DE19709228A1

DE19709228A1 - Geordnete Grenzflächentexturierung für ein lichtemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE19709228A1
Application number: DE19709228A
Authority: DE
Inventors: Michael R Krames; Jun Fred A Kish
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: JP2007142483A; GB2311413A; DE19709228B4; US5779924A; SG54385A1; GB2311413B; JP5741996B2; JPH104209A; GB9705173D0; JP2014131078A; JP2011029667A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von licht emittierenden Halbleiterbauelementen. Insbesondere ist die Erfindung auf die Verbesserung der Lichtextraktion aus der artigen Bauelementen gerichtet.

Die Lichtextraktion aus einem lichtemittierenden Halbleiter bauelement (LED; LED = Light-Emitting Device) ist typischer weise aufgrund des großen optischen Brechungsindex (n ≈ 2,2-3,8) des Halbleitermaterials relativ zu dem umgebenden Raum, typischerweise Luft (n ≈ 1) oder transparentes Epoxid harz (n ≈ 1,5), begrenzt. Der Betrag der Extraktion hängt stark von der makroskopischen Geometrie des LEDs und dem dreidimensionalen Emissionsprofil des Lichts ab, das in der aktiven Region erzeugt wird. Die lichtemittierende Fähigkeit der aktiven Region ist durch die Struktur der umgebenden Ma terialien, wie z. B. der epitaktischen Schichten, der begren zenden oder "führenden" Bereiche, etc., definiert.

Das Problem der Lichtextraktion aus einem Halbleiter kann unter Verwendung eines Beispiels aus der elementaren elek tromagnetischen Theorie verstanden werden: eine ebene elek tromagnetische Welle, die von einem Medium (I) in ein an deres Medium (II) einfällt, muß eine Phasenanpassungsbe dingung an der Grenzfläche zwischen den zwei Medien erfül len, um transmittiert zu werden. Wellen, die diese Bedingung nicht erfüllen, werden der inneren Totalreflexion (TIR; TIR = Total Internal Reflection) unterworfen und breiten sich nicht in das Medium II aus. Wenn die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium I wesentlich kleiner als dieselbe des Mediums II ist, d. h. n_I » n_II, und wenn die Grenzfläche zwischen die sen Medien planar oder nicht texturiert ist, beschränkt die Phasenanpassungsbedingung bei herkömmlichen Halbleiter-LEDs die Transmission auf Strahlen, die von Medium I in einem en gen Winkelbereich einfallen, der um den senkrechten Einfall zentriert ist.

Bei einer Galliumphosphid- (GaP- (n₁ ≈ 3,3)) Grenzfläche mit einem transparentem Epoxidharz (n₂ ≈ 1,5) tritt die TIR für Einfallswinkel Θ_i auf, die größer als der Grenzwinkel Θ_c = arcsin(n₂/n₁) = 27.0° sind. Es wird lediglich Licht trans mittiert, das in den Austrittskegel Θ_i < Θ_c einfällt. Für eine isotrope Punktlichtquelle in GaP beträgt der Bruchteil des Lichts, der in den Austrittskegel an der Grenzfläche emittiert wird, lediglich [1 - (cosΘc)]/2 = 5.5% des verfüg baren emittierten Lichtes. Wenn Fresnel-Verluste an der Grenzfläche eingeschlossen werden, wird etwa ein Anteil von 4.7% des verfügbaren emittierten Lichts durch die Grenz fläche in das Epoxidharz transmittiert. Für ein würfelför miges Bauelement, das eine vollständig reflektierende untere Oberfläche, keinen Oberseitenkontakt und keine innere Ab sorption aufweist, gibt es sechs derartiger Grenzflächen, weshalb der Bruchteil des gesamten emittierten Lichts, der aus dem LED austritt 6 × 4.7% = 28.2% beträgt.

Der oben beschriebene Effekt begrenzt stark den Extraktions wirkungsgrad der LEDs. Typische Bauelemente erzeugen Pho tonen an dem p-n-Übergang, die in einen weiten Richtungs bereich (nahezu isotropische Emission) emittiert werden. Als Folge kann ein großer Prozentsatz der emittierten Licht strahlen auf die Bauelements/Raum-Grenzfläche mit großen, schiefen Winkeln einfallen. Wenn die Grenzfläche planar oder nicht texturiert ist, werden diese Strahlen der TIR unter worfen und nicht beim ersten Durchlauf austreten, weshalb sie für eine Absorption in dem Bauelement empfänglich sind.

Verschiedene Verfahren zum Verbessern der Lichtextraktion aus einem LED sind vorgeschlagen worden. Ein Verfahren liegt darin, die makroskopische Geometrie des LEDs zu ändern, um zu ermöglichen, daß das gesamte oder der größte Teil des in dem Bauelement erzeugten Lichts in einen Austrittskegel an der Grenzfläche mit dem Raum eintritt. Eine bevorzugte Form ist ein kugelförmiges Bauelement mit einer aktiven Region als Punktquelle, die in der Mitte der Kugel angeordnet ist. Das gesamte emittierte Licht trifft im senkrechten Einfall auf die Grenzfläche und tritt in den Raum mit einem mi nimalen Fresnel-Verlust und ohne TIR aus. Dierschke, u. a., in Applied Physics Letters 19, 98 (1971), bemerkten große Verbesserungen des Extraktionswirkungsgrades eines halb kugelförmigen Bauelements. Carr, in Infrared Physics 6, 1 (1966), beobachtete, daß andere Formen, wie z. B. Kegel stümpfe, Pyramidenstümpfe, etc., ebenfalls den Extraktions wirkungsgrad verbessern. Makroskopische Formungsverfahren sind kostenintensiv und weisen zugeordnete Herstellbarkeits probleme auf, wie z. B. eine ineffiziente Materialausnutzung und komplizierte Fabrikationsprozesse und -Techniken.

Ein anderer Ansatz betrifft die Verwendung einer Antirefle xionsbeschichtung an der oberen Oberfläche des Bauelements. Die Beschichtung führt zu verringerten Fresnel-Verlusten für Lichtstrahlen, die nahezu senkrecht an der Grenzfläche ein fallen. Da die Dünnfilmbeschichtung typischerweise die Pla narität bezüglich der Halbleiteroberfläche beibehält, wird jedoch der wirksame Austrittskegel an der Bauelements/Raum-Grenzfläche nicht vergrößert, weshalb diese Technik eine be grenzte Verbesserung der Lichtextraktion schafft.

Ein anderer bekannter Ansatz betrifft ein Zufallstexturieren oder ein Aufrauhen der Oberflächen der Halbleiter-LEDs, wie es in Fig. 1 gezeigt ist und durch Schnitzer, u. a. in Ap plied Physics Letters 63, 2174 (1993), gelehrt ist. Eine Zu fallsoberflächentextur läßt die Winkelverteilung der Licht strahlen in dem Bauelement zufällig werden. Dieses Zufällig machen erhöht die Gesamtwahrscheinlichkeit, daß Licht nach mehreren Vielfachdurchläufen durch die Bauelementsstruktur in einen Austrittskegel eintritt. Licht, das von der aktiven Region emittiert wird, trifft mehrmals auf die obere Ober fläche auf, bevor dasselbe in einen Austrittskegel eintritt. In den Applied Physics Letters 62, 131 (1993), haben Schnitzer, u. a., angemerkt, daß sehr hohe externe Gesamt quantenwirkungsgrade (< 72%) in optisch gepumpten Strukturen durch die Extraktion von Vielfachdurchlauf-Licht erreicht werden konnten. In diesem Fall wurde sorgfältig auf die Mi nimierung der Absorption in dem Bauelement geachtet. In ei nem praktischen, elektrisch gepumpten Bauelement verringern verlustbehaftete oder dämpfende Regionen in dem Bauelement (z. B. ein absorbierendes Substrat, die aktive Schicht, De fekte, dotierte Regionen, etc.) oder an den Enden desselben (d. h. Metallkontakte, Chipbefestigungsepoxidharz, etc.) we sentlich die Intensität von Vielfachdurchlauf-Lichtstrahlen und begrenzen somit die Extraktionswirkungsgradgewinne. Folglich schaffen Vielfachdurchlauf-Lichtextraktionstech niken lediglich eine bescheidene Verbesserung, da es in praktischen Bauelementen den Photonen nicht möglich ist, viele Durchläufe durch das Bauelement zu absolvieren, bevor sie absorbiert werden.

Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, die Photonen in Oberflächenplasmonmoden (in einer Dünnfilmmetallschicht an der oberen Oberfläche) zu koppeln, die anschließend in Strahlungsmoden in den Raum ausgekoppelt werden. Kock, u. a., lehren in den Applied Physics Letters 57, 2327 (1990), daß eine periodische Oberflächenstruktur, die in Fig. 2 ge zeigt ist, die in Verbindung mit einem Metalldünnfilm ver wendet wird, um das Plasmonmodenkoppeln zu verbessern, den Quantenwirkungsgrad von LEDs erhöhen kann. Diese Strukturen basieren auf dem Koppeln von Photonen aus dem Halbleiter in die Oberflächenplasmonen in der Metallschicht, die weiter in Photonen gekoppelt werden, die schließlich extrahiert wer den. Die periodische Struktur ist ein eindimensionales Strichgitter mit kleinen Rillentiefen (< 0,1 µm). Die exter nen Gesamtquantenwirkungsgrade sind wahrscheinlich aufgrund von Ineffizienzen der Photon-zu-Oberflächenplasmon- und der Oberflächenplasmon-zu-Raumphoton-Umwandlungsmechanismen für diese Bauelemente gering (1,4-1,5%).

Ein effizientes Verfahren zum Verbessern der Lichtextraktion aus einem Halbleiter durch eine vorteilhafte Veränderung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften der Halbleiter grenzflächen ist wünschenswert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemit tierendes Bauelement mit einem hohen Extraktionswirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen ei ner texturierten Grenzfläche gemäß Anspruch 16 gelöst.

Ein LED, das eine geordnete Grenzflächentextur aufweist, die in mindestens einer Dimension auf irgendeiner oder allen Grenzflächen eines LEDs periodisch ist, wird die Extraktion von Erst-Durchlauf-Licht verbessern. Das Strukturieren der Grenzflächen wird gesteuert, um mehr Licht in den Raum zu lenken, ohne daß viele Vielfach-Durchläufe durch das Bau element erforderlich sind, damit Licht austritt. Zusätzlich kann die geordnete Grenzflächentexturierung den Fresnel-Verlust für Lichtstrahlen verringern, die in den Raum aus treten. Die regelmäßig strukturierte texturierte Grenzfläche kann Merkmalbeabstandungen aufweisen, die zu einer einzelnen Lichtwellenlänge in dem Bauelement vergleichbar sind. Die Formen und Abmessungen der Texturmerkmale werden derart ge wählt, um die Lichtextraktion für die betreffende Anwendung zu optimieren.

Eine geordnete, gesteuerte Grenzflächentexturierung kann Lichtextraktionsgewinne durch Ändern oder Vergrößern des wirksamen Austrittskegels an der Bauelements/Raum-Grenzflä che zur Folge haben. Im Vergleich zu makroskopischen For mungstechniken betrifft die geordnete Texturierung einfache re Fabrikationsprozesse. Fresnel-Verluste können soweit re duziert werden, wie Reflexionen durch Antireflexionsbe schichtungen minimiert werden. Schließlich werden Licht extraktionsgewinne unmittelbar für Erst-Durchlauf-Licht ge schaffen, weshalb es nicht erforderlich ist, daß das Licht viele Vielfach-Durchläufe in der Bauelementsstruktur vor dem Austritt durchführt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Beispiel;

Fig. 2 ein weiteres bekanntes Beispiel;

Fig. 3 ein k-Raum-Diagramm;

Fig. 4 eine periodische Textur entlang einer Grenzfläche;

Fig. 5a-c Ordnungsanordnungen für die periodische Textur;

Fig. 6 eine herkömmliche lichtemittierende Halbleiterdiode;

Fig. 7a-c ein Verfahren zum Texturieren der oberen Ober fläche eines LEDs;

Fig. 8 ein texturiertes Bauelement mit transparentem Sub strat;

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines texturierten Bauelements mit transparentem Substrat;

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines texturierten Bauelements mit transparentem Substrat;

Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines texturierten Bauelements mit transparentem Substrat;

Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines texturierten Bauelements mit transparentem Substrat;

Fig. 13 einen Resonanzhohlraum-LED-Chip, der zwei DBR-Spie gelstapel mit geordneten, texturierten Grenzflächen aufweist; und

Fig. 14 einen Resonanzhohlraum-LED-Chip, der einen DBR-Sta pel- und einen Metallspiegel aufweist, mit einer geordneten texturierten Grenzfläche an der Ober fläche des transparenten Substrats.

Die elektromagnetischen Phasenanpassungsbedingungen für eine planare Grenzfläche werden verändert, wenn die Grenzfläche texturiert wird. Eine geordnete texturierte Struktur kann entworfen werden, um die Erst-Durchlauf-Lichtextraktion zu erhöhen, und um die Leistung zu erhöhen, die von einem Halb leiter in den Raum transmittiert wird. Die Effekte der ge ordneten Texturierung eines Halbleiter-LEDs können unter Be zugnahme auf Fig. 3, die ein Wellenimpuls- oder k-Raum-Dia gramm für eine Grenzfläche zwischen GaP (n₁ ≈ 3,3) und tran sparentem Epoxidharz (n₂ ≈ 1,5) darstellt, verstanden wer den. Die zwei Medien an der Grenzfläche werden durch ihre zulässigen Wellenzahloberflächen dargestellt, d. h. Halb kreise mit Radien k_s bzw. k_e, mit k = k₀n = 2πn/λ₀, wobei n der Materialbrechungsindex und λ₀ die jeweilige Freiraum wellenlänge sind. Ohne Texturierung fällt ein Strahl I aus dem Inneren des Bauelements mit einem großen, schiefen Win kel, der größer als Θ_c ist, auf die Grenzfläche ein, und er füllt nicht die notwendige Phasenanpassungsbedingung, um ei ne Transmission von Leistung in das Epoxidharz zu ermög lichen. Daher ist der Strahl I der Totalreflexion unterwor fen und transmittiert seine Leistung in einen reflektierten Strahl r₀ zurück in das GaP.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die periodische Beab standung der geordneten Texturierung genügend klein gewählt, um die Phasenanpassungsbedingung an der Grenzfläche zu än dern. In Fig. 3 verleiht eine periodische Textur entlang der Grenzfläche mit einer Wellenzahl K = 2π/Λ entlang der Ein fallsebene dem einfallenden Strahl einen Impuls und koppelt Energie in das Epoxidharz über die transmittierten Moden t₁, t₂ und t₃. Energie wird ferner in reflektierte Moden r₁, r₂, . . . zurück in das GaP transmittiert. Die periodische Beab standung und die Form und Tiefe der einzelnen lokalen Merk male der Textur werden derart gewählt, um die Leistungsüber tragung in die transmittierten Moden zu begünstigen.

Da die Lichtemission aus der aktiven Schicht im wesentlichen dreidimensional ist, sollte die Grenzflächentexturierung vorzugsweise eine Wellenvektorkomponente entlang der Ein fallsebene für jeden azimutalen Winkel liefern. Folglich ist die Texturierungsanordnung statt eindimensional, wie ein einfaches Strichgitter, vorzugsweise zweidimensional entlang der Grenzfläche. Die zweidimensionale Natur der Texturie rungsanordnung bietet eine beträchtliche Flexibilität. Bei spielsweise ist es zulässig, daß die Periodizität in zwei orthogonalen Richtungen entlang der Ebene der Grenzfläche unterschiedlich sein kann, wobei in diesem Fall ein aniso tropes Strahlmuster erzeugt werden kann. Eine derartige Strahlstruktur kann bei gewissen Anwendungen nützlich sein.

Die Periode der geordneten Texturierung sollte kurz genug sein, um Leistung in den Raum durch Strahlen zu transmittie ren, die normalerweise der TIR an der Grenzfläche unterwor fen sind, jedoch nicht derartig kurz, daß dieselbe bedeu tende Lichtbeträge von nahezu senkrecht einfallenden Strah len (die andernfalls austreten würden) in TIR-Moden zurück in das Bauelement umlenkt. Aus diesem Grund können "spitze" Texturen weniger wünschenswert sein als "weiche" Texturmerk male. Texturen mit "spitzen" Merkmalen sind jene, die mit Licht reagieren, um einige gebeugte Moden höherer Ordnung zu erzeugen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, daß bedeutende Lichtbetrage in TIR-Moden zurück in das Bauelement gekoppelt werden können. Andererseits lenken Texturen mit "weichen" Merkmalen das Licht hauptsächlich in gebeugte Moden niedri gerer Ordnung um, die in einem richtigen Texturentwurf in den Raum austreten sollten. Ein typisches Texturprofil mit "spitzen" Merkmalen kann ein Rechteckwellenprofil (mit spit zen Ecken) sein, während ein Beispiel einer Textur mit "wei chen" Merkmalen ein sinusförmiges Profil mit einer gleich mäßigen Variation entlang der Ebene der Grenzfläche sein kann.

Zum Zweck der vorliegenden Erfindung soll eine Grenzfläche als eine beliebige Region zwischen ungleichen Medien oder als eine beliebige benachbarte Kombination derartiger Re gionen definiert sein. Außerdem soll eine Grenzfläche nicht nur durch diese ungleichen Medien sondern ferner durch ihren Ort und ihre Ausrichtung relativ zu dem Rest der Bauele mentsgeometrie spezifiziert sein.

Fig. 4 zeigt eine LED mit einer geordneten texturierten oberen Oberfläche. Ein Lichtstrahl γ, der normalerweise der TIR unterworfen sein würde, transmittiert statt dessen beim Erreichen der oberen Oberfläche Leistung in den Raum. Diese Leistungsübertragung tritt bei dem ersten Durchlauf auf und verringert die Wahrscheinlichkeit eines optischen Verlusts in dämpfenden Regionen in oder an Kanten des Bauelements. Den Lichtstrahlen (γ′) in der durch den Grenzwinkel einer nicht texturierten Oberfläche definierten Winkelbandbreite ist es ferner möglich, auszutreten. Der Gesamteffekt der ge ordneten Texturierung sollte darin liegen, die Emission der aktiven Schicht an die Bauelementsgeometrie und an den umge benden Raum anzupassen, derart, daß dies eine bedeutende Er höhung des Gesamtextraktionswirkungsgrades zur Folge hat.

Die geordnete Texturierung an der Grenzfläche kann ferner in bedeutend verringerten Reflexionsverlusten für Lichtstrahlen resultieren, die aus dem Bauelement in den Raum transmit tiert werden. Gaylord u. a. bemerkten in der Applied Optics 25, 4562 (1986), daß geordnete Oberflächentexturen gute An tireflexionscharakteristika über eine große Winkelbandbreite zeigen. Die Abruptheit der Brechungsindexstufe zwischen dem Bauelement und dem Raum wird verringert, um eine Zwischen region mit einem effektiven Brechungsindexwert zu schaffen, der zwischen demselben des Bauelementmaterials und demselben des Raums übergeht.

Die Texturstruktur für optimales Licht hängt von der Winkel verteilung der Lichtemission, die an der Grenzfläche ein fällt, und von der Form der Grenzfläche ab, wobei beides stark die Wahrscheinlichkeit definiert, daß ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche mit einem gegebenen Winkel trifft. Wenn die aktive Region eines LEDs aus vielen (nahezu) isotropen Emittern besteht, dann muß der Texturentwurf derart sein, daß Licht, das auf eine ebene Grenzfläche einfällt, wir kungsvoll über einen großen Winkelbereich transmittiert wer den muß, d. h., daß die Transmission an der geordneten Grenz fläche eine große Winkelbandbreite aufweisen muß. Wenn die Emission der aktiven Region anisotrop ist, d. h. bei Mikro hohlraumemission, sollte die geordnete Texturierung wir kungsvoll innerhalb der Winkelbandbreite transmittieren, die aus der anisotropen Emission und der Ausrichtung der Grenz fläche (n) resultiert.

Die Geometrie oder Form der LED-Struktur definiert die Win kellichtverteilung, die auf jede Grenzfläche trifft. In ei ner würfelförmigen Struktur könnte ein sinnvoller maximaler Einfallswinkel auf einer ebenen oberen Oberfläche tan^-1 (√2a/h) sein, wobei a die Breite des Würfels und h die Entfernung der aktiven Schicht zu der oberen Oberfläche ist (z. B. a = 0,254 mm = 10 Millizoll, h = 0,0508 mm = 2 Mil lizoll, Θ_max = 82°). Licht, das sich innerhalb des Grenz winkels an den Seitenoberflächen befindet, wird jedoch aus den Seitenoberflächen austreten, es gilt somit Θ_max = 90° - Θ_c = 63° ( für n_s = 3,3, n_e = 1,5). Folglich sollte die ge ordnete Texturierung derart entworfen sein, daß dieselbe wirkungsvoll über eine Winkelbandbreite von -63° < Θ < 63° transmittiert.

Zusätzlich sollte die dreidimensionale Natur der Winkel lichtverteilung berücksichtigt werden. Beispielsweise be trägt für einen isotropen Emitter unter einer planaren Grenzfläche der Prozentsatz des Lichts, das für |Θ|_i < 20° emittiert wird (1-cos20)/2 = 3%. Dies ist weniger, als für 20° < |Θ| < 40° emittiert wird, wo der Prozentsatz (cos20-cos40)/2 = 8.7% beträgt. Für 40° < |Θ| < 60° beträgt der Prozentsatz (cos40-cos60)/2 = 13.3%. Die geordnete Textu rierung der Grenzfläche kann, wenn dies gewünscht ist, ent worfen werden, um Licht wirkungsvoller bei größeren schiefen Winkeln auf Kosten von kleineren Winkeln zu transmittieren. Dies kann aufgrund des Kompromisses, der im allgemeinen zwi schen dem Beugungswirkungsgrad und der Winkelbandbreite in beugenden Strukturen inhärent ist, wichtig sein. Es kann folglich wünschenswert sein, daß Gitter auf einen maximalen Extraktionswirkungsgrad bei großen schiefen Winkeln (bei de nen der Großteil des Lichts einfällt), einzustellen.

Die aktive Schicht und die umgebenden Strukturen können ebenfalls die Winkellichtverteilung beeinflussen, die an ei ner Grenzfläche einfällt. Für eine dicke dämpfende aktive Schicht ist die Lichtemission bei größeren Werten von e auf grund der längeren möglichen Weglänge in der dämpfenden ak tiven Schicht weniger wahrscheinlich. Die Winkelbandbreite des Lichts, das an der oberen Oberfläche einfällt, würde relativ zu einem Bauelement mit einer dünnen aktiven Schicht oder einer aktiven Schicht mit hohem internen Quantenwir kungsgrad (hohe Wahrscheinlichkeit der Photonenrückgewin nung) verringert.

Bei Resonanzhohlraum-LED-Strukturen (siehe z. B., Schubert u. a., Science 265,943 [1994)] haben die aktive Schicht und der Hohlraumentwurf starke Auswirkungen auf die Winkellicht verteilung. Die aktive Schicht ist in einem kleinen verti kalen Hohlraum positioniert, der durch hochreflektierende Spiegel definiert ist, die reflektierende Metalle, dielek trische Verteilter-Bragg-Reflektor- (DBR-; DBR = Distribu ted-Bragg-Reflector) Stapel, oder Halbleiter-DBR-Stapel sein können. Wenn die aktive Schicht an einem Hohlraum-Feld schwingungsbauch positioniert ist und die DBR(s) auf maxi male Reflexion bei senkrechtem Einfall eingestellt sind, wird ein großer Teil des emittierten Lichts in einem engen Winkelbereich um 0° gehäuft. Wenn jedoch die aktive Schicht von einem Feldschwingungsbauch entfernt positioniert ist, oder der Hohlraum verstimmt ist, ist die Winkellichtver teilung auf einen engen Bereich von neben der Achse liegen den Winkeln begrenzt. Der Prozentsatz des gesamten emit tierten Lichts nimmt mit schieferen Winkel (relativ zu der oberen Oberfläche) für eine gegebene Winkellichtverteilung zu, wie es vorher dargelegt wurde. Wenn ein Anteil von 80% des nach oben emittierten Lichtes auf einen engen Bereich von Winkeln begrenzt werden könnte, für den eine geordnete texturierte Grenzfläche eine Transmission von 60% liefern könnte, würde der sich ergebende Aufwärtsextraktionswir kungsgrad 0,8 × 0,6 = 48% betragen.

Die besonderen Formen, Abmessungen und Anordnungen der ge ordneten Texturierung, die für ein optimales Verhalten not wendig sind, sind anwendungsabhängig. Eine Merkmalsform kann ein kegelförmiger Vorstand oder eine kegelförmige Ver tiefung sein. Eine typische geordnete Anordnung kann ein quadratisches, rechteckiges oder hexagonal-eng-gepacktes (HCP-; HCP = Hexagonal-Close-Packed) Array sein. Diese An ordnungen sind in den Fig. 5a-c dargestellt, von denen jede eine Draufsicht einer geordneten texturierten Grenzfläche zeigt. Die periodischen Beabstandungen sind vorzugsweise vergleichbar oder kleiner als eine Wellenlänge des Lichts in dem Bauelement. Querschnittsprofile der texturierten Grenz fläche zeigen Spitzen und Täler gemäß den Vorständen oder Vertiefungen und die Ausdehnung jedes einzelnen Merkmals entlang der Ebene der Grenzfläche, die durch die Halbwerts breiten- (FWHM-; FWHM = full-width-at-half-maximum = Halb wertsbreite) Höhe oder Tiefe derselben definiert ist. Die selbe kann jedoch ebenfalls mit einigen Vielfachen ver gleichbar oder kleiner als die Lichtwellenlänge in dem Bau element sein. Die maximale Höhe oder Tiefe eines Vorstands oder einer Vertiefung kann vergleichbar zu einer oder eini gen Lichtwellenlängen in dem Bauelement sein. Die Beabstan dung der geordneten Struktur ist Wellenlängen-abhängig. Es ist daher wesentlich die elektromagnetische Phasenanpas sungsbedingung an der Grenzfläche optimal zu verändern, um die Gesamtleistung zu erhöhen, die in den Raum transmittiert wird. Die Ausdehnung und die Tiefe der topologischen Merk male der Struktur bewirken die Effizienz der Phasenbe dingungsveränderung, daß Licht transmittiert wird. Die Struktur kann ferner "gechirpt" oder auf andere Art und Wei se bezüglich ihrer einzelnen topologischen Merkmal-Größen und/oder -Formen verteilt sein, um die gesamte optische Transmission und die Bauelementsleistung zu maximieren.

Es seien zum Beispiel LEDs für sichtbare Wellenlängen be trachtet, bei denen λ ≈ 400-700 nm ist. In diesem Fall zeigt die geordnete Texturierung für die Grenzfläche, die in Fig. 4 beschrieben ist, eine Quadrat- oder HCP-Anordnung. Die Merkmale haben potentiell eine Ausdehnung von 0,1-0,9 µm und sind mit 0,1-5,0 µm beabstandet, und zwar mit Merk malstiefen in der Größenordnung von 0,2-15,0 µm. Die Periode oder Beabstandung muß kurz genug sein, um Licht bei großen schiefen Winkeln in den Raum zu koppeln. Für typische LED-Strukturen für sichtbare Wellenlängen beträgt die Peri ode weniger als 1,0 µm. Die maximale Tiefe der Merkmale kann 0,5 µm oder größer sein, um höhere Extraktionswirkungsgrade zu erreichen. Da die interessierenden Grenzflächen zwei dimensional sind, muß die Gitterstruktur zweidimensional sein und nicht eindimensional wie ein einfaches Gitter.

Ein herkömmliches lichtemittierendes Halbleiterbauelement ist in Fig. 6 gezeigt. Dasselbe weist epitaktische Halb leiterschichten (1) auf, die eine aktive Region mit einem p-n-Übergang (2) auf einem Substrat (3) mit elektrischen Kontakten (4), die zur Strominjektion geschaffen sind, ent halten. Die elektrischen Kontakte sind, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche des Bauelements geschaffen, es ist jedoch mög lich, beide Kontakte auf eine Seite des Bauelements zu set zen, um den Lichtextraktionswirkungsgrad aus der anderen Seite zu erhöhen. In diesem letzteren Fall muß das Substrat (3) weder leitfähig noch ein Halbleiter sein, vorausgesetzt, daß die epitaktischen Schichten (1) auf das Substrat aufge wachsen oder an demselben auf eine zufriedenstellende Art und Weise befestigt werden können.

Die Fig. 7a-c stellen Prozeßablaufschritte zum Texturieren der oberen Oberfläche eines lichtemittierenden Bauelements dar. Ein elektro- oder photosensitiver Dünnfilm (5) wird an der Oberseite des Bauelements (Fig. 7a) angebracht. Der Film wird unter Verwendung einer Elektronenstrahllithographie, einer Laserstrahlinterferenz oder von UV-Strahlung etc. be lichtet, wonach die gewünschte Struktur (6) entwickelt wird (Fig. 7b). Nach dem Entwickeln schützt die verbleibende mas kierende Struktur Bereiche des Bauelementsmaterials vor ei nem folgenden Ätz- oder Fräsprozeß (z. B. einem Ionenfräsen, einem reaktiven Ionenätzen, einem naßchemischen Ätzen, einem elektrochemischen Ätzen, einem photochemischen Ätzen, einem chemisch unterstützten Ionenstrahlätzen oder einer Kombina tionen davon, etc.), um eine gewünschte Struktur (7) in das Bauelementsmaterial zu übertragen, wonach die maskierende Schicht (6) entfernt wird (Fig. 7c). Der Metallkontakt dient als eine Maske gegen den Ätz- oder Fräsprozeß und wird sel ber nicht texturiert. Der photosensitive maskierende Film (5) kann durch Verwenden einer selbststrukturierenden Ätz technik (z. B. dem photoelektrochemischen Ätzen, einem lo kalen Laserschmelzen und einem selektiven Ätzen von ge schmolzenen Regionen, etc.) beseitigt werden, wobei der che mische, mechanische oder elektrische Zustand des Bauele mentsmaterials gemäß der Struktur verändert wird und an schließend oder gleichzeitig Material selektiv entfernt wird, um eine geordnet texturierte Grenzfläche zu erzeugen.

Alternativ wird ein dielektrischer maskierender Film oder ein anderer Dünnfilm (Metall, Polymer, etc.) vor dem pho tosensitiven Film aufgebracht. Der Typ und die Dicke dieser Maske wird derart gewählt, um das notwendige Ätzverhältnis zwischen dem maskierenden Material und dem Bauelements material zu erreichen, um eine tief geätzte Texturierung zu erreichen, die für eine optimale Lichtextraktion erwünscht sein kann. Zusätzlich kann dieser Film ein Teil des fertigen Bauelements sein, da derselbe eine geeignete transparente Fensterschicht ist, die texturiert werden kann, um die Lichtextraktion in den Raum zu verbessern. Dies kann nüt zlich sein, wenn der Index des Dielektrikums größer als der selbe des Raums ist, da die resultierende Struktur eine Ver größerung des wirksamen Austrittskegels aus dem Bauelement schafft.

Fig. 8 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, bei dem die obere und die rückseitige Oberfläche eines Bauelements mit transparentem Substrat texturiert sind. Da die aktive Region typischerweise bei der Emissionslänge stark dämpft, ist die rückseitige Oberfläche texturiert, um das Licht, das von der rückseitigen Oberfläche zu den Seiten des Bauele ments hin reflektiert wird, umzulenken, um einen zweiten Durchlauf durch die aktive Region und den Oberseitenmetall kontakt zu vermeiden. Die Texturierung der oberen und un teren Oberfläche kann unterschiedlich sein, da das Licht an beiden Seiten unterschiedlich umgelenkt wird. Im Fall eines Bauelements mit einer dünnen aktiven Schicht oder eines Bau elements mit hohem internen Quantenwirkungsgrad (< 80%), bei dem eine kleine Dämpfung in dieser Schicht auftritt, kann die Textur der unteren Oberfläche statt dessen entworfen wer den, um Licht in einen Austrittswinkel der oberen Oberfläche zu lenken.

Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die Rück seitenmetallkontakte auf die texturierte Oberfläche gesetzt sind. Alternativ können die Vorderseiten- und/oder Rücksei tenkontakte außerhalb der texturierten Regionen angebracht sein. In dem Fall von Fig. 9 bietet die Wellung der Rücksei tenmetallkontakte (9) einen vergrößerten Oberflächenbereich für eine gegebene Kontaktabmessung an, wodurch diese Kontak te einen verringerten elektrischen Widerstand im Vergleich zu ebenen Kontakten der gleichen Abmessung zeigen. Die ge wellten Kontakte können relativ zu den ebenen Kontakten bei einem gleichen Kontaktwiderstand kleiner dimensioniert sein. Sie können weniger dämpfend als herkömmliche ebene Kontakte sein, da die Wellung als eine wirkungsvolle reflektierende oder beugende Barriere für das einfallende Licht dienen kann. Die Strukturierung in den Kontaktregionen kann un abhängig von der Strukturierung auf dem Rest der Bauele mentsgrenzflächen für erhöhte TIR- oder Fresnel-Reflexion in den Kontaktregionen optimiert werden, um die Dämpfung an den Kontakten zu verringern. Die optimale Strukturierung in die sen Regionen kann ähnlich zu der optimalen Strukturierung anderer Regionen des Bauelements sein oder nicht.

Fig. 10 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, das eine makros kopische Formung und eine Grenzflächentexturierung kombi niert. Die Grenzflächentexturierung ist an einer oder sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite eines kegel stumpfförmigen lichtemittierenden Bauelements geschaffen. Dieses Bauelement mit einem transparenten Substrat wird be züglich zu dem Bauelement von Fig. 9 verkehrt herum ange bracht, um die Extraktionsgewinne auszunützen, die mittels des dicken kegelförmigen Fensters geschaffen sind. Die Tex turierung kann auf der Rückseite durchgeführt und entworfen werden, um Licht auf die Seiten des Bauelements umzulenken, um das Durchlaufen desselben durch die dämpfende aktive Re gion zu vermeiden. Alternativ können sowohl die Oberseiten als auch die Rückseitenmetallkontakte gewellt oder "flach" sein. Das kegelförmige Fenster trägt dazu bei, um einen großen Teil des Lichts, das von der aktiven Region emittiert wird, auf die obere Oberfläche mit nahezu senkrechtem Ein fall auf derselben umzulenken. Dies verringert die Winkel bandbreite des Lichts, das an der oberen Oberfläche ein fällt, und ermöglicht einen wirkungsvolleren Texturierungs entwurf, da im allgemeinen ein Kompromiß zwischen dem Beu gungswirkungsgrad und der Bandbreite in beugenden Strukturen besteht. Der umgekehrte Fall tritt ebenfalls auf, bei dem eine Vergrößerung des wirksamen Austrittskegels an der oberen Oberfläche (aufgrund der Texturierung) lockere Ent wurfseinschränkungen beim Chip-Formen ermöglichen kann, was zu weniger aufwendigen Entwürfen führt. Die Texturierung der oberen Oberflächen schafft eine maximale Lichtextraktion bei der interessierenden Wellenlänge und den interessierenden Winkeln, während die Kontaktbereichstexturierung entworfen sein kann, um die Reflektivität zu maximieren, um die Dämp fung an den Metallkontakten zu verringern.

Fig. 11 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, das die geord nete Grenzflächentexturierung mit dem Chipformen kombiniert. Es wird, wegen der Ähnlichkeit derselben zu einer Halbkugel, eine Pyramidenstumpfform ausgewählt. Es wird eine Texturie rung auf mindestens einer der freiliegenden Oberflächen ge schaffen. Vorzugsweise wird dies an abgeschrägten Seiten (10) des Bauelements sowie an der Oberseite und Unterseite durchgeführt, um den Fresnel-Verlust zu verringern und den Extraktionswirkungsgrad zu erhöhen. Das Strukturieren auf den abgeschrägten Oberflächen (10) wird am besten durch be rührungsfreie Strukturierungstechniken bewirkt, wie z. B. dem photochemischen Ätzen unter Verwendung eines Lasers. Zu sätzliche Variationen können ebenso bestimmte Typen von ge ordneten Texturierungen an den äußersten Kanten eines Bau elements umfassen, um die Emissionsstrukturen zu verändern, und/oder um den Extraktionswirkungsgrad weiter zu erhöhen.

Fig. 12 stellt ein Bauelement mit einer geordneten textu rierten Grenzfläche nahe der aktiven Schicht dar. Eine transparente Fensterschicht (12) ist an der texturierten Grenzfläche befestigt. Diese Fensterschicht kann geschaffen sein, um die Stromausbreitung von dem Oberseitenkontakt für eine gleichmäßige Injektion in die aktive Schicht zu er höhen. Die geschichtete oder "gesandwichte" Grenzfläche zwi schen der Fensterschicht und der texturierten Grenzfläche würde normalerweise aus Leerräumen (13) bestehen, diese Leerräume können jedoch mit einem geeigneten Material (z. B. einem Dielektrikum, einem Halbleitermaterial, einem Eigen oxid) vor der Fensterschichtbefestigung gefüllt werden, um eine strukturelle Integrität zu schaffen, und um die gegen wärtige Strompumpgeometrie des Bauelements vorteilhaft zu modifizieren. Die Texturierung und die Wahl des mehrschichtigen oder "gesandwichten" Materials sollten derart gewählt werden, um die elektrischen und optischen Charakteristika des Bauelements für die interessierende Anwendung zu optimieren. Die Nähe der geordneten Textu rierung zu der aktiven Schicht kann verbesserte Licht emissionscharakteristika zur Folge haben, wobei Licht ge zwungen wird, nach oben aus der aktiven Schicht zu emit tieren, und zwar mit einem nahezu senkrechten Einfall auf der oberen Oberfläche. Bei diesem letzteren Fall sollte das Gitter innerhalb von ≈ 5 λ und vorzugsweise innerhalb von weniger als ≈ 2 λ bezüglich der aktiven Region plaziert sein. Das Gitter kann ebenfalls unterhalb der aktiven Schicht plaziert sein, um Licht nach oben oder vorzugsweise zu den Kanten des LEDs hin umzulenken.

Fig. 13 zeigt ein LED mit einer Resonanzhohlraum- (RC-; RC = Resonant Cavity) Struktur (20), die aus einer aktiven Region (2), die zwischen zwei DBR-Spiegelstapeln (22A, 22B) ge schichtet ist, besteht. Der Hohlraum wird verstimmt, um eine anisotrope Emission aus der aktiven Schicht (eine neben der Achse liegende Emission) zur Folge zu haben. Die geordnete texturierte obere Oberfläche ist entworfen, um dieses Licht effizient in den Raum hinaus zu koppeln. Wenn das Bauelement auf einem transparenten Substrat angebracht wird, kann die untere Oberfläche texturiert werden, um vorzugsweise das Licht in Austrittskegel an den Seiten des Bauelements zu lenken. Zusätzlich können die texturierten Grenzflächen statt dessen in dem Bauelement an Grenzflächen, die näher bei der aktiven Region liegen, eingebettet sein.

Fig. 14 zeigt ein RCLED, bei dem eine Seite des Hohlraums (20) durch einen Hochreflexionsmetallspiegel (24) definiert ist und die andere Seite ein DBR-Stapel (22) ist. Das Bau element ist mit dem (transparenten) Substrat nach oben an geordnet. Der Hohlraum wird für eine neben der Achse lie gende Emission verstimmt und die obere Oberfläche wird tex turiert, um ein wirkungsvolles Koppeln der Emission in den Raum zu schaffen. Zusätzlich können die RCLED-Bauelemente der Fig. 13 und 14 (zusätzlich zu der Texturierung) geformt werden, um das Licht aus der neben der Achse liegenden Emis sion optimal auszukoppeln.

Claims

1. Lichtemittierendes Bauelement, mit folgenden Merkmalen:
einem Bauelement, das folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (3),
eine p-n-Übergangsregion (2) mit mehreren Schichten, wobei Teilsätze der mehreren Schichten eine entge gengesetzte Polarität aufweisen, derart, daß ein p-n-Übergang gebildet ist, wobei sich eine der Schich ten neben dem Substrat befindet,
eine transparente Fensterschicht, die neben der p-n-Übergangsregion positioniert ist, und
elektrische Kontakte (4), die mit der p-n-Übergangs region verbunden und wirksam sind, um den p-n-Über gang in Flußrichtung vorzuspannen; und
einer primären Grenzfläche (7, 8, 11), die in dem Bau element positioniert ist, die mit sich wiederholenden Merkmalen in mindestens einer ausgewählten Richtung texturiert ist, die eine zugeordnete Periodizität in jeder der ausgewählten Richtungen aufweist, um die Lichtextraktion zu erhöhen, und innerhalb einer Periode ein Querschnittsprofil aufweist, das mindestens einen Berg und mindestens ein Tal aufweist.

2. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die primäre Grenzfläche sich wiederholende Merkmale in mindestens zwei ausgewählten Richtungen aufweist, die identische Periodizitäten aufweisen.

3. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die primäre Grenzfläche sich wiederholende Merkmale aufweist, die ein rechteckiges Array bilden.

4. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die primäre Grenzfläche sich wiederholende Merkmale aufweist, die eine hexagonal eng gepackte Struktur aufweisen.

5. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, bei dem die maximale Berg-zu-Tal-Tiefe zwischen 0,2 und 15 µm liegt.

6. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, bei dem die Periodizitäten zugeordne te Perioden zwischen 0,1 und 5,0 µm aufweisen.

7. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, bei dem sich das Tal innerhalb von zwei Mikrometern bezüglich der p-n-Übergangsregion be findet.

8. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche 1, bei dem die Berge und Täler des Querschnittsprofils der primären Grenzfläche eine Halb wertsbreite von 10-90% einer Periode der texturierten Anordnung aufweisen.

9. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche 1, bei dem ein Teil der primären Grenzfläche elektrisch leitend ist.

10. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, das ferner einen metallischen Film an einem Teil der primären Grenzfläche aufweist.

11. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, bei dem mindestens ein gewisser Teil des Tals mit einem Material ausgefüllt ist, das einen Brechungsindex von weniger als 2,0 aufweist.

12. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 11, bei dem:
das Material, das einen Brechungsindex von weniger als 2,0 aufweist, ein dielektrisches Material ist; und
das Bauelement ferner eine Schicht aus Metall aufweist, die über dem dielektrischen Material positioniert ist.

13. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, das ferner folgende Merkmale auf weist:
N sekundäre Grenzflächen (10) (wobei N 1 gilt), die in dem Bauelement positioniert sind, wobei jede der sekundären Grenzflächen mit sich wiederholenden Merk malen in mindestens einer ausgewählten Richtung tex turiert ist, eine Periodizität in jeder ausgewählten Richtung aufweist, um die Lichtextraktion zu erhöhen, und innerhalb jeder Periode ein Querschnittsprofil auf weist, das mindestens einen Berg und mindestens ein Tal aufweist.

14. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 13, bei dem mindestens eine der N sekundären Grenzflächen und die primäre Grenzfläche unterschiedliche Querschnitts profile aufweisen.

15. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 13 oder 14, bei der mindestens eine der N sekundären Grenz flächen und die primäre Grenzfläche mit unterschied lichen Periodiziäten texturiert sind.

16. Verfahren zum Herstellen einer texturierten Grenzfläche für ein lichtemittierendes Bauelement, mit folgenden Schritten:
Übertragen mindestens einer Struktur auf mindestens eine Grenzfläche des Bauelements, wobei jede Struktur sich wiederholende Merkmale aufweist, die eine Perio dizität in mindestens einer ausgewählten Richtung auf weisen; und
Entfernen eines bestimmten Teils des Bauelementmate rials gemäß der Struktur, um eine Grenzfläche zu er zeugen, die mit den sich wiederholenden Merkmalen mit einer Periodizität in mindestens einer Richtung textu riert ist.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schritt des Übertragens der Struktur folgende Schritte aufweist:
Aufbringen einer Schicht aus Photolack über die Grenz fläche des Bauelements;
Belichten eines Teils der Schicht aus Photolack, um die Struktur zu erzeugen; und
Entfernen der nicht strukturierten Regionen des Photo lacks, um die Maskierungsschicht zu erzeugen.

18. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Übertragen der Struktur folgende Schritte aufweist:
Aufbringen einer Schicht aus dielektrischem Material über die Grenzfläche des Bauelements; und
Aufbringen einer Schicht aus Photolack über die Schicht aus dielektrischem Material;
Belichten eines Abschnitts der Schicht aus Photolack, um die Struktur zu erzeugen;
Entfernen der nicht strukturierten Regionen des Photo lacks; und
Ätzen der Schicht aus dielektrischem Material gemäß der Struktur.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, das fer ner den Schritt des Ausfüllens zumindest des bestimmten Teils der Grenzfläche unter Verwendung eines Materials mit einem Brechungsindex von weniger als 2,0 aufweist.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, das fer ner den Schritt des Anbringens von elektrischen Kontak ten an der Grenzfläche aufweist.

21. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schritt des Übertragens der Struktur den Schritt des Modifizierens des Zustands des Bauelementmaterials gemäß einer Struk tur aufweist, wobei die Struktur sich wiederholende Merkmale aufweist, die eine Periodizität in mindestens einer Richtung aufweisen.

22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Schritt des Modifizierens und der Schritt des Entfernens gleichzei tig durchgeführt werden.