DE102017113741A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (20) zur Emission mehrfarbiger Strahlung (R, G, B), mit
- einer Vielzahl nebeneinander angeordneter aktiver Bereiche (10a, 10b, 10c), die als Mikro- oder Nanostäbe ausgebildet sind und zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung (B) eingerichtet sind, wobei
- einer ersten Gruppe der aktiven Bereiche (10a) in einer Abstrahlrichtung jeweils ein erstes Lumineszenzkonversionselement (21) nachfolgt, das zur Konvertierung der Primärstrahlung (B) in eine erste Sekundärstrahlung (R) geeignet ist, und
- einer zweiten Gruppe der aktiven Bereiche (10b) in der Abstrahlrichtung jeweils ein zweites Lumineszenzkonversionselement (22) nachfolgt, das zur Konvertierung der Primärstrahlung (B) in eine zweite Sekundärstrahlung (G) geeignet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das zur Emission mehrfarbiger Strahlung geeignet ist.
  • Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter aktiver Bereiche, die als Mikro- oder Nanostäbe (engl. microrods oder nanorods) ausgebildet sind, ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2015/091754 A1 bekannt.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement zur Emission mehrfarbiger Strahlung anzugeben, das sich durch eine hohe Auflösung und hohe Effizienz auszeichnet und insbesondere als mehrfarbige Beleuchtungsvorrichtung oder Display einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Vielzahl nebeneinander angeordneter aktiver Bereiche, die insbesondere als Mikro- oder Nanostäbe ausgebildet sind und zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung eingerichtet sind.
  • Vorzugsweise erzeugen die aktiven Bereiche im Betrieb Primärstrahlung im Spektralbereich des sichtbaren Lichts, insbesondere blaues Licht. Dies schließt nicht aus, dass die Primärstrahlung auch violette oder UV-Strahlung enthält. Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann insbesondere hundert oder tausend oder mehr aktive Bereiche umfassen.
  • Die aktiven Bereiche sind insbesondere zumindest teilweise beabstandet zueinander angeordnet. Das heißt, die aktiven Bereiche berühren sich zumindest bereichsweise nicht, sondern sind zumindest bereichsweise als voneinander getrennte Bereiche ausgebildet. Die aktiven Bereiche können beispielsweise in lateralen Richtungen, die parallel zu einer Haupterstreckungsebene des optoelektronischen Halbleiterbauelements verlaufen, zumindest bereichsweise beabstandet zueinander angeordnet sein. Die aktiven Bereiche können dabei beispielsweise an ihren Bodenflächen oder ihren Deckflächen durch ein gemeinsames Material, insbesondere eine elektrisch leitfähige Schicht, miteinander verbunden sein. Insbesondere aber die Bereiche der aktiven Bereiche, die im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements elektromagnetische Strahlung emittieren, sind beabstandet zueinander angeordnet.
  • Die aktiven Bereiche können jeweils eine Haupterstreckungsrichtung aufweisen. Die Haupterstreckungsrichtungen eines Großteils, beispielsweise aller aktiven Bereiche, können im Rahmen der Herstellungstoleranz parallel zueinander verlaufen. Die Haupterstreckungsrichtung verläuft beispielsweise senkrecht zu der lateralen Richtung, in der die aktiven Bereiche beabstandet zueinander angeordnet sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements folgt einer ersten Gruppe der aktiven Bereiche in einer Abstrahlrichtung ein erstes Lumineszenzkonversionselement nach, das zur Konvertierung der Primärstrahlung in eine erste Sekundärstrahlung geeignet ist. Die Abstrahlrichtung kann insbesondere parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Bereiche verlaufen. Das erste Lumineszenzkonversionselement enthält insbesondere einen ersten Leuchtstoff, der dazu geeignet ist, die Primärstrahlung in die erste Sekundärstrahlung mit einer anderen, insbesondere größeren, Wellenlänge umzuwandeln. Beispielsweise umfasst die Primärstrahlung blaues Licht und die erste Sekundärstrahlung rotes Licht. Geeignete Leuchtstoffe zur Wellenlängenkonversion der Strahlung von optoelektronischen Bauelementen sind dem Fachmann an sich bekannt und werden deshalb nicht weiter beschrieben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements folgt einer zweiten Gruppe der aktiven Bereiche in der Abstrahlrichtung ein zweites Lumineszenzkonversionselement nach, das zur Konvertierung der Primärstrahlung in eine zweite Sekundärstrahlung geeignet ist. Das zweite Lumineszenzkonversionselement enthält insbesondere einen vom ersten Leuchtstoff verschiedenen zweiten Leuchtstoff, der dazu geeignet ist, die Primärstrahlung in die zweite Sekundärstrahlung mit einer anderen, insbesondere größeren, Wellenlänge umzuwandeln. Vorteilhaft weisen die Primärstrahlung, die erste Sekundärstrahlung und die zweite Sekundärstrahlung verschiedene Farben auf. Beispielsweise umfasst die Primärstrahlung blaues Licht, die erste Sekundärstrahlung rotes Licht und die zweite Sekundärstrahlung grünes Licht.
  • Die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente können beispielsweise mindestens einen in ein Matrixmaterial eingebrachten Leuchtstoff aufweisen. Alternativ können die Lumineszenzkonversionselemente beispielsweise durch epitaktisch abgeschiedene Schichten (sogenannte Epi-Konverter) gebildet sein. Die epitaktischen Schichten können in diesem Fall zunächst auf das optoelektronische Halbleiterbauelement gebondet und dann zur Ausbildung der einzelnen Lumineszenzkonversionselemente strukturiert werden, beispielsweise durch selektives Ätzen.
  • Durch das Aufbringen der ersten Lumineszenzkonversionselemente auf die erste Gruppe der aktiven Bereiche und der zweiten Lumineszenzkonversionselemente auf die zweite Gruppe der aktiven Bereiche wird insbesondere erreicht, dass die Mikro- oder Nanostäbe zur Emission von Strahlung verschiedener Farben geeignet sind. Auf diese Weise wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement erzielt, dass sich durch eine hohe Auflösung und eine hohe Effizienz auszeichnet und zur Abstrahlung mehrfarbiger Strahlung auszeichnet.
  • Eine besonders hohe Auflösung kann insbesondere durch geringe Abstände zwischen den aktiven Bereichen erzielt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements betragen die Abstände benachbarter aktiver Bereiche weniger als 10 µm, insbesondere im Bereich zwischen 50 nm und 10 µm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements folgt einer dritten Gruppe der aktiven Bereiche in einer Abstrahlrichtung kein Lumineszenzkonversionselement nach. Die aktiven Bereiche der ersten Gruppe emittieren somit die Primärstrahlung in die Abstrahlrichtung. Das optoelektronische Halbleiterbauelement ist insbesondere zur Emission von Strahlung mindestens drei verschiedener Farben, insbesondere blau, grün und rot, geeignet. Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann insbesondere eine RGB-Lichtquelle sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen die aktiven Bereiche eine laterale Ausdehnung, d.h. eine Ausdehnung senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsrichtung, zwischen 20 nm und 5 µm auf. In der Haupterstreckungsrichtung weisen die aktiven Bereiche vorzugsweise eine Länge auf, die größer ist als der Durchmesser. Beispielsweise ist die Länge der aktiven Bereiche mindestens zwei Mal so groß wie der Durchmesser, insbesondere mindestens fünf Mal so groß wie der Durchmesser oder sogar mindestens 50 Mal so groß wie der Durchmesser der aktiven Bereiche.
  • Die Einstellung der Größe der aktiven Bereiche in lateraler Richtung erfolgt beispielsweise durch die Größe der Öffnungen in einer Maskenschicht, in der die aktiven Bereiche gewachsen werden, und in vertikaler Richtung beispielsweise durch die Wachstumszeit. Durch die Größe der aktiven Bereiche können die optischen Eigenschaften, insbesondere die Modenführung, beeinflusst werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente derart angeordnet, dass jedem aktiven Bereich der ersten Gruppe jeweils ein separates erstes Lumineszenzkonversionselement und jedem aktiven Bereich der zweiten Gruppe jeweils ein separates zweites Lumineszenzkonversionselement zugeordnet ist. Mit anderen Worten bedeckt ein erstes Konversionselement oder ein zweites Lumineszenzkonversionselement jeweils genau einen aktiven Bereich.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente jeweils eine laterale Ausdehnung auf, die zwischen einmal und fünfmal so groß ist wie die laterale Ausdehnung der aktiven Bereiche. Weiterhin beträgt die laterale Ausdehnung der Lumineszenzkonversionselemente bevorzugt nicht mehr als die Hälfte des Abstands der aktiven Bereiche. Die Lumineszenzkonversionselemente sind in diesem Fall vorteilhaft so dimensioniert, dass sie die von dem ihnen zugeordneten aktiven Bereich ausgehende Strahlung vollständig absorbieren und in eine Sekundärstrahlung konvertieren. In Abhängigkeit von der Winkelverteilung der emittierten Primärstrahlung kann es hierzu vorteilhaft sein, wenn die Lumineszenzkonversionselemente zwischen 100% und 500% der lateralen Ausdehnung der aktiven Bereiche aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist eine Strahlungsaustrittsfläche des optoelektronischen Halbleiterbauelements mindestens eine transparente dielektrische Schicht auf, wobei die ersten Lumineszenzkonversionselemente und die zweiten Lumineszenzkonversionselemente jeweils in Vertiefungen der mindestens einen dielektrischen Schicht angeordnet sind. Es ist auch möglich, dass das erste Lumineszenzkonversionselement in Vertiefungen einer ersten dielektrischen Schicht und das zweite Lumineszenzkonversionselement in Vertiefungen einer zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist. Die Vertiefungen in der mindestens einen dielektrischen Schicht können zum Beispiel mit einem Lithographieverfahren erzeugt werden. Die Anordnung der ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente in Vertiefungen mindestens einer dielektrischen Schicht hat den Vorteil, dass mittels der Vertiefungen die Größe und Position der ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente genau einstellbar ist, insbesondere mittels einer lithografischen Erzeugung der Vertiefungen. Weiterhin hat die Anordnung der ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente in Vertiefungen der mindestens einen dielektrischen Schicht den Vorteil, dass die Lumineszenzkonversionselemente besser vor mechanischen Beschädigungen geschützt sind.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente vorteilhaft jeweils in Wellenleitern angeordnet. Die Wellenleiter können beispielsweise in einer dielektrischen Schicht ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Primärstrahlung B, die erste Sekundärstrahlung R und die zweite Sekundärstrahlung G jeweils gerichtet abgestrahlt werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen den aktiven Bereichen und den Lumineszenzkonversionselementen ein wellenlängenselektiver Spiegel angeordnet. Der wellenlängenselektive Spiegel ist insbesondere dazu eingerichtet, die von den Lumineszenzkonversionselementen erzeugte erste Sekundärstrahlung R und zweite Sekundärstrahlung G zumindest zum überwiegenden Teil zu reflektieren und ist für die Primärstrahlung B im Wesentlichen strahlungsdurchlässig. Der wellenlängenselektive Spiegel kann insbesondere dazu eingerichtet sein, rotes oder grünes Licht zu reflektieren und blaues Licht zu transmittieren. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Absorption von konvertierter Strahlung im optoelektronischen Halbleiterbauelement vermindert und die Effizienz erhöht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind die aktiven Bereiche individuell ansteuerbar. Vorteilhaft weisen die aktiven Bereiche in diesem Fall an einer der Strahlungsaustrittsfläche zugewandten Seite einen gemeinsamen elektrischen Kontakt und an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Seite separate elektrische Kontakte auf. Es ist weiterhin auch möglich, dass jeweils beide Kontakte der aktiven Bereiche individuell ansteuerbar sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement ein Trägersubstrat auf, wobei eine elektronische Schaltung zur individuellen Ansteuerung der aktiven Bereiche in das Trägersubstrat integriert ist. Das Trägersubstrat mit einer elektronischen Schaltung zur individuellen Ansteuerung der aktiven Bereiche kann beispielsweise in CMOS-Technik hergestellt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement kein Aufwachssubstrat auf. Das Aufwachssubstrat kann insbesondere nach einer epitaktischen Herstellung der aktiven Bereiche von dem Halbleiterbauelement abgelöst werden, zum Beispiel mit einem Laser-Lift-Off-Verfahren. Das Ablösen des Aufwachssubstrats ermöglicht es insbesondere, die aktiven Bereiche mit einem Trägersubstrat zu verbinden, das es ermöglicht, die aktiven Bereiche einzeln anzusteuern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Halbleiterbauelement ein RGB-Display mit einer Vielzahl von Pixeln. Vorzugsweise weist jedes Pixel einen aktiven Bereich der ersten Gruppe, einen aktiven Bereich der zweiten Gruppe und einen aktiven Bereich der dritten Gruppe auf. Die Pixel enthalten somit jeweils mindestens einen aktiven Bereich jeder Farbe, beispielsweise einen aktiven Bereich zur Emission blauen Lichts, einen aktiven Bereich zur Emission grünen Lichts und einen Bereich zur Emission roten Lichts. Dies schließt nicht aus, dass ein Pixel mehr als drei, beispielsweise vier aktive Bereiche aufweist.
  • Die aktiven Bereiche weisen vorzugsweise einen n-Typ Halbleiterbereich auf, der einen Kernbereich ausbildet. Über diesen Kernbereich können die aktiven Bereiche beispielsweise an einer Bodenfläche der aktiven Bereiche jeweils miteinander verbunden sein. Ferner können die aktiven Bereiche eine aktive Schicht aufweisen, die den Kernbereich zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt. Das heißt, die aktive Schicht kann an Mantelflächen und gegebenenfalls auch an Deckflächen der aktiven Bereiche ausgebildet sein und den Kernbereich dort überdecken. Insbesondere ist es aber auch möglich, dass Bodenflächen und/oder Deckflächen der aktiven Bereiche jeweils frei von der aktiven Schicht sind und lediglich Mantelflächen der aktiven Bereiche von der aktiven Schicht bedeckt sind. Weiter können die aktiven Bereiche einen p-Typ Halbleiterbereich aufweisen, der eine Deckschicht ausbildet, die die aktive Schicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt.
  • Insgesamt ist es also möglich, dass ein Großteil, insbesondere alle aktiven Bereiche, jeweils einen Kernbereich aufweisen, der in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs jeweils von einer aktiven Schicht bedeckt ist, die wiederum, insbesondere auch in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs, jeweils von einer Deckschicht bedeckt ist.
  • Bei den aktiven Bereichen kann es sich dabei insbesondere um so genannte Kern-Hülle-Nanostäbe oder Kern-Hülle-Mikrostäbe (englisch auch: core shell nanorods oder core shell microrods) handeln, bei denen eine Hülle mit einer aktiven Schicht um einen Kern aufgebracht ist, der sich in alle drei Raumrichtungen erstreckt.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung weisen die aktiven Bereiche eine Haupterstreckungsrichtung auf, wobei in der Haupterstreckungsrichtung ein n-Typ Halbleiterbereich, die aktive Schicht und ein p-Typ Halbleiterbereich derart übereinander angeordnet sind, dass sie in lateraler Richtung nicht überlappen. Bei dieser Ausgestaltung sind die Nano- oder Mikrostäbe vorzugsweise scheibenförmige Nano- oder Mikrostäbe (disc type nanorods or microrods), wobei der n-Typ Halbleiterbereich, die aktive Schicht und der p-Typ Halbleiterbereich aufeinanderfolgende Scheiben, beispielsweise mit zylindrischem oder hexagonalem Querschnitt, sind. Solche scheibenförmigen Nano- oder Mikrostäbe werden oftmals als „quantum disc“ bezeichnet.
  • Die aktiven Bereiche können mit einem II-VI-Material oder III-V-Material, insbesondere einem III-Nitrid-Material wie z.B. InAlGaN, hergestellt werden und emittieren je nach Materialzusammensetzung in der aktiven Schicht beispielsweise Primärstrahlung mit einer Peak-Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich bis höchstens 550 nm. Dabei ist die Peak-Wellenlänge insbesondere die Wellenlänge maximaler Emission. Vorzugsweise wird blaues Licht erzeugt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Stromaufweitungsschicht, welche die Vielzahl der aktiven Bereiche zumindest stellenweise bedeckt. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann die Stromaufweitungsschicht die aktiven Bereiche elektrisch leitend miteinander verbinden. Beispielsweise steht die Stromaufweitungsschicht in direktem Kontakt mit der Deckschicht der aktiven Bereiche. Die Stromaufweitungsschicht kann die aktiven Bereiche an ihrer freiliegenden Außenfläche teilweise oder vollständig bedecken.
  • Die Stromaufweitungsschicht ist vorzugsweise strahlungsdurchlässig ausgebildet. Die Stromaufweitungsschicht kann in einem solchen Fall mit einem Halbleitermaterial oder mit einem transparenten, leitfähigen Oxid gebildet sein. Beispielsweise eignet sich Indiumzinnoxid (ITO) als Material zur Bildung der Stromaufweitungsschicht. Die Stromaufweitungsschicht kann alternativ oder zusätzlich ein Metall aufweisen. Die Stromaufweitungsschicht kann beispielsweise nur aus einer Metallschicht oder aus einer Kombination einer transparenten leitfähigen Oxidschicht mit einer Metallschicht bestehen. Ferner ist es möglich, dass die Stromaufweitungsschicht mit einem semitransparenten, leitfähigen Material, das dünn aufgetragen wird, gebildet ist. Die Stromaufweitungsschicht kann in diesem Fall zum Beispiel mit Graphen gebildet sein oder aus Graphen bestehen.
  • Das optoelektronische Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 6 näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 1B eine vergrößerte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines aktiven Bereichs,
    • 1C eine vergrößerte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines aktiven Bereichs,
    • 1D eine vereinfachte schematische Aufsicht auf die aktiven Bereiche,
    • 2A bis 2O schematisch dargestellte Zwischenschritte bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    • 4A bis 4L schematisch dargestellte Zwischenschritte bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
    • 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • Das in 1A schematisch im Querschnitt dargestellte optoelektronische Halbleiterbauelement 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist eine Vielzahl aktiver Bereiche 10a, 10b, 10c auf, die nebeneinander über einem gemeinsamen Trägersubstrat 15 angeordnet sind. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 1 nur sieben aktive Bereiche 10a, 10b, 10c dargestellt. Die tatsächliche Anzahl der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c in dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 20 kann wesentlich größer sein, beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 20 mindestens fünfzig, mindestens hundert oder sogar mindestens tausend aktive Bereiche 10a, 10b, 10c aufweisen. Die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c können in einer matrixartigen Anordnung über dem Trägersubstrat angeordnet sein.
  • Die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c sind insbesondere als Mikro- oder Nanostäbe ausgebildet. Ein mögliches Ausführungsbeispiel eines aktiven Bereichs 10a, 10b, 10c ist in 1B vergrößert dargestellt. Jeder aktive Bereich 10a, 10b, 10c umfasst einen n-Typ Halbleiterbereich 11, der einen Kernbereich ausbildet. Der Kernbereich wird von einer aktiven Schicht 12 umhüllt, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist. Die aktive Schicht 12 wird von einem p-Typ Halbleiterbereich 13 umhüllt, der eine Deckschicht ausbildet. Eine solche Anordnung der Schichten in den Mikro- oder Nanostäben wird auch als Kern-Hülle Struktur (engl. core-shell structure) bezeichnet.
  • Eine alternative mögliche Ausgestaltung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c ist in 1C dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung sind der n-Typ Halbleiterbereich 11, die aktive Schicht 12 und der p-Typ Halbleiterbereich 13 in der Haupterstreckungsrichtung z übereinander angeordnet. Der n-Typ Halbleiterbereich 11, die aktive Schicht 12 und der p-Typ Halbleiterbereich 13 sind in diesem Fall scheibenförmig vertikal übereinander angeordnet.
  • Bei beiden möglichen Ausgestaltungen der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c basieren die Halbleiterschichten 11, 12, 13 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 20 vorzugsweise auf einem Nitrid-Verbindungs-Halbleiter. „Auf einem Nitrid-Verbindungshalbleiter basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichten oder zumindest eine Schicht davon ein III-NitridVerbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise InxAlyGa1-x-yN umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des InxAlyGa1-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
  • Beispielsweise weist der n-Typ Halbleiterbereich 11 n-dotiertes GaN, die aktive Schicht 12 InGaN und die Deckschicht p-dotiertes GaN auf. Es ist auch denkbar, dass der n-Typ Halbleiterbereich 11, die aktive Schicht 12 und/oder der p-Typ Halbleiterbereich 13 aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sind. Insbesondere kann die aktive Schicht 12 eine Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen.
  • Die aktiven Bereiche 10 weisen eine Haupterstreckungsrichtung z auf. Die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c sind vorzugsweise entlang der Haupterstreckungsrichtung z länger ausgebildet, als sind in lateralen Richtungen, quer oder senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung z, breit sind.
  • Wie in der schematischen dargestellten Aufsicht auf einige der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c in 1D zu sehen ist, können die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c beispielsweise hexagonale Grundflächen aufweisen. Alternativ sind aber auch andere Formen der Grundfläche möglich.
  • Wie in 1A dargestellt, erfolgt die elektrische Kontaktierung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c beispielsweise über einen gemeinsamen p-Kontakt 5 und separate n-Kontakte 6. Der p-Kontakt 5 und die n-Kontakte 6 können beispielsweise als Metallschichten ausgeführt sein. Die n-Typ Halbleiterbereiche 11 sind mit den n-Kontakten 6 elektrisch leitend verbunden und können insbesondere direkt an die n-Kontakte 6 angrenzen. Der elektrische Kontaktierung der p-Typ Halbleiterbereiche 13 der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c wird über eine Stromaufweitungsschicht 4 hergestellt, die über Teile der p-Typ Halbleiterbereiche 13 geführt ist und an den p-Kontakt 5 angeschlossen ist. Die Stromaufweitungsschicht 4 grenzt insbesondere bereichsweise an die p-Typ Halbleiterbereiche 13 der aktiven Bereiche 10 an. Die Stromaufweitungsschicht 4 und der p-Kontakt 5 sind durch mindestens eine Isolationsschicht 3 von den n-Kontakten 6 elektrisch isoliert.
  • Bei der in 1B gezeigten Ausführung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c als Kern-Hülle Nano- oder Mikrostäbe erstreckt sich ein Teil der Isolationsschicht 3 an den Unterseiten der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c unter die aktive Schicht 12 und die p-Typ Halbleiterbereiche 13. Somit ist jeweils nur der n-Typ Halbleiterbereich 11 elektrisch an den n-Kontakt 6 angeschlossen. Bei der Herstellung der Kern-Hülle-Nano- oder Mikrostäbe kann die Isolationsschicht 3 als Maske zur Erzeugung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c während des epitaktischen Wachstums dienen. Beispielsweise kann zunächst der als Kern fungierende n-Typ Halbleiterbereich 11 in Öffnungen der Isolationsschicht 3 gewachsen werden, und dann der Kern nacheinander von der aktiven Schicht 12 und dem p-Typ Halbleiterbereich 13 überwachsen werden.
  • Bei der alternativen Ausführung der aktiven Bereich 10a, 10b, 10c gemäß 1C sind der n-Typ Halbleiterbereich 11 und die aktive Schicht 12 in seitlicher Richtung von einer Isolationsschicht 3 bedeckt und insbesondere von der Stromaufweitungsschicht 4 elektrisch isoliert.
  • Die mindestens eine Isolationsschicht 3 ist beispielsweise mit einem Halbleiteroxid oder einem Halbleiternitrid wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet. Die Stromaufweitungsschicht 4, die über den aktiven Bereichen 10a, 10b, 10c angeordnet ist, ist vorzugsweise eine transparente Schicht. Somit kann die von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 20 emittierte Strahlung zumindest teilweise durch die Stromaufweitungsschicht 4 ausgekoppelt werden. Insbesondere kann die Stromaufweitungsschicht 4 ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO, transparent conductive oxide) wie zum Beispiel Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweisen.
  • Die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c emittieren eine Primärstrahlung, die vorzugsweise blaues Licht umfasst. Die aktiven Schichten 12 der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c können jeweils das gleiche Halbleitermaterial aufweisen, insbesondere ein zur Emission blauen Lichts geeignetes Nitridverbindungshalbleitermaterial. Zur Erzielung einer mehrfarbigen Abstrahlung folgt einer ersten Gruppe aktiver Bereiche 10a in Abstrahlungsrichtung jeweils ein erstes Lumineszenzkonversionselement 21 nach, das zur Konvertierung der Primärstrahlung B in eine erste Sekundärstrahlung R geeignet ist. Die erste Sekundärstrahlung R ist vorzugsweise rotes Licht. Weiterhin folgt einer zweiten Gruppe aktiver Bereiche 10b in Abstrahlungsrichtung jeweils ein zweites Lumineszenzkonversionselement 22 nach, das zur Konvertierung der Primärstrahlung B in eine zweite Sekundärstrahlung G geeignet ist. Die zweite Sekundärstrahlung G ist vorzugsweise grünes Licht. Einer dritten Gruppe der aktiven Bereiche 10c folgt in Abstrahlungsrichtung vorteilhaft kein Lumineszenzkonversionselement nach, so dass die aktiven Bereiche 10c der dritten Gruppe die Primärstrahlung B emittieren.
  • Die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 sind vorteilhaft jeweils in Vertiefungen einer oder mehrerer transparenter dielektrischer Schichten 9, 16 angeordnet, welche über den aktiven Bereichen 10a, 10b, 10c angeordnet sind. Die transparenten dielektrischen Schichten 9, 16 sind beispielsweise aus einem Siliziumoxid, insbesondere SiO2, gebildet.
  • Die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c sind vorteilhaft einzeln ansteuerbar. Hierzu ist vorteilhaft eine elektronische Schaltung 18 zur individuellen Ansteuerung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c in ein Trägersubstrat 15 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 20 integriert. Die elektronische Schaltung 18 zur Ansteuerung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c kann in dem Trägersubstrat 15 zum Beispiel in CMOS-Technik realisiert sein und ist in 1A nur schematisch durch Transistorsymbole angedeutet. Das Trägersubstrat 15 liegt einer Strahlungsaustrittsfläche 17 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 20 gegenüber.
  • Das optoelektronische Halbleiterbauelement 20 kann zum Beispiel ein Display, insbesondere ein RGB-Display sein. Das Display weist in diesem Fall vorzugsweise eine Vielzahl von Pixeln auf, wobei jedes Pixel vorteilhaft jeweils mindestens einen aktiven Bereich 10a der ersten Gruppe, einen aktiven Bereich 10b der zweiten Gruppe und einen aktiven Bereich 10c der dritten Gruppe aufweist.
  • Weiterhin kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 20 eine Beleuchtungsvorrichtung sein, die zur Emission von Mischlicht geeignet ist, wobei das Mischlicht durch additive Farbmischung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c erzeugt werden kann. Durch gezielte Ansteuerung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c kann Mischlicht verschiedener Farben erzeugt werden, beispielsweise farbiges Licht mit gezielt eingestelltem Farbort. Weiterhin kann beispielsweise Weißlicht mit gezielt eingestellter Farbtemperatur erzeugt werden.
  • In den 2A bis 2O sind schematisch Zwischenschritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements dargestellt, mit dem beispielsweise das optoelektronische Halbleiterbauelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt werden kann.
  • Bei dem in 2A dargestellten Zwischenschritt sind aktive Bereiche 10 epitaktisch auf einer ersten Halbleiterschicht 2, die vorzugsweise GaN aufweist und insbesondere n-dotiert sein kann, aufgewachsen worden. Die erste Halbleiterschicht 2 ist auf einem Aufwachssubstrat 1 aufgewachsen, das vorzugsweise Saphir, Si oder SiC aufweist. Weiterhin sind die aktiven Bereiche 10 mit einer Isolationsschicht 3 versehen worden, die teilweise bereits vor dem epitaktischen Aufwachsen der aktiven Bereiche 10 auf die erste Halbleiterschicht 2 aufgebracht werden kann und somit als Maske zum Aufwachsen der aktiven Bereiche 10 dienen kann. Die Isolationsschicht 3 ist beispielsweise mit einem fotolithografischen Verfahren derart strukturiert worden, dass sie Bereiche der Seitenflächen der aktiven Bereiche 10 abdeckt, wie es zuvor im Zusammenhang mit den 1B und 1C beschrieben wurde.
  • Die Isolationsschicht 3 ist vorzugsweise eine Oxidschicht, insbesondere eine SiO2-Schicht.
  • In 2B ist ein nachfolgender Prozessschritt schematisch dargestellt, bei dem eine Stromaufweitungsschicht 4 auf die aktiven Bereiche 10 aufgebracht worden ist, die vorzugsweise ein transparentes leitfähiges Oxid wie zum Beispiel ITO aufweist. Alternativ kann eine Metallschicht oder eine Kombination aus einer Metallschicht und einer transparenten leitfähigen Oxidschicht als Stromaufweitungsschicht 4 eingesetzt werden.
  • In einem in 2C dargestellten weiteren Zwischenschritt ist eine Maskenschicht 8, beispielsweise eine Fotolackschicht, auf die Stromaufweitungsschicht 4 aufgebracht worden.
  • Bei dem in 2D dargestellten weiteren Zwischenschritt ist die Maskenschicht 8 soweit abgetragen worden, dass sie in vertikaler Richtung unterhalb der Oberseitenbereiche 19 der aktiven Bereiche 10 endet. Das Abtragen der Maskenschicht 8 kann zum Beispiel durch einen Ätzprozess, insbesondere durch einen Ätzprozess mit einem Sauerstoffplasma, durchgeführt werden. Weiterhin ist ein weiterer Ätzprozess durchgeführt worden, um die Stromaufweitungsschicht 4 von den nicht von der Maskenschicht 8 bedeckten Oberseitenbereichen 19 zu entfernen. Dies kann mittels eines nasschemischen Ätzprozesses oder mittels eines Trockenätzprozesses durchgeführt werden.
  • In dem in 2E dargestellten Zwischenschritt ist die Maskenschicht 8 wieder entfernt worden. Die Oberseitenbereiche 19 der aktiven Bereiche 10 sind nun von der Stromaufweitungsschicht 4 befreit.
  • Bei dem in 2F dargestellten Zwischenschritt ist eine transparente dielektrische Schicht 9 auf die Stromaufweitungsschicht 4 aufgebracht worden, welche diese vorzugsweise vollständig planarisiert. Die transparente dielektrische Schicht 9 füllt insbesondere die Zwischenräume zwischen den aktiven Bereichen 10, die mit der Stromaufweitungsschicht 4 bedeckt sind, vollständig auf. Die transparente dielektrische Schicht 9 kann insbesondere eine Oxidschicht, beispielsweise eine SiO2-Schicht, sein. Alternativ zu einer transparenten dielektrischen Schicht 9 wäre es bei diesem Schritt auch möglich, eine opake oder reflektierende Schicht aufzubringen, welche die aktiven Bereiche 10 planarisiert.
  • Bei dem in 2G dargestellten weiteren Zwischenschritt sind die transparente dielektrische Schicht 9 sowie darunterliegende Teile der aktiven Bereiche 10 teilweise abgetragen worden. Der Materialabtrag kann insbesondere durch ein mechanisches Verfahren wie beispielsweise Schleifen, Läppen oder Polieren erfolgen. Insbesondere kann der Materialabtrag durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen. Der Materialabtrag erfolgt insbesondere so weit, dass die Oberseitenbereiche 19 der aktiven Bereiche 10 abgetragen werden. Dieser optionale Zwischenschritt kann vorteilhaft sein, um Leckströme an den Oberseitenbereichen 19 zu reduzieren und/oder geführte Moden in den aktiven Bereichen zu verstärken.
  • Bei dem in 2H dargestellten Zwischenschritt ist auf die zuvor freigelegte Oberfläche ein weiterer Teil der transparenten dielektrischen Schicht 9 aufgebracht worden. Der weitere Teil der transparenten dielektrischen Schicht 9 weist vorteilhaft das gleiche Material wie der zuerst aufgebrachte Teil der transparenten dielektrischen Schicht 9 auf. In diesem Fall entsteht keine optisch wirksame Grenzfläche zwischen dem unteren und dem oberen Teil der transparenten dielektrischen Schicht 9. Weiterhin sind bei dem Zwischenschritt der 2H Vertiefungen 23 in der transparenten dielektrischen Schicht 9 erzeugt worden, beispielsweise durch ein fotolithografisches Verfahren in Verbindung mit einem Ätzprozess.
  • In einem weiteren in 2I dargestellten Zwischenschritt ist ein Konvertermaterial in den zuvor erzeugten Vertiefungen 23 der transparenten dielektrischen Schicht 9 aufgebracht worden. Das Konvertermaterial kann zum Beispiel Quantenpunkte (Quantum Dots) aufweisen und durch ein Aerosol-Jet-Verfahren aufgebracht werden. Alternativ sind auch andere Ausgestaltungen des Konvertermaterials und Verfahren zum Aufbringen des Konvertermaterials möglich. Beispielsweise kann das Konvertermaterial nach der Abscheidung lithografisch strukturiert werden. Es ist auch möglich, dass das Konvertermaterial durch epitaktische Schichten gebildet sein, die durch Bonden aufgebracht und nachfolgend strukturiert werden können.
  • Bei dem in 2J dargestellten Zwischenschritt ist überschüssiges Konvertermaterial, welches die Oberfläche der transparenten dielektrischen Schicht 9 außerhalb der Vertiefungen bedeckt, mit einem Polierprozess wieder entfernt worden. Auf diese Weise sind in den Vertiefungen 23 der transparenten dielektrischen Schicht 9 erste Lumineszenzkonversionselemente 21 erzeugt worden.
  • Die in den 2H bis 2J dargestellten Verfahrensschritte können nachfolgend wiederholt werden, um über einer zweiten Gruppe aktiver Bereiche 10 zweite Konversionselemente 22 zu erzeugen. Beispielsweise wird nach dem Verfahrensschritt der 2J eine weitere transparente dielektrische Schicht 16 aufgebracht, anschließend Vertiefungen darin erzeugt, ein zweites Konvertermaterial in den Vertiefungen aufgebracht und überschüssiges Konvertermaterial durch einen Polierprozess wieder entfernt. Nachfolgend können die so hergestellten zweiten Lumineszenzkonversionselemente 22 mit weiterem Material der transparenten dielektrischen Schicht 16 bedeckt werden, um sie vor äußeren Einflüssen zu schützen. Wie in 2K dargestellt, sind die Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 vorteilhaft vollständig in Vertiefungen der transparenten dielektrischen Schichten 9, 16 angeordnet.
  • Es ist auch möglich, dass die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 in derselben dielektrischen Schicht erzeugt werden. Beispielsweise können die Ausnehmungen für die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 gleichzeitig erzeugt werden, und dann die Konvertermaterialien zur Ausbildung der ersten Lumineszenzkonversionselemente 21 und zweiten Lumineszenzkonversionselemente 22 selektiv in die für sie vorgesehenen Ausnehmungen einer transparenten dielektrischen Schicht eingebracht werden.
  • Bei dem in 2L dargestellten Zwischenschritt ist das optoelektronische Halbleiterbauelement an einer dem Aufwachssubstrat 1 gegenüberliegenden Seite mittels einer Verbindungschicht 25, beispielsweise einer Klebstoffschicht, mit einem Hilfsträger 26 verbunden worden.
  • Wie in 2M dargestellt, wird nachfolgend das Aufwachssubstrat 1 abgelöst, beispielsweise durch ein Laser-Lift-Off Verfahren oder alternativ durch ein mechanisches Verfahren wie Ätzen, Schleifen und/oder Polieren. Gleichzeitig oder anschließend wird auch die erste Halbleiterschicht 2 entfernt. Auf diese Weise werden insbesondere die n-Typ Halbleiterbereiche der 11 aktiven Bereiche 10 freigelegt, so dass sie einzeln kontaktiert werden können.
  • Bei dem in 2N dargestellten Zwischenschritt sind die aktiven Bereiche 10 jeweils mit einem n-Kontakt 6 versehen worden. Insbesondere weisen die aktiven Bereiche 10 jeweils einen separaten n-Kontakt 6 auf. Weiterhin ist eine Vertiefung in der Isolationsschicht 3 erzeugt worden, die sich bis zur Stromaufweitungsschicht 4 erstreckt. In der Vertiefung ist ein p-Kontakt zu elektrischen Kontaktierung der Stromaufweitungsschicht 4 aufgebracht worden. Die n-Kontakte 6 und der p-Kontakt 5 können jeweils als Metallschichten ausgebildet sein. Alternativ können die n-Kontakte 6 und/oder der p-Kontakt 5 durch eine Kombination aus einer transparenten leitfähigen Oxidschicht und einer Metallschicht gebildet sein. Hierdurch kann die Reflexion der Kontakte vorteilhaft erhöht werden.
  • Bei dem in 2O dargestellten Verfahrensschritt sind die n-Kontakte 6 und der p-Kontakt 5 mit einem Trägersubstrat 15 verbunden worden, dass die elektronische Schaltung 18 zur individuellen Ansteuerung der aktiven Bereiche 10 aufweist. Zur Fertigstellung des in 1A gezeigten optoelektronischen Halbleiterbauelements 20 werden nachfolgend der Hilfsträger 26 und gegebenenfalls die Verbindungschicht 25 wieder entfernt.
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterbauelements 20. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass das Trägersubstrat 15 an einer dem ursprünglichen Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c weisen separate p-Kontakte 5 auf, welche jeweils an den p-Typ Halbleiterbereich 13 der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c angeschlossen sind. Weiterhin weisen die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c einen gemeinsamen n-Kontakt 6 auf, der an die erste Halbleiterschicht 2 angeschlossen ist. Die erste Halbleiterschicht 2 ist insbesondere eine n-dotierte Halbleiterschicht, welche mit den n-Typ Halbleiterbereichen 11 der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c verbunden ist. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel enthält das Trägersubstrat 15 vorteilhaft eine elektronische Schaltung 18 zur individuellen Ansteuerung der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c.
  • An einer den aktiven Bereichen 10a, 10b, 10c gegenüberliegenden Seite der ersten Halbleiterschicht 2 ist eine transparente dielektrische Schicht 16 angeordnet, in die Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 eingebettet sind. Insbesondere folgt den aktiven Bereichen 10a einer ersten Gruppe in der Abstrahlungsrichtung jeweils ein erstes Lumineszenzkonversionselement 21 nach. Das erste Lumineszenzkonversionselement 21 ist dazu geeignet, die von den aktiven Bereichen 10a emittierte Primärstrahlung, vorzugsweise blaues Licht, in eine erste Sekundärstrahlung R zu konvertieren, insbesondere in rotes Licht. Den aktiven Bereichen 10b einer zweiten Gruppe folgt in der Abstrahlungsrichtung jeweils ein zweites Lumineszenzkonversionselement 22 nach. Das zweite Lumineszenzkonversionselement 22 ist dazu geeignet, die von den aktiven Bereichen 10b emittierte Primärstrahlung, vorzugsweise blaues Licht, in eine zweite Sekundärstrahlung G zu konvertieren, insbesondere in grünes Licht. Weiterhin folgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel den aktiven Bereichen 10c einer dritten Gruppe jeweils kein Lumineszenzkonversionselement nach, so dass diese die Primärstrahlung B, insbesondere blaues Licht, emittieren.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Ausführungsbeispiels ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels sowie aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 20 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels.
  • In den 4A bis 4H sind schematisch Zwischenschritte des Ausführungsbeispiels zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • Bei dem in 4A dargestellten Zwischenschritt sind aktive Bereiche 10 epitaktisch auf einer ersten Halbleiterschicht 2, die vorzugsweise n-dotiertes GaN aufweist, aufgewachsen worden. Die erste Halbleiterschicht 2 ist auf einem Aufwachssubstrat 1 aufgewachsen, das vorzugsweise Saphir, Si oder SiC aufweist. Weiterhin sind die aktiven Bereiche 10 mit einer Isolationsschicht 3 versehen worden, die teilweise bereits vor dem epitaktischen Aufwachsen der aktiven Bereiche 10 auf die erste Halbleiterschicht 2 aufgebracht werden kann und somit als Maske zum Aufwachsen der aktiven Bereiche 10 dienen kann. Die Isolationsschicht 3 ist vorzugsweise eine Oxidschicht, insbesondere eine SiO2-Schicht. Die aktiven Bereiche 10 weisen an der Oberseite einen p-dotierten oder undotierten Bereich 14 auf.
  • Dies ist in einer Detailansicht eines aktiven Bereichs 10 in 4B verdeutlicht. Anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht der gesamte Kernbereich der Kern-Hülle-Nanostäbe oder Kern-Hülle-Mikrostäbe durch den n-Typ Halbleiterbereich 11 gebildet. Vielmehr wird zunächst ein erster Teil des Kernbereichs als n-Typ Halbleiterbereich 11 aufgewachsen, und nachfolgend ein zweiter Teil des Kernbereichs als p-dotierter oder undotierter Bereich 14 über dem n-Typ Halbleiterbereich 11 gewachsen, der insbesondere die Spitze der aktiven Bereiche 10 ausbildet. Erst danach wird der aus dem n-Typ Halbleiterbereich 11 und dem p-dotierten oder undotierten Halbleiterbereich 14 gebildete Kernbereich von der aktiven Schicht 12 und dem p-Typ Halbleiterbereich 13 überwachsen.
  • Wie in 4C dargestellt, werden anschließend der p-Typ Halbleiterbereich 13 und die aktive Schicht 12 im Bereich der Spitzen der aktiven Bereiche 10 entfernt. Dies kann insbesondere durch einen Ätzprozess erfolgen. Hierzu wird, wie in 4D dargestellt, vor der Durchführung des Ätzprozesses eine geeignete Maskenschicht 8 aufgebracht und so strukturiert, dass nur die Spitzen der aktiven Bereiche 10 freilegen. Vorzugsweise werden die freigelegten p-dotierten oder undotierten Halbleiterbereiche 14 zusätzlich beispielsweise durch Plasmaätzen passiviert.
  • Bei dem in 4E dargestellten Zwischenschritt ist eine Stromaufweitungsschicht 4, die vorzugsweise ein transparentes leitfähiges Oxid wie beispielsweise ITO oder alternativ ein Metall aufweist, zunächst ganzflächig auf die aktiven Bereiche 10 aufgebracht worden.
  • Bei dem in 4F dargestellten Zwischenschritt ist die Stromaufweitungsschicht 4 durch einen anisotropen Ätzprozess von den Spitzen der aktiven Bereiche 10 sowie von Bereichen der Isolationsschicht 3 in Zwischenräumen zwischen den aktiven Bereichen 10 und außerhalb der aktiven Bereiche 10 entfernt worden.
  • Bei dem in 4G dargestellten Zwischenschritt ist weiteres Material der Isolationsschicht 3 aufgebracht worden, um insbesondere die Zwischenräume zwischen den aktiven Bereichen 10 aufzufüllen. Nachfolgend sind Teile der Isolationsschicht 3 sowie Teile der die p-dotierten oder undotierten Bereiche 14 der aktiven Bereiche 10 teilweise abgetragen worden. Der Materialabtrag kann insbesondere durch ein mechanisches Verfahren wie beispielsweise Schleifen, Läppen oder Polieren erfolgen. Insbesondere kann der Materialabtrag durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen. Der Materialabtrag erfolgt insbesondere so weit, dass die p-dotierten oder undotierten Bereiche 14 der aktiven Bereiche 10 und die Stromaufweitungsschicht 4 teilweise freiliegen.
  • In einem weiteren in 4H dargestellten Verfahrensschritt sind p-Kontakte 5 derart auf die aktiven Bereiche 10 aufgebracht worden, dass sie jeweils an die Stromaufweitungsschicht 4 anschließen. Auf diese Weise sind die p-Kontakte 5 jeweils über die Stromaufweitungsschicht 4 mit den p-Typ Halbleiterbereichen 13 elektrisch leitend verbunden. Insbesondere wird auf diese Weise ein Ohmscher Kontakt zwischen den p-Kontakten 5, die insbesondere ein Metall aufweisen, und der Stromaufweitungsschicht 4, erzeugt. Zwischen dem Metall der p-Kontakte 5 und den vorzugsweise passivierten p-dotierten oder undotierten Bereichen 14 entsteht dagegen ein Schottky-Kontakt, so dass an diesen Stellen keine elektrisch leitende Verbindung vorliegt. Jeder aktive Bereich 10 wird vorteilhaft mit einem separaten p-Kontakt 5 versehen. Die separaten p-Kontakte 5 ermöglichen es im fertigen optoelektronischen Halbleiterbauelement, dass die aktiven Bereiche 10 einzeln ansteuerbar sind.
  • Alternativ zu den zuvor beschriebenen Verfahrensschritten, bei denen die aktiven Bereiche 10 als Kern-Hülle-Nano- oder Mikrostäbe ausgeführt sind, ist es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel auch möglich, dass die aktiven Bereiche 10 als scheibenförmige Nano- oder Mikrostäbe ausgeführt sind, wie Sie zuvor im Zusammenhang mit der 1C beschrieben worden sind. Eine solche Variante ist schematisch in 4I dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung folgen der n-Typ Halbleiterbereich 11, die aktive Schicht 12 und der p-Halbleiterbereich 13 in den aktiven Bereichen 10 in der Haupterstreckungsrichtung, insbesondere der vertikalen Richtung, aufeinander. Bei dieser Variante können die p-Kontakte 5 unmittelbar auf die p-Typ Halbleiterbereiche 13 aufgebracht werden, ohne dass zuvor eine Stromaufweitungsschicht 4 aufgebracht wird. Die aktiven Bereiche 10 sind bei dieser Variante vorzugsweise nur von der Isolationsschicht 3 umgeben. Insbesondere weisen die aktiven Bereiche 10 in diesem Fall keine Stromaufweitungsschicht 4 auf.
  • In 4J ist ein nächster Zwischenschritt des Verfahrens dargestellt, nun wieder am Beispiel von aktiven Bereichen 10 in Form von Kern-Hülle-Nano- oder Mikrostäben. Dieser und die weiteren dargestellten Zwischenschritte können bei der Ausführung der aktiven Bereiche 10 als scheibenförmige Nano- oder Mikrostäbe in analoger Weise durchgeführt werden. In der Isolationsschicht 3 ist eine Ausnehmung erzeugt worden, in der die erste Halbleiterschicht 2 freigelegt wurde, die insbesondere eine n-dotierte GaN-Schicht ist und elektrisch an die n-Typ Halbleiterbereiche der aktiven Bereiche 10 anschließt. In der Ausnehmung ist ein n-Kontakt 6 hergestellt worden, der einen elektrischen Anschluss an die erste Halbleiterschicht 2 herstellt. Über die erste Halbleiterschicht 2 sind die aktiven Bereiche mit dem gemeinsamen n-Kontakt 6 verbunden.
  • Bei einem weiteren in 4K dargestellten Zwischenschritt sind die p-Kontakte 5 und der n-Kontakt 6 mit einem Trägersubstrat 15 verbunden worden, dass eine elektronische Schaltung 18 zur individuellen Ansteuerung aktiven Bereiche 10 aufweist. Das Trägersubstrat 15 kann wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird das Trägersubstrat 15 aber an einer dem Aufwachssubstrat 1 gegenüberliegenden Seite angeordnet.
  • Bei dem weiteren in 4L dargestellten Zwischenschritt ist das Aufwachssubstrat 1 von der ersten Halbleiterschicht 2 abgelöst worden. Auf der ersten Halbleiterschicht 2 ist mit weiteren Verfahrensschritten, die analog zu den in den 2H bis 2K erläuterten Schritten erfolgen können und deshalb nicht nochmals näher erläutert werden, eine transparente dielektrische Schicht 16 aufgebracht worden, in die erste Lumineszenzkonversionselemente 21 und zweite Lumineszenzkonversionselemente 22 eingebettet sind. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 derart auf die aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c aufgebracht worden, dass einer Gruppe von ersten aktiven Bereichen 10a in Abstrahlungsrichtung jeweils ein erstes Lumineszenzkonversionselement 21 zur Konversion der Primärstrahlung in ein erste Sekundärstrahlung nachgeordnet ist. Einer Gruppe von zweiten aktiven Bereichen 10b ist jeweils ein zweites Lumineszenzkonversionselement 22 zur Konversion der Primärstrahlung in eine zweite Sekundärstrahlung nachgeordnet. Weiterhin folgt einer dritten Gruppe von aktiven Bereichen 10c in Abstrahlungsrichtung kein Lumineszenzkonversionselement nach, so dass die dritte Gruppe von aktiven Bereichen 10c die Primärstrahlung emittieren.
  • In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 20 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel folgt den aktiven Bereichen 10a, 10b, 10c in Abstrahlrichtung jeweils ein Wellenleiter 28 nach. Die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 sind vorteilhaft jeweils in einem Wellenleiter 28 angeordnet. Die Wellenleiter 28 können beispielsweise in einer dielektrischen Schicht 16 angeordnet sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Primärstrahlung B, die erste Sekundärstrahlung R und die zweite Sekundärstrahlung G jeweils gerichtet abgestrahlt werden.
  • Vorteilhaft kann bei diesem Ausführungsbeispiel oder bei einem der anderen Ausführungsbeispiele zwischen den aktiven Bereichen 10a, 10b, 10c und den Lumineszenzkonversionselementen 21, 22 jeweils ein wellenlängenselektiver Spiegel 27 angeordnet sein. Der wellenlängenselektive Spiegel 27 weist vorteilhaft ein derartiges Reflexionsverhalten auf, dass er die von den Lumineszenzkonversionselementen 21, 22 erzeugte erste Sekundärstrahlung R und zweite Sekundärstrahlung G zumindest zum überwiegenden Teil reflektiert und für die Primärstrahlung B im Wesentlichen strahlungsdurchlässig ist. Der wellenlängenselektive Spiegel 27 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, rotes oder grünes Licht zu reflektieren und blaues Licht zu transmittieren. Auf diese Weise wird vorteilhaft mehr Licht in die Abstrahlrichtung emittiert und die Streuung von Licht an den Lumineszenzkonversionselementen 21, 22 vermindert. Weiterhin wird die Absorption von konvertierter Strahlung im optoelektronischen Halbleiterbauelement 20 vermindert und die Effizienz erhöht.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 ist der wellenlängenselektive Spiegel 27 auf der transparenten dielektrischen Schicht 9 angeordnet. Wenn statt der transparenten dielektrischen Schicht 9 eine opake dielektrische Schicht verwendet wird, wird der wellenlängenselektive Spiegel 27 vorteilhaft direkt auf die Oberseitenbereiche der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c aufgebracht.
  • Die Ausgestaltungen des optoelektronischen Halbleiterbauelements 20 mit den Wellenleitern 28 und dem wellenselektiven Spiegel 27 können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden. Hierbei kann das optoelektronische Halbleiterbauelement ansonsten, wie in 5 dargestellt, beispielsweise wie das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Diese Ausgestaltungen können aber auch bei anderen Ausführungsformen des optoelektronischen Halbleiterbauelements mit Vorteil eingesetzt werden, insbesondere auch bei dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel.
  • In 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 20 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 besteht darin, dass die Stromaufweitung durch eine Stromaufweitungsschicht 4 aus einem transparenten leitfähigen Oxid und einer darauf aufgebrachten weiteren Stromaufweitungsschicht 4a aus einem Metall erfolgt. Der p-Kontakt 5 ist durch die transparente leitfähige Oxidschicht 4 zu der Stromaufweitungsschicht 4a, die ein Metall aufweist, geführt.
  • Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1 befindet sich zwischen den aktiven Bereichen 10a, 10b, 10c und den Lumineszenzkonversionselementen 21, 22 ein Teil der transparenten dielektrischen Schicht 9. Wenn statt der transparenten dielektrischen Schicht 9 eine opake dielektrische Schicht verwendet wird, werden die Lumineszenzkonversionselemente 21, 22 vorteilhaft direkt auf die Oberseitenbereiche der aktiven Bereiche 10a, 10b, 10c aufgebracht. Dies gilt in gleicher Weise für das Ausführungsbeispiel der 1.
  • Weitere Details des optoelektronischen Halbleiterbauelements des vierten Ausführungsbeispiels können der Beschreibung der 1 entnommen werden und werden deshalb hier nicht nochmals näher erläutert. Die Ausgestaltung der Stromaufweitungsschicht als Kombination aus einer transparenten leitfähigen Oxidschicht 4 und einer Metallschicht 4a kann auch bei anderen Ausführungsformen des optoelektronischen Halbleiterbauelements mit Vorteil eingesetzt werden, insbesondere auch bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • 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
    Substrat
    2
    erste Halbleiterschicht
    3
    Isolationsschicht
    4
    Stromaufweitungsschicht
    4a
    metallische Stromaufweitungsschicht
    5
    p-Kontakt
    6
    n-Kontakt
    7
    elektrisch isolierende Schicht
    8
    Maskenschicht
    9
    transparente dielektrische Schicht
    10
    aktiver Bereich
    10a
    aktiver Bereich der ersten Gruppe
    10b
    aktiver Bereich der ersten Gruppe
    10c
    aktiver Bereich der ersten Gruppe
    11
    n-Typ Halbleiterbereich
    12
    aktive Schicht
    13
    p-Typ Halbleiterbereich
    14
    p-dotierter oder undotierter Halbleiterbereich
    15
    Trägersubstrat
    16
    transparente dielektrische Schicht
    17
    Strahlungsaustrittsfläche
    18
    elektronische Schaltung
    19
    Oberseitenbereiche
    20
    optoelektronisches Halbleiterbauelement
    21
    erstes Lumineszenzkonversionselement
    22
    zweites Lumineszenzkonversionselement
    23
    Vertiefung
    25
    Verbindungsschicht
    26
    Hilfsträger
    27
    wellenlängenselektiver Spiegel
    28
    Wellenleiter
    z
    Haupterstreckungsrichtung der aktiven Bereiche
    B
    Primärstrahlung
    R
    erste Sekundärstrahlung
    G
    zweite Sekundärstrahlung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2015/091754 A1 [0002]

Claims (17)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (20) zur Emission mehrfarbiger Strahlung (R, G, B), mit - einer Vielzahl nebeneinander angeordneter aktiver Bereiche (10a, 10b, 10c), die als Mikro- oder Nanostäbe ausgebildet sind und zur Erzeugung einer elektromagnetischen Primärstrahlung (B) eingerichtet sind, wobei - einer ersten Gruppe der aktiven Bereiche (10a) in einer Abstrahlrichtung jeweils ein erstes Lumineszenzkonversionselement (21) nachfolgt, das zur Konvertierung der Primärstrahlung (B) in eine erste Sekundärstrahlung (R) geeignet ist, und - einer zweiten Gruppe der aktiven Bereiche (10b) in der Abstrahlrichtung jeweils ein zweites Lumineszenzkonversionselement (22) nachfolgt, das zur Konvertierung der Primärstrahlung (B) in eine zweite Sekundärstrahlung (G) geeignet ist.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei einer dritten Gruppe der aktiven Bereiche (10c) in einer Abstrahlrichtung kein Lumineszenzkonversionselement nachfolgt, so dass die aktiven Bereiche der dritten Gruppe (10c) die Primärstrahlung (B) in die Abstrahlrichtung emittieren.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstände benachbarter aktiver Bereiche (10a, 10b, 10c) weniger als 10 µm betragen.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktiven Bereiche (10a, 10b, 10c) eine laterale Ausdehnung zwischen 20 nm und 5 µm aufweisen.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente (21, 22) derart angeordnet sind, dass jedem aktiven Bereich (10a) der ersten Gruppe jeweils ein separates erstes Lumineszenzkonversionselement (21) und jedem aktiven Bereich (10b) der zweiten Gruppe jeweils ein separates zweites Lumineszenzkonversionselement (22) zugeordnet ist.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Lumineszenzkonversionselemente (21, 22) jeweils eine laterale Ausdehnung aufweisen, die zwischen einmal und fünfmal so groß ist wie die laterale Ausdehnung der aktiven Bereiche (10a, 10b, 10c) und/oder die laterale Ausdehnung der Lumineszenzkonversionselemente (21, 22) nicht mehr als die Hälfte eines Abstands zwischen den aktiven Bereichen (10a, 10b, 10c) beträgt.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Lumineszenzkonversionselemente (21) und die zweiten Lumineszenzkonversionselemente (22) jeweils in Vertiefungen mindestens einer dielektrischen Schicht (9, 16) angeordnet sind.
  8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Lumineszenzkonversionselemente (21) und die zweiten Lumineszenzkonversionselemente (22) jeweils in Wellenleitern (28) angeordnet sind.
  9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den aktiven Bereichen (10a, 10b, 10c) und den Lumineszenzkonversionselementen (21, 22) ein wellenlängenselektiver Spiegel (27) angeordnet ist.
  10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktiven Bereiche (10a, 10b, 10c) individuell ansteuerbar sind.
  11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Trägersubstrat (15) aufweist, und wobei eine elektronische Schaltung (18) zur individuellen Ansteuerung der aktiven Bereiche (10a, 10b, 10c) in das Trägersubstrat (15) integriert ist.
  12. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (20) kein Aufwachssubstrat aufweist.
  13. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (20) ein RGB-Display mit einer Vielzahl von Pixeln ist, wobei jedes Pixel einen aktiven Bereich (10a) der ersten Gruppe, einen aktiven Bereich (10b) der zweiten Gruppe und einen aktiven Bereich (10c) der dritten Gruppe aufweist.
  14. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktiven Bereiche (10a, 10b, 10c) - eine Haupterstreckungsrichtung (z) aufweisen, - einen n-Typ Halbleiterbereich (11) aufweisen, der einen Kernbereich ausbildet, - eine aktive Schicht (12) aufweisen, die den Kernbereich zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung (Z) des aktiven Bereichs (10a, 10b, 10c) bedeckt, und - einen p-Typ Halbleiterbereich (13) aufweisen, der eine Deckschicht (13) ausbildet, die die aktive Schicht (11) zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung (z) des aktiven Bereichs (10a, 10b, 10c) bedeckt.
  15. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die aktiven Bereiche (10) - eine Haupterstreckungsrichtung (z) aufweisen, - in der Haupterstreckungsrichtung (z) ein n-Typ Halbleiterbereich (11), eine aktive Schicht (12) und ein p-Typ Halbleiterbereich (13) derart übereinander angeordnet sind, dass sie in lateraler Richtung nicht überlappen.
  16. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Stromaufweitungsschicht (4), welche die aktiven Bereiche zumindest (10a, 10b, 10c) teilweise bedeckt.
  17. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (4) ein transparentes leitfähiges Oxid und/oder ein Metall aufweist.
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