DE10213701A1 - Hoch reflektierende ohmsche Kontakte für AlGaln-Flip-Chip-LEDs - Google Patents

Hoch reflektierende ohmsche Kontakte für AlGaln-Flip-Chip-LEDs

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Abstract

Eine invertierte, III-Nitrid-, Licht emittierende Anordnung (LED) mit hoch reflektierenden, ohmschen Kontakten weist eine n- und eine p-Elektrodenmetallisierung auf, welche opak und hoch reflektierend sind und eine ausgezeichnete Stromverteilung vorsehen. Die n- und p-Elektrode absorbieren jeweils weniger als 25% des einfallenden Lichts je Durchgang auf der Maximalemissionswellenlänge des aktiven Bereichs der LED.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Licht emittierende Halbleiteranordnungen und, im Besonderen, auf, auf III-Nitrid basierende, Licht emittierende Diodenanordnungen mit hoch reflektierenden, ohmschen Kontakten.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Bei einem "III-Nitrid"-Materialsystem handelt es sich um eine Verbindung aus Elementen der Gruppe III und Gruppe V, um zur Herstellung elektronischer und optoelektronischer Anordnung verwendete Halbleiter auszubilden, wobei Stickstoff das Element der Primärgruppe V darstellt. Dieses Materialsystem umfasst GaN, AlGaN, AlN, GaInN, AlGaInN, InN, GaInAsN und GaInPN, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Das III- Nitrid-Materialsystem eignet sich zur Herstellung Licht emittierender Anordnungen (LEDs), welche Licht mit Photonenenergien von den ultravioletten zu den roten, spektralen Wellenlängenbereichen erzeugen. Diese LEDs weisen Licht emittierende Dioden und Laserdioden auf.
Eine III-Nitrid-LED weist typischerweise Epitaxialschichten auf, welche auf einem geeigneten Wachstumssubstrat aufgebracht werden, um unter Anwendung von Aufwachstechniken, z. B. organometallischer Dampfphasenepitaxie, einen pn-Übergang auszubilden. Es werden einige bestimmte Anforderungen an die Herstellung von III-Nitrid- Halbleiteranordnungen gestellt. Da III-Nitridsubstrate nicht im Handel erhältlich sind, muss das epitaxiale Aufwachsen auf nicht Gitter-angepassten Substraten, wie z. B. Saphir oder SiC, erfolgen. Bei der Ausrichtung des konventionellen III-Nitrid-LED-Chips mit der Epitaxieseite nach oben, auch "Junction-Up"-LEDs genannt, ist es erforderlich, dass Licht aus der oberen Fläche, d. h. durch die p-leitenden III-Nitridschichten, herausgeführt wird. Durch den hohen spezifischen Widerstand der p-leitenden III-Nitrid-Schichten, z. B. GaN, ist es jedoch erforderlich, auf die Oberfläche des p-leitenden Materials eine Metallisierung aufzubringen, um eine ausreichende Stromverteilung vorzusehen. Da solche Metalle Licht absorbieren, wird typischerweise eine sehr dünne p-Elektrodenmetallisierung (z. B. Ni/Au) verwendet, damit durch die obere Fläche Licht austreten kann. Jedoch absorbieren selbst diese dünnen, halb transparenten Schichten eine signifikante Lichtmenge. Wird bei Au von einer typischen Dicke von 100 Å ausgegangen und Ni (welches zur Ausbildung von transparentem NiOx oxidiert werden kann) übergangen, beträgt die bei dieser halb transparenten p-Elektrode absorbierte Lichtmenge ~25% je Durchgang bei λ = 500 nm. Bei hohen Stromdichten muss die Metallisierungsdicke eventuell erhöht werden, um eine gleichmäßige Strominjektion in die aktive Zone aufrechtzuerhalten und zu vermeiden, dass der Großteil des Lichts in der Nähe der Drahtbondinsel erzeugt wird. Eine Zunahme der Metallstärke erhöht die Lichtabsorption und reduziert die Exktraktionseffizienz der Anordnung. Selbstverständlich sollte dieser Kompromiss bei der Konstruktion von III-Nitrid- LEDs zum Betrieb bei hohen Stromdichten (< 40 A/cm2, also ~50 mA in eine ~0,35 × 0,35 mm2 Übergangsfläche) verhindert werden.
Die Lichtextraktionseffizienz einer Licht emittierenden Diode (LED) wird als das Verhältnis der externen Quantenausbeute der LED zu der internen Quantenausbeute der LED definiert. Die externe Ausbeute von LEDs ist stark davon abhängig, wie effizient Licht aus dem zur Herstellung der LED verwendeten Halbleiter ausgekoppelt wird. Typischerweise ist die Lichtextraktionseffizienz einer Platz sparend angeordneten LED im Wesentlichen geringer als Eins, d. h. ein Großteil des in der aktiven Zone der LED erzeugten Lichts erreicht nie die externe Umgebung.
Die optische Extraktionseffizienz bei "Junction-Up"-LEDs ist bei der erweiterten, halb transparenten p-Metallisierung auf Grund optischer Absorption begrenzt. Im Besonderen wurde, wie unten angegeben, die Verwendung reflektierender p-Kontakte offenbart. Jedoch sind die p-Kontakte typischerweise durch Legierungen und Mehrschichtstrukturen dargestellt, während sich die n-Kontakte aus Mehrschichtstrukturen mit einer dünnen Schicht aus Ti oder V, welche mit einer dickeren Schicht aus Al oder Au versehen ist, zusammensetzen. Bei "Junction-Up"-LEDs ist das Reflexionsvermögen von n- Kontakten von geringer Wichtigkeit, da die Absorption bei den halb transparenten p- Kontakten sehr hoch ist.
Konventionelle LEDs auf GaN-Basis werden auf zwei verschiedene Arten hergestellt. In dem einen Fall wird vornehmlich von der Oberseite der Anordnung, dort, wo die Epitaxialschichten ausgebildet sind, Licht aufgefangen. In diesem Fall muss von dem Halbleiter emittiertes Licht durch einen halb transparenten Kontakt hindurchgehen. Dieser Kontakt absorbiert einen signifikanten Teil des in dem Material erzeugten Lichts, wodurch die Effizienz der LED verringert wird. Alternativ werden handelsübliche LEDs auf SiC- Substraten hergestellt und so angebracht, dass sich ein Kontakt auf der Oberseite des Chips und ein Kontakt auf der Unterseite befindet. Diese Konfiguration hat den Nachteil, dass das SiC-Substrat einen großen Teil des erzeugten Lichts absorbiert. Bei beiden LED-Arten handelt es sich bei den n- und p-Kontakten um schlechte Reflektoren, und sie absorbieren signifikante Teile des von der Anordnung erzeugten Lichts.
In Fig. 1 offenbarte Nakamura et al in US-Patent 5 563 422 eine typische, bekannte "Junction-Up"-III-Nitrid-LED, welche ein Saphir-Substrat aufweist. Undotierte und dotierte III-Nitridschichten umgeben eine aktive Zone. Eine nicht planare Geometrie der Anordnung ist dort erforderlich, wo sowohl zu dem p- als auch dem n-Bereich auf der gleichen Seite (oben) der LED Kontakt besteht, da das Substrat elektrisch isoliert ist. Ebenso sind zwei Drahtbondinseln auf der Oberseite der Anordnung erforderlich. Die negativseitige Drahtbondinsel ist ebenfalls durch eine ohmsche Elektrode zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit den III-Nitrid-Epitaxialschichten dargestellt. Durch den hohen spezifischen Widerstand der p-leitenden III-Nitridschichten ist es erforderlich, dass die Stromverteilung durch eine dünne, halb transparente (teilweise absorbierende), ohmsche NiAu-Elektrode vorgesehen wird, welche mit den p-leitenden III-Nitridschichten elektrisch verbunden ist. Die Lichtextraktionseffizienz wird durch die Größe der von dieser ohmschen Elektrode und den Bondinseln bedeckten Oberfläche begrenzt. Die den ohmschen Metallschichten und solchen mit Bondkontaktstellen zugeordneten, optischen Verluste werden durch die Lichtleiteigenschaft der III-Nitrid-Materialien (n~2,4) auf dem Saphirsubstrat (n~1,8) hervorgehoben. Überdies werden die bevorzugten Elektroden aus einem metallischen Material gebildet, welches zwei Metalle oder mehr, entweder miteinander vermischt oder in Form einer Mehrschichtstruktur, enthält. Die bevorzugte p-Elektrode ist durch einen mehrschichtigen Ni/Au-Kontakt dargestellt, obgleich der Kontakt unter Verwendung von Verbindungen aus Gold (Au), Nickel (Ni), Platin (Pt), Aluminium (Al), Zinn (Sn), Indium (In), Chrom (Cr) und Titan (Ti) vorgesehen werden kann. Bei dem offenbarten, n-leitenden Kontakt handelt es sich ebenfalls um eine Mehrschichtstruktur, vorzugsweise Ti/Al, Ti/Au oder Ti/Al/Au.
Inoue et al offenbarte in EP 0 921 577 A1 eine bekannte III-Nitrid LED, welche eine nach unten gerichtete Epitaxieseite bzw. eine umgekehrte Struktur aufweist, wobei das Licht überwiegend durch ein Superstrat, d. h. das Saphirwachstumssubstrat, nach oben austritt Durch die Konstruktion der Anordnung wird die aktive Übergangsfläche beibehalten und die kleinstmögliche Chipgröße vorgesehen. Die p-Elektrode setzt sich aus Ni und Au zusammen, welche sichtbares Licht vollständig absorbieren. Die n-Elektrode setzt sich aus einem Ti- und Au-Mehrschichtfilm zusammen. Da diese Anordnung keine hoch reflektierende p-Elektrodenmetallisierung aufweist, sieht sie eine begrenzte Lichtextraktionseffizienz vor und bietet keine signifikante Verbesserung gegenüber der konventionellen Anordnung (Epitaxieseite nach oben). Ebenso sind die Anordnungen in ihrer Lichterzeugungsfähigkeit begrenzt, da diese klein (< 400 × 400 µm2) sind und eine kleine Lötverbindung mit dem Gehäuse aufweisen. Schließlich erfährt diese Anordnung bei Leiten des in den III-Nitrid-Epitaxialschichten aufgefangenen Lichts auf Grund des, einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Saphirsuperstrats eine unzureichende Leistungsfähigkeit.
Kondoh et al offenbarte in EP 0 926 744 A2 eine bekannte, invertierte III- Nitrid-LED mit einem Saphirsuperstrat. Die p-leitende Elektrode wird auf Silberbasis (d. h. eine Mehrschichtelektrode mit Silber als erste Schicht) vorgesehen. Die Silberschicht ist äußerst lichtreflektierend und resultiert im Vergleich zu der von Inoue et al offenbarten Anordnung in einer Anordnung mit einer höheren Lichtextraktionseffizienz. Die Ag- Adhäsion auf III-Nitrid-Material ist jedoch schlecht. Bei Ausheilen kann Ag konglomerieren und die Integrität des Verhaltens des ohmschen Schichtkontakts und des Reflexionsvermögens zerstören. Die n-leitende Elektrode ist durch eine konventionelle Ti/Al- Mehrschichtelektrode mit 10 nm Ti dargestellt. Die Inklusion der Ti-Schicht fördert die Adhäsion und reduziert den Kontaktwiderstand, obgleich sie ebenfalls das optische Reflexionsvermögen des Kontakts reduziert. Die Anordnung ist in ihrer Lichterzeugungsfähigkeit begrenzt, da diese klein (< 400 × 400 µm2) ist und eine kleine Lötverbindung mit dem Gehäuse aufweist. Schließlich erfährt diese Anordnung bei Leiten des in den III-Nitrid-Epitaxialschichten aufgefangenen Lichts auf Grund des, einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Saphirsuperstrats eine unzureichende Leistungsfähigkeit.
Mensz et al offenbarte in Electronics Letters 33 (24), Seiten 2066-2068, eine bekannte, invertierte III-Nitrid-LED mit einem Saphirsuperstrat. Bei dieser Anordnung werden p-leitende Doppelschichtmetallelektroden, Ni/Al und Ni/Ag, verwendet, welche im Vergleich zu Ni/Au ein verbessertes Reflexionsvermögen bieten. Jedoch weisen diese p- leitenden Doppelschichtmetallelektroden noch immer ein relativ geringes Reflexionsvermögen auf. Die Ni-Schicht der p-Elektrode wird für die Adhäsionsschicht der p-Elektrode verwendet. Die n-Elektrode ist durch eine TiAl-Elektrode mit einer unbestimmten Ti-Stärke dargestellt. P-leitende Mehrschichtmetallelektroden können viele Vorteile bieten, und es gibt viele Gründe, diese einzusetzen (z. B. zur Adhäsion an dem Halbleiter oder um ohmsche Kontakte zu ermöglichen). Der Nachteil der Verwendung solcher zusätzlicher Schichten ist, dass sie das Reflexionsvermögen der Elektrode und folglich die Extraktionseffizienz beeinträchtigen. Diese Anordnungen wiesen ebenfalls hohe Durchlassspannungen von 4,9 bis 5,1 V bei 20 mA bei Anordnungen von 350 × 350 µm2 auf. Hieraus ergibt sich ein Serienwiderstand von ~100 Ω, welcher mehr als dreimal höher als dieser von Anordnungen mit guten ohmschen Elektroden ist. Der hohe Serienwiderstand stellt eine starke Begrenzung des Leistungsumwandlungswirkungsgrads dar. Da diese Anordnungen eine geringe Größe (< 400 × 400 µm2) aufweisen und nicht bei geringem thermischem Widerstand eingesetzt werden, sind sie in ihrer Lichterzeugungsfähigkeit begrenzt. Schließlich erfahren diese Anordnungen bei Leiten des in den III-Nitrid- Epitaxialschichten aufgefangenen Lichts auf Grund des, einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Saphirsuperstrats eine unzureichende Leistungsfähigkeit.
Edmond et al offenbarte in WIPO WO 96/09653 eine III-Nitrid LED mit Vertikalinjektion auf einem leitenden SiC-Substrat (d. h. eine, zwischen zwei ohmschen Kontakten angeordnete LED), welche in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die ohmschen Kontakte aus Al, Au, Pt oder Ni gebildet werden. Ein Saphirsubstrat kann möglicherweise nicht in einer vertikalen LED verwendet werden, da Saphir nicht leitend ist. Zur ohmschen Leitung von den III-Nitridschichten zu dem SiC-Substrat ist eine leitende Pufferschicht erforderlich. Die für eine leitende Pufferschicht erforderlichen Wachstumsbedingungen limitieren die für nachfolgende Schichten in Frage kommenden Wachstumsbedingungen und beschränken damit die Qualität der III-Nitridschichten des aktiven Bereichs. Ebenso kann die leitende Pufferschicht optische Verlustmechanismen hervorrufen, welche die Lichtextraktionseffizienz einschränken. Ferner muss das SiC-Substrat dotiert werden, um eine hohe, elektrische Leitfähigkeit (ρ < 0,2 Ωcm) vorzusehen. Die aus Dotierungssubstanzen des SiC-Substrats resultierende, optische Absorption limitiert die Lichtextraktionseffizienz der Anordnung. Diese Bedingungen resultieren in einem Kompromiss zwischen Serienwiderstand und Lichtextraktionseffizienz und dienen zur Begrenzung des elektrisch/optischen Leistungsumwandlungswirkungsgrads der LED in Fig. 2.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine invertierte, III-Nitrid-, Licht emittierende Anordnung (LED) mit hoch reflektierenden, ohmschen Kontakten. Großflächige III-Nitrid-LEDs erhöhen die Flächendichte der Lichterzeugung und ermöglichen einen Hochleistungsbetrieb. Es wurde eine invertierte Struktur bzw. III-Nitrid-Flip-Chip-LEDs vorgesehen, um eine größere Extraktionseffizienz zu erreichen. Da der von der p-leitenden Elektrode in Flip-Chip-LEDs eingenommene Oberflächenbereich vergrößert wurde, ist dieses ebenfalls für das Reflexionsvermögen der p- und n-leitenden Elektrode von Bedeutung. Eine großflächige (< 400 × 400 µm2) Anordnung weist mindestens eine n-Elektrode auf, welche zwischen der p-Elektrodenmetallisierung angeordnet ist, um einen geringen Serienwiderstand vorzusehen. Sowohl die n-Elektroden- als auch die p-Elektrodenmetallisierung ist lichtundurchlässig, hoch reflektierend, ohmisch (spezifischer Kontaktwiderstand geringer als 10-2 Ωcm2) und sieht eine ausgezeichnete Stromverteilung vor. Hoch reflektierende, ohmsche Kontakte ermöglichen, im Besonderen bei großflächigen Flip-Chip-Anordnungen, eine verbesserte, optische Extraktionseffizienz. Zur Wahl stehende Materialien sind Silber (Ag) und Aluminium (Al), wobei die isotropen Reflexionswerte jedes dieser Materialien in n- GaN jeweils 97% und 87% erreichen. Die Lichtabsorption sowohl in der n- als auch der p- Elektrode auf der Maximalemissionswellenlänge des aktiven Bereichs der LED beträgt weniger als 25% je Durchgang in jeder Elektrode.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte III-Nitrid-, Licht emittierende Anordnung mit einem Saphirsubstrat;
Fig. 2 eine weitere bekannte III-Nitrid-, Licht emittierende Anordnung mit einem SiC-Substrat;
Fig. 3 einen maximalen Durchlassstrom als eine Wirkungsweise des thermischen Widerstands zwischen Übergang und außen;
Fig. 4A die Extraktionseffizienz der LED als eine Wirkungsweise der p- Elektrodenabsorption;
Fig. 4B die Extraktionseffizienz der LED als eine Wirkungsweise der n- Elektrodenabsorption, wobei eine n-Elektrode in Verbindung mit einer p-Silberelektrode verwendet wird;
Fig. 5 in einer Licht emittierenden Diode nach dem Stand der Technik aufgefangenes Licht;
Fig. 6a-b jeweils den Grund- und Querriss eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10a-b jeweils den Grund- und Querriss eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11a-b Querrisse des in den Fig. 10a-b dargestellten Ausführungsbeispiels;
Fig. 12a-b jeweils die Grundrisse eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13a-c alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 die Extraktionseffizienz invertierter GaN/SiC-LEDs als eine Wirkungsweise des SiC-Absorptionskoeffizienten;
Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel mit einer invertierten Pyramide für das Superstrat;
Fig. 16 alternative Ausführungsbeispiele für die Montagebasis;
Fig. 17a-b mehrere, in Reihe miteinander verbundene, Licht emittierende Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 17a zeigt einen Grundriss der Struktur. Fig. 17b zeigt das entsprechende Schemaschaltbild;
Fig. 18 mehrere, in Reihe miteinander verbundene, Licht emittierende Strukturen, welche mit einer Montagebasis verbunden sind;
Fig. 19 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung der III-Nitrid-LED;
Fig. 20 ein Ablaufdiagramm zur Befestigung der III-Nitrid-LED an einer Montagebasis.
Die Verwendung der gleichen Bezugsziffern in den verschiedenen Figuren kennzeichnet gleiche oder identische Merkmale.
Eine fundamentale Grenzbedingung des LED-Betriebs ist die maximale Sperrschichttemperatur. Die maximale Sperrschichttemperatur, Tjmax, ist die Temperatur des pn-Übergangs, bei welcher ein Ausfall bzw. eine Störung in Teilen der LED oder deren Gehäuse auftritt. Dieser Ausfall tritt oftmals bei Annäherung an die Glasübergangstemperatur eines gekapselten Epoxidharzes oder einer Linse auf, wodurch ein Durchlässigkeitsverlust und ein eventuelles Schmelzen dieser Materialien hervorgerufen wird. Bei einer solchen festgesetzten Grenze, ΔTj, kann der Temperaturanstieg von Umgebungstemperatur auf Tjmax (ausgehend von einem Leistungsumwandlungswirkungsgrad « 100%, welcher auf derzeitige III-Nitrid-Anordnungen zutrifft) ausgedrückt werden durch
ΔTj = auf Tjmax - Ta = Imax Vf Θj-a (1)
wobei Ta die Umgebungstemperatur, Imax den maximalen Betriebsstrom und Vf die Durchlassspannung bei diesem Strom sowie Θj-a den thermischen Widerstand von dem pn-Übergang nach außen darstellt. Das Einsetzen einer vereinfachten Formel für Vf und Regenerieren von Ausbeuten ergibt
Imax = ΔTj/[Θj-1 (Vo + Imax Rs)] (2)
wobei Vo die Einschaltspannung (in etwa die Spannung des III-Nitrid- Halbleiterbandabstands) und Rs den elektrischen Serienwiderstand der Anordnung darstellt.
Das Auflösen von Ausbeuten nach Imax ergibt
Imax = [ΔTj/(RsΘj-a) + (1/2 Vo/Rs)2]1/2 - (1/2 Vo/Rs) (3)
Gleichung 3 ist in Fig. 3, basierend auf Vo = 2,5 V (entsprechend einem Wellenlängenbandabstand, λ ~ 500 nm) und Tjmax = 130°C, zur Änderung der Werte von Rs und Θj-a dargestellt. Der Wertebereich dieser Parameter entspricht den Chipdimensionen von ~1 mm2 und steht im Einklang mit Systemen, welche zur Wärmeabführung vorgesehen sind. Die Wichtigkeitsstufe zwischen Rs und Θj-a wird dadurch festgelegt, welcher Teil der grafischen Darstellung in Fig. 3 die Anwendung bestimmt. In den meisten Fällen in Fig. 3 wird jedoch durch eine -5°C/W-Reduktion des thermischen Widerstands Imax (und damit die Lichtleistung) wirksamer als durch einen Abfall des Serienwiderstands von ~0,5 Ω erhöht. Da sich der Serienwiderstand aus endlichen Kontaktwiderständen und praktischen Dotierungsniveaus ergibt, ist es schwierig, niedrige Pegel willkürlich zu reduzieren. Damit ist es außer Zweifel, dass der thermische Widerstand einen signifikanten Hebelarm zur Erhöhung von Imax darstellt, und dass dieser minimiert werden muss, um die Lichterzeugungsfähigkeit zu maximieren.
Die maximale Lichterzeugungsfähigkeit ist in Gleichung 4 beschrieben, wobei Imax durch die Begrenzung der Sperrschichttemperatur festgelegt ist:
Lmax = η Imax (4)
wobei Lmax die maximale Lichtleistung in Watt und η die Neigungseffizienz der LED in W/A darstellt. Die Neigungseffizienz ist proportional zu der externen Quantenausbeute, so dass
η~ηext = ηint Cext (5)
wobei ηint die interne Quantenausbeute und Cext die Lichtextraktionseffizienz der LED darstellt. Damit wird bei einer festgelegten Effizienz (ηint) des aktiven Bereichs durch Maximieren der Extraktionseffizienz eine maximale Lichterzeugungsfähigkeit erreicht.
Da sowohl der Serienwiderstand als auch der thermische Widerstand des LED-Chips invers proportional zu der Übergangsfläche ist, ist es wünschenswert, die Chipgröße zu erhöhen, damit Imax ansteigt. Eine maßstäbliche Vergrößerung der Chipgeometrie resultiert in praktischen Begrenzungen der primären und sekundären Größe der optischen Bauelemente sowie der Verlustleistungsfähigkeit des LED-Gehäuses in einem Beleuchtungssystem. Statt dessen sollte die Chipgröße so ausgewählt werden, dass ein effizienter Einsatz der zulässigen, durch das LED-Gehäuse vorgesehenen Verlustleistung möglich ist. Bei typischen Systemen betragen die thermischen Widerstände zwischen Übergang und außen, wie von Hofler et al in Electronics Letters 34, 1 (1998) beschrieben, etwa ~60°C/W. Durch eine Schnellberechnung wird die Verlustleistung des LED-Gehäuses nach oben hin begrenzt. Unter Zugrundelegung einer Umgebungstemperatur von 40°C und einer Tjmax von 130° beträgt die maximale Eingangsleistung (130-40)/60 = 1,5 W. Die maximale Eingangsleistung kann beschrieben werden durch
Pmax = Imax Vf = If (Vo + Imax Rs) = Jmax (Vo + Jmax ρs) Achip (6)
wobei Jmax die maximale Durchlassstromdichte in A/cm2, ρs den spezifischen Chipserienwiderstand in Ω cm2 und Achip die Chipfläche (in cm2) darstellt. Für einen effizienten und kosteneffektiven Betrieb sind angemessen hohe Durchlassstromdichten erforderlich. Eine geeignete Durchlassstromdichte beträgt 50 A/cm2. Bei Anordnungen von 350 × 350 µm2 beträgt ein typischer Serienwiderstand ~30 Ω entsprechend einem spezifischen Bauelementwiderstand in der Größenordnung von ρs~4 × 10-2 Ωcm2. Unter Zugrundelegung dieses gleichen spezifischen Widerstands für Gleichung 6, wobei Jmax = 50 A/cm2 und Vo = 2,5 V (entsprechend einem Wellenlängenbandabstand, λ~500 nm), beträgt die Chipfläche, welche erforderlich ist, um die maximale, seitens des Gehäuses erlaubte Eingangsleistung zu erreichen, 6,7 × 10-3 cm2 oder -800 × 800 µm2. Bei kleineren, den gleichen Leistungspegel aufweisenden Anordnungen würde sich ein Anstieg der Durchlassspannungen und damit eine Verringerung der Effizienz bei dem gleichen Strom ergeben. Ebenso würden kleinere Anordnungen auf Grund des erhöhten thermischen Chipwiderstands bei höheren Temperaturen arbeiten.
In Folge des hohen spezifischen Widerstands der p-leitenden III- Nitridschichten wird bei LED-Konstruktionen eine Metallisierung entlang den p-leitenden Schichten verwendet, um eine p-seitige Stromverteilung vorzusehen. Daher muss wegen des Isolatorsubstrats die n-seitige Stromverteilung durch die n-leitenden III-Nitridschichten erfolgen. Diese Schichten sind bei spezifischen Widerständen von ~10-3 Ωcm typischerweise ~2 µm dick. Die zur Stromverteilung durch die n-leitenden Schichten erforderliche Distanz sollte geringer als ~200 µm gehalten werden, um den vernachlässigbaren Teil eines typischen, spezifischen Bauelementwiderstands zu bilden. Daher sind bei einer Anordnung, welche größer als 400 × 400 µm2 ist, mehrere n- Elektrodenfinger erforderlich, welche zwischen der p-Elektrode vorgesehen sind, um den Serienwiderstand der Anordnung gering zu halten. Wie oben dargestellt, müssen Anordnungen zum Zwecke einer hohen Lichterzeugungsfähigkeit groß, z. B. < 400 × 400 µm2, sein. Deshalb sollte bei diesen Anordnungen eine dazwischen vorgesehene n- Elektrodenausführung verwendet werden. Diese Ausführung hat bei einer invertierten Struktur gravierende Auswirkungen, da die n- und p-Elektrode bei Anschluss an eine Montagebasis elektrisch isoliert gehalten werden müssen.
Bei einer invertierten Ausführung ist die Verwendung hoch reflektierender Elektrodenmetallisierungen für eine Verbesserung der Extraktionseffizienz ausschlaggebend. Fig. 4A zeigt die Extraktionseffizienz der LED gegenüber der p-Elektrodenabsorption bei einer invertierten Chipausführung im Vergleich zu der konventionellen Anordnung (Epitaxieseite nach oben). Es wurde eine n-Wolframelektrode verwendet. Die in Fig. 4A dargestellten Extraktionseffizienzen werden bestimmt, indem LED-Chipstrukturen (1 × 1 mm2) so ausgebildet werden, dass ein optischer Strahlengang vorgesehen wird und weisen gemessene, optische Eigenschaften sämtlicher LED-Materialien auf. Für sämtliche ausgebildeten, invertierten Anordnungen werden Saphirsuperstrate verwendet, während bei den konventionellen Anordnungen (nicht invertiert) Saphirsubstrate benutzt werden. Die p- Elektrodenabsorption (X-Achse) wird, ausgehend von einer Beleuchtung von einer isotropen Lichtpunktquelle innerhalb der III-Nitrid-Epitaxialschichten in Angrenzung an die p- Elektrode auf der in Betracht kommenden Wellenlänge, als das je Durchgang absorbierte, prozentuale Licht definiert. Die p-Elektrode ist der vorherrschende Faktor bei Lichtextraktion, da sie sich nahezu vollständig über den aktiven Bereich erstreckt, um eine gleichmäßige Strominjektion in den pn-Übergang vorzusehen. Überdies resultiert die Brechungszahldifferenz zwischen den Saphir- (n~1,8) und den III-Nitrid-Epitaxialschichten (n~2,4) in einem großen Teil des von dem aktiven Bereich erzeugten Lichts, welches an der Saphir-/III-Nitrid-Grenzfläche totalreflektiert wird. Die in diesem Wellenleiter aufgefangene Lichtmenge beträgt bei isotroper Emission von dem aktiven Bereich ~cos((1,8/2,4)-1) = 66% des insgesamt erzeugten Lichts. Dieses Licht wird aufgefangen und, wie in Fig. 5 dargestellt, lateral entlang der Anordnung zu den Seiten des Chips hin geleitet. Obgleich Fig. 5 eine konventionelle Struktur (Epitaxieseite nach oben) zeigt, ist der Wellenleitereffekt vorhanden, ganz gleich, ob der Chip eine Struktur mit der Epitaxieseite nach oben oder eine invertierte Struktur aufweist. Jedoch geht auf Grund der Absorption durch die p-Elektrode der Großteil des wellengeleiteten Lichts verloren, bevor es aus der Anordnung austritt. Aus diesem Grunde ist die Extraktionseffizienz, wie durch die Daten in Fig. 4A dargestellt, für p-Elektrodenabsorption sehr empfindlich. Dieses ist bei einem großflächigen Chipschaltkreis, z. B. < 400 × 400 µm2, von besonderer Bedeutung, da die Anzahl Durchgänge an der p-Elektrode vor Entweichen sehr groß ist. Die n-Elektrode stellt ebenfalls einen optischen Verlustmechanismus dar, wurde jedoch normalerweise als weniger signifikant angesehen, da sie weniger Bauelementfläche einnimmt. Da jedoch das Reflexionsvermögen der p-Elektrode in Flip-Chip-LEDs erhöht wurde, ist dieses ebenfalls für das Reflexionsvermögen der n-Elektrode von Bedeutung. Hoch reflektierende, ohmsche Kontakte ermöglichen, im Besonderen bei großflächigen Flip-Chip-Anordnungen, eine verbesserte, optische Extraktionseffizienz. Zur Wahl stehende Materialien für die p- und n- Elektrode sind solche, welche die Elektroden bei, durch die Emissionsschicht emittiertem Licht mit einem normalen Einfallsreflexionsvermögen versehen, welches 75%, vorzugsweise 80%, überschreitet, wobei es sich bei solchen Materialien vorzugsweise um Silber (Ag) und Aluminium (Al) handelt, bei welchen isotrope Reflexionswerte in GaN jeweils 97% und 87% erreichen. Die Lichtabsorption sowohl in der n- als auch der p-Elektrode auf der Maximalemissionswellenlänge des aktiven Bereichs der LED beträgt weniger als 25%, vorzugsweise weniger als 20%, je Durchgang in jeder Elektrode. AlGaInN-Flip-Chip-LEDs ermöglichen eine erhöhte, optische Extraktionseffizienz durch Reduzieren der Absorption des emittierten Lichts an den Metallkontakten. Von besonderem Interesse sind AlGaInN-Flip- Chip-LEDs, welche mit hoch reflektierenden, p-leitenden Kontakten hergestellt werden, da der p-leitende Kontakt einen großen Teil der Oberfläche der LED einnimmt. Bei großflächigen (~1 mm2) AlGaInN-Flip-Chip-LEDs nehmen die p-leitenden Kontakte typischerweise ~75% der gesamten Oberfläche ein, während bei einer kleinen Fläche (~0,12 mm2) die p-Metallisierung ~50% der gesamten Oberfläche einnimmt. Bei dem p- Kontakt mit dem größten Reflexionsvermögen kann die Absorption je Durchgang bis zu 3% je Durchgang bei Ag-Kontakten betragen, wobei jedoch bei optischen Verlusten bis zu ~30% je Durchgang optische Gesamtverstärkungen erreicht werden können. Die n-Kontakte werden mit Reduzieren des optischen Verlusts an den p-Kontakten in zunehmenden Maße wichtig. Eine nutzbare Metrik ist das Produkt des Verlusts je Durchgang mal der Teilfläche. Dieses Produkt kann bei der p-Metallisierung bei Aufrechterhaltung einer guten Extraktionseffizienz von ~3-25% reichen. Die Fläche des n-Kontakts macht typischerweise 10-15% der Oberfläche aus. Bei herkömmlichen TiAl-n-Kontakten mit ~50% Verlust je Durchgang liegt der Wert der Metrik in der Größenordnung von 5-8%. Bei Änderung der Kontakte in Ag und Al wird der Wert der den optischen Verlust betreffenden Metrik auf den Bereich von 0,3-2% reduziert, was eine signifikante Reduzierung des optischen Verlusts je Durchgang bedeutet. Wo z. B. die p-Elektrode 75% der Fläche bei 3% Verlust einnimmt, beträgt der Gesamtverlust ~2%. Sollte die n-Elektrode einen Verlust von 50% bei einer Fläche von 12% aufweisen, würde der Gesamtverlust 6% ausmachen; dieser ist also wesentlich höher als bei der p- Elektrode.
Die in Fig. 4A dargestellten Ergebnisse der Ausbildung des optischen Strahlengangs lassen darauf schließen, dass invertierte Chipkonstruktionen mit Ni- und/oder Au-Elektroden Extraktionseffizienzen von 38 bis 47% (λ = 505 nm) vorsehen.
Konventionelle Anordnungen (mit der Epitaxieseite nach oben) mit halb transparenten NiAu- Elektroden weisen eine Extraktionseffizienz von 43% auf. Folglich sieht eine Ni- und/oder Au-p-Elektrode in einer invertierten Anordnung keine signifikant verbesserte Extraktionseffizienz im Verhältnis zu der konventionellen Ausführung vor.
Bei einer Ag-p-Elektrode weist der invertierte Chipschaltkreis im Hinblick auf die Extraktionseffizienz gegenüber der konventionellen Anordnung jedoch eine Zunahme von ~1,7× auf. Wie in Fig. 4A explizit dargestellt, sollte die p-Elektrodenabsorption bei einer invertierten Anordnung weniger als 35% betragen, um gegenüber einer Anordnung nach dem Stand der Technik eine erhöhte Lichtextraktion vorzusehen. Vorzugsweise beträgt die p-Elektrodenabsorption weniger als 25%. Obgleich in Fig. 4A von 505 nm ausgegangen wird, ist die Extraktionseffizienztendenz gegenüber der p-Elektrodenabsorption, ungeachtet der Wellenlänge, zutreffend. Es ist ebenfalls wichtig, darauf hinzuweisen, dass zwar das Reflexionsvermögen von primärer Bedeutung ist, dieses jedoch auch für den Kontaktwiderstand Gültigkeit hat. Ein schlechter Kontaktwiderstand der p-Elektrode kann, wie durch Gleichung 3 beschrieben, eine Anordnung mit übermäßig hohem Serienwiderstand und somit reduzierter Lichterzeugungsfähigkeit ergeben. Bei Anordnungen von 350 × 350 µm2 beträgt ein typischer Serienwiderstand ~30 Ω entsprechend einem spezifischen Bauelementwiderstand in der Größenordnung von 4 × 10-2 Ωcm2. Der spezifische p- Kontaktwiderstand sollte wesentlich geringer als dieser sein, um seine Kontribution zu dem Serienwiderstand zu minimieren. Bei der vorliegenden Erfindung ist der spezifische p- Kontaktwiderstand vorzugsweise geringer als 4 × 10-2 Ωcm2.
Fig. 4B zeigt die LED-Extraktionseffizienz gegenüber der n- Elektrodenabsorption bei einer invertierten Chipausführung mit Silbermetallisierung für die p-Elektrode. Die in Fig. 4B dargestellten Extraktionseffizienzen werden bestimmt, indem LED-Chipstrukturen (1 × 1 mm2) so ausgebildet werden, dass ein optischer Strahlengang vorgesehen wird und weisen gemessene, optische Eigenschaften sämtlicher LED-Materialien auf. Berechnungen werden in ähnlicher Weise wie diese von Fig. 4A vorgenommen. Fig. 4B zeigt die relative Extraktionseffizienz, normalisiert auf den Wert, welcher für einen, aus Ti/Al bestehenden Doppelschichtkontakt mit einer Titanschicht von 100 Ångström sowie einer dicken Aluminiumschicht von ~3 Mikrometer, ähnlich dem Stand der Technik, berechnet wurde. Fig. 4B offenbart den positiven Effekt der Verwendung eines hoch reflektierenden n-Elektrodenmaterials, wie z. B. Aluminium oder Silber. Für sämtliche, ausgebildeten, invertierten Anordnungen werden Saphirsuperstrate verwendet. Die n- Elektrodenabsorption (X-Achse) wird, ausgehend von einer Beleuchtung von einer isotropen Lichtpunktquelle innerhalb der III-Nitrid-Epitaxialschichten in Angrenzung an die n- Elektrode auf der in Betracht kommenden Wellenlänge, als das je Durchgang absorbierte, prozentuale Licht definiert. Wie oben erwähnt, ist die p-Elektrode der vorherrschende Faktor bei Lichtextraktion, doch da die von der p-Elektrode bedeckte Fläche zunimmt, wächst auch die Bedeutung des Reflexionsvermögens der n-Elektrode. Aus diesem Grund ist die Extraktionseffizienz, wie den Daten in Fig. 4B zu entnehmen, für n-Elektrodenabsorption sehr empfindlich. Dieses ist bei einem großflächigen Chipschaltkreis, z. B. <400 × 400 µm2, von besonderer Bedeutung, da die sehr große Anzahl Durchgänge an der p-Elektrode in einer großen Anzahl Durchgänge an der n-Elektrode resultiert.
Die aus Fig. 4B ersichtlichen Ergebnisse in Bezug auf die Ausbildung eines optischen Strahlengangs werden als die relative Extraktionseffizienz dargestellt, wobei die Ergebnisse auf die konventionelle n-GaN-Elektrode aus Ti/Al, welche mit einem Wert 1 dargestellt ist, normalisiert sind. Die Extraktionseffizienz bei den Titan- (Ti) oder Wolfram- (W) n-Elektroden zeigt eine Reduktion unterhalb dieser von TiAl, während die Extraktionseffizienz der Aluminium- oder Silberelektroden eine Erhöhung derselben zeigt. Wie in Fig. 4B explizit dargestellt, sollte die n-Elektrodenabsorption in einer invertierten Anordnung weniger als 25% betragen, um gegenüber einer Anordnung nach dem Stand der Technik eine erhöhte Lichtextraktion vorzusehen. Vorzugsweise ist die n- Elektrodenabsorption geringer als 20%. Obgleich in Fig. 4B von einem Fall ausgegangen wird, in welchem die Emissionswellenlänge (λ) 505 nm beträgt, ist die Extraktionseffizienztendenz gegenüber der n-Elektrodenabsorption bei anderen Wellenlängen ähnlich.
Alternativ würde eine Darstellung der relativen Extraktionseffizienz als eine Wirkungsweise der n-Elektrodenabsorption - wobei die n-Elektrode in Verbindung mit einer p-Aluminiumelektrode verwendet wird - in einer Tendenz ähnlich dieser von Fig. 4B resultieren, mit der Ausnahme, dass der Anstieg auf Grund des höheren Verlusts der p- Aluminiumelektrode je Durchgang geringer wäre.
Die Verbindung einer geringen optischen Absorption mit einem geringen Kontaktwiderstand in einem Herstellungsverfahren ist bei III-Nitridanordnungen schwer zu erreichen. Hoch reflektierende, ohmsche Kontakte zu n-AlGaInN ermöglichen, im Besonderen bei großflächigen Flip-Chip-Anordnungen, eine verbesserte, optische Extraktionseffizienz. Die bevorzugten Materialien sind reines Ag oder Al, da die isotropen Reflexionswerte jedes dieser Materialien in n-GaN jeweils 97% und 87% erreichen. Reines Ag stellt zum Beispiel einen guten, p-leitenden, ohmschen Kontakt her und ist sehr reflektierend, weist jedoch eine schlechte Haftung an III-Nitridschichten sowie eine Empfindlichkeit gegenüber Elektrowanderung in feuchter Umgebung auf, was zu einem katastrophalen Ausfall der Anordnung fuhren kann. Die Haftung kann durch richtige Oberflächenreinigung und thermisches Ausheilen verbessert werden. Reines Al ist angemessen reflektierend, stellt jedoch keinen guten ohmschen Kontakt zu p-leitenden III- Nitridmaterialien her, während andere reine Metalle gut absorbieren (< 25% Absorption je Durchgang in dem sichtbaren Wellenlängenbereich). Eine mögliche Lösung ist die Verwendung eines Mehrschichtkontakts, welcher einen sehr dünnen, halb transparenten ohmschen Kontakt in Verbindung mit einer dicken, reflektierenden Schicht, die als Stromverteilungsschicht wirkt, aufweist. Zwischen der ohmschen Schicht und der Reflexionsschicht ist eine optionale Barriereschicht vorgesehen. Ein Beispiel eines p- leitenden Mehrschichtkontakts ist Au/NiOx/Al. Typische Dicken für dieses Metallisierungsschema sind 30/100/1500 Å. Ebenso stellt Ti/Al mit typischen Stärken von 30/1500 Å einen geeigneten, n-leitenden GaN-Mehrschichtkontakt dar. Jedoch ist die Verwendung einer p-Elektrode auf Silberbasis, 1000 Ångström (10 Mikrometer) oder dicker, vorzuziehen. Bei einer p-Elektrode auf Silberbasis ist keine Haftschicht erforderlich, obgleich eine dünne Schicht (~7 Ångström) aus Ni sowohl zur Haftung als auch zu anderen Zwecken verwendet werden kann. In beiden Fällen beträgt das Reflexionsvermögen der Kontakte über 80%. Ein Ag-Kontakt weist eine ausgezeichnete ohmsche Charakterisierung auf: eine dünne Ag-Schicht sieht ein Reflexionsvermögen von 40-97% für Stärken von 5-60 Nanometer vor, wobei das Reflexionsvermögen bei dicken Schichten höher, bei dünneren Schichten dagegen geringer ist. Bei einer n-Aluminiumelektrode (~500 Ångström bis 3 Mikrometer dick) ist keine Haftschicht erforderlich; dagegen kann bei einem n-Silberkontakt eine Schicht aus Ni oder Ti, welche so dünn wie möglich ist, zwecks Haftung und eines geringen Kontaktwider­ stands notwendig sein.
Da das Reflexionsvermögen der p-Elektrode einen vorherrschenden Faktor im Hinblick auf die Extraktionseffizienz darstellt, darf dieses bei Entwicklung zur Herstellbarkeit nicht beeinträchtigt werden. Obgleich durch die Metallisierung der opaken Schicht ein Test der invertierten III-Nitrid-LEDs auf dem Wafer erschwert wird, ist es bei solchen Testverfahren nicht erforderlich, das Reflexionsvermögen der p-Elektrode zu vermindern. Zum Beispiel dienen Öffnungen oder halb transparente Bereiche, welche in der p-Elektrode vorgesehen sind, um während des Tests auf dem Wafer ein Austreten des Lichts nach oben zu ermöglichen, lediglich dazu, die Effizienz der fertigen Anordnung durch effektives Reduzieren des Reflexionsvermögens der p-Elektrode zu verringern. Es sollten andere Methoden angewandt werden, welche das Reflexionsvermögen des p-Kontakts nicht beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung sieht eine großflächige - z. B. < 400 × 400 µm2 - Hochleistungs-LED mit maximaler Lichterzeugungsfähigkeit vor, indem der thermische Widerstand von dem pn-Übergang zu dem Lampengehäuse reduziert, die Lichtextraktion unter Verwendung von hoch reflektierenden, ohmschen Kontakten dagegen erhöht wird. Um dieses durchzuführen, wird nach der vorliegenden Erfingung eine invertierte Struktur verwendet, welche einen geringen spezifischen Widerstand, opake, hoch reflektierende p- und n-Elektroden vorsieht. Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 6a-b dargestellt.
In dem aus Fig. 6b ersichtlichen Querriss weist die Anordnung eine n- leitende, epitaxiale III-Nitrid-Heterostruktur sowie undotierte Schichten 11 und p-leitende Schichten 12 auf, welche sich jeweils in Kontakt mit einem aktiven Bereich 13 befinden. Die III-Nitrid-Schichten 11 werden optional an einem transparenten Superstrat 10 angebracht. Das Superstrat 10 kann das Wachstumssubstrat zum Aufbringen der III-Nitridschichten darstellen. Das Substrat kann aus mehreren Materialien, einschließlich - ohne Begrenzung - Saphir, Siliciumcarbid mit geringer Absorption und undotiertem GaN, hergestellt sein. In dem in Fig. 6a dargestellten Grundriss des Bodens des LED-Chips sind für die große Fläche der Anordnung (< 400 × 400 µm2) "Finger" der n-Elektrode 22 erforderlich, welche zwischen der p-Elektrodenmetallisierung 20 vorgesehen sind, um Strom in der gesamten Anordnung gleichmäßig zu verteilen. Eine solche Elektrodenanordnung ist bei großflächigen Anordnungen notwendig, um einen geringen Serienwiderstand (um den, eine geringe Leitfähigkeit aufweisenden III-Nitridschichten zu widerstehen) und damit einen hohen, maximalen Ansteuerungsstrom, wie in Gleichung 3 spezifiziert, vorzusehen. Somit ist die dazwischen vorgesehene Elektrodenanordnung bei großflächigen Anordnungen zur Maximierung der Gesamtlichterzeugungsfähigkeit erforderlich. Die Anordnung ist invertiert, so dass Licht durch das transparente Superstrat 10 sowie die Seitenwände entnommen werden kann und sieht durch Verwendung von hoch reflektierenden, dicken p- und n- Elektrodenmetallisierungen 20, 22 eine gute Extraktionseffizienz vor. Das Reflexionsvermögen der p- und n-Elektrode stellt sicher, dass, wie oben beschrieben, deren Absorption auf der Emissionswellenlänge der LED geringer als 25% je Durchgang ist. Die Elektrodenmetallisierungen 20, 22 verbinden über Zwischenverbindungen 60 mit Montagebasiselektroden 52 auf einem Montagebasissubstrat 50. Die Zwischenverbindungen stellen zwischen der LED und der Montagebasis eine elektrische Verbindung her, während eine Wärmebahn zur Wärmeableitung von der LED während des Betriebs vorgesehen ist. Obgleich sich die dargestellten Ausführungsbeispiele auf Lötmittel beziehen, können die Zwischenverbindungen aus reinen Metallen, Metalllegierungen, Halbleiter- Metalllegierungen, Lötmitteln, thermisch und elektrisch leitfähigen Pasten oder Verbindungen (z. B. Epoxiden), eutektischen Verbindungen (z. B. Pd-In-Pd) zwischen ungleichartigen Metallen zwischen dem LED-Chip und Montagebasis, Au- Gewindebondhügeln oder Lötkontakthügeln bestehen.
Die Zwischenverbindungen sind über leitende Grenzflächen 41, 54 an der LED und der Montagebasis angebracht. Bei Verwendung des Lötmittels als Zwischenverbindung sind die leitenden Grenzflächen durch benetzbare Metalle dargestellt. In einem Anwendungsprozess wird zunächst die Dicke und Fläche der Zwischenverbindung bestimmt. Bei einer anwendbaren Technik handelt es sich um ein Siebdruckverfahren, bei welchem Paste verwendet wird, um Flächen auf dem Wafer der Montagebasis oder der LED auszuwählen. Weitere Techniken sehen Elektroplattieren, Abheben und Aufschmelzen vor. Bei einem Ausführungsbeispiel, in welchem Lötmittel als Zwischenverbindung verwendet wird, werden die endgültige Dicke und Fläche durch das Lötvolumen sowie die benetzbaren Metalle 41 auf dem LED-Chip und 54 auf der Montagebasis bestimmt. Die lötfähigen Flächen auf der LED werden durch Strukturieren der benetzbaren Metalle oder durch Kontaktlöcher in einer strukturierten, dielektrischen Passivierungsschicht 42, welche auf dem LED-Chip vorgesehen ist, definiert. Die dielektrische Passivierungsschicht 42 wirkt als elektrische Isolationsschicht zwischen der p- und der n-Elektrode und ist erforderlich, da sich die Lötschichten 41 über die p- und die n-Elektrode erstrecken. Die lötfähigen Flächen auf der Montagebasis werden ebenfalls durch Strukturieren der lötfähigen Metalle 54 definiert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die benetzbaren Flächen der Metallisierung 54 durch eine strukturierte, dielektrische Schicht ausgebildet werden. Eine zweite Gruppe lötfähiger Metallschichten 55 kann zur Befestigung an dem Gehäuse auf der Rückseite der Montagebasis aufgebracht werden. Wahlweise kann ein geeignetes Lötmittel unmittelbar auf die Rückseite der Montagebasis aufgebracht werden. Da die thermische Leitfähigkeit eines Unterfüllungsmaterials zwischen der LED und der Montagebasis sehr gering ist, z. B. < 2,0 W/mK, wird der thermische Widerstand zwischen Übergang und Gehäuse weitgehend durch die Chip-/Montagebasis-Lötverbindung und das Montagebasismaterial sowie die Geometrie bestimmt. Bei Zugrundelegung einer Wärmeerzeugung an der p-Elektrodenmetallisierung sowie eines eindimensionalen Flusses und Ignorieren der thermischen Widerstände dünner Schichten und der Montagebasis-/Gehäuse-Lötverbindung kann der thermische Widerstand zwischen Übergang und Gehäuse beschrieben werden durch
Θj-p = (ts/ρs + tsm/Psm)/As (Dielektrikum ignoriert) (7)
wobei ts und tsm die Stärken und ρs und Psm die thermischen Leitfähigkeiten des Lötmittels bzw. der Montagebasis darstellen und As die gesamte Querschnittsfläche des Lötmittels darstellt. Wie aus Gleichung 7 ersichtlich, regelt die Lötfläche, As, den thermischen Widerstand. Folglich ist es wünschenswert, die gesamte Oberfläche des LED-Chips mit dem Lötmittel zu versehen. Dieses ist nicht möglich, da zwischen dem p- und dem n- Elektrodenbereich der LED eine elektrische Isolation erforderlich ist. Ebenso muss die Breite dieses Zwischenraums zwischen dem lötfähigen n- und p-Metall Chiptoleranzen ergeben, welche der Montagebasis zugeschrieben werden. Trotzdem sieht das Ausführungsbeispiel in Fig. 6a einen Lötumfang von ~85% (definiert als das Verhältnis zwischen der lötfähigen Metallfläche 41 und der p-Elektrodenfläche 20) vor.
Ein zu dem in den Fig. 6a-b dargestellten, alternatives Ausführungsbeispiel sieht einen Blechwandreflektor vor, welcher einen Teil der p-Elektrode 20 aufweist und sich unterhalb von Teilen der n-Elektrode 22 erstreckt. Zwischen diesen Bereichen der n-Elektrode und dem Blechwandreflektor wird ein Intermetall-Dielektrikum ausgebildet. Das Intermetall-Dielektrikum sieht eine elektrische Isolierung zwischen der n- und der p-Elektrode in diesen Bereichen vor. Weitere Teile der n-Elektrode sind nicht mit dem Dielektrikum versehen, um eine elektrische Verbindung mit der Montagebasis zu ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Lichtaustritt, im Vergleich zu dem in den Fig. 6a-b dargestellten Ausführungsbeispiel, durch Zwischenräume in der LED- Metallisierung nach unten reduziert, indem dieses Licht nach oben reflektiert wird.
Die Zwischenverbindung zwischen der LED und der Montagebasis wird hergestellt, wenn das Lötmittel in einem Schmelzofen bei einer Temperatur oberhalb der Festtemperatur der Lötlegierung platziert wird. Während des Aufschmelzens tragen Kapillarkräfte und Oberflächenspannung dazu bei, lötfähige Metallflächen zu den Lötschichten zu justieren. Auf diese Weise wird eine Selbstwiederausrichtung des LED- Chips zu dem Montagebasis-Wafer ermöglicht. Diese Selbstwiederausrichtung kann unter Verwendung eines Schnellchipbonders erfolgen, wodurch ein Kompromiss zwischen ursprünglicher Chipanschlussgenauigkeit und Geschwindigkeit gefunden werden kann. Ferner kann ein Zerlegen jeder p- und n-Lötschicht in mehrere Schichten die Selbstwiederausrichtung verbessern. In Fig. 7 zeigt das Ausführungsbeispiel die p- und n- Lötkontakte 41 in Paaren. Die Zwischenräume zwischen den Lötschichten werden durch die Genauigkeit des Chipbonders bestimmt. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 weist in den Richtungen x und y vorzügliche Selbstwiederausrichtungseigenschaften auf, während das Ausführungsbeispiel von Fig. 6a Selbstwiederausrichtungseigenschaften überwiegend in der Richtung y aufweist.
In Fig. 8 zeigt das alternative Ausführungsbeispiel die lötfähigen Metalle 41 als flächengleiche "Lötbalken". Diese Ausführung hat den Vorteil einer guten Selbstwiederausrichtung zusammen mit gleichmäßigem Benetzen der lötfähigen Metalle während des Aufschmelzens. Das gleichmäßige Benetzen findet statt, da die zwischen dem Chip und der Montagebasis angewandten Kräfte proportional zu der Lötmittelbenetzungsfläche sind. Die gleichmäßige Benetzung wird durch Verwenden einer benetzbaren Metallstruktur, welche sich aus gleichflächigen Bereichen zusammensetzt, erreicht. Eine gleichmäßige Benetzung verhindert ein Neigen des LED-Chips während des Aufschmelzens sowie das nachfolgende Abkühlen. Das Aufrechterhalten eines planaren LED-Anschlussverfahrens heisst, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass der LED-Chip Ausfallmechanismen, z. B. Kurzschließen des pn-Übergangs, welche dann auftreten können, wenn sich Teile des LED-Chips in unmittelbarer Nähe metallisierter Flächen auf der Montagebasis befinden, ausgesetzt ist. Ebenso sieht die nicht geneigte Ausrichtung des LED- Chips eine verbesserte Lichtkopplung an die weiteren optischen Bauelemente in der LED- Lampe bzw. dem LED-System vor.
In Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel das in Kontaktstellen für Lötkontakthügel umgewandelte, lötfähige Metall des n-Bereichs. Das Wafer- Herstellungsverfahren wird vereinfacht, da eine Isolation zwischen der n- und der p- Elektrode in der Nähe der n-Lötkontakte nicht mehr erforderlich ist, wodurch folglich keine Notwendigkeit mehr besteht, die dielektrische Passivierungsschicht 42 vorzusehen. Bei der Herstellung der Lötkontakthügel handelt es sich um eine Industrienorm-Technik, wobei unter Anwendung anerkannter Herstellungsverfahren Lötverbindungen an den n-Elektroden vorgesehen werden können.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel - die in den Fig. 10a und 10b jeweils dargestellten Grund- und Querrisse - ist die gesamte Lötanschlussfläche durch Lötkontakte für Bondhügel vorgesehen. Zur Minimierung des thermischen Widerstands wird die Anzahl Bondhügel maximiert, um die endgültige Querschnittslötverbindungsfläche zu vergrößern, während die endgültige Lötstärke minimiert wird. Die Anzahl Bondhügel wird durch die Lötkontakthügelherstellung nach dem Stande der Technik vorgeschrieben, wonach der Lötkontakthügelabstand bei einem bestimmten Bondhügeldurchmesser begrenzt ist. Ein typischer Abstand beträgt 200 µm bei Bondhügeln mit einem Durchmesser von 100 µm. Bei einem Chip von 1 mm2 sind fünf Reihen Bondhügel mit einem Durchmesser von 100 µm möglich. In Fig. 10a bildet eine Reihe zwei Bondhügel für n-Kontaktflächen. Die n- Elektrodenfinger begrenzen die Anzahl Bondhügelreihen entlang der p- Elektrodenmetallisierung auf vier. Bei dieser Ausführung wird der Lötflächenquerschnitt von mindestens 15% der Fläche der p-Elektrode beibehalten. Der Lötflächenumfang kann durch Ausdehnen der benetzbaren Metalloberfläche über die für Einzelbondhügel erforderlichen, kleinen Durchkontakte hinaus vergrößert werden. Zum Beispiel kann sich die benetzbare Metallstruktur auf dem LED-Chip, wie in Fig. 8 dargestellt, aus Balken zusammensetzen, während die Lötkontakthügel auf der Montagebasis noch immer in Form einer 4 × 4- Anordnung für die p-Elektrode plus zwei für die n-Elektrode vorgesehen sind. Die Fig. 11a und 11b zeigen Querrisse dieses Ausführungsbeispiels. Fig. 11a zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches Durchkontakte innerhalb eines strukturierten Dielektrikums 42 für Lötkontakte 41 auf dem LED-Chip aufweist. Ebenso ist ein strukturiertes Dielektrikum 53 mit Durchkontakten für Lötkontakte 54 auf der Montagebasis versehen. In dem in Fig. 11b dargestellten Ausführungsbeispiel ist das lötfähige Metall 41 auf dem LED-Chip größer als die Lötkontakthügel vorgesehen, um eine Verteilung des Lötmittels und ein Benetzen einer Fläche zu ermöglichen, welche wesentlich größer ist, als ihre einzelnen Durchmesser zulassen würden. Hieraus ergibt sich ein Lötflächenumfang, welcher über die Summe der einzelnen Bondhügel in Fig. 11a hinausgeht. Ebenso wird die Lötstärke effektiv reduziert. Beide Effekte verringern den thermischen Widerstand der Lötverbindung und ermöglichen, dass der LED-Chip zum Zwecke einer höheren Lichtleistung zu höheren Stromdichten veranlasst wird.
Weiterhin ist es möglich, das Lötmittel in Übereinstimmung mit den benetzbaren Metallstrukturen auf der LED in andere Formen als Bondhügel zu bringen, um, wie in den Fig. 12a-b dargestellt, eine Anordnung mit ausgezeichnetem, thermischem Kontakt zu der Montagebasis vorzusehen. Fig. 12a zeigt einen Grundriss der Unterseite der LED. Lötfähige Metalle 41 werden auf der Metallisierung der p-Elektrode 20 und n- Elektrode 22 strukturiert, welche Benetzungsflächen für das Lötmittel während des Aufschmelzens definieren. Alternativ können die Benetzungsflächen, wie in den Fig. 6-8 dargestellt, durch eine dielektrische Passivierungsschicht 42 definiert sein. Fig. 12b zeigt einen Grundriss der Montagebasis. Obgleich für die laterale Montagebasis eine beliebige Form ausgewählt werden kann, ist eine hexagonale Ausführung dargestellt. Die Montagebasis weist ein Substrat 50, z. B. Si, auf. Es kann zur elektrischen Isolation zwischen dem LED-Chip und dem Montagebasissubstrat eine optionale, dielektrische Schicht 51, z. B. SiO2, vorgesehen werden. Alternativ kann das Montagebasissubstrat zur Integration mit elektronischen, in dem Montagebasissubstrat vorgesehenen Schaltkreisen mit dem LED-Chip elektrisch verbunden werden. Die Metallisierung 52, z. B. Ag oder Al, ist zum Emittieren von Licht von dem LED-Chip nach unten sowie zum Drahtbonden als Reflektor vorgesehen. Es ist eine Unterbrechung in der Metallisierung 52 vorgesehen, um den p- und den n-Bereich des LED-Chips nach Anschließen elektrisch zu isolieren. Lötfähige Metalle 54 werden auf der Oberseite der Drahtbondmetallisierung 52 strukturiert, um Benetzungsflächen für das Lötmittel während des Aufschmelzens zu definieren. Diese Strukturen entsprechen diesen der lötfähigen Metallisierung 41 auf dem LED-Chip. Bei dem LED-Chip können die Benetzungsflächen auf der Montagebasis, wie in Fig. 10b dargestellt, durch eine dielektrische Passivierungsschicht 53 definiert werden. Auf die lötfähige Metallisierung 54 der Montagebasis wird Lötmaterial 60 aufgebracht. Alternativ kann das Lötmaterial 60 auf den LED-Chip aufgebracht werden. Die Ränder des Lötmittels können von den Rändern der lötfähigen Metallstrukturen 54 geringfügig zurückgesetzt vorgesehen werden. Die Kontrolle über das durch die Benetzungsbereiche 41 und 54 sowie die Lötstruktur 60 definierte Lötlayout ist von dem Lötanwendungsprozess abhängig. Es ist vorzuziehen, dass nach Aufschmelzen soviel wie möglich von der p-Elektrode 20 mit Lötmittel versehen wird. Die Benetzungsflächen in den Fig. 12a-b sehen eine ~66%ige Abdeckung der p-Elektrode 20 mit Lötmittel vor. Obgleich das in den Fig. 12a-b dargestellte Lötlayout Balken aufweist, sind mit Sicherheit beliebige Strukturen möglich und ermöglichen eine weitere Zunahme des Lötflächenumfangs der p-Elektrode.
Durch eine geeignete Zwischenverbindung zwischen der LED und der Montagebasis kann die maximale Betriebstemperatur der LED über 130°C, die typische Maximalleistung, erhöht werden. Dieses ist dann der Fall, wenn die Zwischenverbindung bei höheren Temperaturen als 130°C temperaturstabil ist. Bei Löten ist es daher wünschenwert, Hochtemperaturlötmittel, z. B. 95/5 Pb/Sn, AuSn, AuSi und AlSi, für diese Zwischenfläche zu verwenden. Eine Hochtemperaturzwischenverbindung erhöht die maximale Sperrschichttemperatur der LED und sieht eine signifikante Erhöhung des maximalen Antriebsstroms und damit der Lichterzeugungsfähigkeit vor.
Es ist wichtig, die Integrität der p-Elektrode während des Lötmittelrückflusses aufrechtzuerhalten. Das heißt, das Reflexionsvermögen und der Kontaktwiderstand dieser Schicht sollten durch das Vorhandensein lötfähiger Metallschichten oder des Lötmittels selbst nicht beeinträchtigt werden. Eine solche Beeinträchtigung kann durch sich zwischen der p-Elektrode und den lötfähigen Metallschichten vermischendes Metall oder durch spannungsinduzierte Effekte, wie z. B. Aufspaltung, hervorgerufen werden. Aus diesem Grunde kann es erforderlich sein, zwischen der p-Elektrode und den lötfähigen Metallen Barriereschichten vorzusehen. Geeignete Barriereschichten weisen Ni, Cr, Cu und Ti auf, sind jedoch nicht auf diese begrenzt. Das Obige ist ebenfalls auf die n-Elektrode anwendbar.
Bei LED-Chips großer Dimensionen kann die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen dem LED-Chip, der Montagebasis und dem Gehäuse unter thermischen Wechselanspruchsbedingungen Ermüdung und einen eventuellen Ausfall an der LED/Montagebasisanschlussfläche hervorrufen. Das CTE-Problem tritt wahrscheinlich eher bei großflächigen Lötanschlussanordnungen als bei kleineren Flächen (bzw. Balken oder Bondhügeln) auf. Daher können kleinere Lötformen eine bevorzugte Methode zum Anschließen großer LED-Chips sein. Auch können dickere Lötflächen oder größere Lötkontakthügel eine größere Nachgiebigkeit zwischen der LED und der Montagebasis vorsehen, wodurch das Ausfallrisiko reduziert wird. Der Kompromiss zwischen der Minimierung des thermischen Widerstands und dem Einsetzen von CTE- Problemen resultiert in einer optimalen Lötanschlussanordnung bei einer vorgegebenen LED- Chipgröße. Bei einem Chip von 1 mm2 und einem Lötflächenumfang von 15% kann die Lötstärke so gering sein, dass sie 20 µm beträgt, ohne dass Ausfälle unter thermischen Wechselanspruchsbedingungen hervorgerufen werden.
Die Lichtextraktion der LED kann erhöht werden, indem an einer der Grenzflächen der III-Nitrid-Heterostruktur eine Strukturoberfläche vorgesehen wird. Das Strukturieren kann ungeordnet oder geordnet erfolgen. Dieses ist in den Fig. 13a-c dargestellt. Fig. 13a zeigt eine invertierte Anordnung mit einem Saphirsuperstrat. Die große Nichtübereinstimmung des Brechungsindexes (n~0,6) zwischen dem Saphirsuperstrat und den III-Nitrid-Epitaxialschichten bewirkt, dass ein großer Teil des von dem aktiven Bereich erzeugten Lichts an der Saphir/III-Nitrid-Grenzfläche totalreflektiert wird. Dieses Licht wird aufgefangen und lateral entlang der Anordnung zu den Seiten des Chips hin geleitet. Auf Grund der vielen, in den III-Nitrid-Epitaxialschichten und Elektroden vorhandenen Verlustmechanismen geht jedoch der Großteil des wellengeleiteten Lichts verloren, bevor es aus der Anordnung austritt. In Fig. 13b ist die Grenzfläche zwischen der III-Nitrid- Heterostruktur und dem Saphirsuperstrat strukturiert, um Licht aus den III-Nitridschichten zu streuen. Hierdurch wird die mittlere Photonenweglänge innerhalb der Heterostruktur reduziert und der Reinabsorptionseinfluss verringert, wodurch die Lichtextraktion verbessert wird. Ein gleicher Effekt kann durch Strukturieren der Unterseite der III-Nitrid- Heterostruktur oder einer der Grenzflächen innerhalb der Heterostruktur erreicht werden. Es können mehrere Grenzflächen zusammen strukturiert werden, um die Lichtextraktion weiter zu verbessern.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Lichtextraktion verbessert, indem eine invertierte Chipanordnung vorgesehen wird, die ein Superstrat mit einem hohen Brechungsindex (HRI) (n < 1,8) aufweist, welches eine genauere Indexanpassung an die III- Nitridschichten (n~2,4) als Saphir (n~1,8) vorsieht. Durch eine genauere Indexanpassung an die III-Nitridschichten, welche die Lichterzeugungsbereiche bilden, kann mehr Licht in das dicke Superstrat eindringen, und es kann vor Absorption an einem der vielen Verlustmechanismen, welche in und um die III-Nitrid-Epitaxialschichten vorhanden sind, Licht nach außen entweichen. Fig. 13c zeigt ein solches Ausführungsbeispiel, bei welchem ein SiC-Superstrat verwendet wird. Der Brechungsindex von SiC beträgt ~2,6 und ist an GaN wesentlich genauer als Saphir angepasst. Damit besteht nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit einer inneren Totalreflexion, und es wird folglich kein Wellenleiter in den III-Nitridschichten gebildet. Im Grunde genommen dringt das gesamte, von dem aktiven Bereich erzeugte Licht in das Superstrat ein, und es besteht eine große Wahrscheinlichkeit, dass dieses durch eine der fünf freigelegten Superstratflächen austritt. Selbst bei einem HRI- Superstrat kann eine weitere Verbesserung der Lichtextraktion durch Strukturieren einer oder mehrerer Grenzflächen der III-Nitrid-Heterostruktur erreicht werden.
Um aus einem HRI-Superstrat vollen Nutzen zu ziehen, muss das Superstrat bei sehr geringer Absorption im Wesentlichen transparent sein. Damit sollte das Superstrat bei SiC geringfügig dotiert oder gar nicht dotiert werden, und es sollte nach der Wachstumsmethode ein Superstrat vorgesehen werden, welches relativ frei von Fremdatomen ist, um ein sehr verlustarmes, optisches Fenster für die LED-Anordnung vorzusehen. Bei 6H SiC ist dieses im Allgemeinen dann der Fall, wenn der spezifische Widerstand höher als 0,5 Ωcm ist. Die Absorptionsverlusteinflüsse in SiC werden in Fig. 14 bestimmt, wobei die Extraktionseffizienz (normalisiert auf eine Anordnung mit einem Saphirsuperstrat) als eine Wirkungsweise eines verbreiteten Verlusts (Absorptionskoeffizient, in cm-1) in dem SiC-Superstrat dargestellt ist. Diese Ergebnisse werden erreicht, indem die Strukturen der LED-Anordnung so ausgebildet werden, dass ein Strahlengang vorgesehen wird. Es sind drei unterschiedliche SiC-Stärken dargestellt. Bei einem ~100 µm dicken SiC- Superstrat sollte der Absorptionskoeffizient geringer als 3 cm-1 sein. Bei dickeren Substraten muss der Absorptionskoeffizient geringer sein. Bei einem verlustfreien SiC-Superstrat sind die Steigerungen der Extraktionseffizienz gegenüber früheren Ausführungsbeispielen in der vorliegenden Erfindung größer als 1,2 Mal (1,2×).
Es sind viele HRI-Superstrate geeignet, um die Lichtextraktionseffizienz einer III-Nitrid-LED zu verbessern. Neben SiC in seinen vielen verschiedenen Polytypen (2H, 4H, 6H, sowohl c- als auch a-Achse, 3C usw.) können andere Materialien, wie z. B. ZnS, ZnSe, YAG oder ZnO, verwendet werden. Die HRI-Superstrate können als Wachstumssubstrate für die III-Nitrid-Epitaxialschichten dienen oder können an den III-Nitrid-Epitaxialschichten durch Bonden oder einen zweiten Aufwachsschritt befestigt werden.
Ein signifikanter Nutzen zur Extraktionseffizienz kann erreicht werden, indem eine Lichtrandomisationsoberfläche auf einer oder mehreren Flächen des HRI-Superstrats sowie auf oder in der III-Nitrid-Heterostruktur vorgesehen wird. Solche Oberflächen werden üblicherweise zum Beispiel auf Seitenwänden der Anordnung durch Sägen vorgesehen oder können mit anderen Mitteln, z. B. durch Ätzen, ausgebildet werden. Ebenfalls kann das Superstrat so ausgebildet werden, dass es, wie von Krames et al in Appl. Phys. Lett. 75, Seiten 2365-2367 dargestellt, eine verbesserte Extraktionseffizienz vorsieht. Eine solche Form ist ein invertierter Pyramidenaufbau, so dass die obere Fläche des Superstrats eine größere Flächenausdehnung als die untere Fläche aufweist. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 15 dargestellt.
Die Montagebasis kann Funktionalität vorsehen und Leistung beeinträchtigen. Da sich diese in dem thermischen Gang zur Wärmeableitung von der LED befindet, sollte das Montagebasismaterial eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zu den geeigneten Materialien gehören Si, AlN oder BeO. Die Montagebasis sollte relativ dünn sein, um den thermischen Widerstand zu reduzieren. Zum Beispiel sollte eine Si-Montagebasis dünner als 250 µm sein. Si ist auf Grund seiner guten Wärmeleitfähigkeit, ~100 W/mK, und Eignung für integrierte Elektronik als Montagebasismaterial attraktiv. Die Montagebasis kann eine elektrische Isolation zwischen der LED und dem Gehäuse vorsehen. In diesem Fall sind auf der Oberseite der Montagebasis zu den Gehäuseanschlüssen zwei Verbindungen für die Anode und die Kathode erforderlich. Alternativ kann, falls eine elektrische Isolierung des Gehäuses nicht erforderlich und die Montagebasis leitend ist, eine Elektrode über die Montagebasis zu dem Gehäuse Kontakt herstellen. Dann ist lediglich eine Zwischenverbindung von der Oberseite der Montagebasis zu dem gegenüber liegenden Anschluss erforderlich. Die Oberflächenmetallisierung der Montagebasis sollte drahtgebondet werden können und ebenfalls reflektierend sein, um nach unten wanderndes Licht mit hoher Effizienz nach oben zurückzuleiten. Folglich sind Ag und Al geeignete Materialien zur Oberflächenmetallisierung der Montagebasis.
Die Montagebasisform sowie die Spiegelung der reflektierenden Metallisierung auf der Montagebasis können auf die Optik in einem LED- Beleuchtungssystem einwirken, indem sie die scheinbare Lichtquellengröße der LED beeinträchtigen. Bei den meisten LEDs ist eine Spiegelschale erforderlich, um vorwiegend lateral von dem Chip nach oben und in dem nutzbaren Strahlungsmuster emittiertes Licht zurückzuleiten. Je größer diese Spiegelschale, desto größer die Primär- und Sekundärlinse. Da sich Optikkosten proportional zu dem erforderlichen Materialvolumen belaufen, ist es wünschenswert, den Spiegelschalenradius zu minimieren. Die Integration einer Montagebasis erhöht auf Grund des für Drahtbondverbindungen erforderlichen, zusätzlichen Raumes effektiv die Größe des LED-Chips. Typische Drahtbondtoleranzen verlangen, dass Material von ~400 µm sich zum Zwecke eines zuverlässigen Drahtbondens über den LED-Chip hinaus erstreckt. Ebenso macht das Zertrennen des Montagebasiswafers einen Zwischenraum von ~100 µm zwischen benachbarten LED-Chips erforderlich. Diese Toleranzen resultieren in einer signifikanten, effektiven Zunahme der LED-Chipgröße. Zum Beispiel wäre für einen LED-Chip von 1 × 1 mm2 bei Verwendung einer Rechteckform eine Fläche von 1,8 × 1,1 mm2 für die Montagebasis erforderlich. Das größte Ausdehnungsmaß dieser Montagebasis ist eine Diagonale entsprechend (1,82 + 1,12)1/2 = 2,11 mm, welche der Spiegelschale eine untere Grenze setzt. Statt dessen beträgt das Ausdehnungsmaß der Montagebasis lediglich 1,8 mm, wenn diese als Scheibe ausgebildet ist. Damit erlaubt eine scheibenförmige Montagebasis eine signifikante Reduktion des Spiegelschalendurchmessers. Da die Herstellung kreisförmiger Schnitte mit Schwierigkeiten verbunden sein kann, sind andere geometrische Formen, welche kreisförmigen Scheiben in etwa entsprechen, vorzuziehen. Zum Beispiel können hexagonale Montagebasen durch Zertrennen in mehreren Durchgängen (in drei statt zwei Durchgängen) hergestellt werden und sind quadratischen oder rechteckigen Montagebasen vorzuziehen. Diese Vorstellungen sind in Fig. 16 dargestellt. Die reflektierende Metallisierung auf der Oberseite der Montagebasis sollte so spiegelnd wie möglich sein, um nicht eine virtuelle Lichtquelle in der Ebene der Montagebasis zu erzeugen, welche größer als der LED-Chip ist. Eine virtuelle Lichtquelle, welche größer als der LED- Chip ist, würde einen schädlichen Einfluss auf das Strahlungsmuster der LED ausüben und größere optische Bauelemente zur Korrektur erforderlich machen.
Die Montagebasis, wie in den Fig. 6b, 9b und 12b dargestellt, ermöglicht elektronische Funktionalität innerhalb der LED. III-Nitrid-Anordnungen sind gegen Schäden durch elektrostatische Entladung (ESD) anfällig und können, wie von Antle et al in US-Patent 5 941 501 beschrieben, durch ein, mit der LED verbundenes Stromnebenschlusselement geschützt werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann eine Si- Montagebasis in eine Schaltung mit integriertem ESD-Schutz eingebaut sein. In diesem Fall sind die Schutzschaltungen, z. B. Zener-Dioden, zu dem LED-Chip parallel geschaltet. Alternativ können in Serie gegeneinander geschaltete Zener-Dioden parallel zu dem LED- Chip hergestellt werden, um zu ermöglichen, dass die LED durch Wechselspannungsquellen angesteuert wird. In der Montagebasis können weitere elektronische Anordnungen, wie Photodetektoren zur Überwachung der Lichtleistung oder Widerstände zur Strom- und/oder Spannungsüberwachung, vorgesehen sein. Durch diese Anordnungen kann ein integriertes System zur Aufrechterhaltung eines Betriebs bei konstanter Lichtleistung eine Rückführungsregelung im geschlossenen Kreis vorsehen.
Eine Montagebasis sieht, wie in Fig. 17a dargestellt, eine, auf mehreren, in Reihe miteinander verbundenen, Licht emittierenden Dioden in einer monolithischen Struktur basierende LED vor. Die Anordnung weist vier, in Reihe geschaltete LEDs auf, welche durch eine Ätzung, die vorgenommen wird, um III-Nitrid zur Ausbildung eines Grabens 80 zwischen diesen zu entfernen, elektrisch isoliert sind. Bei der Ätzung wird mindestens bis zu den undotierten III-Nitrid-Schichten vorgedrungen. Die elektrischen Zwischenverbindungen werden durch metallische, auf der Montagebasis (nicht dargestellt) angeordnete Leiterbahnen 81 vorgesehen. Die Lötmetallisierung wird so vorgesehen, dass die Dioden über das Lötmittel mit den metallischen Leiterbahnen der Montagebasis elektrisch verbunden sind.
Die sich ergebende Anordnung kann durch den in Fig. 17b gezeigten, elektronischen Schaltkreis dargestellt sein. Somit arbeitet diese Anordnung bei einer viermal (4×) höheren Spannung und viermal (4×) weniger Strom als eine konventionelle LED mit der gleichen aktiven Übergangsfläche. Zum Beispiel kann eine konventionelle III-Nitrid-LED von 1 mm2 bei 3,0 V und 350 mA arbeiten. Diese gleiche aktive Übergangsfläche, in vier, in Reihe geschaltete LEDs zerlegt, wie in Fig. 17a dargestellt, sieht eine, bei 12,0 V und 87,5 mA arbeitende Anordnung vor. Dieser Betrieb bei höherer Spannung und geringerem Strom stellt an die elektronische Ansteuerungsschaltung für die LED weniger Anforderungen. Die elektronische Ansteuerungsschaltung kann tatsächlich mit größerer Effizienz bei höheren Spannungen arbeiten, wodurch die Gesamtleistungsfähigkeit des LED-Beleuchtungssystems verbessert wird. Dieses Ausführungsbeispiel, bei welchem es sich um eine monolithische Anordnung handelt, wird einer konventionellen Methode, einzelne LED-Chips in Reihe anzuschließen, vorgezogen. Bei der konventionellen Lösung wird die gesamte, von dem LED-Chip eingenommene Fläche auf Grund der von Chipbondern benötigten Toleranzen vergrößert. Dadurch wird die Lichtquellengröße der Gesamt-LED auf unerwünschte Weise erhöht, und es ist eine größenmäßige Zunahme der nachfolgenden optischen Elemente des LED-Systems erforderlich. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Dioden so gering voneinander beabstandet sein, wie dieses durch die Grabenätzung zur elektrischen Isolation möglich ist. Die Grabenbreite kann so gering sein, dass sie einige Mikrometer beträgt, so dass die Diodenintegrationsdichte in dem Ausführungsbeispiel sehr hoch sein kann. Wie in Fig. 18 dargestellt, werden die vier LED-Chips von 1 mm2 monolithisch hergestellt und teilen sich ein einziges Superstrat und eine einzige Montagebasis. Durch die Metallleiterbahnen 81 auf der Montagebasis werden die vier LEDs in Reihe miteinander elektrisch verbunden. Obgleich jede LED von 1 mm2 normalerweise bei 3 V arbeitet, arbeitet das in Fig. 18 dargestellte Modul aus vier in Reihe geschalteten LEDs bei 12 V. Die Montagebasis weist eine hexagonale Form auf, um die effektive Lichtquellengröße des Moduls zu reduzieren.
Die Leiterbahnmetallisierung 81 wird zum Drahtbonden externer Anschlüsse verwendet und besteht aus einer reflektierenden Metallisierung, z. B. Ag oder Al.
Die Lichtextraktionseffizienz kann durch Anordnen der Schichten des aktiven Bereichs in der Nähe der hoch reflektierenden p-Elektrode noch weiter verbessert werden. Wird der Mittelpunkt der aktiven Zone in etwa in einem ungeradzahligen Vielfachen der viertel Lichtwellenlänge in dem Material (~/4n) von der reflektierenden p-Elektrode vorgesehen, resultiert die konstruktive Interferenz des nach unten und nach oben wandernden Lichts in einem Strahlungsmuster, welches Leistung vorzugsweise in die Aufwärtsrichtung emittiert. Diese Verbesserung verläuft in einer nahezu normalen Richtung zu dem III- Nitrid/Substrat und ist nicht empfindlich für eine innere Totalreflexion in die III-Nitrid- Epitaxialschichten. Alternativ kann eine geringfügige Verstimmung des Resonanzzustands durch geringfügiges Annähern der aktiven Zone an den p-Elektrodenreflektor (oder geringfügiges Entfernen derselben von diesem) zur Optimierung der Lichtextraktionsverbesserung zum gesamten Strahlungsfluss in sämtliche Richtungen bevorzugt werden. Um bei den meisten Einsätzen eine maximale Leistungsfähigkeit zu erreichen, sollte der Abstand zwischen der aktiven Zone und der p-Elektrode etwa eine viertel Wellenlänge betragen. Die n-Elektrode hat keinen Einfluss auf das Verhältnis des Abstands zwischen der p-Elektrode und der aktiven Zone, da die aktive Zone von Flächen, auf welchen die n-Elektrode vorgesehen ist, entfernt wird, so dass kein Störeinfluss erzeugt werden kann.
Fig. 19 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm zur Herstellung des LED-Chips. In Schritt 91 wird eine III-Nitrid-Heterostruktur auf ein Wachstumssubstrat aufgebracht. In Schritt 92 werden auf der III-Nitrid-Heterostruktur Kontakte vorgesehen, wobei, falls erforderlich, eine Ätzung erfolgt. Der p-Kontakt ist opak und mit der p-leitenden Schicht elektrisch verbunden, während der n-Kontakt mit der n-leitenden Schicht elektrisch verbunden ist. In den optionalen Schritten 93 und 94 wird zumindest über dem n-Kontakt in Bereichen, in welchen der n-Kontakt zwischen dem p-Kontakt bzw. ein Blechwandreflektor angeordnet ist, ein Intermetall-Dielektrikum vorgesehen. In Schritt 95 wird eine optionale Barriereschicht aufgebracht, um die Kontakte und den Reflektor gegen Lötmittel zu schützen. In Schritt 96 werden lötfähige Metalle aufgebracht. In dem optionalen Schritt 97 werden die lötfähigen Metalle strukturiert. In Schritt 98 wird das Dielektrikum aufgebracht, um die lötfähigen Flächen zu definieren. In Schritt 99 wird das Dielektrikum strukturiert. Der LED- Chip kann nach Schritt 97 oder Schritt 99 an der Montagebasis angebracht werden.
Fig. 20 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm zum Anbringen der LED an der Montagebasis. In Schritt 100 wird Lötmittel auf dem Montagebasis-Wafer aufgebracht. In Schritt 101 wird eine Verbindung zwischen dem LED-Chip und der Montagebasis ausgebildet. In dem optionalen Schritt 102 wird eine Unterfüllung zwischen dem LED-Chip und der Montagebasis verteilt. In Schritt 103 wird der Montagebasis-Wafer zertrennt. In Schritt 104 werden der Chip und die Montagebasis an dem Gehäuse befestigt.
Alternativ wird Schritt 105 an Stelle der Schritte 100, 101 und 102 ausgeführt. In Schritt 105 wird auf der LED Lötmittel aufgebracht. In Schritt 106 wird eine Verbindung zwischen dem LED-Chip und dem Montagebasis-Wafer vorgesehen. In dem optionalen Schritt 107 wird eine Unterfüllung zwischen dem LED-Chip und der Montagebasis verteilt.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind lediglich als beispielhaft, keinesfalls jedoch als beschränkend anzusehen. Für Fachkundige liegt es damit auf der Hand, verschiedene Änderungen und Modifikationen vorzunehmen, ohne dabei von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die beigefügten Patentansprüche umfassen daher sämtliche Änderungen und Modifikationen, wie diese unter den Umfang und die Wesensart der Erfindung fallen.

Claims (52)

1. Licht emittierende Anordnung mit:
einer invertierten AlInGaN-Anordnung mit Heteroübergang, welche eine n- leitende Schicht, eine p-leitende Schicht und eine, zwischen der n-leitenden und der p- leitenden Schicht angeordnete Emissionsschicht aufweist, welche dazu dient, Licht λ zu emittieren; sowie
zwei Elektroden, wobei eine der beiden Elektroden eine, mit der n-leitenden Schicht verbundene n-Elektrode und die andere der beiden Elektroden eine, mit der p- leitenden Schicht verbundene p-Elektrode ist, wobei jede Elektrode bei, durch die Emissionsschicht emittiertem Licht ein normales Einfallsreflexionsvermögen aufweist, welches 80% überschreitet.
2. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die p-Elektrode eine Absorption von weniger als 10% aufweist.
3. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die n-Elektrode eine Absorption von weniger als 20% aufweist.
4. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei jede Elektrode aus Silber besteht.
5. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei jede Elektrode aus Aluminium besteht.
6. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die p-Elektrode aus Silber besteht.
7. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die p-Elektrode aus Aluminium besteht.
8. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die n-Elektrode aus Silber besteht.
9. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die n-Elektrode aus Aluminium besteht.
10. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, welche weiterhin ein Substrat aufweist, wobei die n-leitende und die p-leitende Schicht zwischen dem Substrat und der n- sowie der p-Elektrode angeordnet sind und wobei das Substrat so auf der Anordnung mit dem Heteroübergang angebracht ist, dass Licht durch das Substrat austritt.
11. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei sich das Substrat aus Saphir zusammensetzt.
12. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei sich das Substrat aus Siliciumcarbid zusammensetzt.
13. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei sich das Substrat aus Galliumnitrid zusammensetzt.
14. Licht emittierende Anordnung mit:
einer invertierten Anordnung mit einem III-Nitrid-Heteroübergang, welche eine n-leitende Schicht, eine p-leitende Schicht und eine, zwischen der n-leitenden und der p- leitenden Schicht angeordnete Emissionsschicht aufweist, die dazu dient, Licht λ zu emittieren; sowie
zwei Elektroden, wobei eine der beiden Elektroden eine, mit der n-leitenden Schicht verbundene n-Elektrode und die andere der beiden Elektroden eine, mit der p- leitenden Schicht verbundene p-Elektrode ist, wobei jede Elektrode bei, durch die Emissionsschicht emittiertem Licht ein normales Einfallsreflexionsvermögen aufweist, welches 80% überschreitet.
15. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei die p-Elektrode eine Absorption von weniger als 10% aufweist.
16. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei die n-Elektrode eine Absorption von weniger als 20% aufweist.
17. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei jede Elektrode aus Silber besteht.
18. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei jede Elektrode aus Aluminium besteht.
19. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei die p-Elektrode aus Silber besteht.
20. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei die p-Elektrode aus Aluminium besteht.
21. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei die n-Elektrode aus Silber besteht.
22. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei die n-Elektrode aus Aluminium besteht.
23. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, welche weiterhin ein Substrat aufweist, wobei die n-leitende und die p-leitende Schicht zwischen dem Substrat und der n- und p-Elektrode angeordnet sind und wobei das Substrat so auf der Anordnung mit dem Heteroübergang angebracht ist, dass Licht durch das Substrat austritt.
24. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 23, wobei das Substrat aus Saphir besteht.
25. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 23, wobei das Substrat aus Siliciumcarbid besteht.
26. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 23, wobei das Substrat aus Galliumnitrid besteht.
27. Licht emittierende Anordnung mit:
einer invertierten Anordnung mit einem AlInGaN-Heteroübergang, welche eine n-leitende Schicht, eine p-leitende Schicht und eine, zwischen der n-leitenden und der p- leitenden Schicht angeordnete Emissionsschicht aufweist, die dazu dient, Licht λ zu emittieren; sowie
einer n-Elektrode, welche mit der n-leitenden Schicht verbunden ist, und einer großen Anzahl p-Elektroden, welche mit der p-leitenden Schicht verbunden sind, wobei jede der Elektroden bei, durch die Emissionsschicht emittiertem Licht ein normales Einfallsreflexionsvermögen aufweist, welches 80% überschreitet.
28. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei jede der großen Anzahl p-Elektroden eine geringere Absorption als 10% vorsieht.
29. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei die n-Elektrode eine geringere Absorption als 20% vorsieht.
30. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei jede Elektrode aus Silber besteht.
31. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei jede Elektrode aus Aluminium besteht.
32. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei die p-Elektrode aus Silber besteht.
33. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei die p-Elektrode aus Aluminium besteht.
34. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei die n-Elektrode aus Silber besteht.
35. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, wobei die n-Elektrode aus Aluminium besteht.
36. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 27, welche weiterhin ein Substrat aufweist, wobei die n-leitende und die p-leitende Schicht zwischen dem Substrat und der n- und p-Elektrode angeordnet sind und wobei das Substrat so auf der Anordnung mit dem Heteroübergang angebracht ist, dass Licht durch das Substrat austritt.
37. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 36, wobei das Substrat aus Saphir besteht.
38. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 36, wobei das Substrat aus Siliciumcarbid besteht.
39. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 36, wobei das Substrat aus Galliumnitrid besteht.
40. Licht emittierende Anordnung mit:
einer invertierten Anordnung mit einem III-Nitrid-Heteroübergang, welches eine n-leitende Schicht, eine p-leitende, eine p-leitende Schicht und eine, zwischen der n- leitenden und der p-leitenden Schicht angeordnete Emissionsschicht aufweist, die dazu dient, Licht λ zu emittieren; sowie
einer n-Elektrode, welche mit der n-leitenden Schicht verbunden ist, und einer großen Anzahl p-Elektroden, welche mit der p-leitenden Schicht verbunden sind, wobei jede der Elektroden bei, durch die Emissionsschicht emittiertem Licht ein normales Einfallsreflexionsvermögen aufweist, welches 80% überschreitet.
41. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei jede der großen Anzahl p-Elektroden eine geringere Absorption als 10% aufweist.
42. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei die n-Elektrode eine geringere Absorption als 20% aufweist.
43. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei jede Elektrode aus Silber besteht.
44. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei jede Elektrode aus Aluminium besteht.
45. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei die p-Elektrode aus Silber besteht.
46. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei die p-Elektrode aus Aluminium besteht.
47. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei die n-Elektrode aus Silber besteht.
48. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, wobei die n-Elektrode aus Aluminium besteht.
49. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 40, welche weiterhin ein Substrat aufweist, wobei die n-leitende und die p-leitende Schicht zwischen dem Substrat und der n- und p-Elektrode angeordnet sind und wobei das Substrat so auf der Anordnung mit dem Heteroübergang angebracht ist, dass Licht durch das Substrat austritt.
50. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 49, wobei das Substrat aus Saphir besteht.
51. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 49, wobei das Substrat aus Siliciumcarbid besteht.
52. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 49, wobei das Substrat aus Galliumnitrid besteht.
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