DE102006041460A1

DE102006041460A1 - Strahlungsemittierender Halbleiterchip und Vorrichtung mit einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102006041460A1
Application number: DE102006041460A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Illek
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-13

Abstract

Ein strahlungsemittierender Halbleiterchip kann insbesondere zwei als gegenüberliegende Seiten ausgemiteinander verbunden sind und eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfassen, wobei die Halbleiterschichtenfolge zwischen den Hauptoberflächen und den Seitenflächen angeordnet ist, auf jeder der Hauptoberflächen und der Seitenflächen jeweils eine reflektierende Schicht angebracht ist, die zumindest einen Teil der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert und eine reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche oder einer Seitenfläche eine Öffnung für den Austritt der elektromagnetischen Strahlung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine Vorrichtung mit zumindest einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip.
Die Leuchtdichte von lichtemittierenden Dioden (LED) konnte in den letzten Jahren durch verschiedene Maßnahmen erheblich erhöht werden, beispielsweise durch Verbesserungen der Materialqualität und der internen Effizienz etwa durch Verbesserungen bei der Bildung von Epitaxieschichtenfolgen oder auch durch die Erhöhung der Auskoppeleffizienz des im Betrieb erzeugten Lichts etwa durch verbesserte Geometrien oder durch Maßnahmen wie etwa Aufrauungen auf der Chipoberfläche einer LED.
Es kann jedoch erforderlich sein, eine weitere Steigerung der Leuchtdichte beziehungsweise der so genannten Etendue zu erreichen. Diese ist gegeben als das Produkt aus der Abstrahlfläche der Lichtquelle und dem Raumwinkel, in den die Lichtquelle abstrahlt, und bleibt in klassischen optischen Systemen, die beispielsweise auf Lichtbrechung oder Reflexion beruhen, erhalten. Das bedeutet insbesondere, dass die Etendue durch klassische optische Systeme nicht gesteigert werden kann.
Die Patentschrift US 6,869,206 B2 beschreibt ein Beleuchtungssystem, das eine Mehrzahl von Leuchtdioden umfasst, die in einem reflektierenden Hohlraum mit einer Lichtaustritts öffnung angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung kann es gemäß der Druckschrift möglich sein, die Etendue der Anordnung im Vergleich zu der Mehrzahl von Leuchtdioden zu steigern. Jedoch erfordert die Anordnung einen komplexen Aufbau und den Einsatz einer Mehrzahl von Leuchtdioden.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip anzugeben, der von reflektierenden Schichten mit einer Öffnung umgeben ist. Dadurch kann beispielsweise eine Steigerung der Leuchtdichte ermöglicht werden. Weiterhin ist es zumindest eine Aufgabe, eine Vorrichtung mit einem solchen strahlungsemittierenden Halbleiterchip anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein strahlungsemittierender Halbleiterchip gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst insbesondere

– zwei als gegenüberliegende Seiten ausgebildete Hauptoberflächen, die durch Seitenflächen miteinander verbunden sind, und
– eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung

– die Halbleiterschichtenfolge zwischen den Hauptoberflächen und den Seitenflächen angeordnet ist,
– auf jeder der Hauptoberflächen und der Seitenflächen jeweils eine reflektierende Schicht angebracht ist, die zumin dest einen Teil der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, und
– eine reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche oder einer Seitenfläche eine Öffnung für den Austritt der elektromagnetischen Strahlung aufweist.

Dabei kann es sich insbesondere bei der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung um elektromagnetische Strahlung mit einem Spektrum im ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich handeln. Weiterhin kann das Spektrum eine oder mehrere Komponenten mit verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängenbereich umfassen. Bevorzugt kann das Spektrum eine oder mehrere Komponenten im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aufweisen. Insbesondere kann das Spektrum zumindest eine Komponente mit einer Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und etwa 800 nm umfassen. Darüber hinaus kann das Spektrum alternativ oder zusätzlich beispielsweise zumindest eine Komponente im infraroten Wellenlängenbereich umfassen. Beispielsweise kann das Spektrum eine Komponente mit einer Wellenlänge zwischen etwa 800 nm bis etwa 2 Mikrometer aufweisen.
Im Weiteren kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Bezeichnung „reflektierend" oder „transparent" beispielsweise für eine Schicht oder ein Bauteil oder einen Bereich einer Schicht oder eines Bauteils bedeuten, dass besagte Schicht oder besagtes Bauteil oder besagter Teil davon reflektierend beziehungsweise transparent für zumindest einen Teil, insbesondere einen Teil des Spektrums, oder bevorzugt für die gesamte im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung ist.
Durch Anlegen eines Strom beziehungsweise einer Spannung an die Halbleiterschichtenfolge kann im aktiven Bereich eine Emission elektromagnetischer Strahlung ermöglicht werden. Die im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung kann dabei durch die Öffnung auf einer Hauptoberfläche oder einer Seitenfläche aus dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip austreten. Weiterhin kann elektromagnetische Strahlung, die von der aktiven Schicht in Richtung einer reflektierenden Schicht abgestrahlt wird, von dieser wieder in die aktive Schicht zurück reflektiert werden und dort absorbiert werden. Durch die Absorption eines Photons der elektromagnetischen Strahlung kann es nun möglich sein, dass durch die aktive Schicht wiederum ein Photon re-emittiert wird, dass durch die Öffnung zum Austritt elektromagnetischer Strahlung abgestrahlt werden kann, und dass das so re-emittierte Photon somit zur durch die Öffnung abgestrahlten Leuchtdichte des strahlungsemittierenden Halbleiterchips beitragen kann. Durch dieses so genannte „Photonen-Recycling" kann es möglich sein, die Etendue beziehungsweise die Leuchtdichte des strahlungsemittierenden Halbleiterchips zu steigern. Insbesondere wenn die Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung kleiner als die Fläche der aktiven Schicht und damit als die Fläche der Halbleiterschichtenfolge ist, kann eine Erhöhung der Leuchtintensität durch das „Photonen-Recycling" erreicht werden, vor allem wenn der an die Halbleiterschichtenfolge anlegbare Strom nicht weiter erhöht werden kann, beispielsweise um eine andernfalls auftretende strominduzierte Alterung der Halbleiterschichtenfolge zu vermeiden oder verringern.
Weiterhin kann durch die Anordnung der Öffnung hinsichtlich des aktiven Bereichs der Halbleiterschichtenfolge eine Ab strahlrichtung beziehungsweise ein Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vorgegeben sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge als Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis eines anorganischen Materials, etwa von InGaAlN, wie etwa GaN-Dünnfilm-Halbleiterchips, ausgeführt sein. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterchips fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge, die in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweist, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch andere III-V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen.
Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge oder der strahlungsemittierende Halbleiterchip als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführt sein. Ein Dünnfilm-Halbleiterchip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptoberfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschich tenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Halbleiterchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Schicht der Halbleiterschichtenfolge ein organisches Material, etwa ein Polymer, Oligomer oder Monomer oder organische kleine, nichtpolymere Moleküle („small molecules") aufweisen. Insbesondere kann auch der aktive, elektromagnetische Strahlung emittierende Bereich der Halbleiterschichtenfolge ein organisches Material aufweisen, so dass organische lichtemittierende Vorrichtungen (OLEDS) gebildet werden können. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge als organische Halbleiterschichtenfolge ausgebildet sein, dass heißt, dass alle halbleitenden Schichten organische Materialien aufweisen.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, p- oder n-dotierte Confinement- oder Cladding-Schichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Solche Strukturen den aktiven Bereich oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Darüber hinaus können zusätzliche Schichten, etwa Pufferschichten, Barriereschichten und/oder Schutzschichten auch senkrecht zur Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge beispielsweise um die Halbleiterschichtenfolge herum angeordnet sein, also etwa auf den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge.
Bei einer Ausführungsform werden die Hauptoberflächen und die Seitenflächen durch die Halbleiterschichtenfolge gebildet. Eine Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise auf einem Trägerelement, etwa einem Aufwachssubstrat oder einem Trägersubstrat, angeordnet sein. Dabei kann eine erste Hauptoberfläche durch die dem Substrat zugewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge gegeben sein, während die zweite Hauptoberfläche die dem Substrat abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge sein kann. Alternativ kann die erste Hauptoberfläche durch die der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats gegeben sein. Insbesondere kann das be deuten, dass die reflektierende Schicht auf der zweiten Hauptoberfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Substrat angeordnet ist, insbesondere bei einem Dünnfilm-Halbleiterchip mit einem Trägersubstrat, oder auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine reflektierende Schicht so ausgebildet, dass die gesamte im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung von der reflektierenden Schicht reflektiert werden kann. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die reflektierende Schicht die erzeugte elektromagnetische Strahlung unabhängig von deren Wellenlänge und deren Richtung, unter der sie auf die reflektierende Schicht eingestrahlt wird, reflektieren kann. Besonders bevorzugt kann es sein, wenn die reflektierenden Schichten auf allen Seitenflächen und allen Hauptoberflächen die gesamte im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektieren können.
Eine Hauptoberfläche kann bevorzugt planar und eben ausgeführt sein. Weiterhin kann eine Hauptoberfläche auch eine räumliche Strukturierung, beispielsweise eine Mikrostrukturierung oder eine Mesa-Struktur, aufweisen. Eine Mesa-Struktur insbesondere Gräben und Erhebungen umfassen, die zum Beispiel mittels Ätzen in den Hauptoberflächen erzeugt werden können. Die Mesa-Struktur kann aber auch auf beiden Hauptoberflächen vorhanden sein, wobei die Öffnung für den Austritt der elektromagnetischen Strahlung die Mesa-Struktur beziehungsweise die Mikrostrukturierung ebenfalls aufweisen kann oder nicht. Insbesondere können beide Hauptoberflächen planar und parallel zueinander ausgeführt sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Öffnung für den Austritt der elektromagnetischen Strahlung einen Flächenbereich einer der Hauptoberflächen oder Seitenflächen, der frei ist von der reflektierenden Schicht, während andere Flächenbereiche dieser die Öffnung aufweisenden Haupt- oder Seitenfläche von den reflektierenden Schichten abgedeckt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der Seitenflächen oder Hauptoberflächen gänzlich von der reflektierenden Schicht bedeckt. Insbesondere kann bei einer Ausführungsform „gänzlich bedeckt" auch bedeuten, dass eine der Seitenflächen oder Hauptoberflächen gänzlich bis auf die Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung von der reflektierenden Schicht bedeckt ist. Besonders bevorzugt kann die Halbleiterschichtenfolge bis auf die Öffnung gänzlich von reflektierenden Schichten bedeckt sein. Das kann dann bedeuten, dass auf jeder der Seitenflächen und auf jeder der Hauptoberflächen eine reflektierende Schicht so angebracht ist, dass im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung nur durch die Öffnung aus dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip austreten kann.
Im Falle einer reflektierenden Schicht, die auf einer Seitenfläche angeordnet ist, kann es sein, dass sich die reflektierende Schicht über einige oder alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge erstreckt und damit mit einigen oder allen Schichten der Halbleiterschichtenfolge in Kontakt steht. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die reflektierende Schicht ein dielektrisches Material aufweist, so dass eine elektrische Kontaktierung und eine elektrische leitende Verbindung beispielsweise mit der Ober- und Unterseite der Halbleiterschichtenfolge vermieden werden kann. Beispielsweise kann die reflektierende Schicht auf einer Seitenfläche auch auf einer Schicht auf der Seitenfläche angeordnet sein, wobei die Schicht ein dielektrisches Material umfasst oder aus einem dielektrischen Material besteht. Alternativ oder zusätzlich kann die reflektierende Schicht als Schichtenfolge mit einer Schicht aus dem dielektrischen Material ausgeführt sein. Ein geeignetes dielektrisches Material kann beispielsweise Siliziumnitrid sein. Weiterhin kann auch die reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche ein solches dielektrisches Material aufweisen.
Eine reflektierende Schicht, die auf einer Hauptoberfläche angebracht ist, kann zumindest einen elektrischen Kontakt aufweisen, über den ein elektrischer Anschluss der besagten Hauptoberfläche an eine externe Stromversorgung ermöglicht werden kann. Insbesondere kann ein elektrischer Kontakt als Teil der auf der Hauptoberfläche angebrachten reflektierenden Schicht ausgeführt sein. Das kann bedeuten, dass der elektrische Kontakt selbst reflektierend für die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung sein kann. Alternativ kann ein elektrischer Kontakt selbst nicht reflektierend und undurchlässig für die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung sein. Das kann bedeuten, dass die Hauptoberfläche gänzlich bis auf den elektrischen Kontakt von der reflektierenden Schicht bedeckt sein kann. Die reflektierende Schicht kann dabei gleich einer reflektierenden Schicht auf einer Seitenfläche ausgebildet sein.
Weiterhin kann neben der reflektierenden Schicht auf einer Hauptoberfläche beispielsweise auch eine transparente elektrisch leitende Schicht zumindest in einem Teilbereich der Hauptoberfläche vorhanden sein. Beispielsweise kann die transparente elektrisch leitende Schicht unterhalb der re flektierenden Schicht oder zumindest einem Teilbereich der reflektierenden Schicht auf einer Hauptoberfläche angeordnet sein. Durch eine solche transparente elektrisch leitende Schicht zwischen der reflektierenden Schicht und der Hauptoberfläche kann ein elektrischer Kontakt ermöglicht werden, ohne dass die reflektierende Schicht durch den elektrischen Kontakt unterbrochen ist. Die transparente elektrisch leitende Schicht kann dabei als Elektrode oder als Teil einer Elektrode auf der Hauptoberfläche ausgebildet sein. Ein transparentes elektrisch leitendes Material kann beispielsweise ein transparentes elektrisch leitendes Oxid sein.
Ein transparentes elektrisch leitendes Oxid (transparent conductive Oxide, kurz „TCO") kann als transparente, elektrisch leitende Materialien in der Regel Metalloxide aufweisen, beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin müssen die TCOs nicht zwingend eine stöchiometrischen Zusammensetzung aufweisen und können auch p- oder n-dotiert sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist eine reflektierende Schicht eine Schicht auf, die ein Metall oder eine Legierung umfasst. Beispielsweise kann die Schicht auch aus einem Metall oder eine Legierung bestehen. Insbesondere können Metalle oder Legierungen gewählt sein, die einen hohen Reflexionsgrad für die im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweisen. Beispielsweise kann die Schicht als Metall Gold oder Silber auf weisen oder als Legierung eine Goldlegierung oder eine Silberlegierung. Besonders bevorzugt können alle auf den Hauptoberflächen und Seitenflächen reflektierenden Schichten dasselbe Metall oder dieselbe Legierung aufweisen. Alternativ kann eine reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche ein anderes Metall oder eine andere Legierung aufweisen als eine reflektierende Schicht auf einer Seitenfläche oder der anderen Hauptoberfläche.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist eine reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche eine Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung auf. Durch die Öffnung in der reflektierenden Schicht auf einer Hauptoberfläche kann die im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung vorzugsweise auf die der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Hauptoberfläche abgestrahlt werden, beispielsweise in eine Richtung parallel zur Aufwachsrichtung und damit senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die reflektierende Schicht auf einer Seitenfläche eine Öffnung auf. Dadurch kann es möglich sein, dass die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung senkrecht zur Aufwachsrichtung und damit parallel zur lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge abgestrahlt werden kann. Vorzugsweise kann die elektromagnetische Strahlung in den gesamten durch die der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Seite der Hauptoberfläche oder einer Seitenfläche definierten Halbraum abgestrahlt werden. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung nur in einen Teilbereich des Halbraums abgegeben wird.
Weiterhin kann die Öffnung mittig beziehungsweise in der Mitte auf einer Hauptoberfläche oder einer Seitenfläche angeordnet sein. Dabei kann „mittig" und „in der Mitte" bedeuten, dass die Hauptoberfläche oder Seitenfläche eine Form hat, die eine oder mehrere Symmetrieachsen aufweist, und die Öffnung beispielsweise auf einer Symmetrieachse oder gegebenenfalls auf dem Schnittpunkt wenigstens zweier Symmetrieachsen angeordnet ist. Alternativ kann die Öffnung auch außerhalb der Mitte der Hauptoberfläche oder Seitenfläche angeordnet sein. Beispielsweise kann es etwa vorteilhaft sein, wenn sich die Öffnung nahe eines Randes der Hauptoberfläche oder Seitenfläche befindet. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn beispielsweise zwei oder mehrere strahlungsemittierende Halbleiterchips so zueinander angeordnet werden sollen, dass ihre jeweiligen Öffnungen zum Austritt elektromagnetischer Strahlung nahe zueinander angeordnet sind, so dass eine Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung der Anordnung der zwei oder mehreren Halbleiterchips auf einem möglichst kleinen Bereich erfolgen kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der strahlungsemittierende Halbleiterchip genau eine Öffnung auf. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die genau eine Öffnung auf einer Hauptoberfläche angeordnet ist, so dass nur die reflektierende Schicht, die auf der besagten Hauptoberfläche angebracht ist, die Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung aufweist.
Bei einer Ausführungsform ist die Hauptoberfläche zumindest im Bereich der Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung so ausgeführt, dass eine Lichtauskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge und damit aus dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip erleichtert ist. Insbesondere kann eine Lichtauskopplung etwa durch eine Mikroprismenstrukturierung oder eine Rauhigkeitserhöhung der Hauptoberfläche ermöglicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließen die Seitenflächen mit einer Hauptoberfläche einen Winkel von etwa 90 Grad ein. Vorzugsweise können die Seitenflächen mit beiden Hauptoberflächen jeweils einen Winkel von etwa 90 Grad einschließen, was bedeutet, dass die Seitenflächen eine rechteckige Form haben können.
Bei einer bevorzugen Ausführungsform können die Seitenflächen oder zumindest eine Seitenfläche in Bezug auf eine oder beide Hauptoberflächen abgeschrägt ausgebildet sein. Das kann insbesondere bedeuten, dass zumindest eine Seitenfläche mit einer Hauptoberfläche einen Winkel einschließt, der kleiner als 90 Grad ist. Besonders bevorzugt schließen alle Seitenflächen mit einer Hauptoberfläche denselben Winkel ein, wobei weiterhin besonders bevorzugt die beiden Hauptoberflächen parallel zueinander ausgebildet sind. Dies kann bedeuten, dass der strahlungsemittierende Halbleiterchip als Pyramidenstumpf oder Kegelstumpf ausgebildet ist. Bevorzugt kann bei einer solchen Anordnung die Öffnung auf einer der beiden Hauptoberflächen angeordnet sein. Insbesondere kann das bedeuten, dass jeweils gegenüberliegende Seitenflächen nicht-parallel ausgebildet sind, so dass auch die reflektierenden Schichten, die auf diesen Seitenflächen angebracht sind, nicht parallel zueinender ausgebildet sind. Eine solche Anordnung kann beispielsweise vorteilhaft sein, um eine Lasertätigkeit des strahlungsemittierenden Halbleiterchips zu vermeiden. Beispielsweise kann der Winkel, den zumindest eine Seitenfläche mit einer Hauptoberfläche einschließt, kleiner oder gleich 80 Grad sein. Weiterhin kann der Winkel auch größer oder gleich 45 Grad sein. Je kleiner der Winkel zwischen einer Seitenfläche und einer Hauptoberfläche ausgebildet ist, desto eher kann es weiterhin auch möglich sein, dass ein Photon, dass nicht aus der Öffnung austritt, sondern von einer oder mehreren reflektierenden Schichten reflektiert wird, erleichtert in den aktiven Bereich zurückreflektiert werden kann und an einer Stelle im aktiven Bereich absorbiert und anschließend re-emittiert werden kann, die von der Stelle verschieden ist, an der das Photon ursprünglich erzeugt wurde. Dadurch kann eine vorteilhafte verbesserte Verteilung beziehungsweise Randomisierung der in der aktiven Schicht erzeugten und an den reflektierenden Schichten reflektierten elektromagnetischer Strahlung ermöglicht werden. Beispielsweise kann der Winkel zwischen einer Seitenfläche und einer Hauptoberfläche dazu kleiner oder gleich 30 Grad sein.
Eine vorteilhafte verbesserte Verteilung der elektromagnetischer Strahlung in der Halbleiterschichtenfolge kann auch beispielsweise durch eine Mikrostrukturierung oder eine Mesa-Strukturierung zumindest einer Hauptoberfläche oder beider Hauptoberflächen und der darauf angebrachten reflektierenden Schicht ermöglicht werden.
Bei einer Ausführungsform kann eine Hauptoberfläche eine n-eckige Form aufweisen, wobei n eine Ganze Zahl größer oder gleich 3 sein kann. Vorteilhafterweise kann eine Hauptoberfläche eine viereckige Form aufweisen, insbesondere eine quadratische oder eine rechteckige Form. Alternativ kann eine viereckige Hauptoberfläche auch die Form eines Trapez, einer Raute oder eines Parallelogramms aufweisen. Weiterhin kann eine Hauptoberfläche auch eine runde, etwa eine elliptische oder eine kreisförmige Form aufweisen. Insbesondere kann es bevorzugt sein, wenn beide Hauptoberflächen dieselbe Form aufweisen. Dabei kann es wiederum möglich sein, dass sich die Größen der beiden Hauptoberflächen unterscheiden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung eine n-eckige Form aufweisen, wobei n eine Ganze Zahl größer oder gleich 3 sein kann. Weiterhin kann die Öffnung eine runde, etwa bevorzugt eine kreisförmige oder auch eine elliptische Form aufweisen. Darüber hinaus kann die Öffnung eine Kombination der genannten Formen aufweisen.
Entsprechend der Form einer Hauptoberfläche oder eine Seitenfläche kann diese ein erstes charakteristisches Maß aufweisen, das die Größe der Hauptoberfläche oder Seitenfläche charakterisieren kann. Weiterhin kann auch die Öffnung ein zweites charakteristisches Maß aufweisen. Ein solches charakteristisches Maß kann beispielsweise eine Seitenlänge oder eine Diagonale, etwa bei einer n-eckigen, insbesondere bei einer viereckigen Form, sein, oder ein Durchmesser bei einer runden, insbesondere bei einer kreisförmigen Form. Bei einer Ausführungsform ist das zweite charakteristische Maß kleiner oder gleich 30% des ersten charakteristischen Maßes. Weiterhin kann das zweite charakteristische Maß kleiner oder gleich 10% des ersten charakteristischen Maßes sein, bevorzugt aber größer oder gleich 1%. Insbesondere kann auch das Verhältnis der Fläche der Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung zur Fläche der Hauptoberfläche oder Seitenfläche, auf der eine reflektierende Schicht mit der Öffnung angebracht ist, kleiner oder gleich 30% sein, bevorzugt kleiner oder gleich 10% und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 1% sein. Dabei kann das Verhältnis bevorzugt größer oder gleich 0,1% sein.
Bei einer Ausführungsform weist eine reflektierende Schicht einen Reflexionsgrad von größer oder gleich 50% für die im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung auf. Bevorzugt ist der Reflexionsgrad größer oder gleich 90% besonders bevorzugt größer oder gleich 95%.
Eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst insbesondere

– zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip gemäß zumindest einer der oben genannten Ausführungsformen, und
– zumindest ein dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip in Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung nachgeordnetes optisches Element.

Ein solches optisches Element kann beispielsweise eine Kollimierung oder eine Fokussierung der aus der Öffnung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips austretenden elektromagnetischen Strahlung ermöglichen. Dazu kann das optische Element ein strahlungsbeugendes optisches Element oder ein strahlungsbrechendes optisches Element, beispielsweise eine sphärische oder eine asphärische Linse, eine Fresnellinse oder eine Zylinderlinse aufweisen. Weiterhin kann das optische Element einen Reflektor oder einen Konzentrator aufweisen, beispielsweise einen nichtabbildenden Konzentrator. Dieser ist, verglichen mit einer üblichen Verwendung eines Konzentrators, für eine Durchstrahlung in umgekehrter Richtung vorgesehen. Ein derartiger Konzentrator weist zweckmäßigerweise einen Lichteingang auf, der eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der Lichtausgang. Der Konzentrator kann dabei bevorzugt ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator sein, womit hierbei sowie im Folgenden ein Konzentrator gemeint ist, dessen Seitenwände zumindest teilweise die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (compound parabolic concentrator, CPC), eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (compound elliptic concentrator, CEC) und/oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (compound hyperbolic concentrator, CHC) aufweist.
Weiterhin kann das optische Element eine Flüssigkristallzelle, einen Diffusor, einen Wellenlängenkonverter, einen Leichtleiter, ein Gehäuse, ein Teil eines Gehäuses, eine Verkapselung, ein Teil einer Verkapselung oder eine Kombination der genannten Elemente aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips aufweisen. Bevorzugt können dabei zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips ein unterschiedliches Emissionsspektrum aufweisen. Dadurch kann es möglich sein, dass die Vorrichtung elektromagnetische Strahlung mit einem Spektrum abstrahlt, dass eine Mischung der unterschiedlichen Spektren der jeweiligen strahlungsemittierenden Halbleiterchips ist.
Insbesondere kann eine Vorrichtung mit zumindest einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip Teil eines Projektors, einer optischen Maus, eines Scheinwerfers oder eines ein- oder mehrfarbigen Displays sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gegenstände ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß zumindest einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß zumindest noch einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Darstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß zumindest noch einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Darstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und
8A und 8B schematische Darstellungen von Teilen von Vorrichtungen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie z.B. Schichten, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick dargestellt sein.
In den 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips 100 in einer schematischen Schnittdarstellung in einer Seitenansicht und einer schematischen Darstellung in einer Draufsicht gezeigt. Die schematische Schnittdarstellung der 1A entspricht dabei einem Schnitt durch den in der 1B gezeigten strahlungsemittierenden Halbleiterchip 100 entlang der mit A gekennzeichneten Linie. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf beide Figuren. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 100 weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich 10 auf, der geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge 1 weitere funktionale Schichten und Bereiche 101, 102 umfassen. Der aktive Bereich 10 beziehungsweise die Halbleiterschichtenfolge 1, insbesondere die funktionellen Bereich 101, 102 können Materialien und Schichten wie im allgemeinen Teil der Beschreibung ausgeführt umfassen. Die Halbleiterschichtenfolge weist Seitenflächen 13, 14, 15, 16 beziehungsweise Hauptoberflächen 11, 12 auf, auf denen reflektierende Schichten 23, 24, 25, 26 beziehungsweise 21, 22 angeordnet sind. Die Seitenflächen 13, 14, 15, 16 können sich dabei über alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 1 erstrecken und wie im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Schichten der Halbleiterschichtenfolge 1 sein.
Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge eine epitaktisch gewachsene Dünnfilm-Halbleiterschichtenfolge sein. Die reflektierende Schicht 21 auf der Hauptoberfläche 11 kann damit insbesondere eine für einen Dünnfilm-Halbleiterchip charakteristische reflektierende Schicht sein, die im Rahmen des epitakitschen Aufwachsprozess zur Bildung der Halbleiterschichtenfolge 1 auf der Hauptoberfläche 11 angebracht werden kann. Ein für Dünnfilm-Halbleiterchips übliches und dem Fachmann bekanntes Trägersubstrat auf der der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandten Seite der reflektierenden Schicht 21 ist nicht gezeigt. Weiterhin sind übliche und dem Fachmann bekannte Lotschichten und elektrische Anschlüsse nicht gezeigt. Die Hauptoberfläche 12 kann durch die der Hauptoberfläche 11 gegenüberliegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 1 gebildet sein.
Auf den Seitenflächen sind gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel reflektierende Schichten 23, 24, 25, 26 so aufgebracht, dass die Seitenflächen 13, 14, 15, 16 gänzlich von diesen bedeckt sind. Insbesondere können die funktionellen Schichten oder Bereiche 101, 102 und der aktive Bereich 10 durch die reflektierenden Schichten 23, 24, 25, 26 kontaktiert werden. Daher kann es hierbei vorteilhaft sein, wenn die reflektierenden Schichten 23, 24, 25, 26 auf einer nicht elektrisch leitend ausgebildeten Schicht aufgebracht sind. Bevorzugt sind die reflektierenden Schichten 23, 24, 25, 26 auf einer der Halbleiterschichtenfolge 1 zugewandeten Schicht mit einem dielektrischen, transparenten Material, beispielsweise Silizumnitrid aufgebracht, so dass die Bereiche 101, 102 und der aktive Bereich 10 der Halbleiterschichtenfolge 1 nicht elektrisch leitend verbunden sind. Als reflektierende Schicht ist dann auf dieser dielektrischen, transparenten Schicht eine Metallschicht aufgebracht, die etwa Gold oder Silber oder eine Legierung daraus aufweisen kann, und die geeignet ist, die im aktiven Bereich 10 der Halbleiterschichtenfolge 1 erzeugte elektromagnetische Strahlung zu reflektieren. Alternativ können die reflektierenden Schichten 23, 24, 25, 26 auch ein dielektrisches, reflektierendes Material aufweisen und damit dielektrische Spiegel sein.
Auf der Hauptfläche 12 ist eine reflektierende Schicht 22 aufgebracht, die eine Öffnung 3 aufweist. Die reflektierende Schicht 22 bedeckt dabei die Hauptfläche 12 gänzlich bis auf die Öffnung 3, so dass in dem aktiven Bereich 1 erzeugte elektromagnetische Strahlung nur durch die Öffnung 3 austreten und vom strahlungsemittierenden Halbleiterchip 100 abgestrahlt werden kann. Bevorzugt weist die reflektierende Schicht 12 eine der Halbleiterschichtenfolge 1 zugewandte Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitenden Material, etwa einem transparentem, elektrisch leitenden Oxid auf. Auf dieser Schicht kann dann wie auf den Seitenflächen eine reflektierende Metallschicht aufgebracht sein, die ebenfalls Gold, Silber oder eine Legierung daraus aufweisen kann. Eine elektrische Kontaktierung des Bereichs 101 über die Hauptoberfläche 12 kann durch die Schicht aus dem transparenten, elektrisch leitenden Oxid erfolgen, wobei die transparente, elektrisch leitende Oxidschicht zumindest einen elektrischen Anschlusspunkte wie etwa einen Lötkontakt zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit einer Stromversorgung aufweisen kann, der außerhalb der durch die reflektierenden Schichten 21, 22, 23, 24, 25, 26 begrenzten Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein kann.
Die reflektierenden Schichten können mit Beschichtungstechniken wie etwa Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung oder Sputtern auf die Hauptoberflächen und Seitenflächen aufgebracht werden. Insbesondere kann es auch möglich sein, dass mehrere Schichten, etwa reflektierende Schichten oder Teilbereiche reflektierender Schichten, auf verschiedenen Seitenflächen oder Hauptoberflächen gleichzeitig aufgebracht werden. Beispielsweise kann auf den Seitenflächen 13, 14, 15, 16 eine dielektrische Schicht aufgebracht werden und auf der Hauptoberfläche 12 eine Schicht aus einen transparen ten elektrisch leitenden Oxid. Eine reflektierende Schicht, die ein wie oben genanntes Metall oder eine Legierung aufweist, kann dann in einem Arbeitsschritt auf die Seitenflächen 13, 14, 15, 16 und die Hauptoberfläche 12 gleichzeitig aufgebracht werden.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip kann beispielsweise Hauptoberflächen 11, 12 mit einer Seitenlänge von etwa 1 mm aufweisen und eine mittig auf der Hauptoberfläche 12 angeordnete kreisförmige Öffnung 3 mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 300 Mikrometer. Damit wird lediglich ein Bruchteil der Halbleiterchip-Hauptoberfläche 12 zur Auskopplung und Abstrahlung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung verwendet. Durch eine gänzliche Bedeckung der Seitenflächen 13, 14, 15, 16 und Hauptoberflächen 11, 12 mit reflektierenden Schichten 23, 24, 25, 26 und 21, 22 bis auf die Öffnung 3 auf der Hauptoberfläche 12 kann eine Erhöhung der Leuchtdichte für die aus der Öffnung 3 austretende elektromagnetische Strahlung ermöglicht werden. Ein in dem aktiven Bereich 10 beispielsweise an einer Stelle 112 durch die Stromaufprägung auf die Halbleiterschichtenfolge 1 erzeugtes Photon kann so abgestrahlt werden, dass es direkt aus der Öffnung 3 austreten kann und damit zur Leuchtdichte des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 100 beitragen kann. Darüber hinaus kann beispielsweise an einer Stelle 110 ein Photon erzeugt werden, das so abgestrahlt wird, das es nicht ohne Reflexion durch die Öffnung 3 aus der Halbleiterschichtenfolge 1 austreten kann, sondern an reflektierenden Schichten 22, 24, 21 ein- oder mehrfach reflektiert wird und schließlich die Möglichkeit besteht, dass das Photon an einer weiteren Stelle 111 der aktiven Schicht wieder absorbiert werden kann. Durch die Absorption der Photons kann aus der aktiven Schicht durch Re-Emission an der Stelle 111 ein wei teres Photon emittiert werden, das nun beispielsweise so abgestrahlt wird, dass es aus der Öffnung 3 austreten kann. Durch dieses Photonen-Recycling kann also die Leuchtdichte der durch die Öffnung 3 abgestrahlten Strahlung erhöht werden. Die Positionen der Stellen 110, 111, 112 ist dabei rein exemplarisch gezeigt und können beispielsweise auch dieselbe Stelle bezeichnen.
Alternativ zur Ausführung als Dünnfilm-Halbleiterschichtenfolge kann die Halbleiterschichtenfolge 1 auch als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge auf einem Aufwachssubstrat oder als organische Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat ausgeführt sein. In diesem Fall kann der funktionale Bereich 101 oder 102 auch das Aufwachssubstrat oder das Substrat umfassen und die Hauptoberfläche 11 oder 12 wird durch die der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandten Seite des Aufwachssubstrats oder des Substrats gebildet, auf der die reflektierende Schicht 21, beispielsweise ähnlich oder gleich der reflektierenden Schicht 22 auf der Hauptoberfläche 12, aufgebracht ist. Vorteilhafterweise ist dazu das Substrat transparent ausgeführt. Insbesondere kann in diesem Fall die Öffnung 3 auch auf der Hauptoberfläche 11 angebracht sein.
In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips 200 weist die auf der Hauptoberfläche 12 angebrachte reflektierende Schicht 12 eine Öffnung 3 auf, die nicht mittig auf der Hauptoberfläche 12 angebracht ist. Unabhängig davon kann die reflektierende Schicht 22 auf der Hauptoberfläche 12 im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 1A und 1B ein nicht elektrisch leitendes, etwa dielektrisches Material oder eine solche Schicht wie etwa die reflektierenden Schichten 23, 24 auf den Seitenflächen 13, 14 aufweisen. Weiterhin kann die re flektierende Schicht daher beispielsweise einen elektrischen Kontakt 31 aufweisen, durch den eine elektrische Kontaktierung des funktionalen Bereichs 102 über die Hauptoberfläche 12 ermöglicht werden kann. Der elektrische Kontakt 31 kann beispielsweise reflektierend ausgebildet sein und beispielsweise ein Metall wie etwa Silber oder Gold aufweisen. Alternativ kann der elektrische Kontakt 31 auch nicht reflektierend sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch die reflektierende Schicht 21 auf der Hauptoberfläche 11 einen oder mehrere elektrische Kontakte aufweisen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der 3 zeigt einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 300, der beispielsweise wie der strahlungsemittierende Halbleiterchip 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel in den 1A und 1B aufgebaut sein kann. Jedoch weist der strahlungsemittierende Halbleiterchip 300 zwischen den Seitenflächen 13, 14 und der Hauptoberfläche 12 einen abgeschrägten Winkel 41 auf, der kleiner als 90 Grad ist. Insbesondere kann der Winkel 80 Grad oder weniger betragen und 45 Grad oder mehr. Ein solcher Winkel 41 zwischen den Seitenflächen 13, 14 und der Hauptoberfläche 12 kann vorteilhaft sein, wenn eine umlaufende elektromagnetische Strahlung vor allem zwischen den Seitenflächen 13, 14 vermieden werden soll. Durch eine solche umlaufende elektromagnetische Strahlung bei einer ausreichend hohen Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung kann es nämlich zum Laserbetrieb in der Halbleiterschichtenfolge 1 kommen, was vorteilhafterweise im strahlungsemittierenden Halbleiterchip 300 vermieden werden kann. Dies ist möglich, da beispielsweise in einem Dünnfilm-Halbleiterchip die Dicke der Halbleiterschichtenfolge 1 und damit die Höhe der Seitenflächen 13, 14 im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Hauptoberflächen 11, 12 wesentlich kleiner ist und daher im aktiven Bereich 10 erzeugte Photonen insbesondere mehrmals an den reflektierenden Schichten 21, 22 auf den Hauptoberflächen 11, 12 reflektiert werden, bevor sie an den reflektierenden Schichten 23, 24 auf den Seitenflächen 13, 14 reflektiert werden.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 300 kann damit beispielsweise die Form eines Pyramidenstumpfs aufweisen, auf dessen größerer Hauptoberfläche 12 die Öffnung 3 angeordnet ist.
Wie im Ausführungsbeispiel gemäß der 4 gezeigt ist, kann die Öffnung 3 auch auf der kleineren Hauptoberfläche 12 eines pyramidenstumpfförmigen strahlungsemittierenden Halbleiterchips 400 angeordnet sein. Insbesondere zeigt das Ausführungsbeispiel einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 400, bei dem außerdem der Winkel zwischen der Hauptoberfläche 11 und den Seitenflächen 13, 14 kleiner oder gleich 30 Grad sein kann. Dadurch kann beispielsweise die Ausbreitungsrichtung von im aktiven Bereich erzeugten Photonen in der durch die reflektierenden Schichten 21, 22, 23, 24 begrenzten Halbleiterschichtenfolge wirkungsvoll verändert werden, wodurch eine Verteilung der elektromagnetischen Strahlung in der Halbleiterschichtenfolge 1 insbesondere auch hinsichtlich des Photonen-Recyclings verbessert werden kann.
Im Vergleich zu den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen der 1A bis 4 zeigt die 5 das Ausführungsbeispiel eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips 500, bei dem die Öffnung 3 in der reflektierenden Schicht 24 auf einer Seitenfläche 14 angeordnet ist. Insbesondere kann bei dieser Bauform des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 500 elektromagnetische Strahlung mit einer erhöhten Leuchtdichte in eine Richtung parallel zur lateralen Ausdehnung der Schichten beziehungsweise des aktiven Bereichs 10 der Halbleiterschichtenfolge 1 abgestrahlt werden. Dabei können einige oder alle Seitenflächen beispielsweise auch Winkel kleiner oder gleich als 90 Grad mit einer der Hauptoberflächen 11, 12 einschießen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 101 und einem optischen Element 50. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 101 kann beispielsweise gemäß einem der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der 1A bis 5 ausgeführt sein. Das optische Element 50 ist im Strahlengang des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 101 über der Öffnung 3 für den Austritt elektromagnetischer Strahlung 60 angeordnet. Das optische Element 50 kann z.B. eine Kollimierung der aus dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 101 ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung 60 verursachen. Durch die im Vergleich zu den Hauptoberflächen kleinen Öffnung 3 und der damit verbundenen kleinen Auskoppelfläche für die elektromagnetische Strahlung 60 bei einer gleichzeitig vorteilhafterweise erhöhten Leuchtdichte kann es so möglich sein, einen kollimierten Strahl der elektromagnetischen Strahlung mit einer erhöhten Leuchtdichte bei einem im Vergleich zu den Hauptoberflächen kleinen Leuchtfläche zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann das optische Element 50 beispielsweise auch geeignet sein, die elektromagnetische Strahlung 60 zu fokussieren oder zumindest einen Teil des Emissionsspektrums des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 101 durch einen Wellenlängenkonverter zu verändern um beispielsweise ein mischfarbiges Emissionsspektrum der Vorrichtung 600 zu erreichen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 ist eine Vorrichtung 700 gezeigt mit zwei strahlungsemittierenden Halbleiterchips 701, 702. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 701, 702 können dabei Merkmale gemäß einem oder mehreren der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele und damit insbesondere eine erhöhte Leuchtdichte aufweisen. Vorteilhafterweise weisen die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 701, 702 jeweils ein nicht-mittig angeordnete Öffnung 301, 302 für die Auskopplung elektromagnetischer Strahlung auf, wobei die Öffnungen 301, 302 so zu einander angeordnet sind, dass sie einen geringen Abstand voneinander haben. Dadurch ist es möglich, dass die elektromagnetische Strahlung, die jeweils aus den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 701, 702 ausgekoppelt wird, überlagert werden kann. Insbesondere wenn die beiden strahlungsemittierenden Halbleiterchips 701, 702 verschiedene Emissionsspektren elektromagnetischer Strahlung aufweisen, kann ein Mischspektrum mit erhöhter Leuchtdichte von der Vorrichtung 700 abgestrahlt werden. Zur Verbesserung der Durchmischung der jeweiligen Emissionsspektren kann den beiden strahlungsemittierenden Halbleiterchips 701, 702 ein optisches Element 50 nachgeordnet sein, dass beispielsweise als Diffusor wirkt.
Die 8A und 8B zeigen weitere Ausführungsbeispiele für die Ausführung und Anordnung einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips 801, 802, 803 beziehungsweise von strahlungsemittierenden Halbleiterchips 801, 802, 803, 804, die benachbart angeordnete Öffnungen 301, 302, 303 beziehungsweise Öffnungen 301, 302, 303, 304 aufweisen. Solchen Anordnungen können wie im Ausführungsbeispiel zur 7 ein oder mehrere optische Elemente 50 nachgeordnet sein. Das Ausführungsbeispiel der 8A zeigt beispielsweise drei strahlungsemittierende Halbleiterchips 801, 802, 803, die je weils die Form einer Raute mit nicht-mittig angeordneten kreisförmigen Öffnungen 301, 302, 303 aufweisen. Das Ausführungsbeispiel der 8B zeigt beispielsweise vier quadratische strahlungsemittierende Halbleiterchips 801, 802, 803, 804 mit nicht-mittig angeordneten dreieckigen Öffnungen 301, 302, 303, 304. Die Formen der strahlungsemittierenden Halbleiterchips und der Öffnungen sind dabei rein exemplarisch gezeigt. Beispielsweise kann in beiden Ausführungsbeispielen ein erster strahlungsemittierender Halbleiterchip 801 in rotes, ein zweiter strahlungsemittierender Halbleiterchip 802 ein grünes und ein dritter strahlungsemittierender Halbleiterchip 803 ein blaues Emissionsspektrum aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 8B kann ein vierter strahlungsemittierender Halbleiterchip 804 beispielsweise zusätzliche dasselbe Emissionsspektrum wie einer der anderen drei strahlungsemittierende Halbleiterchips 801, 802, 803 aufweisen oder ein davon verschiedenes. Solche Anordnungen, die in den angeführten Ausführungsbeispielen lediglich beispielhaft gezeigt sind und insbesondere eines oder mehrere Merkmale der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen aufweisen können, können sich beispielsweise für RGB-Anwendungen, die eine hohe Leuchtdichte erfordern, etwa in Projektoren, eigenen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Strahlungsemittierender Halbleiterchip, umfassend – zwei als gegenüberliegende Seiten ausgebildete Hauptoberflächen, die durch Seitenflächen miteinander verbunden sind, und – eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung wobei – die Halbleiterschichtenfolge zwischen den Hauptoberflächen und den Seitenflächen angeordnet ist, – auf jeder der Hauptoberflächen und der Seitenflächen jeweils eine reflektierende Schicht angebracht ist, die zumindest einen Teil der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, und – eine reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche oder einer Seitenfläche eine Öffnung für den Austritt der elektromagnetischen Strahlung aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die Hauptoberflächen und die Seitenflächen durch die Halbleiterschichtenfolge gebildet werden.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine der Seitenflächen oder Hauptoberflächen gänzlich von der reflektierenden Schicht bedeckt ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge bis auf die Öffnung gänzlich von reflektierenden Schichten bedeckt ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine der reflektierenden Schichten auf einer Seitenfläche eine Schicht aufweist, die ein dielektrisches Material umfasst.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest zwischen einem Teilbereich der reflektierenden Schicht auf einer Hauptoberfläche und der Hauptoberfläche eine Schicht angeordnet ist, die ein elektrisch leitendes Oxid umfasst.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine der reflektierenden Schichten eine Schicht aufweist, die ein Metall umfasst.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Metall Silber oder Gold ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die reflektierende Schicht auf einer Hauptoberfläche eine Öffnung aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die reflektierende Schicht auf einer Seitenfläche eine Öffnung aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterchip genau eine Öffnung aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Seitenflächen mit einer Hauptoberfläche jeweils einen Winkel einschließen, wobei der Winkel gleich etwa 90 Grad ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach dem vorherigen Anspruch, wobei zumindest eine Seitenflächen abgeschrägt in Bezug auf zumindest eine der Hauptoberflächen ausgebildet ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Hauptoberfläche eine quadratische, eine runde, eine elliptische oder eine n-eckige Form aufweist, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung eine quadratische, eine runde, eine elliptische oder eine n-eckige Form aufweist, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Hauptoberfläche oder die Seitenfläche, auf der eine reflektierende Schicht mit einer Öffnung angebracht ist, ein erste charakteristisches Maß aufweist und die Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung ein zweites charakteristisches Maß aufweist, wobei – das erste charakteristische Maß eine Seitenlänge, eine Diagonale oder ein Durchmesser ist, – das zweite charakteristische Maß eine Seitenlänge, eine Diagonale oder ein Durchmesser ist, und – das zweite charakteristische Maß kleiner oder gleich 30% des ersten charakteristischen Maßes ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis der Fläche der Öffnung für den Austritt elektromagnetischer Strahlung zur Fläche der Hauptoberfläche oder der Seitenfläche, auf der eine reflektierende Schicht mit einer Öffnung angebracht ist, kleiner oder gleich 30% ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf einer Hauptoberfläche zumindest ein elektrischer Kontakt angeordnet ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine der reflektierenden Schichten einen Reflexionsgrad größer oder gleich 50% für die von der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine Dünnfilm-Halbleiterschichtenfolge ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Hauptoberfläche zumindest in einem Teilbereich eine Mikrostrukturierung oder eine Mesa-Strukturierung aufweist.
Vorrichtung, umfassend – zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29, und – zumindest ein dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip in Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung nachgeordnetes optisches Element.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das optische Element ein strahlungsbeugendes optisches Element, ein strahlungsbrechendes optisches Element, ein Reflektor, ein Konzentrator, eine Flüssigkristallzelle, ein Diffusor, ein Wellenlängenkonverter, ein Leichtleiter, ein Gehäuse, ein Teil eines Gehäuses, eine Verkapselung, ein Teil einer Verkapselung oder eine Kombination daraus aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips umfasst, wobei zumindest zwei der Mehrzahl von Halbleiterchips ein verschiedenes Spektrum der jeweils im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Vorrichtung Teil eines Projektors, einer optischen Maus, eines Scheinwerfers oder eines ein- oder mehrfarbigen Displays sein.
Strahlungsemittierende Vorrichtung, umfassend – zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29, die so zueinander angeordnet sind, dass deren Öffnungen für den Austritt der elektromagnetischen Strahlung benachbart angeordnet sind, so dass die durch die Öffnungen emittierte elektromagnetische Strahlung der beiden Halbleiterchips überlagert wird.