DE3532821A1 - Leuchtdiode (led) mit sphaerischer linse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, in der optischen Nachrichtentechnik licht­ emittierende Halbleiterdioden, sog. Leuchtdioden (LED) in Verbindung mit Glasfasern zu verwenden. Von einer derartigen Leuchtdiode wird die in ihr erzeugte Strahlung im allgemeinen in alle Richtungen oder zumindest mit einem sehr großen Öffnungswinkel abgestrahlt. Um möglichst große Lichtleistung der Leuchtdiode in eine vorgesehene Glas­ faser einkoppeln zu können, ist es üblich, die Leuchtdiode mit einer sphärischen Linse zur Strahlungsbündelung zu versehen.

Eine hier in Frage kommende Leuchtdiode hat einen Halblei­ terkörper. Gegebenenfalls besteht dieser aus einem Substratkörper und auf einer seiner Oberflächen aufge­ brachten einen oder mehreren Epitaxieschichten. Die eigentliche lichtemittierende Zone hat die Form eines Fleckes. Die vorgesehene sphärische Linse, insbesondere eine Kugellinse, ist an dem Halbleiterkörper bzw. Substrat­ körper derart justiert angebracht, daß der Brennpunkt der Linse und diese fleckförmige Zone der Leuchtdiode - wie bekannt - nahe beieinander liegen. Eine bevorzugte Maßnahme, diese sphärische Linse an dem Halbleiterkörper zu befestigen, ist das Aufkleben der Linse. Es ist sehr aufwendig, jedoch notwendig, zu gewährleisten, daß sich die Linse in zentrierter Lage in bezug auf die den Leuchtfleck bildende Zone befindet.

Bei der Maßnahme des Aufklebens der Linse bedarf es nicht nur einer sehr sorgfältigen Manipulation der Linse in bezug auf den Leuchtfleck, wobei dies z. B. durch Beobach­ tung mit Hilfe einer Lupe kontrolliert wird, sondern es muß auch dafür Sorge getragen sein, daß ein seitliches Verschieben der Linse auf der Oberfläche des Halbleiter­ körpers bzw. Substratkörpes ausbleibt.

Nur mit entsprechendem Aufwand konnte dies bisher be­ wältigt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzu­ geben, mit deren Hilfe das justierte Befestigen der Linse am Halbleiterkörper der Leuchtdiode wesentlich vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Leuchtdiode mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und die Verfahrensansprüche geben vorteilhafte Ausführungen der Herstellung an.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde zu erreichen, daß im Laufe des Anbringens der sphärischen Linse bzw. Kugel­ linse auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers der Leucht­ diode ein selbstjustierender Effekt eintritt. Erfindungs­ gemäß ist dies erreicht dadurch, daß man an dem Halb­ leiterkörper die eine Oberfläche mit einem kreisförmigen Mesa ausbildet. Dieser Mesa hat einen Mesadurchmesser, das ist der Durchmesser der eigentlichen Mesa-Oberfläche, der so bemessen ist, daß er bezogen auf den Durchmesser der Linse vergleichbare Größe hat, vorzugsweise kleiner oder zumindest nicht wesentlich größer als dieser Linsendurch­ messer ist. Diese Bemessung gewährleistet, daß die bei noch viskosem Klebstoff auf der Mesaoberfläche aufgebrachte sphärische Linse aufgrund der Oberflächenspannungen des viskosen Klebstoffes selbstjustiert in der Mitte des Mesas gehalten wird, und zwar dies bis zum endgültigen Aushärten des Klebstoffs. Zu großer Durchmesser der Mesa­ oberfläche würde zu weniger exakter Selbstjustierung führen und zu kleiner Durchmesser schränkt in unnot­ wendigerweise die Durchtrittsöffnung des Halbleiterkörpers für den Übergang der Strahlung von dem Leuchtfleck in die Linse sein. Die erfindungsgemäße Anpassung des Durchmessers des Mesas und der Linse zueinander ist für die Erfindung wichtig, jedoch für den Fachmann nach Kenntnisnahme der vorliegenden Erfindung für den Einzelfall dann problemlos anzugeben. Der Mesa hat eine Höhe, die wenigsens so groß ist, daß der verwendete Klebstoff zumindest nicht wesent­ lich solche Oberflächenteile des Halbleiterkörpers benetzt, die schon seitlich des eigentlichen Mesas liegen. Der Einfachheit halber ist der Mesa auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet, die derjenigen Oberfläche dieses Halbleiterkörpers gegenüberliegend ist, in deren Nähe sich die schon oben erwähnte Zone des Leuchtfleckes befindet. Erforderlich ist hierfür, daß der Halbleiterkörper für die in der Zone erzeugte und emittierte Strahlung wenigstens weitgehend durchlässig ist. Insbesondere für Infrarot-Leuchtdioden ist dies übliche Praxis des Aufbaues einer derartigen Diode.

Der an dem Halbleiterkörper erzeugte Mesa ist, bezogen auf die Zone des Leuchtfleckes, exakt justiert plaziert. Einen derartigen Mesa herzustellen ist halbleitertechnologisch kein Problem. Insbesondere erfolgt die Herstellung des Mesas durch Ätzen nach vorheriger fotolithografischer Positionierung. Es kann dabei die Lichtemission des Leuchtfleckes herangezogen werden, wodurch sich der foto­ lithografische Prozeß besonders vereinfachen läßt.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach­ folgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.

Fig. 1 und 2 zeigen eine bekannte Anordnung.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Diode.

Fig. 4 zeigt den Halbleiterkörper vor Fertigstellung der Diode nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Herstellungsverfahren und

Fig. 6 zeigt eine Einrichtung zu Fig. 5.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in Aufsicht und Seitenansicht eine bekannte Leuchtdiode mit Kugellinse. Mit 1 ist der Halbleiterkörper bezeichnet, der insbesondere aus einem Substratkörper 2 und einer epitaktisch darauf aufge­ brachten Schicht 3 besteht. Die Zone des Leuchtfleckes ist mit 4 bezeichnet.

Auf der der epitaktischen Schicht 3 gegenüberliegenden Oberfläche 5 des Halbleiterkörpers 1 bzw. Substratkörpers 2 befindet sich eine Kugellinse 6, die der bekannten Strahlungskonzentration dient. Mittels des Klebers 7 ist diese Linse 6 auf der Oberfläche 5 befestigt. Bekannter­ maßen sind die Abmessungen so getroffen, daß bei ge­ gebenem oder ausgewähltem Brechungsindex des Materials der Kugellinse 6 der Abstand des Leuchtfleckes 4 von der Ober­ fläche 5 und der Halbmesser der Linse so aufeinander abge­ stimmt sind, daß der Brennpunkt die gewünschte bzw. be­ kanntermaßen vorgegebene Lage zum Leuchtfleck 4 hat.

Aus den Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß dort die Kugellinse 6 nicht exakt zum Leuchtfleck 4 justiert ist. Dies kann auf nicht genügend genauem Aufbringen der Kugel­ linse 6 auf der Oberfläche 5 und/oder auf nachträglichem Verziehen des aushärtenden Klebers 7 beruhen. Die Folge einer solchen Fehljustierung ist, daß die mit 8 bezeichne­ te Hauptabstrahlrichtung dieser Leuchtdiode mit Kugellinse schräg zur Diode (z. B. zur Oberfläche 5) ist. Dies er­ schwert späteren Einbau und Justierung der bekannten Leuchtdiode in einem für diese Leuchtdiode vorgesehenen nachrichtentechnischen Gerät.

Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Leuchtdiode 10 mit einer Kugellinse 6. Bei der Diode 10 ist der Halbleiter­ körper mit 11 bezeichnet. Insbesondere kann dies wiederum ein Substratkörper 12 mit darauf befindlicher Epitaxie­ schicht 13 sein. Der Leuchtfleck ist wiederum mit 4 be­ zeichnet.

Wie ersichtlich unterscheidet sich der Halbleiterkörper 11 bzw. Substratkörper 12 vom Halbleiterkörper 1 dadurch, daß die Oberfläche 15 desselben einen Mesa 25 besitzt. Dieser Mesa 25 ist kreisförmig bzw. hat eine kreisförmige Ober­ fläche 26. Mit 7 ist wiederum der Klebstoff bezeichnet, mit dem die Kugellinse 6, bei der Erfindung jedoch an der Mesaoberfläche 26 befestigt ist. Mit 80 ist die exakt aus­ gerichtete Achse der Abstrahlung angegeben.

Wie auch aus der Fig. 3 ersichtlich ist, ist der Durch­ messer d ₂₆ der Mesaoberfläche 26, bezogen auf den Durch­ messer d ₆ der Kugellinse 6, vergleichbar groß und vor­ zugsweise etwas kleiner als letzterer. Es empfiehlt sich, d ₂₆ zwischen 1,2 · d ₆ und 0,5 · d ₆, vorzugsweise zwischen 0,7 und 0,9 · d ₆ zu wählen. Diese Abmessungsrelation gewährleistet eine exakt justierte Lage der Kugellinse 6 bezogen auf den Leuchtfleck 4 der Diode 10 und optimal große Durchtrittsöffnung für die Strahlung des Leucht­ flecks 4 in die Linse 6.

Die Herstellung von Mesa-Ausführungen eines Halbleiter­ körpers bzw. Substratkörpers ist an sich bekannt. Dies er­ folgt auf fotolithografischem Wege mittels Ätzens. Die Technologie der Fotolithografie und des Ätzens ist für die Halbleitertechnik auf hohem Niveau und für den Fachmann als solche auch geläufig. Die Mesaoberfläche 26 bzw. der Mesa 25 ist bezogen auf den Leuchtfleck 4 genau justiert ausgeführt, ohne daß dies für das Herstellungsverfahren des Mesa Probleme aufwirft. Insbesondere kann die Strah­ lungsemission des Leuchtflecks 4 im fotolithografischen Verfahren der vorzusehenden Maskierung zu einer selbst­ justierenden Maskierung herangezogen werden.

Der Mesa 25 bildet einen Sockel mit kreisförmiger Ober­ fläche, auf der infolge der Oberflächenspannung des noch viskosen Klebers zentrierte Lage der aufgebrachten Kugel­ linse gewährleistet wird. Allerdings ist darauf zu achten, daß die Klebstoffmenge wohl dosiert begrenzt ist, so daß der Klebstoff im wesentlichen nur die Mesaoberfläche 26 benetzt. Entweder die Kugellinse 6 oder die Mesaoberfläche 26 wird vor dem Aufkleben der Kugellinse mit dem Kleb­ stoff benetzt. Die auf die Mesaoberfläche 26 aufgesetzte Kugellinse 6 bleibt dann auch beim Aushärten in ihrer zen­ trierten Lage auf dieser Mesaoberfläche 26 und keine wesentliche Klebstoffmenge gelangt auf die Flankenfläche des Mesa.

Aus den voranstehenden Ausführungen gehen bereits die er­ forderlichen Hinweise für die Durchführung der Herstellung hervor. Insbesondere eignet sich aber eine Diode 10 nach dem Prinzip der Erfindung dafür, in großer Anzahl in inte­ griertem Herstellungsverfahren erzeugt zu werden. Mit einem solchen integrierten Verfahren lassen sich gleich­ zeitig auf einer Vielzahl von vorbereiteten Leuchtdioden die zugehörigen Kugellinsen in einem Arbeitsgang aufbrin­ gen. Dabei sind die Dioden noch Anteile einer Wafer-Schei­ be, die erst nachträglich in die einzelnen Dioden zu zer­ teilen ist.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt einer Wafer-Scheibe 51 aus einem Halbleitermaterial, wie es auch für die Körper 1 und 11 verwendet ist. Auf der Oberfläche 55 des Wafers 51 erkennt man eine Anzahl Mesa 25, die vorzugsweise regelmäßig verteilt sind. Herge­ stellt sind diese Mesa 25 durch bereits oben erörtertes fotolithografisches und ätztechnisches Verfahren. Die Fig. 5 zeigt den Wafer 51 in dem Zustand, in dem die jeweilige Mesaoberfläche 26 bereits mit Klebstoff 7 ver­ sehen ist. Dies ist vorteilhafterweise dadurch erfolgt, daß man diese Mesaoberflächen 26 mit einem Klebstoff­ film 56 in Kontakt gebracht hat, der sich auf einer Träger­ platte 57 befindet, die in der Fig. 5 oberhalb der Wafer- Scheibe 51 angeordnet dargestellt ist. Durch diese Be­ rührung der Wafer-Scheibe 51 mit ihren Mesaoberflächen 26 mit dem Kleberfilm 56 erfolgt eine entsprechende Über­ tragung des Klebstoffes 7.

Fig. 6 zeigt eine Verfahrensmaßnahme der Anbringung der Kugellinsen 6 auf den Mesaoberflächen 26 des Wafers 51. Es ist eine Unterdruckvorrichtung 61 vorgesehen, in deren Öffnungen 62 die Kugellinsen 6 durch Ansaugen gehalten sind. Das zweidimensionale Raster dieser Einrichtung 61 ist gleich dem Raster der Meseten 25 der Wafer-Scheibe 51. Durch miteinander in Kontakt bringen der Einrichtung 61 und der Wafer-Scheibe 51 erfolgt das Aufsetzen der Kugellinsen 6 auf die Mesaoberflächen 26, d. h. das Ein­ drücken der Kugellinsen 6 in den jeweiligen Klebstoff 7. Es sei darauf hingewiesen, daß der Klebstoff in der Fig. 5 sinngemäß entsprechender Weise auch auf den Kugellinsen 6 in der Einrichtung 61 in gleicher Menge aufgebracht sein kann.

Nach Unterbrechen des Unterdrucks in der Einrichtung 61 und Entfernen der Einrichtung 61 verbleiben die Kugel­ linsen 6 auf der jeweiligen Mesaoberfläche 26. Wegen der erfindungsgemäß vorgesehenen Meseten 25 bedarf es bei der Erfindung und insbesondere bei diesem integrierten Ver­ fahren keiner besonderen zusätzlichen Justierung der Kugellinse auf der jeweiligen Leuchtdiode 10 a, 10 b, 10 c usw. Diese einzelnen Leuchtdioden 10 a . . . erhält man, indem man nach bekanntem Verfahren die Wafer-Scheibe 51, insbesondere nach Anritzen, an den gestrichelten Linien zerteilt.

Nachfolgend soll noch ein Bemessungsbeispiel angegeben sein. Ein rechteckiger Halbleiterkörper 11 hat z. B. die Kantenabmessungen 250 µm und 150 µm. Die etwas längliche Form vorzusehen empfiehlt sich zum Zwecke des leichteren Anbondens der Zuleitungen. Für eine solche Diode hat die Kugellinse 6 einen Durchmesser von etwa 100 µm. Der Mesa­ durchmesser d ₂₆ der Mesaoberfläche 26 wird auf etwa 50 bis 120 µm, insbesondere 70 bis 90 µm bemessen. Diese ent­ spricht dem oben angegebenen Kriterium und gewährleistet die erfindungsgemäße Selbstjustierung. Die Höhe des Mesa 25 beträgt z. B. 20 µm bei z. B. 60 µm Dicke des Halbleiterkör­ pers 11 außerhalb des Bereichs des Mesa 25. Die Leuchtzone bzw. der Leuchtfleck 4 befindet sich einige µm entfernt von der Oberfläche 13.

Claims (8)

1. Leuchtdiode (LED) mit zur Strahlungskonzentration daran mittels Klebstoff befestigter sphärischer Linse, wobei diese Leuchtdiode einen Halbleiterkörper mit einer Leuchtzone umfaßt, die die Form eines Fleckes hat und wobei sich diese Leuchtzone näher der einen Oberfläche des Halb­ leiterkörpers befindet, gekennzeichnet dadurch,
- daß die andere, gegenüberliegende Oberfläche (15) des Halbleiterkörpers (11) einen kreisförmigen Mesa (25) mit einer Mesaoberfläche (26) umfaßt, wobei diese Mesaoberfläche (26) der Leuchtzone (4) der Diode (10) zentriert gegenüberliegend justiert positioniert ist,
- daß der Mesadurchmesser (d ₂₆) bezogen auf den Durchmesser (d ₆) der Linse (6) vergleichbar groß bemessen ist und
- daß die sphärische Linse (6) auf der Mesaoberfläche (26) angeordnet ist.

2. Leuchtdiode nach Anspruch 1, gekennzeich­ net dadurch, daß der Mesadurchmesser (d ₂₆) der Mesaoberfläche (26) zwischen etwa dem 1,2- bis 0,5fachen des Durchmessers (d ₆) der Linse (6) bemessen ist.

3. Leuchtdiode nach Anspruch 1, gekennzeich­ net dadurch, daß der Mesadurchmesser (d ₂₆) der Mesafläche (26) zwischen etwa dem 0,7- bis 0,9fachen des Durchmessers (d ₆) der Linse (6) bemessen ist.

4. Leuchtdiode nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Linse eine Kugellinse (6) ist.

5. Leuchtdiode nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Mesa (25) durch Ätzen erzeugt ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß auf einer Oberfläche (55) eines Wafers (51) rastergemäß angeordnet eine Vielzahl Meseten (25) her­ gestellt werden, auf diese Meseten die Linsen (6) unter da­ zwischen befindlichem Klebstoff (7) aufgebracht werden und der Wafer (51) zerteilt wird (Fig. 5).

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeich­ net dadurch, daß der Kleber (7) mittels eines Kleberfilmes (56) auf die Meseten (25) aufgebracht wird (Fig. 5).

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Linsen (6) mittels einer mit Unterdruck arbeitenden Einrichtung (61) auf die Meseten (25) des Wafers (51) aufgesetzt werden.