DE102008035110A1

DE102008035110A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102008035110A1
Application number: DE102008035110A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Höppel; Matthias Dr. Sabathil
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-11
Also published as: TW201013992A; US20110284893A1; WO2010012256A1; CN102106008B; CN102106008A; TWI415297B; KR20110044264A; EP2313935A1; JP5514819B2; JP2011529277A; US8841685B2; KR101606604B1

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer Halbleiterschichtenfolge (2), die eine aktive Zone (4) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist, und mit einer strukturierten Stromaufweitungsschicht (6), die ein transparentes leitendes Oxid enthält und auf einer Hauptfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (2) angeordnet ist, beschrieben, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) mindestens 30% und höchstens 60% der Hauptfläche (12) bedeckt.

Description

Die Lichtausbeute von Strahlung emittierenden Halbleiterchips hängt von verschiedenen Faktoren ab. Mittels einer großflächigen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips kann einerseits eine relativ hohe interne Quanteneffizienz erzielt werden. Andererseits können jedoch durch eine großflächige Kontaktierung Absorptionsverluste auftreten, welche die Auskoppeleffizienz und damit die Lichtausbeute des Halbleiterchips beträchtlich einschränken.
In der DE-Patentanmeldung Nr. 102008021675.5 ist beschrieben, dass die zur elektrischen Kontaktierung des Leuchtdiodenchips vorgesehenen Kontakte nicht mehr als 2%–4% einer Stromaufweitungsschicht bedecken dürfen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip mit verbesserter Lichtausbeute anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterchips sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge, die eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist, sowie eine strukturierte Stromaufweitungsschicht, die ein transparentes leitendes Oxid enthält und auf einer Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist, wobei die Stromaufweitungsschicht mindestens 30% und höchstens 60% der Hauptfläche bedeckt.
Die aktive Zone weist zur Strahlungserzeugung einen pn-Übergang auf. Dieser pn-Übergang kann im einfachsten Fall mittels einer p-leitenden und einer n-leitenden Halbleiterschicht gebildet sein, die unmittelbar aneinandergrenzen. Bevorzugt ist zwischen der p-leitenden und der n-leitenden Schicht die eigentliche Strahlung erzeugende Struktur, etwa in Form einer dotierten oder undotierten Quantenstruktur, ausgebildet. Die Quantenstruktur kann als Einfachquantentopfstuktur (SQW, Single Quantum Well) oder Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multiple Quantum Well) oder auch als Quantendraht oder Quantenpunktstruktur ausgebildet sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Halbleiterchips enthält die Halbleiterschichtenfolge Al_nGa_mIn_1-n-mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Ein auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierender Halbleiterchip ist insbesondere dazu geeignet, Strahlung mit einer Emissionswellenlänge im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums zu erzeugen.
Das transparente leitende Oxid ist vorzugsweise ein Metalloxid, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumzinkoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ können auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide verwendet werden. Weiterhin ist keine stöchiometrische Zusammensetzung erforderlich. Ferner kann das transparente leitende Oxid auch p- oder n-dotiert sein.
Durch die Stromaufweitungsschicht kann eine ausreichend gute Stromaufweitung und Bestromung des Halbleiterchips erzielt werden.
Ferner können mittels der teilweisen Flächenbelegung optische Absorptionsverluste, die durch die Stromaufweitungsschicht verursacht werden, gegenüber einer ganzflächigen Stromaufweitungsschicht reduziert werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform bedeckt die Stromaufweitungsschicht 40% bis 50% der Hauptfläche. Bei einer derartigen Flächenbelegung sind zum einen die Absorptionsverluste vorteilhaft reduziert, zum anderen kann bei einer derartigen Flächenbelegung eine hinreichend gute Stromaufweitung in der Stromaufweitungsschicht gewährleistet werden.
Eine geringere Flächenbelegung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die erzeugte Strahlung eine Emissionswellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm aufweist. Denn im kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Spektrums stellt die optische Absorption durch die Stromaufweitungsschicht einen größeren Verlustmechanismus dar als die elektrischen Verluste aufgrund der geringeren Flächenbelegung. Im langwelligeren Bereich des sichtbaren Spektrums sind die Verluste durch die optische Absorption hingegen geringer, so dass die elektrischen Verluste bei einer geringeren Flächenbelegung stärker ins Gewicht fallen. Daher ist in diesem Fall eine größere Flächenbelegung besser geeignet.
Die Dicke der Stromaufweitungsschicht kann mit Vorteil zwischen 10 nm und 60 nm betragen. Während durch eine Verringerung der Dicke die optischen Absorptionsverluste abgesenkt werden können, sinkt hierbei zugleich die Querleitfähigkeit. Bei einer Dicke zwischen 10 nm und 60 nm stehen Gewinn und Verlust in einem geeigneten Verhältnis zueinander.
Weiterhin ist die Größe, das heißt die Länge und/oder Breite, von Zwischenräumen der strukturierten Stromaufweitungsschicht, das heißt von Bereichen, die von der Stromaufweitungsschicht unbedeckt sind, mit Vorteil an die Querleitfähigkeit des an die Stromaufweitungsschicht angrenzenden Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge angepasst. Insbesondere kann eine Querleitung mittels der angrenzenden Halbleiterschichtenfolge über eine Strecke von 1 μm bis 6 μm hinweg gewährleistet werden, ohne dass eine Stromaufweitungsschicht erforderlich ist. Die Zwischenräume weisen daher mit Vorteil eine Größe auf, die zwischen 1 μm und 6 μm liegt. Vorzugsweise werden die Zwischenräume mit einer Größe im Bereich zwischen 3 μm und 4 μm ausgebildet. Unter Berücksichtigung dieses Zusammenhangs kann die Stromaufweitungsschicht verschiedenartig strukturiert werden. Denkbar sind beispielsweise unregelmäßige Strukturen oder regelmäßige Strukturen wie Gitter.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die Struktur der Stromaufweitungsschicht einem rechtwinkligen Gitter. Das Gitter weist insbesondere eine Mehrzahl von parallelen Streifen aus transparentem leitendem Oxid auf, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und eine Mehrzahl von parallelen Streifen aus transparentem leitendem Oxid, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken, wobei die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung verläuft. Der Abstand zwischen den sich in der ersten Richtung erstreckenden parallelen Streifen kann sich von dem Abstand zwischen den sich in der zweiten Richtung erstreckenden parallelen Streifen unterscheiden. Die Kreuzungspunkte der Streifen entsprechen Gitterpunkten.
Eine elektrische Kontaktierung der Stromaufweitungsschicht erfolgt vorzugsweise mittels zumindest eines elektrischen Kontaktstegs. Dieser Kontaktsteg erstreckt sich insbesondere senkrecht zu einer Ebene, in welcher die Stromaufweitungsschicht angeordnet ist und berührt die Stromaufweitungsschicht an einer dafür vorgesehenen Kontaktstelle. Der Kontaktsteg kann die Form eines Kegelstumpfes, Pyramidenstumpfes oder Zylinders aufweisen.
Insbesondere sind mehrere Kontaktstege regelmäßig über die Fläche der Stromaufweitungsschicht verteilt. Die jeweilige Kontaktstelle befindet sich vorzugsweise an einem Gitterpunkt. Hierbei muss jedoch nicht an jedem Gitterpunkt eine Kontaktstelle vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise enthält der Kontaktsteg ein Metall mit hoher Leitfähigkeit. Ferner wird vorzugsweise für den Kontaktsteg ein Material mit hohem Reflexionsgrad verwendet. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Ag.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stromaufweitungsschicht zwischen der Halbleiterschichtenfolge und einem Spiegel angeordnet.
Insbesondere verläuft der elektrische Kontaktsteg in einer Öffnung des Spiegels. Weist der Kontaktsteg wie bereits erwähnt einen hohen Reflexionsgrad auf, so kann durch die Kombination aus Spiegel und Kontaktsteg insgesamt eine hohe Reflektivität erzielt werden. Die von der aktiven Zone in Richtung der Stromaufweitungsschicht emittierte Strahlung kann dadurch ohne große optische Verluste in Richtung einer Auskoppelfläche reflektiert werden. Die Auskoppelfläche ist insbesondere auf einer der Stromaufweitungsschicht gegenüber liegenden Seite der aktiven Zone angeordnet. Zusätzlich werden die optischen Verluste durch die strukturierte Stromaufweitungsschicht und die damit verbundene verringerte Flächenbelegung begrenzt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Spiegel eine dielektrische Schicht auf. Insbesondere weist die dielektrische Schicht einen kleineren Brechungsindex als das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge auf. Beispielsweise ist die dielektrische Schicht aus einem Siliziumoxid, einem Siliziumnitrid oder Glas, vorzugsweise einem Spin-on-Glas, gebildet. Die dielektrische Schicht kann auch als Bragg-Spiegel ausgeführt sein, bei dem dielektrische Teilschichten mit verschiedenem Brechungsindex alternierend angeordnet sind.
Der Spiegel, insbesondere die dielektrische Schicht, grenzt vorzugsweise an die Stromaufweitungsschicht an. Die Zwischenräume der strukturierten Stromaufweitungsschicht können zumindest durch einen Teil des Spiegels, insbesondere die dielektrische Schicht, ausgefüllt werden. Darüber hinaus kann zumindest ein Teil des Spiegels beziehungsweise die dielektrische Schicht die Stromaufweitungsschicht bedecken.
Vorzugsweise ist in der dielektrischen Schicht die Öffnung vorgesehen, in welcher sich der Kontaktsteg erstreckt.
Weiterhin weist der Spiegel mit Vorteil eine durchgehende Metallschicht auf. Diese ist insbesondere auf einer der Stromaufweitungsschicht abgewandten Seite des Spiegels angeordnet. Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht von der Metallschicht bedeckt. Die Metallschicht kann zumindest zweischichtig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Metallschicht eine Schicht aus Platin und/oder Titan zur Haftvermittlung und eine Schicht mit hohem Reflexionsgrad, zum Beispiel aus Silber, aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterchip ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip. Hierbei ist die Halbleiterschichtenfolge frei von einem Aufwachssubstrat, das heißt das zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge benutzte Aufwachssubstrat ist von der Halbleiterschichtenfolge entfernt oder zumindest stark gedünnt.
Zur Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge kann diese ersatzweise auf einem Trägersubstrat angeordnet sein. Insbesondere befindet sich das Trägersubstrat auf einer der Auskoppelseite gegenüber liegenden Rückseite des Halbleiterchips. Die Stromaufweitungsschicht ist vorzugsweise zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Trägersubstrat angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Trägersubstrat elektrisch leitend und dient als ein erster elektrischer Kontakt für den Halbleiterchip. Mit Vorteil ist die Stromaufweitungsschicht hierbei mittels des elektrischen Kontaktstegs, gegebenenfalls über die Metallschicht des Spiegels, mit dem Trägersubstrat elektrisch verbunden. Ein zweiter elektrischer Kontakt kann auf der Auskoppelfläche angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Halbleiterschichtenfolge auf der Seite der Stromaufweitungsschicht p-leitend. Da die p-Seite typischerweise eine schlechte Leitfähigkeit aufweist, ist eine Stromaufweitungsschicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit vorteilhaft. Geeignete Dotierstoffkonzentrationen bewegen sich im Bereich von 10²⁰/cm³.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den folgenden Erläuterungen in Verbindung mit den 1 bis 8.
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterchips,
2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts entlang der Stromaufweitungsschicht des in 1 dargestellten Halbleiterchips,
3A bis 3D die Stromdichteverteilung über die Hauptfläche bei unterschiedlicher Flächenbelegung,
4 ein Schaubild darstellend die elektrischen Verluste bei verschiedenen Stromdichten,
5 ein Schaubild darstellend die Extraktionseffizienz für verschiedene Wellenlängen,
6 bis 8 Schaubilder darstellend die Wall-plug Effizienzen in Abhängigkeit von verschiedenen Stromdichten für unterschiedliche Wellenlängen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen optoelektronischen Halbleiterchip 1, der eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit einer aktiven Zone 4 zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aufweist. Die aktive Zone 4 befindet sich zwischen einem ersten Halbleiterbereich 3 und einem zweiten Halbleiterbereich 5. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Halbleiterbereich 3 p-leitend und der zweite Halbleiterbereich 5 n-leitend. Vorzugsweise enthalten die beiden Halbleiterbereiche 3, 5 GaN und die aktive Zone 4 InGaN. Die beiden Halbleiterbereiche 3, 5 und die aktive Zone 4 können jeweils mehrere Halbleiterschichten aufweisen.
Vorzugsweise ist die Halbleiterschichtenfolge 2 epitaktisch aufgewachsen, wobei das Aufwachssubstrat (nicht dargestellt) von der Halbleiterschichtenfolge 2 abgelöst ist, so dass die Halbleiterschichtenfolge 2 eine Dicke von weniger als 10 μm aufweist.
Zur Stabilisierung ist die Halbleiterschichtenfolge 2 ersatzweise auf einem Trägersubstrat 13 angeordnet. Vorzugsweise ist das Trägersubstrat 13 elektrisch leitend.
Geeignete Substrate sind beispielsweise Ge- oder Si-Substrate. Alternativ kann das Trägersubstrat 13 aus Cu durch galvanische Verstärkung einer vorausgehenden Metallschicht hergestellt werden.
Auf einer Hauptfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist eine strukturierte Stromaufweitungsschicht 6 angeordnet. Die Stromaufweitungsschicht 6, die ein transparentes leitendes Oxid enthält, kann auf die Hauptfläche 12 gleichmäßig aufgedampft oder aufgesputtert und anschließend in geeigneter Weise strukturiert werden. Die Strukturierung kann beispielsweise lithographisch erfolgen. Die Dicke der Stromaufweitungsschicht 6 liegt mit Vorteil zwischen 10 nm und 60 nm. Durch eine Verringerung der Dicke können einerseits die optischen Absorptionsverluste abgesenkt werden, wodurch andererseits die Querleitfähigkeit sinkt. Bei einer Dicke zwischen 10 nm und 60 nm besteht ein guter Kompromiss zwischen optischen und elektrischen Verlusten.
Auf der Hauptfläche 12 ist ein Spiegel 9 angeordnet, so dass die in Richtung der Hauptfläche 12 emittierte Strahlung in Richtung der Auskoppelfläche 14 umgelenkt werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Spiegel 9 eine dielektrische Schicht 7 auf, die insbesondere aus einem Material mit relativ kleinem Brechungsindex, beispielsweise aus einem Spin-on-Glas mit einem Brechungsindex kleiner 1.4, gebildet ist. Die dielektrische Schicht 7 kann eine Dicke im Bereich von 400 nm bis 500 nm aufweisen. Ferner umfasst der Spiegel 9 eine Metallschicht 8, die an die dielektrische Schicht 7 angrenzt. Die Metallschicht 8 kann aus einer Haftvermittlungsschicht aus Pt und einer Reflexionsschicht aus Ag gebildet sein. Die Dicke der Metallschicht 8 kann so dünn sein, dass sie Unterbrechungen aufweist. Eine Schichtdicke von etwa 0.2 nm ist ausreichend.
In die dielektrische Schicht 7 ist die strukturierte Stromaufweitungsschicht 6 eingebettet.
Ferner weist die dielektrische Schicht 7 Öffnungen auf, in welchen sich Kontaktstege 10 erstrecken. Die Kontaktstege 10 verlaufen senkrecht zu einer Ebene, in welcher die Stromaufweitungsschicht 6 angeordnet ist und berühren diese an dafür vorgesehen Kontaktstellen. Mit Vorteil enthalten die Kontaktstege 10 ein elektrisch leitendes Material, so dass die Stromaufweitungsschicht 6 mittels der Kontaktstege 10 bestromt werden kann. Beispielsweise können die Kontaktstege 10 Ag enthalten, das außerdem einen relativ hohen Reflexionsgrad aufweist, so dass die Reflektivität des Spiegels 9 an den Kontaktstegen 10 nicht wesentlich herabgesetzt ist. In diesem Zusammenhang ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Flächenbelegung der Hauptfläche 12 durch die Kontaktstege 10 nicht größer ist als 4%. Um dennoch eine ausreichende Stromzufuhr zu gewährleisten, sollte die Flächenbelegung nicht kleiner als 2% sein. Die Form der Kontaktstege 10 gleicht vorzugsweise einem Zylinder.
Die Kontaktstege 10 können eine elektrische Verbindung zwischen der Stromaufweitungsschicht 6 und dem insbesondere elektrisch leitenden Trägersubstrat 13 herstellen.
2 zeigt die Hauptfläche 12, auf welcher die strukturierte Stromaufweitungsschicht 6 aufgebracht ist. Die Stromaufweitungsschicht 6 weist die Form eines rechtwinkligen Gitters auf, das aus parallelen Streifen 6a, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und aus parallelen Streifen 6b, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken, gebildet ist. An mehreren Gitterpunkten, das heißt an mehreren Kreuzungspunkten der Streifen 6a und 6b, sind Kontaktstellen 11 vorgesehen, an welchen die Kontaktstege 10 angeordnet sind.
Die Kontaktstellen 11 sind aus dem gleichen Material wie die Streifen 6a und 6b hergestellt. Sie sind ebenso wie die Querschnitte der Kontaktstege 10 kreisförmig und konzentrisch zu diesen angeordnet.
Bei einer Flächenbelegung von 50% und einer Chipkantenlänge von 1 mm weisen die Kontaktstellen 11 mit Vorteil einen Durchmesser D₂ von etwa 6 μm auf. Die Abstände Ab zwischen den Kontaktstellen 11 in der ersten Richtung und die Abstände A_a zwischen den Kontaktstellen 11 in der zweiten Richtung sind vorzugsweise gleich groß und betragen etwa 20 μm. Der Durchmesser D₁ der Kontaktstege 10 liegt bei 4 μm.
Die Streifen 6a sind dünner als die Streifen 6b und können etwa 2 μm breit sein, während die Streifen 6b etwa 4 μm breit sind. Außerdem sind die Streifen 6a dichter angeordnet als die Streifen 6b, das heißt die Gitterkonstanten unterscheiden sich in der ersten und in der zweiten Richtung voneinander.
Die rechteckförmigen Zwischenräume 15, die durch die Streifen 6a und 6b begrenzt werden, weisen eine Länge d_b von etwa 16 μm und eine Breite d_a von etwa 3 μm auf.
Die 3A bis 3D zeigen die Stromdichteverteilung über die Hauptfläche eines wie in 1 dargestellten Halbleiterchips für verschiedene Flächenbelegungen. Die Dicke der Stromaufweitungsschicht 6 beträgt für alle Varianten 40 nm. Die Bestromung erfolgt bei allen Varianten mit einer nominellen Stromdichte von 50 A/cm².
Bei der in 3A dargestellten Variante beträgt die Flächenbelegung 100%, bei der in 3B dargestellten Variante 50%, bei der in 3C dargestellten Variante 40% und bei der in 3D dargestellten Variante 30%. Die Abstände A_b und A_a (in 2 dargestellt) werden bei den verschiedenen Varianten der 3B bis 3D konstant gehalten. Die Streifenbreite wird jedoch verringert. Ferner können die Zwischenräume 15 vergrößert werden. Beispielsweise kann die Breite da (in 2 dargestellt) der Zwischenräume 15 bei der in 3D dargestellten Variante etwa 4 μm betragen, während sie bei der in 3B dargestellten Variante 3 μm beträgt.
Verschiedene Stromdichten sind durch verschiedenen Graustufen dargestellt, wobei die Stromdichte in dunkleren Bereichen höher ist als in helleren Bereichen.
Wie in 3A zu sehen ist, treten bei einer 100%igen-Flächenbelegung im Idealfall keine Inhomogenitäten der Stromdichte auf. Bei einer 50%igen- und 40%igen-Flächenbelegung sinkt die Stromdichte jedoch in den Zwischenräumen 15 ab. Dies kann zu einem Gefälle bis zu 20% führen. Trotzdem kann hierbei noch von einer relativ homogenen Stromdichteverteilung gesprochen werden. Kritischer ist die 30%-Flächenbelegung, bei welcher ein Gefälle von 40% und damit eine inhomogene Stromdichteverteilung auftreten kann.
Aus dem Schaubild der 4 gehen die elektrischen Verluste 1-L, die in der Stromaufweitungsschicht auftreten, hervor.
Bei einer 100%igen-Flächenbelegung treten im Idealfall keine elektrischen Verluste auf (vgl. K1). Mit abnehmender Flächenbelegung (K2: 50%, K4: 40%, K3: 30%) nehmen jedoch die elektrischen Verluste 1-L zu. Elektrische Verluste ergeben sich durch die geringere Kontaktfläche und die schlechtere Stromaufweitung. Zusätzlich treten Verluste durch die Inhomogenität des Stromflusses in der aktiven Zone auf, welche in der schlechteren Stromaufweitung im ersten gleitenden Halbleiterbereich begründet sind. Die Verluste 1-L steigen mit zunehmender Stromdichte J und abnehmender Flächenbelegung an. Die elektrischen Verluste 1-L sind im Wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge.
5 zeigt für verschiedene Emissionswellenlängen λ die Extraktionseffizienz E eines Halbleiterchips mit einem Spiegel, der eine 500 nm dicke SiO₂-Schicht und eine 0.2 nm dicke Pt/Ag-Schicht aufweist, für den Fall, dass keine Stromaufweitungsschicht verwendet wird (K1) und für den Fall, dass eine Stromaufweitungsschicht mit 100%iger-Flächenbelegung verwendet wird (K2). Die Stromaufweitungsschicht weist eine Dicke von 30 nm auf.
K3 stellt die Absorptionsverluste dar, die durch die Stromaufweitungsschicht verursacht werden. Daraus geht hervor, dass die Absorption der Stromaufweitungsschicht stark wellenlängenabhängig ist. Im kurzwelligeren Bereich treten durch die Stromaufweitungsschicht Verluste von etwa 20% auf, während sie im langwelligeren Bereich bei etwa 5% liegen.
Die 6 bis 8 zeigen bei Emissionswellenlängen von 400 nm (6), 460 nm (7) und 540 nm (8) die Wall-plug-Effizienz WP, das heißt die elektrische-zu-optische Effizienz. Hierbei addiert man die elektrischen Verluste zu dem zu erwartenden Gewinn an Extraktionseffizienz.
Die Wall-plug-Effizienzen WP werden bei jeder Wellenlänge für verschiedene Stromdichten J und verschiedene Flächenbelegungen von 100% (K1), 50% (K2), 40% (K3) und 30% (K4) angegeben.
Wie aus 6 hervorgeht, ergibt sich für einen Halbleiterchip mit einer Emissionswellenlänge von 400 nm durch die Strukturierung der Stromaufweitungsschicht eine Verbesserung von bis zu etwa 10%.
Im langwelligeren Bereich ist der Gewinn an Extraktionseffizienz bei einer Strukturierung der Stromaufweitungsschicht nicht so groß (ungefähr 6%) wie im kurzwelligeren Bereich, weil die Transparenz der Stromaufweitungsschicht höher ist und somit elektrische Verluste stärker ins Gewicht fallen. Bis zu einer Stromdichte von 200 A/cm² ist aber eine Flächenbelegung von 40% bis 50% besser als eine Flächenbelegung von 100%.
Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass insbesondere eine 40%- bis 50%-Flächenbelegung der Hauptfläche durch die Stromaufweitungsschicht bei allen Wellenlängen vom kurzwelligeren bis zum langwelligeren Bereich des sichtbaren Spektrums eine Steigerung der Lichtausbeute bewirkt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, 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 Patentliteratur

- DE 102008021675 [0002]

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit – einer Halbleiterschichtenfolge (2), die eine aktive Zone (4) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist, – einer strukturierten Stromaufweitungsschicht (6), die ein transparentes leitendes Oxid enthält und auf einer Hauptfläche (12) der Halbleiterschichtenfolge (2) angeordnet ist, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) mindestens 30% und höchstens 60% der Hauptfläche (12) bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 1, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) 40% bis 50% der Hauptfläche (12) bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erzeugte Strahlung eine Emissionswellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) Al_nGa_mIn_1-n-mN enthält mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid oder Zinkoxid enthält.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) eine Dicke zwischen 10 nm und 60 nm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) die Form eines rechtwinkligen Gitters aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) an mindestens einer Kontaktstelle (11), insbesondere an mindestens einem Gitterpunkt, mit einem elektrischen Kontaktsteg (11), insbesondere einem Metallkontaktsteg, verbunden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) und einem Spiegel (9) angeordnet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 8 und 9, wobei der elektrische Kontaktsteg (10) in einer Öffnung des Spiegels (9) verläuft.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Spiegel (9) eine dielektrische Schicht (7) aufweist, die an die Stromaufweitungsschicht (6) angrenzt und in welcher die Öffnung vorgesehen ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 11, wobei der Spiegel (9) eine durchgehende Metallschicht (8) aufweist, welche die dielektrische Schicht (7) auf einer der Stromaufweitungsschicht (6) abgewandten Seite bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Trägersubstrat (13) aufweist, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) und dem Trägersubstrat (13) angeordnet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 13 und Anspruch 8 oder einem der auf Anspruch 8 rückbezogenen Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (6) mittels des elektrischen Kontaktstegs (10) mit dem Trägersubstrat (13) elektrisch verbunden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) auf der Seite der Stromaufweitungsschicht (6) p-leitend ist.