CN1242494C - 辐射芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于光电子学的芯片，它具有一个发出光子的有源区(8)和一个具有至少一个耦合输出面(7，15，17)的耦合输出窗(4)，所述有源区(8)在所述芯片的一个主辐射方向(18)上设置在所述耦合输出窗(4)的后面，所述耦合输出面(7，15，17)侧超出所述有源区(8)的侧面。该芯片的特征在于，在所述耦合输出窗(4)的与所述有源区(8)相对的那侧面(5)上形成一个镜面(6)，并且所述耦合输出窗的材料具有大于所述有源区的材料的折射率。
Description
技术领域
本发明涉及辐射芯片，它具有一个发射光子的有源区和一个配属于该有源区的且尤其是与该有源区相邻的耦合输出窗，该耦合输出窗具有一个耦合输出面，通过该耦合输出面，由该有源区发出的辐射的至少一部分被耦合输出芯片。
背景技术
US5087949A公开了一种发光二极管芯片，它具有一个截锥形n掺杂耦合输出窗。沿着n型基体的基面，形成一个p型层。在p型层的下面，有一个绝缘层，该绝缘层被一个中心窗断开。在该窗中，p型层被一个接触层接通。在截锥形基体的表面上有另一个接触层。通过该绝缘层限定了，电流以流经p型层和n型基体的方式流向窗区。在电流流动时，在窗区内，按照p型层和n型基体之间界面地发出光子。由于基体成截锥形，所以，大部分光子以一个角度击中截锥形基体的一个耦合输出面，该角度小于全反射的临界角。这样一来，该已知元件具有一个比较大的光输出。
已知的发光二极管芯片的一个缺点是，pn结位于芯片的安装侧上。因此，当利用导电的银-环氧树脂粘合剂进行安装时，存在很大的危险，即侧上涌的粘合剂使有源区电短路，这导致元件失效。
发明内容
基于这样的现有技术，本发明的任务是提供上述类型的改进型芯片，其中尤其是有源区或其一部分的短路的危险被尽可能消除了。
为此，本发明提供一种用于光电子学的芯片，它具有一个发出光子的有源区和一个具有至少一个耦合输出面的耦合输出窗，所述有源区在所述芯片的一个主辐射方向上设置在所述耦合输出窗的后面，所述耦合输出面侧超出所述有源区的侧面，其中，在所述耦合输出窗的与所述有源区相对的那侧面上形成一个镜面，并且所述耦合输出窗的材料具有大于所述有源区的材料的折射率。
在这里，所述芯片最好是发光二极管芯片。在下文中，“芯片轴线”是指一条垂直于芯片安装面地穿过芯片的直线。
根据本发明，芯片有源区具有一个垂直于芯片轴线的横截面，该横截面小于耦合输出窗的一个垂直于芯片轴线的横截面，在芯片辐射方向上，有源区设置在耦合输出窗之后。在耦合输出窗的背对有源区并进而面对安装面的那侧上，形成有一个镜面。该镜面最好大于有源区的上述横截面并且最好由金属化层构成，所述金属化层特别优选地同时被用于芯片的电接通。
在本发明的芯片中，使发出光子的有源区足够远地远离将芯片固定在芯片载体上的各导电接合剂，从而尽可能消除了有源区因导电接合剂而电短路的危险。所以，本发明的芯片可以可靠地安装。
在本发明元件的一个优选实施例中，一个侧超出有源区的耦合输出窗局部的指向芯片辐射方向的面具有一个弯曲的并例如是呈圆形向外隆起的表面。该弯曲表面最好围绕有源区，从而耦合输出窗至少具有一个近似于球冠形形式的外轮廓。
在这里，有源区的横截面和耦合输出窗的弯曲表面的曲率半径R2是如此选择的，即通过在镜面上的反射而形成的虚有源区位于属于弧段的Weierstrass球内。这尤其意味着，曲率半径R2大于或等于元件高度的两倍。另外，沿耦合输出面的有源区最大一半外尺寸R1为：R1＜R2nA/ni，其中nA是环境的折射率，ni是耦合输出窗材料的折射率，所述环境尤其由芯片注塑材料构成。
通过这样的结构，芯片接近按照Weierstrass原理的理想形状，因为虚有源区在Weierstrass球内并且在那里虚生的光子可以离开基体。
本发明尤其优选地适用于这样的芯片，其中耦合输出窗的材料具有大于有源区的与之相邻材料的折射率，所述有源区主要成有源多层结构的形式。这样一来，有利地避免了在有源区和耦合输出窗之间界面上的从有源区射向后面的射线的反射，由此实现了耦合输入耦合输出窗的射线的压缩。
本发明的芯片几何形状尤其优选地被用在基于氮化物的发光二极管芯片上，其中，有源多层结构形成在一个碳化硅或基于碳化硅的外延生长衬底上。在这里，折射率X有源层＞折射率X衬底是适用的。基于GaN的发光二极管芯片是这样的发光二极管芯片，即其辐射层例如具有GaN、InGaN、AlGaN和/或InGaAlN。
“基于氮化物”尤其包括所有的二元、三元、四元的含氮III-V族半导体混晶，如GaN、InG、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN和AlInGaN。
类似地，“基于碳化硅”是指其主要性能由成分Si和C体现的任何混晶。
有源区的层系最好已外延生长到一衬底材料上，而衬底材料随后被进一步加工成耦合输出窗。
至少局部成截锥形的所述耦合输出窗包围出一个球缺。或者，至少局部成截锥形的所述耦合输出窗包围出一个旋转椭圆体，所述旋转椭圆体具有穿所述过有源区的纵轴线。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明，附图所示为：
图1是按照Weierstrass原理的发光元件的横截面示意图；
图2是本发明的芯片的横截面示意图；
图3是图2所示芯片的横截面示意图，其中标出了可能的有源区的位置；
图4是本发明芯片的另一个实施例的横截面示意图；
图5表示一个定向照射的实施例的横截面；
图6表示一个实施例的横截面，其镜面在有源区下面具有使光子射向侧方的凸起；
图7表示具有凹形镜面的实施例；
图8表示一个具有并列有源区的元件，分别给有源区配备一个耦合输出窗的一截锥形部。
具体实施方式
图1所示元件具有一个横截面，该横截面是理想地按照Weierstrass原理设计的。该元件具有一个半径为R1的发光内区1。发光区1被一个具有折射率ni和半径R2的外层2包围住。外层2被一种具有折射率nA的材料(例如，空气或塑料注塑材料)包围住。因此，在发光区1内产生的光可以完全耦合输出外层2，必须满足：R1/R2＜nA/ni。
在图2中示出了一个发光二极管(LED)芯片的横截面，该芯片具有一个球冠形耦合输出窗4，在其基面5上形成一个镜面层6。在镜面层6的对面，在耦合输出窗4上设有一个发射光子的有源区8。有源区8包括一个具有一辐射区10且尤其是一辐射pn结的层系9并且被一接触层11覆盖着。有源区8可以除了辐射区10的这些层外还包括例如涉及晶体或电气匹配的其它层和/或所谓的覆层。这样的层系是已知的并因而在此不详细说明了。镜面层6也可以被设计成接触层。
当电流流过耦合输出窗4和有源区8时，在辐射区10内通过载流子重新组合产生光子。所产生光子的一部分被一直射向耦合输出窗4并在基面5上反射并且有一大部分光子转向耦合输出面7。如果这些光子以一个小于全反射的临界角(也称为极限角)的角度击中，则这些光子能够穿过耦合输出面7并离开耦合输出窗4。与常见的芯片几何形状相比，在本发明的芯片中提高了离开耦合输出窗的概率。
特别有利的是，如此选择芯片的几何形状比，即如此与耦合输出面7相关地出现有源区8的一个假想图12，即满足了无全反射的光耦合输出的Weierstrass条件。这就是这样的情况，即耦合输出面7的曲率半径R2是如此选择的，即2H-R2(nA/ni)≤R2≤2H+R2(nA/ni)，最好是R2＝2H，其中H是芯片3高度。另外，对于有源区8的半径R1、有源区8的折射率n1、耦合输出面4的折射率n2来说必须满足以下条件：R1/R2＜nA/ni。在这种情况下，大部分击中镜面6的光子通过耦合输出面7被耦合输出。基于此，基本上只有在镜面6和有源区8之间来回反射的或在有源区8内又被吸收的光子被输出去。
在图4中，示出了一个变型芯片13，其耦合输出窗14在局部厚度上即从界面到有源区8地借助其走向相对芯片轴线偏斜的侧面15成截锥形。倾斜的侧面15与耦合输出窗14的其余侧面一起构成一个穹顶隆起的耦合输出面，其包络线近似成球冠形。后者在图4中用虚线表示。图4所示芯片就其可以简单制成并能同时近似于按照Weierstrass原理的理想形状来说是有利的。
与图4所示芯片13不同，在图5所示芯片16中，倾斜的侧面15以一个小于图4芯片13的相应侧面15延伸向芯片轴线。在图5中，用虚线示出了芯片13的侧面15。由于侧面17的锐角，由芯片16发出的射线在辐射方向18上会聚。图15中的实线所示光子轨迹，与图4芯片13的虚线所示光子轨迹20相比，上述光子轨迹更大的指向辐射方向18。如图所示，一些光子轨迹19在接触层11和镜面层6之间来回延伸。具有这样轨迹的光子一部分在有源区8内被吸收并损失。如图6所示，通过设置相对芯片轴线倾斜的面30，在耦合输出窗14的背对有源区8的那侧上，至少减少了这种现象，其中该侧面最好成镜面。倾斜面30可以使上述光子轨迹侧偏离开芯片轴线，从而光子轨迹不再反射向有源区8，而是反射向耦合输出窗14的一个侧面。
这种相对芯片轴线倾斜的辐射转向面30例如可以通过耦合输出窗14的适当成图来实现，这种成图借助在基面5内的有源区8下面的凹槽21和在凹槽之间的凸起22。凹槽21例如可以通过反应型离子蚀刻或通过锯槽来实现。
在图7所示的另一个实施例的横截面中，耦合输出窗26在其背对有源区8的那侧上具有一个成抛物面状凹面镜形状的镜面层6。镜面层6的焦点最好在有源区8内。通过在镜面层上的反射，源于有源区8的光子轨迹被如此反射，即光子以一个小于全反射临界角的角度击中耦合输出窗26的前面24。这在图7中结合光子轨迹25地示出了。除了成抛物面状的芯片背面外，可以与图2、4、5的芯片一样构成耦合输出窗26的表面24。
图7的芯片几何形状的优点是，耦合输出面在窗层26的前面上并且较小。亮度有利地高于图2所示的芯片3。因此，光可以更容易地利用后置的光学组件成图。
最后，如图8所示，可以并排设置多个芯片3、13或23，这些芯片被组合成唯一芯片27。在这里，侧面15通过在耦合输出窗4内的凹槽28构成。凹槽28最好通过异形锯切被开设到耦合输出窗4中。
在图1-8所示的实施例中，镜面6分别成接触层的形式。但是，也可以不在整个面上进行接通，而是除了一个局部覆盖基面5的接触层外，使其余面镜面化。一个局部覆盖基面5的接触层例如可以成网状或条状。沿基面5形成的接触层可以适当地位于上接触层的对面，以使电损耗低。
也可以代替沿基面接通地在有源区8和耦合输出窗4或26之间采取接通，这种接通从侧面引出。
在图2-8所示的实施例中，有源区8分别设置在一个棱镜状耦合输出窗4上。也可以设想到，在图2-6所示的实施例中，耦合输出窗4成夫累内尔透镜形式。在图7所示的实施例中，镜面6也可以成矢累内尔镜的形式。
触点可以成条形或网状，其中在条或网线之间的间隙最好被设计成是反射的。
例1
对图5所示的基面为400微米见方且其pn结有一个120微米见方的芯片16，检测耦合输出率。镜面6反射为90％，接触层11的反射为80％。侧面17具有一个60度倾斜角。耦合输出窗4由碳化硅制成并且有源区8是在InGaN的基础上制成的。在这种情况下，42％的发出光子能够离开芯片16。
例2
在另一个与例1的芯片16的区别仅在于侧面17的倾斜角为45度的芯片16中，耦合输出率为39％。
比较例1
在一个基面为400微米见方、背面反射率为90％、在接触层上的正面反射率为80％的常见立方芯片中，耦合输出率为28％。
比较例2
在一个基面为400微米见方、吸光正面接触层为120微米见方、具有另一个正面透明的电流放大接触层并有50％透射率和90％的背面反射率的常见立方芯片中，耦合输出率为25％。
试验结果表明，在图5所示的芯片16中，与常见的立方芯片相比，光输出增大了1.7倍。在图1-4所示的实施例中，光输出增大仍然很大。
尤其是在发射紫外光的芯片中，光输出增大很明显，因为用于芯片注塑的材料一般吸收紫外光并因而无法使用。可是，在此提出的芯片3、13、16、23具有很高的耦合输出率，从而能够放弃浇注。
Claims (26)
1、用于光电子学的芯片，它具有一个发出光子的有源区(8)和一个具有至少一个耦合输出面(7，15，17)的耦合输出窗(4)，所述有源区(8)在所述芯片的一个主辐射方向(18)上设置在所述耦合输出窗(4)的后面，所述耦合输出面(7，15，17)侧超出所述有源区(8)的侧面，其特征在于，在所述耦合输出窗(4)的与所述有源区(8)相对的那侧面(5)上形成一个镜面(6)，并且所述耦合输出窗的材料具有大于所述有源区的材料的折射率。
2、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片是发光二极管芯片。
3、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述有源区(8)是一个形成于所述耦合输出窗(4)上的层系(9)。
4、如权利要求1至3之一所述的芯片，其特征在于，所述芯片具有一个经过所述有源区(8)的芯片轴线。
5、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述耦合输出窗(4)具有穹顶形形状，所述耦合输出窗向着所述有源区缩小。
6、如权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述耦合输出窗具有球冠形形状。
7、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述耦合输出面的曲率半径R2大于或等于2H-R2(nA/ni)并小于或等于2H+R2(nA/ni)，其中，H等于所述芯片的高度，nA是环境的折射率，ni是所述耦合输出窗的材料的折射率。
8、如权利要求7所述的芯片，其特征在于，对沿所述耦合输出面的层系(9)的最大一半尺寸R1来说，适用以下条件，即R1＜R2nA/ni。
9、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述耦合输出窗(4)至少局部成截锥形。
10、如权利要求9所述的芯片，其特征在于，至少局部成截锥形的所述耦合输出窗(4)包围出一个球缺。
11、如权利要求9所述的芯片，其特征在于，至少局部成截锥形的所述耦合输出窗(4)包围出一个旋转椭圆体，所述旋转椭圆体具有穿过所述有源区(8)的纵轴线。
12、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述耦合输出窗(4)成夫累内尔透镜形式。
13、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，在所述有源区(8)下的所述镜面(6)具有使光子侧转向的凸起(22)。
14、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述镜面(6)是弯曲的。
15、如权利要求14所述的芯片，其特征在于，所述镜面(6)从所述有源区(8)看过去成凹形。
16、如权利要求14所述的芯片，其特征在于，所述镜面(6)成抛物面形。
17、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述镜面(6)成夫累内尔镜形式。
18、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述镜面(6)起到接触面的作用。
19、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述镜面(6)形成在接触面的旁边。
20、如权利要求19所述的芯片，其特征在于，接触区成条形。
21、如权利要求19所述的芯片，其特征在于，接触区成网状。
22、如权利要求19至21之一所述的芯片，其特征在于，所述接触面位于所述有源区(8)的对面。
23、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，在所述有源区(8)和所述耦合输出窗(4)之间形成有一个接触层。
24、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，设有一个基于氮化物的有源区，所述耦合输出窗具有碳化硅材料或基于碳化硅的材料。
25、如权利要求24所述的芯片，其特征在于，所述有源区的一个辐射层具有GaN、InGaN、AlGaN和/或InGaAlN。
26、如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述有源区外延生长在所述耦合输出窗上。
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