DE102019115351A1

DE102019115351A1 - Halbleiterbauelement mit Strahlungskonversionselement und Verfahren zum Herstellen von Strahlungskonversionselementen

Info

Publication number: DE102019115351A1
Application number: DE102019115351.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Baur; Ulrich Steegmüller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-12-10
Also published as: JP2022536292A; CN113939921A; US20220254965A1; WO2020244949A1; JP7311639B2

Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement (1) mit einen Halbleiterchip (2) und einem Strahlungskonversionselement (3), das auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, angegeben, wobei der Halbleiterchip einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung (5) mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist, das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur (30) aufweist, die Peakwellenlänge der Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt, und die Quantenstruktur die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung (6) umwandelt, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen von Strahlungskonversionselementen angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Strahlungskonversionselement und ein Verfahren zum Herstellen von Strahlungskonversionselementen.
Im infraroten Spektralbereich emittierende Leuchtdioden, insbesondere mit einer Emissionswellenlänge über 1000 nm, können auf GaP-Substraten hergestellt werden. Diese Substrate sind allerdings sehr teuer und nur eingeschränkt verfügbar, zudem zeigen die bekannten Emitter eine vergleichsweise große Seitenemission, wodurch die optische Abbildbarkeit erschwert wird.
Eine Aufgabe ist es, eine effiziente Strahlungserzeugung im infraroten Spektralbereich zu erzielen.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 beziehungsweise durch ein Verfahren zur Herstellung von Strahlungskonversionselementen gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip weist insbesondere einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich auf. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Halbleiterchip können im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich gelangen und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement ein Strahlungskonversionselement auf. Das Strahlungskonversionselement ist insbesondere auf dem Halbleiterchip angeordnet, beispielsweise befestigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements liegt die Peakwellenlänge der Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich. Beispielsweise liegt die Peakwellenlänge zwischen einschließlich 900 nm und 1100 nm. Beispielsweise liegt die Peakwellenlänge zwischen einschließlich 920 nm und 1080 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur auf.
Die Bezeichnung Quantenstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentöpfe, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Beispielsweise weist die Quantenstruktur eine Mehrzahl von Quantenschichten auf, zwischen denen Barriereschichten angeordnet sind. Zum Beispiel bilden die Quantenschichten und die Barriereschichten eine Mehrfachquantentopf (Multi Quantum Well, MQW)-Struktur. Das Strahlungskonversionselement weist beispielsweise ein für die Primärstrahlung durchlässiges Substrat auf. Das Substrat dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung der Quantenstruktur. Beispielsweise ist das Substrat mindestens doppelt oder mindestens fünfmal so dick wie die Quantenstruktur. Das Substrat ist beispielsweise ein Aufwachssubstrat für die beispielsweise epitaktische Abscheidung der Quantenstruktur. Alternativ kann das Substrat auch von dem Aufwachssubstrat für die Quantenstruktur verschieden sein. Weiterhin kann das Strahlungskonversionselement auch frei von einem Substrat sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements wandelt die Quantenstruktur die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung um, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge. Das Emissionsmaximum ist beispielsweise ein globales Maximum der Sekundärstrahlung oder ein lokales Maximum der Sekundärstrahlung.
Mittels des Strahlungskonversionselements kann eine Strahlungserzeugung in einem Wellenlängenbereich erfolgen, welcher mit dem für den aktiven Bereich des Halbleiterchips verwendeten Materialsystem nicht ohne weiteres zu erreichen wäre. Beispielsweise liegt zumindest ein Emissionsmaximum der Sekundärstrahlung zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm.
In mindestens einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip und ein Strahlungskonversionselement auf, wobei das Strahlungskonversionselement auf dem Halbleiterchip angeordnet ist. Der Halbleiterchip weist einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich auf. Das Strahlungskonversionselement weist eine Quantenstruktur auf. Die Peakwellenlänge der Primärstrahlung liegt im infraroten Spektralbereich. Die Quantenstruktur wandelt die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung um, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur eine Mehrzahl von Quantenschichten auf, die durch Barriereschichten voneinander getrennt sind, wobei die Barriereschichten eine Bandlücke aufweisen, welche größer ist als eine Energie der Strahlung mit der Peakwellenlänge.
Mit anderen Worten reicht die Energie der Strahlung mit der Peakwellenlänge nicht aus, um Ladungsträger in den Barriereschichten vom Valenzband ins Leitungsband anzuregen. Die Strahlungsabsorption der Primärstrahlung im Strahlungskonversionselement erfolgt also im Wesentlichen direkt innerhalb der Quantenschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur zumindest zwei Quantenschichten auf, welche sich bezüglich ihrer Bandlücke voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten weist das Emissionsspektrum der Quantenstruktur zumindest zwei Emissionsbanden auf, deren Emissionsmaxima voneinander verschieden sind. Beispielsweise ist ein spektraler Abstand zwischen zwei Emissionsmaxima der Sekundärstrahlung größer als die Summe der halben Halbwertsbreite der Emissionsmaxima. Die Emissionsmaxima sind im Emissionsspektrum deutlich aufgelöst. Alternativ kann der spektrale Abstand zwischen benachbarten Maxima so klein sein, dass die Überlagerung der Emissionsbanden insgesamt zu einem verbreiterten Emissionsspektrum führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur eine Gitterkonstante von InP auf. Das für die Quantenstruktur verwendete Halbleitermaterial ist also auf einem InP aufweisenden Aufwachssubstrat epitaktisch abscheidbar, beispielsweise mittels MBE oder MOVPE. Das Material kann gitterangepasst oder verspannt ausgebildet werden, solange die Verspannungen keine Risse im Kristall verursachen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur zumindest ein Material aus der Gruppe der folgenden Materialsysteme auf: Ga_x In_1-x As_y P_1-y, In_x Ga_1-x As_y Sb_1-y, In_x Ga_1-x As, In_x Ga_1-x P_y Sb_1-y, In_x Al_1-x P_y Sb_1-y, wobei x und y jeweils so gewählt sind, dass eine Gitterkonstante des Materials derjenigen von InP entspricht. Hierbei gilt jeweils x ≤ 1 und y ≤ 1. Insbesondere können mit den genannten Halbleitermaterialien direkte Bandlücken erzielt werden, sodass sowohl eine Lichtabsorption als auch eine Emission effizient stattfinden können.
Dass die Gitterkonstante des Materials derjenigen von InP entspricht, bedeutet, dass die intrinsische Gitterkonstante des Materials gleich derjenigen von InP ist oder dass die Abweichungen zumindest nur so gering sind, dass das Material verspannt auf InP aufwächst, ohne zu relaxieren.
Beispielsweise unterscheidet sich eine intrinsische Gitterkonstante des Materials für die Quantenstruktur um höchstens 2 %, insbesondere um höchstens 1 % von der Gitterkonstante von InP.
Mit den genannten Materialien können Emissionswellenlängen zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm zuverlässig erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements überdeckt das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des Halbleiterchips in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement zu mindestens 90 %. Insbesondere kann das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich auch vollständig überdecken. Senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs abgestrahlte Strahlung kann also nicht oder nur zu einem vergleichsweise geringen Anteil aus dem Halbleiterbauelement austreten, ohne zuvor das Strahlungskonversionselement zu passieren. Eine derartige Ausgestaltung eignet sich insbesondere für ein Halbleiterbauelement, bei dem die Primärstrahlung im Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements nicht gewünscht oder zumindest nicht erforderlich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements überdeckt das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des Halbleiterchips in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement zu höchstens 80 %. In diesem Fall tritt aus dem Halbleiterbauelement auch ein signifikanter Teil der Primärstrahlung aus. Dadurch vergrößert sich insgesamt die spektrale Breite des Emissionsspektrums. Ein Halbleiterbauelement, bei dem auch die Primärstrahlung im Gesamtspektrum enthalten ist, eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen eine breitbandige Emission gewünscht ist, beispielsweise für Bio-Sensorik-Anwendungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Strahlungskonversionselement eine Dicke von höchstens 200 µm auf. Die Dicke bezieht sich hierbei auf eine Ausdehnung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs. Je dünner das Strahlungskonversionselement ist, desto weniger Strahlung wird im Betrieb des Halbleiterbauelements seitlich aus dem Strahlungskonversionselement abgestrahlt. Die insgesamt abgestrahlte Strahlung kann so leichter von einem dem Halbleiterbauelement nachgeordneten optischen Element geformt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist der Halbleiterchip einen Träger auf, wobei zwischen dem aktiven Bereich und dem Träger eine Spiegelschicht, insbesondere eine metallische Spiegelschicht, angeordnet ist.
Insbesondere ist der Träger von einem Aufwachssubstrat für den aktiven Bereich des Halbleiterchips verschieden. Derartige Halbleiterchips werden auch als Dünnfilm-Halbleiterchips bezeichnet. Bei einem solchen Dünnfilm-Halbleiterchip verringert sich die seitliche Abstrahlung zugunsten einer vermehrten Abstrahlung durch eine der Spiegelschicht gegenüberliegende Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips.
Insbesondere eignet sich ein Dünnfilm-Halbleiterchip in Verbindung mit dem beschriebenen Strahlungskonversionselement, um eine seitliche Abstrahlung des Halbleiterbauelements zu verringern und die optische Abbildbarkeit der emittierten Strahlung zu verbessern. Zudem kann der Anteil der Primärstrahlung verringert werden, der seitlich aus dem Halbleiterchip austritt und folglich nicht auf das Strahlungskonversionselement trifft. Dadurch könnte sich der Anteil der Primärstrahlung am Emissionsspektrum erhöhen, insbesondere bei vergleichsweise großen Abstrahlwinkeln.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Quantenstruktur auf einem Substrat abgeschieden, beispielsweise mittels MBE oder MOVPE.
Die Quantenstruktur wird beispielsweise als eine einkristalline Schicht gitterangepasst auf einem InP aufweisenden Substrat abgeschieden. Insbesondere ist zumindest eine Abscheideoberfläche des Substrats durch InP gebildet. Dadurch können hohe Schichtqualitäten mit optimaler Absorptions- und Emissionseffizienz besonders zuverlässig erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Halbleiterschichtenfolge in die Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen vereinzelt. Es kann also eine Vielzahl von Strahlungskonversionselementen gleichzeitig in einem Waferverbund hergestellt werden, wobei die Strahlungskonversionselemente beim Vereinzeln des Verbunds entstehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat zumindest teilweise von der Quantenstruktur entfernt, insbesondere vor dem Vereinzeln. Das Substrat ist im fertiggestellten Strahlungskonversionselement also nicht mehr oder nur noch zum Teil, insbesondere mit einer verringerten Dicke, vorhanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum zumindest teilweisen Entfernen des Substrats von der Quantenstruktur eine Opferschicht entfernt. Die Opferschicht befindet sich zwischen der Quantenstruktur und einer der Quantenstruktur abgewandten Rückseite des Substrats, beispielsweise zwischen der Quantenstruktur und einer Abscheidefläche des Substrats. Die Opferschicht ist beispielsweise eine Schicht, welche durch ein chemisches Verfahren einfach und zuverlässig entfernt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden Trennkeime in das Substrat eingebracht und ein Teil des Substrats wird entlang der Trennkeime abgetrennt. Die Trennkeime können beispielsweise durch Ionen-Implantation eingebracht werden. Das Abtrennen kann beispielsweise mittels Erhitzens des Substrats erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Teil des Substrats in einem weiteren Herstellungszyklus des Verfahrens für die Abscheidung einer Halbleiterschichtenfolge mit einer Quantenstruktur wiederverwendet. Dadurch können die Herstellungskosten für die Strahlungskonversionselemente weiter reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat vor dem Vereinzeln gedünnt. Dies erfolgt beispielsweise durch ein mechanisches Verfahren, etwa durch Schleifen, Polieren oder Läppen. Je stärker das Substrat gedünnt wird, desto geringer können die seitlichen Emissionen aus dem Strahlungskonversionselement sein. Während der Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge für die Quantenstruktur kann das Substrat dagegen eine größere Dicke aufweisen, sodass das Substrat auch bei den vergleichsweise hohen Temperaturen der Abscheidung für die Halbleiterschichtenfolge eine hinreichende mechanische Stabilität aufweist.
Das beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines weiter oben beschriebenen Strahlungskonversionselements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit den Verfahren beschriebenen Merkmale können daher auch für das Strahlungskonversionselement herangezogen werden und umgekehrt.
Mit dem beschriebenen Halbleiterbauelement beziehungsweise dem beschriebenen Verfahren können insbesondere die folgenden Effekte erzielt werden.
Für den aktiven Bereich kann ein Materialsystem Anwendung finden, mit dem die Primärstrahlung effizient erzeugt werden kann, insbesondere durch eine elektrische Anregung. Dadurch entsteht für die Erzeugung von Strahlung mit der gewünschten größeren Wellenlänge nur ein vergleichsweise geringer technologischer Aufwand, insbesondere im Vergleich zur Etablierung eines neuen Materialsystems für die Halbleiterchips.
Es können für die Herstellung der Halbleiterchips Fertigungsprozesse analog zur etablierten Technologie für Lichtquellen zur Erzeugung von Strahlung, die für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung oder andere Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erzeugen, genutzt werden.
Mittels eines eine Quantenstruktur aufweisenden Strahlungskonversionselements kann die spektrale Charakteristik der Abstrahlung des Halbleiterbauelements besonders einfach und zuverlässig an vorgegebene Anforderungen angepasst werden, beispielsweise mittels einer Variation der Bandlücke und/oder der Schichtdicke der Quantenschichten der Quantenstruktur. Im Unterschied hierzu ist das Emissionsspektrum von im infraroten Spektralbereich emittierenden Leuchtstoffen kaum veränderbar. Die Emissionswellenlängen der Sekundärstrahlung sind über den gesamten Spektralbereich von 1000 nm bis 1800 nm durchstimmbar.
Weiterhin ist eine Multiband-Emissionen und/oder eine spektral breite Emission über eine Variation der Quantenschichten des Strahlungskonversionselements leicht erzielbar, sofern gewünscht.
Die Anregung kann mit einer vergleichsweise langwelligen Strahlung erfolgen. Durch einen geringen spektralen Abstand zwischen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung wird eine hohe Effizienz des Halbleiterbauelements bei gleichzeitig geringer Stokes-Verschiebung (Stokes Shift) erreicht.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

Die 1A, 1B, 1C, 1D und 1E Ausführungsbeispiele für ein Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht (1A) beziehungsweise in schematischer Draufsicht (1B bis 1E);
die 2A und 2B jeweils schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer Bandstruktur eines Strahlungskonversionselements;
die 3A, 3B, 3C und 3D jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements;
4 eine Veranschaulichung möglicher erzielbarer Emissionswellenlänge mit verschiedenen Halbleitermaterialsystemen, wobei die Bandlücke E_G (linke Skala) und die zugehörige Emissionswellenlänge A (rechte Skala) als Funktion der Gitterkonstanten d dargestellt sind;
5A Beispiele von Messdaten für die Intensität in beliebigen Einheiten in Abhängigkeit von der Wellenlänge für verschiedene Leuchtdioden;
5B Beispiele von Messdaten für die Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Leuchtdiode bei zwei verschiedenen Strömen in linearer Skala in beliebigen Einheiten (links) und in entsprechender logarithmischer Skala (rechts);
5C Beispiele von elektrooptischen Intensitätsmessungen in beliebigen Einheiten an zwei Epitaxiesubstraten mit verschiedenen Quantenstrukturen in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
die 6A bis 6C, 7A bis 7C, 8A bis 8D und 9A bis 9D jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Strahlungskonversionselementen anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
In 1A ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements 1 in einer Schnittansicht entlang der in 1B gezeigten Linie AA' dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterchip 2 mit einem zur Erzeugung einer Primärstrahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf. Der aktive Bereich befindet sich zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21 und einer zweiten Halbleiterschicht 22 des Halbleiterchips. Zum Beispiel ist die erste Halbleiterschicht 21 n-leitend und die zweite Halbleiterschicht 22 p-leitend oder umgekehrt. Durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung zwischen einem Kontakt 45 und einem weiteren Kontakt 46 des Halbleiterchips können Ladungsträger über die erste Halbleiterschicht 21 und die zweite Halbleiterschicht 22 von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich 20 gelangen und dort unter Emission von Primärstrahlung rekombinieren.
Auf dem Halbleiterchip 2 ist ein Strahlungskonversionselement 3 angeordnet. Das Strahlungskonversionselement 3 ist mit einer Haftschicht 4 an dem Halbleiterchip 2 befestigt. Beispielsweise enthält die Haftschicht ein Silikon oder ein Epoxid. Die Haftschicht 4 ist zweckmäßigerweise für die im aktiven Bereich 20 erzeugte Strahlung durchlässig.
Das Strahlungskonversionselement 3 weist eine Quantenstruktur 30 auf. Zur vereinfachten Darstellung sind in 1A zwei Quantenschichten 31 und zwei Barriereschichten 32 gezeigt. Die Zahl der Quantenschichten kann jedoch in weiten Grenzen variieren, beispielsweise zwischen einschließlich einer Quantenschicht und einschließlich 50 Quantenschichten.
Die Quantenstruktur 30 ist auf einem Substrat 35 des Strahlungskonversionselements 3 angeordnet. Beispielsweise ist das Substrat ein Aufwachssubstrat für die insbesondere epitaktische Abscheidung der Quantenstruktur 30. Das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten der Quantenstruktur 30 muss im Halbleiterbauelement 1 jedoch nicht vollständig enthalten sein, sondern kann vollständig oder teilweise während der Herstellung des Strahlungskonversionselements 3 entfernt worden sein.
Eine Peakwellenlänge der Primärstrahlung liegt beispielsweise im infraroten Spektralbereich. Beispielsweise liegt die Peakwellenlänge zwischen einschließlich 920 nm und einschließlich 1070 nm, insbesondere zwischen einschließlich 940 nm und 1000 nm.
Beispielsweise basiert der aktive Bereich 20 des Halbleiterchips 2 auf dem Materialsystem In_x Gay Al_1-x-y As_z P_1-z. Die Parameter der Materialzusammensetzung x, y und z sind insbesondere so gewählt, dass das Material auf einem GaAs-Substrat als Aufwachssubstrat einkristallin abscheidbar ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip 2 als ein Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildet, bei dem das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge mit dem aktiven Bereich 20 im fertigen Halbleiterchip nicht mehr vorhanden ist. Die Halbleiterschichtenfolge mit dem aktiven Bereich 20 ist mittels einer Verbindungsschicht 26 an einem Träger 29 befestigt. Der Träger 29 selbst muss nicht die hohen Anforderungen an die kristalline Reinheit eines Aufwachssubstrats erfüllen. Zwischen dem aktiven Bereich 20 und dem Träger 29 ist weiterhin eine insbesondere metallische Spiegelschicht 25 angeordnet, sodass im aktiven Bereich 20 erzeugte und in Richtung des Trägers 29 abgestrahlte Strahlung reflektiert wird und auf einer dem Träger 29 gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche 200 des Halbleiterchips 2 austritt.
Die im aktiven Bereich 20 erzeugte Primärstrahlung wird in der Quantenstruktur 30 des Strahlungskonversionselements 3 zumindest teilweise in Sekundärstrahlung konvertiert.
Die Barriereschichten sind hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung vorzugsweise derart gewählt, dass sie eine Bandlücke aufweisen, welche größer ist als eine Energie der Strahlung der Primärstrahlung mit der Peakwellenlänge. Dies ist in 2A anhand einer schematischen Darstellung von Valenzband E_V und Leitungsband E_C der Quantenstruktur 30 gezeigt. Die Primärstrahlung 5, dargestellt durch einen Pfeil, wird nicht in den Barriereschichten 32, sondern in den Quantenschichten 31 absorbiert. Eine dadurch resultierende Anregung 51 ist durch einen Pfeil veranschaulicht.
Nachfolgend kann die Sekundärstrahlung 6 mit einer größeren Wellenlänge, dargestellt durch einen Pfeil, emittiert werden. Diese Emission erfolgt beispielsweise von einem Grundzustand eines durch die Quantenschicht gebildeten Quantentopfs. Es erfolgt also eine direkte optische Anregung der Quantenschichten 31 und damit eine besonders effiziente Strahlungskonversion.
Bei dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Bandlücken der Quantenschichten 31 nicht oder nur geringfügig voneinander. Dadurch ergibt sich ein spektral schmalbandiges Emissionsspektrum.
Im Unterschied hierzu ist in 2B ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem sich mindestens zwei Quantenschichten 31 bezüglich ihrer Bandlücke voneinander unterscheiden. Über die Wahl der Materialparameter für die Quantenschichten 31 der Quantenstruktur 30 ist das Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements einfach und zuverlässig an eine vorgegebene Abstrahlcharakteristik anpassbar.
In den 3A bis 3D sind verschiedene Ausgestaltungen des Emissionsspektrums des Halbleiterbauelements gezeigt, wobei jeweils die Intensität in beliebigen Einheiten als Funktion der Wellenlänge A dargestellt ist. Die Linien 901 stellen jeweils die Primärstrahlung und die Linien 902 die Sekundärstrahlung dar. Bei dem in 3A dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Sekundärstrahlung genau ein Emissionsmaximum auf, welches ein globales Maximum darstellt.
Durch voneinander verschiedene Quantenschichten kann jedoch auch, wie in 3B dargestellt, ein Emissionsspektrum erzielt werden, bei dem die Sekundärstrahlung zwei oder mehr voneinander beabstandete Emissionsbanden mit voneinander verschiedenen Emissionsmaxima 9021 beziehungsweise 9022 aufweist. Beispielsweise kann der spektrale Abstand zwischen zwei Emissionsmaxima 9021, 9022 größer sein als die Summe der halben Halbwertsbreiten (half width at half maximum, HWHM) der Emissionsbanden, sodass das Emissionsspektrum deutlich voneinander verschiedene Emissionsmaxima in der Sekundärstrahlung aufweist.
Alternativ kann der Abstand zwischen benachbarten Emissionsmaxima auch geringer sein, wie in 3C dargestellt ist. In diesem Fall können sich die Emissionsmaxima 9021, 9022 und 9023 zu einem gemeinsamen spektral verbreiterten Emissionspeak überlagern, sodass sich das Halbleiterbauelement 1 spektral durch eine besonders breite Abstrahlung auszeichnet. Durch gezieltes Variieren der Quantenschichten kann also das Emissionsspektrum der Sekundärstrahlung verbreitert werden.
Auch das Spektrum der Primärstrahlung 901 kann, wie in 3D veranschaulicht, mehr als ein Emissionsmaximum aufweisen, beispielsweise ein Emissionsmaximum 9011 und ein weiteres Emissionsmaximum 9012.
Besonders geeignet für die Quantenstruktur 30 sind Materialien, welche auf InP epitaktisch abscheidbar sind.
Beispielsweise weist die Quantenstruktur zumindest ein Material aus der Gruppe der folgenden Materialsysteme auf: Ga_x In_1-x As_y P_1-y, In_x Ga_1-x As_y Sb_1-y, In_x Ga_1-x As, In_x Ga_1-x P_y Sb_1-y, In_x Al_1-x P_y Sb_1-y, wobei x und y jeweils so gewählt sind, dass die Gitterkonstante des Materials derjenigen von InP entspricht oder zumindest nahe kommt.
Für die Primärstrahlung eignet sich insbesondere eine Peakwellenlänge, welche mindestens 920 nm, beispielsweise mindestens 930 nm oder mindestens 940 nm, beträgt, sodass die Primärstrahlung von einem InP-Substrat 35 des Strahlungskonversionselements 3 und von Barriereschichten 32 aus demselben Material nicht absorbiert wird.
Der Anteil der Primärstrahlung im Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements 1 ist auch mittels des Bedeckungsgrads der Strahlungsaustrittsfläche 200 des Halbleiterchips 2 mit dem Strahlungskonversionselement 3 einstellbar. Dies ist anhand der 1B bis 1E veranschaulicht. Bei dem in 1B dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterchip 2 einen vorderseitigen Kontakt 45 in einem Eckbereich des Halbleiterchips 2 auf. Das Strahlungskonversionselement 3 weist eine Aussparung 39 auf, sodass der Kontakt 45 für die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements 1 zugänglich ist, beispielsweise mittels einer Drahtbondverbindung. Der aktive Bereich 20 ist vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig, beispielsweise mit einem Bedeckungsgrad von mindestens 90°, überdeckt. Die durch die Strahlungsaustrittsfläche 200 austretende Primärstrahlung muss also das Strahlungskonversionselement 3 durchlaufen, bevor sie an einer Vorderseite 10 des Halbleiterbauelements 1 austreten kann.
Im Unterschied hierzu bedeckt das Strahlungskonversionselement 3 bei dem in 1C dargestellten Ausführungsbeispiel den aktiven Bereich 20 des Halbleiterchips 2 nur teilweise, beispielsweise mit einem Bedeckungsgrad von höchstens 80 % oder von höchstens 60 %. Dadurch tritt ein signifikanter Anteil der Primärstrahlung seitlich des Strahlungskonversionselements 3 an der Vorderseite 10 des Halbleiterbauelements 1 aus. Dies ist insbesondere günstig, wenn die Primärstrahlung im Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements 1 gewünscht ist.
Die Ausführungsbeispiele in den 1D und 1E unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen gemäß 1B und 1C dadurch, dass der Kontakt 45 nicht in einem Eckbereich, sondern entlang einer Seitenfläche 27 des Halbleiterchips 2 verläuft. Bei dem in 1D dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt das Strahlungskonversionselement 3, wie im Zusammenhang mit 1C beschrieben, den aktiven Bereich 20 des Halbleiterchips 2 nur bereichsweise, sodass ein signifikanter Anteil der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 2 frei von dem Strahlungskonversionselement bleibt. Bei dem in 1E dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsaustrittsfläche vollständig oder im Wesentlichen vollständig von dem Strahlungskonversionselement 3 bedeckt. Hierfür kann das Strahlungskonversionselement eine einfache, beispielsweise rechteckige Form aufweisen.
In 4 ist veranschaulicht, welche Emissionswellenlänge mit bestimmten Materialsystemen erreicht werden können. Die Linien 905 und 906 veranschaulichen hierbei die Gitterkonstante von Galliumarsenid beziehungsweise Indiumphosphid. Hieraus ist ersichtlich, dass mit der Gitterkonstante von Galliumarsenid eine Emission im Spektralbereich zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm nicht ohne weiteres erzielbar ist. Das Materialsystem der Nitridhalbleiter 990 mit den Eckpunkten InN, GaN und AlN wächst im Unterschied zu den übrigen dargestellten Materialsystemen nicht in der Zinkblende-Struktur, sondern in der Wurtzit-Struktur auf und ist deshalb nicht ohne Weiteres mit den übrigen dargestellten Materialsystemen kombinierbar.
Mit der Gitterkonstante von InP ist Spektralbereich zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm jedoch erreichbar. Dies ist anhand eines Pfeils 908 zwischen zwei Linien 907 veranschaulicht.
In 5A sind Messungen der Intensität der abgestrahlten Strahlung für verschiedene Leuchtdioden, die jeweils auf einem GaAs-Substrat abgeschieden wurden, dargestellt. Während Strahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen 950 nm und
1000 nm effizient erzeugt werden kann, sinkt die Intensität für Vergleichsproben mit Peakwellenlängen über 1000 nm deutlich. Für eine direkte Strahlungserzeugung mit Peakwellenlängen über 1000 nm ist dieses Materialsystem also nur bedingt geeignet.
In 5B sind Messungen der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Leuchtdiode bei zwei verschiedenen Betriebsströmen gezeigt. Für diese Leuchtdiode wurden im aktiven Bereich bei einigen Quantenschichten die Schichtdicken vergrößert. Dadurch ergeben sich zwei Emissionsbanden, welche um etwa 15 nm voneinander beabstandet sind. Dies resultiert in einem verbreiterten Emissionsspektrum. Dieses Vorgehen ist auch auf die Quantenstruktur des beschriebenen Strahlungskonversionselements und auf andere Emissionswellenlängen übertragbar, wodurch ein verbreitertes Emissionsspektrum der Sekundärstrahlung erzielbar ist (vgl. 3C).
In 5C sind elektrooptische Messungen für zwei Substrate dargestellt, auf denen jeweils zwei aktive Bereiche, die über einen Tunnelübergang miteinander elektrisch verbunden sind, abgeschieden sind. Der Kurve 910 liegt eine Struktur zugrunde, bei der ein erster aktiver Bereich Quantenschichten für eine Emission bei 810 nm und Quantenschichten für eine Emission bei 1020 nm aufweist. Ein zweiter aktiver Bereich weist Quantenschichten für eine Emission bei 850 nm und Quantenschichten für eine Emission bei 940 nm auf. Dieses Vorgehen ist auch auf die Quantenstruktur des beschriebenen Strahlungskonversionselements und auf andere Emissionswellenlängen übertragbar, wodurch ein Emissionsspektrum der Sekundärstrahlung mit einzelnen, voneinander beabstandeten Emissionsbanden erzielbar ist (vgl. 3D).
Die Kurve 920 basiert auf einer modifizierten Struktur, bei der einige Quantenschichten der Emissionsbanden bei 810 nm und 850 nm gezielt mit einer größeren Schichtdicke ausgebildet wurden. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Emission bei etwas größeren Wellenlängen. Das Spektrum weist also einzelne Emissionsbanden auf, wobei die Emissionspeaks teilweise gezielt verbreitert sind.
Insgesamt belegen die Messergebnisse der 5B und 5C die große Flexibilität in der Gestaltung des Emissionsspektrums einer Quantenstruktur.
In den 6A bis 6C ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements beschrieben. Auf einem Substrat 35 wird, wie in 6B dargestellt, eine Halbleiterschichtenfolge 300 mit einer Quantenstruktur 30 epitaktisch abgeschieden. Nachfolgend erfolgt eine Vereinzelung in eine Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen 3. Das Vereinzeln erfolgt beispielsweise mechanisch, etwa durch Sägen, chemisch, etwa durch Ätzen, oder mittels Lasertrennens.
Vor oder während des Vereinzelns können auch Aussparungen für die herzustellenden Strahlungskonversionselemente realisiert werden. So sind auf einfache Weise Strahlungskonversionselemente herstellbar, welche keinen rechteckigen Querschnitt aufweisen (vergleiche das in 1B dargestellte Strahlungskonversionselement 3 mit der Aussparung 39).
Die so hergestellten Strahlungskonversionselemente können im Übrigen wie im Zusammenhang mit den vorangegangenen Figuren beschrieben ausgebildet sein und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Die vereinzelten Strahlungskonversionselemente 3 können nachfolgend zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf Halbleiterchips aufgesetzt und an diesen befestigt werden.
Dadurch ist die Größe der Substrate 35 für die Strahlungskonversionselemente 3 unabhängig von der Größe der Substrate, auf welcher die Herstellung der Halbleiterchips erfolgt. So können beispielsweise kostengünstigere 4"-Substrate für die Strahlungskonversionselemente verwendet werden, auch wenn die Herstellung der Halbleiterchips auf der Basis von 6"-Prozessen erfolgt.
Das in den 7A bis 7C dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem im Zusammenhang mit den 6A bis 6C beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Substrat 35 nach der Abscheidung der Quantenstruktur 30 ( 7A) gedünnt wird, beispielsweise durch ein mechanisches Verfahren wie Schleifen (7B). Nachfolgend erfolgt das Vereinzeln (7C). Dadurch kann die Dicke des im Strahlungskonversionselement 3 verbleibenden Substrats verringert werden. Je geringer die Dicke des Substrats ist, desto geringer kann der Anteil der Strahlung sein, welcher seitlich aus dem Strahlungskonversionselement austritt.
Beispielsweise weist das Strahlungskonversionselement nach dem Dünnen eine Dicke von höchstens 200 µm auf.
In den 8A bis 8D ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Strahlungskonversionselemente 3 frei von dem ursprünglichen Substrat hergestellt werden können. Hierfür ist zwischen dem Substrat 35 und der Quantenstruktur 30 eine Opferschicht 37 angeordnet (8B). Diese Opferschicht kann nachfolgend entfernt werden, beispielsweise durch ein selektives Ätzverfahren, sodass die Quantenstruktur 30 und das Substrat 35 voneinander getrennt werden (8C).
Das Trennen von Quantenstruktur und Substrat erfolgt zweckmäßigerweise vor dem Vereinzeln (8D), sodass das Substrat 35 in einem weiteren Herstellungszyklus erneut für die Abscheidung einer Halbleiterschichtenfolge verwendet werden kann. Durch diese Wiederverwendung des vergleichsweise kostenintensiven Aufwachssubstrats können die Herstellungskosten für das Strahlungskonversionselement weiter reduziert werden. Zudem sind besonders dünne Strahlungskonversionselemente herstellbar.
Bei dem in den 9A bis 9D beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das Substrat 35 Trennkeime 38 auf. Diese Trennkeime können beispielsweise durch eine Ionenimplantation in das Substrat eingebracht werden. Beispielsweise eignet sich eine Implantation von WasserstoffIonen.
Dies kann bereits vor der Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge für die Quantenstruktur 30 (9B) erfolgen. Davon abweichend ist auch denkbar, zuerst die Quantenstruktur 30 abzuscheiden und nachfolgend die Trennkeime 38 auszubilden.
Entlang der Trennkeime 38 kann das Substrat 35 aufgespalten werden, beispielsweise durch thermisches Absprengen ( 9C). Dadurch entsteht ein abgetrennter Teil 351 des Substrats.
Abschließend kann die Vereinzelung wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben erfolgen (9D).
Der abgetrennte Teil 351 kann, gegebenenfalls nach einer Aufbereitung der Oberfläche des Substrats, wie im Zusammenhang mit den 8A bis 8D beschrieben, wieder verwendet werden.
Mit dem beschriebenen Halbleiterbauelement 1 und dem beschriebenen Herstellungsverfahren kann auf besonders effiziente Weise Strahlung im infraroten Spektralbereich, insbesondere zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm, erzeugt werden. Das Emissionsspektrum kann an die jeweiligen Anwendungen für das Halbleiterbauelement auf einfache Weise angepasst werden, insbesondere durch Wahl der Materialzusammensetzung und Schichtdicken für die Quantenschichten der Quantenstruktur.
Beispielsweise eignen sich die Halbleiterbauelemente als Lichtquellen für Analytikanwendungen, etwa zur Wasser- oder Feuchtedetektion. Die Sekundärstrahlung kann das Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements alleine bilden oder zusätzlich zur Primärstrahlung vorhanden sein.
Weiterhin kann, insbesondere in Verbindung mit einem als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildeten Halbleiterchip 2, eine überwiegende Strahlungsemission an der Vorderseite des Halbleiterbauelements erzielt werden, sodass die räumliche Abstrahlcharakteristik über ein nachgeordnetes optisches Element vereinfacht formbar ist.
Hierfür kann auf Dünnfilm-Technologie zurückgegriffen werden, bei welcher GaAs-Aufwachssubstrate entfernt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterbauelement
10: Vorderseite
2: Halbleiterchip
20: aktiver Bereich
200: Strahlungsaustrittsfläche
21: erste Halbleiterschicht
22: zweite Halbleiterschicht
25: Spiegelschicht
26: Verbindungsschicht
27: Seitenfläche
29: Träger
3: Strahlungskonversionselement
30: Quantenstruktur
300: Halbleiterschichtenfolge
31: Quantenschicht
32: Barriereschicht
35: Substrat
351: abgetrennter Teil
37: Opferschicht
38: Trennkeim
39: Aussparung
4: Haftschicht
45: Kontakt
46: weiterer Kontakt
5: Primärstrahlung
51: Anregung
6: Sekundärstrahlung
901: Kurve
9011: Maximum
9012: Maximum
902: Kurve
9021: Maximum
9022: Maximum
9023: Maximum
905: Linie
906: Linie
907: Linie
908: Pfeil
910: Kurve
920: Kurve
990: Materialsystem der Nitridhalbleiter

Claims

Halbleiterbauelement (1) mit einen Halbleiterchip (2) und einem Strahlungskonversionselement (3), das auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, wobei - der Halbleiterchip einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung (5) mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist; - das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur (30) aufweist; - die Peakwellenlänge der Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt; und - die Quantenstruktur die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung (6) umwandelt, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Quantenstruktur eine Mehrzahl von Quantenschichten (31) aufweist, die durch Barriereschichten (32) voneinander getrennt sind, wobei die Barriereschichten eine Bandlücke aufweisen, welche größer ist als eine Energie der Strahlung mit der Peakwellenlänge.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei die Quantenstruktur zumindest zwei Quantenschichten aufweist, welche sich bezüglich ihrer Bandlücke voneinander unterscheiden.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenstruktur eine Gitterkonstante von InP aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenstruktur zumindest ein Material aus der Gruppe der folgenden Materialsysteme aufweist: Ga_x In_1-x As_y P_1-y, In_x Ga_1-x As_y Sb_1-y, In_x Ga_1-x As, In_x Ga_1-x P_y Sb_1-y, In_x Al_1-x P_y Sb_1-y, wobei x und y jeweils so gewählt sind, dass eine Gitterkonstante des Materials derjenigen von InP entspricht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des Halbleiterchips in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement zu höchstens 80 % überdeckt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des Halbleiterchips in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement zu mindestens 90 % überdeckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement eine Dicke von höchstens 200 µm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip einen Träger (29) aufweist und zwischen dem aktiven Bereich und dem Träger eine Spiegelschicht (25) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen (3) mit den Schritten: a) Abscheiden einer Halbleiterschichtenfolge (300) mit einer Quantenstruktur (30) auf einem Substrat (35); und b) Vereinzeln der Halbleiterschichtenfolge in die Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Substrat zumindest teilweise von der Quantenstruktur entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine Opferschicht (37) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem Trennkeime (38) in das Substrat eingebracht werden und ein Teil des Substrats entlang der Trennkeime abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem zumindest ein Teil des Substrats in einem weiteren Herstellungszyklus des Verfahrens für Schritt a) wiederverwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das Substrat vor Schritt b) gedünnt wird.