DE102017113549A1

DE102017113549A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102017113549A1
Application number: DE102017113549.9A
Authority: DE
Inventors: Brendan Holland; Georg Roßbach; Berthold Hahn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben (1) mit einem Halbleiterkörper (10), umfassend einen ersten Bereich (101) eines ersten Leitungstyps, einen zweiten Bereich (102) eines zweiten Leitungstyps (102) und einen aktiven Bereich (103). Der aktive Bereich (103) ist zwischen dem ersten Bereich (101) und dem zweiten Bereich (102) angeordnet. Das optoelektronische Bauelement (1) weist zumindest ein Strukturelement (150), das innerhalb des ersten Bereichs (101) angeordnet ist auf. Wobei, der aktive Bereich (103) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Der Halbleiterkörper (10) weist eine Strahlungsaustrittsfläche (10A) an einer dem aktiven Bereich (103) abgewandten Hauptfläche des ersten Bereichs (101) auf, durch die ein Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung den Halbleiterkörper (10) verlässt. Das zumindest eine Strukturelement (150) weist einen Brechungsindex auf, der sich vom Brechungsindex des Halbleiterkörpers (10) im ersten Bereich (101) unterscheidet. Die Strahlungsaustrittsfläche (10A) ist glatt ausgebildet.Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements (1) angegeben.

Description

Es werden ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das eine verbesserte Effizienz aufweist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Bauelements anzugeben.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Bei dem optoelektronischen Bauelement kann es sich insbesondere um ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement handeln, das in Betrieb elektromagnetische Strahlung, zum Beispiel Licht, emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterkörper, der einen ersten Bereich eines ersten Leitungstyps, einen zweiten Bereich eines zweiten Leitungstyps und einen zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung geeigneten aktiven Bereich aufweist. Dabei ist der aktive Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet. Die Bereiche sind beispielsweise epitaktisch aufgewachsen.
Bei dem ersten Bereich handelt es sich zum Beispiel um einen n-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers und bei dem zweiten Bereich handelt es sich beispielsweise um einen p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers oder umgekehrt.
Der Halbleiterkörper basiert zum Beispiel auf einem III/V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial oder einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial.
Der aktive Bereich umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf (SQW, single quantum well) oder, besonders bevorzugt, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multi quantum well).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement zumindest ein Strukturelement. Das Strukturelement ist insbesondere mit einem Material gebildet, das sich vom Material des Halbleiterkörpers unterscheidet. Das Strukturelement ist beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Das Strukturelement ist innerhalb des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers angeordnet. Das kann insbesondere heißen, dass das Strukturelement insbesondere direkt, an das umgebende Material des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers grenzt. Das Strukturelement kann dabei vollständig oder nur teilweise innerhalb des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Das heißt, das Strukturelement kann an seiner gesamten Außenfläche vom Halbleiterkörper umgeben sein und insbesondere direkt an den Halbleiterkörper grenzen oder Teile der Außenfläche des Strukturelements sind frei vom Halbleiterkörper.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der aktive Bereich zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Das heißt, in dem aktiven Bereich finden bevorzugt strahlende Rekombinationsvorgänge von Ladungsträgern statt, woraus sich eine Emission von elektromagnetischer Strahlung ergibt. Im aktiven Bereich wird insbesondere elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich zwischen UV-Strahlung und Infrarot-Strahlung, insbesondere Licht, erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst der Halbleiterkörper eine Strahlungsaustrittsfläche an einer dem aktiven Bereich abgewandten Hauptfläche des ersten Bereichs. Bei der Strahlungsaustrittsfläche kann es sich um eine Deckfläche oder um eine Bodenfläche des Halbleiterkörpers handeln. Im Betrieb im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung verlässt den Halbleiterkörper zumindest zum Teil durch die Strahlungsaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das zumindest eine Strukturelement einen Brechungsindex auf, der vom Brechungsindex des Halbleiterkörpers im ersten Bereich verschieden ist. Das Strukturelement kann für die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig oder transparent sein. Das Strukturelement kann insbesondere einen optischen Brechungsindex aufweisen, der vom optischen Brechungsindex des umgebenden Materials des Halbleiterkörpers, welches an das Strukturelement grenzt, verschieden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers glatt ausgebildet. Das heißt die Strahlungsaustrittsfläche weist eine geringe Oberflächenrauheit auf und ist, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranz, eine mikroskopisch glatte Fläche. Insbesondere ist die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers nicht absichtlich aufgeraut.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement,

- einen Halbleiterkörper, umfassend einen ersten Bereich eines ersten Leitungstyps, einen zweiten Bereich eines zweiten Leitungstyps und einen aktiven Bereich, der zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist, und
- zumindest ein Strukturelement, das innerhalb des ersten Bereichs angeordnet ist, wobei,
- der aktive Bereich zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist,
- der Halbleiterkörper eine Strahlungsaustrittsfläche an einer dem aktiven Bereich abgewandten Hauptfläche des ersten Bereichs aufweist,
- ein Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung den Halbleiterkörper durch die Strahlungsaustrittsfläche verlässt,
- das zumindest eine Strukturelement einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex des Halbleiterkörpers im ersten Bereich unterscheidet, und
- die Strahlungsaustrittsfläche glatt ausgebildet ist.

Einem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement liegt dabei unter anderem die Überlegung zugrunde, dass im Halbleiterkörper des optoelektronischen Bauelements eine Totalreflexion von im aktiven Bereich erzeugter elektromagnetischer Strahlung an der Strahlungsaustrittsfläche beispielsweise zum so genannten Wellenleitereffekt führen kann, aufgrund dessen ein Teil der elektromagnetischen Strahlung den Halbleiterkörper nicht verlässt und dadurch die Effizienz des optoelektronischen Bauelements verringert ist. Einem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement liegt daher die Idee zu Grunde, dass das zumindest eine Strukturelement im ersten Bereich des Halbleiterkörpers, welches einen vom Halbleitermaterial unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, durch Beeinflussung der Strahlung den Wellenleitereffekt abmildern oder unterbinden kann.
Alternativ könnte zur Unterbindung des Wellenleitereffekts eine Aufrauhung der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers erfolgen. Vorliegend kann auf eine solche Aufrauhung der Strahlungsaustrittsfläche zum Beispiel mittels eines aufwändigen Ätzprozesses jedoch verzichtet werden und die Strahlungsaustrittsfläche kann insbesondere glatt ausgebildet sein. Eine glatte Strahlungsaustrittsfläche kann ferner das Anordnen von nachgeordneten optischen Elementen direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche erleichtern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist zumindest eines der Strukturelemente vollständig innerhalb des ersten Bereichs angeordnet. Dabei können auch alle Strukturelemente innerhalb des ersten Bereichs angeordnet sein. Das heißt, das zumindest eine Strukturelement ist vollständig von dem Material des ersten Bereichs umgeben und kann an der gesamten Außenflächen des zumindest einen Strukturelements eine Grenzfläche mit dem Material des ersten Bereichs bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist zumindest eines der Strukturelemente teilweise, also insbesondere nicht vollständig, innerhalb des ersten Bereichs angeordnet. Insbesondere können auch alle Strukturelemente nur teilweise innerhalb des ersten Bereichs angeordnet sein. Das heißt, zumindest ein Teil der Außenfläche des zumindest einen Strukturelements besitzt keine Grenzfläche mit dem Material des ersten Bereichs. Mit anderen Worten, ein Teil des zumindest einen Strukturelements ist beispielsweise an der der aktiven Schicht abgewandten Seite des ersten Bereichs angeordnet und an der Oberfläche des ersten Bereichs freigelegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Strahlungsaustrittsfläche eine mittlere Oberflächenrauheit von weniger als 10 nm, insbesondere von weniger als 1 nm auf. Die mittlere Oberflächenrauheit beschreibt das arithmetische Mittel der betragsgemäßen Abweichung eines Messpunktes respektive zur Mittellinie.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das optoelektronische Bauelement eine erste elektrische Anschlussschicht und eine zweite elektrische Anschlussschicht auf, die an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Montagefläche angeordnet sind. Dadurch lässt sich eine ununterbrochene Strahlungsaustrittsfläche erreichen, was die Effizienz des optoelektronischen Bauelements vorteilhaft erhöht. Darüber hinaus ist das optoelektronische Bauelement dadurch auch oberflächenmontierbar. Das heißt, das optoelektronische Bauelement ist mittels einer Oberflächenmontagetechnik am Bestimmungsort montierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das zumindest eine Strukturelement dazu vorgesehen einen Teil der im Betrieb entstehenden elektromagnetischen Strahlung optisch zu brechen und/oder zu streuen und/oder zu beugen. Durch diese Beeinflussung der elektromagnetischen Strahlung mittels des Strukturelements, ist zum Beispiel eine Änderung der Ausbreitungsrichtung von elektromagnetischer Strahlung, die auf das Strukturelement trifft und/oder die das Strukturelement durchläuft möglich. Dadurch verringert sich der Wellenleitercharakter des Halbleiterkörpers und es erhöht sich vorteilhaft die Wahrscheinlichkeit, dass elektromagnetische Strahlung aus dem aktiven Bereich den Halbleiterkörper verlässt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das optoelektronische Bauelement eine Vielzahl von Strukturelementen auf. Die Strukturelemente der Vielzahl von Strukturelementen können beispielsweise, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranz, gleich ausgebildet sein. Das heißt, die Strukturelemente weisen dann dieselben äußeren Abmessungen auf und/oder sind aus dem gleichen Material gebildet. Die Strukturelemente können in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Strukturelemente an den Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sind.
Das hier beschriebene optoelektronische Bauelement macht nun unter anderem von der Idee Gebrauch, diese Strukturelemente sowohl in ihrer Funktion als Maske für ein Facelo-Schichtenwachstum zur Erzeugung von defektarmen Schichten zu nutzen, als auch in einer optischen Funktion zur Erzeugung einer Streuwirkung einzusetzen um auf eine Aufrauhung der Strahlungsaustrittsfläche verzichten zu können.
Mit einer Vielzahl von Strukturelementen, lassen sich die unterschiedlichen Anforderungen an die Strukturelemente aus dem Facelo-Schichtenwachstum und der optischen Eigenschaften miteinander vereinen. Durch ein Facelo-Schichtenwachstum, lässt sich ein vorteilhaft sehr defektarmer Bereich im ersten Bereich und im aktiven Bereich des Halbleiterkörpers erzeugen.
Diese Strukturelemente können beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Siliziumnitrid oder einem Siliziumoxid, zum Beispiel SiO₂, gebildet sein. Strukturelemente, die für ein Facelo-Schichtenwachstum geeignet sind, sind in einem anderen Zusammenhang in der Druckschrift DE 10 2012 101 211 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei einem Facelo-Schichtenwachstum wird die Richtung in die sich Versetzungen im Halbleitermaterial ausbreiten gezielt gesteuert. Dadurch ist es möglich die Versetzungen zur Außenfläche hin zu lenken und somit einen sehr defektarmen Bereich im Inneren des Halbleitermaterials zu erhalten. Die Strukturelemente tragen daher, neben ihren optischen Eigenschaften, auch zu einer Verbesserung der Kristall-Qualität des Halbleiterkörpers und damit zu einer erhöhten Effizienz bei der Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Halbleiterkörper bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das Strukturelement als eine zusammenhängende Struktur mit Ausnehmungen ausgebildet. Das heißt das Strukturelement bildet eine Art von Gitter. Die Ausnehmungen sind, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranz, gleich ausgebildet. Das heißt, die Ausnehmungen weisen zum Beispiel dieselbe Form und dieselben geometrischen Abmessungen auf. Die Ausnehmungen sind dabei insbesondere Durchbrüche, die sich vollständig durch das Material der Struktur erstrecken. Die Ausnehmungen können beispielsweise mit Material des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers gefüllt sein. Auch ein solches Strukturelement kann als Maske während des epitaktischen Wachstums des Halbleiterkörpers dienen und ebenfalls zur Verbesserung der Kristall-Qualität des Halbleiterkörpers beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements, ist der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers eine Konverterschicht nachgeordnet. Dadurch lässt sich eine Konversion der emittierten elektromagnetischen Strahlung oder eines Teils der emittierten elektromagnetischen Strahlung erreichen. Somit kann beispielsweise vorteilhaft ein bestimmter Farbort für die von dem optoelektronischen Bauelement im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung eingestellt werden. Weitergehend kann durch eine glatte Strahlungsaustrittsfläche die Wahrscheinlichkeit einer Rückreflexion von bereits konvertierter elektromagnetischer Strahlung aus der Konverterschicht zurück in den Halbleiterkörper vorteilhaft vermindert werden. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer Reabsorption dieser bereits konvertierten elektromagnetischen Strahlung, wodurch sich vorteilhaft die Effizienz des optoelektronischen Bauelements erhöht. Die Konverterschicht kann beispielsweise als Plättchen ausgebildet sein, das mit einem, insbesondere keramischen, Lumineszenzkonversionsmaterial gebildet ist oder aus einem solchen besteht. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Konverterschicht ein Matrixmaterial, zum Beispiel ein Silikon, umfasst, in welches Partikel eines Lumineszenzkonversionsmaterials eingebracht sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist die der Strahlungsaustrittsfläche abgewandte Oberfläche der Konverterschicht glatt ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise die Anordnung eines nachgeordneten optischen Elements vereinfacht. Die mittlere Oberflächenrauheit der der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Oberfläche der Konverterschicht kann beispielsweise 10 nm oder weniger betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements, ist zwischen der Konverterschicht und dem ersten Bereich des Halbleiterkörpers eine anti-reflektierende Schicht angeordnet. Diese anti-reflektierende Schicht vermindert eine Rückreflexion von bereits konvertierter elektromagnetischer Strahlung aus der Konverterschicht in den Halbleiterkörper und vereinfacht gleichzeitig die Auskopplung von erzeugter elektromagnetischer Strahlung in die Konverterschicht. Somit ist die Wahrscheinlichkeit einer Reabsorption der elektromagnetischen Strahlung im Halbleiterkörper vorteilhaft verringert und die Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterkörper vorteilhaft erhöht. Die anti-reflektierende Schicht kann beispielsweise als Schichtenstapel von Schichten ausgebildet sein, die alternierend einen höheren und einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen. Die Stapelrichtung des Schichtenstapels verläuft beispielsweise senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Mit dem Verfahren kann insbesondere ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für das optoelektronische Bauelement offenbarte Merkmale sind für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements wird zunächst ein Aufwachssubstrat mit einer Aufwachsfläche bereitgestellt. Bei dem Aufwachssubstrat kann es sich zum Beispiel um ein Silizium-Substrat oder um ein Saphir-Substrat handeln.
Danach folgt das Abscheiden eines ersten Teils eines ersten Bereichs eines Halbleiterkörpers an der Aufwachsfläche.
Anschließend wird zumindest ein Strukturelement auf einer der Aufwachsfläche abgewandten Seite des ersten Teils des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers aufgebracht.
Dem folgt das Abscheiden eines zweiten Teils des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers an der der Aufwachsfläche abgewandten Seite des ersten Teils des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers und des zumindest einen Strukturelements. Dabei ist es möglich, dass das zumindest eine Strukturelement als Maske für das hier beschriebene Facelo-Schichtwachstum wirkt.
Anschließend folgt ein Abscheiden eines aktiven Bereichs und eines zweiten Bereichs des Halbleiterkörpers an einer der Aufwachsfläche abgewandten Seite des zweiten Teils des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers.
Danach wird das Aufwachssubstrat zur Erzeugung einer Strahlungsaustrittsfläche an einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite des ersten Bereichs des Halbleiterkörpers abgelöst. Das kann beispielsweise mittels eines Laser Lift-Off Prozess, mittels Ätzens und/oder Polierens geschehen. Die entstehende Strahlungsaustrittsfläche ist glatt ausgebildet.
Das zumindest eine Strukturelement weist einen Brechungsindex auf, der verschieden ist vom Brechungsindex des Halbleiterkörpers im ersten Bereich. Und das zumindest eine Strukturelement kann die Ausbreitung von Versetzungen im ersten Bereich des Halbleiterkörpers hemmen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den Figuren dargestellten, Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem Beispiel zur Erläuterung eines hier beschriebenen Bauelements,
3 einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4A bis 4F schematische Querschnitte durch ein optoelektronisches Bauelement bei verschiedenen Schritten eines Verfahrens seiner Herstellung,
5 eine schematische Schrägansicht eines Simulationsmodells eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
6 das Ergebnis einer Simulation der Auskoppeleffizienz eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit der Abstände der Strukturen zueinander und der Höhen der Strukturen,
7A und 7B Schnittbilder des in 6 gezeigten Simulationsergebnisses für ausgewählte Parameter,
8 eine schematische Draufsicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, und
9 eine schematische Draufsicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 1. Das optoelektronische Bauelement 1 umfasst einen Halbleiterkörper 10 mit einem ersten Bereich 101, welcher n-dotiert ist, einem zweiten Bereich 102, welcher p-dotiert ist, und einer aktiven Schicht 103. Der aktive Bereich 103 ist dabei zwischen dem ersten Bereich 101 und dem zweiten Bereich 102 angeordnet.
Zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Bauelements 1 sind auf der Montagefläche 10B zwei elektrische Anschlussschichten 121, 122 vorgesehen. Die erste elektrische Anschlussschicht 121 dient dabei zur Kontaktierung des ersten Bereichs 101 und die zweite elektrische Anschlussschicht 122 zur Kontaktierung des zweiten Bereichs 102. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses ist zwischen der ersten elektrischen Anschlussschicht 121 und der zweiten elektrischen Anschlussschicht 122 eine elektrisch isolierende Schicht 130 angebracht. Zwischen der zweiten elektrischen Anschlussschicht 122 und dem zweiten Bereich 102 befindet sich eine Spiegelschicht 170. Diese Spiegelschicht 170 reflektiert den Teil der elektromagnetischen Strahlung, welcher in Richtung der Montagefläche 10B emittiert wird zurück in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 10A.
Der Halbleiterkörper 10 ist auf einem Träger 110, der zum Beispiel elektrisch leitend ausgebildet ist, angeordnet. Zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen besitzt das optoelektronische Bauelement 1 eine Passivierungsschicht 160, die sich über alle Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 10 hinweg erstreckt und beispielsweise mit SiO₂ ausgebildet sein kann.
Auf der Passivierungsschicht 160 ist eine Konverterschicht 14 angeordnet, die zur Wellenlängenkonversion der aus der aktiven Schicht 103 emittierten elektromagnetischen Strahlung dient.
Zwischen der Konverterschicht 14 und dem Halbleiterkörper 10 ist eine anti-reflektierende Schicht 18 angeordnet. Diese anti-reflektierende Schicht 18 kann aus mehreren Schichten aufgebaut sein und vermindert die Wahrscheinlichkeit, dass eine bereits konvertierte elektromagnetische Strahlung aus der Konverterschicht wieder zurück in den Halbleiterkörper 10 gelangen kann. Gleichzeitig verbessert die anti-reflektierende Schicht 18 die Auskopplung, von in der aktiven Schicht 103 erzeugter elektromagnetischer Strahlung, in die Konverterschicht 14. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Reabsorption von bereits konvertierter elektromagnetischer Strahlung im Halbleiterkörper 10 vorteilhaft verringert und die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Halbleiterkörper 10 in die Konverterschicht 14 vorteilhaft verbessert.
Zur Auskopplung der in der aktiven Schicht 103 erzeugten elektromagnetischen Strahlung ist die Strahlungsaustrittsfläche 10A des Halbleiterkörpers 10 vorgesehen. Weiterhin besitzt das optoelektronische Bauelement 1 eine Vielzahl von Strukturelementen 150, welche sich vollständig innerhalb des ersten Bereiches 101 des Halbleiterkörpers 10 befinden. Diese Strukturelemente 150 können beispielsweise aus einem SiO₂ ausgebildet sein und dienen sowohl einer Verbesserung des Schichtaufbaus im Sinne einer Facelo-Maske, als auch einer optischen Funktion im Sinne einer Aufstreuung, Brechung oder einer Beugung der aus der aktiven Schicht 103 emittierten elektromagnetischen Strahlung.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement 1 gemäß einem Beispiel zur Erläuterung eines hier beschriebenen Bauelements. Das hier gezeigte optoelektronische Bauelement 1 umfasst einen Halbleiterkörper 10 umfassend einen ersten Bereich 101, einen zweiten Bereich 102 und einen aktiven Bereich 103. Der aktive Bereich 103 ist dabei zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Zusätzlich ist an der der Strahlungsaustrittsfläche 10A entgegengesetzten Seite des Halbleiterkörpers 10 eine Spiegelschicht 170 angeordnet, welche die elektromagnetische Strahlung in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 10A reflektiert. Die Strahlungsaustrittsfläche 10A ist in diesem Beispiel aufgeraut dargestellt. Diese Aufrauhung dient einer Verbesserung der Lichtauskopplung und einer Verminderung des Wellenleitercharakters des Halbleiterkörpers 10. Die Aufrauhung der Strahlungsaustrittsfläche 10A kann beispielsweise durch einen KOH-Ätzprozess hergestellt sein.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel weist den gleichen Schichtaufbau auf wie das in 2 gezeigte Beispiel zur Erläuterung eines hier beschriebenen Bauelements. Die Strahlungsaustrittsfläche 10A ist in diesem Ausführungsbeispiel glatt ausgebildet. Glatt bedeutet, die mittlere Oberflächenrauheit beträgt weniger als 10 nm, insbesondere weniger als 1 nm. Zusätzlich zu dem vorher gezeigten Beispiel weist das Ausführungsbeispiel in 3 mehrere Strukturelemente 150 auf, die zur Verbesserung des Schichtaufbaus im Sinne einer Facelo-Maske dienen und gleichzeitig eine optische Funktion erfüllen, indem sie die elektromagnetische Strahlung, welche aus dem aktiven Bereich 103 emittiert wird, beugen, streuen oder reflektieren. Aufgrund der Strukturelemente 150 kann auf die Aufrauhung der Strahlungsaustrittsfläche 10A verzichtet werden.
4A bis 4F zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in schematischen Schnittdarstellungen bei verschiedenen Schritten des Verfahrens.
4A zeigt ein bereitgestelltes Aufwachssubstrat 16, welches eine Aufwachsfläche 16A aufweist. Das Aufwachssubstrat 16 kann beispielsweise aus einem Saphir gebildet sein.
In 4B wird ein zweiter Schritt des Verfahrens gezeigt, in welchem ein erster Teil eines ersten Bereiches 101 auf das Aufwachssubstrat 16 aufgebracht wird.
4C zeigt einen dritten Schritt des Verfahrens, in welchem mehrere Strukturelemente 150 auf den ersten Teil des ersten Bereiches 101 aufgebracht werden. Diese Strukturelemente 150 umfassen beispielsweise ein SiO₂.
4D zeigt einen vierten Schritt des Verfahrens, in welchem ein zweiter Teil des ersten Bereiches 101 auf den vorhandenen ersten Teil des ersten Bereichs 101 aufgebracht wird. Dabei beginnt ein Aufwachsprozess vorzugsweise an den Stellen zwischen den Strukturelementen 150, wodurch sich vorteilhaft eine Facelo-Struktur herstellen lässt. In der Folge dieses Aufwachsprozesses erhält man eine besonders defektarme Halbleiterschicht.
4E zeigt einen fünften Verfahrensschritt, in dem zunächst eine aktive Schicht 103 auf den ersten Bereich 101 abgeschieden wird, gefolgt von einer zweiten Schicht 102, welche auf der aktiven Schicht 103 abgeschieden wird.
4F zeigt einen sechsten Verfahrensschritt, in welchem das Aufwachssubstrat 16 vom ersten Bereich 101 abgelöst wird und sich dadurch eine Strahlungsaustrittsfläche 10A ausbildet. Die Strahlungsaustrittsfläche 10A kann in weiteren Verfahrensschritten anschließend poliert werden, um eine besonders geringere mittlere Oberflächenrauheit zu erhalten.
5 zeigt eine schematische Schrägansicht eines Simulationsmodells eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei sind zu erkennen, der erste Bereich 101, der zweite Bereich 102 und mehrere vereinzelte Strukturelemente 150. Auf Grundlage dieses geometrischen Modells werden verschiedene optische Eigenschaften des Aufbaus mit Hilfe eines Simulationsprogrammes ermittelt.
6 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Auskoppeleffizienz eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit der Abstände der Strukturen zueinander und der Höhe der Strukturen.
7A zeigt ein Schnittbild des in 6 dargestellten Simulationsergebnisses für einen ausgewählten Strukturabstand von 450 nm. Man erkennt, dass sich die Auskoppeleffizienz über einen weiten Bereich der Strukturhöhe oberhalb von 250 nm nicht mehr wesentlich verändert. Das heißt, die Strukturhöhe hat bei diesem gewählten Abstand, sowie anderen, entsprechend dem in 6 dargestellten Parameterraum gewählten Abständen, vorteilhaft nur einen geringen Einfluss auf die Auskoppeleffizienz.
7B zeigt ein weiteres Schnittbild des in 6 dargestellten Simulationsergebnisses für eine ausgewählte Strukturhöhe von 200 nm. Für diesen gewählten Wert verändert sich die Auskoppeleffizienz bei einer Variation des Strukturabstandes über einen weiten Bereich von ca. 400 nm bis ca. 800 nm nur sehr wenig. Das heißt, der Strukturabstand hat bei dieser gewählten Strukturhöhe, sowie anderen, entsprechend dem in 6 dargestellten Parameterraum gewählten Strukturhöhen, vorteilhaft nur einen geringen Einfluss auf die Auskoppeleffizienz.
8 zeigt eine schematische Draufsicht eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigen sich die Aufteilungen aus dem Strukturelement 150 und dem ersten Bereich 101. Das Strukturelement 150 ist hier als einzelner zusammenhängender Körper abgebildet und von einer Vielzahl von Aussparungen von dem ersten Bereich 101 durchdrungen. Das heißt das Strukturelement 150 bildet im Rahmen der Fertigungstoleranzen ein regelmäßiges Gitter, dessen Ausnehmungen mit Halbleitermaterial des ersten Bereichs 101 ausgefüllt sind. Diese Struktur erlaubt ein Facelo-Schichtenwachstum und ermöglicht gleichzeitig eine Verminderung des Wellenleitercharakters des Halbleiterkörpers 10 durch eine zufällige Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung.
9 zeigt eine schematische Draufsicht eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt Strukturelemente 150, welche in mehrere kleine Teilbereiche aufgeteilt sind und den ersten Halbleiterbereich 101 an mehreren Stellen durchstoßen. Das bedeutet, in dem Halbleitermaterial des ersten Bereichs 101 sind im Rahmen der Fertigungstoleranzen in einem regelmäßigen Gitter jeweils zueinander gleich beabstandete Strukturelemente 150 angeordnet. Die sich dabei ergebenden Zwischenräume zwischen den einzelnen Strukturelementen 150 sind mit dem Halbleitermaterial des ersten Bereichs 101 gefüllt. Diese Struktur erlaubt, ebenso wie die in 9 gezeigte Struktur, ein Facelo-Schichtenwachstum und ermöglicht damit gleichzeitig eine Verminderung des Wellenleitercharakters des Halbleiterkörpers 10 durch eine zufällige Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Bauelement
10: Halbleiterkörper
10A: Strahlungsaustrittsfläche
10B: Montagefläche
14: Konverterschicht
16: Aufwachssubstrat
16A: Aufwachsfläche
18: anti-reflektierende Schicht
101: erster Bereich
102: zweiter Bereich
103: aktiver Bereich
110: Träger
121: erste elektrische Anschlussschicht
122: zweite elektrische Anschlussschicht
130: elektrisch isolierende Schicht
150: Strukturelement
160: Passivierungsschicht
170: Spiegelschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012101211 A1 [0025]

Claims

Optoelektronisches Bauelement (1) mit - einem Halbleiterkörper (10), umfassend einen ersten Bereich (101) eines ersten Leitungstyps, einen zweiten Bereich (102) eines zweiten Leitungstyps und einen aktiven Bereich (103), der zwischen dem ersten Bereich (101) und dem zweiten Bereich (102) angeordnet ist, - zumindest einem Strukturelement (150), das innerhalb des ersten Bereichs (101) angeordnet ist, wobei, - der aktive Bereich (103) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, - der Halbleiterkörper (10) eine Strahlungsaustrittsfläche (10A) an einer dem aktiven Bereich (103) abgewandten Hauptfläche des ersten Bereichs (101) aufweist, - ein Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung den Halbleiterkörper (10) durch die Strahlungsaustrittsfläche (10A) verlässt, - das zumindest eine Strukturelement (150) einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex des Halbleiterkörpers (10) im ersten Bereich (101) unterscheidet, und - die Strahlungsaustrittsfläche (10A) glatt ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem zumindest ein Strukturelement (150) vollständig innerhalb des ersten Bereichs (101) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest ein Strukturelement (150) teilweise innerhalb des ersten Bereichs (101) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem die Strahlungsaustrittsfläche (10A) eine mittlere Oberflächenrauheit von höchstens 10 nm, insbesondere von höchstens 1 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ersten elektrischen Anschlussschicht (121) und einer zweiten elektrischen Anschlussschicht (122), die an einer der Strahlungsaustrittsfläche (10A) gegenüberliegenden Montagefläche (10B) angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zumindest eine Strukturelement (150) dazu vorgesehen ist, einen Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung optisch zu brechen und/oder zu streuen und/oder zu beugen.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Vielzahl von Strukturelementen (150) aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (150) als eine zusammenhängende Struktur mit Ausnehmungen ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Strahlungsaustrittsfläche (10A) eine Konverterschicht(14) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem die der Strahlungsaustrittsfläche (10A) abgewandte Oberfläche der Konverterschicht (14) glatt ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Konverterschicht (14) und dem ersten Bereich (101) eine anti-reflektierende Schicht (18) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (16) mit einer Aufwachsfläche (16A), - Abscheiden eines ersten Teils eines ersten Bereichs (101) eines Halbleiterkörpers (10) an der Aufwachsfläche (16A), - Aufbringen zumindest eines Strukturelements (150) an einer der Aufwachsfläche (16A) abgewandten Seite des ersten Teils des ersten Bereichs (101) des Halbleiterkörpers (10), - Abscheiden eines zweiten Teils des ersten Bereichs (101) des Halbleiterkörpers (10) an der der Aufwachsfläche (16A) abgewandten Seite des ersten Teils des ersten Bereichs (101) des Halbleiterkörpers (10) und des zumindest einen Strukturelements (150), - Abscheiden eines aktiven Bereichs (103) und eines zweiten Bereichs (102) des Halbleiterkörpers (10) an einer der Aufwachsfläche (16A) abgewandten Seite des zweiten Teils des ersten Bereichs (101) des Halbleiterkörpers (10), - Ablösen des Aufwachssubstrats (16) zur Erzeugung einer Strahlungsaustrittsfläche (10A) an einer dem aktiven Bereich (103) abgewandten Seite des ersten Bereichs (101) des Halbleiterkörpers (10), wobei, - das zumindest eine Strukturelement (150) einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex des Halbleiterkörpers (10) im ersten Bereich (101) unterscheidet, - das zumindest eine Strukturelement (150) die Ausbreitung von Versetzungen im ersten Bereich (101) des Halbleiterkörpers (10) hemmt, und - die Strahlungsaustrittsfläche (10A) glatt ausgebildet ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem ein optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche hergestellt wird.