DE102015111130B4

DE102015111130B4 - Optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102015111130B4
Application number: DE102015111130.6A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kreuter; Tansen Varghese; Wolfgang Schmid; Markus Bröll
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: WO2017005866A1; US10347792B2; DE102015111130A1; DE102015111130B9; US20190131495A1

Abstract

Optoelektronisches Bauelement (100), aufweisend:- eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer ersten Schicht (10), einer zweiten Schicht (12) und einer zwischen der ersten (10) und zweiten Schicht (12) angeordneten aktiven Schicht (11), wobei die aktive Schicht (11) direkt an die erste (10) und zweite Schicht (12) angrenzt,- einer Strahlungsfläche (13), die direkt an die zweite Schicht (12) grenzt und über die im Betrieb Strahlung aus oder in die Halbleiterschichtenfolge (1) gekoppelt wird,- eine oder mehrere Kontaktinseln (20) zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht (10),- eine oder mehrere Durchkontaktierungen (23) zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Schicht (12), wobei- die Durchkontaktierungen (23) durch die erste Schicht (10) und die aktive Schicht (11) geführt sind und in die zweite Schicht (12) münden,- die Kontaktinseln (20) lateral nebeneinander direkt auf einer der Strahlungsfläche (13) abgewandten Rückseite (15) der ersten Schicht (10) aufgebracht sind,- in Draufsicht auf die Rückseite (15) die Durchkontaktierungen (23) in Bereichen zwischen den Kontaktinseln (20) angeordnet sind,- jede Kontaktinsel (20) lateral vollständig von einem elektrischen Isolationsbereich (3) umgeben ist und durch den Isolationsbereich (3) von den übrigen Kontaktinseln (20) in lateraler Richtung beabstandet und getrennt ist,- ein Flächenwiderstand der zweiten Schicht (12) höchstens ein Viertel eines Flächenwiderstands der ersten Schicht (10) beträgt,- die Strahlungsfläche (13) Strukturierungen in Form von Mikrolinsen (14) aufweist,- jeder Kontaktinsel (20) eine Mikrolinse (14) gegenüberliegt, so dass in Draufsicht auf die Strahlungsfläche (13) jede Kontaktinsel (20) teilweise oder vollständig mit einer Mikrolinse (14) überlappt.

Description

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
Die Druckschrift DE 10 2007 022 947 A1 betrifft einen optoelektronischen Halbleiterkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement mit einer hohen Quanteneffizienz anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst, die auch die Erfindung definieren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Im Folgenden werden Teile der Beschreibung und Zeichnungen, die sich auf Ausführungsformen beziehen, die nicht von den Ansprüchen abgedeckt sind, nicht als Ausführungsformen der Erfindung präsentiert, sondern als Beispiele, die zum Verständnis der Erfindung nützlich sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge mit einer ersten Schicht, einer zweiten Schicht und einer zwischen der ersten und zweiten Schicht angeordneten aktiven Schicht. Die aktive Schicht grenzt dabei direkt an die erste Schicht und die zweite Schicht. Die benannten Schichten sind insbesondere Halbleiterschichten.
Bei der ersten Schicht und/oder zweiten Schicht und/oder aktiven Schicht kann es sich jeweils um Einzelschichten handeln. Alternativ kann jede dieser Schichten selbst aus einer Vielzahl von Einzelschichten aufgebaut sein.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich beispielsweise um ein Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder um ein Phosphid-Verbindungs-Halbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder auch um ein Arsenid-Verbindungs-Halbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaPAs.
Die aktive Schicht weist beispielsweise wenigstens einen pn-Übergang und/oder Quantenpunkte und/oder eine Quantentopfstruktur in Form eines Einzelquantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multiquantentopfstruktur, kurz MQW, auf. Die aktive Schicht ist beispielsweise dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung im UV-Bereich und/oder blauen Spektralbereich und/oder sichtbaren Spektralbereich und/oder Infrarotbereich zu erzeugen oder zu absorbieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Strahlungsfläche, die direkt an die zweite Schicht grenzt und über die im Betrieb Strahlung aus oder in die Halbleiterschichtenfolge gekoppelt wird. Die zweite Schicht ist also zwischen der Strahlungsfläche und der aktiven Schicht angeordnet. Die Strahlungsfläche bildet zum Beispiel eine Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge. Die Strahlungsfläche kann insbesondere als eine Strahlungsaustrittsfläche oder Strahlungseintrittsfläche des optoelektronischen Bauelements dienen. Zur Effizienzsteigerung kann die Strahlungsfläche strukturiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine oder mehrere Kontaktinseln zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht. Die insbesondere elektrisch leitfähigen Kontaktinseln können beispielsweise ein Metall oder ein Halbleitermaterial aufweisen oder daraus bestehen. Bevorzugt sind die Kontaktinseln einfach zusammenhängende Elemente, also zusammenhängende Elemente ohne Durchbrüche oder Löcher. Die Kontaktinseln können, müssen aber nicht einstückig ausgebildet sein. Zum Beispiel weisen die Kontaktinseln einen Kern, wie einen metallischen Kern, auf, der lateral von einem weiteren leitfähigen Material, wie einem leitfähigen Oxid, umgeben ist. „Lateral“ ist dabei eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine oder mehrere Durchkontaktierungen zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Schicht. Die Durchkontaktierungen sind dabei durch die erste Schicht und die aktive Schicht geführt und münden in die zweite Schicht. Bevorzugt umfassen die Durchkontaktierungen zur Stromführung eingerichtete Stifte oder Kerne, zum Beispiel aus einem Metall oder einem dotierten Halbleitermaterial. In lateraler Richtung sind die Durchkontaktierungen beispielsweise von einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht umgeben, die einen direkten elektrischen Kontakt der Durchkontaktierungen mit der ersten Schicht und der aktiven Schicht verhindert. Die Durchkontaktierungen durchdringen die erste Schicht und die aktive Schicht bevorzugt vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktinseln lateral nebeneinander direkt auf einer der Strahlungsfläche abgewandten Rückseite der ersten Schicht aufgebracht. Die Kontaktinseln liegen also der Strahlungsfläche gegenüber. Die zweite Schicht ist zwischen der aktiven Schicht und der Rückseite angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in Draufsicht auf die Rückseite die Durchkontaktierungen in Bereichen zwischen den Kontaktinseln angeordnet. Insbesondere sind die Durchkontaktierungen also lateral nicht vollständig von einer zusammenhängenden Bahn einer Kontaktinsel umgeben. Anders ausgedrückt durchdringen die Durchkontaktierungen die Kontaktinseln nicht, sondern sind beabstandet von den Kontaktinseln neben den Kontaktinseln angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jede Kontaktinsel lateral vollständig von einer zusammenhängenden Bahn eines elektrischen Isolationsbereichs umgeben. Der Isolationsbereich beabstandet und trennt dabei jede Kontaktinsel in lateraler Richtung von den übrigen Kontaktinseln. Der Isolationsbereich ist beispielsweise als eine zusammenhängende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material geformt, wobei die zusammenhängende Schicht von den Kontaktinseln und Durchkontaktierungen vollständig durchbrochen ist. Über den Isolationsbereich werden im bestimmungsgemäßen Betrieb des optoelektronischen Bauelements bevorzugt keine elektrischen Ladungsträger aus oder in die Halbleiterschichtenfolge geführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Flächenwiderstand der zweiten Schicht höchstens ein Viertel oder ein Achtel oder 1/16 eines Flächenwiderstands der ersten Schicht. Alternativ oder zusätzlich weist die zweite Schicht einen Flächenwiderstand von höchstens 1000 Ω/□ oder 300 Ω/□ oder 100 Ω/□ oder 10 Ω/□ auf. Das Symbol □ ist einheitenlos und soll lediglich zur Differenzierung von dem üblichen ohmschen Widerstand dienen. Der Flächenwiderstand ist dabei insbesondere für einen Stromfluss parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Schicht gemessen und ist beispielsweise für einen Temperaturbereich zwischen einschließlich -50 °C und 200 °C angegeben.
In mindestens einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge mit einer ersten Schicht, einer zweiten Schicht und einer zwischen der ersten und zweiten Schicht angeordneten aktiven Schicht auf, wobei die aktive Schicht direkt an die erste Schicht und an die zweite Schicht angrenzt. Ferner umfasst das Bauelement eine Strahlungsfläche, die direkt an die zweite Schicht grenzt und über die im Betrieb Strahlung aus oder in die Halbleiterschichtenfolge gekoppelt wird. Außerdem umfasst das Bauelement eine Mehrzahl von Kontaktinseln zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht sowie eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Schicht. Die Durchkontaktierungen sind durch die erste Schicht und die aktive Schicht geführt und münden in die zweite Schicht. Die Kontaktinseln sind lateral nebeneinander direkt auf einer der Strahlungsfläche abgewandten Rückseite der ersten Schicht aufgebracht. In Draufsicht auf die Rückseite sind die Durchkontaktierungen in Bereichen zwischen den Kontaktinseln angeordnet. Jede Kontaktinsel ist dabei lateral vollständig von einem elektrischen Isolationsbereich umgeben und durch den Isolationsbereich von den übrigen Kontaktinseln in lateraler Richtung beabstandet und getrennt. Ein Flächenwiderstand der zweiten Schicht beträgt höchstens ein Viertel eines lateralen Flächenwiderstands der ersten Schicht.
Der hier beschriebenen Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass es bei Leuchtdioden oder Fotodioden mit Durchkontaktierungen wichtig ist, den Strom durch die aktive Schicht möglichst von den Durchkontaktierungen fernzuhalten. Tatsächlich entstehen beim Ätzen der Durchkontaktierungen durch die aktive Schicht an der Mantelfläche der Durchkontaktierungen Oberflächenrekombinationszentren, die die interne Quanteneffizienz des Bauteils negativ beeinflussen. Auf der anderen Seite möchte man in solchen Bauelementen den Serienwiderstand möglichst gering halten, um die Hochstromeffizienz zu maximieren.
Bei der hier beschriebenen Erfindung sind die Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht als Kontaktinseln ausgebildet, die in lateraler Richtung von den Durchkontaktierungen beabstandet sind. Auf diese Weise wird der Hauptstromführungspfad durch die aktive Schicht weiter von den Durchkontaktierungen weggeführt, wodurch strahlungslose Rekombination unterdrückt wird. Die Kontrolle der Stromführungspfade wird dadurch verbessert, dass die Dicke der ersten Schicht gering gehalten wird, sodass es innerhalb der ersten Schicht nur zu einer geringen lateralen Stromaufweitung kommt. Um dennoch den Serienwiderstand des Bauteils gering zu halten, wird die zweite Schicht möglichst dick gewählt, sodass der laterale elektrische Widerstand verringert wird. Dies kann auch über geeignete Wahl der lateralen Leitfähigkeit der zweiten Schicht beeinflusst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht einen Flächenwiderstand von mindestens 100 Ω/□ oder 1000 Ω/□ oder 10000 Ω/□ oder 100000 Ω/□ auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Dicke von höchstens 1,5 µm oder 1 µm oder 500 nm oder 300 nm auf. Alternativ oder zusätzlich ist die Dicke der ersten Schicht zumindest 50 nm oder 100 nm oder 200 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite Schicht eine Dicke von mindestens 1,5 µm oder 3 µm oder 5 µm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der zweiten Schicht höchstens 20 µm oder 12 µm oder 6 µm.
Unter der Dicke einer Schicht wird hier die entlang der gesamten lateralen Ausdehnung gemittelte oder minimal gemessene oder maximal gemessene Dicke verstanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktinseln über eine zusammenhängende Verteilungsschicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Verteilungsschicht ist eine elektrisch leitfähige Schicht, beispielsweise eine zusammenhängende Schicht, die sich über alle Kontaktinseln erstreckt. Bevorzugt dient die Verteilungsschicht nicht nur zur lateralen Stromverteilung, sondern gleichzeitig als eine Spiegelschicht zur Reflexion von Strahlung zurück in Richtung Strahlungsfläche oder aktive Schicht. Dabei erstreckt sich die Verteilungsschicht bevorzugt entlang der gesamten lateralen Ausdehnung der aktiven Schicht.
Die Verteilungsschicht und/oder die Kontaktinseln können beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Metalle aufweisen oder daraus bestehen: Ag, Au, Al, Ti, Sn, Pt, Pd, Rh.
Der Isolationsbereich ist beispielsweise zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Verteilungsschicht angeordnet oder eingeschlossen. Bevorzugt grenzt der Isolationsbereich auch direkt an die Verteilungsschicht. Der Isolationsbereich kann beispielsweise ein Dielektrikum aufweisen oder daraus bestehen. Es weist der Isolationsbereich zum Beispiel Siliziumoxid, wie SiO₂, oder Siliziumnitrid, wie SiN, oder Aluminiumoxid, wie Al₂O₃, auf oder besteht daraus. Bevorzugt bilden der Isolationsbereich und die Verteilungsschicht zusammen einen dielektrischen Spiegel für die von der aktiven Schicht emittierte elektromagnetische Strahlung oder für die über die Strahlungsfläche eintretende elektromagnetische Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform grenzt der Isolationsbereich direkt an die Kontaktinseln und die erste Schicht. Insbesondere sind die Bereiche zwischen den Kontaktinseln mit dem Isolationsbereich aufgefüllt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der laterale Abstand zwischen jeder Durchkontaktierung und der nächstliegenden Kontaktinsel zumindest 0,5•n/n_amb-mal oder zumindest n/n_amb-mal oder zumindest 2•n/n_amb-mal oder zumindest 3•n/n_amb-mal die halbe laterale Ausdehnung der Kontaktinsel, wobei n der Brechungsindex der ersten oder zweiten Schicht oder ein über die Halbleiterschichtenfolge gemittelter Brechungsindex und n_amb der Brechungsindex eines an die Strahlungsfläche grenzenden Materials ist. Zum Beispiel handelt es sich bei diesem Material um das Material einer die Strahlungsfläche bedeckenden Linse oder um eine Verkapselung, wie eine Silikonverkapselung, oder um ein Umgebungsmaterial, wie Luft. Das Material bedeckt die Strahlungsfläche bevorzugt formschlüssig.
Alternativ oder zusätzlich ist der laterale Abstand zwischen jeder Durchkontaktierung und der nächstliegenden Kontaktinsel zumindest 15 µm oder 30 µm oder 60 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Abstand höchstens 100 µm oder 80 µm oder 50 µm. Dadurch wird erreicht, dass die Hauptstromführungspfade möglichst weit von den Durchkontaktierungen weggeführt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Strahlungsfläche Strukturierungen in Form von Mikrolinsen auf. Dazu kann die zweite Schicht beispielsweise über einen Ätzprozess entsprechend strukturiert sein. Alternativ ist es aber auch möglich, dass auf die zweite Schicht Mikrolinsen aus einem anderen Material als das der zweiten Schicht aufgebracht sind. Die Mikrolinsen können dann beispielsweise aus einem transparenten Material, wie Siliziumoxid oder Fotolack, gebildet sein.
Das an die Strahlungsfläche grenzende Material mit dem Brechungsindex n_amb grenzt beispielsweise auch an die Mikrolinsen und ist von dem Material der Mikrolinsen unterschiedlich. Die Mikrolinsen sind von diesem Material dann zum Beispiel formschlüssig bedeckt.
Bevorzugt weisen die Mikrolinsen größere laterale Ausdehnungen, zum Beispiel mindestens 10 % oder 50 % oder 100 % größere laterale Ausdehnungen, als die Kontaktinseln auf. Jede Mikrolinse hat beispielsweise eine laterale und/oder vertikale Ausdehnung von zumindest 1 µm oder 2 µm oder 5 µm oder 10 µm und/oder von höchstens 50 µm oder 25 µm oder 10 µm auf. „Vertikal“ bezeichnet dabei eine Richtung senkrecht zur lateralen Richtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt jeder Kontaktinsel eine Mikrolinse gegenüber. Insbesondere gibt es zu jeder Kontaktinsel eine eigene, eineindeutig zugeordnete Mikrolinse. In Draufsicht auf die Strahlungsfläche überlappt insbesondere jede Kontaktinsel teilweise oder vollständig mit einer Mikrolinse. Beispielsweise ist in Draufsicht jede Kontaktinsel von der zugeordneten Mikrolinse vollständig überdeckt.
Aufgrund der direkten Anordnung der Kontaktinseln auf der Rückseite und aufgrund der dünnen ersten Schicht wird nur im unmittelbaren Bereich um die jeweilige Kontaktinsel Strahlung innerhalb der aktiven Schicht erzeugt. Die eindeutige Zuordnung der Mikrolinsen zu Kontaktinseln führt dazu, dass diese erzeugte Strahlung effizient und/oder besonders gerichtet aus dem optoelektronischen Bauelement ausgekoppelt werden kann.
Die Mikrolinsen sind bevorzugt konvexe Linsen mit nach außen gekrümmten Außenflächen. Beispielsweise handelt es sich bei den Mikrolinsen um sphärische oder asphärische Linsen, zum Beispiel Fresnellinsen. Auch können die Mikrolinsen als photonische Kristalle ausgebildet sein. Insbesondere ist die Strahlungsfläche flächendeckend mit Mikrolinsen bedeckt. Bevorzugt sind die Mikrolinsen einschichtig, in einer dichtesten Kugelpackung auf der Strahlungsfläche angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die aktive Schicht im Betrieb eine Dicke von höchstens 600 nm oder 300 nm oder 200 nm oder 100 nm auf. Die Wahl einer dünnen aktiven Schicht und einer dünnen ersten Schicht kann den sogenannten Purcell-Effekt innerhalb des Bauelements verstärken.
Der Purcell-Effekt besagt, dass der Anteil an spontaner Emission dadurch erhöht werden kann, dass sich der emittierende Bereich in einem Resonator befindet. Bei einem wie hier beschriebenen Bauelement kann die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung in Richtung Rückseite der ersten Schicht emittiert werden und von dort teilweise oder vollständig reflektiert werden. Die einlaufenden und reflektierten Wellen können miteinander interferieren, wodurch sich Interferenzmaxima und Interferenzminima bilden, wobei die Intensität der Interferenzmaxima in Richtung weg von der Rückseite abnimmt.
Wird nun die aktive Schicht möglichst nahe an die Rückseite gesetzt, kann das erste und stärkste Interferenzmaximum direkt in der aktiven Schicht auftreten, wodurch es aufgrund des Purcell-Effekts zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der spontanen Emission und somit zu einer erhöhten Quanteneffizienz kommt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die aktive Schicht eine Quantenpunktstruktur oder eine Quantentopfstruktur mit einer abwechselnden Anordnung von Quantentöpfen und Barrieren auf. Die Anzahl der Quantentöpfe in der aktiven Schicht beträgt dabei zum Beispiel höchstens 20 oder höchstens 10 oder höchstens 6 oder höchstens 4 oder höchstens 3.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine an die aktive Schicht grenzende Barrierenschicht auf. Die Barrierenschicht weist dabei im Vergleich zur restlichen ersten Schicht ein erhöhtes Leitungsbandniveau und/oder ein erniedrigtes Valenzbandniveau auf. Eine solche Barrierenschicht wird üblicherweise verwendet, um einen Leckstrom über die aktive Schicht gering zu halten. Ist die zweite Schicht zum Beispiel eine n-leitende Schicht, so ist es möglich, dass die Elektronen über die aktive Schicht hinweg strömen, ohne innerhalb der aktiven Schicht mit Löchern zu rekombinieren. Dies führt zu einer Reduktion der Quanteneffizienz. Eine Barrierenschicht, die in der ersten Schicht angeordnet ist und die ein erhöhtes Leitungsbandniveau hat, kann eine reflektierende Barriere für diese Elektronen bilden, wodurch die Rekombinationswahrscheinlichkeit innerhalb der aktiven Schicht erhöht wird. Für den Fall, dass die zweite Schicht eine p-leitende Schicht ist, ist die Barrierenschicht bevorzugt mit einem erniedrigten Valenzbandniveau gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Barrierenschicht im nicht bestromten Zustand des optoelektronischen Bauelements im Vergleich zur zweiten Schicht ein um zumindest 20 meV oder 100 meV oder 200 meV erhöhtes Leitungsbandniveau und/oder ein um zumindest 20 meV oder 100 meV oder 200 meV erniedrigtes Valenzbandniveau auf. Ob ein erhöhtes Leitungsbandniveau oder ein erniedrigtes Valenzbandniveau gewählt wird, hängt, wie oben beschrieben, von dem Leitungstyp der zweiten Schicht ab. Da die erste Schicht sehr dünn gewählt sein kann, muss auch die Barrierenschicht entsprechend dünn gewählt sein, was zu einer Reduktion der reflektierenden Wirkung der Barrierenschicht führt. Dies kann zumindest teilweise dadurch kompensiert werden, dass die Barrierenhöhe der Barrierenschicht entsprechend hoch gewählt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die aktive Schicht auf AlInGaAsP. Die Barrierenschicht basiert zum Beispiel auf ZnSe oder InAlP. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Mikrolinsen und/oder die Kontaktinseln und/oder die Durchkontaktierungen in Draufsicht auf die Strahlungsfläche matrixartig angeordnet. Die Mikrolinsen und/oder die Kontaktinseln und/oder die Durchkontaktierungen besetzen zum Beispiel alle Gitterpunkte eines regelmäßigen Gitternetzes. Mögliche Matrixmuster sind zum Beispiel ein Rechteckmuster oder ein Sechseckmuster, wie eine Bienenwabenstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Kontaktinseln laterale Ausdehnungen von zumindest 2 µm oder 5 µm oder 10 µm und/oder laterale Ausdehnungen von höchstens 20 µm oder 15 µm oder 10 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen direkt benachbarten Kontaktinseln zumindest 5 µm oder 15 µm oder 30 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Abstand höchstens 150 µm oder 120 µm oder 90 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Durchkontaktierungen laterale Abmessungen von zumindest 3 µm oder 8 µm oder 15 µm und/oder laterale Abmessungen von höchstens 50 µm oder 30 µm oder 15 µm auf. Der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen kann die gleichen Werte wie der für die Kontaktinseln annehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Flächenbelegungsdichte der Durchkontaktierungen bezogen auf und gemessen in der aktiven Schicht zumindest 1 % oder 5 % oder 10 % und/oder höchstens 70 % oder 60 % oder 50 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Flächenbelegungsdichte der Kontaktinseln gemessen und bezogen auf die erste Schicht zumindest 3 % oder 10 % oder 15 % und/oder höchstens 35 % oder 25 % oder 20 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste Schicht eine n-leitende Schicht und die zweite Schicht eine p-leitende Schicht. Alternativ kann der Leitfähigkeitstyp der ersten und zweiten Schicht auch umgekehrt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft die aktive Schicht entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des optoelektronischen Bauelements zusammenhängend. Aufgrund der Durchkontaktierungen ist die aktive Schicht dann aber im Allgemeinen nicht einfach zusammenhängend, weist also Durchbrüche oder Löcher auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Frei kann in diesem Fall bedeuten, dass das Bauelement durchaus noch Reste eines Aufwachssubstrats aufweist, diese Reste aber keine für die Halbleiterschichtenfolge stabilisierenden Wirkungen haben. Zur mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge dient ein zusätzlich aufgebrachter Träger. Der Träger ist bevorzugt auf der ersten Schicht angeordnet und ist mechanisch selbsttragend. Insbesondere handelt es sich bei dem Bauelement um ein Dünnfilm-Bauelement.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1A bis 1C Ausführungsbeispiele optoelektronischer Bauelemente in Querschnittsansicht,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Bandstruktur für ein optoelektronisches Bauelement.

In 1A ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 in seitlicher Querschnittsansicht gezeigt. Zu erkennen ist eine Halbleiterschichtenfolge 1, die auf einem Träger 4 angeordnet ist. Der Träger 4 unterscheidet sich dabei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge 1. Das Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge 1 ist beispielsweise entfernt. Vorliegend weist die Halbleiterschichtenfolge 1 eine erste Schicht 10, eine darauf angeordnete aktive Schicht 11 und eine darauf angeordnete zweite Schicht 12 auf. Die aktive Schicht 11 ist in direktem Kontakt mit der ersten Schicht 10 und der zweiten Schicht 12. Die zweite Schicht 12 weist eine der aktiven Schicht 11 abgewandte Strahlungsfläche 13 auf. Die erste Schicht 10 weist eine der aktiven Schicht 11 abgewandte Rückseite 15 auf. Die Rückseite 15 ist dem Träger 4 zugewandt.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 basiert beispielsweise auf AlInGaPAs. Beispielsweise emittiert die aktive Schicht 11 im Betrieb elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Die erste Schicht 10 ist zum Beispiel eine p-leitende Schicht, die zweite Schicht 12 eine n-leitende Schicht. Aber auch eine umgekehrte Leitfähigkeit ist möglich.
Zu erkennen ist außerdem, dass auf die Rückseite 15 Kontaktinseln 20, zum Beispiel aus Silber, aufgebracht sind, die in direktem mechanischem und elektrischem Kontakt mit der ersten Schicht 10 sind. Die Kontaktinseln 20 sind dabei einfach zusammenhängende Elemente ohne Unterbrechungen. Über die Kontaktinseln 20 können Ladungsträger direkt in die zweite Schicht 10 injiziert werden.
Im Bereich zwischen den Kontaktinseln 20 ist ein Isolationsbereich 3 angeordnet, wobei jede Kontaktinsel 20 lateral vollständig von dem Isolationsbereich 3 umgeben ist. Durch den Isolationsbereich 3 sind die Kontaktinseln 20 lateral voneinander beabstandet. Auf den Kontaktinseln 20 und dem Isolationsbereich 3 ist ferner eine Verteilungsschicht 21 aufgebracht, die die Kontaktinseln 20 elektrisch leitend miteinander verbindet. Der Isolationsbereich 3 ist beispielsweise aus SiO₂ oder SiN gebildet, die Verteilungsschicht 21 ist beispielsweise aus Silber.
Ferner ist in 1A zu erkennen, dass Durchkontaktierungen 23 durch die Verteilungsschicht 21, den Isolationsbereich 3, die erste Schicht 10 und die aktive Schicht 11 geführt sind. Die Durchkontaktierungen 23 münden in die zweite Schicht 12. Über die Durchkontaktierungen 23 können von einer der Strahlungsfläche 13 abgewandten Seite des Bauelements 100 Ladungsträger in die zweite Schicht 12 injiziert werden. Die Durchkontaktierungen 23 weisen insbesondere einen leitfähigen Kern auf, der von einer Passivierungsschicht in lateraler Richtung vollständig umgeben ist, sodass Ladungsträger aus dem leitfähigen Kern nicht direkt in die erste Schicht 10 oder in die aktive Schicht 11 gelangen können.
In 1A ist die Strahlungsfläche 13 mit einer Strukturierung in Form von Mikrolinsen 14 versehen. Dabei liegt jeder Kontaktinsel 20 eine Mikrolinse 14 gegenüber und ist der entsprechenden Kontaktinsel 20 eineindeutig zugeordnet. Die Mikrolinsen 14 sorgen im Betrieb für eine Erhöhung der optischen Extraktionseffizienz oder eine gerichtete Abstrahlung der von der aktiven Schicht 11 erzeugten Strahlung.
In 1B ist eine Querschnittsansicht auf eine in 1A angedeutete Schnittebene AA' durch den Isolationsbereich 3 gezeigt. Im Ausführungsbeispiel der 1B unterscheidet sich die Anordnung von Kontaktinseln 20 und Durchkontaktierungen 23 jedoch von dem Ausführungsbeispiel der 1A.
In 1B ist zu erkennen, dass die Kontaktinseln 20 matrixartig angeordnet sind. Vorliegend handelt es sich bei dem Matrixmuster um ein Sechseckmuster. Ferner sind in 1B die Mikrolinsen 14 als gestrichelte Kreise angedeutet. Es ist zu erkennen, dass jede Mikrolinse 14 die ihr zugehörige Kontaktinsel 20 vollständig überdeckt. Insbesondere sind die lateralen Abmessungen der Mikrolinsen 14 größer als die lateralen Abmessungen der Kontaktinseln 20 gewählt. Jede Kontaktinsel 20 ist in Draufsicht der 1B vollständig von einer zusammenhängenden Bahn des Isolationsbereichs 3 umgeben. Außerdem sind zwischen den Kontaktinseln 20 die Durchkontaktierungen 23 angeordnet. Vorliegend ist jede Kontaktinsel 20 von sechs Durchkontaktierungen 23 umgeben, die zum Beispiel auf Eckpunkten eines regelmäßigen Sechsecks um die entsprechende Kontaktinsel 20 sitzen.
Im Ausführungsbeispiel der 1C ist eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel der 1B gezeigt. Anders als in 1B ist in 1C nicht jeder Mikrolinse 14 eine Kontaktinsel 20 zugeordnet, umgekehrt ist jedoch jeder Kontaktinsel 20 eine Mikrolinse 14 eineindeutig zugeordnet. Die Mikrolinsen 14, die Kontaktinseln 20 sowie die Durchkontaktierungen 23 sind auf Gitterpunkten eines regelmäßigen Rechteckgitters angeordnet. Jeweils vier Kontaktinseln 20 sitzen dabei auf Eckpunkten eines Rechtecks, in dessen Zentrum eine Durchkontaktierung 23 angeordnet ist.
In 2 ist eine mögliche Bandstruktur einer Halbleiterschichtenfolge 1 für ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement 100 gezeigt. Auf der y-Achse, gekennzeichnet durch den Pfeil, ist die Energie aufgetragen. Die aktive Schicht 11 weist eine Quantentopfstruktur mit einer abwechselnden Anordnung von Quantentöpfen 110 und Barrieren 111 auf. Die erste Schicht 10 umfasst eine direkt an die aktive Schicht 11 grenzende Barrierenschicht 120, die ein erhöhtes Leitungsbandniveau aufweist. Das hier gezeigte Bandschema soll die Energieniveauverteilung der Halbleiterschichtenfolge 1 im nicht kontaktierten Zustand illustrieren. Die Barrierenschicht 120 weist beispielsweise gegenüber der zweiten Schicht 12 ein um 200 meV erhöhtes Leitungsbandniveau auf. Elektronen, die im Betrieb von der zweiten Schicht 12 in Richtung aktive Schicht 11 wandern, können an der Barrierenschicht 120 reflektiert werden, was die Rekombinationwahrscheinlichkeit mit Löchern aus der ersten Schicht 10 innerhalb der aktiven Schicht 11 erhöht. Vorliegend basiert die aktive Schicht 11 beispielsweise auf AlInGaAsP, die Barrierenschicht 120 weist beispielsweise ZnSe auf.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterschichtenfolge
3: Isolationsbereich
4: Träger
10: erste Schicht
11: aktive Schicht
12: zweite Schicht
13: Strahlungsfläche
14: Mikrolinse
15: Rückseite
20: Kontaktinsel
21: Verteilungsschicht
23: Durchkontaktierung
100: optoelektronisches Bauelement
110: Quantentopf
111: Barriere
120: Barrierenschicht

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100), aufweisend: - eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer ersten Schicht (10), einer zweiten Schicht (12) und einer zwischen der ersten (10) und zweiten Schicht (12) angeordneten aktiven Schicht (11), wobei die aktive Schicht (11) direkt an die erste (10) und zweite Schicht (12) angrenzt, - einer Strahlungsfläche (13), die direkt an die zweite Schicht (12) grenzt und über die im Betrieb Strahlung aus oder in die Halbleiterschichtenfolge (1) gekoppelt wird, - eine oder mehrere Kontaktinseln (20) zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht (10), - eine oder mehrere Durchkontaktierungen (23) zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Schicht (12), wobei - die Durchkontaktierungen (23) durch die erste Schicht (10) und die aktive Schicht (11) geführt sind und in die zweite Schicht (12) münden, - die Kontaktinseln (20) lateral nebeneinander direkt auf einer der Strahlungsfläche (13) abgewandten Rückseite (15) der ersten Schicht (10) aufgebracht sind, - in Draufsicht auf die Rückseite (15) die Durchkontaktierungen (23) in Bereichen zwischen den Kontaktinseln (20) angeordnet sind, - jede Kontaktinsel (20) lateral vollständig von einem elektrischen Isolationsbereich (3) umgeben ist und durch den Isolationsbereich (3) von den übrigen Kontaktinseln (20) in lateraler Richtung beabstandet und getrennt ist, - ein Flächenwiderstand der zweiten Schicht (12) höchstens ein Viertel eines Flächenwiderstands der ersten Schicht (10) beträgt, - die Strahlungsfläche (13) Strukturierungen in Form von Mikrolinsen (14) aufweist, - jeder Kontaktinsel (20) eine Mikrolinse (14) gegenüberliegt, so dass in Draufsicht auf die Strahlungsfläche (13) jede Kontaktinsel (20) teilweise oder vollständig mit einer Mikrolinse (14) überlappt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei - die Kontaktinseln (20) über eine zusammenhängende Verteilungsschicht (21) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, - der Isolationsbereich (3) zwischen der Halbleiterschichtenfolge (1) und der Verteilungsschicht (21) angeordnet ist - der Isolationsbereich (3) direkt an die Kontaktinseln (20) und direkt an die erste Schicht (10) grenzt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der laterale Abstand zwischen jeder Durchkontaktierung (23) und der nächstliegenden Kontaktinsel (20) zumindest 0,5·n/n_amb-mal die halbe laterale Ausdehnung der Kontaktinsel (20) beträgt, wobei n der Brechungsindex der ersten Schicht (10) und n_amb der Brechungsindex eines an die Strahlungsfläche (13) grenzenden Materials ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, - die erste Schicht (10) eine Dicke von höchstens 1,5 µm aufweist, - die zweite Schicht (12) eine Dicke von mindestens 1,5pm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die aktive Schicht (11) im Betrieb eine Dicke von höchstens 300 nm aufweist, - die erste Schicht (10) eine Dicke von höchstens 300 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die aktive Schicht (11) eine Quantenpunktstruktur oder eine Quantentopfstruktur mit einer abwechselnden Anordnung von Quantentöpfen (110) und Barrieren (111) aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Schicht (10) eine an die aktive Schicht (11) grenzende Barrierenschicht (120) umfasst, - die Barrierenschicht (120) im nicht bestromten Zustand des optoelektronischen Bauelements (100) im Vergleich zur zweiten Schicht (12) ein um zumindest 20 meV erhöhtes Leitungsbandniveau und/oder ein um zumindest 20 meV erniedrigtes Valenzbandniveau aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 7, wobei - die aktive Schicht (11) auf AlInGaAsP basiert, - die Barrierenschicht (120) auf ZnSe oder InAlP basiert.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrolinsen (14) und/oder die Kontaktinseln (20) und/oder die Durchkontaktierungen (23) in Draufsicht auf die Strahlungsfläche (13) matrixartig angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Kontaktinseln (20) laterale Ausdehnungen zwischen einschließlich 2 µm und 20 µm haben, - der Abstand direkt benachbarter Kontaktinseln (20) zwischen einschließlich 5 µm und 150 µm beträgt, - die Durchkontaktierungen (23) laterale Abmessungen zwischen einschließlich 3 µm und 50 µm haben, - die Flächenbelegungsdichte der Durchkontaktierungen (23) bezogen auf und gemessen in der aktiven Schicht (11) zwischen einschließlich 1 % und 70 % beträgt, - die Flächenbelegungsdichte der Kontaktinseln (20) gemessen und bezogen auf die erste Schicht (10) zwischen einschließlich 3 % und 35 % beträgt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Schicht (10) eine n-leitende Schicht und die zweite Schicht (12) eine p-leitende Schicht ist, - die aktive Schicht (11) entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des optoelektronischen Bauelements (100) zusammenhängend verläuft.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (1) frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge (1) ist, - die Halbleiterschichtenfolge (1) durch einen auf der ersten Schicht (10) angeordneten Träger (4) mechanisch getragen und stabilisiert ist.
Optoelektronisches Bauelement (100), aufweisend: - eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer ersten Schicht (10), einer zweiten Schicht (12) und einer zwischen der ersten (10) und zweiten Schicht (12) angeordneten aktiven Schicht (11), wobei die aktive Schicht (11) direkt an die erste (10) und zweite Schicht (12) angrenzt, - einer Strahlungsfläche (13), die direkt an die zweite Schicht (12) grenzt und über die im Betrieb Strahlung aus oder in die Halbleiterschichtenfolge (1) gekoppelt wird, - eine oder mehrere Kontaktinseln (20) zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schicht (10), - eine oder mehrere Durchkontaktierungen (23) zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Schicht (12), wobei - die Durchkontaktierungen (23) durch die erste Schicht (10) und die aktive Schicht (11) geführt sind und in die zweite Schicht (12) münden, - die Kontaktinseln (20) lateral nebeneinander direkt auf einer der Strahlungsfläche (13) abgewandten Rückseite (15) der ersten Schicht (10) aufgebracht sind, - in Draufsicht auf die Rückseite (15) die Durchkontaktierungen (23) in Bereichen zwischen den Kontaktinseln (20) angeordnet sind, - jede Kontaktinsel (20) lateral vollständig von einem elektrischen Isolationsbereich (3) umgeben ist und durch den Isolationsbereich (3) von den übrigen Kontaktinseln (20) in lateraler Richtung beabstandet und getrennt ist, - ein Flächenwiderstand der zweiten Schicht (12) höchstens ein Viertel eines Flächenwiderstands der ersten Schicht (10) beträgt, - der laterale Abstand zwischen jeder Durchkontaktierung (23) und der nächstliegenden Kontaktinsel (20) zumindest 0,5·n/n_amb-mal die halbe laterale Ausdehnung der Kontaktinsel (20) beträgt, wobei n der Brechungsindex der ersten Schicht (10) und n_amb der Brechungsindex eines an die Strahlungsfläche (13) grenzenden Materials ist.