DE102011015726B9 - Halbleiterchip, Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Halbleiterchip, Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip (100) umfassend einen Halbleiterkörper (6) aus Halbleitermaterial, eine dem Halbleiterkörper (6) in Abstrahlrichtung nachgeordnete Auskoppelfläche (9) und eine Spiegelschicht (1), wobei- der Halbleiterkörper (6) eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (2) aufweist,- die Spiegelschicht (1) auf der der Auskoppelfläche (9) abgewandten Seite des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist,- der Abstand (d3) zwischen der aktiven Schicht (2) und der Spiegelschicht (1) derart eingestellt ist, dass eine von der aktiven Schicht (2) in Richtung der Auskoppelfläche (9) emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht (1) reflektierten Strahlung derart interferiert, dass der Halbleiterchip (100) eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweist,- ein Vergussmaterial (7) auf dem Halbleiterkörper (6) angeordnet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials, und- folgende Formel gilt: p2= p1+ (d1-d3) *tan (asin (n2/n1) ) +d2*tan (α2), wobei p1die Halbgröße der bestromten aktiven Schicht, p2die Halbgröße der Auskoppelfläche, d1die Höhe des Halbleiterkörpers, d2die Höhe des Vergussmaterials, d3der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, n1der Brechungsindex des Halbleitermaterials und n2der Brechungsindex des Vergussmaterials sind, mit 0 ≤ α2< 90°.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip aufweisend einen Halbleiterkörper, ein Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips und Verfahren zu deren Herstellung.
  • Halbleiterchips zur Anwendung bei beispielsweise Beamer oder Projektoren, die mit einem bildgebenden Element verbunden werden, sind bereits bekannt, wobei als bildgebende Elemente beispielsweise ein LCD (liquid crystal display) oder ein DLP (digital light processor) Anwendung finden. Eine Kombination derartiger Halbleiterchips mit den bildgebenden Elementen ist jedoch durch optische Verluste ineffizient und benötigt eine große Bauteilhöhe in Richtung des Strahlengangs.
  • Effizienter und kompakter ist der Ansatz, Halbleiterchips und bildgebendes Element in einem Bauteil zu realisieren. Dabei ergibt sich jedoch nachteilig das Problem, dass Strahlung aus einem emittierenden Halbleiterchip in einen benachbarten gegebenenfalls ausgeschalteten Halbleiterchip gelangt und dort ausgekoppelt wird. Dadurch sinkt nachteilig der Kontrast derartiger Bauteile.
  • Beispielsweise sind in den Druckschriften US 2007 / 0 297 750 A1 und US 2009 / 0 154 516 A1 VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) und RCLEDs (Resonant Cavity Light Emitting Diodes) beschrieben, die jeweils eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweisen können.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Halbleiterchip anzugeben, bei dem eine Strahlungsauskopplung in lateraler Richtung vermieden wird, wodurch sich vorteilhafterweise eine erhöhte Effizienz in Vorwärtsrichtung ergibt. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips anzugeben, bei dem ein Einkoppeln emittierter Strahlung eines Halbleiterchips in einen benachbarten Halbleiterchip vermieden wird, sodass sich das Display durch einen verbesserten Kontrast auszeichnet. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Halbleiterchip und für ein derartiges Display anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden unter anderem durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, ein Display mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips und ein Verfahren zum Herstellen eines Displays mit den Merkmalen der nebengeordneten Verfahrensansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip einen Halbleiterkörper aus Halbleitermaterial, eine dem Halbleiterkörper in Abstrahlrichtung nachgeordnete Auskoppelfläche und eine Spiegelschicht auf, wobei der Halbleiterkörper eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht aufweist. Die Spiegelschicht ist auf der der Auskoppelfläche abgewandten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet. Der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Spiegelschicht ist derart eingestellt, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung der Auskoppelfläche emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht reflektierten Strahlung derart interferiert, dass der Halbleiterchip eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweist.
  • 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 Abstrahlcharakteristik beschreibt die Winkelabhängigkeit der Lichtintensität bezogen auf die Intensität in einer Hauptabstrahlrichtung. Die Hauptabstrahlrichtung ist dabei die vertikale Richtung bezogen auf die laterale Ausdehnung der aktiven Schicht beziehungsweise des Halbleiterchips.
  • Vorliegend wird der Abstand der aktiven Schicht zur Spiegelschicht so ausgestaltet, dass die Strahlungsemission des Halbleiterchips stärker in Vorwärtsrichtung gerichtet wird, also verstärkt in Richtung Hauptabstrahlrichtung, insbesondere vertikal zur lateralen Ausdehnung der aktiven Schicht. Bevorzugt ist der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht so eingestellt, dass die Strahlungsintensität in Vorwärtsrichtung maximal wird. Die Strahlungsemission seitlich zur aktiven Schicht oder zum Halbleiterchip ist aufgrund des eingestellten Abstandes dabei reduziert, bevorzugt unterbunden. Der Halbleiterchip weist also keine Lambert'sche Abstrahlcharakteristik auf. Eine derartige Ausrichtung ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „Beamshaping“ bekannt.
  • Die Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung wird unter anderem durch Resonanz erzeugt. Im Halbleiterkörper bildet sich eine Intensitätsverteilung aus, die vorteilhafterweise eine Strahlungsemission des Halbleiterchips in Vorwärtsrichtung ermöglicht, also in Richtung senkrecht zur lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips, insbesondere in Hauptabstrahlrichtung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Vergussmaterial auf dem Halbleiterkörper angeordnet, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials.
  • Die aus dem Halbleiterchip emittierte Strahlung wird vorzugsweise im Wesentlichen durch die Auskoppelfläche des Halbleiterchips ausgekoppelt. Vorzugsweise wird 80 % der in der aktiven Schicht emittierten Strahlung, besonders bevorzugt 90 % der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung durch die Auskoppelfläche aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt.
  • Die Spiegelschicht kann vorzugsweise zudem als p-Kontakt des Halbleiterchips dienen. Die n-Kontaktierung des Halbleiterchips kann dabei ebenfalls an der von der Auskoppelfläche gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips erfolgen. Beispielsweise ist der n-Kontakt elektrisch isoliert an der vom Halbleiterchip abgewandten Seite der Spiegelschicht angeordnet und mittels elektrisch isolierten Durchbrüchen, sogenannten Vias, durch den Spiegel zur n-Seite des Halbleiterchips geführt. Alternativ kann der n-Kontakt auf der Auskoppelseite des Halbleiterchips zwischen Halbleiterkörper und Vergussmaterial angeordnet sein. In diesem Fall ist der n-Kontakt bevorzugt eine strahlungsdurchlässige Schicht, beispielsweise aufweisend TCO, oder als Metallgitterkontakt ausgebildet.
  • In einer Weiterbildung weist die Auskoppelfläche eine laterale Ausdehnung auf, die kleiner ist als eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper weist insbesondere eine Hauptfläche auf, die gegenüber der Spiegelschicht angeordnet ist, wobei die Hauptfläche bereichsweise die Auskoppelfläche umfasst. Die Auskoppelfläche ist dabei vorzugsweise zentral in der Hauptfläche angeordnet. Das bedeutet insbesondere, dass in Randbereichen der Hauptfläche, die neben der Auskoppelfläche angeordnet sind, im Wesentlichen keine Strahlung ausgekoppelt wird. Vorzugsweise wird in Randbereichen höchstens 10 % der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung ausgekoppelt.
  • In Aufsicht auf den Halbleiterchip weist der Halbleiterchip demnach eine Hauptfläche auf, die eine Mehrzahl von Bereichen aufweist, so genannte Pixel. Ein Pixel umfasst beispielsweise die Auskoppelfläche, wobei lateral angrenzend an die Auskoppelfläche benachbarte Pixel angeordnet sind, durch die vorteilhafterweise keine oder kaum Strahlung ausgekoppelt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt folgende Formel: p 2 = p 1 +   ( d 1 − d 3 ) * tan ( asin ( n 2 / n 1 ) ) +  d 2 * tan ( α 2 ) ,
    Figure DE102011015726B9_0001
    wobei p1 die Halbgröße der bestromten aktiven Schicht, p2 die Halbgröße der Auskoppelfläche, d1 die Höhe des Halbleiterkörpers, d2 die Höhe des Vergussmaterials, d3 der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, n1 der Brechungsindex des Halbleitermaterials und n2 der Brechungsindex des Vergussmaterials sind, mit 0 ≤ α2 < 90°.
  • Die Halbgröße entspricht dabei der halben lateralen Ausdehnung.
  • Wenn die bestromte aktive Schicht eine Halbgröße p1 hat, dann kann die optimale minimale Halbgröße der zugehörigen Auskoppelfläche p2 durch oben genannte Formel berechnet werden. Der Kontrast des Halbleiterchips wird begrenzt unter anderem durch eine Unbestimmtheit von d2*tan(α2), da bei großem Winkel α2 der tan(α2) gegen Unendlich geht. Das bedeutet, dass der Kontrast nicht beliebig groß werden kann, da immer ein Teil der Strahlung benachbart zur Auskoppelfläche ausgekoppelt wird. Daneben gibt es an den Grenzflächen zwischen dem Material des Halbleiterkörpers und dem Vergussmaterial Fresnelreflexionen, sodass reflektiertes Licht in den Halbleiterkörper zurückreflektiert wird, dort an der Spiegelschicht reflektiert wird, und so durch Bereiche ausgekoppelt wird, die benachbart der Auskoppelfläche liegen.
  • In einer Weiterbildung ist zwischen der aktiven Schicht und der Auskoppelfläche ein Bragg-Spiegel angeordnet. Vorzugsweise besteht der Bragg-Spiegel aus λ/4-Schichten, beispielsweise fünf λ/4-Schichten. Bevorzugt umfasst der Bragg-Spiegel AlxGa(1-x)N- und GaN-Schichten. Der so angeordnete Bragg-Spiegel erhöht mit Vorteil den Beamshaping-Effekt und damit die Effizienz des Halbleiterchips signifikant. Insbesondere verstärkt der Bragg-Spiegel die Strahlungsemission in Vorwärtsrichtung.
  • Der Bragg-Spiegel ermöglicht vorteilhafterweise eine Intensitätserhöhung für die Strahlen, die in Vorwärtsrichtung emittiert werden und eine Intensitätserniedrigung für die Strahlen, die in lateraler Richtung emittiert werden.
  • Die Auskoppelfläche und der Halbleiterkörper weisen eine vertikale Symmetrieachse auf, wobei bevorzugt die Symmetrieachse der aktiven Schicht und die Symmetrieachse der Auskoppelfläche direkt übereinander liegen. Der Bragg-Spiegel ist vorteilhafterweise derart angeordnet, dass eine Symmetrieachse des Bragg-Spiegels mit der Symmetrieachse der aktiven Schicht und der Symmetrieachse der Auskoppelfläche übereinstimmt. Der Bragg-Spiegel ist vorzugsweise im Halbleiterkörper integriert.
  • In einer Weiterbildung ist auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite des Vergussmaterials eine Konversionsschicht aufgebracht. Die Konversionsschicht umfasst vorzugsweise eine transparente Keramik oder Halbleitermaterial, beispielsweise II/VI-Halbleitermaterial. Vorzugsweise weist die Konversionsschicht keine Streuzentren wie beispielsweise Konverterpartikel auf. Alternativ weist die Konversionsschicht ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten Konverterpartikeln auf, wobei der Brechungsindex der Konverterpartikel und der Brechungsindex des Matrixmaterials gleich sind, sodass keine Streuzentren durch die Konverterpartikel ausgebildet werden.
  • Die Konversionsschicht ist geeignet, eine von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Dabei kann die Konversionsschicht derart ausgebildet sein, dass eine Vollkonversion erfolgt. Unter Vollkonversion ist insbesondere zu verstehen, dass die Konversionsschicht den größten Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandelt, sodass der Chip im Wesentlichen nur konvertierte Strahlung emittiert. Alternativ erfolgt eine partielle Konversion. Unter partieller Konversion ist insbesondere zu verstehen, dass die Konversionsschicht derart ausgebildet ist, dass lediglich ein Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umgewandelt wird, sodass der Chip Mischstrahlung aus konvertierter Strahlung und von der aktiven Schicht emittierter Strahlung emittiert.
  • Die Konversionsschicht weist einen vom Vergussmaterial unterschiedlichen Brechungsindex auf. Vorzugsweise ist der Brechungsindex der Konversionsschicht an den Brechungsindex des Halbleitermaterials angepasst. Das bedeutet, dass der Brechungsindex der Konversionsschicht angenähert ist an den Brechungsindex des Halbleiterkörpers. Die Abweichung zwischen Brechungsindex der Konversionsschicht und Brechungsindex des Halbleiterkörpers ist möglichst gering, vorzugsweise kleiner als 10 %. An der Grenzfläche zwischen Vergussmaterial und Konversionsschicht treten somit ebenfalls Fresnel-Reflexionen auf, wodurch reflektiertes Licht zurück in den Halbleiterkörper reflektiert wird, dort an der Spiegelschicht reflektiert wird und anschließend über die Hauptfläche ausgekoppelt wird.
  • In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip eine LED, vorzugsweise eine Dünnfilm-LED. Als Dünnfilm-LED wird im Rahmen der Anmeldung eine LED angesehen, während deren Herstellung das Aufwachssubstrat, auf dem der Halbleiterkörper epitaktisch aufgewachsen wurde, vorzugsweise vollständig abgelöst ist.
  • Der Halbleiterkörper, insbesondere das Halbleitermaterial, basiert vorzugsweise auf InGaN, InGaAlP oder InAlGaAs.
  • In einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip kein Vergussmaterial auf. In diesem Fall ist die Konversionsschicht direkt mit dem Halbleiterkörper verbunden, beispielsweise mittels Direktbonden des Halbleiterkörpers und der Konversionsschicht.
  • Die Auskoppelfläche weist eine laterale Ausdehnung in einem Bereich zwischen einschließlich 100 nm bis einschließlich 100 µm auf. Bevorzugt liegt die laterale Ausdehnung der Auskoppelfläche in einem Bereich zwischen einschließlich 2 µm und 10 µm.
  • In einer Ausführungsform weist ein Display eine Mehrzahl von oben genannten Halbleiterchips auf, die lateral nebeneinander angeordnet sind. Beispielsweise sind die Halbleiterchips lateral nebeneinander auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet. Die Halbleiterchips sind dabei vorzugsweise ohne Abstand nebeneinander angeordnet. Alternativ können zwischen den Halbleiterchips Bereiche angeordnet sein, deren aktive Schicht im Betrieb nicht bestromt wird, sodass in diesen Bereichen im Betrieb keine Strahlung erzeugt wird.
  • Die in Verbindung mit dem Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Display und umgekehrt.
  • Ein Display mit derartigen Halbleiterchips zeichnet sich insbesondere durch einen erhöhten Kontrast aus. Dieser erhöhte Kontrast kann dadurch erzielt werden, dass die einzelnen Halbleiterchips des Displays jeweils eine Abstrahlcharakteristik mit Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweisen, sodass lediglich höchstens ein geringer Anteil der emittierten Strahlung in einen benachbarten Halbleiterchip einkoppelt und dort ausgekoppelt wird.
  • In einer Weiterbildung des Displays weist die Mehrzahl von Halbleiterchips einen gemeinsamen Halbleiterkörper auf. Der Halbleiterkörper weist dabei eine aktive Schicht auf, die lateral voneinander beabstandete, im Betrieb bestromte Bereiche aufweist. Zwischen den Bereichen der im Betrieb bestromten aktiven Schicht ist jeweils ein Bereich angeordnet, in dem der Halbleiterkörper Halbleitermaterial enthält, das im Betrieb nicht bestromt wird.
  • In einer Weiterbildung sind die bestromten Bereiche der aktiven Schicht und die Auskoppelflächen benachbarter Halbleiterchips jeweils in einem lateralen Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise ist vertikal über jeweils einer bestromten aktiven Schicht jeweils eine Auskoppelfläche symmetrisch angeordnet.
  • In einer Weiterbildung ist zwischen den Vergussmaterialien benachbarter Halbleiterchips jeweils eine Aussparung angeordnet, die vorzugsweise ein Gas mit einem Brechungsindex von etwa 1 umfasst. In diesem Fall weist jeder Halbleiterchip oder jeder Bereich eines Halbleiterchips ein Vergussmaterial auf, wobei in Bereichen zwischen den einzelnen Halbleiterchips auf dem Halbleitermaterial kein Vergussmaterial angeordnet ist, sondern in diesem Bereich das Gas eingeschlossen ist.
  • In einer Weiterbildung ist auf der von dem Vergussmaterial abgewandten Seite der aktiven Schicht zwischen den im Betrieb bestromten Bereichen der aktiven Schicht benachbarter Halbleiterchips jeweils eine Absorberschicht angeordnet. Der Halbleiterkörper weist somit zwischen den bestromten Bereichen der aktiven Schicht integriertes Absorbermaterial auf, wobei dieses Material geeignet ist, die von den bestromten Bereichen der aktiven Schicht emittierte Strahlung zu absorbieren. Die Absorberschicht und die mit Gas gefüllte Aussparung sind dabei vertikal übereinander angeordnet, wobei zwischen der Absorberschicht und der Aussparung Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Dieses Halbleitermaterial wird im Betrieb nicht bestromt. Die Aussparung und die Absorberschicht eliminieren vorteilhafterweise emittiertes Licht, das von einem Halbleiterchip in Richtung eines benachbarten Halbleiterchips emittiert wird. Durch den starken Brechungsindexsprung zwischen Halbleitermaterial und Gas werden die in Richtung des Nachbarchips emittierten Strahlen an der Aussparung totalreflektiert und anschließend in der Absorberschicht absorbiert. Diese Strahlen können dadurch vorteilhafterweise nicht mehr aus den Nachbarchips ausgekoppelt werden, sodass sich vorteilhafterweise der Kontrast derartiger Displays erhöht.
  • In einer Weiterbildung weist die Konversionsschicht eine Mehrzahl von Bereichen auf, die geeignet sind, von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren. In Aufsicht auf die Konversionsschicht weist diese demnach eine Mehrzahl von Bereichen auf, die geeignet sind, die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung voneinander unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren. Beispielsweise ist ein erster Bereich so ausgebildet, dass die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in rote Strahlung konvertiert wird, ein zweiter Bereich derart ausgebildet, dass die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in grüne Strahlung konvertiert wird und ein dritter Bereich ausgebildet ist, diese Strahlung unverändert passieren zu lassen oder in gelbe Strahlung zu konvertieren.
  • Vorzugsweise ist einem Halbleiterchip jeweils ein Bereich der Konversionsschicht nachgeordnet, sodass in Aufsicht auf das Display beispielsweise eine matrixartige Anordnung der unterschiedlichen Bereiche der Konversionsschicht ausgebildet ist.
  • Durch das Einbringen einer Konversionsschicht in den Strahlengang des Halbleiterchips kann die Emissionsfarbe der von dem Chip emittierten Strahlung verändert werden. Insbesondere kann eine Konversionsschicht mit verschiedenfarbigen Bereichen dafür sorgen, dass ein Vollfarben-Display entsteht. So kann beispielsweise ein RGB (Rot, Grün, Blau)-Display realisiert werden. Weiß konvertierte Displays finden zudem Anwendung bei pixelierten Scheinwerfern.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips weist folgende Verfahrensschritte auf:
    • - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers aus Halbleitermaterial, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht aufweist, und
    • - Anordnen einer Spiegelschicht auf dem Halbleiterkörper, wobei der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Spiegelschicht derart eingestellt wird, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung einer Auskoppelfläche emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht reflektierten Strahlung interferiert, sodass eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung des Halbleiterchips mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung erzeugt wird.
  • In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt:
    • - Anordnen eines Vergussmaterials auf dem Halbleiterkörper auf der von der Spiegelschicht abgewandten Seite, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials.
  • Die in Verbindung mit dem Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
  • In einer Weiterbildung wird ein Display hergestellt, das eine Mehrzahl von Halbleiterchips umfasst, die mit oben genannten Verfahren hergestellt sind.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
    • 1 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips,
    • 2A bis 2C jeweils ein schematisches Diagramm betreffend die Auskoppeleffizienz abhängig vom Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht sowie die Abstrahlcharakteristik abhängig vom Abstrahlwinkel,
    • 3 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Displays und 4 einen schematischen Querschnitt eines nicht-beanspruchten Ausführungsbeispiels eines Displays, und
    • 5 ein Flussdiagramm betreffend ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines Halbleiterchips.
  • 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 100 gezeigt, der einen Halbleiterkörper 6 und ein darauf angeordnetes Vergussmaterial 7 umfasst. Der Halbleiterchip 100 ist beispielsweise eine LED, vorzugsweise eine Dünnfilm-LED.
  • Der Halbleiterkörper 6 ist aus Halbleitermaterial, beispielsweise basierend auf InGaN, InGaAlP, InAlGaAs. Der Halbleiterkörper weist eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene und im Betrieb bestromte aktive Schicht 2 auf. Der im Betrieb zu bestromende Teil der aktiven Schicht erstreckt sich dabei nicht über die gesamte laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers 6, sondern ist zentriert in den Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 6 angeordnet. Das bedeutet, dass in Aufsicht auf den Halbleiterchip 100 der Halbleiterkörper im Betrieb einen mittigen bestromten Bereich aufweist, in dem Strahlung erzeugt wird, wobei benachbarte Randbereiche des Chips 100 im Betrieb nicht bestromt werden.
  • Der Halbleiterkörper 6 umfasst epitaktisch abgeschiedene Schichten, die den Halbleiterkörper bilden, wobei die aktive Schicht 2 in diesen Schichten integriert ist.
  • Der Halbleiterkörper 6 weist eine Hauptfläche auf, auf der Vergussmaterial 7 angeordnet ist. Auf der von dem Vergussmaterial 7 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 6 ist eine Spiegelschicht 1 angeordnet.
  • Das Vergussmaterial weist einen Brechungsindex auf, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 6. Beispielsweise enthält das Vergussmaterial Silikon. Das Vergussmaterial ist als Schicht auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers 6 angeordnet. Die Seitenflächen des Halbleiterkörpers 6 sind vorzugsweise frei von Vergussmaterial 7.
  • Die Spiegelschicht 1 ist geeignet, die von der aktiven Schicht 2 emittierte Strahlung in Richtung Hauptfläche zu emittieren. Aus dem Halbleiterchip 100 austretendes Licht wird dabei direkt von der aktiven Schicht 2 in Richtung Hauptfläche (siehe Strahlengang zu Pfeil 3) oder indirekt reflektierend über die Spiegelschicht 1 (siehe Strahlengang zu Pfeil 4) ausgekoppelt. Dieses direkte 3 und reflektierte 4 Licht erzeugt in Abhängigkeit vom Abstand d3 zwischen aktiver Schicht 2 und Spiegelschicht 1 ein Interferenzbild. Dieser Effekt ändert die interne Abstrahlcharakteristik des Halbleiterchips 100. Um die Effizienz und den Kontrast eines derartigen Halbleiterchips 100 zu erhöhen, wird die zunächst Lambert'sche Emission des Halbleiterchips stärker in Vorwärtsrichtung gerichtet. Dieser Effekt ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „beamshaping“ bekannt. Dies wird konkret dadurch erzielt, dass der Abstand d3 zwischen der Spiegelschicht 1 und der aktiven Schicht 2 so gewählt wird, dass durch Resonanz die Emissionsintensität in Vorwärtsrichtung verstärkt, vorzugsweise maximal wird.
  • Dadurch weist der Halbleiterchip 100 vorteilhafterweise eine Auskoppelfläche 9 auf, aus die der größte Teil der in der aktiven Schicht 2 emittierten Strahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird, wobei diese Auskoppelfläche 9 vorzugsweise eine geringere laterale Ausdehnung aufweist als die laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers 6. Dabei ist die Auskoppelfläche 9 zentriert im Halbleiterchip 100 angeordnet, sodass der Halbleiterchip 100 in Aufsicht auf den Halbleiterchip im mittigen Bereich die Auskoppelfläche 9 aufweist, die benachbart ist von Bereichen 10, aus denen kaum oder keine Strahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird.
  • Wenn die bestromte aktive Schicht eine Halbgröße p1 hat, dann kann die optimale minimale Halbgröße des zugehörigen Auskoppelfläche p2 durch folgende Formel berechnet werden: p 2 = p 1 +   ( d 1 − d 3 ) * tan ( asin ( n 2 /n 1 ) ) + d 2 * tan ( α 2 ) .
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  • Dabei ist d1 die Höhe des Halbleiterkörpers 6, d2 die Höhe des Vergussmaterials 7, d3 der Abstand zwischen aktiver Schicht 2 und Spiegelschicht 1, n1 der Brechungsindex des Halbleitermaterials und n2 der Brechungsindex des Vergussmaterials 7, wobei α2 zwischen einschließlich 0 und 90° liegt.
  • Auf der von dem Halbleiterkörper 6 abgewandten Seite des Vergussmaterials 7 ist eine Konversionsschicht 8 angeordnet, die geeignet ist, die von der aktiven Schicht 2 emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge zu konvertieren. Die Konversionsschicht weist dabei einen Brechungsindex angepasst an den Brechungsindex des Halbleitermaterials auf, also beispielsweise den Brechungsindex n1.
  • An den Grenzflächen zwischen dem Halbleitermaterial 6 und dem Vergussmaterial 7 sowie zwischen dem Vergussmaterial 7 und der Konversionsschicht 8 treten Fresnelreflexionen auf, sodass reflektiertes Licht zurück in den Halbleiterkörper 6 gelangt und dort an der Spiegelschicht 1 in Richtung Auskoppelfläche reflektiert wird.
  • Um den Beamshaping-Effekt bei einem derartigen Halbleiterchip 100 zu erhöhen, kann optional ein Bragg-Spiegel 11 zwischen aktiver Schicht 2 und Auskoppelfläche 9 im Halbleiterkörper 6 integriert sein. Der Bragg-Spiegel 11 weist beispielsweise fünf λ/4-Schichten aus AlxGa(1_x)N und GaN auf.
  • Die Auskoppelfläche 9, der Bragg-Spiegel 11 und die aktive Schicht 2 sind dabei vorzugsweise zentriert im Halbleiterchip 100 angeordnet.
  • Durch Optimierung des Abstandes d3 innerhalb des Halbleiterchips 100 weist die Abstrahlcharakteristik eines derartigen Chips im Vergleich mit herkömmlichen Chips eine erhöhte Effizienz und einen verbesserten Kontrast auf. Der Kontrast ist dabei das Verhältnis der im Betrieb aus der Auskoppelfläche 9 emittierten Strahlung und der im Betrieb aus benachbarten Bereichen 10 emittierten Strahlung. In benachbarten Bereichen 10 wird dabei wenig oder gar keine Strahlung aus dem Halbleiterchip 100 ausgekoppelt.
  • Die laterale Ausdehnung der Auskoppelfläche 9 kann in einem Bereich zwischen einschließlich 100 nm bis 100 µm liegen, bevorzugt zwischen 2 µm und 10 µm.
  • Der Halbleiterchip 100 kann Anwendung finden in einem Vollfarbendisplay oder auch für pixelierte Scheinwerfer.
  • In 2A ist ein Diagramm gezeigt, bei dem die Effizienz der Gesamtemission aus der Auskoppelfläche in Abhängigkeit vom Abstand d3 aufgezeigt ist. Beispielsweise bezieht sich dieses Diagramm auf einen Halbleiterchip 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1.
  • Die Kurve A1 aus 2A zeigt, dass die Auskoppeleffizienz aus der Auskoppelfläche direkt abhängig vom Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht ist. Insbesondere weist die Auskoppeleffizienz einen Maximalwert bei einem Abstand von 90 nm auf. Oberhalb und unterhalb dieses optimalen Abstandes nimmt die Auskoppeleffizienz aus der Auskoppelfläche ab. Das bedeutet, dass in den Bereichen ober- und unterhalb von einem Abstand von 90 nm ein Anteil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Nachbarbereichen zur Auskoppelfläche ausgekoppelt wird. Diese Strahlung vermindert jedoch nachteilig den Kontrast derartiger Chips, was insbesondere bei Displayanwendungen nachteilig ist.
  • Die Kurve A1 zeigt einen Halbleiterchip 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1, wobei jedoch kein Bragg-Spiegel zwischen aktiver Schicht und Auskoppelfläche angeordnet ist. Ein Datenpunkt, der sich auf einen Halbleiterchip mit einem Bragg-Spiegel zwischen aktiver Schicht und Auskoppelfläche bezieht, ist in dem Diagramm der 2A mittels des Punkts B1 dargestellt. Wie in dem Diagramm gezeigt ist, kann mittels eines derartig angeordneten Bragg-Spiegels die Auskoppeleffizienz im Bereich der Auskoppelfläche weiter erhöht werden. Insbesondere erhöht sich so der so genannte Beamshaping-Effekt.
  • In 2B ist ein Diagramm gezeigt, bei dem der Kontrast, also der Anteil der Gesamtleistung in benachbarten Bereichen zur Auskoppelfläche, gegen den Abstand d3 zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht gezeigt ist. Wie aus der Kurve A2 hervorgeht, erhöht sich vorteilhafterweise bei höherem Abstand d3 der Kontrast.
  • Die Kurve A2 des Diagramms der 2B bezieht sich wiederum auf einen Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1, bei dem jedoch kein Bragg-Spiegel im Halbleiterkörper integriert ist. Ein mit einem Bragg-Spiegel integrierten Halbleiterchip und einen dazugehörigen Datenpunkt ist mit Punkt B2 dargestellt. Ein Halbleiterchip mit einem integrierten Bragg-Spiegel zeigt dabei einen durchschnittlichen Kontrast.
  • In 2C ist ein Diagramm dargestellt, bei dem die Strahlungsintensität über den Abstrahlwinkel aufgezeigt ist, wobei die einzelnen Kurven A3 bis A7 unterschiedliche Abstände d3 zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht aufweisen. Die Kurven A3 bis A7 basieren auf Halbleiterchips ohne integrierten Bragg-Spiegel, während die Kurve B3 auf einem Halbleiterchip mit integriertem Bragg-Spiegel basiert. Die Kurve A3 basiert auf einem Abstand d3 von 100 nm, die Kurve A4 von 90 nm, die Kurve A5 von 80 nm, die Kurve A6 von 70 nm und die Kurve A7 von 110 nm. Die Kurven mit großem Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, also die Kurven A3 und A4, zeigen eine geringe Effizienz bei einem Winkel von 0°. Die Kurven A6 und A5 dagegen zeigen bei 0° eine hohe Effizienz. Bei derartigen Abständen ergibt sich somit eine Abstrahlcharakteristik mit Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung, also in Richtung von 0°.
  • Eine hohe Effizienz kann auch mit einem Chip mit integriertem Bragg-Spiegel erzielt werden, siehe Kurve B3.
  • In 3 ist ein Display 1000 gezeigt, der eine Mehrzahl von Halbleiterchips 100 aufweist, die lateral nebeneinander angeordnet sind. Die Halbleiterchips 100 entsprechen im Wesentlichen dem Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1, wobei bei den Chips der 3 keine Bragg-Spiegel im Halbleiterkörper 6 integriert sind.
  • Die Halbleiterchips 100 des Displays 1000 weisen einen gemeinsamen Halbleiterkörper 6 auf. Das bedeutet, dass die Halbleiterchips 100 gemeinsam im Verbund auf ein Aufwachssubstrat aufgewachsen worden sind. Dabei ist im Verbund zumindest eine aktive Schicht ausgebildet, die Bereiche aufweist, die im Betrieb bestromt werden. Zwischen den Bereichen der im Betrieb bestromten aktiven Schicht ist jeweils ein lateraler Abstand angeordnet, sodass der Verbund Bereiche aufweist, die im Betrieb keine Strahlung erzeugen.
  • Das Display 1000 weist eine Mehrzahl von Auskoppelflächen 9, 10 auf, die jeweils in einem lateralen Abstand zueinander angeordnet sind. Jeweils einer aktiven Schicht ist in vertikaler Richtung eine Auskoppelfläche nachgeordnet. Das Display ist somit dazu ausgerichtet, Bereiche 9, 10 aufzuweisen, aus denen Strahlung im Betrieb emittiert wird, wobei diese Bereiche durch Bereiche voneinander getrennt sind, in denen im Betrieb keine Strahlung emittiert wird.
  • Um einen maximalen Kontrast derartiger Displays zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, zu verhindern, dass emittierte Strahlung eines Halbleiterchips in einen benachbarten Halbleiterchip einkoppelt. Dafür wird jeweils der Abstand zwischen aktiver Schicht 2 und Spiegelschicht 1 jedes Halbleiterchips 100 optimal eingestellt, wie in dem Ausführungsbeispiel zu 1 erörtert. Um dennoch in einen benachbarten Halbleiterchip emittierte Strahlung zu eliminieren und so den Kontrast derartiger Displays weiter zu erhöhen, kann zwischen den Halbleiterchips im Vergussmaterial 7 eine mit Gas befüllte Aussparung 12 und im Halbleiterkörper 6 zwischen den im Betrieb bestromten Bereichen der aktiven Schicht 2 eine Absorberschicht 13 angeordnet sein. Durch den starken Brechungsindexsprung zwischen Halbleitermaterial und Gas werden die in Richtung des benachbarten Halbleiterchips emittierten Strahlen 14 an der Aussparung 12 totalreflektiert und in der Absorberschicht 13 absorbiert. Diese Strahlen können somit nicht mehr aus benachbarten Halbleiterchips ausgekoppelt werden, womit sich vorteilhafterweise der Kontrast derartiger Displays erhöht.
  • Hierzu sind die Absorberschicht 13 und die Aussparung 12 vertikal übereinander angeordnet. Die Absorberschicht 13 kann dabei direkt angrenzend an die Spiegelschicht 1 im Halbleiterkörper 6 angeordnet sein.
  • Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 3 mit dem Ausführungsbeispiel der 1 in Bezug auf die Halbleiterchips 100 überein.
  • Das nicht-beanspruchte Ausführungsbeispiel des Displays aus 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3 dadurch, dass kein Vergussmaterial auf dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Das Display weist direkt auf dem Halbleiterkörper 6 die Konversionsschicht 8 auf, die strukturiert ausgebildet ist. Die Konversionsschicht 8 des Displays 1000 weist eine Mehrzahl von Bereichen K1, K2 auf, die geeignet sind, von der aktiven Schicht 2 emittierte Strahlung in Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren. Insbesondere ist oberhalb der Auskoppelfläche 9 eine Mehrzahl von Konversionsbereichen angeordnet, die voneinander mittels eines Abstandes getrennt sind. Der Abstand enthält beispielsweise Luft. Jedem Bereich der im Betrieb zu bestromenden aktiven Schicht 2 ist dabei ein Bereich der Konversionsschicht nachgeordnet. Jeder Bereich emittiert bevorzugt eine unterschiedlich konvertierte Wellenlänge im Vergleich zu den anderen Bereichen, sodass mit Vorteil beispielsweise ein RGB-Display 1000 realisiert werden kann.
  • Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 4 mit dem Ausführungsbeispiel der 3 im Wesentlichen überein.
  • In 5 ist ein Flussdiagramm zur Herstellung eines Halbleiterchips beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt. Im Verfahrensschritt V1 wird ein Halbleiterkörper aus Halbleitermaterial bereitgestellt, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht aufweist. Anschließend wird im Verfahrensschritt V2 eine Spiegelschicht auf dem Halbleiterkörper angeordnet. Dabei wird der Abstand der aktiven Schicht zur Spiegelschicht derart eingestellt, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung einer Auskoppelfläche des Halbleiterkörpers emittierte Strahlung mit einer in der Spiegelschicht reflektierten Strahlung so interferiert, dass eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung des Halbleiterchips mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung erzeugt wird.
  • Anschließend im Verfahrensschritt V3 wird ein Vergussmaterial auf der von der Spiegelschicht abgewandten Seite des Halbleiterkörpers aufgebracht, wobei das Vergussmaterial einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials.

Claims (13)

  1. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) umfassend einen Halbleiterkörper (6) aus Halbleitermaterial, eine dem Halbleiterkörper (6) in Abstrahlrichtung nachgeordnete Auskoppelfläche (9) und eine Spiegelschicht (1), wobei - der Halbleiterkörper (6) eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (2) aufweist, - die Spiegelschicht (1) auf der der Auskoppelfläche (9) abgewandten Seite des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist, - der Abstand (d3) zwischen der aktiven Schicht (2) und der Spiegelschicht (1) derart eingestellt ist, dass eine von der aktiven Schicht (2) in Richtung der Auskoppelfläche (9) emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht (1) reflektierten Strahlung derart interferiert, dass der Halbleiterchip (100) eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweist, - ein Vergussmaterial (7) auf dem Halbleiterkörper (6) angeordnet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials, und - folgende Formel gilt: p2 = p1 + (d1-d3) *tan (asin (n2/n1) ) +d2*tan (α2), wobei p1 die Halbgröße der bestromten aktiven Schicht, p2 die Halbgröße der Auskoppelfläche, d1 die Höhe des Halbleiterkörpers, d2 die Höhe des Vergussmaterials, d3 der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, n1 der Brechungsindex des Halbleitermaterials und n2 der Brechungsindex des Vergussmaterials sind, mit 0 ≤ α2 < 90°.
  2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die Auskoppelfläche (9) eine laterale Ausdehnung aufweist, die kleiner ist als eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers.
  3. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der aktiven Schicht (2) und der Auskoppelfläche (9) ein Bragg-Spiegel (11) angeordnet ist.
  4. Halbleiterchip nach Anspruch 3, wobei der Bragg-Spiegel (11) AlxGa(1-x)N- und GaN-Schichten umfasst.
  5. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der dem Halbleiterkörper (6) abgewandten Seite des Vergussmaterials (7) oder auf dem Halbleiterkörper (6) eine Konversionsschicht (8) aufgebracht ist.
  6. Display (1000) mit einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die lateral nebeneinander angeordnet sind.
  7. Display nach Anspruch 6, wobei die Mehrzahl von Halbleiterchips (100) einen gemeinsamen Halbleiterkörper (6) aufweist.
  8. Display nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei Bereiche der im Betrieb bestromten aktiven Schicht (2) und die Auskoppelflächen (9) benachbarter Halbleiterchips (100) jeweils in einem lateralen Abstand zueinander angeordnet sind.
  9. Display nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei zwischen den Vergussmaterialien (9) benachbarter Halbleiterchips (100) jeweils eine mit Gas gefüllte Aussparung (12) angeordnet ist.
  10. Display nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei auf der von dem Vergussmaterial (9) abgewandten Seite der aktiven Schicht (2) zwischen den Bereichen der im Betrieb bestromten aktiven Schicht (2) benachbarter Halbleiterchips (100) jeweils eine Absorberschicht (13) angeordnet ist.
  11. Display nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei auf der dem Halbleiterkörper (6) abgewandten Seite des Vergussmaterials (7) eine Konversionsschicht (8) aufgebracht ist, die eine Mehrzahl von Bereichen aufweist, die geeignet sind, von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (6) aus Halbleitermaterial, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (2) aufweist, und - Anordnen einer Spiegelschicht (1) auf dem Halbleiterkörper (6), wobei der Abstand zwischen der aktiven Schicht (2) und der Spiegelschicht (1) derart eingestellt wird, dass eine von der aktiven Schicht (2) in Richtung einer Auskoppelfläche (9) emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht (1) reflektierten Strahlung derart interferiert, dass eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung des Halbleiterchips (100) mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung erzeugt wird.
  13. Verfahren zum Herstellen eines Displays (1000), das eine Mehrzahl von Halbleiterchips (100) umfasst, die mit einem Verfahren nach Anspruch 12 hergestellt sind.
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