DE10159695B4

DE10159695B4 - Einen hohen Lichtstrom emittierende Diode mit einer Licht emittierenden Diode vom Flip-Chip-Typ mit einem transparenten Substrat

Info

Publication number: DE10159695B4
Application number: DE10159695A
Authority: DE
Inventors: Tzer-Perng Chen
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2003197972A; GB2383681B; GB2383681A; GB0131089D0; DE10159695A1; US20030057421A1

Abstract

Licht emittierende Diode mit einem Basissubstrat (11), einem Decksubstrat (17), welches mit dem Basissubstrat (11) verbunden ist, wobei das Decksubstrat (17) eine Ausnehmung im mittleren Bereich aufweist, die eine geneigte, reflektierende Seitenwand besitzt, einem Licht emittierenden Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ, welcher innerhalb der Ausnehmung angeordnet und mit dem Basissubstrat (11) verbunden ist, wobei der Licht emittierende Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ ein transparentes Substrat besitzt, und einem transparenten Material (18), welches die Ausnehmung ausfüllt und den Licht emittierenden Diodenchip (16) abdichtet, wobei auf einer Seite des Basissubstrates (11) Metallschichten (12, 13) ausgebildet sind, welche an die p- und n-Elektroden des Licht emittierenden Diodenchips (16) angeschlossen sind, und auf der anderen Seite des Basissubstrates (11) Metallschichten (14, 15) ausgebildet sind, welche an eine äußere Schaltung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Basissubstrat aus einem elektrisch und thermisch leitenden Werkstoff hergestellt ist und ein mittlerer isolierender Bereich (19) vorgesehen ist, welcher das Basissubstrat...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende Diode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Da eine Licht emittierende Diode den Vorteil einer geringen Größe, einer langen Lebensdauer sowie eines geringen Energieverbrauches besitzt, kommt sie in starkem Maße als Signalindikator bei einer Audio-Ausrüstung, der Hintergrundbeleuchtungsquelle eines Handtelefons, den Beleuchtungselementen einer Nachrichtentafel und z.B. bei der dritten Bremsleuchte eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz. In jüngerer Zeit sind neue Materialien wie AlGaInP und AlGaInN erfolgreich bei der Herstellung Licht emittierender Dioden, die Licht mit hoher Intensität emittieren, eingesetzt worden. Dementsprechend wurde es möglich, herkömmliche Glühlampen durch Licht emittierende Dioden in vielen Anwendungsbereichen zu ersetzen. Licht emittierende Dioden findet man gegenwärtig z.B. bei Verkehrsampeln, Bremslichtern oder Blinklichtern eines Fahrzeuges und ähnlichem. Mit dem Anstieg der Lichtintensität einer Licht emittierenden Diode ist es sehr wahrscheinlich, dass die Licht emittierenden Dioden andere Lichtquellen, wie etwa fluoreszierende Lichter oder Energiesparlampen, ersetzen.
Aus der US 6 184 544 B1 ist eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung bekannt, welche ein erstes und ein zweites reflektierendes Substrat aufweist, wobei in dem zweiten reflektierenden Substrat ein Hohlraum ausgebildet ist, der an das erste reflektierende Substrat angrenzt. In dem Hohlraum ist ein lichtemittierendes Halbleiterelement angeordnet und mit seiner der Licht emittierenden Seite gegenüberliegenden Seite an dem ersten reflektierenden Substrat befestigt. Das lichtemittierende Halbleiterelement ist in ein lichtdurchlässiges, synthetisches Harz eingebettet.
Aus der DE 199 18 370 A1 ist eine Weißlichtquelle bekannt, die eine in Oberflächenmontage gefertigte LED aufweist, die in eine transparente Materialfüllung eingebettet ist. In der Materialfüllung ist eine Konvertersubstanz zur teilweisen Wellenlängenkonversion des von der LED emittierten Lichts enthalten. Auf die transparente Materialfüllung ist eine Linse aufgeklebt, wobei die Materialfüllung eine konvexe Oberfläche aufweist und die Linse eine mit der konvexen Oberfläche der Materialfüllung formschlüssige konkave Unterseite aufweist.
Aus der DE 199 45 675 A1 ist ein LED-Gehäuse mit einem Wärmesenkengrundelement bekannt, das in einen Einsatz-geformten Anschlussleitungsrahmen eingefügt ist. Das Grundelement kann eine optionale Reflektorschale aufweisen. In dieser Schale können die LED und eine wärmeleitende Unterbefestigung befestigt sein. Bonddrähte erstrecken sich von der LED zu Metallanschlussleitungen. Die Metallanschlussleitungen sind von dem Grundelement elektrisch und thermisch getrennt. Eine optische Linse kann hinzugefügt werden, indem eine vorgeformte thermoplastische Linse und eine weiche Einkapselung angebracht werden, oder indem ein Epoxydharz gegossen wird, um die LED abzudecken, oder indem eine Gussepoxydharzlinse über einer weichen Einkapselung vorgesehen ist.
Aus der US 4 387 385 ist eine Anzeigevorrichtung mit mehreren elektrolumineszierenden Halbleiterkristallen bekannt. Die Halbleiterkristalle sind auf einer Basis angeordnet. Ferner sind ein Block mit Öffnungen, die Lichtleiter ausbilden, und ein Filter auf der Oberseite vorgesehen. Die Basis und der Block sind aus demselben thermoplastischen Werkstoff hergestellt. Interne elektrische Verbindungen bestehen aus Lagen von leitendem, thermofixiertem Harz.
Eine Licht emittierende Diode wird normalerweise mit einem elektrischen Strom von 20 mA bei 2 bis 3,5 Volt betrieben. Dementsprechend verbraucht jede lichtemittierende Diode etwa 40 bis 70 mW an Leistung. Mit dem Verbrauch von 40 bis 70 mW kann eine höchst wirtschaftliche lichtemittierende Diode, die gegenwärtig in der Industrie verfügbar ist, lediglich 1 bis 5 Lumen an Lichtintensität erzeugen. Für Beleuchtungszwecke ist es jedoch im Allgemeinen erforderlich, Tausende von Lumen an Lichtintensität verfügbar zu haben. Dementsprechend sind mehrere hundert Licht emittierende Dioden erforderlich, um dieses Erfordernis zu erfüllen. Damit ist dies hinsichtlich der Kosten, der Größe bzw. des Volumens nicht praktikabel.
Eine Näherung, das Problem der niedrigen Leuchtdichte zu überwinden, liegt bei einer lichtemittierenden Diode darin, den Betriebsstrom der lichtemittierenden Diode zu erhöhen. Wenn beispielsweise der Betriebsstrom bis auf 100 mA erhöht werden könnte, würde sich die Leuchtdichte der lichtemittierenden Diode um einen Faktor von 5 erhöhen. Dementsprechend würde sich die Anzahl der Licht emittierenden Dioden um den gleichen Faktor verringern.
Ein herkömmlicher Aufbau einer lichtemittierenden Diode, wie er in den 5(a) und 5(b) wiedergegeben ist, kann jedoch die Lichtabgabe nicht mit ansteigendem Strom proportional erhöhen, wenn die lichtemittierende Diode bei einem hohen Strom betrieben wird. Im Allgemeinen wird das Basissubstrat einer herkömmlichen Licht emittierenden Diode, wie sie in 5(b) wiedergegeben ist, durch eine PC-Platte oder ein tonerdekeramisches Material, welches die Wärme nicht wirksam abzuleiten vermag, gebildet. Infolge der schlechten Wärmeabgabe bei einer herkömmlichen lichtemittierenden Diode reduziert ein höherer Strom signifikant die Lebensdauer einer lichtemittierenden Diode. Entsprechend der Darstellung in 5(a) bestehen die Leiterrahmen aus metallischen Materialien, wie etwa Kovar oder Kupfer. Der Rahmen ist jedoch zu dünn, um die erzeugte Wärme wirkungsvoll abzuleiten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lichtabgabeleistung einer herkömmlichen lichtemittierenden Diode zu erhöhen. Im Besonderen soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein neuer Aufbau bereitgestellt werden, um den Betriebsstrom einer lichtemittierenden Diode zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine lichtemittierende Diode der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bei einer lichtemittierenden Diode der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Basissubstrat aus einem elektrisch und thermisch leitenden Werkstoff hergestellt ist und ein mittlerer isolierender Bereich vorgesehen ist, welcher das Basissubstrat in zwei elektrisch voneinander isolierte Teile unterteilt.
Dies hat den Vorteil, dass eine lichtemittierenden Diode bereitgestellt ist, welche Licht reduziert, welches von dem Licht emittierenden Diodenaufbau absorbiert wird, so dass die Lichtabgabe erhöht werden kann.
Das Basissubstrat, welches in hohem Maße sowohl elektrisch als auch thermisch leitend ist, kommt zum Einsatz, um einen hohen Strom zu leiten, wie auch die Wärme abzuleiten, die von dem Licht emittierenden Diodenchip erzeugt wird, und zwar in einer wirksamen Weise.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus dem Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der einen hohen Lichtstrom emittierenden Diode mit einem Licht emittierenden Diodenchip vom Flip-Chip-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht des Licht emittierenden Diodenchips vom Flip-Chip-Typ mit einer aktiven InGaN-Schicht.
3 erläutert, wie das Licht, welches von der aktiven Schicht emittiert wird, übertragen wird, reflektiert oder gerichtet durch die Öffnung des Decksubstrats der Licht emittierenden Diode.
4 ist eine Querschnittsansicht des Licht emittierenden Diodenchips vom Flip-Chip-Typ mit einer aktiven AlGaInP-Schicht.
5(a) und (b) zeigen eine herkömmliche Licht emittierende Diode und eine Querschnittsansicht ihres Licht emittierenden Diodenchips.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 zeigt die Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der lichtemittierenden Diode gemäß der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Diode umfasst ein Basissubstrat 11, einen lichtemittierenden Diodenchip 16 vom Flip-Chip-Typ, ein Decksubstrat 17 sowie eine konvexe Linse 18, die durch ein transparentes Harz oder ein Epoxidharz gebildet wird. Das Basissubstrat 11 besitzt einen isolierenden Bereich 19, der das Basissubstrat 11 in zwei nicht miteinander verbundene elektrisch leitende Teile unterteilt.
Unterhalb und oberhalb des Basissubstrats 11 befinden sich mehrere Metallschichten 12, 13, 14 und 15. Die Metallschichten 12, 13 sind an die p- und n-Elektroden des lichtemittierenden Diodenchips 16 angeschlossen. Die Metallschichten 14, 15 sind an eine äußere Schaltung angeschlossen. Zusätzlich zur Halterung des lichtemittierenden Diodenchips 16 muss das Basissubstrat 11 außerdem den elektrischen Strom leiten und wirkungsvoll die Wärme, die durch den lichtemittierenden Diodenchip 16 erzeugt wird, ableiten. Dementsprechend ist es wichtig, dass das Material des Basissubstrats 11 in starkem Maße sowohl elektrisch als auch thermisch leitend ist.
Kupfer (Cu) besitzt eine thermische Leitfähigkeit von 398 (W/(mk) und eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Es ist eines der besten Materialien für das Basissubstrat 11. Aluminium (Al) besitzt eine thermische Leitfähigkeit von 240 (W/(mk) und ist ebenfalls ein sehr guter Kandidat für das Basissubstrat 1. Silizium (Si) besitzt eine thermische Leitfähigkeit, die etwa ein Drittel der thermischen Leitfähigkeit von Kupfer ausmacht. Es ist jedoch ebenfalls ein geeignetes Material für das Basissubstrat 11, da es sich leicht bearbeiten lässt.
2 zeigt den Aufbau des lichtemittierenden Diodenchips vom Flip-Chip-Typ mit einem transparenten Substrat. Bei dem lichtemittierenden Diodenchip, der in 2 dargestellt ist, handelt es sich um eine InGaN Licht emittierende Diode, welche blaues Licht emittiert. Der lichtemittierende Diodenchip umfasst ein Saphir-Substrat 31, eine GaN Pufferschicht 32, eine GaN Schicht vom n-Typ 33, eine aktive InGaN Schicht 34 sowie eine GaN Schicht vom p-Typ 35. Die aktive InGaN Schicht 34 ist die lichtemittierende Schicht. Bei dieser Ausführungsform kann die aktive Schicht AlGaInN anstelle von InGaN umfassen.
Unter der GaN Schicht vom p-Typ 35 befindet sich eine p-Typ-Elektrode 36. Eine n-Typ-Elektrode 37 ist ebenfalls in Kontakt mit der n-Typ GaN Schicht 33 ausgebildet. Die n-Typ-Elektrode 37 besitzt einen kleineren Bereich, der lediglich einen Teil der n-Typ GaN Schicht 33 kontaktiert. Die p-Typ-Elektrode besitzt einen größeren Bereich, der in Kontakt mit dem meisten der p-Typ GaN Schicht 35 steht. Sie besitzt auch eine hohe Reflektivität, um das Licht, welches von der aktiven Schicht emittiert wird, zu reflektieren. Diese Elektroden vom n-Typ und p-Typ können mit den Metallschichten 12, 13 des Basissubstrats 11 mit Hilfe eines Bindemittels, wie etwa Gold oder eine Legierung, die Gold und Zinn umfasst, verbunden werden.
Vorzugsweise wird das Decksubstrat 17 durch ein weißes und stark reflektierendes Material gebildet. Die Mitte der Deckschicht 17 besitzt eine Öffnung, die groß genug ist, um hierin den lichtemittierenden Diodenchip 16 vom Flip-Chip-Typ anzuordnen. Die Seitenwand der Öffnung ist schräg ausgebildet, um das Seitenlicht, welches von dem lichtemittierenden Diodenchip emittiert wird, zu reflektieren. Es ist auch möglich, ein absorbierendes Material als Decksubstrat 17 einzusetzen, wenn die Seitenwand der Öffnung mit einem weißen und eine hohe Reflektivität aufweisenden Reflektor überzogen ist, um das Seitenlicht zu reflektieren. Das Decksubstrat 17 ist an das Basissubstrat 11 durch eine Klebeschicht entsprechend der Darstellung in 1 gebunden. Die Öffnung der Ausnehmung ist mit einem transparenten Harz oder einem Epoxyharz 18 ausgefüllt, um den lichtemittierenden Diodenchip abzudecken und abzudichten. Das transparente Epoxidharz bildet außerdem eine konvexe Linse, um das von dem lichtemittierenden Chip emittierte Licht zu fokussieren, um somit das emittierte Licht auszurichten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kommt für den Licht emittierenden Diodenchip vom Flip-Chip-Typ ein transparentes Substrat zum Einsatz. Das Licht, welches von der lichtemittierenden Diode emittiert wird, kann übertragen werden direkt durch das Substrat, reflektiert von der p-Typ-Elektrode und dann übertragen durch das Substrat oder reflektiert von der p-Typ-Elektrode in Richtung auf die reflektierende Seitenwand der Öffnung und dann übertragen werden durch die Öffnung, entsprechend der Darstellung in 3. Dies führt dazu, dass die lichtemittierende Diode in starkem Maße die Lichtabsorption reduziert, wobei der Lichtemissionswirkungsgrad signifikant erhöht wird.
Da das Basissubstrat, welches für die lichtemittierende Diode zum Einsatz kommt, eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, kann die Wärme, die durch den lichtemittierenden Chip erzeugt wird, wirkungsvoll abgeleitet werden, um die Lebensdauer des Chips zu erhöhen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Abstand zwischen der aktiven Licht emittierenden Schicht und dem Basissubstrat sehr kurz. Die Wärme, die durch einen hohen Strom in der lichtemittierenden Schicht erzeugt wird, kann auf das Basissubstrat mit einem sehr hohen Wirkungsgrad übertragen werden. Dementsprechend kann die lichtemittierende Diode mit einem hohen Strom betrieben werden.
Die 4 zeigt den Aufbau eines weiteren lichtemittierenden Diodenchips vom Flip-Chip-Typ mit einem transparenten Substrat. Bei der lichtemittierenden Diode, die in 4 dargestellt ist, handelt es sich um eine AlGaInP lichtemittierende Diode. Der lichtemittierende Diodenchip umfasst ein Saphirsubstrat 51, eine p-Typ AlGaInP untere Begrenzungsschicht 52, eine aktive AlGaInP Schicht 53, eine n-Typ AlGaInP obere Begrenzungsschicht 54 sowie eine n-Typ InGaP oder AlGaP ohmsche Kontaktschicht 55. Die aktive AlGaInP Schicht 53 ist die lichtemittierende Schicht.
Unter der n-Typ InGaP ohmschen Kontaktschicht 55 befindet sich eine n-Typ-Elektrode 57. Die n-Typ-Elektrode 57 dient außerdem als ein Reflektor. Eine p-Typ-Elektrode 56 wird außerdem in Kontakt mit der p-Typ AlGaInP unteren Begrenzungsschicht 52 ausgebildet. Die p-Typ-Elektrode 56 besitzt einen kleineren Bereich, der lediglich einen Teil der p-Typ AlGaInP unteren Begrenzungsschicht 52 kontaktiert. Die n-Typ-Elektrode 57 besitzt einen größeren Bereich, die in Kontakt mit dem größten Teil der n-Typ InGaP ohmschen Kontaktschicht 55 steht. Diese n-Typ- und p-Typ-Elektroden können an die Metallschichten 12, 13 des Basissubstrats mit Hilfe eines Bindemittels gebunden werden.

Claims

Licht emittierende Diode mit einem Basissubstrat (11), einem Decksubstrat (17), welches mit dem Basissubstrat (11) verbunden ist, wobei das Decksubstrat (17) eine Ausnehmung im mittleren Bereich aufweist, die eine geneigte, reflektierende Seitenwand besitzt, einem Licht emittierenden Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ, welcher innerhalb der Ausnehmung angeordnet und mit dem Basissubstrat (11) verbunden ist, wobei der Licht emittierende Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ ein transparentes Substrat besitzt, und einem transparenten Material (18), welches die Ausnehmung ausfüllt und den Licht emittierenden Diodenchip (16) abdichtet, wobei auf einer Seite des Basissubstrates (11) Metallschichten (12, 13) ausgebildet sind, welche an die p- und n-Elektroden des Licht emittierenden Diodenchips (16) angeschlossen sind, und auf der anderen Seite des Basissubstrates (11) Metallschichten (14, 15) ausgebildet sind, welche an eine äußere Schaltung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Basissubstrat aus einem elektrisch und thermisch leitenden Werkstoff hergestellt ist und ein mittlerer isolierender Bereich (19) vorgesehen ist, welcher das Basissubstrat (11) in zwei elektrisch voneinander isolierte Teile unterteilt.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Decksubstrat (17) durch ein weißes und stark reflektierendes Material gebildet wird.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte reflektierende Seitenwandung überzogen ist mit einem weißen und stark reflektierenden Material.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material, welches die Ausnehmung füllt, eine konvexe Linse (18) bildet.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissubstrat (11) Silizium ist.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissubstrat (11) Kupfer ist.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissubstrat (11) Aluminium ist.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht emittierende Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ ein AlGaInP Licht emittierender Diodenchip ist.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht emittierende Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ ein AlGaInN Licht emittierender Diodenchip ist.
Licht emittierende Diode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht emittierende Diodenchip (16) vom Flip-Chip-Typ ein InGaN Licht emittierender Diodenchip ist.