DE102011009369A1

DE102011009369A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011009369A1
Application number: DE201110009369
Authority: DE
Inventors: Dr. Höppel Lutz; Dr. Moosburger Jürgen; Dr. Linkov Alexander; Dr. Taeger Sebastian; Dr. Hahn Berthold
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-07-26
Also published as: WO2012100868A1

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (10) mit einem Halbleiterschichtenstapel (1) angegeben, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (1a) und eine Strahlungsaustrittsseite (1b) aufweist, und mit einer Konversionsschicht (2), die auf der Strahlungsaustrittsseite (1b) des Halbleiterschichtenstapels (1) angeordnet ist. Die Konversionsschicht (2) weist ein Matrixmaterial und Konverterpartikel auf, die geeignet sind, zuminmittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Das Matrixmaterial der Konversionsschicht (2) weist einen Brechungsindex auf, der an den Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels (1) angepasst ist. 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 darin angeordnete Konverterpartikel 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 oder konvertiertes Licht aufweisen, welches von einem Gehäuse oder dem Halbleiterchip selbst nicht vollständig reflektiert wird. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes kann es passieren, dass an der Grenzfläche der Materialien der unterschiedlichen Brechungsindizes in Richtung des Chips zurückgestreutes Licht wieder in den Halbleiter einkoppelt und dort erhöhte Verluste aufgrund von Mehrfachumläufen oder absorbierte Verluste erfährt.
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.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Halbleiterchip anzugeben, bei dem eine Rückreflexion der Strahlung in Richtung des Chips vermieden wird, ohne dabei die thermische Anbindung der Konversionsschicht oder die Homogenität des Farborts über den Abstrahlwinkel negativ zu beeinflussen. Zudem zeichnet sich der Chip durch eine effiziente Lichtauskopplung unabhängig von einer schwer kontrollierbaren Chipaufrauung aus. 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 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterchips und des Verfahrens zu dessen Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip einen Halbleiterschichtenstapel auf, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht und eine Strahlungsaustrittsseite aufweist. Weiter weist der Halbleiterchip eine Konversionsschicht auf, die auf der Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels angeordnet ist, wobei die Konversionsschicht ein Matrixmaterial und Konverterpartikel aufweist, die geeignet sind, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Das Matrixmaterial der Konversionsschicht weist einen Brechungsindex auf, der an den Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels angepasst ist.
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.
An den Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels angepasst bedeutet insbesondere, dass der Brechungsindex der Konversionsschicht an den Brechungsindex der Schichten des Halbleiterschichtenstapels angepasst ist. Insbesondere ist der Brechungsindex der Konversionsschicht an die Schicht des Halbleiterschichtenstapels angepasst, die den Halbleiterchip auf der Strahlungsaustrittsseite abschließt.
Angepasst bedeutet vorliegend, dass der Brechungsindex der Konversionsschicht dem Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels angenähert ist. Insbesondere ist die Abweichung zwischen Brechungsindex der Konversionsschicht und Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels möglichst gering. Vorzugsweise ist die Abweichung der Brechungsindizes weniger als 10%.
Beim vorliegenden Halbleiterchip wird demnach ein Brechungsindexsprung zwischen Konversionsschicht und Halbleiterschichtenstapel weitgehend vermieden, sodass eine Rückreflexion der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Richtung des Halbleiterchips vermieden wird. Dadurch werden Mehrfachumläufe im Chip und dadurch bedingte absorptive Verluste im Chip vermieden, was zu einer Effizienzsteigerung des Halbleiterchips führt.
Zudem sind die Konverterpartikel aufgrund der Einbettung in dem Matrixmaterial sehr gut thermisch an den Halbleiterchip angebunden. Die Konverterpartikel können dabei dicht gepackt in dem Matrixmaterial vorliegen, sodass die Höhe der Konversionsschicht gering ausgebildet sein kann. Die Höhe der Konversionsschicht bestimmt sich unter anderem durch die Wahl des Farbortes der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung.
Ein derartiger Halbleiterchip weist weiter vorteilhafterweise eine verbesserte Farbhomogenität über den Abstrahlwinkel auf, die aufgrund der resultierenden starken Streuung innerhalb der dünnen Konversionsschicht ermöglicht wird.
Weiter zeichnet sich ein derartiger Halbleiterchip dadurch aus, dass die Effizienz des Halbleiterchips unabhängig von einer Oberflächenrauigkeit des Halbleiterschichtenstapels ist, die meist schwer kontrollierbar ist. Das bedeutet, dass ohne Nachteil auf eine derartige Oberflächenrauigkeit des Halbleiterschichtenstapels verzichtet werden kann.
Zudem ermöglicht ein derartiger Halbleiterchip mit integrierter Konversionsschicht eine verbesserte thermische und optische Kopplung der Konversionsschicht an den Halbleiterschichtenstapel, die insbesondere von Vorteil für Anwendungen ist, die eine hohe Leuchtdichte benötigen, wie beispielsweise Projektionsanwendungen, Headlampen und Spotlichtanwendungen.
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_yAl1_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 aktive Schicht des Halbleiterschichtenstapels enthält vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Halbleiterchip weist eine Strahlungsaustrittsseite für die im Halbleiterchip erzeugte Strahlung auf. Aus der Strahlungsaustrittsseite wird vorzugsweise ein großer Anteil der von der aktiven Schicht erzeugten Strahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt. Auf der von der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegenden Seite weist der Halbleiterchip vorzugsweise eine Befestigungsseite auf, mit der der Halbleiterchip beispielsweise auf einem Trägersubstrat angeordnet ist.
Die Konversionsschicht ist der Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips vorzugsweise direkt nachgeordnet, sodass die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung beim Austritt aus dem Halbleiterchip durch die Konversionsschicht tritt oder in der Konversionsschicht in Strahlung einer anderen Wellenlänge umgewandelt wird.
Die Konverterpartikel sind vorzugsweise gleichmäßig in das Matrixmaterial der Konversionsschicht eingebracht, sodass eine gleichmäßige Strahlungsauskopplung über den Abstrahlwinkel und eine gleichmäßige Strahlungskonversion ermöglicht wird. Der Halbleiterchip emittiert insbesondere Mischstrahlung umfassend die von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung und die von den Konverterpartikeln konvertierte Strahlung. In der Konversionsschicht findet vorzugsweise keine Vollkonversion der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung statt, womit die Konversionsschicht zumindest für einen Teil der von der aktiven Strahlung emittierten Strahlung transparent ist, sodass dieser Anteil der Strahlung unkonvertiert durch die Konversionsschicht treten kann.
In einer Weiterbildung ist das Matrixmaterial für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung zumindest teilweise strahlungsdurchlässig beziehungsweise transparent. Vorzugsweise ist das Matrixmaterial zu 80%, bevorzugt für 90%, besonders bevorzugt für 95% der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung strahlungsdurchlässig.
In einer Weiterbildung liegen der Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels und der Brechungsindex des Matrixmaterials in einem Bereich zwischen einschließlich 2 und einschließlich 3. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels 2,52 und der Brechungsindex des Matrixmaterials der Konversionsschicht 2,4.
In einer Weiterbildung basiert der Halbleiterschichtenstapel auf GaN, wobei das Matrixmaterial TiO₂ enthält. GaN und TiO₂ haben mit Vorteil nahezu denselben Brechungsindex, wodurch ein im Halbleiterchip auftretender Brechungsindexsprung zwischen diesen Materialien vermieden werden kann, ohne dabei die thermische Anbindung der Konversionsschicht oder die Farbmischung negativ zu beeinflussen.
In einer Weiterbildung weisen die Konverterpartikel eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen einschließlich 1 μm und einschließlich 2 μm auf. Derartig feine Konverterpartikel in einem Matrixmaterial weisen genügend Volumenstreuung auf, sodass die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung ohne eine zusätzliche Streuung an der Oberfläche der Konversionsschicht ausgekoppelt werden kann. In diesem Fall ist eine Aufrauung der Oberfläche der Konversionsschicht oder eine Aufrauung der Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels mit Vorteil nicht notwendig.
In einer alternativen Ausgestaltung weisen die Konverterpartikel eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen einschließlich 8 μm und einschließlich 10 μm auf. In diesem Fall ist für eine effiziente Auskopplung eine zusätzliche Oberflächenstreuung von Vorteil. Diese zusätzliche Oberflächenstreuung kann durch eine raue Oberfläche der Konversionsschicht ermöglicht werden, die vorteilhafterweise durch die konforme Einbettung der Konverterpartikel in das Matrixmaterial erzeugt wird.
In einer Weiterbildung liegt die Höhe Konversionsschicht in einem Bereich zwischen einschließlich 1 μm und einschließlich 5 μm. Weisen die Konverterpartikel beispielsweise eine Größe von 5 μm auf, entspricht eine Dicke der Konversionsschicht von 5 μm genau eine Monolage der Konverterpartikel. Mit derartigen Konverterpartikeln kann die gesamte Bandbreite von warm bis kaltweißer Strahlung, die von dem Halbleiterchip emittiert wird, ermöglicht werden.
Bei einer Dicke der Konversionsschicht von lediglich 1 μm, also beispielsweise einer Monolage von Konverterpartikeln mit einer Größe von 1 μm, ermöglicht sich die Konversion für kaltweiße Strahlung.
In einer Weiterbildung sind die Konverterpartikel YAG-Partikel. YAG-Partikel sind dem Fachmann beispielsweise als feine YAG-Partikel oder als YAG-Partikel mit Standardgröße bekannt. Feine YAG-Partikel weisen eine Partikelgröße von zirka 1 μm bis 2 μm und YAG-Partikel der Standardgröße weisen eine Partikelgröße von zirka 8 μm bis 10 μm auf.
In einer Weiterbildung emittiert die aktive Schicht des Halbleiterschichtenstapels blaue Strahlung, wobei die Konverterpartikel geeignet sind, blaue Strahlung in gelbe Strahlung umzuwandeln. Hierfür eignet sich insbesondere ein Halbleiterschichtenstapel, der auf GaN basiert und als Konverterpartikel YAG. Der Halbleiterchip emittiert in diesem Fall somit Mischstrahlung aus blauer und gelber Strahlung, die einen Farbort im weißen Strahlungsbereich aufweist.
In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip eine Licht emittierende Diode (LED). Vorzugsweise ist der Halbleiterchip ein Dünnfilmchip, beispielsweise eine Dünnfilm-LED. 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 beispielsweise ein Trägersubstrat zur mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichten des Halbleiterschichtenstapels aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips weist folgende Schritte auf:

– Bereitstellen eines Aufwachssubstrats,
– Aufwachsen eines Halbleiterschichtenstapels auf das Aufwachssubstrat, der eine aktive Schicht und eine Strahlungsaustrittsseite umfasst,
– Aufbringen eines Matrixmaterials auf der Strahlungsaustrittsseite, wobei das Matrixmaterial der Konversionsschicht einen Brechungsindex aufweist, der an den Brechungsindex der Schichten des Halbleiterschichtenstapels angepasst ist, und
– Einbringen von Konverterpartikel in das Matrixmaterial, die geeignet sind, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln.

Die in Verbindung mit dem optoelektronischen Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden mit Vorteil die Konverterpartikel nachträglich in das Matrixmaterial mit einem Brechungsindex nahezu gleich dem Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels eingebettet. Nachträglich meint insbesondere, dass das Matrixmaterial bereits auf dem Halbleiterschichtenstapel angeordnet ist.
Die Konverterpartikel sind aufgrund der Einbettung in das Matrixmaterial sehr gut thermisch an den Halbleiterchip angebunden. Eine Oberflächenaufrauung des Halbleiterchips oder der Konversionsschicht ist mit Vorteil nicht notwendig.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Konverterpartikel in das Matrixmaterial mit einem ALD Verfahren (atomic layer deposition, Atomlagenabscheidung) oder einem CVD-Verfahren (chemical vapor deposition, chemische Gasphasenabscheidung) eingebracht. Derartige Verfahren sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erörtert.
In einer Weiterbildung wird durch das Einbringen der Konverterpartikel in das Matrixmaterial die von dem Halbleiterschichtenstapel abgewandte Seite des Matrixmaterials aufgeraut. Mit Vorteil ergibt sich durch die konforme Einbettung der Konverterpartikel demnach eine raue Oberfläche der Konversionsschicht, die insbesondere bei Konverterpartikel mit Größen von 8 μm bis 10 μm für eine homogene Auskopplung über den Abstrahlwinkel von Vorteil ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips,
2 ein schematisches Flussdiagramm in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, und
3A bis 3D jeweils ein Diagramm betreffend die Auskoppeleffizienz gegen den Farbort.
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile, wie beispielsweise Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In 1 ist ein Halbleiterchip 10 gezeigt, der einen Halbleiterschichtenstapel 1 und eine Konversionsschicht 2 umfasst. Der Halbleiterchip 10 ist beispielsweise eine LED, vorzugsweise eine Dünnfilm-LED.
Der Halbleiterschichtenstapel weist eine aktive Schicht 1a auf, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung im Betrieb zu erzeugen. Insbesondere umfasst der Halbleiterschichtenstapel 1 epitaktisch abgeschiedene Schichten, die den Stapel bilden. Die Schichten des Halbleiterschichtenstapels 1 basieren bevorzugt auf einem III/V-Verbindungshalbleitermaterial.
Der Halbleiterschichtenstapel 1 weist eine Strahlungsaustrittsseite 1b auf, aus der vorzugsweise größtenteils die von der aktiven Schicht 1a emittierte Strahlung austritt. Beispielsweise ist der Halbleiterschichtenstapel 1 ein oberflächenemittierender Chip.
Auf der Strahlungsaustrittsseite 1b ist eine Konversionsschicht 2 angeordnet. Insbesondere ist die Konversionsschicht 2 direkt auf der Strahlungsaustrittsseite 1b aufgebracht. Die Konversionsschicht 2 weist ein Matrixmaterial und Konverterpartikel auf, wobei die Konverterpartikel geeignet sind, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht 1a emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Der Halbleiterchip 10 emittiert somit Mischstrahlung, die von der aktiven Schicht 1a emittierte Strahlung und in der Konversionsschicht 2 konvertierte Strahlung umfasst. Vorzugsweise liegt die Mischstrahlung im weißen Farbortbereich. Hierzu emittiert die aktive Schicht 1a vorzugsweise blaue Strahlung, die von den Konverterpartikeln in der Konversionsschicht 2 zumindest teilweise in gelbe Strahlung umgewandelt wird, sodass der Halbleiterchip Mischstrahlung aus blauer und gelber Strahlung emittiert.
Das Matrixmaterial der Konversionsschicht ist vorzugsweise für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung transparent, sodass die von der aktiven Schicht 1a emittierte Strahlung durch das Matrixmaterial ungehindert durchtreten kann. Ungehindert bedeutet insbesondere ohne Streuung oder Absorption. Eine Streuung oder Absorption findet insbesondere nur an den Konverterpartikeln in der Konversionsschicht 2 statt.
Das Matrixmaterial der Konversionsschicht 2 weist einen Brechungsindex auf, der an den Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels 1 angepasst ist. Beispielsweise basiert der Halbleiterschichtenstapel 1 auf GaN. In diesem Fall enthält das Matrixmaterial vorzugsweise TiO₂. Hierbei liegen der Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels 1 und der Brechungsindex des Matrixmaterials in einem Bereich zwischen einschließlich 2 und einschließlich 3. Insbesondere liegen der Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels bei beispielsweise etwa 2,52 und der Brechungsindex des Matrixmaterials bei etwa 2,4.
Die Höhe H_K der Konversionsschicht 2 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen einschließlich 1 μm und einschließlich 5 μm. Die Konverterpartikel in der Konversionsschicht 2 weisen beispielsweise eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen einschließlich 1 μm und einschließlich 2 μm auf. Als Konverterpartikel finden beispielsweise YAG-Partikel Anwendung. YAG-Partikel mit Partikelgrößen von 1 μm bis 2 μm in der TiO₂-Matrixweisen vorteilhafterweise genügend Volumenstreuung auf, sodass die von der aktiven Schicht 1a emittierte Strahlung ohne eine zusätzliche Streuung an der Oberfläche der Konversionsschicht 2 effizient ausgekoppelt wird. Eine zusätzliche Aufrauung der Oberfläche der Konversionsschicht ist somit mit Vorteil nicht notwendig.
Aufgrund der Verwendung des Matrixmaterials der Konversionsschicht mit an die Schichten des Halbleiterchips angepassten Brechungsindex kann eine Reabsorption der Strahlung in dem Halbleiterchip vermieden werden. Eine derartige Reabsorption kann beispielsweise aufgrund von Rückreflexion an dem Brechungsindexsprung zwischen Konversionsschicht und Halbleiterschichtenstapel auftreten. Dieser Brechungsindexsprung ist vorliegend jedoch vermieden, sodass absorptive Verluste vermieden werden, womit eine effiziente Lichtauskopplung ermöglicht wird. Dabei wird mit Vorteil die thermische Anbindung der Konversionsschicht oder die Farbmischung, also die Homogenität über den Abstrahlwinkel, nicht negativ beeinflusst.
Die Konverterpartikel können in der Konversionsschicht dicht gepackt sein. Aufgrund der resultierenden Streuung innerhalb der Konversionsschicht wird eine sehr gute Farbhomogenität über den Abstrahlwinkel erzielt. Dabei ist die Abstrahleffizienz unabhängig von einer Oberflächenrauigkeit des Halbleiterschichtenstapels oder der Konversionsschicht, sodass auf eine Aufrauung dieser Komponenten ohne Nachteile verzichtet werden kann.
Alternativ können die Konverterpartikel eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen einschließlich 8 μm und einschließlich 10 μm aufweisen. In diesem Fall weist die Oberfläche der Konversionsschicht, die von dem Halbleiterschichtenstapel abgewandt ist, eine Aufrauung auf. Eine entsprechend raue Oberfläche der Konversionsschicht ergibt sich vorteilhafterweise automatisch durch die konforme Einbettung der Konverterpartikel in das Matrixmaterial.
Bei einer Dicke der Konversionsschicht 2 von 5 μm und bei Verwendung von Konverterpartikeln mit einer Größe von 5 μm kann vorteilhafterweise ein Halbleiterchip mit einer gesamten Bandbreite von warm bis kaltweißer, emittierter Strahlung erzielt werden. In diesem Fall entspricht die Konversionsschicht einer Monolage von YAG-Konverterpartikeln im Matrixmaterial.
Bei einer Dicke der Konversionsschicht 2 von 1 μm und bei einer Verwendung von Konverterpartikeln mit einer Größe von 1 μm wird eine Konversion in den kaltweißen Farbortbereich ermöglicht. In diesem Fall entspricht die Dicke der Konversionsschicht einer Monolage von feinen YAG-Konverterpartikeln eingebettet im Matrixmaterial.
In 2 ist ein Flussdiagramm zur Herstellung eines Halbleiterchips gezeigt, der beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt ist. Im Verfahrensschritt V1 wird ein Aufwachssubstrat bereitgestellt, auf dem die Schichten des Halbleiterschichtenstapels epitaktisch aufgewachsen werden. Im Verfahrensschritt V2 wird ein Matrixmaterial auf einer Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterschichtenstapels aufgebracht, wobei das Matrixmaterial einen Brechungsindex aufweist, der an den Brechungsindex der Schichten des Halbleiterschichtenstapels angepasst ist. Anschließend werden im Verfahrensschritt V3 die Konverterpartikel in das Matrixmaterial eingebettet. Eine konforme und störstellenfreie Einbettung kann beispielsweise mittels ALD-(atomic layer deposition) oder CVD-(chemical vapor deposition)Verfahren erzielt werden.
Die Konverterpartikel werden demnach nachträglich in das transparente Matrixmaterial der Konversionsschicht eingebettet. Das bedeutet, dass das Matrixmaterial zuerst ohne Konverterpartikel auf die Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips aufgebracht wird, wobei nach diesem Aufbringen des Matrixmaterials anschließend die Konverterpartikel in das Matrixmaterial eingebettet werden.
Durch das Einbringen der Konverterpartikel in das Matrixmaterial wird mit Vorteil die von dem Halbleiterschichtenstapel abgewandte Seite des Matrixmaterials aufgeraut. Durch die konforme Einbettung ergibt sich automatisch demnach eine entsprechend raue Oberfläche, die insbesondere für Konverterpartikel mit Größen von 8 bis 10 μm vorteilhaft ist.
In den 3A bis 3D sind jeweils Diagramme gezeigt, in denen die Auskoppeleffizienz in Form der Strahlungsleistung gegen den Farbort, insbesondere die X-Koordinate des Farborts, aufgetragen ist.
3A zeigt Messkurven von Chips mit YAG-Partikeln mit Größen von 1 μm und 2 μm, die in einer Silikonmatrix beziehungsweise einer TiO₂-Matrix eingebettet sind. In X-Richtung ist die X-Koordinate des Farborts aufgetragen, die sich von dem kaltweißen Farbort bis in den warmweißen Farbort erstreckt. In Y-Achse ist die Strahlungsleistung in beliebiger Größe aufgetragen. In den Diagrammen 3a bis 3d sind insbesondere Messkurven von Messungen von Halbleiterchips gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, wobei die Konversionsschicht in der Konverterpartikelgröße und der Konversionsschichthöhe variiert.
Die Messkurven S1 und S2 zeigen Konverterpartikel in einer Silikonmatrix. Im Vergleich dazu zeigen die Messkurven T1 bis T4 Konverterpartikel eingebettet in einer TiO₂-Matrix. Wie in dem Diagramm gezeigt, nehmen die Messkurven S1, S2 vom kaltweißen Farbort zum warmweißen Farbort deutlich in der Auskoppeleffizienz beziehungsweise Strahlungsleistung ab. Die Messkurven T1 bis T4 nehmen ebenfalls vom kaltweißen Farbort zum warmweißen Farbort in ihrer Strahlungsleistung ab. Jedoch zumindest im Bereich des warmweißen Farborts liegen die Messpunkte der Messkurven T1 bis T4 deutlich höher in ihrer Auskoppeleffizienz als die Messkurven S1, S2. Insbesondere zeigen die Messkurven T1 bis T4 eine um 4 bis 6% höhere Auskoppeleffizienz im warmweißen Farbortbereich. Diese Erhöhung lässt sich insbesondere aufgrund der reduzierten Rückreflexion aufgrund der angepassten Brechungsindizes erklären, wodurch mit Vorteil absorptive Verluste reduziert werden, womit sich die Auskoppeleffizienz erhöht.
In 3B sind im Unterschied zu dem Diagramm der 3A Konverterpartikel verwendet, die eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen 8 μm und 10 μm aufweisen. Hierbei ist deutlich gezeigt, dass zumindest die Messkurven T3, T4 eine höhere Auskoppeleffizienz aufweisen als die Messkurven S1, S2.
In den 3A und 3B unterscheiden sich die Messkurven der Messungen T1 bis T4 durch die Höhe der Konversionsschicht sowie der Ausgestaltung der Oberfläche der Konversionsschicht. Insbesondere weisen die Konversionsschichten zu den Messkurven T3, T4 eine aufgeraute Oberfläche auf, während die Konversionsschichten zu den Messkurven T1, T2 keine Aufrauung aufweisen. Die Messkurven T1, T3 und S2 weisen eine Höhe der Konversionsschicht von 5 μm auf, während die Schichten zu den Kurven T2, T4 und S1 eine Höhe von 1 μm aufweisen.
Wie in 3B gezeigt, ist bei größeren Partikeln eine Aufrauung der Oberfläche der Konversionsschicht zur Effizienzsteigerung zweckmäßig, wenn ein Farbort im kaltweißen Farbortbereich erwünscht ist.
Dieser Effekt ist ebenfalls in Verbindung mit 3C gezeigt. In 3C sind in dem Diagramm Messkurven unterschiedlicher Konverterpartikelgrößen und unterschiedlicher Konverterschichtenhöhen gezeigt. Die Messkurven G1 bis G3 weisen Konverterpartikelgrößen in einem Bereich zwischen 8 μm und 10 μm auf, wobei die Konverterschichthöhe von G1 zu G3 von 0,001 mm über 0,005 mm zu 0,025 mm ansteigt. Die Messkurven G4 und G5 zeigen Messungen mit Konverterpartikelgrößen im Bereich zwischen 1 μm und 2 μm, wobei die Konversionsschichtdicke von G4 zu G5 von 0,001 mm zu 0,005 mm ansteigt. Die Konversionsschichten weisen hierbei keine Oberflächenrauigkeit auf.
Wie dieses Diagramm zeigt, weisen Konversionsschichten mit kleinen Partikelgrößen bereits eine genügende Volumenstreuung auf, sodass das Licht bereits ohne eine zusätzliche Streuung der Oberfläche der Konversionsschicht effizient ausgekoppelt werden kann. Bei größeren Partikelgrößen dagegen ist eine zusätzliche Oberflächenstreuung für eine effiziente Auskopplung zweckmäßig, insbesondere im kaltweißen Farbortbereich.
In 3D sind Messkurven im Vergleich gezeigt. Die Messkurven im Bereich T_A beruhen auf Messungen von Konversionsschichten, die unterschiedliche Konverterpartikelgrößen und zusätzlich eine Oberflächenrauigkeit der Konversionsschicht aufweisen. Die Messkurven im Bereich T_NA zeigen dagegen Messungen mit Konversionsschichten ohne Oberflächenrauigkeit mit unterschiedlichen Partikelgrößen. Ist somit ein Farbortbereich des Halbleiterchips im kaltweißen Farbortbereich erwünscht, so ist eine zusätzliche Oberflächenrauigkeit zumindest bei Konverterpartikeln mit Größen zwischen einem Bereich von 8 μm und 10 μm zweckmäßig. Bei Partikelgrößen in einem Bereich zwischen 1 μm und 2 μm kann auf eine Oberflächenrauigkeit verzichtet werden. Im warmweißen Farbortbereich kann ebenfalls auf eine Oberflächenrauigkeit verzichtet werden. Insgesamt ist gezeigt, dass für eine bessere Strahlungsauskopplung eine Aufrauung der Konversionsschicht zweckmäßig ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (10) mit – einem Halbleiterschichtenstapel (1), der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (1a) und eine Strahlungsaustrittsseite (1b) aufweist, und – einer Konversionsschicht (2), die auf der Strahlungsaustrittsseite (1b) des Halbleiterschichtenstapels (1) angeordnet ist, wobei – die Konversionsschicht (2) ein Matrixmaterial und Konverterpartikel aufweist, die geeignet sind, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht (1a) emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, und – das Matrixmaterial der Konversionsschicht (2) einen B-rechungsindex aufweist, der an den Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels (1) angepasst ist.
Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei das Matrixmaterial für die von der aktiven Schicht (1a) emittierte Strahlung zumindest teilweise strahlungsdurchlässig ist.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex des Halbleiterschichtenstapels (1) und der Brechungsindex des Matrixmaterials in einem Bereich zwischen einschließlich 2,00 und einschließlich 3,00 liegen.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschichtenstapel (1) auf GaN basiert und das Matrixmaterial TiO₂ enthält.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterpartikel eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen einschließlich 1 μm und einschließlich 2 μm aufweisen.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Konverterpartikel eine Partikelgröße in einem Bereich zwischen einschließlich 8 μm und einschließlich 10 μm aufweisen.
Halbleiterchip nach Anspruch 6, wobei eine dem Halbleiterschichtenstapel (1) abgewandte Seite der Konversionsschicht (2) eine Aufrauung aufweist.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe der Konversionsschicht (2) in einem Bereich zwischen einschließlich 1 μm und einschließlich 5 μm liegt.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterpartikel YAG-Partikel sind.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (10) eine LED ist.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (10) ein Dünnfilm-Chip ist.
Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (1a) des Halbleiterschichtenstapels (1) blaue Strahlung emittiert und die Konverterpartikel geeignet sind, blaue Strahlung in gelbe Strahlung umzuwandeln.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips (10), mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines Aufwachssubstrats, – Aufwachsen eines Halbleiterschichtenstapels (1) auf das Aufwachssubstrat, der eine aktive Schicht (1a) und eine Strahlungsaustrittsseite (1b) umfasst, – Aufbringen eines Matrixmaterials auf der Strahlungsaustrittsseite (1b), wobei das Matrixmaterial einen Brechungsindex aufweist, der an den Brechungsindex der Schichten des Halbleiterschichtenstapels (1) angepasst ist, und – Einbringen von Konverterpartikeln in das Matrixmaterial, die geeignet sind, zumindest einen Teil der von der aktiven Schicht (1a) emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Konverterpartikel in das Matrixmaterial mit einem ALD-Verfahren oder einem CVD-Verfahren eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei durch das Einbringen der Konverterpartikel in das Matrixmaterial die von dem Halbleiterschichtenstapel (1) abgewandte Seite des Matrixmaterials aufgeraut wird.