DE10220333A1 - Radiation emitting semiconductor component for LED chips using microstructure elements with an active layer between two reflecting surfaces - Google Patents
Radiation emitting semiconductor component for LED chips using microstructure elements with an active layer between two reflecting surfacesInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to a radiation-emitting semiconductor component according to the preamble of Claim 1.
Herkömmliche LED-Chips weisen üblicherweise ein einziges Schichtpaket auf, das sich über die gesamte Oberfläche eines Substrats erstreckt. Das Schichtpaket besteht im wesentlichen aus einer Strahlung emittierenden aktiven Schicht, welche zwischen einer oberen Kontaktschicht und einer an das Substrat angrenzenden, unteren Kontaktschicht angeordnet ist. Conventional LED chips usually have a single one Layer package on the entire surface of a Extends substrate. The layer package essentially consists from a radiation-emitting active layer, which between an upper contact layer and one to the Substrate adjacent, lower contact layer is arranged.
Die aktive Schicht selbst umfasst die eigentliche, Strahlung erzeugende Schicht, zum Beispiel aus InGaN, sowie die daran angrenzenden stromtragenden Schichten, zum Beispiel aus p-dotiertem bzw. n-dotiertem AlGaN oder GaN. Die Schichtdicken betragen beispielsweise für die Strahlung erzeugende Schicht etwa 10 bis 1000 Å, die Schichtdicken der stromtragenden Schichten liegen typischerweise zwischen 2000 Å und 10000 Å. Auf der oberen Kontaktschicht sind eine oder mehrere Kontaktstellen und an der Rückseite des Substrats ist eine großflächige Kontaktmetallisierung aufgebracht. Der gesamte LED-Chip kann in eine strahlungsdurchlässige Vergussmasse, zum Beispiel Epoxidharz, eingebettet sein. The active layer itself comprises the actual radiation generating layer, for example made of InGaN, and the layer thereon adjacent current-bearing layers, for example p-doped or n-doped AlGaN or GaN. The Layer thicknesses are, for example, for those generating radiation Layer about 10 to 1000 Å, the layer thicknesses of the current-carrying layers are typically between 2000 Å and 10000 Å. There are one or more on the upper contact layer Contact points and on the back of the substrate is one large-area contact metallization applied. The whole LED chip can be encased in a radiation-permeable casting compound, for example epoxy resin.
Neben dem internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung bei einem derartigen Halbleiterbauelement, beispielsweise einem LED-Chip, der in vielen Fällen bereits nahe 100% liegt, kommt es insbesondere auch auf den externen Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung an, der zum Teil nur einige Prozent beträgt. In addition to the internal efficiency of radiation generation such a semiconductor device, for example one LED chip, which in many cases is already close to 100%, comes it especially on the external efficiency of the Radiation coupling, which is sometimes only a few percent.
Der Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung wird hauptsächlich bestimmt durch die Strahlungsverluste im Schichtpaket, die durch Absorption an der Unterseite der Kontaktstellen und an der Oberseite des Substrats auftreten, sowie durch den Grenzwinkel der Totalreflexion αT beim Übergang aus der aktiven Schicht bzw. den Kontaktschichten in die den LED-Chip einbettende Kunststoffumhüllung. Bei typischen Brechzahlen für GaN von etwa 2,5 und für Epoxidharz von etwa 1,5 ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion αT von etwa 37°. Das heißt, nur die Strahlung, die in einem Winkel kleiner 37° auf die Seitenflächen des Schichtstapels trifft, wird aus dem LED-Chip ausgekoppelt. The efficiency of the radiation decoupling is mainly determined by the radiation losses in the layer package, which occur due to absorption on the underside of the contact points and on the top side of the substrate, as well as by the critical angle of total reflection α T during the transition from the active layer or the contact layers into the Plastic chip embedding LED chip. With typical refractive indices for GaN of about 2.5 and for epoxy resin of about 1.5, there is a critical angle of total reflection α T of about 37 °. This means that only the radiation that strikes the side surfaces of the layer stack at an angle of less than 37 ° is coupled out of the LED chip.
Aus dem Stand der Technik sind deshalb verschiedene Maßnahmen bekannt, den Wirkungsgrad der Lichtauskopplung von derartigen LED-Chips zu verbessern. Ein möglicher Ansatz ist es, die obere und die untere Kontaktschicht des LED-Chips so dick auszubilden, dass die Seitenflächen von jedem Strahlung erzeugenden Punkt in der aktiven Schicht aus gesehen unter einem so kleinen Raumwinkel erscheinen, dass die gesamte von der aktiven Schicht seitlich emittierte Strahlung unmittelbar, d. h. ohne vorherige Reflexionen an der Ober- oder Unterseite der Kontaktschichten, auf die Seitenfläche trifft und dort ausgekoppelt werden kann. Wie zum Beispiel in der Beschreibungseinleitung der WO 99/31738 ausgeführt ist, würde dies aber zu vergleichsweise dicken Kontaktschichten führen, was wiederum Nachteile bei der Fertigung und dem internen Wirkungsgrad mit sich bringen würde. Various measures are therefore from the prior art known, the efficiency of light decoupling from such Improve LED chips. One possible approach is that top and bottom contact layer of the LED chip so thick train that the side faces of each radiation generating point seen in the active layer from below appear so small that the whole of radiation emitted laterally of the active layer immediately, d. H. without previous reflections on the top or Underside of the contact layers, meets the side surface and can be coupled out there. Like for example in the Introduction to WO 99/31738 would be executed but this leads to comparatively thick contact layers, which in turn has disadvantages in terms of manufacturing and internal Would bring efficiency.
Eine weitere Möglichkeit, die Lichtauskopplung zu verbessern ist die sogenannte Mikrostrukturierung des LED-Chips, wie sie beispielsweise in S. X. Jin et al., InGaN/GaN quantum well interconnected microdisk light emitting diodes, Appl. Phys. Lett., Vol. 77, Nr. 20, 13. November 2000, Seiten 3236-3238, beschrieben ist. Bei einem derartigen LED-Chip wird ein Schichtpaket mit einer aktiven Schicht wie oben beschrieben auf ein Substrat aufgebracht. Anschließend werden in das Schichtpaket Ausnehmungen bzw. Kanäle geätzt, so dass eine Vielzahl kleiner Zylinder mit dem entsprechenden Schichtaufbau verbleibt. Eine solche Anordnung von Mikrostrukturen mit einem Durchmesser von 9 µm bis 12 µm zeigt trotz der kleineren aktiven Fläche im Vergleich zu einem einzigen Schichtstapel eine deutlich höhere Strahlungsausgangsleistung. Dies wird insbesondere auf einen wesentlich höheren Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung zurückgeführt. Another way to improve the light decoupling is the so-called microstructuring of the LED chip as it is for example in S. X. Jin et al., InGaN / GaN quantum well interconnected microdisk light emitting diodes, appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 20, November 13, 2000, pages 3236-3238, is described. With such an LED chip, a Shift package with an active shift as described above applied to a substrate. Then be in the Layer package recesses or channels etched so that a Large number of small cylinders with the corresponding Layer structure remains. Such an arrangement of microstructures with a diameter of 9 µm to 12 µm shows despite the smaller ones active area compared to a single layer stack a significantly higher radiation output power. this will especially to a much higher efficiency Radiation decoupling returned.
Eine konkrete Ausführungsform eines solchen LED-Chips mit Mikrostrukturierung ist zum Beispiel in der bereits genannten WO 99/31738 offenbart. Diese Druckschrift zeigt einen LED- Chip, der dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht und schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. A specific embodiment of such an LED chip with microstructuring is disclosed, for example, in WO 99/31738 already mentioned. This document shows an LED chip which corresponds to the preamble of claim 1 and is shown schematically in FIG. 4.
Auf einem Substrat 100, zum Beispiel aus Saphir, ist eine Vielzahl von Mikrostrukturelementen 102 auf AlGaInN-Basis angeordnet. Die Mikrostrukturelemente umfassen jeweils eine aktive Schicht 104 mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 1000 Å, welche eine Strahlung erzeugende Schicht aus GaInN zwischen einer oberen stromtragenden Schicht aus p-dotiertem AlGaN und einer unteren stromtragenden Schicht aus n- dotiertem AlGaN aufweist, eine obere Kontaktschicht 106 aus p-dotiertem GaN auf der aktiven Schicht 102 und eine untere Kontaktschicht 108 aus n-dotiertem GaN zwischen der aktiven Schicht 104 und dem Substrat 100. Auf den Oberseiten der oberen Kontaktschichten 106 sind Kontaktstellen 112 aufgebracht. A multiplicity of AlGaInN-based microstructure elements 102 are arranged on a substrate 100 , for example made of sapphire. The microstructure elements each comprise an active layer 104 with a layer thickness of the order of 1000 Å, which has a radiation-generating layer made of GaInN between an upper current-carrying layer made of p-doped AlGaN and a lower current-carrying layer made of n-doped AlGaN, an upper contact layer 106 made of p-doped GaN on the active layer 102 and a lower contact layer 108 made of n-doped GaN between the active layer 104 and the substrate 100 . Contact points 112 are applied to the upper sides of the upper contact layers 106 .
Die Mikrostrukturelemente 102 mit einer Breite W in der Größenordnung von etwa 10 µm sind durch Kanäle oder Nuten 114 mit einer Breite S ebenfalls in der Größenordnung von etwa 10 µm voneinander getrennt. Aufgrund der geringen Breite W der Mikrostrukturelemente 102 genügen für die obere und die untere Kontaktschicht 106, 108 Schichtdicken von etwa 2-5 µm, um zu erreichen, dass sämtliche zur Seite emittierte Strahlung der aktiven Schicht direkt durch die Seitenflächen der Mikrostrukturelemente 102 ausgekoppelt wird. The microstructure elements 102 with a width W on the order of approximately 10 μm are separated from one another by channels or grooves 114 with a width S also on the order of approximately 10 μm. Due to the small width W of the microstructure elements 102 , layer thicknesses of approximately 2-5 μm are sufficient for the upper and lower contact layers 106 , 108 in order to ensure that all radiation emitted to the side of the active layer is coupled out directly through the side surfaces of the microstructure elements 102 .
Auf dem Boden der Kanäle oder Nuten 114 zwischen den Mikrostrukturelementen 102 sind außerdem metallische Reflektorschichten 110 vorgesehen, die die aus den Seitenflächen der Mikrostrukturelemente 102 schräg nach unten ausgekoppelte Strahlung zurück nach oben reflektieren. Darüber hinaus dienen diese Reflektorschichten 110 auch als seitliche elektrische Kontaktstellen für die untere Kontaktschicht 108. Metallic reflector layers 110 are also provided on the bottom of the channels or grooves 114 between the microstructure elements 102 , which reflect the radiation coupled out obliquely downwards from the side surfaces of the microstructure elements 102 back upwards. In addition, these reflector layers 110 also serve as lateral electrical contact points for the lower contact layer 108 .
Bei einem derartigen LED-Chip mit Mikrostrukturierung kann allerdings bei einer starken Einschnürung des Stromes in dem Mikrostrukturelement durch kleine Kontaktstellen auf der oberen Kontaktschicht aufgrund einer erhöhten Vorwärtsspannung der interne Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung in der aktiven Schicht sinken. So ergibt sich beispielsweise bei zylindrischen Mikrostrukturelementen mit einem Durchmesser von etwa 11 µm und einer Höhe von etwa 6 µm auf einem Saphirsubstrat bei einem Kontaktstellendurchmesser von etwa 5 µm und einem gegenseitigen Abstand der Mikrostrukturelemente von etwa 4 µm für den gesamten LED-Chip ein Metallisierungsgrad durch die metallischen Kontaktstellen von etwa 10%. Versuche haben gezeigt, dass bei einem derart niedrigen Metallisierungsgrad der interne Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung um etwa 33% sinkt. Hierdurch wird der Vorteil der verbesserten Strahlungsauskopplung durch die Mikrostrukturierung stark eingeschränkt. Such an LED chip with microstructuring can however, if the flow in the Microstructure element through small contact points on the upper contact layer due to increased forward tension the internal efficiency of radiation generation in the active layer decrease. For example, at cylindrical microstructure elements with a diameter of about 11 µm and a height of about 6 µm in one Sapphire substrate with a contact point diameter of about 5 µm and a mutual distance between the microstructure elements of about 4 µm for the entire LED chip a degree of metallization through the metallic contact points of about 10%. tries have shown that at such a low Degree of metallization is the internal efficiency of radiation generation about 33% drops. This will have the advantage of being improved Radiation decoupling through the microstructuring strong limited.
Bei der Verwendung eines Siliziumkarbid-Substrats und kleineren Kontaktstellendurchmessern der Mikrostrukturelemente beträgt der Metallisierungsgrad sogar nur etwa 1%, so daß der verbesserte externe Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung weitestgehen durch den verschlechterten internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung kompensiert wird. Außerdem ist die aktive Schicht im Fall des AlGaInN-Materialsystems bevorzugt nicht in der Mitte des Schichtpakets angeordnet, was dazu führt, dass ein Teil der innerhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion seitlich emittierten Strahlung nicht direkt auf die Seitenflächen des Schichtpakets trifft und deshalb Absorptionsverluste erfährt. When using a silicon carbide substrate and smaller contact point diameters of the microstructure elements The degree of metallization is only about 1%, so that improved external efficiency of radiation decoupling go as far as possible due to the deteriorated internal efficiency the radiation generation is compensated. Besides, that is active layer preferred in the case of the AlGaInN material system not arranged in the middle of the layer package, what about this leads to part of the within the critical angle of the Total reflection from side-emitted radiation does not affect directly hits the side faces of the layer package and therefore Experiences absorption losses.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit Schichtpaketen auf der Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters bereitzustellen, das eine effiziente Strahlungsauskopplung gewährleistet. It is an object of the present invention radiation-emitting semiconductor component with layer packages on the To provide the basis of a nitride compound semiconductor, that ensures efficient radiation decoupling.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This task is done by a radiation emitting Semiconductor component with the features of claim 1 solved. Further advantageous refinements and developments of Invention are specified in the dependent claims.
Der LED-Chip gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat mit einer Mehrzahl von in Abstand zueinander auf dem Substrat angeordneten Mikrostrukturelementen auf, wobei die Mikrostrukturelemente jeweils eine untere, an das Substrat grenzende Kontaktschicht und eine obere, dem Substrat abgewandte Kontaktschicht sowie eine zwischen der unteren und der oberen Kontaktschicht angeordnete, Strahlung emittierende, aktive Schicht aufweisen. Jeweils auf der oberen Kontaktschicht der Mikrostrukturelemente ist eine Kontaktmetallisierung aufgebracht, die vorzugsweise nahezu die gesamte obere Kontaktschicht der Mikrostrukturelemente überdeckt. Die Mikrostrukturelemente umfassen jeweils einen Wellenleiter mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist. Weiterhin enthalten die Mikrostrukturelemente mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter, insbesondere eine Nitridverbindung von Elementen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente, wie beispielsweise GaN, AlN, InN, AlGaN oder InAlGaN. The LED chip according to the present invention has a Substrate with a plurality of spaced apart on the Microstructure elements arranged on the substrate, the Microstructure elements each have a lower one, attached to the substrate bordering contact layer and an upper, the substrate facing away contact layer and one between the lower and the upper contact layer arranged, radiation-emitting, have active layer. Each on the top The contact layer of the microstructure elements is one Contact metallization applied, which is preferably almost the entire upper Contact layer of the microstructure elements covered. The Microstructure elements each include a waveguide a first reflection surface and a second Reflective surface, the active layer between the first and the second reflection surface is arranged. Also included the microstructure elements at least one Nitride compound semiconductor, in particular a nitride compound from Elements of the third and / or fifth main group of the Periodic table of the chemical elements, such as GaN, AlN, InN, AlGaN or InAlGaN.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Halbleiterbauelement verbindet die eingangs erläuterten Vorteile einer Mikrostrukturierung des Schichtstapels mit einer für Nitrid-Verbindungshalbleiter, insbesondere InAlGaN, optimierten Konstruktion bzw. Formgebung der Mikrostrukturelemente. The semiconductor component designed according to the invention combines the advantages of a Microstructuring of the layer stack with one for Nitride compound semiconductors, especially InAlGaN, optimized construction or Shape of the microstructure elements.
Aufgrund der Erkenntnis der Erfinder, dass ein niedriger Metallisierungsgrad des LED-Chips den internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung verschlechtert, wurde zunächst der interne Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung dadurch verbessert, dass die Mikrostrukturelemente nahezu ganzflächig metallisiert werden. Hierdurch wird der Strahlungsauskopplungskegel allerdings weiter eingeschränkt. Um die Vorteile der Mikrostrukturierung dennoch nutzen zu können, wird zusätzlich jeweils ein Wellenleiter in den Mikrostrukturelementen ausgebildet, der die Strahlung bis zu den Seitenflächen der Mikrostrukturelemente führt. Hierdurch ist es möglich, trotz des eigentlich eingeschränkten Strahlungsauskopplungskegels einen hohen Auskoppelgrad zu erreichen. Bei angenommenen Brechungsindizes von 2,5 für GaN und 1,5 für die Kunststoff-Vergussmasse des LED-Chips können somit etwa 60% der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung ausgekoppelt werden. Based on the knowledge of the inventors that a low Degree of metallization of the LED chips the internal efficiency of the Radiation generation deteriorated, the internal efficiency of radiation generation thereby improved that the microstructure elements almost all over be metallized. This will make the Radiation decoupling, however, is further restricted. To take advantage of However, being able to use microstructuring is additional one waveguide each in the microstructure elements trained the radiation up to the side faces of the Microstructure elements leads. This makes it possible, despite of the actually limited radiation decoupling cone to achieve a high degree of decoupling. If accepted Refractive indices of 2.5 for GaN and 1.5 for the Plastic potting compound of the LED chip can thus make up about 60% of that in the radiation generated by the active layer.
Die erste Reflexionsfläche des Wellenleiters ist vorzugsweise jeweils durch eine reflektierende oder spiegelnde Kontaktmetallisierung auf der oberen Kontaktschicht ausgebildet. Hierzu werden zum Beispiel Kontaktmetallisierungen aus Pt, Pd, Al oder Ag aufgebracht. Alternativ kann zwischen der Kontaktmetallisierung und der oberen Kontaktschicht auch eine dielektrische Reflektorschicht vorgesehen sein. The first reflection surface of the waveguide is preferred each by a reflective or reflective Contact metallization is formed on the upper contact layer. For this purpose, contact metallizations made of Pt, Pd, Al or Ag applied. Alternatively, you can choose between the Contact metallization and the top contact layer also one dielectric reflector layer may be provided.
Zur Ausbildung der zweiten Reflexionsfläche wird vorzugsweise ein Saphir-Substrat verwendet. Da der Brechungsindex von Saphir kleiner als der Brechungsindex von GaN und ähnlichen Nitridverbindungshalbleitern ist, entsteht so eine totalreflektierende Grenzfläche. Aufgrund der großen Differenz der Brechungsindizes zwischen Saphir (etwa 1,8) und GaN (etwa 2,5) ergibt sich an der Grenzfläche zwischen Substrat und unterer Kontaktschicht ein Grenzwinkel der Totalreflexion zur Senkrechten von größer 46°. For the formation of the second reflection surface is preferred a sapphire substrate is used. Since the refractive index of Sapphire smaller than the refractive index of GaN and the like Nitride compound semiconductors, one is formed totally reflecting interface. Because of the large difference in Refractive index between sapphire (about 1.8) and GaN (about 2.5) results at the interface between the substrate and the lower one Contact layer a critical angle of total reflection to Vertical of greater than 46 °.
Bei der Verwendung eines hochbrechenden oder absorbierenden Substrats wird vorzugsweise zwischen dem Substrat und der unteren Kontaktschicht eine Bragg-Reflektorschicht aufgebracht, welche sämtliche Strahlung weiterführt, die an den Seitenflächen der Mikrostrukturelemente ausgekoppelt werden kann. Üblicherweise weist eine Bragg-Reflektorschicht mehrere konstruktiv interferierende Reflexionsschichten auf, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als eine ein gemeinsame Reflexionsfläche des Wellenleiters betrachtet werden. When using a highly refractive or absorbent Substrate is preferably between the substrate and the a Bragg reflector layer applied to the lower contact layer, which transmits all radiation that is transmitted to the Side surfaces of the microstructure elements can be coupled out. One Bragg reflector layer usually has several constructively interfering reflective layers on the Framework of the present invention as a one common Reflecting surface of the waveguide can be considered.
Um die Strahlungseinkopplung in das Substrat zwischen den Mikrostrukturelementen zu verhindern, sollte zumindest der Boden der Kanäle zwischen den Mikrostrukturelementen reflektierend ausgebildet bzw. mit einer reflektierenden Schicht versehen sein. To the radiation coupling into the substrate between the To prevent microstructure elements, at least the Bottom of the channels between the microstructure elements formed reflective or with a reflective layer be provided.
Um den Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung weiter zu erhöhen, können die Mikrostrukturelemente in der Form von umgekehrten Pyramidenstümpfen geformt sein, d. h. die Seitenflächen der Mikrostrukturelemente derart schräg verlaufen, dass die Oberseite der oberen Kontaktschicht eine größere Fläche als die Unterseite der unteren Kontaktschicht besitzt. Allgemein ist vorteilhaft, die Mikrostrukturelemente so zu formen, dass sie sich in Richtung des Substrats verjüngen. To further increase the efficiency of radiation decoupling can increase the microstructure elements in the form of inverted truncated pyramids, d. H. the Side surfaces of the microstructure elements run so obliquely that the top of the top contact layer a larger area than the bottom of the bottom contact layer. It is generally advantageous to close the microstructure elements in this way shape that they taper towards the substrate.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. The invention is based on Exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings explained.
Darin zeigen: In it show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mikrostrukturelements eines LED-Chips gemäß der Erfindung; Fig. 1 is a schematic representation of a microstructure element of an LED chip according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrostrukturelements eines LED-Chips gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 is a schematic sectional view of a microstructure element of an LED chip according to a preferred embodiment of the invention;
Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht eines LED-Chips mit Mikrostrukturelementen gemäß der Erfindung; Fig. 3 is a schematic perspective view of an LED chip with micro structure elements according to the invention;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines LED-Chips nach dem Stand der Technik. Fig. 4 is a schematic representation of an LED chip according to the prior art.
In Fig. 1 ist zunächst ein Mikrostrukturelement 12 eines LED-Chips dargestellt, das ähnlich dem in Fig. 4 dargestellten herkömmlichen Mikrostrukturelement aufgebaut ist, aber bereits Merkmale des erfindungsgemäß ausgebildeten Mikrostrukturelements zeigt. Anhand dieser Fig. 1 soll die Entwicklung des Erfindungsgedankens verdeutlicht werden, der schließlich zu dem erfindungsgemäßen Aufbau eines Mikrostrukturelements führt. In Fig. 1, a first microstructure element 12 is shown an LED chip that is similar to, but already shows features of the present invention formed microstructure element in Fig. Conventional microstructure element shown in Figure 4 is constructed. The development of the inventive idea, which ultimately leads to the construction of a microstructure element according to the invention, is to be illustrated with reference to this FIG. 1.
Wie bei den vorbekannten LED-Chips mit Mikrostrukturierung ist auf einem Substrat 10 eine Vielzahl von Mikrostrukturelementen 12 angeordnet, die voneinander durch Kanäle bzw. Nuten 14 beabstandet sind. Die Grundfläche der Mikrostrukturelemente ist grundsätzlich beliebig, jedoch sind kreisförmige, quadratische, rechteckige und dreieckige Grundflächen zu bevorzugen. Bei Versuchen mit erfindungsgemäß gestalteten Mikrostrukturelementen 12 hat sich die dreieckige Grundfläche als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein Ausführungsbeispiel eines LED-Chips mit Mikrostrukturelementen 12 mit einer dreieckigen Grundfläche ist in Fig. 3 veranschaulicht. As in the previously known LED chips with microstructuring, a multiplicity of microstructure elements 12 are arranged on a substrate 10 and are spaced apart from one another by channels or grooves 14 . The base area of the microstructure elements is basically arbitrary, but circular, square, rectangular and triangular base areas are preferred. In tests with microstructure elements 12 designed according to the invention, the triangular base area has proven to be particularly advantageous. An exemplary embodiment of an LED chip with microstructure elements 12 with a triangular base area is illustrated in FIG. 3.
Die Mikrostrukturelemente 12 werden beispielsweise durch Aufbringen der entsprechenden Schichten 16, 18, 20 auf ein Substrat 10 mittels metallorganisch-chemischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) aufgebracht. Anschließend werden die den Mikrostrukturelementen 12 entsprechenden Bereiche maskiert und die Kanäle 14 zwischen den Mikrostrukturelementen geätzt. Alternativ können die Mikrostrukturelemente auch durch Maskieren der Kanalbereiche 14, beispielsweise mit einem Siliziumoxid, und anschließendem Aufwachsen der einzelnen Schichten 16, 18, 20 aufgebaut werden. Die Mikrostrukturelemente 12 werden schließlich in eine strahlungsdurchlässige Vergussmasse (nicht dargestellt), beispielsweise einem Epoxid- oder Silikonharz, eingebettet. The microstructure elements 12 are applied, for example, by applying the corresponding layers 16 , 18 , 20 to a substrate 10 by means of metal organic chemical gas phase epitaxy (MOVPE). The regions corresponding to the microstructure elements 12 are then masked and the channels 14 between the microstructure elements are etched. Alternatively, the microstructure elements can also be constructed by masking the channel regions 14 , for example with a silicon oxide, and then growing the individual layers 16 , 18 , 20 . The microstructure elements 12 are finally embedded in a radiation-permeable casting compound (not shown), for example an epoxy or silicone resin.
Die einzelnen Mikrostrukturelemente 12 bestehen, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, im wesentlichen aus einer unteren Kontaktschicht 20, die an das Substrat 10 grenzt, einer oberen Kontaktschicht 18, einer Strahlung emittierenden, aktiven Schicht 16 zwischen der unteren und der oberen Kontaktschicht 18, 20 sowie einer Kontaktmetallisierung 22 auf der Oberseite der oberen Kontaktschicht. The individual microstructure elements 12 , as shown in FIGS. 1 and 2, essentially consist of a lower contact layer 20 , which adjoins the substrate 10 , an upper contact layer 18 , a radiation-emitting active layer 16 between the lower and the upper contact layer 18 , 20 and a contact metallization 22 on the top of the upper contact layer.
Die aktive Schicht 16 mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von etwa 1000 Å enthält eine Strahlung erzeugende Schicht, zum Beispiel aus GaInN, welche zwischen einer oberen stromtragenden Schicht, zum Beispiel aus p-dotiertem AlGaN, und einer unteren stromtragenden Schicht, zum Beispiel aus n-dotiertem AlGaN, angeordnet ist. Der Einfachheit halber ist die aktive Schicht 16 in den Figuren nur als einzelne Schicht dargestellt. The active layer 16 with a layer thickness of the order of approximately 1000 Å contains a radiation-generating layer, for example made of GaInN, which is between an upper current-carrying layer, for example made of p-doped AlGaN, and a lower current-carrying layer, for example made of n -doped AlGaN is arranged. For the sake of simplicity, the active layer 16 is only shown as a single layer in the figures.
Für die obere Kontaktschicht 18 wird zum Beispiel p-dotiertes GaN und für die untere Kontaktschicht 20 wird zum Beispiel n- dotiertes GaN verwendet. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, ist die aktive Schicht auf AlGaInN-Basis nicht mittig in dem Schichtpaket vorgesehen, sondern die obere Kontaktschicht 18 ist dünner als die untere Kontaktschicht 20 ausgebildet. Die Schichtdicken der Kontaktschichten 18, 20 betragen etwa zwischen 0,2 µm und 5 µm. For example, p-doped GaN is used for the upper contact layer 18 and, for example, n-doped GaN is used for the lower contact layer 20 . As shown in FIGS . 1 and 2, the active layer based on AlGaInN is not provided in the center of the layer package, but rather the upper contact layer 18 is thinner than the lower contact layer 20 . The layer thicknesses of the contact layers 18 , 20 are approximately between 0.2 μm and 5 μm.
Die Kontaktmetallisierung 22 auf der Oberseite der oberen Kontaktschicht 18 erstreckt sich nahezu über die gesamte obere Kontaktschicht 18, wie dies in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird ein relativ hoher Metallisierungsgrad des LED-Chips erreicht, was einen hohen internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung in der aktiven Schicht 16 bewirkt. Allerdings tritt hierdurch zunächst das Problem auf, dass ein Teil der in der aktiven Schicht 16 erzeugten Strahlung durch Absorptionsverluste an der Kontaktmetallisierung 22 verloren geht und sich daher ein niedrigerer externer Wirkungsgrad für die Strahlungsauskopplung ergibt, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Der tatsächliche Strahlungsauskopplungskegel ω ist bei dieser Konstruktion wesentlich kleiner als der theoretisch mögliche Strahlungsauskopplungskegel Ω, dessen Öffnungswinkel θ durch den Grenzwinkel der Totalreflexion αT bestimmt wird, wobei θ = 2αT gilt. The contact metallization 22 on the upper side of the upper contact layer 18 extends almost over the entire upper contact layer 18 , as is illustrated in FIGS. 1 and 2. In this way, a relatively high degree of metallization of the LED chip is achieved, which brings about a high internal efficiency of the radiation generation in the active layer 16 . However, this initially causes the problem that part of the radiation generated in the active layer 16 is lost due to absorption losses at the contact metallization 22 and therefore there is a lower external efficiency for coupling out the radiation, as is indicated in FIG. 1. The actual radiation decoupling cone ω in this construction is considerably smaller than the theoretically possible radiation decoupling cone Ω, the opening angle θ of which is determined by the critical angle of total reflection α T , where θ = 2α T applies.
Um dies auszugleichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, das Schichtpaket einerseits mit einer großflächigen Kontaktmetallisierung 22 zu versehen und andererseits in dem Schichtpaket einen Wellenleiter auszubilden. Dies wird dadurch erzielt, dass sowohl die Unterseiten der unteren Kontaktschichten 20 als auch die Oberseiten der oberen Kontaktschichten 18 für die von der aktiven Schicht 16 emittierte Strahlung reflektierend ausgebildet werden. To compensate for this, it is proposed according to the present invention to provide the layer package on the one hand with a large-area contact metallization 22 and on the other hand to form a waveguide in the layer package. This is achieved in that both the undersides of the lower contact layers 20 and the upper sides of the upper contact layers 18 are designed to be reflective for the radiation emitted by the active layer 16 .
Diese reflektierenden Eigenschaften werden für die obere Wellenführung beispielsweise erzielt, indem die Kontaktmetallisierung 22 aus einem reflektierenden Metall wie zum Beispiel Pt, Pd, Al oder Ag gefertigt wird oder zwischen der oberen Kontaktschicht 18 und der Kontaktmetallisierung 22 eine dielektrische Spiegelschicht vorgesehen wird. These reflective properties are achieved for the upper waveguide, for example, by producing the contact metallization 22 from a reflective metal such as Pt, Pd, Al or Ag or by providing a dielectric mirror layer between the upper contact layer 18 and the contact metallization 22 .
Für die untere Wellenführung kann zum Beispiel ein Substrat 10 aus Saphir verwendet werden, so dass zwischen dem Mikrostrukturelement und dem Substrat eine totalreflektierende Grenzfläche entsteht. Der Grenzwinkel der Totalreflexion beträgt etwa 46°, bezogen auf die Grenzflächennormale. For example, a substrate 10 made of sapphire can be used for the lower waveguide, so that a totally reflecting interface is formed between the microstructure element and the substrate. The critical angle of total reflection is approximately 46 °, based on the interface normal.
Im Fall eines hochbrechenden oder absorbierenden Substrats 10 oder auch als Zusatzmaßnahme im Fall eines Saphir-Substrats 10 kann zwischen das Substrat 10 und die untere Kontaktschicht 20 eine Bragg-Reflektorschicht 26 eingebracht sein. In the case of a highly refractive or absorbent substrate 10 or as an additional measure in the case of a sapphire substrate 10 , a Bragg reflector layer 26 can be introduced between the substrate 10 and the lower contact layer 20 .
Diese Bragg-Reflektorschicht 26 führt die gesamte Strahlung im Schichtpaket weiter, bis diese an den Seitenflächen der Schichtpakete ausgekoppelt wird. This Bragg reflector layer 26 continues the entire radiation in the layer package until it is coupled out on the side surfaces of the layer packages.
Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, wird durch diesen Wellenleiter in dem Schichtpaket erreicht, dass die gesamte Strahlung, die in der aktiven Schicht 16 erzeugt und seitlich innerhalb eines durch den Grenzwinkel der Totalreflexion begrenzten Raumwinkels Ω emittierte wird, im wesentlichen ohne Absorptionsverluste zu den Seitenflächen des Schichtpakets geführt und dort ausgekoppelt wird. Unter der Annahme eines Brechungsindex von 2,5 für GaN und von 1,5 für die den LED- Chip einbettende Vergussmasse können auf diese Weise etwa 60% der in der aktiven schicht 16 erzeugten Strahlung ausgekoppelt werden. As shown schematically in FIG. 2, this waveguide in the layer package ensures that the entire radiation which is generated in the active layer 16 and is emitted laterally within a solid angle Ω limited by the critical angle of the total reflection, essentially without any absorption losses Side surfaces of the layer package is guided and decoupled there. Assuming a refractive index of 2.5 for GaN and 1.5 for the potting compound embedding the LED chip, approximately 60% of the radiation generated in the active layer 16 can be coupled out in this way.
Um zu verhindern, dass die schräg nach unten aus den Mikrostrukturelementen 12 ausgekoppelte Strahlung in das Substrat 10 einkoppelt, ist es von Vorteil, den Boden der Kanäle 14 reflektierend auszubilden bzw. mit einer reflektierenden Schicht zu versehen. In order to prevent the radiation coupled out obliquely downwards from the microstructure elements 12 from coupling into the substrate 10 , it is advantageous to make the bottom of the channels 14 reflective or to provide it with a reflective layer.
Des weiteren können die Mikrostrukturelemente 12 auch in der Form von umgekehrten Pyramidenstümpfen ausgebildet sein. Mit anderen Worten sind die Seitenflächen des Schichtpakets derart geneigt, dass die Oberseite der oberen Kontaktschicht 18 eine größere Grundfläche als die Unterseite der unteren Kontaktschicht 20 aufweist. Der Winkel der Seitenflächen bezüglich der Senkrechten auf die Substratoberfläche beträgt dabei vorzugsweise etwa 5° bis 20°. Auf diese Weise wird die Strahlungsauskopplung in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche verbessert. Furthermore, the microstructure elements 12 can also be designed in the form of inverted truncated pyramids. In other words, the side faces of the layer package are inclined in such a way that the upper side of the upper contact layer 18 has a larger base area than the underside of the lower contact layer 20 . The angle of the side surfaces with respect to the perpendicular to the substrate surface is preferably about 5 ° to 20 °. In this way, the coupling-out of radiation in the direction perpendicular to the substrate surface is improved.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung für Strahlung im gesamten Spektralbereich, d. h. insbesondere für Wellenlängen im Infrarotbereich, im sichtbaren Bereich bis zum UV-Bereich geeignet ist und diesbezüglich keinerlei Einschränkungen existieren. At this point it is expressly pointed out that the present invention for radiation throughout Spectral range, d. H. especially for wavelengths in Infrared range, in the visible range up to the UV range is suitable and there are no restrictions in this regard.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel eines LED-Chips beschränkt. Der Fachmann wird vielmehr weitere Modifikationen und Abwandlungen auffinden können, die innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche definierten Schutzumfangs liegen. In addition, the present invention of course not on the embodiment described here of an LED chip. Rather, those skilled in the art will become more Can find modifications and variations that within that defined by the appended claims Scope of protection.
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