CN1441971A - 产生辐射的半导体芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体芯片(10)。为了提高光输出，活性层(3)通过切口(11)切断。这样，从产生光的一个点(6)看去，活性层(3)的侧面(9)便暴露在一个大的空间角下并缩短了活性层(3)内的光程。

Description

产生辐射的半导体芯片

本发明涉及一种具有一层发光活性层的产生辐射的半导体芯片。

DE 198 07 758 A1公开了这种半导体芯片，该导体芯片具有一个设置在一衬底上的异质结构，该异质结构具有若干p型和n型掺杂外延层。沿p型和n型外延层之间的界面构成一层活性层，在该活性层中产生光子。

为了改善这种公知的半导体芯片的光输出，该半导体芯片做成棱锥形。通过倾斜的侧面确保了由该活性层产生的光线在少量反射到侧面上后，都可离开该半导体芯片。

这种公知的半导体芯片的一个缺点是，发光效率没有根据几何比例和折射率预期的那么高，其主要原因是由于光束通过材料和反射到侧面上的吸收损耗所致。

本发明的目的是，根据这个先有技术提出一种具有改善的光输出的半导体芯片。

根据本发明，这个目的是这样实现的，该活性层被分成许多区段，这些区段具有垂直于该活性层延伸的侧面。

通过把该活性层分成许多区段，扩大了侧面的总面积。此外，从活性层的每一个发光点看去，在一个较大的空间角下面都露出相应的最近的侧面。所以从活性层的发光点射出的光束的大部分可直接射到一个侧面上并在该处从该半导体芯片射出。

通过把该活性层分成许多区段虽然损失了整个用于发光的活性层的很小一部分，但因此而明显提高了光输出。所以总的来说，通过提出的种种措施提高了发光效率。

其他的有利结构可从各项从属权利要求中得知。

下面结合附图来说明本发明的实施例。附图表示：

图1a和b         常规半导体芯片的活性层内的光束的走向；

图1c和d         本发明半导体芯片内的光束的走向；

图2             半导体芯片的一个改进实施例的一个横截面，

                此时活性层内的切口具有倾斜的侧面；

图3             另一个改进实施例的一个横截面，此时活性层

           内的切口具有侧面凹进去的部分；

图4        又一个实施例的一个横截面，此时活性层由许

           多相互倾斜的、平面的区段组成；

图5        图3横截面的放大部分图；

图6至8     本发明各一个半导体芯片的俯视图。

图1a表示一个常规的光电子半导体芯片1，该芯片设置在一个具有一主面的衬底2上，在该衬底上有一层活性层3。

在活性层3设置有接触点4，这些接触点4也导致半导体芯片1的损耗。例如一个从活性层3内部的一个发光点6发出的光束5首先反射到一个下侧7，然后反射到一个表面8。其中，光束5射到接触点4的下侧并在该处被部分吸收。这同样适用于下侧7和表面8的反射。每次反射都导致光束5的强度的一部分的损耗。此外，在通过活性层3的材料时也有损耗。所以从活性层3的一个侧面9射出的光束5已被明显减弱。

此外，从发光点6发出的光线只以一个较小的空间角部分直接射到侧面9，这可从图1b一目了然。从发光点6看出，侧面9暴露在那些位于空间角范围以外的光束都或多或少地反射到活性层3的下侧7和上侧8并由此减弱了它们的强度。

为了提高光输出，在图1c和1d所示的半导体芯片10中设置一些切入活性层3的切口11，通过这些切口把活性层3分成若干部分区段12。

本发明的活性层是指半导体芯片1的那些有助于发光的层。这些层不但包括那些发光的区域，而且也包括邻接的载流层。此外，在衬底(2)上可设置一个层序列，这个层序列含有该活性层(3)。这个层序列的其他各层例如可用于活性层的接通、晶格匹配、电流导通或光场的导引。

为简化起见，在附图的衬底上只示出了一层3，该层在下面简称为活性层。也可理解为一个包括该活性层的层序列，这个层序列组成图中的层3。

此外，还应当指出，本发明光束的概念不只是指在可见波长范围内具有波长的光束。确切地说，这里提出的概念原是上适用于任何一种电磁辐射，特别是适用于红外线到紫外线的整个光谱范围内的光线。所以，在几何光学范围内使用的光束概念不应当包含电磁辐射的一定的波长。

活性层3的区段例如在该活性层的俯视图中可呈瓷砖状布置。这里可理解为按一个重复的图案在活性层的平面内的一个平面布置。

根据本发明，作为这个层序列尤其是这个活性层3的材料最好用GaN基半导体材料，例如GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。这些层序列可用外延法制成，其中作为外延衬底优先使用SiC衬底、蓝宝石衬底或Si衬底以及由此形成的复合衬底。

通过把活性层3分成许多区段保证了从发光点6发出的光束5在光量反射后射到切口11的侧面13之一上。由于这些区段12的小面积的延伸，所以从发光点6看去，这些侧面13暴露在一个大的空间角下面。这就是说，从发光点6发出的光线的相当大的部分都直接射到侧面13上并在该处向外发射。这尤其可从图1d清楚看出。

从切口11输出的光线应当尽可能不在对应的侧面13上重新输入活性层3。这个目的可通过切口11的侧面13的特殊造型来实现。

这些侧面13例如可做成倾斜的，如图2所示。一个在活性层3的主延伸方向传播的即基本上平行于一个通过活性层3确定的层平面延伸的光束14在穿过侧面13时朝切口11的一个底部15的方向反射，这个光束下面称为主光束14。在底部15，主光束14射到衬底2上并在该处反射。如果切口11足够宽，光束14则可输出。这特别意味着光束14离开半导体芯片，而不再进入层序列或射到活性层3上。

所以在图2所示的半导体芯片16时，不存在从活性层3发出的光束重新输入活性层3的危险。

图3表示另一种可能性。在图3所示的半导体芯片17时，切口从衬底开始朝活性层的衬底对应一侧的方向逐渐缩小。这里的切口11侧向凹进很多，所以主光束14在侧面13上可达到全反射。该侧面的倾斜度是这样选择的，使侧面13上的主光束14以一个大的角度尤其是以一个直角射到表面8上并在该处发射。

最后，还存在活性层3由相互倾斜的、平的区段18组成的可能性。在活性层3的这种布置时，一个区段18的侧面由相邻区段18之一的上侧8或下侧7构成。为了在上侧8或下侧7上不产生全反射，倾斜角7必须大于全反射的临界角，其中全反射的临界角通过sinα_c＝n₂/n₁确定。式中n₂为与活性层3邻接的介质的折射率，n₁为活性层3的折射率。

图5表示切口11象图3那样侧凹的情况。在这种情况中，切口11的侧面角α₁介于0°和全反射的临界角α_c之间。所以这种情况中，主光束14在上侧B的方向内折射。为了阻止主光束14射到相对的侧面13上，切口11的宽度必须选择足够大。从图5可清楚看出为此提出的这个条件，即切口11的宽度b必须为： $b\≥\frac{h}{2\tan ({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}$ 令： ${\sin \mathrm{\α}}_1=\frac{n_1}{n_2}{\sin \mathrm{\α}}_2$

式中h为活性层3的厚度，α₁和α₂分别为侧面13的平面垂线与入射光束14与出射光束14之间的角度，n₁和n₂分别为活性层13和切口11的折射率。就这样实现了该光束在该切口的侧面上产生折射并随即离开半导体芯片。这特别意味着该光束不再射入该层序列。

切口11的面积结构可考虑用不同的形状。图6和7表示两种可能性：图6表示切口11做成十字状，图7表示切口做成另一种安德列斯十字形(Andreas kreuz)。

这里所述的措施也可与其他的措施组合来提高光输出。例如侧面9以及上侧8可进行适当的打毛处理。此外，侧面13和上侧8可设置沟槽或类似的不平度来提高光输出；这种实施例如图8所示，在该处，活性层的俯视图呈邮票状。

Claims (21)

1.产生辐射的半导体芯片，包括一个具有一主面的衬底(2)和一个布置在衬底(2)的主面上的层序列，该层序列包括一层辐射的活性层(3)，

其特征为，

活性层(3)被分成许多区段(12，18)，它们具有垂直于活性层(3)延伸的侧面(7，8，13)。

2.按权利要求1的半导体芯片，

其特征为，

活性层(3)或该层序列被切口(11)分段。

3.按权利要求1或2的半导体芯片，

其特征为，

切口(11)完全切断活性层(3)。

4.按权利要求3的半导体芯片，

其特征为，

切口(11)从层序列的背离衬底(2)的一侧延伸到衬底(2)的主面或伸入衬底(2)中。

5.按权利要求1至4任一项的半导体芯片，

其特征为，

活性层(3)被分成瓷砖状。

6.按权利要求2至5任一项的半导体芯片，

其特征为，

这些切口(11)的至少一个具有一侧面(13)，该侧面朝衬底(2)的主面按一个预定的、不等于90°的角度布置。

7.按权利要求2至6任一项的半导体芯片，

其特征为，

从层序列的与主面相对的一侧朝衬底(2)方向看去，这些切口(11)中至少一个逐渐缩小。

8.按权利要求6或7的半导体芯片，

其特征为，

该切口具有一个底面(15)，且切口(11)的侧面(13)之间的距离是这样选择的，即在活性层(3)内产生的辐射的至少一部分可射到切口(11)的底面(15)上。

9.按权利要求8的半导体芯片，

其特征为，

平行于活性层(2)的一个主延伸方向传播的辐射部分射到底面(15)上。

10.按权利要求8或9的半导体芯片，

其特征为，

切口(11)的侧面(13)之间的距离是这样选择的，即射到底面(15)的辐射的至少一部分可反射到底面(15)并随即从半导体芯片输出。

11.按权利要求2至5任一项的半导体芯片，

其特征为，

从主面看去，这些切口的至少一个在背离该主面的层序列的一侧的方向内逐渐缩小。

12.按权利要求11的半导体芯片，

其特征为，

侧面(13)将在活性层(3)内产生的辐射的至少一部分全反射。

13.按权利要求12的半导体芯片，

其特征为，

平行于活性层(3)的一个主延伸方向传播的辐射部分被侧面(13)全反射。

14.按权利要求11的半导体芯片，

其特征为，

该切口的侧面(13)出射平行于活性层(3)的一个主延伸方向传播的辐射部分。

15.按权利要求14的半导体芯片，

其特征为，

侧面(13)之间的距离是这样选择的，即平行于活性层(3)的一个主延伸方向传播的辐射部分(14)在折射到一个侧面(13)上以后直接离开该半导体芯片。

16.按权利要求1或2的半导体芯片，

其特征为，

活性层(3)被分成若干平面的、相互按一定角度布置的区段(18)，这些区段的上侧(8)和下侧(7)分别构成相邻区段(18)的侧面(13)。

17.按权利要求16的半导体芯片，

其特征为，

一个区段(18)的上侧(8)和下侧(7)出射相邻区段(18)的沿活性层(3)延伸的主光束(14)。

18.按权利要求1至17任一项的半导体器件，

其特征为，

衬底(2)含有硅、氧化硅、碳化硅或蓝宝石。

19.按权利要求1至18任一项的半导体芯片，

其特征为，

层序列含有GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。

20.按权利要求20的半导体芯片，

其特征为，

活性层(3)含有GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。

21.按权利要求1至20任一项的半导体芯片，

其特征为，

该层序列外延生长在衬底(3)上。

Images