DE19629920A1 - Licht-emittierende Dioden auf einem transparenten Substrat mit einer gerichteten Lichtausgabe - Google Patents
Licht-emittierende Dioden auf einem transparenten Substrat mit einer gerichteten LichtausgabeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Ge
biet von Licht-emittierenden Halbleiterbauelementen. Insbe
sondere bezieht sie sich auf Licht-emittierende Dioden
(LEDs; LED = Light Emitting Diode) auf einem transparenten
Substrat (TS). Nicht-absorbierende verteilte Bragg-Reflekto
ren (DBRs; DBR = Distributed Bragg Reflector) werden verwen
det, um die Lichtextraktion und die Optik einer TS-LED zu
verbessern. Die resultierenden Bauelemente zeigen im Ver
gleich zu bekannten TS-LEDs einen erhöhten Fluß und eine er
höhte Intensität.
Eine gehäuste LED ist aus einer Vielzahl von Materialien
hergestellt, von denen jedes einen unterschiedlichen Bre
chungsindex aufweist. Der Brechungsindex ist üblicherweise
mit n bezeichnet, wobei n von etwa 3,5 in dem LED-Halblei
terchip bis zu etwa 1,5 in dem Epoxidharz variiert, das ver
wendet wird, um den LED-Chip einzukapseln. Dieser große Un
terschied in den Brechungsindizes resultiert in einem kriti
schen Winkel der inneren Totalreflexion von 25° von der LED
und dem Epoxidharz, wobei der Winkel durch das Snellius′sche
Gesetz [Θc = sin-1 (n1/n2)] gegeben ist. Dieser relativ
kleine kritische Winkel für die innere Totalreflexion zusam
men mit der inneren Lichtabsorption in dem LED-Chip resul
tiert darin, daß der äußere Quantenwirkungsgrad der LED we
sentlich niedriger als der innere Quantenwirkungsgrad der
selben ist. Das Verhältnis dieser Größen, nämlich des äuße
ren Quantenwirkungsgrads zum inneren Quantenwirkungsgrad ist
als der Extraktionswirkungsgrad der LED definiert.
Der Extraktionswirkungsgrad eines LED-Chips wird sehr stark
von der Struktur des Chips beeinflußt. Eine Vielzahl von
LED-Chipstrukturen und den entsprechenden Austrittskegeln
von Licht, die durch die kritischen Winkel derselben defi
niert sind, sind schematisch in den Fig. 1a, 1b, 1c und 1d
gezeichnet. Bei allen diesen Figuren schließt das Kegelmo
dell eine Mehrfachdurchlauf-Lichtextraktion, eine innere
Absorption und eine Verzufälligung aus. Bei LED-Chips mit
einem absorbierenden Substrat (AS) wird die Anzahl von Aus
trittskegeln stark von der Dicke der transparenten Fenster
schicht beeinträchtigt. Eine AS-LED mit einer dünnen trans
parenten Fensterschicht (< 10 µm), welche in Fig. 1a gezeigt
ist, besitzt lediglich einen einzigen oberen Austrittskegel.
Wenn die Dicke der Fensterschicht auf <40 µm erhöht ist, wie
es in Fig. 1b gezeigt ist, erhöht sich die Anzahl von Aus
trittskegeln als Ergebnis von Beiträgen von den Seiten des
Chips auf 3. Ein DBR-Spiegel, d. h. ein Mehrfachschichtensta
pel aus Halbleitermaterialschichten mit hohem und niedrigem
Index, kann zwischen der Licht-emittierenden aktiven Region
und dem Substrat plaziert sein, um die Lichtabsorption des
Substrats zu minimieren. DBRs reflektieren jedoch lediglich
Licht, das nahezu senkrecht einfällt. Bei einer LED wird
Licht von der aktiven Region isotropisch emittiert. Folglich
fällt Licht mit allen Winkeln auf den DBR-Spiegel, wobei le
diglich ein Anteil desselben reflektiert wird. Der Rest
läuft in das absorbierende Substrat. Bei einer typischen LED
mit einem DBR wird lediglich das Licht reflektiert, das von
dem senkrechten Einfall um weniger als 15° bis 25° abweicht.
Lediglich ein Anteil des unteren Austrittskegels wird von
dem DBR reflektiert. Bekannte LED-Strukturen mit einem DBR,
welche in Fig. 1c gezeigt sind, besitzen dünne transparente
Fenster, was in einem Maximum von zwei Austrittskegeln re
sultiert.
Die beste bekannte Struktur zur Lichtextraktion, die in Fig.
1d gezeigt ist, ist eine TS-LED, bei der sechs Austrittske
gel möglich sind. Derartige TS-LED-Chips 10, welche in Fig.
2 in einer fertiggestellten LED-Lampe zusammengebaut gezeigt
sind, sind typischerweise mit einem Ag-geladenen Epoxidharz
12 in einer reflektiven Formpfanne 14 befestigt. Ein Anteil
des unteren Lichtkegels wird in diesem Fall erfaßt, wenn er
von dem mit Ag-beladenen Epoxidharz an der Rückoberfläche
des Chips reflektiert wird.
Die vorherige Diskussion enthielt keine Effekte von Mehr
fachreflexionsereignissen oder von Verzufälligungen von
Licht innerhalb der LED. In Chips mit dicken, transparenten
Fensterregionen, besonders in TS-LEDs, führen Photonen Mehr
fachdurchläufe zu der Oberfläche des Halbleiters durch, ohne
absorbiert zu werden, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß
diese Photonen austreten können. Eine Verzufälligung der
Richtung des intern reflektierten Lichts kann als Ergebnis
der Streuung an der Chipoberfläche oder innerhalb des Chips
auftreten, was es ermöglicht, daß mehr Licht austritt, als
von den Einzeldurchlaufmodellen der Fig. 1a, 1b, 1c und 1d
vorhergesagt wird. Diese Effekte können wesentlich sein. Bei
TS-AlGaAs-LEDs beträgt der berechnete maximale Extraktions
wirkungsgrad 0,24, wobei die Effekte der Verzufälligung ver
nachlässigt werden. Der Extraktionswirkungsgrad wurde expe
rimentell zu 0,30 bestimmt, wobei der Unterschied zwischen
den beiden Werten der Lichtverzufälligung und der Extraktion
von Mehrfachdurchlauflicht aus dem LED-Chip zugeschrieben
werden kann.
Eine Schattenbildung von absorbierenden Kontaktschichten/Me
tallisierungen kann den Extraktionswirkungsgrad beeinträch
tigen. Die Metall/Halbleiter-Legierung, die in legierten
Kontakten zwischen dem Metallkontakt und dem Halbleiter zu
finden ist, ist stark absorbierend. Nicht-legierte Kontakte
machen typischerweise die Anwesenheit einer sehr stark do
tierten absorbierenden Halbleiterschicht neben dem Kontakt
notwendig. Die meisten Verfahren zum Bilden von Kontakten
resultieren in einer Absorption des Lichts über dem gesamten
Kontaktbereich. Verschiedene Verfahren zum Vermeiden einer
derartigen Absorption wurden vorgeschlagen, einschließlich
des Verwendens von transparenten Kontakten aus Indium-Zinn-
Oxid (ITO; ITO = Indium-Tin-Oxide). Diese wurden jedoch all
gemein in kommerziellen LEDs als Ergebnis von Problemen mit
dem Kontaktwiderstand, der Herstellbarkeit oder der Zuver
lässigkeit nicht implementiert.
Nachdem das Licht aus dem Chip austritt, muß es in ein ver
wendbares Strahlungsmuster fokussiert werden. Typischerweise
sind LEDs in einem Polymer, üblicherweise Epoxidharz, ge
häust, welches zu einer Linse geformt ist. Das gewünschte
Strahlungsmuster wird durch die Form der Reflektorpfanne und
der Epoxidharzlinse erhalten. Begrenzungen, die durch dieses
relativ einfache optische System auferlegt werden, machen es
schwierig, Licht, das von den Kanten oder Seiten des Chips
emittiert wird, in die Mitte des Strahlungsmusters zu fokus
sieren. Dies ist besonders bei Lampen mit schmalen Sichtwin
keln der Fall, deren Strahlungsmuster einen vollen Halb
wertswinkel (FAHP; FAHP = Full-Angle at Half Power = ganzer
Winkel bei der halben Leistung) von <15° besitzen. Es ist
relativ einfach, das Licht von der Oberseite des Chips zu
fokussieren. Bei Chips, die denselben Fluß emittieren, wird
ein Chip mit einer vorherrschenden oberen Oberflächenemis
sion eine höhere Spitzenintensität in der Lampenform beson
ders bei Lampen mit schmalen Sichtwinkeln aufweisen, als ein
Chip, bei dem eine wesentliche Lichtmenge von den Kanten
oder Seiten des Chips emittiert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Licht-emittierende Diode mit einer verbesserten Lichtextrak
tion sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben zu schaf
fen.
Diese Aufgabe wird durch eine Licht-emittierende Diode gemäß
Anspruch 1, durch eine Licht-emittierende Diode gemäß An
spruch 20 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer
Licht-emittierenden Diode gemäß Anspruch 14 gelöst.
Die vorliegende Erfindung beschreibt Verfahren zum Herstel
len von TS-LED-Chips mit einer verbesserten Lichtextraktion
und einer verbesserten Optik und insbesondere einer verbes
serten oberen Oberflächenemission sowie die TS-LEDs, die
derart hergestellt worden sind. Das Verwenden von nicht-ab
sorbierenden DBRs innerhalb der TS-LED erlaubt die Herstel
lung der hierin beschriebenen LEDs. Die nicht-absorbierenden
DBRs lenken Licht von absorbierenden Regionen, wie z. B. Kon
takten, innerhalb des Chips weg, was den Lichtextraktions
wirkungsgrad erhöht. Die nicht-absorbierenden DBRs können
ferner Licht zu der oberen Oberfläche des Chips umlenken,
wodurch die Menge an oberer Oberflächenemission und die In
tensität der gehäusten LED verbessert werden. Diese Vorteile
werden mit optisch nicht-absorbierenden Schichten erhalten,
welche die Vorteile einer TS-LED beibehalten. Diese Vorteile
umfassen etwa sechs Lichtaustrittskegel, eine Lichtverzufäl
ligung und eine Mehrfachdurchlauf-Lichtextraktion.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, 1b, 1c und 1d die Lichtextraktion von mehreren unterschiedli
chen LED-Strukturen gemäß dem Stand der Tech
nik;
Fig. 2 ein bekanntes Häusungssystem für den LED-Chip,
der in Fig. 1d gezeigt ist;
Fig. 3a und 3b eine bekannte TS-LED bzw. eine gemäß der vor
liegenden Erfindung hergestellte TS-LED;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung, welches ein Wafer-verbundenes TS verwen
det;
Fig. 5a, 5b und 5c jeweils einen ungemusterten DBR, einen gemu
sterten DBR in einer Wafer-verbundenen TS-LED
und einen gemusterten DBR in einer epitaxial
gewachsenen TS-LED;
Fig. 6 eine TS-LED, die mehrfache nicht-absorbierende
DBRs enthält;
Fig. 7a und 7b TS-LEDs mit gemusterten Substraten und nicht
absorbierende DBRs;
Fig. 8 eine großflächige TS-LED mit einem nicht-absor
bierenden DBR, der auf einem gemusterten Sub
strat gewachsen ist;
Fig. 9 eine TS-LED mit gerillten Reflektoren;
Fig. 10a ein schematisches Diagramm einer TS-AlGaInP-LED
mit einem nicht-absorbierenden DBR;
Fig. 10b das Lufteintritts-Reflektivitätsspektrum des in
Fig. 10a gezeigten DBRs;
Fig. 11a einen Graph des Absorptionskoeffizienten α, der
als Funktion von λ-λPeak für eine aktive
Schicht aus AlInGaP gezeichnet ist; und
Fig. 11b einen Graph des Einzeldurchlauf-Transmissions
koeffizienten e-α x als Funktion von λ-λPeak für
aktive Schichten aus AlInGaP mit variierender
Dicke.
Fig. 3a ist ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen
TS-LED 20, während Fig. 3b ein schematisches Diagramm einer
TS-LED 30 ist, bei der ein nicht-absorbierender DBR 31 unter
der aktiven Region 32 der LED 30 plaziert ist. Gleiche Kom
ponenten in den LEDs 20 und 30 sind mit gleichen Bezugszei
chen bezeichnet. Der nicht-absorbierende DBR 31 reflektiert
nahezu senkrecht einfallendes Licht von den absorbierenden,
gemusterten unteren Kontakten 34 weg. Der DBR-Stapel 31 muß
optisch nicht-absorbierend sein, was bedeutet, daß alle
Schichten, aus denen derselbe besteht, eine größere Bandab
standsenergie aufweisen, als die des Lichts, das von der
aktiven Schicht 32 emittiert wird. Dies erlaubt es, daß
nicht senkrecht einfallendes Licht durch den DBR 31 läuft,
wodurch die Vorteile der TS-LED beibehalten werden. Typi
scherweise bedecken absorbierende Rückseitenkontakte 34 etwa
30% der Rückseitenoberfläche des LED-Chips. Unter Berück
sichtigung von nur dem Einzeldurchlauflicht, wie es in Fig.
1 der Fall ist, sollte der DBR 31 zumindest eine 7 prozenti
ge Verbesserung im gesamten Extraktionswirkungsgrad ergeben,
indem Licht, welches von dem Rückkontakt in der LED 20 ab
sorbiert wird, umgelenkt wird (siehe die Strahlenlinienzüge
δ und δ′ in den Fig. 3a bzw. 3b). Dieses umgelenkte Licht
sollte sich zumindest in einem 17 prozentigen Anstieg der
Menge der oberen Oberflächenlichtemission manifestieren,
welche die Spitzenintensität in gehäusten Lampen und beson
ders in denen mit schmalen Sichtwinkeln wesentlich verbes
sert. Diese Lampen mit schmalen Sichtwinkeln werden von der
Menge der oberen Oberflächenemission wesentlich beeinflußt.
Die hierin genannten Zahlen berücksichtigen lediglich die
Lichtemission des ersten Durchlaufs. Die Größe der Verbesse
rung der Lichtextraktion und die erhöhte Oberflächenemission
können wesentlich höher sein, wenn Mehrfachdurchlauflicht
berücksichtigt wird.
Die Spitzenintensität kann durch den nicht-absorbierenden
DBR weiter verbessert werden. Bei der in Fig. 3a gezeigten
herkömmlichen TS-LED 20 wird Licht von nahezu senkrechtem
Einfall, das von der rauhen hinteren Oberfläche 21 reflek
tiert wird, allgemein derart gestreut, daß es von den Kanten
des Chips und nicht von der oberen Oberfläche emittiert wird
(siehe den Strahlenlinienzug β in Fig. 3a). Dies wird durch
die Rauhigkeit der hinteren Halbleiteroberfläche und/oder
die große Korngröße des Ag-beladenen reflektiven Epoxidhar
zes bewirkt, das zum Chip-Befestigen verwendet wird (siehe
Fig. 2). Der nicht-absorbierende DBR 31, der in Fig. 3b ge
zeigt ist, reflektiert das nahezu senkrecht einfallende
Licht zu der oberen Oberfläche, was in einer erhöhten Ober
flächenemission und einer verbesserten Spitzenintensität re
sultiert.
In den meisten Fällen befindet sich die optimale Position
des nicht-absorbierenden DBR unter der aktiven Region, wobei
derselbe lediglich um einen kurzen Abstand (< 10 µm) von der
Licht-emittierenden Region weg beabstandet ist. Diese Beab
standung wird durch Verwendung einer transparenten Puffer
schicht 35 erreicht. Dies dient zur Minimierung beliebiger
Lichtabsorptionen bevor dasselbe reflektiert wird. Der DBR
kann ferner zwischen dem transparenten Substrat und dem ab
sorbierenden unteren Kontakt 34 positioniert sein, solange
die Absorption ausreichend reduziert ist. Bei spezifischen
TS-LED-Strukturen kann die optimale Position variieren oder
weiteren Begrenzungen unterworfen sein. So wurden beispiels
weise in jüngster Zeit TS-AlGaInP-LEDs hergestellt, indem
das ursprüngliche, optisch-absorbierende Wachstumssubstrat
entfernt wurde und das ursprüngliche Substrat durch ein
transparentes Substrat unter Verwendung einer Halbleiter-
Waferverbindung ersetzt wurde. In diesem Fall, der in Fig. 4
dargestellt ist, ist ein nicht-absorbierender DBR 51 über
der Wafer-Verbindungsgrenzfläche 53 plaziert, um eine belie
bige Absorption oder Streuung zu minimieren, die an der Ver
bindungsgrenzfläche 53 des Halbleiters und Wafers auftreten
kann. Wenn der nicht-absorbierende DBR unter der Wafer-Ver
bindungsgrenzfläche plaziert ist, sollte die Grenzfläche
hergestellt werden, um eine Absorption zu minimieren.
Eine seitliche Musterung der nicht-absorbierenden DBR-
Schichten kann verwendet werden, um die Eigenschaften der
TS-LED weiter zu verbessern. Wie es in den Fig. 5a, 5b und
5c gezeigt ist, kann es von Vorteil sein, den DBR nicht
direkt unter dem oberen Kontakt 69 zu plazieren, um die Um
lenkung des Lichts zu diesem absorbierenden Bereich zu ver
meiden, wenn der DBR 65 unter der aktiven Schicht 67 pla
ziert ist. Fig. 5a stellt einen ungemusterten DBR dar, und
wie derselbe Licht von dem absorbierenden oberen Kontakt
zurückreflektieren kann (siehe den Strahlenlinienzug τ in
Fig. 5a). Die notwendige Musterung kann durch eine gemuster
te Halbleiter-Wafer-Verbindung (siehe Fig. 5b), durch ein
epitaxiales Wachstum auf gemusterten Substraten (siehe Fig.
5c), durch mehrstufige epitaxiale Wachstumstechniken oder
durch eine Kombination dieser Techniken erreicht werden. Bei
den in den Fig. 5b und 5c gezeigten Beispielen wird das
Licht, das zu dem oberen Kontakt 69 hin umgelenkt worden wä
re, nun aus den Seiten der Chips gerichtet (siehe die Strah
lenlinienzüge γ′ und γ′ in den Fig. 5b bzw. 5c).
Bei den TS-LEDs, die nicht-absorbierende DBRs enthalten,
kann sich das Hinzufügen von Streustellen innerhalb des
Chips als vorteilhaft herausstellen. Streustellen würden da
zu dienen, Licht innerhalb des Chips umzulenken und zu ver
zufälligen. Eine Verzufälligung kann wichtig sein, um es zu
ermöglichen, daß Mehrfachdurchlauf-Licht, welches auf den
DBR von dem unteren Teil des Chips einfällt, durch den DBR
läuft und aus dem Chip austritt (siehe den Strahlenlinienzug
β in Fig. 4). Derartige Streustellen können aus rauhen oder
ungleichmäßigen Oberflächen des Chips (die beispielsweise
durch Techniken wie chemisches Ätzen, Läppen oder Sandstrah
len erzeugt werden), aus Hohlräumen, die innerhalb des Chips
gebildet sind, aus Veränderungen der Kristall-Zusammen
setzung/Ausrichtung und aus epitaxialen Heterostrukturen,
die entweder gemustert oder ungemustert sind, bestehen. Die
optimale Position derartiger Streuzentren würde unter der
nicht-absorbierenden DBR-Struktur sein, um die Streuung von
Licht zu vermeiden, das von dem DBR zu der oberen Oberfläche
umgelenkt wird.
Zusätzliche nicht-absorbierende DBRs können innerhalb der
TS-LED-Struktur enthalten sein, um eine zusätzliche Licht
extraktion und/oder die Umlenkung von Licht zu einem bevor
zugten Bereich des Chips zu erreichen. Wenn mehrfache DBRs
innerhalb des Chips gebildet sind, kann es nötig sein, einen
oder mehrere der DBRs zu mustern und/oder Streuzentren zwi
schen den DBRs einzuführen, um die Auswirkungen des Bildens
von Fabry-Perot-Hohlräumen innerhalb des Chips zu minimie
ren. Diese Hohlräume begrenzen tendenziell Licht innerhalb
des Chips. Typischerweise sollten die DBRs zwischen absor
bierenden Regionen und der aktiven Schicht der LED positio
niert sein. Ein Beispiel einer TS-LED, die nicht-absorbie
rende Mehrfach-DBRs enthält, ist in Fig. 6 gezeigt, wobei
ein gemusterter DBR 74 zwischen dem oberen Kontakt 76 und
der aktiven Schicht 77 zusätzlich zu einem DBR 73, der zwi
schen der aktiven Schicht 77 und dem Substrat 79 positio
niert ist, plaziert ist. Der DBR 74 reduziert die Lichtmen
ge, welche auf den absorbierenden oberen Kontakt einfällt,
was den Extraktionswirkungsgrad der LED erhöht. In der Pra
xis wird die Anzahl und Plazierung von Mehrfach-DBRs durch
die Chipstruktur, die Komplexität und die Kosten, die anfal
len, um derartige Strukturen herzustellen, bestimmt sein.
Die TS-LED-Chipoptik kann sich ferner verbessern, wenn der
nicht-absorbierende DBR und die aktive Schicht auf einem
gemusterten Substrat oder auf gemusterten Epischichten auf
gewachsen werden. Wie es in den Fig. 7a und 7b gezeigt ist,
würde die Musterung Gräben 85 mit Seitenwänden von etwa 45°
erzeugen (beispielsweise durch Verfolgen der {111}-Ebenen
eines (100)-ausgerichteten Substrats). Dies kann unter Ver
wendung von Standard-Ätztechniken erreicht werden. Wenn sich
Gräben 85 in eine ausreichende Tiefe erstrecken, wird das
Wachstum von nicht-absorbierenden DBR-Schichten 87 und der
aktiven Schicht 89 in einer Struktur resultieren, das der in
Fig. 7(a) gezeigten Struktur ähnlich ist. Licht, das Wellen
leiter-artig entlang der aktiven Schicht 89 geführt wird,
kann von den DBR-Schichten 87 auf den Gräben 85 mit etwa 45°
reflektiert werden, wodurch das Licht zu der Oberfläche des
Chips umgelenkt wird (der Strahlenlinienzug δ und δ′ in den
Fig. 7a und 7b). Epitaxiale Wachstumsraten variieren für ein
Wachstum auf unterschiedlichen Wachstumsebenen wesentlich.
Folglich sollte bei der in Fig. 7a gezeigten Struktur der
nicht-absorbierende DBR 87 für eine hohe Reflektivität bei
einem Nenn-Einfallswinkel von 45° entworfen werden. Die
DBR-Schichten 87, die auf den anderen Kristallebenen aufge
wachsen sind, weisen wesentlich unterschiedliche Dicken auf
und reflektieren Licht mit einem nahezu senkrechten Einfall
(der Strahlenlinienzug β in Fig. 7a) nicht. In diesem Fall
kann es vorteilhaft sein, einen zweiten nicht-absorbierenden
DBR 83 unter dem gemusterten und neu-aufgewachsenem DBR 87
zu verwenden, wie es in Fig. 7b gezeigt ist. Obwohl die TS-
LEDs, die in den Fig. 7a und 7b gezeigt sind, ein Wachstum
auf gemusterten Substraten benötigen, kann die TS-Struktur
durch direktes Wachstum der aktiven Schicht und des (der)
DBR(s) auf einem transparenten Substrat, durch ein direktes
Wachstum auf einem absorbierenden Substrat (wobei die Ge
samtdicke der transparenten Schicht größer als 50 µm ist),
gefolgt vom Entfernen des absorbierenden Substrats oder
durch eine Halbleiter-Wafer-Verbindung realisiert werden. In
weiteren nicht optimalen Fällen kann die Musterung der Sei
tenwände durch Ätzen anderer Ebenen auftreten, was Gräben
ergibt, welche Seitenwände aufweisen, die sich von 45°
unterscheiden (30° bis 60°), wobei dieselben jedoch immer
noch eine verbesserte Lichtausgabe aufweisen.
Die Lichtumlenkung über ein epitaxiales Wachstum von nicht
absorbierenden DBR/aktiven Schichten auf einem gemusterten
Substrat kann in Chips großer Fläche verwendet werden, um
den Extraktionswirkungsgrad des Chips zu erhöhen. Eine der
artige LED ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Figur sind wie
derholte, winklige Reflektoren 91 über dem Chip verteilt, um
eine Umlenkung des Kanten-emittierten Lichts zu der Oberflä
che 93 des Chips 90 zu ermöglichen, was es ermöglicht, daß
ein derartiges Licht austritt. Diese Kantenemission tritt
typischerweise bei kleinen Chips (<20 × 20 Millizoll; 0,508
× 0,508 mm) auf. Bei größeren Chips kann dieses Kanten-emit
tierte Licht absorbiert sein, bevor es die Kanten des Chips
erreichen kann, was in einem verringerten Extraktionswir
kungsgrad resultiert. Die in Fig. 8 gezeigte Struktur dient
dazu, das Licht zu einer Oberfläche umzulenken, damit es aus
dem Chip austreten kann, bevor es absorbiert werden kann.
Die winkligen Reflektoren sollten um weniger als 0,508 mm
(20 Millizoll) in jeder Richtung beabstandet sein, damit der
großflächige Chip wie ein Array von kleinflächigen Chips
wirkt.
Das Ätzen von winkligen Rillen 101 in einen Chip 100, wobei
sich die Rillen schneiden oder in enger Nachbarschaft mit
aktiven Regionen 103, die in Fig. 9 gezeigt sind, sind, kann
ähnliche Resultate wie das Verfahren erreichen, das verwen
det wird, um die in Fig. 8 dargestellten LEDs herzustellen.
Licht würde von diesen Oberflächen reflektiert und umgelenkt
werden, damit das Licht aus dem Chip austreten kann. Die Re
flektivität dieser Rillen kann durch Beschichten der Rillen
oberfläche mit einem reflektiven Metall verbessert werden.
Verschiedene Techniken können verwendet werden, um nicht-ab
sorbierende DBRs in einer TS-LED-Struktur herzustellen. Die
se Techniken umfassen ein epitaxiales Wachstum des DBR zu
sammen mit der aktiven Region des Bauelements unter Verwen
dung beispielsweise folgender Techniken, der Gasphasenepi
taxie (VPE; VPE = Vapor Phase Epitaxy), der Flüssigphasen
epitaxie (LPE; LPE = Liquid Phase Epitaxy), der metallorga
nisch-chemischen Dampfabscheidung (MOCVD; MOCVD = Metal
organic Chemical Vapor Deposition), der Molekularstrahlepi
taxie (MBE; MBE = Molecular Beam Epitaxy) oder einer Kombi
nation derselben. Die epitaxialen Schichten des DBR und der
LED können durch einen einzigen oder mehrfache Wachstums
schritte gebildet werden, wobei die Reihenfolge des Wachs
tums durch die gewünschte Chipstruktur bestimmt ist. Zusätz
lich kann eine TS-LED mit einem nicht-absorbierenden DBR
durch eine Halbleiter-Wafer-Verbindung gebildet sein. In
diesem Fall kann der DBR durch epitaxiale Verfahren auf ei
nem transparenten Substrat gewachsen werden, welches dann
mit den epitaxialen LED-Schichten verbunden wird. Alternativ
und vorzugsweise kann die LED-Struktur auf dem DBR gewachsen
werden, wobei die Kombination derselben dann mit einem
transparenten Substrat Wafer-verbunden wird. Dieses Verfah
ren minimiert eine Absorption von der Grenzfläche an der
Halbleiter-Wafer-Verbindung und erlaubt das Aufnehmen von
Streuzentren unter dem DBR, wobei derartige Zentren Hohl
räume, die innerhalb des Chips gebildet sind oder lokale Än
derungen der Kristall-Zusammensetzung/Ausrichtung aufgrund
der Wafer-Verbindungstechniken sein können.
Eine Vielzahl von DBR-Entwürfen kann bei der TS-LED dieser
Erfindung verwendet werden. Diese umfassen folgende Entwür
fe, wobei sie jedoch nicht auf dieselben begrenzt sind:
Standard-Viertelwellenlängenstapel, Chirp-Stapel, Mehrfach
stapel mit versetzten Mittenwellenlängen, verschachtelte
Stapel und eine beliebige Kombination der oben genannten
Entwürfe. Der Entwurf sollte basierend auf den gewünschten
Charakteristika des DBR, wie z. B. der Reflektivität, des
Winkeleinfangs, der Materialcharakteristika, und basierend
auf praktischen Überlegungen bezüglich des Wachstums und der
Implementation der Strukturen ausgewählt werden.
Idealerweise sollten alle Schichten der DBRs optisch nicht
absorbierend sein. Praktische Überlegungen, wie z. B. Wachs
tumsanforderungen und Bandversätze, machen es jedoch notwen
dig, daß in bestimmten oder allen Schichten der DBR-Struktur
ein kleiner Betrag an Absorption auftritt. Somit müssen die
Verhaltensvorteile der DBR-Struktur, wie z. B. eine erhöhte
Oberflächenemission, mit der erhöhten Absorption, die in
derartigen Strukturen vorhanden ist, abgewogen werden. Opti
malerweise sollte die maximale Gesamtabsorption, die die
hierin beschriebenen Verhaltensvorteile zulassen würde,
kleiner als 25% sein, wobei die Gesamtabsorption als das
gesamte Licht, das von dem DBR nicht reflektiert oder trans
mittiert wird, definiert ist, wie es durch Integration über
alle Einfallswinkel berechnet wird.
Der Entwurf der aktiven Schicht ist ebenfalls für die Reali
sierung einer verbesserten Lichtextraktion kritisch. Eine
TS-AlGaInP-LED-Struktur, die schematisch in Fig. 10a gezeigt
ist, wurde durch Wafer-Verbinden eines GaP/Al0,7Ga0,3P-DBR,
der auf einem GaP-Substrat durch die MOCVD epitaxial aufge
wachsen wurde, mit einer AlInGaP-LED-Struktur mit einer 1,25
µm dicken aktiven Schicht hergestellt, welche von dem ur
sprünglichen, absorbierenden GaAs-Substrat entfernt wurde.
Die 50 µm dicke GaP-Fensterschicht über der aktiven Schicht
wurde vor dem Entfernen des GaAs-Substrats durch die VPE
aufgewachsen, wobei dieselbe eine Stromaufspreizung in dem
Bauelement und eine Handhabung der dünnen aktiven Schicht
aus AlGaInP vor der Waferverbindung verbessert. Das Luftein
tritts-Reflektivitätsspektrum für den 30-Perioden-GaP/
Al0,7Ga0,3P-DBR ist in Fig. 10b gezeigt, wobei eine hohe Re
flektivität bei der Spitzenemissionswellenlänge (590 nm) der
aktiven Schicht gezeigt ist. Ein Testen der LED-Struktur of
fenbarte, daß das Vorhandensein des DBR in einer kleinen
Rotverschiebung der emittierten Lichtspektren, jedoch nicht
in einer wesentlichen Verbesserung einer Gesamtlichtextrak
tion resultierte. Eine Analyse zeigte, daß von dem DBR re
flektiertes Licht aufgrund einer Band-zu-Band-Absorption in
der aktiven Schicht stark gedämpft wurde.
Der Absorptionskoeffizient α wurde gemessen und ist in Fig.
11a als Funktion von ·-·Peak (Peak = Spitze) aufgezeichnet,
wobei ·Peak die Spitzenemissionswellenlänge der aktiven
Schicht ist. Fig. 11b zeigt den Einzeldurchlauf-Transmis
sionskoeffizienten e⁻α X als Funktion von ·-·Peak für eine
aktive Schichtdicke (X), die im Bereich von 0,1 µm bis zu
1,25 µm liegt. Diese Figur zeigt, daß die Absorption für X
0,5 µm ziemlich stark ist. Für X = 1,25 µm kann lediglich
das Ende des EL-Spektrums zu langen Wellenlängen hin
(·-·Peak < 5 nm) durch die aktive Schicht gelangen, ohne
stark absorbiert zu werden, wodurch die Rotverschiebung, die
bei Bauelementen mit einem DBR beobachtet wird, erklärt ist.
Der Photonenrecyclingeffekt erhöht die Gesamtlichtextraktion
in Bauelementen mit einem DBR sehr wenig, wenn der innere
Quantenwirkungsgrad ni in der aktiven Schicht wesentlich
kleiner als 100% ist, wobei er bei diesem Beispiel etwa 30%
beträgt.
Um den schädlichen Effekt der Absorption in der aktiven
Schicht zu minimieren, sollte die Dicke der aktiven Schicht
kleiner als 0,5 µm sein. Eine Reduktion der Dicke der akti
ven Schicht auf kleiner als 0,3 µm wird in einer weiteren
Verbesserung der Lichtextraktion resultieren, wie es in Fig.
11b gezeigt ist. Alternativ kann die aktive Region aus einem
oder mehreren Quantentöpfen bestehen, von denen jeder 500
Angström oder weniger dick ist, und die von abgestuften oder
stufenlos übergehenden Bandabstandsregionen für eine verbes
serte Trägerbegrenzung umgeben sind. Die aktive Region soll
te einen möglichst großen inneren Quantenwirkungsgrad auf
weisen, um den Absorptionseffekt durch Reemission des absor
bierten Lichts mit der Wahrscheinlichkeit ηi zu minimieren.
Claims (21)
1. Licht-emittierende Diode (30) mit folgenden Merkmalen:
einer aktiven Region zum Erzeugen von Licht;
einem Substrat (33), das für das von der aktiven Region erzeugte Licht transparent ist und unter der aktiven Region liegt;
einer Fensterschicht, die für das von der aktiven Regi on erzeugte Licht transparent ist und über der aktiven Region liegt;
einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt (34) zum Anlegen einer Spannung an der aktiven Region; und
mindestens einem ersten verteilten Bragg-Reflektor (31), wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht, das auf den verteilten Bragg-Reflektor innerhalb eines vor bestimmten Einfallswinkelbereichs auftrifft, reflek tiert und Licht mit minimaler Absorption transmittiert, wenn das Licht außerhalb des vorbestimmten Einfallswin kelbereichs auf den Bragg-Reflektor auftrifft.
einer aktiven Region zum Erzeugen von Licht;
einem Substrat (33), das für das von der aktiven Region erzeugte Licht transparent ist und unter der aktiven Region liegt;
einer Fensterschicht, die für das von der aktiven Regi on erzeugte Licht transparent ist und über der aktiven Region liegt;
einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt (34) zum Anlegen einer Spannung an der aktiven Region; und
mindestens einem ersten verteilten Bragg-Reflektor (31), wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht, das auf den verteilten Bragg-Reflektor innerhalb eines vor bestimmten Einfallswinkelbereichs auftrifft, reflek tiert und Licht mit minimaler Absorption transmittiert, wenn das Licht außerhalb des vorbestimmten Einfallswin kelbereichs auf den Bragg-Reflektor auftrifft.
2. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 1,
bei der der verteilte Bragg-Reflektor (31) Licht, das
von der aktiven Region (32) emittiert wird, in minde
stens eine erste von zwei Richtungen reflektiert, wobei
die beiden Richtungen von Licht-absorbierenden Berei
chen der Licht-emittierenden Diode weg und zu minde
stens einer ersten Vorzugsrichtung hin gerichtet sind.
3. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 1 oder 2,
bei der die aktive Region (32) In(AlGa)P aufweist, das
Substrat (33) GaP aufweist und der verteilte Bragg-Reflektor (31)
einen Mehrschichtenstapel einer beliebigen
Kombination aus InXAlYGaZP(0X,Y,Z1) und AlX-Ga1-X,As
(0X′1) aufweist.
4. Licht-emittierende Diode (30) gemäß einem beliebigen
der vorhergehenden Ansprüche,
bei der das transparente Substrat (33) mit einer Mehr
zahl von Gräben gemustert ist und der Bragg-Reflektor
(31) und die aktive Region (32) auf dem gemusterten
Substrat aufgewachsen sind.
5. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 4,
bei der die Gräben Seitenwände aufweisen, die mit der
Vertikalen einen Winkel von 45° bilden.
6. Licht-emittierende Diode (30) gemäß einem beliebigen
der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der verteilte Bragg-Reflektor (31) zwischen der
aktiven Region (32) und einem Abschnitt des Substrats
(33) plaziert ist, wobei der Abschnitt des Substrats
(33) die Oberflächen des Substrats umfaßt, die am näch
sten bei der aktiven Region oder am weitesten von der
selben entfernt sind.
7. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 6,
bei der ein zweiter verteilter Bragg-Reflektor (74)
zwischen der aktiven Region (32) und mindestens einem
Abschnitt des transparenten Fensters plaziert ist, wo
bei der Abschnitt des transparenten Fensters die Ober
flächen des transparenten Fensters umfaßt, die der ak
tiven Region (32) am nächsten liegen und von derselben
am weitesten entfernt sind.
8. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 1,
bei der das Substrat (33) mit einer Kombination des
verteilten Bragg-Reflektors (31) und der aktiven Region
(32) Wafer-verbunden ist.
9. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 8,
bei der der verteilte Bragg-Reflektor (31) Licht, das
von der aktiven Region (32) emittiert wird, in minde
stens einer ersten von zwei Richtungen reflektiert, wo
bei die beiden Richtungen von Licht-absorbierenden Be
reichen der Licht-emittierenden Diode (30) weg und zu
mindestens einer ersten Vorzugsrichtung hin gerichtet
sind.
10. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 9,
bei der Streuzentren in der Wafer-Verbindung zwischen
dem Substrat (33) und der Kombination aus aktiver Re
gion (32) und Reflektor (31) enthalten sind.
11. Licht-emittierende Diode gemäß Anspruch 1,
bei der eine Kombination des Substrats (33) und des
verteilten Bragg-Reflektors (31) mit der aktiven Region
(32) Wafer-verbunden ist.
12. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 11,
bei der der verteilte Bragg-Reflektor (31) Licht, das
von der aktiven Region (32) emittiert worden ist, in
mindestens eine erste von zwei Richtungen reflektiert,
wobei die beiden Richtungen von den Licht-absorbieren
den Bereichen der Licht-emittierenden Diode (30) weg
und zu mindestens einer ersten Vorzugsrichtung hin ge
richtet sind.
13. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 12,
bei der Streuzentren in der Wafer-Verbindung zwischen
der Kombination aus dem Substrat (33) und dem Reflektor
(31) und der aktiven Region (32) enthalten sind.
14. Verfahren zum Herstellen einer Licht-emittierenden Di
ode (30) mit einem transparenten Substrat (33) mit fol
genden Schritten:
Herstellen mindestens eines ersten, verteilten Bragg- Reflektors (31), wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht reflektiert, welches innerhalb eines vorbestimm ten Einfallswinkelbereichs auf denselben auftrifft, und wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht, das außer halb des vorbestimmten Einfallswinkelbereichs auf den selben auftrifft, mit minimaler Absorption transmit tiert; und
Plazieren des verteilten Bragg-Reflektors in der Licht-emittierenden Diode (30).
Herstellen mindestens eines ersten, verteilten Bragg- Reflektors (31), wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht reflektiert, welches innerhalb eines vorbestimm ten Einfallswinkelbereichs auf denselben auftrifft, und wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht, das außer halb des vorbestimmten Einfallswinkelbereichs auf den selben auftrifft, mit minimaler Absorption transmit tiert; und
Plazieren des verteilten Bragg-Reflektors in der Licht-emittierenden Diode (30).
15. Verfahren gemäß Anspruch 14,
bei dem der verteilte Bragg-Reflektor (31) Licht, das
von einer aktiven Region (32) der Licht-emittierenden
Diode (30) emittiert wird, in mindestens einer ersten
von zwei Richtungen reflektiert, wobei die beiden Rich
tungen von Licht-absorbierenden Bereichen der Licht
emittierenden Diode (30) weg und zu mindestens einer
ersten Vorzugsrichtung hin gerichtet sind.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15,
bei dem die aktive Region (32) mit einer Kombination
des transparenten Substrats (33) und des verteilten
Bragg-Reflektors (31) Wafer-verbunden ist.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15,
bei dem das transparente Substrat (33) mit einer Kom
bination aus verteiltem Bragg-Reflektor (31) und akti
ver Region (32) Wafer-verbunden ist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 14,
bei dem der verteilte Bragg-Reflektor (31) zwischen der
aktiven Region (32) und einem Abschnitt des Substrats
(33) plaziert ist, wobei der Abschnitt des Substrats
die Oberflächen des Substrats (33), die am nächsten bei
der aktiven Region (32) und am weitesten von derselben
weg angeordnet sind, umfaßt.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18,
bei dem ein zweiter verteilter Bragg-Reflektor (74)
zwischen der aktiven Region und mindestens einem Ab
schnitt des transparenten Fensters plaziert ist, wobei
der Abschnitt des transparenten Fensters die Oberflä
chen des transparenten Fensters, die am nächsten bei
der aktiven Region (32) und am weitesten von derselben
entfernt angeordnet sind, umfaßt.
20. Licht-emittierende Diode mit folgenden Merkmalen:
einer aktiven Region (103) zum Erzeugen von Licht;
einer Fensterschicht, die über der aktiven Region (103) liegt, wobei die Fensterschicht für das Licht transpa rent ist, das von der aktiven Region erzeugt wird;
einer Substratschicht (100), die für das Licht, das von der aktiven Region erzeugt wird, transparent ist und unter der aktiven Region liegt;
einem ersten und einem zweiten Kontakt zum Anlegen einer Spannung an der aktiven Region; und
einer Mehrzahl von Rillen (101), die durch die Fenster schicht und die aktive Region zu der Substratschicht geschnitten sind, wobei sich die Rillen größenmäßig er weitern, während sie von der Fensterschicht zu der Sub stratschicht eindringen, wobei die Rillen von der ak tiven Region erzeugtes Licht umlenken.
einer aktiven Region (103) zum Erzeugen von Licht;
einer Fensterschicht, die über der aktiven Region (103) liegt, wobei die Fensterschicht für das Licht transpa rent ist, das von der aktiven Region erzeugt wird;
einer Substratschicht (100), die für das Licht, das von der aktiven Region erzeugt wird, transparent ist und unter der aktiven Region liegt;
einem ersten und einem zweiten Kontakt zum Anlegen einer Spannung an der aktiven Region; und
einer Mehrzahl von Rillen (101), die durch die Fenster schicht und die aktive Region zu der Substratschicht geschnitten sind, wobei sich die Rillen größenmäßig er weitern, während sie von der Fensterschicht zu der Sub stratschicht eindringen, wobei die Rillen von der ak tiven Region erzeugtes Licht umlenken.
21. Licht-emittierende Diode gemäß Anspruch 20,
bei der die Rillen (101) metallisiert sind, um ihre Fä
higkeit zu erhöhen, Licht von der aktiven Region umzu
lenken.
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