DE102019100624A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement mit erster und zweiter dielektrischer schicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement mit erster und zweiter dielektrischer schicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) umfasst einen Halbleiterkörper (109) mit einer ersten Hauptoberfläche (111), eine erste dielektrische Schicht (125) über der ersten Hauptoberfläche (111), und eine zweite dielektrische Schicht (130) auf der von der ersten Hauptoberfläche (111) abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht (125). Die zweite dielektrische Schicht (130) ist zu einer geordneten photonischen Struktur strukturiert. Der Halbleiterkörper (109) ist geeignet, elektromagnetische Strahlung (20) über die erste Hauptoberfläche (111) zu emittieren oder aufzunehmen. Die erste Hauptoberfläche (111) ist aufgeraut, und die erste dielektrische Schicht (125) ist geeignet, eine Aufrauung (112) der ersten Hauptoberfläche (111) einzuebnen.

Description

  • Eine Leuchtdiode (LED) ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die auf Halbleitermaterialien basiert. Leuchtdioden sind überwiegend Lambertsche Emitter. Das heißt, das Emissionsmuster zeigt eine Intensität, die von einem Kosinus eines Winkels ϕ abhängt, der zwischen einer Oberflächennormalen und der betrachteten Abstrahlrichtung eingenommen wird.
  • Generell werden Anstrengungen unternommen, um die Strahlformung von von optoelektronischen Halbleiterbauelementen emittierter elektromagnetischer Strahlung zu verbessern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Zusammenfassung
  • Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper mit einer ersten Hauptoberfläche, eine erste dielektrische Schicht über der ersten Hauptoberfläche, und eine zweite dielektrische Schicht auf der von der ersten Hauptoberfläche abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht. Die zweite dielektrische Schicht ist zu einer geordneten photonischen Struktur strukturiert. Der Halbleiterkörper ist geeignet, elektromagnetische Strahlung über die erste Hauptoberfläche zu emittieren oder aufzunehmen. Die erste Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers ist aufgeraut, und die erste dielektrische Schicht ist geeignet, eine Aufrauung der ersten Hauptoberfläche einzuebnen.
  • Beispielsweise hat die zweite dielektrische Schicht einen größeren Brechungsindex als die erste dielektrische Schicht. Beispielsweise hat die zweite dielektrische Schicht einen Brechungsindex größer als 2.
  • Beispielsweise enthält die erste dielektrische Schicht Siliziumoxid. Die zweite dielektrische Schicht kann Nb2O5 enthalten.
  • Gemäß Ausführungsformen sind in einer ersten Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht Löcher strukturiert. Die Löcher können sich bis zu einer Unterseite der zweiten dielektrischen Schicht erstrecken. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein oberer Teil der zweiten dielektrischen Schicht strukturiert sein. Weiterhin kann eine Tiefe, bis zu der sich die Löcher erstrecken, kleiner als eine Schichtdicke der zweiten dielektrischen Schicht sein.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst die geordnete photonische Struktur einen photonischen Kristall. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die geordnete photonische Struktur auch einen photonischen Quasikristall umfassen. Weiterhin kann die geordnete photonische Struktur auch deterministische aperiodische Strukturen umfassen.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Hauptoberfläche, das Aufrauen der ersten Hauptoberfläche, und das Ausbilden einer ersten dielektrischen Schicht über der ersten Hauptoberfläche. Dabei wird eine von der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers abgewandte erste Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht planar ausgebildet. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden einer zweiten dielektrischen Schicht auf der von der ersten Hauptoberfläche abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht und das Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht zu einer geordneten photonischen Struktur. Der Halbleiterkörper ist geeignet, elektromagnetische Strahlung über die erste Hauptoberfläche zu emittieren oder aufzunehmen.
  • Gemäß Ausführungsformen kann das Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht das Ausbilden von Löchern in der dielektrischen Schicht umfassen. Beispielsweise erstrecken sich die Löcher bis zu einer zweiten Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Löcher sich auch bis zu einer Tiefe erstrecken, die kleiner als die Schichtdicke der zweiten dielektrischen Schicht ist.
  • Eine optoelektronische Vorrichtung umfasst das vorstehend beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement. Die optoelektronische Vorrichtung kann aus einem Projektor, einem Scheinwerfer oder einem anderen optischen System ausgewählt sein.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
    • 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 1C und 1D zeigen Draufsichten auf Beispiele von optoelektronischen Halbleiterbauelementen.
    • 2A bis 2D zeigen Querschnittsansichten eines Werkstücks bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
    • 3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Werkstücks gemäß Ausführungsformen.
    • 3B fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
    • 4 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.
  • Detailbeschreibung
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
  • Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein. Weitere Beispiele für Materialien von Wachstumssubstraten umfassen Glas, Siliziumdioxid, Quarz oder eine Keramik.
  • Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
  • Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
  • Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
  • Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
  • Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
  • Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
  • Im Rahmen der vorliegende Offenbarung bedeutet der Begriff „geordnete photonische Struktur“ eine Struktur, deren Strukturelemente an vorbestimmten Stellen angeordnet sind. Das Anordnungsmuster der Strukturelemente unterliegt einer speziellen Ordnung. Die Funktionalität der geordneten photonischen Struktur ergibt sich über die Anordnung der Strukturelemente. Die Strukturelemente sind beispielsweise derart angeordnet, dass Beugungseffekte auftreten. Die Strukturelemente können beispielsweise periodisch angeordnet sein, so dass ein photonischer Kristall verwirklicht wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Strukturelemente auch derart angeordnet sein, dass sie deterministische aperiodische Strukturen, beispielsweise Vogel-Spiralen darstellen. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Strukturelemente auch derart angeordnet sein, dass sie einen quasiperiodischen Kristall, beispielsweise ein Archimedisches Gitter verwirklichen.
  • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Ausführungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst einen Halbleiterkörper 109 mit einer ersten Hauptoberfläche 111. Eine erste dielektrische Schicht 125 ist über der ersten Hauptoberfläche 111 angeordnet. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst weiterhin eine zweite dielektrische Schicht 130 auf der von der ersten Hauptoberfläche 111 abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht 125. Die zweite dielektrische Schicht 130 ist zu einer geordneten photonischen Struktur strukturiert. Der Halbleiterkörper 109 ist geeignet, elektromagnetische Strahlung über die erste Hauptoberfläche 111 zu emittieren oder aufzunehmen. Die erste Hauptoberfläche 111 ist aufgeraut. Die erste dielektrische Schicht 125 ist geeignet, die Aufrauung der ersten Hauptoberfläche 111 einzuebnen.
  • Über der ersten Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers 109 ist ein Schichtstapel aus einer ersten dielektrischen Schicht 125 und einer zweiten dielektrischen Schicht 130 angeordnet. Die erste dielektrische Schicht 125 ist derart ausgestaltet, dass sie eine Aufrauung der ersten Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers 109 auskleidet und schließlich eine planare Oberfläche ausbildet. Der Begriff „Aufrauung der ersten Hauptoberfläche“ betrifft eine Oberflächentextur der gesamten ersten Hauptoberfläche. Die Oberflächentextur oder Aufrauung kann beispielsweise eine Profiltiefe von 0,1 bis 5 µm haben. Abstände zwischen Peaks oder lokalen Maxima der Oberflächentextur können ebenfalls in einem Bereich von 0,1 bis 5 µm liegen.
  • Beispielsweise kann die Aufrauung zufällig und ohne Periodizität ausgebildet sein. Aufgrund der Aufrauung 112 kann die Auskoppeleffizienz für erzeugte elektromagnetische Strahlung erhöht werden. Die zweite dielektrische Schicht 130 ist über der ersten dielektrischen Schicht 125 angeordnet. Gemäß Ausführungsformen grenzt die zweite dielektrische Schicht 130 direkt an die erste dielektrische Schicht 125 an. Gemäß weiteren Ausführungsformen können eine oder mehrere zusätzliche dielektrische Schichten zwischen der ersten dieelektrischen Schicht 125 und der zweiten dieelektrischen Schicht 130 angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen, die in 1A gezeigt sind, ist die zweite dielektrische Schicht 130 zu einem photonischen Kristall strukturiert.
  • Beispielsweise können die Strukturelemente zur Ausbildung der geordneten photonischen Struktur Löcher in der zweiten dielektrischen Schicht umfassen. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente hervorstehende Bereiche der zweiten dielektrischen Schicht umfassen. Die Strukturelemente können jeweils identisch sein. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente mehrere voneinander verschiedene Strukturelemente aufweisen.
  • Gemäß Ausführungsformen kann zur Ausbildung der geordneten photonischen Struktur eine Vielzahl von identischen Löchern in der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet sein. Gemäß den in 1A dargestellten Ausführungsformen sind die Löcher derart ausgebildet und angeordnet, dass ein zwei-dimensionaler photonischer Kristall in der zweiten dielektrischen Schicht 130 ausgebildet ist. Über einen photonischen Kristall ist üblicherweise nur ein solcher Strahlungsanteil auskoppelbar, der eine Bragg-Bedingung erfüllt. Die Bragg-Bedingung stellt beispielsweise einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Strahlungsanteils, der Abstrahlrichtung des Strahlungsanteils und der Gitterkonstanten des photonischen Kristalls her. Eine effiziente Auskopplung einer Strahlung erfolgt üblicherweise nur für solche Moden der Strahlung, für die die Bragg-Bedingung für die Gitterkonstante des photonischen Kristalls erfüllt ist.
  • Beispielsweise werden durch photonische Kristalle oder andere geordnete photonische Strukturen an der Emissionsoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauelements Zustände geschaffen, die die Lichtauskopplung vorwiegend in Normalenrichtung, d.h. senkrecht zur ersten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers begünstigen. Dafür ist es günstig, ein dielektrisches Material auszuwählen, das einen hohen Brechungsindex aufweist. Gleichzeitig weist die erste Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers 109 eine Aufrauung 112 auf, so dass die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Halbleiterkörper 109 verbessert ist. Daher sollte das dielektrische Material einerseits die Aufrauung auskleiden andererseits aber so glatt sein, dass Strukturen im 100 nm Größenbereich auf der Oberfläche einstrukturiert werden können.
  • Durch die Verwendung eines Zwei-Schichtsystems mit einer ersten und einer zweiten dielektrischen Schicht ist es nun möglich, Materialien für die dielektrischen Schichten auszuwählen, die diese Anforderungen erfüllen. Das Material der ersten dielektrischen Schicht ist ausgewählt, um die Aufrauung an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 109 auszugleichen. Zustäzlich ist es auch möglich, Strukturen im 100 nm-Bereich in der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht zu erzeugen. Bei Verwendung eines Zwei-Schichtsystems können die Brechungsindizes der jeweiligen Materialien an die Anforderungen des Bauelements angepasst werden. Beispielsweise kann ein Brechungsindex der zweiten dielektrischen Schicht 130 sehr groß ausgewählt werden. Beispielsweise kann Nb2O5 als Material für die zweite dielektrische Schicht 130 verwendet werden.
  • Der Halbleiterkörper 109 kann beispielsweise eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielweise p-Typ, sowie eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, umfassen. Beispielsweise können die erste und die zweite Halbleiterschicht 110, 120 GaN oder ein GaN-haltiges Verbindungshalbleitermaterial enthalten. Außer GaN können auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Eine aktive Zone 115 kann zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der zweiten Halbleiterschicht 120 angeordnet sein.
  • Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
  • Die erste Halbleiterschicht 110 kann über ein erstes Kontaktelement 133 elektrisch ansteuerbar sein. Weiterhin kann die zweite Halbleiterschicht 120 über ein zweites Kontaktelement 135 elektrisch ansteuerbar sein. Das zweite Kontaktelement 135 kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass es gegenüber der ersten Halbleiterschicht 110 und mit der ersten Halbleiterschicht 110 elektrisch verbundenen Elementen isoliert ist. 1A zeigt zur Veranschaulichung eine Kontaktierung des Halbleiterkörpers 109 von einer Seite der ersten Hauptoberfläche 111. Es ist aber selbstverständlich, dass das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 zusätzliche Stromaufweitungsschichten und andere Elemente umfassen kann, über die die jeweiligen Halbleiterschichten 110, 120 jeweils elektrisch verbunden werden können. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem ersten Kontaktelement 133 und dem zweiten Kontaktelement 135 kann eine Emission elektromagnetischer Strahlung in der aktiven Zone 115 bewirkt werden.
  • Der Halbleiterkörper 109 kann über einem geeigneten Substrat 100 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Substrat 100 aus einem geeigneten isolierenden Material, beispielsweise Glas, Keramik, oder einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, Siliziumcarbid, aufgebaut sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Substrat 100 auch Germanium, Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (AlO, Al2O3) oder Kombinationen dieser Verbindungen enthalten. Weiterhin kann eine Verbindungsschicht 102 über dem Substrat 100 angeordnet sein. Die Verbindungsschicht 102 kann beispielsweise Gold-Zinn, Nickel-Zinn, Gold-Indium-Zinn, Nickel-Indium-Zinn, Gold-Gold, ähnliche metallische Lotsysteme und nichtleitende Verbindungsmaterialien enthalten. Die Verbindungsschicht 102 dient zum mechanischen Verbinden des Substrats 100 mit weiteren Komponenten des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Weiterhin kann durch die Verbindungsschicht 102 auch eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Über der Verbindungsschicht 102 kann eine metallische Spiegelschicht 104 angeordnet sein. Die metallische Spiegelschicht 104 kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung in Richtung der ersten Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers reflektieren. Die metallische Spiegelschicht 104 kann ein metallisches Material mit einem guten Reflexionsvermögen, beispielsweise Silber enthalten. Über der metallischen Spiegelschicht 104 kann eine dielektrische Spiegelschicht 106 angeordnet sein.
  • Generell umfasst der Begriff „dielektrische Spiegelschicht“ jegliche Anordnung, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90%) reflektiert und nicht leitend ist. Beispielsweise kann eine dielektrische Spiegelschicht durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrische Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>1,7) und einen niedrigen Brechungsindex (n<1,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medium angibt. Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3λ/4 haben. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindizes stellt die dielektrische Spiegelschicht ein hohes Reflexionsvermögen bereit und ist gleichzeitig nicht leitend. Die dielektrische Spiegelschicht ist somit geeignet, Komponenten des Halbleiterbauelements voneinander zu isolieren. Eine dielektrische Spiegelschicht kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
  • Gemäß Ausführungsformen können Kontaktlöcher (nicht gezeigt) in der dielektrischen Spiegelschicht 106 ausgebildet sein, um gegebenenfalls eine elektrische Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht 120 mit einem zugehörigen Kontaktelement zu ermöglichen. Über der dielektrischen Spiegelschicht 106 ist die zweite Halbleiterschicht 120 angeordnet.
  • Wie in 1A dargestellt ist, ist die zweite dielektrische Schicht 130 derart strukturiert, dass sich die in ihr ausgebildeten Löcher 131 bis zu einer zweiten Hauptoberfläche 132 der zweiten dielektrischen Schicht erstrecken. Entsprechend erstrecken sich die Löcher 131 bis zu einer Tiefe die der Schichtdicke der zweiten dielektrischen Schicht 130 entspricht. Beispielsweise kann die zweite dielektrische Schicht eine Schichtdicke von mehr als 500 nm aufweisen.
  • 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen. In 1B sind im Wesentlichen dieselben Komponenten wie in 1A veranschaulicht. Abweichend von 1A ist jedoch hier die zweite dielektrische Schicht 130 derart strukturiert, dass sich die Löcher 131 nicht bis zur zweiten Hauptoberfläche 132 der zweiten dielektrischen Schicht erstrecken. Entsprechend bleibt ein Teil der zweiten dielektrischen Schicht 130 als durchgängige Schicht bestehen, und nur ein oberer Teil der zweiten dielektrischen Schicht 130 ist zu einem photonischen Kristall strukturiert.
  • 1C zeigt eine Draufsicht auf ein Beispiels eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen. Eine Vielzahl von Löchern 131 ist in der zweiten dielektrischen Schicht 130 ausgebildet. Die Löcher 131 sind einem regelmäßigen Muster entsprechend angeordnet. Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 133 und gegebenenfalls das zweite Kontaktelement 135 jeweils in einem Randbereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 ausgebildet sein.
  • 1D zeigt eine Draufsicht auf das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. In 1D sind ungefähr dieselben Komponenten wie in 1C dargestellt. Abweichend ist hier das erste Kontaktelement 133 an eine Ecke des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 angeordnet. Weiterhin ist gemäß dieser Ausführungsform beispielsweise ein zweites Kontaktelement 135 zum Kontaktieren der zweiten Halbleiterschicht 120 auf der Rückseite des optoelektronischen Halbleiterbauelements angeordnet.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen beschrieben werden.
  • 2A zeigt ein Werkstück 16 bei der Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
  • Ein Halbleiterkörper 109 wird ausgebildet. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 109 eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp sowie eine aktive Zone 115 umfassen. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 109 auf einem geeignetem Wachstumssubstrat (nicht gezeigt) epitaktisch aufgewachsen werden und anschließend weiterverarbeitet werden, so dass sich schließlich die in 2A dargestellte Schichtenfolge ergibt.
  • Wie in 2A dargestellt ist, ist über einem geeigneten Substrat 100 beispielsweise eine Verbindungsschicht 102, gefolgt von einer metallischen Spiegelschicht 104 sowie einer dielektrischen Spiegelschicht 106 aufgebracht. Auf diesem Schichtstapel ist der Halbleiterkörper 109 derart aufgebracht, dass die erste Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers 109 frei liegt. Anschließend wird die erste Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers 109 aufgeraut. Dies kann beispielsweise durch geeignete Ätzverfahren oder durch mechanische Aufrauungsverfahren erfolgen. Beispielsweise kann die erste Hauptoberfläche 111 nasschemisch geätzt werden. Gegebenenfalls kann zuvor eine Vorstrukturierung mit einer geeigneten Maske durchgeführt werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die erste Hauptoberfläche 111 auch beispielsweise unter Verwendung einer Photomaske in einem reaktiven Plasma trockengeätzt werden.
  • Als Ergebnis wird beispielsweise das in 2B gezeigte Werkstück 16 erhalten. Wie zu sehen ist, ist die erste Hauptoberfläche 111 des Halbleiterkörpers 109 aufgeraut. Dadurch kann die in der aktiven Zone 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung effizient ausgekoppelt werden. Die Strukturen der Aufrauung 112 können jeweils unterschiedliche Größe und einen zufällig ausgewählten Ort haben.
  • Wie in 2C dargestellt ist, wird nachfolgend eine erste dielektrische Schicht 125 über der ersten Hauptoberfläche 111 ausgebildet. Beispielsweise kann die erste dielektrische Schicht 125 Siliziumoxid enthalten. Die erste dielektrische Schicht 125 kann beispielweise durch ein Polierverfahren, beispielsweise ein CMP- (chemisch-mechanisches Polier-)Verfahren eingeebnet werden, beispielsweise auf die Höhe der Spitzen der Aufrauung 112. Als Ergebnis ist die erste Hauptoberfläche 126 der ersten dielektrischen Schicht 125 planar und glatt ausgebildet.
  • Anschließend kann, wie in 2D dargestellt ist, die zweite dielektrische Schicht 130 aufgebracht werden. Die zweite dielektrische Schicht 130 kann beispielsweise Nioboxid enthalten oder aus Nioboxid bestehen.
  • Nachfolgend wird die zweite dielektrische Schicht 130 zu einer geordneten photonischen Struktur strukturiert.
  • Gemäß Ausführungsformen können, wie in 3A gezeigt ist, Löcher 131 in die erste Hauptoberfläche 129 der zweiten dielektrischen Schicht 130 geätzt werden. Die Löcher haben beispielsweise eine Rasterbreite d von 200 bis 500 nm. Die Rasterbreite setzt sich dabei aus einer horizontalen Ausdehnung der Löcher und einem Abstand zwischen benachbarten Löchern zusammen. Eine Flächenbedeckung der Löcher beträgt etwa 50 % in Bezug auf die horizontale Ausdehnung der zweiten dielektrischen Schicht 130. Wie unter Bezugnahme auf die 1A und 1B diskutiert, können sich die Löcher 131 jeweils bis zu einer Tiefe t erstrecken, wobei die Tiefe t beispielsweise der Schichtdicke s der dielektrischen Schicht 130 entsprechen kann. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Tiefe t der Löcher 131 jedoch auch kleiner als die Schichtdicke s der zweiten dielektrischen Schicht 130 sein. In diesem Fall kann das Ätzverfahren einfacher ausgeführt werden. Weiterhin wird eine vollständige Verkapselung des Halbleitermaterials sichergestellt. Beispielsweise kann eine Strukturierung unter Verwendung eines EUV(„Extreme Ultra violet“)-Lithografieverfahren erfolgen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch ein Nano-Imprint-Lithografieverfahren für die Strukturierung eines Photoresistmaterials verwendet werden. Die zweite dielektrische Schicht 130 kann unter Verwendung der strukturierten Photomaske geätzt werden. Beispielsweise kann ein Plasmaätzverfahren verwendet werden, um die zweite dielektrische Schicht 130 zu ätzen.
  • Dadurch, dass die geordnete photonische Struktur in der zweiten dielektrischen Schicht 130, die beispielsweise Nioboxid oder ein anderes Material mit einem hohen Brechungsindex enthalten kann, ausgebildet ist, kann eine bessere Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung sowie eine verbesserte Ausbildung von Moden bewirkt werden. Gleichzeitig können durch Anwesenheit der ersten dielektrischen Schicht die Aufrauung 112 eingeebnet werden. Dadurch, dass die Aufrauung 112 an der Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und erster dielektrischer Schicht 125 vorliegen, kann die Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterkörper 109 erhöht werden.
  • 3B fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden (S100) eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Hauptoberfläche, das Aufrauen (S110) der ersten Hauptoberfläche sowie das Ausbilden (S120) einer ersten dielektrischen Schicht über der ersten Hauptoberfläche, wobei eine von der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers abgewandte erste Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht planar ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden (S130) auf einer zweiten dielektrischen Schicht auf der von der ersten Hauptoberfläche abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht, und das Strukturieren (S140) der zweiten dielektrischen Schicht zu einer geordneten photonischen Struktur. Dabei ist der Halbleiterkörper geeignet, elektromagnetische Strahlung über die erste Hauptoberfläche zu emittieren oder aufzunehmen.
  • 4 zeigt eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 20 gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronische Vorrichtung 20 umfasst das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement 10. Beispielsweise kann die optoelektronische Vorrichtung ein Projektor, ein Scheinwerfer oder ein anderes optisches System sein.
  • Wie beschrieben worden ist, ist es durch die spezielle Ausgestaltung der dielektrischen Schichten möglich, die ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung auf einen beabsichtigten Bereich zu konzentrieren und somit eine verbesserte Strahlformung zu erzielen. Entsprechend kann eine höhere Direktionalität der emittierten elektromagnetischen Strahlung bei gleichzeitig hoher Auskoppeleffizienz erreicht werden.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Optoelektronisches Halbleiterbauelement
    15
    emittierte elektromagnetische Strahlung
    16
    Werkstück
    20
    Optoelektronische Vorrichtung
    100
    Substrat
    102
    Verbindungsschicht
    104
    metallische Spiegelschicht
    106
    dielektrische Spiegelschicht
    109
    Halbleiterkörper
    110
    erste Halbleiterschicht
    111
    erste Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers
    112
    Aufrauung
    115
    aktive Zone
    120
    zweite Halbleiterschicht
    125
    erste dielektrische Schicht
    126
    erste Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht
    129
    erste Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht
    130
    zweite dielektrische Schicht
    131
    Loch
    132
    zweite Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht
    133
    erstes Kontaktelement
    135
    zweites Kontaktelement

Claims (17)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) umfassend: einen Halbleiterkörper (109) mit einer ersten Hauptoberfläche (111), eine erste dielektrische Schicht (125) über der ersten Hauptoberfläche (111), und eine zweite dielektrische Schicht (130) auf der von der ersten Hauptoberfläche (111) abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht (125), wobei die zweite dielektrische Schicht (130) zu einer geordneten photonischen Struktur strukturiert ist, wobei der Halbleiterkörper (109) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (20) über die erste Hauptoberfläche (111) zu emittieren oder aufzunehmen, die erste Hauptoberfläche (111) aufgeraut ist, und die erste dielektrische Schicht (125) geeignet ist, eine Aufrauung (112) der ersten Hauptoberfläche (111) einzuebnen.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, bei dem die zweite dielektrische Schicht (130) einen größeren Brechungsindex als die erste dielektrische Schicht (125) hat.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite dielektrische Schicht (130) einen Brechungsindex größer als 2 hat.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste dielektrische Schicht (125) Siliziumoxid enthält.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite dielektrische Schicht (130) Nb2O5 enthält.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einer ersten Hauptoberfläche (129) der zweiten dielektrischen Schicht (130) Löcher (131) strukturiert sind.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 6, bei dem die Löcher (131) sich bis zu einer zweiten Hauptoberfläche (132) der zweiten dielektrischen Schicht (130) erstrecken.
  8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 6, bei dem eine Tiefe der Löcher (131) kleiner als eine Schichtdicke der zweiten dieelektrischen Schicht (130) ist.
  9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geordnete photonische Struktur einen photonischen Kristall umfasst.
  10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die geordnete photonische Struktur einen photonischen Quasikristall umfasst.
  11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die geordnete photonische Struktur deterministische aperiodische Strukturen umfasst.
  12. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) umfassend: Ausbilden (S100) eines Halbleiterkörpers (109) mit einer ersten Hauptoberfläche (111), Aufrauen (S110) der ersten Hauptoberfläche (S111), Ausbilden (S120) einer ersten dielektrischen Schicht (125) über der ersten Hauptoberfläche (111), wobei eine von der ersten Hauptoberfläche (111) des Halbleiterkörpers (10) abgewandte erste Hauptoberfläche (126) der ersten dielektrischen Schicht (125) planar ausgebildet wird, Ausbilden (S130) einer zweiten dielektrischen Schicht (130) über der von der ersten Hauptoberfläche (111) abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht (125), und Strukturieren (S140) der zweiten dielektrischen Schicht (130) zu einer geordneten photonischen Struktur, wobei der Halbleiterkörper (109) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (20) über die erste Hauptoberfläche (111) zu emittieren oder aufzunehmen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht (130) das Ausbilden von Löchern (131) in der zweiten dielektrischen Schicht (130) umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Löcher (131) sich bis zu einer zweiten Hauptoberfläche (132) der zweiten dielektrischen Schicht (130) erstrecken.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Löcher (131) sich bis zu einer Tiefe erstrecken, die kleiner als die Schichtdicke der zweiten dielektrischen Schicht (130) ist.
  16. Optoelektronische Vorrichtung (20), umfassend das optoelektronische Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  17. Optoelektronische Vorrichtung (20) nach Anspruch 16, die ausgewählt ist aus einem Projektor oder einem Scheinwerfer.
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