DE10031821B4

DE10031821B4 - LED mit Auskoppelstruktur

Info

Publication number: DE10031821B4
Application number: DE10031821A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Wirth; Heribert Dr. Zull; Norbert Dr. 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: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: CN1439177A; US6661033B2; DE10031821A1; US20030122145A1; JP2004503095A; TW502462B; EP1295348A1; CN1211868C; WO2002003478A1

Abstract

LED mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (4) zwischen Schichten, die für zueinander entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen elektrisch leitend dotiert sind, und mit zwei Kontakten (7, 11) für einen elektrischen Anschluss, wobei
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 Auskoppelbereichen (60) vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flanken (16) der Auskoppelschicht (6) in den Auskoppelbereichen sternartig angeordnete und sich in der Dicke verjüngende Zacken aufweisen und der Winkel, den die Flanken mit der Ebene der Auskoppelschicht bilden, stets zwischen 60° und 88° liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED mit einer Auskoppelstruktur zur Erhöhung des Wirkungsgrades.
Bei herkömmlichen LEDs erstreckt sich der strahlungserzeugende Bereich in der Regel als aktive Schicht über eine gesamte 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 kanten- und oberflächenemittierenden LEDs kann auf der Vorderseite eine Auskoppelschicht angeordnet sein, die die Lichtauskopplung aus dem Chip verbessert.
Die erzeugte Strahlung soll möglichst direkt aus der LED ausgekoppelt 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 liefert 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 2 326 023 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 A 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 ermöglichen.

In der DE 24 21 590 A1 wird eine optische Halbleiterstrahlungsquelle mit mindestens einem pn-Übergang zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen beschrieben, wobei zur Verminderung von Strahlungsverlusten durch Totalreflexion mindestens eine der beiden Halbleiterbereiche eine hügelige äußere Oberfläche aufweist.

Weiterhin wird in der EP 0 544 512 A1 eine LED offenbart, die zur Erhöhung der Strahlungsausbeute eine verzweigte Struktur an der Oberfläche trägt.

Die Druckschrift WO 00/39860 A1 beschreibt einen nicht kohärenten Emitter, der gerichtete spontane Strahlung mit erhöhter externer Effizienz und Leuchtleistung bei verringertem Divergenzwinkel aussendet.

Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Strahlungsauskopplung aus optoelektronischen Halbleiterbauelementen sind aus den Druckschriften DE 199 11 717 A1 und DE 197 27 233 A1 bekannt.

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 Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen LED ist auf einer Oberseite eine strukturierte Auskoppelschicht vorhanden. Die seitlichen Ränder der Auskoppelschicht bilden Flanken, die zu der Schichtebene in einem Winkel zwischen 60° und 88° ausgerichtet sind. Es sind mehrere für den Austritt von Strahlung vorgesehene Auskoppelbereiche der Auskoppelschicht vorhanden, die voneinander abgesetzt sind. Mit „abgesetzte Bereiche" werden in diesem Zusammenhang verschiedene hinsichtlich der Auskopplung getrennte Bereiche bezeichnet, die jedoch beispielsweise durch Stege verbunden sein können. Weiterhin sind die Flanken der Auskoppelschicht sternartig angeordnet und weisen in der Dicke verjüngende Zacken auf.

Die strahlungserzeugenden Bereiche der aktiven Schicht sind vorzugsweise auf Bereiche begrenzt, die in einer bezüglich der Schichtebene senkrechten Projektion jeweils innerhalb der Begrenzung des betreffenden Auskoppelbereiches liegen.

Es folgt eine genauere Beschreibung der LED anhand des in der Figur dargestellten Beispieles.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der LED in einer vereinfachten Schnittansicht.
In der Figur ist eine LED dargestellt, bei der auf einem Substrat 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 Strominjektion; 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 Leitfähigkeitstyps dotiert. Die aktive Schicht 4 kann undotiert oder mit jedem der beiden Leitfähigkeitstypen dotiert sein. Das Substrat 1 ist z. B. n-leitend 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-Halbleiterkontakt 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 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 Flanken 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 ausgebildet 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 der Figur dargestellten Beispiel auch mit einer ganzflächigen 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 Auskoppelbereichen eine gute Leitfähigkeit aufweisen. Das ist in dem in der Figur dargestellten Schnitt durch die senkrechten 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 ergibt sich mit der allerdings nicht notwendig vorhandenen Strombegrenzungsschicht 2. Die Strombegrenzungsschicht 2 weist einen außerhalb der vorgesehenen Grenze 21 des Strompfades angeordneten Sperrbereich 20 auf, der entweder nichtleitend ausgebildet ist oder für den ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Im letzteren Fall wird zusammen mit der unteren Mantelschicht 3, die für elektrische Leitfähigkeit des zwei ten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, ein in der Stromrichtung sperrender pn-Übergang gebildet.
Durch die Eingrenzung des Strompfades wird die Strahlungserzeugung auf Bereiche unterhalb der strukturierten Anteile der Auskoppelschicht 6 begrenzt. Als Beispiele wurden hierzu angegeben a) die seitliche Begrenzung der aktiven Schicht 4, b) die seitliche Begrenzung des auf der Auskoppelschicht angebrachten Kontaktes 7, c) eine außerhalb der Auskoppelbereiche isolierende Schicht und d) ein außerhalb der Auskoppelbereiche sperrender pn-Übergang. Als isolierende Schicht kann auch eine strukturierte Oxidschicht ausgebildet sein, die man beispielsweise durch bereichsweises Oxidieren einer Halbleiterschicht 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.
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 Strahlungsauskopplung zu erreichen. Statt der im Ausführungsbeispiel der Figur dargestellten Struktur mit sich taperartig verjüngenden Zacken an dem Rand der Auskoppelschicht 6 kann eine ähnliche Struktur mit einer aufeinanderfolgend konvexen und konkaven 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 60° und 88° liegt und mindestens zwei voneinander abgesetzte Auskoppelbereiche 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 an gebracht sein, der elektrisch leitend mit der Mantelschicht 3 oder einer entsprechenden Schicht verbunden ist.

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

LED mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (4) zwischen Schichten, die für zueinander entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen elektrisch leitend dotiert sind, und mit zwei Kontakten (7, 11) für einen elektrischen Anschluss, wobei 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 Auskoppelbereichen (60) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (16) der Auskoppelschicht (6) in den Auskoppelbereichen sternartig angeordnete und sich in der Dicke verjüngende Zacken aufweisen und der Winkel, den die Flanken mit der Ebene der Auskoppelschicht bilden, stets zwischen 60° und 88° liegt.
LED nach Anspruch 1, bei der Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung entsprechend den vorgesehenen Auskoppelbereichen vorhanden sind.
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.
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 abgesetzten Auskoppelbereichen umfassen.
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-Übergang umfassen.
LED nach Anspruch 2, bei der die Mittel zur Begrenzung der Strahlungserzeugung eine in mindestens zwei voneinander getrennten Bereichen unterbrochene elektrisch isolierende Schicht umfassen.