EP1295348A1 - Led mit auskoppelstruktur - Google Patents

Led mit auskoppelstruktur

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Publication number
EP1295348A1
EP1295348A1 EP01943139A EP01943139A EP1295348A1 EP 1295348 A1 EP1295348 A1 EP 1295348A1 EP 01943139 A EP01943139 A EP 01943139A EP 01943139 A EP01943139 A EP 01943139A EP 1295348 A1 EP1295348 A1 EP 1295348A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupling
layer
radiation
led according
led
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01943139A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Linder
Ralph Wirth
Heribert Zull
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1295348A1 publication Critical patent/EP1295348A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure

Definitions

  • the present invention relates to an LED with an outcoupling structure to increase the efficiency.
  • the radiation-generating region generally extends as an active layer over an entire layer plane or a strip-shaped region of a layer plane.
  • a connection contact (bondpad) for current injection is usually located on the front of the component.
  • the counterelectrode can be applied to the back of the substrate as a full-area contact metallization or can be formed by a contact attached laterally to a radiation-generating strip on the front, which is connected to the underside of the active layer via suitably arranged, electrically conductively doped regions.
  • a decoupling layer can be disposed on the front side, the coupling out the light from the chip improves.
  • the radiation generated should be coupled out of the LED as directly as possible. Because the semiconductor material has a higher
  • Refractive index (typically 3.5) than the surrounding air or another transparent material that adjoins the semiconductor material (e.g. a resin with a refractive index of typically 1.5) occurs when the radiation is not sufficiently steep the interface total reflection.
  • the radiation is reflected several times in the interior of the semiconductor material and only leaves the LED after a significant reduction in the radiation power.
  • a beam which does not strike the boundary surface within the limit angle of total reflection at approximately 25.38 ° in the numerical example given can strike at the opposite surface Interfaces are reflected several times at the same angle and are finally absorbed in the area of a contact or an active zone or in the substrate.
  • the application of a thick semiconductor layer on the upper side of the LED provides a structure in which the radiation is more likely to strike the side surfaces (edges) of the component at an angle that is sufficiently steep for it to exit the semiconductor material.
  • GB 2326023 A describes a radiation-generating semiconductor component in which the outer side surfaces form an oblique angle to the plane of the active layer. It is thereby achieved that the radiation generated is deflected in the case of a total reflection on the side surfaces in a beam direction which is largely perpendicular to the flat top of the component, so that the radiation can exit here. The majority of the radiation generated can therefore be coupled out of the LED after at most one total reflection, which increases the luminous efficacy.
  • US Pat. No. 5,087,949 describes an LED with a semiconductor body with beveled edges.
  • the n-type doped semiconductor body is transparent to the radiation and is provided on the back with a p-type doped layer.
  • Current is injected into the pn junction via front and rear contacts.
  • the rear-side contact borders the p-doped layer in a small central region and is otherwise separated from this layer by an insulation layer.
  • the current path is thus limited to the central area of the diode.
  • the radiation which is therefore only generated in this central region reaches the front of the LED and strikes the oblique flanks formed in the semiconductor body at very steep angles, which enable the radiation to be decoupled immediately from the semiconductor material.
  • the object of the present invention is to provide an LED in which the coupling-out of radiation is improved.
  • a structured coupling-out layer is present on an upper side.
  • the lateral edges of the coupling-out layer form flanks which are aligned with the layer plane at an angle between 45 ° and 88 °, preferably between 60 ° and 88 °.
  • the outcoupling regions can each be essentially circularly delimited and form flat truncated cones with flat upper and lower boundary surfaces of the outcoupling layer.
  • the radiation-generating regions of the active layer are preferably limited to regions which, in a projection perpendicular to the layer plane, lie within the circular boundary of the coupling-out region concerned.
  • flanks of the coupling-out layer preferably run at alternating acute and obtuse angles at the edges of the coupling-out regions or are provided with tapering tines or with bulges and indentations.
  • Figure 1 shows an embodiment of the LED in a simplified sectional view
  • Figure 2 shows another embodiment in supervision
  • Figure 3 is a diagram showing the dependence of the coupling efficiency on the flank angle.
  • an LED is shown, in which on a substrate 1, z. B. from GaAs, a layer structure is present, which in this example comprises a current limiting layer 2, a cladding layer 3, an active layer 4, a cover layer 5 and a coupling-out layer 6.
  • a back contact 11 for current injection On the back of the substrate there is a back contact 11 for current injection; on the top of the coupling-out layer 6 there is a connection surface 9 with respective leads 8 to individual contacts 7 assigned to the respective coupling-out areas.
  • the semiconductor material between these contacts 7 and the active layer 4 is doped for electrical conductivity of a first conductivity type, at least in the areas provided for the generation and coupling out of radiation; the semiconductor material between the active layer 4 and the rear-side contact 11 is doped for electrical conductivity of the opposite second conductivity type.
  • the active layer 4 can be undoped or doped with either of the two conductivity types.
  • the substrate 1 is e.g. B. n-type and the cover layer 5 at least in the coupling-out region 60 doped p-type.
  • the cover layer 5 can be designed to be insulating outside the decoupling regions.
  • a further passivation layer, not shown, can be applied to the surface of the LED laterally to the coupling-out areas on the cover layer.
  • the cover layer 5 can also be omitted if the coupling-out layer 6 is provided as the upper boundary of the active layer 4.
  • the coupling-out layer 6 can include all or part of the layers 2 to 5.
  • the coupling-out layer 6 is doped highly for the first conductivity type (in the example p + -conducting), at least in the areas provided with the contacts 7, in order to
  • surfaces of these truncated cones have an inclination between 45 ° and 88 °, preferably between 60 ° and 88 ° to the layer plane.
  • the respective number of decoupling areas is not specified.
  • a similar structure with a successively convex and concave rounded shape of the flanks can be present.
  • the angle which the flank of the coupling-out layer forms with the layer plane is between 45 ° and 88 °, preferably between 60 ° and 88 °, and there are at least two coupling-out regions that are offset from one another.
  • the structure of the LED can correspond to a conventional component; in particular, instead of a rear-side contact, a further contact can be attached to the top of the LED, which is connected in an electrically conductive manner to the cladding layer 3 or a corresponding layer.
  • FIG. 3 shows the dependence of the coupling-out efficiency ⁇ on the angle which the flank of the coupling-out layer forms with the layer plane in the area between 90 ° and 70 °.
  • the angle which the flank of the coupling-out layer forms with the layer plane is denoted by ⁇ in FIG. 3.
  • Coupling efficiency is plotted in any units. ⁇ > o L ⁇

Abstract

Auf einer Oberseite befindet sich eine strukturierte Auskoppelschicht (6) mit Flanken (16), die zu der Schichtebene in einem Winkel zwischen 60° und 88° ausgerichtet sind und die Begrenzungen der für den Austritt von Strahlung vorgesehenen und voneinander abgesetzten Auskoppelbereiche bilden. Die in den Auskoppelbereichen vorhandenen Anteile der Auskoppelschicht können flache Kegelstümpfe bilden und an den Flanken geriffelt oder gezackt sein, um die Wahrscheinlichkeit zu vergrössern, dass die erzeugte Strahlung steiler als im Grenzwinkel der Totalreflexion auf die äussere Grenzfläche der Auskoppelschicht auftrifft.

Description

Beschreibung
LED mit AuskoppelStruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED mit einer Auskoppelstruktur zur Erhöhung des Wirkungsgrades.
Bei herkömmlichen LEDs erstreckt sich der strahlungserzeu- gende Bereich in der Regel als aktive Schicht über eine ge- samte Schichtebene oder einen streifenförmigen Bereich einer Schichtebene. Üblicherweise befindet sich an der Vorderseite des Bauelementes ein Anschlusskontakt (bondpad) zur Strominjektion. Die Gegenelektrode kann an der Rückseite des Substrats als ganzflächige Kontaktmetallisierung aufgebracht sein oder durch einen lateral zu einem Strahlungserzeugenden Streifen auf der Vorderseite angebrachten Kontakt gebildet sein, der über geeignet angeordnete, elektrisch leitend dotierte Bereiche mit der Unterseite der aktiven Schicht verbunden ist . Bei oberflächenemittierenden LEDs oder bei kan-' ten- und oberflächenemittierenden LEDs kann auf der Vorderseite eine AuskoppelSchicht angeordnet sein, die die Licht- auskopplung aus dem Chip verbessert .
Die erzeugte Strahlung soll möglichst direkt aus der LED aus- gekoppelt werden. Da das Halbleitermaterial einen höheren
Brechungsindex aufweist (typisch 3,5) als die umgebende Luft oder ein anderes transparentes Material, das sich an das Halbleitermaterial anschließt (z. B. ein Harz mit einem Brechungsindex von typisch 1,5), tritt bei nicht ausreichend steilem Auftreffen der Strahlung auf die Grenzfläche Totalreflexion auf. Die Strahlung wird im Innern des Halbleitermaterials mehrfach reflektiert und verlässt die LED erst nach einer erheblichen Verminderung der Strahlungsleistung. Bei der Quaderform handelsüblicher LEDs kann ein Strahl, der nicht innerhalb des im angegebenen Zahlenbeispiel bei etwa 25,38° liegenden Grenzwinkels der Totalreflexion zur Senkrechten auf die Grenzfläche auftrifft, an den einander gegenüberliegenden Grenzflächen mehrfach in demselben Winkel reflektiert werden und schließlich im Bereich eines Kontaktes oder einer aktiven Zone oder in dem Substrat absorbiert werden. Das Aufbringen einer dicken Halbleiterschicht auf der Oberseite der LED lie- fert eine Struktur, in der die Strahlung mit größerer Wahrscheinlichkeit auf den Seitenflächen (Kanten) des Bauelementes in einem für einen Austritt aus dem Halbleitermaterial ausreichend steilen Winkel auftrifft.
In der GB 2326023 A ist ein Strahlungserzeugendes Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem die äußeren Seitenflächen einen schrägen Winkel zur Ebene der aktiven Schicht bilden. Damit wird erreicht, dass die erzeugte Strahlung bei einer Totalreflexion an den Seitenflächen in eine Strahlrichtung umgelenkt wird, die weitgehend senkrecht zu der ebenen Oberseite des Bauelementes verläuft, so dass die Strahlung hier austreten kann. Es kann daher der Großteil der erzeugten Strahlung nach höchstens einer Totalreflexion aus der LED ausgekoppelt werden, was die Lichtausbeute erhöht.
In der US 5,087,949 ist eine LED mit einem Halbleiterkörper mit abgeschrägten Flanken beschrieben. Der n-leitend dotierte Halbleiterkörper ist für die Strahlung transparent und an der Rückseite mit einer p-leitend dotierten Schicht versehen. Die Strominjektion in den pn-Übergang erfolgt über vorderseitige und rückseitige Kontakte. Der rückseitige Kontakt grenzt in einem kleinen mittleren Bereich an die p-dotierte Schicht und ist ansonsten von dieser Schicht durch eine Isolationsschicht getrennt . Der Strompfad wird so auf den mittleren Bereich der Diode begrenzt. Die daher nur in diesem mittleren Bereich erzeugte Strahlung gelangt zur Vorderseite der LED und trifft auf die in dem Halbleiterkörper ausgebildeten schrägen Flanken unter jeweils sehr steilen Winkeln, die ein sofortiges Auskoppeln der Strahlung aus dem Halbleitermaterial ermögli- chen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine LED anzugeben bei der die Strahlungsauskopplung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit der LED mit den Merkmalen des Anspru- ches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen LED ist auf einer Oberseite eine strukturierte AuskoppelSchicht vorhanden. Die seitlichen Rän- der der Auskoppelschicht bilden Flanken, die zu der Schichtebene in einem Winkel zwischen 45° und 88°, vorzugsweise zwischen 60° und 88°, ausgerichtet sind. Es sind mehrere für den Austritt von Strahlung vorgesehene Auskoppelbereiche der Aus- koppelschicht vorhanden, die voneinander abgesetzt sind. Die Auskoppelbereiche können jeweils im Wesentlichen kreisförmig begrenzt sein und mit ebenen oberen und unteren Grenzflächen der Auskoppelschicht flache Kegelstümpfe bilden. Die strah- lungserzeugenden Bereiche der aktiven Schicht sind vorzugsweise auf Bereiche begrenzt, die in einer bezüglich der Schichtebene senkrechten Projektion jeweils innerhalb der kreisförmigen Begrenzung des betreffenden Auskoppelbereiches liegen. Falls die Strahlungserzeugenden Bereiche nicht in dieser oder ähnlicher Weise begrenzt sind, verlaufen die Flanken der AuskoppelSchicht an den Rändern der Auskoppelbe- reiche vorzugsweise in abwechselnd spitzen und stumpfen Winkeln oder sind mit sich taperartig verjüngenden Zacken oder mit Ausbuchtungen und Einbuchtungen versehen.
Es folgt eine genauere Beschreibung der LED anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der LED in einer vereinfachten Schnittansicht ;
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Aufsicht; und Figur 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz vom Flankenwinkel zeigt .
In Figur 1 ist eine LED dargestellt, bei der auf einem Sub- strat 1, z. B. aus GaAs, eine Schichtstruktur vorhanden ist, die in diesem Beispiel eine Strombegrenzungsschicht 2, eine Mantelschicht 3, eine aktive Schicht 4, eine Deckschicht 5 und eine Auskoppelschicht 6 umfasst. Auf der Rückseite des Substrates befindet sich ein Rückseitenkontakt 11 zur Strom- injektion; auf der Oberseite der AuskoppelSchicht 6 ist eine Anschlussfläche 9 mit jeweiligen Zuleitungen 8 zu einzelnen, den jeweiligen Auskoppelbereichen zugeordneten Kontakten 7 vorhanden .
Das Halbleitermaterial zwischen diesen Kontakten 7 und der aktiven Schicht 4 ist zumindest in den für die Erzeugung und Auskopplung von Strahlung vorgesehenen Bereichen für elektrische Leitfähigkeit eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert; das Halbleitermaterial zwischen der aktiven Schicht 4 und dem Rückseitenkontakt 11 ist für elektrische Leitfähigkeit des entgegengesetzten zweiten Leitf higkeitstyps dotiert. Die aktive Schicht 4 kann undotiert oder mit jedem der beiden Leitfähigkeitstypen dotiert sein. Das Substrat 1 ist z. B. n-lei- tend und die Deckschicht 5 zumindest in dem Auskoppelbereich 60 p-leitend dotiert. Die Deckschicht 5 kann außerhalb der Auskoppelbereiche isolierend ausgebildet sein. Es kann eine weitere, nicht eingezeichnete Passivierungsschicht auf der Oberfläche der LED seitlich zu den Auskoppelbereichen auf der Deckschicht aufgebracht sein. Die Deckschicht 5 kann auch weggelassen sein, wenn die AuskoppelSchicht 6 als obere Begrenzung der aktiven Schicht 4 vorgesehen ist . Weiterhin kann die Auskoppelschicht 6 alle oder einen Teil der Schichten 2 bis 5 mit einschließen.
Die Auskoppelschicht 6 ist zumindest in den mit den Kontakten 7 versehenen Bereichen hoch für den ersten Leitfähigkeitstyp (im Beispiel p+-leitend) dotiert, um einen guten Metall -Halb-
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flächen dieser Kegelstümpfe besitzen eine Neigung zwischen 45° und 88°, vorzugsweise zwischen 60° und 88° zur Schichtebene .
Die jeweilige Anzahl an Auskoppelbereichen ist nicht festgelegt . Es können mehrere Anschlussflächen 9 an einer LED vorhanden sein, so dass eine größere Anzahl von Auskoppelbereichen in einer LED integriert sein kann. Das hat den Vorteil, dass die Auskoppelschicht feiner und komplexer strukturiert sein kann, um eine größere Effizienz bei der Strahlungsaus- kopplung zu erreichen. Statt der im Ausführungsbeispiel der Figur 1 dargestellten Struktur mit sich taperartig verjüngenden Zacken an dem Rand der Auskoppelschicht 6 kann eine ähnliche Struktur mit einer aufeinanderfolgend konvexen und kon- kaven abgerundeten Ausformung der Flanken vorhanden sein. Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist, dass der Winkel, den die Flanke der Auskoppelschicht mit der Schichtebene bildet, zwischen 45° und 88°, vorzugsweise zwischen 60° und 88° liegt und mindestens zwei voneinander abgesetzte Aus- koppelbereiche vorhanden sind. Im Übrigen kann die Struktur der LED einem herkömmlichen Bauelement entsprechen; insbesondere kann statt eines Rückseitenkontaktes ein weiterer Kontakt auf der Oberseite der LED angebracht sein, der elektrisch leitend mit der Mantelschicht 3 oder einer entspre- chenden Schicht verbunden ist.
Um den Einfluß des Winkels, den- die Flanke der Auskoppelschicht mit der Schichtebene bildet, zu veranschaulichen, ist in Figur 3 ein Diagramm gezeigt, das die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz η vom Winkel, den die Flanke der Auskoppelschicht mit der Schichtebene bildet, im Bereich zwischen 90° und 70° darstellt.
Der Winkel, den die Flanke der Auskoppelschicht mit der Schichtebene bildet, ist in Figur 3 mit φ bezeichnet. Die
Auskoppeleffizienz ist in beliebigen Einheiten aufgetragen. μ> o LΠ

Claims

Patentansprüche
1. LED mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (4) zwischen Schichten, die für zueinander entgegen- gesetzte Leitfähigkeitstypen elektrisch leitend dotiert sind, und mit zwei Kontakten (7, 11) für einen elektrischen An- schluss, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Auskoppel schicht ( 6 ) auf einer für einen Austritt der Strahlung vorgesehenen Oberseite vorhanden ist, die Auskoppelschicht durch seitliche Flanken (16) begrenzt ist, so dass mindestens zwei voneinander abgesetzte Anteile der Auskoppelschicht entsprechend vorgesehenen Auskoppelbereichen (60) vorhanden sind, und der Winkel, den die Flanken mit der Ebene der Auskoppel- schicht bilden, stets zwischen 45° und 88° liegt.
2. LED nach Anspruch 1, bei der
Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung entsprechend den vorgesehenen Auskoppelbereichen vorhanden sind.
3. LED nach Anspruch 2 , bei der die Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung eine seitliche Begrenzung der aktiven Schicht (4) auf mindestens zwei voneinander getrennte strahlungserzeugende Bereiche umfassen.
4. LED nach Anspruch 2 , bei der die Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung eine seitliche Begrenzung eines jeweiligen auf der Auskoppelschicht (6) angebrachten Kontaktes (7) auf jeweils einen von mindestens zwei voneinander getrennten Auskoppelbereichen umfassen.
5. LED nach Anspruch 2, bei der die Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung einen in mindestens zwei voneinander getrennten Bereichen unterbroche- nen, in einer vorgesehenen Stromrichtung sperrenden pn-Über- gang umfassen.
6. LED nach Anspruch 2 , bei der die Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung eine in mindestens zwei voneinander getrennten Bereichen unterbrochene elektrisch isolierende Schicht umfassen.
7. LED nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Auskoppelschicht in den Auskoppelbereichen die Form von Kegelstümpfen aufweist.
8. LED nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Flanken (16) der AuskoppelSchicht (6) in den Auskoppelbe- reichen sternartig angeordnete und sich taperartig verjüngende Zacken aufweisen.
9. LED nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Winkel, den die Flanken mit der Ebene der Auskoppel- schicht bilden, stets zwischen 60 ° und 88° liegt.
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