DE10162914A1

DE10162914A1 - Lichtemittierendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10162914A1
Application number: DE10162914A
Authority: DE
Inventors: Ralph Wirth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP3895683B2; DE10162914B4; JP2003197959A; US6710374B2; US20030116771A1

Abstract

Bei einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement mit einem Dünnfilmstapel (12) mit einer Vorderseite (16) und einer Rückseite (14), in dem in einer aktiven Schicht (22) eine Photonen emittierende Zone (40) ausgebildet ist, und auf Vorderseite und Rückseite (16, 14) des Dünnfilmstapels (12) ausgebildeten Kontaktstellen (26, 32) zur Stromeinprägung in die aktive Schicht (22) ist die Photonen emittierende Zone (40) von den Kontaktstellen (26, 32) in der Ebene des Dünnfilmstapels (12) räumlich getrennt angeordnet. Dadurch kann die Absorption der Strahlung an den Kontaktstellen minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit einem Dünnfilmstapel mit einer Vorderseite und einer Rückseite, in dem in einer aktiven Schicht eine Photonen emittierende Zone ausgebildet ist, und auf Vorderseite und Rückseite des Dünnfilmstapels ausgebildeten Kontaktstellen zur Stromeinprägung in die aktive Schicht.

Dünnfilm-Leuchtdioden sind als solche beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 905 797 bekannt. Das Dünnfilmprinzip beruht dabei auf internen Vielfachreflexionen, verbunden mit einer internen Streuung der Lichtstrahlen. Dabei bezieht sich die Bezeichnung "dünn" funktionell auf die optische Dicke der Leuchtdiode. Zwischen zwei streuenden Reflexionen soll die Absorption, die ein Lichtstrahl erleidet, möglichst gering sein.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Lichtabsorption in gattungsgemäßen lichtemittierenden Halbleiterbauelementen weiter zu reduzieren und so die externe Effizienz des Bauelements zu steigern.

Diese Aufgabe wird durch das lichtemittierenden Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 20 hervor.

Erfindungsgemäß ist bei einem lichtemittierende Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art die Photonen emittierende Zone von den Kontaktstellen in der Ebene des Dünnfilmstapels räumlich getrennt angeordnet.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, durch die räumliche Trennung der elektrischen Kontaktstellen und der lichterzeugenden Bereiche das in der aktiven Zone erzeugt Licht weitgehend von den Kontaktstellen fernzuhalten. Da die Kontaktstellen mit ihrer typischen Reflektivität von nur etwa 30% wesentlich zur Strahlungsabsorption der in dem Dünnfilmstapel propagierenden Strahlung beitragen, wird dadurch der angestrebte Zweck, die Gesamtabsorption zu reduzieren, erreicht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Photonen emittierende Zone von den Kontaktstellen durch Unterbrechungen der aktiven Schicht räumlich getrennt.

Insbesondere kann der Dünnfilmstapel mit Vorteil in einem Bereich über den Rückseiten-Kontaktstellen Ausnehmungen aufweisen, die die aktive Schicht unterbrechen.

Ebenso kann der Dünnfilmstapel vorteilhaft in einem Bereich um die Oberseiten-Kontaktstellen herum Ausnehmungen aufweisen, die die aktive Schicht unterbrechen.

Durch die Unterbrechung der aktiven Schicht bewirken die Ausnehmungen eine räumliche Trennung der lichterzeugenden Zone von den Kontaktstellen der Ober- oder Rückseite des Dünnfilmstapels.

Bevorzugt weisen die an die Ausnehmungen angrenzenden Bereiche des Dünnfilmstapels zumindest teilweise schräge Flanken zur Lichtstreuung auf. Dadurch können die für die Dünnfilm- Leuchtdiode notwendigen Streuprozesse schon mit dem für die Erzeugung der Ausnehmungen erforderlichen Ätzprozeß ermöglicht werden. Ein zusätzlicher Prozeßschritt kann entfallen.

Die Streuprozesse können jedoch auch auf andere Art eingeführt werden, insbesondere dadurch, daß an der Oberseite des Dünnfilmstapels zumindest in der Photonen emittierenden Zone eine ersten Mantelschicht mit einer aufgerauhten Vorderseite ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann an der Rückseite des Dünnfilmstapels zumindest in der Photonen emittierenden Zone eine zweite Mantelschicht mit einer aufgerauhten Rückseite ausgebildet sein.

Die Photonen emittierende Zone ist zweckmäßig mit den Kontaktstellen über eine Mantelschicht elektrisch verbunden. Dies stellt den elektrischen Kontakt für die Stromeinspeisung in die aktive Schicht sicher. Zugleich ist die Propagation der in der Photonen emittierenden Zone erzeugten Strahlung über die vergleichsweise dünne Mantelschicht gering.

Das Verhältnis des Abstands der Photonen emittierende Zone von der nächsten Kontaktstelle zur Dicke der elektrisch verbindenden Mantelschicht liegt dabei mit Vorteil zwischen einschließlich 1 und einschließlich 20, bevorzugt zwischen einschließlich 1 und einschließlich 10.

Der Anteil der auf der Rückseite des Dünnfilmstapels angebrachten Kontaktstellen nimmt in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Fläche von 2% bis 25%, bevorzugt von 5% bis 15% der gesamten Fläche der Rückseite ein.

Dabei können die auf der Rückseite des Dünnfilmstapels angebrachten Kontaktstellen in Form einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Kontaktpunkte ausgebildet sein.

Die auf der Vorderseite des Dünnfilmstapels angebrachten Kontaktstellen können insbesondere durch eine zentrale Mittelkontaktstelle gebildet sein.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktpunkte der Rückseite auf einem Kreisumfang konzentrisch zur Mittelkontaktstelle der Vorderseite angeordnet.

Die Rückseite des Dünnfilmstapels mit Ausnahme der Fläche der Kontaktstellen ist zweckmäßig mit einer hochreflektiven Spiegelschicht versehen, die beispielsweise aus einem Dielektrikum wie SiN, SiO₂, oder dergleichen und einer Metallisierung wie Au, Ag, Al, oder dergleichen besteht.

Bevorzugt weist der Dünnfilmstapel eine Dicke zwischen 3 µm und 50 µm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 25 µm auf.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Dünnfilmstapel eine Schichtenfolge auf Basis von Al_xGa_yIn_1-x-yP, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und x + y ≤ 1, auf. Das Material der Mantelschichten kann bei dieser Ausgestaltung alternativ aus dem Al_xGa_(1-x)As-Materialsystem stammen. Ebenso ist die erfindungsgemäße Anordnung auch für Dünnfilmstapel insgesamt auf der Basis des Al_xGa_(1-x)As-Materialsystems anwendbar, wie beispielsweise für Infrarot emittierende Lumineszenzdioden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das Halbleiterbauelement von Fig. 1 mit eingezeichneten Rückseiten-Kontaktstellen.
Die in Fig. 1 in schematischer Schnittansicht dargestellte Dünnfilm-Leuchtdiode 10 umfaßt einen Dünnfilmstapel 12, der auf einem mit Metallkontakten 4, 6 versehenen leitfähigen Trägersubstrat 2 angebracht ist. Die elektrische und mechanische Verbindung des Dünnfilmstapels 12 mit dem Trägersubstrat 2 ist in an sich bekannter Weise hergestellt, und wird daher nachfolgend nicht weiter beschrieben.
Der Dünnfilmstapel 12 enthält eine p-dotierte erste Mantelschicht 20, die beispielsweise AlGaInP oder AlGaAs aufweist, eine aktive Schicht 22, die beispielsweise AlGaInP aufweist, und eine n-dotierte zweite Mantelschicht 24, die beispielsweise AlGaInP oder AlGaAs aufweist. Die Leitfähigkeitstypen der ersten und zweiten Mantelschicht können auch vertauscht sein.
Die erste und zweite Mantelschicht 20, 24 und die aktive Schicht 22 können dabei sowohl Einzelschichten sein, als auch aus mehreren Teilschichten, insbesondere vom selben Leitungstyp, aber verschiedener Materialzusammensetzung gebildet sein.
Auf der Vorderseite 16 der zweiten Mantelschicht 24 ist ein zentraler Mittenkontakt 26 angebracht, der im Ausführungsbeispiel den n-Kontakt der Leuchtdiode darstellt und beispielsweise aus einem herkömmlichen hierfür geeigneten metallischen Werkstoff gefertigt sein kann. Die elektrische Kontaktierung der p-Seite erfolgt über die Metallschichten 6 und 4 des leitfähigen Trägersubstrats 2, die beispielsweise wiederum aus herkömmlichen hierfür geeigneten metallischen Werkstoffen gefertigt sein können. Eine p-Kontaktschicht des Dünnfilmstapels weist eine durchgehende Kontaktschicht 30 auf, die mit der auf der Vorderseite des Trägersubstrats 2 angebrachten Metallschicht 4 elektrisch verbunden ist und auch aus einem herkömmlichen geeigneten metallischen Werkstoff gefertigt sein kann.
Die Stromeinspeisung in die aktive Schicht erfolgt jedoch nicht über die gesamte Fläche der Kontaktschicht 30, sondern lediglich an bestimmten einlegierten Kontaktstellen 32. Wie am besten in Fig. 2 zu erkennen, nimmt die Gesamtfläche der einlegierten Kontaktstellen 32 nur einen kleinen Teil der Grundfläche der Leuchtdiode ein. Im Ausführungsbeispiel haben die Kontaktpunkte 32 beispielsweise einen Flächenanteil von 5% der Grundfläche. Andere Anteile im Bereich von etwa 3% bis etwa 15% liefern jedoch auch gute oder sehr gute Ergebnisse.
Der Bereich der Rückseite 14 des Dünnfilmstapels 12, an dem keine Kontaktstellen 32 einlegiert sind, ist mit einem hochreflektiven, nicht einlegierten Spiegel 34 belegt. Dieser kann beispielsweise aus einem Dielektrikum wie SiN, SiO₂ oder dergleichen und einer Metallisierung wie Au, Ag, Al, oder dergleichen bestehen.
Die Kontaktstellen 32 sind auf der Rückseite 14 voneinander beabstandet auf einem Kreisumfang konzentrisch zum Mittenkontakt der Vorderseite 16 angeordnet.
In einem Bereich über den Kontaktstellen 32 ist jeweils die zweite Mantelschicht 24 und die aktive Schicht 22 beispielsweise durch eine Ätzung entfernt, so daß in dem Dünnfilmstapel Ausnehmungen 36 entstehen. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist auch die erste Mantelschicht 20 gedünnt. Dabei muß jedoch darauf geachtet werden, daß die verbleibende Restdicke der Mantelschicht 20 noch groß genug ist, um das spätere Einlegieren der Kontaktstellen 32 zu ermöglichen. Auch muß eine ausreichend hohe Querleitfähigkeit verbleiben um den Strom in die angrenzende, Photonen erzeugende Zone 40 zu leiten. Für das AlGaInP/AlGaAs-Materialsystem hat sich dabei eine verbleibende Restdicke der Mantelschicht 20 von etwa 1 µm als ausreichend herausgestellt.
Durch das Entfernen der zweiten Mantelschicht 24 und der aktiven Schicht 22 über den Kontaktstellen 32 wird eine Lichterzeugung über den Kontaktstellen 32 vermieden. Ein Eindringen des in der Photonen erzeugenden Zone 40 erzeugten Lichts in diese Bereiche ist dann nur noch über die Resthöhe der ersten Mantelschicht 20 möglich, und somit drastisch reduziert. Damit wird auch die unerwünschte Absorption des erzeugten Lichts an den Kontaktstellen 32 signifikant unterdrückt.
In den an die Ausnehmungen 36 angrenzenden Bereichen 40 des Dünnfilmstapels werden in der aktiven Schicht 22 in herkömmlicher Art und Weise Photonen erzeugt, die direkt, oder nach interner Streuung als Nutzstrahlung der Leuchtdiode ausgekoppelt werden.
Um auch die Lichtabsorption an der Vorderseiten-Kontaktstelle 26 zu minimieren, ist durch eine Ätzung der aktiven Schicht 22 und der ersten Mantelschicht 20 eine ringförmige Ausnehmung 38 in den Dünnfilmstapel 12 eingebracht. Dadurch ist die Photonen erzeugende Zone 40 auch von der Kontaktstelle 26 räumlich getrennt.
Ist die zweite Mantelschicht 24 die Mantelschicht mit der höheren Querleitfähigkeit, was im Ausführungsbeispiels wegen der n-Dotierung der zweiten Mantelschicht der Fall ist, und ist diese nicht durchtrennt, so kann eine etwas weitere räumliche Trennung, insbesondere ein Mehrfaches der Dicke der ersten Mantelschicht 20, die als p-dotierte Schicht eine niedrigere Querleitfähigkeit aufweist, genügen, um sicherzustellen, daß das Licht in ausreichendem Abstand zur Kontaktstelle 26 erzeugt wird. Die räumliche Trennung kann in diesem Fall bevorzugt mindestens das 5-fache bis 20-fache der Dicke der ersten Mantelschicht 20 betragen.
Die für die Dünnfilm-Leuchtdiode notwendigen internen Streuprozesse werden im Ausführungsbeispiel durch die schrägen Flanken 42 der Ausnehmungen 36 geliefert. Sie können jedoch alternativ oder zusätzlich auch durch andere Methoden, wie etwa eine aufgerauhte Vorderseite 16 der zweiten Mantelschicht 24, oder eine aufgerauhte Rückseite 14 der ersten Mantelschicht 20 erzeugt werden.

Claims

1. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit
einem Dünnfilmstapel (12) mit einer Vorderseite (16) und einer Rückseite (14), in dem in einer aktiven Schicht (22) eine Photonen emittierende Zone (40) ausgebildet ist, und
auf Vorderseite und Rückseite (16, 14) des Dünnfilmstapels (12) ausgebildeten Kontaktstellen (26, 32) zur Stromeinprägung in die aktive Schicht (22),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Photonen emittierende Zone (40) von den Kontaktstellen (26, 32) in der Ebene des Dünnfilmstapels (12) räumlich getrennt angeordnet ist.

2. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonen emittierende Zone (40) von den Kontaktstellen (26, 32) durch Unterbrechungen (36, 38) der aktiven Schicht (22) räumlich getrennt ist.

3. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmstapel (12) in einem Bereich über den Rückseiten- Kontaktstellen (32) die aktive Schicht (22) unterbrechende Ausnehmungen (36) aufweist.

4. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmstapel (12) in einem Bereich um die Vorderseiten-Kontaktstellen (26) herum eine die aktive Schicht (22) unterbrechende Ausnehmung (38) aufweist.

5. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Ausnehmungen (36, 38) angrenzenden Bereiche (40) des Dünnfilmstapels zumindest teilweise schräge Flanken (42) zur Lichtstreuung aufweisen.

6. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonen emittierende Zone (40) mit den Kontaktstellen (26, 32) über eine Mantelschicht (20, 24) elektrisch verbunden ist.

7. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstands der Photonen emittierende Zone (40) von der nächsten Kontaktstelle (26, 32) zur Dicke der elektrisch verbindenden Mantelschicht (20, 24) zwischen einschließlich 1 und einschließlich 20, bevorzugt zwischen einschließlich 1 und einschließlich 10 liegt.

8. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Rückseite (14) des Dünnfilmstapels (12) angebrachten Kontaktstellen (32) eine Fläche von 2% bis 25%, bevorzugt von 5% bis 15% der gesamten Fläche der Rückseite (14) einnehmen.

9. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Rückseite (14) des Dünnfilmstapels (12) angebrachten Kontaktstellen in Form einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Kontaktpunkte (32) ausgebildet sind.

10. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Vorderseite (16) des Dünnfilmstapels (12) angebrachten Kontaktstellen durch eine zentrale Mittelkontaktstelle (26) gebildet ist.

11. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktpunkte (32) der Rückseite (14) auf einem Kreisumfang konzentrisch zur Mittelkontaktstelle (26) der Vorderseite (16) angeordnet sind.

12. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (14) des Dünnfilmstapels (12) mit Ausnahme der Fläche der Kontaktstellen (32) mit einer hochreflektiven Spiegelschicht (34) versehen ist.

13. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorderseite (16) des Dünnfilmstapels (12) zumindest in der Photonen emittierenden Zone (40) eine ersten Mantelschicht (24) mit einer aufgerauhten Vorderseite ausgebildet ist.

14. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückseite (14) des Dünnfilmstapels (12) zumindest in der Photonen emittierenden Zone (40) eine zweite Mantelschicht (20) mit einer aufgerauhten Rückseite ausgebildet ist.

15. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmstapel (12) eine Dicke zwischen 3 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 25 µm aufweist.

16. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmstapel (12) eine Schichtenfolge auf Basis von Al_xGa_yIn_1-x-yP, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und x + y ≤ 1, aufweist.

17. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmstapel (12) Mantelschichten (20, 24) aufweist, deren Material aus dem Al_xGa_(1-x)As-Materialsystem mit 0 ≤ x ≤ 1 stammt.

18. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Mantelschichten (20, 24) eine aktive Schicht (22) angeordnet ist, deren Material aus dem Materialsystem mit der allgemeinen Formel Al_xGa_yIn_1-x-yP, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und x + y ≤ 1 stammt.

19. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmstapel (12) eine Schichtenfolge auf Basis von Al_xGa_(1-x)As mit 0 ≤ x ≤ 1 aufweist.

20. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Infrarot emittierende Lumineszenzdiode ist.