DE102008045028B4

DE102008045028B4 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102008045028B4
Application number: DE102008045028.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Linder Norbert; Christopher Wiesmann; Dr. Wirth Ralph; Dr. Stanley Ross; Dr.habil. Houdré Romuald
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: TW201023406A; WO2010022694A1; US20110297982A1; DE102008045028A1; KR20110056386A; EP2319097A1; CN102138229B; CN102138229A; TWI427826B

Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer aktiven Schicht (2), die zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, und einer zweidimensionalen Anordnung von Struktureinheiten (5), die der aktiven Schicht (2) in einer Hauptabstrahlrichtung (6) des Halbleiterchips nachgeordnet ist, wobei die Struktureinheiten (5) jeweils eine erste laterale Erstreckung, eine senkrecht zur ersten lateralen Erstreckung gemessene zweite laterale Erstreckung und/oder eine vertikale Erstreckung aufweisen, die größer oder gleich dem 0,2-fachen einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung und kleiner oder gleich dem 5-fachen einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung ist, und die Struktureinheiten (5) in einer willkürlichen statistischen Verteilung angeordnet sind, mit der Rahmenbedingung, dass die Verteilung der Abstände der nächsten Nachbarn eine statistische Standardabweichung von mindestens +/- 10 % und höchstens +/- 25 % von einem Mittelwert aufweist und einige Abstände der nächsten Nachbarn dabei mehr als 25 % von dem Mittelwert abweichen.

Description

Es wird ein elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip mit einer aktiven Schicht angegeben, die zur Emission der elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist. Der Chip weist eine zweidimensionale Anordnung von Struktureinheiten auf, die der aktiven Schicht in einer Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips nachgeordnet ist.
Es sind strahlungsemittierende Halbleiterchips bekannt, bei denen der aktiven Schicht in einer Hauptabstrahlrichtung ein zweidimensionaler photonischer Kristall nachgeordnet ist. Ein zweidimensionaler photonischer Kristall im wörtlichen Sinne weist eine zweidimensionale und in zwei Dimensionen periodische Anordnung von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex auf. Photonische Kristalle beeinflussen durch Beugung und Interferenz die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung.
Analog zu Kristallen, die eine elektronische Bandstruktur aufweisen, haben photonische Kristalle eine photonische Bandstruktur. Die photonische Bandstruktur kann insbesondere Bereiche verbotener Energie aufweisen, in denen sich elektromagnetische Wellen nicht innerhalb des Kristalls ausbreiten können. Man spricht hierbei von photonischen Bandlücken.
Ein Beispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip mit einem zweidimensionalen photonischen Kristall ist in der US 5 955 749 A beschrieben. In dieser Druckschrift ist angegeben, dass durch einen solchen photonischen Kristall eine erhöhte Strahlungsauskopplung aus dem Halbleiterchip realisiert werden kann.
WO 2006/ 078 522 A2 beschreibt eine Anordnung von lichtemittierenden Bauelementen, die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei die Anordnung einen äußeren Umfang aufweist, der eine Fläche umschließt, wobei die lichtemittierenden Bauelemente so positioniert sind, dass ein Verhältnis einer Summe einer Gesamtfläche aller lichtemittierenden Bauelemente zu einer durch den äußeren Umfang definierten Fläche mindestens etwa 0,75 beträgt. Die Bauelemente können jeweils einen Hauptkörper mit einer strukturierten Vorderseite aufweisen.
US 2004 / 0 206 962 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, wobei das Verfahren ein Verbinden einer Schicht aus einem reflektierenden Material mit einer Schicht aus einem p-dotierten Material umfasst. Die lichtemittierende Vorrichtung weist einen mehrschichtigen Materialstapel auf, der die Schicht aus dem p-dotierten Material, einen lichterzeugenden Bereich und eine erste Schicht enthält, wobei die erste Schicht eine strukturierte dielektrische Oberfläche mit einem räumlich variierenden Muster umfasst.
US 6 504 180 B1 beschreibt einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip mit einer aktiven Zone, wobei der aktiven Zone eine aufgeraute Oberfläche in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist. Die aufgeraute Oberfläche ist mit einer Vielzahl von zufällig verteilten Struktureinheiten gebildet, wobei die Struktureinheiten jeweils eine Ätztiefe um circa 170 nm aufweisen und wobei die aktive Zone elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von 865 nm emittiert.
US 2007 / 0 194 324 A1 beschreibt eine LED, die auf GaN basiert. Die LED weist eine n-Elektrode und eine n-Typ-GaN-Schicht auf, die unter der n-Elektrode gebildet ist. Die LED enthält eine aktive Schicht, die unter der n-Typ-GaN-Schicht gebildet ist, und eine p-Typ-GaN-Schicht, die unter der aktiven Schicht gebildet ist. Die p-Typ-GaN-Schicht weist eine unebene Struktur auf, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die die aktive Schicht nicht berührt. Des Weiteren weist die LED eine p-Typ-reflektierende Elektrode auf, die unter der p-Typ-GaN-Schicht mit der unebenen Struktur gebildet ist. Es ist eine Aufgabe, einen Halbleiterchip der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine für bestimmte Anwendungen vorteilhafte Abstrahlcharakteristik eingestellt ist. Der Halbleiterchip soll insbesondere eine gerichtete Abstrahlcharakteristik aufweisen, bei der die elektromagnetische Strahlung zum Großteil innerhalb eines relativ engen Abstrahlkegels emittiert wird. Als eine Referenz zu einer gerichteten Abstrahlcharakteristik könnte die so genannte Lambert'sche Abstrahlcharakteristik eines Lambert'schen Oberflächenstrahlers bezeichnet werden, der eine näherungsweise richtungsunabhängige Strahlungsdichte aufweist. Daneben kann auch eine Abstrahlung wünschenswert sein, bei der ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung in flache Winkel emittiert wird (sublambert'sche Emission).
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterchips sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip angegeben, der eine aktive Schicht, die zur Emission der elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, aufweist. Der Halbleiterchip umfasst eine zweidimensionale Anordnung von Struktureinheiten, die der aktiven Schicht in einer Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips nachgeordnet ist. Die Struktureinheiten sind in einer willkürlichen statistischen Verteilung angeordnet.
Die willkürliche statistische Verteilung der Struktureinheiten erfüllt die Rahmenbedingung, dass die Verteilung der Abstände von am nächsten benachbarten Struktureinheiten eine Standardabweichung von mindestens +/-10 % und höchstens +/- 25 % von einem Mittelwert aufweist und einige Abstände der nächsten Nachbarn dabei mehr als 25 % von dem Mittelwert abweichen.
Die Struktureinheiten sind Volumina, die seitlich an Bereiche mit einem unterschiedlichen Brechungsindex angrenzen. Mit anderen Worten gibt es zwischen den Struktureinheiten und den seitlich angrenzenden Bereichen einen Brechungsindexsprung.
Der Ausdruck „seitlich“ ist vorhergehend im Sinne von „lateral“ verwendet. Unter „lateral“ ist eine Richtung parallel zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht oder des Halbleiterchips gemeint. Vertikal ist entsprechend einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht oder des Halbleiterchips.
Die Struktureinheiten können insbesondere Ausnehmungen in einer Materialschicht oder Erhebungen, die sich von einer Materialschicht weg erstrecken, sein. Die Materialschicht kann insbesondere eine Halbleiterschicht sein. Die Struktureinheiten können festes Material aufweisen und lateral an einen mit einem Gas, insbesondere Luft, gefüllten Bereich angrenzen. Umgekehrt können die Struktureinheiten auch Bereiche sein, die mit einem Gas, insbesondere Luft, gefüllt sind und die lateral an einen Bereich angrenzen, der ein festes Material aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass sowohl die Struktureinheiten oder der lateral angrenzende Bereich ein festes Material aufweisen, wobei der Brechungsindex der Struktureinheiten sowohl kleiner als auch größer sein kann als derjenige der lateral abgrenzenden Bereiche.
Eine zweidimensionale Anordnung ist eine Anordnung entlang einer Fläche. Die Fläche kann eben sein. Sie kann jedoch grundsätzlich auch eine gekrümmte Fläche sein.
Die Struktureinheiten sind in einer willkürlichen statistischen Verteilung angeordnet, das heißt sie sind nicht gemäß eines deterministischen mathematischen Algorithmus angeordnet. Die Anordnung der Struktureinheiten folgt keiner Regelmäßigkeit, sie ist keine periodische Anordnung und insbesondere auch keine aperiodische Anordnung, die nach einer vorbestimmten Regelmäßigkeit erstellt wird. Quasikristalline Anordnungen fallen auch nicht unter eine willkürliche, statistische Verteilung.
Die Anordnung der Struktureinheiten ist auch keine Anordnung, die von einer periodischen Anordnung ausgeht und bei der die Position der Struktureinheiten willkürlich, aber in geringfügigem Maße von der regelmäßigen Struktur abweichen, mit Abweichungen von beispielsweise 10 % oder 20 % einer Gitterkonstante der periodischen Anordnung. Bei einer Anordnung, die von einer periodischen Anordnung ausgeht und bei der die Struktureinheiten mit willkürlichen geringfügigen Abweichungen von den Plätzen der periodischen Anordnung angeordnet sind, handelt es sich dennoch um eine im Wesentlichen periodische Anordnung. Bei einer präzisen Anordnung erhält man bei Durchstrahlen mit elektromagnetischer Strahlung im Fernfeld ein regelmäßiges Beugungsmuster. Im Fall von geringfügigen willkürlichen Abweichungen von der regelmäßigen Anordnung ist das Beugungsmuster lediglich verschmiert, es bleibt jedoch das gleiche Beugungsmuster.
Die willkürliche statistische Verteilung der Struktureinheiten unterliegt keinem deterministischen mathematischen Algorithmus, erfüllt jedoch die Rahmenbedingung, dass die Verteilung der Abstände der nächsten Nachbarn eine Standardabweichung von mindestens +/-10 % und höchstens +/- 25 % von einem Mittelwert aufweist. Bei der Anordnung der Struktureinheiten kann insbesondere eine Paarverteilungsfunktion, welche die lateralen Abstände der benachbarten Struktureinheiten beschreibt, bei einem bestimmten Abstand oder mehreren bestimmten Abständen ein Maximum aufweisen.
Der Ausdruck Standardabweichung impliziert, dass einige Abstände auch in weniger als 10 % oder um mehr als 25 % von dem Mittelwert abweichen können. Der Ausdruck Standardabweichung ist ein dem Fachmann aus der Statistik wohl bekannter und wohl definierter Ausdruck.
Es wurde herausgefunden, dass eine willkürliche statistische Verteilung von Struktureinheiten insbesondere unter den oben genannten Rahmenbedingungen geeignet sein kann, ähnlich wie ein photonischer Kristall zu wirken. Es lässt sich insbesondere eine gerichtete Abstrahlcharakteristik realisieren. Durch die vollständig unregelmäßige, statistisch verteilte Anordnung lässt sich, verglichen mit einem periodischen Kristall, eine homogenere Abstrahlcharakteristik realisieren. Eine Streuung der elektromagnetischen Strahlung an den Struktureinheiten erzeugt im Fernfeld insbesondere einen Ring ohne erkennbare Substruktur.
Mit der Anordnung der Struktureinheiten kann eine gerichtete Abstrahlcharakteristik realisiert werden. Bei der gerichteten Abstrahlcharakteristik wird ein größerer Anteil einer elektromagnetischen Strahlung in einen bestimmten Abstrahlkegel, beispielsweise plus/minus 30 °, emittiert als ohne die Anordnung der Struktureinheiten.
Die Struktureinheiten sind dazu geeignet, die elektromagnetische Strahlung in ihrer Ausbreitung zu beeinflussen. Hierzu weisen die Struktureinheiten jeweils eine erste laterale Erstreckung, eine senkrecht zur ersten lateralen Erstreckung gemessene zweite laterale Erstreckung und/oder eine vertikale Erstreckung auf, die größer oder gleich dem 0,2-fachen einer Wellenlängen des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung und kleiner oder gleich dem fünffachen einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung ist.
Die erste laterale Erstreckung wird entlang einer beliebigen ersten lateralen Richtung gemessen. Statt „Erstreckung“ kann grundsätzlich auch der Ausdruck „Ausdehnung“ oder „räumliche Ausdehnung“ verwendet werden. Es ist eine eindimensionale Größe der Struktureinheit, über die sich die Struktureinheit entlang der ersten lateralen Richtung erstreckt. Die zweite laterale Erstreckung ist die eindimensionale Erstreckung der Struktureinheit, die senkrecht zur ersten Erstreckung, das heißt zur ersten lateralen Richtung gemessen wird.
Die erste laterale Richtung zur Messung der ersten lateralen Erstreckung ist bevorzugt für alle Struktureinheiten gleich, d.h. die ersten lateralen Erstreckungen sind parallel zueinander ausgerichtet. Alternativ ist es z.B. möglich, dass für jede Struktureinheit als erste laterale Erstreckung jeweils die maximale laterale Erstreckung gewählt wird.
Ein strahlungsemittierender Halbleiterchip emittiert nicht nur Strahlung einer einzigen Wellenlänge, sondern ein Emissionsspektrum, das ein Maximum aufweist.
In einer Ausführungsform sind die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und die vertikale Erstreckung der Struktureinheiten jeweils größer als das 0,2-fache einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung. Zusätzlich oder alternativ sind die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und die vertikale Erstreckung der Struktureinheiten gemäß einer weiteren Ausführungsform jeweils kleiner als das fünffache einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung.
Eine zusätzliche Ausführungsform sieht vor, dass die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und/oder die vertikale Erstreckung der Struktureinheiten um weniger oder höchstens 10 % von dem entsprechenden Wert der jeweils übrigen Struktureinheiten abweicht.
Bei einer Ausgestaltung des Halbleiterchips weicht die Fläche einer Projektion der Struktureinheiten auf eine Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht jeweils höchstens geringfügig von der entsprechenden Fläche der übrigen Struktureinheiten ab. Die Abweichung der Fläche kann weniger als oder höchstens 20 %, bevorzugt weniger als oder höchstens 15 %, besonders bevorzugt weniger als oder höchstens 10 % betragen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Fläche der Struktureinheiten im Wesentlichen nicht voneinander abweicht.
Die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und/oder die vertikale Erstreckung sind gemäß einer weiterführenden Ausführungsform jeweils für den Großteil der Struktureinheiten oder für alle Struktureinheiten im Wesentlichen gleich groß. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind der Großteil der Struktureinheiten oder alle Struktureinheiten im Wesentlichen gleich groß und gleich geformt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Halbleiterchips sind die Struktureinheiten in einer Schicht gebildet, die Halbleitermaterial aufweist. Die Schicht schließt bevorzugt eine Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips in der Hauptabstrahlrichtung ab. Sie kann aus einer einzigen Materialschicht bestehen oder mehrere Schichten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform des Halbleiterchips sind die Struktureinheiten in mehreren Schichten gebildet. Die Struktureinheiten können sich über mehrere Schichten einer Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips und insbesondere auch über alle Halbleiterschichten des Halbleiterchips erstrecken.
Die aktive Schicht des Chips ist bei einer Ausgestaltung Bestandteil einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge ist auf einer der Hauptabstrahlseite des Halbleiterchips gegenüberliegenden Seite mit einer Reflektorschicht versehen. Eine derartige Reflektorschicht in Kombination mit den Struktureinheiten kann zusätzlichen positiven Einfluss auf die Realisierung einer gerichteten Abstrahlcharakteristik des Halbleiterchips haben.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Halbleiterchip frei von einem Epitaxiesubstrat. Der Halbleiterchip weist epitaktische Halbleiterschichten auf, die bei der Herstellung auf einem Epitaxiesubstrat aufgewachsen werden. Das Epitaxiesubstrat wird nachfolgend jedoch zumindest teilweise entfernt, so dass der resultierende Halbleiterchip frei von einem Epitaxiesubstrat ist.
Im Zusammenhang mit der Reflektorschicht ist gemäß einer zusätzlichen Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Trägerelement in dem Halbleiterchip enthalten ist. Die Reflektorschicht ist zwischen dem Trägerelement und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet.
Weitere Vorteile, Ausführungsformen und Weiterbildungen des Halbleiterchips ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Schnittansicht des Halbleiterchips gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 eine seitliche schematische Schnittansicht des Halbleiterchips gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3 eine seitliche schematische Schnittansicht des Halbleiterchips gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
4 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von Strukturelementen, die für den Halbleiterchip geeignet ist,
5a, 6a, 7a und 8a schematische seitliche Schnittansichten von Strukturelementen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, und
5b, 6b, 7b und 8b schematische Draufsichten auf die in den 5a, 6a, 7a und 8a dargestellten Struktureinheiten gemäß der verschiedenen Ausführungsbeispiele.

Unter einer seitlichen Ansicht ist eine Darstellung unter einem Blickwinkel gemeint, der in lateraler Richtung zum Halbleiterchip oder zu dem Querschnitt des Halbleiterchips verläuft. Unter einer Draufsicht ist eine Darstellung unter einem Blickwinkel gemeint, die vertikal zu dem Halbleiterchip verläuft.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.
Der in 1 dargestellte Halbleiterchip weist epitaktische Halbleiterschichten 2, 3, 4 auf. Jede dieser Halbleiterschichten kann grundsätzlich mehrere epitaktische Unterschichten aufweisen, die nicht dargestellt sind.
Der Halbleiterchip weist Struktureinheiten 5 in Form von Erhebungen oder Vorsprüngen auf. Die Struktureinheiten können ebenfalls epitaktisches Halbleitermaterial aufweisen oder aus diesem bestehen. Sie sind in einer Schicht 50 gebildet. Es ist auch möglich, dass die Schicht 50 kein epitaktisches Halbleitermaterial aufweist, sondern beispielsweise ein anorganisches Material wie Glas aufweist oder aus diesem gebildet ist.
Die Schicht 50 ist epitaktischen Halbleiterschichten 2, 3, 4 in Hauptabstrahlrichtung 6 nachgeordnet. Falls die Schicht 50 ein Halbleitermaterial aufweist, schließt sie die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips in der Hauptabstrahlrichtung 6 beispielsweise ab. Es ist möglich, dass der Schicht 50 und den Struktureinheiten 5 in Hauptabstrahlrichtung 6 zusätzliches Material nachgeordnet ist, das in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
Die Halbleiterschichtenfolge weist beispielsweise eine aktive Schicht 2, eine erste Mantelschicht 3 und eine zweite Mantelschicht 4 auf. Die erste Mantelschicht 3 und die zweite Mantelschicht 4 sind jeweils mit mindestens einem Dotierstoff dotiert, und weisen einen voneinander unterschiedlichen Leitungstyp auf. Beispielsweise ist die erste Mantelschicht 3 n-leitend dotiert und die zweite Mantelschicht 4 p-leitend dotiert. Es kann jedoch auch umgekehrt sein.
Der Halbleiterchip kann beispielsweise auf einem Nitrid-, Phosphid- oder Arsenid-Verbindungshalbleiter basieren.
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichten des Chips oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Zone, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
„Auf Phosphid-Verbindungs-Halbleitermaterial basierend“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Zone, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mP oder As_nGa_mIn_1-n-mP umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al bzw. As, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
„Auf Arsenid-Verbindungs-Halbleitermaterial basierend“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Zone, vorzugsweise Al_nGa_1-nAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Struktureinheiten 5 in einer durchgehenden oder geschlossenen Schicht 50 ausgebildet. Die Schicht 50 weist beispielsweise einen durchgehenden oder geschlossenen Teil auf, von dem die Struktureinheiten 5 in der Hauptabstrahlrichtung 6 wegragen.
Die Schicht 50, in der die Struktureinheiten ausgebildet sind, kann jedoch auch eine nicht durchgehende oder nicht geschlossene Schicht sein, die z.B. im Wesentlichen aus den voneinander beabstandeten Struktureinheiten 5 besteht, siehe 2. In dem Fall, dass die Struktureinheiten Ausnehmungen in der Schicht 50 sind, kann die Schicht 50 entsprechend Durchbrüche aufweisen.
Bei dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Struktureinheiten 5 durch Ausnehmungen in einer Schicht 50 ausgebildet.
Bei den in den 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispielen sind die Bereiche zwischen den Struktureinheiten 5 beispielsweise mit Luft gefüllt. Bei dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel bestehen die Struktureinheiten beispielsweise aus mit Luft gefüllten Ausnehmungen. Statt Luft können die Bereiche zwischen Struktureinheiten 5 oder die Struktureinheiten 5 selbst grundsätzlich beliebige andere gasförmige, flüssige und/oder feste Stoffe aufweisen. Wichtig ist, dass zwischen den Struktureinheiten 5 und den lateral angrenzenden Bereichen ein signifikanter Brechungsindexsprung besteht. Die Brechungsindizes der Struktureinheiten und der lateral angrenzenden Bereiche können sich beispielsweise um 1, um 2 oder um mehr als 2 voneinander unterscheiden.
Die Struktureinheiten 5 sind beispielsweise alle oder zumindest zum Großteil im Wesentlichen gleich groß und gleich geformt. Sie können jedoch auch geringfügige Unterschiede hinsichtlich einem oder mehrerer ihrer charakteristischen Größenparameter aufweisen.
Mögliche charakteristische Größenparameter sind zum Beispiel eine erste laterale Ausdehnung, eine senkrecht zur ersten lateralen Ausdehnung gemessene zweite laterale Ausdehnung und die vertikale Ausdehnung. Mindestens einer dieser Parameter kann bei den Struktureinheiten beispielsweise um höchstens 10 %, um höchstens 8 % oder um höchstens 5 % von dem entsprechenden Größenparameter der übrigen Struktureinheiten abweichen.
Ein weiterer möglicher charakteristischer Größenparameter der Struktureinheiten ist die Fläche einer Projektion der Struktureinheiten auf eine Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht 2. Die Fläche der Struktureinheiten 5 kann beispielsweise um 17 %, um 13 % oder um 7 % von der entsprechenden Fläche der jeweils übrigen Struktureinheiten abweichen. Bei einem Teil der Struktureinheiten können die Größenparameter grundsätzlich auch in höherem Maße von den entsprechenden Größenparametern der übrigen Struktureinheiten abweichen.
Bei den in den 1 bis 3 veranschaulichten Halbleiterchips sind die Struktureinheiten 5 in einer willkürlichen statistischen Verteilung angeordnet. Die Verteilung der Struktureinheiten erfüllt die Rahmenbedingung, dass die Verteilung der Abstände der nächsten Nachbarn eine Standardabweichung von mindestens +/- 10 % und höchstens +/-25 % von einem Mittelwert aufweist. Eine derartige Verteilung ist beispielsweise in 4 veranschaulicht, in der eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von Struktureinheiten 5 gezeigt ist.
Eine derartige Anordnung von Struktureinheiten 5 mit einer willkürlichen statistischen Verteilung lässt sich beispielsweise mittels natürlicher Lithografie erzeugen. Hierzu können beispielsweise Kügelchen oder andersartig geformte Körper als Maskenkörper für einen Ätzprozess verwendet werden. Dabei wird die Schicht 50, in der die Struktureinheiten 5 auszubilden sind, an den Stellen selektiv geätzt, die nicht durch einen Maskenkörper bedeckt sind.
Es kann beispielsweise ein Trockenätzverfahren angewendet werden. Als Maskenkörper können beispielsweise Polystyrol-Körper oder Siliziumdioxidkörper verwendet werden. Diese werden zum Beispiel mittels einer Flüssigkeit, die Wasser, Alkohol oder eine Mischung aus Wasser und Alkohol enthält, auf die Schicht 50 aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt beispielsweise mittels Eintauchen des Körpers, auf den die Maskenkörper aufzubringen sind, in die Flüssigkeit. Alternativ kann die Flüssigkeit z.B. auf den Körper aufgeschleudert werden.
Damit die oben genannte Rahmenbedingung erfüllt wird, können die Maskenkörper beispielsweise zunächst mit einer geringeren Dichte aufgebracht werden, als letztlich vorgesehen ist. Nachfolgend können die Körper dann gezielt zusammen geschoben werden, beispielsweise mechanisch. Dabei bleibt eine willkürliche statistische Verteilung erhalten.
Mit dem gleichen Verfahren können grundsätzlich auch Struktureinheiten in Form von Ausnehmungen erzeugt werden. Es kann beispielsweise ein negativer Fotolack auf die Schicht 50 aufgebracht werden und die Maskenkörper als Belichtungsmaske für diesen verwendet werden. Nachfolgend kann der Fotolack in den Bereichen, in denen die Maskenkörper angeordnet waren, selektiv entfernt werden und es kann mittels Ätzen, beispielsweise Trockenätzen, eine Vielzahl von Struktureinheiten 5 in Form von Ausnehmungen erzeugt werden.
Weitere beispielhafte Herstellungsverfahren können zusätzlich oder alternativ die Verwendung von Nano-Einprägen (englisch „Nano-Imprint“), Elektronenstrahl-Lithographie, Interferenz-Lithografie und/oder Phasenmasken-Lithografie umfassen.
Die in den 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiele des Halbleiterchips weisen jeweils eine Reflektorschicht 7 auf, die den Halbleiterschichten 2, 3, 4 in Bezug auf die Hauptabstrahlrichtung 6 vorgeordnet ist. Die Reflektorschicht 7 weist eine elektrisch isolierende Schicht 71 und eine metallisch-leitfähige Schicht 72 auf. Die elektrisch isolierende Schicht 71 hat Durchbrüche 73, sodass das metallisch-leitfähige Material der Schicht 72 durch diese hindurchgeführt werden kann. Das metallisch-leitfähige Material 72 dient zur Einspeisung elektrischen Stroms in die Halbleiterschichten des Halbleiterchips. Zwischen der Reflektorschicht 7 und den Halbleiterschichten 2, 3, 4 kann grundsätzlich mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht angeordnet sein, die nicht aus einem Halbleitermaterial besteht oder ein solches aufweist. Beispielsweise kann zwischen den Halbleiterschichten 2, 3, 4 und der Reflektorschicht 7 eine Schicht mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid (TCO) angeordnet sein.
Grundsätzlich können die Halbleiterchips auch frei von einem Reflektor 7 sein. Ein Reflektor 7 ist jedoch für die Erzeugung einer gerichteten Abstrahlcharakteristik des Halbleiterchips in Kombination mit der Anordnung der Struktureinheiten 5 vorteilhaft.
In 1 sind mittels Pfeilen die Hauptabstrahlrichtung 6 und Abstrahlrichtungen 9 unter einem Grenzwinkel 91 veranschaulicht. Verglichen mit einem Halbleiterchip ohne die Struktureinheiten 5 lässt sich mit einem Halbleiterchip, wie er in den 1 bis 3 veranschaulicht ist, erreichen, dass ein sehr viel größerer Anteil der elektromagnetischen Strahlung innerhalb eines Abstrahlwinkels 91 emittiert wird. Beispielsweise wird ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung innerhalb eines Abstrahlkegels von +/- 30° emittiert.
Der in 1 veranschaulichte Halbleiterchip weist einen Trägerkörper 8 auf. Die Reflektorschicht 7 ist zwischen dem Trägerkörper 8 und den Halbleiterschichten 2, 3, 4 angeordnet. Als Trägerkörper kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Halbleitermaterial verwendet werden.
Alle vorhergehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen des Halbleiterchips sind zum Beispiel frei von einem Epitaxiesubstrat. Selbstverständlich kann der Halbleiterchip auch mit einem Epitaxiesubstrat realisiert werden. Für die Erzeugung einer gerichteten Abstrahlcharakteristik ist es jedoch vorteilhaft, wenn das Epitaxiesubstrat zum Herstellen des Halbleiterchips zumindest teilweise oder vollständig entfernt wird.
Zusätzlich oder alternativ zu den anhand der 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen können sich die Struktureinheiten 5 auch über mehrere Schichten erstrecken, d.h. die Ausnehmungen können auch tiefer ausgebildet sein als in den Figuren dargestellt. Beispielsweise kann die Schicht 50 mehrere Schichten unterschiedlichen Materials aufweisen. Es ist auch möglich, dass sich die Ausnehmungen zur Bildung der Struktureinheiten 5 teilweise in die Halbleiterschichtenfolge 2, 3, 4 hinein oder vollständig durch diese hindurch erstrecken.
In den 5A, 5B bis 8A, 8B sind vier verschiedene Ausführungsbeispiele für eine mögliche Struktureinheit 5 jeweils sowohl in einer Seitenansicht als auch in einer Draufsicht schematisch dargestellt.
Bei dem in den 5A und 5B veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Struktureinheit 5 ein Körper, der eine in vertikaler Richtung im Wesentlichen gleich bleibende laterale Querschnittsfläche aufweist. In einer Draufsicht weist die Struktureinheit 5 eine in etwa kreisförmige Fläche auf (siehe 5B), wobei jedoch auch andere Flächenformen wie Rechtecke, Quadrate, etc. möglich sind. In 5A ist die vertikale Erstreckung 53 und in 5B eine erste laterale Erstreckung 51, die zweite laterale Erstreckung 52 und die Fläche 54 gekennzeichnet. Die Fläche 54 entspricht der Fläche einer Projektion der Struktureinheit 5 auf einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone des Chips.
Die in den 6A und 6B veranschaulichte Struktureinheit 5 weist in Draufsicht ebenfalls eine in etwa kreisrunde Form auf. Allgemein ausgedrückt kann die erste laterale Erstreckung 51 und die zweite laterale Erstreckung 52 der Struktureinheit 5 in etwa gleich groß sein. Im Unterschied zur vorhergehend beschriebenen Struktureinheit weist die in den 6A und 6B veranschaulichte Struktureinheit 5 eine sich in vertikaler Richtung oder in Hauptabstrahlrichtung verjüngende Form auf, siehe 6A.
Die in den 7A und 7B veranschaulichte Struktureinheit 5 weist eine in Hauptabstrahlrichtung gewandte Seite auf, die z.B. mehrere Wölbungen enthält. Die erste laterale Erstreckung 51 und die zweite laterale Erstreckung 52 sind unterschiedlich groß. In einer Draufsicht weist die Struktureinheit 5 eine unregelmäßige und unsymmetrische Form auf.
In den 8A und 8B ist ein Beispiel für eine Struktureinheit 5 veranschaulicht, die mit einer Ausnehmung in einer Schicht 50 ausgebildet ist. Die vertikale Erstreckung 52 ist die Tiefe der Ausnehmung.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer aktiven Schicht (2), die zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, und einer zweidimensionalen Anordnung von Struktureinheiten (5), die der aktiven Schicht (2) in einer Hauptabstrahlrichtung (6) des Halbleiterchips nachgeordnet ist, wobei die Struktureinheiten (5) jeweils eine erste laterale Erstreckung, eine senkrecht zur ersten lateralen Erstreckung gemessene zweite laterale Erstreckung und/oder eine vertikale Erstreckung aufweisen, die größer oder gleich dem 0,2-fachen einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung und kleiner oder gleich dem 5-fachen einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung ist, und die Struktureinheiten (5) in einer willkürlichen statistischen Verteilung angeordnet sind, mit der Rahmenbedingung, dass die Verteilung der Abstände der nächsten Nachbarn eine statistische Standardabweichung von mindestens +/- 10 % und höchstens +/- 25 % von einem Mittelwert aufweist und einige Abstände der nächsten Nachbarn dabei mehr als 25 % von dem Mittelwert abweichen.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und die vertikale Erstreckung der Struktureinheiten (5) jeweils größer sind als das 0,2-fache einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und die vertikale Erstreckung der Struktureinheiten (5) jeweils kleiner sind als das 5-fache einer Wellenlänge des Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und/oder die vertikale Erstreckung der Struktureinheiten (5) jeweils um weniger als oder höchstens 10 % von dem entsprechenden Wert der übrigen Struktureinheiten (5) abweicht.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fläche einer Projektion der Struktureinheiten (5) auf eine Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht (2) jeweils um weniger als oder höchstens 20 % von der entsprechenden Fläche der übrigen Struktureinheiten (5) abweicht.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fläche einer Projektion der Struktureinheiten (5) auf eine Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht (2) jeweils um weniger als oder höchstens 15 % von der entsprechenden Fläche der übrigen Struktureinheiten (5) abweicht.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fläche einer Projektion der Struktureinheiten (5) auf eine Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht (2) jeweils um weniger als oder höchstens 10 % von der entsprechenden Fläche der übrigen Struktureinheiten (5) abweicht.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste laterale Erstreckung, die zweite laterale Erstreckung und/oder die vertikale Erstreckung jeweils für den Großteil der Struktureinheiten (5) oder für alle Struktureinheiten (5) gleich groß ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Großteil der Struktureinheiten (5) oder alle Struktureinheiten (5) gleich groß und gleich geformt sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktureinheiten (5) in einer Schicht (50), die Halbleitermaterial aufweist, gebildet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 10, wobei die Schicht (50) eine Halbleiterschichtenfolge (2, 3, 4) des Halbleiterchips in der Hauptabstrahlrichtung (6) abschließt.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die aktive Schicht (2) Bestandteil einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (2, 3, 4) ist, die auf einer der Hauptabstrahlseite des Halbleiterchips gegenüberliegenden Seite mit einer Reflektorschicht (7) versehen ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 12, wobei der Halbleiterchip frei von einem Epitaxiesubstrat ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Trägerelement (8) enthalten ist und die Reflektorschicht (7) zwischen dem Trägerelement (8) und der Halbleiterschichtenfolge (2, 3, 4) angeordnet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Struktureinheiten (5) als Ausnehmungen ausgebildet sind, die sich teilweise teilweise in die Halbleiterschichtenfolge (2, 3, 4) hinein oder vollständig durch die Halbleiterschichtenfolge (2, 3, 4) hindurch erstrecken.