Aus der US 50 87 949 A ist ein Leuchtdiodenchip bekannt, der ein pyramidenstumpfförmiges n-dotiertes Auskoppelfenster auf- weist. Entlang der Grundfläche des n-leitenden Grundkörpers ist eine p-leitende Schicht ausgebildet. Unterhalb der p- leitenden Schicht befindet sich eine Isolierschicht, die von einem zentralen Fenster unterbrochen ist. In dem Fenster ist die p-leitende Schicht von einer Kontaktschicht kontaktiert.

Auf der Oberseite des pyramidenstumpfförmigen Grundkörpers befindet sich eine weitere Kontaktschicht. Durch die Isolier- schicht ist der Stromfluß durch die p-leitende Schicht und den n-leitenden Grundkörper auf den Bereich des Fensters ein- geschränkt. Bei Stromfluß werden im Bereich des Fensters ent- lang der Grenzfläche zwischen der p-leitenden Schicht und dem n-leitenden Grundkörper Photonen emittiert. Aufgrund der py- ramidenstumpfförmigen Ausgestaltung des Grundkörpers trifft ein Großteil der Photonen auf eine Auskoppelfläche des pyra- midenstumpfförmigen Grundkörpers unter einem Winkel, der kleiner als der kritische Winkel für die Totalreflexion ist.

Dadurch weist dieses bekannte Bauelement eine vergleichsweise hohe Lichtausbeute auf.

Ein Nachteil des bekannten Leuchdiodenchips besteht darin, daß sich der pn-Übergang an der Montageseite des Chips befin- det. Bei einer Montage mit elektrisch leitfähigem Silber- Epoxy-Kleber besteht daher eine hohe Gefahr, dass seitlich hochquellender Kleber den aktiven Bereich elektrisch kurz- schließt, was zum Ausfall des Bauelements führt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Chip der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem insbesondere die Gefahr eines Kurzschlusses des oder eines Teils des aktiven Bereichs weitestgehend beseitigt ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Chip mit, den Merkmalen des Pa- tentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den An- sprüchen 2 bis 25 angegeben.

Im Weiteren Text ist unter"Chipachse"eine senkrecht zu ei- ner Montagefläche des Chips durch den Chip verlaufende Gerade zu verstehen.

Gemäß der Erfindung weist der aktive Bereich des Chips eine senkrecht zur Chipachse liegende Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als eine senkrecht zur Chipachse liegende Quer- schnittsfläche des Auskoppelfensters und ist der aktive Be- reich in Abstrahlungsrichtung des Chips dem Auskoppelfenster nachgeordnet. An der vom aktiven Bereich abgewandten und da- mit der Montagefläche zugewandten Seite des Auskoppelfensters ist eine Spiegelfläche ausgebildet. Diese Spiegelfläche ist vorzugsweise größer als die oben genannte Querschnittsfläche des aktiven Bereichs und ist vorzugsweise aus einer Metalli- sierungsschicht gebildet, die besonders bevorzugt gleichzei- tig zur elektrischen Kontaktierung des Chips verwendet wird.

Bei dem Chip gemäß der Erfindung ist der Photonen emittieren- de aktive Bereich weit genug entfernt von jeglichem elek- trisch leitenden Verbindungsmittel zur Befestigung des Chips auf einem Chipträger, so dass die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses des aktiven Bereichs durch das elektrisch lei- tende Verbindungsmittel weitestgehend beseitigt ist. Der Chip gemäß der Erfindung läßt sich daher zuverlässig montieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Bauelements gemäß der Erfindung weist eine zur Abstrahlrichtung des Chips ge- wandte Fläche eines seitlich über den aktiven Bereich hinaus- ragenden Teilbereiches des Auskoppelfenster eine gekrümmte, beispielsweise eine kreisrund nach außen gewölbte Oberfläche auf. Bevorzugt ist die gekrümmte Oberfläche vollständig um den aktiven Bereich umlaufend, so dass das Auskoppelfenster zumindest eine einer kugelkalottenartigen Form angenäherte äußere Kontur aufweist.

Der Querschnitt des aktiven Bereichs und der Krümmungsradius R2 der gekrümmten Oberfläche des Auskoppelfensters sind dabei so gewählt, daß der durch die Spiegelung an der Spiegelfläche entstehende virtuelle aktive Bereich innerhalb der dem Krei- ssegment zugeordneten Weierstrass'schen Kugel zu liegen kommt. Das bedeutet insbesondere, daß die Krümmungsradien R2 größer als oder gleich der zweifachen Höhe des Bauelements sind. Außerdem ist die halbe maximale Außenabmessung R1 des aktiven Bereichs entlang der Auskoppelfläche RI < R2 nA/ni, wobei ni der Brechungsindex des Materials des Auskoppelfen- sters und nA der Brechungsindex der Umgebung ist, die insbe- sondere von einem Chip-Verguss gebildet ist.

Mit dieser Anordnung kommt der Chip der Idealform nach Weier- strass nahe, da der virtuelle aktive Bereich innerhalb der Weierstrass'schen Kugel liegt und die dort virtuell erzeugten Photonen den Grundkörper verlassen können.

Bei Erfindung eignet sich besonders bevorzugt für Chips, bei den das Material des Auskoppelfensters einen größeren Bre- chungsindex aufweist als das an diese angrenzende Material des aktiven Bereichs, der meist als aktive Mehrschichtstruk- tur ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhafterweise die Re- flexion der von der aktiven Zone nach hinten ausgesandten Strahlung an der Grenzfläche zwischen aktivem Bereich und Auskoppelfenster vermindert und es erfolgt eine Komprimierung der in das Auskoppelfenster eingekoppelten Strahlung.

Die erfindungsgemäße Chipgeometrie wird besonders bevorzugt bei Nitrid-basierten LED-Chips verwendet, bei dem die aktive Mehrschichtstruktur auf einem SiC-oder SiC-basierten Auf- wachs-Substrat hergestellt ist. Hier gilt BrechungsindeXaktive Schicht > Brechungsnindexsubstrat. GaN-basierte LED-Chips sind LED-Chips, deren strahlungsemittierende Schicht beispielswei- se GaN, InGaN, AlGaN und/oder InGaAlN aufweist.

Unter"Nitrid-basiert"fallen insbesondere alle binären, ter- nären und quaternären Stickstoff aufweisenden III-V- Halbleiter-Mischkristalle, wie GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN, InAlN und AlInGaN.

Analog dazu ist mit"SiC-basiert"jedes Mischkristall ge- meint, dessen wesentliche Eigenschaften von den Bestandteilen Si und C geprägt ist.

Die Schichtenfolge des aktiven Bereichs wird vorzugsweise be- reits auf ein Substratmaterial aufgewachsen, das später zu Auskoppelfenstern weiterverarbeitet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige- fügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein dem Weierstrass-Prinzip folgenden Licht erzeugenden Element ; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Chip gemäß der Erfindung ; Figur 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Chip aus Figur 2, bei der die Lage des virtuellen aktiven Bereichs eingezeichnet ist ; Figur 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Chips gemäß der Erfindung ;

Figur 5 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit gerichteter Abstrahlung ; Figur 6 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, dessen Spiegelfläche unter dem aktiven Bereich die Photonen in seitliche Richtung lenkende Erhebungen aufweist ; Figur 7 ein Ausführungsbeispiel mit konkaver Spiegelfläche und Figur 8 ein Bauelement mit nebeneinander angeordneten akti- ven Bereichen, denen jeweils ein pyramidenstumpfför- miger Abschnitt eines Auskoppelfensters zugeordnet ist.

Das in Figur 1 dargestellte Element besitzt einen Quer- schnitt, der nach Weierstrass ideal gestaltet ist. Das Ele- ment weist einen inneren Licht erzeugenden Bereich 1 mit Ra- dius R1 auf. Der Licht erzeugende Bereich 1 ist von einer Hül- le 2 mit Brechungsindex ni und Radius R2 umgeben. Die Hülle 2 ist umgeben von einem Material mit Brechungsindex nA (z. B.

Luft oder Kunststoff-Vergußmaterial). Damit das im Licht er- zeugenden Bereich 1 erzeugte Licht vollständig aus der Hülle 2 auskoppeln kann, muß gelten : R1/R2 < nA/ni.

In Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen Leuchtdioden (LED)- Chip 3 dargestellt, der ein kugelkalottenartiges Auskoppel- fenster 4 aufweist, an dessen Grundfläche 5 eine Spiegel- schicht 6 ausgebildet ist. Gegenüber der Spiegelschicht 6 ist auf dem Auskoppelfenster 4 ein Photonen emittierender aktiver Bereich 8 vorgesehen. Der aktive Bereich 8 umfaßt eine Schichtfolge 9 mit einer strahlungsemittierenden Zone 10, insbesondere einem strahlungsemittierenden pn-Übergang 10, und ist mit einer Kontaktschicht 11 abgedeckt. Der aktive Be- reich 8 kann neben den Schichten der strahlungsemittierenden Zone 10 weitere, beispielsweise die kristalline oder elektri-

sche Anpassung betreffende Schichten, und/oder auch sogenann- te Abdeckschichten umfassen. Derartige Schichtenfolgen sind bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher er- läutert. Auch die Spiegelschicht 6 kann als Kontaktschicht ausgebildet sein.

Bei Stromfluß durch das Auskoppelfenster 4 und den aktiven Bereich 8 werden in der strahlungserzeugenden Zone 10 durch Rekombination von Ladungsträgern Photonen erzeugt. Ein Teil dieser erzeugten Photonen wird zum Auskoppelfenster 4 hin emittiert, an der Grundfläche 5 reflektiert und zu einem gro- ßen Teil in Richtung auf die Auskoppelfläche 7 hin gelenkt.

Falls sie dort unter einem Winkel auftreffen, der kleiner als der kritische Winkel (auch Grenzwinkel genannt) für die To- talreflexion ist, können die Photonen durch die Auskoppelflä- che 7 hindurchtreten und das Auskoppelfenster 4 verlassen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass letzteres eintritt, ist mit ei- nem erfindungsgemäßen Chip im Vergleich zu herkömmlichen Chipgeometrien erhöht.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die geometrischen Verhältnis- se des Chips so gewählt werden, daß ein virtuelles Bild 12 des aktiven Bereichs 8 so bezüglich der Auskoppelfläche 7 zu liegen kommt, daß die Weierstrass'sche Bedingung für eine Lichtauskopplung ohne Totalreflexion erfüllt ist. Dies ist der Fall, wenn die Krümmungsradien Ra der Auskoppelfläche 7 so gewählt werden, daß gilt : 2H-R2 A < R2 < 2H + R2 A, vor- ni ni zugsweise R2 = 2H, wobei H die Höhe des Chips 3 ist. Ferner muß für die halbe Ausdehnung R1 des aktiven Bereichs 8, den Brechungsindex n1 des aktiven Bereichs 8 und den Brechungsin- dex n2 des Auskoppelfensters 4 gelten : Rl/R2 < nA/ni. In die- sem Fall kann ein Großteil der auf die Spiegelfläche 6 auf- treffenden Photonen durch die Auskoppelfläche 7 auskoppeln.

Ausgenommen davon sind im Wesentlichen nur diejenigen Photo- nen, die zwischen der Spiegelfläche 6 und dem aktiven Bereich 8 hin und her reflektiert werden oder im aktiven Bereich 8 weider absorbiert werden.

In Figur 4 ist ein abgewandelter Chip 13 dargestellt, dessen Auskoppelfenster 14 über eine Teildicke, ausgehend von der Grenzfläche zum aktiven Bereich 8 mittels schräg von der Chi- pachse weg verlaufenden Seitenflächen 15 pyramidenstumpfartig ausgebildet ist. Zusammen mit den übrigen Seitenflächen des Auskoppelfensters 14 bilden die schräg verlaufenden Seiten- flächen 15 eine domartig gewölbte Auskoppelfläche, deren Ein- hüllende näherungsweise kugelkalottenartig ist. Letztere ist in Figur 4 durch die gestrichelte Linie eingezeichnet. Der in Figur 4 dargestellte Chip ist insofern von Vorteil, als er auf einfache Weise hergestellt werden kann und gleichzeitig der Idealform nach Weierstrass angenähert werden kann.

Abweichend von dem in Figur 4 dargestellten Chip 13 verlaufen bei dem in Figur 5 dargestellten Chip 16 die schräg verlau- fenden Seitenflächen 17 in einem spitzeren Winkel zur Chi- pachse als die entsprechenden Seitenflächen 15 des Chips 13 von Figur 4. Die Seitenflächen 15 des Chips 13 sind in Figur 5 gestrichelt angedeutet. Durch den spitzeren Winkel der Sei- tenflächen 17 wird die vom Chip 16 ausgehende Strahlung in Richtung einer Abstrahlrichtung 18 konzentriert. Dies wird durch die mit durchgezogenen Linien in Figur 15 eingezeichne- ter Photonentrajektorien veranschaulicht, die gegenüber den gestrichelt eingezeichneten Photonentrajektorien 20 des Chips 13 aus Figur 4 stärker zur Abstrahlrichtung 18 hin ausgerich- tet sind.

Anhand von Figur 5 wird auch deutlich, daß einige der Photo- nentrajektorien 19 mehrmals zwischen der Kontaktschicht 11 und der Spiegelschicht 6 hin und her verlaufen. Photonen, die solche Trajektorien aufweisen, werden zum Teil im aktiven Be- reich 8 absorbiert und gehen verloren. Wie in Figur 6 ange- deutet, kann durch Vorsehen von zur Chipachse schrägstehenden Flächen 30 an der vom aktiven Bereich 8 abgewandten Seite des Auskoppelfensters 14, die bevorzugt spiegelnd ausgebildet sind, dieses Problem zumindest gemindert werden. Die schräg stehenden Flächen 30 können die besagten Photonentrajektorien

19 in seitliche Richtung von der Chipachse weg lenken, so dass sie nicht mehr zum aktiven Bereich 8 hin, sondern zu ei- ner Seitenfläche des Auskoppelfensters 14 hin reflektiert werden.

Solche schräg zur Chipachse stehenden Strahlungsumlenkflächen 30 können beispielsweise durch eine geeignete Strukturierung des Auskoppelfensters 14 mittels Ausnehmungen 21 und dazwi- schenliegenden Erhebungen 22 unter dem aktiven Bereich 8 in der Grundfläche 5 erzielt werden.

Die Ausnehmungen 21 können beispielsweise durch reaktives Io- nen-Ätzen (RIE) oder durch Einsägen hergestellt sein.

Bei dem in Figur 7 dargestellten Querschnitt durch ein weite- res Ausführungsbeispiel weist das Auskoppelfenster 26 an sei- ner vom aktiven Bereich 8 abgewandten Seite eine Spiegel- schicht 6 mit der Form eines paraboloidartigen Hohlspiegels auf. Vorzugsweise befindet sich der Brennpunkt der Spiegel- schicht 6 im aktiven Bereich 8. Durch Reflexion an der Spie- gelfläche 6 werden die vom aktiven Bereich 8 ausgehenden Pho- tonentrajektorien derart reflektiert, daß die Photonen unter einem Winkel der kleiner als der kritische Winkel für die To- talreflexion ist auf die Vorderseite 24 des Auskoppelfensters 26 treffen. Dies ist in Figur 7 anhand der Photonentrajekt- orien 25 veranschaulicht. Zuätzlich zu der paraboloidartigen Chiprückseite kann die Oberseite 24 des Auskoppelfensters 26 wie bei den Chips gemäß den Figuren 2,4 und 5 ausgebildet sein.

Der Chipgeometrie gemäß Figur 7 hat den Vorteil, daß die Aus- koppelfläche an der Vorderseite der Fensterschicht 26 und kleiner ist. Die Leuchtdichte ist vorteilhafterweise höher als beim Chip 3 gemäß Figur 2. Damit läßt sich das Licht mit nachgeordneten Optiken leichter abbilden.

Schließlich können, wie in Figur 8 dargestellt, mehrere Chips 3, 13 oder 23 nebeneinander angeordnet und zu einem einzigen

Chip 27 verbunden sein. Die Seitenflächen 15 werden dabei durch Vertiefungen 28 im Auskoppelfenster 4 gebildet. Vor- zugsweise werden die Vertiefungen 28 durch Profilsägen in das Auskoppelfenster 4 eingebracht.

Bei den in Figuren 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispie- len ist die Spiegelfläche 6 jeweils als Kontaktschicht ausge- bildet. Es ist jedoch auch möglich, die Kontaktierung nicht ganzflächig vorzunehmen, sondern neben einer die Grundflä- che 5 teilweise bedeckenden Kontaktierung eine Verspiegelung der restlichen Fläche vorzusehen. Eine die Grundfläche 5 teilweise bedeckende Kontaktierung kann beispielsweise netz- artig oder streifenförmig ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise sollte die entlang der Grundfläche 5 ausgebildete Kontakt- schicht der oberen Kontaktschicht 11 genau gegenüberliegen, um die elektrischen Verluste klein zu halten.

Es ist auch möglich, anstelle einer Kontaktierung entlang der Grundfläche eine Kontaktierung zwischen dem aktiven Bereich 8 und dem Auskoppelfenster 4 bzw. 26 vorzusehen, die seitlich herausgeführt ist.

Bei den in den Figuren 2 bis 8 dargestellten Ausführungsbei- spielen ist der aktive Bereich 8 jeweils auf einem linsenför- migen Auskoppelfenster 4 angeordnet. Es ist auch denkbar, bei den in Figuren 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen das Auskoppelfenster 4 in der Gestalt einer Fresnel-Linse auszubilden. Ebenso kann bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel die Spiegelfläche 6 die Gestalt eines Fresnel-Spiegels aufweisen.

Die Kontakte können streifenförmig oder netzartig ausgebildet sein, wobei die Zwischenräume zwischen den Streifen bzw.

Netzlinien vorzugsweise reflektierend ausgebildet sind.

Beispiel 1 :

Die Auskoppeleffizienz wurde für den Chip 16 gemäß Figur 5 mit einer Grundfläche 5 von 400ym x 400ym und einem pn- Übergang 10 mit einer Fläche von 120Am x 120Am untersucht.

Die Reflexion an der Spiegelfläche 6 war 90%, die Reflexion an der Kontaktschicht 11 war 80%. Die Seitenflächen 17 weisen einen Steigungswinkel von 60 Grad auf. Das Auskoppelfenster 4 wurde aus SiC gefertigt und der aktive Bereich 8 wurde auf der Basis von InGaN hergestellt. In diesem Fall konnten 42% der emittierten Photonen den Chip 16 verlassen.

Beispiel 2 : Bei einem weiteren Chip 16, der sich von dem Chip 16 aus Bei- spiel 1 nur durch einen Steigungswinkel der Seitenflächen 17 von 45 Grad unterscheidet, betrug die Auskoppeleffizienz 39%.

Vergleichsbeispiel 1 : Bei einem herkömmlichen Würfel-Chip mit der Grundfläche 400ym x 400ym, einer Rückseitenreflexion von 90%, einer Vordersei- tenreflexion an einem Kontakt von 80% betrug die Auskoppelef- fizienz 28%.

Vergleichsbeispiel 2 : Bei einem herkömmlichen Würfel-Chip mit der Grundfläche 400ym x 400ym und einer absorbierenden vorderseitigen Kontaktierung von 120Am x 120Am und einem weiteren vorderseitigen, transpa- renten Kontakt zur Stromaufweitung mit einer Transmission von 50% und mit einer Rückseitenreflexion von 90% betrug die Aus- koppeleffizienz 25%.

Untersuchungen ergaben, dass bei dem in Figur 5 dargestellten Chip 16 eine Steigerung der Lichtausbeute gegenüber einem herkömmlichen Würfel-Chip um den Faktor 1,7 erzielt wird. Bei dem in Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steigerung der Lichtausbeute noch deutlich höher.

Die Steigerung der Lichtausbeute ist insbesondere bei W- Licht emittierenden Chips wesentlich, da die zum Vergießen der Chips verwendeten Materialien im allgemein UV-Licht ab- sorbieren und daher nicht verwendet werden können. Die hier vorgestellten Chips 3,13,16 und 23 weisen jedoch eine so hohe Auskoppeleffizienz auf, daß auf einen Verguß verzichtet wer- den kann.