DE102010051287A1

DE102010051287A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010051287A1
Application number: DE102010051287A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sabathil Matthias; Dr. Linkov Alexander; Christopher Kölper
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-16
Also published as: WO2012062512A1

Abstract

Es ist ein optoelektronischer Halbleiterchip (10) angegeben, der einen Halbleiterschichtenstapel (2) umfasst. Der Halbleiterschichtenstapel (2) weist eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht und eine Strahlungsaustrittsseite (21) auf. Der Halbleiterchip (10) weist weiter eine Konversionsschicht (3) auf, die mit einer Befestigungsseite (31) auf der Strahlungsaustrittsseite (21) des Halbleiterschichtenstapels (2) angeordnet ist. Die Konversionsschicht (3) ist geeignet, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Die Befestigungsseite (31) der Konversionsschicht (3) weist eine erste Nanostrukturierung (4) auf. Die Strahlungsaustrittsseite (21) des Halbleiterschichtenstapels (2) weist eine zweite Nanostrukturierung (5) auf. Weiter ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterchips (10) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip aufweisend einen Halbleiterschichtenstapel und eine Konversionsschicht und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Halbleiterchips mit darauf angeordneten Konversionsschichten sind gemäß dem Stand der Technik bekannt, wobei bei den herkömmlichen Halbleiterchips meist die Konversionsschicht einen niedrigeren Brechungsindex als die Schichten des Halbleiterschichtenstapels aufweist. Beispielsweise setzt sich die herkömmlicherweise bekannte Konversionsschicht aus einem Matrixmaterial, beispielsweise Silikon oder Harz, und einem darin angeordneten Konversionselement zusammen. Die Konversionsschicht ist beispielsweise als separate Schicht auf den Halbleiterchip aufgebracht oder als Volumenverguss um den Halbleiterchip angeordnet. Alternativ ist es bekannt, keramische Phosphorplättchen mittels beispielsweise eines Silikonklebers auf den Halbleiterchip zu kleben.
Derartige Konversionsschichten können jedoch nachteilig erhöhte Verluste durch gestreutes und konvertiertes Licht aufweisen, welches von einem Gehäuse oder dem Halbleiterchip selbst nicht vollständig reflektiert wird. Des Weiteren ist die thermische Anbindung der Konversionsschicht an den Halbleiterchip über ein Material, wie beispielsweise Harz oder Silikon, nicht optimal, sodass zusätzliche Effizienzverluste auftreten können. Zudem können Effizienzverluste aufgrund von Alterungseffekten auftreten, wie beispielsweise eine Rissbildung des Matrixmaterials.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Halbleiterchip anzugeben, bei dem eine Konversionsschicht optisch und thermisch verbessert an den Halbleiterchip gekoppelt ist, wobei der Halbleiterchip gleichzeitig eine Effizienzsteigerung der Strahlungsauskopplung aufweist. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Halbleiterchip anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Halbleiterchips mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterchips und des Verfahrens zu dessen Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Weiterbildung weist der optoelektronische Halbleiterchip einen Halbleiterschichtenstapel auf, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht und eine Strahlungsaustrittsseite aufweist. Weiter weist der Halbleiterchip eine Konversionsschicht auf, die mit einer Befestigungsseite auf der Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels angeordnet ist. Die Konversionsschicht ist geeignet, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Die Befestigungsseite der Konversionsschicht weist eine erste Nanostrukturierung auf. Die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels weist eine zweite Nanostrukturierung auf.
Ein optoelektronischer Halbleiterchip ist insbesondere ein Halbleiterchip, der die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Beispielsweise ist der optoelektronische Halbleiterchip ein strahlungsemittierender Halbleiterchip.
Die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels ist der Befestigungsseite der Konversionsschicht zugewandt. Das impliziert, dass die erste Nanostrukturierung der Konversionsschicht der zweiten Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels zugewandt ist. Die erste Nanostrukturierung der Konversionsschicht und die zweite Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels grenzen vorzugsweise direkt aneinander an. Insbesondere stehen die erste Nanostrukturierung der Konversionsschicht und die zweite Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels in direktem Kontakt.
Eine Nanostrukturierung ist insbesondere eine dreidimensionale Struktur, also eine Struktur, die räumlich ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Konversionsschicht stäbchen- oder säulenförmig ausgebildet.
Die Konversionsschicht ist vorliegend als strukturierte dünne Schicht auf dem Halbleiterschichtenstapel angeordnet. Insbesondere ist die Konversionsschicht direkt auf der zweiten Nanostrukturierung angeordnet. Dadurch vergrößert sich mit Vorteil die Berührungsfläche zwischen Konversionsschicht und Halbleiterschichtenstapel. Dadurch vergrößert sich wiederum die Wechselwirkungsfläche zwischen Konversionsschicht und Halbleiterschichtenstapel, wodurch mit Vorteil eine optische und thermische Kopplung der Konversionsschicht an den Halbleiterschichtenstapel erzeugt wird. Aufgrund der vergrößerten Berührungsfläche kann mit Vorteil zudem die Konversionseffizienz erhöht werden. Insbesondere können so optische Wellen der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung über eine größere Fläche in die Konversionsschicht eindringen und dort Wechselwirken beziehungsweise konvertiert werden. Die Konversionsschicht ist so an den Halbleiterschichtenstapel optimal gekoppelt, wobei optische Konversionsverluste vorteilhafterweise reduziert werden können.
Zusätzlich ergibt sich mit Vorteil eine verringerte Reabsorption der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in der aktiven Schicht des Halbleiterschichtenstapels. Dies ist insbesondere von Vorteil bei Halbleiterschichten mit einer Dicke von größer fünf Quantenfilmen.
Der Halbleiterschichtenstapel, insbesondere die aktive Schicht, enthält mindestens ein III/V-Halbleitermaterial, etwa ein Material aus den Materialsystemen In_xGa_yAl_1-x-yP, In_xGa_yAl_1-x-yN oder In_xGa_yAl_1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ x, y ≤ 1 und x + y ≤ 1. III/V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (In_xGa_yAl_1-x-yN), über den sichtbaren (In_xGa_yAl_1-x-yN, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder In_xGa_yAl_1-x-yP, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (In_xGa_yAl_1-x-yAs) Spektralbereich besonders geeignet.
Die Konversionsschicht ist beispielsweise eine Schicht aufweisend ein Materialmatrix und ein darin eingebettetes Konversionselement, das geeignet ist, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln.
Beispielsweise weist die Konversionsschicht als Matrixmaterial Silikon oder Harz auf, wobei als Konversionselement beispielsweise YAG, LuAG, II/VI-Materialien oder Phosphor Verwendung findet. Das Konversionselement ist vorzugsweise gleichmäßig in dem Matrixmaterial eingebracht, sodass eine gleichmäßige Strahlungskonversion ermöglicht wird.
In einer Weiterbildung sind die erste Nanostrukturierung und die zweite Nanostrukturierung jeweils als eine Mehrzahl von Nanostäben ausgebildet. Als Nanostab wird insbesondere eine stab- oder säulenartige Struktur bezeichnet, die eine größere Höhe als laterale Ausdehnung aufweist. Dem Fachmann sind so genannte Nanostäbe beispielsweise auch unter dem Begriff Nanorod oder Nanowire bekannt. Die Querschnittsfläche der Nanostäbe kann dabei rund, oval oder eckig ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung weisen die Nanostäbe der ersten Nanostrukturierung jeweils einen Durchmesser in einem Bereich zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 1 μm auf. Die Nanostäbe haben dabei mindestens einen Durchmesser in der Größenordnung der von der aktiven Schicht emittierten Strahlungswellenlänge, um ein Eindringen der optischen Welle in die erste Nanostrukturierung zu gewährleisten. Im Falle einer kleineren Ausgestaltung der Durchmesser der Nanostäbe ergibt sich für die optische Welle ein mittlerer Brechungsindex und es kommt zu einer verminderten Eindringwahrscheinlichkeit. Beispielsweise weisen die Nanostäbe bei einem Brechungsindex von n = 2.4 einen bevorzugten Durchmesser von etwa 200 nm auf. Die Durchmesser haben bevorzugt maximal einen Durchmesser von 1 μm, um bei einer vorgegebenen Schichtdicke ein möglichst großes Aspektverhältnis und damit eine möglichst große Oberfläche zu ermöglichen. Dadurch kann eine erhöhte optische Kopplung über evaneszentes Eindringen sowie ein möglichst großes Konversionsvolumen erzielt werden.
In einer Weiterbildung liegen die Durchmesser der Nanostäbe der zweiten Nanostrukturierung in einem Bereich der Durchmesser der Nanostäbe der ersten Nanostrukturierung.
In einer Weiterbildung beträgt das Verhältnis erste Nanostrukturierung zu zweiter Nanostrukturierung über die Querschnittsfläche des Halbleiterchips etwa 50%. Damit kann die Strahlung an der Grenzfläche beziehungsweise Interface zwischen Halbleiterschichtenstapel und Konversionsschicht optimal gestreut werden, womit eine optimale Strahlungsauskopplung erzielt werden kann.
Die Nanostäbe der ersten Nanostrukturierung weisen dabei einen Durchmesser in einer Größenordnung der Eindringtiefe der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in die Konversionsschicht auf. Als Eindringtiefe ist insbesondere die Länge zu verstehen, mit der eine optische Welle in ein anderes insbesondere niedrigbrechenderes Material eindringt, obwohl der Lichtstrahl eigentlich total-reflektiert wird.
Die Höhe der Nanostäbe der ersten und zweiten Nanostrukturierung ist abhängig von dem Herstellungsprozess wie beispielsweise Abscheidung der Konversionsschicht auf einem Aufwachssubstrat sowie dem Strukturierungsprozess und von dem gewünschten Konversionsgrad, der abhängig von der Dicke der Konversionsschicht und deren Dotierung ist.
In einer Weiterbildung sind die erste Nanostrukturierung und die zweite Nanostrukturierung derart zueinander angeordnet, dass diese ineinandergreifen.
Sind die erste und zweite Nanostrukturierung demnach als Nanostäbe ausgebildet, so sind die Nanostäbe der ersten Nanostrukturierung und die Stäbe der zweiten Nanostrukturierung zueinander versetzt angeordnet, sodass die Nanostäbe der ersten Nanostrukturierung in den Zwischenräumen der Nanostäbe der zweiten Nanostrukturierung angeordnet sind, und umgekehrt.
In einer Weiterbildung sind die erste Nanostrukturierung und die zweite Nanostrukturierung kammartig ausgebildet. Insbesondere greifen die erste und die zweite Nanostrukturierung kammartig ineinander.
In einer Weiterbildung grenzen die erste Nanostrukturierung und die zweite Nanostrukturierung direkt aneinander an, sodass diese eine Schichtenfolge aufweisend eine Mehrzahl von sich abwechselnden ersten und zweiten Schichten in lateraler Richtung ausbilden.
In diesem Fall ist vorzugsweise die erste Nanostrukturierung in Zwischenräumen der zweiten Nanostrukturierung angeordnet und umgekehrt. Insbesondere sind die erste Nanostrukturierung und die zweite Nanostrukturierung abwechselnd lateral nebeneinander angeordnet und stehen in direktem Kontakt. Zwischen der ersten Nanostrukturierung und der zweiten Nanostrukturierung ist somit kein Abstand angeordnet.
Die ersten Schichten der Schichtenfolge sind somit durch die erste Nanostrukturierung und die zweiten Schichten der Schichtenfolge durch die zweite Nanostrukturierung gebildet.
In lateraler Richtung bedeutet insbesondere senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips. Insbesondere ist der Halbleiterchip vorzugsweise ein oberflächenemittierender Halbleiterchip, dessen Hauptabstrahlrichtung senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Schichten des Halbleiterschichtenstapels gerichtet ist. In lateraler Richtung bedeutet also vorliegend senkrecht zur lateralen Ausdehnungsebene der Schichten des Halbleiterschichtenstapels. Insbesondere bedeutet in lateraler Richtung senkrecht zu einer Aufwachsrichtung der Schichten des Halbleiterschichtenstapels.
In einer Weiterbildung durchdringt die erste Nanostrukturierung die Konversionsschicht vollständig. In diesem Fall ist die Konversionsschicht vollständig strukturiert ausgebildet. Das bedeutet, dass erste Bereiche des Halbleiterschichtenstapels mit Konversionsschicht bedeckt sind, während an zweiten Bereichen kein Material der Konversionsschicht auf dem Halbleiterschichtenstapel angeordnet ist. Vorteilhafterweise decken sich die zweiten Bereiche ohne Material der Konversionsschicht mit den Bereichen der zweiten Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels, wobei die ersten Bereiche mit Material direkt an die zweite Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels angrenzen.
So kann vorteilhafterweise ermöglicht werden, dass Schichten des Halbleiterschichtenstapels bereichsweise, insbesondere in den zweiten Bereichen, direkt auf einem Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen werden können. Zudem ermöglicht sich so ein effizientes Ankoppeln der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung an die Konversionsschicht.
In einer Weiterbildung ist die Konversionsschicht in der zweiten Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels derart angeordnet, dass die der Befestigungsseite gegenüberliegende Seite der Konversionsschicht und die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels eine ebene Fläche ausbilden. In diesem Fall füllt die Konversionsschicht auftretende Zwischenräume zwischen der zweiten Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels auf, sodass der Halbleiterschichtenstapel in Kombination mit der Konversionsschicht eine ebene Fläche aufweist. Die von der Befestigungsseite gegenüberliegende Seite der Konversionsschicht und die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels gehen nahtlos ineinander über.
In einer Weiterbildung sind die Konversionsschicht und der Halbleiterschichtenstapel optisch und thermisch gekoppelt. Eine derartige Kopplung wird beispielsweise durch die Materialauswahl des Halbleiterschichtenstapels und der Konversionsschicht ermöglicht. Eine optische Kopplung erfolgt beispielsweise über ähnliche oder gleiche Brechungszahlen der Materialien. Beispielsweise weisen die Materialien einen Brechungsindex von etwa 2,4 auf.
In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip ein Dünnfilmchip. Als Dünnfilmchip wird im Rahmen der Anmeldung ein Halbleiterchip angesehen, während dessen Herstellung das Aufwachssubstrat, auf dem der Halbleiterschichtenstapel epitaktisch aufgewachsen wurde, vorzugsweise vollständig abgelöst ist. Der Dünnfilmchip kann dabei beispielsweise ein Trägersubstrat zur mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichten des Halbleiterschichtenstapels aufweisen.
In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip ein strahlungsemittierender Halbleiterchip, insbesondere eine LED, vorzugsweise eine Dünnfilm-LED.
Ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips weist folgende Schritte auf:

– Bereitstellen eines Aufwachssubstrats,
– Aufbringen einer Konversionsschicht auf das Aufwachssubstrat,
– bereichsweises Entfernen der Konversionsschicht, sodass das Aufwachssubstrat in diesen Bereichen freigelegt wird, und
– Aufwachsen eines Halbleiterschichtenstapels auf den freigelegten Bereichen des Aufwachssubstrats und auf der Konversionsschicht.

Die in Verbindung mit dem optoelektronischen Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
Das Verfahren ermöglicht das Aufbringen einer Konversionsschicht auf ein Aufwachssubstrat vor Aufwachsen der Schichten des Halbleiterschichtenstapels. So können etwaige Temperschritte an der Konversionsschicht durchgeführt werden, ohne die Schichten des Halbleiterschichtenstapels dadurch zu schädigen.
Anschließend wird die Konversionsschicht strukturiert, beispielsweise in Form einer Mehrzahl von Nanostäben. Dabei wird die Konversionsschicht bereichsweise vollständig entfernt, sodass in diesen Bereichen das Aufwachssubstrat frei von Material der Konversionsschicht vorliegt. Aufgrund dieser freigelegten Bereiche kann die Epitaxie der Schichten des Halbleiterschichtenstapels erfolgen. Mittels des epitaktischen Aufwachsens der Schichten des Halbleiterschichtenstapels werden die Zwischenräume zwischen den Nanostrukturen der Konversionsschicht aufgefüllt, sodass in diesen Bereichen das Material des Halbleiterschichtenstapels und das Aufwachssubstrat in direktem Kontakt stehen. Zwischen der Konversionsschicht und dem Halbleiterschichtenstapel ist dabei bevorzugt kein Abstand angeordnet.
Nach dem Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Nanostrukturen der Konversionsschicht erfolgt ein weiteres epitaktisches Wachstum auf der strukturierten Konversionsschicht.
Die Konversionsschicht wird somit vollständig strukturiert ausgebildet, wobei zwischen den Strukturen der Konversionsschicht Halbleitermaterial aufgewachsen wird. Der Aufwachsprozess stoppt nicht mit Erreichen der Höhe der Konversionsschicht, sondern wird über diese Höhe weiter betrieben, sodass das Material des Halbleiterschichtenstapels zusätzlich auf einer Befestigungsseite der Konversionsschicht aufgebracht wird.
Nach dem vollständigen Aufwachsen des Halbleiterschichtenstapels kann das Aufwachssubstrat von der Konversionsschicht und dem Halbleiterschichtenstapel gelöst beziehungsweise vollständig entfernt werden. So wird die Strahlungsaustrittsseite freigelegt, sodass die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung bei Austritt aus dem Halbleiterchip lediglich durch die Konversionsschicht hindurchtritt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird durch das bereichsweise Entfernen der Konversionsschicht eine Konversionsschicht ausgebildet, die eine erste Nanostrukturierung aufweist. Insbesondere ist die Konversionsschicht in Form einer Mehrzahl von Nanostäben ausgebildet.
In einer Weiterbildung wird durch das Aufwachsen des Halbleiterschichtenstapels auf der ersten Nanostrukturierung der Konversionsschicht ein Halbleiterschichtenstapel ausgebildet, der eine zweite Nanostrukturierung aufweist. Diese zweite Nanostrukturierung ist insbesondere in den Zwischenräumen der Strukturierung der Konversionsschicht angeordnet.
Die aktive Schicht des Halbleiterschichtenstapels ist vorzugsweise in dem Bereich des Stapels angeordnet, der keine Nanostrukturierung aufweist.
In einer Weiterbildung wird die zweite Nanostrukturierung des Halbleiterschichtenstapels in den entfernten Bereichen der Konversionsschicht ausgebildet.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Konversionsschicht mittels eines Laserstrahlverdampfens aufgebracht. Derartige Verfahren sind dem Fachmann auch unter dem Begriff PLD-Verfahren (PLD: pulsed laser deposition) bekannt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Durchmesser der ersten und zweiten Nanostrukturierung derart ausgebildet, dass diese etwa im Bereich mindestens einer Wellenlänge der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung liegen. Dadurch wird die Konversionseffizienz optimiert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1A einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips,
1B eine schematische Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips,
2A bis 2C jeweils einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterchips im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren,
3 ein Diagramm betreffend die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung abhängig vom Einfallswinkel in eine Konversionsschicht,
4A und 4B jeweils eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Halbleiterchips und dazu ermittelte experimentelle Daten.
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile, wie zum Beispiel Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In 4A ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterchips 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Halbleiterchip 10 weist einen Halbleiterschichtenstapel 2 auf, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht umfasst. Auf einer Unterseite des Halbleiterschichtenstapels 2 ist eine Spiegelschicht 6 angeordnet, die geeignet ist, die von der aktiven Schicht des Halbleiterschichtenstapels 2 emittierte Strahlung in Richtung einer Strahlungsaustrittsseite zu reflektieren. Beispielsweise umfasst die Spiegelschicht 6 Silber.
Auf der Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels 2, die der Spiegelschicht 6 gegenüberliegt, ist eine Konversionsschicht 3 angeordnet. Die Konversionsschicht 3 umfasst ein Matrixmaterial, beispielsweise Silikon oder Harz, und ein darin eingebettetes Konversionselement. Die Konversionsschicht 3 ist mittels einer Haftvermittlungsschicht 7, die beispielsweise Silikonkleber umfasst, auf die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels 2 geklebt.
Die von dem Halbleiterschichtenstapel 2 abgewandte Fläche der Konversionsschicht 3 weist eine Strukturierung auf. Die Strukturierung umfasst hierbei insbesondere dreidimensionale Erhebungen, die beispielsweise jeweils in Form eines Pyramidenstumpfes ausgebildet sind.
Auch die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels 2 weist eine derartige Strukturierung auf, die ebenso beispielsweise als Pyramidenstümpfe ausgebildet ist. Dabei ist die Strukturierung der Konversionsschicht 3 und die Strukturierung des Halbleiterschichtenstapels 2 auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Konversionsschicht 3 angeordnet. Die Strukturierung der Konversionsschicht 3 und die Strukturierung der Halbleiterschichtenstapel 2 grenzen somit nicht aneinander an, da das Material der Konversionsschicht zwischen den Strukturierungen angeordnet ist.
Bei einem derartigen Halbleiterchip 10 gemäß dem Stand der Technik können aufgrund von gestreutem und konvertiertem Licht, welches von den Komponenten des Halbleiterchips nicht vollständig reflektiert wird, Effizienzverluste auftreten. Des Weiteren ist die thermische Anbindung über ein Matrixmaterial aus beispielsweise Harz oder Silikon nicht optimal, sodass zusätzliche Effizienzverluste diesbezüglich auftreten können. Zudem können nachteilig Alterungseffekte wie beispielsweise Rissbildung des Matrixmaterials auftreten.
Um derartige Nachteile zu eliminieren, ist es erforderlich, die Konversionsschicht 3 optisch und thermisch so gut wie möglich an den Halbleiterschichtenstapel 2 anzukoppeln.
In 4B ist ein Diagramm dargestellt, bei dem eine optische Kopplung abhängig vom Brechungsindex experimentell ermittelt worden ist. In dem Diagramm ist die Strahlungsauskoppeleffizienz in Prozent gegen eine Anpassung des Brechungsindex des Materials der Konversionsschicht an den Brechungsindex des Materials des Halbleiterschichtenstapels aufgetragen. Die Strahlungsauskoppeleffizienz ist insbesondere mittels Säulen 8a, 8b gezeigt. Dabei weisen die Werte bei n = 1 (x-Achsenwert) den größten Unterschied zwischen dem Brechungsindex der Konversionsschicht und dem Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels auf. Bei n = 9 (x-Achsenwert) sind die Brechungsindizes der Materialien der Konversionsschicht und des Halbleiterschichtenstapels gleich, liegen insbesondere bei etwa 2,4. Die Brechungsindizes der Materialien der Konversionsschicht und des Halbleiterschichtenstapels zwischen n = 1 (x-Achsenwert) und n = 9 (x-Achsenwert) liegen in einem Bereich zwischen 1,5 und 2,5.
Das Diagramm weist bei jedem x-Wert die zwei Säulen 8a, 8b auf. Die Säule 8b betrifft jeweils einen Halbleiterchip, der eine Strahlung im kaltweißen Wellenlängenbereich emittiert. Die Säulen 8a dagegen betreffen Halbleiterchips, die eine warmweiße Strahlung emittieren.
Wie in dem Diagramm dargestellt wird eine optisch perfekte Kopplung der Konversionsschicht an den Halbleiterschichtenstapel bei einem Brechungsindize von 2, 4 erzielt. Bei derartig ausgestalteten Halbleiterchips sind die optischen Konversionsverluste vollständig eliminiert. Jedoch weisen die herkömmlicherweise verwendeten Konversionselemente typischerweise nicht den gleichen Brechungsindex wie das Material des Halbleiterschichtenstapels auf, wodurch eine optisch optimale Kopplung nicht ermöglich wird. Zudem ist herkömmlicherweise kein Verfahren bekannt, bei dem die Konversionsschicht auf den Halbleiterschichtenstapel aufgebracht wird, ohne eine geeignete Haftvermittlungsschicht wie beispielsweise Silikon oder Harz zu verwenden.
Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterchip kann nun eine optisch und thermisch optimale Anbindung der Konversionsschicht an den Halbleiterschichtenstapel ermöglicht werden. In 1A ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips 10 im Querschnitt gezeigt. Der Halbleiterchip 10 weist ein Aufwachssubstrat 1 auf. Das Aufwachssubstrat 1 weist eine Aufwachsseite 11 auf. Auf der Aufwachsseite 1 ist eine Konversionsschicht 3 angeordnet. Die Konversionsschicht 3 ist nicht vollflächig auf der Aufwachsseite 11 des Aufwachssubstrats 1 aufgebracht. Insbesondere ist die Konversionsschicht 3 strukturiert ausgebildet, weist also eine erste Nanostrukturierung 4 auf.
Im Ausführungsbeispiel der 1A ist die Konversionsschicht 3 stäbchenförmig ausgebildet. Die Konversionsschicht 3 weist demnach eine Mehrzahl von Nanostäben 4 auf, die lateral nebeneinander auf der Aufwachsseite 11 des Aufwachssubstrats 1 angeordnet sind. Zwischen den Nanostäben 4 sind Zwischenräume angeordnet, sodass die einzelnen Nanostäbe 4 der Konversionsschicht 3 nicht direkt aneinandergrenzen. Nanostäbe sind in der vorliegenden Anmeldung insbesondere dreidimensionale Formen, die eine größere Höhe H als Breite entlang der lateralen Richtung aufweisen. Entlang der lateralen Richtung R_l bedeutet vorliegend insbesondere entlang der Ausdehnung des Aufwachssubstrats 1, also parallel zur Aufwachsfläche des Aufwachssubstrats 1.
Die Durchmesser der Nanostäbe 4 der Konversionsschicht 3 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in etwa 200 nm. Vorzugsweise liegen die Durchmesser der einzelnen Nanostäbe 4 in einem Bereich zwischen 200 nm und 1 μm. Die Nanostäbe 4 haben dabei mindestens einen Durchmesser in der Größenordnung einer von einer aktiven Schicht des Halbleiterchips 10 emittierten Strahlungswellenlänge, um ein Eindringen der optischen Welle in die Nanostäbe 4 zu ermöglichen. Beispielsweise weisen die Nanostäbe 4 bei einem Brechungsindex von n = 2.4 einen bevorzugten Durchmesser von etwa 200 nm auf. Die Durchmesser haben bevorzugt maximal einen Durchmesser von 1 μm, um bei einer vorgegebenen Schichtdicke ein möglichst großes Aspektverhältnis und damit eine möglichst große Oberfläche zu ermöglichen. Dadurch kann eine erhöhte optische Kopplung über evaneszentes Eindringen sowie ein möglichst großes Konversionsvolumen erzielt werden.
Vorzugsweise weisen die einzelnen Nanostäbe 4 der Konversionsschicht 3 eine im Wesentlichen gleiche Höhe auf.
Die Nanostäbe 4 der Konversionsschicht 3 bilden eine von dem Aufwachssubstrat 1 abgewandte Befestigungsseite 31 aus.
In den Zwischenräumen zwischen den Nanostäben 4 der Konversionsschicht 3 ist Halbleitermaterial eingebracht. Dieses Halbleitermaterial ist insbesondere Teil eines Halbleiterschichtenstapel 2. Der Halbleiterschichtenstapel 2 erstreckt sich somit in die Zwischenräume zwischen den Nanostäben 4 der Konversionsschicht 3 und zudem auf der Befestigungsseite 31 der Konversionsschicht 3. Über der Befestigungsseite 31 der Konversionsschicht 3 ist der Halbleiterschichtenstapel 2 demnach ganzflächig ausgebildet.
Der Halbleiterschichtenstapel 2 weist eine Strahlungsaustrittsseite 21 auf. Die Strahlungsaustrittsseite 21 ist insbesondere dem Aufwachssubstrat 1 zugewandt. Mit der Strahlungsaustrittsseite 21 ist der Halbleiterschichtenstapel 2 direkt an dem Aufwachssubstrat 1 angeordnet. Insbesondere erstreckt sich das Halbleitermaterial des Halbleiterschichtenstapels 2 durch die Zwischenräume der Nanostäbchen 4 der Konversionsschicht 3, sodass in den Zwischenräumen das Halbleitermaterial bis an das Aufwachssubstrat 1 reicht. Im Bereich der Konversionsschicht 3 bildet der Halbleiterschichtenstapel 2 demnach eine zweite Nanostrukturierung aus, die derart angeordnet ist, dass die erste Nanostrukturierung 4 der Konversionsschicht 3 und die zweite Nanostrukturierung 5 des Halbleiterschichtenstapels 2 ineinandergreifen. Vorzugsweise greifen die erste und zweite Nanostrukturierung 4, 5 derart ineinander, dass kein Abstand zwischen dem Material der Konversionsschicht und dem Material des Halbleiterschichtenstapels angeordnet ist.
Die erste und die zweite Nanostrukturierung 4, 5 sind somit kammartig ausgebildet, wobei die kammartigen Strukturierungen ineinander greifen. Die zweite Nanostrukturierung durchdringt dabei die erste Nanostrukturierung vollständig. Die erste Nanostrukturierung und die zweite Nanostrukturierung bilden dabei an der Strahlungsaustrittsseite und die der Befestigungsseite 31 gegenüberliegende Seite der Konversionsschicht 3 eine ebene Fläche aus, auf die der restliche Halbleiterschichtenstapel 2 vollflächig aufgebracht ist.
Aufgrund der ersten Nanostrukturierung und der zweiten Nanostrukturierung vergrößert sich vorteilhafterweise die Grenzfläche zwischen Konversionsschicht 3 und Halbleiterschichtenstapel 2. Dadurch kann eine möglichst große Wechselwirkungsfläche zwischen Konversionsschicht 3 und Halbleiterschichtenstapel 2 ermöglicht werden, wodurch eine größere Wahrscheinlichkeit besteht, dass von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in die Konversionsschicht eindringt und dort in Strahlung einer anderen Wellenlänge konvertiert.
Die Höhe der zweiten Nanostrukturierung 5 des Halbleiterschichtenstapels 2 entspricht der Höhe der ersten Nanostrukturierung 4 der Konversionsschicht 3. Die erste und zweite Nanostrukturierung 4, 5 sind insbesondere jeweils stäbchenförmig ausgebildet, wobei die Nanostäbe der ersten und zweiten Nanostrukturierung derart angeordnet sind, dass diese eine Schichtenfolge in lateraler Richtung R_l ausbilden. Das bedeutet, dass senkrecht zur Aufwachsfläche 11 des Aufwachssubstrats 1 jeweils abwechselnd ein Nanostab 3a der Konversionsschicht 3 und ein Nanostab 4a des Halbleiterschichtenstapels 2 angeordnet sind. Es wird demnach in lateraler Richtung eine Schichtenfolge aus ersten Schichten 3a mit Material der Konversionsschicht 3 und aus zweiten Schichten 4a aus Material des Halbleiterschichtenstapels 2 ausgebildet.
Ein Halbleiterchip 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1A kann somit insbesondere in drei Bereiche eingeteilt werden, dem ersten Bereich, in dem sich das Aufwachssubstrat befindet, dem zweiten Bereich, in dem die Nanostäbe 4 der Konversionsschicht und die Nanostäbe 5 des Halbleiterschichtenstapels schichtenartig angeordnet sind, und dem dritten Bereich, in dem der Halbleiterschichtenstapel 2 ganzflächig über der ersten Nanostrukturierung 4 und der zweiten Nanostrukturierung 5 angeordnet ist. Der erste Bereich, der zweite Bereich und der dritte Bereich sind insbesondere in Aufwachsrichtung vertikal übereinander angeordnet.
Der Halbleiterschichtenstapel 2 weist eine aktive Schicht zur Strahlungserzeugung auf. Die aktive Schicht ist insbesondere im dritten Bereich des Halbleiterchips 10 angeordnet.
Die Konversionsschicht 3 weist beispielsweise ein Matrixmaterial aus Silikon oder Harz auf, in dem ein Konversionselement gleichmäßig verteilt eingebettet ist. Das Konversionselement der Konversionsschicht ist insbesondere geeignet, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, sodass ein Halbleiterchip 10 erzeugt wird, der von der aktiven Schicht emittierte Strahlung und konvertierte Strahlung emittiert. Beispielsweise kann so ein weiß emittierender Chip hergestellt werden.
In der Konversionsschicht kann alternativ eine Mehrzahl von Konversionselementen angeordnet sein, die jeweils einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandeln, sodass eine Mehrzahl von konvertierten Strahlungen erzeugt wird.
Der Halbleiterchip 10 des Ausführungsbeispiels der 1A ist vorzugsweise ein LED-Chip, beispielsweise ein Dünnfilm-LED-Chip. In der Ausgestaltung eines Dünnfilm-LED-Chips wird der Halbleiterschichtenstapel 2 auf einer von dem Aufwachssubstrat 1 abgewandten Seite auf beispielsweise einem Trägersubstrat befestigt, wobei anschließend das Aufwachssubstrat vollständig abgelöst wird, sodass die Strahlungsaustrittsseite 21 des Halbleiterschichtenstapels 2 frei von Material vorliegt.
In 1B ist eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip 10 dargestellt. 1B ist beispielsweise ein Ausschnitt auf einen Bereich des Halbleiterchips der 1A.
Die Konversionsschicht 3 weist eine erste Nanostrukturierung 4 auf, wobei in den Zwischenräumen zwischen der ersten Nanostrukturierung 4 der Halbleiterschichtenstapel 2 in Form einer zweiten Nanostrukturierung 5 angeordnet ist. Das Verhältnis erste Nanostrukturierung zu zweiter Nanostrukturierung über die Querschnittsfläche des Halbleiterchips beträgt dabei etwa 50%. Damit kann die Strahlung an der Grenzfläche beziehungsweise Interface zwischen Halbleiterschichtenstapel 2 und Konversionsschicht 3 optimal gestreut werden, womit eine optimale Strahlungsauskopplung erzielt werden kann.
In den 2A bis 2C sind Halbleiterchips 10 dargestellt, die sich im Herstellungsverfahren befinden. Mit dem in den 2A bis 2C dargestellten Herstellungsverfahren wird beispielsweise ein Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1A hergestellt.
In 2A wird ein Aufwachssubstrat bereitgestellt, das geeignet ist, auf diesem epitaktisch Halbleiterschichten eines Halbleiterschichtenstapels aufzuwachsen. Auf das Aufwachssubstrat 2a wird auf eine Aufwachsseite 11 eine Konversionsschicht 3 vollständig aufgebracht. Die Konversionsschicht 3 weist eine von dem Aufwachssubstrat 1 gegenüberliegende Befestigungsseite 31 auf. Die Konversionsschicht 3 wird beispielsweise mittels eines Laserstrahlverdampfens aufgebracht. Dem Fachmann ist ein derartiges Aufbringverfahren auch unter dem Begriff PLD, pulsed laser deposition, bekannt.
Während oder nach dem Aufbringprozess der Konversionsschicht 3 können Temperschritte Verwendung finden. Da zuerst die Konversionsschicht 3 auf dem Aufwachssubstrat aufgebracht wird, bevor ein Halbleiterschichtenstapel aufgebracht wird, führen derartige Temperschritte nicht zu einer Schädigung des Halbleiterschichtenstapels, insbesondere der aktiven Schicht.
Anschließend an das Aufbringverfahren der Konversionsschicht 3 wird diese ursprünglich ganzflächig ausgebildete Konversionsschicht 3 strukturiert. Insbesondere wird die Konversionsschicht 3 bereichsweise vollständig entfernt, sodass in diesen Bereichen das Aufwachssubstrat 1, insbesondere die Aufwachsseite 11, freigelegt wird. Vorliegend wird die Konversionsschicht 3 derart strukturiert, dass eine Mehrzahl von Nanostäben 4 ausgebildet wird, die in lateraler Richtung R_l auf dem Aufwachssubstrat 1 angeordnet sind. Die Nanostäbe 4 der Konversionsschicht 3 sind dabei voneinander mittels eines Abstandes getrennt, wobei die Abstände den freigelegten Bereichen B_F entsprechen. Die Konversionsschicht 3 weist somit Bereiche auf, in denen Material angeordnet sind, und Bereiche B_F auf, die frei von Material sind.
Die Durchmesser der Nanostäbe 4 der Konversionsschicht 3 liegen vorliegend etwa in einem Bereich zwischen 200 nm und 1 μm. Die Durchmesser sind insbesondere optimal an die Eindringtiefe der Strahlung in die Konversionsschicht angepasst. Dieser Effekt wird insbesondere im Zusammenhang mit 3 näher erörtert.
Anschließend an den so hergestellten Halbleiterchip der 2 wird seitens der Konversionsschicht 3 der Halbleiterschichtenstapel epitaktisch aufgewachsen. Dieses epitaktische Wachstum kann insbesondere deshalb erfolgen, da bereichsweise das Aufwachssubstrat 1 freigelegt ist. Mittels des epitaktischen Aufwachsens werden also die Zwischenräume zwischen den Nanostäben 4 der Konversionsschicht 3 aufgefüllt und danach über geeignete Wachstumsbedingungen ganzflächig weitergewachsen. So entsteht ein Halbleiterchip 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1A.
In 3 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem die Eindringtiefe A in Nanometer gegen den Einfallswinkel α in Grad aufgetragen ist. Der Einfallswinkel α betrifft insbesondere den Einfallswinkel der von aktiven Schicht emittierten Strahlung auf die Grenzfläche zwischen Halbleiterschichtenstapel und Konversionsschicht. Die Eindringtiefe A betrifft insbesondere die Länge, mit der eine optische Welle in ein anderes insbesondere niedrigbrechenderes Material eindringt, obwohl der Lichtstrahl eigentlich totalreflektiert wird.
Die Durchmesser der Nanostrukturierungen der Konversionsschicht 3 und des Halbleiterschichtenstapels 2 sind insbesondere an die Eindringtiefe angepasst. Wie in dem Diagramm gezeigt, liegt die Eindringtiefe in etwa im Mittel bei 50 nm. Diese Größenordnung wird bei der Strukturierung der Konversionsschicht 3 und des Halbleiterschichtenstapels 2 beachtet. Dadurch ergibt sich mit Vorteil eine optimal optische Kopplung der Konversionsschicht 3 an den Halbleiterschichtenstapel 2.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr weist die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen auf, 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.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (10) mit – einem Halbleiterschichtenstapel (2), der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht und eine Strahlungsaustrittsseite (21) aufweist, und – einer Konversionsschicht (3), die mit einer Befestigungsseite (31) auf der Strahlungsaustrittsseite (21) des Halbleiterschichtenstapels (2) angeordnet ist, wobei – die Konversionsschicht (3) geeignet ist, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, – die Befestigungsseite (31) der Konversionsschicht (3) eine erste Nanostrukturierung (4) aufweist, und – die Strahlungsaustrittsseite (21) des Halbleiterschichtenstapels (2) eine zweite Nanostrukturierung (5) aufweist.
Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die erste Nanostrukturierung (4) und die zweite Nanostrukturierung (5) jeweils als eine Mehrzahl von Nanostäben ausgebildet sind.
Halbleiterchip nach Anspruch 2, wobei die Nanostäbe (4, 5) jeweils einen Durchmesser von mindestens einer Wellenlänge der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung aufweisen.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nanostrukturierung (4) und die zweite Nanostrukturierung (5) derart zueinander angeordnet sind, dass diese ineinander greifen.
Halbleiterchip nach Anspruch 4, wobei die erste Nanostrukturierung (4) und die zweite Nanostrukturierung (5) kammartig ausgebildet sind.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nanostrukturierung (4) und die zweite Nanostrukturierung (5) direkt aneinander angrenzen, sodass diese eine Schichtenfolge aufweisend eine Mehrzahl von ersten Schichten (3a) und eine Mehrzahl von zweiten Schichten (4a) in lateraler Richtung (R_l) ausbilden.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nanostrukturierung (4) die Konversionsschicht (3) vollständig durchdringt.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konversionsschicht (3) in der zweiten Nanostrukturierung (5) des Halbleiterschichtenstapels (2) derart angeordnet ist, dass die von der Befestigungsseite (31) gegenüberliegende Seite der Konversionsschicht (3) und die Strahlungsaustrittsseite (21) des Halbleiterschichtenstapels (2) eine ebene Fläche ausbilden.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konversionsschicht (3) und der Halbleiterschichtenstapel (2) optisch und thermisch gekoppelt sind.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (10) ein Dünnfilm-Chip ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips (10), mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (1), – Aufbringen einer Konversionsschicht (3) auf das Aufwachssubstrat (1), – Bereichsweises Entfernen der Konversionsschicht (3), sodass das Aufwachssubstrat (1) in diesen Bereichen (B_f) freigelegt wird, und – Aufwachsen eines Halbleiterschichtenstapels (2) auf den freigelegten Bereichen (B_f) des Aufwachssubstrats (1) und auf der Konversionsschicht (3).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei durch das bereichsweise Entfernen eine Konversionsschicht (3) ausgebildet wird, die eine erste Nanostrukturierung (4) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei durch das Aufwachsen des Halbleiterschichtenstapels (2) ein Halbleiterschichtenstapel (2) ausgebildet wird, der eine zweite Nanostrukturierung (5) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite Nanostrukturierung (5) des Halbleiterschichtenstapels (2) in den entfernten Bereichen (B_f) der Konversionsschicht (3) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, wobei die Konversionsschicht (3) mittels eines Laserstrahlverdampfens aufgebracht wird.