JP2004507095A - 発光半導体チップ - Google Patents

Abstract

高出力のルミネセンスダイオードのための半導体チップ（１）が提案される。本発明の半導体チップの縦面は横面よりも格段に長い。こうした構成により光出力を大幅に改善することができる。

Description

【０００１】
本発明は、放射を形成するゾーンを備えた活性層と、半導体を活性ゾーンの延在方向において側方で制限する横面および縦面とを有する発光半導体チップに関する。さらに本発明はこの種の半導体チップにより形成されるルミネセンスダイオードに関する。
【０００２】
この種の半導体は刊行物 Ｓｏｎｇ Ｊａｅ Ｌｅｅ ＆ Ｓｅｏｋ Ｗｏｎ Ｓｏｎｇ， ”Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ Ｄｅｆｏｒｍｅｄ Ｃｈｉｐｓ”， ＳＰＩＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＩＩＩ， Ｓａｎ Ｊｏｓｅ Ｋａｌｉｆｏｒｉｎｉａ， Ｊａｎ．１９９９， ２３７頁〜２４８頁から公知である。ここに記載されている半導体チップの半導体ボディは下方のカバー層、活性層および上方のカバー層を有している。或る例では半導体チップはプリズム状に構成されており、その基本面の輪郭は菱形である。このような菱形の輪郭では、活性ゾーンから送出される光ビームは少なくとも数回全反射した後、側面に対して全反射の限界角度よりも小さい角度で現れる。光効率は主として半導体チップ内での吸収率により制限される。
【０００３】
公知の半導体チップの問題点は、高い光出力を要する適用分野で発生する。なぜなら高い光出力は半導体チップに大きな電流が流れることを前提とするからである。このとき光出力と必要な電流強度とのあいだには非線形の関係が生じる。つまり必要な電流強度は光出力との比例関係を超えて過度に上昇する。このために横断面の面積単位当たりで生じる熱も半導体チップの光出力が増大するにつれて過度に増大する。したがって熱負荷を制限するには、横断面積を拡大して電流密度を低減しなければならない。このため高い光出力を有する半導体チップは一般に特に大きな横断面積を有する。
【０００４】
しかも半導体チップの厚さが同じであれば、半導体チップの側面が活性ゾーンにおいて光を形成する発光点から見て小さな立体角しかなさないことになる。したがってパーセンテージで考えると半導体チップの側面には僅かな光ビームしか直接には発生しない。これは基本的には半導体チップの厚さを横断面の寸法でスケーリングすることにより側面を大きくすれば回避できるが、これはプロセス技術上の理由から困難である。また例えば市販では予め定められた所定の層厚さを有する基板しか入手できない。
【０００５】
こうした従来技術から出発して、本発明の課題は、高い放射出力に適した半導体チップを提供し、半導体チップで形成される放射の出力効率を改善することである。さらに本発明の課題は改善された放射効率を有する光学素子を提供することである。
【０００６】
この課題は、出力面（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｆｌａｅｃｈｅ）として用いられる半導体チップの少なくとも１つの縦面が活性ゾーンの延在方向で横面よりも長い本発明の構成により解決される。
【０００７】
高い光出力に適した半導体チップを得るためにまず必要なのは、横断面積を大きくして生じる損失熱を放出できるようにすることである。横断面積とは活性ゾーンに対して長手方向で延在する部分の横断面積を意味する。例えば小さな熱伝導性しか有さない材料を使用する場合には、まず活性ゾーンで発生する損失熱を放出できるようにラテラル方向の横断面積の大きさを選定しなければならない。横面に対して縦面を長くすることにより、側面積全体に対する横断面積の比を調整することができる。例えば側面積全体に対する横断面積の比は横面に対して縦面を長くすることにより低減される。これにより側面全体に対する横断面積の比から格別に有利な光出力が得られる。その結果、縦横が等しい長さである場合に比べて、活性ゾーンから見て縦面が大きな立体角を有する。したがって全放射のうち直接に側面へ出ていく放射のパーセンテージも高くなる。また放射が半導体チップを通過するときの光路も短くなる。放射成分が途中で側面に吸収されてしまう確率も小さくなる。
【０００８】
こうした理由から半導体チップの縦面は横面に対して細長く構成される。これにより同じ横断面積で同じ長さの側面を有する半導体チップよりも良好な放射効率が得られる。
【０００９】
有利な実施形態では、活性ゾーンが放射透過性の基板上に配置された活性層内に設けられ、基板は活性層とは反対側の底面へ向かって先細になっている。
【００１０】
活性層から送出された放射は放射透過性の基板を通り、全体として斜めになった縦面に対して全反射角度よりも小さい所定の角度で発生する。このため活性層から見て側面のなす立体角が拡大されると特に高い光効率が得られる。
【００１１】
本発明の別の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【００１２】
以下に本発明を添付図に則して詳細に説明する。
【００１３】
図１のａ、ｂには本発明の半導体チップの横断面と長手方向断面との概略図が示されている。図２のａ、ｂには図１のａ、ｂの半導体チップ上に構成されているルミネセンスダイオードの方向から見た横断面の概略図が示されている。図３のａ、ｂには図１のａ、ｂの半導体チップ上に構成されている別のルミネセンスダイオードから見た横断面の概略図が示されている。図４にはコンタクト層の設けられた半導体チップの拡大された平面概略図が示されている。図５には別の半導体チップの横断面の概略図が示されている。図６には変更された半導体チップの横断面の概略図が示されている。図７にはさらに変更された別の半導体チップの横断面の概略図が示されている。
【００１４】
図１のａには半導体チップ１の断面図が示されている。この半導体チップには活性層２が設けられている。活性層２は一般に多層構造体として放射形成ゾーンを含む電流層または電流層シーケンスを有している。活性層２は基板３上に配置されており、この基板は活性層２からの放射を透過する。さらに下方のカバー層４と上方のカバー層５とが設けられており、これらのカバー層はコンタクト層として用いられる。また半導体チップ１には縦面６が設けられている。
【００１５】
一般に基板は媒体によって包囲されており、この媒体は基板よりも小さな屈折率を有する。基板側面、例えば図１のａの縦面の個所での全反射に基づいて、光ビームが基板から側面を通って出射する。この光ビームは基板からこれに接する媒体への移行時に全反射の限界角よりも小さい所定の角度で側面に発生する。この角度を以下では略して全反射角度と称する。
【００１６】
したがって基板側面での出力に対して発光点から送出される光ビームを中心軸線が発光点を通る基板側面の面法線である光出射円錐（Ｌｉｃｈｔａｕｓｔｒｉｔｔｓｋｅｇｅｌ）として延在させなければならない。光出射円錐の開放角は全反射角度の２倍の大きさである。発光点から送出される光ビームが当該の光出射円錐を外れると、その光ビームは当該の基板の側面で全反射してしまう。
【００１７】
図１のａに示されているケースでは、基板３によって形成される縦面６の領域と活性層２の放射を形成する発光点７とは所定の立体角ω_１をなしている。この立体角ω_１は、発光点７から送出されて光出射円錐８の基板３内に存在する成分として延在する全ての光ビームが縦面６に当たって出力される大きさに選定されている。
【００１８】
図１のｂには半導体チップ１の長手方向断面図が示されている。発光点７と基板３によって形成される横面９の領域とは立体角ω_ｑをなしている。この立体角ω_ｑは縦面６と発光点７とのなす立体角ω_１よりも格段に小さい。さらに云えば、ω_ｑは出力可能な光ビームの光出射円錐のうち基板内に存在する成分が下方のカバー層４へ入って出力されなくなってしまうほど小さい。
【００１９】
基本的には、基板３の厚さは、光出射円錐８内部の全ての光ビームが横面９に発生する大きさにすることができる。ただしこれは実際上はきわめて制限された状況でしか行うことができない。というのは市販入手可能な基板３は決まった厚さしか有さず、基板３の厚さを任意に選定することはできないからである。したがって有利には、縦面６の長さをできる限り長く選定すると有利である。また横面９は短く選定し、少なくとも光出射円錐８のうち縦面６から最も離れた個所に位置する発光点の光ビームが直接に縦面６に発生するようにすべきである。縦面６の長さを横面９に比べて長くすることにより、側面と活性面との有利な比が得られる。活性面とはここでは活性層２の面積のことである。活性層の面積が等しいときの側面と活性面との比は、縦横の長さが異なっている場合のほうがこれらが等しい場合よりも大きくなる。
【００２０】
光出射円錐８のうち基板内部に存在する光ビーム成分が阻止されずに縦面６に発生する構成と、側面と活性面との有利な比とにより、半導体チップ１に高い電流負荷耐性および良好な放射出力が得られる。
【００２１】
図２のａ、ｂにはそれぞれ本発明の半導体チップ１を備えたルミネセンスダイオード１０のモジュールの断面図と平面図とが示されている。縦横の比が少なくとも１０：１の長さの細長い半導体チップ１が相互に並列に配置されており、ルミネセンスダイオード１０として全体ではほぼ矩形の基本面を形成している。半導体チップ１どうしのあいだに分離壁１１が設けられている。半導体チップ１および分離壁１１はフレーム１２によって包囲されている。半導体チップ１も分離壁１１もフレーム１２も共通の支持体１３上に配置されており、例えばプラスティックから製造されたレンズボディ１４によってカバーされている。
【００２２】
分離壁１１およびフレーム１２は半導体チップ１から側方の方向へ送出される放射を支持体１３からレンズボディ１４のほうへ偏向するために用いられる。分離壁１１により、例えば１つの半導体チップから送出された放射が隣接している別の半導体チップに吸収されることが阻止される。
【００２３】
図３のａ、ｂには別の実施例のルミネセンスダイオード１５のモジュールが示されている。ここでは中央の半導体チップが幅広の分離壁１６によって置換されており、この分離壁の表面にボンディングワイヤ１８のためのコンタクト面１７が設けられている。ボンディングワイヤ１８はコンタクト面１７から半導体チップ１のコンタクト面１９へ通じている。
【００２４】
半導体チップ１から送出された放射を支持体１３とは反対の送出方向へ集束するために、ルミネセンスダイオード１５は半導体チップ１をカバーするレンズ状のレンズボディ２２を有しており、このレンズボディには湾曲部２１が設けられている。
【００２５】
図４にはルミネセンスダイオード１０または１５のモジュールに使用されている半導体チップ１の拡大平面図が示されている。ここでは特にコンタクト面１９の詳細な構造が見て取れる。コンタクト面１９は中央の端子面２３、例えばワイヤ接続のためのボンディング面を有しており、そこからコンタクト路２４が延び、さらにスタブ路２５が分岐している。半導体チップ１の周に沿ってコンタクト路２４がフレーム状に構成されている。コンタクト路２４のこうした構成は活性層２全体にわたる電流の均一な分布を保証する。コンタクト路２４を半導体チップ１の周に沿ってフレーム状に配置することにより、電位の変動も回避される。
【００２６】
図５にはさらに変更された別の実施例の半導体チップ２６の断面図が示されている。半導体チップ２６はここでは活性層２を含む多層構造体２７を有している。多層構造体２７は放射透過性の基板３上に被着されており、基板３とは反対側では上方電極２８によってカバーされている。この電極２８の反対側の基板上には下方電極２９が設けられている。
【００２７】
多層構造体２７に接する側では基板３は斜めの側面６を有しており、この側面は多層構造体２７の法線に対して傾斜角θを有している。下方電極２９へ向かう方向では当該の斜めの側面は多層構造体２７または活性層２に対して垂直な側面へと移行している。
【００２８】
多層構造体の屈折率よりも大きい屈折率を有する基板では、有利には、基板３の斜めの側面６の傾斜角θは多層構造体２７と基板３とによって形成される界面３１の限界角度、すなわち基板３から多層構造体２７への移行部の全反射角度よりも大きい。こうした形状設定により、光出射円錐８の立体角は格段に拡大される。したがって図５に示されている半導体チップ２６の縦面は横面に比べて長くなり、特に有利である。
【００２９】
多層構造体は例えばＧａＮベースの半導体の構造体である。半導体材料としてここでは特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮが適している。この種の多層構造体は一般にエピタキシャルプロセスにより製造される。
【００３０】
有利には、本発明では、多層構造体２７は放射透過性の基板上に成長され、そこから半導体チップ用の基板３が成形される。エピタキシ基板として特に放射透過性と導電性とを特徴とするＳｉＣ基板が適している。例えばＳｉＣ基板の屈折率はＧａＮベースの多層構造体の屈折率よりも大きい。これにより有利には活性層内で形成された放射が基板へ入るときにも全反射は生じない。
【００３１】
基板３の下方電極２９に接する領域は有利には立方体状または直方体状に形成されている。このように相互に直交または相互に平行な界面が当該の領域に設けられるように形状設定することにより、半導体チップ１の実装が簡単化される。これにより特に、従来の立方体状または直方体状のチップのための自動実装装置を使用することができるようになる。
【００３２】
図６、図７には、同様に基板３の特別な形状設定に基づく高い効率を特徴とする本発明の別の実施例が示されている。図６に示されている実施例では、基板３はさしあたりその側面と界面３１とが鋭角βをなすように構成されている。延長部では側面は下方の電極２９へ向かう方向へ湾曲している。側面６は凹形に構成されており、有利は直方体状または立方体状の台３０へ続く滑らかな移行部を有している。
【００３３】
図７に示されている実施例ではさらに台３０の構成が省略されている。基板３は厚さの方向で先細となっている。
【００３４】
基本的には斜めの側面６はフレネルレンズの形態で相互にオフセットされて配置された部分面として形成することもできることを指摘しておく。この場合少なくとも半導体チップ１の断面の矩形の輪郭はそのままに保持される。
【００３５】
また半導体チップ１または２６の輪郭は必ずしも矩形でなくともよい。半導体チップ１または２６の輪郭が尖った平行四辺形、台形または他の多角形の形状を有していてもよい。
【００３６】
半導体チップ１、２６の光効率の増大は矩形の輪郭を有する従来のチップに関連して詳細に求められている。この場合、以下の結果が得られる。
【００３７】
例１：
ＩｎＧａＮ半導体チップは係数４の増幅を行う活性面を有している。評価の結果を表１に示した。ここでは端の３つの列にそれぞれ標準チップからの全出力に対する出力放射の成分が示されている。
【００３８】
【表１】

【００３９】
例２：
図５に示されている斜めの側面を有する半導体チップ２６では、種々のタイプごとに表２の値が得られた。ここでは表１に示されている標準チップでの全出力に対する出力放射の成分が示されている。
【００４０】
【表２】

【００４１】
均一な平面を有する大型チップに比べて、図５の半導体チップ２６は係数１．８ほど改善されており、図１のａ、ｂに示されている半導体チップ１の利得の値は約１５％である。横面に比べて縦面を長くすることにより光効率を著しく上昇させることができる。
【００４２】
ここに示した考察は縦横の長さの等しい活性層を有する半導体チップだけでなく、細長い形状の基板を有する半導体チップにも相当する。これは、活性層そのものは活性ゾーンで発生する損失熱を放出するのに充分に良好な熱伝導率を有しているが、基板の熱伝導率が低いために大きな横断面積を必要とする場合に特に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体チップの横断面と長手方向断面との概略図である。
【図２】半導体チップ上に構成されているルミネセンスダイオードの方向から見た横断面の概略図である。
【図３】半導体チップ上に構成されている別のルミネセンスダイオードの方向から見た横断面の概略図である。
【図４】コンタクト層の設けられた半導体チップの拡大された平面概略図である。
【図５】別の実施例の半導体チップの横断面の概略図である。
【図６】変更された実施例の半導体チップの横断面の概略図である。
【図７】さらに変更された実施例の半導体チップの横断面の概略図である。

Claims (18)

1. 電磁放射を形成するゾーンを備えた活性層（２）と放射透過性の基板（３）とを有しており、
   基板上に活性層が配置されており、
   該基板は半導体チップを活性ゾーンの延在方向の側方で制限し、かつ少なくとも一部の放射を出力する横面（９）および縦面（６）を有している
   発光半導体チップにおいて、
   出力面として用いられる少なくとも１つの縦面（６）は活性ゾーンの延在方向で横面（９）よりも長い
   ことを特徴とする発光半導体チップ。
2. 半導体チップは活性層（２）を含む多層構造体（２７）を有しており、該多層構造体は基板（３）上に配置されている、請求項１記載のチップ。
3. 縦面（６）および横面（９）は活性層（２）の側方の広がりを制限している、請求項１または２記載のチップ。
4. 出力面として用いられる縦面（６）は活性層（２）の延在方向で横面（９）の少なくとも２倍の長さを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のチップ。
5. 出力面として用いられる縦面（６）は活性層（２）の延在方向で横面（９）の少なくとも１０倍の長さを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のチップ。
6. 基板（３）はパラレルパイプド（Ｐａｒａｌｌｅｌｐｉｐｅｄ）として構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のチップ。
7. 基板（３）は活性層（２）の反対側の底面へ向かって先細になっている、請求項１から６までのいずれか１項記載のチップ。
8. 基板（３）は活性層（２）の延在方向に向かって斜めの側面を有しており、該斜めの側面から底面へ向かって活性層（２）の延在方向に対して垂直な側面が続いている、請求項７記載のチップ。
9. 表面に電流伝搬路（２４）が設けられており、該電流伝搬路は端子面（２３）から出ている、請求項１から８までのいずれか１項記載のチップ。
10. 電流伝搬路（２４）からスタブ路（２５）が分岐している、請求項９記載のチップ。
11. 基板の屈折率は多層構造体の屈折率よりも大きい、請求項２から１０までのいずれか１項記載のチップ。
12. 多層構造体はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを含む、請求項２から１０までのいずれか１項記載のチップ。
13. 活性層はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを含む、請求項１または１２記載のチップ。
14. 基板はＳｉＣ基板（３）である、請求項１から１３までのいずれか１項記載のチップ。
15. 多層構造体（２７）はエピタキシャルプロセスにより製造されている、請求項２から１４までのいずれか１項記載のチップ。
16. 基板（３）は多層構造体（２７）のエピタキシャルプロセスによる製造に使用されるエピタキシ基板から成形されている、請求項１５記載のチップ。
17. 請求項１から１５までのいずれか１項記載の発光半導体チップを含んでいることを特徴とするルミネセンスダイオード。
18. 半導体チップの縦面（６）に沿ってリフレクタ（１１）が延在している、請求項１７記載のルミネセンスダイオード。