DE19963550A1 - Bipolare Beleuchtungsquelle aus einem einseitig kontaktierten, selbstbündelnden Halbleiterkörper - Google Patents
Bipolare Beleuchtungsquelle aus einem einseitig kontaktierten, selbstbündelnden HalbleiterkörperInfo
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Abstract
Eine bipolare Beleuchtungsquelle mit selbstbündelnder Struktur ist für den Pseudo-Lateralbetrieb und eine einseitige Kontaktierung eingerichtet. DOLLAR A Auf einer optischen Platte 23 wird zwischen eine Al¶x¶Ga¶1-x¶As-DH-Schichtfolge und die Platte 23 eine Verteilerschicht 28 gelegt, die auch in die optischen Funktionselemente von zwei oder mehreren konusartigen Pfeilern 24, 34 unter der Platte 23 einbezogen ist. Die Pfeiler 24, 34 enden in einer kathodisch und einer oder mehreren anodisch gepolten Elektroden 32 und 36 auf einer Montagefläche 33. Die Pfeilerhöhe 31 von 25-35 mum und die Anordnung einer lumineszenzaktiven Schicht 26 unterhalb der Unterkante der optischen Platte 23 gewährleisten eine vollständige Umlenkung der lateral abgestrahlten Teile der isotropen Emission und unterdrückt die verlustbringende seitliche Ableitung. DOLLAR A Es werden sowohl der äußere optische Wirkungsgrad wie die Materialeffektivität verbessert und eine Anwendung in Schutz-, Sicherheits- und Alarmeinrichtungen ermöglicht.
Description
Die Erfindung betrifft eine bipolare Beleuchtungsquelle
aus einem einseitig kontaktierten, selbstbündelnden
Halbleiterkörper, dessen für die Lumineszenzwellen
transparentes Substrat mit einer Doppel-Hetero-Struktur
aus Schichten ternärer und binärer III-V-Verbindungen,
vorzugsweise AlGaAs-GaAs, verbunden und für einen
pseudo-vertikalen Betrieb eingerichtet ist.
Die Beleuchtungsquelle soll in Service-, Schutz-,
Sicherheits- und Alarmeinrichtungen wie
- a) Fernbedienungsanwendungen und Lichtschranken, sowie
- b) der stationären oder mobilen, impulsartigen oder kontinuierlichen Beleuchtung eines zu überwachenden Geländes, Raumes oder Fahrzeugs zum Zweck der Zugangs-, Anwesenheits- oder Bewegungskontrolle oder
- c) der Kurzstrecken-Datenübertragung und
- d) der Informationsdarstellung auf einer Anzeige
eingesetzt werden.
Dem Schutz- und Sicherheitsbedürfnis kommen andere
Absperr- und Besitzschutzanlagen, wie Mauern, Gitter
u. a. Zugangsblockaden nur mit massivem Aufwand
entgegen.
Mit Hilfe von Überwachungsanlagen und neuen
Beleuchtungsquellen kann diesem Bedürfnis besser
entsprochen werden. Einen besonderen Akzent setzen hier
Beleuchtungsquellen, die vom Menschen nicht
wahrgenommen werden können. Bis dahin wurde
vorzugsweise der Einsatz von Bewegungsmeldern gepflegt,
die als passive Detektoren auf Wärmequellen wie Vögel,
und Haustiere genauso ansprachen, wie auf menschliche
Eindringlinge (z. B. US-A 3,476,946). Durch eine Tarnung
der Wärmequellen mit Hilfe einer entsprechenden
Maskierung waren diese Melder jedoch zu überlisten.
Lichtschranken mit einem oder mehreren Paaren aus
Lumineszenzdiode und Fototransistor sind schon schwerer
zu täuschen (US-A 3,875,403; US-A 4,239,961; US-A 4,514,625),
sprechen aber auch bei harmlosen
Unterbrechungen an.
Auch Schall- und Ultraschallsignale wurden in zu
überwachende Räume übertragen und auf die Änderungen
der reflektierten Signalen hin überprüft, z. B. gemäß
US-A 4,499,564. Vom Wind bewegte Flora oder auch
harmlose Tiere konnten Eindringlinge vortäuschen.
Radar- und mikrowellengestützte Überwachungen von
Lufträumen und Gewässern sind seit Jahrzehnten
gebräuchlich, aber für die meisten Nutzer viel zu
aufwendig.
Mit Hilfe einer stationären oder rotierenden Infrarot-
Laserdiode ließen sich von bewegten Objekten
reflektierte Strahlen auf geeigneten Empfängern schon
etwas kostengünstiger feststellen (US-A 4,903,009, US-A 4,952,911
oder DE-A 41 30 619). Unabhängig von dem
Aufwand bei der Bildauswertung mit IR-Fotoempfängern,
behindern die relativ teuren IR-Laser die Ausweitung
der Anwendung in weitere Einsatzgebiete.
Beleuchtungsquellen, deren Leistungsvermögen an Laser
heranreicht, bei denen aber Herstellungs- und
Einsatzkosten deutlich hinter diesen zurückbleiben,
sind ebenfalls bekannt. Die Erfindung zielt für
derartige Beleuchtungsquellen auf eine Verbesserung der
Ausbeute sowohl bei der betriebssicheren ökologischen
Fertigung, als auch eine kostengünstigere Umwandlung
elektrischer in optische Energie unabhängig von der
Betriebsdauer.
Wie bei gleichrichtenden Dioden wurden zunächst auch
bei Lumineszenzdioden auf AlGaAs-Basis die beiden
gegenüberliegenden Hauptoberflächen des
Halbleiterplättchens als Trägerebenen je eines
Kontaktes genutzt, siehe US-A 3,677,836,
DE-A 21 58 681, DE-A 197 41 609. Bei dieser
Diodenkonstruktion fließt der elektrische Strom von
einer Kontaktfläche vertikal durch den Halbleiter zur
gegenüberliegende Kontaktfläche. Schon diese
Vertikalstruktur bringt durch die Abdeckung der
Lumineszenzregion unter dem Kontaktmetall und die
geringe laterale Verbreitung des Ladungsträgerstromes
im Halbleiterkörper Verluste bei der chipextern
meßbaren Lumineszenz. Diese Verluste sind sowohl bei
AlGaAs-Strukturen von Kish-F-A und Fletcher-R-M, Band 48
der Serie "Semiconductors and Semimetals", Vol. 48
(1997) S. 172ff, als auch an quarternären AlGaInP-Dioden
von Lin-J-F et al., Electronics Letters 30 (1994) Nr. 21,
S. 1794, an den Intensitätsprofilen der
Oberflächenemission nachgewiesen worden. Der Strom
fließt vom Kontaktmetall steil und ohne großes
Breitsprühen in den darunter liegenden Halbleiter. Der
Stromfluß ist dadurch in seiner lateralen Ausbreitung
sehr beschränkt. Maßgeblich bestimmend dafür ist die
relativ geringe Dotierbarkeit der Verbindungshalbleiter
und die daraus resultierende Ladungsträgerkonzentration
sowie die begrenzte Beweglichkeit der Ladungsträger in
manchen Verbindungshalbleitern. Demzufolge ist der
Lichthof um den Kontakt herum auch nur begrenzt
ausgedehnt.
In der Regel werden bei den verschiedenen
Lumineszenzdiodentypen auf AlGaAs-Basis GaAs-Substrate
eingesetzt. Sie sind preiswert und eine spezielle
Orientierung der Scheibennormale bringt
Wachstumsverbesserungen für die Schichten. Von der
nahezu isotrop nach allen Richtungen ausgesendeten
Lumineszenz verschluckt jedoch dieses GaAs-Substrat auf
Grund seiner optischen Eigenschaften (hohe Absorption)
die nach unten abgestrahlte Emission und führt zu
Verlusten bei der optischen Ausbeute.
Zur Abhilfe kann auf den Bragg-Effekt zurück gegriffen
werden. Die von William Henry Bragg und William
Lawrence Bragg gefundene Reflexionsbedingung für
Röntgenstrahlen an Netzebenen von Einkristallen ist
auch auf Strahlung der Wellenlänge λ zu übertragen. Bei
einem Abstand a von zwei Netzebenen tritt eine
Braggsche Reflexion nur unter den Glanzwinkeln δ
(Winkel zwischen Strahl und Grenzfläche ≠ vom optischen
Einfallswinkel) bei den Richtungen ein, für die die
Wegunterschiede der reflektierten Teilwellen ein
ganzzahliges Vielfaches b von λ haben (2a sinδ = b λ).
Bragg-Reflektoren wirken nur in einem relativ
begrenzten Wellenlängenbereich und sind demzufolge auf
jeden anderen λ-Bereich neu zuzuschneiden.
Der mittlere Brechungsindex n kann mit dem
Mischungsverhältnis von AlAs und GaAs im ternären
Verbindungshalbleiter GaAlAs geändert werden. Mit einem
mehrschichtigen GaAs-Ga0.7Al0.3As-Stapel, in dem
niedrige und hohe Brechungsindizes wechseln und jedes
Schichtpaar ein Viertel der Dicke der avisierten
Wellenlänge λ der einfallenden Strahlung beträgt, kann
eine Bragg-Reflektor realisiert werden. Kleine Werte
von Δn erzwingen viele Schichtpaare. Die Veredelung der
Substrate durch Bragg-Reflektoren läßt sich durch
Molekularstrahlepitaxie (MBE) mit weniger Defekten
einkristallin und mit deutlich geringerer Streuung als
durch Aufdampfung durchführen. Derartige Reflektoren
wurden nach US-A 5,406,095, UK-B 23 20 136 oder DE-A 197 41 609
direkt auf dem GaAs-Substrat angebracht.
Die Anlagenkomplexität der MBE und die Grenzen der
gleichzeitig bearbeitbaren Scheibenzahl oder
Scheibendurchmesser engen den Flächendurchsatz pro
Maschine allerdings erheblich ein.
Während die genannten Vertikal-LED-Strukturen lediglich
auf die Frontabstrahlung vorbei am Frontkontakt
zurückgriffen, kann zur Erhöhung der äußeren
Lichtausbeute bei vertikal betriebenen AlGaAs-
Lumineszenzdioden auch das Substrat einbezogen werden.
Nach Ishiguro-H et al. in Appl. Phys. Lett., Vol. 43
(1983), No. 11, S. 1034-1036, ist diese Lumineszenz
nutzbar, wenn das Substrat für die Wellenlänge der
Emission transparent ist. Die Emissionszone muß daher
zur Frontseite wie zur Rückseite durchgängig mit
Halbleiterschichten mit Fenstereigenschaften umkleidet
werden. GaAlAs-Heterostrukturen wurden deshalb auf
transparenten GaAlAs-Unterlagen erzeugt, die vorher auf
GaAs-Scheiben abgeschieden worden waren. Die GaAs-
Scheibe war deshalb nur zeitweise im Einsatz und wurde
nach Fertigstellung der Gesamtstruktur wieder entfernt.
Dieser technologische Prozeß ist nach US-A 4,864,369
(Sp. 3 Z. 39-49) viel schwieriger und kostenintensiver,
da verschiedene transparente Schichten auf einem später
nicht genutzten Substrat erzeugt und dieses temporäre
Substrat wieder entfernt werden muß. Darüber hinaus muß
diejenige transparente Schicht, die später als
Substratersatz dienen soll, erst langwierig in einem
kostenintensiven Wachstumsprozeß gebildet werden.
Nach US-A 4,719,497 wird die Fertigung einer "High
efficiency light-emitting diode" für die Lichtleiter-
Nachrichtentechnik sofort mit einem n-AlGaAs-Substrat
gestartet, auf dem dann mit konventioneller
Epitaxietechnik die anderen AlGaAs-Schichten der DH-
Struktur erzeugt werden. Die Schattenwirkung des p-
Kontaktes bei einer Frontauskopplung (p-side up) und
die entstehenden relativ hohen Verluste werden nun
durch eine Zn-Diffusion unter dem Al-Kontakt
vermindert. Die äußere Lichtausbeute wird um den Faktor
2-5 (S. 1, Z. 59-63; S. 2, Z. 59-61) bei unverkappten
LED's erhöht.
Nach EP-A 0 350 242 wird für die "p-side up double
heterojunction AlGaAs LED" das gleiche
Schichtfolgeschema benutzt. Es zeigt sich jedoch, daß
man ohne ein gutes Substrat für das Wachstum des
Schichtpaketes nicht auskommt und daß das für die "n-
side up DH-Struktur" erforderliche Startsubstrat vom p-
GaAs-Typ nicht so leicht mit einer geringen
Versetzungsdichte zu erhalten ist, wie das
entsprechende n-leitende GaAs (S. 3, Z. 61-65).
Dementsprechend wird die "p-side up DH-Struktur"
genutzt, das GaAs-Substrat an der LED belassen und
lediglich durch eine 10-30 µm dicke AlxGa1-xAs-Schicht
für eine bessere Zuverlässigkeit der Struktur und vor
allem für eine größeres Fenster für den Lichtaustritt
auf der Frontkontaktseite gesorgt (S. 4, Z. 59-61). Der
Rückkontakt bleibt unverändert.
Dennoch ist dieser technisch-technologische Prozeß
schwierig und kostenintensiv. Daß verschiedene
transparente Schichten auf einem später nicht genutzten
Substrat erzeugt und das Substrat wieder entfernt
werden muß, ist sowohl hinsichtlich des Materials wie
bezüglich der Anlagen aufwendig. Abstriche an der
Qualität der substituierten Substrate sind aber
unzulässig. Darüber hinaus muß diejenige transparente
Schicht, die später als Träger dienen soll, erst
langwierig in einem kostenintensiven Wachstumsprozeß
auf hochwertigen Epitaxieanlagen gebildet werden.
Als weitere Konstruktionsmöglichkeiten für
Lumineszenzdioden ist die Formung und Anordnung der
Kontakte auf der gleichen Oberflächenseite, die
unbehinderte Lichtabstrahlung von einer freien
Oberfläche und der Übergang vom Vertikal- zum
Lateralbetrieb bekannt.
Zur Unterdrückung von Verlusten durch strahlungslose
Rekombination an der Oberfläche von einseitig
kontaktierten GaAsP-GaP oder GaP-Planar-
Diffusionsdioden wurde in DE-A 27 12 412 vorgeschlagen,
die Ströme der Minoritätsladungsträger durch
Feldplatteneffekt in tiefer liegende Bereiche zu
verdrängen. Die Majoritätsträger sollten in die n-
leitende lumineszenzfähige Epitaxieschicht über ein
hoch dotiertes n-leitendes Anschlußgebiet in eine höher
n-leitende Schicht eingeführt werden. Dieser
Schichtaufbau und die Realisierung von gleichartigen
Diffusionszonen gelingt bei AlGaAs-DH-Strukturen nicht
in gleicher Weise.
In UK-A 2,019,643 wird eine Lumineszenzdiode mit einer
Schichtfolge aus Ga1-xAlxAs auf einem GaAs-Substrat
vorgeschlagen, in der eine erhöhte äußere
Quantenausbeute und eine reduzierte innere Absorption
verwirklicht werden kann. Zu diesem Zweck wird eine
aktive n-Lumineszenzschicht aus Ga0.90Al0.10As: Te
(5.1017 cm3) mit einem mit Kompensationsgrad ND/NA von
10 und der Dicke von einer Absorptionslänge z. B. 3 µm
von zwei Mantelschichten aus p-Ga0.70Al0.30As: Zn
(5.1017 cm3) und n-Ga0.70Al0.30As: (5.1016 cm3)
umhüllt. Eine p+-leitende Ringzone, dotiert mit Zn
(1019 cm3) umfängt die aktive Lumineszenzschicht außen
und schafft Anschluß zur tiefer liegenden p+-leitenden
Mantelschicht. Der p+-leitende Ring ist mit einem p-
Kontakt aus Au-Be oder Au-Zn und die n-leitende
Mantelschicht mit einem n-Kontakt coplanar auf der
gleichen Oberfläche versehen. Die Besonderheiten der
aktiven Lumineszenzschicht (Dicke relativ zur
Absorptionslänge, Kompensationsgrad und Dotierung)
sorgen für ein Photonenrecycling der in die
Lumineszenzzone durch Mehrfachreflexion zurück
gekehrten Photonen. Die Photonen werden wieder in
strahlend rekombinierbare Ladungsträgerpaare zurück
verwandelt und können dann als neue Photonen den
Halbleiter eventuell mit einem günstigeren Winkel zur
Austrittsfläche doch verlassen.
In US-A 5,472,886 ist eine LED-Gebildestruktur für die
Lichtleiter-Nachrichtentechnik angegeben worden, mit
der die Emission im Nahfeldbereich eines präzise
ausgerichteten Lichtemitters aus InGaAsP auf InP-
Substrat genau gerichtet in eine Faser eingekoppelt
werden kann. Die Struktur zielt darauf ab,
Schwierigkeiten bei der Massenproduktion, besonders bei
der Justierung zu überwinden und Drahtbondtechniken zu
vermeiden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird wie in
Fig. 2 gezeigt, ein LED-Chip 1 aus einer n-leitenden
und einer p-leitenden Schicht 3 gebildet. Eine Grube 4
durchtrennt aufwärts von der Oberfläche 5 der
Unterseite der p-leitenden Schicht 3 ausgehend diese p-
leitende Schicht. Die Grube 4 reicht bis zur n-
leitenden Schicht 2 und hat beiderseits des Bodens 4c
eine erste Seitenwand 4a und eine zweite Seitenwand 4b.
Sie dient als Abstandselement zwischen der dicken p-
leitenden Bondinsel 13 zum p-Kontakt 7 und der dicken
n-leitenden metallischen Bondinsel 14 zum n-Kontakt 6.
Die Bondinseln befinden sich auf dünnen Metallflächen
12a und 12b. Der n-Kontakt 6 besteht aus Au/Sb/Au und
zieht sich von der Oberfläche 5 über die erste
Seitenwand 4a der Grube 4 bis zum Boden 4c der Grube 4
und kontaktiert am Boden 4c der Grube 4 die n-leitende
Schicht 2. Eine Maske 8 aus dielektrischem Material wie
Si3N4, SiO2 oder Photolack mit einer Dicke von 200 nm
begrenzt den n-Kontakt 6. In Richtung der Projektion
des p-Kontaktes 7 hinter dem pn-Übergang hinaus
befindet sich zur Verbesserung der Einkopplung der
Emission in eine Faser eine Linse 9. Die Linse ist in
eine Aushöhlung ähnlich wie bei der Burrus-Struktur
eingesetzt. Die Kontaktierung wird nun mit Lothügeln
vorgenommen, wobei ein dielektrischer Film die
Ausbreitung des Lotes über die metallischen Bondinseln
13 und 14 hinaus unterbindet. Die Größenverhältnisse
zwischen dem p-Kontakt 7 und der pn-Übergangsfläche 11
deuten an, daß nur ein kleiner Teil der DH-Struktur in
der p-leitenden Zone für die direkte Bedienung der
Faser hinter der Linse 9 benötigt wird. Ähnlich wird
auch bei der Burrus-Struktur vorgegangen.
Die geometrische Form des Halbleiterkörpers im
vereinzelten Plättchen und die Individualisierung der
lumineszenzaktiven Zone vor der Zerlegung der Scheiben
hängt direkt von der Entscheidung für eine der beiden
Hauptvarianten, den Kanten- oder den Flächenstrahler,
ab. Während die Kantenabstrahlung überwiegend bei
Laserdioden genutzt wird, greift man bei
Lumineszenzdioden vorzugsweise auf Flächenstrahler
zurück. Laserdioden verdanken ihre Effizienz der
Anbringung von Spaltflächen an der Austrittsfläche der
Emission. Bei Lumineszenzdioden wird der Chipkörper
durch einen Trennprozeß mit Hilfe der Ritz- und
Brechtechnik, durch einen Sägeprozeß mit Hilfe von
Diamantscheiben bzw. Drähten oder einen Trennätzprozeß
im Anschluß an eine selektive Maskierung einer oder
beider Hauptoberflächen geformt.
Die Quader- oder Säulenform der Chips ist dank ihrer
einfachen Herstellung sehr verbreitet. Sie ist in der
Regel einer zweiseitigen (DE-C 21 58 681), im
Sonderfall aber auch einer Einebenen-Kontaktierung mit
umgekippten Chips (US-A 5,670,797) zugänglich. Die
Kantenlänge der Chips konnte solange verkleinert und
die Chipzahl pro Scheibe erhöht werden, wie die
Kontaktierung der Chips möglich blieb. Die
Drahtbondtechnik ließ noch Kantenlängen bis zu 250 µm
zu. Mit Verbindungen aus Lot oder Leitkleber konnte
nach US-A 5,265,792 die Kantenlänge sogar auf 125 µm
reduziert werden.
Es gehört zu einer lange gepflegten Montagepraxis
derartige oder ähnliche Lumineszenzdiodenchips in
Gehäusereflektoren einzufügen, siehe DE-A 20 62 209,
US-A 4,013,915, DD-C 138 852, DD-C 232 377 oder US-A 5,298,768,
oder, wie in US-A 5,606,181 beschrieben,
daneben anzuordnen.
Die Vielzahl der übrigen Geometrie-Varianten der
Lumineszenzdiodenchips konnte der Ökonomie des
Materialeinsatzes nicht in gleicher Weise Rechnung
tragen.
Die für die Lichtleiter-Nachrichtentechnik entwickelte
Burrus-Struktur ist durch ein DH-AlGaAs-Halbleiterchip
mit einer zweiseitigen Kontaktierung und einem
ausgehöhltem GaAs-Substratteil direkt unter der optisch
aktiven Zone gekennzeichnet. Die Oberfläche mit der
lumineszenzaktiven Schicht trägt einen 50 µm großen
Stromkontakt und ist an diesem und an der benachbarten
Oberfläche in Kontakt mit einem Silberstempel. In der
Höhlung wird eine hybride Kopplung in eine Faser oder
eine angeschliffenen Linse vorgenommen (US-A 4,010,483;
EP-A 0 047 591).
Die Ausstattung des Halbleiterchips mit einer
Aushöhlung für die Einsetzung von angeschliffenen
Linsen war nur eine Ausreifung der Burrusstruktur (US-A 5,472,886).
Nach DE-A 25 42 072 wurde der großflächige direkte
Kontakt der BURRUS-Struktur zum Ag-Stempel aufgegeben
und das Material bis unter die Ebene des aktiven
Flächenbereichs unter Bildung eines Mesas mit
abgeschrägten Randflächen entfernt. Die parallel zum
Übergang sich ausbreitende Strahlung wird nach der
Reflexion im wesentlichen senkrecht zur Übergangsebene
abgestrahlt. Für eine maximale Ausgangsstrahlung ist
eine um 45° geneigte Kante zu wählen, von der man im
Bedarfsfall abweichen kann. Legt man dieser Struktur
die von Burrus 1971 veröffentlichten Schichtdicken
zugrunde, bleibt unklar, wie die 2,1-3,5 µm dünne n-
Ga0,7Al0,3As-Mantelschicht, von der gemäß DE-A 25 42 072,
Fig. 2, bipolare Beleuchtungsquelle aus einem einseitig
kontaktierten, selbstbündelnden Halbleiterkörper auch
noch weitere Teile abgeätzt werden, die hohen
Sättigungsströme bewältigt und gleichmäßig auf die
GaAs-Lumineszenzschicht verteilt werden können. Neben
den Schwächen bei den elektronischen Eigenschaften der
Schicht, die auch in US-A 4,010,483 angedeutet sind,
blieben außerdem die Lichtableitung in dieser Schicht
und die daraus resultierenden Verluste außer acht.
Sphärisch polierte Chipkörper mit einer aktiven Zone im
Brennpunkt eines halbleitenden Linsenformkörpers nach
US-A 4,017,881 oder DE-C 28 25 387 sichern eine gute
Auskopplung über die gesamte Oberfläche und begünstigen
die Beleuchtung eines sehr großen Raumwinkels. Sie
erfordern aber bei ihrer Herausarbeitung einen hohen
individuellen Aufwand pro Chip. Derartige oder anders
geartete zentralsymmetrische Ausarbeitungen waren selbst
bei flächig emittierenden Laserstrukturen nicht
gefordert.
Hohlspiegelartige Anordnungen mit der aktiven Zone im
Fokus des Hohlspiegels, die durch begrenzendes Ätzen
der pn-Übergangsfläche auf der einen Seite und durch
manuelles Abtragen des Halbleiterkörpers von der
Rückseite und die Formung eines Parabolreflektors
hergestellt werden, wurden ebenfalls bereits
vorgeschlagen. Mit der Einfügung von Bragg-Reflektoren
beiderseits der aktiven Schicht stieg die Komplexität
der Erzeugnisstruktur. Darüber hinaus wurde von der
Flächenstrahlerversion abgewichen und zum
Kantenstrahler zurückgekehrt.
Nach US-A 5,498,883 wird eine Diodenstruktur gefertigt,
die eine von zwei Bragg-Reflektoren umhüllte DH-
Struktur besitzt und im Fokus einen Dom aufweist. Es
entsteht eine Resonanzstruktur, aus der die
Kantenstrahlung seitlich abgestrahlt wird. Nachdem die
Strahlung den Dom verlassen hat, trifft sie auf die
Wände eines Reflektors, der aus dem gleichen Halbleiter
gebaut ist, wie die Emitterregion, zusätzlich aber mit
einer reflektierenden Schicht überzogen wurde.
So ergibt sich eine hohlspiegelähnliche
Gebildestruktur, bei der trotz des Aufwandes nur der
Teil der Emissionskeule des Kantenstrahlers erfaßt
wird, der nicht seitlich über den Reflektorrand hinaus
gerät. Ferner stört bei dieser Konstruktion, daß die
Strahlung Mediengrenzen z. B. Halbleiter-Luft passieren
muß ehe sie erneut mit dem Halbleiter oder mit einer
ihn bedeckenden Oberfläche in Berührung kommt.
Ein Vergleich dieser Laserstruktur mit einem
herkömmlichen Kantenstrahler ergibt demzufolge, daß der
Kantenstrahler hinsichtlich des Wirkungsgrades und bei
der Abhängigkeit der optischen Leistung vom Flußstrom
bezüglich des Schwellstroms und der Steilheit nach Jae-
Hoon Kim et al. gemäß der Veröffentlichung in Applied
Physics Letters 57 (1990), H. 20, S. 2048-2050,
deutlich überlegen ist.
Konusförmige Chipkörper mit quer zum Konus liegender
Emissionszone und umlenkenden Mantelflächen tragen nach
Franklin-A-R et al. und der Veröffentlichung in Journal
applied physics 35 (1964), S. 1153-1155 in GaAs zur
Ausnutzung der Primärreflexion bei. Nach
DE-A 198 07 758 kann zur Ausnutzung auch der
Sekundärreflexionen die Seitenfläche in
lichtemittierenden Elementen einem invertierten
Pyramidenstumpf ähnlich gestaltet und mit einem
einheitlichen stumpfen Winkel (β + 90°) mit β zwischen
20 und 50° versehen werden. Hierbei handelt es sich um
eine von großen Flächenverlusten begleitete
Chipstruktur. Um diese Materialverluste zu mindern
müßten die Böschungslängen erheblich verkürzt werden
ohne die Erfassung der Primär- und Sekundärstrahlen zu
vermindern.
Zur Absenkung der Kosten werden anstelle von
chipinternen häufig auch chipexterne Linsen und weitere
Abbildungselemente eingesetzt. Dabei entstehen jedoch
bereits Verluste beim Austritt aus dem Chip und bei der
Abbildung in äußere optische Komponenten. Erhabene,
über die allgemeine Chipfläche reichende und als Mesa
bezeichnete Lumineszenzzonen wurden sehr früh
vorgeschlagen und nach US-A 4,7427,378, nach
DE-C 35 32 821 oder nach US-A 5,349,211 zur
Erleichterung der justierten Befestigung von
abbildenden Perlen für die Verbesserung der Einkopplung
in Fasern verwendet.
Eine chipinterne Lenkung der Lumineszenz gelingt mit
der Mesa-Struktur nach US-A 4,742,378, wo senkrecht auf
ein Chipplättchen eine Säule aufgesetzt ist, in die
hinein sich ein mantelförmig kontaktierter pn-Übergang
fortsetzt. Die Lumineszenz wird in Richtung der
optischen Achse der Säule geleitet und aus einem
rohrförmigen pn-Übergang abgestrahlt. Die metallische
Mantelelektrode verschattet die Stirnfläche der Säule
nicht, so daß die Lumineszenz leicht in Lichtleitfasern
übernommen werden kann. Einer einseitigen Kontaktierung
und einer einfachen Herstellungstechnologie ist diese
Mesastruktur der Laser- oder Lumineszenzdioden jedoch
nicht zugänglich.
Mit dem Übergang zur einseitigen Kontaktierung entsteht
gegenüber der zweiseitigen das Erfordernis der
ausreichenden, niederohmigen Versorgung der aktiven
lumineszierenden Schicht mit Ladungsträgern beider
Arten und speziell durch eine zusätzlich zu
installierende Verteilerschicht. Diese Schicht hat von
der gleichen, bereits einmal kontaktierten Oberfläche
aus für die elektrische Versorgung mit der zweiten
Ladungsträgerart zu sorgen. Unabhängig davon besteht
das Problem, die zunächst isotrop emittierte
Lumineszenz aus der aktiven Zone richtungsorientiert zu
bündeln. Dabei ist die Gefahr der gleichzeitig
erfolgenden Ableitung der Photonen aus der aktiven Zone
in eine nicht für die Bündelung und Auskopplung
geeignete Richtung zu beseitigen. Die Verteilerschicht,
die für die Energieversorgung notwendig ist, darf
demzufolge andererseits nicht lichtableitend in
Erscheinung treten und die Extraktion der gewandelten
optischen Energie mindern.
Es ist nicht mehr zulässig, daß der gewünschte
Flächenstrahler in seiner Emissionsfläche allein durch
die Chip-Kantenlänge definiert wird. Es muß eine
Einschränkung auf einen Teil der Chipfläche vorgenommen
werden. Die isotrope Emissionsverteilung muß dennoch
chipintern und vollständig auf eine einzige Oberfläche
hin umgelenkt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dafür eine
bipolare Gebildestruktur zu schaffen, die die
elektronische Versorgung der aktiven Zone zeitlich und
örtlich gleichmäßig und bis zu hohen Strompegeln
sichert, die Lumineszenzfläche begrenzt, die Emission
voll in eine Richtung lenkt und eine einheitliche,
möglichst selbstjustierende Fügetechnologie für alle
Kontaktelektroden zuläßt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf der Schaffung einer
Chipstruktur, bei der die relevanten
Erzeugnisfunktionen wie die Zuführung der elektrischen
Energie, ihre Wandlung in optische Energie und die
Auskopplung dieser Energie weitgehend von selbst und
mit hohem Effekt im Chip ablaufen und kaum noch einer
Unterstützung durch zusätzliche, äußere
Abbildungselemente bedürfen.
Das den Patentansprüchen zugrunde liegende
Gebildeprinzip besteht in der Unterordnung der
Trassierung der Verteilerschicht und der Leiterzüge für
die Zuleitung der Ladungsträger aus der kathodisch
gepolten Elektrode unter die optischen Erfordernisse.
Leitgedanke ist dabei die Unterbindung der Ableitung
und die gerichtete Umlenkung des sich in der
Schichtebene seitlich ausbreitenden Teils der isotropen
Lumineszenzverteilung.
Der gewünschte Effekt wird durch eine räumliche
Begrenzung der lateralen Ausdehnung des optisch-
elektronischen Schichtpaketes auf die Form von Pfeilern
und eine ganz spezielle konusförmige Erweiterung des
Durchmessers der Pfeiler in Richtung auf eine die
Pfeiler verbindende optische Platte herbeigeführt.
Die Höhe der Pfeiler muß der mittleren Diagonale des
Pfeilers Rechnung tragen. Größere Diagonalen erfordern
größere Pfeilerhöhen. Die optisch nutzbare Pfeilerhöhe
kann durch eine Abstufung im Schichtprofil der
Verteilerschicht erhöht werden.
Eine andere Variante nutzt einen vorher geschaffenen
Vorsprung auf der optischen Platte, über die dann das
gesamte Schichtpaket gezogen wird.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist ferner die
Aufteilung des lumineszenzaktiven Pfeilers in zwei oder
mehrere Pfeiler mit kleinerem Durchmesser. Mit diesem
Merkmal sind sowohl Vorteile bei den
Herstellungskosten, als auch bei den optoelektronischen
Eigenschaften des Enderzeugnisses verbunden.
Die Anordnung einer Abbildungslinse aus
Halbleitermaterial mit erhöhter Brennweite, oder von
Lichtleitfasern mit adaptiertem Faserdurchmesser auf
der optischen Platte in der optischen Sektion des Chips
erhöhen den Bündelungseffekt im Fernordnungsbereich.
Die Lumineszenzdiodenchips werden zur einfachen
Kontaktierung mit ihrer Montagefläche auf einer
Leiterplatte aus Silizium befestigt. Diese Leiterplatte
kann sehr zweckmäßig als Montagewanne ausgebildet sein.
Für die selbsttätige Kontrolle der
Lumineszenzintensität der Beleuchtungsquelle hat es
sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn einer der als
Gleichrichter betreibbaren DH-Schichtstrukturen als
Photodiode in Sperrichtung betrieben wird und der
gemessene Fotostrom zum Bewertungsmaßstab für die
Beibehaltung oder Korrektur im Regelkreises des
Injektionsstromes gemacht wird.
Schließlich kann eine spezielle rahmenförmige
Pfeilerform, die alle übrigen Pfeiler eines Chips
zusammenhängend umschließt, zum Aufbau einer
automatischen Hermetisierung der optoelektronisch
aktiven Bereiche des Chips genutzt werden. Dann kann
sogar eine zusätzliche Verkappung des Chip-Chipträger-
Systems entfallen. Wird dabei auf eine Anpassung der
Dimensionen der lumineszierenden Pfeiler an die
Abmessungen von Silberpolstern in Vertiefungen der
Chipträgerplatte geachtet, läßt sich der
Wärmewiderstand der gesamten Beleuchtungsquelle sehr
vorteilhaft senken.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen
aus den nachfolgenden, anhand der Zeichnungen erklärten
Ausführungsbeispielen hervor. In den Zeichnungen
zeigen:
Fig. 1 die Aufteilung des Schichtpaketes einer
erfindungsgemäßen Beleuchtungsquelle mit den
zwei relevanten Funktionssektionen in der
Durchsicht (a) und der Seitenansicht (b),
Fig. 2 eine Ausführungsform der Burrus-Struktur nach
Dautartes (Stand der Technik),
Fig. 3 eine verbesserte Integration der
Verteilerschicht in die optische Sektion,
Fig. 4 die Zerlegung der optischen Sektion der
Beleuchtungsquelle in mehrere parallel
geschaltete, p-leitende Zonen gegen eine
gemeinsame Kathode,
Fig. 5 eine erfindungsgemäß gestaltete
Beleuchtungsquelle mit (a) unvollständiger
und (b) mit vollständiger Auskopplung der
Lumineszenz aus der optischen Sektion in die
gewünschte Richtung,
Fig. 6 eine Variante mit einer
oberflächenoptimierten Beleuchtungsquelle,
Fig. 7 ein Schnittbild einer Beleuchtungsquelle mit
chipinterner Umlenkung und Bündelung,
Fig. 8 das Anfügen eines erweiterten transparenten
Fensters durch Scheibenbonden, versehen mit
Schlitzen zum Abbau der Dilatations- und
Kontraktionsspannungen an der Grenzfläche
zwischen den Teilen,
Fig. 9 eine Montagestruktur der Beleuchtungsquelle,
Fig. 10 einen Vergleich der Strahlungsleistung-
Flußstrom-Charakteristik verschiedener (?)
eines Chips mit einem emittierenden Pfeiler
a) ohne und b) mit Selbstbündelungseffekt,
Fig. 11 ein Ersatzschaltbild einer
selbstkontrollierten Beleuchtungsquelle und
Fig. 12 eine Gebildestruktur einer Beleuchtungsquelle
mit automatischer Hermetisierung der
optoelektronisch aktiven Zone.
Dem verbesserten Auskopplungstuning kann mit dem
Gebildekonzept eines selbstbündelnden isotropen
Strahlers am besten Rechnung getragen werden. In
Fig. 1(a) ist die Durchsicht auf die chipeigenen
Kontakte einer derartige bipolaren Beleuchtungsquelle
20 wiedergegeben. Eine optische Sektion 22 hängt über
eine mechanische Brücke 21 mit den übrigen
Chipelementen zusammen. Die optische Sektion 22 besteht
aus einem lumineszenzaktiven Pfeiler 24 mit einem sich
konusartig erweiternden Querschnitt 25. Der Pfeiler 24
besteht aus einer lumineszenzaktiven Schicht 26, die
auf beiden Seiten von einem Heteroübergang eingehüllt
wird und einen Doppelheteroübergang (DH)-Schichtaufbau
27 entstehen läßt. In direkter Nachbarschaft zum DH-
Schichtaufbau 27 befindet sich eine Verteilerschicht 28
für die erste Art von elektrischen Ladungsträgern. Die
Verteilerschicht 28 bedeckt die gesamte Oberfläche der
mechanischen Brücke 21. Von besonderer Bedeutung für
die optische Sektion 22 der Beleuchtungsquelle 20 ist,
daß der Teil der mechanischen Brücke 21 über dem
Pfeiler 24 als optische Platte 23 ausgebildet ist.
Dadurch kann die Lumineszenz aus der lumineszenzaktiven
Schicht 26 den Chip als Abstrahlung 29 verlassen.
Funktionswichtig für die optische Sektion 22 ist, daß
neben der Querschnittvariation des Pfeilers 24 die eng
benachbarte Verteilerschicht 28 an der Übergangsstelle
zwischen dem Pfeiler 24 und der optischen Platte 23 mit
einer Abstufung 30 des Oberflächenprofils versehen
wird. Diese Abstufung 30 ist durch Entfernung von
Material aus der Verteilerschicht 28 in dem gesamten
Gebiet rund um den lumineszenzaktiven Pfeiler 24
ausgebildet. Durch diese Abstufung der Verteilerschicht
28 wird die Höhe 31 des Pfeilers 24 zwischen einer
Kontaktelektrode 32 und dem Beginn der optischen Platte
23 örtlich begrenzt und nur in der optischen Sektion 22
erhöht. Die Folge dieser Maßnahme ist eine Vergrößerung
des Abstandes der oberen Kante der lumineszenzaktiven
Schicht 26 von der Ebene der durchgängig erhaltenen
Verteilerschicht 28. Der Pfeiler 24 endet mit der
später anodisch gepolten Kontaktelektrode 32 auf einer
ebenen Montagefläche 33.
In der gleichen Ebene endet auch eine später kathodisch
gepolte Kontaktelektrode 36 auf dem nicht
lumineszenzfähigen Pfeiler 34. Zur Kontaktsektion 35
der Beleuchtungsquelle 20 gehören beide Elektroden 32
und 36, insbesondere auch eine Metallbelegung 37, die
sich als Leiterzug von der Kontaktelektrode 36 über
einen Teil der Mantelfläche des Pfeilers 34 bis unter
das Dach der mechanischen Brücke 21 und hinein in die
Abstufung 30 der Verteilerschicht 28 erstreckt.
Bei der Herstellung der bipolaren Beleuchtungsquelle 20
wird auf einer (100)-orientierten, n-leitenden,
mechanischen AlxGa1-xAs-Brücke 21 mit einem x-Wert von
0,27±0,12 und einer Dotierung von <3 1017 cm-3 eine n-
leitende Verteilerschicht 28 mit einer deutlich höheren
Dotierung von 1±0,3 1018 cm-3, einer
Schichtkomposition von AlxGa1-xAs mit einem x-Wert von
0,2±0,08 und einer Schichtdicke von 30 µm abgeschieden.
Daran schließt sich der AlxGa1-xAs-Schichtaufbau 27 mit
einer lumineszenzaktiven GaAs-Schicht 26, die von
einer n- und einer p-leitenden ternären Schicht mit
einem x-Wert oberhalb 0,11 umhüllt wird. Der DH-
Schichtaufbau 27 besitzt eine Gesamtdicke von 30 µm.
Die Definition der lateralen Größe der
lumineszenzaktiven Schicht 26 und ihre Verknüpfung mit
einer simultanen Integration in Umlenkelemente in einem
pyramidenstumpfartigen Pfeiler 24 unter der optischen
Platte 22 erfolgt durch gezieltes Ätzen. Um einen
konusförmigen Pfeiler 24 zu erhalten, kann von der
Zunahme der Ätzgeschwindigkeit mit abnehmendem Al-
Gehalt in AlxGa1-xAs Gebrauch gemacht werden. Demzufolge
wird in dem DH-Schichtaufbau 27 in jeder Schicht ein x-
Wertgradient aufgebaut. Nahe der Montagefläche 33, wo
der größte laterale Ätzabtrag gewünscht wird, ist ein
kleiner x-Wert einzuhalten. In Richtung auf die
optische Platte 23 steigt der x-Wert linear mit dem
Abstand von der Montagefläche 33 an. Der Spielraum für
die Ausnutzung dieses Effektes für kristallografisches
Ätzen ist jedoch im Wesentlichen auf den x-Wertebereich
zwischen 0,01 und 0,12 beschränkt. Aus diesem Grund
wird bei der Verwendung größerer x-Werte für die
Schichten ergänzend eine zusätzliche Unterstützung der
Schrägätzung eingeführt. Die optische Platte 23 wird
auf der Oberflächenseite der DH-Schichtfolge mit
Fotopositivlack beschichtet und zu einer ersten
Ätzmaske ausgebildet. Die erste Maske ermöglicht einen
Ätzabtrag nur eines schmalen Streifens rund um die
Kontaktelektroden 32 und 36. Nach dem Entfernen der
ersten Maske wird eine zweite Ätzmaske aufgebracht und
mit deren Hilfe sowohl die geätzten, wie Teile der
bisher ungeätzten Bereiche einem erneuten Ätzangriff
unterworfen. Dieser schrittweise Ätzprozeß wird mit
ständig kleiner werdendem Maskierbereich rund um die
Elektroden 32, 36 noch ein- oder zweimal wiederholt.
Die so entstandene Stufenpyramide wird durch glättendes
einebnendes Ätzen in die gewünschte Pfeilerform mit zur
optischen Platte 23 hin erweitertem Querschnitt 25
gebracht. Die Abstufung 30 des Oberflächenprofils der
Verteilerschicht 28 in der Nachbarschaft des Pfeilers
24 wird vorzugsweise nach der Glättung des
Pfeilermantels ausgeführt. Die Restdicke der
Verteilerschicht 28 beträgt dann mindestens noch 13 µm.
Die Pfeiler 24 über der Montagefläche 33 besitzt am
Ende des Ätzprozesses eine Höhe 31 von 35 µm. Erst jetzt
erfolgt die Auftragung der Metallbelegung 37 durch
Aufdampfung einer Au-Ge-Legierung. Die Vereinzelung der
vollständigen, fertigen Scheibe in einzelne Plättchen
für die Beleuchtungsquellen 20 kann durch geeignetes
Sägen mit Drähten oder Diamantscheiben bzw. durch
Einritzen und Brechen von der freien Oberflächenseite
der optischen Platte 23 erfolgen. Dabei sind im
Bedarfsfall die beiden Oberflächenflächen durch
Abdeckfolien zu schützen.
Eine zweite Möglichkeit zur Gestaltung der
Pfeilerstruktur ist aus Fig. 3 ersichtlich. Auf der
optischen Platte 23 aus AlxGa1-xAs wird auf einer
Oberflächenseite eine kolonnenförmige Anordnung
trapezartiger Vorsprünge 41 angebracht. Sie werden
durch naßchemische Ätzung nach photolithographischer
Maskierung gebildet und springen 30 µm von der Fläche
ab. Ihr Flächenmaß beträgt etwa 220 × 170 µm2 und der
Abstand voneinander liegt bei 75 µm. Über diese
Anordnung werden nun zunächst eine 25 µm dicke
Verteilerschicht 42 und dann alle anderen AlxGa1-xAs-
Schichten der DH-Struktur gezogen. Die Schichtregion
über dem Vorsprung wird mit einer Ätzmaske abgedeckt
und anschließend die Schichtbestandteile der DH-
Struktur um die Pfeiler herum durch Ätzung bis zur
Verteilerschicht 42 wieder entfernt. Eine aufgedampfte
Kontaktschicht bildet einen Kathodenkontakt 43, die
Metallbelegung für eine Leitbahntrasse 44 und schafft
den Anschluß der Kontaktes auf dem kathodisch gepolten
Pfeiler zu einem Kragen 45 an der Verteilerschicht 42
nahe dem lumineszenzaktiven Pfeiler. Die optische
Sektion 22 dieses Gebildes ist nun durch die Einbindung
der ungeschmälerten Verteilerschicht 42 in die
Pfeilerstruktur bezüglich der Stromversorgung und der
wirkungsvollen Umlenkung der Lumineszenz deutlich
verbessert. Die Höhe 31 zwischen der Unterkante der
Verteilerschicht 42 und der Montagefläche des Pfeilers
beträgt hier 50 µm. Ein Anodenkontakt 46 befindet sich
am Fuß des Pfeilers.
Eine neue Entwicklungsform kann geschaffen werden, wenn
die Definition der Größe der lumineszenzaktiven Zone
gleichzeitig mit der Integration von Umlenkeinheiten
für die Lumineszenz aus dieser Zone verknüpft wird. Die
Vielstufigkeit des Ätzprozesses zur Formung des
konusartigen Pfeilerquerschnitts, insbesondere für
große Pfeilerhöhen L, ist unerwünscht aufwendig. Im
Einzelnen folgt die Pfeilerhöhe L bei festem kritischem
Reflexionswinkel θkrit(n) dem Durchmesser D bzw. der
größten Diagonale des Pfeilers gemäß Gleichung (1).
L = F (θkrit(n), D) = D (tg θkrit/(1 + 2tgθkrit) (1)
Eine Reduzierung der Pfeilerhöhe L gelingt nur, wenn
der Durchmesser D der lumineszenzaktiven Schicht
verkleinert wird. Bei den Lumineszenzdioden 50 in
Fig. 4(a) hängt die emittierte optische Leistung von
der Größe der Emissionsfläche ab. Abstriche an der
Fläche sind deshalb kaum zulässig. Die Emissionsfläche
kann jedoch gemäß Fig. 4(b) erfindungsgemäß in drei
Teildioden 51 mit gleich großen Teilflächen zerlegt
werden. Fig. 4(c) zeigt ein dazugehöriges Chiplayout
52 mit drei anodisch gepolten Kontakten 53, 54, 55
neben einem zuständigen kathodisch gepolten Kontakt 56.
Die Anodenkontakte 53, 54, 55 liegen nebeneinander und
sind durch die pyramidenstumpfförmige Mantelflächen an
den Pfeilerwänden gekennzeichnet. Durch die Dreiteilung
der Fläche reduziert sich die erforderliche Pfeilerhöhe
L auf weniger als 60% seiner ursprünglichen Höhe. Wird
die Fläche in vier gleiche Teilflächen aufgeteilt, ist
nur noch die Hälfte der sonst erforderlichen Höhe
nötig. Fig. 4(d) zeigt ein Layout 57 der Anordnung
der Chipelemente im Scheibenverband und die gespiegelte
Disposition der Elemente der benachbarten Zeilen. Diese
Disposition ist für die abschließende Vereinzelung der
Chips vorteilhaft, da die Trennfuge zwischen den
kathodisch gepolten Kontakten zweier benachbarter Chips
keinen Anforderungen nach konusartiger Ausweitung
unterliegt und demzufolge platzsparend ausgeführt
werden kann. Zur Erleichterung des Trennens sind die
Chipzeilen parallel zu einer kristallographisch
orientierten Fase 58 angeordnet.
Eine Abweichung von der In-Linie-Anordnung der drei
anodisch gepolten Pfeiler ist im Chiplayout 59 nach
Fig. 4(e) gezeigt. So kann auch die Rückkehr zu
quadratischen Chipkonturen ermöglicht werden. Außer den
eckigen sind auch runde oder sichelförmige
Pfeilerkonturen herstellbar.
In der Fig. 5 ist die Wirkungsweise der
erfindungsgemäß gestalteten Beleuchtungsquelle unter
Berücksichtigung der Auskopplung der Lumineszenz aus
der optischen Sektion in eine gewünschte Richtung
wiedergegeben. Die perspektivische Ansicht einer
unvollständigen Chipstruktur 61 in Fig. 5(a) zeigt
einen kathodisch gepolten Pfeiler 62 und zwei anodisch
gepolte Pfeiler 63, 64. Eine lumineszenzaktive Schicht
65 liegt in sehr großer Nähe der Unterkante der
optischen Platte. Demzufolge läuft ein vom Aufpunkt 67
ausgehender Strahl 69 voll gegen die konusartige Wand
des Pfeilers 64 und wird von dort zur optischen Platte
hin umgelenkt. Gleiches gilt noch für den Grenzfall
eines Strahls 68. In einem Halbkegel 70 ist die
umgelenkte Lumineszenz repräsentiert. Die nicht
umgelenkte Lumineszenz ist z. T. durch einen Halbkegel
71 vertreten, in dem sich Strahlen 72a-d oder durch
Lichtleiteffekt in der Verteilerschicht 66
fortgeleitete Strahlen 73 befinden. Die Strahlung in
dem Halbkegel 71 ist für die Nutzung als
Beleuchtungsquelle verloren und schmälert den externen
optischen Wirkungsgrad.
Vorteilhafter ist demgegenüber eine wie in Fig. 5(b)
gezeigte Chipstruktur 81, in der die konusartige
Pfeilerstruktur tiefer in die optische Platte hinein
reicht. Dadurch ist gewährleistet, daß eine
lumineszenzaktive Schicht 85 in anodisch gepolten
Pfeilern 83 und 84 eine mittlere Ebene einnimmt und
Teile einer Verteilerschicht 86 zu einem Wandelement
der anodisch gepolten Pfeiler 83, 84 geworden sind. Ein
vom Aufpunkt 87 ausgehende Strahlungskegel 90 mit den
Randstrahlen 88 und 89 wird jetzt voll von der
Konuswand der Pfeiler 83, 84 erfaßt und in die
gewünschte Richtung gelenkt.
Im vierten Ausführungsbeispiel ist die Optimierung der
Halbleiteraußenflächen der Beleuchtungsquelle
beschrieben, siehe Fig. 6. In der optischen Sektion 22
ist die optische Platte 23 auf den trapezförmigen
Vorsprüngen 41 mit mindestens einem anodisch gepolten
Pfeiler 98 besetzt. Eine gleichmäßig dicke, n-leitende
Verteilerschicht 92 wird von einem Kathodenkontakt 93
eines Pfeilers 91 über eine Leitbahntrasse 94 mit
Ladungsträgern versorgt. Eine lumineszenzaktive Schicht
95 emittiert im Betrieb bei 810 nm. Eine über der
lumineszenzaktiven Schicht 95 im Pfeiler 98 liegende
Mantelschicht 96 wird durch einen p-leitenden Bragg-
Reflektor 97 von einem Anodenkontakt 99 getrennt. Um
ein Durchlegieren des Bragg-Reflektors 97 durch das Au-
Ge-Kontaktmetall des Anodenkontaktes 99 zu vermeiden,
wird der Bragg-Reflektor 97 mit einer hochdotierten
GaAs-Schicht vor Aufdampfung der Metallegierung
überzogen. Derartige Reflektoren werden nach von der
Ziel-J-P und Ilegems-M, wie 1975 in der Zeitschrift
Applied Optics Vol. 14, Heft 11, S. 2627-2630,
veröffentlicht, aus einem Stapel von Schichtpaaren aus
GaAs-AlxGa1-xAs gebildet, wobei der x-Wert zwischen
zwei festen Werten 0 und 0,38 hin und her springt. Die
Anzahl der Schichtpaare und Schichtdicke der einzelnen
Schichten wird der Wellenlänge der Reflexionsbande und
dem angestrebten Reflexionsgrad angepaßt. Im Photonen-
Energiebereich von 1,53±0,019 eV beträgt die
Brechungsindexdifferenz Δn 0,25 zwischen den beiden
Schichtpartnern. Die Dicke der binären Schicht d1 liegt
bei 55 nm und die der ternären Schicht d2 bei 60 nm. Mit
einem Schichtstapel von 25 Schichtpaaren wird ein
Reflexionsgrad von über 85% bei der gewählten
Lumineszenzbande erreicht.
Diese Bragg-Reflektoren 97 lassen sich durch
Molekularstrahlepitaxie (MBE), durch
Atomschichtepitaxie (ALE), durch Epitaxie mit
phasenweisem Wechsel der Abscheidung und Unterbrechung
(Phase-locked Epitaxy), aber auch durch chemische
Dampfabscheidung mit Hilfe metallorganischer
Verbindungen (MOCVD) herstellen.
Zur Erleichterung der Auskopplung der durch die
Formgebung der Pfeiler 91, 98 und die Bragg-Reflektoren
97 umgelenkten Lumineszenz wird die Austrittsseite der
optischen Platte 23 mit einer Antireflexionsschicht 100
überzogen. Die Antireflexionsschicht 100 besteht aus
Aluminiumoxid. Wahlweise kann auch Siliziumoxid
verwendet werden.
In Fig. 7 soll eine Beleuchtungsquelle mit verbesserter
Reichweite dargestellt werden. Um ein Fernfeldchip 101
gemäß Fig. 7 zu schaffen, wird eine optische Platte 102
hinsichtlich ihrer Plattenstärke erhöht. Die
Montageebene kathodischer und anodischer Kontakte 103,
104, 105 bleibt erhalten. Auch eine lumineszenzaktive
Schicht 106 behält ihre Position in den anodisch
gepolten Pfeilern. Infolge der vorgesehenen und
ausgeführten Dickenzunahme der optischen Platte 102
erhöht sich die Distanz 111 zwischen der
lumineszenzaktiven Schicht 106 und der Austrittsfläche
der Strahlung aus dem Chipkörper. Zur Erhöhung der
Bündelung der Strahlung wird mit der Vergrößerung der
Distanz 111 auch der Krümmungsradius der Linsenform auf
der Austrittsseite vergrößert. Auf diese Weise kann die
Winkelverteilung der Lumineszenz schrittweise von einer
breiten Keule 108 zu einer schmaleren Keule 109 bis zu
einer spitzen Keule 110 fokussiert werden.
Stützt man sich bei der Vergrößerung der Dicke der
optischen Platte 102 allein auf epitaxiale
Beschichtungsprozesse, wächst der Aufwand für die
Herstellung der Ausgangsmaterialien für die
Fernfeldchips 101 zu schnell. Es wird deshalb nach
Fig. 8(a) und (b) vorgeschlagen, eine erfindungsgemäß
gestaltete optische Platte 121 mit einem Pfeilerrelief
122 auf einer freien erweiterbaren Ausbauebene 123 mit
einer optischen Ergänzung zu versehen. Werden dabei
Halbleiter-Ergänzungsscheiben 124 mit deutlich
abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten
eingesetzt, dann ist eine Fügeebene 125 auf der
Ergänzungsscheibe 124 außerhalb der optischen Sektion
mit sacklochförmigen Aussparungen 126 zu versehen. Beim
Fügeprozeß des bekannten Scheibenbondens werden so die
Verspannungen und Wölbungen der Scheiben reduziert und
der technologische Fertigungsprozeß nicht behindert.
Auf der Ergänzungsscheibe 124 befinden sich bereits
gewölbte Vorsprünge, die als Konzentratoren 127 zur
Bündelung beitragen.
Nach der Fig. 8(b) kann die Ergänzungsscheibe 124
auch mit bündelnden Lichtleitfasern 128 bestückt sein.
In Fig. 9 ist eine Gehäusestruktur für die Endmontage
der Beleuchtungsquelle dargestellt. Hierbei wird z. B.
das in Fig. 6 dargestellte Chip mit der optischen
Platte 23 nach oben und den Kathoden- und
Anodenkontakten 93 und 99 nach unten in ein
vorgefertigtes Siliziumgehäuse 133 eingelegt. In einer
Montagewanne 134 des Siliziumgehäuses 133 stellt eine
Lötverbindung 131 eine Zuleitung zum Kathodenkontakt 93
und eine Lötverbindung 132 einen Anschluß zu den
Anodenkontakten 99 her. Die Lötverbindungen 131 und 132
benetzen auf der anderen Seite Leiterzüge 136 und 137.
Über individuelle Durchkontaktierungen 138 bekommen die
Leiterzüge 136 und 137 eine Verknüpfung mit
Außenanschlüssen 139 und 140 an der Unterseite des
Siliziumgehäuses 133. Die optische Platte 23 wird auf
der ebenen Oberfläche mit der Antireflexionsschicht 100
mit einer für Lumineszenzlicht durchlässigen
Dichtungsplatte 141 formschlüssig abgedeckt. Die
Dichtungsplatte 141 ist mit der Innenwand 135 der
Montagewanne 134 hermetisch verbunden. Über den
anodisch gepolten Pfeilern befindet sich in der
Dichtungsplatte 141 eine abbildende Wölbung 142.
Die Kenndaten einer erfindungsgemäßen Beleuchtungs
quelle mit einem einzelnen lumineszenzaktiven Pfeiler
und einer lumineszensaktiven Schicht aus AlxGa1-xAs mit
einem x-Wert von 0,29±0,02 und einer
Emissionswellenlänge von 880 nm wurde in Abhängigkeit
von extern aufgeprägten Versorgungsbedingungen
untersucht. Der Durchlaßgleichstrom IF wächst nach der
Überschreitung der Diffusionsspannung von ca. 1,2 V
gemäß Fig. 10a kräftig an. Trotz des gegenüber
Silizium oder anderen Verbindungshalbleitern relativ
breitbandigen Einsatzmaterials und der lateralen
Anordnung der Kontakte entsteht eine überraschend
steile IF-UF-Kennlinie. Der niedrige, aus dem Anstieg
ablesbare Widerstand von unter 2 Ohm ist der
funktionell angepaßten, hochleitfähigen
Verteilerschicht der Ladungsträger erster Art zu
verdanken.
Die bei Raumtemperatur aufgenommene Beziehung der
Strahlungsleistung Popt(IF) vom Flußstrom wurde für zwei
verschieden weit fortgeschrittenen Ausformungsstufen
des lumineszenzaktiven Pfeilers ermittelt und in Fig. 10b
dargestellt. Bei annähernd gleichem Durchmesser
des anodisch gepolten Pfeilers von D ≈ 250 µm wurde die
Pfeilerhöhe L variiert. Einmal wurde L nur bis zum
Beginn der Verteilerschicht ausgedehnt. Im zweiten Fall
wurde die Pfeilerhöhe L noch um 250 µm vergrößert,
indem die Verteilerschicht mit der oben beschriebenen
Abstufung versehen wurde. Bei einem festen
Durchlaßstrom von IF = 250 mA erreicht die über dem
einseitig kontaktierten Chip gemessene ausgekoppelte
Strahlungsleistung des Chips mit der abgestuften
Verteilerschicht im Mittel einen Wert von 50 mW
innerhalb der Kurve 151. Endet der lumineszenzaktive
Pfeiler bereits am Beginn der Verteilerschicht, dann
kommt die gemessene Strahlungsleistung innerhalb der
Kurve 150 bei gleichem Flußstrom nur auf 40 mW.
Die für diese Messung benutzten Chips lassen sich noch
vorteilhaft für eine später im Ausführungsbeispiel 7
erläuterte Endmontage verwenden und ermöglichen so
erhöhte thermische Belastungen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Möglichkeit der
selbsttätigen Kontrolle des Betriebes der
Beleuchtungsquelle beschrieben. Zu diesem Zweck wird
die Chipstruktur 160 und die elektrische Beschaltung
mit definierten Betriebspotentialen erweitert. Fig. 11
zeigt, daß von drei Dioden 163, 165 und 167 die erste
Diode 163 durch einen Überbrückungswiderstand 162
kurzgeschlossen und auf Massepotential 161 gelegt ist.
Das Massepotential 161 gelangt dadurch an eine
Verteilerschicht 164 und an alle übrigen Dioden 165 und
167. Die DH-Struktur der Diode 165 erhält über die
individuelle Kontaktebene eines Kontaktes 166 eine
impulsförmige oder anhaltend gleich große
Versorgungsspannung in Durchlaßrichtung. Der dabei
fließende Injektionsstrom ruft, wie beschrieben, die
Lumineszenz in der lumineszenzaktiven Schicht der Diode
165 hervor. Die Lumineszenz wird durch die Umlenkung an
der Mantelfläche und der Kontaktfläche des Pfeilers im
wesentlichen in Richtung auf die Austrittsfläche
geführt. Ein Teile der Lumineszenz trifft jedoch unter
einem ungünstigen Winkel auf die Austrittsfläche und
verbleibt infolge der Totalreflexion im
Halbleiterkörper. Diese Lumineszenz erreicht auch die
in der Nachbarschaft befindliche Diode 167. Wird diese
Diode nicht wie die Diode 165 in Flußrichtung
betrieben, sondern erhält über einen Kontakt 168 eine
negative Vorspannung, bleibt die lumineszenzaktive
Schicht hinsichtlich der Emission passiv. Die von der
benachbarten Diode 165 stammenden Photonen werden in
der DH-Struktur der Diode 167 nach ein- oder
mehrmaligem Durchdringen der DH-Struktur schließlich
absorbiert und in Elektronen-Loch-Paare gewandelt. Die
vom Kontakt 168 ausgehende Polung in Sperrichtung
erzeugt in der DH-Struktur ein elektrisches Feld, das
die Ladungsträgerpaare trennt. Der dabei fließende
Strom fließt als Sperrstrom durch den Kontakt 168 und
hängt reproduzierbar und linear von der Intensität der
chipinternen Lumineszenz ab. Selbst bei einem niedrigen
Kopplungsfaktor zwischen der Lumineszenzintensität der
lumineszenzaktiven Diode 165 und dem Photostrom der
Diode 167 läßt sich dank des linearen Zusammenhanges
zwischen Lumineszenz und Photostrom eine Führung oder
Nachführung der Lumineszenzintensität realisieren.
Dadurch kann die derartig gestaltete und betriebene
Beleuchtungsquelle ganz einfach in einen üblichen
elektrischen Regelkreis der Beleuchtungsintensität
eingefügt werden.
Im letzten Ausführungsbeispiel wird eine
selbsthermetisierende Lumineszenzchipstruktur 200 auf
einem wärmeableitenden Chipträger erläutert. Die
Chipstruktur 200 nach Fig. 12(a) ist durch einen
geschlossenen, ringförmigen Pfeiler 201 mit
Außenkontakt 204 und einen quadratischen Pfeiler 202
mit einem Zentralkontakt 203 gebildet. Beide Kontakte
203 und 204 enden in einer gemeinsamen Ebene und sind
mit einer lötbaren Oberfläche bedeckt. Besonders der
quadratische Pfeiler 202 ist mit einer konusförmigen
Mantelfläche ausgestattet und dient der Umlenkung der
Lumineszenz in Richtung der kontaktfreien Oberfläche.
Dieser Chip 200 wird auf eine wärmeleitende
Montageunterlage 210 aus n-leitendem Silizium montiert,
siehe Fig. 12(b). Weitere Einzelheiten zeigt der
Schnitt entlang der Schnittlinie A-A' in Fig. 12(c).
Zur Erleichterung der Montage ist die Montageunterlage
210 auf ihrer Rückseite 211 glatt und eben und auf
ihrer Kontaktseite 212 mit Vertiefungen 213 nach
Maßgabe der Größe des Zentralkontaktes 203 versehen.
Die profilierte Kontaktseite 212 ist mit einer
hochleitfähigen, p-leitenden Schicht 214 überzogen.
Während die p-leitende Schicht 214 in den Vertiefungen
213 frei kontaktierbar zugänglich ist, bedeckt eine
isolierende dielektrische Schicht 215, z. B. aus
Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die ebenen Regionen
der profilierten Oberflächenseite. Die freie
Halbleiterfläche der p-leitenden Schicht 214 in der
Vertiefung 213 ist mit massiven Metallpolstern 216 aus
Silber belegt. Diese Metallpolster 216 lassen sich
durch galvanische Abscheidungen, z. B. nach der
DE-C 16 14 982 schneller und haftfester als durch
andere Verfahren herstellen. Ein dünnes Lotdepot 217
auf dem Metallpolster 216 schafft die Voraussetzungen
für eine mechanische, elektrische und wärmeableitende
Verbindung zwischen dem Zentralkontakt 203 und dem
Metallpolster 216. Am äußeren Rand der Montageunterlage
210 ist die dielektrische Schicht 215 örtlich wieder
entfernt und der Zugang zu der p-leitenden Schicht 214
freigelegt. Über die Bondinsel 218 kann die p-leitende
Schicht 214 mit der Betriebsspannung der
Beleuchtungsquelle verbunden werden. Der zweite
Anschluß erfolgt über einen auf der Isolierschicht
niedergeschlagenen Streifenleiter 219. Auch er ist mit
einem dünnen Lotdepot 217 belegt und stellt die
Verbindung zum ringförmigen Außenkontakt 204 des
Lumineszenzchips her. Die Streifenleiter 219 für die
Außenkontakte der selbsthermetisierenden
Lumineszenzchips sind zeilenweise bis zum Rand der
Montageunterlage 210 gezogen und bilden dort ein
Anschlußfeld 220 für die zweite Anschlußklemme. Über
die Anzahl der eingesetzten Lumineszenzchips auf der
Montageunterlage 210 kann die erzielbare
Gesamtintensität dem Bedarf in der Anwendungssituation
angepaßt werden. Die Lötverbindung zwischen den
Außenkontakten 204 der Einzelchips und den adäquat
gestalteten ringförmigen Zonen der Streifenleiter 219
auf der Montageunterlage 210 trennt die Mikro-
Atmosphäre um das Metallpolster 216 und die
Mantelfläche des lumineszenzaktiven Pfeilers 202 auf
Dauer hermetisch dicht von der Außenatmosphäre. Die
gesamte Beleuchtungsquelle nach Fig. 12(b) kann
deshalb ohne weitere zusätzliche Verkappung benutzt
werden.
Beleuchtungsquellen, die in aggressiver Umgebung
eingesetzt werden sollen, sind vorher chemisch zu
imprägnieren.
Die Chips der Beleuchtungsquelle können elektrisch
sowohl individuell X-Y-adressiert oder als
geschlossenes Clysterfeld aktiviert werden.
1
LED-Chip
2
n-leitende Schicht
3
p-leitende Schicht
4
Grube
4
a erste Seitenwand der Grube
4
b zweite Seitenwand der Grube
4
c Boden der Grube
5
Oberfläche (der p-Schicht)
6
n-Kontakt
7
p-Kontakt
8
Maske (aus Dielektrikum-Material)
9
Linse
10
Oberfläche der n-Schicht
11
pn-Übergangsfläche
12
a,
12
b dünne Metallflächen
13
,
14
Bondinsel
20
Beleuchtungsquelle
21
mechanische Brücke
22
optische Sektion
23
optische Platte
24
(lumineszenzaktiver) Pfeiler
25
konusartig erweiterter Querschnitt
26
lumineszenzaktive Schicht
27
Schichtaufbau
28
Verteilerschicht
29
Abstrahlung
30
Abstufung (des Profils)
31
Höhe (des Pfeilers)
32
(anodisch gepolte) Kontaktelektrode
33
Montagefläche
34
(nicht lumineszenzaktiver) Pfeiler
35
Kontaktsektion
36
(kathodisch gepolte) Elektrode
37
Metallbelegung
41
trapezförmiger Vorsprung
42
Verteilerschicht
43
Kathodenkontakt
44
Leitbahntrasse
45
Kragen
46
Anodenkontakt
50
Lumineszenzdiode
51
Teildioden
52
Chiplayout
53
Anodischer Kontakt
54
Anodischer Kontakt
55
Anodischer Kontakt
56
Kathodischer Kontakt
57
Layout
58
Fase
59
Chiplayout
61
unvollständige Chipstruktur
62
(kathodisch gepolter) Pfeiler
63
,
64
(anodisch gepolte) Pfeiler
65
lumineszenzaktive Schicht
66
Verteilerschicht
67
Aufpunkt
68
,
69
Strahl
70
Halbkegel
71
Halbkegel
72
a-d Strahl
73
(fortgeleiteter) Strahl
81
Chipstruktur
82
(kathodisch gepolter) Pfeiler
83
,
84
(anodisch gepolte) Pfeiler
85
lumineszenzaktive Schicht
86
Verteilerschicht
87
Aufpunkt
88
,
89
Randstrahlen
90
Strahlungskegel
91
(kathodisch gepolter) Pfeiler
92
(n-leitende) Verteilerschicht
93
Kathodenkontakt
94
Leitbahntrasse
95
Lumineszenzaktive Schicht
96
p-leitende Mantelschicht
97
(p-leitender) Bragg-Reflektor
98
(anodisch gepolter) Pfeiler
99
Anodenkontakt
100
Antireflexionsschicht
101
Fernfeldchip
102
optische Platte
103
(kathodischer) Kontakt
104
anodischer Kontakt
105
anodischer Kontakt
106
lumineszenzaktive Schicht
107
konkaver Vorsprung
108
,
109
,
110
Keule
111
Distanz
121
optische Platte
122
Pfeilerrelief
123
Erweiterbare Ausbauebene
124
Ergänzungsscheibe
125
Fügeebene
126
Aussparung
127
Konzentratoren
128
Lichtleitfaser
131
,
132
Lötverbindung
133
Siliziumgehäuse
134
Montagewanne
135
Innenwand (der Montagewanne)
136
,
137
Leiterzüge (zu Chipkontakten)
138
Durchkontaktierung
139
Außenanschluß (der Anode)
140
Außenanschluß (der Kathode)
141
Dichtungsplatte
142
Abbildende Wölbung
150
Popt
(IF
) bei Raumtemperatur ohne
151
Popt
(IF
) bei Raumtemperatur mit Verbesserung
der Auskopplung
der Auskopplung
160
Chipstruktur
161
Massepotential
162
Überbrückungswiderstand
163
Kurzgeschlossene DH-Struktur
164
Verteilerschicht
165
Lumineszenzaktive DH-Struktur
166
Positiv gegen Masse vorgespannter Kontakt
167
Photoempfindliche DH-Struktur
168
Kontakt
200
selbsthermetisierende Chipstruktur
201
(ringförmiger) Pfeiler
202
(quadratischer) Pfeiler
203
Zentralkontakt
204
Außenkontakt
210
Montageunterlage
211
Rückseite
212
Kontaktseite
213
Vertiefungen
214
p-leitende Schicht
215
Dielektrische Schicht
216
Metallpolster
217
Dünnes Lotdepot
218
Bondinsel
219
Streifenleiter
220
Anschlußfeld
Claims (17)
1. Bipolare Beleuchtungsquelle aus einem einseitig
kontaktierten, selbstbündelnden Halbleiterkörper,
der ein für die Lumineszenzwellen transparentes
Substrat mit einer Struktur aus Schichten
ternärer und binärer III-V-Verbindungen,
vorzugsweise AlGaAs-GaAs, verbindet und für einen
pseudo-lateralen Betrieb eingerichtet ist,
mit einer mechanischen Brücke (21) aus einer optischen Platte (23) aus einem für die Lumineszenz einheitlich transparenten Halbleiterkörper, mit der mindestens ein lumineszenzfähiger und ein zugeordneter nichtlumineszenzfähiger Pfeiler (24, 34, 62-64, 82-84, 91, 98, 201) nebeneinander in einem gewünschten Abstand gehalten sind,
wobei die lumineszenzfähigen Pfeiler (34, 62, 82, 91, 202) einen Schichtaufbau (27) und eine lumineszenzaktive Schicht (26, 65, 85, 95, 106) aufweisen,
alle Pfeiler (24, 34, 62-64, 82-84, 91, 98, 201, 202) auf der Unterseite in gleicher Ebene in einer ebenen Montagefläche (33) enden,
die Pfeiler (24, 34, 62-64, 82-84, 91, 98, 201, 202) sich zur optischen Platte (23) hin bezüglich ihres Querschnitts (25) stetig konusartig erweitern und in eine durchgängige, transparente, einheitlich leitende, hoch leitfähige Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164) zur Versorgung der lumineszenzaktiven Schicht (26, 65, 85, 95, 106) mit Ladungsträgern einer ersten Art aus einer ersten Elektrode (36, 43, 93, 204) übergehen und diese Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164) über eine metallische Leitbahn (37, 94) entlang der Neigung der Mantelfläche eines nicht lumineszenzfähigen Pfeilers (34, 62, 82, 91, 201) mit dessen Kontakt (36, 43, 204) auf der Montagefläche (33) verbunden ist,
jede lumineszenzaktive Zone auf ihrer zugeordneten Montagefläche (33) mit einer entgegengesetzt gepolten Kontaktelektrode (32, 46, 53-55, 99, 203) zur Versorgung mit Ladungsträgern einer zweiten Art versehen ist,
und die benachbarten Montageflächen (33) mit gleichartiger Metallbelegung (37) für eine gleichzeitige und identische Einfügung in eine Versorgungs- oder Ansteuerschaltung (210) versehen sind.
mit einer mechanischen Brücke (21) aus einer optischen Platte (23) aus einem für die Lumineszenz einheitlich transparenten Halbleiterkörper, mit der mindestens ein lumineszenzfähiger und ein zugeordneter nichtlumineszenzfähiger Pfeiler (24, 34, 62-64, 82-84, 91, 98, 201) nebeneinander in einem gewünschten Abstand gehalten sind,
wobei die lumineszenzfähigen Pfeiler (34, 62, 82, 91, 202) einen Schichtaufbau (27) und eine lumineszenzaktive Schicht (26, 65, 85, 95, 106) aufweisen,
alle Pfeiler (24, 34, 62-64, 82-84, 91, 98, 201, 202) auf der Unterseite in gleicher Ebene in einer ebenen Montagefläche (33) enden,
die Pfeiler (24, 34, 62-64, 82-84, 91, 98, 201, 202) sich zur optischen Platte (23) hin bezüglich ihres Querschnitts (25) stetig konusartig erweitern und in eine durchgängige, transparente, einheitlich leitende, hoch leitfähige Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164) zur Versorgung der lumineszenzaktiven Schicht (26, 65, 85, 95, 106) mit Ladungsträgern einer ersten Art aus einer ersten Elektrode (36, 43, 93, 204) übergehen und diese Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164) über eine metallische Leitbahn (37, 94) entlang der Neigung der Mantelfläche eines nicht lumineszenzfähigen Pfeilers (34, 62, 82, 91, 201) mit dessen Kontakt (36, 43, 204) auf der Montagefläche (33) verbunden ist,
jede lumineszenzaktive Zone auf ihrer zugeordneten Montagefläche (33) mit einer entgegengesetzt gepolten Kontaktelektrode (32, 46, 53-55, 99, 203) zur Versorgung mit Ladungsträgern einer zweiten Art versehen ist,
und die benachbarten Montageflächen (33) mit gleichartiger Metallbelegung (37) für eine gleichzeitige und identische Einfügung in eine Versorgungs- oder Ansteuerschaltung (210) versehen sind.
2. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteilerschicht (28, 42, 86, 92) eine
Abstufung (30, 41) ihres Profils aufweist.
3. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164)
eine n-Leitfähigkeit besitzt und mit einem
kathodisch gepolten Pfeiler (34, 62, 82, 91, 201)
in elektrischem Kontakt steht, während jeder
andere Pfeiler (32, 46, 53-55, 99, 202) anodisch
gepolt ist.
4. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteilerschicht eine p-Leitfähigkeit besitzt
und einem anodisch gepolten Pfeiler in
elektrischem Kontakt steht, während jeder andere
Pfeiler kathodisch gepolt ist.
5. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164)
aus einem ternären III-V-Verbindungshalbleiter,
vorzugsweise aus AlxGa1-xAs, mit einem x-Wert von
0,19-0,33 besteht.
6. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteilerschicht (28, 42, 66, 86, 92, 164)
eine Schichtdicke von 15-30 µm und eine Dotierung
von 1±0,5.1018 cm-3 aufweist.
7. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Verteilerschicht (28) in einem schmalen
Gebiet rund um jeden lumineszenzaktiven Pfeiler
(24) eine Abstufung (30) des Profils durch lokale
Entfernung von 33-50% der Schichtdicke gebildet
ist und die konusartige Erweiterung des Pfeilers
(24) sich in diese Abstufung hinein stetig
fortsetzt.
8. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstufung des Profils der Verteilerschicht
(42, 92) durch einen trapezförmigen Vorsprung (41)
von ca. 20 µm Dicke an der optischen Platte (23)
hervorgerufen ist, über die sich die
Verteilerschicht (42, 92) als gleichmäßig dicke
Schicht ausbreitet und eine Schichtdicke von 5-25 µm,
vorzugsweise 15 µm aufweist.
9. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die gesamte lumineszenzaktive Fläche auf einem
Chip aus einer größeren Anzahl von
lumineszenzaktiven Pfeilern (53, 54, 55) mit
kleinerem Querschnitt gebildet und neben einem
nicht lumineszenzfähigen Pfeiler pro Chip
angeordnet ist.
10. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die metallische Leitbahn auf der geneigten
Mantelfläche des nicht lumineszenzfähigen
Pfeilers (34, 62, 82, 91) mit einer Lötstoppmaske
abgedeckt ist.
11. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Umlenkung der Lumineszenz chipintern durch
die Pfeilerdimensionierung mit einer auf die
Diagonalen bezogenen Höhe und einer Formgebung
mit konusförmigem Zuschnitt erfolgt und die
Bündelung durch eine Anordnung eines
Abbildungselementes (107, 124, 141, 142) mit
erhöhter Brennweite auf der optischen Platte
eintritt.
12. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bündelung durch eine unlösbar angefügte
Linsenplatte (124) vorgenommen ist, die auch beim
Vereinzelungs- und Montageprozeß an jedem
Einzelchip befestigt bleibt.
13. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bündelung durch eine unlösbar angefügte
Lichtleitfaser-Platte (128) mit mindestens einer
Faser pro Lumineszenzelement vorgenommen ist.
14. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
speziell einer der lumineszenzaktiven Pfeiler
zeitweise oder ununterbrochen wie eine Photodiode
(168) in Sperrichtung betrieben und der an der
Kontaktebene dieses Pfeilers abnehmbare Fotostrom
zum Maßstab der Höhe des auf die übrigen Pfeiler
(165) impulsartig oder dauernd aufzuprägenden
elektrischen Injektionsstroms gemacht ist.
15. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine zusammenhängende, ring- oder rahmenförmige
Pfeilerstruktur, die den oder die
lumineszenzaktiven Pfeiler (203) umgibt, eine
Dichtungszone für die hermetische Verbindung
zwischen dem einzelnen Chip und einer
Montageunterlage (210) bildet und durch ein Lot
oder einen leitenden Kleber gleichzeitig eine
dauerhafte mechanische und elektrische Verbindung
zwischen einem Außenkontakt (201) des Chips (200)
und adäquaten Ringzonen eines Streifenleiters
(219) der Montageunterlage (210) herbeigeführt
ist.
16. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Montageunterlage (210) an den
Chipaufnahmestellen Vertiefungen (213) enthält,
die mit massiven Silberpolstern (216) gefüllt
sind und eine thermische und elektrische
Verbindung zu den lumineszenzaktiven Pfeilern
(203) herstellen.
17. Beleuchtungsquelle nach den Ansprüchen 15 oder
16,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Montageplatte (210) aus n-leitendem Silizium
besteht und auf der Kontaktseite von paralell
angeordneten dem Oberflächenprofil des Siliziums
folgenden p-leitenden Schichten (214) bedeckt
ist, die an einer Bondinsel (218) mit der
Betriebsspannung verbindbar ist.
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