DE19911717A1

DE19911717A1 - Monolithisches elektrolumineszierendes Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19911717A1
Application number: DE19911717A
Authority: DE
Inventors: Werner Spaeth; Norbert Stath
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2000-09-28

Abstract

Monolithisches elektrolumineszierendes Bauelement, insbesondere LED-Chip, bei dem auf einem Substrat (1) eine aktive Schichtenfolge (2) angeordnet ist, die geeignet ist, bei Stromfluß durch das Bauelement elektromagnetische Strahlung (3) auszusenden. Die aktive Schichtenfolge (2) weist eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Emissionszonen (4) auf. Jeder dieser Emissionszonen (4) ist ein Strahlungsauskoppelelement (5) zugeordnet, durch das eine in der zugehörigen Emissionszone (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein monolithisches elektrolu mineszierendes Bauelement, insbesondere LED-Chip, bei dem auf einem Substrat eine aktive Schichtenfolge angeordnet ist, die geeignet ist, bei Stromfluß durch das Bauelement elektro magnetische Strahlung auszusenden, der aktiven Schichtenfolge in einer Abstrahlrichtung des Bau elements eine Strahlungsauskoppelschicht nachgeordnet ist, durch die zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strah lung aus dem Bauelement ausgekoppelbar ist, und bei dem an die Strahlungsauskoppelschicht ein Medium an grenzt, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungs index des Materials der Strahlungsauskoppelschicht.

Sie bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.

Bei herkömmlichen derartigen LED-Chips erstreckt sich die ak tive Schicht in der Regel über die gesamte Aufwachsfläche des Substrats, sind üblicherweise an der Vorderseite des Chips ein Bondpad und an der Rückseite des Substrats eine ganzflä chige Kontaktmetallisierung aufgebracht und wird angestrebt, daß sich der Stromfluß durch den Chip möglichst auf die ge samte aktive Schicht aufweitet. Bekannt ist hierzu beispiels weise ein LED-Halbleiterchip, bei dem über der elektrolumi neszierenden aktiven Schicht eine dicke Auskoppelschicht, ei ne sogenannte Fensterschicht, angeordnet ist, die die Strom aufweitung und die Lichtauskopplung aus dem Chip verbessern soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bauelement der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln, bei dem die Strahlungsaus kopplung verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein monolithisches elektrolumi neszierendes Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 19, 20, 23, 24 oder 25 gelöst.

Unter Hauptabstrahlrichtung des Bauelements ist hierbei dieje nige Richtung zu verstehen, in der ein Großteil der in dem Bauelement erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus diesem austritt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauele ments und der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 18 und 21 und 22.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die auf dem Substrat auf gewachsene aktive Schicht eine Mehrzahl von in Bezug auf die Abstrahlrichtung nebeneinander angeordneten Emissionszonen mit jeweils mindestens einem elektrolumineszierenden pn- Übergang aufweist und daß den Emissionszonen jeweils ein se parates optisches Strahlungsauskoppelelement zugeordnet ist, durch das eine in der zugehörigen Emissionszone erzeugte elektromagnetische Strahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt wird. Die Emissionszonen liegen bevorzugt in einer Aufwachse bene des Substrats. Die Strahlungsauskoppelelemente bestehen vorzugsweise aus Halbleitermaterial, das für die im Bauele ment erzeugte Strahlung durchlässig ist.

Ein erster besonderer Vorteil dieses Bauelements besteht dar in, daß das Größenverhältnis zwischen den einzelne Emissions zonen und den zugehörigen Strahlungsauskoppelelementen und deren Anordnung zueinander so aufeinander abstimmbar ist, daß ein großer Teil der in den Emissionszonen erzeugten elektro magnetischen Strahlung derart auf das Strahlungsauskoppelele ment gerichtet ist, daß sie aus dem Chip ausgekoppelt wird. Folglich sind auf diese Art und Weise die Bereiche der akti ven Schicht, die in einem für die Strahlungsauskopplung un günstigen Bereich liegen, weitgehend eliminierbar.

Durch die Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, die Dicke der Strahlungsauskoppelschicht, die von den Strahlungs auskoppelelementen gebildet ist, erheblich zu reduzieren. Je kleiner der Querschnitt der Emissionszonen, umso geringer ist die Mindesthöhe der Strahlungsauskoppelelemente, die für eine hinreichende Auskopplung der Strahlung erforderlich ist. Dies bringt neben den kürzeren Prozeßdauern den besonderen Vorteil mit sich, daß Auskoppelelemente mit hoher optischer Qualität herstellbar sind.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Bauelements weist jedes Strahlungsauskoppelelement die Form eines senk recht zur Aufwachsebene stehenden Zylinders auf. Das Material des Zylinders besitzt einen Brechungsindex n_S, der größer als der Brechungsindex n_M des umgebenden Mediums ist. Bevorzugt ist jede der Emissionszonen innerhalb des zugeordneten Zylin ders angeordnet. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt in ihrer technisch einfachen Herstellung. Die Zylinder werden bevorzugt mittels herkömmlicher Halbleiter- Maskentechnik hergestellt.

Jede der Emissionszonen weist bevorzugt eine senkrecht zur Mittelachse des zugehörigen Zylinders liegende im Wesentli chen kreisförmige Querschnittsfläche auf, die denselben oder einen kleineren Durchmesser als der zugehörige Zylinder be sitzt. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Querschnittsfläche der Emissionszone liegt hierbei vorzugsweise im Wesentlichen auf der Mittelachse des zugehörigen Zylinders.

Kontaktmetallisierungen zur Bestromung der Emissionszonen sind vorteilhafterweise auf den Deckflächen der Zylinder an geordnet und untereinander mittels elektrisch leitender Stege verbunden. Diese Kontaktmetallisierungen sind vorzugsweise ringförmig gestaltet und verlaufen am Rand der Zylinder- Deckfläche, denn dort erfolgt in der Regel aufgrund Totalre flexion keine Lichtauskopplung.

Für die Höhe h_Z der Zylinder gilt vorzugsweise, daß h_Z ≅ 2.tanα_G.(R_Z + R_E), wobei α_G den Grenzwinkel der Totalreflexion beim Übergang vom Zylinder zu dem diesen umgebenden Medium, R_Z den Radius des Zylinders und R_E den Radius der zugehörigen Emissionszone repräsentieren. Die Emissionszonen liegen in besonders bevorzugter Weise im Wesentlichen in halber Höhe h_Z des zugehörigen Zylinders. Bei dieser Ausgestaltung der Er findung ist vorteilhafterweise die Höhe der Zylinder gerade so gewählt, daß im Wesentlichen die gesamte Strahlung, die in einem Winkel auf die Mantelfläche der Zylinder fällt, der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, und nur diese Strahlung auf die Mantelfläche des zugehörigen Zylin ders trifft. Die übrige Strahlung trifft auf die Deckfläche des Zylinders und wird dort je nach Auftreffwinkel entweder totalreflektiert oder ausgekoppelt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für den Radius R_E der kreisförmigen Emissionszone die Beziehung R_E ≦ R_Z.n_M/n_S, wobei n_M den Brechungsindex des um gebenden Mediums, n_S den Brechungsindex des Zylindermaterials und R_Z den Radius des zugehörigen Zylinders darstellen. Da durch kann vorteilhafterweise der Wirkungsgrad des Bauele ments optimiert werden.

Um die Auskopplung der Strahlung weiter zu verbessern ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zumindest bei einigen der Zylinder die Kante der Deckfläche abgeschrägt. Damit wird vorteilhafterweise eine Vergrößerung des Raum winkels erreicht, aus dem Strahlung aus der Emissionszone mit einem Einfallswinkel auf eine Grenzfläche zwischen dem Strahlungsauskoppelelement und dem dieses umgebenden Medium fällt, der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes Strahlungsauskoppelelement im We sentlichen die Form eines Kugelsegments aufweist und daß jede der Emissionszonen einen Abstand von einem Scheitel punkt des jeweils zugehörigen Strahlungsauskoppelelements aufweist, der gleich dem oder größer als der Radius R_K des Kugelsegments ist.

Bei dieser Ausführungsform ist über Variation der Größe der Emissionszonen und des Abstandes der Emissionszonen von dem genannten jeweiligen Scheitelpunkt vorteilhafterweise die Ab strahlcharakteristik des Bauelements einstellbar. Hierzu weist besonders bevorzugt jede der Emissionszonen senkrecht zur Abstrahlrichtung des Bauelements eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche auf.

Vorteilhafterweise gilt für den Radius R_E jeder Emissionszone die Beziehung R_E ≦ R_K.n_M/n_S, wobei R_K den Radius des zugehörigen Kugelsegments, nM den Brechungsindex des umgebenden Mediums und n_S den Brechungsindex des Kugelsegmentmaterials repräsen tieren. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Querschnittsfläche der Emissionszone liegt vorteilhafterweise im Wesentlichen auf der Mittelachse des zugehörigen Kugelsegments.

Um eine gute Vorwärtsabstrahlcharakteristik des Bauelements zu erhalten, wird der Radius R_E der Emissionszonen möglichst klein, insbesondere kleiner als 0,2.R_K, gewählt und ist der Abstand der Emissionszonen von dem genannten jeweiligen Scheitelpunkt in etwa gleich [R_K.(1 + n_M/n_S)].

Um eine möglichst gute Lichtauskopplung unter gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber herkömmlichen derarti gen Bauelementen zu erreichen, ist der Abstand der Emissions zonen vom Scheitelpunkt des jeweils zugehörigen Kugelsegments in etwa gleich dem Radius des zugehörigen Kugelsegments und ist der Radius der Emissionszonen kleiner oder gleich R_K.n_M/n_S.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung weist jedes Strahlungsauskoppelelement im Wesentlichen die Form einer im Querschnitt rhombischen Säule auf, in der die Emissionszone angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, daß Strahlung, die zunächst ausgehend von der Emissionzone mit einem Einfallswinkel auf die Grenz fläche zwischen Strahlungsauskoppelelement und umgebenden Me dium fällt, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalre flexion, nach ein- oder mehrfacher Reflexion aus dem Bauele ment auskoppelt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 6.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht von oben auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Draufsicht von oben auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein drittes Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht von oben auf ein viertes Ausführungsbeispiel.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 handelt es sich um einen LED-Chip 20, bei dem auf einem Substrat 1, das beispielweise aus n-GaAs besteht, eine Bragg-Reflektor- Schicht 16 aufgebracht ist, auf der sich eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Strahlungsauskoppelelementen 5 be findet. Jedes der Strahlungsauskoppelelemente 5 weist die Form eines Zylinders 6 auf, dessen Längsmittelachse (AZ) par allel zu einer Hauptabstrahlrichtung 9 des LED-Chips liegt.

Unter Hauptabstrahlrichtung 9 des LED-Chips 20 ist diejenige Richtung zu verstehen, in der ein Großteil der in dem Chip 20 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 3 aus diesem aus tritt.

In jedem Zylinder 6 ist über der Bragg-Reflektor-Schicht 16 eine aktive Schichtenfolge 2 mit einer Emissionszone 4 ange ordnet, der in Hauptabstrahlrichtung 9 zunächst eine Strom aperturschicht 14 mit einer Stromdurchlaßöffnung 15 und dieser wiederum eine Kontaktschicht 17 nachgeordnet ist.

Die aktive Schichtenfolge 2 weist vorzugsweise etwa auf der Hälfte der Höhe h_Z des Zylinders 6 mindestens einen elektro lumineszierenden pn-Übergang 21 auf und besteht beispielswei se aus InGaAlP.

Auf der von der aktiven Schichtenfolge 2 abgewandten Seite des Substrats 1 ist ganzflächig eine Kontaktmetallisierung 19 aufgebracht.

Die Stromaperturschicht 14 dient dazu, den Stromfluß durch die aktive Schichtenfolge 2 und damit durch den elektrolumi neszierenden pn-Übergang 21 auf den Bereich der gewünschten Emissionszone 4 einzugrenzen. Sie besteht beispielsweise aus AlAs und ist bis auf die Stromdurchlassöffnung 15 oxidiert, d. h. elektrisch isolierend, jedoch für die in der Emissions zone 4 erzeugte Strahlung durchlässig.

Eine andere Art der Realisierung der Stromaperturschicht 14 besteht darin, auf die aktive Schichtenfolge 2 eine Schich tenfolge mit einem entgegengesetzt zum pn-Übergang 21 der ak tiven Schichtenfolge 2 gepolten pn-Übergang aufzubringen, in den im Bereich der vorgesehenen Stromdurchlassöffnung 15 ein Fenster geätzt ist. Die Schichtenfolge mit dem entgegenge setzt zum pn-Übergang 21 ist für die im Chip erzeugte Strah lung durchlässig und besteht beispielsweise aus demselben Ma terial wie die aktive Schichtenfolge 2.

Eine Stromaperturschicht 14 kann alternativ oder zusätzlich zwischen der aktiven Schichtenfolge 2 und dem Substrat 1 an geordnet sein.

Die Bragg-Reflektor-Schicht 16 dient dazu, eine von den Emis sionszonen 4 zum Substrat 1 hin ausgesandte Strahlung wieder nach vorne zu reflektieren. Derartige Bragg-Reflektor- Schichten sind an sich bekannt und werden daher an diese Stelle nicht weitergehend erläutert.

Die Kontaktschicht 17 besteht beispielsweise wiederum aus In- GaAlP.

Auf der Deckfläche 10 jedes Zylinders 6 befindet sich ein Ringkontakt 11, der im Wesentlichen nur denjenigen Bereich des Zylinders 6 bedeckt, durch den aufgrund Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Zylinder 6 und dem umgebenden Medium nur wenig oder gar keine Strahlung ausgekoppelt werden würde. Die Ringkontakte 11 sind untereinander durch elektrisch lei tende Stege 12 verbunden und ein zentraler Teil der Vorder seite des LED-Chips ist mit einem Bondpad 18 bedeckt, der mit den Ringkontakten 11 elektrisch leitend verbunden ist (vgl. Fig. 2).

Zwischen den Zylindern 6 ist auf der Bragg-Reflektor-Schicht 16 vorzugsweise eine reflektierende Oberfläche oder Schicht 22 vorgesehen, die zumindest einen Teil einer von den Zylin dern 6 zum Substrat 1 hin ausgesandten Strahlung wieder zur Abstrahlrichtung 9 hin reflektiert.

Die Zylinder 6 werden beispielsweise mittels ganzflächigem epitaktischem Aufbringen der Bragg-Reflektor-Schicht 16, der aktiven Schichtenfolge 2, der Stromaperturschicht 14 und der Kontaktschicht 17 auf das Substrat 1 und nachfolgender Foto lithographie-Technik und Ätzen hergestellt.

Eine andere Methode zur Erzeugung der Zylinder 6 besteht dar in, daß zunächst auf die Bragg-Reflektor-Schicht 16 eine Mas kenschicht aufgebracht wird, in die nachfolgend mittels Foto lithographie-Technik und Ätzen kreisrunde Fenster geätzt wer den. In diesen Fenstern werden nachfolgend die aktive Schich tenfolge 2, die Stromaperturschicht 14 und die Kontaktschicht 17 epitaktisch abgeschieden. Die Maskenschicht ist hierbei so gewählt, daß auf dieser im Wesentlichen keine epitaktische Abscheidung des Materials der aktiven Schichtenfolge 2, der Stromaperturschicht 14 und der Kontaktschicht 17 erfolgt. Die Maskenschicht wird nach dem Abscheiden der Zylinder 6 bei spielsweise mittels Ätzen entfernt.

Die Stromdurchlassöffnung 15 wird im Falle einer dafür ver wendeten oxidierbaren Schicht dadurch erzeugt, daß diese oxi dierbare Schicht nach dem Herstellen der Zylinder 6 mittels Tempern in einer sauerstoffhaltigen oder feuchten Atmosphäre von außen nach innen bis auf die gewünschte Stromdurchlass öffnung 15 oxidiert und damit elektrisch isolierend gemacht wird.

Im Falle der Verwendung eines entgegengesetzt zum pn-Übergang 21 der aktiven Schichtenfolge 2 gepolten pn-Übergangs für die Stromaperturschicht 14 wird zum Herstellen der Stromdurchlass öffnung 15 nach dem Aufwachsen der Schichtenfolge für den entgegengesetzt gepolten pn-Übergang in diese vor dem Auf bringen der Kontaktschicht 17 mittels Fotolithographie- Technik und Ätzen ein Fenster geätzt, das die Stromdurchlass öffnung 15 definiert.

Bei einer nochmals anderen Ausführungsform, die keine Strom aperturschicht 14 benötigt, wird der elektrolumineszierende pn-Übergang nicht ganzflächig über dem Substrat erzeugt, son dern nur lokal in den Bereichen der vorgesehenen Emissionszo nen 4, beispielsweise mittels Ionenimplantation in der akti ven Schichtenfolge 2 ausgebildet. Dazu wird nach dem Aufwach sen der aktiven Schichtenfolge 2 auf diese eine Maskenschicht aufgebracht, die Fenster zur Ionenimplantation aufweist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 handelt es sich wieder um einen LED-Chip 20, bei dem auf einem Sub strat 1, das beispielweise aus n-GaAs besteht, eine Bragg- Reflektor-Schicht 16 aufgebracht ist. Auf dieser Bragg- Reflektor-Schicht 16 befindet sich eine aktive Schichtenfolge 2 mit mindestens einem elektrolumineszierenden pn-Übergang 21, in der eine Mehrzahl von Emissionszonen 4 angeordnet sind.

Der aktiven Schichtenfolge 2 ist in Hauptabstrahlrichtung 9 des Bauelements eine Stromaperturschicht 14 mit einer Mehr zahl von Stromdurchlassöffnungen 15 nachgeordnet. Die Strom durchlassöffnungen 15 dienen auch hier dazu, den Stromfluß durch die aktive Schichtenfolge 2 und damit durch den elek trolumineszierenden pn-Übergang 21 auf den Bereich der ge wünschten Emissionszonen 4 einzugrenzen.

Eine derartige Stromaperturschicht 14 kann alternativ oder zusätzlich zwischen der aktiven Schichtenfolge 2 und dem Sub strat 1 angeordnet sein.

Weiterhin ist jeder Emissionszone 4 in Hauptabstrahlrichtung 9 des Bauelements ein Strahlungsauskoppelelement 5 nachgeord net, das die Form eines Kugelsegments 7, hier einer Halbku gel, aufweist. Zwischen den Kugelsegmenten 7 ist auf der Stromaperturschicht 14 ein ohmscher Kontakt 23 aufgebracht, der lediglich die Ränder der Kugelsegmente 7 bedeckt.

In einem Teilbereich der Chip-Vorderseite, die keine Kugel segmente 7 aufweist, ist auf der Stromaperturschicht 14 ein Bondpad 18 ausgebildet, der mit dem ohmschen Kontakt 23 elek trisch leitend verbunden ist (vgl. Fig. 4).

Jede der Emissionszonen 4 weist bevorzugt eine senkrecht zu einer Abstrahlrichtung des Bauelements liegende Querschnitts fläche auf, die im Wesentlichen kreisförmig ist und einen Ra dius R_E besitzt, der gleich dem oder kleiner als der Radius R_K des zugehörigen Kugelsegments 7 ist.

Für den Radius R_E jeder Emissionszone 4 gilt R_E ≦ R_K.n_M/n_S, wo bei R_K den Radius des zugehörigen Kugelsegments 7, n_M den Bre chungsindex des umgebenden Mediums M, z. B. Kunststoff, und n_S den Brechungsindex des Kugelsegmentmaterials darstellen. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Querschnittsfläche der Emissionszone 4 liegt im Wesentlichen auf der Mittelachse AK des zugehörigen Kugelsegments 7.

Für den Abstand d der Emissionszonen 4 vom Scheitelpunkt S des jeweils zugeordneten Kugelsegments 7 gilt vorzugsweise R_K ≦ d ≦ R_K.(1 + n_M/n_S).

Die Stromaperturenschicht 14 besteht beispielsweise aus oxi dierbarem Halbleitermaterial. Dieses ist bis auf Stromdurch lassöffnungen 15, die die Größe der Emissionszonen 4 in der aktiven Schichtenfolge 2 definieren, oxidiert und folglich elektrisch isolierend aber für die von den Emissionszonen 4 ausgesandte Strahlung durchlässig.

Eine andere Art der Realisierung der Stromaperturschicht 14 besteht darin, auf die aktive Schichtenfolge 2 eine Schich tenfolge mit einem entgegengesetzt zum pn-Übergang 21 der ak tiven Schichtenfolge 2 gepolten pn-Übergang aufzubringen, in den im Bereich der vorgesehenen Stromdurchlassöffnungen 15 Fenster ausgebildet sind.

Die Kugelsegmente 7 bestehen vorzugsweise aus einem Halblei termaterial, das elektrisch leitend und für die von dem Bau element ausgesandte elektromagnetische Strahlung 3 durchläs sig ist. Im Falle einer aktiven Schichtenfolge 2 aus InGaAlP eignen sich vorzugsweise Kugelsegmente 7 aus leitfähig do tiertem InGaAlP.

Bei einer ersten Variante zur Herstellung eines Bauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird nach dem Auf bringen der aktiven Schichtenfolge 2, die z. B. eine n dotierte und eine p-dotierte InGaAlP-Schicht aufweist, eine oxidierbare leitend dotierte Halbleiterschicht aufgebracht, die beispielsweise aus AlAs besteht. Nachfolgend wird eine elektrisch leitend dotierte strahlungsdurchlässige Halblei terschicht, im vorliegenden Beispielfall eine p-dotierte In- GaAlP-Halbleiterschicht, aufgebracht. In dieser werden dann mittels Ätzen die Kugelsegmente 7 ausgebildet, derart, daß zwischen den Kugelsegmenten 7 die oxidierbare Halbleiter schicht freigelegt ist. In einem Oxidationsprozeß in sauer stoffhaltiger Atmosphäre wird nachfolgend die oxidierbare Schicht von außen nach innen bis auf die vorgesehenen Strom durchlassöffnungen 15 aufoxidiert. Nachfolgend wird der ohm sche Kontakt 23, z. B. in Form einer bekannten Kontaktmetal lisierung, aufgebracht, der im Wesentlichen nur die Ränder der Kugelsegmente 7 bedeckt.

Gemäß einer zweiten Variante zur Herstellung eines Bauele ments gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird nach dem Aufbringen der aktiven Schichtenfolge 2, die z. B. eine n dotierte 26 und eine p-dotierte InGaAlP-Schicht 27 aufweist, auf dieser eine Schichtenfolge mit einem entgegengesetzt zum pn-Übergang 21 der aktiven Schichtenfolge 2 gepolten pn- Übergang aufgebracht. Dazu wird im genannten Beispielfall vorzugsweise auf der p-InGaAlP-Schicht eine p- und dann eine n-dotierte InGaAlP-Schicht durch epitaktisches Wachstum auf gebracht, vorzugsweise ohne die Abscheidung zu unterbrechen. Anschließend wird nach vorheriger Anwendung einer Fotolitho graphie-Technik die n-dotierte InGaAlP-Schicht der Schichten folge mit dem entgegengesetzt gepolten pn-Übergang im Bereich der gewünschten Stromdurchlassöffnung durch Ätzen entfernt. Danach wird auf der freigelegten p-InGaAlP-Schicht und auf der stehengebliebenen n-InGaAlP-Schicht eine p-InGaAlP- Schicht mit einer Dicke D aufgewachsen. In diese wird nach folgend eine Mehrzahl von Halbkugeln 7 geätzt, derart, daß zwischen den Halbkugeln 7 die n-InGaAlP-Schicht freigelegt ist. Anschließend wird der ohmsche p-Kontakt 23 aufgebracht, der im Wesentlichen nur die Kugelränder bedeckt. Der Bondpad 18 wird in gleicher Weise wie bei der oben beschriebenen er sten Variante aufgebracht. Der ohmsche Kontakt 23 und der Bondpad 18 können unmittelbar auf die n-dotierte InGaAlP- Sperrschicht aufgebracht werden. Sollte es erforderlich sein, so kann zum Schutz gegen Durchkontaktieren der Bondpad mit einem isolierenden Oxid, einem isolierenden Nitrid oder mit einer protonenimplantierten, isolierenden Schicht unterlegt sein.

Die Bragg-Reflektor-Schicht 16 ist optional und kann sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als auch bei denen gemäß den Fig. 3 und 5 weggelassen oder bei einem Substrat 1, das für die ausgesandte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, durch eine reflektierende Rückseite des Sub strats 1 ersetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von dem der Fig. 3 im Wesentlichen dadurch, daß an Stelle der Halbkugeln 7 als Strahlungsauskoppelelemente 5 Kegelstümpfe oder Polyeder 24 vorgesehen sind.

Zur Herstellung der Kegelstümpfe oder Polyeder 24 wird bei einem Verfahren der oben beschriebenen zweiten Variante nach dem Herstellen der Stromaperturschicht 14 auf deren n- InGaAlP-Schicht eine Oxidmaske 25 aufgebracht, die so struk turiert und ausgerichtet ist, daß sie um die Stromdurchlaß öffnung 15 herum eine Fläche ausspart, die im Wesentlichen der Größe der Grundfläche der vorgesehenen Kegelstümpfe oder Polyeder 24 entspricht. Durch geeignete Abscheidebedingungen wird nachfolgend auf dem freigelegten p-InGaAlP-Fleck der Stromdurchlaßöffnung 15 und auf der nicht von der Oxidmaske 25 bedeckten Fläche der n-InGaAlP-Schicht der Stromapertur schicht 14 eine p-InGaAlP-Schicht selektiv epitaktisch abge schieden, was heißt, daß auf der Oxidmaske keine epitaktische Abscheidung erfolgt. Die Wachstumsbedingungen werden dabei so gewählt, daß die Kegelstümpfe oder Polyeder 24 entstehen. Nachfolgend wird zwischen den Kegelstümpfen oder Polyedern 24 auf die Oxidmaske 25 ein ohmscher p-Kontakt 23 aufgebracht, der im Wesentlichen nur die Ränder der Kegelstümpfe oder Po lyeder 24 bedeckt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 im Wesentlichen dadurch, daß die Strahlungs auskoppelelemente 5 hier im Wesentlichen jeweils die Form ei ner im Querschnitt rhombischen Säule aufweisen. Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung angeführt, darin, daß Strahlung, die zunächst ausgehend von der Emissionzone 4 mit einem Einfalls winkel auf die Grenzfläche zwischen Strahlungsauskoppelele ment 5 und umgebenden Medium M fällt, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, nach ein- oder mehrfacher To talreflexion letztendlich doch aus dem Bauelement auskoppelt.

Claims

1. Monolithisches elektrolumineszierendes Bauelement, ins besondere LED-Chip, bei dem

- auf einem Substrat (1) eine aktive Schichtenfolge (2) ange ordnet ist, die geeignet ist, bei Stromfluß durch das Bauele ment elektromagnetische Strahlung (3) auszusenden,
- der aktiven Schichtenfolge (2) in einer Abstrahlrichtung (9) des Bauelements eine Strahlungsauskoppelschicht (13) nachgeordnet ist, durch die zumindest ein Teil der elektroma gnetischen Strahlung aus dem Bauelement ausgekoppelbar ist, und bei dem
- an die Strahlungsauskoppelschicht (13) ein Medium angrenzt, dessen Brechungsindex (n_M) kleiner ist als der Brechungsindex (n_S) des Materials der Strahlungsauskoppelschicht (13),

dadurch gekennzeichnet, daß
die aktive Schichtenfolge (2) eine Mehrzahl von in Bezug auf die Abstrahlrichtung (9) nebeneinander angeordnete Emissions zonen (4) aufweist und daß die Strahlungsauskoppelschicht (13) für jede dieser Emissionszonen (4) ein dieser zugeordne tes Strahlungsauskoppelelement (5) aufweist, durch das eine in der zugehörigen Emissionszone (4) erzeugte elektromagneti sche Strahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt wird.

2. Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsauskoppelelemente (5) jeweils die Form ei nes Zylinders (6) aufweisen, dessen Längsmittelachse (AZ) im Wesentlichen parallel zur Abstrahlrichtung (9) liegt, und
daß die Emissionszonen (4) im jeweils zugeordneten Zylinder (6) oder in Abstrahlrichtung (9) des Bauelements gesehen vor dem jeweils zugeordneten Zylinder (6) angeordnet ist.

3. Bauelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionszonen (4) jeweils eine senkrecht zur Mittelachse (AZ) des zugehörigen Zylinders (6) liegende Querschnittsflä che aufweisen, die im Wesentlichen kreisförmig ist und den selben oder einen kleineren Durchmesser als der zugehörige Zylinder (6) aufweist.

4. Bauelement gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der kreisförmigen Querschnittsfläche jeder Emissionszone (4) im Wesentlichen auf der Mittelachse (AZ) des zugehörigen Zylinders (6) liegt.

5. Bauelement gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe und Form der Emissionszonen (4) jeweils mittels ei ner Stromaperturschicht (14) mit einer Stromdurchlassöffnung (15), die kleiner ist als die Querschnittsfläche des zugehö rigen Zylinders (5), definiert ist.

6. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Höhe h_Z jedes Zylinders (6) gilt:
h_Z ≅ 2.tanα_G.(R_Z + R_E)
mit:
α_G: Grenzwinkel der Totalreflexion beim Übergang vom Zylinder (6) zum umgebenden Medium (M)
R_Z: Radius des Zylinders (6)
R_E: Radius der zugehörigen Emissionszone (4)
und daß die Emissionszone (4) im Wesentlichen in halber Höhe (h_Z) des zugehörigen Zylinders (6) angeordnet ist.

7. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Emissionszone (4) gilt:
R_E ≦ R_Z.n_M/n_S
wobei:
R_E: Radius der Emissionszone (4)
n_M: Brechungsindex des umgebenden Mediums (M)
n_S: Brechungsindex des Zylindermaterials
R_Z: Radius des zugehörigen Zylinders (6).

8. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf einer Deckfläche (10) eines jeden Zylinders (6) eine ringförmige Kontaktmetallisierung (11) zur Bestromung der zugehörigen Emissionszonen (4) vorgesehen ist, die am Rand der Deckfläche verläuft, und
daß alle Kontaktmetallisierungen (11) untereinander mittels elektrisch leitender Stege (12) verbunden sind.

9. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei einigen der Zylinder (6) die Kante der Deckfläche (10) abgeschrägt ist.

10. Bauelement gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Strahlungsauskoppelelement (5) im Wesentlichen die Form eines Kugelsegments (7) aufweist und
daß jede der Emissionszonen (4) einen Abstand (d) von einem Scheitelpunkt (S) des jeweils zugehörigen Strahlungsauskoppel elements (5) aufweist, der gleich dem oder größer als der Radius (R_K) des Kugelsegments (7) ist.

11. Bauelement gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Emissionszonen (4) eine senkrecht zu einer Abstrahl richtung des Bauelements liegende Querschnittsfläche auf weist, die im Wesentlichen kreisförmig ist und einen Radius (R_E) aufweist, der gleich dem oder kleiner als der Radius (R_K) des zugehörigen Kugelsegments (7) ist.

12. Bauelement gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den Radius R_E jeder Emissionszone (4) gilt:
R_E ≦ R_K.n_M/n_S
wobei:
R_K: Radius des zugehörigen Kugelsegments (7)
n_M: Brechungsindex des umgebenden Mediums (M)
n_S: Brechungsindex des Kugelsegmentmaterials
und daß der Mittelpunkt (ME) der kreisförmigen Querschnitts fläche der Emissionszone (4) im Wesentlichen auf der Mittel achse (AK) des zugehörigen Kugelsegments (7) liegt.

13. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Emissionszone (4) gilt:
R_K ≦ d ≦ R_K.(1 + n_M/n_S)
mit:
d: Abstand der Emissionszone (4) vom Scheitelpunkt (S) des Kugelsegments (7).

14. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) ganzflächig die aktive Schichtenfolge (2) aufgebracht ist, die eine elektrolumineszierende Schicht aufweist, daß über der aktiven Schichtenfolge (2) eine Stromaperturen schicht (14) aus oxidierbarem Halbleitermaterial angeordnet ist, die bis auf Stromdurchlassöffnungen (15), die die Größe der Emissionszonen (4) in der aktiven Schichtenfolge (2) de finieren, oxidiert und folglich elektrisch isolierend aber für die von den Emissionszonen (4) ausgesandte Strahlung durchlässig ist, und daß über dieser Stromaperturenschicht (14) eine weitere Halb leiterschicht angeordnet ist, in der die Strahlungsauskoppel elemente (5) ausgebildet sind.

15. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) ganzflächig die aktive Schichtenfolge (2) aufgebracht ist, die eine elektrolumineszierende Schicht aufweist, daß über der aktiven Schichtenfolge (2) eine Stromaperturen schicht (14) angeordnet ist, die bis auf Stromdurchlassöff nungen (15), die die Größe der Emissionszonen (4) in der ak tiven Schichtenfolge (2) definieren, einen entgegengesetzt zur Durchlaßrichtung des Bauelements gepolten pn-Übergang aufweist, und daß über dieser Stromaperturenschicht (14) eine weitere Halbleiterschicht angeordnet ist, in der die Strah lungsauskoppelelemente (5) ausgebildet sind.

16. Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlungsauskoppelelement (5) im Wesentlichen die Form einer im Querschnitt rhombischen Säule (8) aufweist.

17. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsauskoppelelemente (5) im Wesentlichen aus Halb leitermaterial bestehen, das für die von dem Bauelement aus gesandte Strahlung durchlässig ist, und mittels herkömmlicher naß- oder trockenchemischer Ätzverfahren monolithisch erzeugt sind.

18. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9 oder 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen den Strahlungsauskoppelelementen (5) vorhandene Oberfläche des Bauelements reflektierend ausgebildet ist.

19. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (6) mittels ganzflächigem epitaktischem Aufbrin gen der aktiven Schichtenfolge (2), einer Stromaperturschicht (14) und einer Kontaktschicht (17) auf das Substrat (1) und nachfolgender Fotolithographie-Technik und Ätzen hergestellt werden.

20. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst auf das Substrat (1) eine Maskenschicht aufgebracht wird, in die nachfolgend mittels Fotolithographie-Technik und Ätzen kreisrunde Fenster geätzt werden,
daß in diesen Fenstern nachfolgend jeweils die aktive Schich tenfolge (2), eine Stromaperturschicht (14) und eine Kontakt schicht (17) epitaktisch abgeschieden werden, wobei die Mas kenschicht hierbei so gewählt wird, daß auf dieser im Wesent lichen keine epitaktische Abscheidung des Materials der akti ven Schichtenfolge (2), der Stromaperturschicht (14) und der Kontaktschicht (17) erfolgt.

21. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß einem Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromaperturschicht (14) eine oxidierbare Schicht verwen det wird, die nach dem Herstellen der Zylinder (6) mittels Tempern in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre von außen nach innen bis auf die gewünschten Stromdurchlassöffnungen (15) oxidiert und damit elektrisch isolierend gemacht wird.

22. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß einem Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aktive Schichtenfolge (2) mit dem elektrolumineszierenden pn- Übergang (21) ein entgegengesetzt zum pn-Übergang (21) der aktiven Schichtenfolge (2) gepolter pn-Übergang aufgebracht wird, in den zum Herstellen der Stromdurchlassöffnung (15) vor dem Aufbringen der Kontaktschicht (17) mittels Fotolitho graphie-Technik und Ätzen ein Fenster geätzt wird, das die Stromdurchlassöffnung (15) definiert.

23. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (6) mittels ganzflächigem epitaktischem Aufbrin gen der aktiven Schichtenfolge (2), Herstellen der Emissions zonen (4) in der aktiven Schichtenfolge (2) mittels Ionenim plantation, Aufbringen einer Kontaktschicht (17) auf das Sub strat (1) und nachfolgender Fotolithographie- und Ätztechnik hergestellt werden.

24. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der aktiven Schichtenfolge (2) auf das Substrat (1) eine oxidierbare leitend dotierte Halbleiter schicht aufgebracht wird, daß auf diese eine elektrisch lei tend dotierte strahlungsdurchlässige Halbleiterschicht aufge bracht wird, daß in dieser mittels Ätzen Kugelsegmente (7) ausgebildet werden, derart, daß zwischen den Kugelsegmenten (7) die oxidierbare Halbleiterschicht freigelegt ist, und daß in einem Oxidationsprozeß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre nachfolgend die oxidierbare Schicht von außen nach innen bis auf die Stromdurchlassöffnungen (15) aufoxidiert wird.

25. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß Anspruch 1 und Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsauskoppelelemente (5) Kegelstümpfe oder Po lyeder (24) vorgesehen sind, zu deren Herstellung nach dem Herstellen der Stromaperturschicht (14) auf dieser eine Oxid maske (25) aufgebracht wird, die so strukturiert und ausge richtet wird, daß sie um die Stromdurchlaßöffnungen (15) her um eine Flächen aussparen, die im Wesentlichen der Größe der Grundfläche der vorgesehenen Kegelstümpfe oder Polyeder (24) entsprechen, daß nachfolgend auf der nicht von der Oxidmaske (25) bedeckten Fläche der Stromaperturschicht (14) unmittel bar die Kegelstümpfe oder Polyeder (24) selektiv abgeschieden werden.