CN103140927A - 发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
说明了一种发光二极管芯片,具有:-至少两个半导体本体(1),其中每个半导体本体(1)包括至少一个被安排为生成辐射的有源区域(11),-载体(2),其具有上侧(2a)以及背离上侧(2a)的下侧(2b),以及-电绝缘连接装置(3),其布置在载体(2)的上侧处,其中-电绝缘连接装置(3)布置在半导体本体(1)与载体的上侧(2a)之间,-电绝缘连接装置(3)居间促成半导体本体(1)与载体(2)之间的机械接触,以及-半导体本体(1)的至少一部分彼此电串联。
Description
技术领域
说明了一种发光二极管芯片。
背景技术
文献US 7,265,392描述了一种发光二极管芯片。
发明内容
要解决的任务在于,说明一种具有提高的寿命的发光二极管芯片。
根据至少一个实施方式,该发光二极管芯片具有至少两个半导体本体,其中该发光二极管芯片的每个半导体本体包括至少一个被安排为生成辐射的有源区域。在此,该发光二极管芯片的半导体本体彼此分开并且彼此有间隔。也就是说,半导体本体尤其是未通过与半导体本体一起外延生长的半导体层相互连接。通过这种方式,尤其是半导体本体的被安排为生成辐射的有源区域也彼此分开并且彼此有间隔。
在此,每个半导体本体都包括至少一个被安排为生成辐射的有源区域。如果半导体本体包括多个被安排为生成辐射的有源区域,则这些有源区域例如在半导体本体的生长方向上相叠地布置。有源区域例如被安排为生成红外辐射与UV辐射之间的频率范围中的电磁辐射,例如生成可见光。
在此,该发光二极管芯片的半导体本体在制造公差的范围内能够以相同方式构造。尤其可能的是,该发光二极管芯片的半导体本体源自同一晶片、即一起被制造出。
该发光二极管芯片的半导体本体例如可以用III/V化合物半导体材料形成。III/V化合物半导体材料具有来自第三主族的至少一种元素,例如B、Al、Ga、In,以及来自第五主族的元素,例如N、P、As。术语“III/V化合物半导体材料”尤其是包括包含来自第三主族的至少一种元素和来自第五主族的至少一种元素的二元、三元或四元化合物的组,例如氮化合物半导体和磷化合物半导体。此外,这样的二元、三元或四元化合物例如可以具有一种或多种掺杂材料以及附加的组分。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片包括载体,该载体具有上侧以及背离该上侧的下侧。载体的上侧例如用于容纳发光二极管芯片的部件,如发光二极管芯片的半导体本体。利用载体的背离上侧的下侧,载体例如可以被固定到连接载体或引线框(英语Leadframe)上。载体的下侧处的面于是形成发光二极管芯片的安装面。
在此,该载体可以由电绝缘材料或导电材料形成。载体的特点优选是高热导率。载体例如可以用陶瓷材料或用金属材料形成。例如,载体包含下列材料至少之一或者载体由下列材料至少之一制成:Al2O3、Si3N4、AlN、Cu、Ni、Mo、W、Ag、Al。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片包括电绝缘连接装置,其布置在载体的上侧处。该电绝缘连接装置于是优选地在载体的上侧处完全地或至少大部分地覆盖载体。例如,载体的上侧处的面至少90%被电绝缘连接装置覆盖。
在此,该电绝缘连接装置可以直接与载体接界。另外可能的是,在该电绝缘连接装置与载体之间布置一个或多个层。
适于形成该电绝缘连接装置的尤其是下列材料或下列材料的组合和混合:硅树脂、环氧树脂、丙烯酸酯、聚乙烯(Polyethane)、聚酯、聚硫酯、旋涂式玻璃、纳米颗粒底板。纳米颗粒底板例如可以用下列材料的颗粒来形成:SiO2、TiO2、Ta2O5、Al2O3、Si4N3、AlN。另外,可以考虑其他金属氧化物或金属氮化物来形成纳米颗粒。但是为了形成电绝缘连接装置,优选地使用在尽可能低的温度时可以硬化的材料,例如硅树脂、环氧树脂或丙烯酸酯。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,电绝缘连接装置布置在半导体本体与载体的上侧之间,并且在此居间促成半导体本体与载体之间的机械接触。换言之,该发光二极管芯片的半导体本体通过电绝缘连接装置固定、例如粘接在载体处。电绝缘连接装置将载体和半导体本体彼此电去耦合。此外,电绝缘连接装置产生半导体本体与载体之间的机械连接,该机械连接只能在发光二极管芯片损坏的情况下被再次解开。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,半导体本体至少一部分彼此电串联。也就是说,半导体本体的至少一部分被相互连接为使得产生由半导体本体形成的各个发光二极管的串联电路。在此可能的是,将发光二极管芯片的至少两串彼此串联的半导体本体彼此并联或反并联。于是在极端情况下,发光二极管芯片的仅仅两个半导体本体彼此串联。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片包括:至少两个半导体本体,其中每个半导体本体都包括至少一个被安排为生成辐射的有源区域;载体,其具有上侧和背离上侧的下侧;以及电绝缘连接装置,其布置在载体的上侧处,其中电绝缘连接装置布置在半导体本体与载体的上侧之间,电绝缘连接装置居间促成半导体本体与载体之间的机械接触,并且所述半导体本体的至少一部分彼此电串联。
在此处所述的发光二极管芯片情况下,例如通过电绝缘连接装置,半导体本体彼此电隔离以及半导体本体与载体彼此电隔离。由此得出的优点是,通过电绝缘连接装置防止了发光二极管芯片的载体与例如用于串联半导体本体的金属化部之间的短路。在此处所述的发光二极管芯片的缺点、即电绝缘连接装置通常具有不良的热导率并且因此妨碍了热从半导体本体向载体的排出,可以通过针对电绝缘连接装置使用特别薄的层来最小化。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片包括恰好两个接触位置以用于电接触所有半导体本体。也就是说,例如在电绝缘连接装置的背离载体的上侧上布置有可用来从外部接触该发光二极管芯片的接触位置。在此,该发光二极管芯片可以包括恰好两个不同极的接触位置,利用这些接触位置可以在n侧和p侧接触该发光二极管芯片,使得给该发光二极管芯片的半导体本体的全部有源区域通电。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片的半导体本体分别不含生长衬底。也就是说,半导体本体在这种情况下由外延生长的半导体材料制成,其中已经从外延生长的半导体材料中除去了生长衬底。于是,半导体本体优选地具有最高20μm、例如为10μm或更小的厚度。载体形成用于该发光二极管芯片的半导体本体的机械稳定化部。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,所述半导体本体中的每个都具有辐射出射面,通过该辐射出射面,在运行中在分配给所述半导体本体的至少一个有源区域中生成的辐射被定向在远离载体的方向上地离开半导体本体。也就是说,辐射出射面由半导体本体的不朝向载体的外部面形成。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,在辐射出射面之下进行用于给有源区域通电的电流分布。在这种情况下,辐射出射面尤其是未被电流分布结构—例如由金属或透明导电氧化物制成的薄印制导线—覆盖。因此,通过辐射出射面离开半导体本体的电磁辐射未在用于电流分布的结构处被反射或吸收。这样的发光二极管芯片的特点是特别高的效率。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,所述半导体本体至少之一、例如所有半导体本体都包括至少一个通孔接触部,所述至少一个通孔接触部从半导体本体的朝向载体上侧的那一侧穿过至少一个有源区域延伸到半导体本体的n型区域。在此,该通孔接触部被安排为给n型区域通电。也就是说,通过通孔接触部将运行所需的电流输送给例如布置在半导体本体有源区域的背离载体的那一侧处的n型区域。通过这种方式,可以在半导体本体的辐射出射面之下进行给有源区域通电的电流分布。在此,该通孔接触部可以布置在半导体本体的边缘处。另外可能的是,通孔接触部在横向方向上—在此为与半导体本体的生长方向(该生长方向例如平行于载体的主延伸平面)垂直的方向—完全被半导体本体的半导体材料包围。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该通孔接触部包括导电材料,该导电材料借助于电绝缘连接装置与半导体本体的p型区域电隔离并且与至少一个有源区域电隔离。也就是说,通孔接触部是用导电材料形成的,该导电材料例如是金属,该金属通过电绝缘连接装置与半导体本体的例如朝向载体的p型区域以及至少一个有源区域电隔离。在这种情况下,电绝缘连接装置履行发光二极管芯片中的另外的任务:该电绝缘连接装置除了其作为半导体本体与载体之间的机械连接这一特征以及其用于将半导体本体和载体电去耦合这一特征以外还充当通孔接触部的保证与半导体本体的各部分电绝缘的那部分。在该实施方式中,该放光二极管芯片的特点是特别简单的构造。
在此,尤其还可能的是,通孔接触部至少局部地被电绝缘连接装置填充。换言之,电绝缘连接装置形成半导体本体的朝向载体的形貌,并且因此还充满通孔接触部。于是例如可以在通孔接触部的区域中将电绝缘连接装置分别构造为截顶锥形。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片的至少两个相邻的半导体本体通过电连接装置相互连接。为此,在至少两个相邻的半导体本体之间布置该电连接装置,其中该电连接装置将一个半导体本体的p型区域与另一半导体本体的n型区域导电地连接。换言之,这两个半导体本体通过该电连接装置彼此串联。该电连接装置为此例如在载体的上侧处、例如在电绝缘连接装置的背离载体的上侧处布置在两个直接相邻的半导体本体之间。在此,该电连接装置可以用金属和/或导电氧化物(TCO-Transparent Conductive Oxide(透明导电氧化物))形成。于是,该电连接装置例如由ITO(铟锡氧化物)或者尤其是经掺杂的ZnO制成。
根据该发光二极管芯片的至少一个实施方式,在载体的上侧与电绝缘连接装置之间布置电绝缘层,其中该电绝缘层被构造为平坦的。在此,“平坦”是指,该电绝缘层在制造公差的范围内不具有凹陷、突起或表面起皱。该电绝缘层可以用于在半导体本体与导电载体之间的附加电隔离。例如,该电绝缘层是用如下材料之一形成的,也就是说,该电绝缘层可以由如下材料之一制成或者包含如下材料之一:SiO2、SiNx、Al2O3、TiO2。
在此可能的是,电绝缘层与载体和电绝缘材料直接接界。
根据在此所述的发光二极管芯片的至少一个实施方式,该发光二极管芯片能以至少6伏的电压来运行。大致6伏的值相当于两个发光二极管芯片的串联。也就是说,在此所述的发光二极管芯片于是为所谓的高压发光二极管芯片。当正向电压被选择为相应高和/或相应地串联许多发光二极管芯片时,这样的高压发光二极管芯片例如可以通过整流器直接连接到具有110或230伏电压的交流电电力网。在此,由于使用了电绝缘连接装置,在此所述的发光二极管芯片的特点是其简单的构造及其高鲁棒性。
附图说明
下面根据实施例和附图详细阐述在此所述的发光二极管芯片。
结合图1、2、3和4,根据示意性截面图详细阐述在此所述的发光二极管芯片的不同实施例。
在图中给相同、相同类型或作用相同的元素配置相同的附图标记。图和图中所示的元素彼此之间的大小比例不应看成是符合比例尺的。而是为了更加清楚和/或更好理解,可能夸大地示出各个元素。
具体实施方式
图1示出了根据第一实施例的在此所述的发光二极管芯片的示意性截面图。该发光二极管芯片例如包括多个半导体本体1,在图1中示意性示出了两个半导体本体1a、1b。每个半导体本体1a、1b都包括n型区域10、p型区域12和被安排为生成辐射的有源区域11,该有源区域11布置在n型区域10与p型区域12之间。另外,每个半导体本体1a、1b都包括辐射出射面15。在此,辐射出射面15被粗糙化以改善耦合输出效率。辐射出射面15是n型区域10的背离有源区域11的外部面。在发光二极管芯片的运行中,在有源区域11中生成的电磁辐射至少部分通过半导体本体1的辐射出射面15从半导体本体1射出。
半导体本体1a、1b的辐射出射面15以及侧面都被辐射可通过的钝化层17覆盖,所述钝化层17例如可以用二氧化硅形成。钝化层17用于半导体本体1的电钝化和化学钝化。
在半导体本体1的背离辐射出射面15的那一侧布置反射镜16,该反射镜16例如含有银。反射镜16用于将在运行中在有源区域11中生成的电磁辐射反射到辐射出射面15的方向上。另外,反射镜16充当接触层,通过该接触层将电流注入到半导体本体1中。
在反射镜16的背离半导体本体1的那一侧处布置p金属化部18,该p金属化部18与发光二极管芯片的接触位置4a或者相邻的半导体本体导电地连接。在此,该p金属化部18导电地与接触位置4a导电连接,该接触位置4a形成发光二极管芯片的p侧接触部。在此,接触位置4a在横向方向1上与半导体本体1a有间隔地布置。
该发光二极管芯片还包括接触位置4b以用于发光二极管芯片的n侧接触,该接触位置4b与半导体本体1b的n型区域导电地连接。
在此,两个接触位置4a、4b都可以布置在发光二极管芯片的存在辐射出射面15的那一侧处。因此,发光二极管芯片的接触仅仅从辐射出射面15侧进行。
此外,该发光二极管芯片包括电绝缘连接装置3,该电绝缘连接装置朝着载体2至少间接地产生半导体本体1a、1b和载体2之间的机械接触。在此,“间接”是指,如图1所示,在电绝缘连接装置3与载体2的上侧2a之间可以布置至少一个另外的层、在此为焊剂层21。
电绝缘连接装置3居间促成发光二极管芯片的载体与半导体本体1a、1b之间的机械接触。此外,电绝缘连接装置3将半导体本体1、1a彼此隔离并且将所述半导体本体与载体2或焊剂层21隔离。
在此,彼此相邻地布置在载体2上的半导体本体1a、1b彼此串联。这是通过电连接装置5实现的,该电连接装置5布置在电绝缘连接装置3的背离载体2的上侧处。电连接装置5因此从辐射出射面15侧接触发光二极管芯片的至少一个半导体本体1a、1b的n型区域10。
在此,电连接装置5可以用金属或透明导电氧化物形成。
在图1的实施例中,可以在辐射出射面15处布置接触结构以用于将所注入的电流展宽到整个n型区域10上。
在此,在载体2的背离半导体本体1a、1b的那一侧布置背侧金属化部22,其例如用于借助于焊接固定发光二极管芯片。
载体2本身可以如上述那样构造为导电的或者电绝缘的。
结合图1所述的发光二极管芯片例如可以按下面方式来制造:
半导体本体1a、1b首先存在于晶片复合体中,即还未彼此分开。
在半导体本体1a、1b上可以将反射镜16结构化地施加到p型侧上。
接着将p金属化部18施加到背离半导体本体1a、1b的那一侧上,所述p金属化部18在横向方向1上至少在一个位置超过半导体本体1a、1b。如图1所示,p金属化部18在反射镜16的侧面覆盖反射镜16,并且因此形成对反射镜16的包封以例如对抗氧化和/或湿气侵入。
在下一个方法步骤中,将电绝缘连接装置全面地施加到半导体本体的复合体的之后背离载体2的底侧上。
接着,例如借助于通过焊剂层21的粘接或接合将载体2固定到电绝缘连接装置3处,并且使生长衬底从半导体本体1a、1b脱离。另外,可以使半导体本体1a、1b的辐射出射面15粗糙化。在接合之前或之后例如通过台面蚀刻将各个半导体本体1a、1b分离,以及进行钝化层17的施加。
在下一个步骤中,打开钝化层17并且施加接触位置4a、4b以及电连接装置5。电连接装置5例如可以通过对金属层进行光刻结构化来生成。
接触位置4a、4b以及电连接装置5可以由相对薄的导电材料层形成,因为施加给发光二极管芯片的总电流强度由于半导体本体的串联而在半导体本体1a、1b中仅为总电流强度的1/n,其中n是彼此串联的半导体本体的数目。通过这种方式,可以最小化接触位置4a、4b以及电连接装置5的区域中的遮蔽和辐射吸收。
结合图2的示意性截面图详细阐述在此所述的发光二极管芯片的另一实施例。与图1的实施例不同,在该实施例中通过通孔接触部13进行用于运行半导体本体1a、1b的有源区域11的电流分布。通孔接触部13从每个半导体本体1a、1b的朝向载体的p型区域12穿过p型区域12以及有源区域11延伸到n型区域10。借助于通孔接触部13来电接触n型区域10。
为此,在图2的实施例中,通孔接触部13包括导电材料14,该导电材料例如可以包含银并且同样充当用于在有源区域中在发光二极管芯片的运行中生成的电磁辐射的反射镜。在图2的实施例中,在半导体本体1与导电材料14之间构造电绝缘隔离层19,其例如可以用二氧化硅形成。另外,发光二极管芯片包括另外的电绝缘隔离层19,其覆盖反射镜16的侧面并且通过这种方式包封反射镜16。
另外,在图2的实施例中,电连接装置5在背离载体2的那一侧处被电绝缘隔离层19以及钝化层17覆盖。在接触位置4a、4b的区域中,钝化层17和电绝缘隔离层19被除去。
在此,电绝缘连接装置3被构造为与载体2直接接触,该载体2例如同样被构造为电绝缘的。在图2的实施例中,电绝缘连接装置3被构造为相对厚的。
在此,电绝缘连接装置3具有最高10μm、例如最高3μm、尤其是最高1μm的厚度。
电绝缘连接装置3在其背离载体2的表面处部分或完全地形成半导体本体1a、1b、以及电连接装置5的朝向载体的表面,并且电绝缘连接装置3的朝向载体2的表面在制造公差的范围内被构造为平坦的。电绝缘连接装置3因此还用于朝向载体2的平坦化。
结合图3的示意性截面图详细阐述在此所述的发光二极管芯片的另一实施例。与图2的实施例不同,在该实施例中,电绝缘连接装置3不完全覆盖载体的朝向半导体本体1a、1b的上侧。而是电绝缘连接装置3局部地未覆盖导电材料14。导电材料14因此局部地直接接触电绝缘层6,该电绝缘层6完全覆盖载体2的朝向半导体本体1a、1b的上侧2a。在此,电绝缘层6在制造公差的范围内被构造为平坦的。通过该措施可能的是,与图2的实施例不同将电绝缘连接装置3构造为特别薄的,使得从半导体本体1a、1b到载体2的热传导几乎不受电绝缘连接装置3的负面影响。作为载体2,例如可以使用导电和导热良好的载体。
结合图4的示意性截面图详细阐述在此所述的发光二极管芯片的另一实施例。与图3的实施例不同,在该实施例中,放弃了用于使通孔接触部13绝缘的电绝缘隔离层13。而是电绝缘连接装置3履行导电材料14与其余半导体本体的电绝缘。通孔接触部13为此布置在每个半导体本体1a、1b的边缘处,使得通孔接触部13不完全在横向方向1上被半导体本体的半导体材料包围。
在文献DE 102010013494.5的另一情形中说明了类似的接触部,其内容通过引用明确结合于此。
在图4的实施例中可以有利地放弃通孔接触部13区域中的电绝缘隔离层19,这进一步简化了发光二极管芯片的制造。
在所有在此所述的实施方式和实施例中可能的是,将p-n桥、即电绝缘连接装置5与半导体本体1电绝缘的钝化层17和/或电绝缘隔离层19用作p侧反射镜16和/或其它p侧金属层的包封以对抗环境影响、尤其是对抗湿气。为此,例如可以通过拉回p侧反射镜16生成倒角,所述倒角然后例如借助于ALD工艺被介电材料填充。在此沉积的介电层同时保证了p-n桥5的所需的电绝缘。
本专利申请要求德国专利申请102010048159.9的优先权,其公开内容通过引用结合于此。
本发明不因为根据实施例的描述而限于这些实施例。而是本发明包括每个新特征和每种特征组合、尤其是包含权利要求书中的特征的每种组合,即使所述特征或所述组合本身未在权利要求书或实施例中明确说明。
Claims (15)
1.一种发光二极管芯片,具有:
-至少两个半导体本体(1),其中每个半导体本体(1)包括至少一个被安排为生成辐射的有源区域(11),
-载体(2),其具有上侧(2a)以及背离上侧(2a)的下侧(2b),以及
-电绝缘连接装置(3),其布置在载体的上侧(2a)处,其中
-电绝缘连接装置(3)布置在半导体本体(1)与载体(2)的上侧(2a)之间,
-电绝缘连接装置(3)居间促成半导体本体(1)与载体(2)之间的机械接触,以及
-半导体本体(1)的至少一部分彼此电串联。
2.根据前一权利要求所述的发光二极管芯片,其中在载体(2)的上侧(2a)与电绝缘连接装置(3)之间布置电绝缘层(6),所述电绝缘层(6)被构造为平坦的,其中电绝缘层(6)与载体(2)和电绝缘连接装置(3)直接接界。
3.根据前一权利要求所述的发光二极管芯片,其中电绝缘连接装置(3)在其背离载体(2)的表面处形成半导体本体(1a,1b)以及电连接装置(5)的朝向载体(2)的表面,并且电绝缘连接装置(3)的朝向电绝缘层(6)的表面被构造为平坦的,其中从半导体本体(1)的朝向载体(2)的上侧(2a)的那一侧穿过至少一个有源区域(1)延伸到半导体本体(1)的n型区域(10)的通孔接触部(13)被电绝缘连接装置(3)填充。
4.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,
-恰好两个接触位置(4a,4b)以用于电接触所有半导体本体(1)。
5.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中半导体本体(1)分别不含生长衬底。
6.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中每个半导体本体(1)都具有辐射出射面(15),通过所述辐射出射面(15),在运行中在分配给所述半导体本体(1)的至少一个有源区域中生成的辐射定向在远离载体(2)的方向上地离开半导体本体(1),其中用于给有源区域(11)通电的电流分布仅仅在辐射出射面(15)之下进行。
7.根据前一权利要求所述的发光二极管芯片,其中至少一个半导体本体(1)包括至少一个通孔接触部(13),所述至少一个通孔接触部(13)从半导体本体(1)的朝向载体的上侧(2a)的那一侧穿过至少一个有源区域(11)延伸到半导体本体(1)的n型区域(10),其中通孔接触部(13)被安排为给n型区域(10)通电。
8.根据前一权利要求所述的发光二极管芯片,其中通孔接触部(13)包括导电材料(14),所述导电材料(14)借助于电绝缘连接装置(3)与半导体本体(1)的p型区域(12)电隔离并且与至少一个有源区域(11)电隔离。
9.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中在至少两个相邻的半导体本体(1)之间布置电连接装置(5),其中所述电连接装置(5)将一个半导体本体(1)的p型区域(12)与其它半导体本体(1)的n型区域(10)导电地连接。
10.根据前一权利要求所述的发光二极管芯片,其中电连接装置(5)用金属和/或导电氧化物形成。
11.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中在载体(2)的上侧(2a)与电绝缘连接装置(3)之间布置电绝缘层(6),所述电绝缘层(6)被构造为平坦的。
12.根据前一权利要求所述的发光二极管芯片,其中电绝缘层(6)与载体(2)和电绝缘连接装置(3)直接接界。
13.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中所述发光二极管芯片能够以至少6V的电压运行。
14.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中电连接装置(5)从辐射出射面(15)侧接触发光二极管芯片的至少一个半导体本体(1a,1b)的n型区域(10)。
15.根据前述权利要求之一所述的发光二极管芯片,其中电绝缘连接装置(3)在其背离载体(2)的表面处部分或完全地形成半导体本体(1a,1b)以及电连接装置(5)的朝向载体(2)的表面,并且电绝缘连接装置(3)的朝向载体(2)的表面被构造为平坦的。
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