CN1446380A - 产生辐射的半导体芯片和发光二极管 - Google Patents

产生辐射的半导体芯片和发光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明提出了高功率发光二极管用的半导体芯片(1)，其纵侧比其横侧长得多，从而明显地提高了光输出。

Description

产生辐射的半导体芯片和发光二极管
本发明涉及一种产生辐射的半导体芯片，该芯片具有一个包括一个产生辐射区域的有源层以及具有侧向界定该有源层的延伸方向内的半导体的横侧和纵侧。此外，本发明涉及一个用这种半导体芯片制成的发光二极管。
这种半导体芯片可从Song Jae lee和Seok Won Song发表的题为“基于几何变形的芯片的发光二极管的有效改进(EfficiencyImprovement in Light-Emitting Diodes Based on GeometricallyDeformed Chips)”的文章中得知，见SPIE会议录III关于发光二极管：研究、制造和应用，圣约瑟，加利福利亚，1999年1月，237～248页。该文描述的一种半导体芯片的半导体本体具有一层下覆盖层、一个有源区和一层上覆盖层。在一种实施形式中，该半导体芯片做成具有一个菱形的基面。在这种菱形基面的情况下，从有源区射出的光束至少在侧面上几次全反射以后才以一个小于全射极限角的角度射到一个侧面上。由于半导体芯片的吸收，发光效率是有限的。
公知的半导体芯片用于高光功率的场合会产生许多困难。因为高的光功率需要大电流通过半导体芯片。其中，光功率和需要的电流强度之间存在一种非线性的关系。亦即需要的电流强度随光功率的增加而超比例地增加。所以横截面面积的每单位面积产生的热随半导体芯片的光功率的增加而超比例地增加。为了限制热负荷，必须通过增加横截面面积来降低电流密度。因此，具体高光功率的半导体芯片一般都具有特别大的横截面面积。
但在半导体芯片的厚度不变的情况下，这会导致这样的后果：从产生光线的有源区的光点看去，只在一个较小的立体角下露出半导体芯片的侧面。所以，按百分率计，只有很少的光束直接射到半导体芯片的侧面上。虽然原则上可通过按比例增加半导体芯片横截面尺寸的厚度，从而获得大的侧面来消除此缺陷，但由于工艺上的原因，这是难于实现的。此外，例如在市场上只能买到具有预定厚度的衬底。
本发明的目的是，提出一种适用于高辐射功率的半导体芯片来改善半导体芯片内产生的辐射的输出。此外，本发明的目的是提出一种具好改善辐射效率的发光元件。
根据本发明，这个目的是通过至少一个作为输出面用的半导体芯片的纵侧在有源区的延伸方向内比一个横侧长来实现的。
为了获得一个适用于高光功率的半导体芯片，首先需要选用很大的侧向横截面来散掉产生的损耗热量。这里所谓的横向横截面是指一个沿着有源区延伸的横截面的面积。特别是在一种具有很小导热率的材料时，该横向横截面必须选择得很大，才能导散在有源区内产生的损耗热量。通过纵侧相对于横侧的延长可影响横截面面积与侧面积之和的比例。特别是通过纵侧相对于横侧的延长可降低横截面面积与侧面积之和的比例。这样横截面面积与光线输出的侧面积之和的比例就变得有利得多。所以与纵侧和横侧同等延长的情况比较，从有源区看去，纵侧暴露在一个较大的立体角下面。因而直接射到一个侧面上的辐射的百分率较高，辐射在半导体芯片中通过的光程也因此变得较短。所以辐射中途被一个侧面吸收的几率较小。
由于这些原因，纵侧比横侧长的半导体芯片在相同横截面面积时比具有相同长度侧面的半导体芯片具有较好的辐射效率。
在一个优选的实施形式中，有源区位于一个有源层内，该有源层布置在一个辐射能穿透的衬底上，该衬底朝该有源层对面的衬底的基面方向呈锥形缩小。
由于从有源层发出的辐射可通过辐射能穿透的衬底，而且一般都在一个小于全反射角的角度下入射到倾斜的纵侧上，所以从有源层看去，侧面被暴露在一个增大的立体角下面，从而导致特别高的发光效率。
本发明的其他有利结构可从各项从属权利要求中得知。
下面结合附图来详细说明本发明。
图1a和b本发明半导体芯片的一个横截面和一个纵截面的示意图；
图2a和b一只发光二极管的横截面和一只发光二极管的俯视图的示意图，该发光二极管装有图1a和b的半导体芯片；
图3a和b另一只发光二极管的横截面和另一只发光二极管的俯视图的示意图，该发光二极管配有图1a和b的半导体芯片；
图4一个设置了一层接触层的半导体芯片的示意放大俯视图；
图5另一个半导体芯片的横截面示意图；
图6一种变型的半导体芯片的一个横截面示意图；
图7另一个变型的半导体芯片的一个横截面示意图。
图1a表示一个具有一层有源层2的半导体芯片1的横截面。有源层2一般为一层含有一个辐射区的导电层或最好在一个多层结构内的层序列。有源层2设置在一个衬底3上，来自有源层2的辐射可以穿透该衬底。此外，还有例如作为接触层用的一层下覆盖层4和一层上覆盖层5。半导体芯片1具有纵侧6。
该衬底一般被一种介质包围，这种介质的折射率比该衬底的折射率小。由于在衬底侧面上例如图1a中纵侧6上的全反射，所以只有那些在一个小于从衬底过渡到相邻介质时的全反射极限角的角度下从衬底射到侧面上的光线才可通过侧面。这个角度在下面也简称为全反射角。
所以，在输出到一个衬底侧面上时，从一个光点发出的光束必须在一个光出射锥体中延伸，该锥体的中轴线是通过该光点延伸的衬底侧面的平面垂线。该光出射锥体的张角是全反射角的二倍。当从光点发出的光束在这个光出射锥体之外延伸时，则这些光束便全反射在相应的衬底侧面上。
在图1a所示的情况中，从有源层2的一个发出辐射的光点7起，由衬底3形成的纵侧6的区域都暴露在一个立体角ω1下面。这个立体角ω1如此之大，以致全部从光点发出的并在位于衬底3中的光出射锥体8的部分以内延伸的光束都射到纵侧6上并输出。
图1b表示半导体芯片1的纵截面。从光点7起，由衬底3形成的横侧9的区域都暴露在一个立体角ωq下面。立体角ωq比立体角ω1小得多，从光点7起，纵侧6暴露在立体角ω1下面。特别是ω1如此之小，以致在位于衬底中的光出射锥体部分内延伸的、可输出的光束的一部分射到下覆盖层4上而不被输出。
虽然原则上可把衬底3的厚度增加到使光出射锥体8以内的全部光束都射到横侧9上。但由于实际原因，这种可能性受到了很大的限制，因为市售的衬底3都是预先给定了厚度的，所以不可能任意选择衬底3的厚度。因此，如果纵侧6选择得尽量长一些，乃是有好处的。此外，横侧9应至少选择这样短，使在光出射锥体8中位于离一个纵侧6最远的光点发出的光束可直接射到该纵侧6上。通过纵侧6相对于横侧9的增加可获得侧面积与有源面积的有利比例。这里所谓的有源面积是指有源层2的面积。在相同有源面积的情况下，在纵侧6和横侧9的长度不同时的侧面积与有源面积之比大于在纵侧6和横侧9的长度相同时的侧面积与有源面积之比。
在衬底中的光出射锥体8的部分以内延伸的光束可无阻碍地射到纵侧6上以及侧面积与有源面积的有利比例这一事实导致了这样的结果：半导体芯片1具有通过大电流负荷的能力而又同时具有良好的辐射输出的特点。
图2a和b分别表示一个装有半导体芯片1的发光二极管元件10的横截面和俯视图。纵向延伸的半导体芯片1平行并排布置、其纵侧的长度与横侧的长度之比至少为10∶1，所以总体上讲，发光二极管10具有一个大致呈方形的基面。在这些半导体芯片1之间设置有隔离壁11。半导体芯片1和隔离壁11用一个管座12盖住。半导体芯片1、隔离壁11和管座12布置在一个共同的载体13上并由一个例如用一种塑料制成的透镜体14覆盖。
隔离壁11和管座12用来把半导体芯片1侧向发射的辐射离开载体13偏转到透镜体14中。通过隔离壁11特别防止了从半导体芯片1之一发出的辐射被相邻的半导体芯片之一吸收。
图3a和3b表示另一个实施形式的一个发光二极管元件5，此时中间的半导体芯片被一个宽的隔离壁16代替，该隔离壁在其上侧具有压焊丝18的一个接触面17。压焊丝18从接触面17引到半导体芯片1上的接触面19。
为了把从半导体芯片1发射的辐射聚焦在一个背离载体13的发射方向内，发光二极管15具有一个透镜体22，该透镜体配有两个透镜状的凸起并覆盖半导体芯片1。
图4表示用于发光二极管元件10或15的半导体芯1之一的放大俯视图。从该图中可特别清楚地看出接触面19的详细结构。接触面19具有一个中心连接面23，例如压焊丝连接用的一个压焊面，从该处分出具有分支线25的接触线路24。接触线路24沿半导体芯片1的周边构成框架状。接触线路24的这种结构保证了有源层2上的电流的均匀分布。此外，通过接触线路沿着半导体芯片1的周边的这种框架结构，避免了电位波动。
图5表示另一个变型的半导体芯片26的横截面。这里的半导体芯片26具有一个包括有源层2的多层结构27。多层结构27设置在一个辐射能穿透的衬底3上并在背离衬底3的一侧上被一个上电极28覆盖。在这个电极28对面的该衬底设置了一个下电极29。
与多层结构27邻接的一侧上，衬底3具有倾斜的侧面6，该斜侧面与多层结构27的垂线形成一个倾斜角θ。沿下电极29的方向，这些倾斜的固定的侧面过渡成垂直于多层结构27或垂直于有源层2布置的侧面。
在衬底的折射率大于多层结构的折射率时，衬底3的倾斜侧面6的倾角θ最好大于由多层结构27和衬底3构成的界面31的临界角(该临界角的值等于从衬底3过渡到多层结构27的全反射角的值)。通过这种造型明显地增加了光出射锥体8的立体角。所以，在图5所示半导体芯片26时，纵侧6比横侧9的增加也产生特别有利的作用。
多层结构例如可以是一种GaN基的半导体结构。作为半导体材料GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN是特别适用的。这种多层结构通常用外延法制成。
根据本发明，多层结构27最好生长在一种辐射能穿透的衬底上，半导体芯片的衬底3也用这种衬底制成。SiC衬底特别适用作外延衬底，这种衬底具有良好的辐射穿透性和导电性。特别是，SiC的折射率大于GaN基的多层结构的折射率。这样，在有源层产生的辐射进入该衬底时就不会产生全反射。
与下电极29邻接的衬底3的区域最好呈立体方形或方形。通过与这个区域内相互正交或平行的界面的这种造型简化了半导体芯片的安装。特别是，在用为安装常规的方形或立方形的芯片设计的自动装配设备时，尤其如此。
图6和7分别表示本发明的另一种实施例，它们由于衬底3的特殊造型而同样具有高的输出率。在图6所示的实施例中，衬底3与界面31对面的纵侧首先夹成一个锐角β。纵侧6朝下电极29的方向不断延伸。纵侧6构成凹面并连续过渡以一个最好为方形或立方形的短墩30。
在图7所示实施例中，取消了短墩30的造型。衬底3的整个厚度呈锥形缩小。
应当指出，原则上倾斜的纵侧6也可由相互错开布置的部分面构成一个菲涅耳透镜。在这种情况中，至少应注意保持半导体芯片1的矩形横截面的平面图。
还应当指出，半导体芯片1或26的平面图不必为矩形，半导体芯片1或26的平面图也可具有倾斜的平行四边形、梯形或多角形的形状。
对半导体芯片1和26相对于一个具有方形平面的常规芯片在发光效率方面的提高曾经进行过详细计算，其结果如下。
                           例1
一个InGaN半导体芯片具有一个增大4倍的有源面积。估算结果可从表1得知。表中最后三列分别给出了相对于标准芯片总输出的输出辐射的百分数。
                         表1
 类型 横截面面积×高   电流   前侧   侧面   总和
 标准芯片＝基准 250×250微米2×250微米   50毫安   50％   50％   100％
 大型芯片 750×750微米2×250微米   450毫安   450％   150％   600％
 矩形芯片 250×2250微米2×250微米   450毫安   450％   250％   700％
                          例2
具有倾斜侧边的图5所示芯片26与其他芯片的比较值如表2所示。其中的输出辐射的百分数是相对于表1给出的标准芯片的总输出而言的。
                           表2
    类型   横截面面积×高   电流   前侧   侧面   总和
    标准芯片   250×250微米2×250微米   50毫安   50％   150％   200％
    大型芯片   750×750微米2×250微米   450毫安   450％   400％   850％
    矩形芯片   250×2250微米2×250微米   450毫安   450％   1100％   1550％
与相同面积的大型芯片比较，图5所示的半导体芯片26提高了1.8倍，而图1a和1b所示的半导体芯片1则大致增加了15％。所以，纵侧6相对于横侧9的延长可明显提高发光效率。
应当指出，这里提出的考虑也适用这样的半导体芯片，即其有源面积具有相同长度的横边和纵边，且其衬底具有纵长的形状。特别是，为了导散在有源区产生的损耗热量，有源层本身应具有足够良好的导热率；与此相反，当衬底具有不良的导热率时，则需要大的横截面面积。

Claims (18)

1.产生辐射的半导体芯片，具有一层包括一个发射电磁辐射的区域的有源层(2)和一个该辐射能穿透的衬底(3)，在该衬底上设置该有源层，该半导体芯片具有横侧(9)和纵侧(6)，它们侧向界定有源区延伸方向上的半导体芯片，并通过它们输出该辐射的至少一部分，
其特征为，
至少一个作为输出面用的纵侧(6)在该有源区的延伸方向内比一个横侧(9)长。
2.按权利要求1的半导体芯片，
其特征为，
该半导体芯片具有一个包括有源层(2)的多层结构(27)，该多层结构布置在衬底(3)上。
3.按权利要求1或2的半导体芯片，
其特征为，
纵侧(6)和横侧(9)界定有源层(2)在其侧向内的延伸。
4.按权利要求1至3任一项的半导体芯片，
其特征为，
作为输出面用的纵侧(6)在有源层(2)的延伸方向上至少两倍于横侧(9)的长度。
5.按权利要求1至3任一项的半导体芯片，
其特征为，
作为输出面用的纵侧(6)在有源层(2)的延伸方向上至少具有一个横侧(9)的10倍的长度。
6.按权利要求1至5任一项的半导体芯片，
其特征为，
衬底(3)作成平行六面体。
7.按权利要求1至6任一项的半导体芯片，
其特征为，
半导体芯片(3)朝有源层(2)对面的基面方向呈锥形缩小。
8.按权利要求7的半导体芯片，
其特征为，
衬底(3)具有一个朝有源层(2)的延伸方向倾斜的侧面，在朝基面的方向，后接一个垂直于有源层(2)的延伸方向的侧面。
9.按权利要求1至8任一项的半导体芯片，
其特征为，
在该半导体芯片的表面之一上设置从一个连接面(23)引出的电流扩展桥形接片(24)。
10.按权利要求9的半导体芯片，
其特征为，
分支线(25)从电流扩展桥形接片(24)分接。
11.按权利要求2至10任一项的半导体芯片，
其特征为，
该衬底的折射率大于该多层结构的折射率。
12.按权利要求2至10任一项的半导体芯片，
其特征为，
该多层结构含有GaN、InGaN、AlGaN或InAlGaN。
13.按权利要求1或1 2的半导体芯片，
其特征为，
该有源层含有GaN、InGaN、AlGaN或InAlGaN。
14.按权利要求1至13任一项的半导体芯片，
其特征为，
该衬底是一个SiC衬底(3)。
15.按权利要求2至14任一项的半导体芯片，
其特征为，
多层结构(27)用外延法制成。
16.按权利要求15的半导体芯片，
其特征为，
衬底(3)用一种外延制造多层结构(27)所用的外延衬底制成。
17.发光二极管，
其特征为，
该发光二极管包括一个按权利要求1至15任一项所述的半导体芯片。
18.按权利要求17的发光二极管，
其特征为，
反射器(11)沿该半导体芯片的纵侧(6)延伸。
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