DE10142541A1

DE10142541A1 - Elektrolumineszierender Körper

Info

Publication number: DE10142541A1
Application number: DE2001142541
Authority: DE
Inventors: Werner Spaeth; Ernst Nirschl; Norbert Linder
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: DE10142541B4; DE10142541B9

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 einem 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

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrolumineszierenden Körper, insbesondere einen LED-Chip, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Sie bezieht sich insbesondere auf einen LED-Chip, bei dem ein aktiver Schichtstapel Halbleitermaterialien auf der Basis von Al_xGa_yIn_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ x ≤ 1 und x + y ≤ 1 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 Kontaktierung 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 erzeugte 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 Kontaktelementen bzw. dem Bondpad verloren.
Ein elektrolumineszierendes Bauelement mit verbesserter Lichtauskopplung ist zum Beispiel aus der DE 199 11 717 A1 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 Stromdurchlassöffnung zur Begrenzung der Emissionszone und eine Kontaktschicht nachgeordnet 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 aufgrund 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 Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 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 Schichtstapel mit einer 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 Al_xGa_yIn_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 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 weitestgehend vermieden, da ein maximaler Anteil des zur Seite abgestrahlten Lichts direkt durch die Seitenfläche der Strahlungsauskoppelelemente 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 punktartigen 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_T)

wobei b die Breite der Strahlungsauskoppelelemente, b' die Breite der Kontaktelemente, h die Höhe der Strahlungsauskoppelelemente und α_T der Grenzwinkel der Totalreflexion für das aus des aktiven Schichtstapels in das umgebende Medium austretende Licht ist.
Für den Fall, dass die Emissionszone des aktiven Schichtstapels in den Strahlungsauskoppelelementen zwischen der dem Substrat zugewandten Seite und der den Kontaktelementen zugewandten 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(α_T)

wobei b die Breite der Strahlungsauskoppelelemente, b' die Breite der Kontaktelemente, h die Höhe der Strahlungsauskoppelelemente und α_T 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 wesentlichen 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 Al_xGa_yIn_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 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 Draufsicht eine punktartige Struktur (mit zum Beispiel kreisförmiger, ovaler oder vieleckiger lateraler Querschnittsfläche) oder eine streifenartige Struktur (mit zum Beispiel rechteckiger 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 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 Al_xGa_yIn_1-x-yN-Schichten mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Die erfindungsgemäße Struktur eignet sich grundsätzlich aber auch für aktive Schichtstapel auf der Basis einer Mehrzahl von Al_xGa_yIn_1-x-yP- oder Al_xGa_1-x As-Schichten mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 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 Al_xGa_yIn_1-x-yN-Material mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, dessen schichtparallele Leitfähigkeit 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 0,1 µm und 10 µm liegt, so dass die laterale Querschnittsfläche der Emissionszone 8 weitestgehend auf die vertikal projezierte 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 Strahlungsauskoppelelemente 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 besteht, aus. In den Zwischenräumen zwischen den Strahlungsauskoppelelementen 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 dargestellt, 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 Substrat 2 bzw. der auf dem Substrat 2 vorgesehenen Bragg-Reflektor-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 Strahlungsauskoppelelemente 4 des erfindungsgemäßen elektrolumineszierenden Bauelements werden nun anhand verschiedener Ausführungsformen 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 Schichtstapels 7 vorzugsweise der Bedingung

0 < (b + b')/h < 2 cot(α_T)

wobei b' die Breite des Kontaktelements 9, welche wesentlich kleiner als die Breite b des Strahlungsauskoppelelements 4 bemessen ist, und α_T der Grenzwinkel der Totalreflexion für die aus dem aktiven Schichtstapel 7 in das umgebende Medium austretende Strahlung 11 ist. Für GaN beträgt α_T beispielsweise 37°, so dass das Verhältnis (b + b')/h möglichst kleiner als 2,65 sein sollte.
In einigen Verbindungshalbleitern, wie beispielsweise in p- dotiertem Al_xGa_yIn_1-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 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(α_T) = 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, durch die Seitenfläche 12in 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 A1 offenbarten LED-Chip, wird durch die vorliegende Erfindung ein elektrolumineszierendes Bauelement bereitgestellt, welches ohne zusätzliche Strukturierungsmaßnahmen 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 Reflexionsprozesse 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 (α_T)

liegen, um einen Großteil der in der Emissionszone 8 erzeugten 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(α_T)

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 Emissionszon 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(α_T) und 2cot(α_T) anpassen, wenn die Emissionszone 8 an einer beliebigen Höhenposition in 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 zugewandte Seite ist. Im Falle einer punktartigen Struktur der Strahlungsauskoppelelemente 4 führt dies beispielsweise zu einer Struktur in der Form eines Kegelstumpfes.
Die Höhen h₁ und h₂, welche die Lage der Emissionszone 8 innerhalb des aktiven Schichtstapels 7 angeben, sind üblicherweise durch die epitaktisch aufgebrachte Schicht 8 vorgegeben und ergeben in Addition die Höhe des Strahlungsauskoppelelements 4 (h₁ + h₂ = h). Die Strukturbreite b und der Basiswinkel β der schrägen Seitenflächen 12 werden dann zur Erzielung einer möglichst optimalen Lichtauskopplung durch die Seitenflächen 12 so angepasst, dass die Winkel- und Seitenverhältnisse vorzugsweise wieder der Bedingung

0 < (b + b')/h < cot(α_T)

genügen. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Grenzwinkel αT 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 Gestaltungsmöglichkeiten 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 Ausführungsbeispiele mit streifenartigen Strukturen der Strahlungsauskoppelelemente veranschaulichen.
Die als Zylinder oder Polyeder ausgebildeten Strahlungsauskoppelelemente 4 weisen an ihrer Oberseite jeweils mittig einen Kontaktpunkt 9 auf. Diese Kontaktpunkte 9 sind über elektrisch 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 Strahlungsauskoppelelemente mit geraden oder konischen Seitenflächen an.
Im Falle von streifenartigen Strukturen der Strahlungsauskoppelelemente 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

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 Strahlungsauskoppelelements (4) aufweisen; 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 Strahlungsauskoppelelemente (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 Strahlungsauskoppelelementen (4) miteinander und mit einem Bondpad (15) auf der Vorderseite des Bauelements (1) elektrisch leitend verbunden.

6. Elektrolumineszierender Körper nach einem der vorhergehenden 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 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Strahlungsauskoppelelemente (4) der Bedingung
0 < (b + b')/h < 2 cot(α_T)
genügen, wobei α_T 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(α_T)
genügen, wobei α_T 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 Al_xGa_yIn_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 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 Al_xGa_yIn_1-x-yN besteht.

14. Elektrolumineszierender Körper nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schichtstapel (7) insgesamt aus Halbleiterschichten aus Al_xGa_yIn_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 gefertigt ist.

15. Elektrolumineszierender Körper nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) ein Saphirsubstrat ist.