DE102012003638A1

DE102012003638A1 - Leuchtdiode

Info

Publication number: DE102012003638A1
Application number: DE102012003638A
Authority: DE
Inventors: Aleksei Mikhailov
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Limo GmbH
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29
Also published as: WO2013124411A1; JP2015508237A; EP2817833A1; CN104247051A; KR20140133527A; US20150014730A1

Abstract

Leuchtdiode, umfassend einen zumindest teilweise aus Halbleitermaterial bestehenden Körper (1), wobei der Körper (1) eine aktive Schicht (2), in der Licht erzeugt werden kann, sowie mindestens eine Austrittsfläche (3) aufweist, aus der das in der aktiven Schicht (2) erzeugte Licht austreten kann, und wobei in dem Körper (1) eine Mehrzahl von Strukturen (5) vorgesehen ist, an denen zumindest Teile des von der aktiven Schicht (2) ausgehenden Lichts vor dem Auftreffen auf die Austrittsfläche (3) gestreut werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtdiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leuchtdiode.
Eine Leuchtdiode der vorgenannten Art entspricht dem wesentlichen Aufbau der überwiegenden Anzahl der momentan erhältlichen Leuchtdioden. Eine derartige Leuchtdiode gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in 7 abgebildet.
Innerhalb eines zumindest teilweise aus Halbleitermaterialien. bestehenden Körpers 11 ist eine aktive Schicht 12 angeordnet, in der Licht erzeugt wird. In 7 sind beispielhafte Lichtstrahlen 13, 14 dargestellt, die im abgebildeten Bespiel von einem willkürlich herausgegriffenen Bereich der aktiven Schicht 12 ausgehen. Die von der aktiven Schicht 12 ausgehenden Lichtstrahlen 13, 14 gelangen teilweise durch den Körper 11 zu einer als Austrittsfläche 15 dienenden Grenzfläche des Körpers 11. Aus dieser Austrittsfläche treten diejenigen Lichtstrahlen 13 aus, bei denen der Winkel α, unter dem der Lichtstrahl 13 auf die Innenseite dieser Austrittsfläche 15 auftrifft, kleiner oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion des entsprechenden Materials ist. Alle übrigen Lichtstrahlen 14, die unter einem Winkel α größer als dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Austrittsfläche 15 auftreffen, werden von dieser zurück in den Körper 11 reflektiert.
Das hat zur Folge, dass nur ein sehr kleiner Teil des in der aktiven Schicht erzeugten Lichts tatsächlich aus der Austrittsfläche austritt und dass die Leuchtdiode damit nur eine geringe Effektivität aufweist. Um die Effektivität der Leuchtdiode zu erhöhen, schlagen Tsai, Min-An et al. in IEEE photonics technology letters, Vol. 22, No. 1, vom 01.01.2010 vor, die Außenseite der Austrittsfläche mit einer biomimetischen Struktur zu versehen. Diese biomimetische Struktur umfasst eine Vielzahl von annähernd kegelförmigen Erhöhungen mit abgerundeter Spitze. Durch die biomimetische Struktur kann erreicht werden, dass teilweise auch Lichtstrahlen durch die Austrittsfläche hindurchtreten, die sich unter einem vergleichsweise großen Winkel in Richtung auf die Austrittsfläche bewegen. Trotzdem wird ein Großteil des Lichts von der Austrittsfläche in den Körper der Leuchtdiode zurück reflektiert und gelangt erst nach vielen Reflexionen an den übrigen Innenseiten des Körpers wieder in den Bereich der Austrittsfläche. Auch dadurch ergibt sich eine vergleichsweise geringe Effektivität der Leuchtdiode, weil auf den langen Wegen durch den Körper Teile des Lichts absorbiert werden können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Leuchtdiode der eingangs genannten Art, die effektiver ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leuchtdiode angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Leuchtdiode durch eine Leuchtdiode der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 oder des Anspruchs 10 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass in dem Körper eine Mehrzahl von Strukturen vorgesehen ist, an denen zumindest Teile des von der aktiven Schicht ausgehenden Lichts vor dem Auftreffen auf die Austrittsfläche gestreut werden können. Auf diese Weise können unter ungünstigen Winkeln verlaufende Lichtstrahlen schon vor dem Auftreffen auf die Austrittsfläche gestreut werden, so dass ein Anteil dieser Lichtstrahlen aus der Austrittsfläche austreten kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die in dem Körper vorgesehene Mehrzahl von Strukturen in mindestens einer Streuschicht oder mindestens einem streuenden Bereich angeordnet ist. Dadurch kann sich das Licht in einem großen Bereich des Körpers vergleichsweise ungehindert ausbreiten, wobei nur ein definierter Bereich wie beispielsweise eine Schicht oder ein anders geformter Bereich oder mehrere Schichten oder mehrere anders geformte Bereiche zur Streuung der Lichtstrahlen beitragen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Streuschicht parallel zu der aktiven Schicht und/oder zur Austrittsfläche ausgerichtet ist. Ein derartiger Aufbau führt dazu, dass das Licht vergleichsweise gleichmäßig verteilt über die Austrittsfläche austritt.
Insbesondere kann natürlich auch die Austrittsfläche parallel zur aktiven Schicht ausgerichtet sein.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Dicke der mindestens einen Streuschicht zwischen 1 um und 10 μm beträgt.
Es kann vorgesehen sein, dass die in dem Körper vorgesehene Mehrzahl von Strukturen zwischen der aktiven Schicht und der mindestens einen Austrittsfläche angeordnet ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die in dem Körper vorgesehene Mehrzahl von Strukturen auf der von der mindestens einen Austrittsfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordnet ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die in dem Körper vorgesehenen Strukturen sowohl zwischen der aktiven Schicht und der mindestens einen Austrittsfläche, als auch auf der von der mindestens einen Austrittsfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordnet sind.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Größe der einzelnen Strukturen zwischen 1 μm und 10 μm beträgt.
Gemäß Anspruch 8 ist das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Der Körper der Leuchtdiode wird mittels eines Epitaxieverfahrens hergestellt;
– nach der Herstellung des Körpers wird dieser mit Laserlicht bestrahlt, um in dem Körper eine Mehrzahl von Strukturen zu erzeugen.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist es, dass die Leuchtdiode mit Standard-Herstellungs-Verfahren gefertigt werden kann, die nicht modifiziert werden müssen, um die Strukturen zu erzeugen. Diese können vielmehr in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt erzeugt werden, wobei dabei der Ort, die Größe und die Anzahl der Strukturen durch Einstellung optischer Parameter vergleichsweise frei gewählt werden können.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Laserlicht so fokussiert wird, dass die Brennebene oder Fokusebene im Inneren des Körpers angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Austrittsfläche durch die zur Erzeugung der Strukturen verwendete Laserstrahlung nicht beschädigt. Weiterhin kann die Brennebene oder Fokusebene derart im Inneren des Körpers positioniert werden, dass auch die aktive Schicht durch die zur Erzeugung der Strukturen verwendete Laserstrahlung nicht beschädigt wird.
Gemäß Anspruch 10 ist das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Der Körper der Leuchtdiode wird mittels eines Epitaxieverfahrens hergestellt;
– während der Durchführung des Epitaxieverfahrens wird eine Mehrzahl von Strukturen in dem Körper der Leuchtdiode erzeugt.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist die Erzeugung der Strukturen während des Herstellungsprozesses der Leuchtdiode, so dass keine nachträglichen Verfahrensschritte durchgeführt werden müssen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode;
2 einen beispielhaften Strahlengang in der Leuchtdiode gemäß 1;
3 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode;
4 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode;
5 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode;
6 eine schematische Schnittansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode;
7 eine schematische Schnittansicht einer Leuchtdiode gemäß dem Stand der Technik.
In den Figuren werden gleiche oder funktional gleiche Teile oder Lichtstrahlen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die schematische Abbildungen gemäß 1 bis 6 zeigen eine Leuchtdiode mit einem Körper 1, der zumindest teilweise aus Halbleitermaterialien besteht. Der Körper 1 weist insbesondere die Form eines Quaders auf. Innerhalb des Körpers 1 ist eine aktive Schicht 2 angeordnet, in der Licht erzeugt wird. Der Körper 1 umfasst weiterhin eine Austrittsfläche 3, die im abgebildeten Ausführungsbeispiel die obere Fläche des quaderförmigen Körpers 1 ist. Insbesondere ist die aktive Schicht 2 parallel und beabstandet zu der Austrittsfläche 3 angeordnet.
In 5 ist beispielhaft unter dem Körper 1 ein Substrat 10 abgebildet, das beispielsweise aus Saphir bestehen kann. Ein derartiges Substrat ist optional, kann aber auch bei den übrigen Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4 und 6 vorgesehen werden.
Der Körper 1 gemäß 1 umfasst weiterhin eine Streuschicht 4, in der eine Mehrzahl von Strukturen 5 vorgesehen ist, an denen zumindest Teile des von der aktiven Schicht 2 ausgehenden Lichts vor dem Auftreffen auf die Austrittsfläche 3 gestreut werden können. Die Streuschicht 4 ist in dem in 1 und 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel auf der von der Austrittsfläche 3 abgewandten Seite der aktiven Schicht 2 beabstandet zu dieser angeordnet. Die Dicke der Streuschicht 4 kann beispielsweise zwischen 1 μm und 10 μm betragen.
Die Streuschicht 4 ist in den abgebildeten Ausführungsbeispielen parallel zur aktiven Schicht 2 ausgerichtet. Es besteht aber durchaus auch die Möglichkeit, dass die Streuschicht 4 unter einem Winkel ungleich 0° zur aktiven Schicht 2 ausgerichtet ist.
In 2 ist beispielhaft ein Lichtstrahl 6 eingezeichnet, der von der aktiven Schicht 2 nach unten beziehungsweise in eine Richtung verläuft, die von der Austrittsfläche 3 abgewandt ist. 2 zeigt, dass der Lichtstrahl 6 an den Strukturen 5 zumindest teilweise so gestreut werden kann, dass von diesen Strukturen 5 Lichtstrahlen 7 beziehungsweise Teilstrahlen nach oben zur Austrittsfläche 3 verlaufen und dabei zumindest teilweise unter Winkeln auf die Innenseite der Austrittsfläche 3 auftreffen, die kleiner oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion des entsprechenden Materials sind. In 2 sind drei Lichtstrahlen 7 eingezeichnet, für dies der Fall ist und die daher durch die Austrittsfläche 3 austreten.
Die Größe der einzelnen Strukturen kann zwischen 1 μm und 10 μm betragen. Insbesondere können die Strukturen durch Fehlstellen und Gitterbaufehler gebildet sein.
3 zeigt, dass anstelle einer auf der von der Austrittsfläche 3 abgewandten Seite der aktiven Schicht 2 beabstandet zu dieser angeordneten Streuschicht eine Streuschicht 8 mit streuenden Strukturen 5 zwischen der aktiven Schicht 2 und der Austrittsfläche 3 angeordnet ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 verdeutlicht, dass sowohl auf der von der Austrittsfläche 3 abgewandten Seite der aktiven Schicht 2 beabstandet zu dieser eine Streuschicht 4, als auch zwischen der aktiven Schicht 2 und der Austrittsfläche 3 eine Streuschicht 8 angeordnet sein.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass jeweils mehrere voneinander beabstandete Streuschichten auf der von der Austrittsfläche 3 abgewandten Seite der aktiven Schicht 2 und/oder zwischen der aktiven Schicht 2 und der Austrittsfläche 3 angeordnet sind.
In 5 sind beispielhaft zwei Elektroden 9 eingezeichnet, die die Leuchtdiode mit Spannung beaufschlagen. Bei den übrigen Ausführungsformen können ähnlich ausgebildete oder positionierte Elektroden 9 oder aber auch anders ausgebildete oder positionierte Elektroden vorgesehen sein.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist ersichtlich, dass die aktive Schicht 2 in vertikaler Richtung auf einer Höhe angeordnet ist, die zwischen den beiden Elektroden 9 liegt. Dagegen ist die Streuschicht 4 in einem Bereich angeordnet, der in vertikaler Richtung nicht zwischen den beiden Elektroden liegt, so dass durch die Streuschicht kein Strom fließt.
Anstelle einer Streuschicht 4 mit streuenden Strukturen 5 können auch andere streuende Bereiche, wie zylindrische, streifenförmige, linsenförmige oder anders geformte Bereiche mit streuenden Strukturen 5 versehen werden. 6 zeigt anstelle einer Streuschicht einige andere Formen von streuenden Bereichen mit streuenden Strukturen 5.
Es besteht die Möglichkeit, eine erfindungsgemäße Leuchtdiode dadurch zu produzieren, dass der Körper 1 der Leuchtdiode mittels eines Epitaxieverfahrens ohne Streuschicht 4, 8 beziehungsweise ohne streuende Strukturen 5 hergestellt wird. Anschließend oder zu einem späteren Zeitpunkt kann dann der Körper 1 mit Laserstrahlung beaufschlagt werden, um in dem Körper 1 eine Mehrzahl von Strukturen 5 zu erzeugen.
Es kann dabei ein Hochleistungslaser verwendet werden, der beispielsweise als Femtosekunden-Laser ausgeführt sein kann. Die Laserstrahlung dieses Lasers kann mit geeigneten Mikrooptiken geformt, insbesondere homogenisiert und fokussiert werden. Beispielsweise kann dabei eine linienförmige Intensitätsverteilung erzeugt werden, die in einer Richtung senkrecht zur Linienerstreckung gescannt beziehungsweise bewegt werden kann, so dass dadurch der Fokus beziehungsweise der Bereich größter Intensität eine Fläche überstreicht.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Laserlicht so fokussiert wird, dass diese Fokusebene im Inneren des Körpers 1 angeordnet ist oder durch Scannen entsteht. Auf diese Weise wird die Austrittsfläche 3 durch die zur Erzeugung der Strukturen 5 verwendete Laserstrahlung nicht beschädigt. Weiterhin kann die Fokusebene derart im Inneren des Körpers 1 positioniert werden, dass auch die aktive Schicht 2 durch die zur Erzeugung der Strukturen 5 verwendete Laserstrahlung nicht beschädigt wird.
Insbesondere kann die zur Erzeugung der Strukturen 5 verwendete Laserstrahlung die vorgenannten Fehlstellen und Gitterbaufehler erzeugen. Zur Erzeugung der streuenden Strukturen kann die Laserstrahlung eine Leistung pro Fläche aufweisen, die größer oder kleiner als diejenige Leistung ist, die einer typischen Bruchbelastung des Materials des Körpers 1 entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Tsai, Min-An et al. in IEEE photonics technology letters, Vol. 22, No. 1, vom 01.01.2010 [0004]

Claims

Leuchtdiode, umfassend einen zumindest teilweise aus Halbleitermaterial bestehenden Körper (1), wobei der Körper (1) eine aktive Schicht (2), in der Licht erzeugt werden kann, sowie mindestens eine Austrittsfläche (3) aufweist, aus der das in der aktiven Schicht (2) erzeugte Licht austreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Körper (1) eine Mehrzahl von Strukturen (5) vorgesehen ist, an denen zumindest Teile des von der aktiven Schicht (2) ausgehenden Lichts vor dem Auftreffen auf die Austrittsfläche (3) gestreut werden können.
Leuchtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Körper (1) vorgesehene Mehrzahl von Strukturen (5) in mindestens einer Streuschicht (4, 8) oder mindestens einem streuenden Bereich angeordnet ist.
Leuchtdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Streuschicht (4, 8) parallel zu der aktiven Schicht (2) und/oder zur Austrittsfläche (3) ausgerichtet ist.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mindestens einen Streuschicht (4, 8) zwischen 1 μm und 10 μm beträgt.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Körper (1) vorgesehene Mehrzahl von Strukturen (5) zwischen der aktiven Schicht (2) und der mindestens einen Austrittsfläche (3) angeordnet ist.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Körper (1) vorgesehene Mehrzahl von Strukturen (5) auf der von der mindestens einen Austrittsfläche (3) abgewandten Seite der aktiven Schicht (2) angeordnet ist.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der einzelnen Strukturen (5) zwischen 1 μm und 10 μm beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Der Körper (1) der Leuchtdiode wird mittels eines Epitaxieverfahrens hergestellt; – nach der Herstellung des Körpers (1) wird dieser mit Laserlicht bestrahlt, um in dem Körper (1) eine Mehrzahl von Strukturen (5) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht so fokussiert wird, dass die Brennebene oder Fokusebene im Inneren des Körpers (1) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Der Körper (1) der Leuchtdiode wird mittels eines Epitaxieverfahrens hergestellt; – während der Durchführung des Epitaxieverfahrens wird eine Mehrzahl von Strukturen (5) in dem Körper (1) der Leuchtdiode erzeugt.