DE10059532A1 - Semiconductor chip for use with a luminous diode in optoelectronics, has an active layer with a zone to emit photons fixed on a fastening side on a carrier body - Google Patents
Semiconductor chip for use with a luminous diode in optoelectronics, has an active layer with a zone to emit photons fixed on a fastening side on a carrier bodyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterchip für die Optoelek tronik mit einer aktiven Schicht, die eine Photonen emittie rende Zone aufweist und die auf einer Befestigungsseite an ei nem Trägerkörper angebracht ist.The invention relates to a semiconductor chip for the optoelek electronics with an active layer that emits a photon rende Zone and the egg on a mounting side Nem carrier body is attached.
Derartige in Dünnschichttechnik hergestellte Halbleiterchips sind aus der EP 0 905 797 A2 bekannt. Zur Herstellung des be kannten Halbleiterchips wird üblicherweise eine aktive Schicht auf einem Substrat durch ein Epitaxieverfahren aufgebracht. Auf der Oberseite der aktiven Schicht wird daraufhin ein Trä gerkörper befestigt und das Substrat entfernt. Vorteilhafter weise befindet sich zwischen dem Trägerkörper und der aktiven Schicht eine metallische Reflexionsschicht, so daß kein Licht vom Trägerkörper absorbiert wird. Die bekannten Halbleiter chips eignen sich insbesondere für Anwendungen, in denen eine hohe optische Leistung erforderlich ist.Such semiconductor chips manufactured using thin-film technology are known from EP 0 905 797 A2. To manufacture the be Known semiconductor chips usually become an active layer applied to a substrate by an epitaxial process. A tear is then placed on top of the active layer body attached and the substrate removed. Favorable is located between the carrier body and the active one Layer a metallic reflective layer so that no light is absorbed by the carrier body. The well-known semiconductors chips are particularly suitable for applications in which a high optical performance is required.
Ein Nachteil der bekannten, in Dünnschichttechnik hergestell ten Halbleiterchips ist, daß die zwischen Trägerkörper und der aktiven Schicht angeordnete metallische Reflexionsschicht bei kurzen Wellenlängen im allgemeinen keine zufriedenstellende Reflektivität aufweisen. Insbesondere bei einer Wellenlänge von weniger als 600 nm wird Gold als metallische Reflexions schicht immer ineffizienter, da die Reflektivität signifikant abnimmt. Bei Wellenlängen unterhalb von 600 nm können bei spielsweise die Elemente Al und Ag verwendet werden, deren Re flektivität bei Wellenlängen kleiner 600 nm vergleichsweise konstant bleibt.A disadvantage of the known thin-film technology ten semiconductor chips is that between the carrier body and the active layer arranged metallic reflection layer short wavelengths are generally not satisfactory Have reflectivity. Especially at one wavelength of less than 600 nm, gold is considered a metallic reflection layer increasingly inefficient because the reflectivity is significant decreases. At wavelengths below 600 nm at for example, the elements Al and Ag are used, the Re Flexivity at wavelengths less than 600 nm comparatively remains constant.
Außerdem können große Flächen, wie die metallische Reflexions schicht, nur schwer gebondet werden. Durch das Bonden und das Legieren der metallischen Kontaktschicht wird außerdem die Qualität der metallischen Reflexionsschicht im allgemeinen be einträchtigt.It can also cover large areas, such as metallic reflections layer, difficult to bond. By bonding and that Alloying the metallic contact layer is also the Quality of the metallic reflection layer in general be impaired.
Weiter ist aus der DE 198 07 758 A1 ein pyramidenstumpfförmi ger Halbleiterchip bekannt, der eine aktive, Licht emittieren de Zone zwischen einer oberen Fensterschicht und einer unteren Fensterschicht aufweist. Die obere Fensterschicht und die un tere Fensterschicht bilden zusammen einen pyramidenstumpfför migen Grundkörper. Die schräge Ausrichtung der Seitenwände der Fensterschichten bewirkt, daß das von der aktiven Zone ausge hende Licht an den Seitenflächen totalreflektiert wird und na hezu rechtwinklig auf die als Leuchtfläche dienende Basisflä che des pyramidenstumpfförmigen Grundkörpers auftrifft. Da durch tritt ein Teil des von der aktiven Zone emittierten Lichts innerhalb des Austrittkegels des Halbleiterelements auf die Oberfläche. Unter Austrittskegel soll in diesem Zusammen hang der Kegel der Lichtstrahlen verstanden werden, deren Ein fallswinkel kleiner als der kritische Winkel für die Totalre flexion ist und die daher nicht totalreflektiert werden. Um zu einer signifikanten Steigerung der Lichtausbeute zu kommen, setzt dieses Konzept eine Mindestdicke für die obere und unte re Fensterschicht voraus. Bei dem bekannten pyramidenstumpf förmigen Halbleiterelement beträgt die Dicke der oberen und unteren Fensterschicht wenigstens 50,8 µm (2 Millizoll). Eine derartige Schichtdicke ist noch im Bereich des Machbaren. Falls jedoch die Leistung des bekannten Halbleiterchips erhöht werden soll, ist es erforderlich, sämtliche Abmessungen zu skalieren. Dabei ergeben sich rasch Schichtdicken, die nur un ter hohem Aufwand auf epitaktischem Wege herstellbar sind. Der bekannte Halbleiterchip ist daher nicht ohne weiteres skalier bar.DE 198 07 758 A1 is also a truncated pyramid ger semiconductor chip known to be an active, emit light de Zone between an upper window layer and a lower one Has window layer. The upper window layer and the un Tere window layer together form a truncated pyramid basic body. The sloping orientation of the side walls of the Window layers cause that from the active zone light is totally reflected on the side surfaces and na so at right angles to the base area serving as a luminous area surface of the truncated pyramid-shaped body. because passes through part of that emitted by the active zone Light within the exit cone of the semiconductor element the surface. In this cone under the outlet cone hang the cone of light rays are understood, their on Fall angle smaller than the critical angle for the totalre is inflection and is therefore not totally reflected. In order to a significant increase in the light output, this concept sets a minimum thickness for the top and bottom re window layer ahead. In the well-known truncated pyramid shaped semiconductor element is the thickness of the top and lower window layer at least 50.8 µm (2 mils). A such a layer thickness is still within the realm of feasibility. However, if the performance of the known semiconductor chip increases , it is necessary to measure all dimensions scale. This quickly results in layer thicknesses that are only un high expenditure can be produced epitaxially. The Known semiconductor chip is therefore not easily scalable bar.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen in Dünnschichttechnik herstellbaren Halbleiterchip mit verbesserter Lichtauskopplung zu schaffen. Based on this prior art, the invention lies Based on the task of producing a thin-film technology To create semiconductor chip with improved light decoupling.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß danach gelöst, daß in die aktive Schicht von der Befestigungsseite her eine Ausnehmung eingebracht ist, deren Querschnittsfläche mit zunehmender Tie fe abnimmt.This object is achieved according to the invention in that active layer from the mounting side a recess is introduced, the cross-sectional area with increasing Tie fe decreases.
Durch Ausnehmungen kann die Befestigungsseite des Halbleiter chips wesentlich verkleinert werden, so daß das Bonden der ak tiven Schicht auf dem Trägerkörper problemlos durchgeführt werden kann. Durch die Ausnehmungen werden außerdem Seitenflä chen geschaffen, an denen ein Teil der von der aktiven Zone emittierten Photonen so reflektiert wird, daß die Photonen in nerhalb des Austrittkegels auf die der Befestigungsfläche ge genüberliegende Austrittsfläche der aktiven Schicht auftref fen. Bei dem Halbleiterchip gemäß der Erfindung wird gewisser maßen die Reflexion an der durchgehenden Reflexionsschicht durch die Reflexion an den Seitenflächen der Ausnehmungen er setzt.The mounting side of the semiconductor can be cut out chips are significantly reduced so that the bonding of the ak tive layer on the carrier body performed easily can be. The recesses are also side surfaces Chen created part of which is from the active zone emitted photons is reflected so that the photons in within the outlet cone on the ge of the mounting surface the opposite exit surface of the active layer fen. The semiconductor chip according to the invention is more certain measured the reflection on the continuous reflective layer by reflection on the side surfaces of the recesses puts.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Ausnehmungen so tief, daß die aktive Zone der aktiven Schicht durch die in die aktive Schicht von der Befestigungsseite her eingebrachte Ausnehmung unterbrochen ist.In one embodiment of the invention, the recesses are so deep that the active zone of the active layer through the in the active layer from the mounting side Recess is interrupted.
Es hat sich gezeigt, daß Halbleiterchips, deren aktive Zone durch eine in die aktive Schicht von der Befestigungsseite her eingebrachte Ausnehmung unterbrochen ist, eine besonders hohe Lichtausbeute aufweisen. Denn in diesem Fall werden nicht nur die zur Befestigungsseite hin emittierten Photonen, sondern auch die zur Austrittsfläche der aktiven Schicht hin emittier ten Photonen durch Reflexion an den Seitenflächen der Ausneh mung in einen großen Winkel zur Austrittsfläche gebracht.It has been shown that semiconductor chips whose active zone through an into the active layer from the mounting side inserted recess is interrupted, a particularly high Have luminous efficacy. Because in this case, not only the photons emitted towards the mounting side, but also emit towards the exit surface of the active layer th photons by reflection on the side surfaces of the recess brought into a large angle to the exit surface.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind durch die Ausnehmungen Erhebungen auf einer Verbindungsschicht der aktiven Schicht gebildet. In a preferred embodiment of the invention are through the recesses bumps on a connecting layer of the active layer formed.
Derartige Erhebungen wirken als Kollimatoren, die die Trajekt orien der von der aktiven Zone emittierten Photonen nahezu im rechten Winkel zu der Austrittsfläche des Halbleiterchips aus richten. Dadurch trifft ein Großteil der emittierten Photonen innerhalb des Austrittskegels auf die Austrittsfläche auf und kann den Halbleiterchip verlassen.Such surveys act as collimators that the trajectory orien of the photons emitted by the active zone almost in right angle to the exit surface of the semiconductor chip judge. As a result, a large part of the emitted photons hits within the exit cone on the exit surface on and can leave the semiconductor chip.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verbin dungsschicht so ausgebildet, daß wenigstens eine Trajektorie der von der aktiven Zone emittierten Photonen von der jeweili gen Erhebung zu einer der benachbarten Erhebungen führt.In a further preferred embodiment, the verb is layer formed so that at least one trajectory the photons emitted by the active zone from the respective leads to one of the neighboring surveys.
Durch die optische Kopplung der Erhebungen können Photonen, die nicht an einer der Seitenflächen der ursprünglichen Erhe bung reflektiert worden sind, in eine der benachbarten Erhe bungen gelangen und dort an den Seitenflächen der jeweiligen Erhebung so reflektiert werden, daß sie innerhalb des Aus trittskegels auf die Austrittsfläche treffen.By optically coupling the elevations, photons, which is not on one of the side faces of the original heir have been reflected in one of the neighboring elevations exercises and there on the side surfaces of the respective Elevation are reflected so that they are within the off hit the taper on the exit surface.
Ferner sind bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung die Erhebungen mit konkaven Seitenflächen ausgestattet.Furthermore, in an advantageous embodiment, the inventor the elevations are equipped with concave side surfaces.
Durch diese Maßnahmen werden Photonen, die an der Austritts fläche zunächst reflektiert werden mit jeder weiteren Reflexi on an der Seitenfläche der Erhebungen zunehmend aufgestellt, so daß sie schließlich innerhalb des Austrittskegels auf die Austrittsfläche treffen.Through these measures, photons that are at the exit surface are first reflected with each additional reflex one increasingly placed on the side surface of the elevations, so that they finally hit the inside of the exit cone Hit exit surface.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Erhe bungen mit einer Reflexionsschicht bedeckt.In a further preferred embodiment, the ridges exercises covered with a reflective layer.
Durch diese Maßnahme werden sämtliche auf die Seitenfläche der Erhebungen treffenden Lichtstrahlen in Richtung auf die Aus trittsseite des Halbleiterchips gelenkt.By this measure, all are on the side of the Raised light rays towards the Aus steered side of the semiconductor chip.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche. Further advantageous refinements are the subject of pending claims.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the beige added drawing explained. Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip gemäß der Erfindung; Fig. 1 shows a cross section through a semiconductor chip according to the invention;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines Halbleiterchips gemäß der Erfindung, bei dem die aktive Zone je weils innerhalb von pyramidenstumpfförmigen Erhebungen angeordnet ist; Fig. 2 shows a cross section through a further exporting approximately example of a semiconductor chip according to the invention, wherein the active zone is disposed within each weils truncated pyramid-shaped projections;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip gemäß der Erfindung, der mit Erhebungen aus gestattet ist, die konkave Seitenflächen aufweisen; Fig. 3, have a cross-section through a semiconductor chip according to the invention, which is equipped with projections of the concave side surfaces;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Steigerung der Licht ausbeute bei dem Halbleiterchips gemäß der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterchips zeigt; Fig. 4 is a diagram showing the increase in light yield in the semiconductor chip according to the invention compared to conventional semiconductor chips;
Fig. 5 ein Querschnittsprofil einer Erhebung, die sich aus einem unteren flachen Kegelstumpf und einem oberen steilen Kegelstumpf zusam mensetzt; Figure 5 is a cross-sectional profile of a survey composed of a lower flat truncated cone and an upper steep truncated cone.
Fig. 6a bis 6d verschiedene Querschnittsprofile von Erhe bungen und ein Diagramm, das die Abhängig keit der Auskoppeleffizienz vom Radius der Grenzfläche zwischen dem unteren Pyramiden stumpf und dem oberen Pyramidenstumpf der Erhebung aus Fig. 5 zeigt; . Figs. 6a to 6d environments and various cross-sectional profiles of Erhe a diagram showing the dependence of the outcoupling efficiency ness of radius of the interface between the lower truncated pyramid and the upper truncated pyramid of the survey of Figure 5;
Fig. 7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus koppeleffizienz von der Reflektivität einer auf der Spitze der Erhebung aus Fig. 5 an geordneten Kontaktschicht zeigt; FIG. 7 is a diagram showing the dependency of the coupling efficiency on the reflectivity of an ordered contact layer on the top of the elevation from FIG. 5;
Fig. 8 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz von der Reflektivität der Seitenflächen der Erhebung aus Fig. 5 dar gestellt ist; FIG. 8 shows a diagram in which the dependency of the coupling-out efficiency on the reflectivity of the side surfaces of the elevation from FIG. 5 is shown;
Fig. 9 ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwi schen Auskoppeleffizienz und Größe eines Leuchtflecks in der aktiven Zone hervorgeht; Figure 9 is a diagram showing the relationship between coupling efficiency and size of a light spot in the active zone.
Fig. 10a bis 10d verschiedene Querschnittsprofile einer Erhe bung, bei der die Höhe der aktiven Zone va riiert ist und ein Diagramm, in dem die Aus koppeleffizienz in Abhängigkeit von der Dic ke einer unteren Begrenzungsschicht darge stellt ist; Figures 10a to 10d bung various cross-sectional profiles of a Erhe, wherein the height of the active zone is mainly riiert and a graph in which the off coupling efficiency as a function of Dic ke a lower confinement layer is Darge provides.
Fig. 11 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus koppeleffizienz vom Flankenwinkel der Sei tenflächen einer Erhebung mit dem im Fig. 10b dargestellten Querschnittsprofil zeigt; FIG. 11 is a diagram showing the dependence of the coupling efficiency from the flank angle of the Be a survey tenflächen with the cross-sectional profile shown in Figure 10b shows.
Fig. 12 ein weiteres Diagramm, in dem die Abhängig keit der Auskoppeleffizienz vom Flankenwin kel einer Erhebung mit dem Querschnittspro fil aus Fig. 10b dargestellt ist; FIG. 12 shows a further diagram in which the dependency of the coupling-out efficiency on the flank angle of a survey with the cross-sectional profile from FIG. 10 b is shown;
Fig. 13 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus koppeleffizienz von der Breite der aktiven Schicht bei gleichbleibender Höhe veran schaulicht; und FIG. 13 is a diagram illustrating the dependence of the coupling efficiency from the width of the active layer at a constant height veran; and
Fig. 14 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus kopplungseffizienz von der Dicke einer die Erhebung verbindenden Verbindungsschicht für verschiedene Profile der Erhebungen zeigt. Fig. 14 shows the thickness of a a diagram showing the dependence of the coupling efficiency from the collection linking compound layer for different profiles of the protrusions.
Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterchip für eine Lumines zenzdiode weist einen Trägerkörper 1 auf, auf dem die aktive Schicht 2 angebracht ist. Der Deutlichkeit halber ist in Fig. 1 die Dicke der aktiven Schicht 2 im Verhältnis zu der Dicke des Trägerkörpers 1 übertrieben gezeichnet. Die aktive Schicht 2 weist eine Photonen emittierende, aktive Zone 3 auf, die je weils auf einer mittleren Höhe in Erhebungen 4 ausgebildet ist. Die Erhebungen 4 können pyramidenstumpfartig oder kegel stumpfartig ausgebildet sein. Der Halbleiterchip stellt somit eine Lumineszenzdiode dar.The semiconductor chip shown in FIG. 1 for a luminescent diode has a carrier body 1 on which the active layer 2 is attached. For the sake of clarity, the thickness of the active layer 2 in relation to the thickness of the carrier body 1 is exaggerated in FIG. 1. The active layer 2 has a photon-emitting, active zone 3 , each of which is formed in elevations 4 at a medium height. The elevations 4 can have the shape of a truncated pyramid or a truncated cone. The semiconductor chip thus represents a luminescent diode.
Die Erhebungen 4 sind auf einer Verbindungsschicht 5 angeord net, die auf einer flachen Vorderseite 6 eine zentrale vorder seitige Kontaktstelle 7 aufweist, die von einer Metallisie rungsschicht gebildet ist. Die rückseitigen, von Ausnehmungen 8 gebildeten Erhebungen 4 sind mit einer Reflexionsschicht be deckt, die aus einer dielektrischen Isolierschicht 9 und einer darauf aufgebrachten Metallisierungsschicht 10 besteht. Die Isolierschicht 9 ist entlang einer Grundfläche 11 der Erhebun gen 4 durch Durchkontaktierungen 12 unterbrochen, die von me tallisierten Abschnitten gebildet werden.The elevations 4 are net angeord on a connection layer 5 , which has a central front-side contact point 7 on a flat front 6 , which is formed by a metallization layer. The rear elevations 4 formed by recesses 8 are covered with a reflection layer, which consists of a dielectric insulating layer 9 and a metallization layer 10 applied thereon. The insulating layer 9 is interrupted along a base 11 of the Erhebun gene 4 by vias 12 , which are formed by me tallized sections.
Zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterchips wird zunächst auf einem Grundsubstrat die aktive Schicht 2 epitaktisch aufgewachsen. Die aktive Schicht 2 kann beispiels weise auf der Basis von InGaAlP hergestellt werden. Dabei wird zunächst die Verbindungsschicht 5 auf dem Grundsubstrat aus gebildet und anschließend mit einer Konzentration oberhalb von 1018 cm-3 dotiert, um eine gute Leitfähigkeit der Verbindungs schicht 5 zu gewährleisten. Denn eine gute Leitfähigkeit der Verbindungsschicht 5 ist Voraussetzung dafür, daß auf der Vor derseite 6 eine zentrale Kontaktstelle 7 für die Versorgung der aktiven Zone 3 mit Strom genügt. Außerdem ist die Zusam mensetzung der Verbindungsschicht 5 so gewählt, daß sie für die in der aktiven Zone erzeugten Photonen transparent ist. Dies läßt sich üblicherweise über eine Einstellung der Band lücke durch die Zusammensetzung des Materials der Verbindungs schicht 5 bewerkstelligen.To produce the semiconductor chip shown in FIG. 1, the active layer 2 is first grown epitaxially on a base substrate. The active layer 2 can, for example, be produced on the basis of InGaAlP. Here, the connection layer is first formed on the base substrate of 5, and then doped with a concentration above 10 18 cm -3 to maintain a good conductivity of the interconnect layer to ensure. 5 Because a good conductivity of the connection layer 5 is a prerequisite for that on the front side 6 a central contact point 7 is sufficient for supplying the active zone 3 with current. In addition, the composition of the connecting layer 5 is selected so that it is transparent to the photons generated in the active zone. This can usually be done by adjusting the band gap through the composition of the material of the connecting layer 5 .
Anschließend wird eine weitere Schicht auf der Verbindungs schicht 5 aufgebracht, in die die Erhebungen 4 mit geeigneten naß- oder trockenchemischen Ätzverfahren eingebracht werden. Derartige Ätzverfahren sind bekannt und sind nicht Gegenstand der Anmeldung. Die Erhebungen 4 werden vorzugsweise in den für die Halbleiterchips vorgesehene Bereichen ausgebildet. Dies sind Bereich mit typischen Außenabmessungen von 400 × 400 µm2. Die Erhebungen 4 weisen Außenabmessungen auf, die im Bereich der Schichtdicke der aktiven Schicht 2 liegen. Die Au ßenabmessungen der Erhebungen 4 liegen daher im Bereich von 10 µm.A further layer is then applied to the connecting layer 5 , into which the elevations 4 are introduced using suitable wet or dry chemical etching processes. Such etching processes are known and are not the subject of the application. The elevations 4 are preferably formed in the areas provided for the semiconductor chips. These are areas with typical external dimensions of 400 × 400 µm 2 . The elevations 4 have external dimensions that lie in the region of the layer thickness of the active layer 2 . The outer dimensions of the elevations 4 are therefore in the range of 10 microns.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Abscheiden der Isolierschicht 9 auf den Erhebungen 4 und das Ausbilden der Durchkontaktierungen 12. Danach wird die Metalli sierungsschicht 10 aufgebracht.In a further method step, the insulating layer 9 is deposited on the elevations 4 and the through-contacts 12 are formed . Then the metallization layer 10 is applied.
Anschließend wird die aktive Schicht 3 entsprechend der vorge sehenen Zahl von Halbleiterchips aufgetrennt. Dies erfolgt beispielsweise durch Naßätzen.The active layer 3 is then separated in accordance with the number of semiconductor chips provided. This is done, for example, by wet etching.
Dann werden die vereinzelten aktiven Schichten am Trägerkörper 1 beispielsweise durch eutektisches Bonden befestigt und das Grundsubstrat durch Naßätzen entfernt. Abschließend werden die Kontaktstellen 7 auf der freigelegten Vorderseite der aktiven Schicht 2 ausgebildet und die Halbleiterchips durch Trennen des Trägerkörpers 1 vereinzelt.Then the separated active layers are attached to the carrier body 1, for example by eutectic bonding, and the base substrate is removed by wet etching. Finally, the contact points 7 are formed on the exposed front side of the active layer 2 and the semiconductor chips are separated by separating the carrier body 1 .
Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterchip weist den Vorteil auf, daß die von der aktiven Zone 3 erzeugten Photonen nicht auf Komponenten des Halbleiterchips treffen, die diese absorbieren. Denn durch die Metallisierungsschicht 10 werden die Photonen vom Trägerkörper 1 ferngehalten.The semiconductor chip shown in FIG. 1 has the advantage that the photons generated by the active zone 3 do not strike components of the semiconductor chip which absorb them. Because the metallization layer 10 keeps the photons away from the carrier body 1 .
Ein weiterer Vorteil ist, daß bei dem Halbleiterchip aus Fig. 1 ein Großteil der von der aktiven Zone 3 emittierten Photonen an Seitenflächen 13 der Erhebungen 4 totalreflektiert wird. Die an den Seitenflächen 13 totalreflektierten Photonen tref fen auf die Vorderseite 6 unter einem großen Winkel. Insbeson dere trifft ein Teil der Photonen, der ohne Reflexion an den Seitenflächen 13 an der Vorderseite totalreflektiert würde, auf die Vorderseite 6 innerhalb des Austrittskegels und kann daher den Halbleiterchip verlassen. Bei dem Halbleiterchip ge mäß Fig. 1 wird daher die Reflexion an der aus dem Stand der Technik bekannten durchgehenden Grundfläche zumindest teilwei se durch die Totalreflexion an den Seitenflächen 13 ersetzt. Daher weist der Halbleiterchip aus Fig. 1 im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterchips ohne Ausnehmungen 8 eine nahezu um den Faktor 2 gesteigerte Lichtausbeute auf.Another advantage is that in the semiconductor chip from FIG. 1, a large part of the photons emitted by the active zone 3 is totally reflected on side surfaces 13 of the elevations 4 . The photons totally reflected on the side surfaces 13 hit the front side 6 at a large angle. In particular, a portion of the photons that would be totally reflected without reflection on the side surfaces 13 on the front side, meets the front side 6 within the exit cone and can therefore leave the semiconductor chip. In the semiconductor chip accelerator as Fig. 1 is therefore se by the total reflection at the side surfaces 13 at least teilwei replaces the reflection at the known from the prior art solid base. Therefore, in comparison to conventional semiconductor chips without recesses 8 , the semiconductor chip from FIG. 1 has a light yield that is increased by a factor of almost two.
Der beschriebene Effekt sei im folgenden anhand der in der Fig. 2 und 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.The effect described is explained in detail below with reference to the further exemplary embodiments shown in FIGS. 2 and 3.
Betrachtet seien eine Reihe von Lichtstrahlen, wobei der Be griff Lichtstrahlen nicht als eine Einschränkung auf eine be stimmte Wellenlänge, sondern als Bezugnahme auf die Methoden der geometrischen Optik, unabhängig von der Wellenlänge, ver standen werden soll.A number of light beams are considered, the Be did not take light rays as a limitation to one tuned wavelength, but as a reference to the methods the geometric optics, regardless of the wavelength, ver should be standing.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Er hebungen 4 pyramidenstumpfförmig ausgebildet und lediglich an der Grundfläche 11 der Erhebungen 4 über eine Kontaktschicht 14 am Trägerkörper 1 befestigt. Durch die Kontaktschicht 14 wird die aktive Zone 3 mit Strom versorgt.In the example shown in Fig. 2 embodiment, the He surveys formed truncated pyramid 4 and attached only to the base surface 11 of the elevations 4 via a contact layer 14 on the carrier body 1. The active zone 3 is supplied with current through the contact layer 14 .
Aufgrund der großen Differenz zwischen den Brechungsindizes von Halbleitern zu Gießharz von typischerweise 3,5 zu Werten von typischerweise 1,5 können an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Gießharz nur Lichtstrahlen aus dem Halbleiter auskoppeln, die innerhalb eines Austrittskegels mit einem Öff nungswinkel von etwa 16° auf die Grenzfläche auftreffen. Bei einem winkelmäßig gleich verteilten Einfall der Lichtstrahlen entspricht dies etwa 2% der auf eine Flächeneinheit einfallen den Lichtstrahlen.Because of the large difference between the refractive indices from semiconductors to cast resin of typically 3.5 to values of typically 1.5 can be found at the interface between Semiconductors and cast resin only light rays from the semiconductor decouple that within an exit cone with an opening angle of about 16 ° to the interface. at incidence of the light rays evenly distributed over the angle this corresponds to about 2% of the area unit the rays of light.
Durch die Erhebungen 4 werden die von der aktiven Schicht 2 ausgehende Lichtstrahlen in Richtung auf die Vorderseite 6 ge lenkt. Die Erhebungen 4 wirken daher als Kollimatoren, in de ren Brennfläche sich die aktive Zone 3 befindet. Die Erhebun gen 4 bewirken, daß die auf die Seitenflächen 13 auftreffenden Lichtstrahlen in Richtung auf die Vorderseite 6 aufgestellt werden und dort innerhalb des Austrittskegels auftreffen, so daß sie den Halbleiterchip verlassen können. Die Lichtausbeute kann dabei durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Grundfläche 11, des Neigungswinkels der Seitenfläche 13 und der Höhe der Erhebungen 4 sowie die Lage der aktiven Zone 3 optimiert werden.Through the elevations 4 , the light rays emanating from the active layer 2 are directed in the direction of the front side 6 . The elevations 4 therefore act as collimators in which the active zone 3 is located in the focal surface. The Erhebun gene 4 cause that the incident on the side surfaces 13 light rays are set up in the direction of the front 6 and hit there within the exit cone, so that they can leave the semiconductor chip. The light output can be optimized by a suitable choice of the dimensions of the base 11 , the angle of inclination of the side surface 13 and the height of the elevations 4 and the position of the active zone 3 .
In Fig. 2 ist ein Lichtstrahl 15 gezeigt, der zunächst an der Seitenfläche 13 totalreflektiert und von dort zur Vorderseite 6 gelenkt wird. Auf der Vorderseite 6 trifft der Lichtstrahl 15 innerhalb des Austrittskegels auf die Grenzfläche auf und kann daher den Halbleiterchip verlassen. Ohne die Totalrefle xion an der Seitenfläche 13 wäre der Lichtstrahl 15 an der Vorderseite 6 totalreflektiert und zu einer der aus dem Stand der Technik bekannten Reflexionsschichten zurückgelenkt wor den, wo er erneut reflektiert worden wäre. Insofern wird bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Reflexion an der herkömmlichen durchgehenden Reflexionsschicht durch die Reflexion an den Seitenflächen 13 ersetzt.A light beam 15 is shown in FIG. 2, which is initially totally reflected on the side surface 13 and is directed from there to the front side 6 . On the front 6 , the light beam 15 strikes the interface within the exit cone and can therefore leave the semiconductor chip. Without the total reflection on the side surface 13 , the light beam 15 would have been totally reflected on the front side 6 and redirected back to one of the reflection layers known from the prior art, where it would have been reflected again. In this respect, in the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the reflection on the conventional continuous reflection layer is replaced by the reflection on the side surfaces 13 .
Dies gilt auch für einen Lichtstrahl 16, der zunächst an der Grundfläche 11 und dann an der Seitenfläche 13 reflektiert wird. Auch der Lichtstrahl 16 wird nach der zweiten Reflexion zu der Vorderseite 6 gelenkt, wo er innerhalb des Austrittske gels auftrifft. Ohne die Reflexion an der Seitenfläche 13 wäre der Lichtstrahl 16 ebenfalls an der Vorderseite 6 totalreflek tiert und zu einer rückseitigen Reflexionsschicht zurückge lenkt worden.This also applies to a light beam 16 , which is first reflected on the base surface 11 and then on the side surface 13 . Also, the light beam 16 is directed to the front 6 after the second reflection, where it strikes within the exit gate. Without the reflection on the side surface 13 , the light beam 16 would also have been totally reflected on the front side 6 and would have been deflected back to a rear reflection layer.
Von Vorteil ist ferner, daß die Erhebungen 4 über die Verbin dungsschicht 5 optisch gekoppelt sind. Unter der optischen Kopplung soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, daß wenigstens einer der von der aktiven Schicht 2 ausgehenden Lichtstrahlen über eine Mittellinie 17 hinweg von dem Bereich einer der Erhebungen 4 in den Bereich einer der benachbarten Erhebungen 4 gelangen kann. Denn durch die optische Kopplung mit Hilfe der Verbindungsschicht 5 kann ein Lichtstrahl 18, der nicht auf eine der Seitenflächen 13 der jeweiligen Erhe bungen 4 trifft, auf eine der Seitenflächen 13 einer der be nachbarten Erhebungen 4 treffen und dort zur Vorderseite 6 ge lenkt werden, wo er innerhalb des Austrittskegels auftrifft. Durch die optische Kopplung über die Verbindungsschicht 5 wird daher die Lichtausbeute weiter gesteigert.It is also advantageous that the elevations 4 are optically coupled via the connec tion layer 5 . In this context, optical coupling is to be understood to mean that at least one of the light beams emanating from the active layer 2 can pass over a center line 17 from the area of one of the elevations 4 to the area of one of the adjacent elevations 4 . Because through the optical coupling with the aid of the connecting layer 5 , a light beam 18 , which does not strike one of the side surfaces 13 of the respective elevations 4 , can hit one of the side surfaces 13 of one of the adjacent elevations 4 and be directed there to the front 6 where it hits inside the exit cone. The light output is therefore further increased by the optical coupling via the connection layer 5 .
In Fig. 3 ist schließlich ein Querschnitt durch ein abgewan deltes Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips dargestellt, bei dem die Erhebungen 4 kegelstumpfförmig mit konkaven Sei tenflächen 13 ausgebildet sind. Die Ausgestaltung der Seiten flächen 13 führt dazu, daß ein zwischen der Vorderseite 6 und der Seitenfläche 13 hin und her reflektierter Lichtstrahl 18 bei Annäherung an die Mittellinie 17 zunehmend aufgestellt wird, bis er innerhalb des Austrittskegels auf die Vorderseite 6 auftrifft. Das gleiche gilt für Lichtstrahlen 9, die zu nächst über die Verbindungsschicht 5 von jeweils einer Erhe bung 4 zur benachbarten Erhebung 4 gelangen und dort in einem großen Winkel zur Vorderseite 6 gebracht werden.In Fig. 3, finally, a cross section through a variant of the semiconductor chip is shown, in which the elevations 4 are frustoconical with concave side surfaces 13 are formed. The design of the side surfaces 13 leads to a light beam 18 which is reflected back and forth between the front side 6 and the side surface 13 being increasingly set up as it approaches the center line 17 until it strikes the front side 6 within the exit cone. The same applies to light rays 9 , which first pass through the connecting layer 5 from one elevation 4 to the adjacent elevation 4 and are brought to the front 6 there at a large angle.
In Fig. 4 ist schließlich ein Diagramm dargestellt, in dem eine Meßkurve 20 die Abhängigkeit der Lichtausbeute in relati ven Einheiten vom Betriebsstrom bei Pulsbetrieb für eine herkömmliche, in Dünnfilmtechnik hergestellte Leuchtdiode dar stellt. Eine weitere Meßkurve 21 veranschaulicht die Abhängig keit der Lichtausbeute in relativen Einheiten in Abhängigkeit vom Betriebsstrom für eine Leuchtdiode gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die Lichtausbeute bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh rungsbeispielen etwa das Doppelte der Lichtausbeute von her kömmlichen Halbleiterchips ohne Ausnehmungen 8 aufweist.In Fig. 4, finally, a diagram is shown in which a measurement curve 20 represents the dependence of the luminous efficacy in relati ven units on the operating current during pulse operation for a conventional light-emitting diode manufactured in thin-film technology. Another measurement curve 21 illustrates the dependency of the luminous efficacy in relative units as a function of the operating current for a light-emitting diode according to the exemplary embodiment shown in FIG. 3. Fig. 4 can be seen that the light yield in the example shown in Fig. 3 Ausfüh approximately twice the light yield of conventional semiconductor chips without recesses 8 has.
Um die günstigste Form für die Erhebungen 4 zu ermitteln, wur de eine Reihe von Raytracing-Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Rechnungen werden nachfolgend anhand der Fig. 5 bis 14 im einzelnen vorgestellt.In order to determine the most favorable form for the surveys 4 , a series of ray tracing simulations were carried out. The results of these calculations are presented in detail below with reference to FIGS. 5 to 14.
Zunächst seien die in den Rechnungen variierten Parameter an hand Fig. 5 erläutert. In Fig. 5 ist ein Querschnittsprofil einer der Erhebungen 4 dargestellt. In dem gezeigten Fall ist die Erhebung 4 aus einem unteren Kegelstumpf 22 und einem obe ren Kegelstumpf 23 zusammengesetzt. Der untere Kegelstumpf 22 grenzt mit einer Basisfläche 24 an die Verbindungsschicht 5 an. Im oberen Kegelstumpf 23 ist die aktive Zone 3 ausgebil det. Außerdem ist in Fig. 5 eine auf der Grundfläche 11 der Erhebung 3 angeordnete Kontaktstelle 25 vorgesehen.First, the parameters varied in the calculations are explained with reference to FIG. 5. In Fig. 5 is a cross-sectional profile of the protuberances 4 is illustrated. In the case shown, the elevation 4 is composed of a lower truncated cone 22 and an upper truncated cone 23 . The lower truncated cone 22 adjoins the connecting layer 5 with a base surface 24 . In the upper truncated cone 23 , the active zone 3 is ausgebil det. In addition, a contact point 25 arranged on the base 11 of the elevation 3 is provided in FIG. 5.
Die Seitenflächen 13 der Erhebung 4 setzen sich aus einer Flanke 26 des unteren Kegelstumpfs 22 und Flanken 27 des obe ren Kegelstumpfs 23 zusammen. Die geometrischen Abmessungen des unteren Kegelstumpfes 22 entlang einer gemeinsamen Grenz fläche 28 sind so gewählt, daß die Flanke 26 unmittelbar in die Flanke 27 übergeht.The side surfaces 13 of the elevation 4 are composed of a flank 26 of the lower truncated cone 22 and flanks 27 of the upper truncated cone 23 . The geometric dimensions of the lower truncated cone 22 along a common boundary surface 28 are chosen so that the edge 26 passes directly into the edge 27 .
Im folgenden wird auf verschiedene Abmessungen der Erhebung 4 Bezug genommen. Der Radius der Basisfläche 24 des unteren Ke gelstumpfes 22 wird mit rn, der Radius der Grenzfläche 28 mit rt und der Radius der Grundfläche 11 mit rp bezeichnet. Ferner kann die Erhebung 4 in eine untere Begrenzungsschicht 29 zwi schen der Basisfläche 24 und der aktiven Zone 3 und eine obere Begrenzungsschicht 30 zwischen der aktiven Zone 3 und der Grundfläche 11 unterteilt werden. Die untere Begrenzungs schicht 29 weist dabei eine Höhe hu und die obere Begrenzungs schicht 30 eine Höhe ho auf. Die gesamte Höhe der Erhebung 4 wird schließlich mit H bezeichnet. Sie wurde durchgehend in allen Rechnungen gleich 6 µm gesetzt. Für die Dicke hw der Verbindungsschicht 5 wurde in allen Rechnungen, in denen die Dicke hw nicht variiert wurde, ein Wert von 2 µm gewählt.In the following, reference is made to various dimensions of the survey 4 . The radius of the base surface 24 of the lower cone 22 is denoted by r n , the radius of the interface 28 by r t and the radius of the base 11 by r p . Furthermore, the elevation 4 can be divided into a lower boundary layer 29 between the base area 24 and the active zone 3 and an upper boundary layer 30 between the active zone 3 and the base area 11 . The lower boundary layer 29 has a height h u and the upper boundary layer 30 has a height h o . The entire height of the elevation 4 is finally denoted by H. It was consistently set to 6 µm in all calculations. A value of 2 μm was chosen for the thickness h w of the connecting layer 5 in all calculations in which the thickness h w was not varied.
In den Fig. 6a bis 6d ist das Ergebnis einer Rechnung dar gestellt, in der der Radius rp der Grundfläche 11 gleich 5 µm und der Radius rn der Basisfläche 24 gleich 20 µm gesetzt wur de. Der Radius rt der Grenzfläche 28 wurde zwischen 6 und 18 µm entsprechend den in Fig. 6a bis Fig. 6c dargestellten Querschnittsprofilen variiert.In Figs. 6a to 6d, the result of a calculation is made is, in which the radius r p of the base surface 11 equal to 5 microns and the radius r of base surface 24 is equal to n 20 microns set WUR de. The radius r t of the interface 28 was varied in the Fig. 6a-Fig. 6c illustrated cross-sectional profiles microns corresponding 6-18
In den Rechnungen wurde für die aktive Zone 3 ein Brechnungs index von 3,2 angesetzt. Der Brechnungsindex der unteren Be grenzungsschicht 29, der oberen Begrenzungsschicht 30 sowie der Verbindungsschicht 5 war gleich 3,3. Soweit nicht vari iert, wurde die Reflektivität der Kontaktstelle 25 mit 0,3 an gesetzt. Die Reflektivität der von der Kontaktstelle 25 nicht bedeckten Grundfläche 11 sowie der Flanken 26 und 27 wurde auf den Wert 0,8 gesetzt. Unter Reflektivität wird dabei jeweils der auf die Energie bezogene Reflexionskoeffizient verstanden.A refractive index of 3.2 was used in the calculations for active zone 3 . The refractive index of the lower boundary layer 29 , the upper boundary layer 30 and the connecting layer 5 was 3.3. Unless varied, the reflectivity of the contact point 25 was set at 0.3. The reflectivity of the base area 11 not covered by the contact point 25 and of the flanks 26 and 27 was set to the value 0.8. In this case, reflectivity is understood to mean the reflection coefficient based on the energy.
Ferner wurde die Selbstabsorption der aktiven Zone 3 durch ei nen Absorptionskoeffizient von 10.000/cm berücksichtigt. Alle Rechnungen wurden mit Photonenrecycling durchgeführt. Dafür wurde eine interne Quanteneffizienz von 0,8 angenommen. Die Quanteneffizienz bei der Erzeugung von Photonen durch Ladungs trägerrekombination wurde nicht berücksichtigt. Die in den Diagrammen angegebene Auskoppeleffizienz η ist daher gleich dem Verhältnis der aus dem Halbleiterchip ausgekoppelten Pho tonen zur Zahl der tatsächlich erzeugten Photonen. Die Werte für die angegebene Auskoppeleffizienz η müßte daher noch mit dem Faktor 0,8 multipliziert werden, um zum externen Wirkungs grad zu kommen.Furthermore, the self-absorption of the active zone 3 was taken into account by an absorption coefficient of 10,000 / cm. All calculations were done with photon recycling. An internal quantum efficiency of 0.8 was assumed for this. The quantum efficiency in the generation of photons by charge recombination was not taken into account. The coupling-out efficiency η given in the diagrams is therefore equal to the ratio of the photons coupled out from the semiconductor chip to the number of photons actually generated. The values for the specified coupling efficiency η would therefore have to be multiplied by a factor of 0.8 in order to arrive at the external efficiency.
Weiter wurde angenommen, daß die Reflexion an der Kontaktstel le 25 und den Flanken 26 und 27 winkelunabhängig ist. In den Rechnungen wird daher der Fall, daß zunächst die dielektrische Isolierschicht 9 auf die Erhebungen 4 aufgebracht und durch die spiegelnde Metalisierungsschicht 10 ergänzt wird, in den Rechnungen in seiner Wirkung unterschätzt, da in den Rechnun gen die in diesem Fall auftretende Totalreflexion nicht be rücksichtigt wird.It was also assumed that the reflection at the contact point 25 and the flanks 26 and 27 is independent of the angle. In the calculations, therefore, the case in which the dielectric insulating layer 9 is first applied to the elevations 4 and supplemented by the reflective metalization layer 10 is underestimated in its effectiveness in the calculations, since the total reflection occurring in this case is not taken into account in the calculations becomes.
Fig. 6c zeigt ein Diagramm, in dem die Auskoppeleffizienz η gegen den Radius rt in einer Kurve 31 aufgetragen ist. Zum Vergleich ist auch die Auskoppeleffizienz eines normalen Dünn film-Halbleiterchips eingezeichnet, bei dem die Streuung nur über das Photonenrecycling vermittelt wird. Dieser Dünnfilm- Halbleiterchip mit der Kantenlänge 300 µm weist die gleiche Epitaxiestruktur wie die Erhebung 4 im unteren Kegelstumpf 22 und oberen Kegelstumpf 23 auf. Es wurde angenommen, daß der Halbleiterchip p-seitig mit einem Spiegel versehen ist, dessen Reflektivität 0,72 beträgt. Dieser Wert ist der mit dem Bele gungsgrad gewichtete Mittelwert der Reflektivität einer Refle xionsschicht und einer Kontaktschicht, wobei für die Reflekti vität der Reflexionsschicht der Wert 0,8 und für den Bele gungsgrad der Reflexionsschicht der Wert 0,85 angesetzt und für die Reflektivität der Kontaktschicht der Wert 0,3 und der Belegungsgrad 0,15 verwendet wurde. Fig. 6c shows a diagram in which the outcoupling efficiency η versus the radius r t in a curve 31 is plotted. For comparison, the outcoupling efficiency of a normal thin film semiconductor chip is also shown, in which the scattering is only mediated by photon recycling. This thin-film semiconductor chip with an edge length of 300 μm has the same epitaxial structure as the elevation 4 in the lower truncated cone 22 and upper truncated cone 23 . It was assumed that the semiconductor chip was provided on the p-side with a mirror whose reflectivity was 0.72. This value is the weighted average value of the reflectivity of a reflective layer and a contact layer, the value 0.8 being set for the reflectivity of the reflective layer and the value of the reflective layer being 0.8% and the reflectivity of the contact layer the value 0.3 and the occupancy 0.15 was used.
Aus Fig. 6 ist erkennbar, daß bei einem sehr großen Anstell winkel ϕo des oberen Kegelstumpfs 23 gemäß dem in Fig. 6a dargestellten Querschnittsprofil die Auskoppeleffizienz η kaum besser als die Auskoppeleffizienz η einer herkömmlichen Dünn film-Lumineszenzdiode ist, deren Auskoppeleffizienz in Fig. 6d durch die Gerade 32 dargestellt ist. Dies ist auch ver ständlich, da die Erhebung 4 mit dem in Fig. 6a dargestellten flachen Flächenquerschnittsprofil kaum die von der aktiven Zone 3 ausgehenden Lichtstrahlen in einen steilen Winkel zur Leuchtfläche 6 bringt. Genau dies bewerkstelligt jedoch die Erhebung 4 mit dem in Fig. 6c dargestellten Querschnittspro fil, weshalb auch in diesem Fall die Auskoppeleffizienz hh na hezu das Doppelte der Auskoppeleffizienz η einer herkömmlichen Dünnschicht-Lumineszenzdiode beträgt.From Fig. 6 it can be seen that with a very large angle of attack ϕ o of the upper truncated cone 23 according to the cross-sectional profile shown in Fig. 6a, the coupling-out efficiency η is hardly better than the coupling-out efficiency η of a conventional thin-film luminescence diode, the coupling-out efficiency in Fig. 6d is represented by the straight line 32 . This is also understandable, since the elevation 4 with the flat cross-sectional profile shown in FIG. 6a hardly brings the light rays emanating from the active zone 3 into a steep angle to the luminous surface 6 . Exactly this, however, is accomplished by the elevation 4 with the cross-sectional profile shown in FIG. 6c, which is why the coupling-out efficiency in this case is almost twice the coupling-out efficiency η of a conventional thin-film luminescence diode.
Des weiteren wurde die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz η von der Reflektivität der Kontaktstelle 25 untersucht. Zu die sem Zweck wurde die Auskoppeleffizienz η in Abhängigkeit von der Reflektivität der Kontaktstelle 25 berechnet, wobei das Querschnittsprofil der Erhebung 4 gleich dem in Fig. 6b dar gestellten Querschnittsprofil war. Außerdem wurde angenommen, daß die Kontaktstelle 25 die gesamte Grundfläche 11 abdeckt. Aus Fig. 7 ist erkennbar, daß die Auskoppeleffizienz η nicht wesentlich von der Reflektivität der Kontaktstelle 25 abhängt. Die hier beschriebenen Halbleiterchips mit Erhebungen 4 auf der Befestigungsseite erscheinen daher wesentlich unempfindli cher gegen die schlechte Reflektivität der Kontaktstellen 25 zu sein als die herkömmliche Dünnfilm-Lumineszenzdioden, da die zur Auskopplung führenden Vielfachreflexionen offenbar nur zu einem geringen Bruchteil zwischen der Grundfläche 11 und der Leuchtfläche 6, sondern dreidimensional in der Erhebung 4 erfolgen.Furthermore, the dependence of the coupling-out efficiency η on the reflectivity of the contact point 25 was examined. For this purpose, the coupling-out efficiency η was calculated as a function of the reflectivity of the contact point 25 , the cross-sectional profile of the elevation 4 being equal to the cross-sectional profile shown in FIG. 6b. In addition, it was assumed that the contact point 25 covers the entire base area 11 . It can be seen from FIG. 7 that the coupling-out efficiency η does not essentially depend on the reflectivity of the contact point 25 . The semiconductor chips described here with elevations 4 on the fastening side therefore appear to be significantly less sensitive to the poor reflectivity of the contact points 25 than the conventional thin-film luminescent diodes, since the multiple reflections leading to coupling out appear to be only a small fraction between the base area 11 and the luminous area 6 , but three-dimensionally in the survey 4 .
Die relative Unabhängigkeit von der Reflektivität der Kontakt stelle 25 ist besonders von Vorteil, da in der Praxis ein niedriger ohmscher Widerstand zwischen der Kontaktstelle 25 und der oberen Begrenzungsschicht 30 im allgemeinen mit einer schlechten Reflektivität verknüpft ist. Denn ein guter ohm scher Kontakt erfordert die Diffusion von Atomen aus der die Kontaktstelle 25 bildenden Schicht in das darunter liegende Material.The relative independence from the reflectivity of the contact point 25 is particularly advantageous, since in practice a low ohmic resistance between the contact point 25 and the upper boundary layer 30 is generally associated with a poor reflectivity. Because a good ohmic contact requires the diffusion of atoms from the layer forming the contact point 25 into the underlying material.
Im Gegensatz zur Abhängigkeit von der Reflektivität der Kon taktstelle 25 ist die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz η von der Reflektivität RS der Spiegelflächen auf der Grundfläche 11 und den Flanken 26 und 27 stark ausgeprägt. Dies zeigen die Ergebnisse einer Rechnung, die mit einem Modell für den Halbleiterchip durchgeführt worden sind, dessen Erhebungen 4 die Radien rp = 5 µm, rd = 16 µm und rn = 20 µm aufweisen.In contrast to the dependence on the reflectivity of the contact point 25 , the dependence of the coupling-out efficiency η on the reflectivity R S of the mirror surfaces on the base 11 and the flanks 26 and 27 is strongly pronounced. This is shown by the results of a calculation that was carried out using a model for the semiconductor chip, the elevations 4 of which have the radii r p = 5 μm, r d = 16 μm and r n = 20 μm.
Die Erhebungen 4 weisen daher in etwa das in Fig. 6b darge stellte Querschnittsprofil auf.The surveys 4 therefore have approximately the cross-sectional profile shown in FIG. 6b.
Das Ergebnis dieser Rechnung ist eine in Fig. 8 eingetragene Kurve 33, die monoton mit zunehmender Reflektivität RS an steigt. Ein in das Diagramm aus Fig. 8 eingetragener Punkt 34 stellt das Ergebnis einer Rechnung für einen Halbleiterchip dar, auf den keine Spiegelschicht aufgebracht wurde, sondern der in Harz als umgebendes Medium eingebettet wurde. Hier fin det allerdings Totalreflexion statt, so daß sich gegenüber ei nem Halbleiterchip mit einer Spiegelschicht eine größere Aus koppeleffizienz ergibt. Dies wäre auch bei dem in Fig. 1 dar gestellten Ausführungsbeispiel der Fall, bei dem zwischen der Metallisierungsschicht 10 die elektrische Isolierschicht ange ordnet ist, an der gleichfalls Totalreflexion stattfinden kann.The result of this calculation is a curve 33 entered in FIG. 8, which increases monotonically with increasing reflectivity R S. A point 34 entered in the diagram from FIG. 8 represents the result of a calculation for a semiconductor chip to which no mirror layer was applied, but which was embedded in resin as the surrounding medium. Here, however, total reflection takes place, so that there is greater coupling-out efficiency compared to a semiconductor chip with a mirror layer. This would also be the case in the embodiment shown in FIG. 1, in which the electrical insulating layer is arranged between the metallization layer 10 , at which total reflection can also take place.
Fig. 9 enthält das Ergebnis einer Rechnung, die an einem Halbleiterchip mit Erhebungen 4 ausgeführt wurde, für deren Radien galt: rp = 5 µm, rt = 16 µm und rn = 20 µm. Die Erhe bungen 4 weisen daher im wesentlichen das die Fig. 6a darge stellte Querschnittsprofil auf. Die aktive Zone 3 befand sich dabei auf mittlerer Höhe zwischen der Basisfläche 24 und der Grundfläche 11. Bei dieser Rechnung wurde der Bereich, in dem in der aktiven Zone 3 Photonen entstehen auf einen Leuchtfleck eingeengt, dessen Durchmesser dS auf der Abszisse aufgetragen ist. Anhand des Diagramms in Fig. 9 ist erkennbar, daß die Auskoppeleffizienz bei einem kleinen Leuchtfleck besonders hoch ist. Das bedeutet, daß Photonen im Zentrum der aktiven Zone 3 besonders gut ausgekoppelt werden. Insofern ist ein leichter Weierstrass-Effekt vorhanden. Fig. 9 shows the result contains a bill that was performed on a semiconductor chip having bumps 4, applied to the radii r p = 5 microns, r t = 16 microns, and r n = 20 microns. The elevations 4 therefore essentially have the cross-sectional profile shown in FIG. 6a. The active zone 3 was located at a medium height between the base surface 24 and the base surface 11 . In this calculation, the area in which 3 photons are generated in the active zone was narrowed down to a light spot whose diameter d S is plotted on the abscissa. It can be seen from the diagram in FIG. 9 that the coupling-out efficiency is particularly high with a small light spot. This means that photons in the center of active zone 3 are coupled out particularly well. In this respect, there is a slight Weierstrass effect.
Ferner wurde der Einfluß der Position der aktiven Schicht 3 untersucht. In Fig. 10a bis 10c sind verschiedene Quer schnittsprofile dargestellt, bei denen die Dicke hu der unte ren Begrenzungsschicht 29 und die Dicke hu der oberen Begren zungsschicht 30 so variiert wurden, daß die gesamte Höhe H der Erhebung konstant blieb. Das Ergebnis der Rechnung ist in Fig. 10d dargestellt, in der die Auskoppeleffizienz η in Abhän gigkeit von der Dicke hu der unteren Begrenzungsschicht 29 aufgetragen ist. Es zeigt sich, daß die Auskoppeleffizienz nur wenig von der Position der aktiven Zone 3 abhängig ist. Eine aktive Zone 3, die in der unteren Hälfte der Erhebung 4 liegt, ist zu bevorzugen, da dann die Stromdichte durch die aktive Zone 3 gering ist und daher die Strombelastung der ak tiven Zone 3 klein gehalten wird, was Alterungs- und Lineari tätsprobleme vermeidet.Furthermore, the influence of the position of the active layer 3 was examined. In Fig. 10a to 10c different cross-sectional profiles are shown, in which the thickness h u of the lower limit layer 29 and the thickness h u of the upper limit layer 30 were varied so that the overall height H of the survey remained constant. The result of the calculation is shown in FIG. 10d, in which the coupling-out efficiency η is plotted as a function of the thickness h u of the lower boundary layer 29 . It can be seen that the coupling-out efficiency is only slightly dependent on the position of the active zone 3 . An active region 3, which is located in the lower half of the rib 4 is preferable since then the current density is low due to the active region 3, and is therefore considered the current load of the ak tive zone 3 small, aging and linearization tätsprobleme avoids ,
Weiter wurde der Einfluß des Anstellwinkel ϕo der Flanke 27 und des Anstellwinkels ϕo der Flanke 26 untersucht. Dabei wur de von einem Querschnittsprofil ausgegangen, bei dem der unte re Kegelstumpf 22 und der obere Kegelstumpf 23 jeweils den gleichen Wert für die Anstellwinkel ϕu und ϕo aufweisen. Dabei wurde der Radius ϕo der aktiven Zone 3 konstant auf 10 µm ge halten und der Anstellwinkel ϕ = ϕo = ϕu variiert. Dabei wur den zwei Fälle betrachtet. Zum einen wurde die Auskoppeleffi zienz η für den periodischen Fall berechnet, in dem unendlich viele Erhebungen 4 in einem quadratischen Raster angordnet sind, wobei der Abstand der Fußpunkt 10 µm beträgt. Das Ergeb nis ist im Diagramm in Fig. 11 in der Kurve 35 festgehalten. Außerdem wurde ein aperiodischer Fall untersucht. Dazu wurde die Auskoppeleffizienz η eines Halbleiterchips mit einer ein zelnen Erhebung 4 berechnet, wobei alle in die Verbindungs schicht 5 einlaufenden Phontonen von der Verbindungsschicht 5 absorbiert werden. Der aperiodische Fall wird in Fig. 11 durch die Kurve 36 wiedergegeben. Aus Fig. 11 ist bereits er kennbar, daß die Verbindungsschicht 5 einen spürbaren Beitrag zur Auskoppeleffizienz η liefert. The influence of the angle of attack ϕ o of the flank 27 and the angle of attack ϕ o of the flank 26 was also examined. A cross-sectional profile was assumed in which the lower right truncated cone 22 and the upper truncated cone 23 each have the same value for the angles of attack stell u and ϕ o . The radius ϕ o of active zone 3 was kept constant at 10 µm and the angle of attack ϕ = ϕ o = ϕ u varied. Two cases were considered. On the one hand, the coupling-out efficiency η was calculated for the periodic case in which an infinite number of elevations 4 are arranged in a square grid, the distance between the base points being 10 μm. The result is recorded in the diagram in FIG. 11 in curve 35 . An aperiodic case was also examined. For this purpose, the outcoupling efficiency η calculated a semiconductor chip with an individual elevation 4, all of which are in the connection layer 5 Phontonen incoming from the link layer 5 absorbs. The aperiodic case is represented in FIG. 11 by curve 36 . From Fig. 11 it can already be seen that the connection layer 5 makes a noticeable contribution to the coupling-out efficiency η.
Für den Flankenwinkel ϕ existiert auch ein optimaler Bereich. Dies wird anhand Fig. 12 deutlich. In der zugrunde liegenden Rechnung wurde der Radius rp gleich 10 µm gesetzt. Der Radius ra der aktiven Zone 3 und der Radius rn der Basisfläche 24 wurden so variiert, daß der Anstellwinkel ϕ der Flanken 27 und 26 einen Wertebereich zwischen 1,5° und 85° abdeckt. Wie aus Fig. 12 erkennbar ist, gibt es einen optimalen Winkelbereich für den Anstellwinkel ϕ. Der Flankenwinkel ϕ sollte zwischen 5° und 60°, vorzugsweise zwischen 10° und 40° liegen. Beson ders gute Werte für die Auskoppeleffizienz η ergeben sich wenn der Anstellwinkel ϕ zwischen 15° und 30° liegt.There is also an optimal range for the flank angle ϕ. This is clear from Fig. 12. In the underlying calculation, the radius r p was set to 10 µm. The radius r a of the active zone 3 and the radius r n of the base surface 24 were varied so that the angle of attack ϕ of the flanks 27 and 26 covers a range of values between 1.5 ° and 85 °. As can be seen from Fig. 12, there is an optimal angle range for the angle of attack ϕ. The flank angle ϕ should be between 5 ° and 60 °, preferably between 10 ° and 40 °. Particularly good values for the coupling-out efficiency η result when the angle of attack ϕ is between 15 ° and 30 °.
Anschließend wurde untersucht, welche Auswirkung eine Variati on der Breite der Erhebungen 4 auf die Auskoppeleffizienz η hat. In diesem Fall wurde daher die Höhe H der Erhebungen 4 konstant gehalten und die Radien rp, ra und rn gleichmäßig ge streckt. Eine Kurve 37 in Fig. 13 veranschaulicht den Fall, daß die Reflektivität RK der Kontaktstelle 25 gleich 0,3 ist. Eine weitere Kurve 38 betrifft den Fall, daß die Reflektivität RK der Kontaktstelle 25 0,8 beträgt. Sowohl die Kurve 37 als auch die Kurve 38 zeigen die Abhängigkeit der Auskoppeleffizi enz η vom Durchmesser 2ra der aktiven Zone 3. Bei guter Re flektivität der Kontaktstelle 25 sinkt die Auskoppeleffizienz η nur wenig mit zunehmendem Durchmesser der aktiven Zone 3. Die Kurve 37, die den realistischen Fall einer schlechten Re flektivität RK der Kontaktstelle 25 veranschaulicht, zeigt je doch, daß die Auskoppeleffizienz η mit zunehmendem Durchmesser der aktiven Zone 3 stark abnimmt. Die Auskoppeleffizienz η ist daher um so besser, je kleiner die seitliche Ausdehnung der Erhebungen 4 ist.It was then examined what effect a variation in the width of the elevations 4 has on the coupling-out efficiency η. In this case, the height H of the elevations 4 was therefore kept constant and the radii r p , r a and r n stretched uniformly. A curve 37 in FIG. 13 illustrates the case in which the reflectivity R K of the contact point 25 is 0.3. Another curve 38 relates to the case where the reflectivity R K of the contact point 25 is 0.8. Both curve 37 and curve 38 show the dependency of the coupling-out efficiency η on the diameter 2 r a of the active zone 3 . With good re flectivity of the contact point 25 , the coupling-out efficiency η decreases only slightly with increasing diameter of the active zone 3 . The curve 37 , which illustrates the realistic case of a poor re flectivity R K of the contact point 25 , shows that the coupling efficiency η decreases sharply with increasing diameter of the active zone 3 . The coupling-out efficiency η is therefore the better, the smaller the lateral extent of the elevations 4 .
Auch die Dicke der Verbindungsschicht 5 ist für die Auskoppe leffizienz η von Bedeutung. In Fig. 14 ist die Auskoppeleffi zienz η für verschiedene Fälle in Abhängigkeit von der Dicke hw der Verbindungsschicht 5 aufgetragen. Eine Kurve 39 gibt den bereits erwähnten periodischen Fall wieder. Eine weitere Kurve 40 betrifft den aperiodischen Fall und eine dritte Kurve 41 einen Fall, in dem quadratische Halbleiterchips mit einer Kantenlänge von 300 µm durch eine Verbindungsschicht unterein ander verbunden sind. Man erkennt aus Fig. 14, daß die Ver bindungsschicht 5 mit wachsender Schichtdicke zunehmend von Vorteil ist. Allerdings geht aus Fig. 14 auch hervor, daß ei ne Vielzahl von einzelnen Halbleiterchips, die jeweils eine Erhebung 4 aufweisen den besten Fall darstellen, da die Aus koppeleffizienz bei der Dicke hw = 0 am höchsten ist. Einzel chips haben jedoch den Nachteil, daß ihre Leistung nicht be liebig vergrößert werden kann, da mit der Leistung auch die Abmessungen der Halbleiterchips skaliert werden müssen. Aus praktischen Gründen ist jedoch die Dicke von Epitaxieschichten begrenzt. Dies hat zur Folge, daß einzelne Halbleiterchips sich nicht für beliebig hohe Leistungen auslegen lassen. Die in den Fig. 1 bis 4 vorgestellten Halbleiterchips lassen sich jedoch dahezu beliebig skalieren, da nur die Zahl der Erhebun gen 4 entsprechend der zunehmenden Fläche der Verbindungs schicht 5 erhöht werden muß, um die Lichtleistung der Halblei terchips zu steigern.The thickness of the connecting layer 5 is also important for the coupling-out efficiency η. In Fig. 14, the efficiency η is Auskoppeleffi for different cases in dependence on the thickness h of the connection layer 5 w applied. A curve 39 shows the periodic case already mentioned. Another curve 40 relates to the aperiodic case and a third curve 41 a case in which square semiconductor chips with an edge length of 300 μm are connected to one another by a connecting layer. It can be seen from Fig. 14 that the connection layer 5 is increasingly advantageous with increasing layer thickness. However, it is also apparent from FIG. 14 that a large number of individual semiconductor chips, each of which has an elevation 4 , represent the best case since the coupling efficiency is highest at the thickness h w = 0. However, individual chips have the disadvantage that their performance cannot be increased arbitrarily, since the dimensions of the semiconductor chips also have to be scaled with the performance. For practical reasons, however, the thickness of epitaxial layers is limited. The consequence of this is that individual semiconductor chips cannot be designed for any desired power. The semiconductor chips presented in FIGS . 1 to 4 can be scaled as desired, since only the number of elevations 4 corresponding to the increasing area of the connecting layer 5 must be increased in order to increase the light output of the semiconductor terchips.
Eine weitere Untersuchung bezog sich auf die Frage, ob die ak tive Zone 3 nicht auch in der Verbindungsschicht 5 angeordnet sein kann. Dazu wurde die Auskoppeleffizienz für eine herkömm liche Dünnfilm-Lumineszenzdioden berechnet und diese gleich 1 gesetzt. Ein Halbleiterchip mit der aktiver Zone 3 in der Ver bindungsschicht 5 hat im Vergleich zur herkömmlichen Dünnfilm- Lumineszenzdiode eine Auskoppeleffizienz von 1,25. Für die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Halbleiterchips ergab sich schließlich eine relative Auskoppeleffizienz von 1,67. Dies zeigt, daß auch dann eine Steigerung der Auskoppeleffizienz η erreichbar ist, wenn die aktive Zone 3 in der Verbindungs schicht 5 angeordnet ist. A further investigation referred to the question of whether the active zone 3 cannot also be arranged in the connection layer 5 . For this purpose, the coupling-out efficiency was calculated for a conventional thin-film luminescent diode and this was set to 1. A semiconductor chip with the active zone 3 in the connection layer 5 has a coupling-out efficiency of 1.25 compared to the conventional thin-film luminescent diode. For the semiconductor chips shown in FIGS. 1 to 4, there was finally a relative coupling-out efficiency of 1.67. This shows that an increase in the coupling-out efficiency η can also be achieved if the active zone 3 is arranged in the connecting layer 5 .
11
Trägerkörper
support body
22
aktive Schicht
active layer
33
aktive Zone
active zone
44
Erhebungen
surveys
55
Verbindungsschicht
link layer
66
Leuchtfläche
light area
77
Kontaktstelle
contact point
88th
Ausnehmungen
recesses
99
Isolierschicht
insulating
1010
Metallisierungsschicht
metallization
1111
Grundfläche
Floor space
1212
Durchkontaktierung
via
1313
Seitenflächen
faces
1414
Kontaktschicht
contact layer
1515
Lichtstrahl
beam of light
1616
Lichtstrahl
beam of light
1717
Mittellinie
center line
1818
Lichtstrahl
beam of light
1919
Lichtstrahl
beam of light
2020
Meßkurve
measured curve
2121
Meßkurve
measured curve
2222
Unterer Kegelstumpf
Lower truncated cone
2323
Oberer Kegelstumpf
Upper truncated cone
2424
Basisfläche
footprint
2525
Kontaktstelle
contact point
2626
Flanke
flank
2727
Flanke
flank
2828
Grenzfläche
interface
2929
Untere Begrenzungsschicht
Lower boundary layer
3030
Obere Begrenzungsschicht
Upper boundary layer
3131
bis to
4141
Kurve
Curve
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