CN1434984A - 发射辐射的半导体器件,其制造方法及发射辐射的光学器件 - Google Patents

发射辐射的半导体器件,其制造方法及发射辐射的光学器件 Download PDF

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Abstract

发射辐射的半导体器件具有包括发射辐射的有源层(10)的多层结构(100)、具有用于向多层结构(100)中注入电流的电学接触(30，40)，以及具有可透过辐射的窗口层(20)。该窗口层只安置在多层结构(100)的避开半导体器件主发射方向的一侧，并且具有至少一个侧壁，该侧壁包括一个向垂直于多层序列的半导体本体的中轴方向呈倾斜，凹入或分级式地伸展的第一侧壁部分(20a)。从多层结构看，该侧壁部分在进一步向背面方向伸展时转变成垂直于多层结构的，就是说平行于中轴伸展的第二侧壁部分(20b)，并且窗口层(20)的包括第二侧壁部分(20b)的部分构成半导体器件的装配底座。第一和第二侧壁部分特别优先用具有造型边缘的锯片制造。在一个优选的光学器件中该半导体器件用窗口层向下被安装在一个反射器盆内。

Description

发射辐射的半导体器件，其制造方法 及发射辐射的光学器件
本发明涉及一种发射辐射的半导体器件，其中给具有产生辐射的有源区的多层结构配备一种用于耦合出辐射的窗口层。
本发明特别涉及一种发射辐射的半导体器件，该器件具有一种在SiC为基础的生长衬底上淀积的氮化物为基础的有源多层结构，和涉及一种用这样的发射辐射的半导体器件装配的发射辐射的光学器件。
本发明进一步涉及制造该发射辐射半导体器件以及制造具有这样的半导体本体的光学器件的方法。
典型的，对于发射辐射的光学器件，特别是对于发光二极管器件，目前主要只使用直角平行六面体形状的、发射辐射的、一般包封在透明浇注材料中的半导体器件。一个重大的困难在这里是光学半导体器件的、通常的半导体材料的折射系数(n＞2.5)和传统的提供使用的浇注材料的折射系数的折射系数(例如环氧树脂，n环氧≌1.5)的很大差别。因此在半导体本体与浇注材料之间的界面处全反射临界角很小。这就是在有源区中产生的光相当大的一部分由于在芯片表面的全反射不能从半导体本体中耦合出并在其内部损失掉的原因。在规定的、流过半导体器件产生光的电流情况下，器件的亮度是受此限制的。
此外，在GaN为基础的、在其中在具有较外延层序列高的折射系数的衬底(例如碳化硅衬底)上安置外延层序列的发光二极管芯片上，出现特殊的问题，在传统的直角六面体芯片几何形状时，通过衬底侧面耦合出的辐射部分，以对衬底侧面很尖锐的角度在芯片背面方向被耦合出。因此该辐射以很陡的角度并且很靠近芯片射到固定芯片的管壳装配面上。这样带来的缺点是，首先，由于尖锐的入射角，辐射的大部分在芯片装配表面被吸收和其次存在很大危险，辐射的相当一部分照射到固定芯片常用的导电胶上并由其吸收。
在DE 198 07 758 A1中建议一种发射辐射的半导体本体，其中为提高有源区光产额在半导体本体规定发出辐射方向再配置上所谓的第一窗口层，半导体本体贯通的侧表面与多层异质结构的延伸平面形成钝角。该贯通侧表面与有源区平面形成的钝角在110°和140°之间。在此该第一窗口层由生长衬底或由一个在该衬底上分别生长的外延层组成。
此外，根据DE 198 07 758 A1半导体本体可以有另一个所谓的第二窗口层，该层借助外延或晶片键合覆盖在避开第一窗口层的有源区的一侧，就是说在半导体本体的下侧，并且其贯通侧表面与有源区平面形成40°和70°之间的角。因此半导体本体从上侧到下侧具有贯通倾斜的芯片侧面。
这种芯片几何形状首先用于使平行于有源区伸展的芯片表面大于有源区并实现照射到第一窗口的倾斜侧壁上的光向着预定的发出辐射的方向完全在内部反射。
此外，第二窗口层附加地满足任务，从有源区向下，就是说向半导体本体装配面方向发射的光，经第二窗口层的倾斜侧面从半导体本体耦合出。
为了减少在反方向耦合出光，并且优先在半导体本体内己经将该光转向正面一侧，建议给全部倾斜芯片侧面加上反射覆层。
这种已知芯片几何形状，这种着重针对经正面一侧改善光的耦合输出，特别提出下列问题：
(i)在制造倾斜侧面时，在晶片上存在的有源外延层序列的可观的一部分面积被丢失，因为这些倾斜侧面从有源区一侧借助制造V形槽来产生，
(ii)为了保留足够大的芯片装配面积，第二窗口层的厚度受很大限制，其中
-在把芯片装配到发光二极管的管壳内时，不出现芯片倾倒，
-保证电流展宽到尽可能整个有源区，
-确保有源区充分散热，以及
-芯片具有足够的机械稳定性。因此它优先总共只约为有源区侧向宽度的10％-40％。
(iii)倾斜侧面与发光二极管管壳的芯片装配面一起形成一个楔形缝隙，在传统塑料材料LED管壳时该缝隙一般用透明的浇注材料填充。在工作期间器件温度提高时，和/或由于环境温度提高，诸如在汽车中应用时出现的环境温度提高，由于通常浇注材料高的热膨胀，有很强的机械应力作用在芯片上，因此与直角六面体形状的芯片相比，该芯片与管壳的芯片装配面脱层的危险显著增加。
(iv)第二窗口层的制造是与昂贵的技术费用分不开的，因为该层必须附加地单独生长，或必须借助晶片键合附加地覆盖。
(v)用作装配面的芯片下表面，是半导体本体的最小表面，在其上安置向外伸展很宽的上部窗口区。因此有很大的危险：在传统的、在芯片装配中使用的自动装配技术，通常是一种摘嵌方法中，可能出现芯片倾斜，并从而出现相应发光二极管器件发射轴的倾斜。若只有第一窗口层而无第二窗口层，则这种危险将减小。
(vi)由于上面在(ii)和(v)中所述理由，可能存在的下部窗口层的厚度必须尽可能小。然而这样做带来的结果是，该窗口大部分被为了装配发光二极管芯片通常使用的粘胶所掩盖，并从而不能充分或根本不可能对光的耦合输出作出贡献。
要点(ii)和(v)的意义随着芯片边长的减小，就是说随着越来越小的有源区的截面而增加，这是按照从一个单一晶片获得尽可能高的芯片收益的观点所不断追求的，因为边长越短，在所建议的芯片几何形状的情况下，所得到的芯片装配面积越小。根据这些理由下部窗口层应制成尽可能薄或删去。
从DE 198 07 758 A1已知的芯片几何形状适合于，如果从总体来看，只对GaP基础上的材料体系有实际义意，在该材料体系中可以外延制造两种导电类型的厚层，它们的导电性足够好，以便尤其能够实现所建议的下部窗口层，并且同时能够实现在接近整个有源区上的电流扩展。
在氮化物为基础的III-V半导体材料体系中，该材料体系特别包括GaN，InN和AlN和在GaN，InN和AlN基础上的所有三元和四元混晶，例如AlGaN，InGaN，AlInN和AlGaInN，特别是p型导电掺杂层，只有当它们比较薄时，才具有足够小的电阻。因此，对应于上面所述装置的厚的下部窗口，特别是在传统采用的GaN基础上的有源层序列时，其中下部窗口层可能必须安置在p型导电的一侧上，在忍受上面阐明的困难的情况下，只能借助晶片键合才可以实现，这是离不开高技术费用相联系的。
从US 5,233 204已知一种在InGaAlP基础上的发光半导体本体的几何结构，其中在吸收衬底和有源层结构之间安置了一个包括GaP、GaAsP或AlGaAs的厚透明外延层。该厚透明外延层的侧面对有源层结构这样地倾斜，使得到漏斗形的层。因此从有源层结构向衬底发射的辐射，以小于全反射角的角度照射到透明层的侧面上。
但是在US 5,233,204所建议的芯片结构中出现可观的光损失。一方面基于在有源层结构到厚的透明外延层的界面处的全反射(折射系数有源层＞折射系数窗口)和随后在有源层序列中的吸收，另一方面基于在吸收辐射的生长衬底内的吸收。此外以厚的透明外延层制造的窗口层的制造要求可观的附加技术费用。
为了改进光耦合输出在其它场合己提出建议，把半导体器件制成具有例如三角形或平行四边形的侧面截面；为此参阅Song Jae Lee，SeogWon Song的文章＂基于改变几何形状芯片的光发射二极管的效率的改善＂发表在SPIE发光二极管会议，加利福尼亚，San Jose，1999年1月，237至240页。在这些装置中提高了芯片中的反射率，因为反射角经常改变。因此，同时却必须，产生辐射的层、接触层或半导体器件的其它层如此构成，使其吸收的光尽可能少。
本发明的任务是，提供一种开始所述类型的、具有改进的光耦合输出的、适于批量生产发光二极管器件的、发射辐射的半导体本体，其中尤其也保证单一晶片的芯片产出率。该半导体本体应当特别适于借助传统的、在半导体技术中应用的自动芯片装配设备装配到传统发光二极管管壳内。
此外应当提供一种制造这种类型半导体本体的方法。
本发明的另一任务在于提供一种改进的发射辐射的光学器件。
这些任务通过具有权利要求1的特征的一种半导体器件、通过具有权利要求9的特征的一种光学器件以及通过具有权利要求12的特征的一种方法解决。
优良的扩展和实施结构是从属权利要求2至8、10和11以及13至15的内容。
下面特别是所有二元，三元和四元具有氮的III-V半导体混晶，诸如GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN以及AlInGaN都属于＂氮化物为基础＂的。
与此相似，下面每种其主要特性由组成部分Si和C赋予的混晶被认为＂SiC为基础的＂。
下面对生长衬底应理解为作为有源层序列最先的一层外延生长基础的衬底。
此外下面前侧或上侧指的是安排在半导体本体的、在器件预定发出辐射方向的有源多层序列之后的那一侧。所以背侧或下侧指的是背向半导体本体前侧的一侧。
根据本发明，在开始所述类型的半导体本体中，透明窗口层具有至少一个侧面，从多层结构看，该侧面经窗口层的第一层厚段向垂直于外延层生长平面的半导体本体的中轴方向呈倾斜、凹入或分级式地伸展，并且在进一步伸展中，向半导体本体的装配面方向，就是说经与第一层厚段连接的第二层厚段，与中轴平行，就是说垂直于半导体本体的装配面。
在考虑半导体本体装配面的条件下，窗口层作为其下侧只是安置在多层结构下方，并且窗口的倾斜，凹入或分级式伸展的侧壁转变为垂直于装配面伸展的侧壁部分，并构成直角平行六面体形、三棱形或圆柱形装配底座。
后者具有特殊优点，即半导体器件在其底面的面积没有显著减小，使得在传统方式自动装配到管壳时芯片的倾斜力矩减小，并因此降低器件倾斜的危险。
装配底座进一步具有的优点是，半导体本体可以正好用直角平行六面体的、三棱形的或圆柱形的本来就很少提取光的器件底部部分，粘贴到管壳中。根据本发明的半导体本体的几何结构，半导体本体到管壳装配面的连接面足够大，以便一方实现半导体本体与管壳之间稳定的机械连接，和另一方面实现足够大的电和热的接触面。
另一个建立在直角平行六面体的、三棱形或圆柱形的装配底座基础上的优点在于，在半导体本体与所属管壳的装配面之间，尽管有倾斜伸展的侧面仍不形成楔形缝隙，该种缝隙在传统塑料LED管壳上一般用透明浇注材料填满。在工作期间器件温度提高时和/或基于例如在汽车中使用出现显著的环境温度提高时，由于通常透明浇注材料高的热膨胀，从装配面压离半导体本体的力，与已知具有倾斜窗口侧面的芯片几何形状相比明显减小。因此芯片与管壳的装配面，此装配面在使用导电衬底时还同时用作半导体本体的导电连接，脱层危险明显减小。
此外，由按本发明的半导体本体的几何形状产生的优点是，在其制造时有源多层结构的损失是很小的。几乎整个晶片面积可以用作半导体本体的有源区。用按本发明的芯片几何形状，每个晶片得到的半导体本体的数量与制造传统的直角平行六面体的半导体本体相比没有改变。
此外产生的优点是，正面的器件面积足够大，使得从有源区向正面发出的辐射的大部分直接向正面耦合出，不形成其它损失，特别是不形成在附加的上部窗口中的吸收损失。
按本发明的半导体本体的几何结构主要适合于，尤其优先适合于在SiC为基础的衬底上的、或在其它的其材料具有比有源多层结构的折射系数大的具有氮化物为基础的有源多层结构(就是说取自材料体系In1-x-yAlxGayN，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1)的半导体本体。这里的一个理由是，氮化物为基础的层只是当很薄时才有足够小的电阻。这点极其适合p型掺杂的该种类型的层。
按本发明的半导体本体，基于相对于传统的直角平行六面体的芯片改进的照射到衬底侧面上的辐射的角度区，与通过衬底侧面可向外耦合的角度区的重叠，有能力把在有源区产生辐射的比较大的一部分，己经在第一次穿过芯片时，就是说辐射第一次照射到芯片表面时耦合出。因此在侧面上的全反射减少了，直接耦合出的光增多了，并且通过长的光程和在器件内或邻界的窗口区的多次反射引起的吸收减小了。
侧面的倾斜的、凹入的或分级式的部分主要优先如此构成，使从半导体器件通过侧壁耦合出的辐射参照半导体器件的中轴，在50°和90°之间的角区内向外发射。从而有利地实现，在传统用于发光二极管器件的具有反射器的管壳结构中，侧面通过窗口层耦合出的辐射照射到反射器倾斜的侧壁上，这样做有突出的优点，该辐射以较钝的角度照射到反射器的内壁上，从而尤其在塑料反射器壁上并获得改进的反射。
如图2所示，在传统的直角平行六面体芯片中，通过窗口层耦合出的辐射的主要部分，由于陡的从芯片侧面(参阅图2)到反射器底部的发射角，从该底部一方面由于辐射的较陡的入射角，和另一方面由于不可避免的部分地用粘着剂覆盖的底部，较少地反射辐射。
此外，特别优选地，窗口层的材料具有比与此相邻界的有源多层结构的材料较大的折射系数。因此有利地使从有源区向背面发送的辐射在多层结构与窗口层之间的界面处的反射被减少，并得到耦合入窗口层的辐射的压缩。
按本发明的芯片几何结构特别优先应用于氮化物为基础的LED芯片，其中有源多层结构在SiC或SiC为基础的生长衬底上制造。这里满足折射系数有源层＞折射系数衬底。
在具有正方形横断面的芯片上，多层结构边长/装配底座边长的比值主要优选1.2至1.6。在平面倾斜的窗口侧面时，该侧面与半导体器件中轴特别优选地形成满足20°≤α≤40°的角度α。
在该种设计中，一方面保证在多层结构的整个面上良好的电流分布，和另一方面在半导体器件工作时，装配管座上的电压降处在可接受的范围内。
在另一有利的设计中设置，至少窗口层的倾斜，凹入或分级式的区域是制成粗糙的。
特别有利的是，当窗口是生长衬底时，例如GaN为基础的多层结构在构成窗口的SiC为基础的生长衬底上。
在按照本发明的包括具有上面揭示的特征的、发射辐射的半导体器件的、发射辐射的光学器件中，半导体器件装配在管壳基体的一反射器空隙中。该反射器空隙优选具有一个优先为平面的底面，在该底面上装配发射辐射的半导体器件，并且该底面由一个平面的、对底面倾斜的反射壁至少部分地包围。管壳基体是由反射材料，尤其由适当的优先用提高反射能力的材料填充的塑料制造，并具有电学连接元件。半导体器件用其装配面安放在底面上并借助胶粘剂与此粘接。
装配底座的高度是如此选择的，使通过倾斜的、凹入的或分级式的窗口层区耦合出的辐射的最大部分照射到倾斜的反射器壁上，而不照射到反射器空隙的底面上，并向器件的发射方向反射。
因为倾斜壁面不可以任意接近半导体器件-即底面必须提供足够的空间，以便首先半导体器件能够以一定的定位容差装入管壳，其次能够从芯片的上侧到外部的电连接元件建立引线连接-所以装配底座是本发明半导体器件的一个重要元件。
在一种特别的实施结构中，侧面反射壁这样地构成抛物面形，使经倾斜的、凹入的或分级式的窗口层区耦合出的辐射以对有源层预定的方向基本平行地向上反射。
参照底面较平的发射尤其是在塑料表面反射时进一步带来富有意义的减小辐射吸收的优点，因为在塑料表面的辐射入射角越平吸收越小。
反射器壁能够有利地以简单方式构成高反射性的，例如用铝或银覆层。此外在装配半导体器件进入管壳时，倾斜的反射器壁被胶粘剂沾污的危险是不存在的。
在装配管座下侧的接触金属化优先是栅格接触。已经证实，向芯片背面方向发射的辐射向正面方向的反射将得到改善，如果背面接触金属化不是在整个面上形成。
在制造按照本发明的发射辐射器件的方法中规定，在覆盖和必要时结构化有源多层结构之后，在大面积衬底晶片上，从以后的半导体器件背面方向，即从窗口层的避开有源多层结构的那一侧，用具有造型边缘的锯片，向这样制成的晶片锯入一预定深度，在该深度中锯片的片形部分，即锯片表面平行延伸部分，进入衬底晶片部分地，优先到达装配底座的高度。
对造型边缘现在应理解为按照一定的尺寸成型的锯片的端面，用于制造锯槽的规定的几何形状。该选型边缘现在具有倾斜的、凹入的或分级式的窗口层部分的前缘形状，并因此构成V形的，凸出的或分级式的。
在该造型锯槽步骤之后，对覆盖多层结构的大面积晶片装置进行分离，形成大量发射辐射的半导体器件，其中借助折断或借助第二个锯缝沿锯缝将晶片整体分离开。
特别优选在借助具有造型边缘的锯片锯入之前，先将有源多层结构沿规定的锯缝分开，优先使用刻蚀。
在本发明另一优选的实施形式中规定，接触面尤其用金属化层构成，已在锯入晶片背面之前制造。
在本发明方法的一个特别优选的扩展中，首先在SiC为基础的衬底晶片上覆盖一GaN为基础的外延层序列，这种外延层序列适用于发射在紫外、兰色和或绿色光谱区中的辐射。衬底材料优先是这样选择的，使它至少对从多层结构的有源区发出的辐射的大部分至少是部分可通过的，并具有比外延层序列的材料有较大的折射系数。
随后在外延层序列的正面上和在衬底晶片的背面上覆盖接触层，在此之前与此相适应优选借助刻蚀将外延层序列分离成大量相互分开的有源多层结构。然后从避开外延层序列的衬底晶片的那一侧进行成型锯开工艺。
本发明其它优选的实施结构和扩展从下面结合附图1a至11所述实施例得到。其中示出：
图1a至1c是通过按本发明发光半导体器件可选择实施结构的示意截面，
图2a至2e是在器件管壳的反射器空隙内传统的直角平行六面体器件的发射特性示意图，
图3a至3e在器件管壳的反射器空隙内具有平面倾斜窗口层侧面的按本发明半导体器件的发射特性示意图，
图4a至4c一个传统发光半导体的发射特性曲线与两个按本发明的具有平面倾斜窗口层侧面的发光半导体器件的发射特性曲线的比较，
图5示出按本发明的具有平面倾斜窗口层侧面的半导体器件光输出耦合效率与角度的关糸曲线，该角是半导体器件的倾斜侧面与垂直中轴的夹角，
图6各安装在一种平面反射的装配面上的、一种传统直角平行六面体半导体器件与一种按本发明的具有平面倾斜窗口层侧面的半导体器件的远场特性曲线的比较，
图7按本发明的具有抛物面形反射器壁的发光光学器件的截面示意图，
图8至11制造按本发明发光半导体器件方法的实施步骤，以及
图12一种按本发明方法的特别优选的半导体器件透视图。
图1a纯示意性示出通过按本发明的一种发光半导体本体的一个截面，一个产生光的有源层10，例如在InGaN基础上的一种单量子阱(SQW，Single Quantum Well的缩写)或多量子阱(MQW Multi Quantum Well)结构位于一多层结构100内部，此多层结构例如总的包括多个氮化物为基础的III-V半导体层。这种多层结构精确构造由材料系统和所希望的器件特性决定。有关细节从当前技术己知，因此就这方面不再详述。
多层结构100，例如是通过金属有机气相外延法在窗口层20上制造的，该窗口层在其下侧具有电接触40。在多层结构100上方有第二电接触30，在实施例中该接触大面积地掩盖多层结构100的上表面。该电接触30制作的很薄，使它对从有源层向上发射的大部分地是可透过的。这种情况在一种GaN结构时例如用几nm的铂层，例如6nm是可实现的。由于这种原因，该接触可以大面积掩盖多层结构的上侧，并实现向有源层10中大面积输入电流。
在接触30上安排一个不透明的小面积键合盘31。
当在有源层10上安置的半导体层有足够的电导率时，可以放弃大面积透明接触30，只安排小面积的不让辐射透过的键合盘31。因此辐射可以从键合盘31的侧面发射出。
在所示实施例中窗口层20由生长衬底形成，优先包括碳化硅或包括以SiC为基础的材料，而多层结构100是在氮化镓基础上构成的。这意味着，多层结构100除含有氮外还含有元素铟、铝和/或镓。在此材料体系中p型掺杂层只有比较薄时才能足够好地导电。
在窗口层背面上的，就是说在生长衬底20背面上的金属接触40优先构成栅格网。由此将窗口层20背面的反射率意外地提高。
在另一材料系统中多层序列100的层和衬底可以另外形成。例如在材料体系InGaAlP中在厚层时一定的导电性是可能的。衬底可以是兰宝石或SiC。因此在该材料体系中还可以在多层结构100上面再安置一个透明窗口，而在材料体系氮化镓中形成这种类型的外延生长窗口是不可能的。
按本发明规定，在这个实施例中由生长衬底构成的透明窗口20在其上侧位于多层结构100处，并且透明窗口的上侧表面在向多层结构的过渡区中至少部分地与多层结构100组成一锐角α。首先倾斜地沿角α向多层结构或向有源区10伸展的侧壁20a在下面金属接触40的方向转变成垂直于多层结构伸展的侧壁20b，使得直接与金属接触20邻界的窗口20的和从而生长衬底的下部就自身规察有直角平行六面体结构并用作装配管座200。装配管座的高度，为了使电压降尽可能小，应尽可能低并例如处于100和200μm之间的范围内。
由半导体本体平面倾斜侧壁20a和和中轴50围成的夹角α，各根据所希望的发射特性，处在例如20°至80°范围内。特别优选该角α处在20°和30°之间。在这个范围内耦合输出效率最高(参阅图5)。
窗口层包括碳化硅，多层结构以氮化镓为基础制造。这种类型多层结构的详细构造对专业技术人员是己知的，因而在此不再详述。从有源层10向上发射的辐射将向上在金属接触30的方向直接从多层结构100耦合输出。向下，就是说向窗口层20方向发射的辐射首先在多层结构100和窗口层20之间的界面上向内折射。基于事实，向外的指向半导体器件的外部空间方向的该辐射，沿一角度入射到倾斜的窗口20的侧表面20a，该角度小于全反射的临界角，这些光辐射可以被从窗口或从衬底20耦合输出，如图1a中用辐射1至4所示意的。
相反在垂直于有源层伸展的装配底座200的侧表面20b的范围内几乎没有光耦合输出。这种情况导致，在具有被倾斜的侧表面20a的衬底20的较高部分中，可以将光向外耦合输出，而在衬底20具有垂直于装配面的侧面20b的较低部分中，几乎没有光向外耦合输出和从而它保持是暗的。
因此，在观察处于工作中的按本发明发光半导体器件时，多层结构的表面和衬底倾斜侧表面显现发亮，而衬底20的装配底座200却保持黑暗。向具有垂直侧面20b的区域射入的光，在侧壁20b上被全反射，并随后在衬底20的下侧向半导体本体的上侧方向反射。
按此方法，与SiC衬底上以氮化物半导体为基础的直角平行六面体芯片相比有可能实现光输出的提高超过80％。
图1b实施例与图1a实施例的主要差别在于，衬底20的侧表面20a不是平的斜面，而是向半导体本体的垂直中轴50的方向呈分级式的伸展。
在图1c中示出的实施结构中，在图1a实施结构平面倾斜侧面20a的位置设置从半导体本体外部看凹入的侧面20a。在此处，衬底20与有源层序列100，从有源层序列100看首先围成锐角β。在向衬底20背面的方向进一步延伸时，该侧壁转变成垂直于衬底20背面的装配底座200的侧壁20b。按此方法，从多层结构100看得到侧表面的光滑过渡，从起初的锐角β直到垂直于有源层伸展的、直角平行六面体装配底座200的侧表面。
在图1a至1c中衬底20比多层结构100有较大的折射系数。
在所有实施结构中，侧面20a和/或20b可以例如借助腐蚀变糙。在装配底座200侧面20b粗糙的情况下，也可以从中耦合出辐射。
在图1a至1c的所有实施例中衬底或窗口20的厚度特别优选在100μm和250μm(包括极限值)之间。此处，在管壳中窗口下侧的粘合接触不应超过装配底座200的高度。此处这种类型构造的优点是通过在装配底座侧面流出的胶粘剂导致的较大站立面积，这种胶粘剂产生较好的散热和较大的稳定性。
图2a示出在一个器件外壳的反射器盆310内装配的传统直角平行六面形半导体本体300的发射特性。经衬底侧面耦合出的辐射的光路用有箭头的虚线320表示。经衬底20侧面耦合出的辐射只在很窄的角度范围内进行，使得该辐射首先照射到反射器空隙310上或照射到用其接触和固定半导体本体300的导电胶340上。如果不能得到反射器盆足够小，则经侧面耦合出的辐射在底面上反射之后甚至不再照射到反射器盆的侧壁上，例如图2b，在一个不透过辐射的基体中具有反射器盆的预制管壳表面可装配的管壳结构的实例示意展示的。
在图3a展示的、在器件管壳的反射器盆410内借助导电胶440装配的、具有倾斜侧面420a和直角平行六面形装配底座420b可透过辐射衬底420的、按本发明半导体本体的发射特性中可以看出，经侧面420a耦合出的辐射460的大部分，不是照射到盆底430，而是直接照射到反射器壁450，并从那里向半导体本体的主发射方向反射。在图3b中展示在不透过辐射的基体中具有反射器盆的预制管壳表面可装配的管壳结构中，用本发明半导体芯片可实现的光路。根据用按本发明芯片几何结构经窗口衬底侧面耦合出较多辐射和该辐射大部分直接照射到反射器侧壁的事实，将更多的＂背面＂辐射向回反射增强器件的主发射方向。
图2c，2d，3c和3d示出LED器件所谓径向构造形式的对比，在这种构造形式中LED芯片被粘贴在金属反射器中，而且周围的浇注体370或470具有透镜形状，一方面具有传统的直角平行六面形的LED芯片(图2c和2d)，另一方面具有图1a按本发明的LED芯片(图3c和3d)具体说明如下：
图2d示出SiC窗口衬底上传统直角平行六面形InGaN为基础的LED芯片5mm径向构造形式的远场区。浇注体是透明的，使没有散射出现。发射的最大值虽然位于正前方向，但在偏离垂直方向约15°处示出两个傍瓣最大值。这些在用视觉观察时也是可以见到的，并且在一定应用中出现问题。图2c中示意示出具有传统LED芯片的该种径向构造形式的光路。
图3d中示出具有图1按本发明LED芯片的相同径向构造形状的发射特性曲线。一方面是相对于具有传统LED芯片构造的辐射功率明显提高，另一方面是在具有传统LED芯片的结构中显著的傍瓣最大值这里不再存在。该发射光的视觉印象产生这种LED结构的明显均匀的光亮图像。该具有按本发明LED芯片的径向结构的光路示意地展示在图3c中。
在传统直角平行六面体形LED芯片中，在反方向确实地发射辐射。但是该辐射主要部分对垂直的芯片轴的角度最大约40°。从而该辐射不能到达反射器倾斜的侧壁。因此它只照射到平坦的反射器底部或在固定LED芯片的导电胶中被吸收。如在图2c中所示，该发射角是很不适宜的，使辐射不能准确地进入正面方向。因为此外指向反方向的辐射具有高的方向特性曲线。所以产生观察到的傍瓣最大值。
通过窗口衬底中倾斜的衬底侧壁，有利地在反方向一方面增大了辐射功率，另一方面增大了耦合输出角区。现在辐射照射到反射器倾斜的侧壁，并因此较好地反射到透镜。此外较大的角区使得不再出现傍瓣最大值。
在图2b和3b示出的、具有反射器空隙310或410的、不透射辐射管壳基体380或480的可表面装配结构中，基于传统直角平行六面体形LED芯片的限定反向发射角，只有结构的限定区域被照亮(在图2e中用暗的圆形区390表示)。在管壳中向反向发出的辐射只照到反射器空隙的平坦底部。通常用于制造管壳基体的塑料，不是理想反射的，而是一部分辐射被其吸收。
但是，如果在该可表面装配结构中安排按图1a的本发明LED芯片，则这里也有一大部分辐射照到倾斜的反射器壁上(参阅图3e)。该反射器例如能够以简单方式借助提高反射能力的覆层来安排。用本发明LED芯片，如图3e通过暗的圆形区490表示的，有显著较大的反射器区域被照亮。
在图4a至4c中对比传统直角平行六面体芯片(图4a，边长/外延层序列约260μm，边长衬底约290μm和衬底厚度约250μm)的发射特性曲线和两种不同的本发明半导体本体(图4b和4c)的发射特性曲线。图4b对应于按图1a的半导体本体，具有边长/外延层序列约260μm，边长/衬底：上部约290μm，下部约190μm和衬底厚度约250μm，其中平的倾斜衬底侧面20a与中轴50形成45°夹角，并与衬底上侧有距离约25μm。图4c对应于按图1a的半导体本体具有边长/外延层序列约260μm，边长/衬底：上部约290μm，下部约190μm和衬底厚度约250μm，其中平面倾斜衬底侧面20a与中轴50形成30°夹角，并与衬底上侧有距离约25μm。所有半导体本体具有相同的多层结构100和相同的衬底材料(SiC)。这些曲线给出在360°展示中的发射角，以及及借助同心圆表示的各方向的发射强度。
从图4a可以清楚地看到，一个己知的具有SiC衬底的直角平行六面体发光GaN为基础的芯片，向上在0°方向有一约60°的视场角，和主要的在125°和235°方向有两个其它窄射束，各有视场角约15°陡地向背面发射。
与此相对应，根据图4c，本发明具有同一多层结构100和SiC衬底20的半导体本体示出一种比图4a在约95°和约130°之间的角区内和在约230°和约265°之间的角区内明显提高的辐射强度。此外在30°和330°之间的角区内也可以看到明显的改进。从而芯片经倾斜侧面20a几乎水平发射。总的，用按照图4c的装置产生明显的、就是说与传统几何结构的芯片相比有80％或更多改善的光耦合输出特性。
与图4b对应的半导体本体虽然同样具有与传统半导体本体相比改善的耦合输出特性曲线(请与图4a比较)，但是远没有达到与图4c对应的半导体本体的改善。
在图5的曲线图中画出按照图1a示出的在SiC窗口衬底(nSiC＝2.7)上具有以GaN为基础(nGaN＝2.5)的、多层结构实施例以％表示的耦合输出效率与半导体本体的倾斜侧面20a和垂直中轴之间的夹角α的关系。在倾斜侧面20a上侧衬底20的边长恒定保持在290μm。为装置底座三种不同边长求出了角度依赖关系。就是说窗口边长上/窗口边长下的比例被改变。有三角形的曲线501对应于窗口边长下165μm，有正方形的曲线502为190μm和有菱形的曲线503为215μm。在所有情况下都可以清楚地看到，当α在20°和30°之间时耦合输出效率最大，并且它在很小和很大角度α时都下降很多。
由于与GaN相比SiC有较大的折射系数，从多层结构进入窗口衬底的辐射向垂直线折射。因此在窗口衬底中出自多层结构的角区被压缩。通过窗口衬底侧面的倾斜可以实现，此被压缩的角区尽可能多地与侧边的耦合角锥相重合。
图5的曲线是利用半导体芯片三维模型借助光线跟踪计算求得的。在该计算中包含芯片所有可能的发射通道。表面、台面边缘和衬底的直的侧面。经锯条边棱的反向发射的优势是需要确定的。用不同的侧面角，尤其优先用具有造型边缘的锯片产生(见下述)的角，的仪器实验证实了这种计算。对于45°锯片比传统直角平行六面体芯片得到50％的光提高，对30°锯片得到超过80％的光提高。
在图6中，对比各装配在平的反射面上的传统直角平行六面体芯片的远场特性曲线与按图1a的具有在20°和30°(包括界限值)之间α的按本发明芯片的远场特性曲线。内部曲线601对应于传统芯片，外部曲线602对应于本发明芯片。
对于按本发明具有正方形侧向截面的半导体器件，其中窗口层20的所有4个侧面具有平的倾斜第一侧壁部分20a，多层结构100的边长与装配底座的边长之比优选在1.5和2之间，包括1.5和2，特别优选1.35。
在按图7的光学器件中设定，例如按图1a本发明半导体本体被装配到基体70的空隙71中。基体70可以，如在图7中所示，是一种径向LED的电学连接导线部分，它与半导体本体的金属接触40电学接触，而金属接触30经键合引线与LED第二电学连接导线部分72连接。整个装置用透明材料73包封。
按本发明的发光半导体器件可以同样良好地安置在向上发射的可表面装配的LED管壳或基体内。在那里也形成一个基体，有一个装配半导体器件的空隙。
基体70的空隙71的侧壁74构成反射器，它可以或者通过选择基体材料或者通过空隙的覆层进行。反射器的目的是使按图6b侧向倾斜向下发射的光可利用地向前在半导体器件金属接触30的方向发射。其中反射器74的形状是如此选择的，使产生所希望的发射特性曲线。对于强的向上或向前指向的辐射有一种反射器形状是适用的，其倾斜侧向外方向增加例如以半抛物线形状。
按图8至11概略地示出按本发明发光半导体器件的制造，更确切地说同时制造大量半导体器件。在图8中用图1的参考符号示意标出发光层10及窗口20。此处在实施例中在以后应该制成发光器件的位置设置发光层。此处用实际上已知的方法按图8首先在衬底20上制造这里未详细展示的具有相关有源层10的多层结构。此处制造方法特别包括掩蔽技术和覆层技术，例如外延方法。在外延之后，外延层序列优先借助掩蔽和刻蚀被分离成大量多层结构。
按本发明在制成多层结构之后，该装置从背面，就是说从窗口侧用成型锯片沿位于对面的、以后的芯片的、多层结构之间的刻蚀槽锯入，其边缘R有预定的形状。在实施例中该边缘构成V形。现在锯入是如此进行的，使衬底不只是用V形锯片80的尖端划出刻痕，而是使切割进行到很深，使锯片的片状部分也锯入到衬底中。从而产生锯槽S1，它首先以重直壁进入衬底，以便随后对应于锯片的边缘形状R，在本事例中逐渐形成V形。圆的或其它形状的成形边缘也是可能的。
在锯好之后，在衬底中凹槽和发光层之间保留的剩余高度H典型值为10μm至100μm。图9再次示出涉及图1的结构，在V形切口和发光层10之间按图1的角度α是如何形成的。
按图8在锯入一定深度后，依据剩余高度H，该器件优选通过按图10的楔式折断法或通过二次锯槽分开。为此将图8已切口的装置贴到载体T上。然后按图10从载体敞开的下侧借助折断楔进行剩余高度H的折断。按图11可选择另一方法，用二次锯槽S2把晶片分开，使各个半导体器件被分成单个器件。
成型锯片边缘形状R的选择依据对衬底侧表面的要求，而这些侧表面又依据怎样可以得到最大光耦合输出。依赖于半导体材料和围绕物或衬底的折射系数，在V形锯槽时典型角度α在10°和70°之间。
在图12中示出具有SiC生长或窗口衬底和GaN为基础的多层结构100的，优选的按本发明半导体器件的立体图。

Claims (15)

1、发射辐射的半导体器件，具有
-含有发射辐射的有源层(10)的多层结构(100)，
-向多层结构(100)内注入电流的电学接触(30，40)，以及
-可透过辐射的窗口层(20)，该窗口层
-只安置在多层结构(100)的避开半导体器件主发射方向的一侧，
-具有至少一个侧壁，该侧壁包括一个向垂直于多层序列的半导体本体的中轴方向呈倾斜、凹入或分级式地伸展的第一侧壁部分(20a)，从多层结构看该侧壁部分在进一步向背面方向伸展时转变成垂直于多层结构的，就是说平行于中轴伸展的第二侧壁部分(20b)以及
-窗口层(20)的包括第二侧壁部分(20b)的部分构成半导体器件的装配底座。
2.按权利要求1的半导体器件，
其中窗口层(20)是由用于生长多层序列(100)的生长衬底制造的。
3.按上述权利要求之一的半导体器件，
其中窗口层(20)材料折射系数大于多层序列(100)，特别是有源层(10)的材料折射系数。
4.按上述权利要求之一的半导体器件，
其中窗口层(20)包括碳化硅或以SiC为基础并且多层序列由氮化物为基础的半导体材料，特别是由GaN为基础的半导体材料制造。
5.按上述权利要求之一的半导体器件，
其中窗口层(20)的所有侧面具有第一侧壁部分(20a)和第二侧壁部分(20b)。
6.按上述权利要求之一的半导体器件，
其中第一侧壁部分(20a)是平的斜面，与中轴(50)形成在20°和30°之间的，包括20°和30°的角度(α)。
7.按权利要求4、5或6之一的半导体器件，
该器件具有正方形侧向截面，其中窗口层(20)的所有四个侧面具有平的倾斜第一侧壁部分(20a)和其中多层结构(100)的边长与装配底座的边长之比在1.5和2之间，包括1.5和2，特别优选约为1.35。
8.按上述权利要求之一的半导体器件，其中至少第一侧壁部分(20a)是制成粗糙的。
9.具有按权利要求1至8之一的发射辐射半导体器件的发射辐射光学器件，具有配置倾斜或抛物线形侧壁(350)的反射器盆(410)，在该反射器盆中半导体器件如此装配，使窗口层(20)指向反射器盆底部(430)。
10.按权利要求9的发射辐射光学器件，
其中反射器盆的侧壁用提高反射率的材料覆层。
11.按权利要求9或10的发射辐射光学器件，
其中反射器盆的侧壁是如此构成的，使由半导体器件向反方向发出的辐射由倾斜侧壁最大限度地向上向有源层的同一方向反射。
12.按权利要求1至8之一的发射辐射半导体器件的制造方法，具有下列步骤：
-在大面积衬底晶片(20)上制造大量相邻安置的多层结构的(100)，
-用具有造型边缘(R)的锯片(80)从衬底背面锯入衬底晶片(20)，该造型边缘具有第一侧壁部分(20a)规定形状的前缘形状，直到锯片的片状部分锯入衬底的规定深度，
-沿锯槽分开晶片，以及
-分成单个器件的进一步处理。
13.按权利要求12的方法，
其中通过折断方法或第二锯槽实现分离。
14.按权利要求12或13的方法，
其中在从衬底背面锯入之前，在衬底或多层结构的敞开表面上制造金属接触。
15.按权利要求12至14之一的方法，
其中用具有V形边缘的锯片进行锯槽。
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