DE10220333B4 - Radiation-emitting semiconductor component with a plurality of structural elements - Google Patents

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Abstract

Lichtemissionsdiode mit
einem Substrat (10) und einer Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (12), die in einem Abstand zueinander auf dem Substrat (10) angeordnet sind, wobei die Mikrostrukturelemente (12) jeweils einen Wellenleiter mit einer ersten und einer zweiten Reflexionsfläche, eine zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche angeordnete Strahlung emittierende aktive Schicht (16) und eine Kontaktmetallisierung (22) aufweisen,
die Mikrostrukturelemente jeweils eine untere, dem Substrat zugewandte Kontaktschicht (20) und eine obere Kontaktschicht (18) umfassen,
die aktive Schicht jeweils zwischen der unteren und der oberen Kontaktschicht, und die Kontaktmetallisierung auf der oberen Kontaktschicht (18) angeordnet ist,
und sich die Kontaktmetallisierung im Wesentlichen vollständig über die obere Kontaktschicht erstreckt.Light emitting diode with
a substrate (10) and a plurality of microstructure elements (12) spaced from each other on the substrate (10), the microstructure elements (12) each having a waveguide having first and second reflection surfaces, one between the first and second reflection surfaces the radiation-emitting active layer (16) arranged in the second reflection surface and a contact metallization (22),
the microstructure elements each comprise a lower contact layer (20) facing the substrate and an upper contact layer (18),
the active layer is in each case arranged between the lower and the upper contact layer, and the contact metallization is arranged on the upper contact layer (18),
and the contact metallization extends substantially completely over the top contact layer.

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Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtemissionsdiode mit einer Mehrzahl von Strukturelementen, die in einem Abstand zueinander auf einem Substrat angeordnet sind.The The present invention relates to a light emitting diode having a Plurality of structural elements spaced at a distance are arranged on a substrate.

Herkömmliche LED-Chips weisen üblicherweise ein einziges Schichtpaket auf, das sich über die gesamte Oberfläche eines Substrats erstreckt. Das Schichtpaket besteht im Wesentlichen aus einer Strahlung emittierenden aktiven Schicht, welche zwischen einer oberen Kontaktschicht und einer an das Substrat angrenzenden, unteren Kontaktschicht angeordnet ist.conventional LED chips usually have a single layer package that extends over the entire surface of a Substrate extends. The shift package essentially consists of a radiation-emitting active layer, which between a upper contact layer and adjacent to the substrate, lower Contact layer is arranged.

Die aktive Schicht selbst umfasst die eigentliche, Strahlung erzeugende Schicht, zum Beispiel aus InGaN, sowie die daran angrenzenden stromtragenden Schichten, zum Beispiel aus p-dotiertem bzw. n-dotiertem AlGaN oder GaN. Die Schichtdicken betragen beispielsweise für die Strahlung erzeugende Schicht etwa 1 bis 100 nm, die Schichtdicken der stromtragenden Schichten liegen typischerweise zwischen 200 nm und 1000 nm. Auf der oberen Kontaktschicht sind eine oder mehrere Kontaktstellen und an der Rückseite des Substrats ist eine großflächige Kontaktmetallisierung aufgebracht. Der gesamte LED-Chip kann in eine strahlungsdurchlässige Vergussmasse, zum Beispiel Epoxidharz, eingebettet sein.The active layer itself comprises the actual, radiation-generating Layer, for example of InGaN, and the adjacent current-carrying Layers, for example of p-doped or n-doped AlGaN or GaN. The layer thicknesses are, for example, for the radiation-generating Layer about 1 to 100 nm, the layer thickness of the current-carrying Layers are typically between 200 nm and 1000 nm the upper contact layer are one or more contact points and at the back of the substrate is a large-area contact metallization applied. The entire LED chip can be transformed into a radiation-permeable potting compound, For example, epoxy resin, embedded.

Neben dem internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung bei einem derartigen Halbleiterbauelement, beispielsweise einem LED-Chip, der in vielen Fällen bereits nahe 100% liegt, kommt es insbesondere auch auf den externen Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung an, der zum Teil nur einige Prozent beträgt.Next the internal efficiency of radiation generation in such a Semiconductor device, such as an LED chip, in many make Already close to 100%, it comes in particular on the external Efficiency of the radiation decoupling, some only a few Percent.

Der Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung wird hauptsächlich bestimmt durch die Strahlungsverluste im Schichtpaket, die durch Absorption an der Unterseite der Kontaktstellen und an der Oberseite des Substrats auftreten, sowie durch den Grenzwinkel der Totalreflexion αT beim Übergang aus der aktiven Schicht bzw. den Kontaktschichten in die den LED-Chip einbettende Kunststoffumhüllung. Bei typischen Brechzahlen für GaN von etwa 2,5 und für Epoxidharz von etwa 1,5 ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion αT von etwa 37°. Das heißt, nur die Strahlung, die in einem Winkel kleiner 37° auf die Seitenflächen des Schichtstapels trifft, wird aus dem LED-Chip ausgekoppelt.The efficiency of the radiation decoupling is mainly determined by the radiation losses in the layer package, which occur by absorption at the bottom of the contact points and at the top of the substrate, and by the critical angle of total reflection α T in the transition from the active layer or the contact layers in the LED chip embedding plastic cladding. With typical refractive indices for GaN of about 2.5 and for epoxy resin of about 1.5, a critical angle of total reflection α T of about 37 ° results. That is, only the radiation that strikes the side surfaces of the layer stack at an angle of less than 37 ° is decoupled from the LED chip.

Aus dem Stand der Technik sind deshalb verschiedene Maßnahmen bekannt, den Wirkungsgrad der Lichtauskopplung von derartigen LED-Chips zu verbessern. Ein möglicher Ansatz ist es, die obere und die untere Kontaktschicht des LED-Chips so dick auszubilden, dass die Seitenflächen von jedem Strahlung erzeugenden Punkt in der aktiven Schicht aus gesehen unter einem so kleinen Raumwinkel erscheinen, dass die gesamte von der aktiven Schicht seitlich emittierte Strahlung unmittelbar, d.h. ohne vorherige Reflexionen an der Ober- oder Unterseite der Kontaktschichten, auf die Seitenfläche trifft und dort ausgekoppelt werden kann. Wie zum Beispiel in der Beschreibungseinleitung der WO 99/31738 A2 ausgeführt ist, würde dies aber zu vergleichsweise dicken Kontaktschichten führen, was wiederum Nachteile bei der Fertigung und dem internen Wirkungsgrad mit sich bringen würde.From the prior art, therefore, various measures are known to improve the efficiency of the light extraction of such LED chips. One possible approach is to make the top and bottom contact layers of the LED chip so thick that the side surfaces appear from such a small solid angle as viewed from each radiation generating point in the active layer that all of them are laterally emitted from the active layer Radiation directly, that meets without previous reflections on the top or bottom of the contact layers on the side surface and can be coupled out there. As for example in the introduction to the description of WO 99/31738 A2 However, this would lead to comparatively thick contact layers, which in turn would bring disadvantages in manufacturing and internal efficiency with it.

In der Druckschrift DE 100 33 496 A1 ist weiterhin ein Halbleiterchip für die Optoelektronik beschrieben, bei dem zur Verbesserung der Lichtauskopplung die aktive Schicht durch Ausnehmungen unterbrochen ist.In the publication DE 100 33 496 A1 Furthermore, a semiconductor chip for optoelectronics is described in which the active layer is interrupted by recesses to improve the light extraction.

Aus der Druckschrift DE 199 34 097 A1 ist ein Laserarray mit mehreren auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Diodenkaskadenlasern bekannt. Es sei angemerkt, dass diese Druckschrift keine Lichtemissionsdiode, sondern eine Laserdiode betrifft.From the publication DE 199 34 097 A1 For example, a laser array having a plurality of diode cascade lasers arranged on a semiconductor substrate is known. It should be noted that this document does not relate to a light emitting diode but a laser diode.

Eine weitere Möglichkeit, die Lichtauskopplung zu verbessern ist die sogenannte Mikrostrukturierung des LED-Chips, wie sie beispielsweise in S.X. Jin et al., InGaN/GaN quantum well interconnected microdisk light emitting diodes, Appl. Phys. Lett., Vol. 77, Nr. 20, 13. November 2000, Seiten 3236–3238, beschrieben ist. Bei einem derartigen LED-Chip wird ein Schichtpaket mit einer aktiven Schicht wie oben beschrieben auf ein Substrat aufgebracht. Anschließend werden in das Schichtpaket Ausnehmungen bzw. Kanäle geätzt, so dass eine Vielzahl kleiner Zylinder mit dem entsprechenden Schichtaufbau verbleibt. Eine solche Anordnung von Mikrostrukturen mit einem Durchmesser von 9 μm bis 12 μm zeigt trotz der kleineren aktiven Fläche im Vergleich zu einem einzigen Schichtstapel eine deutlich höhere Strahlungsausgangsleistung. Dies wird insbesondere auf einen wesentlich höheren Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung zurückgeführt.A another possibility To improve the light extraction is the so-called microstructuring of the LED chip, as shown for example in S.X. Jin et al., InGaN / GaN quantum well interconnected microdisk light emitting diodes, Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 20, November 13, 2000, pages 3236-3238 is. In such an LED chip is a layer package with a active layer as described above applied to a substrate. Subsequently are etched into the layer package recesses or channels, so that a variety small cylinder remains with the appropriate layer structure. Such an arrangement of microstructures with a diameter of 9 μm up to 12 μm shows despite the smaller active area compared to a single one Layer stack a significantly higher radiation output. This is particularly due to a much higher efficiency of the radiation decoupling recycled.

Eine konkrete Ausführungsform eines solchen LED-Chips mit Mikrostrukturierung ist zum Beispiel in der bereits genannten WO 99/31738 A2 offenbart. Diese Druckschrift zeigt einen LED-Chip, der schematisch in 4 dargestellt ist.A concrete embodiment of such a LED chip with microstructuring is, for example, in the already mentioned WO 99/31738 A2 disclosed. This document shows a LED chip that is schematically in 4 is shown.

Auf einem Substrat 100, zum Beispiel aus Saphir, ist eine Vielzahl von Mikrostrukturelementen 102 auf AlGaInN-Basis angeordnet. Die Mikrostrukturelemente umfassen jeweils eine aktive Schicht 104 mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 100 nm, welche eine Strahlung erzeugende Schicht aus GaInN zwischen einer oberen stromtragenden Schicht aus p-dotiertem AlGaN und einer unteren stromtragenden Schicht aus n-dotiertem AlGaN aufweist, eine obere Kontaktschicht 106 aus p-dotiertem GaN auf der aktiven Schicht 104 und eine untere Kontaktschicht 108 aus n-dotiertem GaN zwischen der aktiven Schicht 104 und dem Substrat 100. Auf den Oberseiten der oberen Kontaktschichten 106 sind Kontaktstellen 112 aufgebracht.On a substrate 100 , for example, sapphire, is a variety of microstructural elements 102 arranged on AlGaInN basis. The microstructure elements each comprise an active layer 104 with a layer thickness of the order of 100 nm, which comprises a radiation-generating layer of GaInN between an upper current-carrying layer Layer of p-doped AlGaN and a lower current-carrying layer of n-doped AlGaN has, an upper contact layer 106 of p-doped GaN on the active layer 104 and a lower contact layer 108 of n-doped GaN between the active layer 104 and the substrate 100 , On the tops of the upper contact layers 106 are contact points 112 applied.

Die Mikrostrukturelemente 102 mit einer Breite W in der Größenordnung von etwa 10 μm sind durch Kanäle oder Nuten 114 mit einer Breite S ebenfalls in der Größenordnung von etwa 10 μm voneinander getrennt. Aufgrund der geringen Breite W der Mikrostrukturelemente 102 genügen für die obere und die untere Kontaktschicht 106, 108 Schichtdicken von etwa 2–5 μm, um zu erreichen, dass sämtliche zur Seite emittierte Strahlung der aktiven Schicht direkt durch die Seitenflächen der Mikrostrukturelemente 102 ausgekoppelt wird.The microstructure elements 102 with a width W of the order of about 10 microns are by channels or grooves 114 with a width S also of the order of about 10 microns apart. Due to the small width W of the microstructure elements 102 suffice for the upper and the lower contact layer 106 . 108 Layer thicknesses of about 2-5 microns, in order to achieve that all radiation emitted to the side of the active layer directly through the side surfaces of the microstructure elements 102 is decoupled.

Auf dem Boden der Kanäle oder Nuten 114 zwischen den Mikrostrukturelementen 102 sind außerdem metallische Reflektorschichten 110 vorgesehen, die die aus den Seitenflächen der Mikrostrukturelemente 102 schräg nach unten ausgekoppelte Strahlung zurück nach oben reflektieren. Darüber hinaus dienen diese Reflektorschichten 110 auch als seitliche elektrische Kontaktstellen für die untere Kontaktschicht 108.At the bottom of the channels or grooves 114 between the microstructure elements 102 are also metallic reflector layers 110 provided that from the side surfaces of the microstructure elements 102 Reflect obliquely downwards decoupled radiation back up. In addition, these reflector layers serve 110 also as lateral electrical contact points for the lower contact layer 108 ,

Bei einem derartigen LED-Chip mit Mikrostrukturierung kann allerdings bei einer starken Einschnürung des Stromes in dem Mikrostrukturelement durch kleine Kontaktstellen auf der oberen Kontaktschicht aufgrund einer erhöhten Vorwärtsspannung der interne Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung in der aktiven Schicht sinken. So ergibt sich beispielsweise bei zylindrischen Mikrostrukturelementen mit einem Durchmesser von etwa 11 μm und einer Höhe von etwa 6 μm auf einem Saphirsubstrat bei einem Kontaktstellendurchmesser von etwa 5 μm und einem gegenseitigen Abstand der Mikrostrukturelemente von etwa 4 μm für den gesamten LED-Chip ein Metallisierungsgrad durch die metallischen Kontaktstellen von etwa 10%. Versuche haben gezeigt, dass bei einem derart niedrigen Metallisierungsgrad der interne Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung um etwa 33% sinkt. Hierdurch wird der Vorteil der verbesserten Strahlungsauskopplung durch die Mikrostrukturierung stark eingeschränkt.at however, such a microstructured LED chip can with a strong constriction the current in the microstructure element through small contact points on the upper contact layer due to an increased forward voltage the internal efficiency of radiation generation in the active layer decrease. So results For example, in cylindrical microstructure elements with a Diameter of about 11 microns and a height of about 6 μm on a sapphire substrate at a pad diameter of about 5 μm and a mutual distance of the microstructure elements of about 4 μm for the whole LED chip a degree of metallization through the metallic contact points of about 10%. Experiments have shown that at such a low Metallization degree of the internal efficiency of radiation generation drops by about 33%. This provides the advantage of improved radiation decoupling severely limited by the microstructuring.

Bei der Verwendung eines Siliziumkarbid-Substrats und kleineren Kontaktstellendurchmessern der Mikrostrukturelemente beträgt der Metallisierungsgrad sogar nur etwa 1%, so daß der verbesserte externe Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung weitestgehend durch den verschlechterten internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung kompensiert wird. Außerdem ist die aktive Schicht im Fall des AlGaInN-Materialsystems bevorzugt nicht in der Mitte des Schichtpakets angeordnet, was dazu führt, dass ein Teil der innerhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion seitlich emittierten Strahlung nicht direkt auf die Seitenflächen des Schichtpakets trifft und deshalb Absorptionsverluste erfährt.at the use of a silicon carbide substrate and smaller pad diameters the microstructure elements is the degree of metallization even only about 1%, so that the improved external efficiency the radiation extraction largely by the deteriorated internal efficiency of the radiation generation is compensated. Furthermore In the case of the AlGaInN material system, the active layer is preferably not in the middle the layer package arranged, which causes a part of the inside the critical angle of total reflection laterally emitted radiation not directly on the side surfaces of the layer package meets and therefore undergoes absorption losses.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement bereitzustellen, das eine effiziente Strahlungsauskopplung gewährleistet.It Object of the present invention, a radiation-emitting Semiconductor device to provide an efficient radiation decoupling guaranteed.

Diese Aufgabe wird durch eine Lichtemissionsdiode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These Task is characterized by a light emitting diode with the characteristics of Patent claim 1 solved. Further advantageous embodiments and further developments of the invention are in the dependent claims specified.

Die Lichtemissionsdiode weist ein Substrat mit einer Mehrzahl von in Abstand zueinander auf dem Substrat angeordneten Mikrostrukturelementen auf, wobei die Mikrostrukturelemente jeweils eine untere, an das Substrat grenzende Kontaktschicht und eine obere, dem Substrat abgewandte Kontaktschicht sowie eine zwischen der unteren und der oberen Kontaktschicht angeordnete, Strahlung emittierende, aktive Schicht aufweisen. Jeweils auf der oberen Kontaktschicht der Mikrostrukturelemente ist eine Kontaktmetallisierung aufgebracht, die sich im Wesentlichen über die gesamte obere Kontaktschicht der Mikrostrukturelemente erstreckt. Hierunter ist zu verstehen, dass sich die Kontaktmetallisierung entweder vollständig oder nahezu vollständig über die gesamte obere Kontaktschicht erstreckt, wobei im letztgenannten Fall eine geringfügige randseitige Beabstandung der Kontaktmetallisierung von den Seitenflächen des jeweiligen Mikrostrukturelements vorgesehen ist. Eine derartige Beabstandung ist auch in den nachfolgenden 1 und 2 dargestellt und kann im Betrieb vorteilhafterweise die Gefahr elektrischer Überschläge an den Seitenflächen reduzieren.The light-emitting diode has a substrate with a plurality of microstructure elements arranged at a distance from one another on the substrate, the microstructure elements each having a lower contact layer adjoining the substrate and an upper contact layer facing away from the substrate, and a contact layer arranged between the lower and the upper contact layer, Having radiation emitting, active layer. In each case on the upper contact layer of the microstructure elements, a contact metallization is applied, which extends substantially over the entire upper contact layer of the microstructure elements. By this is meant that the contact metallization extends either completely or almost completely over the entire upper contact layer, wherein in the latter case, a slight edge-side spacing of the contact metallization is provided by the side surfaces of the respective microstructure element. Such a spacing is also in the following 1 and 2 shown and can advantageously reduce the risk of electrical flashovers on the side surfaces during operation.

Die Mikrostrukturelemente umfassen jeweils einen Wellenleiter mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist.The Microstructure elements each comprise a waveguide with a first reflection surface and a second reflection surface, wherein the active layer is disposed between the first and second reflective surfaces is.

Weiterhin enthalten die Mikrostrukturelemente bevorzugt mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter, insbesondere eine Nitridverbindung von Elementen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente, wie beispielsweise GaN, AlN, InN, AlGaN oder InAlGaN.Farther the microstructure elements preferably contain at least one nitride compound semiconductor, in particular a nitride compound of elements of the third and / or fifth Main group of the Periodic Table of the chemical elements, such as GaN, AlN, InN, AlGaN or InAlGaN.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Halbleiterbauelement verbindet die eingangs erläuterten Vorteile einer Mikrostrukturierung des Schichtstapels mit einer für Nitrid-Verbindungshalbleiter, insbesondere InAlGaN, optimierten Konstruktion bzw. Formgebung der Mikrostrukturelemente.The semiconductor component designed according to the invention combines the advantages of microstructuring of the layer stack explained in the introduction with a nitride compound semiconductor, in particular InAlGaN, optimized design or shaping of the microstructure elements.

Aufgrund der Erkenntnis der Erfinder, dass ein niedriger Metallisierungsgrad des LED-Chips den internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung verschlechtert, wurde zunächst der interne Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung dadurch verbessert, dass die Mikrostrukturelemente im Wesentlichen ganzflächig metallisiert werden. Hierdurch wird der Strahlungsauskopplungskegel allerdings weiter eingeschränkt. Um die Vorteile der Mikrostrukturierung dennoch nutzen zu können, wird zusätzlich jeweils ein Wellenleiter in den Mikrostrukturelementen ausgebildet, der die Strahlung bis zu den Seitenflächen der Mikrostrukturelemente führt. Hierdurch ist es möglich, trotz des eigentlich eingeschränkten Strahlungsauskopplungskegels einen hohen Auskoppelgrad zu erreichen. Bei angenommenen Brechungsindizes von 2,5 für GaN und 1,5 für die Kunststoff-Vergussmasse des LED-Chips können somit etwa 60% der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung ausgekoppelt werden.by virtue of the knowledge of the inventors that a low degree of metallization of the LED chip degrades the internal efficiency of radiation generation, was first Improves the internal efficiency of radiation generation, that the microstructure elements metallized substantially over the entire surface become. As a result, the radiation decoupling cone, however further restricted. In order to still be able to take advantage of the microstructuring, is additionally in each case a waveguide is formed in the microstructure elements, the radiation to the side surfaces of the microstructure elements leads. This makes it possible despite the actually limited radiation extraction cone to achieve a high degree of coupling. For assumed refractive indices from 2.5 for GaN and 1.5 for The plastic encapsulant of the LED chip can thus account for about 60% of the The radiation generated by the active layer can be decoupled.

Die erste Reflexionsfläche des Wellenleiters ist vorzugsweise jeweils durch eine reflektierende oder spiegelnde Kontaktmetallisierung auf der oberen Kontaktschicht ausgebildet. Hierzu werden zum Beispiel Kontaktmetallisierungen aus Pt, Pd, Al oder Ag aufgebracht. Alternativ kann zwischen der Kontaktmetallisierung und der oberen Kontaktschicht auch eine dielektrische Reflektorschicht vorgesehen sein.The first reflection surface of the waveguide is preferably each by a reflective or reflective contact metallization formed on the upper contact layer. For this purpose, for example, contact metallizations of Pt, Pd, Al or Ag applied. Alternatively, between the contact metallization and the upper contact layer also has a dielectric reflector layer be provided.

Zur Ausbildung der zweiten Reflexionsfläche wird vorzugsweise ein Saphir-Substrat verwendet. Da der Brechungsindex von Saphir kleiner als der Brechungsindex von GaN und ähnlichen Nitridverbindungshalbleitern ist, entsteht so eine totalreflektierende Grenzfläche. Aufgrund der großen Differenz der Brechungsindizes zwischen Saphir (etwa 1,8) und GaN (etwa 2,5) ergibt sich an der Grenzfläche zwischen Substrat und unterer Kontaktschicht ein Grenzwinkel der Totalreflexion zur Senkrechten von größer 46°.to Formation of the second reflection surface is preferably a sapphire substrate used. Since the refractive index of sapphire is smaller than the refractive index from GaN and similar Nitride compound semiconductors, thus creating a totally reflective Interface. Because of the big one Difference in refractive indices between sapphire (about 1.8) and GaN (about 2.5) results at the interface between substrate and lower Contact layer a critical angle of total reflection to the vertical greater than 46 °.

Bei der Verwendung eines hochbrechenden oder absorbierenden Substrats wird vorzugsweise zwischen dem Substrat und der unteren Kontaktschicht eine Bragg-Reflektorschicht aufgebracht, welche sämtliche Strahlung weiterführt, die an den Seitenflächen der Mikrostrukturelemente ausgekoppelt werden kann. Üblicherweise weist eine Bragg-Reflektorschicht mehrere konstruktiv interferierende Reflexionsschichten auf, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als eine gemeinsame Reflexionsfläche des Wellenleiters betrachtet werden.at the use of a high refractive or absorbing substrate is preferably between the substrate and the lower contact layer a Bragg reflector layer applied, which all Radiation continues, the on the side surfaces the microstructure elements can be coupled out. Usually a Bragg reflector layer has several constructively interfering Reflective layers, which are within the scope of the present invention as a common reflection surface of the waveguide.

Um die Strahlungseinkopplung in das Substrat zwischen den Mikrostrukturelementen zu verhindern, sollte zumindest der Boden der Kanäle zwischen den Mikrostrukturelementen reflektie rend ausgebildet bzw. mit einer reflektierenden Schicht versehen sein.Around the radiation coupling into the substrate between the microstructure elements To prevent, at least the bottom of the channels should be between the microstructure elements reflectie educated or with a be provided reflective layer.

Um den Wirkungsgrad der Strahlungsauskopplung weiter zu erhöhen, können die Mikrostrukturelemente in der Form von umgekehrten Pyramidenstümpfen geformt sein, d.h. die Seitenflächen der Mikrostrukturelemente derart schräg verlaufen, dass die Oberseite der oberen Kontaktschicht eine größere Fläche als die Unterseite der unteren Kontaktschicht besitzt. Allgemein ist vorteilhaft, die Mikrostrukturelemente so zu formen, dass sie sich in Richtung des Substrats verjüngen.Around can further increase the efficiency of the radiation extraction, the Microstructure elements shaped in the form of inverted truncated pyramids be, i. the side surfaces the microstructure elements are inclined so that the top the upper contact layer has a larger area than the underside of the has lower contact layer. Generally advantageous is the microstructure elements so that they rejuvenate towards the substrate.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.The Invention will now be described with reference to exemplary embodiments with reference explained in more detail in the accompanying drawings.

Darin zeigen:In this demonstrate:

1 eine schematische Darstellung eines Mikrostrukturelements eines LED-Chips gemäß der Erfindung; 1 a schematic representation of a microstructure element of an LED chip according to the invention;

2 eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrostrukturelements eines LED-Chips gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 a schematic sectional view of a microstructure element of an LED chip according to a preferred embodiment of the invention;

3 eine schematische Perspektivansicht eines LED-Chips mit Mikrostrukturelementen gemäß der Erfindung; 3 a schematic perspective view of an LED chip with microstructure elements according to the invention;

4 eine schematische Darstellung eines LED-Chips nach dem Stand der Technik. 4 a schematic representation of a LED chip according to the prior art.

In 1 ist zunächst ein Mikrostrukturelement 12 eines LED-Chips dargestellt, das ähnlich dem in 4 dargestellten herkömmlichen Mikrostrukturelement aufgebaut ist, aber bereits Merkmale des erfindungsgemäß ausgebildeten Mikrostrukturelements zeigt. Anhand dieser 1 soll die Entwicklung des Erfindungsgedankens verdeutlicht werden, der schließlich zu dem erfindungsgemäßen Aufbau eines Mikrostrukturelements führt.In 1 is initially a microstructure element 12 a LED chip similar to the one in 4 constructed conventional microstructure element is shown, but already features the inventively designed microstructure element shows. Based on this 1 the development of the inventive concept is to be clarified, which eventually leads to the structure of a microstructure element according to the invention.

Wie bei den vorbekannten LED-Chips mit Mikrostrukturierung ist auf einem Substrat 10 eine Vielzahl von Mikrostrukturelementen 12 angeordnet, die voneinander durch Kanäle bzw. Nuten 14 beabstandet sind. Die Grundfläche der Mikrostrukturelemente ist grundsätzlich beliebig, jedoch sind kreisförmige, quadratische, rechteckige und dreieckige Grundflächen zu bevorzugen. Bei Versuchen mit erfindungsgemäß gestalteten Mikrostrukturelementen 12 hat sich die dreieckige Grundfläche als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein Ausführungsbeispiel eines LED-Chips mit Mikrostrukturelementen 12 mit einer dreieckigen Grundfläche ist in 3 veranschaulicht.As with the prior art LED chips with microstructuring is on a substrate 10 a variety of microstructure elements 12 arranged, separated from each other by channels or grooves 14 are spaced. The base area of the microstructure elements is basically arbitrary, but circular, square, rectangular and triangular base areas are to be preferred. In experiments with inventively designed microstructure elements 12 The triangular base has proved to be particularly advantageous. An embodiment of an LED chip with microstructure elements 12 with a triangular base is in 3 illustrated.

Die Mikrostrukturelemente 12 werden beispielsweise durch Aufbringen der entsprechenden Schichten 16, 18, 20 auf ein Substrat 10 mittels metallorganisch-chemischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) aufgebracht. Anschließend werden die den Mikrostrukturelementen 12 entsprechenden Bereiche maskiert und die Kanäle 14 zwischen den Mikrostrukturelementen geätzt. Alternativ können die Mikrostrukturelemente auch durch Maskieren der Kanalbereiche 14, beispielsweise mit einem Siliziumoxid, und anschließendem Aufwachsen der einzelnen Schichten 16, 18, 20 aufgebaut werden. Die Mikrostrukturelemente 12 werden schließlich in eine strahlungsdurchlässige Vergussmasse (nicht dargestellt), beispielsweise ein Epoxid- oder Silikonharz, eingebettet.The microstructure elements 12 For example, by applying the appropriate layers 16 . 18 . 20 on a substrate 10 applied by organometallic-chemical vapor phase epitaxy (MOVPE). Subsequently, the microstructure elements 12 corresponding areas masked and the channels 14 etched between the microstructure elements. Alternatively, the microstructure elements may also be masked by masking the channel regions 14 For example, with a silica, and then growing the individual layers 16 . 18 . 20 being constructed. The microstructure elements 12 Finally, in a radiation-permeable potting compound (not shown), such as an epoxy or silicone resin, embedded.

Die einzelnen Mikrostrukturelemente 12 bestehen, wie dies in den 1 und 2 gezeigt ist, im wesentlichen aus einer unteren Kontaktschicht 20, die an das Substrat 10 grenzt, einer oberen Kontaktschicht 18, einer Strahlung emittierenden, aktiven Schicht 16 zwischen der unteren und der oberen Kontaktschicht 18, 20 sowie einer Kontaktmetallisierung 22 auf der Oberseite der oberen Kontaktschicht.The individual microstructure elements 12 exist as in the 1 and 2 is shown, essentially from a lower contact layer 20 attached to the substrate 10 borders, an upper contact layer 18 , a radiation-emitting, active layer 16 between the lower and the upper contact layer 18 . 20 and a contact metallization 22 on top of the upper contact layer.

Die aktive Schicht 16 mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von etwa 100 nm enthält eine Strahlung erzeugende Schicht, zum Beispiel aus GaInN, welche zwischen einer oberen stromtragenden Schicht, zum Beispiel aus p-dotiertem AlGaN, und einer unteren stromtragenden Schicht, zum Beispiel aus n-dotiertem AlGaN, angeordnet ist. Der Einfachheit halber ist die aktive Schicht 16 in den Figuren nur als einzelne Schicht dargestellt.The active layer 16 with a layer thickness of the order of about 100 nm contains a radiation-generating layer, for example of GaInN, which is between an upper current-carrying layer, for example of p-doped AlGaN, and a lower current-carrying layer, for example of n-doped AlGaN, is arranged. For the sake of simplicity, the active layer is 16 shown in the figures only as a single layer.

Für die obere Kontaktschicht 18 wird zum Beispiel p-dotiertes GaN und für die untere Kontaktschicht 20 wird zum Beispiel n-dotiertes GaN verwendet. Wie in den 1 und 2 dargestellt, ist die aktive Schicht auf AlGaInN-Basis nicht mittig in dem Schichtpaket vorgesehen, sondern die obere Kontaktschicht 18 ist dünner als die untere Kontaktschicht 20 ausgebildet. Die Schichtdicken der Kontaktschichten 18, 20 betragen etwa zwischen 0,2 μm und 5 μm.For the upper contact layer 18 becomes, for example, p-doped GaN and for the lower contact layer 20 For example, n-doped GaN is used. As in the 1 and 2 As shown, the AlGaInN-based active layer is not provided centrally in the layer package, but the upper contact layer 18 is thinner than the lower contact layer 20 educated. The layer thicknesses of the contact layers 18 . 20 be approximately between 0.2 microns and 5 microns.

Die Kontaktmetallisierung 22 auf der Oberseite der oberen Kontaktschicht 18 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte obere Kontaktschicht 18, wie dies in den 1 und 2 veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird ein relativ hoher Metallisierungsgrad des LED-Chips erreicht, was einen hohen internen Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung in der aktiven Schicht 16 bewirkt. Allerdings tritt hierdurch zunächst das Problem auf, dass ein Teil der in der aktiven Schicht 16 erzeugten Strahlung durch Absorptionsverluste an der Kontaktmetallisierung 22 verloren geht und sich daher ein niedrigerer externer Wirkungsgrad für die Strahlungsauskopplung ergibt, wie dies in 1 angedeutet ist. Der tatsächliche Strahlungsauskopplungskegel ω ist bei dieser Konstruktion wesentlich kleiner als der theoretisch mögliche Strahlungsauskopplungskegel Ω, dessen Öffnungswinkel θ durch den Grenzwinkel der Totalreflexion αT bestimmt wird, wobei θ = 2αT gilt.The contact metallization 22 on top of the upper contact layer 18 extends substantially over the entire upper contact layer 18 like this in the 1 and 2 is illustrated. In this way, a relatively high degree of metallization of the LED chip is achieved, which results in a high internal radiation generation efficiency in the active layer 16 causes. However, this first causes the problem that part of the active layer 16 generated radiation by absorption losses at the contact metallization 22 lost and therefore results in a lower external efficiency for the radiation extraction, as in 1 is indicated. The actual radiation decoupling cone ω is in this construction substantially smaller than the theoretically possible radiation decoupling cone Ω whose opening angle θ is determined by the critical angle of total reflection α T , where θ = 2α T holds.

Um dies auszugleichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, das Schichtpaket einerseits mit einer großflächigen Kontaktmetallisierung 22 zu versehen und andererseits in dem Schichtpaket einen Wellenleiter auszubilden. Dies wird dadurch erzielt, dass sowohl die Unterseiten der unteren Kontaktschichten 20 als auch die Oberseiten der oberen Kontaktschichten 18 für die von der aktiven Schicht 16 emittierte Strahlung reflektierend ausgebildet werden.To compensate for this, it is proposed according to the present invention, the layer package on the one hand with a large-area contact metallization 22 to provide and on the other hand form a waveguide in the layer package. This is achieved by having both the undersides of the lower contact layers 20 as well as the tops of the upper contact layers 18 for the of the active layer 16 emitted radiation to be formed reflective.

Diese reflektierenden Eigenschaften werden für die obere Wellenführung beispielsweise erzielt, indem die Kontaktmetallisierung 22 aus einem reflektierenden Metall wie zum Beispiel Pt, Pd, Al oder Ag gefertigt wird oder zwischen der oberen Kontaktschicht 18 und der Kontaktmetallisierung 22 eine dielektrische Spiegelschicht vorgesehen wird.These reflective properties are achieved for the upper waveguide, for example, by the contact metallization 22 is made of a reflective metal such as Pt, Pd, Al or Ag or between the upper contact layer 18 and contact metallization 22 a dielectric mirror layer is provided.

Für die untere Wellenführung kann zum Beispiel ein Substrat 10 aus Saphir verwendet werden, so dass zwischen dem Mikrostrukturelement und dem Substrat eine totalreflektierende Grenzfläche entsteht. Der Grenzwinkel der Totalreflexion beträgt etwa 46°, bezogen auf die Grenzflächennormale.For the lower waveguide, for example, a substrate 10 be used of sapphire, so that between the microstructure element and the substrate creates a totally reflective interface. The critical angle of total reflection is about 46 °, based on the interface normal.

Im Fall eines hochbrechenden oder absorbierenden Substrats 10 oder auch als Zusatzmaßnahme im Fall eines Saphir-Substrats 10 kann zwischen das Substrat 10 und die untere Kontaktschicht 20 eine Bragg-Reflektorschicht 26 eingebracht sein. Diese Bragg-Reflektorschicht 26 führt die gesamte Strahlung im Schichtpaket weiter, bis diese an den Seitenflächen der Schichtpakete ausgekoppelt wird.In the case of a high refractive or absorbing substrate 10 or as an additional measure in the case of a sapphire substrate 10 can be between the substrate 10 and the lower contact layer 20 a Bragg reflector layer 26 be introduced. This Bragg reflector layer 26 continues the entire radiation in the layer package until it is decoupled at the side surfaces of the layer packages.

Wie schematisch in 2 dargestellt, wird durch diesen Wellenleiter in dem Schichtpaket erreicht, dass die gesamte Strahlung, die in der aktiven Schicht 16 erzeugt und seitlich innerhalb eines durch den Grenzwinkel der Totalreflexion begrenzten Raumwinkels Ω emittiert wird, im wesentlichen ohne Absorptionsverluste zu den Seitenflächen des Schichtpakets geführt und dort ausgekoppelt wird. Unter der Annahme eines Brechungsindex von 2,5 für GaN und von 1,5 für die den LED-Chip einbettende Vergussmasse können auf diese Weise etwa 60% der in der aktiven Schicht 16 erzeugten Strahlung ausgekoppelt werden.As schematically in 2 represented by this waveguide in the layer package is achieved that the entire radiation in the active layer 16 is generated and emitted laterally within a bounded by the critical angle of total reflection solid angle Ω, is guided without absorption losses to the side surfaces of the layer package and coupled out there. Assuming a refractive index of 2.5 for GaN and 1.5 for the encapsulant embedding the LED chip, about 60% of that in the active layer can be achieved in this way 16 generated radiation are decoupled.

Um zu verhindern, dass die schräg nach unten aus den Mikrostrukturelementen 12 ausgekoppelte Strahlung in das Substrat 10 einkoppelt, ist es von Vorteil, den Boden der Kanäle 14 reflektierend auszubilden bzw. mit einer reflektierenden Schicht zu versehen.To prevent the slanting down from the microstructure elements 12 ausgekop pelt radiation into the substrate 10 coupled, it is beneficial to the bottom of the channels 14 form reflective or provide with a reflective layer.

Des weiteren können die Mikrostrukturelemente 12 auch in der Form von umgekehrten Pyramidenstümpfen ausgebildet sein. Mit anderen Worten sind die Seitenflächen des Schichtpakets derart geneigt, dass die Oberseite der oberen Kontaktschicht 18 eine größere Grundfläche als die Unterseite der unteren Kontaktschicht 20 aufweist. Der Winkel der Seitenflächen bezüglich der Senkrechten auf die Substratoberfläche beträgt dabei vorzugsweise etwa 5° bis 20°. Auf diese Weise wird die Strahlungsauskopplung in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche verbessert.Furthermore, the microstructure elements 12 also be in the form of inverted truncated pyramids. In other words, the side surfaces of the layer package are inclined such that the upper side of the upper contact layer 18 a larger footprint than the bottom of the lower contact layer 20 having. The angle of the side surfaces with respect to the perpendicular to the substrate surface is preferably about 5 ° to 20 °. In this way, the radiation extraction in the direction perpendicular to the substrate surface is improved.

Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung für Strahlung im gesamten Spektralbereich, d.h. insbesondere für Wellenlängen im Infrarotbereich, im sichtbaren Bereich bis zum UV-Bereich geeignet ist und diesbezüglich keinerlei Einschränkungen existieren.It be explicit at this point noted that the present invention for radiation in the entire spectral range, i. especially for wavelengths in the infrared range, in the visible Range is suitable up to the UV range and in this respect no restrictions exist.

Claims (13)

Lichtemissionsdiode mit einem Substrat (10) und einer Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (12), die in einem Abstand zueinander auf dem Substrat (10) angeordnet sind, wobei die Mikrostrukturelemente (12) jeweils einen Wellenleiter mit einer ersten und einer zweiten Reflexionsfläche, eine zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche angeordnete Strahlung emittierende aktive Schicht (16) und eine Kontaktmetallisierung (22) aufweisen, die Mikrostrukturelemente jeweils eine untere, dem Substrat zugewandte Kontaktschicht (20) und eine obere Kontaktschicht (18) umfassen, die aktive Schicht jeweils zwischen der unteren und der oberen Kontaktschicht, und die Kontaktmetallisierung auf der oberen Kontaktschicht (18) angeordnet ist, und sich die Kontaktmetallisierung im Wesentlichen vollständig über die obere Kontaktschicht erstreckt.Light emitting diode with a substrate ( 10 ) and a plurality of microstructure elements ( 12 ) at a distance from each other on the substrate ( 10 ), wherein the microstructure elements ( 12 ) each having a waveguide with a first and a second reflection surface, an active layer arranged between the first and the second reflection surface emitting active layer (US Pat. 16 ) and a contact metallization ( 22 ), the microstructure elements each have a lower, the substrate-facing contact layer ( 20 ) and an upper contact layer ( 18 ), the active layer in each case between the lower and the upper contact layer, and the contact metallization on the upper contact layer (FIG. 18 ), and the contact metallization extends substantially completely over the upper contact layer. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der oberen Kontaktschicht (18) zugewandte Seite der Kontaktmetallisierung (22) die erste Reflexionsfläche des Wellenleiters bildet.Light emitting diode according to claim 1, characterized in that the upper contact layer ( 18 ) facing side of the contact metallization ( 22 ) forms the first reflection surface of the waveguide. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Kontaktschicht (20) und das Substrat (10) eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen, die die zweite Reflexionsfläche bildet.Light emitting diode according to claim 1 or 2, characterized in that the lower contact layer ( 20 ) and the substrate ( 10 ) have a common interface forming the second reflection surface. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Kontaktschicht (20) einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex des Substrats (10) ist.Light emitting diode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the lower contact layer ( 20 ) has a refractive index greater than the refractive index of the substrate ( 10 ). Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (10) und der aktiven Schicht (16), insbesondere zwischen dem Substrat (10) und der unteren Kontaktschicht (20) eine Bragg-Reflektorschicht (26) vorgesehen ist, die die zweite Reflexionsfläche bildet.Light emitting diode according to one of claims 1, 2 or 4, characterized in that between the substrate ( 10 ) and the active layer ( 16 ), in particular between the substrate ( 10 ) and the lower contact layer ( 20 ) a Bragg reflector layer ( 26 ) is provided, which forms the second reflection surface. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) Siliziumkarbid enthält.Light emitting diode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate ( 10 ) Contains silicon carbide. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) Saphir enthält.Light emitting diode according to one of claims 1 to 6, characterized in that the substrate ( 10 ) Contains sapphire. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturelemente mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthalten.Light emitting diode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the microstructure elements at least a nitride compound semiconductor contain. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nitrid-Verbindungshalbleiter eine Nitridverbindung von Elementen der dritten und/oder der fünften Hauptgruppe des Periodensystems, insbesondere GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN oder InN ist.Light emitting diode according to claim 8, characterized in that that the nitride compound semiconductor is a nitride compound of Elements of the third and / or fifth main group of the periodic table, in particular GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN or InN. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche zwischen den Mikrostrukturelementen (12) reflektierend ausgebildet oder mit einer reflektierenden Schicht versehen sind.Light emitting diode according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the regions between the microstructure elements ( 12 ) are reflective or provided with a reflective layer. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturelemente (12) eine kreisförmige, dreieckige, rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweisen.Light emitting diode according to one of claims 1 to 10, characterized in that the microstructure elements ( 12 ) have a circular, triangular, rectangular or square base. Lichtemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen der Mikrostrukturelemente (12) derart schräg verlaufen, dass die Oberseite der oberen Kontaktschicht (18) eine größere Fläche als die Unterseite der unteren Kontaktschicht (20) besitzt.Light emitting diode according to one of claims 1 to 11, characterized in that the side surfaces of the microstructure elements ( 12 ) so inclined that the upper side of the upper contact layer ( 18 ) a larger area than the bottom of the lower contact layer ( 20 ) owns. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen der Mikrostrukturelemente (12) um 5° bis 20° gegenüber einer Senkrechten zur Oberfläche des Substrats (10) geneigt sind.Light emitting diode according to claim 12, characterized in that the side surfaces of the microstructure elements ( 12 ) by 5 ° to 20 ° with respect to a normal to the surface of the substrate ( 10 ) are inclined.
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