WO2003026355A2 - Elektrolumineszierender körper - Google Patents

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WO2003026355A2
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radiation decoupling
decoupling elements
elements
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radiation
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Norbert Linder
Ernst Nirschl
Werner Späth
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector

Definitions

  • the present invention relates to an electroluminescent body, in particular an LED chip, according to the preamble of protection claim 1. It relates in particular to an LED chip in which an active layer stack of semiconductor materials based on Al ⁇ Ga y In ⁇ - x . y N with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l.
  • LED chips usually have a single active layer stack which extends over the entire growth area of a substrate.
  • a single active layer stack which extends over the entire growth area of a substrate.
  • such an LED chip has a so-called bond pad on the front of the LED chip and a full-area contact metallization is applied to the back of the substrate, the aim being to ensure that the current flow through the LED chip extends as far as possible to the entire lateral extent expand the active layer stack.
  • An electroluminescent component with improved light decoupling is known for example from DE 199 11 717 AI.
  • the monolithic electroluminescent component disclosed in this publication has a substrate on which a plurality of radiation coupling-out elements arranged next to one another with respect to the main radiation direction of the component is provided.
  • the preferably cylindrical radiation coupling-out elements have an active layer sequence with an emission zone with at least one electroluminescent pn junction, which is followed by a so-called current aperture layer with a current passage opening to delimit the emission zone and a contact layer.
  • Radiation decoupling elements are provided in the form of ring-shaped contact elements which are connected to one another by electrically conductive webs. These ring contacts cover only the area of the upper side of the radiation decoupling elements through which, due to total reflection at the interface between the radiation decoupling element and the surrounding medium, little or no radiation would be coupled out anyway.
  • the electroluminescent component has a substrate; several radiation decoupling elements arranged next to one another on the substrate at a distance with an active layer stack with an emission layer with a laterally delimited emission zone; and a contact element on each radiation coupling element.
  • the contact elements are preferably arranged centrally on the radiation decoupling elements and have a width or a diameter smaller than the width or the diameter of the radiation decoupling elements.
  • the width or the diameter of the radiation decoupling elements for a given height of the radiation decoupling elements is selected to be so small that a substantial proportion of the light emitted laterally from the emission zone can be decoupled directly through the side surfaces of the radiation decoupling elements.
  • the lateral extent of the emission zone essentially corresponds to the lateral extent of the contact element. This becomes apparent with a low mobility of the charge carriers in the active layer between the emission zone and the contact element, as is the case, for example, with p-doped Al x Ga y In ⁇ _ x - y N with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l is the case, preferably achieved in that the current widening in this layer is so small that light is only generated in a narrow lateral area under the contact element.
  • the radiation decoupling elements largely prevents reflection losses within the active layer stack, since a maximum proportion of the light emitted to the side can be decoupled directly through the side surface of the radiation decoupling elements.
  • the radiation decoupling elements preferably have a strip-like structure with the above-mentioned width or a point-like structure with the above-mentioned diameter. For the sake of simplicity, only
  • the radiation decoupling elements are preferably conical, their side facing the substrate having a larger cross-sectional area than their side facing the contact elements.
  • the dimensions of the radiation decoupling elements preferably satisfy the condition
  • b is the width of the radiation decoupling elements
  • b ' the width of the contact elements
  • h the height of the radiation decoupling elements
  • ⁇ ⁇ the critical angle of the total reflection for the light emerging from the active layer stack into the surrounding medium.
  • the dimensions of the radiation decoupling elements advantageously meet the condition
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a first
  • FIG. 2A to 2C are schematic sectional representations of different radiation decoupling elements as can be used in the electroluminescent component of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of a further variant of a radiation decoupling element, as can be used in the electroluminescent component from FIG. 1;
  • 4A and B are each a schematic representation of a
  • 5A to C each show a schematic representation of a plan view of an electroluminescent component according to the present invention with radiation coupling-out elements of a strip-like structure.
  • the LED chip 1 is an LED chip 1, of which a large part of the electromagnetic radiation 11 generated in the LED chip 1 is emitted in the main emission direction 6.
  • the main emission direction 6 is oriented essentially perpendicular to the plane of the main extent of the LED chip 1.
  • the LED chip 1 has a substrate 2 which, for example, in the case of an LED chip 1 based on Al x Ga y In ! - x - y N with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l SiC or sapphire.
  • a Bragg reflector layer 3 is optionally applied to the substrate 2 and reflects back the light emitted by the emission zone 8 explained later in the direction of the substrate 2. Such Bragg reflector layers 3 are known per se to the person skilled in the art and are therefore not explained in more detail at this point.
  • these radiation decoupling elements 4 are applied on this Bragg reflector layer 3.
  • these radiation decoupling elements can have a point-like structure (with, for example, circular, oval or polygonal lateral cross-sectional area) or a strip-like structure (with, for example, rectangular lateral cross-sectional area) ,
  • the longitudinal central axes 5 of the radiation decoupling elements 4 are aligned parallel to the main emission direction 6 of the LED chip 1.
  • the radiation decoupling elements 4 have an active layer stack 7 on the optionally provided Bragg reflector layer 3 with an emission layer 8a and a laterally delimited emission zone 8 which has at least one electroluminescent pn junction.
  • the active layer stack 7 consists essentially of a plurality of doped and / or undoped Al x Ga y In; ⁇ . - x - y N layers with
  • the structure according to the invention is also suitable for active layer stacks based on a plurality of Al x Ga y In ⁇ _ x _ y P or Al x Ga ! _ x As layers with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l or another suitable III-V or II-VI compound semiconductor.
  • the area between the contact element 9 and the emission zone 8 preferably consist consistently of Mg and / or Zn, particularly preferably Mg p-doped Al x Ga y In ⁇ _ x _ y N material with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l, whose layer-parallel conductivity is so low that when current is impressed into the chip, the current spread in the area between contact element 9 and emission zone 8 is less than 20 ⁇ m, in particular between 0.1 ⁇ m and 10 ⁇ m, so that the lateral cross-sectional area of the emission zone 8 is largely limited to the vertically projected area of the contact element 9.
  • the radiation 11 generated in the emission zone 8 of the active layer stack 7 essentially passes in the lateral direction of propagation through the side surfaces 12 of the radiation decoupling elements 4 from the active layer stacks 7 into the surrounding medium, such as, for example, a radiation-permeable plastic envelope (not shown) into which the LED chip is embedded and which consists, for example, of epoxy resin, silicone resin or another suitable reaction resin.
  • a radiation-permeable plastic envelope (not shown) into which the LED chip is embedded and which consists, for example, of epoxy resin, silicone resin or another suitable reaction resin.
  • Suitable electrically insulating and radiation-permeable filler material can also be located in the spaces between the radiation decoupling elements 4.
  • Centrally arranged contact elements 9 are provided on the upper sides of the radiation decoupling elements 4.
  • a contact layer (not shown) can also be applied between the contact elements 9 and the active layer stacks 7 of the radiation decoupling elements 4, at least below the contact elements 9.
  • the individual contact elements 9 are connected to one another and to a bond pad 15 on the front of the LED chip 1 by means of electrically conductive webs 14.
  • the contact elements 4 are designed as contact points or as narrow contact strips.
  • a contact metallization 10 is applied over the entire surface.
  • a structured contact metallization can also be applied, which has, for example, separate contact areas, each of which is assigned to a radiation coupling element 4.
  • a reflective layer 13 is preferably applied to the substrate 2 or the Bragg reflector layer 3 provided on the substrate 2, around the radiation decoupled from the radiation decoupling elements 4 and traveling down onto the substrate 2 11 to reflect back.
  • This reflective layer 13 also has a non-absorbent substrate 2
  • the radiation decoupling elements 4 can be produced, for example, by epitaxially applying the Bragg reflector layer 3 and the active layer stack 7 onto the substrate 2 and subsequent photolithography technology and etching. Alternatively, a mask layer is first applied to the Bragg reflector layer 3, into which openings corresponding to the structure of the radiation decoupling elements 4 are etched, into which the active layers 7 are subsequently deposited epitaxially. Finally, the mask layer is removed again, for example by means of etching.
  • the emission zone 8 is provided in the active layer stack 7 directly below the contact element 9. While the height h of the active layer stack 7 is usually predetermined, the width b of the structured radiation decoupling elements 4 is chosen to be as small as possible according to the invention. 2A, the width b of the active layer stack 7 preferably satisfies the condition
  • ⁇ ⁇ is the critical angle of the total reflection for the radiation 11 emerging from the active layer stack 7 into the surrounding medium.
  • ⁇ ⁇ is, for example, 37 °, so that the ratio (b + b ') / h should be less than 2.65.
  • the current spread is so small due to the low mobility of the charge carriers that the emission zone 8 essentially only extends to the vertically projected area of the emission layer 8a below of the contact element 9, ie the lateral extent and thus also the width of the emission zone 8 is, if at all, only insignificantly larger than the lateral extent and thus the width b 'of the contact element 9. Due to the dimensioning of the active layer 8 described above, a maximum portion of the light 11 emitted laterally by the emission zone 8 can be coupled out directly through the side surface 12. There is essentially no total reflection on the side surface 12.
  • a large part, ie approximately cos ( ⁇ ⁇ ) 60%, of the radiation primarily generated by the emission zone 8 is emitted in this angular range, so that this radiation is direct, ie without previous reflection processes at the upper and lower boundary layers of the active layer stack 7, which always also mean a loss of reflection, and without further lossy passages through the emission layer 8a through the side surface 12 into the surrounding medium.
  • the radiation generated in the emission zones is usually reflected several times at the interfaces between the active layer stack and the substrate or top of the active layer stack and the surrounding medium before it is coupled out through the side surfaces.
  • non-radiative losses due to surface recombinations can be largely avoided.
  • the present invention provides an electroluminescent component which, without additional structuring measures such as the introduction of a current aperture layer or an oxide screen, has a higher external efficiency the
  • the width b of the radiation decoupling elements 4 which is to be chosen as small as possible can in any case achieve advantages over the conventional systems, since at least the number of those with radiation losses Reflection and absorption processes before decoupling from the
  • the same dimensioning of the radiation decoupling element 4 is selected in the exemplary embodiment from FIG. 2C, in which the emission zone 8 is provided directly above the substrate 2 or the Bragg reflector layer 3 which may be present. This means that the width b of the radiation decoupling elements should also be in the region in this case
  • FIG. 2B shows a radiation decoupling element 4 in which the emission zone 8 is not provided directly at the upper or lower edge of the active layer stack 7, but rather is arranged approximately in the middle of the active layer stack 7.
  • the width b of the active layer stack 7 should in this case be as strict as possible
  • the idea on which the present invention is based is to limit the width b of the active layer stack at a height h predetermined by the active layer stack 7 in such a way that the largest possible proportion of the light emitted laterally by the emission zone 8 is coupled out directly through the side surfaces 12 can be, since the angle of incidence of the radiation on the interface to the surrounding medium is smaller than the limit angle of the total reflection.
  • the person skilled in the art will therefore readily adjust the upper limit of the optimal dimensioning of the radiation decoupling element 4 between cot ( ⁇ ⁇ ) and 2cot ( ⁇ ⁇ ) if the emission zone 8 is arranged at any height position of the active layer stack 8 between the upper and the lower interface. If the emission zone 8 in the active layer stack 7 is not directly below the contact element 9, as shown in FIG. 2A, a conical structuring of the radiation decoupling elements 4, as is shown by way of example in FIG. 3, is advantageous.
  • the side surfaces 12 of the radiation decoupling elements 4 are designed as oblique etching flanks, the side of the active layer stack 7 facing the substrate 2 being larger than its side facing the contact elements 9. In the case of a point-like structure of the radiation decoupling elements 4, this leads, for example, to a structure in the form of a truncated cone.
  • the structural width b and the base angle ⁇ of the oblique side surfaces 12 are then adjusted in order to achieve the best possible light decoupling through the side surfaces 12 in such a way that the angle and aspect ratios preferably match the condition
  • FIGS. 4A and 4B show exemplary embodiments with point-like structures of the radiation decoupling elements in plan view
  • FIGS. 5A to 5C illustrate various exemplary embodiments with strip-like structures of the radiation decoupling elements in plan view.
  • the radiation decoupling elements 4 designed as cylinders or polyhedra each have a contact point 9 in the center on their upper side. These contact points 9 are connected to one another via electrically conductive webs 14 and also to a bond pad 15, which is provided, for example, in the middle of the LED chip 1.
  • the radiation decoupling elements 4 are positioned, for example, on the corner points of an (imaginary) hexagonal structure (FIG. 4A) or rectangular structure (FIG. 4B).
  • the bright circles each indicate the top sides of the radiation decoupling elements with straight or conical side surfaces.
  • strip-like structures of the radiation decoupling elements 4 emanate, for example, in the form of a beam from a bond pad 15 arranged in the center of the LED chip 1 and branch out further in regular geometric shapes (FIG. 5A).
  • FIG. 5A For the sake of clarity, only the contact elements 9 and the corresponding connecting webs 14 are shown in FIG. 5; the strip-like radiation decoupling elements 4, which each run below the electrical connecting elements 9, 14, have been omitted.
  • the stripes can be structured
  • Radiation decoupling elements 4 are positioned in a rectangular arrangement (FIG. 5B) or a hexagonal arrangement (FIG. 5C). This arrangement of the radiation decoupling elements 4 shows advantages with regard to the power supply of all radiation decoupling elements 4.

Abstract

Es wird ein elektrolumineszierendes Bauelement (1), insbesondere ein LED-Chip, vorgeschlagen, der bei einfachem Aufbau einen hohen externen Wirkungsgrad aufweist. Das elektrolumineszierende Bauelement (1) weist ein Substrat (2); mehrere, nebeneinander auf dem Substrat (2) in Abstand angeordnete Strahlungsauskoppelelemente mit einem aktiven Schichtstapel (7) mit einer Emissionszone (8); und ein Kontaktelement (9) auf jedem Strahlungsauskoppelelement (4) auf. Erfindungsgemäss sind die Kontaktelemente (9), deren Breite (b') kleiner als die Breite (b) der Strahlungsauskoppelelemente (4) bemessen ist, mittig auf den Strahlungsauskoppelelementen (4) angeordnet, und die Breite (b) der Strahlungsauskoppelelemente (4) ist bei gegebener Höhe (h) derart klein gewählt, dass ein wesentlicher Anteil des seitlich von der Emissionszone (8) abgestrahlten Lichts (11) direkt durch die Seitenflächen (12) der Strahlungsauskoppelelemente (4) ausgekoppelt werden kann.

Description

Beschreibung
Elektrolumineszierender Körper
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrolumineszie- renden Körper, insbesondere einen LED-Chip, nach dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1. Sie bezieht sich insbesondere auf einen LED-Chip, bei dem ein aktiver SchichtStapel Halbleitermaterialien auf der Basis von AlχGayInι-x.yN mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l aufweist.
Herkömmliche LED-Chips weisen üblicherweise einen einzigen aktiven Schichtstapel auf, der sich über die gesamte Aufwachsfläche eines Substrats erstreckt . Zur Stromeinprägung weist ein solcher LED-Chip an der Vorderseite des LED-Chips ein sogenanntes Bondpad auf und an der Rückseite des Substrats ist eine ganzflächige Kontaktmetallisierung aufgebracht, wobei das Bestreben darin liegt, den Stromfluss durch den LED-Chip möglichst auf die gesamte laterale Ausdehnung des aktiven Schichtstapels aufzuweiten.
Alternativ zur vertikalen Stromeinprägung, bei der der aktive Schichtstapel sandwichartig zwischen zwei Kontakten angeordnet ist, gibt es auch Chipstrukturen, bei denen die Kontak- tierung sowohl der p-Seite als auch der n-Seite von der Vorderseite des Chips her erfolgt. Dies ist meist dann der Fall, wenn das Substrat für den aktiven Schichtstapel elektrisch isolierend ist.
Trotz einer hohen Effizienz des Lichterzeugungsprozesses in der aktiven Schicht von bis zu nahe 100% weisen derartige LED-Chips relativ geringe externe Wirkungsgrade auf. Die Schwierigkeit besteht darin, das in den flächig aufgewachsenen aktiven Halbleiterschichten mit hohem Brechungsindex er- zeugte Licht in das Vergussmaterial mit deutlich geringerem Brechungsindex auszukoppeln. Dabei gelangt üblicherweise nur das in einem relativ kleinen Raumwinkel erzeugte Primärlicht nach außen; das übrige Licht wird durch Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Vergussmasse in den Halbleiter zurück reflektiert und geht dort zu einem großen Teil durch Absorption in der aktiven Schicht, im Substrat, an der Substratoberfläche und an den elektrischen Kontaktelemen- ten bzw. dem Bondpad verloren.
Ein elektrolumineszierendes Bauelement mit verbesserter Lichtauskopplung ist zum Beispiel aus der DE 199 11 717 AI bekannt. Das in dieser Druckschrift offenbarte monolithische elektrolumineszierende Bauelement weist ein Substrat auf, auf dem eine Vielzahl von in Bezug auf die Hauptabstrahlrichtung des Bauelements nebeneinander angeordneten Strahlungsauskoppelelementen vorgesehen ist. Die vorzugsweise zylinderförmig ausgebildeten Strahlungsauskoppelelemente weisen eine aktive Schichtenfolge mit einer Emissionszone mit mindestens einem elektrolumineszierenden pn-Übergang auf, der eine sogenannte Stromaperturschicht mit einer Stromdurchlassδffnung zur Begrenzung der Emissionszone und eine Kontaktschicht nachgeord- net sind. Auf den Kontaktschichten der zylinderförmigen
Strahlungsauskoppelelemente sind ringförmige Kontaktelemente vorgesehen, die untereinander durch elektrisch leitende Stege verbunden sind. Diese Ringkontakte decken nur den Bereich der Oberseite der Strahlungsauskoppelelemente ab, durch den auf- grund Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Strahlungsauskoppelelement und dem umgebenden Medium ohnehin nur wenig oder überhaupt keine Strahlung ausgekoppelt werden würde.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrolumineszierendes Bauelement vorzusehen, das bei einem möglichst einfachen Aufbau eine hohe Effizienz der Lichtauskopplung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrolumineszierendes Bauele- ment mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 15. Das elektrolumineszierende Bauelement weist ein Substrat; mehrere, nebeneinander auf dem Substrat in Abstand angeordnete Strahlungsauskoppelelemente mit einem aktiven Schicht- Stapel mit einer Emissionsschicht mit lateral eingegrenzter Emissionszone; und ein Kontaktelement auf jedem Strahlungsauskoppelelement auf. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente mittig auf den Strahlungsauskoppelelementen angeordnet und weisen eine Breite bzw. einen Durchmesser kleiner als die Breite bzw. der Durchmesser der Strahlungsauskoppelelemente auf. Außerdem ist die Breite bzw. der Durchmesser der Strahlungsauskoppelelemente bei gegebener Höhe der Strahlungsauskoppelelemente derart klein gewählt, dass ein wesentlicher Anteil des seitlich von der Emissionszone abgestrahlten Lichts direkt durch die Seitenflächen der Strahlungsauskoppelelemente ausgekoppelt werden kann.
Die laterale Ausdehnung der Emissionszone entspricht im wesentlichen der lateralen Ausdehnung des Kontaktelements . Dies wird bei einer geringen Beweglichkeit der Ladungsträger in der aktiven Schicht zwischen Emissionszone und Kontaktelement, wie es beispielsweise bei p-dotiertem AlxGayInι_x-yN mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l der Fall ist, bevorzugt dadurch erzielt, dass die StromaufWeitung in dieser Schicht so gering ist, dass Licht nur in einem engen lateralen Bereich unter dem Kontaktelement erzeugt wird. Durch die erfindungsgemäße
Dimensionierung der Strahlungsauskoppelelemente werden Reflexionsverluste innerhalb des aktiven Schichtstapels weitestge- hend vermieden, da ein maximaler Anteil des zur Seite abgestrahlten Lichts direkt durch die Seitenfläche der Strah- lungsauskoppelelemente ausgekoppelt werden kann.
Die Strahlungsauskoppelelemente weisen bevorzugt eine streifenartige Struktur mit der oben genannten Breite oder eine punktartige Struktur dem oben genannten Durchmesser auf. Im Folgenden wird der Einfachheit halber ausschließlich von
Breite des Strahlungsauskoppelements und von der Breite des Kontaktelements gesprochen, wobei damit bei einer punktarti- gen Struktur des Strahlungsauskoppelelements und/oder des Kontaktelements deren Durchmesser gemeint ist .
Insbesondere wenn die Emissionszone des aktiven Schichtstapels nicht direkt unterhalb der Halbleiteroberfläche liegt, sind die Strahlungsauskoppelelemente vorzugsweise konisch ausgebildet, wobei ihre dem Substrat zugewandte Seite eine größere Querschnittsfläche als ihre den Kontaktelementen zugewandte Seite aufweist.
Die Abmessungen der Strahlungsauskoppelelemente genügen bevorzugt der Bedingung
0 < (b+b')/h < 2 cot (α)
wobei b die Breite der Strahlungsauskoppelelemente, b' die Breite der Kontaktelemente, h die Höhe der Strahlungsauskoppelelemente und ατ der Grenzwinkel der Totalreflexion für das aus des aktiven Schichtstapeis in das umgebende Medium aus- tretende Licht ist.
Für den Fall, dass die Emissionszone des aktiven Schichtstapels in den Strahlungsauskoppelelementen zwischen der dem Substrat zugewandten Seite und der den Kontaktelementen zuge- wandten Seite, d.h. insbesondere nicht direkt an der dem Substrat zugewandten Fläche oder an der den Kontaktelementen zugewandten Fläche positioniert ist, genügen die Abmessungen der Strahlungsauskoppelelemente vorteilhafterweise der Bedingung
0 < (b+b')/h < cot (ατ)
wobei b die Breite der Strahlungsauskoppelelemente, b' die Breite der Kontaktelemente, h die Höhe der Strahlungsauskop- pelelemente und ατ der Grenzwinkel der Totalreflexion für das aus dem aktiven Schichtstapel in das umgebende Medium austretende Licht ist. Weitere vorteilhafte Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden nachfolgend anhand verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines elektrolumineszierenden Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A bis 2C schematische Schnittdarstellungen von unterschiedlichen Strahlungsauskoppelelementen, wie sie in dem elektrolumineszierenden Bauelement von Fig. 1 eingesetzt werden können;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Variante eines Strahlungsauskoppelelements, wie es in dem elektrolumineszierenden Bauelement von Fig. 1 eingesetzt werden kann;
Fig. 4A und B jeweils eine schematische Darstellung einer
Draufsicht auf ein elektrolumineszierendes Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung mit Strahlungsauskoppelelementen von punktartiger Struktur; und
Fig. 5A bis C jeweils eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein elektrolumineszierendes Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung mit Strahlungsauskoppelelementen von streifenartiger Struktur.
Bei dem Ausführungsbeispiel eines elektrolumineszierenden
Bauelements von Fig. 1 handelt es sich um einen LED-Chip 1, von dem ein Großteil der in dem LED-Chip 1 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 11 in die Hauptabstrahlrichtung 6 abgestrahlt wird. Die Hauptabstrahlrichtung 6 ist im wesentli- chen senkrecht zu der Ebene der Haupterstreckung des LED- Chips 1 orientiert. Der LED-Chip 1 weist ein Substrat 2 auf, das beispielsweise bei einem LED-Chip 1 auf der Basis AlxGayIn!-x-yN mit O≤x≤l , O≤y≤l und x+y≤l SiC oder Saphir aufweist. Auf dem Substrat 2 ist optional eine Bragg-Reflektor-Schicht 3 aufgebracht, die das von der später erläuterten Emissionszone 8 in Richtung auf das Substrat 2 abgestrahlte Licht zurück reflektiert . Derartige Bragg-Reflektor-Schichten 3 sind dem Fachmann an sich bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert .
Auf dieser Bragg-Reflektor-Schicht 3 sind mehrere, in Abstand nebeneinander angeordnete Strahlungsauskoppelelemente 4 aufgebracht. Wie weiter unten anhand der Fig. 4 und 5 näher erläutert, können diese Strahlungsauskoppelelemente in Drauf- sieht eine punktartige Struktur (mit zum Beispiel kreisförmiger, ovaler oder vieleckiger lateraler Querschnittsfläche) oder eine streifenartige Struktur (mit zum Beispiel rechtek- kiger lateraler Querschnittsfläche) aufweisen. Die Längsmittelachsen 5 der Strahlungsauskoppelemente 4 sind parallel zu der Hauptabstrahlrichtung 6 des LED-Chips 1 ausgerichtet.
Die Strahlungsauskoppelelemente 4 weisen auf der optional vorgesehenen Bragg-Reflektor-Schicht 3 einen aktiven Schichtstapel 7 mit einer Emissionsschicht 8a und einer lateral eingegrenzten Emissionszone 8 auf, die mindestens einen elektrolumineszierenden pn-Übergang aufweist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der aktive Schichtstapel 7 im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von dotierten und/oder undotierten AlxGayIn;ι.-x-yN-Schichten mit
O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l. Die erfindungsgemäße Struktur eignet sich grundsätzlich aber auch für aktive Schichtstapel auf der Basis einer Mehrzahl von AlxGayInι_x_yP- oder AlxGa!_xAs-Schichten mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l oder einem anderen geeigneten III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleiter . Der Bereich zwischen dem Kontaktelement 9 und der Emissionszone 8 besteht vorzugweise durchweg aus mit Mg und/oder Zn, besonders bevorzugt mit Mg p-dotiertem AlxGayInι_x_yN-Material mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l, dessen schichtparallele Leitfä- higkeit so gering ist, dass bei Stromeinprägung in den Chip die Stromaufweitung im Bereich zwischen Kontaktelement 9 und Emissionszone 8 kleiner als 20 μm ist, insbesondere zwischen 0,lμm und lOμm liegt, so dass die laterale Querschnittsfläche der Emissionszone 8 weitestgehend auf die vertikal proje- zierte Fläche des Kontaktelements 9 begrenzt ist.
Die in der Emissionszone 8 des aktiven Schichtstapels 7 erzeugte Strahlung 11 tritt im wesentlichen in seitlicher Ausbreitungsrichtung durch die Seitenflächen 12 der Strahlungs- auskoppelelemente 4 aus den aktiven Schichtstapeln 7 in das umgebende Medium, wie beispielsweise eine strahlungsdurchlässige Kunststoffumhüllung (nicht dargestellt) , in die der LED- Chip eingebettet ist und die beispielsweise aus Epoxidharz, Silikonharz oder einem anderen geeigneten Reaktionsharz be- steht, aus. In den Zwischenräumen zwischen den Strahlungsaus- koppelelementen 4 kann sich auch geeignetes elektrisch isolierendes und strahlungsdurchlässiges Füllmaterial befinden.
Auf den Oberseiten der Strahlungsauskoppelelemente 4 sind mittig angeordnete Kontaktelemente 9 vorgesehen. Zwischen den Kontaktelementen 9 und den aktiven Schichtstapeln 7 der Strahlungsauskoppelelemente 4 kann zumindest unterhalb der Kontaktelemente 9 zusätzlich auch eine KontaktSchicht (nicht dargestellt) aufgebracht sein. Wie in den Fig. 4 und 5 darge- stellt, sind die einzelnen Kontaktelemente 9 miteinander und mit einem Bondpad 15 auf der Vorderseite des LED-Chips 1 durch elektrisch leitende Stege 14 verbunden. Je nachdem, ob eine punktartige oder eine streifenartige Struktur der Strahlungsauskoppelelemente 4 vorliegt, sind die Kontaktelemente 4 als Kontaktpunkte oder als schmale Kontaktstreifen ausgebildet. Auf der den Strahlungsauskoppelelementen 4 abgewandten Seite des Substrats 2 ist beispielsweise ganzflächig eine Kontaktmetallisierung 10 aufgebracht. Hier kann aber auch eine strukturierte Kontaktmetallisierung aufgebracht werden, die beispielsweise voneinander getrennte Kontaktflächen aufweist, die jeweils einem Strahlungsauskoppelelement 4 zugeordnet sind.
Zwischen den Strahlungsauskoppelelementen 4 ist auf dem Sub- strat 2 bzw. der auf dem Substrat 2 vorgesehenen Bragg-Re- flektor-Schicht 3 vorzugsweise eine reflektierende Schicht 13 aufgebracht, um die aus den Strahlungsauskoppelelementen 4 ausgekoppelte und nach unten auf das Substrat 2 laufende Strahlung 11 zurückzureflektieren. Diese reflektierende Schicht 13 hat auch bei nicht-absorbierenden Substraten 2
Vorteile, da Reflexions- und Transmissionsverluste, die beim Ein- und Austreten in das Substratmaterial auftreten, reduziert werden können.
Die Strahlungsauskoppelelemente 4 können beispielsweise mittels ganzflächigem epitaktischem Aufbringen der Bragg-Reflektor-Schicht 3 und des aktiven Schichtstapels 7 auf das Substrat 2 und nachfolgender Photolithographietechnik und Ätzen hergestellt werden. Alternativ wird zunächst auf die Bragg- Reflektor-Schicht 3 eine Maskenschicht aufgebracht, in die der Struktur der Strahlungsauskoppelelemente 4 entsprechende Öffnungen geätzt werden, in welche anschließend die aktiven Schichten 7 epitaktisch abgeschieden werden. Abschließend wird die Maskenschicht beispielsweise mittels Ätzen wieder entfernt.
Der genaue Aufbau und die Funktionsweise der Strahlungsaus- koppelelemente 4 des erfindungsgemäßen elektrolumineszierenden Bauelements werden nun anhand verschiedener Ausführungs- formen unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2C beschrieben. In dem in Fig. 2A dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Emissionszone 8 in dem aktiven Schichtstapel 7 direkt unterhalb des Kontaktelements 9 vorgesehen. Während die Höhe h des aktiven Schichtstapels 7 üblicherweise vorgegeben ist, wird die Breite b der strukturierten Strahlungsauskoppelelemente 4 erfindungsgemäß möglichst klein gewählt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2A genügt die Breite b des aktiven Schicht- stapeis 7 vorzugsweise der Bedingung
0 < (b+b')/h < 2 cot(θτ)
wobei b' die Breite des Kontaktelements 9, welche wesentlich kleiner als die Breite b des Strahlungsauskoppelelements 4 bemessen ist, und ατ der Grenzwinkel der Totalreflexion für die aus dem aktiven Schichtstapel 7 in das umgebende Medium austretende Strahlung 11 ist. Für GaN beträgt ατ beispielsweise 37°, so dass das Verhältnis (b+b' ) /h möglichst kleiner als 2,65 sein sollte.
In einigen Verbindungshalbleitern, wie beispielsweise in p- dotiertem AlxGayInι-x_yN, ist aufgrund einer geringen Beweglichkeit der Ladungsträger die Stromaufweitung so gering, dass sich die Emissionszone 8 im Wesentlichen nur auf den vertikal projezierten Bereich der Emissionsschicht 8a unterhalb des Kontaktelements 9 erstreckt, d.h. die laterale Ausdehnung und damit auch die Breite der Emissionszone 8 ist, wenn überhaupt, nur unwesentlich größer als die laterale Ausdehnung und damit die Breite b' des Kontaktelements 9. Durch die oben beschriebene Dimensionierung der aktiven Schicht 8 kann ein maximaler Anteil des von der Emissionszone 8 seitlich abgestrahlten Lichts 11 direkt durch die Seitenfläche 12 ausgekoppelt werden. Eine Totalreflexion findet an der Seitenfläche 12 im Wesentlichen nicht statt.
Außerdem wird ein Großteil, d.h. etwa cos (ατ) = 60%, der von der Emissionszone 8 primär erzeugten Strahlung in diesen Winkelbereich abgestrahlt, so dass diese Strahlung direkt, d.h. ohne vorherige Reflexionsprozesse an den oberen und unteren Grenzschichten des aktiven Schichtstapels 7, die immer auch einen Reflexionsverlust bedeuten, und ohne weitere verlustbehaftete Durchgänge durch die Emissionsschicht 8a durch die Seitenfläche 12 in das umgebende Medium ausgekoppelt werden kann. Bei herkömmlichen Systemen wird die in den Emissionszonen erzeugte Strahlung üblicherweise mehrere Male an den Grenzflächen zwischen aktivem Schichtstapel und Substrat bzw. Oberseite des aktiven Schichtstapels und umgebenden Medium reflektiert bevor eine Auskopplung durch die Seitenflächen erfolgt. Außerdem können gemäß der Erfindung nicht-strahlende Verluste durch Oberflächenrekombinationen weitestgehend vermieden werden.
Im Gegensatz zu bekannten Bauelementen, wie beispielsweise dem in der DE 199 11 717 AI offenbarten LED-Chip, wird durch die vorliegende Erfindung ein elektrolumineszierendes Bauelement bereitgestellt, welches ohne zusätzliche Strukturie- rungsmaßnahmen wie die Einführung einer Stromaperturschicht bzw. einer Oxidblende einen höheren externen Wirkungsgrad der
Strahlungsauskopplung erzielt.
Selbst wenn die Dimensionierung der Strahlungsauskoppelelemente 4 nicht innerhalb der oben angegeben Grenzen für die optimale Strahlungsauskopplung liegt, können durch die möglichst klein zu wählende Breite b der Strahlungsauskoppelelemente 4 in jedem Fall Vorteile gegenüber den herkömmlichen Systemen erzielt werden, da zumindest die Anzahl der mit Strahlungsverlusten behafteten Reflexions- und Absorptionsprozesse vor der Auskopplung aus den
Strahlungsauskoppelelementen 4 vermindert wird.
Die gleiche Dimensionierung des Strahlungsauskoppelelements 4 wird bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2C gewählt, bei dem die Emissionszone 8 direkt oberhalb des Substrats 2 bzw. der evtl. vorhandenen Bragg-Reflektor-Schicht 3 vorgesehen ist. Das heißt, auch in diesem Fall sollte die Breite b der Strahlungsauskoppelelemente in dem Bereich
0 < (b+b')/h < 2 cot(ατ)
liegen, um einen Großteil der in der Emissionszone 8 erzeug- ten Strahlung direkt durch die Seitenflächen 12 der Strahlungsauskoppelelemente 4 auszukoppeln.
In Fig. 2B ist ein Strahlungsauskoppelelement 4 dargestellt, bei dem die Emissionszone 8 nicht direkt am oberen oder unteren Rand des aktiven Schichtstapels 7 vorgesehen ist, sondern etwa in der Mitte des aktiven Schichtstapels 7 angeordnet ist. Basierend auf den gleichen Überlegungen wie bei dem in Fig. 2A dargestellten Aufbau des Strahlungsauskoppelelements 4 sollte die Breite b des aktiven Schichtstapels 7 in diesem Fall möglichst der strengeren Bedingung
0 < (b+b')/h < cot (ατ)
genügen, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
Der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Gedanke ist es, bei einer durch den aktiven Schichtstapel 7 vorgegebenen Höhe h die Breite b des aktiven Schichtstapels derart zu beschränken, dass ein möglichst großer Anteil des von der Emis- sionszon 8 seitlich abgestrahlten Lichts direkt durch die Seitenflächen 12 ausgekoppelt werden kann, da der Auftreffwinkel der Strahlung auf die Grenzfläche zum umgebenden Medium kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Der Fachmann wird deshalb ohne weiteres die Obergrenze der optimalen Dimensionierung des Strahlungsauskoppelelements 4 zwischen cot (ατ) und 2cot (ατ) anpassen, wenn die Emissionszone 8 an einer beliebigen Höhenposition des aktiven Schichtstapels 8 zwischen der oberen und der unteren Grenzfläche angeordnet ist. Liegt die Emissionszone 8 im aktiven Schichtstapel 7 nicht direkt unterhalb des Kontaktelements 9 wie in Fig. 2A gezeigt, ist eine konische Strukturierung der Strahlungsauskoppelelemente 4 vorteilhaft, wie sie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist .
Die Seitenflächen 12 der Strahlungsauskoppelelemente 4 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als schräge Ätzflanken ausgebildet, wobei die dem Substrat 2 zugewandte Seite des aktiven Schichtstapels 7 größer als ihre den Kontaktelementen 9 zuge- wandte Seite ist. Im Falle einer punktartigen Struktur der Strahlungsauskoppelelemente 4 führt dies beispielsweise zu einer Struktur in der Form eines Kegelstumpfes.
Die Höhen hx und h2, welche die Lage der Emissionszone 8 in- nerhalb des aktiven Schichtstapels 7 angeben, sind üblicherweise durch die epitaktisch aufgebrachte Schicht 8 vorgegeben und ergeben in Addition die Höhe des Strahlungsauskoppelelements 4 (hι+h.2 = h) . Die Strukturbreite b und der Basiswinkel ß der schrägen Seitenflächen 12 werden dann zur Erzielung ei- ner möglichst optimalen Lichtauskopplung durch die Seitenflächen 12 so angepasst, dass die Winkel- und Seitenverhältnisse vorzugsweise wieder der Bedingung
0 < (b+b' ) /h < cot (ατ)
genügen. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Grenzwinkel ατ der Totalreflexion ausgehend von der lotrechten Verbindung zwischen dem Mittelpunkt der Emissionszone 8 und der Seitenflanke 12 aufzutragen ist.
Anhand der Fig. 4 und 5 werden nun verschiedene Gestaltungs- möglichkeiten des LED-Chips 1 beschreiben. Die Fig. 4A und 4B zeigen dabei in Draufsicht Ausführungsbeispiele mit punktartigen Strukturen der Strahlungsauskoppelelemente, während die Fig. 5A bis 5C in Draufsicht verschiedene Ausführungsbei- spiele mit streifenartigen Strukturen der Strahlungsauskoppelelemente veranschaulichen. Die als Zylinder oder Polyeder ausgebildeten Strahlungsaus- koppelelemente 4 weisen an ihrer Oberseite jeweils mittig einen Kontaktpunkt 9 auf. Diese Kontaktpunkte 9 sind über elek- trisch leitende Stege 14 sowohl untereinander als auch mit einem Bondpad 15 verbunden, das beispielsweise in der Mitte des LED-Chips 1 vorgesehen ist. Die Strahlungsauskoppelelemente 4 sind dabei zum Beispiel auf den Eckpunkten einer (gedachten) hexagonalen Struktur (Fig. 4A) oder rechteckigen Struktur (Fig. 4B) positioniert. In den Fig. 4A und 4B deuten die hellen Kreise jeweils die Oberseiten der Strahlungsaus- koppelelemente mit geraden oder konischen Seitenflächen an.
Im Falle von streifenartigen Strukturen der Strahlungsauskop- pelelemente 4 gehen diese beispielsweise strahlenförmig von einem in der Mitte des LED-Chips 1 angeordneten Bondpad 15 aus und verästeln sich weiter in regelmäßigen geometrischen Formen (Fig. 5A) . Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 5 nur die Kontaktelemente 9 und die entsprechenden Verbindungsstege 14 dargestellt; die streifenartig verlaufenden Strahlungsauskoppelelemente 4, die jeweils unterhalb der elektrischen Verbindungselemente 9, 14 verlaufen, wurden weggelassen.
Alternativ können auch die streifenartig strukturierten
Strahlungsauskoppelelemente 4 in einer rechteckigen Anordnung (Fig. 5B) oder einer hexagonalen Anordnung (Fig. 5C) positioniert werden. Diese Anordnung der Strahlungsauskoppelelemente 4 zeigt Vorteile hinsichtlich der Stromversorgung aller Strahlungsauskoppelelemente 4.

Claims

Schutzansprüche
1. Elektrolumineszierender Körper (1), mit einem Substrat (2) ; mehreren, nebeneinander auf dem Substrat (2) in Abstand angeordneten Strahlungsauskoppelelementen (4) mit einer Breite (b) und einer Höhe (h) , die jeweils einen aktiven Schichtstapel (7) mit einer Emissionszone (8) aufweisen; und einem Kontaktelement (9) auf jedem Strahlungsauskoppelelement (4) , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (9) eine Breite b' aufweisen, die kleiner als die jeweilige Breite b des zugeordneten Strah- lungsauskoppelelements (4) ist; und dass die Breite b der Strahlungsauskoppelelemente (4) bei gegebener Höhe h derart gewählt ist, dass weitestgehend kein von der Emissionszone (8) seitlich abgestrahltes Licht an den Seitenflächen (12) der Strahlungsauskoppel- elemente (4) totalreflektiert wird, sondern dort unmittelbar ausgekoppelt wird.
2. Elektrolumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsauskoppelelemente (4) eine streifenartige Struktur mit der Breite (b) aufweisen.
3. Elektrolumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsauskoppelelemente (4) eine punktartige Struktur aufweisen, deren Durchmesser der Breite (b) entspricht .
4. Elektrolumineszierender Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsauskoppelelemente (4) zylinderförmig oder polyedrisch ausgebildet sind.
5. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (9) auf den Strahlungsauskoppel- elementen (4) miteinander und mit einem Bondpad (15) auf der Vorderseite des Bauelements (1) elektrisch leitend verbunden.
6. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsauskoppelelemente (4) sich in Richtung vom Substrat (2) weg zumindest über einen Teil ihrer Höhe h verjüngen, insbesondere konisch ausgebildet sind und insbesondere jeweils ihre dem Substrat (2) zugewandte
Seite größer als die den Kontaktelementen (9) zugewandte Seite ist.
7. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Strahlungsauskoppelelemente (4) der Bedingung
0 < (b+b')/h < 2 cot (ατ)
genügen, wobei ατ der Grenzwinkel der Totalreflexion für das aus dem aktiven SchichtStapel (7) in das umgebende Medium austretende Licht ist .
8. Elektrolumineszierender Körper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Emissionszone (8) des aktiven Schichtstapels (7) in den Strahlungsauskoppelelementen (4) zwischen der dem Substrat (2) zugewandten Seite und der den Kontaktelementen (9) zugewandten Seite positioniert ist, die Abmessungen der Strahlungsauskoppelelemente (4) der Bedingung
0 < (b+b')/h < cot (ocτ)
genügen, wobei τ der Grenzwinkel der Totalreflexion für das aus dem aktiven Schichtstapel (7) in das umgebende Medium austretende Licht ist.
9. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) zwischen den Strahlungsauskoppelelementen (4) eine reflektierende Schicht (13) vorgesehen ist.
10. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen Kontaktelement (9) und Emissionszone (8) zumindest teilweise aus einem Material besteht, dessen Leitfähigkeit derart gering ist, dass bei vertikaler Einprägung des Betriebsstromes im Bereich zwischen dem Kontaktelement (9) und der Emissionszone (8) im Wesentlichen keine Stromaufweitung oder eine Stromaufweitung von maximal 20 μm erfolgt .
11. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schichtstapel (7) zumindest zwischen Kontaktelement (9) und Emissionszone (8) eine Halbleiterschicht aus AlxGayInι__.x_yN mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l aufweist, deren Querleitfähigkeit derart gering ist, dass bei vertikaler Einprägung des Betriebsstromes im Bereich zwischen dem Kontaktelement (9) und der Emissionszone (8) im Wesentlichen keine Stromaufweitung oder eine Stromaufweitung von maximal 20 μm erfolgt.
12. Elektrolumineszierender Körper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass maximal eine StromaufWeitung zwischen 0,1 μm und 10 μm erfolgt .
13. Elektrolumineszierender Körper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht aus insbesondere mit Mg und/oder Zn p-dotiertem AlxGaylnx-x.yN besteht.
14. Elektrolumineszierender Körper nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schichtstapel (7) insgesamt aus Halbleiterschichten aus AlxGayInι_x-yN mit O≤x≤l, O≤y≤l gefertigt ist .
15. Elektrolumineszierender Körper nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) ein Saphirsubstrat ist.
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