(57)【要約】光出力結合（光取出し効率）のアップのために、半導体チップ（１０）では活性層（３）が切欠（１１）によって中断されている。それにより活性層（３）には、光を発生するスポット（６）から見て大きめの立体角のもとで側面（９）が出現し、活性層（３）内の光路が短縮される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２）と、主平面と、放射発光性の活性層（３）を含んだ積層部とを有する、放射発光形半導体チップであって、前記積層部は、基板（２）の主平面上に設けられている形式の半導体チップにおいて、
前記活性層（３）が、当該活性層（３）を横切るように延在する側面（７，８，１３）を備えた多数の部分領域（１２，１８）に分割されていることを特徴とする半導体チップ。
【請求項２】
前記活性層（３）または積層部は、切欠部（１１）によって分割されている、請求項１記載の半導体チップ。
【請求項３】
前記切欠部（１１）は、活性層（３）を完全に中断している、請求項１または２記載の半導体チップ。
【請求項４】
前記切欠部（１１）は、基板（２）とは反対側の積層部から基板（２）の主平面か当該基板（２）内まで延在している、請求項３記載の半導体チップ。
【請求項５】
前記活性層（３）は、タイル状に分割されている、請求項１から４いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項６】
切欠部（１１）の少なくとも１つが、前記基板（２）の主平面に対して所定の角度、特に９０゜異なる角度で配置された側面（１３）を有している、請求項２から５いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項７】
前記主平面に対向する側の積層部から基板（２）へ向かう方向で見て、切欠部（１１）の少なくとも１つが先細に構成されている、請求項２から６いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項８】
前記切欠部（１１）は、底部面（１５）を有しており、側面１３）と切欠部（１１）の間の間隔は、活性層（３）内で生成されるビームの少なくとも一部が切欠部（１１）の底部面に当たるように選択されている、請求項６または７記載の半導体チップ。
【請求項９】
活性層（２）のメインの延在方向に対して平行に広がるビーム成分が前記底部面（１５）に当てられる、請求項８記載の半導体チップ。
【請求項１０】
側面（１３）と切欠部（１１）の間の間隔は、前記底部面（１５）に当てられるビームの少なくとも一部が当該底部面（１５）にて反射され、それに続いて当該半導体チップから出射されるように選択されている、請求項８または９記載の半導体チップ。
【請求項１１】
主平面から見て、切欠部の少なくとも１つが、主平面とは反対側の積層部の方向に向けて先細に構成されている、請求項２から５いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項１２】
側面（１３）は、活性層（３）内で生成されたビームの少なくとも一部を全反射している、請求項１１記載の半導体チップ。
【請求項１３】
活性層（３）のメイン延在方向に対して平行に広がるビーム成分が側面（１３）によって全反射される、請求項１２記載の半導体チップ。
【請求項１４】
前記切欠部の側面（１３）は、活性層（３）のメイン延在方向に対して平行に広がるビーム成分を伝送する、請求項１１記載の半導体チップ。
【請求項１５】
前記側面（１３）間の間隔は、活性層（３）のメイン延在方向に対して平行に広がるビーム成分（１４）が側面（１３）における屈折の後で当該半導体チップを直接離れるように選択されている、請求項１４記載の半導体チップ。
【請求項１６】
前記活性層（３）は、相互に角度をなして配置された複数の扁平な区分（１８）に分割されており、それらの上側（８）と下側（９）は、それぞれ隣接する部分領域（１８）に対する側面（１３）を形成する、請求項１または２記載の半導体チップ。
【請求項１７】
前記部分領域（１８）の上側（８）と下側（９）は、活性層（３）に沿って延在する、隣接部分領域（１８）の中心光ビーム（１４）を伝送する、請求項１６記載の半導体チップ。
【請求項１８】
前記基板（２）は、シリコン、酸化珪素、炭化珪素またはサファイアを含んでいる、請求項１から１７いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項１９】
前記積層部は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含んでいる、請求項１から１８いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項２０】
前記活性層（３）は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含んでいる、請求項１から１８いずれか１項記載の半導体チップ。
【請求項２１】
前記積層部は、エピタキシャル成長によって基板（３）上に被着される、請求項１から２０いずれか１項記載の半導体チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光放射形半導体チップ“ｒａｄｉａｔｉｏｎ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｏｒ ｃｈｉｐ”に関している。
【０００２】
この種の半導体チップは、ドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ １９８ ０７ ７５８ Ａ１ 明細書からも公知である。この公知の半導体チップは、基板上に被着されたヘテロ構造を有しており、これはドーピングによる多数のｐ形およびｎ形のエピタキシャル成長層を有している。これらのｐ形およびｎ形のエピタキシャル成長層の間の境界面に沿って活性層が形成されており、この活性層でフォトンが生成される。
【０００３】
公知の半導体チップの光取出し効率（出力結合）“Ｌｉｃｈｔａｕｓｋｏｐｐｌｕｎｇ”を高めるために、この公知の半導体チップは、角錐台状に形成されている。傾斜した側面によって、活性層から発生した光が側面における僅かな反射の後で半導体チップから離れることが保証されている。
【０００４】
この公知の半導体チップの欠点は、発光効率が、専らその幾何学的特性と屈折率に基づいて想定されているものに相応しないことである。この主な要因は、放射光が材料を通過する際と側面における反射の際に吸収されて損失することにある。
【０００５】
このような従来技法から出発した本発明の課題とするところは、光出力結合を高めた半導体チップを提供することである。
【０００６】
この課題は本発明により、活性層を横切る方向に延在する側面を有する多数の部分領域に活性層を分割することによって解決される。
【０００７】
活性層の多数の部分量域への分割により、側面の総面積が増大し、その他にも活性層の発光点から見てそれぞれ隣接する側面が比較的大きな立体角のもとにおかれる。それ故に活性層の発光点から出た放射光の大半が側面に入射しそこから半導体チップ外に出射される。
【０００８】
活性層を多数の部分領域へ分割すれば確かに活性層のごく一部が光発生に関して損なわれてしまうが、しかしなが光取出し効率はそれによって著しく改善される。従って総体的にみれば、本発明の手段によって発光効率が向上される。
【０００９】
本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【００１０】
以下の明細書では本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。これらの図面のうち、図１ａおよびｂは、従来の半導体チップの活性層における放射光の経過を表わすものであり、図１ｃおよびｄは、本発明による半導体チップにおける放射光の経過を表わすものであり、
図２は、本発明の半導体チップの変化実施例の断面を表わしたものであり、この場合は活性層における切欠部が傾斜した側面を有しており、
図３は、本発明のさらなる別の変化実施例の断面を表わしたものであり、この場合は、活性層の切欠部が奥に深く切り込まれており、
図４は、活性層が、相互に傾斜した多数の扁平区分からなる半導体チップの実施例の断面を表わしたものであり、
図５は、図３の断面図を拡大して示したものであり、
図６〜図８は、本発明によるそれぞれ１つの半導体チップの平面図を示したものである。
【００１１】
実施例
図１ａには、従来のオプトエレクトロニクス半導体チップ１が示されている。この半導体チップ１は、基板１上に主平面を有しており、その主平面には活性層３が被着されている。
【００１２】
活性層３の上には、コンタクトポイント４が設けられている。このコンタクトポイント４は、この半導体チップ１における損失にかかわっている。例えば、活性層３内部の光を発生するスポット６から出た光ビーム５は、まず下側７で反射し続いて上側８でも反射する。その際この光ビーム５は、コンタクトポイント４の下側に入射してそこで一部が吸収される。同じようなことは上側７と下側８のさらなる反射に対してもあてはまる。この光ビーム５の光強度の一部は、各反射毎に失われる。その他に活性層３材料の通過にも光の損失が伴う。それ故に光ビーム５は大幅な減衰を伴って活性層３側面９から出射する。
【００１３】
その結果として光発生スポット６から出た光のうち立体角成分の小さいものだけが直接、側面９から出射する。これは特に図１ｂに明らかに示されている。光発生スポット６から出た光のうち立体角領域外にある光ビームは、多かれ少なかれ活性層３の下側７と上側８において頻繁に反射し、そのたびに光強度は減衰される。
【００１４】
光取出し効率のアップのために、図１ｃおよびｄに示している半導体チップ１０では、活性層３の中に切欠部１１が設けられ、この切欠によって活性層３が複数の部分領域１２に分割されている。
【００１５】
活性層の名称は、本発明では半導体チップ１の光の発生に寄与する層を意味するが、それに対して重要なのは光を発生する層のみではなく、電荷を担う隣接層も係わってくることである。従って基板２上には活性層３も含めた積層構造で被着させることも可能である。この積層構造部のさらなる層とは、例えば活性層のコンタクト層、格子整合層、通電層、光領域案内層などである。
【００１６】
但し当該図面では、見易くする理由から基板上には１つの活性層３しか表わしてない。したがってここでは活性層も含めた積層構造部を統合的に設けることも可能であることをあえて述べておく。
【００１７】
さらに本発明で述べている光ビームとは、可視波長領域内にある波長の放射光のみに限ったものではない。それどころかここで提案される考察では、基本的にあらゆる種類の電磁波ビーム、特に赤外線領域から紫外線領域の全てのスペクトル領域にある光をも想定している。従って幾何光学の枠内で用いられる光ビームの概念には、所定の１つの波長の電磁波ビームしか含まれないというものではない。
【００１８】
活性層３の複数の部分領域は、例えば平面図でみて活性層上にタイル状に配置された配置構成であってもよい。この限りでは、活性層の平面内でパターン的に繰返される領域の配置構成とも理解されたい。
【００１９】
本発明では積層構造部の材料、特に活性層３の材料に適しているものとして、有利にはＧａＮベースの半導体材料、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどが用いられる。この種の積層は、エピタキシャル成長によって製造できる。その場合に有利には、エピタキシャル基板としてＳｉＣ基板、サファイア基板またはＳｉ基板並びにその結果として形成される複合基板が用いられる。
【００２０】
活性層３の多数の部分領域への分割によって、次のことが保証される。すなわち光発生スポット６から出た光ビーム５が僅かな反射の後で切欠部１１の側面１３に入射することである。部分領域１２の扁平状の広がりが僅かなために、側面１３は、光発生スポット６から見て大きな立体角のもとで現れる。このことは、光発生スポット６から出た光ビームの大半に相応する光が直接側面１３に入射し、そこから外部に向けて発せられることを意味する。特にこれは図１ｄに顕著に示されている。
【００２１】
切欠部１１内に出射された光は、可能な限り、相対向する側面１３から再び活性層３内部に入力結合されないようにすべきである。この目的は、特に切欠部１１の側面１３の特殊な形状形成によって達成することが可能である。
【００２２】
例えば図２に示されているように、側面１３に傾斜を付けることも可能である。活性層３の第１のメイン延在方向に伝播する、すなわち活性層３によって確定される層平面に対して実質的に平行に延在する光ビーム１４（以下ではこれを中心光ビーム１４と称する）は、側面１３の透過の際に切欠１１の底部の方向に反射する。底部１５では、この中心光ビーム１４が基板２に当接しそこで反射される。切欠部１１が十分に広幅であるならば、この光ビーム１４は、出力結合、つまり放射される。このことは特にこの光ビーム１４が積層部内への再度の入射あるいは活性層３への再度の当接なしで、半導体チップ１を離れることを意味している。
【００２３】
それ故に図２に示されている半導体チップ１６のもとでは、活性層３から出射される光ビームが再び活性層３内へ入力結合される危険性は生じない。
【００２４】
さらなる手段は図３に示されている。この図３に示されている半導体チップ１７のもとでは、切欠が基板からアクティブ層の基板とは反対側の方向に向けて先細になっている。この切欠１１は、中心光ビーム１４が側面１３において全反射するような角度にカットされている。この側面の傾斜は、特に次のように選択される。すなわち中心光ビーム１４が側面１３において比較的大きな角度で（特に直角）上側８に向かいそこから出射されるように選択される。
【００２５】
最後にアクティブ層３が、相互に傾斜した扁平な複数の部分領域１８で構成された手段が可能である。アクティブ層３のそのような配置構成で、部分領域１８の側面が、隣接する部分領域１８の上側８または下側７によって形成される。この上側８または下側７において全反射を何も起こさないようにするためには、傾斜角度γが全反射に対する臨界角度よりも大きくなければならない。この場合は、全反射に対する臨界角がｓｉｎαｃ＝ｎ２／ｎ１によって定められる。前記ｎ２は活性層３に接する媒体中の屈折率で、ｎ１は活性層３中の屈折率である。
【００２６】
図５は、切欠部１１が図３に示されているように内側に向けて深くえぐられたようにカットされているケースを表わしたものである。このケースでは、切欠部１１の側面角度α１は、０゜〜全反射の臨界角度αｃの間におかれる。それ故にこのケースでは、中心光ビーム１４が上側８の方向へもたらされる。中心光ビーム１４が対向側の側面１３に入射することを防ぐために、切欠部１１の幅が十分広幅に選択されなければならない。図５に基づけば、そのための条件が容易に読みとれる。切欠部１１の幅ｂに対しては以下の式、
ｂ≧ｈ／｛２ｔａｎ（α２−α１）｝
ｓｉｎα１＝（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎα２
が有効である。この場合前記ｈは、活性層３の厚さであり、α１とα２はそれぞれ側面１３の面法線と入射光ビーム１４及び伝送ビーム１４の間の角度であり、前記ｎ１とｎ２は、活性層１３と切欠１１中の屈折率である。これによって、光ビームは、切欠部の側面において中断され、その後は当該の半導体チップから直接離れる。このことは、特にこの光ビームが新たに積層構造部内へ入射しないことを意味する。
【００２７】
切欠部１１のフラットな構成については、様々な形態が考慮される。図６および図７では、２つの可能性が示されている。すなわち図６では切欠１１がＸ形の十字状に形成され、図７の実施例では、切欠が十字状に形成されている。ここに記載した手段は、光取出し効率アップのためのさらなる手段と組合わせることも可能である。例えば側面９並びに上側８は、適切な処理によって被着させることが可能である。さらに側面および上側８に溝または類似の起伏状部を光取出し効率アップのために設けてもよい。このような実施例は図８に示されており、この平面図では活性層が切手に類似した形状に構成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａおよびｂは、従来の半導体チップの活性層における放射光の経過を表わすものであり、ｃおよびｄは、本発明による半導体チップにおける放射光の経過を表わしたものである。
【図２】活性層における切欠部が傾斜した側面を有している、本発明の半導体チップの変化実施例の断面を表わしたものである。
【図３】活性層の切欠部が奥に深く切り込まれている、本発明のさらなる別の変化実施例の断面を表わしたものである。
【図４】活性層が、相互に傾斜した多数の扁平区分からなる半導体チップの実施例の断面を表わしたものである。
【図５】図３の拡大断面図である。
【図６】本発明による１つの半導体チップの平面図を示したものである。
【図７】本発明による１つの半導体チップの平面図を示したものである。
【図８】本発明による１つの半導体チップの平面図を示したものである。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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