DE102017129319A1

DE102017129319A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterlichtquellen und halbleiterlichtquelle

Info

Publication number: DE102017129319A1
Application number: DE102017129319.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Behres; Siegfried Herrmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2019110737A1

Abstract

In einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlichtquellen (1) eingerichtet und umfasst die Schritte:A) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (2) mit einer Aufwachsfläche (20),B) Wachsen von ersten Halbleitersäulen (31) zur Erzeugung einer ersten Strahlung an der Aufwachsfläche (20),C) nachfolgend Wachsen von zweiten Halbleitersäulen (32) zur Erzeugung einer zweiten Strahlung an der Aufwachsfläche (20), undD) Erstellen von elektrischen Kontaktierungen (4), sodass die ersten und zweiten Halbleitersäulen (31, 32) in den fertigen Halbleiterlichtquellen (1) unabhängig voneinander ansteuerbar sind und zu einstellbar farbig emittierenden Bildpunkten (5) gruppiert sind.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlichtquellen angegeben. Darüber hinaus wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren anzugeben, mit denen Halbleiterlichtquellen mit kleinen Abmessungen von Bildpunkten effizient herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden mit dem Verfahren eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen hergestellt. Beispielsweise handelt es sich bei der Halbleiterlichtquelle um eine Baugruppe, etwa für einzelne Bildpunkte in einem Display, welches aus einer Vielzahl entsprechender Bildpunkte und damit aus einer Vielzahl solcher Halbleiterlichtquellen zusammengesetzt ist. Alternativ ist es möglich, dass es sich bei der Halbleiterlichtquelle selbst um eine Anzeigevorrichtung wie ein Display handelt, das eine Vielzahl von Bildpunkten aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines Aufwachssubstrats mit einer Aufwachsfläche. Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat, ein Saphirsubstrat, ein Siliziumkarbidsubstrat, ein Galliumnitridsubstrat oder ein Galliumarsenidsubstrat. Es ist möglich, dass auf der Aufwachsfläche eine oder mehrere Schichten insbesondere aus einem Halbleitermaterial oder einem Nitrid oder Oxynitrid erzeugt werden, um ein Anwachsen von Halbleitermaterialien an dem Aufwachssubstrat zu verbessern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Wachsens von ersten Halbleitersäulen zur Erzeugung einer ersten Strahlung an der Aufwachsfläche. Beispielsweise basieren die ersten Halbleitersäulen auf dem Materialsystem AlInGaN und dienen zur Erzeugung von blauem Licht. Die Halbleitersäulen können unmittelbar an der Aufwachsfläche des Aufwachssubstrats starten. Bevorzugt jedoch befindet sich zwischen der Aufwachsfläche und den Halbleitersäulen zumindest eine Zwischenschicht wie eine Pufferschicht und/oder eine Anwachsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Wachsens von zweiten Halbleitersäulen zur Erzeugung einer zweiten Strahlung an der Aufwachsfläche. Wie die ersten Halbleitersäulen können die zweiten Halbleitersäulen direkt an der Aufwachsfläche oder an einer Zwischenschicht zu wachsen beginnen. Die zweiten Halbleitersäulen basieren beispielsweise auf AlInGaN oder InAlGaP oder AlInGaAs und sind bevorzugt zur Erzeugung von grünem, gelbem oder rotem Licht gestaltet.
Die ersten Halbleitersäulen und die zweiten Halbleitersäulen sind untereinander bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen jeweils baugleich. Das heißt, bevorzugt tritt innerhalb der ersten Halbleitersäulen sowie innerhalb der zweiten Halbleitersäulen keine oder keine signifikante Variation einer Emissionswellenlänge auf.
Die ersten Halbleitersäulen werden in einem anderen Verfahrensschritt gewachsen als die zweiten Halbleitersäulen. Das heißt, die Verfahrensschritte zum eigentlichen Wachsen der ersten sowie der zweiten Halbleitersäulen können sich vollständig voneinander unterscheiden und keine gemeinsamen Teilschritte aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erstellens von elektrischen Kontaktierungen. Mittels der elektrischen Kontaktierungen sind die ersten und die zweiten Halbleitersäulen in den fertigen Halbleiterlichtquellen elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar. Beispielsweise wird durch die elektrischen Kontaktierungen eine Zeilenansteuerung und Spaltenansteuerung ermöglicht, um die Halbleitersäulen einzeln zu adressieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Halbleitersäulen zu einstellbar farbig emittierenden Bildpunkten gruppiert. Jeder der Bildpunkte umfasst bevorzugt mindestens eine erste Halbleitersäule und mindestens eine zweite Halbleitersäule. Damit ist eine Emissionsfarbe des Bildpunkts durch die gezielte einzelne Ansteuerung der Halbleitersäulen im Betrieb der Halbleiterlichtquelle einstellbar. Es können innerhalb des Bildpunkts mehrere erste und/oder zweite Halbleitersäulen vorhanden sein.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlichtquellen eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge:

A) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats mit einer Aufwachsfläche,
B) Wachsen von ersten Halbleitersäulen zur Erzeugung einer ersten Strahlung an der Aufwachsfläche,
C) nachfolgend Wachsen von zweiten Halbleitersäulen zur Erzeugung einer zweiten Strahlung an der Aufwachsfläche, und
D) Erstellen von elektrischen Kontaktierungen, sodass die ersten und zweiten Halbleitersäulen in den fertigen Halbleiterlichtquellen unabhängig voneinander ansteuerbar sind und zu einstellbar farbig emittierenden Bildpunkten gruppiert sind.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es möglich, RGB-LED-Einheitszellen mit kleinen lateralen Abmessungen herzustellen. RGB steht hierbei für Rot-Grün-Blau. Die Einheitszellen werden in einem mehrstufigen Epitaxieprozess hergestellt. Die Abmessungen dieser Einheitszellen liegen beispielsweise bei weniger als 10 µm². Die Einheitszellen können zu einem Anzeigemodul kombiniert werden. Gegenüber der Handhabung von einzelnen LED-Chips lässt sich mit dem hier beschriebenen Verfahren eine Anzahl von Handhabungsschritten und/oder Verfahrensschritten reduzieren. Es ist möglich, dass die Halbleitersäulen mit Leuchtstoffen zur Wellenlängenkonversion kombiniert werden. Über das epitaktische Wachsen der Halbleitersäulen ist es möglich, definierte Abstände zwischen benachbarten Halbleitersäulen und Bildpunkten bei einer minimalen Bauteilgröße sicherzustellen.
Bei den hier beschriebenen Verfahren handelt es sich somit insbesondere um einen Epitaxieprozess, der auf der Herstellung von Halbleitersäulen, auch als Microrods bezeichnet, basiert. Die Herstellung der verschiedenen Arten von Halbleitersäulen zur Emission von unterschiedlichen Farben erfolgt als mehrstufige Epitaxie. Die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung der Halbleitersäulen werden mehrfach wiederholt, um die bevorzugt monolithischen Einheitszellen herzustellen.
Hierzu erfolgt insbesondere ein Beschichten des Aufwachssubstrats, auch als Wafer bezeichnet, mit einer Maskenschicht. Die Maskenschicht wird für einen ersten Epitaxieschritt geöffnet, optional werden Vertiefungen geätzt. Daraufhin werden die ersten Halbleitersäulen geätzt, es wird bevorzugt eine zweite Passivierung aufgebracht und diese wird insbesondere zusammen mit der Maskenschicht erneut geöffnet. Hierauf erfolgt das Erzeugen der zweiten Halbleitersäulen und ferner der elektrischen Kontaktierungen. Optional können die Halbleitersäulen in einen Vergusskörper eingebracht werden und/oder vereinzelt werden.
Nach dem Vereinzeln liegen bevorzugt separate monolithische Einheitszellen für Bildpunkte oder Gruppen von Einheitszellen vor, wobei die Bildpunkte und damit die Halbleitersäulen einzeln ansteuerbar sind. Auf diese Weise können RGB-Pixel, Display-Kacheln oder ganze Mikrodisplays hergestellt werden. Die Abmessungen der Einheitszellen liegen bevorzugt bei höchsten 2 µm × 2 µm, wobei Abmessungen der einzelnen Halbleitersäulen bevorzugt bei höchstens 1 µm² liegen. Da die Epitaxie in mehreren Schritten erfolgt, können die Epitaxieschichten der einzelnen Halbleitersäulen aus unterschiedlichen Materialsystemen wie InGaN, InGaAlP und/oder AlGaAs gebildet sein. Die einzelnen Halbleitersäulen können voneinander verschiedene Geometrien und/oder Höhen aufweisen und beispielsweise pyramidal, prismatisch oder planar geformt sein.
Durch einen zusätzlichen Ätzschritt nach dem Öffnen der Maskenschicht und/oder der Passivierung kann eine verbleibende Höhe der Halbleitersäulen und damit eine Abstrahlcharakteristik gezielt eingestellt werden.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es möglich, kleinste Einheitszellen mit bevorzugt drei Halbleitersäulen herzustellen, wobei Abmessungen der Einheitszellen im Bereich weniger µm² liegen. Es lassen sich präzise Abstände zwischen den Halbleitersäulen und den Bildpunkten realisieren, insbesondere durch eine definierte Fotolithographie der Maskenschicht, die beispielsweise aus Siliziumnitrid gebildet ist. Somit können sich Polygone von Grundflächen der Halbleitersäulen exakt zueinander ausrichten.
Es ist eine RGB-Lichtquelle ohne Leuchtstoffe realisierbar. Durch die Kombination von Epitaxieschritten mit InGaN, InGaAlP und/oder AlGaAs ist das gesamte Lichtspektrum von Infrarot über sichtbar bis Ultraviolett zugänglich.
Die entsprechend hergestellten Halbleiterlichtquellen weisen zwei, drei oder mehr Farben pro Bildpunkt auf. Die Halbleiterlichtquellen können beispielsweise für Videowände, auch als Video Wall bezeichnet, verwendet werden. Ebenso sind Anwendungen im Bereich der industriellen Abbildung, auch als Industrial Imaging bezeichnet, zum Beispiel für Daten-Displays, der Darstellung von medizinischen Sachverhalten und/oder Simulationen möglich. Ferner können Head-Up-Displays und/oder Head-Mounted Displays, kurz HUD oder HMD, im Automobilbereich, im Luftfahrtbereich oder im Verteidigungsbereich herangezogen werden. Etwa im Industriebereich lassen sich mit hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen Projektionen etwa von Ringmustern, Interferenzmustern oder sonstigen Mustern erzielen und die Halbleiterlichtquelle ist im Bereich der Metrologe, als 3D-Sensor, im Bereich der schnellen Prototypenherstellung, englisch Rapid Prototyping, im Bereich der Lithographie oder für Infrarot-Projektionen einsetzbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird vor dem Schritt B) an der Aufwachsfläche oder an einer Pufferschicht oder Anwachsschicht eine Maskenschicht angebracht. Die Maskenschicht ist bevorzugt aus einem Oxid wie Siliziumoxid oder Aluminiumoxid oder aus einem Nitrid wie Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid. Die Maskenschicht wird bevorzugt lückenlos, ganzflächig und/oder durchgehend aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden vor dem Schritt B) in der Maskenschicht erste Öffnungen erzeugt. Die Öffnungen werden bevorzugt fotolithographisch erzeugt, so dass die Öffnungen an definierten Stellen mit einer hohen Präzision liegen können. Im Schritt B) wachsen die ersten Halbleitersäulen aus den ersten Öffnungen der Maskenschicht heraus und damit an definierten Stellen des Aufwachssubstrats. Es besteht bevorzugt eine eineindeutige Zuordnung zwischen den ersten Öffnungen und den ersten Halbleitersäulen. Alternativ können die ersten Halbleitersäulen selbstorganisiert wachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden nach dem Schritt B) und vor dem Schritt C) in einem Schritt F) zweite Öffnungen in der Maskenschicht erzeugt, bevorzugt lithographisch. Im Schritt C) wachsen dann die zweiten Halbleitersäulen aus den zweiten Öffnungen heraus, entsprechend dem Wachsen der ersten Halbleitersäulen. So ist es möglich, auch die zweiten Halbleitersäulen definiert an der Aufwachsfläche zu wachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird auf die ersten Halbleitersäulen in einem Schritt E) zwischen den Schritten B) und F) eine erste Passivierungsschicht aufgebracht. Die erste Passivierungsschicht ist beispielsweise aus einem Oxid wie Siliziumdioxid oder aus einem Nitrid wie Aluminiumnitrid. Insbesondere ist die erste Passivierungsschicht aus einem Material, auf dem ein Halbleitermaterial für die zweiten Halbleitersäulen nicht oder nicht signifikant anwächst. Damit kann ein Wachstum der zweiten Halbleitersäulen im Schritt C) auf die zweiten Öffnungen in der Maskenschicht begrenzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden nach dem Schritt C) dritte Halbleitersäulen zur Erzeugung einer dritten Strahlung an der Aufwachsfläche gewachsen. Ebenso werden die dritten Halbleitersäulen im Schritt D) zu den Bildpunkten gruppiert. Beispielsweise sind die dritten Halbleitersäulen zur Erzeugung von rotem Licht eingerichtet. Damit kann aus den ersten, zweiten und dritten Halbleitersäulen zusammen ein RGB-Bauteil gebildet werden.
Das Wachsen der dritten Halbleitersäulen erfolgt bevorzugt analog zum Wachsen der ersten und zweiten Halbleitersäulen. Das heißt, nach dem Wachsen der zweiten Halbleitersäulen kann eine zweite Passivierungsschicht aufgebracht werden, wobei nachfolgend in der Maskenschicht dritte Öffnungen gebildet werden und die dritten Halbleitersäulen aus diesen dritten Öffnungen heraus wachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Teil der Halbleitersäulen oder weisen alle Halbleitersäulen einen Kern-Schale-Aufbau auf. Das heißt, die Halbleitersäulen umfassen dann einen Halbleiterkern, der bevorzugt aus den zugehörigen Öffnungen der Maskenschicht heraus wächst. An einer Seite oder rings um den Halbleiterkern herum wird eine aktive Zone erzeugt, die somit dreidimensional gestaltet ist. Bei der aktiven Zone kann es sich um eine Einfach-Quantentopfstruktur oder um eine Mehrfach-Quantenstopfstruktur handeln. Ferner wird um die aktive Zone herum eine somit ebenfalls dreidimensional geformte Halbleiterumhüllung gewachsen. Der Halbleiterkern ist beispielsweise n-dotiert, die Halbleiterumhüllung kann dementsprechend p-dotiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Teil der Halbleitersäulen oder weisen alle Halbleitersäulen einen Scheibenaufbau auf. Dabei befindet sich eine aktive Zone bevorzugt zwischen zwei planen Halbleiterschichten, sodass auch die aktive Zone plan gestaltet sein kann. Die zwei Halbleiterschichten umfassten bevorzugt eine n-leitende Schicht sowie eine p-leitende Schicht, zwischen denen die aktive Zone erzeugt ist.
Bevorzugt weisen alle Halbleitersäulen der gleichen Art auch den gleichen Aufbau auf, also einen Kern-Schale-Aufbau oder einen Scheibenaufbau. Größen der Halbleitersäulen unterscheiden sich bevorzugt nicht signifikant voneinander, sodass das Vorliegen eines Kern-Schale-Aufbaus oder eines Scheibenaufbaus bevorzugt keinen signifikanten Einfluss insbesondere auf einen mittleren Durchmesser oder eine mittlere Höhe der zugehörigen Halbleitersäulen hat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden einige der Halbleitersäulen oder alle Halbleitersäulen an einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite mit einer elektrischen Kontaktierung versehen. Die Kontaktierung kann aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere einem transparenten leitfähigen Oxid wie ITO, gebildet sein. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Kontaktierung undurchlässig für die im Betrieb erzeugten Strahlung ist. Im letztgenannten Fall ist die Kontaktierung bevorzugt als Spiegel für die erzeugte Strahlung gestaltet und damit reflektierend, beispielsweise aus einem Material wie Silber oder Aluminium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die elektrische Kontaktierung an einer Seite oder an beiden Seiten der Halbleitersäulen zu Spalten und/oder zu Zeilen strukturiert. Somit können die Halbleitersäulen und die Bildpunkte elektrisch unabhängig voneinander angesteuert werden, beispielsweise mittels Impulsweitenmodulation, kurz PWM.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Halbleitersäulen in Draufsicht gesehen einen mittleren Durchmesser von mindestens 0,1 µm oder 0,2 µm und/oder von höchstens 5 µm oder 2 µm oder 1 µm auf. Ein Verhältnis aus einer mittleren Höhe und dem mittleren Durchmesser der Halbleitersäulen liegt bevorzugt bei mindestens 1 oder 2 oder 3 und/oder bei höchstens 20 oder 10 oder 5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine mittlere Fläche der Bildpunkte, die aus mehreren der Halbleitersäulen zusammengesetzt sind, bei mindestens 2 µm² oder 4 µm² oder 8 µm² und/oder bei höchstens 100 µm² oder 50 µm² oder 25 µm² oder 10 µm². Das heißt, die Bildpunkte sind vergleichsweise klein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen untereinander baugleich oder im Wesentlichen baugleich. Das heißt, die Halbleitersäulen weisen ähnliche geometrische Grundformen sowie ähnliche mittlere Durchmesser und mittlere Höhen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen unterschiedliche mittlere Durchmesser und/oder mittlere Höhen auf. Ein solcher Unterschied liegt beispielsweise bei mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3. Die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen können unterschiedliche geometrische Grundformen wie Sechskantprismen, Sechskantpyramiden oder Prismen, auch mit unterschiedlichen Durchmessern, aufweisen oder auch alle die gleiche Gestalt haben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Aufwachssubstrat nach dem Wachsen der Halbleitersäulen von diesen abgelöst. Nach dem Ablösen und bei dem Ablösen des Aufwachssubstrats ändert sich eine relative Position der Halbleitersäulen untereinander bevorzugt nicht. Dies gilt speziell für die Halbleitersäulen innerhalb eines Bildpunkts, kann aber auch für alle Halbleitersäulen gelten. Bevorzugt kann das Aufwachssubstrat nach dem Ablösen von den Halbleitersäulen wiederverwendet werden, optional zusammen mit der Maskenschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Halbleitersäulen nach dem Wachsen an dem Aufwachssubstrat zu separat handhabbaren Bildpunkten oder zu separat handhabbaren Gruppen von Bildpunkten vereinzelt. Die einzelnen Bildpunkte oder Gruppen von Bildpunkten können nachfolgend zu einer Anzeigevorrichtung wie einen Display zusammengesetzt werden.
Alternativ erfolgt kein Vereinzeln zu Bildpunkten oder Gruppen von Bildpunkten, sondern ein Zuschneiden zu bereits fertigen Displays. Ein entsprechendes Display weist beispielsweise mindestens 10⁴ oder 10⁵ oder 10⁶ der Bildpunkte auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird an der Aufwachsfläche eine oder werden an der Aufwachsfläche mehrere Anwachsschichten erzeugt. Die Anwachsschichten sind dazu eingerichtet, als Wachstumsbasis für die Halbleitersäulen zu dienen. Liegen mehrere verschiedene Anwachsschichten vor, so können die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen je an einer der Anwachsschichten beginnend wachsen. Durch die Verwendung verschiedener Anwachsschichten lassen sich die Wachstumsbedingungen für die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen optimieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anbringens wenigstens eines Leuchtstoffs an zumindest einem Teil der Halbleitersäulen. Der zumindest eine Leuchtstoff ist zur teilweisen oder, bevorzugt, vollständigen Umwandlung der Strahlung der betreffenden Halbleitersäulen in langwelligere Strahlung vorgesehen. Beispielsweise liegen zwei Arten von Halbleitersäulen vor, etwa zur Erzeugung von blauem Licht und von grünem Licht. In diesem Beispiel wird ein Teil der Halbleitersäulen für blaues Licht mit dem Leuchtstoff versehen, so dass rotemittierende Halbleitersäulen resultieren und insgesamt ein RGB-Bauteil entsteht.
Bei den Leuchtstoffen kann es sich um keramische Leuchtstoffe wie Nitride oder Oxynitride oder Oxide handeln. Alternativ ist es möglich, dass die Leuchtstoffe aus Quantenpunkten und damit aus Halbleitermaterialien gebildet sind oder dass die Leuchtstoffe auch epitaktisch an den Halbleitersäulen erzeugt werden und optional eine Quantenstopfstruktur aufweisen.
Darüber hinaus wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben. Die Halbleiterlichtquelle ist mit einem Verfahren erzeugt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für die Halbleiterlichtquelle offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle erste Halbleitersäulen zur Erzeugung einer ersten Strahlung sowie zweite Halbleitersäulen zur Erzeugung einer zweiten Strahlung. Ferner weist die Halbleiterlichtquelle elektrische Kontaktierungen auf, sodass die ersten und zweiten Halbleitersäulen unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind und zu einstellbar farbig emittierenden Bildpunkten gruppiert sind.
Die Halbleitersäulen sind bevorzugt teilweise oder vollständig in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu einer Hauptemissionsrichtung der Halbleiterlichtquelle angeordnet. Insbesondere können Haupterstreckungsrichtungen der Halbleitersäulen parallel zur Hauptemissionsrichtung ausgerichtet sein. Die Hauptemissionsrichtung kann senkrecht zur Aufwachsfläche orientiert sein.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und hier beschriebene Halbleiterlichtquellen unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezuge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen,
2 schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen, und
3 bis 7 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen.

In 1 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlichtquellen 1 illustriert. Gemäß 1A wird ein Aufwachssubstrat 2 mit einer Aufwachsfläche 20 bereitgestellt. Das Aufwachssubstrat 2 ist beispielsweise ein Siliziumwafer.
Im Schritt der 1B wird auf der Aufwachsfläche 20 eine Maskenschicht 21 erzeugt. In die Maskenschicht 21 werden erste Öffnungen eingebracht.
Optional, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, befindet sich an der Aufwachsfläche 20 mindestens eine Anwachsschicht 22, 23. Durch die Öffnungen in der Maskenschicht 21 wird gemäß 1B die obere Anwachsschicht 22 freigelegt. Die obere Anwachsschicht 22 ist für ein Wachstum von ersten Halbleitersäulen 31 optimiert.
Gemäß 1C werden Halbleiterkerne 36 für die ersten Halbleitersäulen 31 aus den ersten Öffnungen der Maskenschicht 21 heraus gewachsen, etwa ausgehend von der oberen Anwachsschicht 22.
Um die Halbleiterkerne 36 herum erfolgt das Wachsen einer dreidimensional geformten aktiven Zone 37, gefolgt von den Wachsen von Halbleiterumhüllungen 38, siehe 1D. Die Halbleiterkerne 36 sind bevorzugt n-dotiert und die Halbleiterumhüllungen 38 p-dotiert. Insbesondere basieren die ersten Halbleitersäulen 31 auf InGaN und können zu Erzeugung von blauem Licht eingerichtet sein.
Im Schritt der 1E wird eine erste Passivierungsschicht 61 aufgebracht. Es ist möglich, dass die erste Passivierungsschicht 61 die ersten Halbleitersäulen 31 vollständig einbettet und eine größere Dicke aufweist als die ersten Halbleitersäulen 31 im Mittel hoch sind. Die erste Passivierungsschicht 61 ist beispielsweise aus Siliziumoxid.
Beim Verfahrensschritt der 1F werden die Maskenschicht 21 und die erste Passivierungsschicht 61 stellenweise entfernt, sodass das Aufwachssubstrat 20 oder optional die weitere Anwachsschicht 23, welche für zweite Halbleitersäulen 32 optimiert sein kann, freigelegt wird. Dabei können die Maskenschicht 21 und die erste Passivierungsschicht 61 in einer lateralen Richtung bündig miteinander abschließen.
Demgegenüber ist es möglich, dass die erste Passivierungsschicht 61 in größeren Bereichen entfernt wird als die Maskenschicht 21, siehe 1G, sodass die Maskenschicht 21 die erste Passivierungsschicht 61 lateral überragt. In den in der Maskenschicht 21 gebildeten zweiten Öffnungen werden die Halbleiterkerne 36 für die zweiten Halbleitersäulen 32 erzeugt.
Nach dem Erzeugen der Halbleiterkerne 36 werden analog zu den ersten Halbleitersäulen 31 die aktiven Zonen 37 sowie die Halbleiterumhüllungen 38 gewachsen, um die zweiten Halbleitersäulen 32 zu erhalten, siehe 1H.
Die zweiten Halbleitersäulen 32 sind beispielsweise zur Erzeugung von grünem Licht gestaltet und können ebenfalls auf dem Materialsystem InGaN basieren. Dabei ist ein Indiumgehalt der zweiten Halbleitersäulen 32 bevorzugt um mindestens 5 Prozentpunkte oder um mindestens 10 Prozentpunkte höher als in den aktiven Zonen 37 der ersten Halbleitersäulen 31.
Nach dem Wachsen der zweiten Halbleitersäulen 32 wird eine zweite Passivierungsschicht 62 angebracht, siehe 11. Die zweite Passivierungsschicht 62 kann sowohl die Halbleitersäulen 31, 32 als auch die erste Passivierungsschicht 61 einbetten.
Daraufhin wird, analog zu 1F, die Maskenschicht 21 erneut geöffnet und die zweite Passivierungsschicht 62 wird lokal entfernt, woraufhin dritte Halbleitersäulen 33 bevorzugt zur Erzeugung von rotem Licht zum Beispiel ebenfalls mit einem Kern-Schale-Aufbau gewachsen werden, siehe 1J.
Beispielsweise bildet so ein Tripel aus einer der ersten Halbleitersäulen 31, einer der zweiten Halbleitersäulen 32 und einer der dritten Halbleitersäulen 33 einen Bildpunkt 5, in 1J durch eine Strich-Punkt-Linie symbolisiert.
Die einzelnen Halbleitersäulen 31, 32, 33 weisen in Draufsicht auf das Aufwachssubstrat 2 gesehen bevorzugt eine Grundfläche im Bereich um 1 µm² auf. Der gesamte Bildpunkt 5 weist bevorzugt eine Grundfläche in Draufsicht gesehen von höchstens 10 µm² oder 6 µm² auf.
In 1K ist illustriert, dass elektrische Kontaktierungen 4 angebracht werden. Vor dem Erzeugen der elektrischen Kontaktierungen 4 werden die Passivierungsschichten 61, 62 teilweise oder vollständig entfernt. Die Kontaktierungen 4 sind beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Oxid wie ITO, insbesondere an der gleichen Seite des Aufwachssubstrats 2 wie die Halbleitersäulen 31, 32, 33. Die Kontaktierungen 4 können zeilenförmig und spaltenförmig gestaltet sein, um die Halbleitersäulen 31, 32, 33 elektrisch unabhängig voneinander anzusteuern.
In 1K ist ferner gezeigt, dass sich die Kontaktierungen 4 auch ein einer der Halbleitersäulen 31, 32, 33 abgewandten Seite des Aufwachssubstrats 2 befinden können. Dies ist im Falle eines elektrisch leitfähigen Aufwachssubstrats 2 möglich oder im Falle von Durchkontaktierungen durch das Aufwachssubstrat 2 hindurch zu den Halbleitersäulen 31, 32, 33.
Abweichend von der Darstellung in 1K ist es ebenso möglich, dass das Aufwachssubstrat 2 entfernt wird und dass die Kontaktierungen 4 dann direkt an Fußpunkten der Halbleitersäulen 31, 32, 33 angebracht werden. Entsprechendes ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die Kontaktierungen 4 nachfolgend nur noch teilweise illustriert sind. Ferner kann als eine weitere Alternative das Aufwachssubstrat 2 selbst einen Teil der elektrischen Kontaktierungen beinhalten.
Im optionalen Verfahrensschritt der 1L erfolgt ein Vereinzeln zu separaten Bildpunkten 5. Das heißt, die Halbleiterlichtquelle 1 ist in diesem Fall nur durch einen einzigen Bildpunkte 5 gebildet.
Ein solcher Bildpunkt 5, wie im Schnitt in 1L dargestellt, kann in Draufsicht gestaltet sein, wie in jeder der 2A bis 2C erläutert. Gemäß 2A weisen die Halbleitersäulen 31, 32, 33 in Draufsicht gesehen näherungsweise den gleichen Grundriss und eine gleiche Größe auf und sind beispielsweise in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet. Abweichend hiervon kann auch eine lineare Anordnung oder eine L-förmige Anordnung der Halbleitersäulen 31, 32, 33 vorliegen.
In 2B ist veranschaulicht, dass die Halbleitersäulen 31, 32, 33 unterschiedliche Grundrisse, in Draufsicht gesehen, aufweisen können und ebenso unterschiedlich groß sein können. Beispielsweise sind die zweiten Halbleitersäulen 32, etwa zur Erzeugung von grünem Licht, besonders groß gestaltet.
Demgegenüber weist der Bildpunkt 5 der 2C mehr als drei Halbleitersäulen 31, 32, 33 auf. Beispielsweise sind mehrere Halbleitersäulen 32 vorhanden, um eine geringere Effizienz oder geringere Helligkeit der zweiten Halbleitersäulen 32 gegenüber den ersten und dritten Halbleitersäulen 31, 33 auszugleichen.
In 2D ist illustriert, dass die Halbleiterlichtquelle 1 mehrere der Bildpunkte 5 umfasst, beispielsweise eine 3 × 3 Anordnung der Bildpunkte 5. Die einzelnen Halbleitersäulen 31, 32, 33 innerhalb der Bildpunkte sind gemäß 2A angeordnet, jedoch können auch die übrigen in Verbindung mit den 2A bis 2C erläuterten Anordnungen der Halbleitersäulen 31, 32, 33 entsprechend herangezogen werden.
In 2D weisen benachbarte Bildpunkte 5 in etwa einen gleichen mittleren Abstand zueinander auf wie die Halbleitersäulen 31, 32, 33 innerhalb der jeweiligen Bildpunkte 5. Abweichend hiervon ist es möglich, dass der mittlere Abstand zwischen benachbarten Bildpunkten 5 größer gewählt wird als der Abstand zwischen den Halbleitersäulen 31, 32, 33 innerhalb der Bildpunkte 5. Gleiches gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
In 3 ist gezeigt, dass die Halbleiterlichtquelle 1 nur zwei Arten von Halbleitersäulen 31, 32 aufweit, beispielsweise für blaues und rotes Licht. Ein Bildpunkt 5 umfasst dann beispielsweise nur zwei der Halbleitersäulen 31, 32, also von jeder Art genau eine Halbleitersäule 31, 32.
In den 1 und 3 sind die Halbleitersäulen 31, 32, 33 jeweils mit einem Kern-Schale-Aufbau dargestellt. Demgegenüber ist es möglich, dass zumindest eine Art oder auch alle Arten von Halbleitersäulen 31, 32, 33 durch einen Schichtaufbau realisiert sind. Diese ist gemäß 4 für die zweiten Halbleitersäulen 32 der Fall, beispielsweise zur Erzeugung von grünem Licht. Somit befindet sich die plane aktive Zone 37 der zweiten Halbleitersäulen 32 zwischen zwei entgegengesetzt dotierten und ebenfalls planen Halbleiterschichten 39. Gleiches ist in den übrigen Ausführungsbeispielen möglich.
In 5 ist gezeigt, dass die elektrischen Kontaktierungen 4 an den Halbleitersäulen 31B, 32, 31R strahlungsdurchlässig gestaltet sind. Dabei sind die Halbleitersäulen 31B für blaues Licht baugleich mit den Halbleitersäulen 31R. Jedoch folgt den Halbleitersäulen 31R ein beispielsweise eben gestalteter Leuchtstoff 7 nach, der direkt an einer dem Aufwachssubstrat 2 oder einem Ersatzträger 8 abgewandten Seite der elektrischen Kontaktierungen 4 angebracht sein kann. Über den Leuchtstoff 7 wird das blaue Licht bevorzugt in rotes Licht umgewandelt, so dass über die Halbleitersäulen 31R insgesamt rotes Licht erzeugt wird und wiederum ein RGB-Bildpunkt 5 realisiert ist.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Halbleitersäulen 31B, 32, 31R in einem Vergusskörper 91 eingebettet sind. Der Vergusskörper 91 ist beispielsweise aus einem transparenten Material wie einem Silikon.
Abweichend von der der Darstellung der 5 kann der Leuchtstoff 7 den Halbleitersäulen 31R auch konform übergestülpt sein damit eine Gestalt ähnlich der zugehörigen elektrischen Kontaktierung 4 oder der Halbleiterumhüllung 38 aufweisen.
Wie in Verbindung mit 6 illustriert, können solche Leuchtstoffschichten 7 nicht nur auf Kern-Schale-Halbleitersäulen angebracht werden, sondern auch auf Halbleitersäulen mit Schichtaufbau, beispielsweise auf die dritten Halbleitersäulen 33 etwa zur Erzeugung von rotem Licht.
Mit Hilfe solcher Leuchtstoffe 7 ist es möglich, die verschiedenen Materialsysteme der Halbleitersäulen 31, 32, 33 einzugrenzen und beispielsweise lediglich Halbleitersäulen 31, 32, 33 aus dem Materialsystem AlInGaN mit verschiedenen Indiumanteilen zu verwenden.
Im Ausführungsbeispiel der 7 ist gezeigt, dass das Aufwachssubstrat abgelöst und durch einen Träger 8 ersetzt ist. Eine elektrische Verschaltung der Halbleitersäulen 31, 32 kann wenigstens zum Teil über den Träger 8 erfolgen. Dazu kann der Träger 8 über Transistoren oder andere elektrische Schaltelemente verfügen oder zumindest Leiterbahnen zum elektrischen Anschließen der Halbleitersäulen 31, 32 beinhalten.
In der Konfiguration der 7 ist der Träger 8 lichtdurchlässig. Um die in den Halbleitersäulen 31, 32 erzeugte Strahlung durch den Träger 8 hindurch zu lenken, befindet sich an einer dem Träger 8 abgewandten Seite der Halbleitersäulen 31, 32 ein Reflektor 92, beispielsweise durch eine Metallisierung gebildet. In diesem Fall sind beispielsweise die ersten Passivierungsschichten 61 noch vorhanden, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Damit kann der Spiegel 92 auch zur elektrischen Kontaktierung insbesondere der zweiten Halbleitersäulen 32 dienen, elektrische Kontakte für die Halbleitersäulen 31R, 31B sind in 7 nicht eigens dargestellt.
Elektrische Kontaktflächen für die Zeilen-Spalten-Kontaktierung 4 können sich in Draufsicht gesehen neben einem Feld der Halbleitersäulen 31, 32, 33 befinden und von dort aus elektrisch kontaktiert und ansteuerbar angeschlossen sein. Dies ist in den Figuren nicht gezeichnet.
Sind an den Halbleitersäulen 31, 32, 33 Pufferschichten oder Anwachsschichten 22, 23 vorhanden, wie etwa in 1B schematisch illustriert, so werden solche Schichten bevorzugt zusammen mit dem Aufwachssubstrat 8 entfernt, um elektrische Kurzschlüsse zwischen benachbarten Bildpunkten 5 zu vermeiden.
Beim Entfernen des Aufwachssubstrats und beim Anbringen des Trägers 8 erfolgt zumindest innerhalb der jeweiligen Bildpunkte 5, bevorzugt über das gesamte Aufwachssubstrat hinweg, keine Änderung der räumlichen Positionen der Halbleitersäulen 31, 32 relativ zueinander. Das heißt, relativ zueinander bleiben die Halbleitersäulen beim Ablösen vom Aufwachssubstrat ortsfest. Insofern ist der Herstellungsprozess für die Halbleiterlichtquelle monolithisch. Dies lässt sich beispielsweise anhand der durchgehenden Maskenschicht 21 feststellen.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
Die hier beschriebene 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: Halbleiterlichtquelle
2: Aufwachssubstrat
20: Aufwachsfläche
21: Maskenschicht
22: Anwachsschicht
23: weitere Anwachsschicht
31: erste Halbleitersäule
32: zweite Halbleitersäule
33: dritte Halbleitersäule
36: Halbleiterkern
37: aktive Zone
38: Halbleiterumhüllung
39: plane Halbleiterschicht
4: elektrische Kontaktierung
5: Bildpunkt
61: erste Passivierungsschicht
62: zweite Passivierungsschicht
7: Leuchtstoff
8: Träger
91: Vergusskörper
92: Metallisierung

Claims

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlichtquellen (1) mit den Schritten: A) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (2) mit einer Aufwachsfläche (20), B) Wachsen von ersten Halbleitersäulen (31) zur Erzeugung einer ersten Strahlung an der Aufwachsfläche (20), C) nachfolgend Wachsen von zweiten Halbleitersäulen (32) zur Erzeugung einer zweiten Strahlung an der Aufwachsfläche (20), und D) Erstellen von elektrischen Kontaktierungen (4), sodass die ersten und zweiten Halbleitersäulen (31, 32) in den fertigen Halbleiterlichtquellen (1) unabhängig voneinander ansteuerbar sind und zu einstellbar farbig emittierenden Bildpunkten (5) gruppiert sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem vor dem Schritt B) an der Aufwachsfläche (20) eine Maskenschicht (21) angebracht wird und die ersten Halbleitersäulen (31) im Schritt B) aus ersten Öffnungen der Maskenschicht (21) wachsen, und wobei nach dem Schritt B) und vor dem Schritt C) in einem Schritt F) zweite Öffnungen in der Maskenschicht (21) erzeugt werden und die zweiten Halbleitersäulen (32) im Schritt C) aus den zweiten Öffnungen wachsen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem in einem Schritt E) zwischen den Schritten B) und F) auf die ersten Halbleitersäulen (31) eine erste Passivierungsschicht (61) aufgebracht wird, wobei ein Halbleitermaterial für die zweiten Halbleitersäulen (31) nur aus den zweiten Öffnungen der Maskenschicht (21) wächst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt C) dritte Halbleitersäulen (33) zur Erzeugung einer dritten Strahlung an der Aufwachsfläche (20) gewachsen werden und die dritten Halbleitersäulen (33) im Schritt D) ebenso zu den Bildpunkten (5) gruppiert werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die ersten, zweiten und dritten Halbleitersäulen (31, 32, 33) zur Erzeugung von rotem, grünem und blauem Licht eingerichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleitersäulen (31, 32, 33) aus verschiedenen Halbleitermaterialsystemen gewachsen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der Halbleitersäulen (31, 32, 33) einen Kern-Schale-Aufbau mit einem Halbleiterkern (36), einer aktiven Zone (37) und einer Halbleiterumhüllung (38) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der Halbleitersäulen (31, 32, 33) einen Scheibenaufbau mit einer aktiven Zone (37) zwischen zwei planen Halbleiterschichten (39) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleitersäulen (31, 32, 33) an einer dem Aufwachssubstrat (2) abgewandten Seite mit der lichtundurchlässigen, reflektierenden elektrischen Kontaktierung (4) versehen werden, wobei die elektrische Kontaktierung (4) zu Spalten oder Zeilen strukturiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Draufsicht gesehen die Halbleitersäulen (31, 32, 33) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 0,1 µm und 5 µm aufweisen und eine mittlere Fläche der Bildpunkte (5) zwischen einschließlich 2 µm² und 100 µm² liegt, wobei die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen (31, 32, 33) unterschiedliche mittlere Durchmesser und/oder mittlere Höhen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufwachssubstrat (2) nach dem Wachsen aller Halbleitersäulen (31, 32, 33) von diesen abgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die an dem Aufwachssubstrat (2) gewachsenen Halbleitersäulen (31, 32, 33) zu separat handhabbaren Bildpunkten (5) oder zu separat handhabbaren Gruppen von Bildpunkten (5) vereinzelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Aufwachsfläche (20) mehrere Anwachsschichten (22, 23) erzeugt werden, wobei die verschiedenen Arten von Halbleitersäulen (31, 32, 33) beginnend an verschiedenen Anwachsschichten (22, 23) wachsen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der Halbleitersäulen (31, 32, 33) mit wenigstens einem Leuchtstoff (7) zur zumindest teilweisen Umwandlung der Strahlung der Halbleitersäulen (31, 32, 33) in langwelligere Strahlung versehen wird.
Halbleiterlichtquellen (1) mit - mindestens einer ersten Halbleitersäule (31) zur Erzeugung einer ersten Strahlung, - mindestens einer zweiten Halbleitersäule (32) zur Erzeugung einer zweiten Strahlung, und - elektrischen Kontaktierungen (4), sodass die ersten und zweiten Halbleitersäulen (31, 32) unabhängig voneinander ansteuerbar und zu mindestens einem einstellbar farbig emittierenden Bildpunkt (5) gruppiert sind, wobei die Halbleitersäulen (32) in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu einer Hauptemissionsrichtung der Halbleiterlichtquelle (1) angeordnet sind.