TW541712B - Chip for the opto-electronics - Google Patents

Description

541712 五、 發明說明 ( 1 ) 本 發 明 涉 及 — 種 可 發 出 輻 射 的 晶片 ，所 述 晶 片 具 有 — 個 光 子 輻 射 的 活性 區 和 — 個 劃 分 到 此區 的， 特 別 是 與 此 區 鄰 界 的 輸 出 親 合 窗 □ 此 輸 出 耦I 合 容器 有一 個 輸 出 耦 合 面 至 少 有 — 部 分 從 活性 區 發 射 出 來 的光 線經 m 此 耦 合 面 從 晶 片 中 親 合 輸 出 〇 在 US50 87 949A 中 公 佈 了 一 種具 有一 個 截 錐 體 形 的 η 型 摻 雜 的 輸 出 耦 合 窗 □ 的 發 光 二 極體 晶片 0 : 沿; 該 η 型 摻 雜 的 基 體 的 基 面 構 成 — 個 P 型 導 電 層。 在Ρ 型 導 電 層 的下 面 y 是 一 個 被 中 心 窗 □ 斷 開 的 絕 緣 層。: 在窗 □ j 中! 該 Ρ 型 導 電 層 由 -- 個 接 觸 層 接 觸 Ο 另 — 個 接 觸層 處於 截 錐 體 基 體 的 上 側 0 流 過 P 型導電層和 η 型 導 電基 體的 電 流 被 該 絕 緣 層 限 制在 窗 □ 1¾ 〇 在 窗 □ 區 沿 著 Ρ 型導電層和 η 型 導 電 基 體 之 間 的 介 面 通 im m 電 流 發 出 光 子 。由 於基 體 的 截 錐 形 構 形 大 部 分 光 子 在 一 個 小於 全 反 射的臨 界角 度 的 角 度 下 落 射 到 截 錐 體 形 基 體 的 輸 出 親 合 面 上 。由 此這 種 公 知 的 器 件 有 比 較 闻 的 發 光 率 〇 這 種 公 知 的 發 光 二 極 體 的 缺 點 在於 ρη 接 面 處 在晶 片 的 安 裝 側 〇 在 此 在 用 導 電 的 銀 環 氧 膠合 劑安 裝 時存在有 較 筒 的 風 險 ， 即 —* 側 高 度 膨 脹 的 膠 合 劑會 短路 所 述 活性 Is 從 而 使 器 件失 效 〇 從現有技 術 出 發 ， 本 發 明 的 目 的在 於， 創 造 — 種 前序 部 分 所 述 的 改 進 了 的 晶 片 J 特 別 是 在很大的 程 度 上 消 除 了 活 性 或 部 分活性 區 被 短 路 的風 -3- 險。 541712 五、發明說明（2) 此目的通過一種具有申請專利範圍第1項特徵的晶片來 達成。 本發明的優越性的擴展由申請專利範圍第2至 2 5項得 知。 在下文中“晶片軸線”之意義是一條垂直於該晶片安裝 面且穿過晶片而延伸的直線。 根據本發明，晶片的活性區有一個垂直於晶片軸線的輸 出耦合窗口截面，並且活性區沿晶片的發射方向安排在輸 出耦合窗口後。在輸出耦合窗口的背離活性區，並從而朝 向安裝面的側面構成一個鏡面。該鏡面優選地大於上述的 活性區並且優選地由金屬化層構成，該金屬化層同時用於 作晶片的電接觸。 在本發明的晶片中，發射光子的活性區與那些把晶片固 定在晶片座上的導電粘接材料離開足夠遠的距離，從而在 很大的程度上消除了由導電粘接材料造成短路的風險。使 本發明中的晶片安裝時更具可靠性。 在一個根據本發明的器件的優選的實施形式中，輸出耦 合窗口的經過活性區的側面有一個突出的部分區域，其向 者晶片的輪射的方向有一個彎曲的表面，例如一個圓弧形 地向外拱起的表面。最好使該彎曲表面完全地環繞著該活 性區，從而輸出耦合窗口至少有一個近似於碗形的外輪廓 活性區的截面和輸出耦合窗口的彎曲表面的曲率半徑R2 541712 五、發明說明（3) 是這樣決定的，以使得由反射出現在鏡面上的活性區虛像 落在扇形的外氏橢球內。這特別意味著，曲率半徑R2大 於或者等於該器件高度的兩倍。此外活性區的最大半外部 尺寸R1沿輸出耦合面Rl<R2nA/ni，式中ni是輸出耦合窗 口的材料的折射率而ηA是環境的折射率，所述環境特別 由一種晶片澆注物構成。 以這樣的安排，晶片接近於理想的外氏（We i e r s t r a s s ) 橢圓的形狀，因爲活性區的虛像落在外氏球體內，並且在 此成像的光子可以離開基體。 本發明特別適用於輸出耦合窗口的材料的折射率大於鄰 接的活性區的材料的折射率的晶片，所述的活性區大多構 成爲活性的多層接面構。由此可以有利地避免由活性區向 後發出的輻射反射在活性區和輸出耦合窗口之間的介面上 ，並且實現把饋入到輸出耦合窗口的輻射進行壓縮。 根據本發明的晶片幾何形狀特別適用於以S i C或S i C爲 主之生長晶片上產生活性多層接面構以氮化物爲主的LED 晶片上。在此有活性層的折射率 > 晶片的折射率。GaN爲 主的LED晶片是一種其輻射發出層具有例如GaN、In、A1N 、AlGaN 和 / 或 InGaAIN 的 LED 晶片。 “以氮化物爲主”特別是涉及所有的具有二價、三價、 四價氮的I II — V族半導體混合晶體，例如g a N、I η N、A 1 N 、AlGaN 及 InGaN、 InAIN 和 AlInGaN。 類似地，“以S i C爲主”指各種主要特性由S丨和C成分 541712 五、發明說明（4) 所顯示的混合晶體。 活性區的層列優選地已經在晶片材料上生長出，以後進 一步加工成親合窗口。 下面借助于附圖說明本發明的細節。 圖式簡單說明： 弟1圖爲尊循外氏原理的出光件的截面不思圖。 第2圖爲本發明的晶片的截面示意圖。 第3圖爲第2圖的晶片的一個截面的不意圖，在此圖中 不出活性區的像的位置。 第4圖爲根據本發明的晶片的一個實施例的截面示意圖 〇 第5圖爲一個繪出定向輻射的實施例的截面。 第6圖爲一個其鏡面在活性區下有把光子導向側面方向 的隆起的實施例的截面。 第7圖爲一個具有凹鏡面的實施例。 第8圖爲一個具有多個相鄰設置的活性區的器件，對所 述活性區各劃分出$個合窗口的截錐形截面。 第1圖中所示的器件具有一個按照外氏原理構成的截面 。所述的器件有一個半徑爲R1的內部的光產生區1。該光 產生區1由一個折射率爲ni並且半徑是R2的殼2包繞。 殻2由一種折射率是nA的材料包繞（例如空氣或者塑膠澆 注材料。爲了在光產生區1中產生的光可以完全地從殼2 耦合輸出，應當符合：Rl/R2< nA/ ni。 541712 五、發明說明（5) 第2圖不出一個發光二極體（LED)晶片3的截面，所述 的晶片有一個半球形輸出耦合窗口 4，在其基面5上構成 一個鏡層6。對著鏡層6在輸出耦合窗口 4上設有一個發 出光子的活性區8。該活性區8包含一個具有輻射發出區 1〇’特別是有一個輻射發出的pn接面1 〇的層列9，並且 由一個接觸層1 1覆蓋。活性區8可以在除輻射發出區1 〇 的層之外包含其他的層，例如涉及晶體或者電性相匹配的 層，和/或還包含所謂的覆蓋層。這樣的層列是公知的， 從而在此不加詳述。鏡層6也可以構成爲接觸層。 通過流經輸出耦合窗口 4和活性區8的電流，在輻射產 生區10中通過電荷載體的結合作用而產生光子。這些產 生的光子的一部分發射向輸出耦合窗口 4，在基面5上反 射然後大部分導向沿向著輸出耦合面7的方向。如果光子 以一個小於全反射的臨界角（也稱爲邊界角）的角度落射在 此處，光子可以穿過輸出耦合面7並且離開輸出耦合窗口 4，後述情況發生的槪率在根據本發明的晶片比常規的晶 片幾何形狀提高了。 如果如此地選擇晶片的幾何關係，使活性區8的虛像12 對於輸出面7達到沒有全反射的外氏（Wei ers trass)輸出 耦合條件，則這樣是特別優越的。如果輸出耦合面7的曲 率半徑 R2 選擇得有：2H— R2nA/ni<<R2«2H + R2nA/ni，優選 地R2 = 2H，就是這樣的情況，式中Η是晶片3的高。此外 活性區的外半展R 1，活性區8的折射率η 1和輸出耦合窗 541712 五、發明說明（6) 口 4的折射率n2符合：l/R2< nA/ni。在這種情況下落 在鏡面6的一大部分光子可以通過輸出耦合面7輸出。其 例外只是那些在鏡面6和活性區8之間往復反射的或者吸 收回活性區8的光子。 第4圖中表示出一種變型的晶片丨3，其輸出耦合窗口 1 4通過一個部分厚度，從介面出發向活性區8借助于一個 斜向晶片軸線的側面1 5呈截錐狀。該傾斜側面1 5與輸出 耦合窗口 1 4的其餘側面一起構成一個穹頂形拱起的輸出 面’其外殻近似半球形。後者在第4圖中通過虛線示出。 在第4圖中所示的晶片的優點是，它用簡單的方式生產並 且可以有近似外氏橢圓的理想形狀。 與第4圖中所示的晶片13不同，在第5圖中所示的晶 片1 6中斜行側面1 7對晶片軸線比第4圖的晶片1 3的相 應側面1 5對晶片軸線所成的角度更銳。晶片1 3的側面1 5 在第5圖中用虛線示出。通過側面1 7的較銳的角度把從 晶片1 6出發的射線聚集在輻射方向1 8的方向上。這通過 用第1 5圖中的貫穿線表示的光子軌跡表示，該光子軌跡 對第4圖所示的晶片1 3的用虛線所示的光子軌跡20較強 地對準輻射方向1 8。 從第5圖還可以看出，一些光子軌跡1 9在接觸層1 1和 鏡層6之間多次往復走行。有這樣軌跡的光子，一部分在 活性區8中被吸收或損耗掉。如第6圖所示，通過在輸出 耦合窗口 14的背向活性區8的側面上設置傾斜於晶片軸 541712 五、 發明說明（7) 線 的 面 3 0，此面最好由鏡面構成，可以至少減輕這個 問 題 〇 斜 面 3 0可以把所述的光子軌跡1 9沿晶片軸線兩側 方 向 引 導 從而使之不再反射入活性區8，而是反射進輸 出 耦 合 窗 □ 1 4的一個側面。 這 樣 的傾斜於晶片軸線的輻射偏轉面30例如可以 通 CJEL 過 輸 出 耦 合窗口 1 4的適當的接面構借助於凹陷2 1和在其 中 的 隆 起 22在活性區8下的基面5中得到。 凹 陷 21可以例如通過反應性離子蝕刻（RIE)或者通 過 鋸 開 的 方 法製成。 在 第 7圖所示的另一個實施例的截面上，輸出耦合 窗 □ 26 在其背離活性區8的側面上有拋物線形凹面鏡。優 心BB 鏡 層 6 的焦點在活性區8中。通過在鏡面6上的反射， 把從 活 性 區 8出發的光子軌跡如此地反射，使光子在一個 小於 全 反射 的臨界角的角度下落在輸出耦合窗口 26的前側 24 〇 這 在 第7圖中借助於光子軌跡25示出。除了拋物 線 形 的 晶 片 背側之外，輸出耦合窗口 2 6的上側2 4也可以如 第 2， ‘4 和 5圖所示晶片那樣地構成。 根 據 第7圖所示的晶片幾何形狀的優點是，輸出牵禹 合面 在 窗 □ 層2 6的前側上並且較小。光密度有優越性地 局 於 根 據 第 2圖的晶片3。由此光線可以容易地投在後續 的 境 片 上 〇 如 第 8圖所示，最後可以把多個晶片3、13或23 相 互 貼 近 設 置，並且連接成一個單一的晶片2 7。這裏側面 -9- 15 541712 五、發明說明（8) 在輸出耦合窗口 4中通過凹處28構成。優選地凹處28通 過仿形鋸在輸出窗口 4中形成。 在第1至8圖所示的實施例中鏡面6均構成爲接觸層。 也可以不在整個層上採取觸點接通，而是除了一部分覆蓋 基面5的觸點接通之外，設置其餘的面爲鏡面。一個部分 覆蓋基面5的觸點接通例如可以是網狀或者條形。應當有 目的的使沿基面5構成的接觸層準確地位於上接觸層1 1 上，以保持很小的電損耗。 還有可能設一個側面引出的，在活性區8與輸出耦合窗 口 4及26之間的觸點接通，以取代沿基面的觸點接通。 在第2至8圖中示出的實施例中活性區8都安排在一個 透鏡形的輸出耦合窗口 4上。還可以設想，在第2至6圖 示出的實施例中用菲涅耳透鏡形狀構成輸出耦合窗口。同 樣地在第7圖所示的實施例中鏡面6也可以用菲涅耳鏡的 形狀構成。 接觸點可以條形或者網狀地構成，在此條紋或網線間的 中間空間可以優選地有反射性地構成。 例1 :用第5圖所示的晶片16，接面合400微米X400 微米的基面和120微米X 120微米面積的pn接面10進行 輸出耦合效率試驗。在鏡面6上的反射率爲90%，在接觸 層1 1上的反射率是80%。側面1 7有一個60度的傾斜角。 用SiC製造輸出耦合窗口 4並且在InGaN的基礎上製造活 性區8。在這種情況下發出的光子42%可以離開晶片1 6。 •10- 541712 五、發明說明（9) 例2 在另一個晶片1 6，它與例1的晶片的區別僅在於側面 1 7的傾斜角是45度，輸出耦合效率是39%。 比較例1 在一個基面爲400微米X 400微米、後向反射率爲90% 、在接點的前向反射率爲80%的常規立方體晶片的輸出耦 合效率爲28%。 比較例2 在一個基面爲400微米X 400微米的常規立方體晶片中 ，其吸附在基面的前側觸點接通爲120微米X 120微米， 且另一個前側的，用於電流擴展的透明透點的透射率爲 5 0%，其後向反射率爲90%，其輸出耦合效率爲25%。 試驗表明，第5圖所示的晶片1 6相對於常規的立方體 晶片以1 . 7的係數提高了光輸出率。第1至4圖所示的實 施例中光輸出率的提高還要明顯。 光輸出率的提高對於發射紫外光的晶片尤其重要，因爲 澆注晶片用的材料一般都吸收紫外光，因而不能被採用。 本文提出的晶片3、1 3、1 6和2 3卻有很高的輸出耦合效 率’以致可以不需澆注工藝。 -11-

Claims (1)

1. 541712 六、申請專利範圍 第901 27422號「光電子晶片」專利案申覆書 (9 2年4月修正） 六申請專利範圍： 1· 一種光電子晶片，特別是LED晶片，具有一個可發射 光子的活性區（8 )和一個至少有一輸出耦合面（7、！ 5 、1 7 )的輸出耦合窗口（ 4 )，其特徵在於，就晶片的一 個主輻射方向（1 8 )而言活性區（8 )配置在輸出耦合窗 口（ 4 )之後；在輸出耦合窗口（ 4 )之面對活性區（8 )的 側面（5 )上形成一個鏡面（6 );並且輸出親合面（7、1 5 、1 7 )在側面上經過活性區（8 )之側面而向外突出。 2·如申請專利範圍第1項之晶片，其中活性區（8 )在輸 出耦合窗口（ 4 )上構成層列（9 )。 3·如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中晶片有一個 經過活性區（8 )而延伸的晶片軸線。 4. 如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中輸出耦合窗 口（ 4 )有一個圓頂形的特別是半球形之形式，輸出耦 合窗口向活性區漸細。 5. 如申請專利範圍第4項之晶片，其中輸出耦合面（7 ) 的曲率半徑 R2^2H — R2nA/ni，且 S2H + R2nA/ni，在此 Η等於晶片的高度。 6. 如申請專利範圍第5項之晶片，其中層列（9 )沿輸出 耦合面的最大尺寸之一半Ri符合： Ri < R2nA/ni。 541712 六、申請專利範圍 7·如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中輸出耦合 視窗（4 )至少分段地構成截錐形。 8.如申請專利範圍第7項之晶片，其中至少分段地由截 錐形構成的輸出鍋合窗口（ 4 )包繞著一個球體區段。 9·如申請專利範圍第7項之晶片，其中至少分段地由截 錐形構成的輸出耦合窗口（ 4 )包繞著一個長軸穿過活 性區（8 )的旋轉橢圓體。 10.如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中耦合視窗 (4)由菲捏耳（Fresnel)透鏡構成。 11·如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中鏡面（6 )在 活性區（8 )下方有使光子導向側面方向所用的隆起（2 1 ) 〇 12.如申g靑專利範圍第1或2項之晶片，其中鏡面（6 )是 彎曲的。 13·如申請專利範圍第1 2項之晶片，其中從活性區（8 )看 時此鏡面（6 )構成凹面。 14.如申請專利範圍第1 3項之晶片，其中鏡面（6 )構成拋 物線形狀。 15·如申請專利範圍第1項之晶片，其中鏡面（6 )由菲涅 耳透鏡構成。 16·如申請專利範圍第1或1 5項之晶片，其中鏡面（6 ) 作爲接觸面。 17·如申請專利範圍第1 6項之晶片，其中鏡面（6 )在接 541712 六、申請專利範圍 觸面旁形成。 18. 如申請專利範圍第1 7項之晶片’其中接觸點呈條形 〇 19. 如申請專利範圍第1 7項之晶片’其中接觸點呈網狀 〇 20. 如申請專利範圍第1 7項之晶片，其中接觸面設在活 性區（8 )的對面。 21. 如申請專利範圍第1項之晶片’其中在活性區（8 )與 輸出耦合窗口（ 4 )之間形成一個接觸層。 22. 如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中輸出耦合窗 口的材料之折射率大於活性區材料的折射率。 23·如申請專利範圍第1或2項之晶片，其中設有氮化物 爲主的活性區，並且輸出耦合窗口含有S i C材料或以 S i C爲主之材料。 24. 如申請專利範圍第23項之晶片，其中活性區的輻射 發出層具有 GaN、InGaN、AlGaN、和 /或 InGaAIN。 25. 如申請專利範圍第2 3項之晶片，其中活性區在輸出 耦合窗口上生長。