DE10031821A1

DE10031821A1 - LED mit Auskoppelstruktur

Info

Publication number: DE10031821A1
Application number: DE10031821A
Authority: DE
Inventors: Ralph Wirth; Heribert Zull; Norbert Linder
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: CN1211868C; CN1439177A; WO2002003478A1; DE10031821B4; US6661033B2; US20030122145A1; TW502462B; EP1295348A1; JP2004503095A

Abstract

Auf einer Oberseite befindet sich eine strukturierte Auskoppelschicht (6) mit Flanken (16), die zu der Schichtebene in einem Winkel zwischen 60 DEG und 88 DEG 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

Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED mit einer Auskop pelstruktur 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 Stromin jektion. Die Gegenelektrode kann an der Rückseite des Sub strats 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 do tierte Bereiche mit der Unterseite der aktiven Schicht ver bunden ist. Bei oberflächenemittierenden LEDs oder bei kan ten- und oberflächenemittierenden LEDs kann auf der Vorder seite 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 Bre chungsindex von typisch 1,5), tritt bei nicht ausreichend steilem Auftreffen der Strahlung auf die Grenzfläche Totalre flexion auf. Die Strahlung wird im Innern des Halbleitermate rials mehrfach reflektiert und verlässt die LED erst nach ei ner 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 Wahr scheinlichkeit auf den Seitenflächen (Kanten) des Bauelemen tes in einem für einen Austritt aus dem Halbleitermaterial ausreichend steilen Winkel auftrifft.

In der GB 2 326 023 A ist ein strahlungserzeugendes Halblei terbauelement 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 Ober seite 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 er zeugte Strahlung gelangt zur Vorderseite der LED und trifft auf die in dem Halbleiterkörper ausgebildeten schrägen Flan ken 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 abhängi gen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen LED ist auf einer Oberseite eine strukturierte Auskoppelschicht vorhanden. Die seitlichen Rän der der Auskoppelschicht bilden Flanken, die zu der Schicht ebene in einem Winkel zwischen 60° und 88° ausgerichtet sind. Es sind mehrere für den Austritt von Strahlung vorgesehene Auskoppelbereiche der Auskoppelschicht vorhanden, die vonein ander abgesetzt sind. Die Auskoppelbereiche können jeweils im Wesentlichen kreisförmig begrenzt sein und mit ebenen oberen und unteren Grenzflächen der Auskoppelschicht flache Kegel stümpfe bilden. Die strahlungserzeugenden Bereiche der akti ven Schicht sind vorzugsweise auf Bereiche begrenzt, die in einer bezüglich der Schichtebene senkrechten Projektion je weils 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 Auskoppelbereiche 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.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der LED in einer ver einfachten Schnittansicht.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in Aufsicht.

In Fig. 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 elektri sche Leitfähigkeit eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert; das Halbleitermaterial zwischen der aktiven Schicht 4 und dem Rückseitenkontakt 11 ist für elektrische Leitfähigkeit des entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert. Die ak tive Schicht 4 kann undotiert oder mit jedem der beiden Leit fähigkeitstypen 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 Be grenzung 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 leiterkontakt zu erreichen. Gegebenenfalls kann zwischen der Auskoppelschicht 6 und dem jeweiligen Kontakt 7 eine dünne, hoch dotierte Kontaktschicht angeordnet sein.

Die Auskoppelschicht 6 weist mehrere, in dem Beispiel der Fig. 1 acht, voneinander abgesetzte Auskoppelbereiche auf, in denen die Flanken 16 sternförmig gezackt sind, wobei sich die Auskoppelschicht 6 in jedem Zacken taperartig verjüngt. Mit einer derartigen gezackten oder einer geriffelten Struktur wird erreicht, dass ein Strahl in den meisten Fällen nach höchstens einer Totalreflexion auf eine der Flächen der Flan ken in einem ausreichend steilen Winkel auftrifft, um aus dem Halbleitermaterial austreten zu können.

Vorzugsweise wird die Strahlungserzeugung in der aktiven Schicht 4 innerhalb der Auskoppelbereiche oder in einem engen Gebiet um die Auskoppelbereiche begrenzt. Das kann dadurch geschehen, dass die aktive Schicht nur bereichsweise ausge bildet wird, so dass die Strahlung nur in der bezüglich der Schichtebenen senkrechten Projektion der Auskoppelbereiche erzeugt wird. Eine Begrenzung der Strahlungserzeugung ist in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel auch mit einer ganzflä chigen aktiven Schicht 4 dadurch erreicht, dass die für die Strominjektion in die aktive Schicht vorgesehenen Kontakte 7 kleine laterale Abmessungen aufweisen. Außerdem kann die Deckschicht außerhalb der jeweiligen Auskoppelbereiche 60 isolierend (z. B. durch eine geeignete Implantierung) oder intrinsisch leitend ausgebildet sein und nur in den Auskop pelbereichen eine gute Leitfähigkeit aufweisen. Das ist in dem in der Fig. 1 dargestellten Schnitt durch die senkrech ten Striche in dem Streifen, der die Deckschicht 5 darstellt, angedeutet. Dort befindet sich die Grenze der unter der sternförmigen Struktur der Auskoppelschicht 6 vorhandenen Auskoppelbereiche 60.

Eine weitere Möglichkeit der Eingrenzung des Strompfades er gibt sich mit der allerdings nicht notwendig vorhandenen Strombegrenzungsschicht 2. Die Strombegrenzungsschicht 2 weist einen außerhalb der vorgesehenen Grenze 21 des Strom pfades angeordneten Sperrbereich 20 auf, der entweder nicht leitend ausgebildet ist oder für den ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Im letzteren Fall wird zusammen mit der unteren Mantelschicht 3, die für elektrische Leitfähigkeit des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, ein in der Stromrichtung sperrender pn-Übergang gebildet.

Durch die Eingrenzung des Strompfades wird die Strahlungser zeugung auf Bereiche unterhalb der strukturierten Anteile der Auskoppelschicht 6 begrenzt. Als Beispiele wurden hierzu an gegeben a) die seitliche Begrenzung der aktiven Schicht 4, b) die seitliche Begrenzung des auf der Auskoppelschicht ange brachten Kontaktes 7, c) eine außerhalb der Auskoppelbereiche isolierende Schicht und d) ein außerhalb der Auskoppelberei che sperrender pn-Übergang. Als isolierende Schicht kann auch eine strukturierte Oxidschicht ausgebildet sein, die man bei spielsweise durch bereichsweises Oxidieren einer Halbleiter schicht erhält. Andere Mittel zur Strombegrenzung, die bei herkömmlichen Bauelementen an sich bekannt sind, können bei der erfindungsgemäßen LED ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden, um die Strahlungserzeugung auf die Auskoppelbereiche zu beschränken.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das bevorzugt mit ei ner lokalen Eingrenzung der Strahlungserzeugung realisiert wird, in einer Aufsicht. Es sind hier nur vier Auskoppelbe reiche vorgesehen, die mit einem jeweiligen Kontakt 7 verse hen sind, der über eine jeweilige Zuleitung 8 mit der zentra len Anschlussfläche 9 verbunden ist. Der Bereich der Strah lungserzeugung ist auf die mit steilen Flanken 16 versehenen Anteile der Auskoppelschicht 6 begrenzt, indem die aktive Schicht und/oder der Strompfad auf die eingezeichneten Berei che 10 begrenzt ist bzw. sind. Die Auskoppelbereiche sind hier im Wesentlichen kreisförmig, so dass die betreffenden Anteile der Auskoppelschicht Kegelstümpfe bilden. Die Mantel flächen dieser Kegelstümpfe besitzen eine Neigung zwischen 60° und 88° zur Schichtebene.

Die jeweilige Anzahl an Auskoppelbereichen ist nicht festge legt. Es können mehrere Anschlussflächen 9 an einer LED vor handen 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 Fig. 1 dargestellten Struktur mit sich taperartig verjüngen den Zacken an dem Rand der Auskoppelschicht 6 kann eine ähn liche Struktur mit einer aufeinanderfolgend konvexen und kon kaven abgerundeten Ausformung der Flanken vorhanden sein. We sentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist, dass der Winkel, den die Flanke der Auskoppelschicht mit der Schicht ebene bildet, zwischen 60° und 88° liegt und mindestens zwei voneinander abgesetzte Auskoppelbereiche vorhanden sind. Im Übrigen kann die Struktur der LED einem herkömmlichen Bauele ment entsprechen; insbesondere kann statt eines Rückseiten kontaktes ein weiterer Kontakt auf der Oberseite der LED an gebracht sein, der elektrisch leitend mit der Mantelschicht 3 oder einer entsprechenden Schicht verbunden ist.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Strombegrenzungsschicht

3

Mantelschicht

4

aktive Schicht

5

Deckschicht

6

Auskoppelschicht

7

Kontakt

8

Zuleitung

9

Anschlussfläche

10

Ausnehmung

11

Rückseitenkontakt

16

Flanke

20

Sperrbereich

21

Grenze des Strompfades

60

Auskoppelbereich

Claims

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,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Auskoppelschicht (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 Auskoppelbe reichen (60) vorhanden sind, und
der Winkel, den die Flanken mit der Ebene der Auskoppel schicht bilden, stets zwischen 60° 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 seit liche 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 seit liche Begrenzung eines jeweiligen auf der Auskoppelschicht (6) angebrachten Kontaktes (7) auf jeweils einen von minde stens zwei voneinander getrennten Auskoppelbereichen umfas sen.

5. LED nach Anspruch 2, bei der die Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung einen in mindestens zwei voneinander getrennten Bereichen unterbrochenen, 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 unterbro chene 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 verjün gende Zacken aufweisen.