DE102007004304A1

DE102007004304A1 - Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip und Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips

Info

Publication number: DE102007004304A1
Application number: DE102007004304A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Herrmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-07-31
Also published as: EP2132791B1; US20100072500A1; WO2008092774A1; US9142720B2; KR20090111861A; CN101601143B; TWI396299B; CN101601143A; TW200847487A; EP2132791A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip mit einem Schichtenstapel, der eine erste und eine gegenüberliegende zweite Hauptabstrahlfläche aufweist, so dass der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zumindest zwei Hauptabstrahlrichtungen aufweist. Sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Hauptabstrahlfläche sind Maßnahmen vorgesehen zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge erzeugten Lichts. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
In der Offenlegungsschrift DE 100 40 448 A1 ist ein Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips in Dünnschichttechnik beschrieben. Auf einem Substrat wird ein Schichtenverbund aus einer aktiven Schichtenfolge und einer Grundschicht angeordnet. Ferner werden dem Schichtenverbund eine Verstärkungsschicht und eine Hilfsträgerschicht hinzugefügt, die auf galvanischem Weg auf die Grundschicht aufgebracht werden, bevor das Substrat abgelöst wird. Auf der Seite des abgelösten Substrats wird zur Handhabung der aus dem Schichtenverbund gebildeten Halbleiterchips eine Folie auflaminiert.
Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 202 200 258 U1 ist ein Halbleiterchip bekannt, der eine auf einem Substrat aufgewachsene Halbleiterschicht umfasst, die von einem Substrat durch Bestrahlen mit einem gepulsten Laserstrahl getrennt und mit ihrer von dem Substrat abgelösten Seite auf einen Träger aufgebondet ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip mit verbesserter Abstrahlung anzugeben. Außerdem soll ein Verfahren angegeben werden, durch welches in einfacher Weise ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip hergestellt werden kann, der eine gute Lichtabstrahlung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip mit einem Schichtenstapel gelöst, der eine erste und eine gegenüber liegende zweite Hauptabstrahlfläche aufweist, so dass der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zumindest zwei Hauptabstrahlrichtungen aufweist, wobei sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Hauptabstrahlfläche Maßnahmen vorgesehen sind zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge erzeugten Lichts.
Bezüglich eines Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips gelöst, das die Schritte aufweist: Ausbilden einer zur Emission von Licht geeigneten Schichtenfolge, insbesondere aus einem Halbleitermaterial, auf einem Aufwachssubstrat, Ausbilden einer ersten elektrisch leitfähigen Kontaktmaterialschicht auf einer ersten Seite der aktiven Schichtenfolge, Strukturieren der ersten Kontaktmaterialschicht zur Ausbildung einer Kontaktfläche, Verbinden der strukturierten ersten Kontaktmaterialschicht mit einem Träger, Entfernen des Aufwachssubstrats, Ausbilden einer zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktmaterialschicht auf einer zweiten, der ersten Seite der aktiven Schichtenfolge gegenüberliegenden Seite der aktiven Schichtenfolge, Strukturieren der zweiten Kontaktmaterialschicht zur Ausbildung einer Kontaktfläche und Trennen der strukturierten ersten Kontaktmaterialschicht von dem Träger.
Bei dem Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip handelt es sich also um ein Halbleiterbauelement, welches in zwei Hauptabstrahlrichtungen Licht aussendet. Dabei ist die Abstrahlung in beide Hauptabstrahlrichtungen vorzugsweise symmetrisch. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass auf keiner Seite des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips eine Substratschicht vorhanden ist, die Licht absorbieren könnte. Zumindest ist durch die vorzugsweise symmetrische Ausgestaltung des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips sichergestellt, dass die Abstrahleigenschaften in beide Hauptabstrahlrichtungen gleich sind.
Dadurch, dass auf den Hauptabstrahlflächen Maßnahmen vorgesehen sind zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge erzeugten Lichts, wird die Effizienz des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips gesteigert. An den Grenzflächen des Schichtenstapels erfolgt ein Sprung der Brechungsindizes von dem Material des Schichtenstapels einerseits zu dem umgebenden Materials andererseits. Dadurch kommt es zu einer Brechung des Lichts beim Übergang vom Schichtenstapel in die Umgebung. Je nach Winkel, in dem ein Lichtstrahl beziehungsweise ein Photon auf die Grenzfläche auftrifft, kann es zur Totalreflektion kommen. Aufgrund der parallelen Oberflächen des Schichtenstapels trifft der reflektierte Lichtstrahl im gleichen Winkel auf der gegenüber liegenden Grenzfläche auf, so dass auch dort Totalreflektion auftritt. Die Folge ist, dass sich der Lichtstrahl in dem Schichtenstapel tot läuft und somit nichts zur Lichtabstrahlung beitragen kann. Dadurch, dass auf beiden Seiten Maßnahmen vorgesehen sind zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge erzeugten Lichts, wird der Winkel verändert, in dem ein Lichtstrahl auf die Oberfläche auftrifft.
Unter Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung sind vor allem Oberflächenstrukturierungen zu verstehen. Insbesondere kann eine Lichtauskopplung etwa durch eine Mikroprismenstrukturierung oder eine Rauhigkeitserhöhung der Hauptabstrahlflächen ermöglicht werden. Werden, wie in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, Aufrauungen der Oberfläche vorgesehen, ist dadurch eine unregelmäßige Oberfläche gebildet, die die Auskopplung von Licht verbessert. Werden, wie in einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, Auskoppelprismen vorgesehen, so entsteht in dem Bereich der Auskoppelprismen ebenfalls ein anderer Auftreffwinkel eines Lichtstrahls auf eine Grenzfläche als in zu den Auskoppelprismen benachbarten Bereichen der Hauptabstrahlflächen. Folglich ergeben sich in verschiedenen Bereichen der Hauptabstrahlflächen unterschiedliche Lagen der Grenzflächen, was die Auskopplung von Licht verbessert.
Eine weitere Maßnahme ist der Einsatz eines photonischen Kristalls z. B. als Schicht auf den Hauptabstrahlflächen des Schichtenstapels. Dadurch kann bewirkt werden, dass ein Teil der Strahlung, der unter einem Winkel gleich oder größer als dem Grenzwinkel ϑ auf den photonischen Kristall auftrifft, derart umgelenkt wird, dass er unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel ϑ auf eine Strahlungsauskoppelfläche auftrifft und somit auskoppeln kann.
Der photonische Kristall kann neben der optischen Funktion eine elektrische Funktion übernehmen und derart beschaffen sein, dass er zur Stromaufweitung dient, dass heißt der über Kontaktflächen zugeführte Strom wird in dem photonischen Kristall auf eine im Vergleich zu den Kontaktflächen größere Fläche des Schichtenstapels verteilt.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips ist darin zu sehen, dass die Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge erzeugten Lichts auf beiden Oberflächen der Schichtenfolge vorgesehen sind. Denn konventionelle Techniken zur Erzeugung von Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips erlauben es nicht, gleichartig ausge bildete Oberflächen auf zwei Seiten eines Schichtenstapels auszubilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen symmetrischen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip herzustellen, durch das auf beiden Seiten einer Schichtenfolge Kontaktflächen durch strukturierte Kontaktmaterialschichten gebildet werden können sowie die Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung des Lichts realisiert werden können. Während zunächst ein Aufwachssubstrat für die notwendige Stabilität der Schichtenfolge sorgt und so die Kontaktmaterialschichten beziehungsweise später die Kontaktflächen und die Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung von Licht auf der einen Seite realisiert werden können, wird nachfolgend eine temporäre Trägerschicht auf die bereits strukturierte Seite aufgebracht, so dass auf der anderen Seite das Aufwachssubstrat entfernt und die zweite Seite bearbeitet werden kann zur Ausbildung von Kontaktflächen beziehungsweise zur Umsetzung der Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung von Licht auf der zweiten Seite der Schichtenfolge.
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Effizienz des erfindungsgemäßen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips besteht darin, die Kontaktflächen so auszubilden, dass sie auf der zur Schichtenfolge hin gewandten Seite verspiegelt sind. Dadurch wird Licht nicht in den Kontaktflächen absorbiert, sondern reflektiert und auf der gegenüber liegenden Seite abgestrahlt. Da es sich um ein Bauelement handelt, welches in zwei Hauptabstrahlrichtungen Licht aussendet, geht das reflektierte Licht nicht verloren, sondern wird in die entgegen gesetzte Hauptabstrahlrichtung emittiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Chips beziehungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip,
2 eine Draufsicht auf eine der Hauptabstrahlflächen des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips von 1,
3 eine dreidimensionale Ansicht eines Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips mit anders gestalteten Kontaktflächen,
4 eine Anordnung des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips nach 1 oder 3 und transparenten Trägerfolien und
5A bis 5H einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach 1 oder 3 in verschiedenen Phasen der Herstellung.
In der 1 ist ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip gezeigt, welcher auf zwei Hauptabstrahlflächen in zwei Hauptabstrahlrichtungen Licht emittiert.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:

– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d. h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdioden-Chips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.
Bei der Erfindung weist der Schichtenverbund eine aktive Schichtenfolge zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung auf, die vorzugsweise epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen ist. Zur Erstellung einer Mehrzahl von Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips wird ein großflächiger Schichtenverbund in einzelne Schichtenstapel zerteilt. Diese so genannte Vereinzelung kann beispielsweise durch Sägen geschehen. In der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der Aufbau eines einzelnen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips beschrieben beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Chips. Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung auch auf die gemeinsa me Herstellung einer Vielzahl gleichartiger Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips, die später vereinzelt werden.
Bei der beispielhaften Ausgestaltung nach 1 ist eine p-dotierte Halbleiterschicht 11 und eine n-dotierte Halbleiterschicht 12 vorgesehen, die eine lichtemittierende Schichtenfolge bilden. Als Halbleitermaterial ist dabei vorzugsweise ein Nitrid-Verbindungshalbleiter vorgesehen, was bedeutet, dass der aktive Schichtenstapel oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Halbleitermaterials im wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, En, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe, beispielsweise P, ersetzt sein können. Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip, der einen Nitrid-Verbindungshalbleiter aufweist, emittiert hauptsächlich Strahlung mit einer Wellenlänge im kurzwelligen Bereich des sichtbaren optischen Spektrums.
Die weitere Ausbildung des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips ist auf der Oberseite und Unterseite gleichartig, so dass im folgenden nur auf die Oberseite 3 Bezug genommen wird. Die Oberseite 3 bildet eine der Hauptabstrahlflächen, wobei senkrecht zu dieser Fläche die erste Hauptabstrahlrichtung 5 liegt. Im Ausführungsbeispiel nach 1 sind mehrere Maßnahmen entsprechend verschiedener Aspekte der Erfindung umgesetzt. Die einzelnen Maßnahmen können auch in abweichenden Ausführungen der Erfindung separat voneinander realisiert werden.
Eine erste Maßnahme ist die Aufrauung der Oberfläche 3, wobei durch die Aufrauungen 7 eine Verbesserung des Auskoppelverhaltens des in der Schichtenfolge 2 erzeugten Lichts erreicht wird. Das Licht findet im Bereich der Aufrauungen 7 sehr unterschiedliche Austrittswinkel vor, so dass die Wahrscheinlichkeit, nicht in einem zur Totalreflektion führenden Winkel auf die Grenzfläche aufzutreffen, erhöht ist. Diese Aufrauungen werden vorzugsweise durch Ätzen, also in einem nasschemischen Verfahren erzeugt. Kristalle besitzen üblicherweise auf der oberen und unteren Seite unterschiedliche Eigenschaften beim Ätzen, so dass es von Vorteil sein kann, die verschiedenen Seiten mit unterschiedlichen Methoden aufzurauen bzw. zu strukturieren.
Eine weitere Maßnahme ist das Vorsehen von Auskoppelprismen 8, die anstelle der Aufrauungen oder auch in Kombination mit diesen vorgesehen werden können. Durch die Auskoppelprismen wird ebenfalls der Winkel, in dem ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zur Umgebung auftrifft, gegenüber den angrenzenden Bereichen der Oberfläche 3 verändert. Somit besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtstrahl, der in diesen Bereich eindringt, bereits zuvor an einer anderen Stelle der Oberflächen 3 oder 4 reflektiert wurde.
Auskoppelprismen werden fotolithographisch strukturiert. Als Ätzmaske kann eine Schicht z. B. aus SiO₂ oder SiN Verwendung finden. Danach kann eine trockenchemische Ätzung erfolgen.
Eine dritte Maßnahme ist eine Verspiegelung der Unterseiten von Kontaktflächen 9. Die Unterseiten sind dabei diejenigen Seiten der Kontaktflächen, welche zu der aktiven Schichtenfolge 2 weisen. Durch die Verspiegelungen 10 wird in der Schichtenfolge 2 erzeugtes Licht, welches normalerweise auf die Kontaktflächen 9 treffen würde und dort mit verhältnismäßig großer Wahrscheinlichkeit absorbiert wird, durch die Verspiegelung 10 zurück in die Schichtenfolge 2 reflektiert, wobei dieses Licht sodann auf die gegenüberliegende Grenzfläche auftrifft und dort die Schichtenfolge 2 verlassen kann. Mit Verspiegelungen vorgesehene Kontaktflächen 9 bewirken also eine Effizienzsteigerung, da weniger Licht absorbiert wird, sondern ein größerer Anteil des insgesamt erzeugten Lichts in eine der Hauptabstrahlrichtungen 5 oder 6 emittiert wird.
Als Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausgestaltung können die elektrischen Kontakte 9 auf den Auskoppelprismen 8 vorgesehen werden. Ebenso ist ein Versatz der oberen und unteren Kontakte 9 möglich, so dass eine unterschiedliche räumliche Lage entsteht. Dabei bleibt die Abstrahlcharakteristik im wesentlichen symmetrisch.
Der Schichtenstapel 2 mit den Schichten 11 und 12 weist typischerweise eine Höhe kleiner als 20 μm, bevorzugt kleiner als 10 μm auf. In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Schichtenstapel eine Höhe von 7 μm auf. Ein Vorteil der geringen Höhe des Schichtenstapels ist, dass der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip dadurch flexibel ist und eine verringerte Gefahr besteht, dass er durch mechanische Beanspruchung zerstört wird. Dadurch können mit den erfindungsgemäßen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips flexible, leuchtende Folien hergestellt werden.
Der in 1 gezeigte Chip kann mit einer Abdeckschicht versehen werden, um den Chip zu schützen beziehungsweise ihn in eine größere Einheit einzubetten. Die Abdeckschicht kann ein Konvertermaterial enthalten, welches durch Lumineszenz, das von dem Schichtenstapel erzeugte und emittierte Licht ganz oder teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge, die typischerweise längerwellig ist, umwandelt. Leuchtstoffe werden dabei von dem in dem Schichtenstapel erzeugten Licht angeregt, so dass sie selber Strahlung emittieren. Das Konvertermaterial kann wie genannt in die Abdeckschicht integriert sein, es kann aber auch eine zusätzliche Konverterschicht ausgebildet werden.
In der Draufsicht nach 2 ist zu erkennen, dass eine Kontaktfläche rahmenförmig auf der Oberseite 3 der aktiven Schichtenfolge 2 angeordnet ist. Der Vorteil der rahmenförmigen Ausgestaltung ist, dass wenig Fläche verbraucht wird, so dass die für die Lichtemission zur Verfügung stehende Fläche maximiert wird. Gleichzeitig ist aber eine gute Stromverteilung über die Oberfläche des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips gesichert. An einer Ecke des Chips ist eine Bondfläche 20 zu erkennen, die zur späteren Kontaktierung des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips 1 mit Leiterbahnen oder Bonddrähten dient. Die anhand von 1 beschriebenen Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge erzeugten Lichts sind bei dem Chip nach 2 ebenfalls vorgesehen, in der Figur aber nicht zu erkennen.
Die 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips 1. Wie in der 2 sind auch in dieser Figur die Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung von Licht nicht zu erkennen. Im Unterschied zu der Ausführung nach 1 und 2 ist bei der 3 im zentralen Bereich der Oberflächen der Hauptabstrahlflächen eine geschlossene Kontaktfläche 9 vorgesehen. Sie bedeckt ei ne Fläche von nur 10 bis 20 Prozent der Hauptabstrahlflächen, so dass eine ausreichend große Fläche zur Abstrahlung von Licht zur Verfügung steht.
In der 4 ist zu erkennen, wie ein erfindungsgemäßer Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 mit Trägerfolien 13 verbunden werden kann, um so zu einer gebrauchsfertigen Anordnung zu gelangen. Die Trägerfolien 13, zwischen denen der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 aufgenommen ist, sind aus einem transparenten Material, um die Abstrahlung in beide Hauptabstrahlrichtungen zu ermöglichen. Auf den den Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zugewandten Seiten der Trägerschichten 13 können Kontaktbahnen 14 vorgesehen sein, um eine elektrische Kontaktierung des Leuchtdioden-Chips zu ermöglichen. Vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung über Indium-Zinnoxyd(ITO)-Kontakte, so dass kein Metall notwendig ist.
In Abwandlung der Anordnung von 4 kann es von Vorteil sein, wenn die Kontaktflächen des Leuchtdioden-Chips 1 auf einer Seite des Leuchtdioden-Chips 1 liegen. Dann muss nur eine der Trägerfolien 13 mit Kontaktbahnen 14 versehen sein und ein Anschluss der Anordnung ist vereinfacht.
Anhand der 5A bis 5H wird nachfolgend erläutert, welche Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, um einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip herzustellen. In einem ersten Schritt wird auf einem Aufwachssubstrat 15 eine zur Lichtemission geeignete Schichtenfolge mit Schichten 11 und 12 ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen mehrerer unterschiedlicher Schichten, die vorzugsweise einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthalten, auf einem Saphir- oder SiC-Substrat erfolgen.
In der 5B ist ein weiterer Herstellungsschritt dargestellt, bei dem auf die aktive Schichtenfolge mit den Schichten 11 und 12 eine Kontaktmaterialschicht 16 aufgebracht wird. Die Kontaktmaterialschicht 16 ist elektrisch leitfähig. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Herstellung der Kontaktmaterialschicht 16 so erfolgt, dass sich auf der Unterseite eine Verspiegelung bildet, die in der aktiven Schichtenfolge erzeugtes Licht ohne Verluste beziehungsweise mit nur geringen Verlusten reflektiert. Die Verspiegelung wird beispielsweise durch eine Silberschicht oder eine silberhaltige Schicht realisiert.
Die Kontaktmaterialschicht 16 kann auf der Schichtenfolge mit den Schichten 11 und 12 ganzflächig aufgebracht sein. Alternativ kann die Kontaktmaterialschicht 16 partiell an den Stellen, z. B. durch eine Maske, aufgebracht sein, an denen später Kontaktflächen ausgebildet sein sollen.
Bei der Darstellung gemäß 5B ist die Kontaktmaterialschicht 16 ganzflächig aufgebracht.
In dem Herstellungsschritt nach 5C wird die Kontaktmaterialschicht 16 strukturiert, so dass Kontaktflächen 9 stehen bleiben und der Rest der Kontaktmaterialschicht 16 entfernt wird. Gleichzeitig oder in einem nachfolgenden Schritt kann die Oberfläche der Schichtenfolge mit den Schichten 11 und 12 aufgeraut werden, um die Auskopplung von in der aktiven Schichtenfolge erzeugtem Licht zu verbessern. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Aufrauen durchgeführt, bevor die Kontaktmaterialschicht aufgebracht wird. Nach der Strukturierung der Kontaktmaterialschicht ist dann die Aufrauung bereits vorhanden.
In einem weiteren Herstellungsschritt gemäß 5D wird ein Träger 17 auf die Reste der Kontaktmaterialschicht 16 aufgebracht, die nach 5D nur noch aus den Kontaktflächen 9 besteht. Nach dem Aufbringen des Trägers 17 ist die Stabilität der Schichtenfolge mit den Schichten 11 und 12 für die weitere Bearbeitung durch den Träger 17 sichergestellt, so dass das Aufwachssubstrat 15 entfernt werden kann. Der entsprechende Schritt ist in der 5E dargestellt. Das Ablösen des Aufwachssubstrats 15 kann beispielsweise durch ein Laserablöseverfahren erfolgen, wie es beispielsweise aus der WO 98/14986 bekannt ist. Im wesentlichen wird bei einem Laserablöseverfahren durch das Aufwachssubstrat 15 hindurch eine Grenzfläche zwischen dem Aufwachssubstrat 15 und der aktiven Schichtenfolge mit elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, bestrahlt, so dass an der Grenzfläche durch Absorption der Strahlung eine Materialzersetzung stattfindet. Dadurch lassen sich das Aufwachssubstrat 15 und die aktive Schichtenfolge 2 im wesentlichen zerstörungsfrei voneinander trennen. Das Aufwachssubstrat 15 kann sogar wieder verwendet werden. Alternativ kann die Ablösung des Aufwachssubstrats durch Ätzen oder ein sonstiges geeignetes Abhebeverfahren erfolgen.
Um auch auf der anderen Seite eine zur Lichtabstrahlung und gleichzeitig Kontaktierung geeignete Flächenstruktur zu erhalten, wird in einem weiteren Herstellungsschritt gemäß 5F eine zweite Kontaktmaterialschicht 18 auf die andere Seite der aktiven Schichtenfolge 2 aufgebracht. Wie auch bei der ersten Kontaktmaterialschicht 16 wird die zweite Kontaktmaterialschicht 18 nachfolgend strukturiert (5G), so dass Kontaktflächen 9 erhalten werden. Gleichzeitig oder nachfolgend kann eine Aufrauung der unteren Oberfläche erfol gen, um die Auskopplung zu verbessern. Während dieser Bearbeitungsschritte wird die Stabilität wie oben genannt durch den Träger 17 gewährleistet.
Im abschließenden Schritt gemäß 5H wird der Träger 17 entfernt, so dass ein zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehender Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip erhalten wird.
Statt der Aufrauung der Oberflächen können auch Auskoppelprismen oder andere Maßnahmen, die dazu geeignet sind, die Auskopplung von in der aktiven Schichtenfolge 2 erzeugtem Licht zu verbessern, eingesetzt werden.
Sowohl das Aufrauen als auch das Erzeugen von Auskoppelprismen kann durch Ätzen erfolgen, d. h. es werden Strukturen in die bestehende Oberfläche geätzt. In einer anderen, alternativ anzuwendenden Technik erfolgt die Bearbeitung der Oberfläche mit einem Ionenplasma auf trockenchemischem Weg.
Die Trägerfolie 13 kann ein Kunststoffmaterial enthalten. Für die Trägerfolie 13 bevorzugte Materialien sind beispielsweise Glas, ein Epoxidharz, PET, ein Polymer, insbesondere Polyimid, beispielsweise Kapton, oder eine Kombination dieser Materialien.
Darüber hinaus enthält die Trägerfolie bei einer bevorzugten Ausführungsform Kohlefasern. Diese können beispielsweise in einen Polymerfilm eingebettet sein und eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen als der Polymerfilm, so dass sich daraus vorteilhafterweise insgesamt eine haftende und thermisch leitende Trägerschicht ergibt.
Außerdem kann die Trägerschicht ein Glasgewebe, insbesondere ein Silikat, aufweisen. Insbesondere sind auch ITO(Iridium-Zinnoxyd)-beschichtete Glasfolien geeignet.
Für die Kontaktbahnen ist es von Vorteil, wenn leitfähige und gleichzeitig transparente Materialien verwendet werden, was bei so genannten "transparent conductive Oxide" (TCO) der Fall ist. Ein geeignetes Material ist Indium-Zinnoxyd (ITO).
Als untere Grenze für die Dicke der strahlungsemittierenden Schichtenfolge 2 sind nach der Erfindung 6 μm vorgesehen. Die Obergrenze liegt bei ca. 20 μm.
Eine weitere Maßnahme zur Bildung von Auskoppelstrukturen ist das Vorsehen von photonischen Kristallen, z. B. als zusätzliche Schicht auf den Hauptabstrahlflächen 3 und 4 des Schichtenstapels 2. Vorzugsweise umfasst der photonische Kristall eine Mehrzahl von ersten Bereichen mit einem ersten Brechungsindex und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen mit einem zweiten Brechungsindex. Besonders bevorzugt sind die Bereiche regelmäßig angeordnet. Die regelmäßige Anordnung kann einem eindimensionalen, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitter entsprechen. Insbesondere kann der photonische Kristall im Rahmen der Erfindung die Struktur eines zweidimensionalen Gitters aufweisen. Dabei entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Bereichen beziehungsweise zwei benachbarten zweiten Bereichen der Gitterkonstante. Der photonische Kristall erzielt seine Wirkung am besten, wenn die Gitterkonstante an eine Wellenlänge der von dem Halbleiterkörper erzeugten Strahlung angepasst ist. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Bereichen beziehungsweise zwei benachbarten zweiten Bereichen ungefähr der Wellenlänge der von dem Schichtenstapel erzeug ten Strahlung. Besonders bevorzugt liegt der Abstand zwischen 10^–9 m und 10^–6 m.
Neben der beschriebenen Bauform, bei der der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zwischen transparenten Folien aufgenommen wird, kann auch eine Vergussbauform realisiert werden, wobei das beidseitig verwendete Vergussmaterial transparent ist. Ein besonderes Augenmerk muss auf die Wärmedissepation gerichtet werden. Um eine ausreichende Wärmeableitung sicher zu stellen, kann als Trägerfolie 13 ein silbergefüllter Epoxydklebstofffilm verwendet werden, der 80 Prozent Silber und 20 Prozent nicht flüchtiges Epoxydharz enthält. Der silbergefüllte Epoxydklebstoff wird auf den Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 aufgebracht und anschließend auf 80°C bis 90°C erhitzt. Dabei wird der Klebstofffilm leicht aufgeschmolzen, wodurch er eine gute Primärhaftung erhält. Nachfolgend wird der Film bei Temperaturen von ungefähr 150°C ausgehärtet. Die so entstandene Trägerschicht 2 ist elektrisch leitfähig und weist eine Gasübergangstemperatur von 150 bis 155°C auf. Ferner ist die Trägerschicht 13 thermisch und chemisch beständig. Aufgrund der geringen Dicke ist trotzdem eine gewisse Elastizität gegeben. Für die Trägerschicht 13 kann aber insbesondere auch jedes andere Material, vorzugsweise Kunststoffmaterial, verwendet werden, das Eigenschaften aufweist, die den beispielhaft anhand des Epoxydklebstofffilms verdeutlichten Eigenschaften entsprechen.
Weiterhin kann eine allseitige Passivierung des Chips z. B. mit Siliziumdioxyd (SiO₂) vorgesehen werden.
Die Trägerfolie kann entweder insgesamt elektrisch leitend ausgestaltet werden oder es werden nur Leiterbahnen wie in 4 dargestellt realisiert, während die restlichen Bereiche der Trägerfolien 13 nicht leitend sind.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr sind zahlreiche Abwandlungen möglich und von der Erfindung umfasst. Insbesondere sind die verschiedenen Maßnahmen zur Verbesserung der Auskopplung von Licht nicht nur in Verbindung miteinander einsetzbar, sondern auch jeweils für sich genommen allein. Auch sind die Verspiegelungen der Kontaktflächen 9 nicht mit den Aufrauungen beziehungsweise Auskoppelprismen notwendigerweise in Kombination einzusetzen, sondern jede der Maßnahmen kann unabhängig voneinander verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10040448 A1 [0002]
- DE 202200258 U1 [0003]
- WO 98/14986 [0045]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0024]

Claims

Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip (1) mit einem Schichtenstapel (2), der eine erste und eine gegenüberliegende zweite Hauptabstrahlfläche (3, 4) aufweist, so dass der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip (1) zumindest zwei Hauptabstrahlrichtungen (5, 6) aufweist, wobei sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Hauptabstrahlfläche (3, 4) Maßnahmen vorgesehen sind zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge (2) erzeugten Lichts.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Auskopplung des in der Schichtenfolge (2) erzeugten Lichts die Hauptabstrahlflächen (3, 4) der Schichtenfolge (2) zumindest partiell aufgeraut ist.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufrauung (7) in einem nasschemischen oder trockenchemischen Verfahren erzeugt ist.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturgröße der Aufrauungen (7) circa 350 nm beträgt.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Auskopplung des der Schichtenfolge (2) erzeugten Lichts auf den Hauptabstrahlflächen (3, 4) Auskoppelprismen ausgebildet sind.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einer der Hauptabstrahlflächen (3, 4) Kontaktflächen (9) vorgesehen sind zum Anschluss des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Schichtenfolge (2) zugewandten Seite der Kontaktflächen (9) eine Verspiegelung (10) vorgesehen ist.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (9) streifenförmig, insbesondere rahmenförmig ausgestaltet sind zur Stromverteilung auf verschiedene Bereiche der Schichtenfolge (2).
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schichtenfolge (2) zwischen 5 und 15 μm liegt.
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge aneinander angrenzende Schichten (11, 12) aus einem n-dotierten InGaN und einem p-dotierten InGaN aufweist.
Anordnung mit einem Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und transparenten Trägerfolien (13), die jeweils Kontaktbahnen (14) tragen, wobei die Kontaktbahnen (14) jeweils mit Kontaktflächen (9) des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips (1) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbahnen aus Indium-Zinnoxyd sind.
Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips mit den Schritten: – Ausbilden einer zur Emission von Licht geeigneten Schichtenfolge (2) insbesondere aus einem Halbleitermaterial auf einem Aufwachssubstrat (15), – Ausbilden einer ersten elektrisch leitfähigen Kontaktmaterialschicht (16) auf einer ersten Seite der aktiven Schichtenfolge, – Strukturieren der ersten Kontaktmaterialschicht (16) zur Ausbildung einer Kontaktfläche (9), – Verbinden der strukturierten ersten Kontaktmaterialschicht mit einem Träger (17), – Entfernen des Aufwachssubstrats (15), – Ausbilden einer zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktmaterialschicht (18) auf einer zweiten, der ersten Seite der aktiven Schichtenfolge gegenüberliegenden Seite der aktiven Schichtenfolge, – Strukturieren der zweiten Kontaktmaterialschicht (18) zur Ausbildung einer Kontaktfläche (9), – Trennen der strukturierten ersten Kontaktmaterialschicht (16) von dem Träger (17).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten Kontaktmaterialschicht (16) befreiten Bereiche der aktiven Schichtenfolge (2) an ihre Oberflächen (3) aufgeraut werden, insbesondere durch ein nasschemisches Verfahren.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zweiten Kontaktmaterialschicht (18) befreiten Bereiche der aktiven Schichtenfolge (2) an ihrer Oberfläche (4) aufgeraut werden, insbesondere durch ein nasschemisches Verfahren.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach der Strukturierung der ersten und/oder zweiten Kontaktmaterialschicht (16, 18) Auskoppelprismen auf der Oberfläche der aktiven Schichtenfolge gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmaterialschichten (16, 18) derart aufgebracht werden, dass die der aktiven Schichtenfolge zugewandten Seiten verspiegelt sind.