輻射晶片的製作方法

2023-11-07 00:43:12

專利名稱：輻射晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及輻射晶片，它具有一個發射光子的有源區和一個配屬於該有源區的且尤其是與該有源區相鄰的耦合輸出窗，該耦合輸出窗具有一個耦合輸出面，通過該耦合輸出面，由該有源區發出的輻射的至少一部分被耦合輸出晶片。
已知的發光二極體晶片的一個缺點是，pn結位於晶片的安裝側上。因此，當利用導電的銀-環氧樹脂粘合劑進行安裝時，存在很大的危險，即側上湧的粘合劑使有源區電短路，這導致元件失效。
通過具有權利要求1的特徵的晶片完成了該任務。
在從屬權利要求2-25中給出了本發明的有利改進方案。
在下文中，「晶片軸線」是指一條垂直於晶片安裝面地穿過晶片的直線。
根據本發明，晶片有源區具有一個垂直於晶片軸線的橫截面，該橫截面小於耦合輸出窗的一個垂直於晶片軸線的橫截面，在晶片輻射方向上，有源區設置在耦合輸出窗之後。在耦合輸出窗的背對有源區並進而面對安裝面的那側上，形成有一個鏡面。該鏡面最好大於有源區的上述橫截面並且最好由金屬化層構成，所述金屬化層特別優選地同時被用於晶片的電接通。
在本發明的晶片中，使發出光子的有源區足夠遠地遠離將晶片固定在晶片載體上的各導電接合劑，從而儘可能消除了有源區因導電接合劑而電短路的危險。所以，本發明的晶片可以可靠地安裝。
在本發明元件的一個優選實施例中，一個側超出有源區的耦合輸出窗局部的指向晶片輻射方向的面具有一個彎曲的並例如是呈圓形向外隆起的表面。該彎曲表面最好圍繞有源區，從而耦合輸出窗至少具有一個近似於球冠形形式的外輪廓。
在這裡，有源區的橫截面和耦合輸出窗的彎曲表面的曲率半徑R2是如此選擇的，即通過在鏡面上的反射而形成的虛有源區位於屬於弧段的Weierstrass球內。這尤其意味著，曲率半徑R2大於或等於元件高度的兩倍。另外，沿耦合輸出面的有源區最大一半外尺寸R1為R1＜R2nA/ni，其中nA是環境的折射率，ni是耦合輸出窗材料的折射率，所述環境尤其由晶片注塑材料構成。
通過這樣的結構，晶片接近按照Weierstrass原理的理想形狀，因為虛有源區在Weierstrass球內並且在那裡虛生的光子可以離開基體。
本發明尤其優選地適用於這樣的晶片，其中耦合輸出窗的材料具有大於有源區的與之相鄰材料的折射率，所述有源區主要成有源多層結構的形式。這樣一來，有利地避免了在有源區和耦合輸出窗之間界面上的從有源區射向後面的射線的反射，由此實現了耦合輸入耦合輸出窗的射線的壓縮。
本發明的晶片幾何形狀尤其優選地被用在基於氮化物的發光二極體晶片上，其中，有源多層結構形成在一個碳化矽或基於碳化矽的外延生長襯底上。在這裡，折射率X有源層＞折射率X襯底是適用的。基於GaN的發光二極體晶片是這樣的發光二極體晶片，即其輻射層例如具有GaN、InGaN、A1GaN和/或InGaAlN。
「基於氮化物」尤其包括所有的二元、三元、四元的含氮III-V族半導體混晶，如GaN、InG、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN和AlInGaN。
類似地，「基於碳化矽」是指其主要性能由成分Si和C體現的任何混晶。
有源區的層系列最好已外延生長到一襯底材料上，而襯底材料隨後被進一步加工成耦合輸出窗。
在圖2中示出了一個發光二極體(LED)晶片的橫截面，該晶片具有一個球冠形耦合輸出窗4，在其基面5上形成一個鏡面層6。在鏡面層6的對面，在耦合輸出窗4上設有一個發射光子的有源區8。有源區8包括一個具有一輻射區10且尤其是一輻射pn結的層系列9並且被一接觸層11覆蓋著。有源區8可以除了輻射區10的這些層外還包括例如涉及晶體或電氣匹配的其它層和/或所謂的覆層。這樣的層系列是已知的並因而在此不詳細說明了。鏡面層6也可以被設計成接觸層。
當電流流過耦合輸出窗4和有源區8時，在輻射區10內通過載流子重新組合產生光子。所產生光子的一部分被一直射向耦合輸出窗4並在基面5上反射並且有一大部分光子轉向耦合輸出面7。如果這些光子以一個小於全反射的臨界角(也稱為極限角)的角度擊中，則這些光子能夠穿過耦合輸出面7並離開耦合輸出窗4。與常見的晶片幾何形狀相比，在本發明的晶片中提高了離開耦合輸出窗的概率。
特別有利的是，如此選擇晶片的幾何形狀比，即如此與耦合輸出面7相關地出現有源區8的一個假想

圖12，即滿足了無全反射的光耦合輸出的Weierstrass條件。這就是這樣的情況，即耦合輸出面7的曲率半徑R2是如此選擇的，即2H-R2(nA/ni)≤R2≤2H+R2(nA/ni)，最好是R2＝2H，其中H是晶片3高度。另外，對於有源區8的半徑R1、有源區8的折射率n1、耦合輸出面4的折射率n2來說必須滿足以下條件R1/R2＜nA/ni。在這種情況下，大部分擊中鏡面6的光子通過耦合輸出面7被耦合輸出。基於此，基本上只有在鏡面6和有源區8之間來回反射的或在有源區8內又被吸收的光子被輸出去。
在圖4中，示出了一個變型晶片13，其耦合輸出窗14在局部厚度上即從界面到有源區8地藉助其走向相對晶片軸線偏斜的側面15成截錐形。傾斜的側面15與耦合輸出窗14的其餘側面一起構成一個穹頂隆起的耦合輸出面，其包絡線近似成球冠形。後者在圖4中用虛線表示。圖4所示晶片就其可以簡單製成並能同時近似於按照Weierstrass原理的理想形狀來說是有利的。
與圖4所示晶片13不同，在圖5所示晶片16中，傾斜的側面15以一個小於圖4晶片13的相應側面15延伸向晶片軸線。在圖5中，用虛線示出了晶片13的側面15。由於側面17的銳角，由晶片16發出的射線在輻射方向18上會聚。圖15中的實線所示光子軌跡，與圖4晶片13的虛線所示光子軌跡20相比，上述光子軌跡更大的指向輻射方向18。如圖所示，一些光子軌跡19在接觸層11和鏡面層6之間來回延伸。具有這樣軌跡的光子一部分在有源區8內被吸收並損失。如圖6所示，通過設置相對晶片軸線傾斜的面30，在耦合輸出窗14的背對有源區8的那側上，至少減少了這種現象，其中該側面最好成鏡面。傾斜面30可以使上述光子軌跡側偏離開晶片軸線，從而光子軌跡不再反射向有源區8，而是反射向耦合輸出窗14的一個側面。
這種相對晶片軸線傾斜的輻射轉向面30例如可以通過耦合輸出窗14的適當成圖來實現，這種成圖藉助在基面5內的有源區8下面的凹槽21和在凹槽之間的凸起22。凹槽21例如可以通過反應型離子蝕刻或通過鋸槽來實現。
在圖7所示的另一個實施例的橫截面中，耦合輸出窗26在其背對有源區8的那側上具有一個成拋物面狀凹面鏡形狀的鏡面層6。鏡面層6的焦點最好在有源區8內。通過在鏡面層上的反射，源於有源區8的光子軌跡被如此反射，即光子以一個小於全反射臨界角的角度擊中耦合輸出窗26的前面24。這在圖7中結合光子軌跡25地示出了。除了成拋物面狀的晶片背面外，可以與圖2、4、5的晶片一樣構成耦合輸出窗26的表面24。
圖7的晶片幾何形狀的優點是，耦合輸出面在窗層26的前面上並且較小。亮度有利地高於圖2所示的晶片3。因此，光可以更容易地利用後置的光學組件成圖。
最後，如圖8所示，可以並排設置多個晶片3、13或23，這些晶片被組合成唯一晶片27。在這裡，側面15通過在耦合輸出窗4內的凹槽28構成。凹槽28最好通過異形鋸切被開設到耦合輸出窗4中。
在圖1-8所示的實施例中，鏡面6分別成接觸層的形式。但是，也可以不在整個面上進行接通，而是除了一個局部覆蓋基面5的接觸層外，使其餘面鏡面化。一個局部覆蓋基面5的接觸層例如可以成網狀或條狀。沿基面5形成的接觸層可以適當地位於上接觸層的對面，以使電損耗低。
也可以代替沿基面接通地在有源區8和耦合輸出窗4或26之間採取接通，這種接通從側面引出。
在圖2-8所示的實施例中，有源區8分別設置在一個稜鏡狀耦合輸出窗4上。也可以設想到，在圖2-6所示的實施例中，耦合輸出窗4成夫累內爾透鏡形式。在圖7所示的實施例中，鏡面6也可以成夫累內爾鏡的形式。
觸點可以成條形或網狀，其中在條或網線之間的間隙組好被設計成是反射的。
例1對圖5所示的基面為400微米見方且其pn結有一個120微米見方的晶片16，檢測耦合輸出率。鏡面6反射為90％，接觸層11的反射為80％。側面17具有一個60度傾斜角。耦合輸出窗4由碳化矽製成並且有源區8是在InGaN的基礎上製成的。在這種情況下，42％的發出光子能夠離開晶片16。
例2在另一個與例1的晶片16的區別僅在於側面17的傾斜角為45度的晶片16中，耦合輸出率為39％。
比較例1在一個基面為400微米見方、背面反射率為90％、在接觸層上的正面反射率為80％的常見立方晶片中，耦合輸出率為28％。
比較例2在一個基面為400微米見方、吸光正面接觸層為120微米見方、具有另一個正面透明的電流放大接觸層並有50％透射率和90％的背面反射率的常見立方晶片中，耦合輸出率為25％。
試驗結果表明，在圖5所示的晶片16中，與常見的立方晶片相比，光輸出增大了1.7倍。在圖1-4所示的實施例中，光輸出增大仍然很大。
尤其是在發射紫外光的晶片中，光輸出增大很明顯，因為用於晶片注塑的材料一般吸收紫外光並因而無法使用。可是，在此提出的晶片3、13、16、23具有很高的耦合輸出率，從而能夠放棄澆注。
權利要求
1.用於光電子學的晶片，尤其是發光二極體晶片，它具有一個發出光子的有源區(8)和一個具有至少一個耦合輸出面(7，15，17)的耦合輸出窗(4)，其特徵在於，有源區(8)與晶片的一個主輻射方向(18)有關地設置在耦合輸出窗(4)的後面，在耦合輸出窗(4)的與有源區(8)相對的那側面(5)上形成一個鏡面(6)，耦合輸出面(7，15，17)從側面超出有源區(8)的側面。
2.如權利要求1所述的晶片，其特徵在於，有源區(8)是一個形成於耦合輸出窗(4)上的層系列(9)。
3.如權利要求1或2所述的晶片，其特徵在於，該晶片具有一個經過有源區(8)的晶片軸線。
4.如權利要求1-3之一所述的晶片，其特徵在於，耦合輸出窗(4)具有穹頂形形狀且尤其是球冠形形狀，其中耦合輸出窗向著有源區縮小。
5.如權利要求4所述的晶片，其特徵在於，一個耦合輸出面(7)的曲率半徑大於或等於2H-R2(nA/ni)並小於或等於2H+R2(nA/ni)，其中H等於晶片高度。
6.如權利要求5所述的晶片，其特徵在於，對沿耦合輸出面的層系列(9)的最大一半尺寸R1來說，適用以下條件，即R1＜R2nA/ni。
7.如權利要求1-4之一所述的晶片，其特徵在於，耦合輸出窗(4)至少局部成截錐形。
8.如權利要求7所述的晶片，其特徵在於，至少局部成截錐形的耦合輸出窗(4)包圍出一個球缺。
9.如權利要求7所述的晶片，其特徵在於，至少局部成截錐形的耦合輸出窗(4)包圍出一個旋轉橢圓體，該旋轉橢圓體具有穿過有源區(8)的縱軸線。
10.如權利要求1-3之一所述的晶片，其特徵在於，耦合輸出窗(4)成夫累內爾透鏡形式。
11.如權利要求1-10之一所述的晶片，其特徵在於，在有源區(8)下的鏡面(6)具有使光子側轉向的凸起(21)。
12.如權利要求1-11之一所述的晶片，其特徵在於，鏡面(6)是彎曲的。
13.如權利要求12所述的晶片，其特徵在於，鏡面(6)從有源區(8)看地成凹形。
14.如權利要求13所述的晶片，其特徵在於，鏡面(6)成拋物面形。
15.如權利要求1-14之一所述的晶片，其特徵在於，鏡面(6)成夫累內爾鏡形式。
16.如權利要求1-15之一所述的晶片，其特徵在於，鏡面(6)起到接觸面的作用。
17.如權利要求1-15之一所述的晶片，其特徵在於，鏡面(6)形成在接觸面的旁邊。
18.如權利要求17所述的晶片，其特徵在於，接觸區成條形。
19.如權利要求17所述的晶片，其特徵在於，接觸區成網狀。
20.如權利要求17-19之一所述的晶片，其特徵在於，接觸面位於有源區(8)對面。
21.如權利要求1-20之一所述的晶片，其特徵在於，在有源區(8)和耦合輸出窗(4)之間形成有一個接觸層。
22.如前述權利要求之一所述的晶片，其特徵在於，耦合輸出窗的材料具有大於有源區材料的折射率。
23.如前述權利要求之一所述的晶片，其特徵在於，設有一個基於氮化物的有源區，耦合輸出窗具有碳化矽材料或基於碳化矽的材料。
24.如權利要求23所述的晶片，其特徵在於，有源區的一個輻射層具有GaN、InGaN、AlGaN和/或InGaAlN。
25.如前述權利要求之一所述的晶片，其特徵在於，有源區外延生長在耦合輸出窗上。
全文摘要
一個發光晶片(3)具有一個透鏡狀耦合輸出窗(4)，該耦合輸出窗的基面(5)具有一個鏡面(6)。在耦合輸出窗(4)的一個耦合輸出面(7)上，設有一個層系列(9)，它包括一個發出光子的pn結(10)。來自pn結的光子在鏡面(6)上反射並可以通過耦合輸出面(7)離開耦合輸出窗(4)。
文檔編號H01L33/20GK1473364SQ01818489
公開日2004年2月4日 申請日期2001年11月6日 優先權日2000年11月6日
發明者J·保爾, D·埃澤爾特, M·費雷爾, B·哈恩, V·海勒, U·雅各布, R·奧伯施米德, W·普拉斯, U·施特勞斯, J·維克爾, U·策恩德, , ┟椎, J 保爾, 乩退, 碩, 蠖 , 錐, 韃 , 韉 申請人:奧斯蘭姆奧普託半導體有限責任公司