DE20022541U1 - Light-emitting component with improved light decoupling - Google Patents
Light-emitting component with improved light decouplingInfo
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Description
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BeschreibungDescription
Lichtemittierendes Bauelement mit verbesserter Lichtauskopplung
5Light-emitting device with improved light extraction
5
Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement mit einer Mehrschichtstruktur, einer aktiven Schicht innerhalb der MehrschichtStruktur, Metallkontakten, die mit der aktiven Schicht elektrisch verbunden sind und einem transparenten Fenster,, das an einer Seite der Mehrschichtstruktur anliegt und eine Seitenoberfläche aufweist, die im Übergangsbereich zur Mehrschichtstruktur einen spitzen Winkel mit dieser einschließt. Die Erfindung betrifft weiter ein lichtemittierendes optisches Bauelement mit einem lichtemitierenden Halbleiter-Bauelement.The invention relates to a light-emitting semiconductor component with a multilayer structure, an active layer within the multilayer structure, metal contacts that are electrically connected to the active layer and a transparent window that rests on one side of the multilayer structure and has a side surface that forms an acute angle with the multilayer structure in the transition region thereto. The invention further relates to a light-emitting optical component with a light-emitting semiconductor component.
Ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement der genannten Art ist aus der DE 198 07 758 Al bekannt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird der Inhalt dieser Schrift zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Zusammengefaßt bewirken die unterschiedlichen optischen Brechungsindices von Halbleitermaterialien optischer Halbleiter-Bauelemente wie zum Beispiel von LEDs oder Halbleiterlasern, daß das in der aktiven Schicht des Bauelements erzeugte Licht aufgrund des hohen Brechungsindex" der Halbleitermaterialien nur zu einigen Prozent in den Außenraum, typischerweise Luft, mit niedrigerem Brechungsindex ausgekoppelt wird. Bei vorgegebenem elektrischen Strom, der das Halbleiter-Bauelement zur Erzeugung des Lichts durchfließt, ist damit die Helligkeit des Bauelements begrenzt. Typischerweise werden für lichtemittierende optische Bauelemente quaderförmige Halbleiter-Bauelemente eingesetzt.A light-emitting semiconductor component of the type mentioned is known from DE 198 07 758 A1. To avoid repetition, the content of this document is made the content of the description. In summary, the different optical refractive indices of semiconductor materials of optical semiconductor components such as LEDs or semiconductor lasers mean that only a few percent of the light generated in the active layer of the component is coupled out into the outside space, typically air, with a lower refractive index, due to the high refractive index of the semiconductor materials. For a given electrical current that flows through the semiconductor component to generate the light, the brightness of the component is therefore limited. Cuboid-shaped semiconductor components are typically used for light-emitting optical components.
Die Lichtauskopplung kann gesteigert werden, wenn gemäß der DE 198 07 758 Al ein transparentes Fenster auf die obere Seite des Halbleiterbauelements aufgebracht wird, dessen durchgehende Seitenoberfläche einen stumpfen Winkel bezüglich derThe light extraction can be increased if, according to DE 198 07 758 A1, a transparent window is applied to the upper side of the semiconductor component, the continuous side surface of which forms an obtuse angle with respect to the
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mehrschichtigen HeteroStruktur aufweist. Darüber hinaus ist es vorgesehen, zusätzlich zu dem Fenster auf der Oberseite des Halbleiterbauelements eventuell ein weiteres Fenster auf der Unterseite des Halbleiterbauelements anzubringen. Beide Fenster wirken an ihren Grenzflächen als Reflektor, der die an senkrechten Seitenflächen vermehrt auftretende Totalreflexion reduziert. Dadurch wird die direkte Lichtauskopplung erhöht und die Absorption durch lange optische Wege und viele Reflexionen gemindert.multilayer heterostructure. In addition to the window on the top of the semiconductor component, it is also planned to add another window on the bottom of the semiconductor component. Both windows act as a reflector at their interfaces, which reduces the total reflection that occurs more frequently on vertical side surfaces. This increases the direct light extraction and reduces absorption due to long optical paths and many reflections.
Üblicherweise wird ein derartiges Halbleiterbauelement jedoch in ein Gehäuse eingebaut. Bei dem bekannten Bauelement besteht durch den Aufbau die Gefahr, daß bei einer automatischen Montage des Bauelements in ein Gehäuse eine Verkippung auftreten kann, da die untere Fläche die kleinste Fläche ist, über der der weitausladende obere Fensterbereich angeordnet ist. Dies unterbleibt, wenn nur ein oberes Fenster, nicht jedoch das untere Fenster vorhanden sind. Andererseits besteht bei der Dicke eines eventuell vorhandenen unteren Fensters von maximal 250&mgr;&idiagr;&eegr; die Gefahr, daß dieses Fenster bei der Montage des Bauelements in das Gehäuse teilweise von Klebstoff abgedeckt wird, der für die Montage notwendig ist. Andererseits koppeln optische Halbleiterbauelemente vorwärts, d.h. in Richtung senkrecht zur aktiven Schicht, nach oben Licht aus. Die bekannte Anordnung eignet sich jedoch nur für Materialsysteme, z.B. GaP, insbesondere für das nach oben gerichtete Fenster, die stromleitend sind. Im System Gallium-Nitrid sind nur dünne Schichten stromleitend, so dass die bekannte Anordnung nur begrenzt einsetzbar ist.However, such a semiconductor component is usually installed in a housing. With the known component, the design means that there is a risk that tilting can occur during automatic assembly of the component in a housing, since the lower surface is the smallest surface over which the wide-opening upper window area is arranged. This does not happen if there is only an upper window and not the lower window. On the other hand, if a lower window is present, the maximum thickness of 250 μm of any lower window means that there is a risk that this window will be partially covered by the adhesive required for assembly when the component is installed in the housing. On the other hand, optical semiconductor components couple light upwards in a forward direction, i.e. in a direction perpendicular to the active layer. However, the known arrangement is only suitable for material systems, e.g. GaP, in particular for the upward-facing window, which are electrically conductive. In the gallium nitride system, only thin layers are electrically conductive, so that the known arrangement can only be used to a limited extent.
Zur Verbesserung der Lichtauskopplung ist andererseits vorgeschlagen worden, Halbleiterbauelemente mit schrägen Seitenflächen beispielsweise in Dreiecksform oder in rhomboedrischer Form zu erzeugen, siehe hierzu die Veröffentlichung 5 Song Jae Lee, Seog Won Song: "Efficiency Improvement in Light-Emitting Diodes Based on Geometrically Deformed Chips", SPIE Conference on Light-Emitting Diodes, San Jose, Califor-On the other hand, to improve the light extraction, it has been proposed to produce semiconductor components with inclined side surfaces, for example in triangular or rhombohedral form, see the publication 5 Song Jae Lee, Seog Won Song: "Efficiency Improvement in Light-Emitting Diodes Based on Geometrically Deformed Chips", SPIE Conference on Light-Emitting Diodes, San Jose, Califor-
nia, January 1999, Seiten 237 bis 248. In diesen Anordnungen werden die Reflexionen im Chip erhöht, weil die Reflexionswinkel sich häufig ändern. Gleichzeitig müssen jedoch die lichterzeugende Schicht, die Kontakte oder anderen Schichten des Halbleiterbauelements vorgesehen sein, um möglichst wenig Licht zu absorbieren.nia, January 1999, pages 237 to 248. In these arrangements, the reflections in the chip are increased because the angles of reflection change frequently. At the same time, however, the light-generating layer, the contacts or other layers of the semiconductor device must be designed to absorb as little light as possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein für die Massenproduktion geeignetes lichtemittierendes Halbleiterbauelement für unterschiedliche Materialsysteme anzugeben, das in der Lage ist, möglichst viel Licht auszukoppeln. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein lichtemittierendes optisches Bauelement anzugeben .The object of the invention is to provide a light-emitting semiconductor component suitable for mass production for different material systems, which is capable of coupling out as much light as possible. A further object of the invention is to provide a light-emitting optical component.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 bzw. des Schutzanspruches 16.The invention solves this problem with the features of claim 1 and claim 16.
Bei einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art ist das Fenster ausschließlich unterhalb 0 der MehrschichtStruktur angeordnet und die schräg zur Mehrschichtstruktur verlaufenden Seitenwände des Fensters gehen in einen senkrecht zur MehrschichtStruktur verlaufenden Seitenwandteil mit würfelförmiger Struktur über.In a light-emitting semiconductor component of the type mentioned above, the window is arranged exclusively below 0 of the multilayer structure and the side walls of the window running obliquely to the multilayer structure merge into a side wall part with a cube-shaped structure running perpendicular to the multilayer structure.
Dies hat den Vorteil, daß die Fläche des Halbleiterbauelements auf seiner Unterseite nicht stark verkleinert wird, so daß bei einer automatisierten Montage in ein Gehäuse Kippmomente des Chips reduziert sind und deshalb ein Verkippen des Bauelements verringert wird. Dies hat andererseits den Vor-0 teil, daß genau der würfelförmige untere Bauelementteil, der wenig Licht extrahiert, in ein Gehäuse eingeklebt werden kann. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß die obere Bauelementfläche groß genug ist, um möglichst viel Licht direkt nach oben auskoppeln zu können, ohne daß weitere Verluste in einem zusätzlichen oberen Fenster entstehen. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelement für Materialsysteme wie (In)(Al)(Ga)N, in denen nur dünne Schich-This has the advantage that the surface of the semiconductor component on its underside is not greatly reduced, so that during automated assembly in a housing, the tipping moments of the chip are reduced and therefore the tilting of the component is reduced. On the other hand, this has the advantage that exactly the cube-shaped lower component part, which extracts little light, can be glued into a housing. Another advantage is that the upper component surface is large enough to be able to couple out as much light as possible directly upwards without further losses occurring in an additional upper window. In addition, the semiconductor component according to the invention is suitable for material systems such as (In)(Al)(Ga)N, in which only thin layers
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ten stromleitend sind. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist in der Lage, Licht bereits beim ersten Cipdurchlauf auszukoppeln und reduziert deshalb an seinen Seitenflächen die Totalreflexionen, erhöht die direkte Lichtauskopplung und verringert die Absorption durch lange optische Wege und viele Reflexionen im Bauelement bzw. angrenzenden Fensterbereichen.ten are electrically conductive. The semiconductor component according to the invention is able to couple out light already during the first chip pass and therefore reduces the total reflections on its side surfaces, increases the direct light coupling and reduces the absorption due to long optical paths and many reflections in the component or adjacent window areas.
In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die schrägen Seitenwände des Fensters alternativ in einer oder in mehreren Stufen in den senkrechten Seitenwandteil übergehen oder daß ein fließender Übergang in den senkrechten Seitenwandteil erfolgt.In particularly advantageous embodiments of the invention, it is provided that the sloping side walls of the window alternatively merge into the vertical side wall part in one or more steps or that a smooth transition into the vertical side wall part takes place.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß mindestens der Bereich des Fensters mit schräger Seitenwand aufgerauht ist.In a further advantageous embodiment, it is provided that at least the area of the window with the sloping side wall is roughened.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Fenster das Substrat ist, wie zum Beispiel bei Bauelementen mit Siliziumcarbidsubstrat. It is particularly advantageous when the window is the substrate, as is the case with components with a silicon carbide substrate.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Brechungsindex des Fensters höher ist als der Brechungsindex der Licht erzeugenden aktiven Schicht.In another embodiment of the invention, it is provided that the refractive index of the window is higher than the refractive index of the light-generating active layer.
Bei einem lichtemittierenden optischen Bauelement, das ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement aufnimmt, ist vorgesehen, daß das Halbleiterbauelement in einer Ausnehmung eines Grundkörpers montiert ist und dessen Metallkontakte mit elek-0 trischen Anschlüssen des Grundkörpers verbunden sind.In a light-emitting optical component which accommodates a semiconductor component according to the invention, it is provided that the semiconductor component is mounted in a recess of a base body and its metal contacts are connected to electrical connections of the base body.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dieses optischen Bauelements ist vorgesehen, daß die Seitenwände der Ausnehmung als Reflektor ausgebildet sind.
35In a preferred embodiment of this optical component, the side walls of the recess are designed as a reflector.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Seitenwände der Ausnehmung so ausgebildet sind, daß die überParticularly preferred is an embodiment in which the side walls of the recess are designed so that the
die schrägen Seitenwände des Fensters des Halbleiterbauelements
ausgekoppelten Lichtstrahlen in eine vorgegebene Richtung zur aktiven Schicht nach oben reflektiert werden.the sloping side walls of the window of the semiconductor device
coupled out light rays are reflected upwards in a predetermined direction to the active layer.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß nach dem Aufbringen der Mehrschichtstruktur auf einem großflächigem
Wafer bzw. Fenster in die so erzeugte Struktur von der Rückseite, d.h. der der aktiven Schicht gegenüberleigenden Oberfläche mit einem Sägeblatt mit Formrand bis zu einer vorgegebenen Tiefe eingesägt wird, in der der blattförmige Teil des Sägeblattes in das Substrat sägt, daß danach das Vereinzeln
der großflächigen Waferanordnung mit der aufgebrachten Mehrschichtstruktur an den eingesägten Schnitten erfolgt und daß danach die vereinzelten Bauelemente fertiggestellt werden.In a method for producing a light-emitting component according to the invention, it is provided that after the application of the multilayer structure on a large-area
Wafer or window is sawn into the structure thus created from the back, ie the surface opposite the active layer, with a saw blade with a shaped edge to a predetermined depth, in which the leaf-shaped part of the saw blade saws into the substrate, that thereafter the separation
the large-area wafer arrangement with the applied multilayer structure is carried out at the sawn cuts and that the individual components are then completed.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Metallkontakte bereits vor dem Einsägen der Waferrückseite hergestellt werden.Preferably, the metal contacts are produced before the back of the wafer is sawn.
Bevorzugte Verfahrensschritte für das Vereinzeln der Bauelemente aus dem großflächigem Substrat sind das Brechen an den Schnittkanten oder das Einsägen mit einem zweiten Sägeschnitt an den ersten Einschnitten.Preferred process steps for separating the components from the large-area substrate are breaking at the cut edges or sawing with a second saw cut at the first cuts.
Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, daß das Einsägen von der Waferrückseite mit einem Sägeblatt erfolgt, dessen Rand V-förmig
ist oder eine vorgegebene Kurvenform hat.It is further preferred that the sawing from the back of the wafer is carried out with a saw blade whose edge is V-shaped
or has a predetermined curve shape.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren der 0 Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen·The invention is explained in more detail below with reference to embodiments shown in the figures of the drawing.
Show it·
Figuren 1 bis 5 schematische Querschnitte durch alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen lichtemittierenden HalbleiterbauelementsFigures 1 to 5 show schematic cross sections through alternative embodiments of the light-emitting semiconductor component according to the invention
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Figur 6 einen Vergleich des Abstrahlsverhaltens zwischen einem herkömmlichen lichtemittierenden Halbleiterbauelement und einem erfindungsgemäßen lichtemittierenden Halbleiterbauelement,Figure 6 shows a comparison of the radiation behavior between a conventional light-emitting semiconductor component and a light-emitting semiconductor component according to the invention,
Figur 7 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen lichtemittierenden optischen Bauelements undFigure 7 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting optical component according to the invention and
Figuren 8 bis 11 Schritte für ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements .Figures 8 to 11 show steps for a method for producing a light-emitting semiconductor component according to the invention.
Figur 1 zeigt rein schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes lichtemittierendes Halbleiterbauelement. Die das Licht erzeugende aktive Schicht 10 liegt innerhalb einer Mehrschichtstruktur mit den oberhalb der aktiven Schicht angeordneten Schicht bzw. Schichten 11 und den unter-0 halb der aktiven Schicht angeordneten Schicht bzw. Schichten 12. Der genaue Aufbau dieser Mehrschichtstruktur ist abhängig vom Materialsystem und den gewünschten Eigenschaften des Bauelements. Einzelheiten sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt, so daß in diesem Zusammenhang hierauf nicht näher eingegangen wird.Figure 1 shows a purely schematic cross section through a light-emitting semiconductor component according to the invention. The active layer 10 which generates the light lies within a multilayer structure with the layer or layers 11 arranged above the active layer and the layer or layers 12 arranged below the active layer. The exact structure of this multilayer structure depends on the material system and the desired properties of the component. Details are well known from the prior art, so that they will not be discussed in more detail in this context.
Die Mehrschichtstruktur ist zum Beispiel durch Epitaxieverfahren auf einem Substrat 20 hergestellt, das an seiner Unterseite einen elektrischen Kontakt 40 aufweist. Oberhalb der Mehrschichtstruktur 10 bis 12 befindet sich ein zweiter elektrischer Kontakt 30, der im Ausführungsbeispiel großflächig die obere Oberfläche der Mehrschichtstruktur bedeckt. Der elektrische Kontakt 3 0 ist so dünn ausgeführt, daß er für das aus der aktiven Schicht nach oben abgestrahlte Licht weitgehendst durchlässig ist. Dies ist bei einer GaN-Struktur beispielsweise durch eine Platinschicht von wenigen nm, z.B. 6 nm möglich. Aus diesem Grund kann der Kontakt großflächig dieThe multilayer structure is produced, for example, by epitaxy on a substrate 20, which has an electrical contact 40 on its underside. Above the multilayer structure 10 to 12 there is a second electrical contact 30, which in the exemplary embodiment covers the upper surface of the multilayer structure over a large area. The electrical contact 30 is made so thin that it is largely transparent to the light emitted upwards from the active layer. This is possible in a GaN structure, for example, by a platinum layer of a few nm, e.g. 6 nm. For this reason, the contact can cover the
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Oberseite der Mehrschichtstruktur abdecken. Auf dem Kontakt 30 kann ein undurchsichtiger kleinflächiger Bondpad vorgesehen sein. In Ausführungsformen, in denen diese Voraussetzung nicht gegeben ist, das heißt der Kontakt dicker ist bzw. Licht undurchlässig, wird der Kontakt kleiner ausgeführt, so daß er nur einen Teil der Oberfläche der Mehrschichtstruktur bedeckt, so dass das Licht seitlich vom Kontakt austreten kann.Cover the top of the multilayer structure. An opaque, small-area bonding pad can be provided on the contact 30. In embodiments in which this requirement is not met, i.e. the contact is thicker or opaque to light, the contact is made smaller so that it only covers part of the surface of the multilayer structure, so that the light can exit from the side of the contact.
Der untere elektrische Kontakt 40 ist schematisch gezeichnet und kann einerseits zum direkten Anschluß von Bonddrähten, andererseits als Kontaktschicht ausgeführt sein, wenn das Halbleiterbauelement z. B. mit einem leitfähigen Kleber in ein Gehäuse einmontiert wird.The lower electrical contact 40 is shown schematically and can be designed on the one hand for the direct connection of bonding wires, or on the other hand as a contact layer when the semiconductor component is mounted in a housing, for example with a conductive adhesive.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fenster 20 vorzugsweise aus Siliziumcarbid, während die Mehrschichtstruktur auf Galiumnitridbasis ausgebildet ist. Das bedeutet, daß die Mehrschichtstruktur die Elemente Indium, Aluminium, Gallium enthält. Dieses Materialsystem ist nur dann elektrisch leitend, wenn die Schichten dünn sind. Aus diesem Grund ist die Mehrschichtstruktur aus dünnen Schichten gebildet, damit ein Stromfluß zwischen den Elektroden 30 und 40 zustande kommt. Bekannt ist dabei, daß Siliziumcarbid leitend ist. Deshalb kann der Metallkontakt 40 als Gitternetz ausgeführt sein.In the embodiment shown, the window 20 is preferably made of silicon carbide, while the multilayer structure is based on gallium nitride. This means that the multilayer structure contains the elements indium, aluminum, gallium. This material system is only electrically conductive if the layers are thin. For this reason, the multilayer structure is made of thin layers so that a current flow occurs between the electrodes 30 and 40. It is known that silicon carbide is conductive. Therefore, the metal contact 40 can be designed as a grid.
In einem anderen Materialsystem können die Schichten 10 bis 12 und das Substrat anders ausgebildet sein. Beispielsweise ist im Materialsystem GaP mit den Elementen Indium, Aluminium, Gallium auch eine Leitfähigkeit bei dicken Schichten möglich. Substrat kann Saphir oder SiC sein. Während deshalb im diesem Materialsystem auch oberhalb der Mehrschichtstruktur 10 bis 12 noch ein transparentes Fenster angeordnet sein könnte, kann ein derartiges Fenster im Materialsystem von Galliumnitrid nicht angebracht werden.In another material system, the layers 10 to 12 and the substrate can be designed differently. For example, in the GaP material system with the elements indium, aluminum, and gallium, conductivity is also possible in thick layers. The substrate can be sapphire or SiC. While a transparent window could therefore also be arranged above the multilayer structure 10 to 12 in this material system, such a window cannot be arranged in the gallium nitride material system.
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Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, daß das in diesem Ausführungsbeispiel z.B. als Substrat gebildete transparente Fenster 2 0 an seiner Oberseite an der Mehrschichtstruktur anliegt und daß die Seitenoberfläche des transparenten Fensters im Übergangsbereich zur Mehrschichtstruktur einen spitzen Winkel &agr; mit der Mehrschichtstruktur einschließt. Die zunächst schräg unter dem Winkel &agr; zur Mehrschichtstruktur bzw. zur aktiven Schicht 10 verlaufenden Seitenwände 20a gehen in Richtung des Metallkontakts 40 in eine senkrecht zur Mehrschichtstruktur verlaufende Seitenwand 2 0b über, so daß der untere Teil des Fensters unmittelbar oberhalb des Metallkontakts 20 für sich betrachtet einen würfelförmigen Aufbau hat. &agr; kann in einem Bereich von z.B. 20° bis 80° liegen, je nach gewünschtem Abstrahlverhalten. Besonders günstig ist ein Winkel von 30°.According to the invention, it is now provided that the transparent window 20, which in this exemplary embodiment is formed as a substrate, for example, rests on the multilayer structure on its upper side and that the side surface of the transparent window in the transition region to the multilayer structure encloses an acute angle α with the multilayer structure. The side walls 20a, which initially run obliquely at an angle α to the multilayer structure or to the active layer 10, merge in the direction of the metal contact 40 into a side wall 20b running perpendicular to the multilayer structure, so that the lower part of the window immediately above the metal contact 20, considered in itself, has a cube-shaped structure. α can be in a range of 20° to 80°, for example, depending on the desired radiation behavior. An angle of 30° is particularly favorable.
Im Ausführungsbeispiel ist das Fenster aus Siliziumcarbid und die Mehrschichtstruktur auf Galliumnitridbasis aufgebaut und die von der aktiven Schicht erzeugte Lichtstrahlung kann nach 0 oben in Richtung des Metallkontakts 3 0 unmittelbar aus der aktiven Schicht ausgekoppelt werden. Nach unten und zur Seite ausgesandte Lichtstrahlen werden jedoch zunächst an der Grenzfläche zwischen der untersten Schicht der Mehrschichtstruktur 10 bis 12 in das Fenster 2 0 gebrochen. Aufgrund der Tatsache, daß diese Lichtstrahlen, die nach außen in Richtung auf den Aussenraum des Halbleiter-Bauelements gerichtet sind, auf die unter dem Winkel &agr; zur Mehrschichtstruktur verlaufende Seitenoberfläche des Substrats treffen, können diese Lichtstrahlen aus dem Fenster bzw. dem Substrat 2 0 ausgekop-0 pelt werden, wie die Strahlen 1 bis 4 andeuten sollen.In the exemplary embodiment, the window is made of silicon carbide and the multilayer structure is based on gallium nitride, and the light radiation generated by the active layer can be coupled out directly from the active layer upwards in the direction of the metal contact 3 0 . Light rays emitted downwards and to the side are, however, initially refracted into the window 2 0 at the interface between the lowest layer of the multilayer structure 10 to 12. Due to the fact that these light rays, which are directed outwards in the direction of the exterior of the semiconductor component, strike the side surface of the substrate which runs at an angle α to the multilayer structure, these light rays can be coupled out of the window or the substrate 2 0 , as rays 1 to 4 are intended to indicate.
Bei senkrecht zur aktiven Schicht verlaufender Seitenoberfläche wird dagegen fast kein Licht ausgekoppelt. Dies führt dazu, daß im oberen Teil des Fensters 20 mit den abgeschrägten 5 Seitenoberflächen Licht nach außen ausgekoppelt werden kann, während im unteren Teil des Substrats mit der Würfelstruktur nahezu kein Licht nach außen ausgekoppelt wird und dieses da-In contrast, if the side surface is perpendicular to the active layer, almost no light is coupled out. This means that in the upper part of the window 20 with the 5 beveled side surfaces, light can be coupled out to the outside, while in the lower part of the substrate with the cube structure almost no light is coupled out to the outside and this
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mit dunkel bleibt. Bei der Betrachtung eines lichtaussendenden erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement erscheinen deshalb die Oberflächen der Mehrschichtstruktur und die schrägen Seitenoberflächen des Substrats leuchtend, während der untere Teil mit würfelförmiger Struktur dunkel bleibt. Auf diese Weise ist es möglich, bis zu 80% oder mehr Licht aus dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement auszukoppeln als bei würfelförmigem Substrat.with remains dark. When looking at a light-emitting semiconductor component according to the invention, the surfaces of the multilayer structure and the inclined side surfaces of the substrate therefore appear luminous, while the lower part with the cube-shaped structure remains dark. In this way, it is possible to couple out up to 80% or more light from the light-emitting semiconductor component than with a cube-shaped substrate.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 im wesentlichen dadurch, daß die Seitenoberflächen 20c des Fensters 20 zusätzlich aufgerauht sind und deshalb eine nochmals verbesserte Lichtauskopplung ermöglichen. In diesem Fall wird auch in dem unteren würfelförmigen Teil des Substrats Licht ausgekoppelt.The embodiment of Figure 2 differs from the embodiment of Figure 1 essentially in that the side surfaces 20c of the window 20 are additionally roughened and therefore enable a further improved light extraction. In this case, light is also extracted in the lower cube-shaped part of the substrate.
Gemäß Figur 3, in der gleiche Elemente wie in Figur 1 oder 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, schließt das Substrat 23 zunächst einen spitzen Winkel &bgr; der Seitenoberfläche gegen die aktive Schicht 10 ein. Im weiteren Verlauf in Richtung auf den Metallkontakt 4 0 ist die Seitenoberfläche verlaufend in Richtung auf den würfelförmigen Substratteil ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich ausgehend von den Ecken des Substrats bzw. dem Anschluß des Substrats an die Mehr-Schichtstruktur ein fließender Übergang der Seitenoberflächen vom zunächst spitzen Winkel &bgr; bis zur senkrecht zur aktiven Schicht verlaufenden Seitenoberfläche des kubischen Teils. Wie schematisch angedeutet ist, ändert sich dadurch das Auskoppelverhalten insbesondere gegenüber der Figur 1 deutlich, 0 jedoch werden auch bei dieser Anordnung im Bereich des Substrats mit Seitenoberflächen, die unter einem spitzen Winkel zur aktiven Schicht verlaufen, deutlich mehr Lichtstrahlen bis 33 ausgekoppelt als bei einer Würfelform. In den Figuren 1 bis 3 hat das Substrat 20 bzw. 23 einen höheren Brechungsindex als die Licht erzeugende Schicht der Mehrschichtstruktur. According to Figure 3, in which the same elements as in Figure 1 or 2 are provided with the same reference numerals, the substrate 23 initially encloses an acute angle β of the side surface against the active layer 10. As it continues in the direction of the metal contact 4 0, the side surface is designed to run in the direction of the cube-shaped substrate part. In this way, starting from the corners of the substrate or the connection of the substrate to the multi-layer structure, there is a smooth transition of the side surfaces from the initially acute angle β to the side surface of the cubic part running perpendicular to the active layer. As is schematically indicated, this changes the coupling-out behavior significantly, particularly compared to Figure 1, 0 but even with this arrangement, in the area of the substrate with side surfaces that run at an acute angle to the active layer, significantly more light rays up to 33 are coupled out than with a cube shape. In Figures 1 to 3, the substrate 20 or 23 has a higher refractive index than the light generating layer of the multilayer structure.
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Gemäß Figur 4 ist vorgesehen, daß das Fenster 24 eine zackenförmige Seitenoberfläche hat, die zwar zunächst unter einem spitzen Winkel an die Mehrschichtstruktur anschließt, aber mit der einhüllenden der Zackenstruktur im wesentlichen in einem rechen Winkel gegenüber der aktiven Schicht angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist im großen eine kubische Struktur erhalten. Jedoch zeigt auch diese Anordnung durch die zackenförmige Struktur und damit durch die veränderten Winkel gegenüber einer kubischen Struktur mit glatten Seitenwänden ein verbessertes Lichtauskoppelverhalten. Allerdings werden viele Strahlen, im Ausführungsbeispiel der Strahl 43 in das Substrat reflektiert, während der Strahl 44 in Richtung auf den Metallkontakt 4 0 weggebrochen wird.According to Figure 4, the window 24 is provided with a jagged side surface which initially adjoins the multilayer structure at an acute angle, but is arranged with the enveloping surface of the jagged structure essentially at a right angle to the active layer. In this arrangement, a cubic structure is obtained on the whole. However, this arrangement also shows improved light coupling behavior due to the jagged structure and thus due to the changed angles compared to a cubic structure with smooth side walls. However, many rays, in the exemplary embodiment, the ray 43, are reflected into the substrate, while the ray 44 is broken away in the direction of the metal contact 40.
Gemäß Figur 5 ist eine Anordnung vorgesehen, bei der das Fenster 25 bis nahezu zum unteren Metallkontakt 40 unter einem schrägen Winkel der Seitenoberflächen, bezogen auf die aktive Schicht 10 verläuft. Hierbei ist es wesentlich, daß sich die Fläche des Bauelements am unteren Metallkontakt 40 nicht wesentlich verjüngt, damit eine automatisierte Montage in ein Gehäuse möglich ist. Es kann eine zusätzliche Stützfunktion auftreten, indem die Unterseite des Substrats in ein Gehäuse eingeklebt wird, wobei der leitfähige Kleber an den unteren Seiten herausquellen und somit zusätzlich stützen kann, siehe gestrichelt angedeutete Kleberoberfläche 55.According to Figure 5, an arrangement is provided in which the window 25 extends almost to the lower metal contact 40 at an oblique angle of the side surfaces in relation to the active layer 10. It is important that the surface of the component does not taper significantly at the lower metal contact 40 so that automated assembly in a housing is possible. An additional support function can occur by gluing the underside of the substrate into a housing, whereby the conductive adhesive can ooze out at the lower sides and thus provide additional support, see adhesive surface 55 indicated by dashed lines.
Die Dicke des Fensters 2 0 in allen Ausführungen der Figuren bis 5 beträgt vorzugsweise zwischen 50&mgr;&pgr;&igr; und 250&mgr;&tgr;&eegr;. Ein Klebekontakt an der Unterseite des Fensters in einem Gehäuse sollte dabei eine Höhe von 50&mgr;&pgr;&igr; nicht überschreiten. Vorteil einer derartigen Konstruktion ist dabei eine größere Standfläche durch den an den Seiten der Unterseite des Fensters herausquellenden Klebers, die zusätzlich eine größere Wärmeabfuhr neben größerer Stabilität erlaubt.The thickness of the window 2 0 in all versions of the figures to 5 is preferably between 50 μιδ and 250 μιδ. An adhesive contact on the underside of the window in a housing should not exceed a height of 50 μιδ. The advantage of such a construction is a larger footprint due to the adhesive oozing out of the sides of the underside of the window, which also allows for greater heat dissipation in addition to greater stability.
Gemäß Figur 6 ist eine Simulation des Abstrahlverhaltens von herkömmlichen kubischen Chips und erfindungsgemäßen Halblei-According to Figure 6, a simulation of the radiation behavior of conventional cubic chips and semiconductors according to the invention is shown.
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ter-Bauelementen dargestellt. Das Diagramm gibt dabei den Abstrahlwinkel in 360°-Darstellung sowie die Abstrahlintensität in die jeweiligen Richtungen anhand von konzentrischen Kreisen an. Gemäß Figur 6a ist erkennbar, daß ein bekannter Licht emittierender Chip nach oben in Richtung 0° und im wesentlichen mit zwei weiteren schmalen Keulen in Richtung 125° und 235° abstrahlt. Demgegenüber zeigt das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement gemäß Figur 6b eine gegenüber Figur 6a deutlich erhöhte Strahlintensität zwischen den Winkeln 330 und 30°. Darüber hinaus sind die zwischen 90° und 270° ausgekoppelten Lichtkeulen sowohl in ihrem Winkelbereich deutlich verbreitert als auch in ihrer Intensität erheblich erhöht gegenüber den Keulen der Figur 6a. Das bedeutet insbesondere, daß eine Keule zwischen etwa 95° und 13 0° abstrahlt in einer Hauptrichtung, die nahezu waagerecht aus dem Chip herausgeht. Zwischen 180° und 270° wird eine spiegelbildliche Keule ausgekoppelt. Insgesamt ergibt sich mit einer Anordnung gemäß den Figuren 1 bis 5 entsprechend Figur 6b ein deutlich, d.h um 80% oder mehr verbessertes Lichtauskoppelverhalten im Vergleich zu einem bekannten lichtemittierenden Halbleiterbauelement .ter components. The diagram shows the radiation angle in 360° representation as well as the radiation intensity in the respective directions using concentric circles. According to Figure 6a it can be seen that a known light-emitting chip radiates upwards in the direction of 0° and essentially with two further narrow lobes in the direction of 125° and 235°. In contrast, the semiconductor component according to the invention according to Figure 6b shows a significantly increased beam intensity between the angles 330 and 30° compared to Figure 6a. In addition, the light lobes coupled out between 90° and 270° are both significantly broadened in their angular range and significantly increased in their intensity compared to the lobes in Figure 6a. This means in particular that a lobe between approximately 95° and 130° radiates in a main direction that extends almost horizontally from the chip. A mirror-image beam is coupled out between 180° and 270°. Overall, an arrangement according to Figures 1 to 5 corresponding to Figure 6b results in a significantly improved light coupling behavior, i.e. by 80% or more, compared to a known light-emitting semiconductor component.
Gemäß Figur 7 ist vorgesehen, daß ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement gemäß z.B. den Figuren 1 bis 5 in die Ausnehmung 71 eines Grundkörpers 70 montiert ist. Der Grundkörper kann beispielsweise wie in Figur 7 dargestellt, ein Leiterteil einer Radial-LED sein, der elektrisch mit den Metallkontakt 40 des Halbleiterbauelements kontaktiert ist, während der Metallkontakt 3 0 mit einem Bonddraht mit dem zweiten Anschluß 72 der LED verbunden ist. Die Gesamtanordnung ist mit einem transparenten Material 73 umhüllt.According to Figure 7, it is provided that a semiconductor component according to the invention, for example according to Figures 1 to 5, is mounted in the recess 71 of a base body 70. The base body can be, for example, as shown in Figure 7, a conductor part of a radial LED, which is electrically contacted with the metal contact 40 of the semiconductor component, while the metal contact 30 is connected to the second connection 72 of the LED by a bonding wire. The entire arrangement is covered with a transparent material 73.
Ebenso gut kann das erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleiterbauelement in das Gehäuse bzw. den Grundkörper einer 5 nach oben abstrahlenden oberf1achenmontierbaren LED angeordnet sein. Auch dort ist ein Grundkörper gebildet, der eineThe light-emitting semiconductor component according to the invention can also be arranged in the housing or the base body of a surface-mountable LED that emits light upwards. There, too, a base body is formed that has a
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Ausnehmung aufweist, in der das Halbleiterbauelement montiert wird.recess in which the semiconductor component is mounted.
Die Seitenwände 74 der Ausnehmung 71 des Grundkörpers 70 sind als Reflektor ausgebildet, was entweder durch die Wahl des Materials des Grundkörpers oder durch eine Beschichtung der Ausnehmung erfolgen kann. Der Reflektor ist zweckmäßig, um das gemäß Figur 6b seitwärts nach unten abgestrahlte Licht nutzbar nach vorne in Richtung des Metallkontakts 3 0 des Halbleiterbauelements abzustrahlen. Die Form des Reflektors 74 ist dabei so gewählt, daß sich die gewünschte Abstrahlcharakteristik ergibt. Für stark nach oben bzw. nach vorn gerichtete Strahlung ist eine Reflektorform zweckmäßig, deren Seitenneigung nach außen hin zunimmt, beispielsweise in Form einer Halbparabel.The side walls 74 of the recess 71 of the base body 70 are designed as a reflector, which can be achieved either by choosing the material of the base body or by coating the recess. The reflector is useful for radiating the light emitted sideways downwards as shown in Figure 6b forwards in the direction of the metal contact 30 of the semiconductor component. The shape of the reflector 74 is selected so that the desired radiation characteristics are obtained. For radiation directed strongly upwards or forwards, a reflector shape is useful whose lateral inclination increases outwards, for example in the form of a half-parabola.
Gemäß den Figuren 8 bis 11 wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen lichtemittierenden Halbleiterbauelements skizziert. In Figur 8 sind schematisch mit den Bezugszeichen ge-0 maß Figur 1 die lichtemittierende Schicht 10 sowie das Fenster 20 gekennzeichnet. Die lichtemittierende Schicht ist dabei an Stellen vorgesehen, an denen das spätere lichtemittierende Bauelement erzeugt werden soll. Mit ansich bekannten Methoden wird dabei gemäß Figur 8 zunächst auf dem Substrat 20 die nicht näher dargestellte Mehrschichtstruktur mit den jeweiligen aktiven Schichten 10 erzeugt. Die Herstellungsmethoden umfassen dabei insbesondere Maskierungs- und Beschichtungstechniken, z. B. Epitaxieverfahren.According to Figures 8 to 11, the production of a light-emitting semiconductor component according to the invention is outlined. In Figure 8, the light-emitting layer 10 and the window 20 are schematically identified with the reference numerals according to Figure 1. The light-emitting layer is provided at locations where the later light-emitting component is to be produced. Using methods known per se, the multilayer structure (not shown in detail) with the respective active layers 10 is first produced on the substrate 20 according to Figure 8. The production methods include in particular masking and coating techniques, e.g. epitaxy processes.
Nach der Erzeugung der Mehrschichtstruktur wird die Anordnung von der Rückseite, d.h. von der Fensterseite mit einem Profilsägeblatt eingesägt, dessen Rand R eine vorgegebene Form aufweist. Hier ist der Rand v-förmig ausgebildet. Das Einsägen erfolgt nun so, daß das Substrat nicht nur mit der Spitze des v-förmigen Sägeblattes 80 angeritzt wird, sondern daß der Schnitt so tiefAfter the multilayer structure has been created, the arrangement is sawn from the back, i.e. from the window side, with a profile saw blade whose edge R has a predetermined shape. Here, the edge is V-shaped. The sawing is now carried out in such a way that the substrate is not only scratched with the tip of the V-shaped saw blade 80, but that the cut is so deep
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ausgeführt wird, daß auch der blattförmige Teil des Sägeblattes in das Substrat einsägt. Es ergibt sich damit ein Sägeschnitt Sl, der zunächst mit senkrechten Wänden in das Substrat hineingeht, um danach entsprechend der Randform R des Sägeblattes, in diesem Fall v-förmig zuzulaufen. Möglich ist auch ein runder oder anders geformter Profilrand.Die nach dem Sägen zwischen der Einkerbung im Substrat und der lichtemittierenden Schicht verbleibende Resthöhe H beträgt typisch 10 &mgr;&idiagr;&eegr; bis 100 &mgr;&pgr;&kgr; Figur 9 zeigt noch einmal bezogen auf Figur 1, wie zwischen dem v-förmigen Einschnitt und der lichtemittierenden Schicht 10 der Winkel &agr; gemäß Fig. 1 gebildet wird.is carried out in such a way that the leaf-shaped part of the saw blade also saws into the substrate. This results in a saw cut Sl which initially goes into the substrate with vertical walls and then tapers in a V-shape in accordance with the edge shape R of the saw blade, in this case. A round or differently shaped profile edge is also possible. The residual height H remaining after sawing between the notch in the substrate and the light-emitting layer is typically 10 μιη to 100 μικα. Figure 9 shows again, with reference to Figure 1, how the angle α according to Figure 1 is formed between the V-shaped notch and the light-emitting layer 10.
Nach dem Ansägen gemäß Figur 8 werden die Bauelemente, abhängig von der Resthöhe H, entweder durch ein Keilbrechverfahren gemäß Figur 10 oder durch einen zweiten Sägeschnitt vereinzelt. Dazu wird die eingeschnittene Anordnung gemäß Figur 8 auf einen Träger T aufgeklebt. Gemäß Figur 10 erfolgt dann von der freien Unterseite des Trägers ein Aufbrechen der Resthöhe H mit Hilfe eines Brechkeils. Gemäß Figur 11 ist es alternativ möglich, mit einem zweiten Sägeschnitt S2 den Wafer zu zerteilen, so daß die einzelnen Halbleiterbauelemente vereinzelt werden.After sawing according to Figure 8, the components are separated, depending on the remaining height H, either by a wedge breaking process according to Figure 10 or by a second saw cut. For this purpose, the cut arrangement according to Figure 8 is glued to a carrier T. According to Figure 10, the remaining height H is then broken up from the free underside of the carrier using a breaking wedge. According to Figure 11, it is alternatively possible to divide the wafer with a second saw cut S2 so that the individual semiconductor components are separated.
Die Auswahl der Randform R des Profilsägeblattes richtet sich nach den gewünschten Seitenoberflächen des Substrats und diese wiederum danach, wie eine maximale Lichtauskopplung erreicht werden kann. Abhängig von den Brechungsindices des Halbleitermaterials und der Umgebung bzw. des Substrats liegen typische Winkel &agr; bei einem v-förmigen Sägeschnitt zwisehen 20° und 80°.The selection of the edge shape R of the profile saw blade depends on the desired side surfaces of the substrate and this in turn depends on how maximum light extraction can be achieved. Depending on the refractive indices of the semiconductor material and the environment or the substrate, typical angles α for a V-shaped saw cut are between 20° and 80°.
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