DE3532821A1 - Leuchtdiode (led) mit sphaerischer linse - Google Patents
Leuchtdiode (led) mit sphaerischer linseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leuchtdiode
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt, in der optischen Nachrichtentechnik licht
emittierende Halbleiterdioden, sog. Leuchtdioden (LED) in
Verbindung mit Glasfasern zu verwenden. Von einer
derartigen Leuchtdiode wird die in ihr erzeugte Strahlung
im allgemeinen in alle Richtungen oder zumindest mit einem
sehr großen Öffnungswinkel abgestrahlt. Um möglichst große
Lichtleistung der Leuchtdiode in eine vorgesehene Glas
faser einkoppeln zu können, ist es üblich, die Leuchtdiode
mit einer sphärischen Linse zur Strahlungsbündelung zu
versehen.
Eine hier in Frage kommende Leuchtdiode hat einen Halblei
terkörper. Gegebenenfalls besteht dieser aus einem
Substratkörper und auf einer seiner Oberflächen aufge
brachten einen oder mehreren Epitaxieschichten. Die
eigentliche lichtemittierende Zone hat die Form eines
Fleckes. Die vorgesehene sphärische Linse, insbesondere
eine Kugellinse, ist an dem Halbleiterkörper bzw. Substrat
körper derart justiert angebracht, daß der Brennpunkt
der Linse und diese fleckförmige Zone der Leuchtdiode
- wie bekannt - nahe beieinander liegen. Eine bevorzugte
Maßnahme, diese sphärische Linse an dem Halbleiterkörper
zu befestigen, ist das Aufkleben der Linse. Es ist sehr
aufwendig, jedoch notwendig, zu gewährleisten, daß sich
die Linse in zentrierter Lage in bezug auf die den
Leuchtfleck bildende Zone befindet.
Bei der Maßnahme des Aufklebens der Linse bedarf es nicht
nur einer sehr sorgfältigen Manipulation der Linse in
bezug auf den Leuchtfleck, wobei dies z. B. durch Beobach
tung mit Hilfe einer Lupe kontrolliert wird, sondern es
muß auch dafür Sorge getragen sein, daß ein seitliches
Verschieben der Linse auf der Oberfläche des Halbleiter
körpers bzw. Substratkörpes ausbleibt.
Nur mit entsprechendem Aufwand konnte dies bisher be
wältigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzu
geben, mit deren Hilfe das justierte Befestigen der Linse
am Halbleiterkörper der Leuchtdiode wesentlich vereinfacht
ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Leuchtdiode mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst und die Verfahrensansprüche
geben vorteilhafte Ausführungen der Herstellung an.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde zu erreichen, daß
im Laufe des Anbringens der sphärischen Linse bzw. Kugel
linse auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers der Leucht
diode ein selbstjustierender Effekt eintritt. Erfindungs
gemäß ist dies erreicht dadurch, daß man an dem Halb
leiterkörper die eine Oberfläche mit einem kreisförmigen
Mesa ausbildet. Dieser Mesa hat einen Mesadurchmesser, das
ist der Durchmesser der eigentlichen Mesa-Oberfläche, der
so bemessen ist, daß er bezogen auf den Durchmesser der
Linse vergleichbare Größe hat, vorzugsweise kleiner oder
zumindest nicht wesentlich größer als dieser Linsendurch
messer ist. Diese Bemessung gewährleistet, daß die bei
noch viskosem Klebstoff auf der Mesaoberfläche aufgebrachte
sphärische Linse aufgrund der Oberflächenspannungen des
viskosen Klebstoffes selbstjustiert in der Mitte des
Mesas gehalten wird, und zwar dies bis zum endgültigen
Aushärten des Klebstoffs. Zu großer Durchmesser der Mesa
oberfläche würde zu weniger exakter Selbstjustierung
führen und zu kleiner Durchmesser schränkt in unnot
wendigerweise die Durchtrittsöffnung des Halbleiterkörpers
für den Übergang der Strahlung von dem Leuchtfleck in die
Linse sein. Die erfindungsgemäße Anpassung des Durchmessers
des Mesas und der Linse zueinander ist für die Erfindung
wichtig, jedoch für den Fachmann nach Kenntnisnahme der
vorliegenden Erfindung für den Einzelfall dann problemlos
anzugeben. Der Mesa hat eine Höhe, die wenigsens so groß
ist, daß der verwendete Klebstoff zumindest nicht wesent
lich solche Oberflächenteile des Halbleiterkörpers benetzt,
die schon seitlich des eigentlichen Mesas liegen. Der
Einfachheit halber ist der Mesa auf der einen Oberfläche
des Halbleiterkörpers ausgebildet, die derjenigen
Oberfläche dieses Halbleiterkörpers gegenüberliegend ist,
in deren Nähe sich die schon oben erwähnte Zone des
Leuchtfleckes befindet. Erforderlich ist hierfür, daß der
Halbleiterkörper für die in der Zone erzeugte und
emittierte Strahlung wenigstens weitgehend durchlässig
ist. Insbesondere für Infrarot-Leuchtdioden ist dies
übliche Praxis des Aufbaues einer derartigen Diode.
Der an dem Halbleiterkörper erzeugte Mesa ist, bezogen auf
die Zone des Leuchtfleckes, exakt justiert plaziert. Einen
derartigen Mesa herzustellen ist halbleitertechnologisch
kein Problem. Insbesondere erfolgt die Herstellung des
Mesas durch Ätzen nach vorheriger fotolithografischer
Positionierung. Es kann dabei die Lichtemission des
Leuchtfleckes herangezogen werden, wodurch sich der foto
lithografische Prozeß besonders vereinfachen läßt.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach
folgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung
hervor.
Fig. 1 und 2 zeigen eine bekannte Anordnung.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Diode.
Fig. 4 zeigt den Halbleiterkörper vor Fertigstellung
der Diode nach Fig. 3.
Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Herstellungsverfahren
und
Fig. 6 zeigt eine Einrichtung zu Fig. 5.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in Aufsicht und Seitenansicht
eine bekannte Leuchtdiode mit Kugellinse. Mit 1 ist der
Halbleiterkörper bezeichnet, der insbesondere aus einem
Substratkörper 2 und einer epitaktisch darauf aufge
brachten Schicht 3 besteht. Die Zone des Leuchtfleckes ist
mit 4 bezeichnet.
Auf der der epitaktischen Schicht 3 gegenüberliegenden
Oberfläche 5 des Halbleiterkörpers 1 bzw. Substratkörpers
2 befindet sich eine Kugellinse 6, die der bekannten
Strahlungskonzentration dient. Mittels des Klebers 7 ist
diese Linse 6 auf der Oberfläche 5 befestigt. Bekannter
maßen sind die Abmessungen so getroffen, daß bei ge
gebenem oder ausgewähltem Brechungsindex des Materials der
Kugellinse 6 der Abstand des Leuchtfleckes 4 von der Ober
fläche 5 und der Halbmesser der Linse so aufeinander abge
stimmt sind, daß der Brennpunkt die gewünschte bzw. be
kanntermaßen vorgegebene Lage zum Leuchtfleck 4 hat.
Aus den Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß dort die
Kugellinse 6 nicht exakt zum Leuchtfleck 4 justiert ist.
Dies kann auf nicht genügend genauem Aufbringen der Kugel
linse 6 auf der Oberfläche 5 und/oder auf nachträglichem
Verziehen des aushärtenden Klebers 7 beruhen. Die Folge
einer solchen Fehljustierung ist, daß die mit 8 bezeichne
te Hauptabstrahlrichtung dieser Leuchtdiode mit Kugellinse
schräg zur Diode (z. B. zur Oberfläche 5) ist. Dies er
schwert späteren Einbau und Justierung der bekannten
Leuchtdiode in einem für diese Leuchtdiode vorgesehenen
nachrichtentechnischen Gerät.
Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Leuchtdiode 10 mit
einer Kugellinse 6. Bei der Diode 10 ist der Halbleiter
körper mit 11 bezeichnet. Insbesondere kann dies wiederum
ein Substratkörper 12 mit darauf befindlicher Epitaxie
schicht 13 sein. Der Leuchtfleck ist wiederum mit 4 be
zeichnet.
Wie ersichtlich unterscheidet sich der Halbleiterkörper 11
bzw. Substratkörper 12 vom Halbleiterkörper 1 dadurch, daß
die Oberfläche 15 desselben einen Mesa 25 besitzt. Dieser
Mesa 25 ist kreisförmig bzw. hat eine kreisförmige Ober
fläche 26. Mit 7 ist wiederum der Klebstoff bezeichnet,
mit dem die Kugellinse 6, bei der Erfindung jedoch an der
Mesaoberfläche 26 befestigt ist. Mit 80 ist die exakt aus
gerichtete Achse der Abstrahlung angegeben.
Wie auch aus der Fig. 3 ersichtlich ist, ist der Durch
messer d 26 der Mesaoberfläche 26, bezogen auf den Durch
messer d 6 der Kugellinse 6, vergleichbar groß und vor
zugsweise etwas kleiner als letzterer. Es empfiehlt sich,
d 26 zwischen 1,2 · d 6 und 0,5 · d 6, vorzugsweise zwischen
0,7 und 0,9 · d 6 zu wählen. Diese Abmessungsrelation
gewährleistet eine exakt justierte Lage der Kugellinse 6
bezogen auf den Leuchtfleck 4 der Diode 10 und optimal
große Durchtrittsöffnung für die Strahlung des Leucht
flecks 4 in die Linse 6.
Die Herstellung von Mesa-Ausführungen eines Halbleiter
körpers bzw. Substratkörpers ist an sich bekannt. Dies er
folgt auf fotolithografischem Wege mittels Ätzens. Die
Technologie der Fotolithografie und des Ätzens ist für die
Halbleitertechnik auf hohem Niveau und für den Fachmann
als solche auch geläufig. Die Mesaoberfläche 26 bzw. der
Mesa 25 ist bezogen auf den Leuchtfleck 4 genau justiert
ausgeführt, ohne daß dies für das Herstellungsverfahren
des Mesa Probleme aufwirft. Insbesondere kann die Strah
lungsemission des Leuchtflecks 4 im fotolithografischen
Verfahren der vorzusehenden Maskierung zu einer selbst
justierenden Maskierung herangezogen werden.
Der Mesa 25 bildet einen Sockel mit kreisförmiger Ober
fläche, auf der infolge der Oberflächenspannung des noch
viskosen Klebers zentrierte Lage der aufgebrachten Kugel
linse gewährleistet wird. Allerdings ist darauf zu achten,
daß die Klebstoffmenge wohl dosiert begrenzt ist, so daß
der Klebstoff im wesentlichen nur die Mesaoberfläche 26
benetzt. Entweder die Kugellinse 6 oder die Mesaoberfläche
26 wird vor dem Aufkleben der Kugellinse mit dem Kleb
stoff benetzt. Die auf die Mesaoberfläche 26 aufgesetzte
Kugellinse 6 bleibt dann auch beim Aushärten in ihrer zen
trierten Lage auf dieser Mesaoberfläche 26 und keine
wesentliche Klebstoffmenge gelangt auf die Flankenfläche
des Mesa.
Aus den voranstehenden Ausführungen gehen bereits die er
forderlichen Hinweise für die Durchführung der Herstellung
hervor. Insbesondere eignet sich aber eine Diode 10 nach
dem Prinzip der Erfindung dafür, in großer Anzahl in inte
griertem Herstellungsverfahren erzeugt zu werden. Mit
einem solchen integrierten Verfahren lassen sich gleich
zeitig auf einer Vielzahl von vorbereiteten Leuchtdioden
die zugehörigen Kugellinsen in einem Arbeitsgang aufbrin
gen. Dabei sind die Dioden noch Anteile einer Wafer-Schei
be, die erst nachträglich in die einzelnen Dioden zu zer
teilen ist.
Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt
einer Wafer-Scheibe 51 aus einem Halbleitermaterial, wie
es auch für die Körper 1 und 11 verwendet ist. Auf der
Oberfläche 55 des Wafers 51 erkennt man eine Anzahl Mesa
25, die vorzugsweise regelmäßig verteilt sind. Herge
stellt sind diese Mesa 25 durch bereits oben erörtertes
fotolithografisches und ätztechnisches Verfahren. Die
Fig. 5 zeigt den Wafer 51 in dem Zustand, in dem die
jeweilige Mesaoberfläche 26 bereits mit Klebstoff 7 ver
sehen ist. Dies ist vorteilhafterweise dadurch erfolgt,
daß man diese Mesaoberflächen 26 mit einem Klebstoff
film 56 in Kontakt gebracht hat, der sich auf einer Träger
platte 57 befindet, die in der Fig. 5 oberhalb der Wafer-
Scheibe 51 angeordnet dargestellt ist. Durch diese Be
rührung der Wafer-Scheibe 51 mit ihren Mesaoberflächen 26
mit dem Kleberfilm 56 erfolgt eine entsprechende Über
tragung des Klebstoffes 7.
Fig. 6 zeigt eine Verfahrensmaßnahme der Anbringung der
Kugellinsen 6 auf den Mesaoberflächen 26 des Wafers 51. Es
ist eine Unterdruckvorrichtung 61 vorgesehen, in deren
Öffnungen 62 die Kugellinsen 6 durch Ansaugen gehalten
sind. Das zweidimensionale Raster dieser Einrichtung 61
ist gleich dem Raster der Meseten 25 der Wafer-Scheibe 51.
Durch miteinander in Kontakt bringen der Einrichtung 61
und der Wafer-Scheibe 51 erfolgt das Aufsetzen der
Kugellinsen 6 auf die Mesaoberflächen 26, d. h. das Ein
drücken der Kugellinsen 6 in den jeweiligen Klebstoff
7. Es sei darauf hingewiesen, daß der Klebstoff in der
Fig. 5 sinngemäß entsprechender Weise auch auf den
Kugellinsen 6 in der Einrichtung 61 in gleicher Menge
aufgebracht sein kann.
Nach Unterbrechen des Unterdrucks in der Einrichtung 61
und Entfernen der Einrichtung 61 verbleiben die Kugel
linsen 6 auf der jeweiligen Mesaoberfläche 26. Wegen der
erfindungsgemäß vorgesehenen Meseten 25 bedarf es bei der
Erfindung und insbesondere bei diesem integrierten Ver
fahren keiner besonderen zusätzlichen Justierung der
Kugellinse auf der jeweiligen Leuchtdiode 10 a, 10 b, 10 c
usw. Diese einzelnen Leuchtdioden 10 a . . . erhält man,
indem man nach bekanntem Verfahren die Wafer-Scheibe 51,
insbesondere nach Anritzen, an den gestrichelten Linien
zerteilt.
Nachfolgend soll noch ein Bemessungsbeispiel angegeben
sein. Ein rechteckiger Halbleiterkörper 11 hat z. B. die
Kantenabmessungen 250 µm und 150 µm. Die etwas längliche
Form vorzusehen empfiehlt sich zum Zwecke des leichteren
Anbondens der Zuleitungen. Für eine solche Diode hat die
Kugellinse 6 einen Durchmesser von etwa 100 µm. Der Mesa
durchmesser d 26 der Mesaoberfläche 26 wird auf etwa 50 bis
120 µm, insbesondere 70 bis 90 µm bemessen. Diese ent
spricht dem oben angegebenen Kriterium und gewährleistet
die erfindungsgemäße Selbstjustierung. Die Höhe des Mesa 25
beträgt z. B. 20 µm bei z. B. 60 µm Dicke des Halbleiterkör
pers 11 außerhalb des Bereichs des Mesa 25. Die Leuchtzone
bzw. der Leuchtfleck 4 befindet sich einige µm entfernt von
der Oberfläche 13.
Claims (8)
1. Leuchtdiode (LED) mit zur Strahlungskonzentration daran
mittels Klebstoff befestigter sphärischer Linse,
wobei diese Leuchtdiode einen Halbleiterkörper mit einer
Leuchtzone umfaßt, die die Form eines Fleckes hat und wobei
sich diese Leuchtzone näher der einen Oberfläche des Halb
leiterkörpers befindet,
gekennzeichnet dadurch,
- daß die andere, gegenüberliegende Oberfläche (15) des Halbleiterkörpers (11) einen kreisförmigen Mesa (25) mit einer Mesaoberfläche (26) umfaßt, wobei diese Mesaoberfläche (26) der Leuchtzone (4) der Diode (10) zentriert gegenüberliegend justiert positioniert ist,
- daß der Mesadurchmesser (d 26) bezogen auf den Durchmesser (d 6) der Linse (6) vergleichbar groß bemessen ist und
- daß die sphärische Linse (6) auf der Mesaoberfläche (26) angeordnet ist.
- daß die andere, gegenüberliegende Oberfläche (15) des Halbleiterkörpers (11) einen kreisförmigen Mesa (25) mit einer Mesaoberfläche (26) umfaßt, wobei diese Mesaoberfläche (26) der Leuchtzone (4) der Diode (10) zentriert gegenüberliegend justiert positioniert ist,
- daß der Mesadurchmesser (d 26) bezogen auf den Durchmesser (d 6) der Linse (6) vergleichbar groß bemessen ist und
- daß die sphärische Linse (6) auf der Mesaoberfläche (26) angeordnet ist.
2. Leuchtdiode nach Anspruch 1, gekennzeich
net dadurch, daß der Mesadurchmesser (d 26)
der Mesaoberfläche (26) zwischen etwa dem 1,2- bis 0,5fachen
des Durchmessers (d 6) der Linse (6) bemessen ist.
3. Leuchtdiode nach Anspruch 1, gekennzeich
net dadurch, daß der Mesadurchmesser (d 26) der
Mesafläche (26) zwischen etwa dem 0,7- bis 0,9fachen des
Durchmessers (d 6) der Linse (6) bemessen ist.
4. Leuchtdiode nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekenn
zeichnet dadurch, daß die Linse eine
Kugellinse (6) ist.
5. Leuchtdiode nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekenn
zeichnet dadurch, daß die Mesa (25)
durch Ätzen erzeugt ist.
6. Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
dadurch, daß auf einer Oberfläche (55) eines Wafers
(51) rastergemäß angeordnet eine Vielzahl Meseten (25) her
gestellt werden, auf diese Meseten die Linsen (6) unter da
zwischen befindlichem Klebstoff (7) aufgebracht werden und
der Wafer (51) zerteilt wird (Fig. 5).
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeich
net dadurch, daß der Kleber (7) mittels eines
Kleberfilmes (56) auf die Meseten (25) aufgebracht wird
(Fig. 5).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekenn
zeichnet dadurch, daß die Linsen (6)
mittels einer mit Unterdruck arbeitenden Einrichtung (61)
auf die Meseten (25) des Wafers (51) aufgesetzt werden.
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