CN1286190C

CN1286190C - 发光二极管芯片及在其表面上制造透镜结构的方法

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Publication number: CN1286190C
Application number: CNB018114474A
Authority: CN
Inventors: G·博纳; S·库格勒; G·纽曼; E·尼尔施尔; R·奥伯施密德; K·－H·施勒雷斯; O·舍恩费尔德; N·施塔斯
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: EP1275159B1; WO2001080322A2; EP1275159A2; JP2004501507A; WO2001080322A3; TW490865B; US7306960B2; DE10019665A1; US7026657B2; US20060138439A1; US20040036080A1; JP2012049571A; CN1437770A

Abstract

本发明涉及一种具有一个先发射活性区(32)和一个窗口层(2)的发光二极管芯片。为了增加辐射效率，光发射活性区(32)的横截面面积小于窗口层的光输出用的横截面面积。此外，本发明涉及一种在发光元件的表面上制造透镜结构的方法。

Description

发光二极管芯片及在其表面上制造透镜结构的方法

技术领域

本发明涉及一种具有一个光发射活性区的发光二极管芯片及在该发光元件的表面上制造透镜结构的方法。

背景技术

发光二极管芯片的半导体材料一部分具有明显超过3的折射率。在常规的发光二极管元件中，与芯片邻接的介质通常是空气或塑料，这种介质具有明显较低的折射率。由此带来的在发光二极管芯片和邻接的介质之间的界面上的大的折射率跃变导致全反射的一个相当小的极限角，所以在芯片的一个活性区内产生的电磁辐射的绝大部分都从这个界面反射回芯片内。

由于这个原因，在活性区内产生的辐射只有很少一部分直接从芯片输出。在常规发光二极管芯片中，输出面越平，算出的输出百分率越小。

文献US 5 233 204建议设置一层厚的透明层来改善发光二极管芯片的光输出，该厚层用外延法设置在各发光层之外并通过芯片的正面增加光的输出百分率。

此外，有人提出用高折射的透明浇注材料，但由于费用原因而没有被广泛采用。何况迄今为止可获得的最好的浇注材料所具有的折射率最多不过n＝1.6，这仍然导致发光半导体元件的输出面上太高的跃变并由此产生高的反射损失。此外，高透明的浇注材料具有不良的化学和机械性能，这也会限制在工程上的大量应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种发光二极管芯片，与常规芯片比较，本发明的这种芯片增加了产生的辐射与输出的辐射的比例并可安装在常规的发光二极管封装结构中；同时提出一种制造该芯片的方法，这种方法与发光二极管芯片的常规制造方法相比只需少量的额外花费。

这个目的的技术解决方案在于一种具有一个光发射活性区的发光二极管芯片，包括一个横向的横截面F_L和一个沿辐射方向位于该光发射活性区后面的辐射能穿透的、折射率为n_S的窗口层，该窗口层具有一个横向的横截面面积F_C和一个输出面，以便光输出，在该输出面上邻接一种折射率为n_M的介质，

其特征为，

发光活性区的横截面面积F_L小于该输出面的横截面面积F_C，即：

F_L≤[n_M/n_S]²·F_C

上述目的的另一个技术解决方案是一种在本发明的发光元件的表面上制造透镜结构的方法，其中，在一个为发光元件的光出射设置的外表面上用铣削工具或锯削工具或腐蚀方法从发光元件和进入外表面成型透镜结构。

本发明通过压缩一个小于发光二极管芯片的横截面的面积上的光发射区域来提高发光二极管芯片的辐射效率。与发光二极管芯片的整个横截面上的光发射面积的传统结构比较，输出的增加甚至可高达30％以上。

根据本发明，具有光发射活性区的发光二极管芯片包括一个横向的横截面面积F_L和一个沿辐射方向位于该光发射活性区后面的辐射能穿透的、折射率为n_S的窗口层，该窗口层具有一个横向的横截面面积F_C和一个输出面，以便光输出，在该输出面上邻接一种折射率为n_M的介质，其中，光发射活性区的横截面面积F_L小于该输出面的横截面面积F_C，所以下列关系式成立：

F_L≤[n_M/n_S]²·F_C

式中横截面面积F_C与为了光输出而提供的或为了光输出而设置的窗口层的区域有关。在这里窗口层既可理解为一个单独的层又可理解为一个多层的结构，总的来说，它可满足窗口层的功能。

根据本发明的一种特别有利的方案，光发射限制装置是这样设计的，即电流在发光二极管芯片内尤其是在活性层内和/或通过该活性层被限制在上述光发射区域内。所以根据本发明可特别简单地把光的发射限制在一个较小的区域上。

根据本发明的一种方案，该窗口层的厚度H满足下式：

H < [n_{S} / n_{M}] \cdot \frac{1}{2} \cdot C

上式中的C为该窗口层或光输出面的横向横截面长度、n_S为活性层或窗口层的材料的折射率，n_M为该窗口层邻接的材料的折射率。这样得到的优点是，进一步增加了光的输出量。

在这里和在下面可把横向的横截面长度理解为相应横截面面积的特征性延伸。例如在方形面积时，它指的是边长，而在圆形面积时，则指的是直径。在其他面积形状时，作为横向的横截面长度可用一个通过面积重心延伸的最大和最小直径之间的值。

邻接该活性层的窗口层的厚度H最好为：

H＝(C-D)·[2·(n_S/n_M)]^-1。

上式中的C为该窗口层的横向横截面长度、D为活性层的光发射区的横向横截面长度、n_S为辐射能穿透的窗口层的折射率，n_M为与该窗口层邻接的材料的折射率。到这个高度大大避免了窗口层的侧面上的全反射，所以产生的辐射可通过这些侧面输出。

根据本发明的另一个优选方案，光发射区由活性层3的多个按均匀距离相互布置的部分发光区(33至35)组成，其中部分发光区的总面积F_L为：

\underset{i}{Σ} F_{Li} = F_{L} \leq [n_{M} / n_{S}] {\cdot F}_{C}

式中的F_C为该窗口层的横截面面积或底面即光出射表面、F_Li为单个部分发光区的面积、n_S为活性层或窗口层的折射率和n_M为与该窗口层邻接的材料的折射率。这样，象在活性层的中央发光区那样以同样有利的方式达到了发光二极管芯片的光输出的最佳化。所以窗口层的厚度H可按有利的方式用下式计算：

H≈p·A

式中的A为各个部分发光区的均匀间距，p是一个在0.5和5之间的可选择的系数。

最好在窗口层的表面上设置一个光学装置来使发光二极管芯片发射的光线聚束。这样就可确定要发射的光束的形状，并通过适当的材料选择和形状选择来进一步增加光的输出。

根据本发明的一个优选方案，该光学装置由一个或多个最好是球形的透镜构成，透镜的中心位于光发射区的重心上方或位于单个部分发光区的重心上方。

根据本发明的一个同样是优选的方案，该光学装置由一个或多个菲涅耳透镜构成，其中心位于光发射区的重心上方或位于单个部分发光区的重心上方。

该光学装置最好安装在或形成在该窗口层的表面上或由该窗口层本身构成或形成。

在本发明的另一种结构中，光发射限制装置是通过对活性层的限制来构成的，此时活性层的发光能力被限制在发光区上。

在本发明的一种有利结构形式中，光发射限制装置由一层在活性层上构成的绝缘层构成，该绝缘层用一种对活性层的发光至少部分不透明的和/或有限透明的材料制成。这样活性层就可象迄今为止通常那样作为一层连续的层在仍含有许多单个发光半导体元件的晶片中延伸。

根据本发明的另一种有利结构形式，光发射限制装置由一层在一活性层上面或者旁边以及与在该活性层和电源引线间构成的绝缘层构成，该装置供给活性层的或者通过活性层供到光发射区以外的各区域中的电源馈电或电流减小到最低。这里的活性层也可作为连续的层在仍含有许多单个发光半导体元件的晶片中延伸。

该绝缘层最好是一层不导电的氧化层，该氧化层设置在窗口层的与光出射表面相对的一侧。从而可按特别简单的和便宜的方式实现电源馈电的屏蔽。该氧化层最好由已有材料的氧化来制成。

该光发射限制装置通过电源引线的形状来构成也是合适的，即该电源引线只在接触区与活性层导电接触。

根据本发明的一个优选方案，第二根电源引线由一个在光出射表面上或在该表面上没有完全光遮盖该表面的电触点构成。在这个光出射表面上可按通常的方式固定一根压焊丝来实现接通。

第二根电源引线由一个在该活性层和光出射表面之间与该窗口层连接的电触点来构成同样是有利的。

在本发明的另一种结构中，第二根电源引线通过一个连接该活性层的电触点来构成。

电源引线和/或绝缘层最好都能反射发射的光线。这样可通过避免损失而进一步增加发光效率。

发射光线的一个反射装置最好在窗口层之内或之上活性层的背离光出射表面的一侧上构成。从而又可通过避免损失来进一步提高发光效率。该反射装置是一个布拉格光栅。

在本发明的另一种结构中，窗口层和/或光学装置至少部分地设置了一个发射光线能穿透的外壳。从而使发光半导体元件不受环境影响。所以可根据各种使用场合来进行外部造型。

在一个发光二极管芯片的表面上制造透镜结构的本发明方法是，在一个为发光元件的光出射或光穿透设置的外表面上用铣削工具或腐蚀方法从该发光元件和进入该外表面成型透镜结构。

另一种优选的工艺步骤是，作为透镜结构制成一个球形的透镜或一个菲涅耳透镜。

根据一种特别有利的工艺步骤，用一种适当成型的装置来分割仍处于复合晶片的发光元件，并在分割这种元件时同时分割透镜结构。

附图说明

下面结合附图来进一步说明本发明。其中：

图1具有一个活性层的发光区的本发明发光半导体二极管的一个优选实施例的示意横截面图；

图1a从图1观察方向X看去的该实施例的示意横截面图；

图2具有一个菲涅耳透镜结构的本发明发光半导体二极管的另一个优选实施例的示意横截面；

图3具有一个菲涅耳透镜结构的本发明发光半导体二极管的又一个优选实施例的示意横截面；

图4具有多个部分发光区和一个多透镜结构(Mehrfachlinsen-struktur)的本发明发光半导体二极管的另一个优选实施例的示意横截面；

图5具有已经分割的和尚待分割的发光半导体元件的一个晶片的示意横截面和一个分割用的锯片。

在下面的图1至5中，凡是相同或作用相同的零部件都用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1表示本发明发光二极管芯片1的横截面。这个半导体器件由一层发射光线能穿透的窗口层2、一层发射光线的活性层3、一个用来形成出射光束的一种透镜形式的光学装置41、一层作为光发射限制装置的绝缘层5、一根第一电源引线71和一根第二电源引线6组成。其中窗口层2同时作为发光二极管芯片1的衬底使用。

活性层3的发光区32通过绝缘层5的屏蔽限制并确定其形状和尺寸。通过电绝缘的形状可实现在光出射表面8对面的发光半导体器件1的下侧大面积构成的电源引线6在上方是发光区32的部位与芯片或活性层接触。作为绝缘层的材料例如用一层氧化层。这时电源引线6可通过在绝缘层5上大面积涂装的金属构成。所以活性层3的不作为发光用的区域31没有流通电流，因而在这些区域不发光。第二个馈电是通过在导电透镜41上以电触点(“焊点”)形式构成的第一电源引线71来实现的，在该电源引线上可按通常的方式固定一根压焊丝。

从总面积F_L满足前述条件

F_L≤[n_M/n_S]²·F_C的活性层3的发光区32发射的光线穿透具有折射率n_S和厚度H的窗口层2。其中该厚度按下式计算，即：

H＝(C-D)·[2·(n_S/n_M)]^-1。

然后上述发射光线在光出射表面8输入透镜本体41中并根据透镜造型形成出射光束。

例如在一个芯片具有边长C＝300微米、n_S/n_M＝3.5时，在最佳情况中可得D＝100微米和窗口层的厚度H＝30微米。或按下式

H < [n_{S} / n_{M}] \cdot \frac{1}{2} \cdot C

算出H＝500微米，这是最大的允许值。

为了避免上述的反射损失，窗口层2的折射率和透镜本体41的材料的折射率最好尽可能相似。该光学装置最好用窗口层2本身制成。

图1a表示从图1观察方向X看去的发光半导体器件1。此时活性层3占据该半导体器件的整个横截面积F_C(在上述算例中为90.000微米²)。发光区32具有整个面积F_L(在上述算例中为10.000微米²)。

图2表示一个焊接在一块印刷电路板10上的本发明发光半导体器件1，这里的两根电源引线6和72都设置在半导体器件1的下侧。这样就可用焊料9把发光器件1简便地焊接在印刷电路板10的焊接面101和102上。从而可在所谓的表面安装器件结构中实现光源，且发光半导体器件1几乎不大于芯片本身。活性层3又是平面的并通过绝缘层5作为光发射限制装置确定发光区32。作为改变出射光束的光学装置这里不用图1所示的透镜41而用一个所谓的菲涅耳透镜42，后者可按本发明方法通过快速旋转的铣削工具或适当的腐蚀技术在窗口层2的光出射表面上的整个发光区32上构成。

图3表示另一个用横截面示出的焊接发光二极管芯片1，此时用一个电源引线73实现活性层3以内的馈电。作为光学装置这里用一个事后压上的菲涅耳透镜43。

图4表示发光二极管芯片1的另一个横截面图，其中设置了多个发光区33至35，它们的单个面积F_Li的总面积表示这个发光区的总面积F_L，满足上述的F_L与芯片底面积F_C即光出射面的面积的比例条件。

被射透的窗口层2的高度H在这里选择为单个部分发光区33至35的距离A的0.5至5倍。在所示例子中，作为改变光束特性的光学装置采用多个球形透镜44，其中心分别位于一个部分发光区33至35的重心上方。这里也可用多个菲涅耳透镜来代替这些透镜44。

窗口层2最好也是用一种发射光线能穿透的材料制成的生长外延层。各外延层或也叫做外延原材料，常常还按外延法技术的狭义而叫做“衬底”，可完全或部分地按熟知的方法去掉或腐蚀掉。从工艺上讲，不同的材料层也可用机械方法尤其是光学方法“无间隙地”相互连接，例如通过阳极压焊或通过很平的表面的叠压来实现。

这里所述的结构也可用不同的方式制成。

最后，图5表示具有已经分割的发光二极管芯片502至504和尚待分割的发光二极管芯片505至507的一块晶片501的示意横截面。光学透镜41通过相应成型的、围绕轴511旋转的锯片501进入晶片501的表面508同时分割而成。

锯片510的横截面具有一个薄而尖的进入部分512和一个与待制造的(负)透镜形状一致的加宽部分513。该锯片也可做成具有较短的进入部分512，这样就可把一个多透镜结构引入一个发光二极管芯片的表面。

Claims

1.具有一个发光活性区(32)的发光二极管芯片(1)，包括一个横向的横截面F_L和一个沿辐射方向位于该光发射活性区后面的辐射能穿透的、折射率为n_S的窗口层(2)，该窗口层具有一个横向的横截面面积F_C和一个输出面，以便光输出，在该输出面上邻接一种折射率为n_M的介质，

其特征为，

发光活性区(32)的横截面面积F_L小于该输出面的横截面面积F_C，即：

F_L≤[n_M/n_S]²·F_C

。

2.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

发光活性区(32)借助于电流限制被限定在发光活性区(32)的面积F_L上。

3.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

窗口层(2)的厚度H为：

H < [n_{S} / n_{M}] \cdot \frac{1}{2} \cdot C,

式中的C为窗口层(2)的横向的横截面长度，因而也是光出射面的横截面长度。

4.按权利要求3的发光二极管芯片，

其特征为，

窗口层(2)的厚度H为：

H＝(C-D)·[2·(n_M/n_S)]^-1，

式中的D为发光活性区(32)的横向横截面长度。

5.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

该发光活性区由多个以均匀间距相互布置的活性部分区(33至35)组成，这些部分区的总面积F_L为：

\underset{i}{Σ} F_{Li} = F_{L} \leq [n_{M} / n_{S}] \cdot F_{C}

式中的F_Li表示单个部分区域的面积，i表示部分区域的数目。

6.按权利要求5的发光二极管芯片，

其特征为，

窗口层(2)的厚度H为：

H≈p·A

式中的A为单个部分区域的均匀间距和p为一个可在0.5和5之间选择的系数。

7.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

在窗口层(2)上设置了一个电磁辐射聚束用的光学装置。

8.按权利要求7的发光二极管芯片，

其特征为，

该光学装置由一个其中心位于发光活性区(32)的重心上方的透镜(41)构成或由多个透镜(44)构成，这些透镜的中心分别位于一个对应的活性部分区域(33至35)的重心上方。

9.按权利要求8的发光二极管芯片，

其特征为，

透镜(41，44)至少部分是菲涅耳透镜(42，43)或球形透镜。

10.按权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，发光活性区(32，33至35)的面积F_L或面积F_Li通过限制活性层(3)的发光度而限定在发光活性区(32，33至35)F_Li上。

11.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

发光活性区(32，33至35)的面积F_L或面积F_Li是通过在一个活性层(3)上构成的绝缘层来界定的，该绝缘层用一种对活性层的发光至少部分不透明的和/或有限透明的材料制成。

12.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

发光活性区(32，33至35)的面积F_L或面积F_Li是通过在一个活性层(3)上与在活性层(3)和一根电源引线(6)之间构成的绝缘层(5)来界定的，该绝缘层使到或通过活性层(3)到发光区(32，33至35)以外的区域(31)的馈电或电流减到最小。

13.按权利要求12的发光二极管芯片，

其特征为，

绝缘层(5)由一层不导电的氧化层组成，该氧化层设置在芯片的光出射表面(8)的对面一侧上。

14.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

第二电源引线(71)由一个在光出射表面(8)上或在光学装置(41、42、43、44)上没有把该装置完全覆盖的电触点构成。

15.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

第二电源引线(72)由一个与窗口层(2)连接的并布置在窗口层(2)背离光出射表面(8)的一侧上的电触点构成。

16.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

第二电源引线(73)由一个连接该活性层的电触点构成。

17.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

电源引线(6、71、72、73、74)和/或绝缘层(5)都能反射发射的光线。

18.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

发射光线的反射装置在窗口层(2)之内或之上的或活性层(3)的背离光出射表面(8)的一侧上构成。

19.按权利要求18的发光二极管芯片，

其特征为，

该反射装置是一个布拉格光栅。

20.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

窗口层(2)和/或光学装置(41、42、43、44)至少部分地设置了一个发射光线能穿透的外壳。

21.按权利要求1的发光二极管芯片，

其特征为，

该芯片是一个发光二极管。

22.按权利要求5所述的发光二极管芯片，其特征在于，发光活性区(32，33至35)的面积F_L或面积F_Li通过限制活性层(3)的发光度而限定在发光活性区(32，33至35)F_Li上。

23.按权利要求5的发光二极管芯片，

其特征为，

24.按权利要求5的发光二极管芯片，

其特征为，

25.在一个具有一个发光活性区(32)的发光二极管芯片(1)的表面上制造透镜结构的方法，该发光二极管芯片(1)包括一个横向的横截面F_L和一个沿辐射方向位于该光发射活性区后面的辐射能穿透的、折射率为n_S的窗口层(2)，该窗口层具有一个横向的横截面面积F_C和一个输出面，以便光输出，在该输出面上邻接一种折射率为n_M的介质，其中，发光活性区(32)的横截面面积F_L小于该输出面的横截面面积F_C，即：

F_L≤[n_M/n_S]²·F_C

其特征为，

在一个为发光二极管芯片(1)的光出射设置的外表面(8)上用铣削工具或锯削工具或腐蚀方法从发光二极管芯片(1)和进入外表面(8)成型透镜结构。

26.按权利要求25的透镜结构的制造方法，

其特征为，

制成一个球形透镜(41)或一个菲涅耳透镜(42，43)作为透镜结构。

27.按权利要求25的透镜结构的制造方法，

其特征为，

通过一个锯削工具(510)或铣削工具来在分割尚处于复合晶片的单个发光元件之一时制成该透镜结构。

28.按权利要求27的透镜结构的制造方法，其特征为，

锯削工具(510)或铣削工具具有一个用来把复合晶片(501)分割成单个半导体元件(502至507)的窄的部分(512)和一个与待制造的透镜(41)的形状相对应的成型部分(513)。