DE10059532A1

DE10059532A1 - Halbleiterchip für die Optoelektronik

Info

Publication number: DE10059532A1
Application number: DE10059532A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ploesl; Klaus Streubel; Walter Wegleiter; Ralph Wirth; Stefan Illek
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-06

Abstract

Bei einem Halbleiterchip für die Optoelektronik ist die aktive Zone (3) der in Dünnschichttechnik hergestellten aktiven Schicht (2) durch sich verjüngende Ausnehmungen (8) unterbrochen. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Lichtausbeute.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterchip für die Optoelek tronik mit einer aktiven Schicht, die eine Photonen emittie rende Zone aufweist und die auf einer Befestigungsseite an ei nem Trägerkörper angebracht ist.

Derartige in Dünnschichttechnik hergestellte Halbleiterchips sind aus der EP 0 905 797 A2 bekannt. Zur Herstellung des be kannten Halbleiterchips wird üblicherweise eine aktive Schicht auf einem Substrat durch ein Epitaxieverfahren aufgebracht. Auf der Oberseite der aktiven Schicht wird daraufhin ein Trä gerkörper befestigt und das Substrat entfernt. Vorteilhafter weise befindet sich zwischen dem Trägerkörper und der aktiven Schicht eine metallische Reflexionsschicht, so daß kein Licht vom Trägerkörper absorbiert wird. Die bekannten Halbleiter chips eignen sich insbesondere für Anwendungen, in denen eine hohe optische Leistung erforderlich ist.

Ein Nachteil der bekannten, in Dünnschichttechnik hergestell ten Halbleiterchips ist, daß die zwischen Trägerkörper und der aktiven Schicht angeordnete metallische Reflexionsschicht bei kurzen Wellenlängen im allgemeinen keine zufriedenstellende Reflektivität aufweisen. Insbesondere bei einer Wellenlänge von weniger als 600 nm wird Gold als metallische Reflexions schicht immer ineffizienter, da die Reflektivität signifikant abnimmt. Bei Wellenlängen unterhalb von 600 nm können bei spielsweise die Elemente Al und Ag verwendet werden, deren Re flektivität bei Wellenlängen kleiner 600 nm vergleichsweise konstant bleibt.

Außerdem können große Flächen, wie die metallische Reflexions schicht, nur schwer gebondet werden. Durch das Bonden und das Legieren der metallischen Kontaktschicht wird außerdem die Qualität der metallischen Reflexionsschicht im allgemeinen be einträchtigt.

Weiter ist aus der DE 198 07 758 A1 ein pyramidenstumpfförmi ger Halbleiterchip bekannt, der eine aktive, Licht emittieren de Zone zwischen einer oberen Fensterschicht und einer unteren Fensterschicht aufweist. Die obere Fensterschicht und die un tere Fensterschicht bilden zusammen einen pyramidenstumpfför migen Grundkörper. Die schräge Ausrichtung der Seitenwände der Fensterschichten bewirkt, daß das von der aktiven Zone ausge hende Licht an den Seitenflächen totalreflektiert wird und na hezu rechtwinklig auf die als Leuchtfläche dienende Basisflä che des pyramidenstumpfförmigen Grundkörpers auftrifft. Da durch tritt ein Teil des von der aktiven Zone emittierten Lichts innerhalb des Austrittkegels des Halbleiterelements auf die Oberfläche. Unter Austrittskegel soll in diesem Zusammen hang der Kegel der Lichtstrahlen verstanden werden, deren Ein fallswinkel kleiner als der kritische Winkel für die Totalre flexion ist und die daher nicht totalreflektiert werden. Um zu einer signifikanten Steigerung der Lichtausbeute zu kommen, setzt dieses Konzept eine Mindestdicke für die obere und unte re Fensterschicht voraus. Bei dem bekannten pyramidenstumpf förmigen Halbleiterelement beträgt die Dicke der oberen und unteren Fensterschicht wenigstens 50,8 µm (2 Millizoll). Eine derartige Schichtdicke ist noch im Bereich des Machbaren. Falls jedoch die Leistung des bekannten Halbleiterchips erhöht werden soll, ist es erforderlich, sämtliche Abmessungen zu skalieren. Dabei ergeben sich rasch Schichtdicken, die nur un ter hohem Aufwand auf epitaktischem Wege herstellbar sind. Der bekannte Halbleiterchip ist daher nicht ohne weiteres skalier bar.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen in Dünnschichttechnik herstellbaren Halbleiterchip mit verbesserter Lichtauskopplung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß danach gelöst, daß in die aktive Schicht von der Befestigungsseite her eine Ausnehmung eingebracht ist, deren Querschnittsfläche mit zunehmender Tie fe abnimmt.

Durch Ausnehmungen kann die Befestigungsseite des Halbleiter chips wesentlich verkleinert werden, so daß das Bonden der ak tiven Schicht auf dem Trägerkörper problemlos durchgeführt werden kann. Durch die Ausnehmungen werden außerdem Seitenflä chen geschaffen, an denen ein Teil der von der aktiven Zone emittierten Photonen so reflektiert wird, daß die Photonen in nerhalb des Austrittkegels auf die der Befestigungsfläche ge genüberliegende Austrittsfläche der aktiven Schicht auftref fen. Bei dem Halbleiterchip gemäß der Erfindung wird gewisser maßen die Reflexion an der durchgehenden Reflexionsschicht durch die Reflexion an den Seitenflächen der Ausnehmungen er setzt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Ausnehmungen so tief, daß die aktive Zone der aktiven Schicht durch die in die aktive Schicht von der Befestigungsseite her eingebrachte Ausnehmung unterbrochen ist.

Es hat sich gezeigt, daß Halbleiterchips, deren aktive Zone durch eine in die aktive Schicht von der Befestigungsseite her eingebrachte Ausnehmung unterbrochen ist, eine besonders hohe Lichtausbeute aufweisen. Denn in diesem Fall werden nicht nur die zur Befestigungsseite hin emittierten Photonen, sondern auch die zur Austrittsfläche der aktiven Schicht hin emittier ten Photonen durch Reflexion an den Seitenflächen der Ausneh mung in einen großen Winkel zur Austrittsfläche gebracht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind durch die Ausnehmungen Erhebungen auf einer Verbindungsschicht der aktiven Schicht gebildet.

Derartige Erhebungen wirken als Kollimatoren, die die Trajekt orien der von der aktiven Zone emittierten Photonen nahezu im rechten Winkel zu der Austrittsfläche des Halbleiterchips aus richten. Dadurch trifft ein Großteil der emittierten Photonen innerhalb des Austrittskegels auf die Austrittsfläche auf und kann den Halbleiterchip verlassen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verbin dungsschicht so ausgebildet, daß wenigstens eine Trajektorie der von der aktiven Zone emittierten Photonen von der jeweili gen Erhebung zu einer der benachbarten Erhebungen führt.

Durch die optische Kopplung der Erhebungen können Photonen, die nicht an einer der Seitenflächen der ursprünglichen Erhe bung reflektiert worden sind, in eine der benachbarten Erhe bungen gelangen und dort an den Seitenflächen der jeweiligen Erhebung so reflektiert werden, daß sie innerhalb des Aus trittskegels auf die Austrittsfläche treffen.

Ferner sind bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung die Erhebungen mit konkaven Seitenflächen ausgestattet.

Durch diese Maßnahmen werden Photonen, die an der Austritts fläche zunächst reflektiert werden mit jeder weiteren Reflexi on an der Seitenfläche der Erhebungen zunehmend aufgestellt, so daß sie schließlich innerhalb des Austrittskegels auf die Austrittsfläche treffen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Erhe bungen mit einer Reflexionsschicht bedeckt.

Durch diese Maßnahme werden sämtliche auf die Seitenfläche der Erhebungen treffenden Lichtstrahlen in Richtung auf die Aus trittsseite des Halbleiterchips gelenkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines Halbleiterchips gemäß der Erfindung, bei dem die aktive Zone je weils innerhalb von pyramidenstumpfförmigen Erhebungen angeordnet ist;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip gemäß der Erfindung, der mit Erhebungen aus gestattet ist, die konkave Seitenflächen aufweisen;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Steigerung der Licht ausbeute bei dem Halbleiterchips gemäß der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterchips zeigt;

Fig. 5 ein Querschnittsprofil einer Erhebung, die sich aus einem unteren flachen Kegelstumpf und einem oberen steilen Kegelstumpf zusam mensetzt;

Fig. 6a bis 6d verschiedene Querschnittsprofile von Erhe bungen und ein Diagramm, das die Abhängig keit der Auskoppeleffizienz vom Radius der Grenzfläche zwischen dem unteren Pyramiden stumpf und dem oberen Pyramidenstumpf der Erhebung aus Fig. 5 zeigt;

Fig. 7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus koppeleffizienz von der Reflektivität einer auf der Spitze der Erhebung aus Fig. 5 an geordneten Kontaktschicht zeigt;

Fig. 8 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz von der Reflektivität der Seitenflächen der Erhebung aus Fig. 5 dar gestellt ist;

Fig. 9 ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwi schen Auskoppeleffizienz und Größe eines Leuchtflecks in der aktiven Zone hervorgeht;

Fig. 10a bis 10d verschiedene Querschnittsprofile einer Erhe bung, bei der die Höhe der aktiven Zone va riiert ist und ein Diagramm, in dem die Aus koppeleffizienz in Abhängigkeit von der Dic ke einer unteren Begrenzungsschicht darge stellt ist;

Fig. 11 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus koppeleffizienz vom Flankenwinkel der Sei tenflächen einer Erhebung mit dem im Fig. 10b dargestellten Querschnittsprofil zeigt;

Fig. 12 ein weiteres Diagramm, in dem die Abhängig keit der Auskoppeleffizienz vom Flankenwin kel einer Erhebung mit dem Querschnittspro fil aus Fig. 10b dargestellt ist;

Fig. 13 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus koppeleffizienz von der Breite der aktiven Schicht bei gleichbleibender Höhe veran schaulicht; und

Fig. 14 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Aus kopplungseffizienz von der Dicke einer die Erhebung verbindenden Verbindungsschicht für verschiedene Profile der Erhebungen zeigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterchip für eine Lumines zenzdiode weist einen Trägerkörper 1 auf, auf dem die aktive Schicht 2 angebracht ist. Der Deutlichkeit halber ist in Fig. 1 die Dicke der aktiven Schicht 2 im Verhältnis zu der Dicke des Trägerkörpers 1 übertrieben gezeichnet. Die aktive Schicht 2 weist eine Photonen emittierende, aktive Zone 3 auf, die je weils auf einer mittleren Höhe in Erhebungen 4 ausgebildet ist. Die Erhebungen 4 können pyramidenstumpfartig oder kegel stumpfartig ausgebildet sein. Der Halbleiterchip stellt somit eine Lumineszenzdiode dar.

Die Erhebungen 4 sind auf einer Verbindungsschicht 5 angeord net, die auf einer flachen Vorderseite 6 eine zentrale vorder seitige Kontaktstelle 7 aufweist, die von einer Metallisie rungsschicht gebildet ist. Die rückseitigen, von Ausnehmungen 8 gebildeten Erhebungen 4 sind mit einer Reflexionsschicht be deckt, die aus einer dielektrischen Isolierschicht 9 und einer darauf aufgebrachten Metallisierungsschicht 10 besteht. Die Isolierschicht 9 ist entlang einer Grundfläche 11 der Erhebun gen 4 durch Durchkontaktierungen 12 unterbrochen, die von me tallisierten Abschnitten gebildet werden.

Zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterchips wird zunächst auf einem Grundsubstrat die aktive Schicht 2 epitaktisch aufgewachsen. Die aktive Schicht 2 kann beispiels weise auf der Basis von InGaAlP hergestellt werden. Dabei wird zunächst die Verbindungsschicht 5 auf dem Grundsubstrat aus gebildet und anschließend mit einer Konzentration oberhalb von 10¹⁸ cm^-3 dotiert, um eine gute Leitfähigkeit der Verbindungs schicht 5 zu gewährleisten. Denn eine gute Leitfähigkeit der Verbindungsschicht 5 ist Voraussetzung dafür, daß auf der Vor derseite 6 eine zentrale Kontaktstelle 7 für die Versorgung der aktiven Zone 3 mit Strom genügt. Außerdem ist die Zusam mensetzung der Verbindungsschicht 5 so gewählt, daß sie für die in der aktiven Zone erzeugten Photonen transparent ist. Dies läßt sich üblicherweise über eine Einstellung der Band lücke durch die Zusammensetzung des Materials der Verbindungs schicht 5 bewerkstelligen.

Anschließend wird eine weitere Schicht auf der Verbindungs schicht 5 aufgebracht, in die die Erhebungen 4 mit geeigneten naß- oder trockenchemischen Ätzverfahren eingebracht werden. Derartige Ätzverfahren sind bekannt und sind nicht Gegenstand der Anmeldung. Die Erhebungen 4 werden vorzugsweise in den für die Halbleiterchips vorgesehene Bereichen ausgebildet. Dies sind Bereich mit typischen Außenabmessungen von 400 × 400 µm². Die Erhebungen 4 weisen Außenabmessungen auf, die im Bereich der Schichtdicke der aktiven Schicht 2 liegen. Die Au ßenabmessungen der Erhebungen 4 liegen daher im Bereich von 10 µm.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Abscheiden der Isolierschicht 9 auf den Erhebungen 4 und das Ausbilden der Durchkontaktierungen 12. Danach wird die Metalli sierungsschicht 10 aufgebracht.

Anschließend wird die aktive Schicht 3 entsprechend der vorge sehenen Zahl von Halbleiterchips aufgetrennt. Dies erfolgt beispielsweise durch Naßätzen.

Dann werden die vereinzelten aktiven Schichten am Trägerkörper 1 beispielsweise durch eutektisches Bonden befestigt und das Grundsubstrat durch Naßätzen entfernt. Abschließend werden die Kontaktstellen 7 auf der freigelegten Vorderseite der aktiven Schicht 2 ausgebildet und die Halbleiterchips durch Trennen des Trägerkörpers 1 vereinzelt.

Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterchip weist den Vorteil auf, daß die von der aktiven Zone 3 erzeugten Photonen nicht auf Komponenten des Halbleiterchips treffen, die diese absorbieren. Denn durch die Metallisierungsschicht 10 werden die Photonen vom Trägerkörper 1 ferngehalten.

Ein weiterer Vorteil ist, daß bei dem Halbleiterchip aus Fig. 1 ein Großteil der von der aktiven Zone 3 emittierten Photonen an Seitenflächen 13 der Erhebungen 4 totalreflektiert wird. Die an den Seitenflächen 13 totalreflektierten Photonen tref fen auf die Vorderseite 6 unter einem großen Winkel. Insbeson dere trifft ein Teil der Photonen, der ohne Reflexion an den Seitenflächen 13 an der Vorderseite totalreflektiert würde, auf die Vorderseite 6 innerhalb des Austrittskegels und kann daher den Halbleiterchip verlassen. Bei dem Halbleiterchip ge mäß Fig. 1 wird daher die Reflexion an der aus dem Stand der Technik bekannten durchgehenden Grundfläche zumindest teilwei se durch die Totalreflexion an den Seitenflächen 13 ersetzt. Daher weist der Halbleiterchip aus Fig. 1 im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterchips ohne Ausnehmungen 8 eine nahezu um den Faktor 2 gesteigerte Lichtausbeute auf.

Der beschriebene Effekt sei im folgenden anhand der in der Fig. 2 und 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.

Betrachtet seien eine Reihe von Lichtstrahlen, wobei der Be griff Lichtstrahlen nicht als eine Einschränkung auf eine be stimmte Wellenlänge, sondern als Bezugnahme auf die Methoden der geometrischen Optik, unabhängig von der Wellenlänge, ver standen werden soll.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Er hebungen 4 pyramidenstumpfförmig ausgebildet und lediglich an der Grundfläche 11 der Erhebungen 4 über eine Kontaktschicht 14 am Trägerkörper 1 befestigt. Durch die Kontaktschicht 14 wird die aktive Zone 3 mit Strom versorgt.

Aufgrund der großen Differenz zwischen den Brechungsindizes von Halbleitern zu Gießharz von typischerweise 3,5 zu Werten von typischerweise 1,5 können an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Gießharz nur Lichtstrahlen aus dem Halbleiter auskoppeln, die innerhalb eines Austrittskegels mit einem Öff nungswinkel von etwa 16° auf die Grenzfläche auftreffen. Bei einem winkelmäßig gleich verteilten Einfall der Lichtstrahlen entspricht dies etwa 2% der auf eine Flächeneinheit einfallen den Lichtstrahlen.

Durch die Erhebungen 4 werden die von der aktiven Schicht 2 ausgehende Lichtstrahlen in Richtung auf die Vorderseite 6 ge lenkt. Die Erhebungen 4 wirken daher als Kollimatoren, in de ren Brennfläche sich die aktive Zone 3 befindet. Die Erhebun gen 4 bewirken, daß die auf die Seitenflächen 13 auftreffenden Lichtstrahlen in Richtung auf die Vorderseite 6 aufgestellt werden und dort innerhalb des Austrittskegels auftreffen, so daß sie den Halbleiterchip verlassen können. Die Lichtausbeute kann dabei durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Grundfläche 11, des Neigungswinkels der Seitenfläche 13 und der Höhe der Erhebungen 4 sowie die Lage der aktiven Zone 3 optimiert werden.

In Fig. 2 ist ein Lichtstrahl 15 gezeigt, der zunächst an der Seitenfläche 13 totalreflektiert und von dort zur Vorderseite 6 gelenkt wird. Auf der Vorderseite 6 trifft der Lichtstrahl 15 innerhalb des Austrittskegels auf die Grenzfläche auf und kann daher den Halbleiterchip verlassen. Ohne die Totalrefle xion an der Seitenfläche 13 wäre der Lichtstrahl 15 an der Vorderseite 6 totalreflektiert und zu einer der aus dem Stand der Technik bekannten Reflexionsschichten zurückgelenkt wor den, wo er erneut reflektiert worden wäre. Insofern wird bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Reflexion an der herkömmlichen durchgehenden Reflexionsschicht durch die Reflexion an den Seitenflächen 13 ersetzt.

Dies gilt auch für einen Lichtstrahl 16, der zunächst an der Grundfläche 11 und dann an der Seitenfläche 13 reflektiert wird. Auch der Lichtstrahl 16 wird nach der zweiten Reflexion zu der Vorderseite 6 gelenkt, wo er innerhalb des Austrittske gels auftrifft. Ohne die Reflexion an der Seitenfläche 13 wäre der Lichtstrahl 16 ebenfalls an der Vorderseite 6 totalreflek tiert und zu einer rückseitigen Reflexionsschicht zurückge lenkt worden.

Von Vorteil ist ferner, daß die Erhebungen 4 über die Verbin dungsschicht 5 optisch gekoppelt sind. Unter der optischen Kopplung soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, daß wenigstens einer der von der aktiven Schicht 2 ausgehenden Lichtstrahlen über eine Mittellinie 17 hinweg von dem Bereich einer der Erhebungen 4 in den Bereich einer der benachbarten Erhebungen 4 gelangen kann. Denn durch die optische Kopplung mit Hilfe der Verbindungsschicht 5 kann ein Lichtstrahl 18, der nicht auf eine der Seitenflächen 13 der jeweiligen Erhe bungen 4 trifft, auf eine der Seitenflächen 13 einer der be nachbarten Erhebungen 4 treffen und dort zur Vorderseite 6 ge lenkt werden, wo er innerhalb des Austrittskegels auftrifft. Durch die optische Kopplung über die Verbindungsschicht 5 wird daher die Lichtausbeute weiter gesteigert.

In Fig. 3 ist schließlich ein Querschnitt durch ein abgewan deltes Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips dargestellt, bei dem die Erhebungen 4 kegelstumpfförmig mit konkaven Sei tenflächen 13 ausgebildet sind. Die Ausgestaltung der Seiten flächen 13 führt dazu, daß ein zwischen der Vorderseite 6 und der Seitenfläche 13 hin und her reflektierter Lichtstrahl 18 bei Annäherung an die Mittellinie 17 zunehmend aufgestellt wird, bis er innerhalb des Austrittskegels auf die Vorderseite 6 auftrifft. Das gleiche gilt für Lichtstrahlen 9, die zu nächst über die Verbindungsschicht 5 von jeweils einer Erhe bung 4 zur benachbarten Erhebung 4 gelangen und dort in einem großen Winkel zur Vorderseite 6 gebracht werden.

In Fig. 4 ist schließlich ein Diagramm dargestellt, in dem eine Meßkurve 20 die Abhängigkeit der Lichtausbeute in relati ven Einheiten vom Betriebsstrom bei Pulsbetrieb für eine herkömmliche, in Dünnfilmtechnik hergestellte Leuchtdiode dar stellt. Eine weitere Meßkurve 21 veranschaulicht die Abhängig keit der Lichtausbeute in relativen Einheiten in Abhängigkeit vom Betriebsstrom für eine Leuchtdiode gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die Lichtausbeute bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh rungsbeispielen etwa das Doppelte der Lichtausbeute von her kömmlichen Halbleiterchips ohne Ausnehmungen 8 aufweist.

Um die günstigste Form für die Erhebungen 4 zu ermitteln, wur de eine Reihe von Raytracing-Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Rechnungen werden nachfolgend anhand der Fig. 5 bis 14 im einzelnen vorgestellt.

Zunächst seien die in den Rechnungen variierten Parameter an hand Fig. 5 erläutert. In Fig. 5 ist ein Querschnittsprofil einer der Erhebungen 4 dargestellt. In dem gezeigten Fall ist die Erhebung 4 aus einem unteren Kegelstumpf 22 und einem obe ren Kegelstumpf 23 zusammengesetzt. Der untere Kegelstumpf 22 grenzt mit einer Basisfläche 24 an die Verbindungsschicht 5 an. Im oberen Kegelstumpf 23 ist die aktive Zone 3 ausgebil det. Außerdem ist in Fig. 5 eine auf der Grundfläche 11 der Erhebung 3 angeordnete Kontaktstelle 25 vorgesehen.

Die Seitenflächen 13 der Erhebung 4 setzen sich aus einer Flanke 26 des unteren Kegelstumpfs 22 und Flanken 27 des obe ren Kegelstumpfs 23 zusammen. Die geometrischen Abmessungen des unteren Kegelstumpfes 22 entlang einer gemeinsamen Grenz fläche 28 sind so gewählt, daß die Flanke 26 unmittelbar in die Flanke 27 übergeht.

Im folgenden wird auf verschiedene Abmessungen der Erhebung 4 Bezug genommen. Der Radius der Basisfläche 24 des unteren Ke gelstumpfes 22 wird mit r_n, der Radius der Grenzfläche 28 mit r_t und der Radius der Grundfläche 11 mit r_p bezeichnet. Ferner kann die Erhebung 4 in eine untere Begrenzungsschicht 29 zwi schen der Basisfläche 24 und der aktiven Zone 3 und eine obere Begrenzungsschicht 30 zwischen der aktiven Zone 3 und der Grundfläche 11 unterteilt werden. Die untere Begrenzungs schicht 29 weist dabei eine Höhe h_u und die obere Begrenzungs schicht 30 eine Höhe h_o auf. Die gesamte Höhe der Erhebung 4 wird schließlich mit H bezeichnet. Sie wurde durchgehend in allen Rechnungen gleich 6 µm gesetzt. Für die Dicke h_w der Verbindungsschicht 5 wurde in allen Rechnungen, in denen die Dicke h_w nicht variiert wurde, ein Wert von 2 µm gewählt.

In den Fig. 6a bis 6d ist das Ergebnis einer Rechnung dar gestellt, in der der Radius r_p der Grundfläche 11 gleich 5 µm und der Radius r_n der Basisfläche 24 gleich 20 µm gesetzt wur de. Der Radius r_t der Grenzfläche 28 wurde zwischen 6 und 18 µm entsprechend den in Fig. 6a bis Fig. 6c dargestellten Querschnittsprofilen variiert.

In den Rechnungen wurde für die aktive Zone 3 ein Brechnungs index von 3,2 angesetzt. Der Brechnungsindex der unteren Be grenzungsschicht 29, der oberen Begrenzungsschicht 30 sowie der Verbindungsschicht 5 war gleich 3,3. Soweit nicht vari iert, wurde die Reflektivität der Kontaktstelle 25 mit 0,3 an gesetzt. Die Reflektivität der von der Kontaktstelle 25 nicht bedeckten Grundfläche 11 sowie der Flanken 26 und 27 wurde auf den Wert 0,8 gesetzt. Unter Reflektivität wird dabei jeweils der auf die Energie bezogene Reflexionskoeffizient verstanden.

Ferner wurde die Selbstabsorption der aktiven Zone 3 durch ei nen Absorptionskoeffizient von 10.000/cm berücksichtigt. Alle Rechnungen wurden mit Photonenrecycling durchgeführt. Dafür wurde eine interne Quanteneffizienz von 0,8 angenommen. Die Quanteneffizienz bei der Erzeugung von Photonen durch Ladungs trägerrekombination wurde nicht berücksichtigt. Die in den Diagrammen angegebene Auskoppeleffizienz η ist daher gleich dem Verhältnis der aus dem Halbleiterchip ausgekoppelten Pho tonen zur Zahl der tatsächlich erzeugten Photonen. Die Werte für die angegebene Auskoppeleffizienz η müßte daher noch mit dem Faktor 0,8 multipliziert werden, um zum externen Wirkungs grad zu kommen.

Weiter wurde angenommen, daß die Reflexion an der Kontaktstel le 25 und den Flanken 26 und 27 winkelunabhängig ist. In den Rechnungen wird daher der Fall, daß zunächst die dielektrische Isolierschicht 9 auf die Erhebungen 4 aufgebracht und durch die spiegelnde Metalisierungsschicht 10 ergänzt wird, in den Rechnungen in seiner Wirkung unterschätzt, da in den Rechnun gen die in diesem Fall auftretende Totalreflexion nicht be rücksichtigt wird.

Fig. 6c zeigt ein Diagramm, in dem die Auskoppeleffizienz η gegen den Radius r_t in einer Kurve 31 aufgetragen ist. Zum Vergleich ist auch die Auskoppeleffizienz eines normalen Dünn film-Halbleiterchips eingezeichnet, bei dem die Streuung nur über das Photonenrecycling vermittelt wird. Dieser Dünnfilm- Halbleiterchip mit der Kantenlänge 300 µm weist die gleiche Epitaxiestruktur wie die Erhebung 4 im unteren Kegelstumpf 22 und oberen Kegelstumpf 23 auf. Es wurde angenommen, daß der Halbleiterchip p-seitig mit einem Spiegel versehen ist, dessen Reflektivität 0,72 beträgt. Dieser Wert ist der mit dem Bele gungsgrad gewichtete Mittelwert der Reflektivität einer Refle xionsschicht und einer Kontaktschicht, wobei für die Reflekti vität der Reflexionsschicht der Wert 0,8 und für den Bele gungsgrad der Reflexionsschicht der Wert 0,85 angesetzt und für die Reflektivität der Kontaktschicht der Wert 0,3 und der Belegungsgrad 0,15 verwendet wurde.

Aus Fig. 6 ist erkennbar, daß bei einem sehr großen Anstell winkel ϕ_o des oberen Kegelstumpfs 23 gemäß dem in Fig. 6a dargestellten Querschnittsprofil die Auskoppeleffizienz η kaum besser als die Auskoppeleffizienz η einer herkömmlichen Dünn film-Lumineszenzdiode ist, deren Auskoppeleffizienz in Fig. 6d durch die Gerade 32 dargestellt ist. Dies ist auch ver ständlich, da die Erhebung 4 mit dem in Fig. 6a dargestellten flachen Flächenquerschnittsprofil kaum die von der aktiven Zone 3 ausgehenden Lichtstrahlen in einen steilen Winkel zur Leuchtfläche 6 bringt. Genau dies bewerkstelligt jedoch die Erhebung 4 mit dem in Fig. 6c dargestellten Querschnittspro fil, weshalb auch in diesem Fall die Auskoppeleffizienz hh na hezu das Doppelte der Auskoppeleffizienz η einer herkömmlichen Dünnschicht-Lumineszenzdiode beträgt.

Des weiteren wurde die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz η von der Reflektivität der Kontaktstelle 25 untersucht. Zu die sem Zweck wurde die Auskoppeleffizienz η in Abhängigkeit von der Reflektivität der Kontaktstelle 25 berechnet, wobei das Querschnittsprofil der Erhebung 4 gleich dem in Fig. 6b dar gestellten Querschnittsprofil war. Außerdem wurde angenommen, daß die Kontaktstelle 25 die gesamte Grundfläche 11 abdeckt. Aus Fig. 7 ist erkennbar, daß die Auskoppeleffizienz η nicht wesentlich von der Reflektivität der Kontaktstelle 25 abhängt. Die hier beschriebenen Halbleiterchips mit Erhebungen 4 auf der Befestigungsseite erscheinen daher wesentlich unempfindli cher gegen die schlechte Reflektivität der Kontaktstellen 25 zu sein als die herkömmliche Dünnfilm-Lumineszenzdioden, da die zur Auskopplung führenden Vielfachreflexionen offenbar nur zu einem geringen Bruchteil zwischen der Grundfläche 11 und der Leuchtfläche 6, sondern dreidimensional in der Erhebung 4 erfolgen.

Die relative Unabhängigkeit von der Reflektivität der Kontakt stelle 25 ist besonders von Vorteil, da in der Praxis ein niedriger ohmscher Widerstand zwischen der Kontaktstelle 25 und der oberen Begrenzungsschicht 30 im allgemeinen mit einer schlechten Reflektivität verknüpft ist. Denn ein guter ohm scher Kontakt erfordert die Diffusion von Atomen aus der die Kontaktstelle 25 bildenden Schicht in das darunter liegende Material.

Im Gegensatz zur Abhängigkeit von der Reflektivität der Kon taktstelle 25 ist die Abhängigkeit der Auskoppeleffizienz η von der Reflektivität R_S der Spiegelflächen auf der Grundfläche 11 und den Flanken 26 und 27 stark ausgeprägt. Dies zeigen die Ergebnisse einer Rechnung, die mit einem Modell für den Halbleiterchip durchgeführt worden sind, dessen Erhebungen 4 die Radien r_p = 5 µm, r_d = 16 µm und r_n = 20 µm aufweisen.

Die Erhebungen 4 weisen daher in etwa das in Fig. 6b darge stellte Querschnittsprofil auf.

Das Ergebnis dieser Rechnung ist eine in Fig. 8 eingetragene Kurve 33, die monoton mit zunehmender Reflektivität R_S an steigt. Ein in das Diagramm aus Fig. 8 eingetragener Punkt 34 stellt das Ergebnis einer Rechnung für einen Halbleiterchip dar, auf den keine Spiegelschicht aufgebracht wurde, sondern der in Harz als umgebendes Medium eingebettet wurde. Hier fin det allerdings Totalreflexion statt, so daß sich gegenüber ei nem Halbleiterchip mit einer Spiegelschicht eine größere Aus koppeleffizienz ergibt. Dies wäre auch bei dem in Fig. 1 dar gestellten Ausführungsbeispiel der Fall, bei dem zwischen der Metallisierungsschicht 10 die elektrische Isolierschicht ange ordnet ist, an der gleichfalls Totalreflexion stattfinden kann.

Fig. 9 enthält das Ergebnis einer Rechnung, die an einem Halbleiterchip mit Erhebungen 4 ausgeführt wurde, für deren Radien galt: r_p = 5 µm, r_t = 16 µm und r_n = 20 µm. Die Erhe bungen 4 weisen daher im wesentlichen das die Fig. 6a darge stellte Querschnittsprofil auf. Die aktive Zone 3 befand sich dabei auf mittlerer Höhe zwischen der Basisfläche 24 und der Grundfläche 11. Bei dieser Rechnung wurde der Bereich, in dem in der aktiven Zone 3 Photonen entstehen auf einen Leuchtfleck eingeengt, dessen Durchmesser d_S auf der Abszisse aufgetragen ist. Anhand des Diagramms in Fig. 9 ist erkennbar, daß die Auskoppeleffizienz bei einem kleinen Leuchtfleck besonders hoch ist. Das bedeutet, daß Photonen im Zentrum der aktiven Zone 3 besonders gut ausgekoppelt werden. Insofern ist ein leichter Weierstrass-Effekt vorhanden.

Ferner wurde der Einfluß der Position der aktiven Schicht 3 untersucht. In Fig. 10a bis 10c sind verschiedene Quer schnittsprofile dargestellt, bei denen die Dicke h_u der unte ren Begrenzungsschicht 29 und die Dicke h_u der oberen Begren zungsschicht 30 so variiert wurden, daß die gesamte Höhe H der Erhebung konstant blieb. Das Ergebnis der Rechnung ist in Fig. 10d dargestellt, in der die Auskoppeleffizienz η in Abhän gigkeit von der Dicke h_u der unteren Begrenzungsschicht 29 aufgetragen ist. Es zeigt sich, daß die Auskoppeleffizienz nur wenig von der Position der aktiven Zone 3 abhängig ist. Eine aktive Zone 3, die in der unteren Hälfte der Erhebung 4 liegt, ist zu bevorzugen, da dann die Stromdichte durch die aktive Zone 3 gering ist und daher die Strombelastung der ak tiven Zone 3 klein gehalten wird, was Alterungs- und Lineari tätsprobleme vermeidet.

Weiter wurde der Einfluß des Anstellwinkel ϕ_o der Flanke 27 und des Anstellwinkels ϕ_o der Flanke 26 untersucht. Dabei wur de von einem Querschnittsprofil ausgegangen, bei dem der unte re Kegelstumpf 22 und der obere Kegelstumpf 23 jeweils den gleichen Wert für die Anstellwinkel ϕ_u und ϕ_o aufweisen. Dabei wurde der Radius ϕ_o der aktiven Zone 3 konstant auf 10 µm ge halten und der Anstellwinkel ϕ = ϕ_o = ϕ_u variiert. Dabei wur den zwei Fälle betrachtet. Zum einen wurde die Auskoppeleffi zienz η für den periodischen Fall berechnet, in dem unendlich viele Erhebungen 4 in einem quadratischen Raster angordnet sind, wobei der Abstand der Fußpunkt 10 µm beträgt. Das Ergeb nis ist im Diagramm in Fig. 11 in der Kurve 35 festgehalten. Außerdem wurde ein aperiodischer Fall untersucht. Dazu wurde die Auskoppeleffizienz η eines Halbleiterchips mit einer ein zelnen Erhebung 4 berechnet, wobei alle in die Verbindungs schicht 5 einlaufenden Phontonen von der Verbindungsschicht 5 absorbiert werden. Der aperiodische Fall wird in Fig. 11 durch die Kurve 36 wiedergegeben. Aus Fig. 11 ist bereits er kennbar, daß die Verbindungsschicht 5 einen spürbaren Beitrag zur Auskoppeleffizienz η liefert.

Für den Flankenwinkel ϕ existiert auch ein optimaler Bereich. Dies wird anhand Fig. 12 deutlich. In der zugrunde liegenden Rechnung wurde der Radius r_p gleich 10 µm gesetzt. Der Radius r_a der aktiven Zone 3 und der Radius r_n der Basisfläche 24 wurden so variiert, daß der Anstellwinkel ϕ der Flanken 27 und 26 einen Wertebereich zwischen 1,5° und 85° abdeckt. Wie aus Fig. 12 erkennbar ist, gibt es einen optimalen Winkelbereich für den Anstellwinkel ϕ. Der Flankenwinkel ϕ sollte zwischen 5° und 60°, vorzugsweise zwischen 10° und 40° liegen. Beson ders gute Werte für die Auskoppeleffizienz η ergeben sich wenn der Anstellwinkel ϕ zwischen 15° und 30° liegt.

Anschließend wurde untersucht, welche Auswirkung eine Variati on der Breite der Erhebungen 4 auf die Auskoppeleffizienz η hat. In diesem Fall wurde daher die Höhe H der Erhebungen 4 konstant gehalten und die Radien r_p, r_a und r_n gleichmäßig ge streckt. Eine Kurve 37 in Fig. 13 veranschaulicht den Fall, daß die Reflektivität R_K der Kontaktstelle 25 gleich 0,3 ist. Eine weitere Kurve 38 betrifft den Fall, daß die Reflektivität R_K der Kontaktstelle 25 0,8 beträgt. Sowohl die Kurve 37 als auch die Kurve 38 zeigen die Abhängigkeit der Auskoppeleffizi enz η vom Durchmesser 2r_a der aktiven Zone 3. Bei guter Re flektivität der Kontaktstelle 25 sinkt die Auskoppeleffizienz η nur wenig mit zunehmendem Durchmesser der aktiven Zone 3. Die Kurve 37, die den realistischen Fall einer schlechten Re flektivität R_K der Kontaktstelle 25 veranschaulicht, zeigt je doch, daß die Auskoppeleffizienz η mit zunehmendem Durchmesser der aktiven Zone 3 stark abnimmt. Die Auskoppeleffizienz η ist daher um so besser, je kleiner die seitliche Ausdehnung der Erhebungen 4 ist.

Auch die Dicke der Verbindungsschicht 5 ist für die Auskoppe leffizienz η von Bedeutung. In Fig. 14 ist die Auskoppeleffi zienz η für verschiedene Fälle in Abhängigkeit von der Dicke h_w der Verbindungsschicht 5 aufgetragen. Eine Kurve 39 gibt den bereits erwähnten periodischen Fall wieder. Eine weitere Kurve 40 betrifft den aperiodischen Fall und eine dritte Kurve 41 einen Fall, in dem quadratische Halbleiterchips mit einer Kantenlänge von 300 µm durch eine Verbindungsschicht unterein ander verbunden sind. Man erkennt aus Fig. 14, daß die Ver bindungsschicht 5 mit wachsender Schichtdicke zunehmend von Vorteil ist. Allerdings geht aus Fig. 14 auch hervor, daß ei ne Vielzahl von einzelnen Halbleiterchips, die jeweils eine Erhebung 4 aufweisen den besten Fall darstellen, da die Aus koppeleffizienz bei der Dicke h_w = 0 am höchsten ist. Einzel chips haben jedoch den Nachteil, daß ihre Leistung nicht be liebig vergrößert werden kann, da mit der Leistung auch die Abmessungen der Halbleiterchips skaliert werden müssen. Aus praktischen Gründen ist jedoch die Dicke von Epitaxieschichten begrenzt. Dies hat zur Folge, daß einzelne Halbleiterchips sich nicht für beliebig hohe Leistungen auslegen lassen. Die in den Fig. 1 bis 4 vorgestellten Halbleiterchips lassen sich jedoch dahezu beliebig skalieren, da nur die Zahl der Erhebun gen 4 entsprechend der zunehmenden Fläche der Verbindungs schicht 5 erhöht werden muß, um die Lichtleistung der Halblei terchips zu steigern.

Eine weitere Untersuchung bezog sich auf die Frage, ob die ak tive Zone 3 nicht auch in der Verbindungsschicht 5 angeordnet sein kann. Dazu wurde die Auskoppeleffizienz für eine herkömm liche Dünnfilm-Lumineszenzdioden berechnet und diese gleich 1 gesetzt. Ein Halbleiterchip mit der aktiver Zone 3 in der Ver bindungsschicht 5 hat im Vergleich zur herkömmlichen Dünnfilm- Lumineszenzdiode eine Auskoppeleffizienz von 1,25. Für die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Halbleiterchips ergab sich schließlich eine relative Auskoppeleffizienz von 1,67. Dies zeigt, daß auch dann eine Steigerung der Auskoppeleffizienz η erreichbar ist, wenn die aktive Zone 3 in der Verbindungs schicht 5 angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

1

Trägerkörper

2

aktive Schicht

3

aktive Zone

4

Erhebungen

5

Verbindungsschicht

6

Leuchtfläche

7

Kontaktstelle

8

Ausnehmungen

9

Isolierschicht

10

Metallisierungsschicht

11

Grundfläche

12

Durchkontaktierung

13

Seitenflächen

14

Kontaktschicht

15

Lichtstrahl

16

Lichtstrahl

17

Mittellinie

18

Lichtstrahl

19

Lichtstrahl

20

Meßkurve

21

Meßkurve

22

Unterer Kegelstumpf

23

Oberer Kegelstumpf

24

Basisfläche

25

Kontaktstelle

26

Flanke

27

Flanke

28

Grenzfläche

29

Untere Begrenzungsschicht

30

Obere Begrenzungsschicht

31

bis

41

Kurve

Claims

1. Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einer aktiven Schicht (2), die eine Photonen emittierende Zone (3) auf weist und die auf einer Befestigungsseite (11) an einem Trägerkörper angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die aktive Schicht (2) von der Befestigungsseite (11) her eine Ausnehmung (8) eingebracht ist, deren Quer schnittsfläche mit zunehmender Tiefe abnimmt.

2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (3) durch die Ausnehmung (8) unterbrochen ist.

3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Vielzahl von Ausnehmungen (8) Erhebungen (4) auf einer Verbindungsschicht (5) der aktiven Schicht (2) gebildet sind.

4. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Trajektorie (18) der von der aktiven Zone (3) emittierten Photonen von der jeweiligen Erhebung (4) zu einer der benachbarten Erhebungen (4) führt.

5. Halbleiterchip nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Erhebungen (4) zum Trägerkörper hin verjüngen.

6. Halbleiterchip nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (4) konkave Seitenflächen (13) aufweisen.

7. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (4) pyramidenstumpfförmig ausgebildet sind.

8. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (3) in einer der Verbindungsschicht (5) benachbarten Hälfte der Erhebungen (4) angeordnet ist.

9. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (5) für die von der aktiven Zone (3) emittierten Photonen transparent ist.

10. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (5) hoch dotiert ist.

11. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (4) mit einer Reflexionsschicht (9, 10) be deckt sind.

12. Halbleiterchip nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht eine mit einer Isolierschicht (9) unterlegte Metallisierungsschicht (10) aufweist.

13. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (2) eine Dicke von weniger als 50 µm aufweist.

14. Halbleiterchip nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (2) eine Dicke von weniger als 30 µm aufweist.