DE102008012407A1

DE102008012407A1 - Strahlungsemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008012407A1
Application number: DE102008012407A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Sabathil
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-08-06
Also published as: WO2009095007A1; TW200941771A

Abstract

Es wird eine strahlungsemittierende Vorrichtung mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (20) mit einer aktiven Schicht (30) zur Emission einer Primärstrahlung, einer Strahlungsauskoppelfläche (10) auf einer Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (20) zur Auskopplung der Primärstrahlung, einer Spiegelschicht (50) auf einer von der Strahlungsauskoppelfläche (10) abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (20), und einer Wellenlängenkonversionsschicht (100) zwischen der aktiven Schicht (30) und der Spiegelschicht (50), wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (100) zumindest einen Leuchtstoff (70) zur Wellenlängenkonversion der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung aufweist, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (100) zumindest eine Öffnung aufweist, in der ein elektrisches Kontaktelement (90) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (20) angeordnet ist, angegeben.

Description

Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Erfindung betrifft eine strahlungsemittierende Vorrichtung.
Eine Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine strahlungsemittierende Vorrichtung anzugeben, die eine homogenere Abstrahlcharakteristik aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine strahlungsemittierende Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren angegeben. Der Offenbarungsgehalt der Patentansprüche wird hiermit explizit durch Rückbezug in die Beschreibung aufgenommen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine strahlungsemittierende Vorrichtung insbesondere

– eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Emission einer Primärstrahlung,
– eine Strahlungsauskoppelfläche auf einer Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zur Auskopplung der Primärstrahlung,
– eine Spiegelschicht auf einer von der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge, und
– eine Wellenlängenkonversionsschicht zwischen der aktiven Schicht und der Spiegelschicht,

Insbesondere kann es sich bei der strahlungsemittierende Vorrichtung um einen Halbleiterchip und bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip, einen Laserdiodenchip und/oder um einen Fotodiodenchip handeln.
Dabei bedeutet „aktive Schicht" hier und im Folgenden eine Schicht einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, die geeignet und dafür vorgesehen ist, im Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen und zu emittieren.
Die Bezeichnungen „Strahlung", „elektromagnetische Strahlung" und „Licht" bedeuten hier und im Folgenden elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer Wellenlänge beziehungsweise einer spektralen Komponente in einem infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich. Insbesondere kann dabei infrarote, sichtbare und/oder ultraviolette elektromagnetische Strahlung bezeichnet sein.
Die durch die aktive Schicht erzeugte Primärstrahlung kann mit zumindest einem Anteil von 50% in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche abgestrahlt werden, die auf einer Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Dichten der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge und der Umgebungsluft an der Strahlungsauskoppelfläche wird jedoch ein Großteil der Primärstrahlung an der Strahlungsauskoppelfläche in die strahlungsemittierende Vorrichtung zurückreflektiert, sodass bis zu 90% der Primärstrahlung durch den zumindest einen Leuchtstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht in eine Sekundärstrahlung konvertiert werden kann. Die Sekundärstrahlung kann ebenfalls durch die Strahlungsauskoppelfläche der strahlungsemittierenden Vorrichtung ausgekoppelt werden. Demnach wird an der Strahlungsauskoppelfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ein Mischlicht aus nicht-konvertierter Primär- und aus konvertierter Sekundärstrahlung abgestrahlt.
Insbesondere kann die Primärstrahlung beispielsweise einen ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich, insbesondere einen blauen Wellenlängenbereich, aufweisen. Die Sekundärstrahlung kann beispielsweise einen grünen bis roten Wellenlängenbereich, insbesondere einen gelben Wellenlängenbereich, aufweisen. Dadurch kann es etwa möglich sein, dass die strahlungsemittierende Vorrichtung weißfarbiges Mischlicht abstrahlt.
Der Ausdruck "auf" in Bezug auf die Schichtenfolge in der strahlungsemittierenden Vorrichtung bedeutet hier und im Folgenden, dass sich beispielsweise die Strahlungsauskoppelfläche in direktem Kontakt mit der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge befinden kann, oder dass zusätzlich auch noch weitere Schichten zwischen der Strahlungsauskoppelfläche und den epitaktischen Halbleiterschichten vorhanden sein können.
Der Ausdruck „direkter Kontakt" kann dabei hier und im Folgenden zum einen eine mechanische, aber auch eine elektrische Kontaktierung bedeuten. Dabei kann eine elektrische Kontak tierung auch über einen indirekten mechanischen Kontakt erfolgen.
Bei der hier beschriebenen strahlungsemittierenden Vorrichtung ist der zumindest eine Leuchtstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht im Vergleich mit bekannten strahlungsemittierenden Vorrichtungen mit Wellenlängenkonversionsschichten erfindungsgemäß nicht der Strahlungsauskoppelfläche der strahlungsemittierenden Vorrichtung nachgeordnet.
Vielmehr ist der zumindest eine Leuchtstoff in die Wellenlängenkonversionsschicht der strahlungsemittierenden Vorrichtung integriert, sodass die Strahlungsauskoppelfläche frei von Leuchtstoff ist und ermöglicht somit die Strukturierung der Strahlungsauskoppelfläche, beispielsweise durch die Aufbringung von Oberflächenstrukturen. Eine Aufbringung von Oberflächenstrukturen auf die Strahlungsauskoppelfläche bedeutet, dass die Oberflächenstrukturen in unmittelbarer Nähe zur Strahlungsauskoppelfläche angeordnet sein können. Dies ermöglicht einen direkteren Eintritt der an der Strahlungsauskoppelfläche emittierten Strahlung in die Oberflächenstruktur und vermindert mögliche Strahlungsverluste.
Die Wellenlängenkonversionsschicht weist die zumindest eine Öffnung auf, in der das elektrische Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Das elektrische Kontaktelement kann dabei mit der Halbleiterschichtenfolge in direktem oder indirektem elektrischen Kontakt stehen. Desweiteren vermittelt das elektrische Kontaktelement die Injektion von Elektronen oder Löchern in die Halbleiterschichtenfolge auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht. Durch einen weiteren elektrischen Kontakt, wie beispielsweise eine Elektrode, können entgegengesetzt geladenen Ladungsträger, also Löcher beziehungsweise Elektronen, in die Halbleiterschichtenfolge auf der der Strahlungsauskoppelfläche zugewandten Seite der aktiven Schicht injiziert werden. Die von beiden Seiten der aktiven Schicht in die Halbleiterschichtenfolge injizierten Ladungsträger können in der aktiven Schicht unter Emission von Licht rekombinieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Wellenlängenkonversionsschicht der strahlungsemittierenden Vorrichtung auch eine Mehrzahl von Öffnungen aufweisen, in denen jeweils ein elektrisches Kontaktelement angeordnet ist. Die Öffnungen können in einer beliebigen Anordnung in der Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet sein, beispielsweise ist auch eine gerasterte Ausführung denkbar. Bevorzugt wird eine regelmäßige Anordnung der Öffnungen mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement, um eine verbesserte elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge und eine homogenere Ladungsträgerinjektion in die Halbleiterschichtenfolge gewährleisten zu können. Daher können die Öffnungen des Weiteren in Abständen von 20 μm, bevorzugt in Abständen von 10 μm in der Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet werden. Die Öffnungen, in denen jeweils ein elektrisches Kontaktelement angeordnet ist, können bevorzugt ≥ 2% und ≤ 5% der Fläche der strahlungsemittierenden Vorrichtung einnehmen, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Weiterhin können die Öffnungen regelmäßig oder unregelmäßig ausgeformte Querschnitte aufweisen. In einer regelmäßigen Ausführung können die Öffnungen beispielsweise polygonale, kreisförmige oder elliptische Querschnitte aufweisen. Dabei können die Öffnungen gleich oder voneinander verschieden ausgestaltet sein und können weiterhin beispielsweise auch Querschnitte aufweisen, die von einer der genannten Formen in eine andere übergehen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die strahlungsemittierende Vorrichtung weiterhin zumindest eine elektrische Kontaktschicht umfassen, die auf einer der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Oberfläche der Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet ist. Die elektrische Kontaktschicht kann beispielsweise als Bodenelektrode ausgeformt sein, über die eine elektrische Ankontaktierung der strahlungsemittierenden Vorrichtung beispielsweise auf einer Leiterbahn eines Trägerelements wie etwa einer Leiterplatte ermöglicht werden kann.
Weiterhin kann die elektrische Kontaktschicht auch das elektrische Kontaktelement umfassen. Dabei können die elektrische Kontaktschicht und das elektrische Kontaktelement bevorzugt einstückig ausgebildet sein. Im Sinne dieser Ausführungsform kann das elektrische Kontaktelement beispielsweise als Ausläufer der elektrischen Kontaktschicht ausgebildet sein, der sich durch die Wellenlängenkonversionsschicht hindurch zur Halbleiterschichtenfolge erstreckt und so die elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge ermöglicht. Eine weitere Ausgestaltungsform kann auch darin bestehen, dass die Öffnung oder die Öffnungen der Wellenlängenkonversionsschicht beim Aufbringen der elektrischen Kontaktschicht mit der elektrischen Kontaktschicht gefüllt und so mit einem elektrischen Kontaktelement versehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die elektrische Kontaktschicht zumindest ein Metall enthalten, sodass die elektrische Kontaktschicht beispielsweise als Kontaktmetallisierung ausgeführt sein kann. Die elektrische Kontaktschicht kann beispielsweise ein Metall mit einer hohen Reflektivität, etwa Aluminium oder Silber, aufweisen. Dabei kann die elektrische Kontaktschicht auch zusätzlich zur Spiegelschicht als weitere reflektierende Schicht ausgeführt sein. Alternativ kann die Spiegelschicht auch die elektrische Kontaktschicht umfassen, sodass die Spiegelschicht und die elektrische Kontaktschicht einstückig ausgebildet sein können.
Die Spiegelschicht kann geeignet sein, die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche zu reflektieren. Das heißt, dass sowohl konvertierte elektromagnetische Strahlung in Form der Sekundärstrahlung als auch nicht-konvertierte elektromagnetische Strahlung in Form von Primärstrahlung, die die Wellenlängenkonversionsschicht unkonvertiert durchqueren kann, von der Spiegelschicht reflektiert werden kann. Dadurch kann es möglich sein, dass zum einen auf die Spiegelschicht treffende elektromagnetische Primärstrahlung in die Wellenlängenkonversionsschicht zurück reflektiert werden kann, wodurch eine Erhöhung der Konversionswahrscheinlichkeit für den Anteil der Primärstrahlung erreicht werden kann, der die Wellenlängenkonversionsschicht ohne Konversion in Richtung der Spiegelschicht durchqueren konnte. Zum anderen ermöglicht die Spiegelschicht die Reflexion bereits konvertierter Sekundärstrahlung, die vom Leuchtstoff von der Strahlungsauskoppelfläche weggerichtet abgestrahlt wird.
Beispielsweise kann die Spiegelschicht eine dielektrische Schicht umfassen. Damit ein möglichst großer Anteil des Lichtes mittels einer derartig ausgebildeten Spiegelschicht reflektiert werden kann, kann die dielektrische Schicht der Spiegelschicht einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als die Wellenlängenkonversionsschicht. Dadurch kann zumindest ein Teil der Primärstrahlung und Sekundärstrahlung mittels Totalreflexion reflektiert werden. Weiterhin kann die Spiegelschicht einen als Bragg-Spiegel ausgebildeten Schichten stapel mit einer Mehrzahl dielektrischer Schichten umfassen. Damit kann eine nahezu vollständige Auskopplung der Strahlung aus der strahlungsemittierenden Vorrichtung erreicht werden.
Vorzugsweise weist die dielektrische Schicht oder die Mehrzahl der dielektrischen Schichten ein transluzentes oder transparentes Material auf. Beispielsweise können die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder low-k Spin-On Glas aufweisen. Dabei zeichnet sich low-k Spin-On Glas durch einen Brechungsindex von etwa 1.17 aus und kann damit eine Totalreflexion am Übergang von der Wellenlängenkonversionsschicht in die dielektrische Schicht ermöglichen. Des Weiteren kann low-k Spin-On Glas nano-Poren und/oder alternativ auch nano-Säulen als Nanostrukturierungen aufweisen.
Weiterhin kann die Spiegelschicht zusätzlich oder alternativ eine Metallschicht umfassen, die ein Metall mit einer hohen Reflektivität, etwa Aluminium oder Silber, aufweist. Dabei kann, wie oben beschrieben, die Spiegelschicht die elektrische Kontaktschicht umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Spiegelschicht zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht und der elektrischen Kontaktschicht angeordnet sein und weiterhin zumindest eine Öffnung aufweisen, in der das elektrische Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist.
Dabei kann die zumindest eine Öffnung der Spiegelschicht eine Ausgestaltung besitzen, deren Merkmale bereits für die Öffnungen der Wellenlängenkonversionsschicht beschrieben wurden.
Dadurch, dass die Spiegelschicht zumindest eine Öffnung aufweist, kann beispielsweise eine Kontaktierung von der elektrischen Kontaktschicht durch die Spiegelschicht und durch die Wellenlängenkonversionsschicht hindurch zu der Halbleiterschichtenfolge erfolgen, was auch als Durchkontaktierung bezeichnet werden kann. Dabei erfolgt die Stromleitung durch die elektrischen Kontaktelemente, die in den Öffnungen der Wellenlängenkonversionsschicht, aber auch in den Öffnungen der Spiegelschicht angeordnet sind.
Wie bereits im Vorangegangenen erwähnt, wird durch die Spiegelschicht, die zumindest eine dielektrische Schicht und/oder einen Bragg-Spiegel und/oder eine Metallschicht aufweisen kann oder die elektrische Kontaktschicht umfassen kann, eine möglichst effiziente Reflexion der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche angestrebt. Besonders an einer Spiegelschicht mit zumindest einer dielektrischen Schicht, kann eine Totalreflexion herbeigeführt werden, indem für die dielektrische Schicht ein Material mit einem Brechungsindex verwendet wird, der niedriger ist als der Brechungsindex der Wellenlängenkonversionsschicht.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Wellenlängenkonversionsschicht ein dielektrisches Matrixmaterial umfassen, in das der zumindest eine Leuchtstoff zur Wellenlängenkonversion eingebettet ist.
Das dielektrische Matrixmaterial kann transparent sein und den zumindest einen Leuchtstoff umgeben, enthalten oder das an den zumindest einen Leuchtstoff chemisch gebunden ist. Das transparente Matrixmaterial kann beispielsweise Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Ole fine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit aufweisen. Beispielsweise kann das Matrixmaterial ein Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder ein Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus umfassen oder sein.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn das dielektrische Matrixmaterial der Wellenlängenkonversionsschicht einen hohen Brechungsindex aufweist, der dem Brechungsindex des Halbleitermaterials entspricht. Transparente Matrixmaterialien mit einem hohen Brechungsindex wie beispielsweise SiN, TiO₂ oder TaO können deshalb bevorzugt zur Ausbildung der Wellenlängenkonversionsschicht verwendet werden. Bei einem gleichzeitig niedrigen Brechungsindex einer an die Wellenlängenkonversionsschicht angrenzenden dielektrischen Schicht der Spiegelschicht kann an der Grenzfläche zwischen der dielektrischen Schicht der Spiegelschicht und der Wellenlängenkonversionsschicht eine möglichst vollständige Reflexion über eine Totalreflexion der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung erreicht werden.
Geeignete Leuchtstoffe zur Wellenlängenkonversion, wie etwa ein YAG:Ce-Pulver sind zum Beispiel in der Druckschrift WO 98/12757 beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Als weitere Materialien zur Wellenlängenkonversion in der Wellenlängenkonversionsschicht sind nanokristalline Leuchtstoffe denkbar.
Die Wellenlängenkonversionsschicht weist eine Schichtdicke von kleiner oder gleich 2 μm, bevorzugt von kleiner oder gleich 1 μm, auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zwischen der aktiven Schicht und der Wellenlängenkonversionsschicht eine Stromaufweitungsschicht angeordnet sein. Diese elektrisch leitende Schicht kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ zur elektrischen Kontaktschicht in der strahlungsemittierenden Vorrichtung zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein und kann ein transparentes leitendes Oxid (transparent conductive oxides, kurz TCO) als elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Transparente leitende Oxide können Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO) umfassen. Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO3, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
Weiterhin kann die Stromaufweitungsschicht in direktem Kontakt mit dem einen oder der Mehrzahl der elektrischen Kontaktelemente stehen und so die elektrische Versorgung der Halbleiterschichtenfolge durch einen großflächigen elektrischen Kontakt zur Halbleiterschichtenfolge verbessern. Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird die Halbleiterschichtenfolge auf einem Aufwachssubstrat von der Strahlungsauskoppelfläche her epitaktisch aufgewachsen. Das kann bedeuten, dass die Strahlungsauskoppelfläche nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge an das Aufwachssubstrat angrenzt. Auf der Halbleiterschichtenfolge können dann weiterhin die Wellenlängenkonversionsschicht, das zumindest eine elektrische Kontaktelement, sowie gemäß weiteren Ausführungsformen die Stromaufweitungsschicht und/oder die elektrische Kontaktschicht aufgebracht werden. Das Aufwachssubstrat kann nach dem epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge auf der Halbleiterschichtenfolge verbleiben oder abgelöst werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Strahlungsauskoppelfläche eine Oberflächenstruktur aufweisen. Da die Wellenlängenkonversionsschicht mit dem Leuchtstoff auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordnet ist und nicht beispielsweise auf der Strahlungsauskoppelfläche der Halbleiterschichtenfolge, kann die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge direkt mit der Oberflächenstruktur versehen werden.
Zusätzlich kann es zu diesem Zweck nötig sein, die Strahlungsauskoppelfläche von dem oben genannten Aufwachssubstrat zu befreien. Dazu kann das Aufwachssubstrat beispielsweise durch ein Ätzungsverfahren von der Halbleiterschichtenfolge entfernt werden. Auf der freigelegten Strahlungsauskoppelfläche kann die Oberflächenstruktur angeordnet sein, die zum Beispiel Linsen, Filter, Prismen, Aufrauungen oder Kombinationen daraus aufweisen kann.
Eine Aufrauung der Strahlungsauskoppelfläche kann beispielsweise durch eine Oberflächenbehandlung des Halbleitermaterials mit KOH erfolgen. Durch eine Aufrauung können die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung effizient und unter geringen Absorptionsverlusten beispielsweise durch Totalreflexion durch das Material an der Strahlungsauskoppelfläche abgestrahlt werden.
Weiterhin können auf der Strahlungsauskoppelfläche optische Elemente wie beispielsweise photonische Kristalle, Winkelfilter, Richtungsfilter, Polarisationsfilter oder Umlenkoptiken verwendet werden. Dabei werden bevorzugt optische Elemente eingesetzt, die in möglichst geringem Abstand zur Strahlungsauskoppelfläche am Halbleiterchip angeordnet oder befestigt sein können. Des Weiteren werden bevorzugt optische Elemente ausgewählt, die das Mischlicht, was durch die Strahlungsauskoppelfläche mit einem breiten Spektrum abgestrahlt werden kann, gleichmäßig, also ohne oder nur mit geringer Wellenlängen- und/oder Winkelabhängigkeit der abgestrahlten Primärstrahlung und Sekundärstrahlung, verarbeiten können.
Zur Aufbringung der optischen Elemente auf die Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterelementes kann auf die Strahlungsauskoppelfläche eine Glasscheibe aufgebracht werden, auf der das optische Element angeordnet wird. Alternativ dazu kann anstatt einer Glasscheibe Siliziumdioxid auf die Strahlungsauskoppelfläche aufgewachsen werden. Durch anschließendes Planieren der gewachsenen SiO₂-Schicht wird die Oberfläche geglättet und das optische Element kann anschließend aufgedampft werden.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der strahlungsemittierenden Vorrichtung ergeben sich aus den im Folgenden und in Verbindung mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 und 3 schematische Schnittdarstellungen von strahlungsemittierenden Vorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
4A bis 4C schematische Schnittdarstellungen von strahlungsemittierenden Vorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
5A und 5B schematische Schnittdarstellungen von strahlungsemittierenden Vorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
6 eine graphische Darstellung der Abstrahlcharakteristik von Primär- und Sekundärstrahlung in Abhängigkeit vom Brechungsindex des dielektrischen Matrixmaterials.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 20 weist einen Schichtenstapel mit n- und p-leitenden Schichten sowie mit einer aktiven Schicht 30 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 20 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel Halbleiterschichten, die auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basieren.
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge 20 oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge ein Phosphid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mP umfassen, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge auch ein Halbleitermaterial basierend auf AlGaAs oder einem II/VI-Verbindungshalbleitermaterial aufweisen.
Die aktive Schicht 30 ist zwischen der n- und der p-leitenden Schicht der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20 angeordnet und emittiert im Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung eine Primärstrahlung, die einen blauen Wellenlängenbereich umfasst und einen blaufarbigen Leuchteindruck erweckt.
Dabei kann die aktive Schicht 30 einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Mehrfach-Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur um fasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Die Halbleiterschichtenfolge 20 kann neben dem aktiven Bereich 30 weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement- oder Zwischenschichten, Pufferschichten oder Schutzschichten.
Die Halbleiterschichtenfolge 20 kann insbesondere Merkmale eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips aufweisen. Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement, insbesondere dem Trägersubstrat, hingewandten Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ist die Spiegelschicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert,
– der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip weist ein Trägerelement auf, bei dem es sich nicht um das Wachstumssubstrat handelt, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen wurde, sondern um ein separates Trägerelement, das nachträglich an der Halbleiterschichtenfolge befestigt wurde,
– die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm oder weniger auf,
– die Halbleiterschichtenfolge ist frei von einem Aufwachssubstrat. Vorliegend bedeutet "frei von einem Aufwachssubstrat", dass ein gegebenenfalls zum Aufwachsen benutztes Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt oder zumindest stark ausgedünnt ist. Insbesondere ist es derart gedünnt, dass es für sich oder zusammen mit der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge alleine nicht freitragend ist. Der verbleibende Rest des stark gedünnten Aufwachssubstrats ist insbesondere als solches für die Funktion eines Aufwachssubstrates ungeeignet, und
– die Halbleiterschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der Halbleiterschichtenfolge führt, das heißt, sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift 1, Schnitzer et al., Applied Physical Letters 63 (16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176, beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Beispielhaft für Dünnfilm-Leuchtdiodenchips sind in den Druckschriften EP 0905797 A2 und WO 02/13281 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit ebenfalls durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher bei spielsweise gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer, etwa einem Kraftfahrzeugscheinwerfer.
Die Primärstrahlung kann durch eine Strahlungsauskoppelfläche 10 auf einer Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20 ausgekoppelt werden.
An der der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 20 ist eine Wellenlängenkonversionsschicht 100 angeordnet, die einen Leuchtstoff 70 zur Konversion der in der aktiven Schicht 30 erzeugten Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung aufweist. Die Sekundärstrahlung umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel einen gelben Wellenlängenbereich und kann einen gelbfarbigen Leuchteindruck erwecken. Der Leuchtstoff ist in ein dielektrisches, transparentes Matrixmaterial 80, etwa eines der im allgemeinen Teil genannten Materialien, eingebettet. Die Sekundärstrahlung wird zusätzlich zur Primärstrahlung über die Strahlungsauskoppelfläche 10 aus der Halbleiterschichtenfolge 20 ausgekoppelt, so dass bei einem externen Betrachter ein mischfarbiger, insbesondere im gezeigten Ausführungsbeispiel ein weißfarbiger Leuchteindruck aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung entsteht.
Die Wellenlängenkonversionsschicht weist weiterhin eine Öffnung auf, in der ein elektrisches Kontaktelement 90 aus einem Metall, etwa Kupfer, Silber, Aluminium oder einer Mischung oder Legierung daraus, angeordnet ist. Das derart die Wellenlängenkonversionsschicht 100 durchdringende elektrische Kontaktelement 90 dient der elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 20 und steht in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge 20. Weiterhin weist die Halbleiterschichtenfolge 20 auf der dem elektrischen Kontaktelement 90 gegenüberliegenden Seite ein weiteres Kontaktelement beziehungsweise eine weitere Elektrode auf, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Über das elektrische Kontaktelement 90 und die weitere Elektrode können Ladungsträger, also Elektronen und Löcher, in die Halbleiterschichtenfolge 20 und damit in die aktive Schicht 30 injiziert werden, die im aktiven Bereich 30 unter Erzeugung der Primärstrahlung rekombinieren können.
Auf der der Halbleiterschichtenfolge 20 abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht 100 ist eine Spiegelschicht 50 angeordnet, die geeignet ist, zum einen die Sekundärstrahlung zu reflektieren. Zum anderen reflektiert die Spiegelschicht 50 aber auch den Teil der Primärstrahlung, der noch nicht durch den Leuchtstoff 70 konvertiert wurde und ermöglicht so für die Primärstrahlung eine Erhöhung der Konversionswahrscheinlichkeit durch den Leuchtstoff 70 in der Wellenlängenkonversionsschicht 100.
Dazu umfasst die Spiegelschicht 50 im gezeigten Ausführungsbeispiel eine dielektrische Schicht, deren Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des dielektrischen Matrixmaterials 80 der Wellenlängenkonversionsschicht 100, so dass die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung über Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht 100 und der Spiegelschicht 50 reflektiert werden kann.
Die dielektrische Schicht 50 kann auch einen als Bragg-Spiegel ausgebildeten Schichtenstapel umfassen, um die Reflektivität der Spiegelschicht 50 im Vergleich zu einer einzelnen dielektrischen Schicht zu erhöhen. Weiterhin kann die Spiegelschicht 50 alternativ oder zusätzlich eine reflektierende Metallschicht aufweisen.
Weiterhin weist die Spiegelschicht 50 eine Öffnung auf, in der das elektrische Kontaktelement 90 angeordnet ist. Das elektrische Kontaktelement 90 ragt somit durch die Spiegelschicht 50 und die Wellenlängenkonversionsschicht 100 hindurch und ermöglicht so eine elektrische Kontaktierung der der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 20 durch die Spiegelschicht 50 und die Wellenlängenkonversionsschicht 100 hindurch. Daher ist es möglich, die Wellenlängenkonversionsschicht 100, die den Leuchtstoff 70 umfasst, zwischen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20 und der Spiegelschicht 50 anzuordnen und die strahlungsemittierende Vorrichtung beispielsweise als Dünnfilm-Leuchtdiodenchip oder im Flip-Chip-Design auszuführen, wie weiter unten in den 5A und 5B gezeigt ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine strahlungsemittierende Vorrichtung 1 gezeigt, die im Vergleich zur strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Öffnungen in der Wellenlängenkonversionsschicht 100 aufweist, in denen jeweils ein elektrisches Kontaktelement 90 angeordnet ist. Die Mehrzahl der elektrischen Kontaktelemente 90 in der Mehrzahl von Öffnungen in der Wellenlängenkonversionsschicht 100 ermöglicht eine homogene elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 20. Die Mehrzahl der Kontaktelemente 90 sind dabei wie im allgemeinen Teil beschrieben regelmäßig zueinander angeordnet.
Weiterhin weist die strahlungsemittierende Vorrichtung in 2 eine Stromaufweitungsschicht 40 auf, die auf der der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgewandten Seite der aktiven Schicht 30 angeordnet ist. Insbesondere ist die Stromaufweitungsschicht 40 im gezeigten Ausführungsbeispiel auf der der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 20 in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt zu den elektrischen Kontaktelementen 90 angeordnet. Die Stromaufweitungsschicht 40 weist ein transparentes leitfähiges Oxid (transparent conductive Oxide, TCO) wie weiter oben ausgeführt auf und dient einer weiteren Verbesserung der elektrischen Kontaktierung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20 durch ihre stromaufweitenden Eigenschaften.
Als weiteres Element weist die strahlungsemittierende Vorrichtung gemäß 2 im Vergleich zur strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß 1 eine elektrische Kontaktschicht 60 auf, die als Metallschicht ausgeformt ist. Verfügt das Metall der elektrischen Kontaktschicht 60 zusätzlich über reflektierende Eigenschaften, kann die elektrische Kontaktschicht 60 auch zusätzlich zur Spiegelschicht 50 zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften verwendet werden. Die Ausführung der elektrischen Kontaktschicht 60 als weitere reflektierende Schicht bietet den Vorteil einer möglichst vollständigen Reflexion von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung. Die elektrische Kontaktschicht 60 und die elektrischen Kontaktelemente 90 können dabei aus verschiedenen Materialien oder aus demselben Material ausgeführt sein, wobei im letzteren Fall die elektrische Kontaktschicht 60 die elektrischen Kontaktelemente 90 umfassen kann und mit diesen einstückig ausgebildet sein kann.
Weiterhin ermöglicht die elektrische Kontaktschicht 60 eine großflächige thermische und elektrische Ankopplung der strah lungsemittierenden Vorrichtung 1 beispielsweise an eine Leiterplatte. Durch die Integration der Wellenlängenkonversionsschicht 100 zwischen die Halbleiterschichtenfolge 20 und die elektrische Kontaktschicht 60 kann die Wellenlängenkonversionsschicht 100 thermisch sehr gut an die als Wärmesenke dienende elektrische Kontaktschicht 60 angeschlossen werden, wodurch der Wirkungsgrad des Konverters gerade bei hohen Primärstrahlungsleistungen verbessert werden kann.
Die Strahlungsauskoppelfläche 10 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Oberflächenstruktur 11 in Form einer Aufrauung auf, wobei die Aufrauung die Möglichkeit bietet, Totalreflexion an der Strahlungsauskoppelfläche zu verringern, sodass im Vergleich zu einer Strahlungsauskoppelfläche ohne Oberflächenstruktur ein höherer Anteil der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung ausgekoppelt werden kann.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform im Vergleich zu den in den 1 und 2 dargestellten strahlungsemittierenden Vorrichtungen. Im Vergleich mit den vorherigen Ausführungsbeispielen weist die in 3 gezeigte strahlungsemittierende Vorrichtung eine Spiegelschicht 50 auf, die die elektrische Kontaktschicht 60 umfasst. Das bedeutet, dass die hier gezeigte strahlungsemittierende Vorrichtung keine zusätzliche Spiegelschicht 50 zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht 100 und der elektrischen Kontaktschicht 60 aufweist, sondern dass die Spiegelschicht 50 und die elektrische Kontaktschicht 60 einstückig als dieselbe Schicht ausgeführt sind. Die Reflexion der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche 10 kann somit durch die elektrische Kontaktschicht 60 erfolgen, die als Bodenelektrode ausgeformt ist und zumindest ein Metall mit einer reflektierenden Eigenschaft in einer flächigen Ausdehnung ausweist.
Die 4A bis 44C zeigen schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsformen der in 2 dargestellten strahlungsemittierenden Vorrichtung 1 mit optischen Elementen.
4A zeigt einen Richtungsfilter 120, der auf einer Glasplatte 130 angeordnet ist. Die pyramidenartige Struktur dieses optischen Elements ermöglicht die Bündelung und die frontale Abstrahlung der von der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgestrahlten Primärstrahlung und Sekundärstrahlung.
4B zeigt einen Polarisationsfilter 140, der wie der Richtungsfilter 120 der 4A auf einer Glasplatte 130 angeordnet ist. Dieser Polarisationsfilter 140 kann beispielsweise Drähte in Form eines Gitters umfassen, die in einem Abstand von 300–400 nm angeordnet sind.
4C zeigt eine Umlenkoptik 150, die direkt auf der Strahlungsauskoppelfläche 10 der Oberflächenstruktur 11 angeordnet sein kann. Die zur Strahlungsauskoppelfläche 10 geneigte Flanke 151 der Umlenkoptik 150 kann durch Aluminium oder Silber verspiegelt werden und ermöglicht so die seitliche Abstrahlung der von der Strahlungsauskoppelfläche abgestrahlten Primärstrahlung und Sekundärstrahlung über die Fläche 152, wodurch der Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung als so genannte seitenemittierende Leuchtdiode („sideLED"), beispielsweise als flache Display-Einkopplung in Mobiltelefonen, denkbar ist.
Die 5A und 5B zeigen schematische Schnittdarstellungen von strahlungsemittierenden Vorrichtungen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele, die Modifikationen der strahlungsemittierenden Vorrichtung aus 2 darstellen.
Dabei zeigt 5A eine strahlungsemittierende Vorrichtung gemäß der strahlungsemittierenden Vorrichtung aus 2 in einer Ausführung als Dünnfilm-Halbleiterchip. In dieser Ausführung erfolgt die Stromzuführung lateral über die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 20 mit Hilfe eines oberen Kontaktes 160, der hier als Bondpad ausgeformt ist. Der obere Kontakt 160 ist auf der Oberflächenstruktur 11 der Strahlungsauskoppelfläche 10 angeordnet und kann auch beispielsweise in Form von Leiterbahnen strukturiert sein. Werden Goldpartikel wie beispielsweise Titangold oder andere nicht transparente, elektrisch leitfähige Materialien für den oberen Kontakt 160 verwendet, so erfolgt die Aufbringung nur partiell, sodass 5% bis 10% der Fläche der Strahlungsauskoppelfläche 10 mit dem oberen Kontakt 160 bedeckt sind. Alternativ ist auch eine Kontaktierung der strahlungsemittierenden Vorrichtung über elektrisch leitende Schichten denkbar, die eine Bonddraht-freie Kontaktierung ermöglicht.
Die Gegenkontaktierung der Halbleiterschichtenfolge erfolgt über die elektrische Kontaktschicht 60 mittels der elektrischen Kontaktelemente 90 und über die Stromaufweitungsschicht 40.
In dem Bereich des oberen Kontaktes 160 ist auf der der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 20 zwischen zwei elektrischen Kontaktelementen 90 ein elektrisch isolierender Bereich 170 angeordnet. Der elektrisch isolierende Bereich 170 dient der elektrischen Isolierung der Halbleiterschichtenfolge 20 mit der aktiven Schicht 30 von der Stromzuführung durch die Stromauf weitungsschicht 40. Um eine mögliche Absorption von Strahlung durch das Material des oberen Kontaktes 160 und damit verbundene Strahlungsverluste zu vermeiden, ist zwischen der elektrisch isolierenden Schicht 170 und der Halbleiterschichtenfolge 20 keine Stromaufweitungsschicht 40 und keine Wellenlängenkonversionsschicht 100 angeordnet.
5B zeigt eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit, gekennzeichnet durch eine untere Stromzuführung über einen seitlich aufgebrachten ersten Kontakt 180, der beispielsweise ein p-leitender Kontakt sein kann, und über einen seitlich aufgebrachten zweiten Kontakt 190, der beispielsweise ein n-leitender Kontakt sein kann. Der erste Kontakt 180 ist direkt an die elektrische Kontaktschicht 60 angrenzend zur elektrischen Kontaktierung dieser angeordnet. Der zweite Kontakt 190 ist von einem Isolatormaterial 200 umgeben, das den zweiten Kontakt 190 elektrisch von der Stromzuführung durch andere elektrisch leitende Schichten wie etwa den ersten Kontakt 180, die elektrische Kontaktschicht 60 und die Stromaufweitungsschicht 40 trennt. Der zweite Kontakt 190 setzt sich innerhalb der strahlungsemittierenden Vorrichtung von einer der Strahlungsauskoppelfläche 10 abgewandten Oberfläche durch die elektrische Kontaktschicht 60, die Spiegelschicht 50, die Wellenlängenkonversionsschicht 100, die Stromaufweitungsschicht 40 und die aktive Schicht 30 fort. Dabei wird die aktive Schicht 30 durch den zweiten Kontakt 190 durchdrungen.
Im Gegensatz zu der in der 5A dargestellten Ausführungsform kann die Halbleiterschichtenfolge 20 in dieser Ausführungsform von einer Seite der Halbleiterschichtenfolge 20 direkt durch eine Stromzuführung durch den ersten Kontakt 180 und den zweiten Kontakt 190 elektrisch kontaktiert werden.
Die hier gezeigte Kontaktierungsmöglichkeit kann auch als Flip-Chip bezeichnet werden.
Dabei kann der zweite Kontakt 190 beispielsweise durch folgendes Verfahren aufgebracht werden: In eine großflächig aufgebrachte elektrische Kontaktschicht, die dann den ersten Kontakt 180 bildet, wird mit Hilfe eines Ätzverfahrens eine Aushöhlung eingebracht. Die Aushöhlung kann ähnlich den elektrischen Kontaktelementen 90 ausgeformt sein. Die Aushöhlung wird anschließend mit dem Isolatormaterial 200 beschichtet. In die Aushöhlung kann anschließend von unten der zweite Kontakt 190 herangeführt werden. Somit ermöglicht die in der 5B dargestellte Ausführungsform die Aufbringung optischer Elemente, wie zum Beispiel die in den 4A, 4B und 4C dargestellten Oberflächenstrukturen, unmittelbar auf der Strahlungsauskoppelfläche 10.
6 zeigt in einer graphischen Darstellung die Abstrahlcharakteristik von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung in Abhängigkeit vom Brechungsindex des dielektrischen Matrixmaterials 80. Dabei sind das Verhältnis von Sekundärstrahlung zur Primärstrahlung auf der Y-Achse und der Abstrahlwinkel [°] auf der X-Achse dargestellt. Dies ist bei verschiedenen Brechungsindices (A: n = 1.6, B und C: n = 2.4) der Wellenlängenkonversionsschicht 100 bei verschiedene Betriebsarten (A: Betrieb einer freiliegenden strahlungsemittierenden Vorrichtung, B: Betrieb einer unvergossenen strahlungsemittierenden Vorrichtung an Luft und C: Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung im Verguss mit einem transparenten Linsenmaterial aus Epoxydharz) gezeigt.
Der graphischen Darstellung der 6 ist zu entnehmen, dass Sekundärstrahlung und Primärstrahlung zu verhältnismäßig gleichen Anteilen mit einer nahezu homogenen Abstrahlcharakteristik (etwa 1) abgestrahlt werden, wenn der Leuchtstoff 70 mit einem transparenten dielektrischen Matrixmaterial 80 vergossen wird, das einen Brechungsindex aufweist, der in etwa dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (hier GaN, n = 2.5) entspricht (Kurven B und C). Dabei scheint es nahezu ohne Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik zu sein, ob der Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung unvergossen an Luft (Kurve B) oder im Verguss mit einem transparenten Linsenmaterial (Kurve C) erfolgt.
Wie aus 6 ersichtlich ist, können bei den hier beschriebenen strahlungsemittierenden Vorrichtungen durch die Integration der Wellenlängenkonversionsschicht mit dem Leuchtstoff zwischen die Halbleiterschichtenfolge und die Spiegelschicht die Primärstrahlung wie auch die Sekundärstrahlung mit nahezu derselben Winkel-Charakteristik abgestrahlt werden. Diese im Vergleich zum Stand der Technik homogenere Abstrahlcharakteristik von Primärstrahlung und Sekundärstrahlung folgt einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik und kann insbesondere durch den Verguss des Leuchtstoffes mit einem dielektrischen Matrixmaterial erreicht werden, dessen Brechungsindex nahezu gleich dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 98/12757 [0030]
- EP 0905797 A2 [0051]
- WO 02/13281 A1 [0051]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Druckschrift 1, Schnitzer et al., Applied Physical Letters 63 (16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 [0051]

Claims

Strahlungsemittierende Vorrichtung, umfassend – eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (20) mit einer aktiven Schicht (30) zur Emission einer Primärstrahlung, – eine Strahlungsauskoppelfläche (10) auf einer Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20 zur Auskopplung der Primärstrahlung, – eine Spiegelschicht (50) auf einer von der Strahlungsauskoppelfläche (10) abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (20), und – eine Wellenlängenkonversionsschicht (100) zwischen der aktiven Schicht (30) und der Spiegelschicht (50), – wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (100) zumindest einen Leuchtstoff (70) zur Wellenlängenkonversion der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung aufweist, – wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (100) zumindest eine Öffnung aufweist, in der ein elektrisches Kontaktelement (90) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (20) angeordnet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (100) eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, in denen jeweils ein elektrisches Kontaktelement (90) angeordnet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest eine elektrische Kontaktschicht (60), die auf einer der Strahlungsauskoppelfläche (10) abgewandten Oberfläche der Wellenlängenkonversionsschicht (100) angeordnet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrische Kontaktschicht (60) das elektrische Kontaktelement (90) umfasst.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die elektrische Kontaktschicht (60) zumindest ein Metall enthält.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Spiegelschicht (50) die elektrische Kontaktschicht (60) umfasst.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiegelschicht (50) eine Metallschicht umfasst.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spiegelschicht (50) zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht (100) und der elektrischen Kontaktschicht (60) angeordnet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spiegelschicht (50) zumindest eine Öffnung aufweist, in der das elektrische Kontaktelement (90) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (20) angeordnet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Spiegelschicht (50) eine dielektrische Schicht umfasst.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die dielektrische Schicht einen als Bragg-Spiegel ausgebildeten Schichtenstapel umfasst.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die dielektrische Schicht einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die Wellenlängenkonversionsschicht (100).
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (100) ein dielektrisches Matrixmaterial (80) umfasst, in das der Leuchtstoff (70) zur Wellenlängenkonversion eingebettet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stromaufweitungsschicht (40) zwischen der aktiven Schicht (30) und der Wellenlängenkonversionsschicht (100) angeordnet ist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stromaufweitungsschicht (40) in direktem Kontakt mit dem elektrischen Kontaktelement (90) steht.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsauskoppelfläche (10) eine Oberflächenstruktur (11) aufweist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Oberflächenstruktur (11) Linsen, Filter, Prismen oder Aufrauungen aufweist.
Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei die Strahlungsauskoppelfläche photonische Kristalle, Winkelfilter, Richtungsfilter (120), Polarisationsfilter (140) oder Umlenkoptiken (150) aufweist.