DE102018101089A1 - EPITACT CONVERSION ELEMENT, PROCESS FOR PREPARING AN EPITACTIC CONVERSION ELEMENT, RADIATION-EMITTING SEMICONDUCTOR CHIP AND METHOD FOR PRODUCING A RADIATION-EMITTING SEMICONDUCTOR CHIP - Google Patents
EPITACT CONVERSION ELEMENT, PROCESS FOR PREPARING AN EPITACTIC CONVERSION ELEMENT, RADIATION-EMITTING SEMICONDUCTOR CHIP AND METHOD FOR PRODUCING A RADIATION-EMITTING SEMICONDUCTOR CHIP Download PDFInfo
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Abstract
Es wird ein epitaktisches Konversionselement (1) angegeben, das elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums (2) in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums (3) umwandelt. Das epitaktische Konversionselement (1) weist eine Vielzahl an epitaktischen Konversionsschichten (4) auf, wobei - jede epitaktische Konversionsschicht (4) elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums (2) in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums (5) umwandelt und sich das Emissionsspektrum (3) aus den Einzelspektren (5) zusammensetzt, und- eine FWHM-Breite des Emissionsspektrums (3) breiter ist als eine FWHM-Breite des Anregungsspektrums (2).Außerdem werden ein Verfahren zur Herstellung des epitaktischen Konversionselements, ein strahlungsemittierender Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben.An epitaxial conversion element (1) is specified, which converts electromagnetic radiation of an excitation spectrum (2) into electromagnetic radiation of an emission spectrum (3). The epitaxial conversion element (1) has a plurality of epitaxial conversion layers (4), wherein - each epitaxial conversion layer (4) electromagnetic radiation of the excitation spectrum (2) into electromagnetic radiation of a single spectrum (5) converts and the emission spectrum (3) from the In addition, a method for producing the epitaxial conversion element, a radiation-emitting semiconductor chip, and a method for producing the radiation-emitting Semiconductor chips specified.
Description
Es werden ein epitaktisches Konversionselement, ein Verfahren zur Herstellung des epitaktischen Konversionselements, ein strahlungsemittierender Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben.An epitaxial conversion element, a method for producing the epitaxial conversion element, a radiation-emitting semiconductor chip and a method for producing the radiation-emitting semiconductor chip are specified.
Epitaktische Konversionselemente und strahlungsemittierende Halbleiterchips sind beispielsweise in der Druckschrift
Es soll ein Konversionselement angegeben werden, das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung mit einem vergleichsweise schmalen Anregungsspektrum in ein breiteres Emissionsspektrum umzuwandeln. Außerdem soll ein strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einem derartigen Konversionselement und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden. Schließlich soll ein Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips bereitgestellt werden.It is intended to specify a conversion element which is suitable for converting electromagnetic radiation having a comparatively narrow excitation spectrum into a broader emission spectrum. In addition, a radiation-emitting semiconductor chip with such a conversion element and a method for its production will be given. Finally, a method for producing the radiation-emitting semiconductor chip is to be provided.
Diese Aufgaben werden durch ein epitaktisches Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 10, durch einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 17 gelöst.These objects are achieved by an epitaxial conversion element having the features of
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des epitaktischen Konversionselements, des strahlungsemittierenden Halbleiterchips und der beiden Verfahren sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments and further developments of the epitaxial conversion element, the radiation-emitting semiconductor chip and the two methods are each the subject of the dependent claims.
Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements wandelt das epitaktische Konversionselement elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums um.According to one embodiment of the epitaxial conversion element, the epitaxial conversion element converts electromagnetic radiation of an excitation spectrum into electromagnetic radiation of an emission spectrum.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements umfasst das epitaktische Konversionselement eine Vielzahl an epitaktischen Konversionsschichten. Die epitaktischen Konversionsschichten sind bevorzugt epitaktisch gewachsen und entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt. Besonders bevorzugt stehen die epitaktischen Konversionsschichten jeweils in direktem Kontakt miteinander.According to a further embodiment of the epitaxial conversion element, the epitaxial conversion element comprises a multiplicity of epitaxial conversion layers. The epitaxial conversion layers are preferably epitaxially grown and stacked along a stacking direction. Particularly preferably, the epitaxial conversion layers are each in direct contact with each other.
Die epitaktischen Konversionsschichten weisen bevorzugt jeweils ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband auf. Die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften der epitaktischen Konversionsschichten gehen vorliegend auf die photolumineszierenden Eigenschaften des Halbleitermaterials der epitaktischen Konversionsschichten zurück. Das Halbleitermaterial der epitaktischen Konversionsschichten absorbieren elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereichs, vorliegend aus dem Anregungsspektrum, so dass Zustände im Leitungsband des Halbleitermaterials angeregt werden, die unter Abgabe von elektromagnetischer Strahlung eines weiteren Wellenlängenbereichs, vorliegend aus dem Emissionsspektrum, relaxieren. Der weitere Wellenlängenbereich umfasst hierbei bevorzugt größere Wellenlängen als der Wellenlängenbereich, der absorbiert wird.The epitaxial conversion layers preferably each comprise a semiconductor material having a bandgap between a valence band and a conduction band. In the present case, the wavelength-converting properties of the epitaxial conversion layers are based on the photoluminescent properties of the semiconductor material of the epitaxial conversion layers. The semiconductor material of the epitaxial conversion layers absorb electromagnetic radiation of a wavelength range, in this case from the excitation spectrum, so that states in the conduction band of the semiconductor material are excited, which relax with emission of electromagnetic radiation of a further wavelength range, in the present case from the emission spectrum. The further wavelength range preferably comprises larger wavelengths than the wavelength range which is absorbed.
Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements wandelt jede epitaktische Konversionsschicht elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums um. Das Emissionsspektrum setzt sich besonders bevorzugt aus den Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten zusammen. Das Einzelspektrum hängt hierbei von der Bandlücke des Halbleitermaterials der jeweiligen epitaktischen Konversionsschicht ab. Folglich hängt das Anregungsspektrum von den Bandlücken der Halbleitermaterialien der epitaktischen Konversionsschichten ab.According to one embodiment of the epitaxial conversion element, each epitaxial conversion layer converts electromagnetic radiation of the excitation spectrum into electromagnetic radiation of a single spectrum. The emission spectrum is particularly preferably composed of the individual spectra of the epitaxial conversion layers. The individual spectrum here depends on the band gap of the semiconductor material of the respective epitaxial conversion layer. Consequently, the excitation spectrum depends on the band gaps of the semiconductor materials of the epitaxial conversion layers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements ist eine FWHM-Breite (kurz für Englisch „Full Width Half Maximum-Breite“) des Emissionsspektrums breiter als eine FWHM-Breite des Anregungsspektrums.According to another embodiment of the epitaxial conversion element, an FWHM width (short for English "Full Width Half Maximum Width") of the emission spectrum is wider than a FWHM width of the excitation spectrum.
Bei den hier beschriebenen Spektren, wie dem Emissionsspektrum, dem Anregungsspektrum und den Einzelspektren, handelt es sich in der Regel jeweils um ein Diagramm, bei dem die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom pro Wellenlängenintervall der von einem Element ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge
Besonders bevorzugt weist das Anregungsspektrum lediglich ein einziges Maximum bei der Peakwellenlänge auf. Beispielsweise ist das Anregungsspektrum symmetrisch zu dem Maximum ausgebildet.Particularly preferably, the excitation spectrum has only a single maximum at the peak wavelength. For example, the excitation spectrum is symmetrical to the maximum.
Auch das Emissionsspektrum weist besonders bevorzugt lediglich ein einziges Maximum auf. Auch das Emissionsspektrum kann symmetrisch zu dem Maximum ausgebildet sein. Also, the emission spectrum particularly preferably has only a single maximum. The emission spectrum can also be formed symmetrically to the maximum.
Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten jeweils voneinander. Auch jedes Einzelspektrum weist besonders bevorzugt lediglich ein einziges Maximum bei der Peakwellenlänge auf. Auch die Einzelspektren können jeweils symmetrisch zu ihrem Maximum ausgebildet sein.Particularly preferably, the individual spectra of the epitaxial conversion layers each differ from one another. Also, each individual spectrum particularly preferably has only a single maximum at the peak wavelength. The individual spectra can also be formed symmetrically to their maximum.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements sind die epitaktischen Konversionsschichten jeweils verschieden voneinander ausgebildet. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten jeweils voneinander. Sind die epitaktischen Konversionsschichten jeweils verschieden voneinander ausgebildet, so unterscheiden sich in Regel auch deren Einzelspektren voneinander.According to a further embodiment of the epitaxial conversion element, the epitaxial conversion layers are each formed differently from one another. Particularly preferably, the individual spectra of the epitaxial conversion layers each differ from one another. If the epitaxial conversion layers are each formed differently from one another, their individual spectra generally also differ from one another.
Beispielsweise basieren die epitaktischen Konversionsschichten auf demselben Materialsystem oder bestehen aus Materialien desselben Materialsystems, wobei die Materialien aber eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Materialsystem um ein III-V-Halbleitermaterialsystem, wie etwa ein Nitridverbindungshalbleitermaterialsystem, ein Arsenidverbindungshalbleitermaterialsystem, ein Phosphidverbindungshalbleitermaterialsystem oder ein Antimonidverbindungshalbleitermaterialsystem.For example, the epitaxial conversion layers are based on the same material system or consist of materials of the same material system, but the materials have a different composition. For example, the material system is a III-V semiconductor material system, such as a nitride compound semiconductor material system, an arsenide compound semiconductor material system, a phosphide compound semiconductor material system, or an antimonide compound semiconductor material system.
Das Nitridverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst Nitridverbindungshalbleitermaterialien. Nitridverbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.The nitride compound semiconductor material system comprises nitride compound semiconductor materials. Nitride compound semiconductor materials are compound semiconductor materials containing nitrogen, such as the materials of the system In x Al y Ga 1-xy N where 0≤x≤1, 0≤y≤1, and x + y≤1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert, ist beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem ultravioletten Spektralbereich in ein breiteres, blaues Emissionsspektrum umzuwandeln.An epitaxial conversion element based on a nitride compound semiconductor material is suitable, for example, for converting electromagnetic radiation of an excitation spectrum from the ultraviolet spectral range into a broader, blue emission spectrum.
Das Arsenidverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst Arsenidverbindungshalbleitermaterialien. Arsenidverbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Arsen enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGa1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.The arsenide compound semiconductor material system includes arsenide compound semiconductor materials. Arsenide compound semiconductor materials are compound semiconductor materials containing arsenic such as the materials of the system In x Al y Ga 1-xy As where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and x + y ≦ 1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem roten Spektralbereich in ein breiteres, infrarotes Emissionsspektrum umzuwandeln, das elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen bis zu 2 Mikrometer umfasst. Die epitaktischen Konversionsschichten eines solchen epitaktischen Konversionselements weisen beispielsweise InGaAs/GaAs auf.An epitaxial conversion element based on an arsenide compound semiconductor material is suitable, for example, for converting electromagnetic radiation of an excitation spectrum from the red spectral region into a broader, infrared emission spectrum comprising electromagnetic radiation with wavelengths of up to 2 micrometers. The epitaxial conversion layers of such an epitaxial conversion element include, for example, InGaAs / GaAs.
Das Phosphidverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst Phosphidverbindungshalbleitermaterialien. Phosphidverbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Phosphor enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGa1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.The phosphide compound semiconductor material system includes phosphide compound semiconductor materials. Phosphide compound semiconductor materials are compound semiconductor materials containing phosphorus such as the materials of the system In x Al y Ga 1-xy P where 0≤x≤1, 0≤y≤1 and x + y≤1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem blauen Spektralbereich in ein breiteres, grün-rotes Emissionsspektrum umzuwandeln.An epitaxial conversion element based on a phosphide compound semiconductor material is suitable, for example, for converting electromagnetic radiation of an excitation spectrum from the blue spectral range into a broader, green-red emission spectrum.
Das Antimonverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst Antimonidverbindungshalbleitermaterialien. Antimonidverbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Antimon enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGa1-x-ySb mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.The antimony compound semiconductor material system comprises antimonide compound semiconductor materials. Antimonide compound semiconductor materials are compound semiconductor materials containing antimony, such as the materials of the system In x Al y Ga 1-xy Sb where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and x + y ≦ 1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem Antimonidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem roten Spektralbereich in ein breiteres, langwelliges infrarotes Emissionsspektrum umzuwandeln, das elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von mindestens 2 Mikrometer aufweist.An epitaxial conversion element based on an antimonide compound semiconductor material is suitable, for example, for converting electromagnetic radiation of an excitation spectrum from the red spectral region into a broader, long-wave infrared emission spectrum comprising electromagnetic radiation having wavelengths of at least 2 micrometers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das epitaktische Konversionselement epitaktische Konversionsschichten, die jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen. Auch so können epitaktische Konversionsschichten mit unterschiedlichen Einzelspektren erzielt werden. Die unterschiedlichen Dicken der epitaktischen Konversionsschichten sind bevorzugt derart gewählt, dass eine gewünschte Form des Emissionsspektrums erzielt wird. Beispielsweise weist eine einzelne epitaktische Konversionsschicht eine Dicke zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 1000 Nanometer auf.According to a further embodiment, the epitaxial conversion element comprises epitaxial conversion layers, each having different thicknesses. Even so, epitaxial conversion layers with different individual spectra can be achieved. The different thicknesses of the epitaxial conversion layers are preferably chosen such that a desired shape of the emission spectrum is achieved. For example, a single epitaxial conversion layer has a thickness of between 5 nanometers and 1000 nanometers inclusive.
Die photolumineszierenden Eigenschaften der epitaktischen Konversionsschichten können mit einem vereinfachten Modell abgeschätzt werden. Die Anzahl der von einer epitaktischen Konversionsschicht ausgesandten Photonen und damit die Absorption von elektromagnetischer Strahlung hängt von der internen Quanteneffizienz IQE und dem Absorptionskoeffizienten der epitaktischen Konversionsschicht ab. Die Absorption von elektromagnetischer Strahlung einer einzelnen epitaktischen Konversionsschicht ist proportional zu exp(-αmdm), wobei
Die Form des Emissionsspektrums kann durch Einstellen der Dicke und der Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten eingestellt werden, wobei die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten insbesondere von deren Materialzusammensetzung abhängt.The shape of the emission spectrum can be adjusted by adjusting the thickness and the band gaps of the epitaxial conversion layers, wherein the band gaps of the epitaxial conversion layers depends in particular on their material composition.
Die FWHM-Breite des Emissionsspektrums wird insbesondere durch die Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten beeinflusst. Im einfachsten Fall senden alle epitaktischen Konversionsschichten Einzelspektren der gleichen Intensität aus, so dass ein gleichförmiges Emissionsspektrum erzeugt wird. Die maximal ausgesandte spektrale Leistungsdichte des Emissionsspektrums ist begrenzt auf die spektrale Leistungsdichte des Anregungsspektrums geteilt durch die Gesamtanzahl an Konversionsschichten N. Die Dicke der m-ten epitaktischen Konversionsschicht
Jedes Einzelspektrum weist ebenfalls eine FWHM-Breite
Aus der FWHM-Breite δEm = βkBT für das m-te Einzelspektrum ergibt sich für eine Gesamtanzahl
Unter Annahme der oben genannten Näherungen ergibt sich eine minimale Dicke der epitaktischen Konversionsschicht aus der Quantisierungsbedingung, das heißt wenn die Dicke der epitaktischen Konversionsschicht unter einen gewissen Grenzwert gesenkt wird, reduziert sich der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Einzelspektren. Die Bedingung für die minimale Dicke
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements nehmen die Dicken der epitaktischen Konversionsschichten von einer Strahlungseintrittsfläche des epitaktischen Konversionselements zu einer Strahlungsaustrittsfläche des epitaktischen Konversionselements kontinuierlich zu.According to a further embodiment of the epitaxial conversion element, the thicknesses of the epitaxial conversion layers increase continuously from a radiation entrance surface of the epitaxial conversion element to a radiation exit surface of the epitaxial conversion element.
Bevorzugt weisen die einzelnen epitaktischen Konversionsschichten leicht unterschiedliche Bandlücken auf. Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements nehmen die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten von der Strahlungseintrittsfläche des Konversionselements zu der Strahlungsaustrittsfläche des Konversionselements kontinuierlich zu.The individual epitaxial conversion layers preferably have slightly different band gaps. According to one embodiment of the epitaxial conversion element, the band gaps of the epitaxial conversion layers continuously increase from the radiation entrance surface of the conversion element to the radiation exit surface of the conversion element.
Besonders bevorzugt sind die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten teilweise überlappend und teilweise distinkt voneinander ausgebildet. Beispielsweise überlappen zwei direkt benachbarte Einzelspektren jeweils in einem bestimmten Bereich während sie in einem weiteren Bereich jeweils distinkt voneinander sind. Beispielsweise ergibt sich der Abstand
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements umfasst dieses eine Vielzahl an Barriereschichten. Besonders bevorzugt ist zwischen zwei epitaktischen Konversionsschichten jeweils eine Barriereschicht angeordnet. Die Barriereschichten sind besonders bevorzugt dazu vorgesehen, elektrische Ladungsträger, wie Elektronen und Löcher, innerhalb der angrenzenden epitaktischen Konversionsschicht einzuschließen.According to a further embodiment of the epitaxial conversion element, this comprises a multiplicity of barrier layers. Particularly preferably, a barrier layer is arranged in each case between two epitaxial conversion layers. The barrier layers are particularly preferably designed to enclose electrical charge carriers, such as electrons and holes, within the adjacent epitaxial conversion layer.
Besonders bevorzugt stehen die beiden Barriereschichten in direktem Kontakt mit der angrenzenden epitaktischen Konversionsschicht. Die Barriereschichten sind bevorzugt epitaktisch gewachsen. Die Barriereschichten basieren bevorzugt auf dem gleichen Materialsystem wie die epitaktischen Konversionsschichten. Beispielsweise weisen die Barriereschichten eine Dicke auf, die zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 2 Mikrometer liegt.Particularly preferably, the two barrier layers are in direct contact with the adjacent epitaxial conversion layer. The barrier layers have preferably grown epitaxially. The barrier layers are preferably based on the same material system as the epitaxial conversion layers. For example, the barrier layers have a thickness that is between 5 nanometers inclusive and 2 micrometers inclusive.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements weist dieses eine Deckschicht auf. Beispielsweise ist die Strahlungsaustrittsfläche des Konversionselements durch die Deckschicht gebildet. Die Deckschicht ist besonders bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums und/oder des Emissionsspektrums. „Transparent“ bedeutet hierbei besonders bevorzugt, dass die Deckschicht mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 85 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung transmittiert. According to a further embodiment of the epitaxial conversion element, this has a cover layer. For example, the radiation exit surface of the conversion element is formed by the cover layer. The cover layer is particularly preferably transparent to electromagnetic radiation of the excitation spectrum and / or of the emission spectrum. In this case, "transparent" particularly preferably means that the cover layer transmits at least 80%, preferably at least 85% and particularly preferably at least 90%, of the respective electromagnetic radiation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen Konversionselements weist die Deckschicht eine aufgeraute Oberfläche auf. Die Oberfläche der Deckschicht kann weiterhin auch strukturiert sein. Die Aufrauhung oder die Strukturierung der Deckschicht dient zur besseren Lichtauskopplung aus dem epitaktischen Konversionselement. Beispielsweise weist die Deckschicht eine Dicke zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 2 Mikrometer auf.According to a further embodiment of the epitaxial conversion element, the cover layer has a roughened surface. The surface of the cover layer can also be structured. The roughening or structuring of the cover layer serves for better light extraction from the epitaxial conversion element. For example, the cover layer has a thickness between 500 nanometers inclusive and 2 micrometers inclusive.
Die Deckschicht weist beispielsweise ein Oxid, wie Siliziumdioxid, auf oder ist aus einem derartigen Material gebildet. Eine Deckschicht, die Siliziumdioxid aufweist, kann mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge beispielsweise durch Bonden mechanisch stabil verbunden sein.The cover layer comprises, for example, an oxide, such as silicon dioxide, or is formed from such a material. A cover layer comprising silicon dioxide may be mechanically stably connected to an epitaxial semiconductor layer sequence, for example by bonding.
Das epitaktische Konversionselement kann insbesondere mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Merkmale und Ausführungen, die vorliegend lediglich in Verbindung mit dem epitaktischen Konversionselement beschrieben sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.The epitaxial conversion element can be produced in particular by the method described below. Features and embodiments that are described herein only in connection with the epitaxial conversion element may also be formed in the method and vice versa.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Wachstumssubstrat bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat werden die epitaktischen Konversionsschichten des epitaktischen Konversionselements epitaktisch abgeschieden.According to one embodiment of the method, a growth substrate is provided. On the growth substrate, the epitaxial conversion layers of the epitaxial conversion element are epitaxially deposited.
Besonders bevorzugt werden sämtliche epitaktischen Konversionsschichten auf einem gemeinsamen Wachstumssubstrat epitaktisch gewachsen, bevorzugt gitterangepasst.Particularly preferably, all epitaxial conversion layers are grown epitaxially on a common growth substrate, preferably lattice-matched.
Beispielsweise kann ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial, das elektromagnetische Strahlung eines blauen Anregungsspektrums in ein breiteres grün-rotes Emissionsspektrum umwandelt, auf einem GaAs-Substrat epitaktisch gewachsen werden.For example, an epitaxial conversion element based on a phosphide compound semiconductor material that converts electromagnetic radiation of a blue excitation spectrum to a broader green-red emission spectrum may be grown epitaxially on a GaAs substrate.
Weiterhin kann ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, das elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit Wellenlängen bis zu 1,1 Mikrometer umwandelt, auf einem GaAs-Substrat epitaktisch gewachsen werden. Die epitaktischen Konversionsschichten sind hierbei bevorzugt pseudomorph gewachsen und weisen beispielsweise InGaAs/GaAs auf.Furthermore, an epitaxial conversion element based on an arsenide compound semiconductor material that converts red-spectrum electromagnetic radiation into a broader infrared emission spectrum of wavelengths up to 1.1 microns can be epitaxially grown on a GaAs substrate. The epitaxial conversion layers here have preferably grown pseudomorphically and have, for example, InGaAs / GaAs.
Um ein epitaktisches Konversionselement zu erzielen, das elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit Wellenlängen zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 2 Mikrometer umwandelt, können beispielsweise epitaktische Konversionsschichten, die alternierend AlInGaAs/InP aufweisen, auf einem InP-Substrat epitaktisch gewachsen werden.For example, to achieve an epitaxial conversion element that converts red-spectrum electromagnetic radiation into a broader infrared emission spectrum having wavelengths of between 1 micron and 2 microns inclusive, epitaxial conversion layers alternately comprising AlInGaAs / InP can be grown epitaxially on an InP substrate ,
Ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Antimonidverbindungshalbleitermaterial, das elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit Wellenlängen von mindestens 2 Mikrometer umwandelt, kann beispielsweise auf einem GaSb-Substrat epitaktisch gewachsen werden.For example, an epitaxial conversion element based on an antimonide compound semiconductor material that converts electromagnetic radiation of a red excitation spectrum into a broader infrared emission spectrum having wavelengths of at least 2 microns can be epitaxially grown on a GaSb substrate.
Das hier beschriebene epitaktische Konversionselement ist insbesondere dazu geeignet, in einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip verwendet zu werden. Merkmale und Ausgestaltungen, die vorliegend nur in Verbindung mit dem epitaktischen Konversionselement beschrieben sind, können auch bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip ausgebildet sein und umgekehrt.The epitaxial conversion element described here is particularly suitable for being used in a radiation-emitting semiconductor chip. Features and configurations that are described herein only in connection with the epitaxial conversion element can also be formed in the radiation-emitting semiconductor chip and vice versa.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip das hier beschriebene epitaktische Konversionselement.According to one embodiment, the radiation-emitting semiconductor chip comprises the epitaxial conversion element described here.
Weiterhin umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip bevorzugt eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die aktive Zone ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines ersten Spektrums auszusenden, das zumindest teilweise mit dem Anregungsspektrum übereinstimmt. Das epitaktische Konversionselement wandelt bevorzugt elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone zumindest teilweise in Strahlung des Emissionsspektrums um. Besonders bevorzugt wandelt das epitaktische Konversionselement elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone vollständig in Strahlung des Emissionsspektrums um.Furthermore, the radiation-emitting semiconductor chip preferably comprises an epitaxial semiconductor layer sequence with an active zone. The active zone is adapted to emit electromagnetic radiation of a first spectrum at least partially coincident with the excitation spectrum. The epitaxial conversion element preferably converts electromagnetic radiation of the active zone at least partially into radiation of the emission spectrum. Particularly preferably, the epitaxial conversion element completely converts electromagnetic radiation of the active zone into radiation of the emission spectrum.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement können beispielsweise gemeinsam auf einem Wachstumssubstrat epitaktisch gewachsen sein. Mit anderen Worten können die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement monolithisch miteinander ausgebildet sein. In diesem Fall ist der strahlungsemittierende Halbleiterchip insbesondere frei von einer Verbindungsschicht, die die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement mechanisch stabil miteinander verbindet.For example, the epitaxial semiconductor layer sequence and the epitaxial conversion element may be grown epitaxially together on a growth substrate. In other words, the epitaxial semiconductor layer sequence and the epitaxial conversion element be formed monolithically with each other. In this case, the radiation-emitting semiconductor chip is in particular free of a connecting layer which mechanically stably interconnects the epitaxial semiconductor layer sequence and the epitaxial conversion element.
Alternativ ist es auch möglich, dass die epitaktischen Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement getrennt voneinander auf unterschiedlichen Wachstumssubstraten epitaktisch gewachsen sind. In diesem Fall umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip bevorzugt eine Verbindungsschicht, die die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement mechanisch stabil miteinander verbindet. Die Verbindungsschicht ist besonders bevorzugt transparent für die elektromagnetische Strahlung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge sowie die elektromagnetische Strahlung des epitaktischen Konversionselements ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich bei der Verbindungsschicht um eine Klebstoffschicht.Alternatively, it is also possible that the epitaxial semiconductor layer sequence and the epitaxial conversion element are epitaxially grown separately on different growth substrates. In this case, the radiation-emitting semiconductor chip preferably comprises a connection layer which mechanically stably interconnects the epitaxial semiconductor layer sequence and the epitaxial conversion element. The connection layer is particularly preferably transparent to the electromagnetic radiation of the epitaxial semiconductor layer sequence as well as the electromagnetic radiation of the epitaxial conversion element. By way of example, the connection layer is an adhesive layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Träger angeordnet. Der Träger ist insbesondere dazu vorgesehen, die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mechanisch zu stabilisieren. Hierbei ist der Träger besonders bevorzugt verschieden von dem Wachstumssubstrat der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Besonders bevorzugt ist zwischen dem Träger und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eine spiegelnde Schicht angeordnet, die insbesondere dazu geeignet ist, Strahlung der aktiven Zone zu einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips zu lenken.According to a further embodiment, the epitaxial semiconductor layer sequence is arranged on a support. The carrier is in particular intended to mechanically stabilize the epitaxial semiconductor layer sequence. In this case, the support is particularly preferably different from the growth substrate of the epitaxial semiconductor layer sequence. Particularly preferably, a reflective layer is arranged between the carrier and the epitaxial semiconductor layer sequence, which is in particular suitable for directing radiation of the active zone to a radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip.
Das epitaktische Konversionselement und/oder der strahlungsemittierende Halbleiterchip können beispielsweise als Lichtquelle in einem miniaturisierten optischen Gassensor dienen.The epitaxial conversion element and / or the radiation-emitting semiconductor chip can serve, for example, as a light source in a miniaturized optical gas sensor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beruht die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial und das erste Spektrum umfasst rotes Licht. Das epitaktische Konversionselement beruht bei dieser Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterchips besonders bevorzugt auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial und wandelt das rote Licht des ersten Spektrums in infrarotes Licht um, besonders bevorzugt vollständig. Ein derartiger Halbleiterchip kann insbesondere mit Vorteil als Lichtquelle in einem optischen Gassensor eingesetzt werden.According to a further embodiment, the epitaxial semiconductor layer sequence is based on a phosphide compound semiconductor material and the first spectrum comprises red light. The epitaxial conversion element in this embodiment of the radiation-emitting semiconductor chip is particularly preferably based on an arsenide compound semiconductor material and converts the red light of the first spectrum into infrared light, particularly preferably completely. Such a semiconductor chip can be used in particular advantageously as a light source in an optical gas sensor.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip kann beispielsweise mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Merkmale und Ausführungen, die vorliegend lediglich in Verbindung mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip beschrieben sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.The radiation-emitting semiconductor chip can be produced, for example, by the method described below. Features and embodiments described herein only in connection with the radiation-emitting semiconductor chip may also be formed in the method and vice versa.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird ein Wachstumssubstrat bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat wird bevorzugt ein epitaktisches Konversionselement epitaktisch aufgewachsen.According to one embodiment of the method for producing a radiation-emitting semiconductor chip, a growth substrate is provided. On the growth substrate, an epitaxial conversion element is preferably grown epitaxially.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf das epitaktische Konversionselement aufgebracht.According to a further embodiment of the method for producing the radiation-emitting semiconductor chip, an epitaxial semiconductor layer sequence is applied to the epitaxial conversion element.
Beispielsweise kann auch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf dem epitaktischen Konversionselement abgeschieden werden. Hierbei wird dasselbe Wachstumssubstrat für das epitaktische Konversionselement und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge verwendet.For example, the epitaxial semiconductor layer sequence can also be epitaxially deposited on the epitaxial conversion element. Here, the same growth substrate is used for the epitaxial conversion element and the epitaxial semiconductor layer sequence.
Alternativ ist es auch möglich, dass die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem weiteren Wachstumssubstrat epitaktisch abgeschieden wird, das von dem Wachstumssubstrat des epitaktischen Konversionselements verschieden ist. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit dem epitaktischen Konversionselement mechanisch stabil verbunden, bevorzugt durch eine Verbindungsschicht.Alternatively, it is also possible for the epitaxial semiconductor layer sequence to be epitaxially deposited on a further growth substrate, which is different from the growth substrate of the epitaxial conversion element. In this embodiment of the method for producing the radiation-emitting semiconductor chip, the epitaxial semiconductor layer sequence is mechanically stably connected to the epitaxial conversion element, preferably through a connection layer.
Das vorliegende Konversionselement beruht auf der Idee, sich die photolumineszierenden Eigenschaften von epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten zur Wellenlängenkonversion zu Nutze zu machen. Insbesondere soll ein vergleichsweise schmales Anregungsspektrum, wie es etwa von einer Leuchtdiode mit einer aktiven Zone erzeugt wird, in ein breiteres Emissionsspektrum umzuwandeln. Hierzu umfasst das epitaktische Konversionselement bevorzugt eine Vielzahl übereinander gestapelter epitaktischer Konversionsschichten, die zueinander verschiedene Emissionseigenschaften und Konversionseigenschaften aufweisen. Auf diese Art und Weise kann das Emissionsspektrum des epitaktischen Konversionselements gezielt aus den Einzelspektren der verschiedenen epitaktischen Konversionsschichten zusammengesetzt werden.The present conversion element is based on the idea of making use of the photoluminescent properties of epitaxially grown semiconductor layers for wavelength conversion. In particular, a comparatively narrow excitation spectrum, such as that produced by a light-emitting diode with an active zone, is to be converted into a broader emission spectrum. For this purpose, the epitaxial conversion element preferably comprises a multiplicity of epitaxial conversion layers stacked on top of one another, which have mutually different emission properties and conversion properties. In this way, the emission spectrum of the epitaxial conversion element can be composed specifically from the individual spectra of the different epitaxial conversion layers.
Das vorgeschlagene epitaktische Konversionselement kann insbesondere vergleichsweise kostengünstig, skalierbar und zuverlässig hergestellt werden, sodass eine Lichtquelle mit einem vergleichsweise breiten Emissionsspektrum erzielt werden kann. Unterschiedliche spektrale Bereiche des Emissionsspektrums können durch die Verwendung verschiedener Halbleiterverbindungsmaterialien und jeweils daran angepasster Anregungsspektren erzielt werden. Insbesondere können durch Anpassung des Anregungsspektrums an das epitaktische Konversionselement Stokesverluste reduziert werden, sodass eine effektivere Lichtkonversion erzielt werden kann.In particular, the proposed epitaxial conversion element can be produced comparatively inexpensively, scalably and reliably, so that a light source with a comparatively broad emission spectrum can be achieved. Different spectral regions of the emission spectrum can be achieved by the use of various semiconductor compound materials and respectively adapted excitation spectra are achieved. In particular, by adjusting the excitation spectrum to the epitaxial conversion element, Stokes losses can be reduced, so that more effective light conversion can be achieved.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
-
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß einem Ausführungsbeispiel. -
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Bereich eines epitaktischen Konversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel. -
3 zeigt eine schematische Darstellung der Bandstruktur eines epitaktischen Konversionselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. - Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der
4 und5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips näher beschrieben. - Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der
6 und7 wird ein Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen Konversionselements näher beschrieben. -
8 zeigt simulierte Werte der FWHM-Breite eines Emissionsspektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der rechten vertikalen Achse und simulierte Dicken der epitaktischen Konversionsschichten gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der linken vertikalen Achse in Abhängigkeit der GesamtanzahlN an epitaktischen Konversionsschichten. -
9 zeigt Simulationsergebnisse eines Emissionsspektrums bei einem vorgegebenen Anregungsspektrum gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 shows a schematic sectional view of a radiation-emitting semiconductor chip according to an embodiment. -
2 shows a schematic sectional view through a portion of an epitaxial conversion element according to an embodiment. -
3 shows a schematic representation of the band structure of an epitaxial conversion element according to another embodiment. - Based on the schematic sectional views of
4 and5 a method for producing a radiation-emitting semiconductor chip is described in more detail. - Based on the schematic sectional views of
6 and7 a method for producing an epitaxial conversion element will be described in more detail. -
8th shows simulated values of the FWHM width of an emission spectrum according to an embodiment on the right vertical axis and simulated thicknesses of the epitaxial conversion layers according to an embodiment on the left vertical axis as a function of the total numberN on epitaxial conversion layers. -
9 shows simulation results of an emission spectrum at a given excitation spectrum according to an embodiment.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.The same, similar or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals. The figures and the proportions of the elements shown in the figures with each other are not to be considered to scale. Rather, individual elements, in particular layer thicknesses, can be shown exaggeratedly large for better representability and / or better understanding.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Das epitaktische Konversionselement
Weiterhin umfasst das epitaktische Konversionselement
Das epitaktische Konversionselement
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge
Ein Ausführungsbeispiel des epitaktischen Konversionselements
Die epitaktischen Konversionsschichten
Ein epitaktisches Konversionselement
Eine Emissionsenergie der Einzelspektren
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Auf den epitaktischen Konversionsschichten
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge
In einem nächsten Schritt wird auf die freiliegende Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen Konversionselements
In einem nächsten Schritt werden, wie in
Weiterhin ist es auch möglich, dass die epitaktischen Konversionsschichten
Das Diagramm gemäß der
Außerdem zeigt das Diagramm der
Die minimale Dicke
Die in
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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.The invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Konversionselementconversion element
- 22
- Anregungsspektrumexcitation spectrum
- 33
- Emissionsspektrumemission spectrum
- 44
- Konversionsschichtconversion layer
- 55
- EinzelspektrumSingle spectrum
- 66
- Deckschichttopcoat
- 77
- Strukturierungstructuring
- 88th
- Verbindungsschichtlink layer
- 99
- epitaktische Halbleiterschichtenfolgeepitaxial semiconductor layer sequence
- 1010
- aktive Zoneactive zone
- 1111
- Trägercarrier
- 1212
- spiegelnde Schichtreflective layer
- 1313
- Strahlungseintrittsfläche des KonversionselementsRadiation entrance surface of the conversion element
- 1414
- Strahlungsaustrittsfläche des KonversionselementsRadiation exit surface of the conversion element
- 1515
- Barriereschichtenbarrier layers
- 1616
- Wachstumssubstratgrowth substrate
- 1717
- n-Kontaktschichtn-contact layer
- 1818
- n-Stromaufweitungsschichtn-current spreading layer
- 1919
- p-Stromaufweitungsschichtp-current-spreading layer
- ΔE, δEΔE, δE
- FWHM-BreiteFWHM width
- λpeak λ peak
- PeakwellenlängePeak wavelength
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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