WO2005024962A2 - Dünnschicht-leuchtdiodenchip und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2005024962A2
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epitaxial layer
layer sequence
thin
emitting diode
electromagnetic radiation
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Johannes Baur
Berthold Hahn
Volker HÄRLE
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a thin-film light-emitting diode chip with an epitaxial layer sequence arranged on a carrier element, which has an active zone generating electromagnetic radiation, and with a reflecting layer arranged on a main surface of the epitaxial layer sequence facing the carrier element, which layer generates at least a part of the epitaxial layer sequence electromagnetic radiation reflected back into this.
  • a thin-film light-emitting diode chip is characterized in particular by the following characteristic features: a reflective layer is applied or formed on a first main surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence that faces a carrier element and reflects back at least some of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence ; the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m; and the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which ideally leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, i.e. it exhibits a stochastic scattering behavior that is as ergodic as possible.
  • the decoupling of radiation from semiconductor chips emitting electromagnetic radiation is lossy, inter alia, owing to reflection at the interfaces of the semiconductor chip with its surroundings due to the jump in the refractive index there (Fresnel losses).
  • a known possibility for improving the coupling out of radiation is the structuring of semiconductor chip surfaces.
  • Surface structuring for increasing transmission on chip surfaces is known, for example, from US Pat. No. 5,779,924 A.
  • the luminescence diode described there comprises a semiconductor chip, the outermost semiconductor layer of which has a three-dimensional structuring. This facilitates the coupling out of light from the semiconductor chip itself, so that light generated in the chip can increasingly pass from the semiconductor chip into the surrounding epoxy resin.
  • a disadvantage of this method is that complex etching processes have to be used to produce the surface structuring of the semiconductor chip. This applies in particular to GaN-based semiconductor chips.
  • the present invention is based on the object of specifying a thin-film light-emitting diode chip which has an improved coupling-out of radiation.
  • Another object is to provide a method for producing such a radiation-emitting thin-film LED chip.
  • a structured layer is arranged on a radiation decoupling surface of the epitaxial layer sequence facing away from the carrier element, which structured layer contains a glass material and comprises adjacent projections that taper in the direction away from the radiation decoupling surface, with a lateral grid dimension below one Wavelength of an electromagnetic radiation emitted from the epitaxial layer sequence.
  • the presence of a grid does not necessarily mean a regular grid. If, at least in part, there is an irregular rasterization of the projections, the raster dimension is preferably both in the mean and in its maximum size below a wavelength of electromagnetic radiation emitted from the epitaxial layer sequence.
  • the structure of the structured layer is not optically resolved for the radiation; it's a virtual one smooth transition of the refractive index from the unstructured and thus monolithic region of the structured layer to the refractive index of the part of the structured layer that is furthest away from the radiation decoupling surface and thus approximately the refractive index of the surrounding medium.
  • the structures of the structured layer thus cause a smooth transition of the refractive index at the interface between the surrounding medium and the structured layer.
  • the refractive index gradient through which radiation generated in the epitaxial layer sequence must pass is small compared to an epitaxial layer sequence without a structured layer according to the invention.
  • Layer / environment in the epitaxial layer sequence reflected back electromagnetic radiation is significantly reduced compared to the same system without a structured layer.
  • the invention is particularly for thin film -
  • the group of radiation-emitting and / or radiation-detecting chips based on InGaAlN particularly includes those chips in which the epitaxially produced semiconductor layer sequence, which as a rule has a layer sequence of different individual layers, contains at least one individual layer which is made of a material the III -V- compound semiconductor material system In x Al y Ga ⁇ -xy N with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence can have, for example, a conventional pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW structure) or a multiple quantum well structure (MQW structure).
  • SQW structure single quantum well structure
  • MQW structure multiple quantum well structure
  • the invention is also suitable for use in radiation-emitting semiconductor chips on the Basis of other semiconductor material systems such as In x Al y Ga 1-xy P with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ 1 and other III -V or II -VI compound semiconductor systems.
  • the width of the projections and the spacing of directly adjacent projections from one another are advantageously below a wavelength of an electromagnetic radiation emitted from the epitaxial layer sequence.
  • the height of the projections is preferably below a wavelength of an electromagnetic radiation emitted from the epitaxial layer sequence.
  • the refractive index of the layer lies between the refractive index of a material of a side of the epitaxial layer sequence adjacent to the radiation decoupling surface and the refractive index of a medium provided for the surroundings of the thin-film light-emitting diode chip.
  • the structuring preferably has projections arranged periodically for the most part.
  • the projections are convex when viewed from the outside. This results in a particularly “smooth" transition of the refractive index at the structured layer / environment interface.
  • the glass material is a spin-on glass.
  • This material is a solidified sol which comprises, for example, silicon oxide.
  • the properties and processing possibilities of spin-on glass are known to the person skilled in the art, for example from Quenzer et al. , "Anodic Bonding on Glass Layers Prepared by Spin-on Glass Process: Preparation Process and Experimental Results", Proceedings of Transducers * * Ol / Eurosensors XV, June 2001, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
  • the epitaxial layer sequence arranged on the carrier element is provided, a layer is applied to a radiation decoupling surface of the epitaxial layer sequence facing away from the carrier element, and a structure is introduced on at least part of the layer, the structuring lying side by side Projections tapering in the direction away from the radiation coupling-out area comprise a lateral grid dimension below a wavelength of an electromagnetic radiation emitted from the epitaxial layer sequence.
  • the layer is advantageously produced by applying a still liquid spin-on glass to the radiation decoupling surface and treating it thermally in such a way that the spin-on glass solidifies. This procedure can advantageously be carried out in the wafer assembly.
  • the spin-on glass is applied by spinning and / or printing.
  • spin coating can advantageously be carried out in the wafer assembly with little technical effort.
  • the structuring is introduced into the layer by means of gray-scale lithography.
  • Grayscale lithography usually involves an exposure step of the layer using a grayscale mask.
  • Gray-tone masks as so-called “analog masks” enable different irradiance levels, so that three-dimensional analog structures, such as curved surfaces, can be generated in a single irradiation step.
  • Sven Warnck "RELIEF - mass production of low-cost products with micro-relief surfaces using CD injection molding”
  • VDI / VDE-Technologie scholar Informationstechnik GmbH No. 36-2002, the disclosure content of which is hereby described by Back reference is included.
  • the structuring of the layer can in turn advantageously be carried out in the wafer assembly, so that both the application of the spin-on glass and its structuring are possible with relatively little technical effort, which enables inexpensive production.
  • Figures la) - ld) a sequence of a method according to an embodiment using schematic sectional views of a thin-film LED chip in four different process stages.
  • the same or equivalent components are each identified in the same way and provided with the same reference numerals.
  • the layer thicknesses shown are not to be regarded as true to scale. Rather, they are exaggeratedly thick for better understanding and are not shown with the actual thickness ratios to one another.
  • a carrier element 2 which has an active zone 8 that generates electromagnetic radiation
  • a ner provided on a main surface of the epitaxial layer sequence 6 facing towards the carrier element 2, which reflects at least some of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence 6 back into it (see FIG. 1 a).
  • the thin-film light-emitting diode chips are usually provided and processed in a not yet isolated state, that is to say in the wafer network with a large number of thin-film light-emitting diode chips of basically the same type, and only separated at a later stage to separate thin-film light-emitting diode chips ,
  • a spin-on glass is subsequently applied, for example by spin coating, to a radiation decoupling surface 7 of the epitaxial layer sequence 6 facing away from the carrier element 2 (cf. FIG. 1b).
  • Roughness on the radiation decoupling surface 7 of the epitaxial layer sequence 6, which can be introduced undesirably due to production or specifically for homogenizing radiation to be coupled out of the epitaxial layer sequence, are largely planarized by a spin-on glass, that is to say smoothed out by filling in depressions.
  • Layer 1 made of spin-on glass is then structured by gray-scale lithography (cf. FIG. 1c, d).
  • spin-on glass In addition to spin-on glass, other glass materials or other materials transparent to radiation generated in the epitaxial layer sequence 6 can be structured using the gray tone lithography. Spin-on glass is particularly well suited for this process.
  • a structure with projections 5 lying side by side and tapering in the direction away from the radiation coupling-out surface 7 of the epitaxial layer sequence 6 is produced, with a lateral grid dimension below a wavelength of an electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence 6.
  • the height of the projections in the direction away from the coupling-out surface is less than a wavelength of electromagnetic radiation emitted from the epitaxial layer sequence 6, preferably approximately equal to the grid dimension.
  • the projections 5 are not optically resolved for electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence 6; There are no individual obstacles for the radiation, so to speak, in the form of the projections 5. Rather, the electromagnetic radiation coupled from the epitaxial layer sequence 6 into the structured spin-on-glass layer 1 "sees" a smooth transition of the refractive index from the unstructured area of the structured spin -on-glass layer 1 with the refractive index of the spin-on-glass material per se towards the refractive index of the medium (here air) adjacent to the structured spin-on-glass layer 1 on its side facing away from the epitaxial layer sequence 6 According to the current understanding, the material of the structured spin-on-glass layer 1 is increasingly “thinned” in the direction away from the epitaxial layer sequence 6 by the surrounding medium and, at the regions furthest away from the epitaxial layer sequence, has at least approximately the refractive index of the surrounding one Medium. The proportion of electromagnetic radiation reflected back in the epitaxial layer sequence 6 / structured spin-on-
  • An electrical contact layer 9 adjoining the radiation decoupling surface 7 is exposed during or after the production process of the structured spin-on-glass layer 1. laid or not covered with material of the structured spin-on-glass layer 1.
  • the invention is of course not limited to the specifically described exemplary embodiments, but extends to all methods and devices which have the basic features of the invention.
  • the invention can be used for thin-film light-emitting diode chips of different geometry, different structures and different semiconductor material material systems.
  • a structured spin-on-glass layer 1 according to the invention can also be used in the case of light-emitting diode chips encapsulated with plastic.
  • a structured glass layer according to the invention in particular a structured spin-on-glass layer, can be applied to semiconductor material at the semiconductor / plastic potting interfaces.
  • structured layers according to the invention for reducing Fresnel losses can be applied to a number of optical systems such as micro-optics at solid / air interfaces.

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Abstract

Es wird ein Dünnschicht-Leuchtdiodenchip (5) mit einer auf einem Trägerelement (2) angeordneten Epitaxieschichtenfolge (6), die eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone (8) aufweist, und einer an einer zu dem Trägerelement (2) hin gewandten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge (6) angeordneten reflektierenden Schicht (3), die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge (6) erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, beansprucht, bei dem auf einer vom Trägerelement (2) abgewandten Strahlungsauskoppelfläche (7) der Epitaxieschichtenfolge (6) eine strukturierte Schicht (1) angeordnet ist, die ein Glasmaterial enthält und eine Strukturierung aufweist, die nebeneinanderliegende, sich in Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche (7) weg verjüngende Vorsprünge (5) umfaßt, die ein laterales Rastermaß kleiner als eine Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge (6) emittierten elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Die strukturierte Schicht (1) wird vorteilhaft als Spin-on-Glas aufgebracht und durch Grautonlithographie strukturiert.

Description

Beschreibung
Dünnschicht -Leuchtdiodenchip und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht -Leuchtdiodenchip mit einer auf einem Trägerelement angeordneten Epitaxieschichtenfolge, die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone aufweist, und einer an einer zu dem Trägerelement hin gewandten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge angeordneten reflektierenden Schicht, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert.
Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Dünnschicht -Leuchtdiodenchips .
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus: - an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halb- leiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett . 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Strahlungsauskopplung aus elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips ist unter anderem aufgrund von Reflexion an den Grenzflächen des Halbleiterchips zu seiner Umgebung wegen des dortigen Sprunges im Brechungsindex verlustbehaftet (Fresnelverluste) .
An den Grenzflächen von GaN-basierten Leuchtdiodenchips (nGaN = 2,67) zu Luft (n = 1), wie es beispielsweise bei Dünnschicht-Leuchtdiodenchips, die nicht unmittelbar mit einer KunststoffUmhüllung versehen sind, der Fall ist, liegt die Reflexion an der Grenzfläche Halbleiterchip/Luft rechnerisch bei ca. 20 %.
Eine bekannte Möglichkeit zur Verbesserung der Strahlungsaus- kopplung ist eine Strukturierung von Halbleiterchip- Oberflächen. Oberflachenstrukturierungen zur Transmissionserhöhung an Chip-Oberflächen sind beispielsweise aus der US 5,779,924 A bekannt. Die dort beschriebene Lumineszenzdiode umfasst einen Halbleiterchip, dessen äußerste Halbleiterschicht eine dreidimensionale Strukturierung aufweist . Da- durch wird die Lichtauskopplung aus dem Halbleiterchip selbst erleichtert, so daß im Chip erzeugtes Licht vermehrt aus dem Halbleiterchip in das Epoxidharz der Umgebung gelangen kann.
Ein Nachteil dieser Methode ist, daß für die Herstellung der Oberflächenstrukturierung des Halbleiterchips aufwendige Ätzverfahren verwendet werden müssen. Die gilt insbesondere für GaN-basierte Halbleiterchips.
Außerdem lassen sich die in der US 5,779,924 A beschriebenen Oberflächenstrukturen wenn überhaupt, dann nur schwer mit
Durchmischungsstrukturen von Dünnschicht -Leuchtdiodenchips kombinieren, deren Ziel eine zumindest annähernd ergodische Verteilung der elektromagnetischen Strahlung in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschicht -Leuchtdiodenchip anzugeben, der eine verbesserte Strahlungsauskopplung aufweist .
Eine Aufgabe ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlungsemittierenden Dünnschicht - Leuchtdiodenchips anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Dünnschicht - Leuchtdiodenchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst .
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Dünnschicht-Leuchtdiodenchips und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 13 angegeben.
Gemäß der Erfindung ist bei einem Dünnschich -Leuchtdiodenchip der eingangs genannten Art auf einer vom Trägerelement abgewandten Strahlungsauskoppelfläche der Epitaxieschichtenfolge eine strukturierte Schicht angeordnet, die ein Glasmaterial enthält und nebeneinanderliegende, sich in Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche weg verjüngende Vorsprünge umfaßt, mit einem lateralen Rastermaß unterhalb einer Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge emittierten elektromagnetischen Strahlung. Das Vorliegen einer Rasterung bedeutet dabei nicht notwendigerweise eine regelmäßige Raste- rung. Liegt zumindest in Teilen eine unregelmäßige Rasterung der Vorsprünge vor, so liegt das Rastermaß bevorzugt sowohl im Mittel als auch von seiner maximalen Größe unterhalb einer Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge emittierten elektromagnetischen Strahlung.
Dadurch wird für die Strahlung die Struktur der strukturierten Schicht optisch nicht aufgelöst; es liegt ein virtuell fließender Übergang des Brechungsindexes vom unstrukturierten und somit monolithischen Bereich der strukturierten Schicht zu dem Brechungsindex des am weitesten von der Strahlungsaus- koppelfläche entfernten Teils der strukturierten Schicht und somit annähernd dem Brechungsindex des umgebenden Mediums vor. Die Strukturen der strukturierten Schicht bewirken somit einen sanften Übergang der Brechzahl an der Grenzfläche von umgebendem Medium und strukturierter Schicht. Im Falle von ähnlich großen Brechungsindices von strukturierter Schicht und an dieser angrenzendem Halbleitermaterial der Epitaxieschichtenfolge ist der Brechungsindexgradient, den eine in der Epitaxieschichtenfolge erzeugte Strahlung durchlaufen muß, verglichen mit einer Epitaxieschichtenfolge ohne erfindungsgemäßer strukturierter Schicht gering. Der Anteil der am Übergang Epitaxieschichtenfolge/strukturierte
Schicht/Umgebung in die Epitaxieschichtenfolge zurückreflektierten elektromagnetischen Strahlung ist gegenüber dem gleichen System ohne strukturierte Schicht deutlich verringert.
Die Erfindung ist insbesondere für Dünnschicht -
Leuchtdiodenchips auf der Basis von InGaAlN, wie GaN- Dünnschicht-Leuchtdiodenchips, geeignet. Unter die Gruppe von Strahlungsemittierenden und/oder strahlungsdetektierenden Chips auf der Basis von InGaAlN fallen vorliegend insbesonde- re solche Chips, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge, die in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III -V- Verbindungshalbleitermaterial -System InxAlyGaι-x-yN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1 aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-QuantentopfStruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-QuantentopfStruktur (MQW- Strukur) aufweisen. Solche Strukturen sind dem Fachmann be- kannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Prinzipiell eignet sich die Erfindung auch zur Anwendung bei Strahlungsemittierenden Halbleiterchips auf der Basis von anderen Halbleitermaterial -Systemen wie beispielsweise InxAlyGa1-x-yP mit O ≤ x ≤ l, O ≤ y ≤ l und x+y < 1 und andere III -V- oder II -VI -Verbindungshalbleitersysteme .
Mit Vorteil liegt die Breite der Vorsprünge und der Abstand direkt benachbarter Vorsprünge untereinander unterhalb einer Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge emittierten elektromagnetischen Strahlung.
Bevorzugt liegt die Höhe der Vorsprünge unterhalb einer Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge emittierten e- lektromagnetischen Strahlung.
Besonders bevorzugt entspricht sie in etwa dem Rastermaß.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Dünnschicht - Leuchtdiodenchips liegt der Brechungsindex der Schicht zwischen dem Brechungsindex eines Materials einer an die Strahlungsauskoppelfläche angrenzenden Seite der Epitaxieschich- tenfolge und dem Brechungsindex eines für eine Umgebung des Dünnschicht-Leuchtdiodenchips vorgesehenen Mediums.
Bevorzugt weist die Strukturierung weitestgehend periodisch angeordnete Vorsprünge auf .
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vorsprünge von außen gesehen konvex gekrümmt. Dies bewirkt einen besonders „sanften" Übergang der Brechzahl an der Grenzfläche strukturierte Schicht/Umgebung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Glasmaterial ein Spin-on-Glas . Dieses Material ist ein verfestigtes Sol, das beispielsweise Siliciumoxid umfaßt. Die Eigenschaften und Verarbeitungsmöglichkeiten von Spin-on-Glas sind dem Fachmann beispielsweise aus Quenzer et al . , „Anodic Bonding on Glass Layers Prepared by Spin-on Glass Process : Preparation Process and Experimental Results", Proceedings of Transducers ** Ol/Eurosensors XV, June 2001 bekannt, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der eingangs genannten Art wird die auf dem Trägerelement angeordnete Epitaxieschichtenfolge bereitgestellt, auf einer dem Trägerelement abgewandten Strahlungsauskoppelfläche der Epitaxieschichtenfolge eine Schicht aufgebracht, die ein Glasmaterial enthält, und auf mindestens einem Teil der Schicht eine Strukturierung eingebracht, die nebeneinanderliegende, sich in Richtung von der Strahlungsauskoppelflache weg verjüngende Vorsprünge um- faßtmit einem lateralen Rastermaß unterhalb einer Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge emittierten elektromag- netischen Strahlung.
Vorteilhaft wird die Schicht dadurch hergestellt, daß ein noch flüssiges Spin-on-Glas auf der Strahlungsauskoppelfläche aufgebracht und thermisch derart behandelt wird, daß sich das Spin-on-Glas verfestigt. Diese Vorgehensweise kann vorteilhafterweise im Waferverbund durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Spin-on-Glas durch Aufschleudern und/oder Drucken aufge- bracht. Insbesondere das Aufschleudern läßt sich vorteilhaft mit geringem technischem Aufwand im Waferverbund durchführen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Strukturierung in die Schicht durch Grauton- Lithographie (grey-scale lithography) eingebracht.
Die Grauton-Lithographie umfaßt gewöhnlich einen Belichtungsschritt der Schicht mit Hilfe einer Grautonmaske. Grautonmasken ermöglichen als sogenannte „analoge Masken" verschiedene Bestrahlungsstärken, sodass in einem einzigen Bestrahlungsschritt dreidimensional analoge Strukturen, wie gekrümmte Flächen, erzeugt werden können. Das Grundprinzip ist bei- spielsweise in Sven Warnck, „RELIEF - Massenfertigung von Low-Cost-Produkten mit Mikrorelief-Oberflachen mittels CD- Spritzguß", Informationsreihe der VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik GmbH, Nr. 36-2002, beschrieben, deren Of- fenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Strukturierung der Schicht kann wiederum vorteilhaf erweise im Waferverbund durchgeführt werden, sodaß sowohl das Aufbringen des Spin-on-Glases als auch seine Strukturierung mit einem relativ geringen technischen Aufwand möglich ist, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiter- bildungen des Dünnschicht-Leuchtdiodenchips und des Verfahrens zu dessen Herstellung ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren la) bis ld) erläuterten Ausführungsbeispiel .
Es zeigen:
Figuren la) - ld) einen Ablauf eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel anhand von schematischen Schnitt - darstellungen eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips in vier unterschiedlichen Verfahrensstadien.
Im Ausführungsbeispiel sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils gleich bezeichnet und mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Schichtdicken sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Sie sind vielmehr zum besseren Verständnis übertrieben dick und nicht mit den tatsächlichen Dickenverhältnissen zueinander dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird ein Dünnschicht- Leuchtdiodenchip 5 mit einer auf einem Trägerelement 2 angeordneten Epitaxieschichtenfolge 6, die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone 8 aufweist, und ei- ner an einer zu dem Trägerelement 2 hin gewandten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge 6 angeordneten reflektierenden Schicht 3, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge 6 erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, bereitgestellt (vgl. Fig. la) . Es sei angemerkt, daß der Einfachheit halber vorliegend auf einen einzelnen Dünnschicht-Leuchtdiodenchip 5 Bezug genommen wird. In einer Chip-Massenfertigung werden die Dünnschicht- Leuchtdiodenchips in der Regel in noch nicht vereinzeltem Zu- stand, das heißt im Waferverbund mit einer Vielzahl von prinzipiell gleichartigen Dünnschich -Leuchtdiodenchips bereitgestellt und weiterprozessiert und erst in einem späteren Stadium zu voneinander getrennten Dünnschicht -Leuchtdiodenchips vereinzelt .
Auf einer vom Trägerelement 2 abgewandten Strahlungsauskoppelfläche 7 der Epitaxieschichtenfolge 6 wird nachfolgend ein Spin-on-Glas beispielsweise durch Schleuderbeschichten aufgebracht (vgl. Fig. lb) .
Rauhigkeiten auf der Strahlungsauskoppelfläche 7 der Epitaxieschichtenfolge 6, die unerwünschterweise produktionsbedingt oder gezielt zur Homogenisierung einer aus der Epitaxieschichtenfolge auszukoppelnden Strahlung eingebracht sein können, werden durch ein Spin-on-Glas weitgehend planari- siert, das heißt durch Auffüllen von Vertiefungen geglättet.
Durch Grautonlithographie (grey-scale lithography) wird die Schicht 1 aus Spin-on-Glas anschließend strukturiert (vgl. Fig. lc, d) .
Außer Spin-on-Glas lassen sich auch weitere Glasmaterialien oder andere für eine in der Epitaxieschichtenfolge 6 erzeugte Strahlung transparente Materialien mit der Grautonlithogra- phie strukturieren. Spin-on-Glas ist jedoch besonders gut für dieses Verfahren geeignet . Es wird eine Struktur mit nebeneinanderliegenden, sich in Richtung von der Strahlungsauskoppelflache 7 der Epitaxieschichtenfolge 6 weg verjüngenden Vorsprüngen 5 hergestellt, mit einem lateralen Rastermaß unterhalb einer Wellenlänge einer in der Epitaxieschichtenfolge 6 erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Die Höhe der Vorsprünge in Richtung von der Auskoppelflache weg ist geringer als eine Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge 6 emittierten elektromagne ischen Strahlung, bevorzugt in etwa gleich dem Rastermaß.
Aufgrund des geringen Rastermaßes werden die Vorsprünge 5 für in der Epitaxieschichtenfolge 6 erzeugte elektromagnetische Strahlung optisch nicht aufgelöst; für die Strahlung existieren sozusagen keine einzelnen Hindernisse in Form der Vor- Sprünge 5. Vielmehr „sieht" die aus der Epitaxieschichtenfolge 6 in die strukturierte Spin-on-Glas-Schicht 1 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung einen sanften Übergang des Brechungsindexes vom unstrukturierten Bereich der strukturierten Spin-on-Glas-Schicht 1 mit dem Brechungsindex des Spin-on-Glas-Materials an sich zu dem Brechungsindex des an die strukturierte Spin-on-Glas-Schicht 1 auf ihrer von der Epitaxieschichtenfolge 6 abgewandten Seite angrenzenden Mediums (hier Luft) hin. Das Material der strukturierten Spin-on- Glas-Schicht 1 wird nach derzeitigem Verständnis in Richtung von der Epitaxieschichtenfolge 6 weg durch das umgebende Medium immer mehr „verdünnt" und weist an den am weitesten von der Epitaxieschichtenfolge entfernten Bereichen zumindest annähernd den Brechungsindex des umgebenden Mediums auf . Der Anteil der am System Epitaxieschichtenfolge 6/ strukturierten Spin-on-Glas-Schicht l/umgebendes Medium in die Epitaxieschichtenfolge 6 zurückreflektierten elektromagnetischen Strahlung ist gegenüber dem System Epitaxieschichtenfolge 6/umgebendes Medium deutlich verringert.
Eine an die Strahlungsauskoppelfläche 7 angrenzende elektrische Kontaktschicht 9 wird während oder nach dem Herstel- lungsprozess der strukturierten Spin-on-Glas-Schicht 1 frei- gelegt bzw. nicht mit Material der strukturierten Spin-on- Glas-Schicht 1 bedeckt.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auf sämtliche Verfahren und Vorrichtungen, die die prinzipiellen Merkmale der Erfindung aufweisen. Insbesondere ist die Erfindung für Dünnschich -Leuchtdiodenchips unterschiedlicher Geometrie, unterschiedlichen Aufbaus und un- terschiedlicher Halbleitermaterialmaterialsysteme einsetzbar.
Selbstverständlich läßt sich eine strukturierte Spin-on-Glas- Schicht 1 gemäß der Erfindung auch bei mit Kunststoff vergossenen Leuchtdiodenchips einsetzen. Insbesondere läßt sich an Grenzflächen Halbleiter/Kunststoffverguß eine erfindungsgemäße strukturierte Glasschicht insbesondere eine strukturierte Spin-on-Glas-Schicht, auf Halbleitermaterial aufbringen.
Außerdem können erfindungsgemäße strukturierte Schichten zur Verringerung von Fresnelverlusten an einer Reihe von optischen Systemen wie Mikrooptiken an Grenzflächen Feststoff/ Luft aufgebracht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Dünnschicht-Leuchtdiodenchip (5) mit einer auf einem Trägerelement (2) angeordneten Epitaxieschichtenfolge (6) , die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone (8) aufweist, und einer an einer zu dem Trägerelement (2) hin gewandten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge (6) angeordneten reflektierenden Schicht (3) , die zumindest einen Teil der in der Epita- xieschichtenfolge (6) erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, dadurch gekennzeichnet , daß auf einer vom Trägerelement (2) abgewandten Strahlungsauskoppelfläche (7) der Epitaxieschichtenfolge (6) eine struktu- rierte Schicht (1) angeordnet ist, die ein Glasmaterial enthält und eine Strukturierung aufweist, die nebeneinanderliegende, sich in Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche (7) weg verjüngende Vorsprünge (5) umfaßt, die ein laterales Rastermaß kleiner als eine Wellenlänge einer aus der Epitaxie- schichtenfolge (6) emittierten elektromagnetischen Strahlung aufweisen.
2. Dünnschicht -Leuchtdiodenchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Brechungsindex der Schicht (1) zwischen dem Brechungsindex eines Materials einer an die Strahlungsauskoppelfläche (7) angrenzenden Seite der Epitaxieschichtenfolge (6) und dem Brechungsindex eines für eine Umgebung des Dünnschicht- Leuchtdiodenchips (5) vorgesehenen Mediums liegt.
3 . Dünnschicht -Leuchtdiodenchip nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strukturierung weitgehend periodisch angeordnete Vorsprünge ( 5 ) aufweist .
4. Dünnschicht-Leuchtdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekenn z e i chne t , daß die Vorsprünge (5) von außen gesehen konvex gekrümmt sind.
5. Dünnschicht-Leuchtdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekenn ze i chne t , daß das Glasmaterial ein Spin-on-Glas ist.
6. Dünnschicht -Leuchtdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , daß die Höhe der Vorsprünge (5) in Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche (7) weg geringer ist als eine Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge (6) emittierten elektromagnetischen Strahlung.
7. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht- Leuchtdiodenchips (5) mit einer auf einem Trägerelement (2) angeordneten Epitaxieschichtenfolge (6) , die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone (8) aufweist, und einer an einer zu dem Trägerelement (2) hin gewandten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge (6) angeordneten reflektierenden Schicht .(3), die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge (6) erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, dadurch gekennzeichnet , daß die auf dem Trägerelement (2) angeordnete Epitaxieschichtenfolge (6) bereitgestellt wird, auf einer dem Trägerelement (2) abgewandten Strahlungsauskoppelfläche (7) der Epitaxieschichtenfolge (6) eine Schicht (1) aufgebracht wird, die ein Glasmaterial enthält, und auf mindestens einem Teil der Schicht (1) eine Strukturierung eingebracht wird, die nebeneinanderliegende, sich in Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche weg verjüngende Vorsprünge (5) umfaßt, die ein la- terales Rastermaß kleiner als eine Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge (6) emittierten elektromagnetischen Strahlung aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (1) dadurch hergestellt wird, daß ein noch flüssiges Spin-on-Glas auf der Strahlungsauskoppelfläche (7) aufgebracht und thermisch derart behandelt wird, daß sich das Spin-on-Glas verfestigt und verdichtet.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurc h ge kenn z e i chne t , daß das Spin-on-Glas durch Aufschleudern und/oder Drucken aufge- bracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Strukturierung in die Schicht (1) durch Grauton- Lithographie (6) eingebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Strukturierung derart eingebracht wird, daß sie perio- disch angeordnete Vorsprünge (5) aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Brechungsindex der Schicht (1) zwischen dem Brechungsin- dex eines Materials einer der Strahlungsauskoppelfläche (7) zugewandten Seite der Epitaxieschichtenfolge (6) und dem Brechungsindex eines für eine Umgebung des Dünnschicht - Leuchtdiodenchips (5) vorgesehenen Mediums liegt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennz e i chne t , daß die Strukturierung derart eingebracht wird, daß die Höhe der Vorsprünge (5) in Richtung von der Strahlungsauskoppelflache (7) weg geringer ist als eine Wellenlänge einer aus der Epitaxieschichtenfolge (6) emittierten elektromagnetischen Strahlung.
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