DE10111501A1 - Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit verbesserter Strahlungsausbeute sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. DOLLAR A Das Halbleiterbauelement weist eine Mehrschichtstruktur (2) mit einer aktiven Schicht (3) zur Strahlungserzeugung innerhalb der Mehrschichtstruktur (2) sowie ein Fenster (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche auf. Die Mehrschichtstruktur grenzt an die erste Hauptfläche (5) des Fensters (1). Von der zweiten Hauptfläche (6) her ist in dem Fenster (1) mindestens eine Ausnehmung zur Erhöhung der Strahlungsausbeute gebildet. Die Ausnehmung weist vorzugsweise einen trapezförmigen, sich zur ersten Hauptfläche (5) hin verjüngenden Querschnitt auf und kann beispielsweise durch Einsägen des Fensters hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halblei­ terbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so­ wie ein Herstellungsverfahren hierfür nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.

Strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente der genannten Art weisen in der Regel ein Halbleitermehrschichtsystem mit einer aktiven, der Strahlungserzeugung dienenden Schicht auf, das auf einen Träger aufgebracht ist. Die Strahlungsauskopp­ lung erfolgt durch den Träger hindurch, wobei der Träger für die erzeugte Strahlung transparent ist. Bei dieser Anordnung wird jedoch die Strahlungsausbeute durch Totalreflexion an der Trägeroberfläche stark eingeschränkt. Diese Problematik tritt besonders stark bei Trägern mit hohem Brechungsindex wie beispielsweise SiC-Substraten auf und wird weiter ver­ schärft, wenn der Brechungsindex des Trägers größer ist als der Brechungsindex des Mehrschichtsystems.

Der Einfluß der Totalreflexion auf die Strahlungsauskopplung ist beispielhaft in Fig. 9 anhand eines GaN-basierenden Mehrschichtsystems 20 auf einem quaderförmigen, im Schnitt rechteckigen SiC-Substrat 19 dargestellt. Das SiC-Substrat 19 mit einem Brechungsindex von etwa 2,7 stellt gegenüber dem Mehrschichtsystem 20 mit einem Brechungsindex von etwa 2,5 das optisch dichtere Medium dar. Die gezeigte Halbleiter­ struktur ist von einem Medium mit geringem Brechungsindex, beispielsweise Luft, umgeben.

Die Mehrschichtstruktur 20 weist eine aktive strahlungserzeu­ gende Schicht 21 auf. Es sei aus der aktiven Schicht 21 ein kleines strahlungsemittierendes Volumen 23 herausgegriffen, das näherungsweise als isotroper Punktstrahler beschrieben werden kann. Die folgende Betrachtung trifft auf nahezu alle solchen Teilvolumina 21 der aktiven Schicht zu.

Die von dem Volumen 23 in Richtung des SiC-Substrats 19 emit­ tierte Strahlung 22 trifft zunächst auf die Mehrschichtsy­ stem-Substrat-Grenzfläche auf und wird beim Eintritt in das Substrat zur Grenzflächennormale hin gebrochen.

Eine direkte Auskopplung der Strahlung an der der Grenzfläche gegenüberliegenden Substrathauptfläche 25 ist nur für Strah­ lungsanteile möglich, deren Einfallswinkel kleiner als der Totalreflexionswinkel (jeweils bezogen auf die Normale der Auskoppelfläche 25) ist. Für ein hochbrechendes Substrat ist der Totalreflexionswinkel vergleichsweise klein und beträgt beispielsweise für SiC etwa 22°.

Daher wird lediglich ein geringer Teil 22c der erzeugten Strahlung aus dem Zentrum des Strahlenbündels 22a, b, c direkt ausgekoppelt. Der Rest der erzeugten Strahlung wird totalre­ flektiert.

Der an der Auskoppelfläche 25 totalreflektierte Strahlungsan­ teil 22b trifft nachfolgend unter einem noch flacheren Winkel auf die Substratseitenfläche 26 auf und wird wiederum total­ reflektiert.

Ebenso werden die verbleibenden Strahlungsanteile 22a, die zuerst auf die Seitenflächen 26 des Substrats 19 auftreffen, zunächst an den Seitenflächen 26 und anschließend an der Aus­ koppelfläche 25 totalreflektiert.

Bei der gezeigten rechtwinkligen Anordnung von Seiten- und Hauptflächen geht der Einfallswinkel nach einer Reflexion in sich selbst oder den Komplementärwinkel über, so daß auch nach mehrfachen Reflexionen eine Auskopplung der Strahlungs­ anteile 22a, b an diesen Flächen nicht möglich ist.

Somit wird von der gesamten in Richtung des Substrats 19 emittierten Strahlung 22 nur ein sehr geringer Anteil 22c ausgekoppelt. Der Rest der Strahlung 22a, b läuft unter viel­ facher Totalreflexion im Substrat 19 um, tritt gegebenfalls wieder in die Mehrschichtstruktur 20 ein und wird schließlich im Laufe dieser zyklischen Propagation absorbiert.

Aus DE 198 07 758 A1 ist ein lichtemittierendes Halblei­ terelement bekannt, dessen Halbleiterseitenflächen zur Erhö­ hung der Strahlungsausbeute ganz oder teilweise angeschrägt sind, so daß das Substrat die Form eines Pyramidenstumpfs er­ hält. Aufgrund dieses Anschrägens wird der Einfallswinkel für Teile der erzeugten Strahlung beim Auftreffen auf die Seiten­ flächen unter den Totalreflexionswinkel verringert, so daß diese Strahlungsanteile auskoppelbar sind.

Da die zusätzliche Strahlungsauskopplung nur an den Randbe­ reichen des Bauelements erfolgt, wird insbesondere bei groß­ flächigen Bauelementen mit vergleichsweise dünnen Substraten die Strahlungsausbeute nur geringfügig erhöht. Zudem sind viele Bestückungsanlagen für Halbleiterchips mit einem Sub­ strat in Quader- oder Würfelform ausgelegt. Die Änderung der Substratgrundform kann bei solchen Anlagen zu Funktionsstö­ rungen führen oder kostenaufwendige Umrüstungen erforderlich machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein strahlungs­ emittierendes Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art mit verbesserter Strahlungsausbeute zu schaffen sowie ein Herstellungsverfahren hierfür anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Halblei­ terbauelemente nach Patentanspruch 1 beziehungsweise ein Her­ stellungsverfahren nach Patentanspruch 16 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der An­ sprüche 2 bis 15 und 17 bis 23.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer Mehrschichtstruktur, einer ak­ tiven, der Strahlungserzeugung dienenden Schicht innerhalb der Mehrschichtstruktur, mit der aktiven Schicht elektrisch verbundenen Kontakten und einem für die erzeugte Strahlung durchlässigen Fenster mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche zu bilden, wobei das Fenster mit der ersten Hauptfläche an die Mehrschichtstruktur grenzt und von der zweiten Hauptflä­ che her mindestens eine grabenartige oder grubenartige Aus­ nehmung in dem Fenster zur Erhöhung der Strahlungsausbeute gebildet ist.

Die Ausnehmung ist dabei so ausgeführt, daß Teile der erzeug­ ten Strahlung an ihren Begrenzungsflächen ausgekoppelt oder in einer die Auskopplung aus dem Fenster begünstigenden Art reflektiert werden.

Eine Auskopplung von Strahlungsanteilen wird dadurch er­ reicht, daß die Begrenzungsflächen der Ausnehmung zumindest teilweise so angeordnet sind, daß der Einfallswinkel dieser Strahlungsanteile auf die Begrenzungsflächen möglichst gering und insbesondere kleiner als der Totalreflexionswinkel ist.

Eine die Auskopplung begünstigende Reflexion liegt beispiels­ weise vor, wenn Strahlungsanteile zunächst von den Begren­ zungsflächen der Ausnehmung totalreflektiert werden, wobei die zyklische Propagation innerhalb des Fensters durchbrochen wird, so daß die betreffenden Strahlungsanteile zumindest nach einigen weiteren Reflexionen an einer Begrenzungsfläche des Fensters ausgekoppelt werden können.

Die Unterbrechung einer zyklischen Propagation bewirkt insbe­ sondere bei einem Fenster, dessen Seitenflächen senkrecht zu den Hauptflächen angeordnet sind, eine Erhöhung der Strah­ lungsausbeute. Wie eingangs beschrieben bilden sich bei sol­ chen Anordnungen mit würfel- oder quaderförmigem Fenster zyklisch propagierende Strahlungsbündel sehr leicht aus, so daß der Anteil der nicht auskopplungsfähigen Strahlung dement­ sprechend hoch ist.

Mit Vorteil erfordert die Erhöhung der Strahlungsausbeute mittels einer Ausnehmung in dem Fenster keine Änderungen der einhüllenden Grundform des Fensters, so daß zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente auch Produktions- und Bestüc­ kungsanlagen verwendet werden können, deren Funktion auf be­ stimmte vorgegebene Grundformen des Fensters festgelegt ist. Mit der Erfindung kann insbesondere eine hohe Strahlungsaus­ beute bei bekannten und etablierten Fenstergrundformen wie beispielsweise einer einhüllenden Würfel- oder Quaderform er­ zielt werden.

Zur weiteren Erhöhung der Strahlungsausbeute sind bei der Er­ findung bevorzugt mehrere Ausnehmungen in dem Fenster gebil­ det. Besonders bevorzugt ist im Hinblick auf die gering zu haltende Anzahl von Herstellungsschritten eine Mehrzahl gleichförmiger Ausnehmungen.

Im Gegensatz zu einer randseitigen Strukturierung des Fen­ sters zur Erhöhung der Strahlungsausbeute, beispielsweise durch Anschrägen der Seitenflächen, kann bei der Erfindung eine verbesserte Auskopplung über eine größere Fläche und eine gleichmäßigere Verteilung der ausgekoppelten Strahlung auf dieser Fläche erreicht werden. Dies ist von besonderem Vorteil für großflächige Bauelemente, da bei nach oben ska­ lierter Bauelementfläche das Verhältnis von Umfang zu Fläche sinkt. Daher sind bei großflächigen Bauelementen auf den Um­ fang der Bauelemente beschränkte Mittel zu Erhöhung der Strahlungsausbeute in der Regel weit weniger effizient als in der Fläche aufgebrachte Mittel zu Erhöhung der Strahlungsaus­ beute.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung in dem Fenster mindestens eine ebene Seitenfläche auf, die mit der zweiten Hauptfläche des Fensters einen von 90° verschiedenen Winkel einschließt. Besonders bevorzugt liegt dieser Winkel zwischen 20° und 70°. Eine derartige Aus­ nehmung kann beispielsweise in Form eines Grabens mit zu den Hauptflächen schrägstehenden Seitenwänden realisiert werden, der zum Beispiel durch entsprechendes Einsägen des Fensters hergestellbar ist. Bevorzugt weist ein solcher Graben einen trapezförmigen, sich in Richtung der Mehrschichtstruktur ver­ jüngenden Querschnitt auf.

Zur weiteren Erhöhung der Strahlungsausbeute können auch meh­ rere sich kreuzende oder parallel verlaufende Gräben ausge­ bildet sein. Eine Parallelanordnung bewirkt eine asymmetri­ sche Richtcharakteristik der erzeugten Strahlung, während sich kreuzende Gräben zu einer gleichmäßigen Verteilung der ausgekoppelten Strahlung führen. Je nach Anwendungsgebiet kann eine der beiden Ausführungsformen vorteilhafter sein.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausnehmung ganz oder teilweise von gekrümmten Flächen begrenzt. Die Reflexion an gekrümmten Begrenzungsflächen ei­ ner Ausnehmung schließt mit Vorteil eine zyklische Propaga­ tionen weitgehend aus. Die Ausnehmungen können hierbei insbe­ sondere in Form einer Halbkugel, eines Kugelsegments, eines Ellipsoidsegments, eines Kegels oder eines Kegelstumpfs ge­ bildet sein. Auch ähnliche Formen, die beispielsweise aus den genannten Grundformen durch Verzerrungen wie Streckung, Stau­ chung oder Scherung hervorgehen, sind geeignet.

Solche Formen sind beispielsweise durch Laseroblation oder Ätzen herstellbar. Auch können die obengenannten grabenförmi­ gen Ausnehmungen von gekrümmten Flächen begrenzt und bei­ spielsweise mit einem halbkreisförmigem Querschnitt gebildet sein.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Mehrschichtstruktur epitaktisch hergestellt. Aus dem Epitaxiesubstrat kann später zugleich das Fenster gefertigt wer­ den. Besondere Vorteile besitzt die Erfindung bei hochbre­ chenden Substraten wie beispielsweise SiC mit dementsprechend großen Totalreflexionsbereichen, insbesondere dann, wenn der Brechungsindex des Substrats größer ist als der Brechungsin­ dex der Mehrschichtstruktur.

Wie eingangs beschrieben, tritt dieser Fall vor allem bei GaN-basierenden Mehrschichtstrukturen auf. Dies sind Mehr­ schichtstrukturen, die GaN oder eine davon abgeleitete oder damit verwandte Verbindung enthalten. Hierzu zählen insbeson­ dere GaN selbst, darauf basierende Mischkristallsysteme wie AlGaN (Al_1-xGa_xN, 0 ≦ x ≦ 1), InGaN (In_1-xGa_xN, 0 ≦ x ≦ 1) und AlInGaN (Al_1-x-yIn_xGa_yN, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) sowie AlN, InN und InAlN (In_1-xAl_xN, 0 ≦ x ≦ 1).

Üblicherweise werden solche Mehrschichtstrukturen auf einem SiC- oder Saphirsubstrat epitaktisch aufgewachsen, das zumin­ dest teilweise für die erzeugte Strahlung, vornehmlich im blauen und grünen Spektralbereich, transparent ist. Bei bei­ den Substraten kann mit der Erfindung die Strahlungsausbeute durch Minderung der Totalreflexionsverluste erhöht werden, wobei die Erfindung für SiC-Substrate aufgrund der eingangs beschriebenen, durch den hohen Brechungsindex entstehenden Problematik von besonderem Vorteil ist.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf GaN-basierende Systeme be­ schränkt, sondern kann ebenso bei anderen Halbleitersystemen wie beispielsweise bei GaAs-, GaP- oder ZnSe-basierenden Ma­ terialien angewandt werden. Auch hier verbleibt ein erhebli­ cher Teil der erzeugten Strahlung aufgrund von Totalreflexion in der Mehrschichtstruktur-Fenster-Anordnung und wird schließlich absorbiert.

Ebenso ist die Erfindung auch für andere als die bisher ge­ nannten Fenstermaterialien, beispielsweise Quarzglas, Dia­ mant, ITO (indium tin oxide) oder auf ZnO, SnO, InO oder GaP basierende Materialien vorteilhaft, da in der Regel bei all diesen Fenstern bei der Auskopplung ein Übergang in ein op­ tisch dünneres Medium vorliegt, bei dem Totalreflexion auf­ treten kann und der Auskoppelgrad dementsprechend reduziert ist.

Weiterhin ist die Erfindung auch für vergossene oder ander­ weitig mit einer Umhüllung versehene Halbleiterkörper bezie­ hungsweise Fenster vorteilhaft, da die Umhüllung in der Regel den niedrigeren Brechungsindex aufweist, so daß auch in die­ sem Fall die Strahlungsausbeute durch Totalreflexion vermin­ dert wird.

Ein Fenster aus den genannten Materialien kann nach der Her­ stellung der Mehrschichtstruktur auf die Mehrschichtstruktur aufgebracht sein. Bei der epitaktischen Herstellung ist dies beispielsweise dadurch möglich, daß nach der Epitaxie das Epitaxiesubstrat abgelöst und das Fenster an dessen Stelle mittels eines Waferbondingverfahrens mit der Mehrschicht­ struktur verbunden wird. Alternativ kann das Fenster auch auf die epitaktisch hergestellte Halbleiteroberfläche aufgebracht und danach das Epitaxiesubstrat abgelöst werden. Diese Vorge­ hensweise besitzt den Vorteil, daß das Epitaxiesubstrat wei­ ter verwendet werden kann, was insbesondere bei teuren Mate­ rialien wie beispielsweise SiC-Substraten zu einem deutlichen Kostenvorteil führt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines strah­ lungsemittierenden Halbleiterbauelements der genannten Art beginnt mit der Bereitstellung einer Fensterschicht, bei­ spielsweise in Form eines geeigneten Substrats oder Wafers, mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche.

Auf die erste Hauptfläche wird im nächsten Schritt eine Halb­ leiterschichtenfolge aufgebracht, die der zu bildenen Mehrschichtstruktur entspricht. Vorzugsweise erfolgt die Aufbrin­ gung epitaktisch oder mittels eines Waferbonding-Verfahrens.

Danach wird die Fensterschicht von der zweiten Hauptfläche her mit einem Sägeblatt mit Formrand eingesägt und damit eine grabenförmige Ausnehmung in dem Substrat gebildet. Die Schnittiefe ist hierbei geringer als die Dicke der Fenster­ schicht.

Abschließend werden die Bauelemente fertiggestellt. Dies um­ faßt beispielsweise Kontaktierung und Vereinzelung der Halb­ leiterschichtenfolge. Bei der Vereinzelung wird der Verbund von Fensterschicht und Halbleiterschichtenfolge in eine Mehr­ zahl von Fenstern mit jeweils darauf angeordneter Mehr­ schichtstruktur zerteilt.

Alternativ können die Ausnehmungen auch unter Verwendung ei­ ner geeigneten Maskentechnik geätzt oder mittels Laserabla­ tion hergestellt werden. Diese Alternative ermöglicht die Ausbildung von räumlich isolierten Ausnehmungen, also von Ausnehmungen, die sich nicht über die gesamte Fläche der Fen­ sterschicht oder größere Teilbereiche hiervon erstrecken.

Isolierte Ausnehmungen können beispielsweise wie oben be­ schrieben in Gestalt eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Halbkugel, eines Kugelkugelsegment, eines Ellipsoidsegments oder einer ähnlichen Form gebildet sein.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von acht Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 8 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a und 1b eine schematische, perspektivische Teil­ schnittdarstellung und eine schematische Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halblei­ terbauelements,

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Dar­ stellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Halbleiterbauelements,

Fig. 3a und 3b eine schematische, perspektivische Dar­ stellung und eine Schnittdarstellung eines dritten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

Fig. 4 eine schematische, perspektivische Dar­ stellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Halbleiterbauelements,

Fig. 5 eine schematische, perspektivische Dar­ stellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Halbleiterbauelements,

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung ei­ nes sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung ei­ nes siebten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung ei­ nes achten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halb­ leiterbauelements und

Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung ei­ nes Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik.

Das in Fig. 1a dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein Fenster 1 mit einer ersten Hauptfläche 5 und einer zweiten Hauptfläche 6 auf, wobei auf die ersten Hauptfläche 5 eine Mehrschichtstruktur 2 aufgebracht ist.

Die Mehrschichtstruktur 2 besteht aus einer Mehrzahl von Halbleiterschichten des Systems GaN/AlGaN. Diese Mehrschicht­ struktur 2 enthält eine aktive Schicht 3, die im Betrieb Strahlung 18 erzeugt (beispielhaft dargestellt anhand der Strahlen 18a, b, c).

Das Fenster 1 ist aus einem zur epitaktischen Herstellung der Mehrschichtstruktur 2 verwendeten SiC-Epitaxiesubstrat gefer­ tigt und weist eine grabenförmigen Ausnehmung 4 mit tra­ pezförmigem Querschnitt auf, die bereits in dem Epitaxiesub­ strat, vorzugsweise nach der Epitaxie, gebildet wurde.

Abgesehen von dieser Ausnehmung 4 besitzt das Fenster 1 eine quaderförmige einhüllende Grundform. Wie eingangs beschrieben ist bei einer solchen Vorrichtung mit einem Substrat, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der Mehr­ schichtstruktur, die Auskopplung der erzeugten Strahlung durch die Fensterflanken 8 aufgrund von Totalreflexion sehr begrenzt.

Durch das Anschrägen der Seitenflächen 7a, b der grabenförmi­ gen Ausnehmung 4 wird der Einfallswinkel für einen Teil 18b, c der von der Flanke 8 des Fensters reflektierten Strahlung so weit erniedrigt, daß er kleiner ist als der Totalreflexions­ winkel und somit die Strahlung aus dem Fenster austreten kann.

Strahlungsanteile 18a, die trotz der Schrägstellung der ent­ sprechenden Seitenwand 7a so flach einfallen, daß sie an der Seitenwand 7a totalreflektiert werden, werden zwischen der Fensterflanke 8 und der Seitenfläche der Ausnehmung 7a hin- und herreflektiert, wobei der Einfallswinkel nach jeder Re­ flexion geringer wird, bis schließlich eine Auskopplung möglich ist. Dies ist zur Verdeutlichung in der Detailschnittan­ sicht in Fig. 1b erläutert.

Der Winkel a bezeichnet den Winkel zwischen der Seitenfläche der Ausnehmung 7a und der Flanke des Fensters 8. Ein Strahl 18a, der mit einem Einfallswinkel θ₁ (θ₁ < θ_c, θ_c: Totalrefle­ xionswinkel) auf die Ausnehmungsseitenfläche 7a trifft, wird unter Totalreflexion auf die Flanke 8 zurückgeworfen. Der Einfallswinkel θ₂ auf die Fensterflanke 8 ist gegenüber dem Einfallswinkel θ₁ bei der vorigen Reflexion um den Betrag α reduziert:

θ₂ = θ₁ - α.

Falls, wie dargestellt, θ₂ größer als der Totalreflexionswin­ kel θ_c ist, wird der Strahl 18a erneut auf die Seitenfläche 7a rückreflektiert und trifft dort mit dem Einfallswinkel

θ₃ = θ₂ - α = θ₁ - 2α

auf. Es wird also bei jeder Reflexion der Einfallswinkel um den Betrag a reduziert, bis eine Auskopplung stattfinden kann.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorigen Beispiel darin, daß zwei sich unter ei­ nem rechten Winkel kreuzende Ausnehmungen 4a, b in dem Fenster 1 gebildet sind, wobei jede Ausnehmung in Form eines Grabens mit trapezförmigem Querschnitt ausgeführt ist. Damit wird die Gesamtauskoppelfläche und somit auch die Strahlungsausbeute vorteilhaft weiter erhöht.

Die beschriebenen Ausnehmungen werden vorzugsweise nach der epitaktischen Herstellung der Mehrschichtstruktur 2 durch Einsägen des Epitaxiesubstrats auf der der Mehrschichtstruk­ tur abgewandten Seite mit einem Sägeblatt mit Formrand herge­ stellt. Der Formrand weist dabei im Querschnitt (Schnitt quer zur Sägerichtung) die dem gewünschten Grabenquerschnitt ent­ sprechende Komplementärform auf.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel wird entsprechend durch zwei sich kreuzende Sägeschnitte hergestellt. Die Säge­ tiefe ist dabei kleiner als die Fensterdicke, um die Mehr­ schichtstruktur 2 nicht zu beschädigen.

Das in Fig. 3a perspektivisch dargestelle Ausführungsbei­ spiel unterscheidet sich von den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen darin, daß in dem Fenster eine räumlich isolierte, umlaufend begrenzte Ausnehmung 4 in Form einer Halbkugel ausgebildet ist. Solche umlaufend begrenzten Aus­ nehmungen werden im Gegensatz zu grabenförmigen Ausnehmungen vorzugsweise in das Fenster 1 eingeätzt. Fig. 3b zeigt einen mittigen, zur Mehrschichtfolge 2 senkrechten Schnitt durch das Ausführungsbeispiel.

Die Herstellung von Ausnehmungen durch Ätzen ist insbesondere geeignet für die Ausbildung einer Vielzahl von Ausnehmungen in einem Fenster 1, wie sie beispielsweise in Fig. 4 darge­ stellt sind. Bei Verwendung einer geeigneten, auf bekannten Technologien beruhenden Maskentechnik können dabei alle Aus­ nehmungen in einem einzigen Herstellungsschritt kostengünstig erzeugt werden. Die so gebildeten Bauelemente zeichnen sich durch eine hohen Strahlungsausbeute und eine besonders gleichmäßige Strahlungsverteilung auf der Auskoppelfläche aus.

Die Kontaktierung erfolgt bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel über metallisierte Kontaktbänder 9a, b, die zwischen den Ausnehmungen verlaufen und jeweils in einem Drahtanschlußbereich 11a, b erden. Als Gegenkontakt ist eine Kontaktfläche 10 auf die von dem Fenster 1 abwandte Seite der Mehrschichtstruktur 2 aufgebracht. Diese Kontaktfläche 10 kann beispielsweise als reflektierende Fläche gebildet sein. Dadurch werden auf die Kontaktfläche auftreffende Strahlungsanteile wieder in Richtung der Auskoppelfläche 6 zurückre­ flektiert. Für eine möglichst gleichförmige Stromeinleitung in die Mehrschichtstruktur ist eine vollflächig ausgebildete Kontaktfläche vorteilhaft.

In Fig. 5 ist ebenfalls ein Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 4 in einem Fenster 1 gezeigt, die im Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbeispiel als zuein­ ander parallele Gräben angeordnet sind. Die Form der einzel­ nen Ausnehmungen entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Eine solche Struktur kann leicht durch mehrfaches pa­ ralleles Einsägen mit einem Formrandsägeblatt hergestellt werden. Diese Formgebung eignet sich insbesondere für groß­ flächige Halbleiterbauelemente.

Die Kontaktierung des Bauelements erfolgt wiederum über zwei metallisierte Streifen 9a, b, die randnah auf die Hauptfläche 6 und die Ausnehmungen 4 aufgebracht sind und jeweils in ei­ nem Drahtanschlußbereich 11a, b enden. Der entsprechende Ge­ genkontakt ist als rückseitige Kontaktschicht 10 auf der Mehrschichtstruktur 2 ausgebildet.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Fensterflanken teilweise angeschrägt. Die Fensterflanken weisen hierbei seitens der ersten Fensterhauptfläche 5 einen ersten, zur Hauptfläche 5 orthogonalen Teilbereich 8a auf. Dieser erste Teilbereich 8a geht in Richtung der zweiten Hauptfläche 6 in einen zweiten, schräg zu den Hauptflächen 5 und 6 angeordneten Teilbereich 8b über. Ferner ist wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Fen­ ster 1 ein Ausnehmung 4 mit schrägstehenden Seitenflächen 7 gebildet.

Durch diese Formgebung wie vorteilhafterweise die Strahlungs­ ausbeute weiter erhöht, da die angeschrägten Bereiche 8b der Fensterflanken in ähnlicher Weise wie die schägstehenden Seitenflächen 7 der Ausnehmung 4 den Anteil der totalreflektier­ ten Strahlung vermindern. Im ersten Teilbereich 8a der Fen­ sterflanken weist das Fenster zudem eine quaderförmige Grund­ form auf, die, wie beschrieben, die Montage des Halbleiter­ bauelements erleichtert und insbesondere für automatische Be­ stückungsanlagen vorteilhaft ist. Selbstverständlich kann auch auf die quaderförmige Grundform ganz verzichtet werden, um eine noch höhere Strahlungsausbeute zu erreichen.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines optischen Bau­ elements gezeigt, das ein erfindungsgemäßes strahlungsemit­ tierendes Halbleiterbauelement enthält. Das Halbleiterbauele­ ment entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und ist auf einen metallischen Kühlkörper 12, beispielsweise einen Kupferblock, aufgebracht. Der Kühlkörper ist elektrisch lei­ tend mit der rückseitig auf der Mehrschichtstruktur 2 ausge­ bildeten Kontaktschicht 10 verbunden und dient sowohl der Wärmeabfuhr als auch der Kontaktierung. Das Halbleiterbauele­ ment kann dabei auf den Kühlkörper 12 mittels eines elek­ trisch leitenden Klebstoffs aufgeklebt oder aufgelötet sein.

Abstrahlungsseitig ist das Halbleiterbauelement mit einem Verguß 13 abgedeckt. Dieser Verguß besteht aus einem Reakti­ onsharz, vorzugsweise einem Epoxid-, Acryl- oder Silikonharz, der unter anderem dem Schutz des Halbleiterbauelements vor schädlichen Umgebungseinflüssen dient.

Zusätzlich kann der Verguß auch als Träger oder Matrix für ein Strahlungskonversionselement dienen. So kann beispiels­ weise durch Suspension eines geeigneten Farbstoffs in die Vergußmasse ein Bauelement geschaffen werden, das mischfarbi­ ges Licht, bestehend aus dem Licht des Halbleiterbauelements und dem von dem Farbstoff umgewandelten Licht, abstrahlt. Bei Verwendung eines im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterbauelements und einem Farbstoff, der bei Anregung in diesem Spektralbereich im gelb-orangen Spektralbereich luminesziert, wird so eine Weißlichtquelle auf Halbleiterbasis geschaffen.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines opti­ schen Bauelements gezeigt. Hier sind zwei, dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 5 entsprechende Halbleiterbauelemente auf einen gewinkelten Kühlkörper 12 aufgebracht. Auf einen Verguß wurde verzichtet, da bereits durch die Formgebung der Fensterschicht die Auskopplung gegenüber Bauelementen nach dem Stand der Technik erhöht ist. Damit entfallen auch die mit einem Verguß verbunden Risiken für das Bauelement wie beispielsweise die Gefahr einer Delamination des Vergusses vom Halbleiterkörper oder eine mögliche Alterung und Vergil­ bung des Vergusses.

Alternativ ist natürlich eine Abdeckung des Halbleiterbauele­ ments mittels eines Vergusses möglich, falls dieser, bei­ spielsweise zum Schutz des Halbleiterkörpers, zur Ausbildung eines optischen Elements wie etwa einer Linse, zur weiteren Erhöhung der Strahlungsausbeute oder als Matrix für Leucht­ stoffe, erwünscht ist.

Die gezeigte Formgebung der Fensterschicht und insbesondere die Ausbildung von Ausnehmungen in Form mehrerer paralleler Gräben bewirkt eine gerichtete Abstrahlung der erzeugten Strahlung. Unter Berücksichtigung dieser gerichteten Ab­ strahlcharakteristik lassen sich Module mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelement realisieren, die eine komplexere Ab­ strahlcharaktierisik aufweisen. Solche komplexere Abstrahl­ charaktistiken erfordern in der Regel zusätzliche, aufwendige Optiken. Auf diese kann bei der Erfindung ebenso wie auf ei­ nen Reflektor vorteilhafterweise verzichtet werden, so daß derartige Module besonders platzsparend angeordnet werden können.

Die Erläuterung der Erfindung anhand der dargestellten Aus­ führungsbeispiele stellt selbstverständlich keine Einschrän­ kung der Erfindung auf diese dar.

Claims (23)

1. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer Mehrschichtstruktur (2), einer aktiven, der Strahlungserzeu­ gung dienenden Schicht (3) innerhalb der Mehrschichtstruktur (2), elektrischen Kontakten (9a, b, 10), die mit der aktiven Schicht (3) elektrisch leitend verbunden sind und einem strahlungsdurchlässigen Fenster (1) mit einer ersten Hauptfläche (5) und einer der ersten Hauptfläche (5) gegen­ überliegenden zweiten Hauptfläche (6), das mit der ersten Hauptfläche (5) an die Mehrschichtstruktur (3) grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fenster (1) von der zweiten Hauptfläche (6) her minde­ stens eine grabenartige oder grubenartige Ausnehmung (4) ge­ bildet ist, die die Strahlungsauskopplung aus dem Fenster (1) erhöht.

2. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) Seitenflächen (8) aufweist, die senkrecht zu den Hauptflächen (5, 6) angeordnet sind oder zu den Hauptflä­ chen (5, 6) orthogonale Teilbereiche aufweisen.

3. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) eine quader- oder würfelartige einhüllende Grundform aufweist.

4. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) mindestens eine ebene Seitenfläche (7a, b) aufweist, die mit der zweiten Hauptfläche (6) einen von 90° verschiedenen Winkel, vorzugsweise zwischen 20° und 70°, ein­ schließt.

5. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) eine Bodenfläche aufweist, die vorzugs­ weise parallel zur zweiten Hauptfläche (6) ist.

6. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) in Form eines Grabens mit einem dreiecki­ gen oder trapezförmigen Querschnitt gebildet ist, der sich zur ersten Hauptfläche (5) hin verjüngt.

7. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von grabenförmigen Ausnehmungen (4) in dem Fen­ ster (1) ausgebildet ist.

8. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) von mindestens einer gekrümmten Fläche be­ grenzt wird.

9. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) im wesentlichen die Form einer Halbkugel, eines Kugelsegments, eines Ellipsoidsegments, eines Kegels oder eines Kegelstumpfs aufweist.

10. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Fensters (1) größer ist als der Bre­ chungsindex der Mehrschichtstruktur (3).

11. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) Saphir, Quarzglas, Diamant, ITO, SnO, ZnO, InO, SiC oder GaP enthält.

12. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur auf GaN basiert und insbesondere min­ destens eine der Verbindungen GaN, Al_1-xGa_xN (0 ≦ x ≦ 1), In_1-xGa_xN (0 ≦ x ≦ 1) oder Al_1-x-yIn_xGa_yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) enthält.

13. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur (3) epitaktisch hergestellt ist.

14. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An­ spruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtstruktur (3) auf einem Epitaxiesubstrat aufge­ schieden wird und das Fenster (1) aus dem Epitaxisubstrat ge­ fertigt ist.

15. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (1) mit der Mehrschichtstruktur (3) mittels eines Waferbondingverfahrens verbunden ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Schritte

• - Bereitstellen einer Fensterschicht mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüber­ liegenden zweiten Hauptfläche,
• - Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge auf die erste Hauptfläche der Fensterschicht,
• - Ausbilden mindestens einer Ausnehmung in der Fenster­ schicht von der zweiten Hauptfläche her,
• - Fertigstellen des Halbleiterbauelements.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf der Fenster­ schicht abgeschieden wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtenfolge mittels eines Waferbonding-Ver­ fahrens auf die Fensterschicht aufgebracht wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung durch Einsägen der Fensterschicht auf der zweiten Hauptfläche gebildet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptfläche mit einem Sägeblatt mit Formrand ein­ gesägt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Sägeblatt im Sägebereich einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung in die zweite Hauptfläche eingeätzt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung durch ein Laserablationsverfahren hergestellt wird.