專利名稱：具有改善了電流的輸入耦合性能的表面結(jié)構(gòu)光輻射二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求一的前序部分所述的光輻射二極管。本發(fā)明尤其涉及一種表面具有某種結(jié)構(gòu)方式的光輻射二極管，這種光輻射二極管為了改善供電(饋電)的均勻性，電接觸層具有側(cè)面的結(jié)構(gòu)，于是進入光輻射二極管中的輸入電流就能做到基本均勻耦合。
光輻射二極管例如半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，其突出的特征是，隨每種材料體系的不同而變化，但其內(nèi)部將輸入電能轉(zhuǎn)換成輻射能的效率是很高的，也就是說可以在80％以上。然而由于半導(dǎo)體材料與環(huán)繞的樹脂澆鑄材料間折射率突變值很大(半導(dǎo)體材料典型值n＝3.5，樹脂澆鑄材料典型值n＝1.5)，使來自半導(dǎo)體晶體的光輸出耦合的實際有效系數(shù)變小了。由此產(chǎn)生的位于半導(dǎo)體-樹脂澆注材料交界面上約26°的小的全反射角，就使得發(fā)出的光只有斷裂部分(折斷部分)才能夠耦合輸出。在生產(chǎn)中典型使用的結(jié)構(gòu)簡單的立方形發(fā)光二極管中，在約26°寬的輸出耦合錐面之外發(fā)射的光束依然被捕獲在半導(dǎo)體晶體之中，這是因為這束光與表面法線的角度也不能因多次反射而改變。因此光束由于被吸收，遲早主要遺失在接觸的范圍內(nèi)(也就是有源的(活動的)區(qū)內(nèi))或是遺失在襯底(基質(zhì))中。特別是InGaAIP發(fā)光二極管吸收性的砷化鎵基質(zhì)問題更加突出。在這類常規(guī)的發(fā)光二極管中，由有源區(qū)朝發(fā)光二極管表面的方向發(fā)射的光束，在輸出耦合錐面之外的那一部分極可能因被吸收而遺失在基質(zhì)之中。
為了解決上述問題，在實踐中最經(jīng)常使用的辦法是，在發(fā)光二極管的上面加上一個厚的半導(dǎo)體層。這就可能部分地利用在輸出耦合錐面兩側(cè)的發(fā)射的光束。
美國專利US-A-5008718號曾建議，在AlGaInP(鋁鎵銦磷)發(fā)光二極管中，主要利用通過電接觸而注入的電流能側(cè)面擴展的特性，在有源的發(fā)光層上加上一個既能導(dǎo)電又能透過發(fā)射光束的GaP(鎵磷)層。文中還指出了厚厚的GaP(磷化鎵)層附帶的優(yōu)點是減少了內(nèi)部的全反射，并使光輻射旁側(cè)的輸出耦合成為可能。此外還建議用腐蝕劑將不能透過發(fā)射的光輻射的砷化鎵基質(zhì)除去，代之以至少一層由適當材料如GaP(磷化鎵)制成的透明基質(zhì)。
美國專利US-A-5233204號也建議在光輻射二極管中使用一個或多個厚且透明的基質(zhì)層。文中敘述了這種透明基質(zhì)層配置和數(shù)量的不同設(shè)計方案。其中建議在有源的發(fā)光層的下面安置一個向著該基質(zhì)方向逐漸變小的成漏斗形的(基質(zhì))層(見

圖10)。
第一次計算機模擬實驗已經(jīng)顯示出最上面的厚的透明半導(dǎo)體層表面的結(jié)構(gòu)情況，能夠改善光輸出耦合的數(shù)值。特別是那種主要由有規(guī)律安排的n-面棱晶、棱錐(體)或平截頭棱錐體、圓棱體、(圓)錐體、截錐體以及這一類物體構(gòu)成的表面結(jié)構(gòu)(方式)，可以明顯地改善光的輸出耦合。其原因在于，開始垂直向上走的光線在某種結(jié)構(gòu)構(gòu)成的表面被反射，然而又隨著每種反射走向更加緩斜(傾斜)，這樣光線最終以表面結(jié)構(gòu)范圍的側(cè)壁出去在旁側(cè)輸出耦合。
這樣表面具有某種結(jié)構(gòu)方式的光輻射二極管起初的制造方法是，在一個半導(dǎo)體襯底上面加上一個發(fā)光半導(dǎo)體層，再上面又加上一個厚的透明的半導(dǎo)體層，在比之后，又將一個中心電接觸面安置在厚的半導(dǎo)體層的表面上。緊接著在中心接觸面以外的范圍內(nèi)，用腐蝕技術(shù)在厚的半導(dǎo)體層的表面上作出某種結(jié)構(gòu)方式，在那以后又將襯底背面弄薄，并在襯底背面裝上一個觸點。然而這種先前的制造方式實踐證明是有問題的，因為這個厚的半導(dǎo)體層也就是所謂的二極管的窗戶，會因制作某種結(jié)構(gòu)方式而碎裂，這就有礙于電流的耗散。于是電流就不能充分地分布在中心接觸面以外的區(qū)域內(nèi)，由此因有了某種結(jié)構(gòu)方式而改善的光的輸出耦合就被有缺陷的電流耗散抵消了，其結(jié)果是與當初的愿望相反，總光通量沒有增加。
所以本發(fā)明的任務(wù)就是要設(shè)計出具有高效光輸出耦合的光輻射二極管。本發(fā)明的具體任務(wù)就是設(shè)計出的光輻射二極管，既要做到引入的電流有好的空間分布。同時又要做到光輻射有好的耦合輸出。
此任務(wù)所提出的問題則用權(quán)利要求一所闡明的方法加以解決。
據(jù)此本發(fā)明所述的光輻射二極管是一個半導(dǎo)體層式結(jié)構(gòu)，它包括一個襯底和至少一個在襯底上面的發(fā)光層，及一個置于發(fā)光層上面的透明的電流耗散層，一個在襯底背面的第一電接觸層，和一個安置在電流耗散層上面的第二電接觸層，與此同時，電流耗散層的表面具有垂直的結(jié)構(gòu)方式，以改善光的輸出耦合，且第二電接觸層具有側(cè)面的結(jié)構(gòu)，這樣進入電流耗散層的電流就能實現(xiàn)基本均勻的輸入耦合。電流耗散層一定要比較厚，具體來說就是在5～80μm范圍內(nèi)。
因此使半導(dǎo)體的表面具有某種有利于光輸出耦合的結(jié)構(gòu)方式和用一個構(gòu)成最廣泛意義金屬網(wǎng)格的第二電接觸層，來保證改善電流耗散層中電流分布情況，將這兩者結(jié)合起來，這就是本發(fā)明的依據(jù)。這里所說的金屬接觸網(wǎng)格在這里和下文中不僅是指嚴格按照周期閉合接通的網(wǎng)格，而且也指單個的滑觸頭或是其他適用于接觸的金屬搭接片的導(dǎo)向裝置。有了這樣的接觸網(wǎng)格，就解決了表面具有某種結(jié)構(gòu)方式的光輻射二極管電流耗散中的分布問題，且光的輸出耦合也得到完全的改善。
電流耗散層表面的垂直結(jié)構(gòu)方式可以具有每種能夠想象出的形式?？梢杂玫慕Y(jié)構(gòu)方式，如n-面棱晶、棱錐(體)或平截頭棱錐體、圓柱體、(圓)錐體、截錐體以及這一類物體形式。
第二電接觸層主要可以有一個中心的尤其是圓形的接觸面和一個由圍繞在中心接觸面四周的比較細長的接觸電橋和/或接觸點構(gòu)成的相對于中心接觸面的中心旋轉(zhuǎn)對稱的接觸構(gòu)造。此外接觸構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)對稱還可以是整數(shù)的，且尤其要符合光輻射二極管的旋轉(zhuǎn)對稱。通常多是長方形的或正方形的光輻射二極管，它們的接觸結(jié)構(gòu)具有四數(shù)的對稱。
第二電接觸層既可以自身中空間上是相連接的，或者也可以自身中空間上不相連接，在后一種情況下，空間上不相連接的各個部分通過一個透明的導(dǎo)電的材料層，如用銦氧化錫(ITO)制成的材料層互相連接起來。
第二電接觸層既可安置在電流耗散層表面有某種結(jié)構(gòu)方式的部分上，也可安置在電流耗散層表面沒有某種結(jié)構(gòu)方式的部分上。
下面根據(jù)附圖中不同結(jié)構(gòu)方式的例子對本發(fā)明作進一步的闡述。其中示出圖1安置在一個反射器中的根據(jù)本發(fā)明制作的表面具有某種結(jié)構(gòu)方式的光輻射二極管橫截面簡化示意2在光輻射二極管具有某種結(jié)構(gòu)方式的光發(fā)射表面上的第二電接觸層的第一實施例3圖3在光輻射二極管具有某種結(jié)構(gòu)方式的光發(fā)射表面上的第二電接觸層的第二實施例3圖4第二電接觸層的第三實施例。
圖1示出了發(fā)光二極管芯片100是如何安置在一個橫截面是圓形的或是拋物線形的反射器200之中的。在這種情況下，由發(fā)光二極管芯片發(fā)射的光線不僅沿直路放射出去，而且也被反射器200匯聚起來，因此基本上沿著同一方向被發(fā)射出去。在一般情況下，發(fā)光二極管芯片100是埋入樹脂澆注材料之中的，這樣尤其是在其發(fā)射光的那一側(cè)表面旁邊，存在著半導(dǎo)體材料和樹脂澆注材料間的交界面。在這個交界面上就存在著折射率比較大的突變，于是在相對于法線入射角比較小的情況下就已經(jīng)出現(xiàn)了全反射。這些全反射的光線應(yīng)當盡可能地由發(fā)光二極管芯片100的側(cè)壁輸出耦合和由反射器200匯聚起來，以防被發(fā)光二極管芯片100的襯底所吸收。
本發(fā)明所述的光輻射二極管是一個半導(dǎo)體層式結(jié)構(gòu)，它有一個吸收光的或透明的襯底10和至少一個在襯底10上面制作的發(fā)光層20。發(fā)光層20由一個p-n結(jié)構(gòu)成。如果需要的話還可用單個或多個量子槽結(jié)構(gòu)(Quantentrogstruktur)作為發(fā)光層20。在發(fā)光層20的上面是一個比較厚的透明的半導(dǎo)體層，也就是所謂的電流耗散層30。在襯底的背面是一個整個平面的第一電接觸層，而第二電接觸層50是貼在電流耗散層30的局部表面上。電流耗散層30的表面具有某種結(jié)構(gòu)方式40，通過這些結(jié)構(gòu)方式能改善光的輸出耦合。在圖1的橫截面圖中，表面的結(jié)構(gòu)方式40是眾多的棱錐形。這些棱錐形可以有n≥3個側(cè)面，在n＝∞的極限情況下，棱錐形會變成錐體形。從現(xiàn)有的圖形上也可以把尖頭部分切去，這樣就形成了平截頭棱錐體或截錐體。在有某種結(jié)構(gòu)方式40的電流耗散層的表面上裝上第二電接觸層，這樣就可使電流的輸入耦合盡可能達到均勻。為了達到這一目的裝上的第二電接觸層50需有網(wǎng)格形的結(jié)構(gòu)。圖2至圖4示出了第二電接觸層有關(guān)形狀的不同的例子。
圖2至圖4示出的光輻射二極管都是正方形的，這是從光輸出的一側(cè)觀看的角度說的，也就是說，它們是裝備有第二電接觸層50的電流耗散層30的表面的俯視圖。在圖2的結(jié)構(gòu)形式的例子中具有的某種結(jié)構(gòu)方式40，是由眾多的矩陣形排列的四面的棱錐或平截頭棱錐構(gòu)成的。第二電接觸層50通?？梢?與電流耗散層30分離地)安置在電流耗散層30表面的沒有做成某種結(jié)構(gòu)形狀的范圍內(nèi)，或者也可以安置在棱錐的底部。然而它也可以直接安置在表面具有的某種結(jié)構(gòu)方式40上。第二電接觸層50主要由觸頭合金如金∶鋅或金∶鍺或這一類的其他金屬構(gòu)成。圖2至圖4的不同規(guī)格例子示出了第二電接觸層50可能有的結(jié)構(gòu)形狀，這些電第二接觸層由一個中心的主要是圓形或正方形的接觸平面51和一個由圍繞在中心接觸面51四周的比較細長的接觸電橋52、53或接觸點54構(gòu)成的相對于中心接觸面51的中心旋轉(zhuǎn)對稱的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所組成的。為了能使電流的輸入耦合盡可能均勻，第二電接觸層50的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有與光輻射二極管自身一樣的旋轉(zhuǎn)對稱性。因此如果光輻射二極管象圖中示出的那樣是正方形的，也就是它有四數(shù)的對稱，那么第二電接觸層50的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)同樣要做成圍繞中心接觸面51的中心點四數(shù)的旋轉(zhuǎn)對稱形。
實踐證明，圖2中示出的接觸層50的構(gòu)成方式特別有優(yōu)越性。在這一實施例中，接觸層50有一個外部的和一個內(nèi)部的繞圈的接觸電橋52。外圈的接觸電橋52沿著襯底10的邊緣繞圈。內(nèi)部繞圈的接觸電橋52安置在中心接觸面51和外部繞圈接觸電橋52兩者之間。外部繞圈的接觸電橋52和內(nèi)部繞圈的接觸電橋52通過輻射狀走向的接觸電橋53彼此相連，同時也與中心接觸面51連接了起來。實踐已經(jīng)證明這種樣式的結(jié)構(gòu)對于橫截面為正方形的發(fā)光二極管芯片100電流的均勻分布特別有利，因為電接觸層50的這種構(gòu)成成方式使幾何的簡易性與電流均勻分布一致了起來。
此外，如果內(nèi)部的繞圈接觸電橋52位于外部繞圈接觸電橋52和中心接觸面51兩者的中間處，而且如果輻射狀的接觸電橋53沿著發(fā)光層20邊棱的二等分線走向的話，那么格外有優(yōu)點。
第二電接觸層50的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如同圖2和圖3中示出的例子那樣，可以制作成相互連接的結(jié)構(gòu)。然而也可以設(shè)計成彼此不相連的結(jié)構(gòu)。圖4示出的就是這樣的例子。這里的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有一個圓形的中心接觸面51。此接觸面51被處于四數(shù)對稱中的圓形接觸點54所包圍，接觸點54與中心接觸面51不直接相連。然而對于這種結(jié)構(gòu)的例子來說，還要在第二電接觸層50的不相連的部分間建立電的接觸，于是在放入合金的接觸面51和54之后，還要將一個輔助的薄的透明導(dǎo)電層如用銦氧化錫(ITO)制的分離地(指電流)安置在電流耗散層表面的結(jié)構(gòu)上。但是第二電接觸層50的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也可制作成其他式樣，譬如說它可以有波紋結(jié)構(gòu)或類似的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的光輻射二極管可以以不同的方式制作。因為第二電接觸層50原則上可以(電流)分離地安置在結(jié)構(gòu)40上，所以最簡單的制造方法就是，首先以上述各種可能的結(jié)構(gòu)方式在電流耗散層30的表面上制作出某種結(jié)構(gòu)方式，接著通過一個蔭罩-蔭罩上在所要的結(jié)構(gòu)形狀的范圍內(nèi)要有開口-對第二電接觸層50進行汽相擴散滲鍍，或是采用噴鍍金屬法將其涂上。與此不同的方案是也可用上述方法首先將第二電接觸層50整塊地涂上。接著用平板印刷術(shù)和腐蝕的措施或是借助于剝離技術(shù)將第二電接觸層50制作出所要的結(jié)構(gòu)形狀來。第二種制作方法的又一方法是，通過上述制作方法中的一種，將有所要的旁側(cè)結(jié)構(gòu)的第二電接觸層50涂于電流耗散層30還沒有制作結(jié)構(gòu)方式的表面上，接著在電流耗散層30的表面上進行垂直結(jié)構(gòu)方式的制作，但同時要注意，不要損傷第二電接觸層50。
權(quán)利要求
1.光輻射二極管(100)包括——一個半導(dǎo)體式結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成有，一個襯底(10)，和至少一個位于襯底(10)之上的發(fā)光層(20)和一個置于發(fā)光層(20)之上的透明的電流耗散層(30)，——一個位于襯底背面上的第一電接觸層，和——一個安置在電流耗散層(30)上面的第二電接觸層(50)，其特征是，——電流耗散層(30)的表面具有一種垂直的結(jié)構(gòu)方式(40)，用于改善光的輸出耦合，和——第二電接觸層(50)，具有旁側(cè)式結(jié)構(gòu)，利用它可實現(xiàn)電流耗散層(30)中電流基本均勻的輸入耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光輻射二極管(100)，其特征是，——第二電接觸層(50)具有一個中心的主要是圓形或正方形的接觸面(51)，以及一個圍繞在中心接觸面(51)四周的由比較細長的接觸電橋(52；53)和/或接觸點(54)構(gòu)成的相對于中心接觸面(51)的中心旋轉(zhuǎn)對稱的接觸結(jié)構(gòu)(52；53；54)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光輻射二極管(100)，其特征是，——旋轉(zhuǎn)對稱是整數(shù)的(完全的、積分的)，并且尤其要對應(yīng)于光輻射二極管的旋轉(zhuǎn)對稱性。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的光輻射二極管(100)，其特征是，——第二電接觸層(50)，其結(jié)構(gòu)自身是相互連通的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的光輻射二極管(100)，其特征是，——第二電接觸層(50)，其結(jié)構(gòu)自身互不相通，用一透明的導(dǎo)電的材料層相互連接。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的光輻射二極管(100)，其特征是，——第二電接觸層(50)安置在電流耗散層的表面具有結(jié)構(gòu)方式的部分上，和/或表面沒有作成結(jié)構(gòu)方式的部分上。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的光輻射二極管(100)，其特征是，——所述垂直結(jié)構(gòu)(40)可具有的形狀主要有規(guī)律排列的n-面的(n≥3)棱錐、平截頭棱錐、錐體或截錐體。
8.用于制造上述權(quán)利要求要求中任一項的光輻射二極管(100)的制造方法，其特征是，——在襯底(10)上面安置一個發(fā)光層(20)，接著再安置一個比較厚的透明的電流耗散層(30)，且襯底的背面附有第一電接觸層，——在電流耗散層(30)的表面制作出一種垂直的結(jié)構(gòu)方式(40)以改善光的輸出耦合?！陔娏骱纳?30)的已作成的結(jié)構(gòu)形狀的表面上，涂上具有所要旁側(cè)的結(jié)構(gòu)樣式的第二電接觸層(50)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項的光輻射二極管(100)的制造方法，其特征是，——在襯底(10)的上面安置一個發(fā)光層(20)，接著再安置一個比較厚的透明的電流耗散層(30)，且襯底的背面附有第一電接觸層，——在電流耗散層(30)的表面上涂上具有所要旁側(cè)的結(jié)構(gòu)樣式的第二電接觸層(50)，并且——在電流耗散層(30)的表面上第二電接觸層(50)的范圍以外處，制作出一種垂直的結(jié)構(gòu)方式(40)，以改善光的輸出耦合。
全文摘要
由一個發(fā)光層(20)和一個比較厚的透明的電流耗散層(30)構(gòu)成的光輻射二極管(100)發(fā)出的光信號的輸出因電流耗散層(30)表面的垂直結(jié)構(gòu)而得到了改善,與此同時因第二個電接觸層(a second electrical contact layer,eine zweite elektrische Kontaktschicht)(50)有一個分布式側(cè)面的結(jié)構(gòu),(adistributed lateral structure,eine verteilte laterale struktur)而使得電流耗散層(30)中電流的輸入耦合基本實現(xiàn)了均勻。
文檔編號H01L33/02GK1376315SQ0081347
公開日2002年10月23日 申請日期2000年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月30日
發(fā)明者R·韋斯, K·斯特羅伊貝爾 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體股份有限兩合公司