯片(1)，以及
-在发射方向上设置在光电子半导体芯片(1)之后的光学滤波元件(11)，该光学滤波元件适合于透射具有第一辐射特性的第一辐射成分而反射具有与第一辐射特性不同的第二辐射特性的辐射成分。
12.根据上一权利要求所述的光电子半导体器件，其中光学滤波元件(11)包括二色性滤波器。
13.根据上述权利要求至少之一所述的光电子半导体器件，其中光学滤波元件(11)包括偏振滤波器。
14.根据上述权利要求至少之一所述的光电子半导体器件，其中光学滤波元件(11)包括角度滤波器。
15.根据上述权利要求至少之一所述的光电子半导体器件，其中光学滤波元件(11)包括发光转换材料。
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