DE19629920B4 - Licht-emittierende Diode mit einem nicht-absorbierenden verteilten Braggreflektor - Google Patents

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Abstract

Licht-emittierende Diode (30), die keine kohärente Strahlung emittiert, mit
einer aktiven Region (32) zum Erzeugen von Licht;
einem Substrat (33), das für das von der aktiven Region (32) erzeugte Licht transparent ist, wobei das Substrat (33) unter der aktiven Region (32) liegt, eine obere und eine untere Oberfläche und eine Mehrzahl von freiliegenden Seitenoberflächen aufweist, wobei Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, fähig ist, die Licht-emittierende Diode (30) durch die freiliegenden Seitenoberflächen des Substrats (33) zu verlassen;
einer Fensterschicht, die für das von der aktiven Region (32) erzeugte Licht transparent ist und über der aktiven Region liegt, wobei die Fensterschicht zumindest eine obere, freiliegende Oberfläche aufweist, durch die Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, durchtreten kann;
einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt (34) zum Anlegen einer Spannung an der aktiven Region (32), wobei zumindest der erste und der zweite...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Licht-emittierenden Halbleiterbauelementen. Insbesondere bezieht sie sich auf Licht-emittierende Dioden (LEDs; LED = Light Emitting Diode) auf einem transparenten Substrat (TS). Nicht-absorbierende verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs; DBR = Distributed Bragg Reflector) werden verwendet, um die Lichtextraktion und die Optik einer TS-LED zu verbessern. Die resultierenden Bauelemente zeigen im Vergleich zu bekannten TS-LEDs einen erhöhten Fluß und eine erhöhte Intensität.
  • Eine gehäuste LED ist aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt, von denen jedes einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Der Brechungsindex ist üblicherweise mit n bezeichnet, wobei n von etwa 3,5 in dem LED-Halbleiterchip bis zu etwa 1,5 in dem Epoxidharz variiert, das verwendet wird, um den LED-Chip einzukapseln. Dieser große Unterschied in den Brechungsindizes resultiert in einem kritischen Winkel der inneren Totalreflexion von 25° von der LED und dem Epoxidharz, wobei der Winkel durch das Snellius'sche Gesetz [θc = arcsin (n1/n2)] gegeben ist. Dieser relativ kleine kritische Winkel für die innere Totalreflexion zusammen mit der inneren Lichtabsorption in dem LED-Chip resultiert darin, daß der äußere Quantenwirkungsgrad der LED wesentlich niedriger als der innere Quantenwirkungsgrad derselben ist. Das Verhältnis dieser Größen, nämlich des äußeren 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 definiert sind, sind schematisch in den 1a, 1b, 1c und 1d gezeichnet. Bei allen diesen Figuren schließt das Kegelmodell eine Mehrfachdurchlauf-Lichtextraktion, eine innere Absorption und eine Verzufälligung aus. Bei LED-Chips mit einem absorbierenden Substrat (AS) wird die Anzahl von Austrittskegeln stark von der Dicke der transparenten Fensterschicht beeinträchtigt. Eine AS-LED mit einer dünnen transparenten Fensterschicht (<10 μm), welche in 1a gezeigt ist, besitzt lediglich einen einzigen oberen Austrittskegel. Wenn die Dicke der Fensterschicht auf >40 μm erhöht ist, wie es in 1b gezeigt ist, erhöht sich die Anzahl von Austrittskegeln als Ergebnis von Beiträgen von den Seiten des Chips auf 3. Ein DBR-Spiegel, d.h. ein Mehrfachschichtenstapel 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 lediglich 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 1c gezeigt sind, besitzen dünne transparente Fenster, was in einem Maximum von zwei Austrittskegeln resultiert.
  • Die beste bekannte Struktur zur Lichtextraktion, die in 1d gezeigt ist, ist eine TS-LED, bei der sechs Austrittskegel möglich sind. Derartige TS-LED-Chips 10, welche in 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 Mehrfachreflexionsereignissen oder von Verzufälligungen von Licht innerhalb der LED. In Chips mit dicken, transparenten Fensterregionen, besonders in TS-LEDs, führen Photonen Mehrfachdurchläufe 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 1a, 1b, 1c und 1d vorhergesagt wird. Diese Effekte können wesentlich sein. Bei TS-AlGaAs-LEDs beträgt der berechnete maximale Extraktionswirkungsgrad 0,24, wobei die Effekte der Verzufälligung vernachlässigt werden. Der Extraktionswirkungsgrad wurde experimentell 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/Metallisierungen kann den Extraktionswirkungsgrad beeinträchtigen. 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 dotierten 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 allgemein 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 verwendbares Strahlungsmuster fokussiert werden. Typischerweise sind LEDs in einem Polymer, üblicherweise Epoxidharz, gehäust, 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 fokussieren. Dies ist besonders bei Lampen mit schmalen Sichtwinkeln der Fall, deren Strahlungsmuster einen vollen Halbwertswinkel (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 Oberflächenemission eine höhere Spitzenintensität in der Lampenform besonders bei Lampen mit schmalen Sichtwinkeln aufweisen, als ein Chip, bei dem eine wesentliche Lichtmenge von den Kanten oder Seiten des Chips emittiert wird.
  • Die EP 0 430 041 A1 betrifft eine Licht-emittierende Diode mit einer lichtreflektierenden Schicht. Wie es z.B. in 2 dargestellt ist, umfaßt die Diode eine Lichterzeugungsschicht, die zwischen zwei Schichten angeordnet ist. Überdies ist eine lichtreflektierende Schicht unterhalb der lichterzeugenden Schicht angeordnet, um Licht, welches durch die lichterzeugende Schicht in Richtung des Substrats emittiert wird, zurück zu der Licht-emittierenden Oberfläche der Diode zu reflektieren. Die lichtreflektierende Schicht besteht aus drei reflektierenden Schichten, wobei eine Schicht angepaßt ist, um am effizientesten eine Welle mit einer Wellenlänge von 895 nm zu reflektieren, welche orthogonal auf die lichtreflektierende Schicht trifft. Auf ähnliche Weise ist eine zweite Schicht angepaßt, um eine Welle mit einer Wellenlänge von 860 nm zu reflektieren und die dritte Schicht ist angepaßt, um eine Welle mit einer Wellenlänge von 968 nm zu reflektieren. Aufgrund der reflektierenden Schichten werden Wellen, deren Ausbreitungsrichtung nicht senkrecht zur Ebene der Schicht ist, und Wellen, die quer auf die lichtreflektierende Schicht auftreffen, durch diese ausreichend reflektiert.
  • Die US 5,008,718 A offenbart eine Licht-emittierende Diode mit einem oberen und unteren Kontakt, die in reflektierenden Aufnahmen mit einem reflektierenden Epoxidmaterial, welches mit Silber versehen ist, befestigt wird.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Licht-emittierende Diode mit einer verbesserten Lichtextraktion zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Licht-emittierende Diode gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt TS-LED-Chips mit einer verbesserten Lichtextraktion und einer verbesserten Optik und insbesondere einer verbesserten oberen Oberflächenemission. Das Verwenden von nicht-ab sorbierenden DBRs innerhalb der TS-LED erlaubt die Herstellung der hierin beschriebenen LEDs. Die nicht-absorbierenden DBRs lenken Licht von absorbierenden Regionen, wie z.B. Kontakten, innerhalb des Chips weg, was den Lichtextraktionswirkungsgrad erhöht. Die nicht-absorbierenden DBRs können ferner Licht zu der oberen Oberfläche des Chips umlenken, wodurch die Menge an oberer Oberflächenemission und die Intensität 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 Lichtverzufälligung und eine Mehrfachdurchlauf-Lichtextraktion.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a, 1b, 1c und 1d die Lichtextraktion von mehreren unterschiedli chen LED-Strukturen gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein bekanntes Häusungssystem für den LED-Chip, der in 1d gezeigt ist;
  • 3a und 3b eine bekannte TS-LED bzw. eine gemäß der vor liegenden Erfindung hergestellte TS-LED;
  • 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches ein Wafer-verbundenes TS verwendet;
  • 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;
  • 6 eine TS-LED, die mehrfache nicht-absorbierende DBRs enthält;
  • 7a und 7b TS-LEDs mit gemusterten Substraten und nicht- absorbierende DBRs;
  • 8 eine großflächige TS-LED mit einem nicht-absorbierenden DBR, der auf einem gemusterten Substrat gewachsen ist;
  • 9 eine TS-LED mit gerillten Reflektoren;
  • 10a ein schematisches Diagramm einer TS-AlGaInP-LED mit einem nicht-absorbierenden DBR;
  • 10b das Lufteintritts-Reflektivitätsspektrum des in 10a gezeigten DBRs;
  • 11a einen Graph des Absorptionskoeffizienten α, der als Funktion von λ-λPeak für eine aktive Schicht aus AlInGaP gezeichnet ist; und
  • 11b einen Graph des Einzeldurchlauf-Transmissionskoeffizienten e–αx als Funktion von λ-λPeak für aktive Schichten aus AlInGaP mit variierender Dicke.
  • 3a ist ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen TS-LED 20, während 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 Komponenten in den LEDs 20 und 30 sind mit gleichen Bezugszeichen 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 Bandabstandsenergie 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. Typischerweise bedecken absorbierende Rückseitenkontakte 34 etwa 30% der Rückseitenoberfläche des LED-Chips. Unter Berücksichtigung von nur dem Einzeldurchlauflicht, wie es in 1 der Fall ist, sollte der DBR 31 zumindest eine 7 prozentige Verbesserung im gesamten Extraktionswirkungsgrad ergeben, indem Licht, welches von dem Rückkontakt in der LED 20 absorbiert wird, umgelenkt wird (siehe die Strahlenlinienzüge δ und δ' in den 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 besonders in denen mit schmalen Sichtwinkeln wesentlich verbessert. 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 Verbesserung 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 3a gezeigten herkömmlichen TS-LED 20 wird Licht von nahezu senkrechtem Einfall, das von der rauhen hinteren Oberfläche 21 reflektiert wird, allgemein derart gestreut, daß es von den Kanten des Chips und nicht von der oberen Oberfläche emittiert wird (siehe den Strahlenlinienzug γ in 3a). Dies wird durch die Rauhigkeit der hinteren Halbleiteroberfläche und/oder die große Korngröße des Ag-beladenen reflektiven Epoxidharzes bewirkt, das zum Chip-Befestigen verwendet wird (siehe 2). Der nicht-absorbierende DBR 31, der in 3b gezeigt ist, reflektiert das nahezu senkrecht einfallende Licht zu der oberen Oberfläche, was in einer erhöhten Oberflächenemission und einer verbesserten Spitzenintensität resultiert.
  • 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 Beabstandung wird durch Verwendung einer transparenten Pufferschicht 35 erreicht. Dies dient zur Minimierung beliebiger Lichtabsorptionen bevor dasselbe reflektiert wird. Der DBR kann ferner zwischen dem transparenten Substrat und dem absorbierenden 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 beispielsweise 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 4 dargestellt ist, ist ein nicht-absorbierender DBR 51 über der Wafer-Verbindungsgrenzfläche 53 plaziert, um eine beliebige Absorption oder Streuung zu minimieren, die an der Verbindungsgrenzfläche 53 des Halbleiters und Wafers auftreten kann. Wenn der nicht-absorbierende DBR unter der Wafer-Verbindungsgrenzfläche 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 5a, 5b und 5c gezeigt ist, kann es von Vorteil sein, den DBR nicht direkt unter dem oberen Kontakt 69 zu plazieren, um die Umlenkung des Lichts zu diesem absorbierenden Bereich zu vermeiden, wenn der DBR 65 unter der aktiven Schicht 67 plaziert ist. 5a stellt einen ungemusterten DBR dar, und wie derselbe Licht von dem absorbierenden oberen Kontakt zurückreflektieren kann (siehe den Strahlenlinienzug τ in 5a). Die notwendige Musterung kann durch eine gemusterte Halbleiter-Wafer-Verbindung (siehe 5b), durch ein epitaxiales Wachstum auf gemusterten Substraten (siehe 5c), durch mehrstufige epitaxiale Wachstumstechniken oder durch eine Kombination dieser Techniken erreicht werden. Bei den in den 5b und 5c gezeigten Beispielen wird das Licht, das zu dem oberen Kontakt 69 hin umgelenkt worden wäre, nun aus den Seiten der Chips gerichtet (siehe die Strahlenlinienzüge γ' und γ'' in den 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 dazu dienen, Licht innerhalb des Chips umzulenken und zu verzufälligen. 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 4). Derartige Streustellen können aus rauhen oder ungleichmäßigen Oberflächen des Chips (die beispielsweise durch Techniken wie chemisches Ätzen, Läppen oder Sandstrahlen erzeugt werden), aus Hohlräumen, die innerhalb des Chips gebildet sind, aus Veränderungen der Kristall-Zusammensetzung/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 Lichtextraktion und/oder die Umlenkung von Licht zu einem bevorzugten 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 zwischen den DBRs einzuführen, um die Auswirkungen des Bildens von Fabry-Perot-Hohlräumen innerhalb des Chips zu minimieren. Diese Hohlräume begrenzen tendenziell Licht innerhalb des Chips. Typischerweise sollten die DBRs zwischen absorbierenden Regionen und der aktiven Schicht der LED positioniert sein. Ein Beispiel einer TS-LED, die nicht-absorbie rende Mehrfach-DBRs enthält, ist in 6 gezeigt, wobei ein gemusterter DBR 74 zwischen dem oberen Kontakt 76 und der aktiven Schicht 77 zusätzlich zu einem DBR 73, der zwischen der aktiven Schicht 77 und dem Substrat 79 positioniert ist, plaziert ist. Der DBR 74 reduziert die Lichtmenge, welche auf den absorbierenden oberen Kontakt einfällt, was den Extraktionswirkungsgrad der LED erhöht. In der Praxis wird die Anzahl und Plazierung von Mehrfach-DBRs durch die Chipstruktur, die Komplexität und die Kosten, die anfallen, 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 aufgewachsen werden. Wie es in den 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 Verwendung 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 7(a) gezeigten Struktur ähnlich ist. Licht, das Wellenleiter-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 7a und 7b). Epitaxiale Wachstumsraten variieren für ein Wachstum auf unterschiedlichen Wachstumsebenen wesentlich. Folglich sollte bei der in 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 aufgewachsen sind, weisen wesentlich unterschiedliche Dicken auf und reflektieren Licht mit einem nahezu senkrechten Einfall (der Strahlenlinienzug β in 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 7b gezeigt ist. Obwohl die TS-LEDs, die in den 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 Gesamtdicke 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 Seitenwände 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 derartige LED ist in 8 gezeigt. In dieser Figur sind wiederholte, winklige Reflektoren 91 über dem Chip verteilt, um eine Umlenkung des Kanten-emittierten Lichts zu der Oberfläche 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-emittierte Licht absorbiert sein, bevor es die Kanten des Chips erreichen kann, was in einem verringerten Extraktionswirkungsgrad resultiert. Die in 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 9 gezeigt sind, sind, kann ähnliche Resultate wie das Verfahren erreichen, das verwendet wird, um die in 8 dargestellten LEDs herzustellen. Licht würde von diesen Oberflächen reflektiert und umgelenkt werden, damit das Licht aus dem Chip austreten kann. Die Reflektivität dieser Rillen kann durch Beschichten der Rillenoberfläche mit einem reflektiven Metall verbessert werden.
  • Verschiedene Techniken können verwendet werden, um nichtabsorbierende DBRs in einer TS-LED-Struktur herzustellen. Diese Techniken umfassen ein epitaxiales Wachstum des DBR zusammen mit der aktiven Region des Bauelements unter Verwendung beispielsweise folgender Techniken, der Gasphasenepitaxie (VPE; VPE = Vapor Phase Epitaxy), der Flüssigphasenepitaxie (LPE; LPE = Liquid Phase Epitaxy), der metallorganisch-chemischen Dampfabscheidung (MOCVD; MOCVD = Metalorganic Chemical Vapor Deposition), der Molekularstrahlepitaxie (MBE; MBE = Molecular Beam Epitaxy) oder einer Kombination derselben. Die epitaxialen Schichten des DBR und der LED können durch einen einzigen oder mehrfache Wachstumsschritte gebildet werden, wobei die Reihenfolge des Wachstums durch die gewünschte Chipstruktur bestimmt ist. Zusätzlich 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 einem 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 Verfahren minimiert eine Absorption von der Grenzfläche an der Halbleiter-Wafer-Verbindung und erlaubt das Aufnehmen von Streuzentren unter dem DBR, wobei derartige Zentren Hohlräume, die innerhalb des Chips gebildet sind oder lokale Änderungen 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 Entwürfe, wobei sie jedoch nicht auf dieselben begrenzt sind: Standard-Viertelwellenlängenstapel, Chirp-Stapel, Mehrfachstapel 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. Wachstumsanforderungen und Bandversätze, machen es jedoch notwendig, 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. Optimalerweise 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 transmittiert wird, definiert ist, wie es durch Integration über alle Einfallswinkel berechnet wird.
  • Der Entwurf der aktiven Schicht ist ebenfalls für die Realisierung einer verbesserten Lichtextraktion kritisch. Eine TS-AlGaInP-LED-Struktur, die schematisch in 10a gezeigt ist, wurde durch Wafer-Verbinden eines GaP/Al0,7Ga0,3P-DBR, der auf einem GaP-Substrat durch die MOCVD epitaxial aufgewachsen wurde, mit einer AlInGaP-LED-Struktur mit einer 1,25 μm dicken aktiven Schicht hergestellt, welche von dem ursprünglichen, 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 Lufteintritts-Reflektivitätsspektrum für den 30-Perioden-GaP/Al0,7Ga0,3P-BDR ist in 10b gezeigt, wobei eine hohe Reflektivität bei der Spitzenemissionswellenlänge (590 nm) der aktiven Schicht gezeigt ist. Ein Testen der LED-Struktur offenbarte, daß das Vorhandensein des DBR in einer kleinen Rotverschiebung der emittierten Lichtspektren, jedoch nicht in einer wesentlichen Verbesserung einer Gesamtlichtextraktion resultierte. Eine Analyse zeigte, daß von dem DBR reflektiertes Licht aufgrund einer Band-zu-Band-Absorption in der aktiven Schicht stark gedämpft wurde.
  • Der Absorptionskoeffizient α wurde gemessen und ist in 11a als Funktion von ∙-∙Peak (Peak = Spitze) aufgezeichnet, wobei ∙Peak die Spitzenemissionswellenlänge der aktiven Schicht ist. 11b zeigt den Einzeldurchlauf-Transmissionskoeffizienten e–αX 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 aktiven Schicht auf kleiner als 0,3 μm wird in einer weiteren Verbesserung der Lichtextraktion resultieren, wie es in 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 verbesserte Trägerbegrenzung umgeben sind. Die aktive Region sollte einen möglichst großen inneren Quantenwirkungsgrad aufweisen, um den Absorptionseffekt durch Reemission des absorbierten Lichts mit der Wahrscheinlichkeit ηi zu minimieren.

Claims (13)

  1. Licht-emittierende Diode (30), die keine kohärente Strahlung emittiert, mit einer aktiven Region (32) zum Erzeugen von Licht; einem Substrat (33), das für das von der aktiven Region (32) erzeugte Licht transparent ist, wobei das Substrat (33) unter der aktiven Region (32) liegt, eine obere und eine untere Oberfläche und eine Mehrzahl von freiliegenden Seitenoberflächen aufweist, wobei Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, fähig ist, die Licht-emittierende Diode (30) durch die freiliegenden Seitenoberflächen des Substrats (33) zu verlassen; einer Fensterschicht, die für das von der aktiven Region (32) erzeugte Licht transparent ist und über der aktiven Region liegt, wobei die Fensterschicht zumindest eine obere, freiliegende Oberfläche aufweist, durch die Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, durchtreten kann; einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt (34) zum Anlegen einer Spannung an der aktiven Region (32), wobei zumindest der erste und der zweite Kontakt Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, absorbieren; und mindestens einem ersten verteilten Bragg-Reflektor (31), der für Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, transparent ist, wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht, das auf den verteilten Bragg-Reflektor innerhalb eines Bereichs von vorbestimmten Einfallswinkeln auftrifft, reflektiert und Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, mit einer Absorption von weniger als 25% transmittiert, wenn das Licht außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Einfallswinkeln auf den verteilten Bragg-Reflektor auftrifft, wobei der verteilte Bragg-Reflektor Licht, das von der aktiven Region (32) erzeugt wird, von den absorbierenden Regionen der Licht-emittierenden Diode (30) weg und in Richtung zumindest einer freiliegenden Oberfläche umleitet.
  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 mindestens eine erste von zwei Richtungen reflektiert, wobei die beiden Richtungen von Licht-absorbierenden Bereichen der Licht-emittierenden Diode weg und zu mindestens 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 (O≤X, Y, Z≤1) und AlX, Ga1–X, As (O≤X'≤1) aufweist.
  4. Licht-emittierende Diode (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das transparente Substrat (33) derart strukturiert ist, daß es eine Mehrzahl von Gräben aufweist, bei der die aktive Region (32) auf dem strukturierten Substrat aufgewachsen ist, und bei der der Bragg-Reflektor (31) auf dem strukturierten Substrat und auf den Seitenwänden der Gräben aufgewachsen ist.
  5. Licht-emittierende Diode (30) gemäß Anspruch 4, bei der die Gräbenseitenwände mit der Vertikalen einen Winkel von 45° bilden.
  6. Licht-emittierende Diode (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 nächsten bei der aktiven Region oder am weitesten von derselben 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, wobei der Abschnitt des transparenten Fensters die Oberflächen des transparenten Fensters umfaßt, die der aktiven 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 mindestens einer ersten von zwei Richtungen reflektiert, wobei die beiden Richtungen von Licht-absorbierenden Bereichen 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 Region (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 Lichtabsorbierenden Bereichen der Licht-emittierenden Diode (30) weg und zu mindestens einer ersten Vorzugsrichtung hin gerichtet 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.
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