DE102008005332A1

DE102008005332A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer dielektrischen Schichtstruktur

Info

Publication number: DE102008005332A1
Application number: DE102008005332A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Höppel; Matthias Dr. Sabathil; Karl Dr. Engl; Johannes Dr. Baur; Andreas Dr. Weimar
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-06-04
Also published as: TW200933934A; WO2009068015A1

Abstract

Es wird ein Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) angegeben, die eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehene aktive Schicht (11) aufweist. An die Halbleiterschichtenfolge schließt sich eine Spiegelstruktur (2) an, die eine dielektrische Schichtstruktur (21) umfasst. Diese Spiegelstruktur reflektiert mindestens 96% des unter einem beliebigen Winkelbereich auf sie treffenden, in der aktiven Zone (11) erzeugten Lichtes. Die Schichten (211, 212) der dielektrischen Schichtstruktur (21) können beispielweise ein low-index Material oder einen 3-D-photonischen Kristall enthalten. Neben der dielektrischen Schichtstruktur (21) kann die Spiegelstruktur (2) zusätzlich einen metallischen Spiegel (22) umfassen.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip mit einer Spiegelstruktur angegeben, die eine dielektrische Schichtstruktur umfasst.
In der Veröffentlichung J.-Q. Xi, M. Ojha, J. L. Plawsky, W. N. Gill, J. K. Kim und E. F. Schubert, Appl. Phys. Lett. 87, 031111 (2005) wird eine Spiegelstruktur für elektromagnetische Strahlung beschrieben, die eine hohe Reflektivität aufweist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, die Auskoppeleffizienz eines optoelektronischen Halbleiterchips zu steigern.
Es wird ein Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge angegeben, die eine aktive Schicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aufweist. Der Halbleiterchip umfasst zudem eine Spiegelstruktur, die eine dielektrische Schichtstruktur beinhaltet.
In der aktiven Schicht des optoelektronischen Halbleiterchips wird Licht erzeugt, das den Halbleiterchip über eine Auskoppelstruktur verlassen kann. Ein Teil des Lichtes wird jedoch im Halbleiterchip absorbiert. Die Auskoppeleffizienz des Halbleiterchips gibt an, welcher Prozentsatz des in der aktiven Zone erzeugten Lichtes den Halbleiterchip über die Auskoppelstruktur verlässt.
Um die Absorption des Lichtes im Halbleiterchip möglichst gering zu halten, wird eine Spiegelstruktur eingesetzt, die das auftreffende Licht in die Halbleiterschichtenfolge zurückreflektiert. Die Spiegelstruktur sollte so gestaltet werden, dass sie einen möglichst großen Anteil des Lichtes reflektiert.
Dazu umfasst die Spiegelstruktur des angegebenen Halbleiterchips eine dielektrische Schichtstruktur, die eine oder mehrere dielektrische Schichten enthält. Das Reflexionsvermögen dieser Spiegelstruktur beruht auf dem Verlauf der Brechungsindizes in der Halbleiterschichtenfolge und in der dielektrischen Schichtstruktur.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spiegelstruktur derart ausgestaltet, dass sie mindestens 96% des auf sie treffenden, in der aktiven Zone erzeugten Lichtes reflektiert. Diese Untergrenze für das Reflexionsvermögen gilt dabei vorzugsweise auch separat für jeden Einfallswinkelbereich, unter dem das Licht auf die Spiegelstruktur trifft.
In einer Ausführungsform erzeugt der Halbleiterchip in der aktiven Zone Licht einer Farbe von blau bis grün. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 550 nm. Beispielsweise sind die Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von Galliumnitrid und die aktive Zone auf der Basis von Indiumgalliumnitrid gebildet.
In einer Ausgestaltungsform ist der Halbleiterchip ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip. Die Halbleiterschichtenfolge wird vorzugsweise epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen, welches nach dem Aufwachsvorgang teilweise oder vollständig entfernt wird. Hier ist es vorteilhaft, die Halbleiterschichtenfolge mit einem weiteren Träger zu verbinden. Die dielektrische Schichtstruktur kann zwischen dem Träger und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein.
In einer Ausführungsform umfasst die dielektrische Schichtstruktur wenigstens eine dielektrische Schicht, die ein so genanntes low-index Material mit einem Brechungsindex n < 1,38 enthält. Liegt der Brechungsindex des low-index Materials bei n < 1,25 wird es auch als ultra low-index Material bezeichnet.
Im Folgenden wird die dielektrische Schicht, die ein low-index Material enthält, abgekürzt als low-index Schicht bezeichnet.
Das Reflexionsvermögen der low-index Schicht basiert auf einem Sprung im Brechungsindex zwischen zwei angrenzenden Schichten. Dabei ist der Brechungsindex der ersten Schicht, aus der das Licht kommt, größer als der Brechungsindex der angrenzenden Schicht. Trifft das Licht unter einem Einfallswinkel auf die Grenzfläche der Schichten, der größer ist als ein so genannter kritischer Winkel, so wird es idealerweise verlustfrei totalreflektiert.
Die so genannte effektive Reflektivität des Spiegels, die durch eine Integration der Reflektivität über alle Raumwinkel bestimmt werden kann, wird durch einen möglichst großen Sprung im Brechungsindex maximiert. Dies beruht darauf, dass der kritische Winkel desto kleiner ist, je größer der Sprung im Brechungsindex zwischen den benachbarten Schichten ist. In Folge dessen wird ein größerer Anteil des Lichtes verlustfrei totalreflektiert.
In einer Ausführungsform trifft das Licht direkt von der Halbleiterschichtenfolge auf die low-index Schicht. Basiert die Halbleiterschichtenfolge auf Galliumnitrid mit einem Brechungsindex von n = 2,33, so muss die low-index Schicht diesen schon recht niedrigen Wert möglichst stark unterschreiten.
Low-index und ultra low-index Materialien lassen sich erzeugen, indem man in ein Volumenmaterial mittels spezieller Depositionsverfahren Poren einbringt. Die Poren haben bevorzugt Ausdehnungen im Nanometerbereich und sind mit einem Gas, beispielsweise Luft, gefüllt. Das Volumenmaterial hat einen Brechungsindex, der größer ist, als der Brechungsindex des Gases, der im Fall von Luft bei n ≈ 1 liegt. Durch die Poren wird der effektive Brechungsindex der dielektrischen Schicht unter den Brechungsindex des Volumenmaterials abgesenkt.
In einer Ausführungsform basiert die low-index Schicht auf einem low-k oder ultra low-k Material, wie beispielsweise einem Siliziumoxid.
Die Dielektrizitätskonstante k von Siliziumdioxid liegt bei k = 3,9. Materialien, deren Dielektrizitätskonstanten diesen Wert unterschreiten, werden als low-k Materialien bezeichnet. Bei einer Dielektrizitätskonstante von k < 2,7 spricht man auch von einem ultra low-k Material. Durch die Absenkung der Dielektrizitätskonstante k lässt sich auch ein Brechungsindex n im low-index oder ultra low-index Bereich einstellen.
Ein low-k oder ultra low-k Dielektrikum absorbiert bei einer Dicke im Bereich von bis zu einigen 100 nm nur sehr wenig Licht. Der Imaginärteil κ des Brechungsindex ist ein Maß für das Absorptionsvermögen eines Materials. Abhängig vom Anteil weiterer organischer Bestandteile liegt der Imaginärteil κ für Wellenlängen bis zu unter 300 nm bei einem Wert von κ ≤ 0,0001. Die Absorption des Lichtes ist hier ellipsometrisch nicht mehr nachweisbar.
Der Brechungsindex von Siliziumdioxid beispielsweise liegt bei n = 1,46. Gibt man diesem Material noch weitere Zusätze hinzu, so kann man so genannte sein-on Gläser mit Brechungsindizes bis zu einer unteren Grenze von n = 1,38 erzeugen. Geeignete Zusätze sind beispielsweise Fluor, Chlor oder C-H. Diese Stoffe belegen Bindungsstellen am Silizium und verhindern damit die Ausbildung eines voll kristallinen Netzwerks aus Siliziumdioxid.
Durch das Einbringen von Poren lässt sich ein Brechungsindex von n < 1,38 erzeugen. Dazu können beispielsweise in ein Volumenmaterial aus Siliziumdioxid die oben genannten Zusätze eingebracht und anschließend durch Erhitzung wieder ausgetrieben werden. Der Brechungsindex kann durch derartiges Einbringen von Poren nicht beliebig weit abgesenkt werden, da bei zunehmender Porösität die mechanische Stabilität der Schicht beeinträchtigt sein kann und keine homogene Verteilung der Poren hergestellt werden kann. Für das Volumenmaterial Siliziumdioxid lässt sich der Brechungsindex auf diese Weise bis zu einem Wert von ca. n = 1,14 absenken.
Die Poren des low-k oder ultra low-k Materials besitzen bevorzugt Ausdehnungen von weniger als 8 nm und besonders bevorzugt von weniger als 3 nm.
Im Prinzip ist der Brechungsindex der low-index Schicht desto kleiner, je größer der Volumenanteil des darin enthaltenen Gases ist. Allerdings sollte die dielektrische Schicht eine möglichst glatte Oberfläche aufweisen, um eine gute Verbindung mit angrenzenden Schichten herstellen zu können. Aus diesem Grund sollten die Poren nicht zu groß sein. Kleinere Poren erhöhen zudem die mechanische Stabilität der dielektrischen Spiegelstruktur.
In weiteren Ausführungsformen basiert die low-index Schicht auf Luft oder auf Stickstoff. Die Halbleiterschichtenfolge ist dabei durch ein Raster aus Kontakten mit weiteren Schichten der Spiegelstruktur oder dem Träger verbunden.
Zur Herstellung einer derartigen Schicht kann beispielsweise ein dielektrisches oder auch anders geartetes Volumenmaterial nachträglich aus einer Schicht herausgelöst werden.
Das Raster aus Kontakten ermöglicht zum einen die elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Zum anderen verbindet es die Halbleiterschichtenfolge mit dem Träger mechanisch und kann auch eine thermische Anbindung dieser Bauelemente bewerkstelligen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Raster derart ausgestaltet, dass an der dielektrischen Spiegelstruktur mindestens 96% des auftreffenden Lichtes reflektiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt das low-index Material einen Brechungsindex n < 1.
Derartige Materialien werden häufig als Metamaterialien bezeichnet und können periodische Strukturen, wie z. B. 2D photonische Kristalle, enthalten. Die besonderen optischen Eigenschaften dieser Materialien beruhen auf einer plasmonischen Kopplung zwischen leitenden Materialbestandteilen, die durch Dielektrika in der Größenordnung der Wellenlänge voneinander getrennt sind. Entstehende Wechselwirkungseffekte zwischen der elektromagnetischen Welle und der periodischen Struktur führen zu Änderungen der Dispersionsrelation, und zu einem Brechungsindex n < 1. Für bestimmte Frequenzbereiche können derartige Materialien auch einen Brechungsindex n < 0 aufweisen und werden dann auch als negative-index Materialien bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die dielektrische Schichtstruktur wenigstens eine Schicht, die einen 3D photonischen Kristall enthält. Dieser 3D photonische Kristall weist eine Brechungsindexmodulation in drei verschiedenen Raumrichtungen auf.
Mittels eines 3D photonischen Kristalls kann eine Totalreflexion des Lichts erreicht werden, die unabhängig vom Einfallswinkel ist. Die Perioden des 3D photonischen Kristalls liegen dabei bei zirka einem Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes. Um eine volle photonische Bandlücke zu erhalten, wird ein Grundmaterial mit einem Brechungsindex n > 2,6 verwendet. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Silizium mit einem Brechungsindex von n = 3,5.
In einer weiteren Ausführungsform weist die dielektrische Schichtstruktur mindestens einen Bragg-Spiegel auf.
Ein Bragg-Spiegel setzt sich aus einer Abfolge von dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammen. Beispielweise kann ein Bragg-Spiegel aus Schichtpaaren aufgebaut sein, deren Schichten beispielsweise Siliziumdioxid, Tantaldioxid oder Titandioxid enthalten.
Für eine bestimmte Wellenlänge des einfallenden Lichtes werden die Schichten hinsichtlich ihrer Brechungsindizes und ihrer Dicken so gewählt, dass für dieses Licht möglichst positive Interferenz auftritt, wenn es an den Grenzflächen reflektiert wird und möglichst negative Interferenz, wenn es transmittiert wird. Das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels ist bei einem kleinen Einfallswinkel besonders gut. Die gesamte Reflektivität des Bragg-Spiegels nimmt mit der Anzahl der Schichten zu.
Für Licht im grünen Wellenlängenbereich besitzt ein Schichtpaar aus einer Schicht aus Siliziumdioxid und einer zweiten Schicht aus Tantaldioxid beispielsweise eine Dicke von zirka 100 nm. Die Dicken der einzelnen Schichten werden auf die zentrale Wellenlänge des einfallenden Lichtes abgestimmt. Das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels für einen spektralen Bereich kann durch den Unterschied in den Brechungsindizes der Schichten, sowie durch die Zahl der Schichtpaare eingestellt werden. Beispielsweise besteht ein Bragg-Spiegel aus 5 oder mehr Schichtpaaren.
Besonders vorteilhaft ist es, den Bragg-Spiegel in Kombination mit einer low-index Schicht einzusetzen. Vorzugsweise befindet sich dabei die low-index Schicht zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Bragg-Spiegel.
Dabei wird Licht, das von der Halbleiterschichtenfolge kommend auf die low-index Schicht trifft, bei einem Einfallswinkel, der größer als der kritische Winkel ist, zum Großteil an der Grenzfläche zur low-index Schicht reflektiert. Licht mit einem Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel wird nur zu einem geringen Teil reflektiert und dringt teilweise in die dielektrische Schicht ein. Diese weist für das erzeugte Licht eine geringe Absorption auf und ist transparent. Das an der Grenzfläche transmittierte Licht kann deshalb die low-index Schicht durchqueren, auf den Bragg-Spiegel treffen und von diesem reflektiert werden.
Die low-index Schicht und der Bragg-Spiegel ergänzen sich gegenseitig, da sie in zwei unterschiedlichen Einfallswinkelbereichen Licht optimal reflektieren. Die low-index Schicht reflektiert Licht umso besser, je größer der Einfallswinkel ist. Durch die einfallswinkelabhängige Reflexion an der low-index Schicht weist das transmittierte Licht beim Auftreffen auf den Bragg-Spiegel statt seiner ursprünglich isotropen Winkelverteilung eine lambertsche Winkelverteilung auf. Für diese Winkelverteilung besitzt der Bragg-Spiegel ein hohes Reflexionsvermögen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spiegelstruktur neben der dielektrischen Schichtstruktur zusätzlich eine metallische Spiegelschicht. Diese metallische Spiegelschicht schließt die Spiegelstruktur in Richtung des Trägers ab.
Geeignete Materialien für den metallischen Spiegel sind beispielsweise Aluminium oder Silber. Für Licht im blauen bis grünen Spektralbereich besitzt Silber eine sehr hohe Reflektivität. Oft wird ein Grundmaterial mit geringen Anteilen weiterer Metalle, wie z. B. Platin oder Titan, versetzt.
Der metallische Spiegel kann beispielsweise analog zur gerade geschilderten Ausführungsform an Stelle eines Bragg-Spiegels eingesetzt werden. In einer weiteren Variante umfasst die Spiegelstruktur eine Schicht aus einem low-index Material, einen Bragg-Spiegel und einen metallischen Spiegel.
Im Folgenden werden der angegebene Halbleiterchip und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 und 2 im Querschnitt zwei Ausführungsformen von optoelektronischen Halbleiterchips mit jeweils einer Spiegelstruktur, die eine dielektrische Schichtstruktur und einen metallischen Spiegel umfasst,
3A im Querschnitt einen Halbleiterchip mit einer Spiegelstruktur, dessen Reflektivität durch Lichteinstrahlung von außen vermessen wird,
3B im Liniendiagramm die gemäß 3A gemessenen Reflektivitäten verschiedener Halbleiterchips,
4 im Liniendiagramm die Lichtauskopplung von Halbleiterchips bei unterschiedlichen Brechungsindizes der jeweiligen dielektrischen Schicht und der Einfluss eines Vergusses auf die Lichtauskopplung,
5A eine schräge Ansicht eines 1D photonischen Kristalls,
5B eine schräge Ansicht eines 2D photonischen Kristalls,
5C eine schräge Ansicht eines 3D photonischen Kristalls,
5D im Liniendiagramm die photonische Bandstruktur eines 3D photonischen Kristalls,
6A im Querschnitt einen Halbleiterchip mit einer Spiegelstruktur und schematisch die Lichtreflexion an den verschiedenen Spiegelschichten,
6B, 6C, 6D und 6E im Querschnitt Halbleiterchips mit unterschiedlichen Spiegelstrukturen,
6F im Liniendiagramm einen Vergleich der Reflektivitäten der Spiegelstrukturen gemäß den 6B, 6C, 6D und 6E für verschiedene Einfallswinkel des Lichtes.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterchips. Er weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer aktiven Zone 11 zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung auf. Die aktive Zone 11 befindet sich zwischen zwei Schichten 12, 13 der Halbleiterschichtenfolge 1, wobei eine der Schichten p-leitend, die andere n-leitend ist. Das in der aktiven Zone 11 erzeugte Licht kann den Halbleiterchip über eine Auskoppelstruktur 15 verlassen.
Die Schichtenfolge 1 grenzt an eine Spiegelstruktur 2, die eine dielektrische Schichtstruktur 21 und einen metallischen Spiegel 22 umfasst. Licht, das auf die Spiegelstruktur 2 trifft, soll möglichst vollständig in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück reflektiert werden, damit es anschließend über die Auskoppelstruktur 15 den Halbleiterchip verlassen kann.
Dabei kann das Licht schon von der dielektrischen Schichtstruktur 21 in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück reflektiert werden. Da die dielektrische Schichtstruktur 21 für das in der aktiven Zone 11 erzeugte Licht transparent ist, kann der Anteil des Lichtes, der nicht an der dielektrischen Schichtstruktur 21 reflektiert wird, diese durchlaufen. Das Licht trifft dann auf den angrenzenden metallischen Spiegel 22 und kann von diesem in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück reflektiert werden.
Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Träger 3. Über eine obere Kontaktstruktur 41 und eine untere Kontaktstruktur 42 wird der Halbleiterchip elektrisch kontaktiert. Zudem führen durch die dielektrische Schichtstruktur 21 Durchkontaktierungen 43, die eine elektrisch leitfähige Verbindung der Halbleiterschichtenfolge 1 mit dem metallischen Spiegel 22 und in Folge dessen auch mit der unteren Kontaktstruktur 42 herstellen. Um die Absorption von Licht möglichst gering zu halten sind die Durchkontaktierungen beispielsweise mit Silber verspiegelt und belegen eine möglichst kleine Fläche.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterchips. Hier basiert die Halbleiterschichtenfolge 1 beispielsweise auf Galliumnitrid und die aktive Schicht 11 auf Indiumgalliumnitrid, wobei Licht im grünen Spektralbereich erzeugt wird.
Die Auskoppelstruktur 15 befindet sich an der Oberseite einer n-leitenden Schicht 12. Die Auskoppelstruktur 15 ist in dieser Ausführungsform aufgeraut. Die p-leitende Schicht 13 grenzt an eine Stromaufweitungsschicht (TCO) 14.
Eine dielektrische Schichtstruktur 21 begrenzt die Halbleiterschichtenfolge 1 in Richtung des Trägers und auch seitlich. Sie ist von Durchkontaktierungen 43 unterbrochen, die die elektrisch leitfähige Stromaufweitungsschicht 14 mit einem metallischen Spiegel 22 elektrisch leitend verbinden. An den metallischen Spiegel 22 schließt sich eine weitere Kontaktstruktur 42 an.
Die vertikale Unterteilung des Halbleiterchips in Halbleiterschichtenfolge 1, Spiegelstruktur 2 und Träger 3 ist hier nur noch schematisch zu verstehen, da sie unter anderem durch die seitliche Ausformung der dielektrischen Schichtstruktur 21 aufgehoben ist. Die Erfindung schließt auch weitere Ausführungsformen von optoelektronischen Halbleiterchips mit ein, die beispielsweise eine andere Anordnung von Träger, Auskoppelstruktur oder Spiegelstruktur aufweisen.
3A zeigt schematisch den Strahlengang bei einer optischen Vermessung der Reflektivität eines Halbleiters 1 mit einer Spiegelstruktur 2. Die Spiegelstruktur 2 kann dabei der in 1 gezeigten Spiegelstruktur 2 entsprechen, oder auch nur eine metallische Spiegelschicht 22 umfassen. Die gezeigte Anordnung weist keine metallischen Kontakte auf, die die Spiegelstruktur 2 durchbrechen und zu zusätzlicher Absorption des Lichtes führen. Deshalb wird die Reflektivität eines realen Halbleiterchips mit Spiegelstruktur etwas geringer sein, als der Wert, der sich aus dieser Messung ergibt.
Bei der Vermessung der Reflektivitäten wird von außen durch die Auskoppelstruktur 15 des Halbleiterchips Licht 51 eingestrahlt. Ein geringer Teil 52 des eingestrahlten Lichtes 51 wird schon an der Auskoppelstruktur 15 in die Umgebung zurück reflektiert. Der Großteil 53 des eingestrahlten Lichtes 51 dringt in die Halbleiterschichtenfolge 1 ein und trifft auf die Spiegelstruktur 2. Die aufgeraute Oberfläche der Auskoppelstruktur 15 bewirkt eine Verteilung der Einfallswinkel des Lichts 53. Die Spiegelstruktur 2 reflektiert einen Anteil 54 des auftreffenden Lichts 53 in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück, der dann den Halbleiterchip über die Auskoppelstruktur 15 verlassen kann.
Bei einer derartigen Messung wird die gesamte Reflektivität des Halbleiterchips ermittelt. Diese ergibt sich aus dem Quotienten des vom Halbleiterchip reflektierten Lichtes 52, 54 und des eingestrahlten Lichtes 51. Dabei ist das reflektierte Licht 52, 54 die Summe des an der Oberfläche 15 des Halbleiterchips reflektierten Lichtes 52 und des an der Spiegelstruktur 2 des Halbleiterchips reflektierten Lichtes 54.
In 3B sind im Liniendiagramm die Reflektivitäten für drei verschiedene Ausführungsformen von Halbleiterchips gegen die Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichtes aufgetragen. Die Wellenlänge liegt im Bereich von 300 nm bis 700 nm.
Bei zwei Halbleiterchips 81, 82 umfasst die Spiegelstruktur 2 eine dielektrische Schicht 21 aus Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von n = 1,46 sowie einen metallischen Spiegel 22 aus Silber mit einer 0,1 nm dicken Haftschicht aus Titan.
Als Referenz dazu wurde ein Halbleiterchip 83 vermessen, bei dem die Spiegelstruktur 2 ausschließlich eine metallische Spiegelschicht 22 aus Silber mit einer 0,1 nm dicken Haftschicht aus Blei umfasst.
3B zeigt, dass für eingestrahltes Licht mit einer Wellenlänge λ < 360 nm die Reflektivitäten aller drei Ausführungsformen 81, 82, 83 annähernd konstant verlaufen. Der jeweilige konstante Wert entspricht dem Anteil 52 des eingestrahlten Lichtes 51, der direkt an der Auskoppelstruktur 15 reflektiert wird.
Bei eingestrahltem Licht mit einer Wellenlänge λ im Bereich von zirka 360 nm bis 470 nm nehmen die Reflektivitäten aller drei Halbleiterchips 81, 82, 83 in Richtung größerer Wellenlängen stark zu. Wird die Wellenlänge darüber hinaus noch vergrößert, ändern sich die Reflektivitäten der zwei Halbleiterchips mit dielektrischen Schichten 81, 82 nur noch wenig. Sie liegen jeweils annähernd bei 90% Bei einem rein metallischen Spiegel 83 steigt die Reflektivität im Bereich von 470 nm bis 700 nm langsam von 70% auf einen Wert von zirka 78% an.
Insgesamt kann aus der Zeichnung abgelesen werden, dass für Licht mit einer Wellenlänge λ > 450 nm die Reflektivitäten der Halbleiterchips mit den dielektrischen Schichten 81, 82 deutlich größer sind als die des Halbleiterchip mit lediglich einem metallischen Spiegel 83.
Mit Hilfe dieser Messung kann die Auskoppeleffizienz eines Halbleiterchips abgeschätzt werden, der sich im elektrischen Betrieb befindet.
Hierzu wird zunächst der Anteil 53 des eingestrahlten Lichts berechnet, der auf die Spiegelstruktur trifft. Dazu wird vom gesamten eingestrahlten Licht derjenige Anteil 52 abgezogen, der direkt an der Oberfläche des Halbleiterchips in die Umgebung zurück reflektiert wird. Anschließend wird der Anteil 54 am gesamten eingestrahlten Licht 51 bestimmt, der von der Spiegelstruktur reflektiert wird. Diese Anteile 52, 54 können aus 3B entnommen werden. Die Lichtauskopplung lässt sich nun durch die Differenz dieser beiden Werte abschätzen. Es ergibt sich für die Halbleiterchips mit dielektrischen Schichten eine Lichtauskopplung von zirka 85%.
In 4 sind die Auskoppeleffizienzen E von Halbleiterchips, die eine dielektrische Schicht umfassen, gegen den Brechungsindex n ihrer dielektrischen Schicht aufgetragen.
Die jeweiligen Spiegelstrukturen der Halbleiterchips weisen dabei neben einer dielektrischen Schicht einen metallischen Spiegel aus Aluminium auf. Die aufgetragenen Werte für die Lichtauskopplung wurden in einer Simulation ermittelt.
Dabei wurden zwei unterschiedliche Ausführungsformen 91, 92 von Halbleiterchips betrachtet. In einer Ausführungsform 91 grenzt die Auskoppelstruktur 15 des Halbleiterchips 1 direkt an die Umgebungsluft an. In einer zweiten Ausführungsform 92 befindet sich auf der Auskoppelstruktur eine Epoxydharzabdeckung.
Ein derartiger Verguss besitzt einen größeren Brechungsindex als Luft. Dadurch wird ein geringerer Teil des Lichtes, das von der Halbleiterschichtenfolge 1 kommt und auf die Auskoppelstruktur 15 trifft, in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurückreflektiert. Der Verguss erhöht somit die Auskoppeleffizienz des Halbleiterchips.
In 4 sind die Auskoppeleffizienzen E für dielektrische Schichten 21 mit Brechungsindizes im Bereich von 1 ≤ n ≤ 2 aufgetragen. Zusätzlich zeigt eine senkrechte Linie 93 den Brechungsindex von Siliziumdioxid an.
Bei beiden Ausführungsformen 91, 92 steigt die Auskoppeleffizienz E in Richtung eines niedrigeren Brechungsindex n kontinuierlich an. Die Auskoppeleffizienz E des Halbleiterchips mit Epoxydharzverguss 92 liegt dabei im gesamten Bereich deutlich über der des von Luft umgebenen Halbleiterchips 91. Insgesamt zeigt die Simulation, dass sich in Richtung niedrigerer Brechungsindizes die Auskoppeleffizienz E erhöht. Dies lässt erwarten, dass bei Brechungsindizes n < 1 die Auskoppeleffizienz weiter ansteigt.
Die 5A, 5B und 5C zeigen verschiedene dielektrische Materialien, bei denen sich der Brechungsindex jeweils periodisch ändert. Dabei wechseln sich Bereiche mit hohem Brechungsindex 100 mit Bereichen mit niedrigem Brechungsindex 101 ab.
5A zeigt schematisch einen 1D photonischen Kristall, bei dem sich der Brechungsindex in einer Dimension ändert. Es wechseln sich Schichten mit hohem Brechungsindex 100 und Schichten mit niedrigerem Brechungsindex 101 ab. Dies entspricht dem Aufbau eines Bragg-Spiegels.
5B zeigt schematisch einen 2D photonischen Kristall, bei dem sich der Brechungsindex in zwei Dimensionen ändert.
5C zeigt schematisch einen 3D photonischen Kristall, der eine Brechungsindexmodulation in drei verschiedenen Raumrichtungen aufweist. Mittels eines 3D photonischen Kristalls kann eine Totalreflexion des Lichts erreicht werden, die unabhängig vom Einfallswinkel ist. Die Perioden a, b und c des 3D photonischen Kristalls liegen dabei bei ca. einem Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes. Um eine volle photonische Bandlücke zu erhalten, wird ein Grundmaterial mit einem Brechungsindex n > 2,6 verwendet. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Silizium mit einem Brechungsindex von n = 3,5.
5D zeigt im Liniendiagramm die photonische Bandstruktur 102 eines 3D photonischen Kristalls. Dabei sind die normierten Frequenzen c/λ gegen die Blochvektoren aufgetragen. In 5D ist eine photonische Stoppbande 103 in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu sehen. Licht einer Wellenlänge innerhalb der Stoppbande 103 wird einfallswinkelunabhängig und verlustfrei totalreflektiert. Die Lage der Stoppbande 103 hängt von der Art der Einheitszelle der periodischen Struktur ab und wird vorzugsweise auf die im Halbleiterchip erzeugte Strahlung abgestimmt. Bei einer derart idealen Totalreflexion kann auf zusätzliche Bragg-Spiegel oder metallische Spiegel verzichtet werden.
6A zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip, bei dem die Spiegelstruktur 21 eine low-index Schicht 211, einen Bragg-Spiegel 212 und einen metallischen Spiegel 22 umfasst. Zusätzlich ist schematisch die Reflexion von Licht an den verschiedenen Schichten skizziert.
In der aktiven Zone 11 wird Licht 61, 62, 63 erzeugt, das unter verschiedenen Einfallswinkeln α₁, α₂, α₃ auf die Spiegelschicht 2 treffen kann. Ist der Einfallswinkel größer als der eingezeichnete kritische Winkel α_c, so wird ein Großteil des Lichts an der Grenzfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 und der low-index Schicht 211 totalreflektiert. Dies ist für Licht 61 mit einem Einfallswinkel α₁ > α_c der Fall. Ist der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel α_c, dringt ein Teil 62, 63 des Lichtes in die Schicht 211 ein und trifft anschließend mit Winkeln α₂', α₃' auf den Bragg-Spiegel 212. Bei einem hinreichend kleinen Winkel α₂' wird ein Großteil des Lichtes 62 vom Bragg-Spiegel 212 reflektiert. Für einen größeren Winkel α₃' ist das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels 212 deutlich geringer. Ein Teil des Lichtes 63 passiert den Bragg-Spiegel, trifft auf den metallischen Spiegel 22 und kann von diesem zurück reflektiert werden.
Bei einer derartigen Spiegelstruktur wird der Anteil des Lichtes, der auf den metallischen Spiegel trifft, minimiert. Da der metallische Spiegel die Schicht in der Spiegelstruktur mit dem höchsten Absorptionsvermögen darstellt, wird dadurch die Reflektivität der gesamten Spiegelstruktur optimiert.
Für Halbleiterchips mit unterschiedlichen Spiegelstrukturen wurden die Reflektivitäten R bei verschiedenen Einfallswinkeln α des Lichtes berechnet. In den 6B, 6C, 6D und 6E sind die jeweiligen Spiegelstrukturen skizziert. Die Halbleiterschichtenfolgen 1 basieren jeweils auf Galliumnitrid. Die Wellenlänge des in der aktiven Zone erzeugten Lichtes λ beträgt 460 nm.
6B zeigt eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einem rein metallischen Spiegel 22 aus Silber.
In 6C umfasst die Spiegelschicht eine low-k Schicht 211 aus Siliziumdioxid und einen metallischen Spiegel 22 aus Silber. Die low-k Schicht 211 ist 700 nm dick und weist einen Brechungsindex von n = 1,1 auf.
Der in 6D dargestellte Halbleiterchip umfasst eine TCO-Schicht 14 aus Indiumzinnoxid, eine low-k Schicht 211 aus Siliziumdioxid und einen metallischen Spiegel 22 aus Silber. Die low-k Schicht 211 ist wie die entsprechende Schicht 211 in 6C ausgeführt. Die TCO-Schicht 14 ist 50 nm dick und weist einen Brechungsindex von n = 2,1 mit einem Imaginärteil von κ = 0,02 auf.
In 6E ist ein Halbleiterchip skizziert, bei dem die Spiegelstruktur eine low-k Schicht 211 aus Siliziumdioxid, einen Bragg-Spiegel 212 und einen metallischen Spiegel 22 aus Silber umfasst. Die low-k Schicht 211 ist wie die entsprechende Schicht 211 in 6C ausgeführt. Der Bragg-Spiegel 212 setzt sich aus mindestens vier Schichtpaaren mit je einer 48,7 nm dicken TiO₂-Schicht mit einem Brechungsindex n = 2,6 und einer 97,7 nm dicken SiO₂-Schicht mit einem Brechungsindex n = 1,46 zusammen.
In 6F sind die Reflektivitäten R der Spiegelstrukturen gemäß den 6B, 6C, 6D und 6E gegen den Einfallswinkel α des Lichtes aufgetragen. Der Einfallswinkel α, unter dem das Licht auf die Spiegelstruktur 2 trifft, liegt im Bereich von 0 bis 90°.
Für den in 6B gezeigten rein metallischen Spiegel ist bei einem Einfallswinkel α = 0° die ermittelte Reflektivität 71 geringer als 96%. In Richtung größerer Einfallswinkel steigt sie kontinuierlich an und erreicht bei 90° einen Wert von annähernd 100%.
Für die Spiegelstruktur gemäß 6C schwankt bei Einfallswinkeln α unter 30° die Reflektivität 72 stark bei Werten zwischen 93% und 99%. Bei Einfallswinkeln α > 30° beträgt die Reflektivität annähernd 100%.
Für die Spiegelstruktur gemäß 6D schwankt die Reflektivität 73 bei Einfallswinkeln unter 60° stark bei Werten unter 94%. Die im Vergleich zu den anderen Spiegelstrukturen stark verminderte Reflektivität kann im wesentlichen auf die Absorption des Lichtes in der TCO-Schicht 14 zurückgeführt werden.
Für die Spiegelstruktur gemäß 6E ergeben sich bei Einfallswinkeln α zwischen 0° und 30° Reflektivitäten 74 im Bereich von 99% bis 100%. Bei Einfallswinkeln α > 30° ist die low-k Schicht 211 absolut reflektierend und führt zu einer Reflektivität von 100%.
Aus 6F geht hervor, dass es für die in den 6B, 6C und 6D gezeigten Spiegelstrukturen jeweils Einfallswinkelbereiche gibt, in denen die Reflektivität unter 96% liegt. Nur für die in 6E gezeigte Spiegelstruktur, die eine low-k Schicht 211, einen Bragg-Spiegel 212 und einen metallischen Spiegel 22 umfasst, ergibt sich für jeden Einfallswinkel eine Reflektivität von deutlich über 96%.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung an Hand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J.-Q. Xi, M. Ojha, J. L. Plawsky, W. N. Gill, J. K. Kim und E. F. Schubert, Appl. Phys. Lett. 87, 031111 (2005) [0002]

Claims

Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge (1), die eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehene aktive Schicht (11) aufweist, und mit einer Spiegelstruktur (2), die eine dielektrische Schichtstruktur (21) umfasst, – gekennzeichnet dadurch, dass die Spiegelstruktur (2) mindestens 96% des auf sie treffenden, in der aktiven Zone (11) erzeugten Lichtes reflektiert, unabhängig vom Winkel α, unter dem das Licht auf die Spiegelstruktur (2) trifft.
Halbleiterchip nach Anspruch 1, – bei dem in der aktiven Zone (11) Licht im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 550 nm erzeugt wird.
Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, – bei dem die Halbleiterschichtenfolge (1) auf der Basis von GaN gebildet ist.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – bei dem die dielektrische Schichtstruktur (21) wenigstens eine Schicht (211, 212) umfasst, die ein low-index Material mit einen Brechungsindex n < 1,38 enthält.
Halbleiterchip nach Anspruch 4, – bei dem das low-index Material auf einem low-k oder ultra low-k Material basiert.
Halbleiterchip nach Anspruch 5, – bei dem das low-k oder ultra low-k Material ein Siliziumoxid enthält.
Halbleiterchip nach Anspruch 5 oder 6, – bei dem das low-k oder ultra low-k Material mit einem Gas gefüllte Poren umfasst, deren Ausdehnungen geringer als 8 nm sind.
Halbleiterchip nach Anspruch 7, – bei dem die Poren des low-k oder ultra low-k Materials Ausdehnungen von weniger als 3 nm aufweisen.
Halbleiterchip nach Anspruch 4, – bei dem das low-index Material auf Luft basiert und bei der die Halbleiterschichtenfolge (1) durch ein Raster aus Kontakten (3) mit weiteren Schichten (211, 212, 22) der Spiegelstruktur (2) oder einem Träger (4) verbunden ist.
Halbleiterchip nach Anspruch 4, – bei dem das low-index Material einen Brechungsindex n < 1 aufweist.
Halbleiterchip nach Anspruch 10, – bei dem die dielektrische Schicht (211, 212) mit einem Brechungsindex n < 1 auf einem 2D photonischen Kristall basiert.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – bei dem wenigstens eine der Schichten (211, 212) der dielektrischen Schichtstruktur (21) einen 3D photonischen Kristall enthält, der eine Brechungsindexmodulation in drei verschiedenen Raumrichtungen aufweist.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 4 bis 12, – bei dem die dielektrische Schichtstruktur (21) einen Bragg-Spiegel umfasst.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 13, – bei der die Spiegelstruktur (2) neben der dielektrischen Schichtstruktur (21) eine metallische Spiegelschicht (22) umfasst, die die Spiegelstruktur (2) in Richtung des Trägers (4) abschließt.