DE10139798B4

DE10139798B4 - Strahlungsemittierendes Bauelement mit geometrisch optimierter Auskoppelstruktur

Info

Publication number: DE10139798B4
Application number: DE10139798A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Baur; Dominik Dr. Eisert; Uwe Dr. Strauss
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: US20030155580A1; JP2003086838A; DE10139798B9; US6768136B2; DE10139798A1

Abstract

Strahlungsemittierendes Bauelement mit einer Mehrschichtstruktur (3), die eine aktive Schicht (4) mit mindestens einer strahlungserzeugenden Fläche aufweist, und einem strahlungsdurchlässigen Fenster (1) mit einer Hauptfläche (2), auf der die Mehrschichtstruktur (3) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Fenster (1) eine Seitenfläche (7) mit einer ersten zur Hauptfläche (2) senkrecht angeordneten Teilfläche (8) und einer zweiten, zur Hauptfläche (2) schräg verlaufenden, gekrümmten oder gestuften Teilfläche (9) aufweist, wobei die erste Teilfläche (8) mit der Hauptfläche (2) eine Kante (12) bildet und in einem Abstand d von der Hauptfläche (2) in die zweite Teilfläche (9) übergeht,
und daß die strahlungserzeugende Fläche eine laterale Begrenzung aufweist, die von der von der ersten Teilfläche (8) und der Hauptfläche (2) gebildeten Kante (12) in einem Abstand 1 angeordnet ist, für den gilt

wobei n₁ den Brechungsindex der Mehrschichtstruktur (3) und n₂ den Brechungsindex des Fensters (1) bezeichnet, und der Brechungsindex n₁ der...

Description

Die Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Strahlungsemittierende Bauelemente der genannten Art weisen eine Mehrschichtstruktur mit einer aktiven, der Strahlungserzeugung dienenden Schicht sowie ein strahlungsdurchlässiges Fenster mit einer Hauptfläche auf, auf der die Mehrschichtstruktur angeordnet ist. Bei herkömmlichen Bauelementen wird oftmals ein Fenster in Form eines Würfels oder eines Quaders verwendet.
Bei dieser Formgebung des Fensters wird ein vergleichsweise großer Anteil der erzeugten Strahlung an der Grenzfläche zwischen Fenster und Umgebung totalreflektiert und so die Auskopplung der erzeugten Strahlung reduziert.
Bei einer verbesserten Formgebung wird das Fenster von mindestens einer Seitenfläche begrenzt, die eine zur Hauptfläche schräg angeordnete Teilfläche aufweist.

Aus DE 24 16 098 A1 ist eine optische Halbleiterstrahlungsquelle mit einem Substrat und einer strahlungserzeugenden Halbleiterschicht bekannt, bei der das Substrat auf der von der Halbleiterschicht abgewandten Seite nach Art eines Domes zugespitzt geformt ist. Das Substrat weist eine zur Halbleiterschicht senkrechte Seitenfläche auf, die in eine schräg zur Halbleiterschicht verlaufende Seitenfläche übergeht, wobei die strahlungserzeugende Zone von der senkrechten Seitenfläche lateral beabstandet ist.

Eine vorteilhafte Form eines Fensters ist im Längsschnitt schematisch in 7 dargestellt.

Bei dem gezeigten Bauelement ist auf einer Hauptfläche 2 eines Fensters 1 eine Mehrschichtstruktur 3 aufgebracht, die eine strahlungserzeugende aktive Schicht 4 umfaßt. Die in der aktiven Schicht 4 erzeugte und in Richtung des Fensters 1 emittierte Strahlung ist beispielhaft dargestellt durch die Strahlen 5a, 5b und 5c. Diese Strahlen treten durch die Hauptfläche 2 in das Fenster 1 ein, durchlaufen einen Teil des Fensters 1 und treffen schließlich auf eine Begrenzungsfläche des Fensters 1 auf. Je nach Einfallswinkel auf die Begrenzungsfläche wird ein Strahl ausgekoppelt, vgl. Strahl 5b, oder totalreflektiert, vgl. Strahl 5a und 5c. Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel, bezogen auf die Flä chennormale der Begrenzungsfläche, größer als der Totalreflexionswinkel ist.

Bei dem gezeigten Bauelement wird das Fenster von Seitenflächen 7 begrenzt, die jeweils eine zur Haupfläche 2 schräg verlaufende Teilfläche 9 aufweisen. Durch die Schrägstellung wird der Einfallswinkel für die auf die Teilfläche 9 auftreffenden Strahlen 5b erniedrigt, der Anteil der totalreflektierten Strahlung somit reduziert und insgesamt die Strahlungsausbeute deutlich erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungsemittierendes Bauelement der eingangs genannten Art mit weiter verbesserter Strahlungsausbeute zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement mit hoher Auskoppeleffizienz anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, bei einem Bauelement der genannten Art die Strahlungserzeugung auf Bereiche zu begrenzen, denen aufgrund der Formgebung des Fensters eine besonders hohe Strahlungsauskoppelung zukommt.

Eine solche räumlich begrenzte Strahlungserzeugung kann dadurch realisiert werden, daß die aktive Schicht nur in den genannten Bereichen mit hoher Strahlungsauskopplung ausgebildet ist. Weiterhin kann die aktive Schicht sich auch über größere Bereiche erstrecken, wobei aufgrund zusätzlicher Mittel, beispielsweise einer räumlich begrenzten Einprägung eines Betriebsstroms, die Strahlungserzeugung nur in Teilbereichen der aktiven Schicht stattfindet. Im folgenden werden die im Betrieb strahlungsemittierenden Bereiche der aktiven Schicht als "strahlungsemittierende Fläche" bezeichnet. Die aktive Schicht ist hingegen die innerhalb der Mehrschichtstruktur ausgebildete Schicht, die grundsätzlich zur Strahlungserzeugung geeignet ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einer Mehrschichtstruktur, die eine aktive Schicht mit einer strahlungserzeugenden Fläche aufweist, und einem strahlungsdurchlässigen Fenster mit einer Hauptfläche, auf der die Mehrschichtstruktur angeordnet ist, zu bilden. Das Fenster wird von einer Seitenfläche mit einer ersten, zur Hauptfläche senkrecht angeordneten Teilfläche und einer zweiten, zur Hauptfläche schräg verlaufenden, gekrümmten oder gestuften Teilfläche begrenzt, wobei die erste Teilfläche in einem Abstand d von der Hauptfläche in die zweite Teilfläche übergeht. Die strahlungserzeugende Fläche weist eine laterale Begrenzung auf, die von einer von der zur Hauptfläche senkrecht angeordneten ersten Teilfläche und der Hauptfläche gebildeten Kante in einem Abstand 1 angeordnet ist, für den gilt

Dabei bezeichnet n₁ den Brechungsindex der Mehrschichtstruktur und n₂ den Brechungsindex des Fensters, der größer ist als der Brechungsindex n₁ der Mehrschichtstruktur.

Durch diese Beabstandung der strahlungsemittierenden Fläche von der entsprechenden Kante des Fensters wird der Anteil der Strahlung, der auf die erste, zur Hauptfläche senkrechte Teilfläche auftrifft, zugunsten des Anteils, der auf die zweite, zur Hauptfläche schräg angeordnete Teilfläche fällt, erniedrigt und somit die Strahlungsauskopplung erhöht.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung schließt sich an die zweite, zur Hauptfläche schräg verlaufende, gestufte oder gekrümmte Teilfläche der Seitenfläche eine dritte, zur Hauptfläche senkrecht angeordnete Teilfläche an. Damit kann auf der von der Mehrschichtstruktur abgewandeten Seite des Bauelementes ein Sockel mit zueinander orthogonalen Seitenflächen gebildet werden, der hinsichtlich der Montage des Bauelementes vorteilhaft ist. Viele bestehende, insbesondere automatische Bestückungsvorrichtungen sind für solche Fensterformen mit orthogonalen Seitfenflächen ausgelegt und können vorteilhafterweise bei dieser Ausführungsform der Erfindung zum Teil weiterverwendet werden.

Vorzugsweise ist die strahlungserzeugende Fläche in einem Bereich ausgespart, der senkrecht auf die Hauptfläche gesehen mit dem Fenstersockel überlappt, so daß in diesem Bereich keine Strahlung erzeugt wird. Strahlung, die hier generiert würde, würde im wesentlichen in Richtung des Fenstersockels emittiert und dort in deutlich geringerem Maße ausgekoppelt als an der zweiten, schrägstehenden Teilfläche der Seitenfläche.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Fenster einen lateralen Querschnitt in Form eines Rechtecks, eines Quadrats oder eines Dreiecks auf. Unter einem lateralen Querschnitt ist hierbei ein Querschnitt mit einer Schnittebene parallel zur Hauptfläche zu verstehen.

Weiter bevorzugt wird das Fenster von einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden und zur ersten Hauptfläche parallelen zweiten Hauptfläche begrenzt. Diese Formgebung ist insbesondere hinsichtlich der Herstellung des Fensters aus einem größeren flächigen Substrat durch Sägen oder Brechen vorteilhaft.

Die strahlungserzeugende Fläche kann bei der Erfindung eine Mehrzahl von Strahlungsteilflächen umfassen. Die Strahlungsteilflächen sind vorzugsweise in den Bereichen der aktiven Schicht angeordnet, denen eine hohe Auskopplung zukommt, wobei die Bereiche zwischen den einzelnen Strahlungsteilflächen mit einer geringeren Auskopplung ausgespart sind. Vorzugsweise werden die Strahlungsteilflächen von zwei oder mehr der genannten Begrenzungen eingefaßt und zeichnen sich somit durch eine besonders hohe Auskopplung der erzeugten Strahlung aus.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Fenster zwei gegenüberliegende Seitenflächen mit jeweils einer ersten, zur Hauptfläche senkrechten Teilfläche auf, die jeweils in eine zweite, zur Hauptfläche schräg verlaufende, gestufte oder gekrümmte Teilfläche übergeht. Durch diese Mehrzahl von schrägen Teilflächen wird die Auskoppelung vorteilhaft weiter erhöht. Weitergehend kann das Fenster auch allseitig von Seitenflächen mit einer ersten, senkrecht zur Hauptfläche angeordneten Teilfläche und eine zweiten, zur Hauptfläche schräg verlaufenden, gestuften oder gekrümmten Teilfläche lateral begrenzt sein.

Vorzugsweise ist bei der Erfindung auf der Mehrschichtstruktur eine Kontaktfläche angeordnet. Eine korrespondierende Gegenkontaktfläche kann beispielsweise auf der der Mehrschichtstruktur abgewandten Seite des Fensters aufgebracht sein.

Diese Kontaktflächen dienen der elektrischen Versorgung des Bauelements.

Zur Ausbildung einer begrenzt strahlungsemittierenden Fläche in der aktiven Schicht kann die auf der Mehrschichtstruktur angeordnete Kontaktfläche entsprechend der Form der strahlungsemittierenden Fläche strukturiert sein. Bei einem Stromfluß, der im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche verläuft, wird ein Strom in die Bereiche der aktiven Schicht eingeleiten, die in der Aufsicht von der Kontaktfläche bedeckt sind. In der Folge wird nur in den stromdurchflossenen Bereichen der aktiven Schicht Strahlung erzeugt. Somit wird vermittels eines elektrischen Stroms die Kontaktfläche gleichsam auf die aktive Schicht projiziert.

Vorteilhafterweise kann in diesem Fall die aktive Schicht lateral homogen ausgebildet werden. Dies erleichtert die Herstellung der Mehrschichtstruktur, da keine Strukturierung der aktiven Schicht nötig ist. Die Strukturierung einer Kontaktfläche erfordert in der Regel einen vergleichsweise geringen Aufwand. So kann die Kontaktfläche beispielsweise zunächst lateral homogen aufgedampft und nachfolgend durch Ätzen oder Rücksputtern strukturiert werden.

Alternativ oder kumulativ kann die Mehrschichtstruktur seitliche, zur Hauptfläche im wesentlichen senkrechte Randflächen aufweisen, die zugleich die Begrenzung der strahlungserzeugenden Fläche bilden. Die dazu erforderliche Strukturierung der Mehrschichtstruktur kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Mehrschichtstruktur einen strahlungserzeugenden pn-Übergang, der von mindestens einer p-leitenden und mindestens einer n-leitenden Schicht gebildet ist. Das Bauelement kann so als Lumineszenzdiode, beispielsweise als LED, ausgebildet sein. Unter einem pn-Übergang ist dabei neben einem Übergang, der durch unmittelbaren Kontakt der p-leitenden und der n-leitenden Schicht gebildet ist, auch ein Übergang zu verstehen, bei dem die p-leitende Schicht nicht unmittelbar an die n-leitende Schicht grenzt, wie dies beispielsweise bei Quantentopfstrukturen der Fall ist.

Die Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche kann dabei dadurch erzeugt werden, daß in den Bereichen, in denen keine Strahlung erzeugt werden soll, die p-leitende oder die n-leitende Schicht abgetragen wird, so daß dort kein strahlungserzeugender pn-Übergang gebildet wird. Die Abtragung kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit der Begrenzung besteht darin, die p-Leitung oder die n-Leitung bereichsweise zu kompensieren, so daß ebenfalls in den Bereichen der aktiven Schicht, in denen keine Strahlung erzeugt werden soll, kein pn-Übergang vorhanden ist. Eine Kompensation der Leitfähigkeit wird beispiels weise durch Einbringung von Partikeln des entgegengesetzten Leitungstyps erreicht.

Die Mehrschichtstruktur enthält bei der Erfindung vorzugsweise GaN-basierende Halbleiterverbindungen. Darunter sind insbesondere GaN, AlGaN, InGaN und AlInGaN zu verstehen. Derartige Verbindungen zeichnen sich durch eine hohe Quanteneffizienz aus und ermöglichen insbesondere auf Grund ihrer vergleichsweise großen Bandlücke die Erzeugung von Strahlung im grünen, blauen und ultravioletten Spektralbereich.

Eine GaN-basierende Mehrschichtstruktur wird vorzugsweise epitaktisch hergestellt. Als Epitaxiesubstrat sind beispielsweise SiC-Substrate oder GaN-Substrate geeignet. Auch Saphirsubstrate können verwendet werden. Bei der Erfindung kann mit Vorteil das Fenster aus dem Epitaxiesubstrat gefertigt sein. Hierbei zeichnet sich ein SiC-Fenster neben seiner Strahlungsdurchlässigkeit für die erzeugte Strahlung durch seine elektrische Leitfähigkeit aus, die die Ausbildung eines vertikal leitfähigen Bauelementes ermöglicht. Vertikal leitfähige Bauelemente sind vergleichsweise einfach zu kontaktieren und ermöglichen eine homogene Stromverteilung im dem Bauelement.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von elf Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 6 erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements,
2 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements,
3a bis 3f jeweils eine schematische Aufsicht auf sechs weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Bauelemente,
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements,
5a den Auskoppelgrad eines zehnten, in 5b schematisch in der Aufsicht und in 5c schematisch im Schnitt gezeigten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements in Abhängigkeit einer Abmessung der strahlungserzeugenden Fläche und
6 den Auskoppelgrad eines elften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements in Abhängigkeit einer Abmessung der strahlungserzeugenden Fläche.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das in 1 im Schnitt dargestellte Bauelement umfaßt ein Fenster 1 mit einer Hauptfläche 2, auf der eine Mehrschichtstruktur 3 angeordnet ist. Die Mehrschichtstruktur 3 beinhaltet eine strahlungserzeugende aktive Schicht 4 und ist auf der von dem Fenster 1 abgewandten Seite mit einer Kontaktfläche 6 versehen. Der Kontaktfläche 6 gegenüberliegend ist auf dem Fenster, das aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise SiC besteht, eine Gegenkontaktfläche 20 aufgebracht.
Eine zwischen der Hauptfläche 2 und der gegenüberliegenden Seite des Fensters verlaufende Seitenfläche 7 weist eine erste Teilfläche 8 auf, die zu der Hauptfläche 2 senkrecht angeordnet ist. An diese erste Teilfläche 8 schließt sich eine zweite, zur Hauptfläche 2 schräg verlaufende Teilfläche 9 und an diese wiederum eine zur Hauptfläche 2 senkrechte Teilfläche 10 an.
Wie 1 unmittelbar zu entnehmen ist, ist für einen von der aktiven Schicht 4 in Richtung der Seitenfläche 7 emittierten Lichtstrahl 5 der Einfallswinkel beim Auftreffen auf die Seitenfläche 7 im Bereich der schrägen, zweiten Teilfläche 9 geringer als bei einem Auftreffen auf die zur Hauptfläche 2 senkrechten Teilflächen 8 oder 10. Somit kommt der schräg zur Hauptfläche 2 verlaufenden Teilfläche 9 eine höhere Auskopplung zu. Insbesondere wird im Bereich der Teilfläche 9 die Totalreflexion der erzeugten Strahlung an der Seitenfläche stärker gemindert als an den angrenzenden Teilflächen 8 und 10.
Die Mehrschichtstruktur 2 ist lateral so begrenzt, daß ein hinsichtlich der Auskopplung ungünstiges Auftreffen der erzeugten Strahlung auf die senkrechte Teilfläche 8 vermieden wird. Dazu ist die Mehrschichtstruktur 2, deren Brechungsindex n₁ kleiner ist als der Brechungsindex des Fensters n₂, von der Kante 12, die von der Hauptfläche und der senkrechten ersten Teilfläche 8 gebildet wird, beabstandet. Der Abstand 1 zwischen der seitlichen Randfläche 13 der Mehrschichtstruktur und der Kante 12 hängt von dem Abstand zwischen der Hauptfläche 2 und dem Übergang 14 der ersten, senkrechten Teilfläche 8 zur zweiten, schrägen Teilfläche 9 ab, wobei gilt
Diese Bedingung wird im folgenden als Auskoppelbedingung bezeichnet. Sie ergibt sich aus folgendem Zusammenhang:
Ein von einem Leuchtpunkt 15a in der aktiven Schicht 4 ausgehender Lichtstrahl 5 wird beim Eintritt in das Fenster 1, der einen Übergang in ein optisch dichteres Medium darstellt, in Richtung des Lots 16a der Hauptfläche 2 gebrochen. Der Winkel α zwischen dem Lot 16a und dem Lichtstrahl 5 ist kleiner als der kritische Winkel θ_c. Der kritische Winkel θ_c entspricht dem Grenzwinkel der Totalreflexion für den umgekehrten Übergang vom Fenster in die Mehrschichtstruktur und ist gegeben durch
Ein von einem Leuchtpunkt 15b ausgehendes Strahlenbündel wird daher im Substrat in einen Strahlenkegel 11 mit einem Öffnungswinkel 2θ_c abgebildet. Der den Strahlenkegel 11 seitlich begrenzende Randstrahl 18 schließt mit dem Lot 16b einen Winkel θ_c ein.
Die strahlungsemittierende Fläche in der aktiven Schicht ist nun so begrenzt, daß keine Strahlung aus diesem Strahlenkegel 11 unmittelbar auf die bezüglich der Auskoppelung ungünstige Teilfläche 8 auftrifft. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn, wie in 1 anhand des Leuchtpunktes 15b dargestellt, der Leuchtpunkt 15b mindestens so weit von der Kante 12 beabstandet ist, daß der der Seitenfläche 7 zugewandte Randstrahl 18 des Strahlenkegels 11 auf den Übergang 14 zwischen senkrechter Teilfläche 8 und schräger Teilfläche 9 auftrifft. Ist der Abstand zwischen dem Leuchtpunkt 15b und Kante 12 geringer, so trifft ein Teil der von dem Leuchtpunkt ausgehenden Strahlung auf die Teilfläche 8 auf.
Für den dargestellten Grenzfall, bei dem der Randstrahl 18 auf den Übergang 14 trifft, ergibt sich der Zusammenhang
woraus für den Abstand der Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche zu der von der Teilfläche 8 und der Hauptfläche 2 gebildeten Kante 12 die Auskoppelbedingung
folgt.
Es sei angemerkt, daß bei obiger Betrachtung der Verlauf der Strahlen in dem Bereich der Mehrschichtstruktur zwischen der aktiven Schicht 4 und der Hauptfläche 2 vernachlässigt wurde, d. h. es wurde angenommen, daß dieser Bereich der Mehrschichtstruktur verschwindend dünn ist. Daher gilt obige Betrachtung nur näherungsweise und ist für Bauelemente mit einer Mehrschichtstruktur, deren Dicke deutlich kleiner ist als der Abstand d, gut erfüllt.
In 2 ist eine Weiterbildung des vorangehenden Ausführungsbeispiels gezeigt. Die strahlungsemittierende Fläche weist hier eine erste Begrenzung durch die seitlichen Randflächen 13a der Mehrschichtstruktur auf, die in einem Abstand 1 von der Kante 12 angeordnet ist, der die Auskoppelbedingung erfüllt.
Ferner ist die strahlungsemittierende Fläche durch eine weitere Randfläche 13b der Mehrschichtstruktur 3 zur Mittelachse 21 des Chips hin begrenzt, so daß die strahlungsemittierende Fläche in einem Bereich, der in Richtung der Mittelachse über dem Fenstersockel liegt, ausgespart ist. Strahlung, die in diesem Bereich erzeugt würde, würde im wesentlichen in Richtung des Fenstersockels und nicht auf die Schrägflächen 9 abgestrahlt. Da die der Mehrschichtstruktur gegenüberliegende Seite des Fensters zudem als Montagefläche dienen kann, wird nur ein geringer Teil der im Bereich des Fenstersockels auftreffenden Strahlung ausgekoppelt. Hinsichtlich eines hohen Auskopplungsgrads ist es somit vorteilhaft, die Strahlungserzeugung auf die Randbereiche der Mehrschichtstruktur zu beschränken.
Für die Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche zur Mittelachse 21 hin ergibt sich eine zur Auskoppelbedingung analoge Beziehung. Hierbei wird die Kante 12 durch die Schnittlinie 19 ersetzt, die durch den Schnitt der Hauptebene 2 mit der dritten Teilfläche 10 bzw. deren Verlängerung in Richtung der Hauptebene 2 festgelegt ist. An die Stelle des Abstands d tritt der Abstand b des Übergangs 17 zwischen der zweiten Teilfläche 9 und der dritten Teilfläche 10 von der Hauptfläche 2. Der von der Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche ausgehende Strahl 23 entspricht dem Randstrahl 18 und verläuft parallel zu diesem (die zu den Randstrahlen 18 und 23 gehörenden Strahlenkegel sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Vorzugsweise erfüllt der Abstand s der Begrenzung 13b der strahlungsemittierenden Fläche von der Schnittlinie 19 die Beziehung
Durch diese Bedingung ist gewährleistet, daß zumindest ein Teil der erzeugten Strahlung auf die schräge Teilfläche 9 trifft.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die strahlungsemittierende Fläche in Form zweier Streifen 22a, 22b ausgebildet ist, die parallel zu der jeweils von der Hauptfläche 2 und der ersten, zur Hauptfläche 2 senkrechten Teilfläche 8 gebildeten Kante 12 des Fensters verlaufen. Vorzugsweise ist das Bauelement symmetrisch zur Mittelachse 21 ausgeführt.
In 3a bis 3f sind in der Aufsicht sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in der Form der strahlungsemittierenden Fläche, die jeweils schraffiert dargestellt ist. Die zugehörigen Fenster weisen im Längsschnitt eine 2 entsprechende Form auf und sind allseitig von Seitenflächen begrenzt, die eine zur Hauptfläche 2 senkrechte erste Teilflä che und eine zweite, zur Hauptfläche 2 schräg verlaufende Teilfläche aufweisen. Für die Ausführungsbeispiele gemäß 3a bis 3c entspricht das Fenster im wesentlichen der in 4 perspektivisch dargestellte Form.
Wie im Zusammenhang mit 2 erläutert wurde, ist es vorteilhaft, die strahlungsemittierende Fläche als Streifen auszubilden, der parallel zu einer von der ersten Teilfläche und der Hauptfläche gebildeten Kante 12 angeordnet ist. Bei dem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel, entsprechend 3a, 3b und 3c ergeben sich hieraus vier Streifen 22, die jeweils parallel und beabstandet zu einer Kante 12 des Fensters verlaufen.
Bei der in 3a gezeigten Form der strahlungsemittierenden Fläche sind diese Streifen 22 zu einem Rahmen verbunden, der allseitig zu der nächstliegenden Fensterkante 12 einen Abstand 1 aufweist, der die Auskoppelbedingung erfüllt.
Im Unterschied dazu sind bei dem Ausführungsbeispiel in 3b nur die Bereiche, in denen sich die Streifen 22 überlappen, als strahlungsemittierende Flächen ausgeführt. Diesen Überlappbereichen kommt aufgrund ihrer Nähe zu jeweils zwei schrägstehenden Teilflächen eine besonders hohe Auskopplung zu. Die strahlungsemittierenden Flächen sind wiederum von den Kanten 12 des Fensters 1 beabstandet, wobei der Abstand 1 die Auskoppelbedingung erfüllt.
Das in 3c dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine Kombination der in 3a und 3b gezeigten Formen der strahlungsemittierenden Fläche dar. Dabei sind die Überlappbereiche der Streifen 22 wie bei dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel als strahlungsemittierende Fläche ausgebildet, wobei zusätzlich schmälere Streifen der strahlunsemittiernden Fläche diese Überlappbereiche verbinden. Durch die stärkere Betonung der Überlappbereiche wird der diesen Bereichen zukommenden höheren Auskopplung Rechnung getragen.
Die Ausführungsbeispiele gemäß 3d bis 3f entsprechen den in 3a bis 3c gezeigten Ausführungsbeispielen mit dem Unterschied, daß hier das Fenster einen dreieckigen lateralen Querschnitt aufweist. Dieser dreieckige Querschnitt führt zu einer weiteren Reduktion der Totalreflexion im Fenster, so daß die Strahlungsausbeute zusätzlich erhöht wird.
Bevorzugt ist hier ein lateraler Querschnitt in Form eines gleichseitigen Dreiecks, wie er beispielsweise in 3d dargestellt ist, oder eines rechtwinkligen Dreiecks gemäß 3e. Den vier Streifen 22 in den 3a, 3b und 3c entsprechen in 3d drei Streifen, die wiederum in einem Abstand 1, der die Auskoppelbedingung erfüllt, parallel zu jeweils einer Kante 12 des Fensters verlaufen.
In 3e setzt sich die strahlungsemittierende Fläche ähnlich wie in 3b aus Teilstrahlungsflächen zusammen, die jeweils in der Nähe einer Ecke des Fensters angeordnet sind. Diese Teilstrahlungsflächen werden von je zwei Begrenzungen eingefaßt, die zur nächstliegenden Fensterkante 12 in einem Abstand 1 angeordnet sind, der die Auskoppelbedingung erfüllt. Das Ausführungsbeispiel gemäß 3f stellt ähnlich wie 3c eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß der 3d und 3e dar, wobei die Teilstahlungsflächen durch schmälere strahlungsemittierende Streifen verbunden sind. Der Abstand 1 dieser Streifen zur nächstliegenden Fensterkante 12 erfüllt ebenfalls die Auskoppelbedingung.
Wie bereits mehrfach beschrieben ist für die Erfindung insbesondere die Anordnung und Formgebung der strahlungserzeugenden Fläche maßgeblich. Diese Form kann durch den lateralen Querschnitt der Mehrschichtstruktur festgelegt werden. Dazu wird beispielsweise die Mehrschichtstruktur zunächst über der gesamten Hauptfläche des Fensters aufgebracht. Nachfolgend werden die Bereiche selektiv entfernt, in denen keine Strahlung erzeugt werden soll. Die selektive Entfernung kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen. Diese Art der Formung der strahlungsemittierenden Fläche hat den Vorteil, daß die Form der strahlungsemittierenden Fläche weitgehend frei wählbar ist, indem beispielsweise eine entsprechende Ätzmaske verwendet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche besteht darin, den Strom so einzuprägen, daß nur diejenigen Anteile der aktiven Schicht, die zu der strahlungserzeugenden Fläche gehören, bestromt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß eine auf der Mehrschichtstruktur aufgebrachte Kontaktfläche in Form der strahlungserzeugenden Fläche ausgebildet wird. Der Stromfluß erfolgt dabei im wesentlichen vertikal, d. h. senkrecht zur Schichtebene der Mehrschichtstruktur und bildet so die Kontaktfläche auf die aktive Schicht ab.
Eine weitere Möglichkeit der lateral begrenzten Stromeinleitung in die aktive Schicht besteht darin, die Mehrschichtstruktur an den Stellen, an denen keine Strahlung erzeugt werden soll, elektrisch zu isolieren. Dazu kann beispielsweise eine entsprechend geformte Maske aus einem elektrisch isolierenden Material auf die Mehrschichtstruktur aufgebracht und mit einer Kontaktmetallisierung bedeckt werden.
Weiterhin kann auch ein Teil der Mehrschichtstruktur in ein elektrisch isolierendes Material umgewandelt werden. Diese Variante ist insbesondere für eine Mehrschichtstruktur geeignet, die eine p-leitende und eine n-leitende Schicht zur Ausbildung eines strahlungserzeugenden pn-Übergangs umfaßt. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Schichten kann durch Einbringung von Partikeln des jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps kompensiert und damit erniedrigt werden. So kann beispielsweise die Mehrschichtstruktur einen pn-Übergang aufweisen, wobei die p-Leitung an den Stellen, die nicht der strahlungsemittierenden Fläche entsprechen und an denen daher keine Strahlung erzeugt werden soll, zerstört ist.
Eine weitere Möglichkeit der Begrenzung der aktiven Fläche vermittels eines lateral begrenzt ausgebildeten pn-Übergangs besteht darin, die p-leitende oder n-leitende Schicht an den Stellen, an denen keine Strahlung erzeugt werden soll, abzutragen. Hierfür eignet sich beispielsweise ein Ätzverfahren.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Fenster weist hier einen 1 entsprechenden Längsschnitt auf und ist von vier Seitenflächen begrenzt, die sich jeweils aus einer ersten, zur Hauptfläche 2 senkrecht angeordneten Teilfläche 8, einer daran anschließenden zweiten schräg zur Hauptfläche 2 verlaufenden Teilfläche 9 und einer daran anschließenden dritten, zur Hauptfläche 2 senkrecht angeordneten Teilfläche 10 zusammensetzen.
Auf der Hauptfläche 2 des Fensters ist eine Mehrschichtstruktur 3 aufgebracht, die eine aktive Schicht 4 in Form eines pn-Übergangs umfaßt, wobei die p-leitende Seite von dem Fenster abgewandt ist. Die Mehrschichtstruktur ist allseitig beabstandet von den Kanten 12 der Hauptfläche ausgebildet, so daß der Abstand 1 zwischen der seitlichen Randfläche 13 der Mehrschichtstruktur und der entsprechenden parallelen Kante 12 des Fensters die Auskoppelbedingung erfüllt.
Zur Ausbildung einer rahmenförmigen strahlungsemittierenden Fläche, entsprechend 3a, ist auf die Mehrschichtstruktur ein Kontaktrahmen in Form einer rahmenartigen Kontaktmetallisierung 23 aufgebracht. Vorzugsweise ist die Kontaktmetallisierung strahlungsdurchlässig ausgeführt. Von dem Kontaktrahmen aus führen Stichleitungen 24 zu einer gemeinsamen zentralen Drahtanschlußfläche 25. Hier kann ein entsprechender Drahtkontakt angeschlossen werden, über den im Betrieb der Betriebsstrom zugeführt wird. Um zu verhindern, daß über die Stichleitungen 24 und die Drahtanschlußfläche 25 ein Strom in die aktive Schicht fließt, sind die unter den Stichleitungen und der Drahtanschlußfläche liegenden Bereiche 26 der Mehrschichtstruktur elektrisch isoliert. In diesen Bereichen 26 wurde die p-Leitung der oberseitigen Schicht des pn-Übergangs zerstört. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit erniedrigt und zudem der pn-Übergang gestört, so daß in diesen Bereichen im wesentlichen keine Strahlung erzeugt wird.
In 5a ist die Auskoppeleffizienz Q, d. h. die auskoppelte Strahlung, bezogen auf die insgesamt erzeugte Strahlung für ein Bauelement gemäß 4 in Abhängigkeit der Ausdehnung der strahlungsemittierenden Fläche dargestellt. Die Abmessungen des Fensters sind anhand der in 5b gezeigten Aufsicht auf die Hauptfläche und der in 5c gezeigten Schnittansicht verdeutlicht. Die Auskopplung Q wurde für ein Fenster mit einer quadratischen Hauptfläche mit einer Kantenlänge a = 600 μm (vgl. 5b) und für eine rahmenförmige strahlungsemittierende Fläche mit einer Rahmenbreite b = 20 μm berechnet. In 5a ist die Auskopplung in Abhängigkeit der Rahmengröße x aufgetragen. Die Linie 27 bzw. die zugehörigen Meßpunkte beziehen sich auf ein Fenster, bei dem die zweite, schrägstehende Teilfläche 9 mit der ersten, zur Hauptfläche 2 senkrechten Teilfläche 8 einen Winkel δ = 45° einschließt und der Abstand q zwischen erster Teilfläche 8 und dritter Teilfläche 10 100 μm beträgt (vgl. 5c). Die Linie 28 bzw. die zugehörigen Meßpunkte wurden für δ = 30° und q = 60 μm berechnet. Mit kleiner werdender Rahmengröße x steigt in beiden Fällen die Auskoppeleffizienz Q zunächst stark an, erreicht ein Maximum bei etwa 43% und fällt mit weiterer Verringerung der Rahmengröße wieder ab. Der Bereich 29 kennzeichnet einen bevorzugten Bereich für die Rahmengröße, wobei die Obergrenze dieses Bereichs, x = 530 μm, dem durch die Auskoppelbedingung festgelegten Mindestabstand zwischen strahlungsemittierender Fläche und Fensterkante entspricht.
In 6 ist die Auskoppeleffizienz für ein ähnliches Bauelement dargestellt. Die Hauptfläche ist mit einer Kantenlänge a = 280 μm deutlich kleiner, die schrägstehende Teilfläche 9 ist durch die Parameter δ = 30° und q = 60 μm festgelegt. Die strahlungsemittierende Fläche ist wiederum rahmenförmig mit einer Rahmenbreite b = 20 μm. Aufgetragen ist wie in 5 die Auskoppeleffizienz Q in Abhängigkeit der Rahmengröße x. Wieder ergibt sich ein deutlicher Anstieg der Auskoppeleffizienz mit geringer werdender Rahmengröße x, die Linie 30 markiert die durch die Auskoppelbedingung festgelegte Grenze.

Claims

Strahlungsemittierendes Bauelement mit einer Mehrschichtstruktur (3), die eine aktive Schicht (4) mit mindestens einer strahlungserzeugenden Fläche aufweist, und einem strahlungsdurchlässigen Fenster (1) mit einer Hauptfläche (2), auf der die Mehrschichtstruktur (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) eine Seitenfläche (7) mit einer ersten zur Hauptfläche (2) senkrecht angeordneten Teilfläche (8) und einer zweiten, zur Hauptfläche (2) schräg verlaufenden, gekrümmten oder gestuften Teilfläche (9) aufweist, wobei die erste Teilfläche (8) mit der Hauptfläche (2) eine Kante (12) bildet und in einem Abstand d von der Hauptfläche (2) in die zweite Teilfläche (9) übergeht, und daß die strahlungserzeugende Fläche eine laterale Begrenzung aufweist, die von der von der ersten Teilfläche (8) und der Hauptfläche (2) gebildeten Kante (12) in einem Abstand 1 angeordnet ist, für den gilt
wobei n₁ den Brechungsindex der Mehrschichtstruktur (3) und n₂ den Brechungsindex des Fensters (1) bezeichnet, und der Brechungsindex n₁ der Mehrschichtstruktur (3) kleiner als der Brechungsindex n₂ des Fensters (1) ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite, zur Hauptfläche (2) schräg verlaufende, gekrümmte oder gestufte Teilfläche (9) der Seitenfläche (7) eine dritte, zur Hauptfläche (2) senkrecht angeordnete Teilfläche (10) anschließt.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Hauptfläche (2) paralleler Querschnitt des Fensters (1) die Form eines Rechtecks, eines Quadrats oder eines Dreiecks, insbesondere eines rechtwinkligen oder gleichseitigen Dreiecks, aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsemittierende Fläche sich aus einer Mehrzahl von Strahlungsteilflächen zusammensetzt.
Strahlungsemittierndes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) zwei gegenüberliegende Seitenflächen (7) mit jeweils einer ersten zur Hauptfläche (2) senkrecht angeordneten Teilfläche (8) und einer zweiten, zur Hauptfläche (2) schräg verlaufenden, gekrümmten oder gestuften Teilfläche (9) aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) allseitig von Seitenflächen begrenzt ist und jede Seitenfläche (7) eine erste zur Hauptfläche (2) senkrecht angeordnete Teilfläche (8) und eine zweite, zur Hauptfläche (2) schräg verlaufende, gekrümmte oder gestufte Teilfläche (9) aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die erste Teilfläche (8) einer Seitenfläche (7) in einem Abstand d von der Hauptfläche (2) in die entsprechende zweite Teilfläche (9) der jeweiligen Seitenfläche (7) übergeht.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Übergang (14) von einer ersten Teilfläche (8) in eine zweite Teilfläche (9) einer Seitenfläche (7) eine Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche zugeordnet ist, die von einer von der jeweiligen ersten Teilfläche (8) und der Hauptfläche (2) gebildeten Kante (12) in einem Anstand 1 angeordnet ist, für den gilt
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mehrschichtstruktur (3) eine Kontaktfläche (6) angeordnet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Mehrschichtstruktur (3) gegenüberliegenden Seite des Fensters (1) eine Gegenkontaktfläche (20) angeordnet ist.
Strahlungsemittierenden Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (6) so strukturtiert ist, daß die Form der Kontaktfläche der Form der strahlungsemittierenden Fläche entspricht.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (6) vermittels eines Ätzverfahrens oder eines Sputter-Verfahrens strukturiert ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur (3) mindestens eine erste Schicht eines ersten Leitungstyps und mindestens eine zweite Schicht eines zweiten Leitungstyps aufweist, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht liegt und/oder von Teilbereichen der ersten und der zweiten Schicht gebildet wird, und die Kontaktfläche auf die erste Schicht aufgebracht ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche die erste Schicht teilweise abgetragen ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche die erste Schicht nur in Teilbereichen eine Leitfähigkeit des ersten Leitungstyps aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche eine Anschlußfläche und eine Kontaktrahmenfläche aufweist, die mit der Anschlußfläche verbunden ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur (3) zur Hauptfläche (2) im wesentlichen senkrecht angeordnete Randflächen (13a) aufweist, die zumindest teilweise die laterale Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche bilden.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Randflächen (13a, 13b) der Mehrschichtstruktur (3) mittels eines Ätzverfahrens ausgebildet sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur (3) epitaktisch hergestellt und das Fenster (1) aus einem für die Epitaxie verwendeten Substrat gefertigt ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) SiC enthält.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) GaN enthält.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur (3) zumindest eine der Verbindungen GaN, AlGaN, InGaN oder AlInGaN enthält.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Lumineszenzdiode ist.